（通信与信息系统专业论文）基于gprs网络的移动数据接入终端的研究与设计.pdf

基于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究与设计 摘要 移动数据通信是今后移动通信发展的一个方向，采用无线手段为 各行各业提供数据业务的应用成为新的通信热点。g p r s 提供的 i n t e m e t 接入业务使得移动通信和i n t e m e t 相互融合成一个崭新的领域 一移动互联网。这是移动通信适应数据业务发展的新动向，也是 i n t e m e t 要“动”起来的要求。 本论文在对移动数据通信发展过程以及需求分析的基础上，就当 前最火热的g p r s 移动通信网络技术进行了深入的研究，介绍了 g p r s 的技术优势、体系结构、工作原理以及业务解决方案，还详细 分析了p p p 协议。 针对当前很多行业的传统数据终端需要远程联网的要求，结合当 前最新的嵌入式技术、移动通信技术和i n t e m e t 网络技术，利用a r m 7 系列的微处理器和西门子最新的g p r s 模块m c 3 5 i ，基于l n u x 操作 系统开发平台，设计并实现了移动数据接入终端，内嵌t c p i p 协议， 能轻松方便地通过g p r s 网络接入互联网，进行远程无线数据传输。 而且用户接入因特网无需进行认证，可以由移动用户鉴权替代，这样 可以加快用户接入速度。该终端可以广泛地应用于运输业、金融、证 券、机房监控和远程维护管理系统、移动车辆监控调度系统和城市公 用事业实时监控维护系统等领域。 关键词：移动数据通信，g p r s ，t c p i p ，p p p ，u c l i n u x ，a r m t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no fm o b 。ed 心 a c c e s st e r m 【n a lb a s e do ng p r sn e t w o r k a b s t r a c t m o b i l ed a t ac o m m u n i c a t i o ni saf u t u r ed i r e c t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n p r o v i d i n gd a t as e r v i c e sf o ra l l k i n d s o ff i e l du s i n g w i r e l e s st e c h n o l o g yb e c o m e sah o ti nc o m m u n i c a t i o n t h ea c c e s st o i n t e r n e ts e r v i c e st h r o u g hg p r sm a k e sac o n v e r g e n c eo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o na n di n t e r n e ti n t oab r a n d - n e wf i e l d - m o b i l ei n t e m e t t h i si st h en e wo r i e n t a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h ea d a p t a t i o n t ot h ed e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e s t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h e nh a sa d e e pr e s e a r c ho ng p r s t e c h n o l o t yw h i c hi s i nal e a d i n gp o s i t i o na t p r e s e n t ，i n c l u d i n g i t s a d v a n t a g e s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，s e r v i c es o l u t i o n s ，a n da l s oa n a l y z e sp p p p r o t o c 0 1w h i c hi sak e yp r o t o c o lt og p r s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e m o t ea c c e s st oi n t e m e t ，t h i s d i s s e r t a t i o n d e s i g n s a n d p a r t l y r e a l i z e sam o b i l ed a t a e q u i p m e n t c o m b i n i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d i n t e r n e tn e t w o r k i tu s e st h el a t e s tg p r sm o d u l em c 3 5 it h a ti sp r o d u c e d b ys i e m e n sa n ds a m s u n g sa r m 7s e r i e sm i c r o c p u j n s i d ew h i c hw e p o r tu c l i n u xa n dr e a l i