（系统分析与集成专业论文）自动气象站数据传输系统设计.pdf

摘要 自动气象站是一种能自动收集、处理、存储或传输气象信息的装置。气象 站采集的气象资料必须及时、迅速、准确地传输到数据的应用部门，这种数据 传输包括有线和无线两种方式，目前常用的为有线数据传输方式。有线数据传 输具有代价大、维护难、效率低等缺点，难以满足自动气象站要求。随着无线 通信技术的发展，多种无线传输技术被应用到各行各业。其中通用分组无线业 务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 ) 发展成熟，因具有成本低、速度快、 永久在线等特点而逐渐被广泛应用。 课题对无线自动气象站理论及实现进行了研究，设计了基于g p r s 的自动气 象站系统。分析g p r s 组网方案，并根据实际情况选择适合本课题的组网方案， 实现微控制器无线连接到i n t e r n e t 进行气象数据传输。 系统以3 2 位高性能a r m 微处理器l p c 2 1 1 4 为硬件核心，以b e n qm 2 3 为g p r s 模块，以嵌入式实时操作系统uc o s - i i 为软件平台，在a r ma d s l 2 环境下进 行系统软件开发。通过设计数据传输终端硬件和软件，实现终端和上位机的连 接，很好地解决了终端的网络连接、网络检测和数据收发问题。上位机设计通 讯软件和气象数据库，完成和下位机的通信，并实现接收到的数据进行存储和 查询功能。课题通过具体实验测试，各项性能指标已达到设计要求，成功地实 现了远距离气象数据传输，为自动气象站提供了一种新型的可靠的无线传输模 式。 关键字：自动气象站、l p c 2 1 1 4 、b e n qm 2 3 、g p r s a b s t r a c t a na u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o ni sak i n do fd e v i c ew h i c hi sa b l et oc o l l e c t ， p r o c e s s ，s t o r ea n dt r a n s m i tm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y , m e t e o r o l o g i c a l i n f o r m a t i o ns h o u l db et r a n s m i t t e dt i m e l y , s p e e d i l ya n da c c u r a t e l yt ot h ea p p l i c a t i o n d e p a r t m e n t t h ei n f o r m a t i o ni su s u a l l yt r a n s m i t t e di nt w ow a y s ，w i r e l e s sa n dw i r e d c o m m u n i c a t i o n n o w a d a y s ，t h ec o m m o nw a yi sw i r e dc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , w i r e dd a t at r a n s m i s s i o nh a ss h o r t c o m i n g so fh i 曲p r i c e ，d i f f i c u l tt om a i n t a i n ，a n dl o w e f f i c i e n c y , i ti su n a b l et om e e td e m a n do fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n 。蚴t h e d e v e l o p m e n t o fw 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 y , a v a r i e t y o fw i r e l e s s t r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y h a sb e e na p p l i e dt oa l l p r o f e s s i o n s ，a m o n gw h i c h ， 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 ) d e v e l o p sq u i c k l y , a n di sg r a d u a l l yb e i n g a p p l i e dw i d e l yf o ri t sc h a r a c t e r i z e so fl o wv e l o c i t y , f a s ta n dp e r m a n e n to m i n ee t c t h e 也e s i sr e s e a r c h e st h e o r yo fw i r e l e s sa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n d e s i g n s d a t a - t r a n s m i ts y s t e mo fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nb a s e d0 1 1g p r s a n a l y s i st h e p r o g r a mo ff o r m i n gn e t w o r k , a n dc h o o s e st h er i g h tp r o g r a mo ff o r m i n gn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，r