（信号与信息处理专业论文）基于gprs的无线监控与数据采集系统技术的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于g p r s 的无线监控与数据采集系统技术的研究 摘要 监控与数据采集系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简 称s c a d a ) 在工业控制领域中有很长的历史并且具有十分重要的意 义。它可以对分散的、无人值守的现场数据进行定时采集，并且可以 发送简单的控制命令。它将先进的计算机技术、通信技术有机结合为 一体，适合于地域广阔的各种环境。 ， 建设专用的有线或无线网络是传统监控系统的实现方式，这需要 高额的建设和维护费用。随着无线通信技术的迅速发展，提供给我们 一种成本更低廉、速度更快捷的通信方式，通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 。 ； f ， 1 本文论述了g p r s 网络结构和工作原理，在此基础上分析了 f t c p p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o v i n t e r n e tp r o t o c o l ，简称t c p 碑) 协议在g p r s 网络中的实现和改进。利用二维马尔可夫数学模型对 g p r s 网络性能进行了仿真分析，仿真结果证明了该通信方式的有效性 和可行性。就此提出了一种基于g p r s 的无线监控及数据采集系统；， 2 认真研究了终端的功能需求，并给出了合理的规划设计，根据 太缀壤工大学娥士礤究生学位圣幺文 功裁需求和规划设计对远程终端硬件的各令功能模块进行了分辑和设 。 计，并对其硬件电路进行了实现和调试，调试结果符合工作要求。在 硬箨设计豹基穑上，分析磷究了远程终赣懿软辞系统静功麓需求，并 ， 对其进行了认真的设计。通过该设计降低了其生产成本，并大大提高 了它在不同环境下的实用性； 一 3 。本文仔细她分析了无线监羧与数据采集系统的功能霭求及主簧 特点，并设计出了系统的总体结构。结合系统的功能需求特点和总体 。 t 结梅，瘸雳m i c r o s o f t 公司v i s u a lc + + 编程软俘强大豹s o c k e t 瓣络编程 功能对监控中心的上位机监控软件进行了设计。通过该设计大大提高 了监控中心的监控能力和上位机的移动监测管理髓力。 ：4 。镕 r 关键词：光线监控，数据采集，通用分组光线盈务，远程终端，蘸羧 中心 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho fr a d i os u p e r s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e d0 ng p r s a b s t r a c t 。s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( s c a d a ) h a sal o n g ，h 。 t。 i ； 一 h i s t o r ya n dav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d i tc o u l d 4 。 f i 。， 。 + ”7 o b t a i nt h es p o td a t ao fs o m ed i s p e r s i v eo ru n w a t c h e do c c a s i o n sa tr e g u l a r i n t e r v a l sa n ds e n ts i m p l ec o n t r o lc o m m a n d s i tc o u l do r g a n i c a l l yc o m b i n e t h ec o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt h et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，b es u i t a b l e - ， f o rm a n yk i n d so f w i d ef i e l d s # n4 t 7 q 。 t h ec o n s t r u c t i o no fs p e c i a lc a b l eo rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。 j i st h et r a d i t i o n a li m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ho fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m , ，t，#。、 ， f i 7 w h i c hw i l li n c l u d eac o n s i d e r a b l ec o s tt oc o n s t r u c ta n dm a i n t a i n w i t ht h e 一 。 e x p l o s i v ed e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , ak i n do fn e w ， l o w - c o s ta n dw i d e - b a n dc o m m u n i c a t i o nm e t h o dw i l lb ep r o v i d e d , w h i c hi s f_ t， g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) 。 f ， 。 1 t h i sp a p e rg i v e sad i s c u s s i o no nt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o na n dw o r k i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r i n c i p l eo fg p r s ，f u r t h e ra n a l y z i n gt h er e a l i z a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n t “ o ft c p i pi nt h eg p r sn e t w o r k m a k i n gu s eo ft w o d i m e n s i o nm a r k o v m a t h e m a t i cm o d e lt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i sw e r em a d et ot h en e t w o r k - ， p e r f o r m a n c eo fg p r s 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n d 7 ； 野 f e a s i b i l i t yw i t ht h i sw a y t h e r e f o r eak i n do fr a d i os u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ng p r ss h o u l db eb r o u g h tf o r w a r d ； l 2 ar e a s o n a b l ef u n c t i o n a ld e s i g ni sw o r k e do u tw i t has e r i o u s ， r e s e a r c ho ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h et e r m i n a l ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h e ；- t ， 。 