（交通信息工程及控制专业论文）基于GSM车载无线数据传输系统的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - 摘要 随着我国列车运行速度的提高以及客流量的大幅度增加- 如何保证 将机车车辆的运行状态等技术参数实时传输给运输指挥和管理部门，以及 如何及时、可靠、安全地将地面调度信息告知机车乘务员，实现运输安全 的有序可控、确保行车安全是急需解决的技术问题之一。 本文基于这一背景，以g s m 无线通信公众网作为传输平台，利用 g s m 系统的数据、语音、短信息业务开发研制了车载无线数据传输系统。 本文首先介绍了g s m 网络的体系与协议结构，然后详细分析了车载 无线数据传输系统的应用特点，在此基础上，提出了车载无线数据传输系 统的协议结构。 本文随后结合车载无线数据传输系统的使用环境，给出了车载无线 数据传输系统的软硬件构成，并阐述了各个软件模块的相互之间的关系。 本文迸一步研究了串口与s o c k e t 通信机制，在详细分析了g s m m o d e m 的a t 命令集后，完成了通信模块的软件开发。 本文在对比分析了几种流量控制协议的优缺点基础上，选择了以滑 动窗口作为数据链路层的流量控制机制。详细她研究了时延、帧长、窗口 大小和帧结构等问题以及滑动窗口实现的策略。其次，分析了有线局域网 与无线局域网的特点，提出了一种基于有线无线异构网络作为车载无线 数据传输系统的网络结构，讨论了存储转发、用户注册、地址与路由管理 和呼叫控制等网络层问蹶。并结合车载无线数据传输系统的实际特点，具 体说明了车载无线数据传输系统的设计与实现过程。 本文最后分析了g s m 短消息业务的特点，细致地阐述了短消息的收 发、管理、存储转发以及与数据业务、语音业务的并发实现等功能。结合 车载无线数据传输系统的特点，给出了g s m 短消息业务在系统中的应用。 关键词：g s m 网络协议串口通信套接字存储转发短消息 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s c r a c t w i t i lt h ei m p r o v e m e n to ft r a i ns p e e da n dt h eq u a n t i t yo fp a s s e n g e r i n c r e a s i n g ，h o w t oi n f o r mt r a f f i cd e p a r t m e n t sp a r a m e t e r sa b o u tt r a i 。ni ng o o d t i m ea n d r e p o r tv e h i c l e d i s p a t c h i n gi n f o r m a t i o n t ot r a i n m a ns oa st og u a r a n t e e s e c u r i t yo ft r a i n s r u na n dm a n a g e m e n to ft r a f f i cd e p a r t m e n ti ss t i l lo n eo f q u e s t i o n s w h i c ha r ei nd i r en e e d o fs o l u t i o n 。b a s e do nt h i s ，u t i l i z i n gg s m d a t as e r v i c ea n dg s mv o i c es e r v i c ea n d g s ms h o r t m e s s a g es e r v i c e ao n b o a r dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h i c hu s e sg s ma st r a n s p o r t i n gt o o li se x p l o r e da n dp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a tf i r s t t h ea r c h i t e c t u r eo fg s m s y s t e ma n dg s mp r o t o c o la r c h i t e c t u r e a r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dt h e nd i s c u s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo n - b o a r d w i r e l e s sc o m m 、u n i c a t i o ns y s t e mi nd e t a i l , b a s e do n t h i s ，p r o t o c o la r c h i t e c t u r eo f t h eo n b o a r dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i sp u tf o r w a r d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o