（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究.pdf

中文摘要 近年来，全球无线通讯技术飞速发展、逐步成熟，为人们的移动通讯提供了 极其便捷的服务。与此同时，无线通讯技术也在逐步的进入自动控制领域，各种 标准的无线通讯协议相继推出。目前为止，出现的无线通讯技术主要有数传电台、 r t u 、g p r s c d m a 、b l u e t o o t h 、z i g b e e 、无线h a r t 等。无线通讯技术在工业 控制领域中的应用研究正在成为近年来自动化领域的研究热点。 g p r s 远程监控系统利用现有的g p r s 网络资源，发挥网络覆盖率高、传输 特性好等优势，为现有自动控制系统提供了一种便捷的无线数据传输方式，是目 前相对较为成熟的中、远程无线传输方式。 基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统主要研究内容包括：管网叠 压装置自控系统，g p r s 无线网络接入及远程集散管理系统。管网叠压装置主要 应用于城市管网高层建筑的二次供水管路。管网叠压技术即在有效利用一次管网 供水水压能源的基础上，通过供水机组的智能变频恒压控制，补偿增压为高层建 筑用户提供所需要的水压。同时通过负压消除装置自动消除稳流补偿器内部负压 即无负压。论文对管网叠压装置自控系统的功能实现做了详细说明，重点介绍了 该装置的工作原理、智能变频恒压机组控制、与g p r s 终端串行通讯等关键技术， 给出了整套装置的软件流程及实验测试报告。最后给出了基于g p r s 无线网络的 集散控制系统监控软件的开发思路。 大量现场实验数据说明，管网叠压装置能够有效利用一次供水水压能源，达 到了国家水务部门的相关技术规范，节能效果明显。结合无线通讯技术，为供水 管理部门提供了一套具有较高自动化程度的设备管理系统，具有良好的社会意义 和经济效益。 关键词：管网叠压无负压g p r s 无线通讯技术 a bs t r a c t c u r r e n t l y , w i t hg l o b a lw i r e l e s st e c h n o l o g yi m p r o v i n g ，i tb e c o m e se x t r e m e l y c o n v e n i e n tf o rp e o p l et oa c c o m p l i s hm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a tt h es a n l et i m e ，s i n c e w i r e l e s st e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ef i e l do fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m sg r a d u a l l y , m a n yk i n d so fp r o t o c o l sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o m eo u to n ea f t e ra n o t h e r s o f a r , t h e r ea r el o t so 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 i e si ne x i s t e n c e s u c h 嬲d i g i t a l b r o a d c a s t i n gs t a t i o n ，r t u ，g p r s c d m a ，b l u e t o o t h ，z i g b e e ，w i r e l e s sh a r ta n ds o o n t h es t u d yo 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 ya p p l i e di ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d b e c o m e st h eh o tp o i n ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n u s i n gt h eg p r sn e t w o r kr e s o u r c e s ，g p r sr e m o t ei n s p e c t i n gs y s t e m ，w h i c h h o l d st h ea d v a n t a g e so fh i g hc o v e t i n gr a t ea n dw o n d e r f u lt