（控制理论与控制工程专业论文）基于GPRS的无线数据传输系统的研究.pdf

哈尔滨理t 火学t 学硕，i 二学位论文 基于g p r s 的无线数据传输系统的研究 摘要 g p r s 无线网络具有覆盖范围广、数据传输速度高、网络稳定可靠、使 用费用低廉和能与i n t e r n e t 无缝连接等优点，可为数据采集和监控系统提供 良好的无线数据传输通道。 如何通过g p r s 网络进行通信，将g p r s 网络通信引入实际的数据采集 系统中，成为一个具有广阔应用前景的研究方向。针对这个课题，本文主要 做了以下工作： 1 研究和综述了g p r s 的发展状况和其主要特点，并与其他几种无线 通信方式进行了详细的比较；深入地分析了g p r s 技术相关基础知识：系统 结构、数据传输过程、协议模型及相关协议；归纳了四种应用于s c a d a 系 统的组网方式。 2 对国内市场上的主要g p r s 模块进行了比较，选择了索尼爱立信公 司最新推出的g r 6 4 模块作为无线数据传输系统的核心硬件；采用 m 2 m p o w e ri d e 集成开发环境并利用其内置的丰富的函数库编写了功能脚 本：串口通信、g p r s 初始化、t c p 会话和数据传输脚本；归纳和总结了编 写功能脚本的要点和需要注意的问题。 3 研究了网络通信的相关知识，分析了面向连接的流套接字的通信过 程；选择v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境作为通信程序的编写工具，主要完成 了串口通信程序、服务端监听和数据接收程序、网络流量监控程序的编制。 4 搭建了实验室条件下的g p r s 无线数据传输的实验平台，并给出了 具体的实验步骤；依据得到的实验数据和采用参考印证的方法，对g p r s 无 线传输的性能指标进行了分析，最后给出了具体建议。 关键词g p r s ；g r 6 4 模块；嵌入式脚本 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 r e s e a r c ho fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do ng p r s a b s t r a c t g p r sw i r e l e s sn e t w o r kh a st h ea d v a n t a g e st h a ti t sc o v e r a g ei sw i d e ，t h e s p e e do fd a t at r a n s m i s s i o ni sh i g h ，t h en e t w o r ki ss t a b l ea n dr e l i a b l ea n dc o s ti s l o w ，a n db e s i d e s ，g p r sw i r e l e s sn e t w o r ka l s oh a ss e a m l e s sc o n n e c t i o nw i t h i n t e r n e t s oi tc a np r o v i d ew e l lw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e lf o r s c a d a h o wt oc o m m u n i c a t eb yt h eg p r sn e t w o r k sa n dh o wt oi n t r o d u c et h e g p r sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt op r a c t i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i l lb ea r e s e a r c ho fw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，w eh a v em a i n l yd o n et h e f o l l o w i n gw o r k ： 1 r e s e a r c h e da n ds u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dm a i nc h a r a c t e r i s t i c so f g p r s ，a n dc o m p a r e dw i t ho t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd e t a i l e d l y d e e p l y a n a l y z e dt h er e l a t e db a s i ck n o w l e d g e ：s y s t e ms t r u c t u r e ，d a t at r a n s m i s s i o n p r o c e s s ，p r o t o c o lm o d e la n dr e l a t e dp r o t o c 0 1 c o n c l u d e df o u rn e t w o r kb u i l d i n g a p p r o a c h su s e di ns c a d a 2 c o m p a r e dt h em a i ng p r sm o d u l e so nt h ed o m e s t i cm a r k e t ，a n dc h o s e n t h eg p 6 4m o d u l el a t e s td e v e l o p e db ys o n ye r r i c s s o nc o m p a n y ，w h i c hw o r k e d a st h ec o r eh a r d w a r eo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m u s e dt h ei n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fm 2 m p o w e ri d ea n di t s r i c hb u i l d i nf u n c t i o n l i b r a r yt oc o m p i l ef u n c t i o ns c r i p t s ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，g p r si n i t i a l i z a t i o n ， t c pc o n v e r s a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o ns c r i p t s c o n c l u d e da n ds u m m a r i z e d m a i n p o i n t s a n dp r o b l e m sw h i c hn e e d e dt ob ea t t e n t i v ei nt h ep r o c e s so f c o m p i l i n gf u n c t i o ns c r i p t s 3 r e s e a r c h e dt h er e l a t e d k n o w l e d g eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d a n a l y z e d t h ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s o fo r i e n t e d c o n n e c t i v e s t r e a m s o c k e t c h o s e nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0a s 1 1 t h ec o m p i l e dt o o lo fc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，m a i n l ya c c o m p l i s h e dt h es e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，s e r v i c e i t e mm o n i t o r i n ga n dd a t ar e c e i v i n gp r o g r a m n e t w o r kf l u xm o n i t o r i n gp r o g r a m b u i l tt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo fg p r sw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o ni n l a b o r a t o r y ，a n dg a v et h ee x p e r i m e n t a ls t e p ss p e c i f i c a l l y u s e dt h ee x p e r i m e n t r e s u i t sa n dt h er e f e r e n c em e t h o dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fg p r s w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，a n ds p e c i f i c a lp r o p o s a l sw e r eg i v e ni nt h ee n d k e y w o r d s g p r s ，g r 6 4m o d u l e ，e m b e d d e ds c r i p t 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g p r s 的无线数据传输 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 缸 厅欠 日期：2 0 0 8 年弓月，日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于g p r s 的无线数据传输系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 压厅l 日期：2 0 0 8 年弓月心日 导师签名：诵荔f 行 同期：2 0 0 8 ；月j 7 日 哈尔滨理1 二人学_ t 学硕 ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 从模拟移动通信到数字移动通信网络g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) ，移动通信经历了两大发展阶段一第1 代和第2 代；而 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的出现和进入实用，使移动通信进入一个新 的发展阶段一第2 5 代【1 1 ，而最近，移动3 g 业务也开始步入试点运营阶段。 随着数据无线传输需求的骤增和中国移动业务全面投入运营，无线数据通 信的应用越来越广泛。g p r s 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信 质量高、永远在线和按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支 持t c p i p 协议，无需经过等p s t n 网络的转接，可直接与i n t e r n e t 网互通。因 此g p r s 业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可 比拟的性价比优势。g p r s 无线数据传输系统具有广阔的市场前景 2 3 1 。 监控与数据采集系统( s c a d a ，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 ) 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。其中，数 据通信部分的研究是一项重要内容，它影响到整个系统的规模、分散程度【6 i 。 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。 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，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【7 】，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制 等。