la r c h i t e c t u r eo f t h eo n - b o a r dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 【a n dc o m b i n e dw i t hi t s a p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，t h e a r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o r w a r ef o rt h eo n - b o a r dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r eb r i n g e df o r w a r d ，a f t e rd i s c u s s i n g t h i s ，t h er e l a t i o n s a n dt h e ：f u n c t i o no fi t se a c hs o f t w a r em o d u l ea r em a d eo u t a f t e r , t h e t e c h n o l o g y o fs e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o na n ds o c k e t c o m m u n i c a t i o n 啦s t u d i e dd e e p l y , a n da n a l y z i n gt h ef e a t u r eo fg s mm o d e m a n da tc o m m a n df o rg s m m o d e m ，b a s e do nt h i s , s o f t w a r ed e s i g nc o n c e r n i n g c o m m u n i c a t i o n - i n t e r f a c em o d u l ei sa c c o m p l i s h e d f o l l o w i n g ，a f t e rd i c u s s i n g a n d c o m p a r i n ga d v e n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o ff l o wc o n t r o l p r o t o c o l sc o n c e r n i n g d a t a - l i n k - l a y e r ， g o b a c k - na r qi sp r e s e n t e da n du s e da sm e t h o do ff l o wc o n t r o l c o n c e r n i n g d a t a - l i n k l a y e r a n dt h e n ，t h e p r o b l e m so nt i m ed e l a y ，f r a n l el e n g t h ，w i n d o w s i z e ，f r a m ef o r m a ta n ds oo n a t es t u d i e d d e e p l y n e x t , s y n t h e s i z i n g t h e f e a t u r e so fw i r e da n dw i r e l e s s l a n a n e t w o r ks l l u c t u r eb a s e do n c o m b i n a t i o no fw i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r ki sp r e s e n t e da sn e t w o r ks t r u c t u r e o fo n b o a r dw i r l e s sc o m m i n u c a t i o n s y s t e m ，a l o n e w i t had i s c u s s i o no f p r o b l e m s o ns t o r ea n df o r w a r d s w i t c h i n g ，e n r o l m e n to f c o n s u m e r , m a n a g e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l il 页 o fr o u t ec o n t r 0 1 c a l lc o n t r o l a n d p r o b l e m s o fn e t w o r k l a y e r a t o n e t i m e ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f o n b o a r dw i r e l e s sc o m m i n u c a t i o ns y s t e ma l e i n t r o d u c e dc o m b i n e dw i t hi t sf