（测试计量技术及仪器专业论文）城市路灯无线监控管理系统的研究.pdf

摘要 路灯照明是城市基础设施的重要组成部分，在城市的交通安全、社会治安、 人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志 着城市实力和成熟的程度。因此，设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使 用维护方便的路灯系统成为路灯控制与管理现代化的必然要求和重要标志。现代 计算机集控技术的发展恰好为我们提供了一种解决此问题的有效途径。而城市路 灯无线监控管理系统正是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必然的 产物，实现了城市路灯系统的计算机集中监测、控制与管理。 本课题所研究的城市路灯无线监控管理系统，是通过无线传输和计算机，对 离散存在的受控对象，实行集中的监测与控制。该系统由一个监控中心、若干个 监控终端主机、若干个监控终端从机以及通信设备等组成。监控中心与监控终端 的通信方式采用g p r s 公共通信网络，监控终端主机与监控终端从机采用电力线载 波通信技术实现数据交换。监控中心的人机界面平台采用功能强大并易于维护的 a s p + s q ls e r v e r 来组建。采用本系统，不但可以提高运行效率，缩短路灯检修时 间，降低维护成本，而且可以实现对路灯的分时、分段控制管理，可大大减少电 费支出，在节约能源、保护环境、保证社会安全等方面将产生巨大的经济效益和 社会效益。 本课题所做的主要工作包括： 1 研究路灯监控系统近几年来的发展状况，提出一种较先进和高效的设计 方案。 2 研究g p r s 公共通信网络的组成、业务以及无线d d n 系统，实现系统监控中 心与监控终端之间的相互通信。 3 研究电力线载波通信技术的特点、优势以及应用场合，作为监控终端主 机与监控终端从机之间的通信方式。 4 应用a s p + s q ls e r v e r 组建监控中心人机界面的平台，实现各种功能。 关键词：路灯监控；监控中心；监控终端；g p r s ；电力线载波 童三兰奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 a b s t r a c t t h es t r e e tl a m pl i g h t i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to fm u n i c i p a li n f r a s t r u c t u r e ，a n di t h o l d st h ev i t a lp o s i t i o ni nt r a f f i cs a f e t y , s o c i a ls e c u r i t y , p e o p l e sl i f ea n dc i t y s a p p e a r a n c ea n ds c e n e ，a l s oi ti n d i c a t e st h ed e g r e eo fc i t y ss t r e n g t ha n dm a t u r i t y s oi t i sa ni n e v i t a b l ea p p e a la n das i g n i f i c a n ts y m b o lo f l i g h t i n gc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt o d e s i g na k i n do fl i g h t i n gs y s t e m , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fh i g ha u t o m a t i o na n d r e l i a b l eo p e r a t i o na n dc a ns a v ep o w e re n e r g ye f f i c i e n t l y f o r t u n a t e l y , t h ed e v e l o p m e n t o f m o d e m c o m p u t e rc e n t r a l i z e dc o n t r o lt e c h n o l o g yg i v e s l 1 sa ne f f i c i e n tp a t ht os o l v e t h ep r o b l e m t h ew i r e l e s sm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo f c i t y ss t r e e tl a m p si s t h ee f f i c i e n ta n di n e v i t a b l ep r o d u c to ft h ea p p l i c a t i o no ft h em o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g yt o t h em u n i c i p a lc o n s t r u c t i o n , a n di tr e a