z et c p i pp r o t o c o l s w ec a nc a r r yo u ti n t e r n e t e a s i l yu s i n gt h i st e r m i n a l ，a n dg e tr e m o t ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n m a t sm o r e t h e r ei sn on e e do fa u t h e n t i c a t i o ni n s t e a do fm o b i l eu s e r s s i mc a r d w h i c hw i l la c c e l e r a t et h es p e e do fa c c e s s i o n t h i sm o b i l ed a t a a c c e s st e r m i n a lc a i lb ew i d e l yu s e di nt r a n s p o r t ，t r a f f i c ，b a n k ，e l e c t r i c p o w e ri n d u s t r ya n ds oo n k e yw o r d s ：m o b i l ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，g p r s ，t c p i p ，p p p ， u c l i n u x ，a r m i l 基于g p r s 孵络的移动数据接入终端的研究和设计 插图目录 图1 - 1 移动数据接入终端框图4 图2 一lg p r s 网络系统结丰句8 图2 - 2g p r s 逻辑体系结梅图9 阻2 - 3 内部p l m n 骨干赙和外部p l m n 骨干网1 2 图2 4g p r s 传输平台1 3 图2 - 5 g p r s 终端作为客户机连上i n t e m e t 1 5 图2 - 6 路由原理1 6 图2 7g p r s 的计费系统1 7 图3 1 协议层次图，2 0 囝3 - 2p p p 帧格式2 l 图3 - 3l c p 包结构2 2 图3 _ 4c o n f i g u r e r e q u e s t 包格式2 2 图3 - 5c o n f i g u r e - a c k 包格式2 3 图3 - 6c o n f i g u r e - n a k 包格式2 3 圈3 - 7c o n f i g u r e r e j e c t 包格式2 4 图3 - 8 配置选项数据格式。2 4 圈3 - 9m r u 的配置选项包2 5 图3 1 0 认证配置选项包2 5 图3 1 lp p p 链路连接过程2 6 图4 1 硬件系统总框图2 8 图4 2m c 3 5 i 的功能框图3 0 图4 3m c 3 5 i 的引脚接口图，- 3 0 图4 - 4 $ 3 c 4 5 1 0 b 的功能框图3 2 图4 5 $ 3 c 4 5 1 0 b 系统存储器映射3 3 图4 - 6 $ 3 c 4 5 】0 b 复位时的存储器映射3 4 圈4 7m c 3 5 i 模块外同设计图3 4 图4 - 8s i m 接口定义3 7 图4 - 9m c 3 5 i 电源设计电路3 8 图4 1 0 测试连接图3 9 图4 1 l 拨动开关和按钮的原理图4 4 图5 1 系统软件组成4 6 图5 - 2u c l i n u x 系统启动过程5 4 囝5 3 终端启动时显示信息5 5 图5 - 4g p r s 拨号上网过程5 8 v 基于g p r s 网络的移动数据按入终端的研究和设计 表目录 表2 - 1 主要g p r s 逻辑参考点说明9 表4 1d t e 和d c e 串口输入输出弓 脚对应：3 5 表4 - 29 芯d 型插头目 脚信号描述3 6 表4 - 3 指示灯状态3 8 表4 - 41 4 针j t a g 接口定义4 3 表4 - 52 0 针j t a g 接口定义4 4 表4 - 6l e d 代表的意义4 5 表5 qr o o t 系统目录分布5l 表5 - 2f l a s h 使用情况5 2 v 基于g p r s 嚼络的移动数据接入终端的研究和设计 附录插图目录 附图1m c 3 5 i 外围电路设计原理图6 4 附图2m c 3 5 1 外国电路p c b 图6 4 附图3 微处理器及其外围电路设计原理闰6 5 附图4 微处理器及其外围电路p c b 图6 5 附图5m c 3 5 i 的外围设计板子6 6 附图6d c e 实物图6 6 基于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 术语说明 a m p s ：美国的先进移动电话系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) t a c s ：英国的全地址通信系统( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) g s m ：欧洲的泛欧数字移动通信网( g l o b a ls y s t e mf b rm o b i l e ) p d c ：日本的个人数字蜂窝( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) h s c s d ：高速电路交换系统( h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e d ) g p r s ：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 ) e d g e ：增强型数据速率g s m 演进技术( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) e t s i ：欧洲电信标准委员会( e u r o p e a nt e l e c o ms t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ) p s t n ：公共电话交换网( p u b l i cs w i s h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) s g s n ：g p r s 服务支持接点( s e r v i n g g p r ss u p p o s i n g n o d e ) g g s n ：g p r s 网关支持接点( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n g n o d e ) p c u ：分主控制单元( p r o t o c o lc o n t r o lu n i t ) p d n ：分组数据网( p r o t o c o ld a t a n e t w o r k ) b s s ：基站系统( b a s es t a t i o ns y s t e m ) b s c ：基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) b t s ：基站收发信机( b a s e t r a n s c e i v e r s t a t i o n ) m s c ：移动交换甲心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) v l r ：涛访位置帝存器( v i s i t i n gl o c a t i o nr e g i s t e r ) h l r ：本地位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) d n s ：域名服务系统( d o m a i nn a m es y s t e m ) p l m n ：公共陆地移动网络( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) s m s 1 w m s c ：短消息业务网关移动交换中心 s m s i w m s c ：短消息业务互通移动交换中心 a u c ：鉴权中心f a u t h e n t i c a t i o n ) e i r ：设备标志寄存器( e q u i p m e n ti d e n t i f i e rr e g i s t e r ) m s ：移动台( m o b i l es t a t i o n ) p p p ：点对点协议( p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 ) l c p ：链路控制协议( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) n c p ：网络控制协议( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c o l s ) h d l c ：高级数据链路控制协议( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) p a p ：密码认证协议( p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) c h a p ：竞争握手验证协议( c h a l l e n g eh a n d s h a k ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) m r u ：最大接收单元( m a x i m u mr e c e i v eu n i t ) v i l l 基于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 第一章绪论 移动通信和i n t e m e t 是当前信息产业的两大热点，其特点是两者在新形势下的 互相结合，i n t e m e t 及其接入终端可移动，手机可以接入i n t e m e t ，出现了电脑手机 化，手机电脑化，诞生了移动i n t e m e t 【- 】。 移动i n t e m e t 的诞生带来了诱人的巨大市场，在市场推动和技术牵引的双重作 用下，两者得到了更迅猛的发展。一方面，将可能使得任何人，在任何时候和任 何地点实现任何形式的通信，这就是个人通信的最终目标；另一方面，也将促进 当前各个行业的信息化智能化应用，这个动向是后p c 时代到来的标志，也意味着 移动数据通信的兴起和普及甚至大力发展，实现任何设备随时随地接入i n t e m e t n t , 】。 随着通信事业的发展，移动通信应用领域的不断扩大以及人们对社会信息化、 网络化以及移动化程度的不断提高，行业用户的生产、管理、销售等日常运营都 急切需要移动数据通信。 1 1 移动数据通信的发展和应用简介 数据通信是按照一定的通信协议，利用数据传输技术在通信终端之间传输数 据信息的一种通信方式。可以实现计算机与计算机、计算枫与终端以及终端与终 端之间的数据信息传递。原来的数据通信是固定式计算机通过电信传输线路实现 的。随着移动通信技术的不断发展，出现了无线移动数据通信。无线移动数据通 信是通过无线电波传送数据信息的一种通信方式。它是在有线数据通信的基础上 发展起来的，能实现移动状态下的数据通信f 4 j 。 移动通信是当目 最活跃的通信领域之一，移动通信技术为推动全社会信息化 的进程发挥着越来越重要的作用。