（通信与信息系统专业论文）基于gsm短消息的无线通信系统.pdf

型堕!一墅竺坐坚盟型堕 y6 2 4 4 7 3 摘要 本文通过对现代远程通信方式的讨论，提出了利用现有g s m 网络的短消息 业务实现的远程通信的种种优势，并将这种方式应用于群井系统。采用先进的 t c 3 5 通信模块和单片机互连的终端系统，通过a t 指令，实现了人工利用手机 对深井水泵的开、停控制以及对电压、电流、水位等物理量的采集和传输。文中 论述了g s m 系统的组成结构、主要业务，重点介绍了短消息业务的特点、结构 等方方面面，并基于此建立了整个系统。详细介绍了系统主要硬件组成部分及其 作用，给出了整个系统软件流程图和部分子程序流程图。介绍了该技术的应用前 景和推广价值。最后提出了系统尚需解决的一些问题，并给出了可能解决这些问 题的途径和方法。 关键词：g s m 网络短消息a t 指令 颇1 。论史 捧r g s m 觚消息的尢线通忆系统 a b s t r a c t t h r o u g ht h ed i s c u s s i n g o fm o d e ml o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nf a s h i o n s ，t h e p a p e rb r i n gf o r w a r d t h a tt h e r ea r ev a r i e t ya d v a n t a g e si nl o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n b yu s i n gs h o r tm e s s a g es e r v i c eo fg s mn e t w o r k a d o p t i n g a d v a n c e dt e r m i n a ls y s t e m o ft c 3 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds i n g l ec h i p ，w ea p p l et h i sc o m m u n i c a t i o n f a s h i o nt ot h eg r o u pw e l ls y s t e m b ya tc o m m a n d s ，w ea c h i e v et h a tu s i n gm o b i l e m l e p h o n ep e o p l ec a nb o t hc o n t r o lo p e n i n go rh a l t i n gt h ew a t e rp u m p a n dg a t h e ro r t r a n s f e rs o m ep h y s i c sm e a s u r e ss u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n ta n dw a t e rl e v e l t h ep a p e r d i s c u s s e st h es t r u c t u r ea n dm a i n o p e r a t i o n s o fg s mn e t w o r k ，s t r e s s e so n c h a r a c t e r i s t i c ，s t r u c t u r ea n da l lo t h e ra s p e c t so fs h o r tm e s s a g es e r v i c e t h ew h o l e s y s t e mi s b u i l tu po nt h e s et h e o r i e s w ei n t r o d u c et h eh a r d w a r ec o n s t i t u t e sa n d f u n c t i o n s ，s o f t w a r ef l o wc h a to f t h ew h o l es y s t e ma n do t h e rs u b p r o g r a m s ，a p p l i e d f o r e g r o u n aa n dv a l u e a tl a s tw ep u tf o r w a r ds o m ep r o b l e m sn e e d e dr e s o l v i n go f t h e s y s t e ma n da p p r o a c hf o rt h e m k e yw o r d s ：g s m s h o r t m e s s a g e s e r v i c ea tc o m m a n d s 硕士论文 基于g s m 短消息的无线通信系统 1 绪论 1 1 远程通信的概况 数据远程传输问题是数据通信中的一个很重要的问题。在许多通信、控制 应用场合，例如远程水位检测系统、各种远距离监控系统、无人值守的野外工 作站，人们往往需要远距离监控设备的运行状况，以便及时了解设备的故障记 录及系统的实时信息。