（通信与信息系统专业论文）基于gprs的快轨远程测控系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 随着现代化的进行，交通系统大规模发展的趋势极为迅速。由于城市轨道交 通系统( 包括地下铁道和城市高架快轨) 具有运量大、速度快、安全可靠、对环 境污染小、不占用一般道路等优点，已成为解决城市交通拥挤和减少污染的一种 有效手段。另外，快轨交通系统的建设和运营成本远远低于地下铁道，所以不少 城市正积极筹建快轨交通系统。对于高架快轨系统，快轨列车在行驶时，列车速 度、车辆重量、列车与路面的相互作用等因素会对路基产生振动作用，从而使松 软地段的路基产生纵向位移，这将会影响列车和人身安全。所以实时监测路基纵 向位移及环境温、湿度的变化对保证快轨交通系统的安全具有重要的意义。 本次课题采用m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机作为数据采集板的m c u 。 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机是一种1 6 位的单片机，它具有集成度高、外围设备丰富、 超低功耗等优点，特别是它的超低功耗特性，是目前其它单片机不可比拟的。另 外，m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机支持汇编语言和c 语言进行开发，可以大大提高开 发效率、缩短开发周期，并且具有非常好的可读性和移植性。本文的第3 章作了 详细的介绍。 远程传输数据采用e p 2 2 0 pg p r s 模块。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 ) 是通用分组无线业务的简称，是一种基于分组交换传输数据的高效率方式，它具 有资源共享、频带利用率高、数据传输率高( 最高高达1 7 1 2 k b p s ) 、接入速度快、 通信成本低等特点。与其他通信体制相比，g p r s 具有较好的实时性和可靠性。本 文的第l 章将g p r s 与其它无线通信技术进行了详细的介绍和比较，第5 章说明 了e p 2 2 0 pg p r s 模块的功能和调试过程。 数据采集板的设计是整个课题的核心所在，本文的第4 章详细地况明了数据 采集板的硬件设计、p c b 绘图、制作和软件调试过程，为与e p 2 2 0 pg p r s 模块的 连接做好了铺垫。通过现场测试表明，整个快轨远程测控系统工作稳定，数据采 集及无线传输数据精确，满足项目要求，达到了预期的效果。 关键词：g p r s ：m s p 4 3 0 f 1 x x ；c 语言；e p 2 2 0 p 英文摘要 t h e d e s i g n & r e a l i z a t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a yl o n gd i s t a n c ed a t a c o l l e c t i o na n dd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t t h et r e n dt h a ts y s t e md e v e l o p si nl a r g es c a l ew i t hb e i n gi np r o g r e s s t r a f f i cb e i n g m o d e r n i z e di se x t r e m e l yp r o m p t s i n c ec i t yh i g h s p e e dr a i l w a yt r a f f i cs y s t e m ( i n c l u d e t h es u b w a ya n dt h eo v e r h e a dq u i c kc i t yt r a c k ) h a sl u c ka m o u n t sa r eb i g ，s p e e di sq u i c k ， s a f e t yi sr e l i a b l e ，a l r e a d yb e c o m et h et r a f f i c j a mr e s o l v i n gac i t ya n dc u td o w no n ek i n d o fe f f e c t i v em e a n sc o n t a m i n a t i n gt oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nm e r i ts u c h 船s m a l l n o t o c c u p yt h eg e n e r ar o a d b e s i d e s ，q u i c ks y s t e m a t i ch i g h s p e e dr a i l w a y t r a f f i c c o n s t r u c t i o nc o m p o s e si nr e p l yc o s tb e i n gi nm o t i o na n dd