。，一， 、i a n a l y s i sa n dd e s i g no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e so fr e m o t et e r m i n a lu n i t “ j 。， ， ，。，+ 。 h a r d w a r ea r em a d e ；a l s ot h ei m p l e m e n ta n dd e b u g g i n go fr e m o t et e r m i n a l t 。 u n i t sc i r c u i tb o a r da r ec a r r i e do u t 。w h i c h sr e s u l tm e e t sc o m m a n d so fw o r k b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft e r m i n a l s r + j ；，。l 。 ，” s o f t w a r es y s t e mi sa n a l y z e da n ds e r i o u s l yd e s i g n e dt o o t h ec o s to f p r o d u c t # 一 ，。 w i l lb em u c hr e d u c e d ；i t sv a l i d i t yf o rd i f f e r e n tk i n d so f e n v i r o n m e n tw i l lb e 。 g r e a t l yi m p r o v e d 3 t h i sp a p e ra l s oi n c l u d e sac a r e f u la n a l y s i sa b o u tt h ef u n c t i o n a l 一一 一“一一一一j ，i 一。， 一一 c h a r a c t e r i s t i c so fr a d i os u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d 。 “ “ ，_ ag r o s ss t r u c t u r ed e s i g no f t h i ss y s t e m c o m b i n e df u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ； ， ， ， a n dg r o s ss t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mt h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r eo f ， ； ， ，茹 c o n t r o lc e n t e r i sd e s i g n e dw i t ht h ep o w e r f u ln e t w o r kp r o g r a m m i n g i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 f u n c t i o no fm i c r o s o f tc o m p a n y sv i s u a lc + + p r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h e m o b i l es u p e r v i s i n ga n dm a n a g i n gf u n c t i o no fc o n 仃o lc e n t e rw i l lb eg r e a t l y i m p r o v e dw i t ht h i sd e s i g n k e yw o r d s ：r a d i o s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，r e m o t et e r m i n a lu n i t ，c o n t r o lc e n t e r v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均暑在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任内本人承攫。 论文作者签名：琴k 焉丧顿 论文作者签名：2 塾亘：! !日期：咝2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名：乏基玉亟 导师签名：雏 墨期：之亟，坚：! ! 日期：竺i ：竺竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 监控与数据采集系统( s c a d a ) 概述 监控与数据采集系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 。 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场 的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各 类信号报警等各项功能。在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量，工艺 数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化工业生产 必不可少的基本手段。从单台计算机的直接监测控制到多级计算机监测控制系统， 以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。 、 1 1 1s c a d a 系统的发展历程 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。s c a d a 系统发 展到今天已经经历了三代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力自动化研究 院为华北电网开发的s d l 7 6 系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统 所设计的h 一8 0 m 系统。