l i z e sc o m p u t e rc e n t r a l i z e d m o n i t o r i n g ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n t t h ew i r e l e s s m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m o fc i t y ss t r e e tl a m p s p e r f o r m s m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt o t h ec i t y ss t r e e tl a m p st o g e t h e rb yw i r e l e s s t r a n s m i s s i o na n dc o m p u t e r i ti sc o m p o s e do fo n em o n i t o r i n gc e n t e r , s e v e r a l m o n i t o r i n gt e r m i n a lm a i n f r a m e s ，s e v e r a lm o n i t o r i n gt e r m i n a li n f e r i o r - f r a m e sa n d c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t t h ec o m m t m i c a t i o nm o d eb e t w e e nt h em o n i t o r i n gc e n t e r a n de a c hm o n i t o r i n gt e r m i n a li st h eg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e t h em o n i t o r i n g t e r m i n a lm a i n f r a m e sa n di n f e r i o r f r a m e sa d o p tp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yt or e a l i z ed a t ae x c h a n g e t h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo f t h em o n i t o r i n g c e n t e ri so r g a n i z e db ya s p + s q ls e r v e rw h i c hh a sp o w e r f u lf u n c t i o n sa n dc a nb e m a i n t a i n e dc o n v e n i e n t l y t h i ss y s t e mc a nn o to n l yi m p r o v ee f f i c i e n c y , s h o nr e p a i r i n g t i m e ，r e d u c em a i n t a i n i n gc o s tb u ta l s or e a l i z et h ec o n t r o lm a n a g e m e n tb yt i m ea n d s t a g e s ，d e c r e a s ee l e c t r i c i t ye x p e n s e sg r e a t l y a n di t w i l lp r o d u c eg i a n ts o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t si ns a v i n ge n e r g y , p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dg u a r a n t e e i n gs o c i a l s e c u r i t y t h em a i nw o r ki n c l u d e ss e v e r a lh e r e i n a f t e rp o i n t s ： 1 r e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n t a ls t a t u so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mo fs t r e e tl a m p s d u r i n gr e c e n ty e a r s ，a n dp u tf o r w a r dam o r ea d v a n c e da n dm o r ee f f i c i e n td e s i g n t t a b s t r a c t s c h e m e 2 r e s e a r c ht h ec o m p o s i t i o n ，b u s i n e s sa n dt h ew i r e l e s sd d