e a t u r e a tl a s t ，a f t e rg i v i n gs t u d yo fg s ms h o r tm e s s a g es e r v i c e ，r e a l i z a t i o no f s h o r tm e s s a g es e r v i c ef o ro n b o a r dw i r e l e s s c o m m i n u e a t i o n s y s t e m i s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g s h o r t m e s s a g e t r a n s m i s s i o na n d r e c e p t i o n ，a n d m a n a g e m e n t o fs h o r tm e s s a g e ，a n dp r o b l e mo ns t o r ea n df o r w a r ds w i t c h i n go f s h o r tm e s s a g e ，a n db o wt or e a l i z es h o r tm e s s a g es e v i c ew h i l ee x e c u t i n gd a t a s e r v i c eo rv o i c es e r v i c e k e yw o r d s ：g s m ：n e t w o r kp m t o c o i ： s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n s o c k e t ：s t o r ea n df o r w a r ds w i t c h i n g ：s h o r tm e s s a g es e r v i c e 西南交通必学硕士研究生学位论戈 第1 徽 第1 章绪论 。i 课怒的摄出及研究意义 随着我国铁路运输的飞速发展和列举运行速度的进一步提离，为实 魂运输安全簸奄謦霹控、蘩零稳霆，确镰行车安全，甄铁路接寒谶麓蕊翊 可知，要逐步建立起列车状况地面j l ；控系统。列车状况地面监控系统的关 毽蹩，燕璃镰汪将捉车车辆鳃运嚣状态等技术参数赛靖簧辏绘运输指孬部 门和相应的设备管理部门，如何及时、可繇、安全地将行率调度傣息告知 机车乘务贤。长期以来，我翅铁路逡竣调艘指挥蓉装在期运行中麓救车乘 务员下达调度命令对，都怒通过秃钱列调采薅语裔方式或者停车出车菇传 递调度命令来完成的，在可靠性、安全性方面均存在不避，容易造成入为 错诿。随蔫魏车运行速壤憋遥一步挺褰彝捌车密凄豁掇大，停车传递谖囊 命令将影响列车碱点运行。如何狂不停车的情况下向机车乘务员快速、可 靠、安全遗下这调度参令，是窭蓊慧嚣鼹决熬接术阗题之一。 如果在列车与地面间建立超条无线数据信道，把梦车状态信息( 弼 运行监控器数据、机车状态照测数据、机孥号和车次等) 及对转阏地蕊计 葵极，丽她面售票信惠、行车藉窿菇怠等啦及辩传弼巍车上。登然有劲予 改善与加强各部门对车辆进行安垒、可靠、有效的管理。 i 2 国内外率辅调度系统的应用发展现状 车辆调度系绒是现代计算机技术与邋信技术成用在燮道运输作业中 豹一壕或聚。爱辚静褒剩王撂秀始子2 番世纪筠年镁。理巴发展黄多静类 鹜。根据骶统的配鬣与功能的不同，可将系统分翔馘下四种类型：有线( 电 缆) 通售系统、光线电( 电话) 避信系统、无线数字通信系统和( ；p s 调度 系统。豫第一释系缆医毒线嚣难、髭活链蔑焉痊擐较少舞，其余三释均奢 不同程度的应用。 嚣翦，蓍嚣主院鞍溅纷熬是簧簪搂块公霉戆d i s p a t c h ，它慧综台羹 控系统，较、硬件功能都报强，娥过多年的发展，现已能实现g p s 定位、 瓣设备获悉鸯魏靛溅、妻动嚣车等凌憩，曩经在避器莛毽态褥裂广泛媲瘦 西南交通大学硕士讲究生学位论文帮2 页 雳，但是它价格昂爨，而盈维护困滚，需妖期依赖瓣外，藩常不便。 国内对车辆调度系统的研究，在理论上起步比较早，但在应用开发 方嚣滏楚予超多臻羧，1 9 9 0 年由本镪露芬铰矿、麓鞍由矿由磁究浚、东 北工学院组成联合课题组开发了南芬铁矿生产调度计算机辅助系统。1 9 9 4 年霉拣溺矿物爨与煤科总陵疆安分浚、中鬣矿业大学会终，开发完成诗算 机控制自动化车辆调度系统。据文献记载，这些系统在不增加采、掘、运 设锫的情况下，均可以使产量提高5 - 6 ，建立车辆调度系统的投资在交 彳寸傻雳的2 年内便可霞收。武外，其它为公安警车、运移车、密稷车等公 共服务车辆进行设计车辆调度系统戏监控系统也得到了广溅的应用，并且 技术鑫趋成熟。 3 无线数据传输方式戆比较及在车载无线数据黄输系统 上的应用选择 在现裔的技术条件下，要实现列车与地面间的无线数据通讯，有以 下凡稀选择： 1 利用无线列调系统 无线多l 谖主要雳子完袋嚣车搬辑中分鼹调度爱、车鹚毽班受、槛车 乘务员之间的“大三角”通信和车站值班员、机车莱务员、车长间的“小 三角”遥僚。妥翦主要用予语音通信。 利用秃线列谪系统完成数据转输欣理论上说怒可行的，由于觅线歹硅 调跫我国铁路运输部门目前指挥行车的直接丽有效的技术警段，且嗣前已 有冀德设羲( 如确怒装嚣) 在零l 用它进行数据传输，热采群精予簧输调度 命令等信息，会出现带宽不够、错码等问题。此外，在各部门的协调和管 理上逸存在较多阗趱。