许多测控系统需要把现场采集的数据传送给远方的监控 机或服务器，常用的下位机是各种单片机，例如m c s 一5 1 系列等。此类单片机 设置了全双工的串行口，可以同时进行接收和发送，可以选择多种通信模式。 然而，由于r s 2 3 2 c 接口传输距离只有几十米，即使转换成工业r s 4 8 5 网络接 口，传输距离也只有几千米，且需要铺设专门线路，布线费用高。对于更远的 距离就无能为力了，所以应用受到了限制i l j 。 远程通信实现的方法分为有线和无线两种。利用有线m o d e m 进行远程低 速通信具有很多优点：首先，通信距离可以扩展到几十甚至上百公里，只要电 话线路质量较好，通信距离基本不受限制；其次，有线m o d e m 通信利用电信 部门的电话线路和交换网络，不需要单独布线，不需亲自维护，尽管需交纳一 定的月租费用，但仍节省了大量的精力和资金；再者，在不需要进行数据传输 时，线路可以作为普通的电话线路用于语音通信或收发传真等，一线多用；最 后，利用m o d e m 通信速率最高可达5 0 k b p s 左右( 取决于线路质量) ，可以满足 大多数设计要求，而且有线m o d e m 本身技术成熟、性能可靠、价格也不高。 使用成品的调制解调器还可以避免通信接口的设计调试过程，缩短了开发周期， 降低了开发成本，同时提高了系统的可靠性。有线远程通信实现框图如图1 1 。 mm o 电话线 o dd 一) ：p ee mm 图1 1 有线远程通信框图 近年来，随着无线通信协议( w a p ) 体系结构规范的不断完善，各种无线通 信应用不断开展，各种无线通信的产品，包括无线电话、寻呼机、个人助理( p d a ) 等如雨后春笋般不断涌出，给人类的生活提供了极大的方便。而目前工业、环 境检测等部门对无线技术的应用却远没有个人通信设备对之应用广泛。工业上 硕上论文 基于g s m 短消息的光线通债系统 各种监控设备大多还是有线方式传输，这无疑给监控设备的安装、维护带来了 很大的不便。有线技术有着很明显的局限性，它们过多的依赖控制室和远端现 场之间的物理连线，尤其是当被监控部分所处环境恶劣、现场危险、噪音干扰 大、工作人员不宜停留的工作场所，采用有线传输模式显然会需要更大的代价， 因为监控端必须远离采集端，这样的投入有时可以说是巨大的。通过无线方式 来交换数据，则可以有效的解决这些问题。 g s m 网络经过多年的发展，拥有用户数量庞大，覆盖范围广大，通信质量 稳定可靠。利用现有g s m 网络，利用短消息进行远程控制，传送数据具有很 多优势。短消息采用存储、转发的通信模式，可靠性高。它无需申请新的频率 点，价格便宜，干扰少，无通信盲区，易于操作，不受空间地点的约束。随着 通信市场的竟争曰益激烈，g s m 网络运营商越来越重视开发新的增值业务。近 年来短消息的业务量逐年上升，通信公司硬件投资不断提高短信中心处理能力， 而且短消息传输不挤占语音信道，只要不是特殊的节日，实时性完全可以达到 要求。当短消息的使用量庞大时，资费方面可以和通信公司签订协议，根据具 体短消息的使用量进行优惠。显然这种监控系统的应用极其广泛。 目前，由于手机的接口不易和单片机和p c 机相连，一些大的通信公司推 出新的通信模块，这些通信模块内部集成了全部手机功能和一些手机以外的功 能。这些模块接口容易、使用方便，大大缩短了系统的开发周期。利用g s m 网 络的短消息进行通信的系统大多由控制端和受控端两部分组成。控制端是p c 机串口和这些通信模块相连的p c 机系统。受控端则是用单片机串口和通信模 块相连的单片机系统与受控设备的组合，系统内部用a t 指令进行通信。其中， 控制端完成控制参数的设置与发送，受控端接收控制参数并传送给受控设备。 同时将受控设备的状态信息回送给控制端。这些系统的特点是可以利用p c 机 内部的各种资源，利用高级语言编程，操作界面友好等。无线远程通信实现框 图如图1 2 。 图1 2 无线远程通信框图 硕士论文 基于g s m 短消息的无线通信系统 1 2 项目介绍和实现 本课题源于河南新乡白鹭集团的一个项目，主要是利用现有的g s m 网络， 通过短消息的形式远程控制深井水泵的开停，实现电压、电流、水位等一一些物 理量的测量和传输。 白鹭集团主要生产化纤制品，该集团拥有近百余口深井，分散的分布在城 郊。由于水井的数量多，分布范围广，给管理上带来很多不便。过去的管理方 法是主要依靠工人四处巡检，人工开、停水泵，耗时费力，实时性差，遇到过 压，过流，断相等情况不能及时采取一定的保护措施。对电压、电流、水位等 一些物理量的测量和传输，传统的方法是使用数传机。数传机体积庞大，价格 不菲，需要申请无线电频点，最重要的是工作一段时间后，会发生频率偏移现 象，调试校正十分困难。 通过前面对远程通信的讨论，根据课题的特殊性，我们最终决定采用下面 的系统方案。终端采用单片机串口和通信模块相连单片机系统，系统内部用a t 指令进行通信，以短消息的形式通过g s m 网络和用户的手机相互通信。这样 做是因为，手机普及性高，不用建立控制室，节约了项目的经费开支。再者手 机操作方便，移动性好，不受地理位置约束，掌握密码的管理人员随时随地可 以手动控制水泵的开、停、进行数据测量，实现了无人值守，解放了管理人员。 当有故障时，可以把故障信息发送给所有管理人员，可靠性高。系统实现框图 如图1 3 。 