r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c e ，i s ac o n v e n i e n tw a yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o rt h ec u r r e n ta u t o m a t i o ns y s t e m s a n d i ti sm a t u r ei nm i d d l ed i s t a n c ea n dr e m o t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ec o n t e n to ft h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a n s ：t h ed u c t w o r kp r e s s u r e b o o s t e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，g p r sw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h er e m o t ed i s t r i b u t e d m a n a g i n gs y s t e m d u c t w o r kp r e s s u r eb o o s t e rd i s t r i b u t e df a c i l i t yi sm a i n l ya p p l i e di n s e c o n d a r yb o o s t e ri nh i g hb u i l d i n g sf o ru r b a nd u c t w o r k b a s e do nu t i l i z i n gf o r m e r d u c t w o r kh y d r a u l i ce n e r g y , d u c t w o r kp r e s s u r eb o o s t e rc o m p e n s a t e st h el a t t e r d u c t w o r kf o rt h ee n e r g yw en e e d ，b yc h a n g i n go fr o t a t es p e e do ft h ep u m p si nt h e c o n t r o lo ft r a n s d u c e r s i m u l t a n e o u s l y , m i n u sp r e s s u r ei se l i m i n a t e da u t o m a t i c a l l y t h e p r i n c i p l e ，f u n c t i o n sa n da c t u a l i z e dm e t h o d so fd u c t w o r kp r e s s u r es u p e r p o s i t i o na r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fg p r sc o m m u n i c a t i o na n dt h e c o n s t r u c t i o no fg p r sw i r e l e s sc o n t r o ln e t w o r ka r ee x p a t i a t e da sw e l l 弱t h ef l o w c h a r t ，e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ed e v e l o p i n gi d e ao fr e m o t ei n s p e c t i n gs o f t w a r e m a s so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tt h ed u c t w o r kp r e s s u r eb o o s t e rc o u l d u t i l i z et h ee n e r g ys o u r c e so fh y d r a u l i ce n e r g yi nf o r m e rw a t e rs u p p l ya n di tm e e t st h e t e c h n o l o g i c a lc f i t e d o n sa p p o i n t e db yn m i o n a lw a t e rd e p a r t m e n t c o m b i n i n gt h e t e c h n o l o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ed