这一阶段是从计算机运用到s c a d a 系统时开始到7 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用v a x 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统。在 这一阶段，s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制 ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r o l ，简称a g c ) 以及网络分析结合到一起构成了能量 管理系统系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 。第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维 护，升级以及与其它联网构成很大困难。 一 第三代是9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 术的能够实现大范围联网的s c a d a e m s 系统。这一阶段是我国s c a d a e m s 系 统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进s c a d a e m s 系统中。 第四代s c a d a e m s 系统的基础条件已经或即将具备，预计将与2 1 世纪初诞 生。该系统的主要特征是采用i n t e m e t 技术、面向对象技术、神经网络技术以及j a v a 技术等技术，继续扩大s c a d a e m s 系统与其它系统的集成，综合安全经济运行 以及商业化运营的需要。 1 1 2s c a d a 系统基本功能 r 、 计算机监控系统，是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构， 与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产 过程的检测、监督和控制功甜1 】 1 采集和处理功能：主要是对生产过程的各种模拟和数字量进行检测、采样 和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等。为生 产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 2 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令 和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和 历史数据加以储存。 。 ， 、 ， 3 管理功能：利用己有的有效的数据、图像、报表等对工作情况进行分析、 故障诊断、险情预测。并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 4 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成 控制输出，直接作用与生产过程。* - ， 随着i n t e r a c t 技术的推广和g p r s 通信技术的发展1 2 ，远程监控系统将会更紧 密地与现代通信技术相互结合，s c a d a 技术也越来越得到了广泛的应用。 1 2 课题的研究背景及意义 t 在一些恶劣地理环境中，要进行一些测量控制工作时会因为突发的事件使得 通信中断，从而也中断了随时监测这一环境的工作，例如：在抗洪中，如果报告 ， 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 人不能即时联系到指挥部，那会引起很大的损失；还有在行水监控中，如果采用 无线遥测系统，不仅能节省大量的人力、物力，还能对这些重点环境进行随时的 监控。移动通信网的发展，使得无线四遥( 遥测、遥控、遥迅、遥调) 技术也越 来越成为研究的热点 3 , 4 1 。 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机软件技术、通信技术、自动化技术、数 据库技术、网络技术等技术的发展紧密相关。s c a d a 系统的通信技术是制约其应 用范围的最主要的因素，在很多情况下，通信条件的好坏直接决定s c a d a 系统的性 能。而g p r s 技术发展成熟到能够应用为s c a d a 系统提供了一种新的通信方式 【绷。 。 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) ，是在现有全球 移动通信系统( g l o b a ls y r s t e mf o rm o b i l e ，简称g s m ) 网络上开通的一种新型的 数据传输技术，g p r s 采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才占用无线 资源。g p r s 理论上可提供高达1 7 1 2 k b i t s 的传输速率，这意味着通过便携式电脑， g p r s 用户能和综合业务数字n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，简称i s d n ) 用 户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可 能。除了速度上的优势外，g p r s 还有“永远在线”的特点，即用户可随时与网络保 持联系。另外分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大 幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率。因此基于g p r s 网络的 s c a d a 系统结构紧凑、功能强和实时性强等特点又可以利用g p r s 网络进行数据 传输，扩展了s c a d a 系统的应用范围，使得该系统可以广泛适用于水情远程监控、 信用卡确认( p o i n to f s e l l s ，简称p o s ) 等场合。1 7 明 。， 1 3 本文主要工作及安排 s c a d a 系统的通信方式是制约其应用范围的最主要的因素。从目前情况看， 它已经成为了s c a d a 系统发展的瓶颈。在很多情况下，通信条件的好坏直接决定 s c a d a 系统的性能，而g p r s 技术的发展成熟及广泛应用为s c a d a 系统提供了 一种新的通信方式。本文认真详细地分析了g p r s 系统，研究了将其运用于s c a d a 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统中现实可行的方案。其中重点研究了g p r s 远程终端的软硬设计，解决了数 据及控制命令的t c p i p 协议打包分包问题以及g p r s 终端自动附着网络问题，并 讨论了监控中心的程序设计方法。 本文的结构安排如下： ， 。 第一章中概述了监控与数据采集系统( s c a d a ) 的发展和主要功能，分析了本 课题的研究背景和意义，并依此总结了基于g p r s 网络的无线监控与数据采集系 统的必要性。 ，第二章中详细论述了g p r s 网络的工作原理、系统组成及相关接口并介绍了 g p r s 网络的应用范围，为本文后面的研究作基础。 