（通信与信息系统专业论文）利用cdma技术传输用电监视数据及图片的研究.pdf

华北电力大学北京) 硕士学位论文 摘要 论文阐述了国内外的防窃电技术、c d m a 无线数据通信技术、图像压缩技术的应 用、发展及研究现状，设计实现了一种利用c d m a 无线分组数据通信技术传输用电监视 数据和图片的硬件电路和管理软件，通过用电监视和窃电现场证据的获取，达到了增 强防窃电的目的；系统同时还为自动抄表提供了透明传输通道，扩展了应用范围。 采用c d m a 网络的简单i p 分组数据组网方式，设计了以c d m a 无线数据通信模块 和单片机为核心的远程终端硬件电路，并编写了相应的控制程序，实现了图片数据、 用电监视数据以及自动抄表数据的采集与无线传输。最后利用微软v i s u a lb a s i c 6 o 开发工具和a c t i v ex 技术，进行监控中心管理软件的开发及通信编程，实现了 对图像数据和用电监视仪数据的集中管理以及自动抄表的数据转发。 关键词：用电监视，简单i p ，c d m a ，图像传输 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i 蚴，d e v e l o p m e n t 粕ds t a i u si nq u oo ft h r e ed o m e s t i c 锄do v e r s e 拈 t e c l l n o l o g yi sd i s c u s s e di nm i st l l e s i s ，t h r e et e c h n o l o g yi sa n t i - s t e a l i n ge l e c t r i c 衄e i 暑 c d m ac o m m u i l i c a t i o n ，跖di m a g cc o m p r c s s i o n ，a 】d n do fh a r d w a r e 枷m 孤a g e m t s o r w a r ew h i c h 仃a n s m i tp o w 盯c o n s u m p t i o ns u p c r v i s i 蛐d a t a 觚di m a g ed a t aw i t h c d m ai sd e s i g l l e d t h es y s t e mt a k e sa d v 卸t a g eo fc d m aw i r e l e s sp a c k e id a t a c o m m u n i c a t i o t ot r a n s m i ti m a g ed a t a ，p o w c rc o n s u m p t i o ns u p e r v i s i o nd a t a ，g e t st h e “i d e n c eo fs t e a l i n ge i e c t r i cc n e r g y h i e v e st oe n h a i i c e dt h ea i mo f 锄t i 一酣e a l i n g e l e c t r i ce n e r g y a tt h es a m e 廿m e ，t l l es y s t e lp m v i d e sam m s p a r 印tp a mf o ra u t o m a 虹c m c t e rr e a d j r l gt oe x t e n dm e 印p l i c a t i o no f t h es y s t c m s i m p l emc d m ap a c k e td a t am o d ei sa d o p t e dt oc o n s t m c tn e t w o mr e m o t e t e n i n a lh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i c hl l s ec d m aw i r c l e s sm o d u l ea 1 1 ds i n 9 1 e c h i p 酾c o r ep a r t ，t h ec o 盯e s p o n d i n gc o m lp r o 掣a mi sp r o 掣彻：l 坞d t h ec 0 1 1 e c t i n g 蚰d t r 托铷d t t i n go fd i g i t a l i m a g e ，p o w 盯c o n s u m p t i o ns u p e r v i s i o nd a t a 锄da u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gb e c o m e st m e f i l l a i l y t l l e s u p 盯v i s i n gc 髓t e r 瑚珊g 哪朋tp m 伊锄卸d c o m m u i l i c a t i o np r o 鲫mi sd e s i g n e dw i t ht h cm i c r o s o f t st o o lv i s u a lb a s i c6 0 强d a c t i v e xt h n o l o g y c t r a l i z e da d l n i l l i s 仃a t i o