u c t w o r kp r e s s u r eb o o s t e rd i s t r i b u t e d f a c i l i t yp r o v i d e sah i g ha u t o m a t i cm a n a g i n gs y s t e mf o rt h ed e p a r t m e n t si nw a t e r s u p p l ya n dg a i n st h eg r e a ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：d u c t w o r kp r e s s u r es u p e r p o s i t i o n ，n o n - m i n u s p r e s s u r e ，g p r s ， w 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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：瑶乏辑 签字日期：九呷年，月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巧磊扮 导师签名： ! i 字i ! i i i ：知旧年，月名日 签字日期：冲，月杉日 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 第一章绪论 针对本课题主要研究的两个方面：管网叠压装置及无线通讯技术在工业控制 领域的应用，首先对其研究背景、研究现状等做了简要说明。然后介绍了本课题 的研究目的及现实意义，对研究过程中的难点和研究方法做了概要阐述。最后说 明了本论文的总体结构。 1 1 研究背景 2 0 世纪7 0 年代以来，借助于信息技术的飞速发展，自动控制系统已经由早 期的继电器控制，历经了直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) ，可编程控制 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l ，p l c ) ，集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， d c s ) ，现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) ，可编程控制器系统 ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rs y s t e m ，p c s ) 等各具特色的控制系统的改进和演化。现 场总线和工业以太网等新技术作为最重要的组网手段，已经广泛应用于各大主流 控制系统中，满足了自动控制应用领域的独特需求i z j 。 现场总线和工业以太网等新技术的应用为传统控制系统提供了灵活的组网 方式，基本满足了大部分控制系统微型化、网络化、集散化的需求。但是基于现 场总线和工业以太网技术组成的控制网络仍然采用有线通讯的方式，在一些有特 殊需求的控制环境中应用时由于成本较高、布线不便、不能任意拓展节点等原因， 在那些需要远距离通讯、要求能任意扩展网络节点的控制系统中应用差强人意。 近年来，无线方式组建控制网络的需求越来越强烈，一些世界领先的自动化厂商 开始提出了“无线工厂 的概念并尝试推出相应的产品，并预言无线技术将与现 场总线和以太网技术将一起成为工控“核心技术”。2 0 0 5 、2 0 0 6 无线工厂应用高 峰论坛的成功召开以及全球各大著名自动化厂商的积极响应，标志着无线通讯技 术正在逐步成熟、逐步的实用化p j 。 无线通讯技术是一项既古老又崭新的技术，从上世纪8 0 年代就开始普及应 用的数传电台与远程r t u ，到近几年开始崛起的中、短程无线通讯技术，此项技 术正逐渐渗透入工业控制领域。其实单纯的无线技术本身仅是有线通讯技术的一 种补充，但其在很多应用场合具有有线技术无法或很难取代的优势，可以有效提 高用户在设备管理、设备诊断、监督与控制等领域的管理效率1 3 】。目前为止，出 第一章绪论 现的无线通讯技术主要有数传电台、远程r t u 、g p r s c d m a 、b l u e t o o t h 、z i g b e e 、 无线h a r t 等。 在水工业领域，许多高层建筑的供水通常采用传统的二次加压供水方式，在 工程设计时首先建一个水池或水箱，再用增压泵加压到用户供水管网。由于水池 或水箱造成的二次污染直接影响了供水水质安全，甚至产生严重的水质污染事 故。管网叠压供水系统是在传统恒压供水系统的基础上发展起来的一种新型供水 方式。日本在上世纪8 0 年代研究并开始应用“直接给水系统 ，即管网叠压给水 设备。到9 0 年代末期，智能型管网叠压供水设备在日本、美国、西欧等发达国 家已得到普遍使用，并且建立了一整套完善的产品标准体系。