e a l i z e sw i r e l e s sc o n n e c t i o no fm i c r o c o n t r o l l e rt o i n t e m e tf o rw e a t h e rd a t at r a n s i t i o n t h es y s t e mu s e st h e3 2 b i th i g h - p e r f o r m a n c ea i u v im i c r o p r o c e s s o rl p c 2114a s h a r d w a r ec o r e ，t h eb e n qm 2 3a sg p r sm o d u l e ，t h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m “c o s i if o r 也es o f t w a r ep l a t f o r i l l ，t h ea r ma d s 1 2f o rs y s t e ms o f t w a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h r o u g hd e s i g n i n gt h ed a t at e r m i n a lh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，r e a l i z e sc o n n e c t i o nb e t w e e nt e r m i n a l sa n ds u p e ro r d i n a t i o np c 。a n ds o l v e s t h ep r o b l e mo fn e t w o r kc o n n e c t i o n ，n e t w o r kd e t e c t i o n ，r e c e i v i n ga n ds e n d i n gd a t a s u c c e s s f u l l y s u p e r o r d i n a t i o np c d e s i g n s c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n d m e t e o r o l o g i c a ld a t a b a s e ，c o m p l e t e sc o m m u n i c a t i o nw i t ht e r m i n a l ，a n da c h i e v e s s t o r a g ea n dq u e r yo fd a t a n l ei s s u eh a sb e e nt e s t e db yc o n c r e t ee x p e r i m e n t m a k i n g t h ev a r i o u sf u n c t i o ni n d e x e sm e e tt h ed e m a n do fs y s t e m s y s t e mr e a l i z e st h er e m o t e m e t e o r o l o g i c a ld a t at r a n s m i s s i o ns u c c e s s f u l l y , p r o v i d e san e wa n dr e l i a b l ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ，l p c 2 114 ，b e n qm 2 3 ，g p r s 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：彳眸赴 日 期：边签：亟：丛一 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：猃迪 日期：递墨：鱼：垒 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 气象和人们的生活息息相关，也直接影响着铁路、航空、农业、工业、等各个行业的 发展，因此气象数据的获得非常重要。目前，国内主要依靠人工观测来采集气象数据，观 测时效慢、密度小，无法满足无缝隙预报服务的要求。尤其在戈壁、沙漠、天山、沼泽等 偏僻地区，人的生存就是个首要问题，建立有人值守的气象站是不现实的。 自动气象站是利用仪器自动地进行观测和发送或记录观测数据，并根据需要，直接或 通过一个编报站将观测数据转换成电码形式( w m 0 ，1 9 8 1 ) “1 自动气象站数据的传输方式主 要有线传输和无线传输两种，目前多以有线传输方式为主。有线传输存在网络布线成本高、 施工困难、不宜维护且受到场合限制等缺点，尤其在人烟稀少的偏僻地区其弊端更加显著。 目前国内也有基于无线传输的自动气象站，但都存在许多不足之处，总结之，主要有 以下三个方面： 1 无线传输采用短信方式。这对于多站点、多时次信息需求来说，经济代价太大； 2 采集得到的数据存于介质( 移动存储器等) ，需人员定时去取，影响信息的实时性， 也带来许多人力财力的投入； 3 采集的数据存入计算机，通过计算机网络传输到远端计算机，对于无人、无气象站 的地区不可能采用。 随着无线通信技术的发展，多种无线传输技术日益成熟，主要包括无线电、g s m 短消 息、c d m a 、g p r s 、蓝牙等。无线电传输难以实现远距离传输；短消息方式通讯量小并且对 于多站点、多时次的信息需求经济代价太大；蓝牙通信距离太小，采集的数据存入介质， 需要人员定时到现场取，影响信息实时性，也带来过多人力财力投入，不符合自动气象站 要求。其中g p r s ( 通用无线分组业务) 显示出其独具的特点1 。 本课题就是在这样的环境下，设计无人地区的自动气象站无线数据传输系统。 