nt oi m a g ed a t a 柚dp o w e rc o m u m p t i o n s u p e r v i s i o nd a t a 粕dt r 彻s f b 而n gt h ed a t ao f 孤t o m a t i cm e t 盯m a d i n gi sa c h i e v e d l i uz h c n g f a l l g ( c o m m u n i c t i o na n di n f o 眦a t i o ns y 8 t e m ) d i r e c t e db yp m s u nf e n g j i e k e y w o r d s ：p o w e rc o n s u m p “o ns u p e r v i s j o ，s i m p i ei p c d m a ，l m a g et r a n s m i s s i o n 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文利用c d m a 技术传输用电监视数据 及图片的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：亩主苎日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 讪主抬 导师签名： 卅、风参 日期：型日期：! 盥! 口 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 1 选题意义及背景 第一章前言 在现代化的建设与人民生活中谁都离不开电，电力的建设和发展与国民经济和 人民生活质量的提高息息相关，但是，电能作为一种商品，在市场化经济交换过程 中，个别单位和个人在经济利益的驱动下，窃电的行为也就相伴而生了f l 】。 窃电行为不但使国家损失了巨额电费的收入、干扰了正常的供用电秩序，而且 还直接影响电力部门的发展、职工的收入和福利待遇等切身利益，又由于丢电严重 而增大了线损，有碍降低电费，还可能引发安全事故，影响电网的安全运行和社会 稳定，甚至造成人员伤亡。所以说窃电行为己严重地侵害了国家和人民群众的双重 利益。 窃电现象之所以越来越猖獗主要原因有：私营企业大幅度增多，利益驱使私营 企业使用非法手段进行窃电；采用远距离自动抄表系统，没有了抄表员，消除了偷 电者被发现作弊的心里负担，胆子更大了，只要电表走些数字，被怀疑和被发现偷电 的可能性就较小【2 】。 窃电问题的严重程度一直困扰着电力部门、管理部门的各级领导和工作人员。 现在有些人已经掌握了几种最主要的、简便的、也是效果最显著的窃电技术。 分 析和归类发现，窃电技术主要有：1 电度表窃电：2 私拉乱接。利用电度表的窃电 方法可划分为三大类：电流型窃电、电压型窃电和相角型窃电【3 】【4 1 。所谓电流型窃电 和电压型窃电，系指仅改变加在电度表上的电流和电压大小，进行窃电的方法；相角 型窃电，是指通过改变加在电度表上的电流与电压之间夹角的方法，达到窃电的目 的。利用电度表窃电一般是要打开电表箱的。私拉乱接窃电一般指非法用户在荒郊 野外的高压电力线上搭接变压器进行窃电，对于这种窃电手段，目前暂无有效的防 范措施。本文主要研究监控和防范在电表箱处进行窃电的技术措施。 目前国内外的防窃电的重要技术和措施有： 一、采用防撬铅封、电磁锁、密码锁等措施，增加窃电者开启电表箱的难度或 使窃电者在开启箱门时留下证据。此法的优点是便于实施，缺点主要有二个：一是 此方法虽然增加了开启电表箱的难度，但仍然有被打开的可能性；二是一旦电表箱 被打开，无法知道窃电者采用何种窃电手段、窃电时间以及窃电电量。 二、在电表箱内安装用电监视仪。该用电监视仪并接在电度表的电压回路中， 并另加c t 获得电流回路；可以监视电压的缺相、换相以及电压有效值的降低：监 视电流回路的换相和短路。如此，可以判断用户是否窃电，并能记录出现异常情况 第l 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 的时间。 三、采用自动抄表，在计费中心通过比较用电量的曲线图来判断是否窃电。能 发现窃电量大的窃电现象，但是对于窃电量较小的仍然无能为力。 四、采用多功能防窃电电表。该表集电度表、用电监视和自动抄表功能于一身， 实现了一定的防窃电功能。 总之，这些措施起到了一定的防窃电的作用。然而这些措施缺乏实时的对现场 的有效监视。而且，任何一种防窃电技术措施都不可能对所有的窃电手法起防范作 用，因而就有必要采用多种防窃电技术措施和选用多种防窃电产品【5 】1 6 1 。 所以有必要研究一种综合的防窃电方法，并能实时监视用户用电行为的系统， 即研制一种能传输现场照片、用电监视数据和自动抄表数据的防窃电产品一旦出 现异常情况即能有效的监视窃电行为，保障用电安全和电力企业的利益。 本课题是研究基于c d m a 无线数据传输的防窃电技术，实现上述三种基本功能的 防窃电产品。能实时的传输现场照片，避免了对各种窃电行为的单一算法与设计， 可及时无误地发现窃电行为或计量故障，并给出报警提示，将电能计量和窃电损失 降低到最低程度，减少了国家财产损失、保证了人员的安全。 1 2 无线图像传输技术的发展动态 随着无线网络的发展，传统的有线网络在电力监测系统中暴露出来的缺点越来 越明显。有线网络需要大规模的铺设管线，存在投资大、人力物力耗费大、施工难 度大、周期长、对线路的维护费用高等缺点【7 1 。 