我国城市供水条 例中曾规定：“禁止在城市管网公共供水管道上直接装泵抽水。一这是因为抽水 时可能产生的负压会干扰水力工况，影响周围用水，甚至造成管网破坏。2 0 0 4 年，北京市政府文件中将上述条款解禁，山东、福建、天津、广州等城市紧随其 后相继出台试用细则。政策的许可以及相应管理措施的出台，为管网叠压给水设 备的使用提供了广阔的应用前景，各地大型供水企业纷纷要求配备大量的相关设 备，同时提出管网叠压给水设备应该具有较高的自动化水平、节能占地面积小、 安全可靠、方便管理等要求。在中国刚刚起步的管网叠压供水市场上，管网叠压 供水系统以其节能、易维护、安全卫生无二次污染等优势逐步被市场认同 2 0 1 1 2 1 】【2 2 1 。由于一直以来的政策限制，管网叠压装置的研制停滞和自动化程度低， 不具备联网监控功能。高度自动化的管网叠压给水设备融合g p r s 无线通讯技术 组网很好的解决了这个难题，目前正在成为供水自控装置的研制热点。 1 2 国内外研究现状 在日本，自2 0 世纪8 0 年代开始“直接给水方式 探讨和技术研究以来，在 小规模试用的同时，对涉及到该类设备的产品标准、设计施工规范等方面进行了 大量的课题研究工作。我国在这方面的工作也已经起步，比如在北京，卫生部门 于2 0 0 4 年7 月对管网叠压给水设备的安装使用做出了卫生规定，明确要求使用 的管网叠压给水设备必须取得省级卫生行政部门颁发的卫生许可批件，其推广和 使用前应通过由水务( 供水) 、卫生管理、水质分析、给排水、节水等方面专家 的论证。水务部门于2 0 0 5 年5 月1 日颁发了在城市供水管网中试用管网叠压供 水设备的通知，通知中肯定了管网叠压给水设备的先进、可靠性，可作为住宅楼、 办公楼、宾馆等公共建筑的二次加压供水设施，同时强调了在使用管网叠压给水 设备时市政供水管网的安全问题，以及管网叠压给水设备质量与性能的监督和使 用前的测试、验收问题，为管网叠压给水设备提供了比较完善的技术规范1 1 7 1 8 1 。 2 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 我国采用的给水增压系统大致经历了三个阶段。第一阶段是采用“储水池+ 水泵+ 高位水箱”的方法，先将市政来水需要增压的水全部进入储水池，然后由 定速泵加压后送至用户，高位水箱在高、低峰用水时起到调节作用；第二阶段采 用“储水池+ 变频调速水泵的方法，即变频恒压供水方式，一定程度上节省了 电耗。这两个阶段的给水设备的通病，一是都有开放性的储水设施，水与大气接 触水质容易受到污染，二是带一定水压的市政供水进入储水池后都泄至大气压， 未能利用市政供水的余压，这部分能量被浪费，而且经常造成高层建筑在高峰用 水时水压不够。三是水资源浪费严重，运行成本高，先期投资大，管理不便等缺 陷。管网叠压给水设备有效的解决了这两个问题，由于管网叠压给水设备不设储 水池，整套设备是密封的，不与大气接触，故彻底避免了水质二次污染的可能； 由于是密闭系统，在设定了供水需要水压的情况下，市政水流至水泵进水口时余 压被叠加为扬程有效利用，水泵只需要补充设定水压与余压不足部分，因而节能 效果显著。另外，储水池一般储存数小时的用水量，体积大占地也较大，管网叠 压给水设备不设储水池，故也就节省了占地，这一点尤其在将给水设备放在室内 或地下室时，经济效益尤为明显。这正是第三阶段管网叠压给水设备应用前景看 好，且得到迅速发展的原因1 ) 5 。 中国建筑金属结构协会给水排水设备分会于2 0 0 5 年11 月组织了由给排水、 卫生系统的专家和数十家管网叠压给水设备制造商参加的管网叠压( 无负压) 供水技术研讨会，会上对管网叠压给水设备的产品质量、性能、市场情况，以 及有关的产品标准和规程等问题展开了讨论。目前，有关无负压给水设备的中华 人民共和国城镇建设行业标准 冀 l 2 也 册c p s 帅c p 76 口 口 l 1 l l l l gl l cu d p ， u d p ， 坠蟛 t c pt c p l 也cr l c 、b 嚣即b 嚣凹 md 姒cm a cn 细面 饵础 l 21 2 s 融es i 毗e d s m r fg s m r fl 1 b 虹l i b j sl ll l 啦两阻啦 l瞪b器sgsn g g s nt e 图3 - 2g 嘴输协议平台 在g i 接口上没有新的协议。与普通的路由器一样，g g s n 利用现有的传输 方法接收二层数据帧。之后再对帧进行处理得到i p 数据包，分析该i p 包的目的 地址，恰为本地p d p 上下文所标识的某一m s 地址，则将此数据包送至g n 接口 的软件模块做进一步处理。 在丽接口，最先对数据包做处理的是g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 协议， 1 6 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 它实现了从g g s n 到s g s n 的虚拟传输通道，即隧道。