ns y s t e mo ft h e g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c et or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n g c e m e ra n dt e r m i n a l 3 r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c ，s u p e r i o r i t ya n da p p l i e do c c a s i o no ft h ep o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dn l a k ei tt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o do f t h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lm a i n f r a m e sa n di n f e r i o r - f r a m e s 4 a p p l ya s pa n ds q ls e r v e rt oo r g a n i z et h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo f t h e m o n i t o r i n gc e n t e ra n dt or e a l i z ea l lk i n d so f f u n c t i o n s k e yw o r d s ：s t r e e tl a m p sm o n i t o r i n g ；m o n i t o r i n gc e n t e r ；m o n i t o r i n gt e r m i n a l ； g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ；p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 广东上业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学文论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 扬倦朝 厶时1 玩黔 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人 民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志着 城市实力和成熟的程度。建国以来，特别是党的十一届三中全会以来，伴随我国 城市现代化建设的突飞猛进，城市路灯照明取得了辉煌的成果，成为一项蓬勃发 展的公用事业。路灯照明建设是都市市政设施建设的一个重要环节，各地也取得 了相应的成绩，但是市政开支普遍紧张与增设路灯照明形成了很大的矛盾。在沿 海某些开放城市，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明 电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的部分路灯形同摆设，造成 变相浪费。 如何让路灯亮起来，让城市亮起来，亮得更科学，亮得省电省钱? 这就要求 除了具有高水平的照明设计和品质优良的照明设备以外，还要求有一套安全可 靠、灵活多变的控制操作系统，从而根据不同的使用环境、不同的使用功能及不 同的照明需求，编制出各种不同的控制方案，通过各种控制方案的有机结合，制 造出各种不同的照明效果；另外，在实施了某种控制方案时，还要对每套灯具的 运行状况有一个准确的掌握。只有真正做到以上几点，才能保证良好照明效果的 实现。现代计算机集控技术的发展为我们提供了一种解决以上问题的有效途径。 城市路灯无线监控管理系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必 然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中控制、监测与管理。操作人员只需 通过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态，并可通过计算机人工或自动控制 所有路灯的开关，即便是在全无人过问的情况下，系统也将严谨有序地工作。在 各种管理自动化的大潮下，加上我国各个城市的大规模城建，路灯监控系统必然 有着广阔的市场空间! 据测算，一个城市的街道数量大于1 0 0 条就很有必要由一 套信息管理系统与之相配套来实现管理与系统维护，而中国一定规模的市级城市 非常多，因此可以肯定的是国内需求会很旺盛! 城市路灯无线监控管理系统，是现代计算机集控技术和无线传输技术发展 广东工业大学工学硕士学位论文 的必然结果，是城市路灯管理系统发展的必然方向。该系统涉及计算机技术、通 信技术、自动控制技术等多个领域的最新科研与技术研究成果，是城市现代化程 度的重要标志。它的采用和推广，不仅能提高路灯管理水平和服务质量，而且在节 约能源、保护环境、保证社会安全等方面也将产生巨大的经济效益和社会效益。 