o i n gb u s i n e s sb e i n gl o w e r t h a nas u b w a yo v e r ，t h e r e f o r em a n yc i t yi sp r e p a r i n gt oe s t a b l i s hh i g h s p e e dr m l w a y t r a f f i cs y s t e ma c t i v e l y t oo v e r h e a dh i g h s p e e dr a i l w a ys y s t e m ，w h e nr u n n i n gt h ef a s t f f a c kt r a i n ，t r a i ns p e e d ，v e h i c l ew e i g h t ，f a c t o r ss u c ha st r a i na n dt h er o a ds u r f a c e c o a c t i o n sa r ea b l et os h a k ea ne f f e c tt or o a d b e dc r e a t i o n ，t h e r e b y ，t h er o a d b e du s i n g f l u f f ys e c t i o no fa na r e ap r o d u c e sd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n t ，t h i sw i l lb ea b l et oa f f e c tt h e t r a i na n dp e r s o n a ls a f e t y t h e r e f o r er e a lt i m et h ec h a n g em o n i t o r i n gr o a d b e dd i r e c t i o n d i s p l a c e m e n ta n dt h ee n v i r o n m e n th n m i t u r e ，h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os y s t e m a t i c s a f e t yo f q u i c kg u a r a n t e eh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a f f i c t i m eo fp r o b l e ma d o p tt h em s p 4 3 0 f 1 x xs e r i e sm o n o l i t h i cm a c h i n et ob e u n n a t u r a lm c uo fd a t ac o l l e c t t h em s p 4 3 0 f 1 x xs e r i e sm o n o l i t h i cm a c h i n ei so n e k i n do f1 6m o n o l i t h i cm a c h i n e ，i th a si n t e g r a t i o nl e v e lh e i g h t ，a n c i l l a r ye q u i p m e n t m e r i ts u c ha se n r i c h i n g ，s u r p a s s i n gl o w - p o w e rc o n s n m p t i o n ，e s p e c i a l l y ，i t su l t r a l o w p o w e rd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t y ，i st h a to t h e rm o n o l i t h i cm a c h i n ei sn o t a l l o w e dt o c o m p a r i s o n a tp r e s e n t a n o t h e r t h em s p 4 3 0 f 1 x xs e r i e sm o n o l i t h i c m a c h i n es u p p o r ta s s e m b l yl a n g u a g ea n dcl a n g u a g et oc a r r yo u te x p l o i t a t i o n ，c a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yd e v e l o p i n gg r e a t l y ，s h o r t e nac o n s t r u c t i o nc y c l e ，a n dh a v ev e r y g o o dr e a d a b i l i t ya n dt r a n s p l a n t i n g 3 r dc h a p t e ro ft h em a i nb o d yo fab o o kh a sd o n e d e t a i