以前由于无线网络无法满足图像传输的带宽需求，一直被排除在外，随着信息 技术的飞速发展，特别是互联网络和移动通信技术在全球的推广，今天人们利用无 线传输图像的愿望已经可以实现。基于无线移动通信技术，我们已经可以灵活地组 建无线图像传输网络，从而让我们更方便、更快捷地获取所需信息。特别是针对某 些具有移动性、突发性、紧急性和临时性等特点的场合，借助无线网络的通信手段 可以方便地实现与中心交互，将现场的图像送回中心。 目前，移动无线图像传输的方式主要有三种： 1 移动g p r s 通信网络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 ) ，即通用分组 无线业务，是在g s m 语音信道的基础上发展起来的一种新的数据通信。g p r s 采用分 组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令，其理论速率可达1 7 1 2 k b i t s ，实际速率介于1 4 4 k b i t s 4 3 2 k b i t s ( 上下行非对称速率) 之间。目前 g p r s 网络是非对称结构，下行可用4 个信道，上行只有1 个信道，这样在上传视频 数据时只有下行的1 4 ，如此低的传输速率，用于传输图像数据时延比较长【8 1 。 2 卫星通信网络。卫星通信必须安装较大的锅状天线接收装置。卫星通信的 第2 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 数据流量费用极高，而且存在很多的局限性，只有极少数的单位装备在车上和船上 供应急时使用。因而，室内的电力监测系统无法应用这种通信方式。 3 联通c 删a 通信网络。c d m a 是码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的英文缩写，它是数字技术的分支，是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成 熟的无线通信技术。c d m a 具有动态分配带宽、网络容易扩展、多址连接和控制灵活 方便、网管简单、抗干扰、抗截获、信息数据隐蔽和保密、抗多径干扰和抗衰落等 优点，适合于对实时性要求高，业务突发性强、速率高的带宽通信，对今后本地网、 用户接入网来说有很好的应用前景。c d m a 网络最大的优势和特点是它可以提供高达 3 0 8 k b i t s 的速率，支持不问断的连接，实现永远在线。实际使用速率普遍能达到 “o 1 2 0k b i t s 左右【9 】。 本课题是利用c d 妣无线数据通信业务传输图像的防窃电系统，比起传统的利 用有线通信网来说，它具有以下优点： ( 1 ) 投资少、成本低廉 首先是建设投资小，建设中省去了大量的组网投资；其次是运行、维护费用低， 网络运行过程中只需承担少量的终端维护费用；支持不问断的连接，一直在线，按 流量计费，即按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量时不收费用。 ( 2 )组建网络灵活、方便 c d m a 网络的基础设施已经十分完善，通信系统的组建只需要考虑中心站和远程 检测点的问题。在远程检测点可以充分地享受无线网络带来的地点选择上的自由性 和移动通信网络的较全面的覆盖范围。在大部分地区，基本上可以不考虑布点的限 制，甚至支持可移动的站点。对于复杂、易变、站点位置经常性变化的网络( 城市 改造、用户变更等) ，无线网络布点不受限制这一点更表现出它的优越性。 1 3 论文的主要工作 l 、深入分析和研究g p r s 、c d m a 等无线数据通信的理论知识，以及组网方式， 比较各种网络的特点，查找相关的技术论文和资料，了解当前的最新技术和动态。 2 、查阅各种c d m a 模块的资料，比较各种模块的性能，选择性价比高、内嵌 t c p ，i p 协议的c d m a 模块。 3 、对安装设备现场环境条件进行调研，明确利用无线通信网络需要考虑的各 种干扰因素。 4 、深入分析和研究图像信号的采集、压缩、编码等理论知识以及图像信号在 无线信道中的低速率传输。 5 、设计模块终端硬件电路，根据功能选择适当的单片机、串口扩展芯片，电 平转换等各种芯片，并利用p m t e l 9 9 设计p c b 电路板。 第3 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 6 、根据模块终端硬件电路所设计的功能，利用c 语言编写控制程序，并且运 行调试成功。 7 、综合考虑各种情况，用v b 设计监控中心管理程序，并设计数据库，以及通 信程序。最终利用c d m a 无线传输实现监控中心和远程终端的相互通信。 第4 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章相关技术介绍 i s 9 5 系统是世界上最早的c d m a 移动系统，已在世界范围内进行了l o 多年的 试验和运营，现已被证明是十分稳定的系统。c d m a 2 0 0 01 x 系统继承了i s 9 5 系统 在组网、系统优化方面的经验，并进一步对业务速率进行了扩展，同时通过引入一 些先进的无线技术，迸一步提升了系统容量。c d m a 2 0 0 01 x 技术正在向3 g 过渡。 