1 3 本文的主要工作 图1 3 系统实现框图 本文在讨论g s m 网络及其短消息业务的基础上，重点介绍了利用它来实 现远程通信系统。文章的主要工作如下： 1 介绍了远程通信系统的概况，对有线和无线远程通信方式进行了比较， 论述了实际课题的特殊性，在此基础上得到采用g s m 网络短消息业务通信的 可行性和必然性。 坝十论史 基于g s m 缸消息的无线通信系统 2 对g s m 网络的组成、业务、信道特征及系统优势做了详细论述，介绍 了s i m 卡的结构和功能以及短消息业务起源、体系结构、优缺点、主要应用等 各方面情况，建立模型分析了短消息业务的时延特性。 3 深入探索了整个系统硬件设计的结构，以及主要组成部分t c 3 5 模块和 单片机系统的作用和功能，提出了系统抗干扰方面值得考虑的问题和采取的措 施。给出了系统软件设计的主程序和主要予程序的流程图，介绍了整个系统开 发过程中难点及克服方法。 4 得出结论，本系统的优点和可移植性，提出下一步应努力的方向以及可 能的解决办法。 硕士论文 基于g s m 短消息的无线通信系统 2g s m 系统 2 1g s m 系统组成 g s m 系统主要由交换予系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 、操作和支持子系统 ( o s s ) - - 部分组成【2 】_ 3 】。系统结构如图2 t 。 b b t s 基站收发器 b s c 基站控制器 b s s 基站子系统 m s c 移动交换中心 g m s c 网关m s c 2 1 1 交换子系统 m s 移动台 e i r 设备标示器 h l r 归属位置寄存器 v l r 访问位置寄存器 a u c 鉴权中心 图2 i g s m 系统结构 交换子系统( n s s ) 由m s c 、h l r 、v l r 、e l r 及a u c 组成。 l 移动交换中j 心m s c ( m o b i l e s e r v i c e s s 、v i t c h i n gc e n 吮) ：m s c 是网络的 核心，它完成最基本的交换功能，即实现移动用户与其它网络用户之间的通信 连接a 为此，它提供面向系统其它功能实体的接口，到其它网络的接口以及与 其它m s c 互连的接口。 m s c 从h l r ，v l r ，a u c 这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的 全部数据，同时这三个数据库也会根据m s c 最新信息进行自我更新。m s c 为 口 硕士论文基于g s m 短消息的光线通信系统 用户提供承载业务，基本业务与补充业务等一系列服务。 对于容量较大的通信网，一个n s s 可以包括若干个m s c 、h l r 和v l r ， 在建立固定网用户与g s m 移动用户之间的呼叫时，呼叫往往首先被接到入口 m s c ( g m s c ) ，再由入口m s c 负责获取移动用户位置信息，然后进行接续。 g m s c 具有与固定网和其它n s s 实体互通的接口。 2 访问位置寄存器v l r ：v l r 存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关 信息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。v l r 是一个动态 数据库，需要随时与有关的h l r 进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当 用户离开其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。 v l r 在物理实体上总是与m s c 一体，这样可以尽量避免由于m s c 与v l r 之间频繁数据交换所带来的接续时延。 3 归属位置寄存器( h l r ) ，用于管理移动用户数据库。它的主要任务是存 储登记归属用户的档案、位置信息以及用户的v l r 地址。 4 设备指示器e i r ，存储有效用户、可疑用户、禁止用户的国际移动分设 备识别码，在用户进入移动系统时进行核查。 5 鉴权中心( h u c ) ，提供确保呼叫保密所需的鉴权和加密参数。 2 1 2 基站子系统 b s s 由基站控制器b s c 、基站收发器b t s 和移动台m s 组成。其功能如 下： 1 基站控制器b s c 用以控制b t s 包括：无线电资源的管理、无线电网络 功能管理，b s s 的操作与维护等。 2 基站收发器b t s ，由b s c 控制，执行固定网与移动用户间的接口功能， 提供移动台m s 和g s m 网络间无线信令和话音、数据信息交换，并处理这些信 道数字化发射的全部无线功能。 3 移动台( m s ) ，移动台从形式上分车载台和手持机两类。移动台硬件结 构由双工器、收信前端电路、发信功放、调制解调器、发信电路、收信电路、 锁相频率合成器、信道编译码器、控制器接口、c p u 控制中心、显示器和键盘 等组成。 2 1 3 操作和支持子系统 该系统主要对整个g s m 网络进行管理和监控。它由操作维护中心f 0 m c 、 及操作和支持系统软件组成。