隧道有两个优点：一是 便于m s 的移动，当m s 有一个s g s n 转移到另一个s g s n 的控制下时，只需改 变g t p 的配置，使隧道的末端发生变化即可，对于被承载的l p 数据包来说是透 明的；二是在g i 和g n 两个网络之间，即t e 和运营商网络之间不存在路由， 只有封装关系，安全性得到了保障。 g n 网络本身是一个t c p i p 网络，g n 网络中的元素都是靠i p 来寻址的。g t p 协议数据包对于g n 网络来说是高层的应用数据，需要由t c p 或u d p 承载，对 应g t p 应用的四层端口号是3 3 8 6 。之后，t c p 或u d p 的数据包进一步封装成 i p 包，此i p 包的目的地址即为目标s g s n 的地址。g n 网络中的i p 包传送也是 靠一系列的路由器和交换机来完成的。注意，这时传送的是运营商内网i p ( 或者 内层i p 、上层i p ) ，与此相对应的是封装在g t p 协议内部的i p 叫做外网i p ( 或者 外层i p 、上层i p ) 。当数据到达s g s n 之后，对其层层解封，最终还原出用户的 i p 数据包。 在g b 接口，首先需要s n d c p ( s u b - n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c e p r o t o c o l ， 子网相关收敛协议) 对i p 数据包进行处理，这一步的目的是提高g p r s 的可扩展 性，将来只需改变s n d c p 就可以适应新的三层协议，比如i p v 6 。除此之外， s n d c p 还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是节约空中接口带宽，分段的目 的是适应下层l l c 的m t u ( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，最大传输单元) 。 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 协议负责从s g s n 到手机的数据传 输。它的服务对象为：s n d c p 数据包( 即用户数据) 、用户信令和短信息。服务 的类型有面向连接和无连接两种，用户可以根据q o s 要求选择。 b s s g p ( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c 0 1 ) 是s g s n 与b s s 通讯的最上层协 议，故而它不但发送上层的l l c 数据，还传输s g s n 对b s s 的控制信息。 n s ( n e t w o r ks e r v i c e ) 提供网络传输服务，目前，这个服务是基于帧中继p v c 的。也就是说，g b 接口是帧中继接1 2 ，可以租用帧中继服务商的线路，也可以 在专线上运行帧中继协议。 数据到达b b s 之后，同样是层层解封，最终得到的是l l c 数据帧，b s s 并 不对l l c 帧做处理，而只是透明转发。 在b s s 和m s 之间的u m 接口，任何由空中接口传输的数据，必须先经过两 个协议的处理：r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 。r l c 将 l l c 数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空中接口的可靠性保障。 m a c 的功能是控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信道，多 个用户也可以使用一个信道，而且资源的分配是动态的，所以下行传输时，m a c 必须标识当前的数据块是给哪一个m s 的，上行传输时，必须指定当前资源由谁 第三章g p r s 原理及无线通讯网络 使用。 加上l l c 和m a c 头之后，数据块被卷积( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 和交织 ( i n t e r l e a v i n g ) 。卷积指在数据中添加冗余信息，以减少非连续比特错误。卷积处 理之后的数据块统一为4 5 6 b i t 。交织是将数据块交叉分散到四个突发序列( n o n n a l b u r s t ) 中，可以抵抗连续比特错误。 经过上述处理，最终得到的突发序列与g s m 无异，每个包含l1 4 b i t 的数据 信息。它们采用和g s m 同样的方式，通过空中接口，到达m s 。再对m s 解封， 即可还原出i p 数据包，至此，i p 包通过了g p r s 网络，承载的功能完成。 