1 2 国内外发展概况 2 0 世纪5 0 年代末，不少国家已经有了第一代自动气象站，如前苏联研制的m 3 6 型自 动气象站，美国研制的a m o s - - 1 i i 型自动气象站h 儿副等。这些自动气象站观测的要素少、结 构简单、准确度低，数据传输也比较低效。第二代自动气象站已能够适应各种比较严酷的 气候条件，但由于当时通信技术落后，资料存储和传输问题未能得到很好的解决，因此无 法形成完整的自动观测系统。到7 0 年代，第三代自动气象站大量采用了集成电路，实现了 软件模块化、硬件积木化，单片微处理器的应用使自动气象站具有较强的数据处理、记录 南京信息工程大学硕士学位论文 和传输能力，并逐步投入业务使用。但当时的数据传输主要依靠有线传输。进入9 0 年代以 来，自动气象站在许多发达国家得到了迅速发展，建成业务性自动观测网。如日本的“气 象资料自动收集系统”( a m e d a s ) 哺1 ，是把全国1 3 0 0 多个进行单项或多项地面气象要素观测 的自动气象站，组成一个中小尺度天气系统的警戒监视网系统，由计算机控制，主要通过 电话线路实现对每个站定时和非定时的资料收集、检验、纠误、数据转换、存储、加工整 编和向各使用单位分发服务，如图1 1 所示。美国的自动地面观测系统( a s o s ) 川、芬兰的 自动气象观测系统( m i l o s ) 和法国的基本站网自动化观测系统( m i s t r a l ) 等都是在发展 自动化高速数字传输的气象通信系统方面有明显进展。此时，无线通信技术发展成熟，并 被逐渐应用到自动气象站中去。 图1 1 日本a m e d a s 自动气象站 我国自动气象站研制工作始于2 0 世纪5 0 年代后期哺1 ，至今已有4 0 多年的历史。6 0 年代初，由原中央气象局观象台主持研制无人自动气象站，到7 0 年代初研制出5 台无人自 动气象站，在青海省的五个台站进行试验，前后达1 0 年之久。与此同时，原中央气象局硬 件所又主持研制出综合遥测自动气象站，在杭州、苏州、北京等地进行了为期6 个月的现 场考核。 8 0 年代中期，由中国气象科学研究院大气探测所主持，采用精致气象卫星中继数据的 方式，研制出资料收集平台( d c p ) ，并在多个省份进行为期1 年的试验。到9 0 年代后期， 我国第一批自动气象站设计成型，并获准在业务中使用。截至2 0 0 5 年，全国有1 0 0 0 多个 台站使用了自动气象站，并实现了组网。 在过去的十几年间，自动气象站之所以取得了迅猛的发展，并得到了应用，取决于多 种因素其中技术因素起到举足轻重的话作用，包括微型计算机、通信、传感器等技术的发 展和推广应用，为自动气象站技术性能的提高提供了良好的技术基础，尤其是微处理器的 和通信技术的日趋成熟，简化了数据传输设计，降低了成本，提高了效率，使准确获得数 据的同时能够准确、高效的传输，达到自动气象站的功能要求旧1 。 目前国内外都有许多研究自动气象站的厂家，自动气象站在技术上成熟了许多，但它 仍存有不足之处，主要表现在自动站获取气象数据的传输是通过计算机，利用电信或者卫 星进行有线或无线的传输方式，具有代价高、维护难等弊端，不能达到自动气象站的要求。 随着社会经济的发展，科学技术的进步，将进一步推动自动气象站技术向微功耗、多 2 南京信息工程大学硕士学位论文 功能、智能化、高精度、高可靠性方向发展，将为社会各部门提供更详细、更准确的气象 信息。 本文就是在这种背景下研究基于g p r s 的无线数据传输的自动气象站系统。 1 3 本系统的主要研究内容 本文研究内容分为数据终端数据传输设备设计和数据中心数据管理软件设计两部分。 终端硬件部分以3 2 位a r m 芯片l p c 2 1 1 4 为核心，以b e n qm 2 3 为g p r s 模块，以uc o s i i 嵌入式操作系统为软件平台，开发自动气象站数据传输模块，与数据中心通过s o c k e t 接口 通信，实现气象数据的无线传输。数据中心管理软件采用s q ls e r v e r2 0 0 5 和v i s u a lc + + 6 o 设计数据处理软件，实现气象数据的存储、查询和显示功能。 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1g p r s 概述 第二章g p r s 概述及组网方案 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 ，通用分组无线业务) 是欧洲通信标准协会( e s t i ) 定义的一种能够在g s m 网络上提供真正的无线分组服务的方法，是第二代移动通信技术 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术u 。 g p r s 网络在公用移动通信网g s m 网络基础上新增两个节点s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 和g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 形成移动分组数据网络，为g s m 网络用户提供高速的分组 数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 的连接，它采用与g s m 相同的频段、频 带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。 g p r s 网络克服了g s m 网络中电路交换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用 了现有的g s m 网络资源，提高了传输速率u 。g s m 网络的数据传输速率低于9 6 l 【b i t s ，g p r s 网络理论上最大可以提供1 7 1 2 k b 的传输速率。同时g p r s 网络接入时间短，能提供快速及 时的连接，可大幅度提高工作的效率。g p r s 网络采用4 种不同的o o s ，对不同的服务有不 同的优先级、可靠性、延迟标准和数据速率，可根据实际灵活选择服务质量参数为用户提 供服务，从而使g p r s 能最好地支持频繁的、少量突发性数据业务。