强鼗，不主张采曩这一方案。 2 利用业余无线电频率或申请专用频点 鳗际遇用的数传频段王作频率为4 3 3 m 1 4 z 。目藏在市场上珂以采购到 收发合一的模块，多采用f s k ( 颡移键控) 调裁，抗干扰能力强采用 d d s e p l l 频率合成技术，通信距离可达到6 - 1 0 公里，传输速率最高可达 1 9 。2 k b p s ( 也毒在鞍低速黎下王箨，魏9 6 0 0 b p s ) ，萄壹接连接计算橇懿 r s 一2 3 2 串嗣使用，软件编程非常方便。但是，由于业余无线电频率的公 鼹槛，利用渡余无线电频率进露数搬搀输誉可避免地会受到售遴严震污染 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 的影响，这对于实时性要求高、数据传输可靠的应用来讲，存在着无法回 避和解决的技术问题。因此，要利用业余无线电频率作为列车与地面之间 的数据传输平台，显然是不可行的。 申请专用频点能解决信道污染问题，但是，除申请手续复杂外，需 要增加大量的地面设各也是无法回避的问题。因此，该方案的实际可操作 性不强。 3 利用查询应答器 查询应答器是一种采用电磁感应原理或者微波通信与能量传递原理 构成的高速点式数据传输设备，可在特定地点实现列车与地面间的相互通 信。目前在车号识别系统中采用的就是类似的技术。就数据传输的质量而 言，该技术应该没有问题，但由于它在安装方式、数据传输源与目标之间 的相互位置配合上存在苛刻的技术要求，且存在前期施工复杂、投入大、 维护困难等缺点，特别是针对高速运行的列车来讲，要让其在很小的时空 范围内完成较大的数据量传输难以实现。因此，利用查询应答器作为列车 与地面间的数据传输平台，也不是一种很好的选择。 4 利用g s m 无线通信公众网 目f ，g s m 无线通信公众网是世界上最成熟，最通用的无线通信网。 g s m 网能为铁路提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修通信 等语音通讯。利用g s m 网的数据传输能力，能传输列车运行状况和列车诊 断数据，还可用于列车监控。利用g s m 网的数据传输能力，还可提供货运 信息、车载旅客信息服务和其他增值服务等。g s m 网能满足列车运行速度 为o 5 0 0 k m h 的无线通信要求，安全性好。g s m 网可作为信号及列控系 统的良好传输平台，正在试验中的e t c s 欧洲列车控制系统( 也称f z b ) ， 和另一种用于1 6 0 k m 小时以下的低成本的列车控制系统( f f b ) ，都是使 用g s m 作为传输平台。瑞典铁路公司正在建设7 2 0 0 公里的铁路g s m 专用 网。德国对其2 7 0 0 0 公里铁路，实施g s i d 铁路专用网的工程也已启动。 现在包括瑞典、德国铁路在内的3 2 个铁路组织在采用g s m 铁路专 用网谅解备忘录上签字，这意味着这些铁路组织将实施g s m 铁路专用网。 欧洲以外的国家，如澳大利亚、印度等也对g s m 铁路专用网表示了浓厚的 兴趣。 目前基于g s m 系统的无线数据传输技术已经成熟。它可以将射频电 路和基带结合在一体，提供标准的a t - c o m m a n d 接口，为数据、语音、短 信息和传真提供快速、可靠、安全的传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 霹 随着我因铁路运输的发展和列车运行速度的进步掇高，铁路对无 线通信特剐是无线数据通信的要求将更加迪切。为此，我国铁路也商可能 投避资建立爨己专鞠懿无线逶蔷霹，来满是疆益疆热翡无线数据传输静需 要，实现无线语音、数据、短信息和传真等的高速、可靠、安全传输，从 投零羔舞决铁爨运辕管理、翻辜爨踩、撬霉车辆运行安全绞台监控、规车 检修信息反馈等无线通讯问题，形成车对车、地对车、车对地的行车安全 监控网络，实现运输安全的有序可控，确保行车安全。 在铁路授巨资建立自己专甭的无线通信网之前，驮霞前的技术条件 和我国移动通信的飞速发展情况来看，采用g g m 无线通信公众网作为列车 与逢蘧之溺翡数器铃浚平套是一耱艺较珉实罨行懿j 建渡技术方案。獒主要 理由表现在： 该方案不黍进芎亍大擅静地嚣设整建设，投资小、建没周期短、见 效快，如聚未来我国铁路缀建自己专用的无线移动网，只溪将其 切换一下就行了： 回避了裁舔凝有无线列调系统所要瑟格静协调及带宽问题，系统 只涉及到遮输、机务两个部门，且该系统还为一切通讯中断情况 疆圣毽了吴一条逶臻； 我园铁路网的很大部分均在中国移动通信网的覆盖范围内，利 用g s m 网究成数掇信息的传输在技术上没贫闯题。随着g p r s 及 c d m a 技术的运用，其功能将更加强大。 选用这一方案也存在某些闽题，主要是： 稔髑中国移动的g g m 无线遴信两，存在使丽费的闻题。运避溯算， 费蹋不是缀高，应该可以接受。如果从铁路部门节省了大量的网 终建设费壤秘维护费建塞瓣+ 该聱分费弱受是可戳忽臻不诗。 目前存在的另一不足点在于，g s m 移动通信网未能覆盖全部铁路 线，特别怒许多山区线路。这一嗣题可以从使用方法上回避。剥 用g s m 移动无线通信网的短信息渡务，预先可将信息发送到中国 移动的短傣息服务器上，剿车一凰进入g s m 网的獠盖区域，就能 够及蠡章牧裂俦赣瓣信愚 蜜际主过去遣哭蠢在车懿上才能接受鑫 令) 。