l e di n t r o d u c t i o n 英文摘要 t h el o n g r a n g et r a n s m i s s i o nd a t aa d o p tt h ee p 2 2 0 pg p r sm o d u l e 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 ) i sw i r e l e s sb u s i n e s ss h o r t e rf o r mb e i n ga p p l i e do ru s e d u n i v e r s a l l yb e i n gd i v i d e di n t og r o u p ，i so n ek i n do ft h ec o s tl o wg r a d ec h a r a c t e r i s t i c c o m m t m i c a t i n gb yl e t t e ro w i n g t ot h a tt h eg r o u p i n ge x c h a n g i n gt h eh i g he f f i c i e n c yw a y t r a n s f e i t i n gad a t a ，i th a sr e s o u r c es h a r e ，b a n du t i l i z a t i o nr a t i oh i g h l y ，t h ed a t a t r a n s m i s s i o nr a t ei sh i g h ( h i g ha m o u n tt o1 7 1 2k b p sm o s t ) ，s w i t c hi ns p e e dq u i c k l y c o m p a r e dw i t ht h es y s t e mc o m m u n i c a t i n gb yl e t t e ro t h e r ，g p r sh a sf a i r l yg o o dr e a l t i m en a t u r ea n dr e l i a b i l i t y 1 s tc h a p t e ro ft h em a i nb o d yo ft h eb o o kh a sc a r r i e do u t g p r sa n do t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t r o d u c i n gt h ef u n c t i o np r e p a r i n g c o m p a r i s o n ，5 t hc h a p t e rh a v i n ge x p l a i n e dt h ee p 2 2 0 pg p r sm o d u l ea n dt e s t i n g p r o c e s sd e t a i l e d l y u n n a t u r a ld e s i g no fd a t ac o l l e c th a sb e e ne n t i r ep r o b l e mc o r el o c a t i o n ，4 t hc h a p t e r o ft h em a i nb o d yo fab o o kh a se x p l a i n e dt h eu n n a t u r a ld a t ac o l l e c th a r d w a r ed e s i g n d e t a i l e d l y ，p c bp l o t t i n g ，f a b r i c a t i o na n ds o f t w a r eh a v et e s t e dp r o c e s s ，t h ec o n n e c t i o n b e i n gam o d u l ew i t he p 2 2 0 pg p r sh a sb e e nr e a d yf o rb e d d i n g i n d i c a t e dt h r o u g ht h es c e n et e s tt h a t ，e n t i r eq u i c ka x l el o n g d i s t a n c eo b s e r v a t i o n a n dc o n t r o ls y s t e mw o r ks t a b l e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nd a t a a r ep r e c i s e ，s a t i s f i e st h ep r o j e c tr e q u e s t ，h a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e de f f e c t k e yw o r d s ：g p r s ；m s p 4 3 0 f 1 x x ；cl a n g u a g e ；e p 2 2 0 p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ：基王鱼里壁曼的迭塾重捏型控丕缠的遮盐皇塞丑：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签 学位论文版权使用授权书 一年乡月矽同 l| 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密回( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名厕乙新繇私d 瓦 7 隅叼年7 月刁同 同期：俨7 年? 