控制g p r s 操作的有两个重要的上下文过程，在s g s n 之前( 靠近m s 一侧) 有m m ( m o b i l em a n a g e m e n t ) 上下文，s g s n 之后( 靠近网络一侧) 有p d p ( p a c k e t d a t ap r o t o c 0 1 ) 上下文。 m m 上下文过程负责移动管理，它有三种状态：空闲( i d l e ) 、就绪( r e a d y ) 和 守候( s t a n d b y ) 。p d p 上下文负责数据的传输，任何数据传送之前，m s 要建立p d p 上下文链接，必备的参数包括m s 的i p 地址，a p n 等等。有了这些参数，s g s n 可以发起建立一条到g g s n 的数据传输通道，i p 地址的动态分配也是在这个过 程中完成的。 3 1 3g p r s 信令协议平台 g p r s 信令协议平台由控制协议以及支持传输协议平台组成，主要实现如下 功能： 1 )控制g p r s 网接入连接，如与g p r s 网连接和断开 2 )控制网络接入连接的建立，如分组数据协议p d p ( x 2 5 或i p ) 地址的激活 3 )为了支持用户的移动性，控制建立网络连接的路径 4 )当用户的需求改变时，控制网络资源的分配 g p r s 中主要有m s 和s g s n 之间、s g s n 与h l r 之间、s g s n 与m s c n l r 之间、g s n 之间的信令协议平台。信令平面协议栈如下图3 3 所示。 g m m _ i s m 鼬多 o t p c g m m 俗m g t p o l l c l l cu d p u d p 扎：哆 i u c矿气s s o p b s s g p i pi p m a cm a cn s n sul 2 g s m r f o s m r ll 1b 话 l 1b 证 l l l l m sb s s s g 锵 o o s n u m n s ：网络业务r _ e l a 5 r ：中继 图3 3 信令平面协议栈 1 8 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 3 2g p r s 数据业务接入及分组传送过程 g p r s 传输分组数据通常分为三个阶段，即连接阶段、数据传输阶段和分离 阶段，如下图3 - 4 所示。下面分别讨论这三个阶段的详细内容【8 】o 3 2 1 连接阶段 图3 - 4g p r s 数据传输的一般过程 m s 在能够向相应主机发送数据之前，它必须首先在物理层上与g p r s 网络 建立连接，其次必须与某个s g s n 建立连接，以使g p r s 网络能够管理m s ，再 次通过s g s n 在g g s n 中注册，以获得m s 的p d p 地址并建立分组传送的路由。 以上三步分别称为物理连接、g m m 连接和s m 连接。 l 、物理连接 物理连接是在m s 和b s s 之间建立的r l c m a c 层的连接。在这个过程中， 移动台需要发起分组信道请求，以获得进行分组数据传输所需要的上行和下行链 路。 一分组上行链路分配 首先移动台在p r a c h 信道上发送分组信道请求，信息包括：接入类型、标 识比特( 随机比特、优先级比特) 等。b s s 在接收到分组信道请求后，在p a g c h 信道上利用实时分配消息做出应答，应答消息中包括了分配给移动台的一个唯一 数据块。移动台在接收到分组实时分配消息后，就能在己分配给自己的p a c c h 信道上发送分组资源请求，该请求信息包括：移动台的无线通信容量、用户数据 字节数、l l c p d u 类型、临时逻辑链路号( t l l i ) 及r l c 模式( 应答还是无应答) 等。b s s 根据收到的这些信息，在p d c h 上发送无线资源分配消息对资源请求 做出回应，该回应作为移动台的p a c c h 上分组上行链路分配消息中的临时块流。 该消息包括：记录全部的射频信道数目的参数、所有时隙的数目、临时块流( t b f ) 的开始时间、临时块流标识( t b f i ) 、时间超前( 1 a ) 、信道编码方案( c s l 、c s 2 、 c s 3 、c s 4 ) 、竞争机制中的临时逻辑链路号等。除此之外，如果使用静态分配， 第三章g p r s 原理及无线通讯网络 还包括分配位图及下行控制时隙等，如果使用动态分配，则还包含上行链路状态 标识( u s f ) 等。经过这些交互后，移动台就获得了用于上行传输分组数据的无线 资源。 分组下行链路分配 下行资源时根据分组下行分配消息分配给移动台的。该消息详细的描述了移 动台可以接收数据的所有时隙。每次完整的数据传输都分配一个临时块流标识。 移动台必须接收和解释被分配的时隙上的所有r l c m a c 块，以便确定包含在块 中的临时流标识( t f i ) 是否时自己的标识。 - 移动台状态模式 当移动台被激活时，它可能处于两个状态之一，分别时分组空闲模式和分组 传输模式。在分组传输模式中，移动台被分配了射频资源( r r ) ，r r 提供临时块 流( t b f ) ，它能在一个或多个物理信道上进行点对点的连接。