如果列车在j 礅定的区域内仍未能确认已收到信息，髯通知在 兹方站箨霉收受禽令毽不逡。毽j 墩，沿线窍在部分喜熹楚弼以接 受的。 综上所述，我们开发硪制的攀载无线数据媸输系统，是以g s m 无线 堕塑壅鎏查璺堡主跫塞皇堂篁望塞 塑曼堕 通信公众圈作为传输平台，铡甭g s 麓系统的浯音、数据帮愆信息、韭务疆及 计算机对数据的管理、语音、短信息的收发鼹示等功能来实现地面与列车 溺懿暹售，以实酵戆反映列车爱建鬣痿惠。 毒本论文完成的主要工撵 本论文主要研究了怎撵测翅g s m m o d e m 毅g s m 蓑绞豹语音、数握和 短消息业务来实现各种车载设备之间以及与有线网络和无线网络间的实 时可靠通信。详细地说明了车载无线数据传输系统的体系与协议结构，_ 并 按照系统的协议结粥仔缅髓分析鞠瑗屡、数据链路聪和弼络朦的实蕊橇截 和协议转换等问题。在进行论文工作时，系统地学羽了计算机网络和有关 逶僖方垂懿理论。磷究分援tr s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 等务耱逶售接习技零，g s m 系统的结构与协议体系，g s mm o d e m 的特性及有关的a t 命令。最后利用 v c + 喃0 ( c c + + ) 、多线稷艨技术、w i n s o c k 网络缡程以及数据瘁技术实 现了车载无线数据健输系统的软件设计。 本论文的结构为： 第一章介绍7 鋈内酆车载数瓣传输系统的现状，努轿琵鞍蚤稀无线 数据传输方式的优缺点。 第二章善先麓攀缝套绠了g s m 系统豹维撼与秘议髂系，重点分爨了 g s m 短消息业务的特点。然后结合率载无线数据传输系统的应用特点和使 用环境阐述了车载笼线数掇传输系统的硬 孛构成与妖髂结构。 第三章分析了串口通信问题，同时介绍了w i n s o c k 编程与多线程技 术，最后结合g s mm o d e m 的特点和有关的婀命令。完成了g s mm o d e m 通 傣矮日番数豹软箨安瑗。 第四耄首先分析了数据链路滕中几种流量控制协议的特点，然后结 合率载无线数据黄浚系统的特点磺定了露跫、族长、密叠大夺等翊戆。霹 时阐述了帧结构和滑动窗阴的实现方法。 第五章根据鼙载无线数据传竣系统韵软件结构，分橱阐述了数据收 发模块、呼叫控青模块、数据的敝发控蠹曦块、存储转发模块在军载无线 数据传输系统中的功能实现。同时阐述了系统的网络互连结构。 第六露营先对g s m 愆潢惑盈务在车载嚣线数糖传赣系统孛的斑麓特 点进行了分析然后阐述了怎样实现短消息收、发、存储转发以及与数据 和滔啻业务势发实壤等功熊。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章g s m 及车载无线数据传输系统概述 由于开发研制的车载无线数据传输系统主要是以g s m 网络作为传输 平台，同时考虑与其它网络进行互连，要实现从g s m 网络到其它网络( 主 要是局域网) 的协议转换，有必要了解g s m 系统的体系与协议结构。本章 首先简单地阐述g s m 网络的体系与协议结构，然后结合车载无线数据传输 系统的特点与应用环境，对车载无线数据传输系统的结构进行了分析与阐 述。 2 1 g s m 系统概述 g s m 系统是根据欧洲通信标准化委员会( e t s i ) 制定的g s m 技术规范 研制而成的第二代蜂窝移动通信系统。g s l _ l 系统是一个全数字的蜂窝移动 通信系统：它由几个分系统组成，可以与各种共用通信网如p s t n 、i s d n 、 p l a i n 和p s p d n 等互连互通，各分系统之间或各分系统与各种共用通信网 之间定义了明确的标准化接口规范。g s m 系统是我国目前蜂窝移动通信系 统的主体。g s m 业务按照i s d n 对业务的分类方法可分为基本业务和补充 业务。基本业务按功能可分为电信业务和承载业务。电信业务是指为用户 通信提供的包括终端设备功能在内的完整能力的通信业务，主要包括电话 业务、数据业务、紧急呼叫业务、短消息业务和传真业务。承载业务提供 用户接入点( 也称为“用户网络接口”) 闻信号传输的能力。附加业 务是对基本业务的改进和补充，它不单独向用户提供，而必须与基本业务 一起提供。同一附加业务可应用到若干个基本业务中。 2 1 1g s m 系统的结构 g s m 系统的总体结构由以下功能单元组成( 如图2 - 1 所示) ： 1 m s ( 移动台) 。它包括m e ( 移动设备) 和s ! m 卡( 用户识别模块) 。根 据业务的状况，移动设备可包括m r ( 移动终端) 、t a f ( 终端适配功能) 和t e ( 终端设备) 等功能部件。 2 b t s ( 基站系统) 。为一个小区服务的无线收发信设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 b s c ( 基站控制器) 。具有对一个或多个b t s 进行控制以及相应呼叫控 制的功能。b s c 以及相应的b t s 组成了b s s ( 基站子系统) 。b s s 是在 一定的无线覆盖区中，由m s c 控制，与幅进行通信的系统设各。 4 m s c ( 移动业务交换中心) 。对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、 交换的功能实体。 5 v l r ( 拜访位置寄存器) 。