本课题是利用中国联通的c d m a 2 0 0 01 x 网络作为通信媒介，通过它来传输窃 电现场的图像、用电监视数据和抄表数据。本章详细介绍了c d m a 2 0 0 0l x 技术和 图像压缩技术。 2 1c d m a 2 0 0 01 x 技术概述 c d m a 是码分多址无线业务( c o d ed i “s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的英文简称， c d m a 2 0 0 01 x 原意是指c d m a 2 0 0 0 的第一阶段，可支持3 0 8 k b p s 的数据传输，网 络部分引入分组交换，可支持移动m 业务；c d m a 2 0 0 0l x 是在i s 9 5 c d m a 系统 上发展起来的一种新的承载业务，目的是为c d m a 用户提供分组形式的数据业务： c d m a 2 0 0 01 x 目前的实际传输速率大约在1 0 0 k b p s 左右，可以用于m t 咖e t 连接、 数据传输等。c d m a 2 0 0 0l x 无线分组数据通信系统的特点是按流量计费，即一直 在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量时不收费用【l “。 2 1 1c d m a 2 0 0 01 x 网路结构 c d m a 2 0 0 0l x 网络符合移动通信系统的典型结构，c d m a 网络参考模型与 g s m 网很相似。如图2 1 所示。 c d m a 网络以移动交换机为核心，并由基站控制中心、若干个基站收发信台、 移动台等组成，其主要功能单元如下： m s ：移动台，包括车载台和手机。 b t s ：基站收发信机，完成无线信号的接收和发送。 b s c ：基站控制器，对b t s 进行控制，每个b s c 可控制一个或多个b t s 。 第5 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 1c d m a 2 0 0 0 l x 网络模型 m s c ：移动业务交换中心，对于它所覆盖的区域内的移动台进行控制、交换的 功能的实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。 v l r ：访问位置存器，存放着控制区域内所有访问移动用户有关呼叫和提供漫 游、补充业务管理的信息。 h l r ：归属位置寄存器运营商用于管理移动用户的数据库，存放着其控制移 动用户的路由信息与状态信息。 a c ：鉴权中心；用来认证用户身份并产生相应鉴权参数的功能实体。 e m ：设备识别寄存器，存储有关移动台用户的数据库。主要完成对移动设备 的识别、监视、闭锁等功能。 0 m c ：操作维护中心，操作维护网络的正常运行的功能实体。 m c ；短消息中心，存储和转发短消息的功能实体。 s m e ：短消息实体，合成和分解消息的实体，它位于m s c 、h u l 和m s 内。 n s s ：网络子系统，以移动交换机为中心，包括m s c 、v l r 、h l l t 、a c 、o m c 、 e 取、m c 、p s l n 等。 b s s ：基站子系统，包括b t s 和b s c 【“】。 c d m a 网络系统主要有以下几种接口： u m 接口：即空中接口，m s 与b t s 之间的无线通信接口，是移动通信中最重 要、最复杂的接口。 a b i s 接口：定义为基站子系统的b s c 与b t s 之间的接口。支持所有向用户提 第6 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 供的服务，并支持b t s 无线设备的控制和无线频率的分配。 a 接口：b s s 与n s s 之间的接口，就系统实体而言，就是m s c 与b s c 之间的 互联接口。 b 接口：m s c 与v l r 之间的内部接口，用于查询m s 当前位置信息或通知v l r 有关m s 的位置更新消息等。 c 接口：m s c 与h l r 之间的接口，传递路由选择和管理信息。 d 接口：h l r 和v l r 之间的接口，交换m s 位置和用户管理的信息。 e 接口：m s c 和m s c 之间的接口，用于m s 从一个m s c 到另一个m s c 时交 换有关信息，完成越区切换。 f 接口：m s c 和e 瓜之间的接口。 g 接口：两个v u l 之间的接口。 h 接口：h l r 和a u c 之间的接口。 a i 接口：m s c 和p s t n 之间的接口 d i 接口：m s c 和i s d n 之间的接口。 2 1 2c d m a 2 0 0 01 x 的主要技术 传统的移动通信技术是以跳频来提高系统的抗干扰性能的。c d m a 2 0 0 01 x 是 以扩频技术为基础的。所谓扩频就是把信息的频谱扩展到带宽中进行传输的技术。 扩频通信的基本特点是所占用的频带宽度远远大于信号宽度。扩频技术具有抗干 扰、抗多径、隐蔽、保密、多址能力和能精确的定时与测试。 c d m a 2 0 0 0 l x 的关键技术有： 一、功率控制( p o w 盯c o n t r 0 1 ) 技术。用于动态地调整发射机的功率，它是 c d m a 系统的关键技术之一。精确和稳定的功率控制对于提高c d m a 系统的容量 和保证服务的质量至关重要。 