可实现对g s m 网内各种部件的功能监测、状态 6 硕士论文基十g s m 短消息的无线通信系统 报告、故降诊断及分类等，还可对g s m 进行动态管理和调整。 2 2g s m 系统提供的业务 g s m 是以加入窄带i s d n 网，向其用户提供i s d n 业务为目标的，它所支 持的业务主要有三大类： 1 ，基本电信业务：包括电话、短消息、紧急呼叫、传真、话音信箱、智能 用户电报等，可以与p s t n 、i s d n 等互通。 2 数据传输业务：包括3 0 0 b s 和1 2 0 0 b s 异频双工数据传输，1 2 0 0 b s 、 2 4 0 0 b ，s 、4 8 0 0 b s 、9 6 0 0 b ，s 同步双工数据传输，以及它们的分组式传输等，并 与p s t n 、i s d n 和p d s 等互通。 3 ，补充业务：包括3 方通话、会议电话、呼叫转移等。呼叫转移指在无法 接听来话时，将该来话转往语音信箱或另一电话机。 2 。3g s m 系统的信道 g s m 系统采用的是频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 的混合多址 技术，并采用跳频方式。g s m 信道分为物理信道和逻辑信道阶瓯 1 物理信道 一个载频上的t d m a 帧的一个时隙称为一个物理信道，它相当于f d m a 系统中的一个频道，每个用户通过一系列频率的一个信道接入系统。g s m 系统 每个载频上的t d m a 帧包括8 个时隙，也就是8 个物理信道。在一个t s 中发 出的信息称为个突发脉冲序列。 2 逻辑信道 大量的信息传递与b t s 和m s 之间，根据传递信道的种类，g s m 系统定 义不同的逻辑信道。逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道上。逻辑信 道可分为业务信道和控制信道两大类。 业务信道( t c h ) 用于携带语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据 业务信道。 控制信道( c c h ) 用于传输信令或同步数据，具体分为三类。 1 广播信道( b c h ) ，其中包括： 频率校正信道( f c c h ) ：此信道给用户传送校正m s 频率的信息。 同步信道( s c h ) ：此信道传送m s 的帧同步( t d m a 帧号) 和b t s 的 识别码( b s i c ) 的信息。 。广播控制信道( b c c h ) ：包括寻呼移动台分组、寻呼信息复帧号和c c c h 堕二! 丝苎 苎鱼! 竺堑翌皇塑垄些望笪! ! ! l 时隙号等。 2 公共控制信道( c c c h ) ，其中包括： 寻呼信道( p c h ) ：此信道用于寻呼m s 。 随机接入信道( r a c h ) ：m s 通过此信道申请分配一个s d c c h ，它可用 作为对寻呼的响应或m s 主叫登记时的接入。 允许接入信道( a g c h ) ：此信道用于为m s 分配个s d c c h 。 - 小区广播控制信道( c b c h ) ：从s d c c h 中借用时隙来传输短消息和广播 信息。 3 专用控制信道( d c c h ) ：其中包括： - 独立专用控制信道( s d c c h ) ：用于在分配t c h 之前呼叫建立过程中传送 系统信息。例如登记和鉴权在此信道上进行。 慢速随路控制信道( s a c c h ) 与一个业务信道t c h 或一个独立专用控制信 道s d c c h 相关，它是一个传送连接信息的连续数据信道，如传送移动台接收 的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与的切换功 能是必要的，它还用于m s 的功率管理和时间调整，是上下行、点对点( 移动 对移动) 信道。 快速随路控制信道( f a c c h ) 与一个业务信道t c h 相关。f a c c h 的话音 传输过程中如果突然需要以比慢速随路控制信道s a c c h 所能处理高的多的速 率传送信令信息，则借用2 0 m s 的话音( 数据) 突发脉冲序列来传送信令，这 种情况通常在切换时使用。由于话音译码器会重复最后的2 0 m s 的话音，所以 这种中断是不被用户查觉的。 2 4s 姗卡 2 4 1s i m 卡的功能 用户识别模块( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 是种带微处理器的封装在塑料 中的智能i c 卡，它是g s m 系统中不可缺少的一个重要部分，是用户进入g s m 网络的登记凭证 6 j 。在s 1 m 卡中，包含有用户识别信息，辅助业务信息、短消 息、移动性信息和无线电资源信息等。在g s m 系统中，通过对s i m 卡的物理 接口、逻辑接口的明确定义，来完成与移动终端的连接和信息交换，同时在s i m 卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。只有插入s i m 卡，移动终端才能接入网络。它由c p u ( 8 位) 、程序存储器( 3 8 b i t ) 、工作存 储器( 6 1 6 b i t ) 、数据存储器( 1 2 8 2 5 6 k b i t ) 和串行通信单元五部分组成。 