短短几年，移动通信已经从第一代模拟移动通 信( 1 g ) 发展到现在的第三代移动通信( 3 g ) ，从模拟信号发展到数字信号，从 语音业务发展到宽带数据传输嗍。 第一代模拟移动通信网是从7 0 年代中期到8 0 年代中期蓬勃发展起来的，特 点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。蜂窝概念真正解 决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。这一阶段主要制式有 美国的先进移动电话系统( a m p s ) 、同本汽车电话系统( h a m t s ) 、北欧四国( 瑞 典、挪威、丹麦和冰岛) 开发出的n m t - 4 5 0 移动通信网、英国的全地址通信系统 ( t a c s ) 。我国采用的a 网和b 网是属于英国的t a c s 系统。a 网建在西北五省 和云南，而b 网则建在全国的其它地区。但是由于频谱利用率低、保密性差、技 术简单等缺点，第一代移动通信技术在很多地区尚未得到充分发展就退出了历史 基于g p r s 懈络的移动致据接人终端的研究和设计 的舞台。这一阶段的移动通信只是完成语音通信的功能，尚没有数据通信的实现。 第二代移动通信技术是8 0 年代中期开始的，这是数字移动通信系统发展和成 熟的重要时期。这一阶段的标准主要有欧洲的泛欧数字移动通信( g s m ) 、美国的 数字先进移动电话系统( d a m p s ) ，也即i s 1 3 6 ；c d m a o n e ，也即i s 9 5 或北美 c d m a ( n a c d m a ) 、日本的个人数字蜂窝( p d c ) 。 1 9 8 8 年，欧洲首先推出泛欧数字移动通信网( g s m ) 标准，泛欧网g s m 于 1 9 9 1 年7 月开始投入商用。g s m 网是目前的主流制式，拥有全球最大的用户。我 国采用g s m 网。我们平常讲的双频网络g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ，它们都是g s m 标 准。两个系统功能相同，主要是频率不同，g s m 9 0 0 工作在9 0 0 m h z ，d c s l 8 0 0 工作在1 8 0 0 m 垃。 第二代移动通信网络的主流业务仍是语音通信，而且以电路交换为特点，同 时兼顾低速率数据业务如短消息、三类传真等，其最高数据速率只有9 6k b p s 。 但是随着因特网的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，再加上城市 的信息化智能化建设需要越来越多的设备进行数据通信，需要接入i n t e m e t ，面第 二代移动通信系统所能提供的数据业务能力有限，这就迫使下一代移动通信系统 的开发l 。 第三代移动通信系统是目前正在大力投入开发的系统，其基本的特征是提高 系统容量、实现多媒体数据通信和统一的标准和频段。3 g 的速率目标是在室外静 止或者行人步行速度下3 8 4 k b p s ；室外高速运动中提供1 4 4 k b p s ；室内提供最高数 据传输速率为2 mk b p s i 。j 【”】。 为了从第二代平滑地向第三代过渡，出现了目前的2 5 代，主要的标准有： h s c s d 、g p r s 和e d g e 。基于g s m 系统提出的g p r s 方案，是迎合平滑过渡策 略的最主要方案，它重点引入了数据通信技术来提高系统的数据通信能力，以满 足现代社会对中、高速数据通信的需求。 g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域的无线i p 连 接。g p r s 充分利用共享无线信道，采用i po v e rp p p 实现数据终端的高速、远程 接入。g p r s 允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据。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。g p r s 能 够充分利用现有的g s m 网，其主要特色是可以提供高达1 7 1 。2k b p s 的分组数据传 送速率，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。 目前，在公安系统( 查询人口信息、在述犯信息、车辆管理信息等) 、交通管理 系统( 超速监测) 、环保系统( 监测污水、污气排放) 、电力系统( 自动抄电表) 、市政 系统( 路灯夜景照明系统管理) 、车辆调度( 出租车、公交车、警务车辆定位调度系 统) 、企业移动化办公( g p r s 接入v p n ) 、电子商务( 移动银行、移动理财、移动 交易、移动炒股) 等多个有影响力的领域中，传输的数据量很小，有线通信方式 楣对比较浪费用龟力线传输数据不安全，丽光缆投资太高：自建无线电台局限 基于g p r s 魁终豹移动数据接入终端蛾究和设计 很大，电力线载波在故障时不能使用，因而利用无线移动网络来作为传输平台是 最佳的。 由此，基于全球通网络的g p r s2 5 g 移动数据通信网络，是目前实现行业应 用数据通信最理想的平台，采用g p r s 终端接入i n t e m e t 的方式在价格以及实时性 上都有很大的优越性。 国际上如美国、欧洲等发达国家在g p r s 无线数据应用方面已经非常普及。 美国著名的m u l t i t e c h 系统公司是广域网( w a n ) 技术相关设备的主要提供者，在 嵌入式无线m o d e m 市场里在全球处于主导地位，有着3 0 年的m o d e m 设计和 生产经验，在业界提供了品种最全质量最好的m o d e m ，在2 0 0 3 年m u l t i t e c h 开 始进军嵌入式无线接入设备市场。