月7 同 基y - g p r s 的快轨远稃测控系统的设计上j 实现 第1 章绪论 1 1 课题来源与背景 随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机远程无线测控技术在工业控 制领域中的应用越来越广泛。以往的远程无线测控系统多采用基于电台或g s m 的 s m s 业务为通信平台。电台抗干扰性保密性差，不适合在城市使用；短信息技术 是通过g s m 信令的方式来传送数据，由于信令资源有限，即每个蜂窝小区中信令 时隙数很少，使得数据传送量及速率都很小，实时性和安全性差，这在极大程度 上制约了测控系统的实时性、可靠性。而与其他通信体制相比，g p r s 具有较好的 实时性、可靠性。 g p r s 即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 在现有第二代移动通信g s m 系统上发展出来的分组交换系统，提供端到端的广域 无线i p 连接，是种新的分组数据承载业务。g p r s 是作为现有g s m 网络向第三 代移动通信演变的过渡技术，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 允许用户在端到端分组转移模式下发送 和接收数掘，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。发展g p r s 技术十分经济，只须沿用现有 的g s m 网络束发展即可，虽然是介于第二代和第三代之间的一种网络技术，但还 是在许多方面具有显着优势，也是目前国内最先进的商用网络技术【2 1 。 g p r s 技术在很多方面都优于传统的g s m 技术，所具有的优势有：资源共享， 频带利用率高，用户只有在进行数据传输时才占有系统资源，没有数据传输时， 该用户原先占用的系统资源就会动态地分配给其他的多个用户；数据传输率高， g p r s 可将数据分组传送，最高传输率可达1 7 1 2 k ；用户一直处于在线方式，接入 第1 章绪论 速度快；支持x 2 5 和i p 协议，可与现有的数据网络进行互联互通；实行流量计费、 通信成本低。 g p r s 系统使用现有的g s m 无线网络。g p r s 和g s m 共用相同的基站和频谱 资源，只是在现有的g s m 网络基础上增加了一些硬件设备和软件升级。因此，实 现g s m 升级至g p r s 非常容易，且中国移动借助原g s m 网络，所以g p r s 覆盖 非常广。目前中国移动g p r s 网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍 及2 4 0 多个城市口l 。 g p r s 是g s m 移动电话系统向第三代移动通信迈进的一个重要步骤，根掘欧 洲电信标准化协会对g p r s 发展的建议，g p r s 从试验到投入商用后，分为两个发 展阶段：第一阶段可以向用户提供电子邮件、i n t e m e t 浏览、即时聊天等数据业务； 第二阶段是e d g e ( 增强数掘速率的g s m 演进) 的g p r s ，简称e g p r s “。 目前，无线通信技术日益成熟，并且得到广泛应用，尤其是基于g p r s 方式 的无线数据传输已经进入了实用阶段。随着现代化的进行，交通系统大规模发展 的趋势极为迅速。由于城市轨道交通系统( 包括地下铁道和城市高架快轨) 具有 运量大、速度快、安全可靠、对环境污染小、不占用一般道路等优点，已成为解 决城市交通拥挤和减少污染的一种有效手段。而且，快轨交通系统的建设和运营 成本远远低于地下铁道，所以不少城市j 下积极筹建快轨交通系统。对于高架快轨 系统，快轨列车在行驶时，列车速度、车辆重量、列车与路面的相互作用等因素 会对路基产生振动作用，从而使松软地段的路基产生纵向位移，这将会影响列车 和人身安全。所以实时监测路基纵向位移的变化对保证快轨交通系统的安全具有 重要的意义。另外，道路的状况也会根据天气的变化而产生一定的影响，是否能 让快轨交通系统正常运作，温度和湿度的监测也十分重要，必不可少。 快轨交通远程测控系统的工作过程是：数据采集控制模块通过传感器模块采 集路基纵向位移变化、环境温湿度情况等现场数据，然后根据客户的需求在一定 间隔时间内将所采集的数掘发送给g p r s 无线传输模块：g r r s 传输模块再将数据 以无线方式发送到数据采集服务器，这样，客户终端就可以通过i n t e r n e t 了解到路 基纵向位移的变化量和环境温度、湿度参数，进而可以掌握快轨系统对路基的作 基于g p r s 的快轨远稃测控系统的设计与实现 用及现场环境和测量系统的运行情况。