c d m a 系统是一个白干扰系统，用户在同样的频率和时间上发送信号，不同 的用户采用不同的扩频码来区分。由于扩频码之间的相关性不为零，使得每个用户 的信号都成为其他用户的干扰，即存在多址干扰。c d m a 通过功率控制，使得发射 功率尽可能的小，从而有效地限制多址干扰。如果小区中的所有用户均以相同的功 率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信 号弱，导致强信号掩盖弱信号，这就是所谓的“远近效应”。c d m a 通过动态地对 移动台的发射功率进行调整，从而克服“远近效应”。c d m a 系统的容量主要受限 于系统内部移动台的相互干扰，所以每个移动台的信号达到基站时都达到最小所需 的信噪比，系统容量将会达到最大值。 c d m a 功率控制分为：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为 第7 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 开环和闭环功率控制。 反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移动 台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称 功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须 有一个很大的动态范围。i s 9 5 空中接口规定开环功率控制动态范围是一3 2 d b + 3 2 d b 【1 2 1 。 二、软切换技术 软切换就是当移动台从一个蜂窝系统移动到另一个蜂窝时，先与目标基站建立 通信链路，再切断与原基站之间的通信链路的切换方式，即先通后断。软切换仅仅 能用于具有相同频率的c d m a 信道之间，软切换可提供在基站边界处的前向业务 信道和反向业务信道的路径分集。所谓更软切换，是指在同一个小区的不同扇区之 间的软切换。硬切换，在这一切换里，移动台先中断与原基站的联系，再与新基站 取得联系。硬切换一般发生在不同频率的c d m a 信道间。与此对应，软切换是指不 同小区之间进行的切换。c i d m a 2 0 0 0l x 采用先进的软切换，更软切换和硬切换相 结合，可提高切换成功率、增加系统容量，从而降低了掉话率，提高了话音质量。 实现软切换以后，切换引起掉话的概率大大降低，保证了通信的可靠性。因为据以 往对模拟系统t d m a 的测试统计，无线信道上9 0 的掉话是在切换过程中发生的。 三、分集与r a k e 接收机技术 分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性。 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传 播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时 延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳定的，这些多 径信号相互叠加就会形成衰落。由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技 术包括频率分集、时间分集、空间分集【”l 。 r a k e 接收机也称为多径接收机，即是指移动台中有多个r 八k e 接收机。由 于无线信号传播中存在多径效应，因此，基站发出的信号会经过不同的路径到达移 动台处，而且到达移动台处的信号的时间是不同的。如果两个信号到达移动台处的 时间差超过一个信号码元的宽度，r a k e 接收机就可将其分别成功解调，移动台将 各个r a k e 接收机收到的信号进行矢量相加( 即对不同时间到达移动台的信号进行 不同的时间延迟到达同相) 。每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就 可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。基站对 每个移动台信号的接收也是采用同样的道理，即也采用多个r a k e 接收机。另外， 在移动台进行软切换的时候，也正是由于使用不同的r a k e 接收机接收不同基站的 信号才得以实现【l ”。 四、多用户检测 第8 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 多用户检测( m i d ) 是引用信息理论并通过严格的理论分析后提出的一种新 型的抗多址技术。 多用户检测( m 切d ) 也称为联合检测和干扰消除，它降低多址干扰，因而提 高了带宽的效率，增加了系统容量。同时m u d 显著降低了c d m a 系统的远近效应， 故可以缓解系统对功率控制的需求。 2 1 3c d m a2 0 0 01 x 分组的业务功能 目前已经商用的c d m a 2 0 0 0l x 核心网分组域的系统结构主要依据是 3 g p p 2 p s 0 0 0 l a v 3 o o w i r e l e s s 口n e 押o r ks t 卸d a r d ，j u l y 2 0 0 l 的标准。其基本功能 结构如图2 2 所示。 