在当年的嵌入式系统展览上，m u l t i - t e c h 展示了 一种新的s o c k e t m o d e m 和m o d e m m o d u l e 模块，这些模块同时使用了g s m g p r s 以及c d m a 技术，可以在全球的蜂窝通信网络上进行数据和语音通信，这些新 的m o d e m 可以被集成到其它的o e m 设备中或者针对特定的应用系统中。 我国自从2 0 0 2 年中国移动g p r s 商用化以后，国内各大小企业都加入了无线 数据应用解决方案的行业中，针对特定的行业出现了各种各样的无线接入产品， 但是就我国整体来说，占的市场份额还没有其它发达国家高，如移动p o s 终端在 美国占有6 0 的市场份额，而在中国这个数据还不到1 0 。 中国目前拥有全世界最大的移动通信网络，覆盖全国的g p r s 网络已成为 种可持续利用和开发的资源。相信在不远的将来，被移动信息化武装起来的智能 政府、智能交通、智能商业、智能家庭会陆续呈现在我们面前，溶入生活中的每 一个角落。目前要实现这样的应用，开发出性价比高的g p r s 终端系统具有很重 要的意义。同时，由于g p r s 技术的成熟以及嵌入式系统的日益普及，开发这样 的无线数据终端也成为可能。 1 2 基于g p r s 网络的移动数据接入终端总体结构 利用公网进行信息传输是必然的趋势，g p r s 成了目前移动通信网络中最成 熟、也最具有商业潜力的数据业务技术平台之一。所以如何利用g p r s 现有的技术 优势，开发出更多具有实用价值的商业应用，也就成了下阶段数据业务市场攻略 的焦点。移动公司的客户范畴也在从个人用户逐渐发展为与人们生活息息相关的 各行各业的企业用户。 由于出现各种各样的行业应用，g p r s 终端也已不仅仅是手机，而是各种形式 的仪器，这种仪器不具有通话功能，但内置g p r s 模块，可以收发信号进行数据的 无线传输。 本文正是为了满足各个行业的信息化需求而设计的基于移动通信网络的无线 数据终端，它特别适用于闽断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。 基于g p r s 同络的移动数据接八终端的研究和设计 终端采用模块化设计，方便调试，易于扩展。硬件部分采用西门子最新的工 业级g p r s 模块和s a m s u n g 的a r m 7 嵌入式微处理器，软件部分采用了目前使用 最广泛而且公开源代码的免费嵌入式操作系统u c l i n u x 。终端内嵌t c p i p 协议并设 有标准的串行端口，为不具备t c p i p 协议的终端设备提供无线通信能力，并提供 完备的电源系统，使用方便简洁( 详细设计见本文第四第五章) 。整个终端的框图如下： 幽1 1 移动数据接入终端框图 由于g p r s 是基于t c p i p 协议的网络，要求接入的设备必须符合t c p i p 协 议规范，而大多数传统数据终端设备( 像金融p o s 、监测监控采集设备等) 均不 具有i p 功能，这些设备借助移动数据接入终端，能轻松方便地通过串1 2 1 接入g p r s ， 网络，实现远程无线联网，有助于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标， 能够应用在电力、自来水等领域表计的计量，还可以实现自动测量读取、字段计 量发送、远程信息处理、远程设备监控，以及安防、车辆调度等任何需要统一管 理服务终端的应用方案中。 1 3 本文的主要工作 在语音业务日渐趋于饱和的情况下，移动数据通信是未来移动通信领域的主 流业务。技术上移动通信与i n t e m e t 的融合、应用上移动数据业务与行业用户的结 合是今后移动数据通信研究的方向和热点。 本人有幸接触了这个新兴的领域，一直以来都作为自己的研究方向，平时经 常闲读一些外文资料，积极地参加各种学术报告，了解国内外发展动态和技术前 沿。另外，在研究生期间，作为主要设计开发人员，本人参与了实时无线多媒 体系统的设计与开发项目，并在项目中担任语音和控制小组的负责人，从一开 始对硬件的设计和实际调试经验一片空白到最后整个项目的如期完成，从中不仅 提高了专业技能，还提高了自己的人际沟通能力，团体协作能力。 4 摹于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 要把移动数据通信技术应用到各行各业中，就需要相应的数据终端设备。本 文是在整个研究生阶段知识积累的基础上，针对各个领域对移动数据通信的需求， 结合前沿的移动通信技术、互联网技术和嵌入式系统技术而设计的全新移动数据 终端设备。 本文可以分成两大主要的部分。第一部分是硬件电路的设计和制作，采用最 新的s i e m e n sg p r s 模块m c 3 5 i 和s a m s u n ga r m 7 系列微处理器芯片。本部分以 作者曾经做过的工程项目为基础，涉及到电子电路的设计、p c b 板的设计、排版 和制作，以及硬件电路的调试整个过程。第二部分是基于l i n u x 平台的嵌入式软件 开发，涉及到相当广泛的内容，包括t i n u x 内核机制、f l a s h 文件系统的制作、t c p i p 协议、p p p 协议等等，定制嵌入式操作系统u c l i n u x 以及相应的应用程序。 