g p r s 用户可随意分布 和移动自己的网络点，能够实现无处不在的i p 通信。 2 2g p r s 数据传输特点 利用g p r s 进行数据传输具有以下特点n 2 埘： 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以宽范围地为用 户数据终端提供远程接入网络部署。 传输速率高 g p r s 数据传输速率理论上可达1 7 1 2 k b p s ，实际速率5 0 k b p s ，完全可以满足用户应用 需要。 登录快捷 g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接。 永远在线 用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送终端也一直与网络保持联系，这使访问 服务变得简单、快速。 按流量计费 4 南京信息工程大学硕士学位论文 用户只有在发送或接受数据期间才占用无线资源，按照用户接受和发送数据报的数量 计费，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收取费用。 2 3g p r s 网络结构和工作原理 2 3 1g p r s 网络结构 1 g p r s 系统的逻辑结构 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络实现分组数据业务。g s m 是专为电路交换型的传输 而设计的，现有的g s m 网不足以提供支持分组数据路由的功能，因此g p r s 必须在现有的 g s m 网络的基础上增加新的网络实体，如网关g p r s 支持节点g g s n 、服务g p r s 支持节点和 分组控制单元等，以满足分组业务数据的交换与传输。g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 1 所 示。 图2 1g p r s 骨干网的逻辑结构示意图 2 g p r s 的网络部件 g p r s 支持节点( g s n ) g s n 是g p r s 网络中最重要的网络部件，主要作用是负责移动路由管理。它可以连接各 s g s n 是种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄存器。g s n 有两种类型，一种为s g s n ，另 一种为g g s n 。s g s n 功能和m s c 具有相同点，如进行分组移动用户的状态管理，计费管理等 并负责到h l r 的用户数据信息的传送。g g s n 负责和外部数据网络的接口，进行数据包的转 发。具有路由器的部分功能。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 分组控制单元( p c u ) p c u 与b s c 协同作用，提供无线数据的处理功能。p c u 可作为模块单元插入b s c 中，或 作为独立于b s c 的单元存在。 移动台( m s ) g p r s 网络结构中的m s 可以看作是移动终端( m t ，m o b i l et e r m i n a l ) 和终端设备( t e ， t e r m i n a le q u i p m e n t ) 合二为一的集成实体，g p r s 移动台有3 种类型： a 类：可同时提供g p r s 服务和电路交换承载业务的能力，在同一时间内既进行一般的 g s m 话音业务又可以接收g p r s 数据包。 b 类：可同时侦听g p r s 和g s m 系统的寻呼信息，同时附着在g p r s 和g s m 系统，但在 某一时刻只能支持其中的一种业务。 c 类：要么只支持g s m 网络，要么只支持g p r s 网络，它只能通过人工的方式进行网络 更换，无法同时支持两种业务。 边界网关( b g ) b g 用于p l m n 间g p r s 骨干网的互连，主要完成分属不同g p r s 网络的s g s n 、g g s n 之间 的路由功能以及安全性管理功能。 域名服务器( d n s ) g p r s 网络中存在两种d n s ，一种是g g s n 同外部网之间的d n s ，主要功能是对外部网的 域名进行解析，其作用完全等同于固定因特网上的普通d n s ；另一种是g p r s 骨干网上的d n s 。 3 g p r s 体系结构中的接口及参考点详细描述如表2 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 i g p r s 网络接口及参考点说明 接口或参考点 说明 g b 接口 s g s n 与s g s n 间的接口，既传送指令又传输话务信息。该接口通过 基于帧中继的网络服务提供流量控制 g g s n 与h l r 间的接口。为可选接口，用于g g s n 向h l r 查询m s 的路 g c 接口 由信息，获取m s 的位置信息。 g d 接口 s m s g l i s c 与s g s n 间及s m s i 硎i s c 与s g s n 间的接口。 g f 接口s g s n 与g i r 间的接口。为s g s n 提供接入设备获得设备信息。 g n 接口同一p l m n 的两个g s n 间的接口。提供数据和信令接口，在基于i p 的骨干网中g n 接口使用g p r s 隧道协议。 s g s n 与h l r 间的接口。用于s g s n 与h l r 之间传送移动性管理的相 g r 接口 关信令，给s g s n 提供接入h l r 并获得用户信息的接口。 u m 接口m s 与g p r s 网络侧的接口，通过该接口完成m s 与网络侧的通信，完 成分组数据传送、移动性管理、无线资源管理等方面的功能。 g i 接口g g s n 与外部数据网络问的接口。通过该接口，g p r s 与外部网络相 连。由于g p r s 可以支持各种各样的数据网络。 