系统具有的功能为：一、数掘采集控制程 序用于定时采集路基纵向位移变化、环境温度、湿度的模拟信号，再通过r s 2 3 2 接口以一定的帧格式发送到g p r s 模块上。另外还控制电源模块，提供传感器模 块和g p r s 模块的供电。二、服务器数掘处理程序安装于服务器，作为用户终端 和前端数据传输的纽带。三、用户监测查询程序可以使用户在全球通过i n t e m e t 并 以友好界面的形式实况显示各测试点纵向位移变化情况、现场温度等信息。当测 试点的纵向位移超过设定值时，可以进行报警。 智能城市的发展，是一场数据采集与通信传输的革命。无线数掘采集传送是 将来发展的大方向。g p r s 数据采集远程测控系统是集现代无线通信技术、信号采 集技术以及计算机网络技术为一体的廉价、高效、应用范围广泛的高科技系统。 为现代测控技术提供了一个实时、高效、经济、安全的监测手段【5 1 。 1 2 课题研究的主要内容 基于g p r s 的快轨远程测控系统主要由三大部分组成：数据采集信息终端( 包 括数据采集器、通信控制器、g p r sm o d e m ) 、g p r s 通信部分( 包括m s c 基站 控制器、s g s n 业务支持节点、g g s n 网关支持节点) 、监控中心( 包括网关、信 息服务器等) 。在以g p r s 通信网络承载的i p 数据报形式传输数据时，信息终端 和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 之间利用g p r s 网络无线传输；在g g s n 和监 控中心之间采用有线( i n t e m e t ) 传输l “。系统结构图如下图1 1 所示。 第1 章绪论 图1 1 系统t 作原理示意图 f i g 1 1s y s t e mo p e r a t i n gp r i n c i p l es k e t c hm a p 课题研究的主要内容围绕着图1 1 所示的这几部分展丌。由于g p r s 通信部分 和监控中心部分的研究需要有数掘采集信息部分终端的研究作为基础，因此，数 据采集信息部分的设计和调试是否成功就成为了整个系统的关键。 数据采集信息部分的研究工作包括数据采集板的设计、控制程序的编写及与 g p r s 模块相连接。数据采集控制程序主要用于定时采集路基纵向位移变化、环境 温度、湿度的模拟信号，毳通过r s 2 3 2 接口以一定的帧格式发送给g p r s 模块。另 外，还控制着电源模块对传感器模块和g p r s 模块的供电，以节省电能。设计的数 据采集板的底板御局见附录a 。 基于g p r s 的快轨远稃测控系统的设计与实现 数据采集板设计完成、顺利制板后，就是数据采集的调试工作。在一定的工 作频率下，m c u 通过指令，是否能够采集到所需的数据，且准确率如何? 这就关 系到系统的调试问题。系统的硬件调试部分是先调试电源电路和复位电路，这两 个部分能萨常工作，再进行单片机的调试，如果单片机的晶体能起振的话，则整 个硬件的单片机部分没有问题。关于硬件系统的其他部分则需要结合软件进行调 试。对于不同的硬件部分，应该调用不同的软件程序进行测试。经过联合测试， 整个系统的软件和硬件能够f 确运行。 在g p r s 模块的部分，g p r s 模块采用的是上海毅加智能设备有限公司的 e p 2 2 0 pg p r s 产品，是实现r s 2 3 2 和g p r s 网络透明转换的专用产品。其内部结 构及使用方法在第五章中有十分详尽的阐述，在此就不赘述了。 第2 章无线通信技术与g p r s 的介纲 第2 章无线通信技术与g p r s 的介绍 2 ，1 无线网络技术概述 无线网络技术是当前发展最迅速的领域之一，相应的新技术也层出不穷，不 同的网络技术应用于不同种类的网络。网络的主要类型有：窄带广域网、宽带广 域网和局域网 刀。 2 ，1 1 窄带广域网技术 h s c s d ( 高速线路交换数据) 它是为无线用户提供3 8 3 k b p s 速率传输的无线 数据传输方式，它的速度比g s m 通信标准的速率快4 倍，可以和使用固定电话线 的调制解调器的用户相比。当前，g s m 网络单个信道在每个时隙只能支持1 个用 户，而h s c s d 通过允许1 个用户在同一时间同时访问多个信道柬大幅改进数掘访 问速率( 但这会导致用户成本的增加) 。假设1 个标准的数据传输速率是1 4 4 0 0 b p s ， 使用具有4 个时隙的h s c s d 将使数据访f q 速率达到5 7 6 k b p s 。 g p r s ( 多时隙通用分组无线业务) 它是一种很容易与i p 接口的分组交换业务， 其速率可达9 6 1 4 4 k b p s ，甚至能达到11 5 k b p s ，并且能够传送话音和数据。该技 术是当前提高i n t e m e t 接入速度的热门技术，而且还有可能被应用在广域网中。 g p r s 又被认为是g s m 第2 阶段增强( g s mp h a s e 2 + ) 接入技术。g p r s 虽是g s m 上的分组数据传输标准，但也可和i s 1 3 6 标准结合使用。