翌苎笙兰 茎量鱼! 翌丝堂皇堕耋些望笪堕 s i m 卡分为3 v 和5 v 两种。手机最初使用的是5 v 的s i m 卡；1 9 9 8 年后 陆续使用3 v 的s i m 卡；5 v 的s i m 卡容量小且功耗大，容量一般在3 k 左右， 能存储3 0 个电话号码，3 v 的s 1 m 卡容量大且省电，容量为8 k ，能存储1 0 0 个电话号码及其对应的姓名文字，1 5 组短消息等a s i m 卡正面图上有2 0 值数码。前面6 位( 8 9 8 6 0 0 ) 是中国的代号；第7 位是 业务接八号，在1 3 5 、1 3 6 、1 3 7 、1 3 8 、1 3 9 中分别为5 、6 、7 、8 、9 ；第8 位 是s i m 卡的功能位，一般为0 ，现在的预付费s i m 卡为l ：第9 、1 0 位是各省 的编码：第1 1 、1 2 位是年号；第1 3 位是供应商代码：第1 4 1 9 位则是用户识 别码：第2 0 位是校验位。s i m 卡正面图如图2 2 。 图2 2s i m 卡正面图 2 4 2s i m 卡的存储内容 s i m 卡是g s m 的用户资料卡，它存储着用户的个人电话资料和保密算法、 密钥等，下面就s i m 卡中所存储的主要内容加以说明： 1 国际移动用户识别码( r m s i ) i m s i 是全球统一编码的唯一能识别移动用户的号码，一般由3 个部分组成： 移动台国家识别码+ 长途区号+ 移动用户号码，其中移动国家识别码3 位数，我 国为4 6 0 ，后两项共弘1 2 位数。i m s i 被存在s i m 卡中，且i m s i 与用户电话号 码又一一对应地存储于网络的归属用户数据库里。当移动台用户在归属地或漫 游地进入系统时，网络系统均能首先从用户的s i m 卡中获取用户识别码，从而 识别用户归属于哪个国家，哪个电信部门，甚至哪一个移动业务服务区。 2 用户密钥和保密算法a 3 a 8 在s i m 卡中存储有用户的密钥和两种保密算法。用户密钥k i 在写卡时就 已随机生成，通常是在此时就将硒用一种叫a 4 的算法进行加密，以后在进入 交换机后再解密，那么连写卡机和交换机的操作员都不会知道k i 的真实数据。 移动网络经营者需加入谅解备忘录组织( m o d 方可得到s i m 的详细规范和 拥有a 3 a 8 算法文件的使用权，然后经营者再提供给制卡公司a 3 a 8 算法文件 的副本。这样制卡公司才可以向经营者提供带a 3 a 8 算法的s i m 卡。 9 硕十论文 摹于g s m 妞消息的无线通信系统 用户密钥与用户识别号码一对应，它们和保密算法一起被分别存在s i m 卡和用户鉴别中心内。每次用户鉴别中心对用户进行身份鉴别时，都将产生一 个随机数和用户的密钥一起经过a 3 a 8 的加密运算然后通过无线信道核对移 动台和鉴别中心的计算结果是否一致，这样既鉴别了用户的身份，又可防止非 法用户进入网络。 3 个人识别码( p r n ) 和s i m 卡解锁密码( p u k ) p i n 码是s i m 卡上的个人密码，主要用来验证s i m 卡使用者的身份是否有 效。为了防止他人擅用s i m 卡，在移动台接通电源，将s i m 卡插入移动台时， 就会被要求输入扣8 位的p i n 码，否则将不能正常通信。如果用户连续三次输 入错误的p i n 码，移动台就会提示用户卡已被锁住，这时用户需输入p u k 码才 能解开。如果连续十次输错p u k 码，s i m 卡就将永久报废，无法再使用。 因此，当移动台“要求s i m 卡p i n ”一项置为“o n ”时。输入p i n 虽然 可防止s i m 卡的非授权使用，但要注意我国电信部门没有将p u k 码告诉用户， 如s i m 卡被锁，一定要到电信部门解锁，防止损坏s i m 卡。 4 用户使用的存储空间 s i m 卡中大部分信息是经营者或制卡者所输入且不能更改。但s i m 卡中也 可存储部分个人信息，如固定的短消息、号码簿等，用户可以用移动台的键盘 来完成个人情息的存储和读出。这就是所谓s i m 卡中的个人存储空间。 2 4 3s i m 卡的物理结构 s i m 卡的物理结构如图2 - 3 所示。s i m 卡共有8 个触点，通过这些触点与 移动终端接口，进行相互间的信息传输，并提供s i m 卡电路工作时所需的电源。 s i m 卡各触点的定义如下： c 1 ：v c c 电源电压。 c 2 ：r s t 复位端。 c 3 ：c l k 时钟，时钟速率通常由移动终端提供，s i m 卡支持i 5 m h z 时钟， 它在指定时间内运行监权过程时至少需要1 3 4 m h z 的时钟频率，其它情况下 使用1 3 8 m h z 的时钟频率。 c 4 ：无定义，为将来使用保留。 c 5 ：g n d 地。 c 6 ：v p p 编程电压。 c 7 ：i o 输入输出。 c 8 ：无定义，为将来使用保留。 1 0 硕士论文 基于g s m 短消息的无线通信系统 图2 , 3s i m 卡的物理结构 s i m 卡的电性能要求为使s i m 卡能正常工作各触点的电性能以及电源开 关时的电性能都是有所要求的。