第三章中简述了t c p i p 网络技术原理，并且分析了t c p i p 协议在g p r s 网 络中的实现和改进；并且运用二维马尔可夫数学模型对g p r s 网络进行分析研究， 因而对g p r s 网络性能有了定量的认识，并提出了基于g p r s 网络通信的s c a d a 系统方案。； ， ， 第四章中根据前面的分析和研究的基础，认真分析研究了其远程终端主要功 能和特点，并对终端的各个硬件功能模块进行了合理的分析设计与实现调试。此 外在硬件设计的基础上还对远程终端的软件系统进行了详细的分析设计一 第五章中研究分析了s c a d a 系统的总体功能需求和主要特点，就此提出了基 于g p r s 的无线监控及数据采集系统的总体设计结构，在此基础上对上位机的软 件监控系统进行了合理的总体规划设计与实现。此外还论述了无线监控与数据采 集系统广泛的应用前景。 ， 第六章中总结了全文工作，并且对未来的研究方向进行了展望。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章g p r s 系统原理及网络结构 2 1g p r s 网络概述 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e m i t e ，简称g p r s ) ，即是在现有的 全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ，简称g s m ) 系统上发展出来的一 种新的分组数据承载业务【5 】，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。基于 这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区 别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输【9 】，也适用于偶尔的大数 据量传输。以g p r s 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观 的各类应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。 2 1 1g p r s 的产生与发展 蜂窝移动通信自2 0 世纪8 0 年代大规模投入使用以来，经过多年的发展，已 呈现出日趋繁荣的局面。移动通信业务至今为止仍是传统的语音通信占主导地位。 但随着用户量和业务量的激增，运营商之间竞争将加剧，单一的语音业务的收益 增长空间己经越来越有限，发展移动数据业务就成了移动通信运营商的战略发展 方向。 一 随着m t e r n e t 的发展，人们看到了数据通信的巨大潜力，移动与数据的结合已 经成为移动通信发展的趋势。g p r s 技术的出现，加快了移动通信承载数据业务方 面的发展。据预测，到2 0 0 5 年移动通信业务量中语音所占的比例约为3 0 * * ，其余 7 0 将是移动数据业务移动数据通信开始进入快速发展阶段。， ， 现在，第二代移动通信( g s m ) 仍在迅猛发展之中，但人们已经开始有了对第三 代移动通信业务一主要是对高速移动数据的需求。人们希望在移动状态下，通过 便携式计算机或移动手机也能进行数据通信和接入因特网，这就形成了当前移动 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 通信网发展的新趋势。具有宽带数据通信和多媒体通信能力是第三代移动通信的 主要特征，这就要求网络必须能够提供快速分组交换能力。除此之外，人们最关 注的问题当然是第二代移动通信网络如何接近到第三代。在第二代移动通信网络 中，9 0 以上的业务都是语音及其增值业务，而第三代技术则为综合媒体通信而设 计，语音业务为其子业务。如此巨大的反差应考虑两代网络之间如何平滑过渡， 权衡再三的结论是：通过技术的平滑过渡，而不是用第三代技术直接另起炉灶。基 于g s m 系统提出的g p r s 方案，是迎合平滑过渡策略的最主要的方案。 g p r s 的现状己经发展成熟1 6 】，目前，全世界己有近百个运营商开通了商用系 统、试商用系统或实验系统。从1 9 9 9 年开始，英国的b t c e l l n e t , 荷兰的t e l f o r t 、 中国香港的s m a t o n e 等多个国家和地区的运营商，纷纷在其g s m 网络基础上叠 加发展g p r s 。2 0 0 1 年各运营商有了非常大的发展，2 0 0 2 年基本进入商用化。 随着网络覆盖的不断扩大和用户数量的不断增加，中国移动和中国联通也都 在积极采用新技术，推出新业务。除基本话音业务外，两家公司都开通了三类传 真、9 6 0 0 波特及以下数据业务、语音信箱、移动秘书、短消息、移动互联网、手 机拨打i p 电话、信息点播、手机银行，w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，简称 w a p ) 业务等形式多样的业务。运营商们发现，一方面，短消息业务因其价廉、 随时随地收发信息，不受关机影响的特点而倍受用户青睐，发展态势喜人：而另 一方面，w a p 业务虽然宣传描绘得很好，用户也十分想用，但实际应用却并不理 想。 w a p 业务之所以不能广泛推广的主要原因是它是基于g s m 电路交换数据 ( c i r c u i ts w i t c h e dd a t a ，简称c s d ) 方式承载的，c s d 的速率低，并且资费政策不 符合用户实际应用的需要。c s d 方式的明显缺陷就是造成了无线资源的浪费和用 户费用较高，用户对g s m 数据业务需求的积极性就这样被抑制了，即便使用w a p 业务也不能从根本上解决这一问题。而g p r s 将改变这一现状，由于它是基于p 协议的二层协议，因此g p r s 可提供与因特网更有效的连接。 2 1 2g p r s 的主要优点 g p r s 与g s m 电路交换数据传送方式相比较，g p r s 具有如下优点：【1 川 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 g p r s 采用分组交换技术，商效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用。 2 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配 1 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配 是独立的。 3 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i v s 的数据传输速率( 每用户) 。 g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 2 、c s 3 和c s q 四 种编码方案。 ， ， 4 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 5 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ，简称s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 6 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。