1 2 国内外路灯监控系统的发展状况 在我国，“路灯监控系统”已经不是一个陌生的词语了，从8 0 年代末期就开 始有人研究。 1 9 8 9 年，常州路灯通过技术改造和技术革新，相当程度满足了当时城市发展 对路灯照明的需求。在当时路灯监控没有成功先例的情况下，组织力量进行可行 性调研，于1 9 9 0 年邀请了北京、天津、南京、上海等1 3 个路灯科研单位进行了路 灯自动化监控的可行性论证，尝试面向未来的路灯照明监控现代化方向努力，积 累了许多宝贵的经验和教训。 1 9 9 3 年开始研制的上海市区路灯监控系统，是一个覆盖全市的计算机远动系 统，具有遥测、遥信、遥控功能，用于上海市区重要道路路灯及配电设施的监控。 系统目前控制终端数量1 3 0 套，通讯方式以无线为主，有线、无线相结合，采用 国际电工委员会i e c8 7 0 - 5 规约。主站系统采用w i n d o w sn t 操作系统、专用工控 平台、s o l 数据库、w e b 浏览方式。上海市公用事业研究所与上海市路灯所合作开 发专用路灯监控管理软件，操作界面友好，对路灯管理实用高效，在亮灯率处理、 事故分析等方面具有独到之处。系统投入运行后，统一了开关灯时间，对及时处 理故障、减少交通事故、提高亮灯率、改善城市形象起了很好的作用。 广州市针对国内城市照明管理的现状及需要，推出了功能强大的r d d - 3 0 0 0 城市照明集中监控系统。可实现遥测、遥信和遥控功能，运行方式灵活可靠，可 按本地的经纬度自动控制灯具开、关，远方遥测运行参数，自动报告运行故障， 并准确指出故障路段，提供运行分析报告，为城市照明系统运行、维护、扩展提 供全面的解决方案和强有力的技术支持，使城市照明运行管理水平迈上新的台 阶。 兰州市路灯管理所路灯智能化监控系统验收仪式上，记者看到路灯管理人员 只需将鼠标轻轻一点，路灯的运行情况便一目了然。哪里出现故障，智能化监控 2 第一章绪论 系统会马上报警，抢修人员可马上赶往现场进行抢修。在该系统安装之前，每天 晚上亮灯之后，路灯管理所的工作人员都要到各个路段查看。同时由于电压无法 随时调整，亮灯高峰期实际电压超过额定电压的1 0 - 1 5 ，大大缩短了灯泡的使 用寿命。以后，全市路灯都将陆续纳入该系统的监控。 大连市现代高技术发展公司，为适应城市经济建设的发展，成功研制出城市 路灯监控管理系统。该系统集计算机网络技术、无线通信技术和路灯路段检测技 术于一体，可实现对全市路灯的集中控制监测与管理。在中央监控室的电脑上可 实时地掌握全市路灯的实际情况，在电子地图上能够指明损坏路灯的位置及原 因。该系统实现自动检测和遥控远距离路灯，在不增加信号线路的条件下，具有 测量精度高、造价低、节省能源、用途广泛、使用方便等优点，克服了已有系统 需要人工巡检，而且不能定位到具体灯秆，不能完全实现单杆单灯控制等不足。 欧洲尤里卡( e u r e i ( a ) 计划项目之一就是路灯电子镇流器和路灯远程监控系 统。路灯远程监控系统主要包括i d m ( i n t e l l i g e n td i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t ) 局部主控制器、i d m 电力线调制解调器和i d m 定时模块。i d m 局部主控制器是配备 了高压气体放电灯电子镇流器的路灯系统的局部控制节点。它和每一盏灯都能够 进行通信，能向每一盏灯发送开灯命令、关灯命令、调光命令和收集故障灯信息 命令，同时它还能与路灯监控中心的主控制器通过电话线、无线或者电力线进行 通信。变压器和每盏路灯是以电力线为通信传输媒介进行通信的。i 蹦电力线 调制解调器主要是与高压气体放电灯电子镇流器通信的，它在高压气体放电灯电 子镇流器的内部。同一个电力网络的一个主节点和若干个从节点之间采用电力线 扩频载波技术进行通信。i d m 定时模块是和具有调光功能的路灯电子镇流器连在 一起的，它能够通过检测线电压知道夜晚持续时问，并且能够根据存储在数据库 中的数据执行相应的调光程序。 最近，澳大利亚发布了路灯标准a s n z s l l 5 8 ，该系列标准由6 个标准及相关 标准组成。每个标准适用于多种类型的灯，每一类灯所要求的性能由灯的技术参 数极限值给出。该标准除了对定光闪烁作了长期限制外，还考虑了环境方面的问 题。 广东 二业大学1 = 学硕士学位论文 1 3 课题的来源、主要研究内容及创新点 1 3 1 课题的来源 本课题来源于广东省科技计划项目“基于无线通信的城市路灯远程监控系 统研发”。 城市街道通常分为主干道、次干道、小街、小巷，分布成不规则几何图形。 城市路灯一般是以主干道、次干道为路灯控制线走向，照明线延伸到小街道，因 此，其网络结构为星形总线结构。路灯的控制开关做到了控制柜里，配电柜一般 控制四路，最多可控制十路左右的路灯( 各城市的配电柜控制路数差异较大) 。 在主干道两边每隔3 0 米( 郊区为5 0 米) 左右就有一柱路灯，每柱路灯上灯的数量 从一盏到十几盏不等。通过继电器的开合来控制接触器通断电路，即以小电流控 制大电流的方式，实现路灯的亮灭。 通常在小城市和郊区的路灯控制采用定时制和光控制两种方式，没有实现监 控的自动化和实时化。所谓定时制即是在控制柜里安装时钟，并对该时钟进行开 关灯时间设置，当每天时钟转到预置值时开合相应继电器，接通接触器的线包 控制回路后实现路灯线路的通断，从而达到控制路灯的亮与灭。这种方式下城市 路灯的亮灭完全由预定的时间所控制，在一年当中，每天的明晦曲线是不同的， 而现场修改或定时修改时钟的开关灯定时，一方面工作量大，另一方面也不准确， 无法节能。