r 接口 终端设备和移动终端的接口参考点。该点将终端设备与移动台相 连，如通过便携电脑与g s m 手机相连。 2 3 2g p r s 工作原理 g p r s 利用“包交换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 的概念发展起来的一套无线传输方式。所 谓“包交换”就是将d a t a 封装成许多独立的封包，再将这些封包一一传送出去，形式上有 点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以 传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式，因为像i n t e r n e t 这类的数据 传输大多数的时间频宽是闲置的。 g p r s 工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而g p r s 的路由管理表现在 以下三方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终 端处于漫游时数据路由的建立。对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( p a c k e td a t a u n i t ，分组数据单元) ，这个p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层 处理为l l c 帧通过空中接口送到g s m 网络中移动终端所处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。 g g s n 把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式，最终送给公用数 据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压 缩和加密处理。在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过 7 南京信息工程大学硕士学位论文 数据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元，通过建立 好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移动终端所在的s g s n 上，g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经过l l c 层处理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移 动终端。第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下 的数据传送必须要经过归属地的g g s n ，然后送到用户a 端。 2 4g 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 终止的数据传输过程、终止过程n4 1 。这里的分析是针对由m s 发起的过程，由网络 发起的过程与之类似，外部分组数据网络为i n t e r n e t 。 1 m s 发起的连接过程 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 虽然已经登陆上g p r s 网络，但还没有为外部网络知道。要能够收发数据，移动台 还必须激活一个p d p 场景，在获得p d p 地址后，才能够实现与p d n 上主机进行通讯。 当m s 向g p r s 发起连接请求时，其首先向s g s n 发送附带自身识别码( p t m s i 或t m s i ) 的连接请求，该信息同时也包含一个网络服务区域点标识( n s a p i ) 。s g s n 通过查询m s 的 用户归属寄存器( h l r ) 数据以验证用户是否被授权使用该业务。授权验证通过后，s g s n 向m s 发送一个带专用于t l l i 与m s 之间的映射关系，以及相应的n s a p i 。t l l i 作用是向 m s 提供一个临时i d 用于数据通信，n s a p i 则用于提供 l s 的服务质量( q o s ) 描述参数。 m s 发起连接后，s g s n 中将创建m s 和s g s n 的关系映射表， m s 需要激活p d p 场景，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 间的通讯。m s 首先向s g s n 发送一个p d p 场景激活请求，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 场景。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 。在保存了t i d 、s 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 场景已经激活。同时s g s n 更新自身保存的 映射关系表。 p d p 场景激活后，在g p r s 系统中，m s 在p d p 场景激活时获得的p d p 地址为非法i p 地 址，其在g p r s 网络之外不可寻址。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i p 地址和通讯端口号建立映射关系，胚发送数据时，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。 g g s n 中映射关系可用表2 2 表示。