m s ：移动终端 p d s n ：分组数据服务节点 h a ：归属地代理 p c f ：分组控制功能 a a a ：鉴权、授权、计费服务器 r r c ：无线资源控制器 图2 2c d m a 2 0 0 0l x 分组数据网的基本功能结构图 c d m a 2 0 0 01 x 分组数据业务完全基于p 技术。当用户使用分组数据业务的时 候，分组域为移动终端提供一个接入口网络的通道，在此基础上，c d m a 2 0 0 0l x 分组核心网可以向移动用户提供多种业务。 根据基于m 网络的不同，c d m a 2 0 0 01 x 分组网可提供的接入业务大体分为互 联网接入业务、专网接入业务和增值应用接入业务。 ( 1 ) 互联网业务 c d m a 2 0 0 0l x 分组网作为i p 的承载平台，可以向用户提供各种互联网业务。 如电子邮件、f t p 、w w w 浏览、电子商务等。 ( 2 ) 基于w a p ，b r c w j a v a 的应用 c d m a2 0 0 0l x 可以提供w a j p b r e w 等承载业务，在此基础上可支持多种基于 第9 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 w a p ，b r e w j a v a 的应用。 ( 3 ) 多媒体通信业务 随着3 g 技术的发展，传输速率大大提高，可用带宽的增加，诸如图像流媒体 业务、视频会议业务、交互式游戏业务等的实现必将成为可能。 r - p 接口介绍 r p 接口就是r n ( p c f ) 和p d s n 之间的接口，是无线处理与有线处理的分界。 r p 接口包括两个元素：a l l 接口和a 1 0 接口。 a l l 接口是信令接口，使用基于移动p 的注册信令。a 1 1 只是使用移动的信令， r - p 之间的数据传输接口，并不使用移动m 业务。 a 1 0 接口是数据接口，现在使用口协议承载g r e 封装的a h d l c 帧，即p c f 与p d s n 之间通过g r e 隧道实现点到点的直连【1 5 l 【1 6 1 。 、a 1 1 信令接口 在c d m a 2 0 0 0 系统中，r p 接口已经是地面固定部分，其业务承载是p p p 协 议，根据m t f ( 互联网工程任务组) 的建议，p p p 通常用于低速的点对点链路，所 以用户p p p 协议终止于p d s n 中。坤层协议连接终端主机和p d s n ，这部分的物理 层和链路层事实上已经不是移动通信网的范围，所以移动通信网的标准不再涉及这 个部分。因此r p 接口的信令协议中使用了移动m 的信令，相关内容在i s 2 0 0 l ( t r 4 5 4 ) 中定义的【1 7 】【1 鲫。如图2 3 所示给出了a 1 l 接口的协议栈模型。 l a cm i pm l p u d pu d p d l l m a ci pi p d l i ，d l l a l l c d m a - l xp lp lp l 图2 3a i l 接口协议栈 移动坤的信令是通过u d p 口及d l l p l 层次来承载的，d l 【胛l 可根据需求 选择适宜的网络技术。 第1 0 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 a 1 1 接口主要用来交换隧道信息和计费相关信息。例如： a 1 lr e 百s t m t i o nr e q u e s t ( t i e i 刖i s 一2 0 0 1 ，s e c t i o n6 1 1 1 1 ) ，是从p c f 发送到 p d s n ，用于建立a 1 0 连接、周期更新a 1 0 连接、清除a 1 0 连接、传递计费等相关 信息。 a 1 1r e 西s 仃a t i o nr e q u e s t 9 ( t i e w i s - 2 0 0 l ，s e c t i o n6 1 1 1 2 ) ，是从p d s n 发送 到p c f ，对上述信息作出的回应。 二、a l o 数据接口 a 1 0 接口是r p 接口的数据接口，它由a 1 l 信令接口建立。a 1 0 数据接口的 r p 逻辑链路选用了隧道技术来实现，这个隧道采用g r e 技术。其中a h d l c 为被 承载协议，g r e 为封装方法，口为承载协议。 m s 发送的p p p 数据被封装为a h d l c 帧，经由空中链路到达r n ，r n 并不关 心a h d l c 帧的内容，只是进行g r e 封装，通过口协议传送到p d s n 图2 4 为 a l o 数据接口的协议栈模型。 r n p c f 图2 - 4 a 1 0 接口协议栈模型 r n 与p d s n 之问的g r e 隧道是共享的，即多个用户使用一个g r e 隧道。这 些用户是通过g r e 包头中的k e y 字段( 即s e s s i 彻m ) 来区分。g r e 使用p m t o c a l 聊e 字段来规定被承载协议的类型 a 1 0 数据接口的r _ p 链路是逻辑链图，它需要通过具体的物理链路来承载传输。 具体的物理链路是通过低层网络来实现的，对应的协议层次为数据链路层( d l l ) 和物理层( p l ) 。由于业务承载的是p p p 协议，因而可以使用i po v c r a t m 或礤o v e r s d h 作为数据业务协议的物理层和r p 层。