随着i n t e m e t 的发展和蜂 窝移动通信的普及，g s m 的发展有目共睹，因而g p r s 技术的i j 景也十分广阔。 g p r s 是g s m 一项新的承载业务，提高并简化了无线数据接入分组的方式，分组 数据可直接在g s m 基站和其他分组网之间传输。它具有接入时间短、速率高的特 点。由于它是分组方式的，因此可以按字节数来计费，这些和传统的拨号接入时 间长、按电路持续时日j 计费明显不同。同时，g p r s 网是g s m 上的分组网，它实 际上又是i n t e r n e t 的一个子网。在g p r s 的支持下，g s m 可以提供：e m a i l 、网页 浏览、增强的短消息业务、即时的无线图像传送、寻像业务、文本共享、监视、 v o i c e o v e r i n t e m e t 、广播业务。由于它采用的是分组技术，与传统的无线电路业务 在实施上有完全不同的特点。 基丁g p r s 的快轨远稃测控系统的设计与实现 c p c d ( 蜂窝数字分组数据) 它采用分组数据方式，是目前公认的最佳无线公 共网络数据通信规程。它是一种建立在t c p i p 基础上的开放系统结构，将开放式 接口、高传输速度、用户单元确定、空中链路加密、空中数据加密、压缩数据纠 错及重发和世界杯准的i p 寻址模式无线接入有机地结合在一起，提供同层网络的 无缝连接、多协议网络服务。 e d g e 和u m t se d g e 是一种有效提高了g p r s 信道编码效率的高速移动数 掘标准，数掘传输速率高达3 8 4 k b p s ，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需 求。e d g e 是为无法得到u m t s 频谱的移动网络运营商而设计的，它提供一个从 g p r s 到u m t s 的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现 有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提i j i 为用户提供个人多媒体通 信业务。u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是i t ui m t 2 0 0 0 的重要组成部分。早在1 9 9 1 年，e t s i 就丌始了这方面的技术研究，1 9 9 8 年初， 它为u m t s 选择了一种无线接1 ：3u t r a ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s ) 作为全球 地面接入网络的基础。u m t s 除支持现有的一些固定和移动业务外，还提供全新 的交互式多媒体业务。u m t s 是用i t u 分配的、适用于陆地和卫星无线通信的频 带。它可通过移动或固定、公用或专用网络接入，与g s m 和i p 兼容。u m t s 可 支持高达2 m b s 的数据速率，与i p 结合将更好地支持交互式多媒体业务和其他宽 带应用( 如可视电话和会议电视等) 。 2 1 2 宽带广域网技术 l m d s ( 本地多点分配业务) 它是一种微波的宽带业务，工作在2 8 g h z 附近 频段，在较近的距离双向传输话音、数掘和图像等消息。l m d s 采用一种类似蜂 窝的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干服务区，每个服务区内 设有基站，基站设备经点到多点无线链路与服务区内的用户端通信。每个服务区 覆盖范围为几公里至十几公罩，并可相互重叠。l m d s 属于无线固定接入，而它 最大的特点在于宽带特性，可用频谱往往达1 g h z 以上，一般通信速度可以达到 2 m b p s 。 第2 章无线通信技术与g p r s 的介绍 s c d m a 无线用户环路系统是国际上第一套同时应用智能天线技术、采用 s w a p 空侧信令，利用软件无线电实现的同步c d m a ( s y n c h r o n o u sc d m a ) 无线 通信系统。系统由基站控制器、无线基站、用户终端( 多用户固定台、少用户固 定台、单用户固定台及手持机) 和网络管理设备等组成。单基站工作在一个给定 的载波频率，占用0 5 m h z 带宽，主要功能是完成与基站控制器或交换机的有线连 接以及用户终端的无线连接。基站和基站控制器通过e i 接k l ( 2 m b p s ) 以r 2 或v 5 接口信号接入p s t n 网。基站与用户终端的空中接口使用s w a p 信令，以无线方 式为用户提供话音、传真和低速数据业务。多用户终端还具有内部交换功能( 即 同一多用户固定台的用户彼此呼叫不占用空中码道) 。网络管理完成系统的配置 管理、故障管理、数掘维护及安全管理的功能。 w c d m a 全名是w i d e b a n dc d m a ，它可支持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等的数据 传输速率，在高速移动状态下，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率，在低速移动或是室内 环境下，则可提供高达2 m b p s 的传输速率。