全文章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了项目研究的背景、意义、移动数据通信的发展历 史、应用现状、国内外相关研究的情况等； 第二章详细阐述了当前具有巨大数据通信应用前景的g p r s 网络技术和相关 的协议，包括g p r s 网络的结构、接入终端、传输平台、工作模式、计费管理以 及目前主要应用领域； 第三章详细讨论了p p p 协议原理，包括p p p 帧的组成、l c p 、n c p 以及p p p 的链路操作过程： 第四章论述了硬件的设计和实现以及调试过程，详细介绍了g p r s 模块m c 3 5 i 和嵌入式a r m 7 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b ，并对其外围电路进行了设计： 第五章重点研究和设计了系统软件，包括软件开发环境的建立、操作系统 u c l i n u x 的定制、文件系统的制作以及固化，并详细实现了如何通过g p r s 网络接 入i n t e m e t 的操作过程。 第六章总结了本论文的研究工作及需要改进的地方。 豢于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 第二章g p r s 网络技术 g p r s 的英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，即通用分组无线业务【1 2 】， 是第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b t c e l l e n t 公司早在1 9 8 3 年提出的，是g s mp h a s e + 2 ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之 一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务。g p r s 与g s m 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。g p r s 把分组交换技 术引入现有g s m 系统，为移动用户和数据网络之间提供种连接，给移动用户提 供高速无线i p 和x 2 5 服务。g p r s 以其“按流量计费”、“永远在线”等特点，倍 受国内外电信业的青睐。 2 1g p r s 相对于g s m 的特点 数据速率不同 g p r s 可以提供四种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的纠错能 力。e t s i 采用四种不同的编码方式，每个时隙能提供的速率为c s 1 ( 9 0 5k b p s ) 、 c s 一2 ( 1 3 4k u p s ) 、c s 3 ( 1 5 6k b p s ) 及c s 4 ( 2 1 4k b p s ) ，其中c s 1 的保护最 为严密，c s - 4 则完全未加任何保护。 g p r s 可以利用多个时隙来增加带宽，设备可以用下行的最大时隙加上上行的 最大时隙如“2 + 1 ”、“4 + 1 ”、“3 + 2 ”来描述。时隙可以根据可用性动态分配，蜂窝内 的每个频道最多有8 个时隙可用，设备和网络之间通过协商来管理这些资源，g s m 通常比g p r s 的优先级高，所以当话音数量增多的时候，时隙的可用性就会降低。 然而，g p r s 的优点是一旦时隙可用，就能为用户传送数据。在理论上，g p r s 可 以将最多8 个时隙组合在一起，所以g p r s 号称给用户提供高达1 7 1 2k b p s 的带 宽。但是实际的传输速率取决于移动运营商的网络设嚣，目前，中国移动网络支 持c s l 和c s 2 ，目前可以稳定在2 0 4 0 k b p s 的数据传输。基于电路交换的g s m 移 动通信网只能提供9 6 k b p s 的数据业务。 g p r s 资源利用率高 g p r s 采用分组交换技术，分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数 据包，通过不同的路由，以存储转发的方式传送至目的端，再按规则组合成完整 数据。基本上来说，分组交换是非实时性的，延时也不固定，g p r s 可灵活运用无 线信道，使多个g p r s 数据用户共享带宽，极大地提高无线资源的利用率。 g s m 网络采用的是电路交换技术( c s d ) ，无论有无数据传送，信道都被占用， 所以资源利用率低。 g p r s 更适合数据应用 6 基于g p r s 嚼络的移动数据接入终端的研究覃 设计 g p r s 的分组交换技术提供灵活的差错控制和流量控翩，主要是在终端到应用 层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销，也可以在网络部分环节上增加 控制，提高安全性，另外，通过设置服务等级q o s 等手段，可以有效控制和分配 延时、带宽等性能，因此，分组交换非常适用于数据应用，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。 g s m 采用的电路交换需要建立端至端的连接，在通信过程中独占信道，属于 实时或固定延时通信，特别适用于话音传输。 上网方式不同 g s m - w a p 方式上网犹如在家中拨号上网，上网后便不能同时使用该电话线。 而g p r s 上网则较为优越，下载资料和打电话可以同时进行。 g p r s 永远在线 g p r s 用户随时与网络保持联系，当用户访问互联网时，用户终端在无线信道 上发送和接收数据。当用完后，用户终端释放所用的无线频道给其它用户使用， 这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接。当用户再次要上网时，终端立刻 向网络请求无线频道来传输数据。 g s m w a p 上网方式在断线后还需要重新拨号后爿+ 能上网。 计费方式不同 g p r s 按流量计费，采用分组交换技术的好处是按照发送和接收数据包的数量 来计费，这对用户来说比较合理。 