它支持四种不同的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，简称q o s ) 级别。g p r s 能在o 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 7 在g s m 公用陆地移动通信网( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，简称p l m n ) 中， g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节点( s e r v i n gg p r s s u p p o r t i n gn o d e ，简称s g s n ) ，它和移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e ，简称 m s c ) 在同一等级水平，并跟踪单个移动台( m o m l es t a t i o n ，简称m s ) 的存储单元， 实现安全功能和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，简称g g s n ) ，g g s n 支持与外部分组 交换网的互通，并经由基于p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 8 g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由 s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样， 不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备 似o b i l ee q m p m t ，简称m e ) 可通过用户标识模块( s u b f i b e ri d e a f i t ) ，m o d d e ， 简称s m i ) 访问g p r s 业务，不管这个s i m 卡是否具备g p r s 功能。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某一特定的 蜂窝。m s 在重新选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知网络。 l o 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告 知网络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进行如下操作：接 收基于g p r s 的s m s 服务、经由s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 1 1 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 m s 可被相应的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的互通。 1 2 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和 隧道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这 种透明的传输方法缩减了g p r s 的p l m n 对外部数据协议解释的需求，而且易于 在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传 输高效且可靠。 ， ， 1 3 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功 能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 1 4 g p r s 的核心网络层采用p 技术，底层款可使用多种传输技术，很方便地 实现与高速发展的讲网无缝连接。 2 2g p r s 的系统结构 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户 能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构1 1 1 , 1 2 】如图2 - 1 所示。 g p r s 网是在g s m 网的基础上增加以下功能实体构成的：服务g p r s 支持节 点( s g s n ) ，网关g p r s 支持节点( g g 踟和点对多点服务中，心, ( p o i n t - t o - m u l t i p o i n t s e r v i c ec e n t e r ，简称p t m s c ) 。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并 采用新的g p r s 移动台；g p r s 要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现g p r s 骨干网互联；g s m 网络系统要进行软件更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令 等。g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 - 2 所示。g p r s 网络上增加了一些接口如图2 - 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 所示1 1 3 , 1 4 1 。 图2 - 1g p r s 系统结构 f i g 2 1g p r ss y s t e ms t r u c t u r e ，j 一信令和传输接口 图2 - 2 g p r s 骨干网的逻辑结构 。 。 f i g 2 - 2g p r sc o r el o g i c a ls t r u c t u r e ? j g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过 c - p 接口连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接口用于无线 通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 口接入g p r sp l m n ，r 则是m t 和t e ( t e r m i n a le q m p m e n t ，简称t e ) 之间的参考 点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成，它们通过r 参考点组成一个整体，另外， m s 也可单独由一个移动终端( m o n l e t e r m i n a l ，简称m t ) 组成。对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( ( p l m n ) ，当它运行g p r s 业务时可能涉及到任何其他网络， 这时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g i 参考点和g p 接口实现同其他 网络的互通。 