s 1 m 卡开启电源期间，各触点的激活顺序为： r s t 为低电平状态；v c c 加电；i o 处于接收状态；v p p 加电，提供稳定的时钟 信号。s i m 卡关闭电源时，各触点的去活顺序为：r s t 为低电平状态，c l k 为 低电平状态，v p p 去活；i o 为低电平状态；v c c 去活。电源开启时，s i m 卡有 两种工作方式，即工作方式和空闲方式。在工作方式时完成与移动终端之间的 信息传输，在空闲方式时s i m 卡将保留所有相关数据，并支持内部全休眠、指 令休眠和时钟休眠三种休眠方式。 萌i 蘑t 基于g s m 短消息的无线通信系统 3 短消息业务 s m s 短消息是s h o r tm e s s a g es e r v i c e 的英文缩写，是通过移动网络用手机 接收和发送有限长度文本信息的一种通信体制。文本信息可以是汉字，数字， 字母或符号以及它们的组合。g s m 的协议规范规定，一条短消息最多可以包含 1 6 0 个英文字母的7 - b i t 编码或是7 0 个汉字等u n i c o d e 编码1 7 j 。 世界上第一条短消息是在1 9 9 2 年1 2 月从英国沃达车( v o d a f o n e ) 公司的 g s m 网络由电脑发送到一部手机上的，此后几年内短消息并未得到广泛应用。 直到1 9 8 8 年，欧洲的语音业务渐趋饱和，移动数据业务市场广大，运营商开始 注意到短消息市场，s o n e r a 、v o d a f o n e 、m a n n e s m a n n 等公司大力发展短消息业 务，使欧洲的短消息迅速火爆。随着手机在中国的普及，2 0 0 0 年开始，中国移 动和中国联通开始开发中国的短消息市场，在中国掀起短消息的热潮。 3 1 短消息业务的体系结构 图3 1 短消息业务的体系结构 s m s 体系结构如图3 1 ，各部功能介绍如下： 2 堡主堡苎； 苎主竺! 型! i ! 塑塑垄竺望堕墨! l 1 短消息实体( s h o am e s s 疵e m i t y ，s m e ) ：它可以接收或改善短消息， 位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 2 s m s 网关( 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 ) ：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。 3 归属位置寄存器( h o m el 0 c a f i o nr e g i s t e r ，h l r ) ：用于永久存储由s m s c 产生的管理用户和服务记录的数据库。s m s 网关可以要求h l r 搜索可找到的 用户地址。 4 移动交换中心( m o b i l es w i 蛐gc e n t e r , m s c ) ：负责系统切换管理并 控制来自或发现其它电话或数据系统的拨叫。 5 访问位置寄存器( v i s o r l o c a t i o nr e g i s t e r ，v l r ) ：含有用户临时信息数 据库。交换中心访问用户时需要这些信息。 6 短消息服务中心( s h o r tm e s s a g es e r v 妇c e n t e gs m s c ) ：简称短信中心。 负责在基站和s m e 间中继、存储或转发短消息，移动台( m 墨) 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 p t ( s h o am e s s a g e t r 删s s i o n p r o t o c 0 1 ) 。 短信中心实质是运行在服务器上的一个数据库应用程序，其核心进程担负 着通过7 号信令与交换机连接并发送、接收短消息低层编码任务，它收到一条 信息后将其放入数据库中，同时另一个进程试图将这条信息放入发送队列进行 发送，如果成功，这条信息将被删除以释放数据库空间，但统计信息将保存。 如果不成功，则根据设置的时间间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。 短信中心的功能应符合e t s ig s m 规范0 3 4 0 的要求，具备如下功能 短消息的存储能力 短消息的提交和转发 设置短消息的优先级 根据有效期处理短消息 重复转发尝试 流控功能 路由选择功能 具有系统日志 用户核查能力 告警功能 统计功能 支持汉字短消息业务能力 堡苎堡塞 圣王鱼i 坚塑塑璺塑耋竺垄笪呈! ! l 支持二进制形式的短消息业务能力 虚拟短消息中心 支持长短消息 3 2 短消息业务的协议分层 短消息应用层 ( s m - a l ) 短消息传输层 ( s m t l ) 短消息中继层 ( s m r l ) 连接管理子层 ( c m ) 移动管理子层 ( 删) 无线管理子层 ( r r ) 图5 2 短消息协议结构 短消息协议结构如图3 - 2 所示。由应用层来的短消息经过传输层、中继层、 连接管理子层c m 和以下的移动管理子层m m 、无线管理子层r r 将短消息发 送到m s c 。