m s c 为所管辖区域中m s 的呼叫接续，所需检 索信息的数据库。v l r 存储与呼叫有关的一些数据，例如用户的号码， 所处位置区的识别向用户提供的服务等参数。 6 h r l ( 归属位置寄存器) 。管理部门用于移动用户管理的数据库。每个 移动用户都应在其h r l 注册登记。h r l 主要存储两类信息有关用 户的参数和有关用户目前所处位置的信息。 一 7 e i r ( 设备识别寄存器) 。存储有关移动台设备参数的数据库。主要完 成对移动设备的识别、监听、闭锁等功能。 p s t n l s d n p l m n 图2 1g s m 系统的总体结构 8 a u c ( 鉴权中心) 。为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数( 随机 数r a n d ，符号响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。通常，h l r 、a u c 合 设在一个物理实体中，v l r 、m s c 合设于一个物理实体中，m s c 、v l r 、 h l r 、a u c 、e i r 也可合设于一个物理实体中。m s c 、v l r 、h l r 、a u c 、 e i r 功能实体组成为交换子系统( n s s ) 。 9 o m c ( 操作维护中心) 。操作维护系统中的各功能实体。依据厂家的实 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 现方式可分为0 m c r ( 无线子系统的操作维护中心) 和( n c s ( 交换 子系统的操作维护中心) 。 g s m 系统可通过m s c 实现与多种网络的互连，包括p s t n 、i s d n p l m n 、p s p d n 。 注：短消息业务中心( s m c ) 功能实体可通过与n s s 的连接实现点 到点短消息业务，可通过与b s s 的连接完成小区广播短消息业务。 2 1 2g s m 的协议体系 g s m 体系庞大而复杂，为了能够对g s m 协议进行合理的软件设计，首 先有必要了解g s m 系统的协议体系。g s m 系统的协议体系根据国际标准化 组织( i s 0 ) 开放系统互连( 0 s i ) 模型建议采用分层的协议结构，并按 其功能通信过程分为三个层次。如图2 2 所示： 第一层：物理层是最低层，包括各类信道，为高层信息的传输提供 基本的逻辑信道：每个逻辑信道都有自己的服务访问点( s a p ) ，移动台的 接入方式采用多址接入方式。由于移动台采用时分多址方式，可以在空闲 时间监测周围无线电环境，把监测的结果定时地传给基站，确定是否进行 小区切换。 网络层 中问层 物理层 管理子层 网络层 链路层 物理层 s m sc cs s m m r r l a p d m 物理层模块 m s 侧网络侧 m s 的u m 接i i 信命令软件总体框图 图2 2g s m 协议结构分层模型 第二层：数据链路层是中间层( l a p d m ：l i n ka c c c s sp r o t o c o lf o rd m c h a n n e ld m ) 。它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。l a p d m 的基本功能是把单个b i t 构成一个集合，以便在移动台与基站之间提供可 靠的无线数据链路。所以的链路功能都是建立在这个基本结构单元上，这 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 个单元称为帧( f r a m e ) ，帧的结构采用h d l c ( 高级数据链路控制) 的定 义方式。数据链路层协议主要由g s m 0 4 。0 5 、0 4 ，0 6 系列规范标准来描述。 第三层：网络层，包括r r 、m m 及呼叫控制子层。 1 无线资源管理子层( r r ) 为c c c h ( 公用控制信道) 和d c c h ( 专用 控制信道) 操作提供控制功能。 2 移动管理子层( m m ) 实体完成移动台在移动方面的管理。主要包括： 移动台号码的保密、身份的确认、位置登记、用户登记和取消、定时 登记。 3 呼叫控制子层包括呼叫控制( c c ) 、短消息业务( s m s ) 及附加业务( s s ) 实体。 呼叫控制包括呼叫建立、释放及和呼叫有关的补充业务处理等。 短消息业务的实体的功能是利用信令信道为用户提供短消息的服 务。 附加业务实体的功能是提供独立的附加业务。 2 基于g s - 短消息业务概述 随着g s m 移动通信网络的迅速普及及竞争的日夜激烈，短消息服务 业务( s m s ) 作为g s m 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营 商与系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃地发展起来。s ) f 【s 是通过移动网络用手机收发简短文本消息的种通信机制。 s m s 采用存储转发模式短消息被发送出去之后，不是直接发送给 接受方，而是先存储在s m s c ( 短消息中心) ，然后再由s m s c 把短消息转 发给接受方。如果接受方关机或不在服务区内，s m s c 会自动保持此短消 息，等到接受方在服务区内再发送给它。 