光控制则在能正常接受自然光，并不受其它光影响处安装感光元件或 感光仪器。傍晚时，自然光强由大变小，超越设定值，感光仪输出相应信号，闭 合接触器线包回路而开灯；与此相反，黎明时，自然光强自小而大超越预置值， 感光仪输出相应信号，断开接触器线包回路而关灯。这种方式无疑在某种程度上 弥补了定时制的缺陷，但是它仍然需要大量人工及时巡灯。可见这两种控制方式 已经无法满足大城市的路灯控制系统，而且出现故障无法及时发现，要依靠人工 巡灯或群众电话投诉。 现代先进的路灯控制系统引入计算机和通信技术，实现远程控制和实时监 控，在路灯监控中心就能对各条线路路灯的状况进行查看，当路灯发生故障时， 系统会报警，并以醒目的形式反映给值班人员，从而做出处理。目前的路灯监控 网络，主要是使用无线数据电台进行通讯，存在通讯速率低、覆盖面积小、维护 4 第一章绪论 极其不方便的缺点。采用g p r s 技术后这些问题都可以得到解决跚。 1 3 2 课题的研究内容 1 g p r s 网络通信技术及在本系统中的应用，完成监控中心与监控终端之间的 通信； 2 电力线载波通信技术及在本系统中的应用，作为监控终端主机与监控终端 从机之间的通信方式； 3 g p r s 模块和电力线载波模块的性能研究、产品选择和购置； 4 监控中心和各监控终端的硬件设计和软件设计： 5 实验研究与结果分析及总结，并提出下一步的设想。 1 3 3 课题的创新点 1 充分利用现有成熟稳定的g p r s 公共通信网络作为监控中心与各监控终端 的通信方式。该方式通信质量好，覆盖范围广，安装调试简单，维护成本低，技 术先进，应用广泛，并能向3 g 网络过渡。而且，只要有g p r s 网覆盖的地区，短信 息服务就能到达，当发生故障报警时就能及时通过短信传呼值班人员进行处理， 缩短了路灯检修时间，降低了维护成本。 2 使用a s p + s o ls e r v e r 组建监控中心的人机界面，将整个路灯监控系统放在 互联网上，方便工作人员及相关部门管理和查看。s o ls e r v e r 是基于关系型数据 库的大型数据库系统，它具有独立于硬件平台、对称的多处理器结构、抢占式多 任务管理、完善的安全系统和容错功能，是最容易维护的数据库引擎之一。它与 a s p 结合使用，可实现内容的实时更新、修改等，操作简单，维护方便。 1 4 总体设计方案与论文内容安排 本论文研究的城市路灯无线监控管理系统，由一个监控中心、若干个监控 终端主机、若干个监控终端从机以及通信设备等组成。监控中心是整个路灯监 控系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心，肩负着与其它管理网络 的互联任务。监控终端负责路灯的供电和控制。监控中心与监控终端的通信方 式采用g p r s 公共通信网络。完成遥测、遥信和遥控。发生报警时通过短信传呼 5 广东_ 亡业大学丁学硕十学位论文 值班人员及时处理故障。而在各监控终端，每一个数据采集器和监控终端主机 ( 一个变压器内) 的标准串口上都会配置一部g p r s 终端，用于和中心进行数据 交换。监控终端主机与监控终端从机( 一个路段控制箱内) 之间用电力线连接， 采用电力线载波通信技术实现数据交换。监控中心的人机界面平台采用功能强 大并易于维护的a s p + s q ls e r v e r 来组建。 基于以上设计方案，本论文的内容具体安排如下： 第一章绪论，主要介绍城市路灯监控系统的研究背景、理论与实际意义、 国内外发展状况、本文所研究课题的来源、主要研究内容和创新点以及系统总 体设计方案等。 第二章6 p r s 网络原理及应用，首先介绍了g p r s 的网络结构，其内容包括： g p r s 网络组成、g p r s 网络接口、g p r s 的接入和g p r s 技术的优势。接着介绍 6 p r s 的业务以及服务质量q o s ，包括业务特征和业务类型两个方面的内容。最 后介绍了6 p r s 无线d d n 系统，包括无线d d n 的构成、无线d d n 的接入方式和 i n t e r n e t 接入方式等内容。 第三章电力线载波通信技术及应用，介绍了电力线载波通信技术的国内外 研究现状，低压电力线的三种信道特性：阻抗特性、衰减特性和干扰特性，并 通过对三种载波调制技术( 窄带通信方式、扩频通信方式、正交频分复用调制 技术) 的分析和比较，得出窄带调制技术更适用于路灯监控系统的结论。然后 介绍了窄带干扰抑制中改进f f t 频域阈值算法的研究，并对其实验仿真数据和 实测数据进行处理和分析，总结出改进算法的优点。最后详细介绍了电力线载 波通信模块的实现，包括载波芯片s t 7 5 3 8 的选择、s t 7 5 3 8 的介绍和硬件结构 的整体设计等内容。 第四章城市路灯无线监控管理系统的实现，详细介绍了系统的组成、系统 的工作原理、系统的主要功能、监控终端需要三遥的参量清单、系统的通信方 式、监控终端的软件结构以及监控中心所用软件平台a s p + s q ls e r v e r 。 第五章实验与结果分析，介绍了主控画面、监控终端详细信息画面、监控 终端实时历史曲线画面、开关灯时问曲线画面、亮灯率报表画面、监控终端 信息表结构和监控终端的故障报警表等信息。 第六章结论与展望，对全文的工作进行了总结和概括，并对进一步的研究方 向进行了说明，提出了下一步的设想。 