来自应用层的最多1 4 0 字节的编码短消息，添加了收件人地址后被 包装入t l 传输层的协议数据单元p d u 中( 称为t p - d a t a ) ，然后被包装于r l 中继层的p d u 中( 称为r p d a t a ) ，包括电话号码式的s c 服务器地址，r l 层 的p d u 本身被包装于c p d a 险式的c p 连接管理子层控制协议的p d u 中。借 助于l 2 这层的s d c c h 或s a c c h 信道的数据帧，将短消息变成突发脉冲( b u r s t ) 的形式发送出去。突发脉冲是g s m 的传输单位，s a c c h 和s d c c h 都采用4 个连续突发脉冲为一组的编码，也即s d c c h 和s a c c h 的原始数据由4 个突发 脉冲携带。短消息的数据封装如图3 3 所示。 发送短消息要使用s d c c h 或s a c c h 信道，具体是哪一种，取决于业务信 道t c h 的使用。当t c h 未分配，也就是不在通话中时，短消息占用s d c c h 信道。如果短消息在s d c c h 上处理时分配了t c h ，即进行通话对，短消息传 送将停止并继续在t c h 随路的s a c c h 信道上传送；如果短消息到达时，t c h 已分配，则短消息在随路的s a c c h 信道上传输；当采用t c h 的实体结束其处 理时，无线资源管理( r r ) 子层可选择在s a c c h 上继续进行短消息传送或将 堕主堡苎 一堑里! 幽型塑垡望! i 堕 它转至s d c c h ，所以发送短消息只能在s d c c h 或s a c c h 信道上传输a 短消息应用层 短消息传输层 短消息中继层 连接管理子层 l 1 图3 3短消息的数据封装 l 2 层的s d c c h 一个数据帧最多只能携带2 3 字节的信息，来自c m 子层 的2 5 1 字节的数据单元需要 2 5 1 _ n 3 ：u 个数据帧来传输，每个帧由物理层的一 个块传送，即四个突发脉冲b u r s t 。在物理层，一个t d m a 帧持续4 6 1 5 m s ，控 制信道( b c c h ，c c c h ，s d c c h + s a c c h ) 安排在5 1 复帧中，s d c c h 的每 个块的重复周期为5 1 个t d m a 帧，因此在s d c c h 上发送2 5 1 字节c p - d a t a 的时间为1 1 5 1 4 6 1 5m s = 2 6 s 。 l 2 层的s a c c h 一个数据帧最多只能携带2 l 字节信息，因此需要 【2 5 1 2 1 = 1 2 个数据帧来发送。业务信道( t c h + s a c c h ) 安排在2 6 复帧中， 伴随t c h 的s a c c h 每个块的重复周期为1 0 4 个t d m a 帧，因此在s a c c h 上 发送2 5 1 字节c p d u 的时间为1 2 1 0 4 x 4 6 1 5 m s = 5 8 s 。 所以被层层封装的一条1 4 0 字节的短消息，占用s d c c h 信道在空中接口 需要2 6 s 才能发送完毕，而占用s a c c h 信道在空中接口则需要5 8 s 才能发送 堡! 丝兰 兰鱼! 竺丝鲨璺塑垄竺望堕i ! ! l 完毕。 3 3 短消息业务的优缺点 1 短消息业务的优点 短消息采用存储一转发的模式，防止了短消息的丢失。短消息先发送并 存储到短消息服务中心，然后由短消息服务中心转发给接收方。如果接收方不 在服务区内或是关机，则短消息服务中心先保存该短消息，等接收方处于服务 区内再转发给他。 短消息的收费十分低廉，这是短消息风靡的决定性因素。无论距离的远 近，接收方免费接收短消息，发送一条短消息网内收费o 1 元，网间收费0 1 5 元。并且发送一定量的短消息运营商会给出一定的优惠政策，这对某些消费群 体具有很大的吸引力。 短消息的升级版本e m s 和m m s 能够承载多种数据。它们的内容可以是 文本、声音、图像等，更大程度的满足人们交流的方式。 - 手机中的s i m 卡可以对发送短消息进行加密，接受方的手机将信息解密， 实现了传输中的安全可靠行。 短消息可以与话音、数据、传真等业务同步传输。短消息使用s s 7 信令 传输数据分组，是非对称业务，即使在业务信道处于高峰期时，仍然可以进行 顺利通信。 2 短消息业务的缺点 短消息的规范不统一。短消息运营商和开发上采用各自的专有协议，不 利于短消息市场的规范发展。为统一各种不同的接口规范，实现不同的短消息 中心之间的相互操作，x 2 5 协议已被确定为连接不同短消息中心的公共协议。 - 每条短消息长度有限。超过1 6 0 个字符的s m s 则需拆分成多个消息子段 传输，增加了服务的成本，并且不利于收信者的查看。 短消息服务中心处理能力不够，每秒只能处理几百条短消息。特别是各 个节日，像春节、圣诞节等，短消息业务量急速上升，存在着很长的延时，严 重时短消息中心发生阻塞，服务质量下降。 。s m s 的数据传输速率偏低，等待时间长。由于s m s 使用的是速率很慢 的信令信道，在g s m 网络中，信令信道处理很多其它任务。 g s m 0 3 4 0 中定义的s m s 协议数据单元( p d u ) 固定的各种首部域，效 率比较低，使s m s 的适应能力不高。 