g s m w a p 上网按时间计费，因为采用电路交换的形式，就像用户在使用打电 话时一样，不管你是否开口说话，系统都会在上下行的频段中保留一个时隙给用 户，费用是以使用的时隙数目和使用时间的长短来计算的。 访问的内容不同 g s m w a p 终端上网智能浏览专门为w a p 设计的网站，而g p r s 终端则可以 浏览普通的i n t e m e t 网页。 2 2g p r s 网络结构 2 2 1 系统结构 g p r s 采用了g s m 同样的无线调制技术，一样的频率，同样的t d m a 帧结构。 g p r s 是在g s m 网的基础上通过增加服务支持节点( s g s n ) 、网关支持节点 ( g g s n ) 、分组控制单元( p c u ) 等设备，升级基站子系统( b s s ) 系统软件、 计费软件发展而成，使得用户能够支持分组数据和最大限度地利用现有网络设备 以及对现有网络的改动最小，同时考虑了网络能够平滑向3 g 过渡。其整体的网络 结构 2 1 1 ”洲如图2 1 所示。 7 募于g p r s 弼络的移动数据接入终端的研究和设计 图2 一lg p r s 网络系统结构 从图中可以看到，原有的g s m 网络结构不变；只是在b s s 部分增加了p c u ， 新建了一个分组网络，分组网络中有两种g p r s 节点：s g s n 和g g s n 。s g s n 主 要负责g p r s 用户移动性的管理、用户的接入、短消息的收发、分组数据的转发 等。g g s n 主要负责通过g i 接口( g p r s 与外部分组数据之间的参考点) 转发用 户数据到其它分组数据网络( p d n ) 。 用户终端如手机、电脑等通过无线方式与g s m 基站通信，但与电路交换方式 不同，g p r s 分组数据是从基站发送到g p r s 支持节点( s g s n ) ，而不是通过移 动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网。 来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传 送到用户终端。 2 2 2 逻辑体系结构 g p r s 是在网络结构中增加s g s n 和g g s n 两个新的网络节点来实现的，由 于增加了新的节点，逻辑上来说需要命名新的接口，现有的g s m 网只需进行软件 升级就可以支持相应的接口。图2 2 是g p r s 网络的逻辑体系i t s q 结构图。 基于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 图2 - 2g p r s 逻辑体系结构图 表2 - 1 主要g p r s 逻辑参考点说明 接口或参考点说明 g b i s g s n 与p c u 之倒的接口 g e l g g s n 与h l r 之间的接口，一般不用 g a i s 阃m 的s 接- g m 口s c 之问的接1 s m s - i w m ? c 与s 。s n 之 g i l g p r s 与外部分组数据之问的参考点 g n同一g p r s 网络中两个g s n 之间的接口 g p 不同g s m 列络中两个g s n 之问的接j 二l g r s g s n 与h l r 之问的接口 g s s g s n 与m s c v l r 之间的接口 g f s g s n 与e 1 r 之删的接l 二| u m l m s 与g p r s 周定列部分之间的无线接口( 空中接口 其中p c u 使b s s 提供数据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无线 资源。g b i u 提供从b s s 到s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理实 体中。由于g p r s 在g s m 网络中引入了两个g p r s 支持节点和新的接口及单元， 会对g s m 网络设备产生以下的影响。 a h l r 现有软件需更新，以支持g c 、g r 接口： a m s c 现有软件需更新，以支持g s 接口； 在b s c 中引入p c u ，并且软件需要升级： 箍于g p r s 网络的移动数据接入终端的研究和设计 2 2 2 1 主要接口 1 g b 接口 g b 接口把b s s 同s g s n 连接起来，以进行信令信息和用户数据的交换，g b 接口能使多用户复用同一物理资源。资源在用户活动时( 当数据发送或接收时) 分配 给用户，而在活动结束时会马上被收回并重新分配。这与a 接口( 基站与移动交 换之间的接口) 相反。在a 接口，单个用户在一个呼叫的整个生命周期中独占一 套专用物理资源，不管是否在活动。 2 u m 接口 无线接口u m 是移动台( m s ) 与基站田t s ) 之间的连接接口。g p r s 中无线接1 ：3 标准遵循g s m 系统的标准。与g s m 系统相同，在g p r s 系统的空中接1 2 1 中，一 个t d m a 帧分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个”突发脉冲串”( b u r s t ) ， 每个t d m a 帧的一个时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道。 与g s m 系统不同，在g p r s 系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道， 也可以定义为一个逻辑信道的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信 道构成。m s 与b