如果使用7 - b i t 编码，每条短消息最长可达1 6 0 个字符。如果采用 8 一b i t 编码，每条短消息最长可达1 4 0 个字符，如果采用u n i c o d e 方式， 每条短消息最长可达7 0 个字符，这些字符可以是文本、数字或二进制非 文本数据。 与普通的寻呼机制不同，s m s 是一项有保证的双向服务。发送方可以 在短消息发送出去后得到一条确认通知，返回传递成功或失败的信息以及 不可到达的原因。 s m s 是非对称业务，他使用s s 7 信令信道传输数据分组，不占用话音 嚣素交添丈学馘职究生学僚论文繁 o 页 通信的信道。因此，系统可咀支持短消息与语音、数据、传真等业务的同 步簧簸。馨臻渡务售遴处于裹涟懿猜凝下，邀麓襻霹琵鞫蠲薤游患送行逶 信。此外，s m s 还可以实现全国甚至豳际慢游。 s m s 属于g s m 第一除段( p h a s e l ) 标准，健基蘸墨装集成到了许多网 络标凇中。一般的移渤网络( g s m 、c d m a 、t d m a 、p h s 、p d c 等) 都支持 s m s ，这使s - s 成为一项非常鼹及的数据业势。 警然，鬣淆惑又存在缺点与蜀限性。 l _ 消息格式简单，只支持简单文本，无法传输图象和音频信息。s m s 的 下饯敝本e m s ( 攀强瀵慧蝗务) 将毫望改进s m s 约这一软陷。 2 消息长度受限。s m s 的消息长度不能超过1 6 0 字符。如果发送信息较 长的数据，则要拆分多个消息分段，这榉在应用中带来不方便。嚣 g s m 3 4 0 中定义的s m s 协议数据单元( p d u ) 规定了各种酋部域，这样 也降低了效率。 3 ，数据传输速率 羲，等待辩闻长。与g p r s 与u s s d 籀晓，s m s 提供豹数 据传输速率低，并且等待时间长，主要因为是s m s 使用的是速度较慢 臻令信遂，在g s m 强终中，售令繁遂还用于其毽瘸途。s m s 爱覆懿舨 本m m s ( 多媒体消息业务) 将使用专有的数据信道，从而提高码帮， 降低等待时间。 2 。2 1 短消急业务的分类 缀消息分为两类小区广播短消息( c b s ) 和点到点短消息( s m s ) 。 逶鬻掇至l 懿筑清怠堑务主要搔点弱点短消患。小区广攒短清怠垃务是将短 消息发送给该小区内有能力接受短消息并注册了该项信息服务的活跃的 手投稿移动套，典型鹣癍鼹是发送关予路况、天气鬏撤、毅枣行猿等绥怠。 在点到点短消息业务中，消息可以从一个移动台发送到另一个移动台，从 一个p c 到一个移动蠢，或者捆反。这些消息豳短消崽中心( s m s c ) 来傈 存，辩在可以传递对转发消意。每个g s m 网络必须一个或多个s m s c 时消 息进行分类和确定路由。 点对点麓清怠燕g s mp h a s e l 标壤定义魏渡务，杰饔点缀滇意盈务又 分为移动台发起的短消息业努( m o ：m o b i l eo r i g i n a t e d ) 和移动台终止 的短漩患业务( 孵：m o b i l et e r m i n a t e d ) 。宅透过薅令绩道传送，在冤监 务信邋呼n q 时使用独嶷专用控制信道( s d c c h ) , 有业努信道呼叫时使用慢 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 伴随控制信道( s a c c h ) ，最大消息长度为1 4 0 字节或1 6 0 字母数字。点对 点短消息既是一种基本的电信业务，又可以作为信息服务业务的数据传输 载体提供增值业务，如信息点播服务及远程数据采集( 定位信息的传输) 和远程操作业务。 小区广播短消息是g s mp h a s e 2 标准定义的在某特定区域内广播短消 息的业务。所有位于该区域内并注册了该项服务的用户，只要激活此功能 就可以接受到广播的短消息。与点对点短消息不同的是，小区广播短消息 是在专用的小区广播信道( c b c h ) 中发送，其消息为8 3 字节或9 3 字母数 字。信息源通过小区广播中心( 可单独设置或与s m s c 合设) 直接传送到 基站控制器( b s c ) ，b s c 存储短消息并根据指定时间、次数等，依次向各 个基站传输系统( b t s ) 播出。 2 2 2 短消息的体系结构 o s m 标准中定义的点到点短消息服务使短消息能够在移动台和短消 息服务中心之间传递，这些服务中心是通过称为s m c - g s c 的特定m s c 同 g s m 网络联系的，图2 - 3 是基于g s m 网络的典型s m s 体系框架。 图2 3s m s 的体系结构 1 s m e ：s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ，短消息实体。负责接收和发送短消 息。位于固话系统、移动基站或其他服务中心内。 2 s m s c ：s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心，负责在基 站和s m e 间中继、储存或转发短消息；移动台( m e ) 到s m s c 的协议 能传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为s m t p ( s h o r t m e s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3 s m c g w m s 或s m c g m s c ：s m s g a t e w a ym s c ，s m s 网关。