在c d m a 2 0 0 0 系统发展的初期，由于 数据业务开展得不丰富，也可以考虑一些更为简单的方法，很多厂商目前的产品可 第l i 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 以使用l o o m b i t ，s 的以太网。这样，p d s n 基本上可以在现有的路由器上改造实现， 对开展数据业务十分有利。 a 1 0 数据接口的r p 链路的两端都应用了口地址，但可以从协议的层次看到， 这个p 只是r p 数据接口使用的局部地址，只限于a l o 数据接口的r p 链路上使 用，没有全局性，它与m s 使用的i p 地址没有相遇的机会。 2 1 4c d m a 2 0 0 01 x 的优点 c d m a 2 0 0 01 x 同g p r s 同属2 5 代移动通信网络，主要为了解决提供分组数据 业务而建立。表2 1 分几个方面对c d m a 2 0 0 01 x 以及g p r s 进行比较。 表2 1c d m a 2 0 0 01 x 与g p r s 的对比 g p r sc d m a 2 0 0 01 x 网络结构电路域和分组域较复杂，存仅在b s c 有接口，其它地方没有任何 在s g s n ，g g s n 等节点。关联。电路域和分组域的界限清晰。升 级比较简单、开发快，节约投资，易于 成熟和商用。另外在网络出现问题的时 候进行定位、维护比较简单。 频率资源9 0 0 m 频段。频率资源缺乏，全新的8 0 0 m 频段，资源丰富， 限制了g p r s 的用户数量。可以提侈：更好的空间覆盖和深度覆盖。 m o b i l e 口 不支持。支持，移动m 中提供了非常丰富的鉴 权功能，增加了系统的安全。 路由优化需要访问用户归属地。实现用户的业务数据直接从对端发到 用户的拜访地，不用经过用户的归属 地。从而避免了迂回路由的存在。 用户容量在用户容量上一旦出现负荷 先进的扩频编码和功率控制技术，可以 满载时，就会出现阻塞现象。提供比g p r s 更大的用户容量，不会出 现阻塞现象。 切换方式硬切换。软切换、更软切换和硬切换相结合，提 高话音质量，减少掉话。 分组业务理论峰值1 7 1 2k b i t s ， 理论峰值3 0 8 k b i “s ， 速率实际2 0 k b i t s 4 0 k b i t s 。 实际7 0 k b i “s 8 0 k b i t ，s 。 与g p r s 对比，除了上表的优点外，c d m a 2 0 0 01 x 中要求提供对多种隧道协 议的支持，这提供了对企业网的良好技术方面的支持。另外m o b i l em 中有h o m e 的 概念，用户可以很方便的参加h o m e 的通信。这些都提供了对企业网的良好支持。 第1 2 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 c d m a 2 0 0 0l x 的协议中很多地方都没有特定的要求，而是由运营商来决定如 何实现。而且它采用的大多是t f 的标准，技术的组合也没有特定要求，易于运 营商通过特定的方法实现特定的功能。 由于其协议来自i e t f ( 互联网工程任务组t h eh l t e m e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ) ，有利于实现有线网络和无线网络的结合，充分利用有线网络的业务特性。 而且有利于网络平滑过渡到全口网络。 c d m a 采用伪随机序列扩频和空中接口加密技术，保证了用户通信的安全。 从2 5 g 升级到3 g ，对g p r s 而言，需要增加服务g p r s 支持节点s g s n 、网 关g p r s 支持节点g g s n 、分组控制单元p c u 等，因此需要重新建设基站；而对于 c d m a 2 0 0 01 x 而言，由于使用h d r 技术，分组数据业务仍然利用分组域设备( p d s n 和p c f ) 来处理分组数据业务，在升级过程中，原有的c d m a 网络设备可以继续使 用，只要增加分组域设备即可，无需再增加网络单元。 总的来说，c d m a 2 0 0 0l x 优于g p r s ，而且从2 5 到3 g 的升级中，从c d m a 2 0 0 0 1 x 要比g p r s 更简便、平滑，投资应该更少。 2 2 图像压缩技术概述 现场拍照得到的图片，如果不经过任何处理，其数据量是非常大的。大数据量 的图片，不仅不便于存储，更不利于传输。因此有必要对图片进行压缩，图像压缩 主要是通过编码实现的，其目的就是要减少原始数据的数据量，即以尽量少的比特 数表示原来的图像，利于存储和传输，同时又要能保持复原图像的质量，满足相应 的要求。图像信息的压缩有模拟和数字两种方法，由于数字压缩方法具有模拟压缩 方法无可比拟的优越性，目前绝大多数系统都采用数字压缩方法。 2 2 1 压缩的可能性和压缩后的优点 假设从图像传感器获得的图像符合c c t r 8 6 0 1 标准，分辨率为6 4 0x4 8 0 ，y ：u ：v 为4 2 2 ，若以8 比特表示y 信号，则每像素占1 6 b i t 。不加压缩，一幅图像的数 据是6 1 4 4 0 0 b y t e ，那么对于一个中等容量的电子硬盘，1 2 8 m 的空间只能存放2 0 8 张图片，按每两秒一幅图像计算，那么前后记录图像时间的不到8 分钟。