此外，在同一一传输通道中，它还可以 提供电路交换和分包交换的服务，因此，消费者可以同时利用交换方式接听电话， 然后以分包交换方式访问因特网。这样的技术可以提高移动电话的使用效率，可 以超越在同一时间只能做语音或数掘传输的服务限制【8 】。 2 1 3 局域网技术 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 这种系统是使用扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术，在携带型装 置和区域网络之问提供一个快速而安全的短距离无线电连接。它提供的服务包括 网际网络( i n t e m e t ) 、电子邮件、影像和数掘传输以及语音应用，延伸容纳于3 个并行传输的0 4 k b p sp c m 通道中，提供1 m b p s 的流量。蓝牙技术既支持点到点 连接，又支持点到多点的连接。蕴减在笔记本电脑、p a l m 和p d a 、w i n d o w sc e 设备、蜂窝手机、p c s 电话及其他外设的转发设备中，可以使这些设备在各种网 络环境中进行通讯。现在的规范允许7 个“从属”设备和一个“主”设备进行通讯。几 个这样的小网络也可以连接在一起，通过灵活的配冒彼此进行沟通。 i e e e 8 0 2 1 1 无线网络标准于1 9 9 7 年颁布，当时规定了一些诸如介质接入控制 层功能、漫游功能、自动速率选择功能、电源消耗管理功能、保密功能等，是1 9 9 9 基丁g p r s 的快轨远平测控系统的设计与实现 年最新版本的无线网络标准。除原i e e e 8 0 2 1 1 的内容之外，增加了基于s n m p ( 简 单网络管理协议) 的管理信息库( m i b ) ，以取代原o s i 协议的管理信息库，另 外还增加了高速网络内容。i e e e 8 0 2 1 1 分a 和b 两种。i e e e 8 0 2 1 l a 规定的频点为 5 g h z ，用j 下交频分复用技术( o f d m ) 来调制数掘流。o f d m 技术的最大优势是 其无与伦比的多途径回声反射。因此，特别适合于室内及移动环境：i e e e 8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h z 频点，采用补偿码键控c c k 调制技术。当工作站之问的距离过长 或干扰过大，信噪比低于某个限值时，其传输速率可从11 m b p s 自动降至5 5 m b p s ， 或者再降至直接序列扩频技术的2 m b p s 及1 m b p s 。 i r d a 是制定红外线传输标准的组织。i r d a 传输标准的特点是：传输速率每秒 11 5 k b ，传输角度为3 0 度，点对点半双工传输。s e r i a lp o r t 须有1 6 5 5 0u a r t ，最 大传输距离1 米【9 】。 2 2g p r s 的概念 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 ) 是通用分组无线业务的简称，是在现在 的第二代移动通信g s m 系统的基础上发展起来的一种基于分组交换传输数掘的高 效率方式，提供广域、无缝、直接的i n t e m e t 无线i p 连接。每个用户可以同时占 有多个无线信道，大大提高信息传输速率：采用“统计复用”的方式，多个用户 可以动态共享一个信道，大大提高了带宽资源的利用率，能够确保分组模式数据 应用的成本效益和网络资源的有效利用。g p r s 在一个发送实体和另一个或多个发 送实体之间提供数据传输，这些实体可以是连接到一个g p r s 网络或一个外部数据 网的终端设备。尤其适用于日j 歇性、非周期性数掘传输( 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：较大容量数掘的不频繁传输。 以g p r s 为基础的无线数据应用为实现远距离的数据传输和实时监控提供了一种新 的技术手段i 孤。g p r s 系统可以看作是在原有的g s m 电路交换系统的基础上进行的 业务扩充，以支持移动用户利用分组数据移动终端接入i n t e m e t 或其它分组数据网 络的需求，是从2 g 向未来3 g 过渡的必经之路，与联通公司的c d m a 技术同为2 5 g 技术【l o 】。 第2 章无线通信技术与g p r s 的介纠 利用g p r s 网络访问i n t e r n e t 、i n t r a n e t 等外部数掘网。在g p r s 用户使用g p r s 业务之前，它首先要通过g p r s 附着过程( a t t a c h ) 将自己的信息登记在s g s n 中。 附着过程结束后，s g s n 建立了移动台的信息，并对移动台作移动性管理，尽可能 地获得移动台的位置信息。移动台如果要访问外部数掘网，需要发起p d p 上下文 激活过程( p d pc o m e x ta c t i v a t i o n ) ，通过此过程使移动台到g g s n 建立一条逻 辑通路，从而可以访问外部数据网【ij 。g p r s 的基本结构图如图2 1 所示。 i 。