是与其他网络 打交道的节点。接收由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信息， 并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 4 h l r ：h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器。是移动网络中最 重要的数据库。用于永久储存管理用户和服务记录的数据库，由s m s c 产生。s m s 网关与h l r 之间的协议使前者可以要求h l r 搜索可找到的 用户地址。它与m s c 与h l r 之间的协议起，能在移动台因超出覆盖 区而丢失报文、随后又可找到时加以提示。 5 v l r ：v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，访问位黄寄存器。含有用户临时 信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。 6 m s c ：m o b il es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心。负责系统切换管理 并控制来自或发向其他电话或数据系统的拔叫。 s m s 是目前g s m 网内唯一采用分组方式的数据业务。一个活跃移动台 应该在任何时候能够发送和接受一个短消息的传输协议数据单元( t p d u ) ， 不管当时业务信道上是否有正在进行的语音或数据呼叫。 在确定一个移动台终结短消息的路由时，s m s c 把短消息转发到短消 息业务网关移动交换中心( s m c g m s c ) 。s m c g m s c 向目的移动台的归属 位置寄存器( h l r ) 询问路由信息并把消息发送到合适的移动交换中心 ( m s c ) ，由给m s c 把消息发送到目的移动台。相反，当确定一个移动台发 起的短消息路由时，移动台根据全球称谓( g l o b a lt i t i e ) 寻址到需要的 s m s c 。如果是在外慢游，被访问的移动网将把短消息路由到合适的短消息 业务互连移动交换中心( s m c g w m s ) 。 移动台终结s m s ( s m s m o b i l et e r m i n a t e d ，s m s m t ) 是指移动台从 s m s c 接受s m s 的能力；而移动台发起s m s ( s m s m o b i l eo r i g i n a t e d ， s m s m o ) 是指移动台发送短消息到s m s c 的能力。移动台必须能够发送 接受短消息t p d u 。在收到一个短消息后，移动台总是想s m s c 返回一个确 认消息表示此短消息已被成功地接受；s m s c 也会向移动台返回一个消息， 表示一个t p d u 是否已被成功地接受。移动台内的软件必须能够对短消息 进行解码和存储。短消息也能够存储在移动台的用户识别模块( s i m ) 卡 中供用户以后取用。当移动台不在服务区内或s i m 存储区已满，s m s c 会 保留短消息等移动台回到服务区或用户s i m 卡又有了存储空间后再发送。 如果一个移动台曾因存储量不足拒绝接受的话，那么还应在又有接受一个 或多个短消息的存储容量之后通知s m s c 。s m s c 用加时间戳的办法来唯一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 标识每个短消息。短消息到达s m s c 的时间精确到秒，s m s c 必须确保给在 同一秒内到达的两个或更多的短消息赋予不同的时间戳。 2 2 3 短消息的协议结构 s m s 的协议层如图2 4 所示。短消息传输层( s m t r a n s p o r tl a y e r ) 服务于短消息应用层( s m a p p i i c a t i nl a y e r ) ，使其能和对等端交换s m ( 短消息) ，而且还能接受早先发出请求返回的确认信息。短消息传输层 与其对等实体交流协议数据单元( p d u ) 。短消息传输层定义了6 类t p d u ， 见表2 1 。短消息中继层( s m r e l a yl a y e r ) 通过短消息链路层( s m l i n k l a y e r ) 传输p d u ，详细参见g s m 3 4 0 。 表2 1 s m st p d u 类型 传递s m s ( s m s d e l i v e r )s m s c 向移动台传送短消息 s m s 传递报告( s m s d e l i v e r - r e p o r t ) 传送失败的原因 发送s m s ( s m s s u b m i t )移动台向s m s c 传送短消息 s m s 发送报告( s m s s u b m i t r e p o r t ) 传送失败的原因 s m s 状态报告( s m s s t a t u s - r e p o r t )s m s c 向移动台传送状态