g p r s 网络经过通信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、 稳定、可靠的通信网络，为s c a d a 系统提供了快速、廉价的最佳数据传输解 决方案。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 1 1 1 课题来源 本课题来源于哈尔滨市呼兰区水务局预研项目：基于g p r s 的水文自动测 报系统的设计，和校级( 创新) 开放实验项目：基于g p r s 的远程自动监测系 统的设计。本人负责g p r s 无线数据传输部分的研究和实验。 1 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的研究是解决远程数据采集和监控系统的无线数据传输通道问题。 应用场合可以在：偏远地区或结点分散、不宜铺设有线网络现场中的各类工控 设备；农村供电网管理；移动环境下的电子信息设备( 如g p s ) ；城市水电气 等公用事业设备；水利环境监测网；智能交通系统；商用无人自动售货机联网 以及军事、公安等应用领域。 哈尔滨市呼兰区水务局预研项目“基于g p r s 的水文自动测报系统的设 计 旨在搭建省内水文监控系统示范工程，使用g p r s 无线数据传输给水文行 业带来一个全新的方便快捷的数据传输解决方案。 1 2g r p s 发展及其特点 1 2 1g p r s 技术的产生与发展 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 务收益增长空问已经越来越有限，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【8 i 。 随着i n 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 一据业务方面的发展。据预测，到2 0 0 7 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 哈尔滨理1 = 人学丁学硕l 学位论文 了当前移动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【9 1 。 g p r s 的现状已经发展成熟，目前，全世界已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2 0 0 2 年开始，中国移动和中国联通分别采 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、信息 点播、手机银行、w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 业务等形式多样的业务。 运营商们发现，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 ) 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，即使使用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，由于它是基于口 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。 1 2 2g p r s 的主要特点 g p r s 与g s m 电路交换数据传送方式相比较，具有如下优点 1 0 - 1 2 l ： 1 g p r s 采用分组交换技术，高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 可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t 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 。4 四种编码方 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 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，g p r s 支持 基于标准数据通信协议的应用，可以和i 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 短消息业务经g p r s 无线信道传输； 5 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 fs e r v i c e ) 级别， g p r s 能在0 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； 6 在g s m 公用陆地移动通信n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r d ) q 丁，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 ss u p p o r t i n g n o d e ) ，它和移动交换中一凸 ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 在同一等级水平，并新增 单个移动台( m o b i l es t a t i o n ) 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 g s n ， g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) ，g g s n 支持与外部分组交换网的互通，并经由 基于口的g p r s 骨干网和s g s n 连通； 7 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( m o b i l ee q u i p m e n t ，m e ) 可通过用户标识模块( s u b s c r i b e ri d e n t i t y m o d u l e ，s i m ) ，不管这个s i m 卡是否具备g p r s 功能； 8 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： 9 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 0 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； 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 1 1 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( o o s ) f l q 计费 功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便； 1 2 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，可以使用多种传输技术，很方便地 实现与高速发展的口网无缝连接。 