硕士论文 基于g s m 趣消息的无线通信系统 3 4 短消息业务的现状和前景 1 短消息业务的现状 短消息业务的广泛发展给各地的运营上带来了丰厚的利润，同时它方便了 人们的生活，成为我们生活中必不可少的一部分。但是它也带来了一些负面影 响，例如现在的一些垃圾短信经常充斥我们的手机，严重防碍了我们的正常生 活；再如一些不明不白的收费让很多人大伤脑筋。 2 短消息业务的前景 s m s 的升级版e m s 。e n h a n c e dm e s s a g es e r v i c e ( e m s ) 增强消息业务是爱 立信公司向e t s v 3 g p p 委员会提交的技术标准。大多数手机制造商支持e m s ， 经过稳步发展，e m s 已成为3 g p p 技术规范的一个完整部分。e m s 和s m s 的 实现原理基本相同，也是存储一转发机制，使用信令信道，因此不用对基础网 络升级。e m s 能够支持格式化文本、黑自图片、声音、简单的动画等媒体。 s m s 的下一代版本m m s 。m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c ef m m s ) 多媒体信 息服务将支持移动图像、卡通、交互式视频等多媒体信息，可以把文本、声音、 图像、视频等集成在一起，通过手机发送电子贺卡、屏保等。从2 0 0 2 年开始， 很多手机厂家推出了支持m m s 的手机，更多的运营服务商参与m m s 的研发。 3 5 短消息业务的主要应用 短消息业务的应用十分广泛，总结如下： 1 最基本的手机用户之间的相互交流信息的功能。 2 资讯服务。包括新闻、天气预报、股市行情、话费查询、火车、航班时 刻查询等。 3 移动商务。移动证券交易、移动银行、预订车票等。 4 - e m a i l 应用。e m a i l 主要信息提示和全部信息浏览、回复简单的e m a i l 。 5 娱乐。铃声图片下载、智力问答、手机游戏。 6 远程监控。对工业、地质、水文等数据采集和远程控制。 7 企业服务。对企业内部信息进行交流和管理。 3 6 短消息业务的对延分析模型 当短消息发至相应的m s c 后，可能由于系统拥挤，需要进行排队等待。为 了提高缓冲区的利用率不浪费，又保证短消息的丢失率尽可能低。本节通过建 立个m s c 的参数可变的模型来分析m s c 的性能( 3 4 】。 硕士论文 基于g s m 短消息的无线通信系统 现在考虑一个g s m 网络，一些移动台在由 个m s c 服务的地区中移动， 转移概率为足，( 从m s ci 到m s c ，) o 每个m s ck 模型为具有如下参数和假设 的连续时间模型。 到达m s c 的要发送给移动台终端的短消息服从速率为础的泊松分布。 如果在队列中的某条短消息的有效期到期，它就立刻从队列中删除。队 列中短消息的有效期假定服从均值为1 ，。的指数分布口7 】1 3 0 1 。 - 如果移动台在有效期内离开原来的服务区m s c ，队列中的短消息被提交 给新的m s c ，并且立即从原来的m s c 的排队序列中删除，假定提交的短消息 服从速率为以的泊松分布。 队列中的短消息按照先入先出( f i f 0 ) 的顺序发送，每条短消息的发送 时间假定服从均值为1 伽。的指数分布。 移动台在每个m s c 中停留的时间间接地反映出这个m s c 的大小。假定 移动台在m s c 中停留的时间服从均值为l 玑的指数分布。虽然在某些移动系 统中停留时间不是服从指数分布的，但是简化为指数分布进行分析被广泛的应 用，而且确实在衡量性能方面提供了有用的信息一【3 3 1 3 3 。 缓冲区能存储b 。条短消息。 其中，雒和丑f 分别表示平均单位时间内到达m s c 的短消息的数量和提交 的短消息数量。由于强度为 的泊松分布的时间间隔序列服从均值为l 五的指数 分布。即在平均单位时间内，短消息的有效期到期的数量为九、发送数量为z 。、 移动台的离开数量为r 。 以上模型可以描述为一个连续参数的一维的马尔科夫链，状态为s ；，表示 在缓冲区短消息的数目。图3 4 描述了该状态图。p ，表示状态s 的稳态概率。 图3 4 状态图 使用马尔科夫链平衡方程式，稳态概率为 n 。冉c 蔫m p = 1 y i )p 。 ( 3 1 ) f 3 2 ) 硕士论文基于g s m 短消息的无线通信系统 以下推导在第k 个m s c 服务区内短消息的等待时间和丢失率。 等待时间定义为从第t 个m s c 收到该短消息到成功发送之间的时间。假定 短消息m ，在r 时到达第k 个m s c ，此时m s c 状态为s ，也就是说短消息m 之 前有i 条短消息到达了第k 个m s c 。在这i 条短消息中，假定第一条在t + t 时 离开第k 个m s c ( 包括成功发送，超期或者提交给新的m s c ) ，第二条在 t + t ，+ f h 时离开第个m s c ，依此类推，第i 条短消息在t + t ，啊。+ + f 。时离开 第k 个m s c 。 在无记忆条件下，t 的概率密度函数为 ，( t ，) = t + f ( 玎女+ ，t ) 】孽叫4 州仰。+ h 扎( 3 3 1 设z 表示短消息m ，被发送前的时间，即z = t i 竹。+ + ，。用f 表示研，的 有效期，用c o 表示从短消息m ，到达第k e 卜m s c