一一一一一一一 b t s ：基站收发信机s c ：移动交换中心 b s c ：基站控嚣v i r ：访问位置寄存器 s g s n ：业务支持节点i - i l r ：本地位置寄存器 g g s n ：网关支挣节点 图2 1g p r s 的基本结构图口i f i g 2 1f u n d a m e n t a lg p r ss t r u c t u r eg r a p h 2 3g p r s 业务 现有的g s m 网络已经很好地解决了人们对通信及时性的要求，但在市场新 热点数据业务方面则显得束手无策。这主要是由于最初的g s m 标准主要是考 虑支持语音业务和少量电路交换方式的数掘业务，因此g s m 网络的语音通信是电 路交换方式，其最明显的缺点就是无线资源被大量占用，即使是在没有数掘传送 时，该无线资源也无法用于其它用途。这对于无线资源捉襟见肘的中国移动市场 基于g p r s 的快轨远拌测控系统的设计与实现 而言，无疑是一个限制，计费也是一个难点。出于对高速数掘业务的需求，g p r s 技术应运而生。 作为采用g s m 承载平台的新技术，g p r s 是一个以分组技术为基础的传输系 统，能为用户提供高达1 6 0 k b s 的数据速率。相比之下，仅有9 6 k b s 的g s m 数据 业务显得苍白无力，而这一切的原动力就是电路交换向分组交换的演变。g p r s 的 引入不仅可以充分利用原有g s m 系统资源，而且为第三代移动通信宽带数据业务 积累了经验，因此被看作是由第二代的g s m 过渡到第三代的w c d m a 的必经之 路，也就是上述的2 5 g 。 2 3 1g p r s 数据业务的技术优势 一、无线信道的利用率高。g p r s 以分组方式在g s m 网络上传输数据和信 令，即只在实际传送和接收时才使用无线资源，这意味着多个用户可高效率地共 享同一无线信道。 二、传输速率高。g p r s 为用户提供高达1 6 0 k b s 的数据速率，这意味着在数 年内，通过便携式电脑，g p r s 用户能和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。 三、接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1 s ，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，并可使已有的i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 四、支持i p 协议和x 2 5 协议。网络层采用t c p h p 和x 2 5 协议，通过该接 口可实现与现有标准数据业务的无缝连接。用户不必拨号即可以快速预约的方式 建立连接。 五、用户的服务成本低。g p r s 终端用户收费是按数掘信息量付费，而非按 链路占用时间付费，在国内g p r s 覆盖的地方都可以实现g p r s 的自动漫游，且 用户漫游不加收漫游费1 0 1 。 第2 章无线通信技术与g p r s 的介纠 2 3 2g p r s 业务流程 当终端进入或者切换到一个g p r s 网络时，终端首先进行附着( a t t a c h ) ，使 得网络知道终端的出现，这样就可以通过g p r s 网络接收信息。接着终端可以进 行p d p 报文激活，这是终端在接收和发送g p r s 数掘报文之前必需完成的。至此， 终端就可以与g p r s 网络交互数据了。 g p r s 的业务流程为：g p r s 附着过程和p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 激活过 程。 g p r s 终端有空闲( i d l e ) 、就绪( r e a d y ) 、待命( s t a n d b y ) 三种状态。相 比传统g s m 业务，g p r s 终端能始终保持在线状态，当收到来自上层应用程序的 数据时，能够立即启动分组传送。g p r s 终端状态转换模型如图2 2 所示。 就绪计时器满或 强制转九待命状 击活g p r s发送p d i j 图2 2g p i i s 终端状态转换模刑 f i g 2 2g p r st e r m i n a ls t a t ec o n v e r tm o d e 用户使用g p r s 数据业务以p d p 报文为单位，定义了数据传输过程中的用户 端地址、服务接入点、服务质量等重要参数。可以由g p r s 终端发起p d p 报文激 活过程，通过s g s n 、g g s n 接入外部数据网，实现i p 分组的传送。 具体过程如下： ( 1 )终端向s g s n 发送“激活p d p 报文请求”信息、信息中包括a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) 名、p d p 地址、q o s 等参数g ( 2 )s g s n 检查终端登记时从h l r ( h o m el o c a t er e g i s t e r - 归属位置寄存 器) 传送过来的用户数据，或者向h l r 查询用户数掘，包括a p n 、 是否采用动念地址等： 基丁g p r s 的快轨远稃测控系统的设