1 2 3 无线模块的开发现状 随着g p r s 在各行各业的广泛应用，市场上出现了很多品牌的g p r s m o d e m ，这些产品具备调制解调器的基本功能，即接收一种格式的数据并以另 一种格式传送出去，不对数据内容做任何改变。为了实现完整的无线数据传输 功能，必须采用外部控制方式0 3 - 1 5 l ，即通过单片机或d s p 等外部控制器给 g p r sm o d e m 发送控制指令，辅助完成i p 连接和数据传输。显然，这种 g p r sm o d e m 产品是“非智能的，外部控制器的引入会使无线数据传输模块 的设计过于复杂，成本较高，甚至会在某些应用场合造成不便，比如设备的小 型化问题陋埘。这就要求能够有一种简洁有效的新方法来设计无线数据传输模 块，以满足更多场合的需求。正是基于上述原因本文提出了无线数传模块的单 片式解决方法。 1 3 本课题的主要任务 本课题主要完成以下任务： 1 深入研究g p r s 技术，充分了解s c a d a 系统中通信子系统的应用现 状，论证g p r s 无线网络作为s c a d s 通信通道是扩展其应用范围的有效途 径； 2 研究g p r s 模块应用现状，选择一种周期短、应用方便的开发途径， 开发出能完成自动附着g p r s 网络并能与服务端建立t c p 会话的g p r s 模 块： 3 编写终端串口通信程序、服务端监听服务和数据接收程序、网络流量 监控程序； 4 搭建g p r s 无线数据传输实验平台，并依据实验数据对g p r s 数据传 输的性能指标进行分析。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 第2 章g p r s 技术研究 2 1g p r s 通信的优势 g p r s 是在现有全球移动通信网络g s m 技术基础上发展而来的一种新的 承载业务，g p r s 在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供了分组传递 业务，这也是g p r s 网络与g s m 网络的最大区别。与g s m 网络相比，g p r s 网络能更有效的利用无线资源，特别适用于长时间、小流量的突发数据传输业 务 1 9 - 2 1 i 。借助于多时隙绑定和高速编码方案，g p r s 速率理论上最高可达到 1 7 1 2 k b p s 。 2 1 1 几种无线通信方式 2 1 1 1 超短波超短波通信采用2 3 0 m h z 频段的数传电台作为通信工具， 2 3 0 m h z 频段的无线通信具有较好的通信质量和一定的绕射能力。超短波通信 信号传播稳定，技术成熟，传播距离可达2 0 - - 4 5 k m ，运行成本较低。其缺点 是： 1 通信速率不高，只有1 2 0 0 b p s 一1 9 2 k b p s ； 2 远距离通信需要增加中继站，导致设备、土建费用的增加和通信质量 的下降； 3 随着社会的发展和城市化进程的加快，往往会出现由于新建高楼的增 加而导致整个通信质量大幅下降的情况。 2 1 1 2 卫星通信卫星通信是地面微波通信的一种特殊的形式，其利用人造地 球卫星作为中继站转发无线电波，实现地面节点之间相互通信的一种方式，使 用频率为3 0 0 m h z 一3 0 0 g h z ，其优点是： 1 覆盖范围广，传输距离远； 2 卫星通信频带宽，传输量大，能够传送图像、语音等信号，可适用于 多种业务； 3 组网比较灵活。 ：缺点是：传输信号易受雨雪天气影响和使用费用昂贵等。 2 1 1 3g s m 短消息随着无线数据业务的快速发展，g s m 网络系统是目前基 于时分多址技术的移动通信体制中最完善、应用最广的一种系统。短消息就是 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 建立在g s m 网络基础上。 s m s ( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ) 具有以下优点： 1 组网简单，建设周期短，系统运行费用较低( 移动通信运营商的收费 标准，发一条短消息为0 1 元，而接收短消息不收取费用) ； 2 短消息互联，在跨地区、小数据量通信上经济适用； 3 短消息发送协议中可以发送1 4 0 个字节，误码率低； 4 发送短消息的速度较快( 平均每5 秒可发送一条短消息) ，具有点对点 特征，无需拨号。 短消息服务也有不足之处，主要表现在： 1 g s m 短消息通信方式为半双工，不能同时双向收发数据； 2 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较大； 3 在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信 不畅。 2 1 2 无线通信方式性能比较 综合以上介绍的几种无线通信方式，它们的性能参数比较如表2 - 1 所示： 表2 - 1g p r s 与几种无线通信方式的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e ng p r sa n ds o m ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d e s 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 从表中可以看出，与其他无线通讯方式相比，g p r s 业务具有网络覆盖范 围广、实时传输性较强、运营费用低等优点。尤其适用于间歇性、非周期性数 据传输( 相邻两次传输的时间间隔远远大于平均传输延迟) ；少量数据的频繁 传输；较大容量数据的不频繁传输。 因此，基于g p r s 的数据传输方式在多种行业中可广泛应用，如用于监 控、金融、车载定位等。 