6 第二章g p r s 网络原理及应用 2 1 概述 第二章g p r s 网络原理及应用 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称， 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分 组形式的数据业务。g p r s 是g s mp h a s e2 + 阶段规定实现的内容之一，它的目 标是提供高达l o o k b i t s 以上速率的分组数据业务。不少人认为，g p r s 网络 建成后g s m 网络将会被淘汰。这是错误的理解。其实，g p r s 只是一项移动通 信技术，将它应用于今天的g s m 网络，只是对g s m 网络的一个升级而已。也就 是说，g p r s 是对目前g s m 网络的补充，它不会取代目前g s m 网络支持的c s d ( 电路交换数据) 和s m s ( 短消息) 等数据业务。g p r s 是g s m 向3 g 系统演进 的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有的第二代系 统，是第二代g s m 系统过渡到第三代w c d m a 系统必经之路，所以g p r s 也被称 为“2 5 代技术”。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准，同样的频带、同样的突发结构、 同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电 路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可 提供全面的g p r s 覆盖。 g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用带宽大约在4 0 l o o k b p s ，在此信 道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用，在移动用 户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线i p 或x 2 5 服务。 巨大的吞吐量改变了以往单一面向文本的无线数据应用，使得包括图片、语音 和视频在内的多媒体业务成为现实。g p r s 手机用户未来可随时收发电子邮件， 发送彩色数码相片及大容量档案，以及玩网上游戏。需要注意的是，1 7 0 k b i t s 只是g p r s 的理论速率，g p r s 的实际速率典型值比理论速率慢得多，介乎 1 4 4 4 3 2 k b i t s ( 上下行非对称速率) 左右。 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。使 用g p r s ，在一个小区内，多个用户可以共享一条无线信道，同时进行通信，大 广东工业大学丁学硕士学位论文 大提高了信道的利用率。即用户可随时与网络保持联系。比如用户用g p r s 访 问互联网时，当没有数据传输时，就进入一种“准休眠”状态，释放所用的无 线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当又 有数据传输时，立即向网络请求无线频道用来传送数据，而不是像普通拨号上 网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。 使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费， 迅速降低了服务成本。g p r s 的计费是根据用户传输的数据量而不是上网时间来 计算的，即只要不传输数据，哪怕一直在线也不需另外付钱，所以它的费用比 较低m 。 2 2g p r s 网络结构 现有的g s m 网络主要是针对语音业务设计的，而g p r s 则主要是用来提供 非语音的数据业务的，g p r s 提供了移动网到t c p i p 网络或x 2 5 网络的接口， 可以把g p r s 网络看作是i n t e r n e t 的一个i p 子网，g p r s 的移动终端可以视为 移动主机，每一个g p r s 终端都有一个自己的i p 地址，并可以依据此i p 地址 寻址。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 可以将g p r s 网络看作是一个i p 网的子网 f i g u r e 2 1g p r sn e t w o r kc a nb es e e na so n es u b n e t w o r ko fi pn e t w o r k 8 第二章g p r s 网络原理及应用 2 2 1g p r s 网络的组成 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络实现的。为了实现g p r s ，需要在现有的 g s m 网络中增加两个主要单元：s g s n ( g p r s 服务支持节点) 和g g s n ( g p r s 网 关支持节点) 。 