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 表2 2 p d p 场景激活后，g g s n 中的关系映射表 m s l t l l i = i ，n s a p i = 2 t i d ig g s ni pg g s n i p + p o r t1 m s 2 t l l i = 2 ，n s a p i = 3 t i d ig g s ni pg g s ni p + p o r t 2 m s 3 t l l i = 3 n s a p i = 2 t i d ig g s ni pg g s ni p + p o r t 3 2 m s 发起( m o ) 的数据传输过程 当m s 产生i p 分组时，发送过程分成以下3 步骤进行： 1 ) m s 根据t l l i 和n s a p i 信息，选择s g s n 。在原始i p 分组中加入包含t l l 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 l i 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。 3 m s 终止( m t ) 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： 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 ni p 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 l l 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。 4 m s 发起的终止过程 要将p d p 场景去激活，m s 首先向s g s n 发送一条去激活p d p 场景的请求消息，其中包 含n s a p i 信息。s g s n 向g g s n 发送一个删除p d p 场景的请求消息，其中包含有t i d 信息， g g s n 删除p d p 场景后向s g s n 回复删除确认消息，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 5g p r s 协议栈 g p r s 协议规程体现了无线和网络相结合的特征。其中既包含类似局域网技术中的逻辑 链路控制l l c 子层和媒体接入控制m a c 子层，又包含r l c 和b s s g p 等新引入的特定规程。 并且各种网络单元所包含的协议层次也有所不同u 引。 g p r s 分为传输面和控制面两个方面。传输面为提供用户信息传送及其相关信息传送控 制过程( 如流量控制、错误检测和恢复等) 的分层规程。控制面则包括控制和支持用户面 功能的规程，如分组局域网接入连接控制( 附着与去激活过程) 、网络接入特性( p d p 上下 9 南京信息工程大学硕士学位论文 文激活和去激活) 、网络接入连接的路由选择( 用户移动性支持) 、网络资源的设定控制等。 2 5 1g p r s 传输面协议层 g p r s 传输面协议层如图2 2 所示。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 k c 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。u m 接口的物理层 为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。 g p r s 系统中，g p r s 隧道规程g t p - u 协议用以进行g n 接口上的数据封装功能；子网汇 聚层s n d c p 用以提供不同协议种类的接入功能，进行数据报中数据和控制部分的压缩、封 装功能；逻辑链路控制l l c 层可以提供m s 与s g s n 之间稳定的逻辑链路，并通过确认机制 保证数据的可靠传送；无线链路控制r l c 将l l c 数据包变为r l c 数据包，通过无线接口传 送，并采用a r q 机制予以传送确认；媒体接入m a c 层执行接入控制能攻，提供多个m s 共享 同一物理信道的控制机制；无线层提供无线信道用以进行m s 与p c u 之间信息的传送。 蛔妊岫1 p 口 n 锄c p 锕p u 锄c g t p - u 一一 l l ci 山c 切 i 肼 冀 l 山c l 也c b s s 四 b s s g p 口_口 n e h 盯k h n - 吡t 1 , 2 m c l c r i 一_ l 2 & 出 一 c s m 矗f g s m r fl i h一一i , i i 恼 i , l_ l i 图2 2 g p r s 传输面协议层 2 5 2g p r s 控制协议层分析 g p r s 控制面包括不同接口上不同的规程结构，分述如下： m s 与s g s n 之间传输面与控制面的区别存在于s n d c p 和l l c 层。g p r s 移动管理和进程 管理g 删s m 、s m s 和s n d c p 等协议通过不同的s a p i 接入l l c 层，其中g 姗s m 属于控制层 信息，而s n d c p 和s e s 规程则属于传输层信息。m s s g s n 控制面协议层如图2 3 所示。 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 g m m ，s m l l cl l c r l cb s s g p 眦b s s g p m a cm a 。cn s n s g s h 珏潆g s h 8 蹬l l b i sl 1 i r i s 图2 3m s s g s n 控制面协议层 s g s n 与g g s n 之间的信令信息传送采用g t p - c 规程，以及通过g p 接口连接的g s n 之间 的信令信息。u d p 规程用于承载g t p c 。g s n - g s n 信令面如图2 4 所示。 g t p cg t p - c u d pu d p i p臻 l 2 乙2 l _ ll l 图2 4 g s n _ g s n 信令面 s n s n 和h l r e i r s m s g m s c 网元之间采用m a p 规程，进行信令信息的发送。