因而，如 果图像不经过压缩而直接存储和传输，将是不可想象的。图像压缩的目的就是在保 证一定的图像质量和满足一定要求的前提下，减少图像数据量。可见图像压缩是非 常必要的，而且实际上也是可行的，这主要是由于图像中存在大量冗余的缘故【1 9 】。 图像压缩的目的就是在保证一定的图像质量和满足一定要求的前提下，减少图 像数据量。图像具有很大的数据压缩的潜力。主要存在以下数据冗余： 第1 3 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 一、编码冗余。对图像编码时需要建立码本以表达图像数据。这里码本是指用 来表达一定量的信息或一组事件所需的一系列符号。其中对每个信息或事件所赋的 码符号序列称为码字，而每个码字里的符号的个数称为码字的长度。若用相同码长 表示不同出现概率的符号也会造成符号冗余度。如果采用可变长编码技术，对出现 概率高的符号用短码字、对出现概率低的符号用长码字表示，就可消除符号冗余度， 从而节约码字。 二、像素间冗余。图像数据中，像素与像素之间存在很大的相关性，因而整体 上数据的冗余度很大，在允许一定限度失真的前提下，可以对图像数据进行很大程 度的压缩。这种与像素间相关性直接联系着的数据冗余叫像素间冗余，也称为空间 冗余。而连续系列图像中前后帧之间有较大的相关性，一幅图像各像素的值可以比 较方便地由它临近像素的值预测出来，这种临近帧之间的冗余称为时间冗余度。数 据冗余造成比特数浪费，消除这些冗余就可以节约码字，也就达到了数据压缩的目 的。 三、心理视觉冗余。在多数应用中，人眼往往是图像信息的最终接收者( 信宿) 。 由于人眼并不是对所有视觉信息有相同的敏感度。有些信息在通常的视觉过程中相 对来说不那么重要，这些信息可认为是心理视觉冗余。如果能充分利用人眼的这种 视觉特性，就可以在保证所要求的图像主观质量的前提下实现较高的压缩比【2 们。 正是因为以上原因，图像的数据压缩是可能的。而采用数据压缩的好处就在于： 1 、在传输时间相同的情况下，占用的信道带宽少； 2 、图像的数据存储容量少，降低图像的处理时间； 3 、对于多媒体移动通信系统而言，由于需发射图像的数据量较小、发射的时 间少，因而可以降低发射功率，该优点对于无线通信系统而言尤为重要。 2 2 2 常用图像压缩标准 目前常用的图像压缩标准种类繁多，主要有以下几种： 一、静止图像压缩标准( j p e g 、j p e g 2 0 0 0 ) ，该标准是由联合图像专家小组制 定的。 二、动态图像压缩标准( m p e g l 、m p e g 一2 、m p e g 一4 m p e g 一7 、m p e g 一2 1 ) ，是由活 动图像专家组制定。m p e g 即活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) ，成 立于1 9 8 8 年，是为数字视频、音频制定数字标准的专家组。m p e g 的目的是运动图 像和音频的编码方式的标准化。 三、视频图像压缩标准( h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 、h 2 6 4 、a v s ) ，h 2 6 x 系列视频 图像压缩标准由i t u l 视频编码专家组( v c e g ) 和国家标准化组织国际电工委员会 ( i s o i e c ) 运动图像专家组( m p e g ) 制定，主要用于实时视频通信。而a v s 是我 第1 4 页 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 国具备自主知识产权的视频编码标准。 本课题中只是对现场进行拍照，利用静止图像压缩即可。因而采用j p e g 压缩标准 即可。下面仅对_ ，p e g 标准进行简单介绍。 2 2 3j p e g 压缩技术 j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 是联合图片专家小组的英文缩写。 j p e g 是由联合图像专家小组制定出的连续、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编 码的方法。j p e g 标准压缩效率较高、计算复杂度较低，不仅适用于静止图像的压缩， 而且电视图像序列的帧内图像的压缩编码，也常用j p e g 压缩标准【2 n 。 j p e g 标准采用混合编码方法，可以支持很高的图像分辨率和量化精度。j p e g 制定了四种工作模式：无失真压缩、基于d c t 的顺序工作方式、累进工作方式和分 层工作方式。j p e g 算法的平均压缩比为1 5 ：l ，当压缩比大于5 0 倍时将可能出现 方块效应。 j p e g 标准是一个适用于连续色调图像的压缩方法，它满足以下特性： 1 达到或接近当前压缩比与图像保真度，能够覆盖一个较宽的图像质量范围， 能够达到“很好”到“极好”的评估，与原始图像比，人的视觉难以区分。 2 能够适用于任何种类的连续色调的图像，且长宽比都不受限制，同时也不受 限于景物内容、图像复杂度和统计特性等。 3 计算的复杂度是可以控制的，其软件可以在各种c p u 上完成，也可以使用硬 件实现，。 j p e g 专家。组开发了两种基本压缩方法：一种是有损压缩算法，它是以 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m )