s g s n 的主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到 g g s n 的传输通道，接收从b s s ( 基站系统) 传送来的移动终端分组数据，通过 g p r s 骨干网传送给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。s g s n 还 可集成计费网关、边缘网关( 负责实现不同g p r s 网络之间的互连) 。 g g s n 是连接g p r s 网络与外部数据网络的节点。在基于i p 的互联网中， 路由器被用来分隔各个不同的子网。g p r s 网络中，g g s n 承担了类似于路由器 的工作，使g p r s 的特性对外部数据网来说是不可见的。对于外部数据网络来说， 它就是一个路由器，负责存储已经激活的g p r s 用户的路由信息。g g s n 接收移 动终端发送来的数据，转发至相应的外部网络，或接收来自外部数据网络的数 据，通过隧道( t u n n e l ) 技术，传送给相应的s g s n ，另外g g s n 还可具有地址 分配、计费、防火墙功能。因此可以说，g p r s 的基本功能就是在移动终端与计 算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。移动终端就像g p r s 子网中的普 通主机，通过i p 地址来识别。 g p r s 针对数据通信的特性对无线部分进行了改造，提高了无线资源的利用 率；在核心网部分吸纳了g s m 和i p 技术的精华，使其既保留了良好的移动性， 又具备了i p 的灵活性。g p r s 允许服务用户采用端对端的分组传递模式，而不 是利用电路交换模式下的网络资源发送和接收数据。g p r s 使得分组模式数据更 合理、更有效地利用网络资源。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2g p r s 网络接口 一一信令接口 信令数据传送接口 图2 - 2g p r s 网络的接口 f i g u r e 2 2i n t e r f a c eo ft h eg p r sn e t w o r k g p r s 系统中相关的接口如图2 2 所示，从图中可以看出增加了如下一些 接口。 g n g p 接口：是s g s n 与g g s n 间的接口，其中g n 接口是s g s n 和g g s n 之间 或同一p l m n ( 公共陆地移动网络) 网中不同s g s n 之间的接口。g p 接口是不同 运营商之间s g s n 和g g s n 之间互连的接口。 g b 接口：是b s s 与s g s n 之间通信的接口。负责移动终端分组数据经b s s 到 s g s n 的传输。 g d 接口：是s g s n 与短消息中心之间( s m s g m s c 和s g s n 之间，或者s m s - i w m s c 和s g s n 之间) 的接口，支持通过g p r s 分组业务信道传送短消息。 g r 接口：是s g s n 与h l r 间的接口，h l r 中保存着g p r s 的用户数据和路由信 息。 g s 接口：是s g s n 与m s c v l r 间的接口，是一个可选接口。用来支持联合的位 置更新及利用分组信道传输寻呼消息，引入g s 接口一方面可以对提高无线频 率资源以及网络资源的利用率，另一方面可以协调分组业务和电路交换业务的 实现，减少两个业务之间的相互影响。 g c 接口：是g g s n 和h l r 问的接口，以支持g g s n 从h l r 获得移动终端的位置 1 0 第二章g p r s 网络原理及应用 信息，从而实现由网络发起的数据业务。 g i 接口：是g g s n 与外部分组数据网间的接口，这个接口根据所互通的数据网 不同而采用相应的协议。 g f 接口：是s g s n 和e i r 之间的接口。s g s n 通过g f 接口访问e i r 中存放的移动 设备信息。 2 2 36 p r s 的接入 g p r s 移动终端连接到网络上分为两个阶段，g p r s 附着过程和p d p ( 分组 数据协议) 场景激活过程。当g p r s 终端开机时，将监听无线信道，接收系统 信息，然后在系统信息指出的控制信道上发送接入请求，系统将分配无线信道 给g p r s 终端，之后，g p r s 终端将在系统分配的无线信道上向s g s n 发送注册 连接请求。 一个简单的g p r s 附着过程是： 1 移动终端向s g s n 发送一个注册连接请求来启动注册过程。 2 s g s n 向移动终端发送一个标识请求信息，请求的标识类型为移动终端的 i m s i ( 国际移动用户标识) 。 3 移动终端以一个标识响应消息将它的i m s i 告知s g s n ，s g s n 用取得的 i m s i 到h l r ( 归属位置寄存器) 中请求认证三码组并对移动终端进行鉴 权。 4 移动终端的认证通过后，s g s n 向h l r 发送位置更新消息，h l r 发送一 条插入用户数据消息给s g s n ，消息包括移动终端的g p r s 签约数据。 5 s g s n 根据移动终端的g p r s 签约数据决定是否允许移动终端在当前路由 区内注册连接，如允许，s g s n 将向h l r 返回一条插入用户数据确认消 息。 6 h l r 向s g s n 返回一条位置更新确认消息。s g s n 向移动终端发送一条接 受注册消息。 