t c a p ，s c c p ， m t p 2 和m t p 3 等规程用以支持m a p 规程。s g s n - h l r e i r s m s g m s c 信令面如图2 5 所示。 m a pm a p t c a pt c a p s c c ps e c p m t p 3蚤畦丁p 3 m “f p 2m t p 2 l ll l s g s nh u r 图2 5s g s 卅h l r e i r s i s g m s c 信令面 南京信息工程大学硕士学位论文 2 6g p r s 组网方案 2 6 1g p r s 常用组网方案 在g p r s 通信过程中，如果数据终端和数据中心都使用动态i p 地址，它们是无法通信 的。由于g p r s 无线无线接入动态i p 方式相对容易，费用较低，所以我们优先考虑终端使 用动态i p 地址。即数据终端使用无线接入动态i p 方式，数据中心使用静态i p 方式。这样， 我们总结出以下几种可行的组网方案“6 。7 。： 方案一：如图2 6 所示，数据中心采用a d s l 等i n t e r n e t 接入公网，采用同定i p 或者 公网动态i p + d n s 解析服务。此种方案须先向i n t e r n e t 运营商申请a d s l 等宽带业务。 1 ) 中心公网固定i p 终端直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。 2 ) 中心公网动态i p + d n s 解析服务：客户先与d n s 服务商联系开通动态域名，监控点 先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由d n s 服务器找到中心公网动态i p ，建立连接。 此种方式可以大大节约公网固定i p 的费用，但稳定性受制于d n s 服务器的稳定，所以要寻 找可靠的d n s 服务商。此种方案适合小规模应用。 数据采集模块 图2 6g p r s 组网方案一 方案二：如图2 7 所示，中心采用主副g p r s d t u ，采用移动内网动态i p + 移动d n s 解 析服务。此种方案客户先与移动d n s 服务商联系开通移动动态域名，监控点先采用域名寻 址方式连接移动d n s 服务器，再由移动d n s 服务器找到中心移动动态i p ，建立连接。中心 也用g p r s d t u 做接收端，但g p r s 无线方式的中心不如有线方式的稳定，所以采用主副两 个g p r s d t u 作冗余备份。主中心g p r s d t u 接收端掉线时，所有监控点自动转到副中心 g p r s - d t u 接收端。此种方式也可以大大节约固定i p 的费用，但并不是所有移动公司都提 供d n s 解析服务，所以要在有d n s 解析服务的省市才能采用此种方案。此种方案适合小规 模应用但由于此种方案实时性和稳定性较差，本系统不采用。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 移 图2 7g p r s 组网方案二 方案三：如图2 8 所示，中心采用主副g p r s - d t u ，采用移动a p n 专网固定i p 。此种方 案客户先与移动申请a p n 专网业务。移动为客户分配专用的a p n ，普通用户不得申请该a p n 。 用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制使用其他a p n 。得到a p n 后，给所有监控 点及中心分配移动内部固定i p 。此种方案中心也像方案二一样采用主副两个g p r s d t u 作 接收端，冗余备份。但此种方案较方案二而言，无需d n s 解析，本身具有移动内网固定i p ， 减少中间环节，稳定性增强；且所有数据都在移动g p r s 的a p n 内网传输，无需经过公网， 安全性增强。 禽一钐一 影 9 数据采集幢块 图2 8g p r s 组网方案三 址 方案四：如图2 9 所示，中心采用a p n 专线，所有点都采用内网固定i p 此种方案客 户中心通过一条2 ma p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方互联路由器之间采用私有固定 i p 地址进行广域连接，在g g s n 与移动公司互联路由器之间采用g r e 隧道。为客户分配专 用的a p n ，普通用户不得申请该a p n 。用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制使 用其他a p n 。得到a p n 后，给所有监控点及中心分配移动内部固定i p 。移动终端和服务器 平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行 隔离，并在防火墙上进行i p 地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前 三种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用 环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。 1 3 南京信息t 程大学硕上学位论文 数据采集模块 2 6 2 系统组网方案选择 图2 9g p r s 组网方案四 在g p r s 四种组网方式的应用中，在实际应用中究竟采用哪种组网方式比较合适、经济， 就要根据实际的应用需求来确定。本课题的产品是面向民用的，其建设初期的费用不能太 高，又由于课题实验条件限制以及气象观测中对实时性的要求，在设计中，本课题将不采 用第二种和第四种方案。在传输数据量较小的基本气象数据时，课题采用第三种方案，充 分发挥其组网费用低，组网简单的特点；在传输数据量较大的数据时，课题采用第一种组 网方案，充分发挥其通讯质量高，通讯速度快的特点“。 1 4 南京信