2 2g p r s 技术基础知识 2 2 1g p r s 网络的系统结构 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 点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点( g g s 和点对多点服务中，t , ( p o i n t - t o m u l t i p o i n ts e r v i c ec e n t e r ，p t m s c ) 2 2 1 。其系统结构如图2 - 1 所示。 用 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 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 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g 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 ( m o b i l e 哈尔滨理t 大学t 学颐f ：学位论文 t e r m i n a l ) 通过u m 接口接入g p r sp l m n ，r 则是m t 和t e ( t e r m i n a l e q u i p m e n t ) 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。 图2 2g p r s 骨干网逻辑结构 f i g 2 - 2g p r s c o r el o g i c a ls t r u c t u r e 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l p 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 f l 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，它也属于i p 网络，所以它能 广泛应用于i 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问通信。 哈尔滨理t 人学i t 学硕r j j 学位论文 2 2 2g p r s 数据传输过程分析 利用g p r s 网络传输数据，可以把其看成四个过程，即连接过程、m s 发起数据传输过程、m s 终止数据传输过程、终止过程。这里的分析是针对由 m s 发起的过程，而由网络发起的过程与之类似，外部分组数据网络为 n t e m c t 2 3 1 。 2 2 2 1 连接过程一个移动台在与主机进行通讯前，首先必须连接到g p r s 网 络，即与s g s n 建立连接。此刻m s 虽然己经登陆上g p r s 网络，但还没有 为外部网络知道。要能够收发数据，m s 需要激活p d p 上下文，建立起与 g g s n 之间的对应关系后，才能够实现与p d n ( p u b l i cd a t an e t w o r k s ) 之间的通 讯。 m s 首先向s g s n 发送一个p d p 上下文激活请求，s g s n 根据m s 提供 的信息和配置选择相应的g g s n ，请求该g g s n 为m s 创建p d p 上下文。 g g s n 与s g s n 之间建立通讯隧道，并分配有隧道标识t i d ( t u n n e l i d e n t i f i e r ) 。在保存了t i d es g s ni p 地址和m s 之间的映射关系后，g g s n 向 s g s n 发送确认消息，其中包括t i d 信息和分配给m s 的p d p 地址。s g s n 向m s 发送消息，通知其p d p 上下文己经激活。同时s g s n 更新自身保存的 映射关系表。 在g p r s 系统中，m s 在p d p 上下文激活时获得的p d p 地址为动态i p 地 址，如1 0 1 7 5 5 8 3 ，其在g p r s 网络之外不可对之寻址。g g s n 网关节点处 采用了n a t 网络翻译技术，将m s 的i p 地址与该g g s n 的地址和通讯端 口号建立映射关系，m s 发送数据时，在g g s n 处将数据报的源i p 地址和源 端口号置换为映射表中的i p 地址和端口号发送出去。 2 2 2 2m s 发起的数据传输过程当m s 产生i p 分组时，发起过程分成以下3 步进行： 1 m s 根据t i j l j 和n s a p i 信息，选择s g s n 。在原始口分组中加入包 含t i i i 和n s a p i 的头信息后，发送给s g s n ； 2 s g s n 查询映射关系表，将t l u 和n s a p i 对替换为t i d 和g g s ni p 地址对，发送i p 分组给g g s n ； 3 g g s n 接收到i p 分组后，去除分组头信息，得到原始的i p 分组数据 报。在进行地址映射后，将该数据报发送给p d n 网络。 2 2 2 3m s 终止的数据传输过程外部分组数据网络向m s 发送数据的过程与 m t 数据传输过程类似，也分成3 步实现： 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 1 p d n 网络的分组数据到达g g s n 后，g g s n 根据映射关系表选择相应 的s g s n 和t i d ，在原始分组数据前加入包含g g s n 口地址、s g s ni p 地址 和t i d 的头信息，将该分组数据给s g s n ： 2 s g s n 查询映射关系表，确定m s 的位置。s g s n 取得原始i p 分组， 加上包含t i i i 和n s a p i 信息的头信息，并将该i p 分组发送给m s ； 3 m s 在获得i p 分组后，去除头信息即可得到相应的用户数据。 2 2 2 4 终止过程要将p d p 上下文撤销，m s 首先向s g s n 发送一条撤销p d p 上下文的请求消息，其中包含n s a p i 信息。s g s n 向g g s n 发送一个撤销 p d p 上下文的请求消息，其中包含有t i d 信息，g g s n 撤销p d p 上下文后向 s g s n 回复撤销确认消息，其中包含t i d 信息。此时g g s n 释放m s 正在使用 的p d p 地址。s g s n 再向m s 返回一条包含了n s a p i 信息的确认消息。 2 2 3g p r s 协议模型 移动台( m s ) 和g p r s 之间的分层传输协议模型如图2 3 所示。