移动终端注册成功后，要想访问外部数据网，还需发起p d p 场景激活。当 用户想接入i n t e r n e t 上的某个网站时，在g p r s 移动终端上输入a p n ( 接入点 名称) ，则可触发p d p 场景激活过程，具体步骤如下： 广东1 二业大学1 = 学硕十学位论文 1 移动终端向s g s n 发送激活p d p 场景请求消息。 2 s g s n 请求d n s ( 域名服务器) 对a p n 进行解析，得到该a p n 对应的g g s n 的i p 地址。 3 s g s n 向g g s n 发送建立p d p 场景的请求消息。 4 g g s n 对该用户进行认证，认证通过以后使用r a d i u s ( 远端授权拨入用 户服务) 服务器、d h c p ( 动态主机协议配置) 服务器或直接由g g s n 为 该用户分配动态i p 地址。 5 g g s n 向s g s n 返回建立p d p 场景响应消息。 6 s g s n 向移动终端发送激活p d p 场景接受消息。 至此，移动终端和外部数据网之间的数据通路就建立起来了，移动终端可 以和该数据网开始通信。 2 2 4g p r s 技术的优势 g p r s 克服了电路交换型数据传输速率低、资源利用率差的缺陷，也不像短 消息u s s d ( 非结构化补充业务数据) 那样无法适应大量数据应用而仅适合于少 量突发数据应用。与现有的g s m 数据业务相比，g p r s 具有如下优势： 1 资源共享，频率利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传 输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共 享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。电路交换技术最基本的特点是， 通话前必须为通话双方分配一条固定带宽的通信电路，通话期间，这部分带宽 由通话双方独享，不能再被别的用户使用。缺点是网络带宽利用率不高，无论 用户是否处于讲话状态，分配的电路都将始终被占用。而分组交换方式采用长 度一定、结构统一的数据分组作为数据传输的基本单位。每个分组头都带有地 址、序号校验码等信息，用于检错、纠错、排队、选路等处理。此外，分组交 换采用存储转发机制，每个节点接收到来自其他节点的分组后，先将其暂存在 缓冲区内，然后根据分组头中的地址信息选择下一步应将该分组转发到哪个节 点。分组交换方式在通信之前不需要为通信双方分配一条独占的链路，可根据 1 2 第二章g p r s 网络原理及应用 用户需要以及网络能够提供的带宽，为用户动态分配网络资源，从而极大地提 高了网络带宽的利用率。 2 传输速率高 g p r s 可提供理论上高达1 7 1 2 k b p s 的传输速率，使一些对传输速率要求 较高的无线数据传输系统的组网成为可能。目前，g p r s 采用c s 一2 信道编码方 案。保证实现小区的9 0 以上覆盖，满足c i 不低于9 d b 的要求。在小区内， 提供上下行分别为1 4g p r s 信道( p d c h ) 。g p r s 无线信道的分配初期至少设置 一个静态的分组数据业务信道，以后根据g p r s 的流量调整p d c h 分配。按照话 音优先的原则，动态信道将优先分配给话音信道，保证g s m 质量。所以g p r s 带 宽为1 3 4 k b p s 5 4 4 k b p s 。 3 实行动态链路适配，具有灵活多样的编码方式 在电路交换数据( c s d ) 方式下，对用户数据采用的差错保护编码方式只有 一种，g p r s 则具有适于不同信道环境的4 种编码方案，可以根据接收信号质量 c i 的改变选择最优的编码方案，使吞吐量达到最大。g p r s 分组业务信道可采 用c s l c s 一4 不同的编码方式( 其数据速率分别为9 0 5 k b i t s 、1 3 4 k b i t s 、 1 5 6 k b i t s 、2 1 4 k b i t s ) 。采用编码方式为c s 一4 时，且无线环境良好，信道 充足的情况下，可以实现g p r s 网络支持的理论最高速率1 7 1 2 k b p s ，这种速率 完全可以支持一些多媒体图像传输业务等对带宽要求较高的应用业务。但实际 数据传输速率受网络编码方式和终端支持的因素影响，c s 一3 、c s 一4 的接收参考 灵敏度较低，这两种编码方式只有在距离基站较近且信号较好的地区才能够真 正使用。 、 4 用户一直处于在线连接状态，接入速度快 g p r s 的“一直在线”意味着不必担心任何重要的数据信息在传输中丢失。 永久连接意味着不用建立呼叫，快速而易于接入是g p r s 吸引用户的关键。 5 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网 络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 6 采用数据流量计费 用户可以保持一直在线，只有在读取数据的时候占用资源和进行付费，改 变以往按连接时间计费的方式，这将节约用户资费，从而吸引更多用户。 1 3 广东1 = 业大学t 学硕七学位论文 g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，但实际应用带宽大约在4