r 。 + 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，它本身具有g s m 和g p r s 业务运营商 提供的地址，这样分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直 接发送数据。另外g p r s 支持与基于m 的网络互通，当在t c p 连接中使用数据报 时，g p r s 提供t c p i p 报头的压缩功能。g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一 种方式，但从其根本性质上说，他也属于口网络，所以它能广泛应用于p 域。其 移动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网问互通协议实现全球网 间通信。 2 3g p r s 网络工作原理 2 3 1g p r s 网络传输平台 - ， 传输平台由一个分层协议结构组成【7 1 5 】。其用于用户信息传输以及与此相关的 信息传输中的过程控制( 例如：流量控制、检错、纠错和错误恢复等) 。传输平台通 过底层无线接口和网络子系统( n e t w o r ks w i t c l l i n gs u b s y s t e m ，简称n s s ) 平台连接， 这种独立性是通过保留g b 接口来实现的。g p r s 传输协议平台如图2 3 所示。 1 g p r s 隧递协议( g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l ，简称g t p ) 一 一 一 g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输。所有的点 对点p d p 协议数据单元& d pd a mu m t ，p d u ) 将由g t p 协议进行封装。g t p 是 g p r s 骨干网中g s n 节点之间的互联协议，它是为g n 接口和g p 接口定义的协 议。在g s m 0 9 6 0 中对g t p 作了规范。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 a p p h c a t m n i p x 2 5i p ，) ( 2 5 s n d c pk 1 少 s n d c p t mg t pg t p l l c l l c r e l 。y u d p 厂i c p u d p 厂i c p r l c r l c 吒s s g pb s s g pi pi p n e t w o r kn e t w o r k m a cl 2l 2 s e r v i c es e w i c e 0 s m r f0 s m r fl l b i sl l b i s l il i ， 图2 - 3 g p r s 传输协议平台 f i g 2 - 3g p r st r a n s f e rp r o t o c o lp l a t f o r m 2 t c p 协议( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，简称t c p ) 在g p r s 骨干网中需要一个可靠的数据链路( 如x 2 5 ) 进行g t pp d u 的传输时， 所用的传输协议是t c p 协仪。如果不要求一个可靠的数据链路( 如i p ) ，就使用u d p 协议来承载g 口中的p d u 。t c p 提供流量控制功能和防止g t pp d u 丢失或破坏 的功能。u d p 提供防护g t pp d u 受到破坏的功能。 3 网际协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，简称 ) 这是g p r s 骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路g p r s 骨干网最 初是建立在i p v 4 协议基础上的，随着i p v 6 的广泛使用，g p r s 会最终采用i p v 6 ； 协议。 4 子网相关融合协议( s u b n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，简称s n d c p ) 这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。它的主要作用是完成 传送数据的分组、打包，确定t c p i p 地址和加密方式。在s n d c 层，移动台和 s g s n 之间传送的数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单元 生成后被放置到l l c 帧内s n d c p 在g s m 0 4 6 5 中有说明。 。 5 逻辑链路控制( l o 西c a ll i n kc o n t r o l ，简称l l c ) 1 1 日 l l c 是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议，能够提供高可靠 的加密逻辑链路。逻辑链路控制层负责从高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 、 - l l c 地址、帧字段，从而生成完整的l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的 寻址和数据帧的重发控制。l l c 独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他 可选择的g p r s 无线解决方案时，对网络子系统n s s 的改动程度最小。g s m 0 4 6 4 对l l c 进行了规范。 6 中继转发( r e l a y ) 在b s s 中，这项功能中继转发u m 和g b 接口问的l l c p d u ，在s g s n n 中， 这项功能是转发g b 和g n 接口间的p d p p d u 。 ， ； 7 g p r s 基站系统协议( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c o l ，简称b s s g p ) 这个层用来传输在b s s 和s g s n 之间与选路服务质量有关的信息。b s s g p 没 有纠错功能。g s m 0 8 1 8 对b s s g p 进行了规范。 。 。 口 * “ 8 网络服务( n e t w o r ks e r v i c e ，简称n s ) 这个层传输b s s g pp d u 。n s 以b s s 和s g s n 之间的帧中继连接为基础，而 且有多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。g s m 0 8 1 6 对n s 进行了规范。 9 无线链路控铝l j ( r a d i ol i n kc o n t r o l ，简称r l o 介质访问控制( m e d i aa c c e s s c o n t r o l ，简称m a c ) 。 这个层具备两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解 决方案的可靠链路。二是介质访问控制功能，它的主要作用是定义和分配