它主要由 g t p 、l l c 和r l c 协议构成。 应用 i p x 2 5l p x 2 5 s n d c ：涔! ： 鲫 s n u lu l r 愀亿c 譬 l l c l l c u d p 厂1 l p r e少 b s s g pi pr l c r l c b s s g p i p m a c m a cs e r v i c es e r v i c el 2 l 2 g s m g s m l i h i s l i b i s l 1 l 1 图2 - 3g p r s 传输协议模型 f i g 2 - 3g p r st r a n s m i s s i o np r o t o c o lm o d e l u m 接口是g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依 次为物理层、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、 s n d c ( s u b n e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 r l c m a c 为无线链路控制媒质接入控制层。r l c 负责l l - p d u 的拆装 哈尔滨理- t 人学t 学硕i ：学位论文 与重组，并提供可靠的无线链路。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的 g p r s 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共 有3 类，分别是公共控制信道、分组业务和g p r s 广播信道。 l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无 线链路协议。 一 网络层的协议目前主要是p h a s e1 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议。 t c p 口和x 2 5 协议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等) 是透明 的。 g t p 即g p r s 隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在g p r s 网络 g s n 节点之间传送。 2 2 4g p r s 通信相关协议 2 2 4 1i p 协议i p 协议是t c p i p 协议栈的核心协议，所有的t c p ，u d p ， i c m p 协议数据都是以i p 包的格式发送的【堋。i p 传输的两个特点：不可靠和无 连接。口协议并不保证数据报能成功地到达目的地，也不维护后续数据报的状 态信息，必须由上层协议处理。标准的i p 协议实现要求对大的口包进行分片 传输，并且对接收的顺序混乱或者延迟的i p 数据分片进行重组。考虑到嵌入 式系统很少有大的数据包的特点，本协议栈的设计没有实现分片及重组功能。 另外对所有的i p 选项也没有进行处理。i p 协议完成的主要功能是：1 对收到 的l p 包解析出协议类型域，并交给相应的协议模块；2 发送i p 数据包。 l p 协议格式如表2 2 所示，分析如下： 表2 2 l p 协议格式 t a b l e2 - 2i pp r o t o c o lf o r m a t 4 位 4 位首部8 位服务类型 1 6 位总长度( 字节数) 版本长度 ( t o s ) 3 位 1 6 位标识1 3 位片偏移 标识 8 位生存时间 8 位协议1 6 位首部检验和 ( t t l ) 3 2 位源l p 地址 3 2 位目的l p 地址 选项( 如果订) 数据 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 1 版本4 位，指定i p 协议的版本号； 2 包头长度( i h l ) 4 位，i p 协议包头的长度，指明i p v 4 协议包头长度的 字节数包含多少个3 2 位。由于i p v 4 的包头可能包含可变数量的可选项，所以 这个字段可以用来确定i p v 4 数据报中数据部分的偏移位置。i p v 4 包头的最小 长度是2 0 个字节，因此i h l 这个字段的最小值用十进制表示就是5 ( 5 x 4 = 2 0 字节1 。就是说，它表示的是包头的总字节数是4 字节的倍数； 3 服务类型定义口协议包的处理方法； 4 存活时间t t l 表示数据包在网络上生存多久，每通过一个路由器， 该值减1 ，为o 时将被路由器丢弃； 5 协议8 位，这个字段定义了i p 数据报的数据部分使用的协议类型，常 用的协议及其十进制数值包括i c m p ( 1 ) 、t c p ( 6 ) 、u d p ( 1 刀； 6 校验和1 6 位，是i p v 4 数据报包头的校验和。 2 2 4 2u d p 协议u d p 是用户数据协议的简称。它位于t c p i p 协议中，与 t c p 相对应，是一种提供应用程序之间传送数据报的机制。将每台机器看作是 一些抽象的协议端口的集合，协议端口能区分在一台机器上运行的多个程序。 每个u d p 报文不仅传送用户数据，还包括发送方和接收方的协议端口号，以 便接收方的u d p 软件能将报文送到正确的接收进程，并回送应答报文给对应 的发送进程。u d p 使用底层的网络协议来传送报文，。同i p 一样，提供不可靠 的无连接数据报传输服务。它不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功 能，因此报文可能会丢失、重复、乱序等。而可靠性的问题由使用u d p 的该 应用程序来解决。虽然u d p 协议不像t c p 协议一样提供连接性、可靠性，但 正是由于这一点，使得u d p 协议通信的开销小、速率高、实时性好，适合于 那些对实时性要求高而不需要提供可靠性的系统。 每个u d p 报文称为一个用户数据报，分u d p 报头和u d p 数据区两部 分。报头由4 个1 6 位长的字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、 报文长度以及检验和。具体格式如表2 3 所示。 表2 - 3u d p 协议格式 t a b l e2 - 3u d p p r o t o c o lf o r m a t 1 6 位源端口号 i 1 6f 眵目的端口号 1 6 位u d pk 度 i 1 6 位u d p 校验和 数据 哈尔滨理1 二人学t 学硕一i j 学位论文 2 2