这样，l l c 帧就能 在网络和移动台间单向传输。在空闲模式中，没有给t b f 提供r r ，移动台在分 组公共控制信道上检测相关寻呼子信道。任何时刻，只要上一层需要传输l l c 帧，就会引起空闲模式向传输模式的转变。这一特性使得分组传输具有不连续、 短突发、高度交织、周期空闲的特点。 2 、g m m 连接 g p r sm o b i l em a n a g e r ( g m m ) 是指g p r s 移动性管理，该连接是通过g p r s 附着规程实现的。其目的是激活移动管理上下文( m o b i l em a n a g e r ，m m ) 、在 m s 与s g s n 之间建立逻辑链路和鉴权加密。 通过物理连接过程，移动台已经获得了必要传输分组数据的无线资源，但是 移动台必须与某个s g s n 建立连接后才能与g g s n 进行分组数据协议( p d p ) 的协 商。一个g p r s 用户有三种移动管理状态，每个状态都描述了一定的功能级别和 分配的信息。 空闲模式状态( i d l e ) 此时移动台不连接g p r s 移动管理，即在s g s n 中没有该移动台的链路信息， 必须执行一个g p r s 连接过程才可以进入g p r s 连接状态。 准备就绪状态( r e a d y ) 在准备就绪状态，移动台连接g p r s 移动管理( g m m ) 并定位在小区一级。移 动台可以接收和发送所有相关业务类型的数据，如果移动台或s g s n 的准备就绪 定时器终止，移动台将转入待命状态。 g p r s 连接过程如下： 1 ) 移动台向s g s n 发送一个附带自身识别码( t m s i ) 的连接请求，这个消息也包 含一个网络服务区域点标识0 q s a p i ) ，n s a p i 对移动台的一个特定的网络应 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 用是专用的。子网依赖汇集协议( s n d c p ) 层使用n s a p i 与网络应用进行通 信。几个n s a p i 可以与一个独立的移动台相连。 2 1s g s n 通过检查移动台的h l r ，验证用户是否已被授权和有权使用该业务。 3 ) 授权后，s g s n 向移动台发送一个带1 r i 。l i 的回复信息。t l l i 对移动台是专 用的，并被协议栈中的逻辑链路层( t l l i ) 使用。1 1 。l i 的作用是向移动台提供 一个临时用于数据通信的i d 。 4 ) 在s g s n 中有一个数据库，它完成分配给移动台的n ，l l 到移动台标识的映 射。n s a p i 涉及到应用要求的服务质量( q o s ) 描述参数。此时s g s n 的关系 表如表3 - 1 所示： 表3 - 1g m m 连接后s g s n 中的关系表 m s l t l l i = i , n s a p i = 2 在p d p 激活后填充的 m s 2t l l i = , n s a p i = 3 g g s n 的i p 地址 m s 3t l l i = 3 n s a p i = 2 待命状态( s t a n d b y ) 在等待状态，用户连接g p r s 移动管理并定位到路由区域级。移动台执行本 地g p r s 路由选择区域( r a ) 的更新和g p r s 小区的选择和重选。此时要发送或接 收数据，移动台要进入准备就绪状态。 3 、s m 连接 s e s s i o nm a n a g e r ( s m ) 是指会话连接过程，该连接通过分组数据协议( p d p ) 上 下文激活规程实现。m s 请求激活p d p 上下文，作为传送分组数据路由的上下文。 p d p 激活后，就建立了g p r s 会话，即可进行m s 收发分组数据。移动台在p d p 前后关系激活中使用一种方式，把自己与g p r s 公共陆地移动网的s g s n 连接起 来。移动台在g m m 连接时被分配了一个无线网络已知的t l l i ，但是外部的网 络节点( i p 或x 2 5 ) 仍然不知道移动台。因此，移动台必须与g g s n 一起建立一 个p d p 前后关系，使用p d p 前后关系实现g p r s 网的路由选择。s g s n 和g g s n 通过i p 地址区分，两者之间存在一对多的关系。多个隧道可以存在于一对s g s n 和g g s n 之间，每个隧道都具有一个特定的隧道标识( t i d ) 。p d p 前后关系激活 过程如下： 移动台向s g s n 发送一个p d p 前后关系激活请求，p d p 中包括q o s 、数据 是否压缩、t c p i p 、p d p 地址和类型等内容。 s g s n 根据移动台的信息和其它配置选择g g s n ，请求g g s n 为移动台创建 一个前后关系。s g s n 将选择一个g g s n ，该g g s n 提供所需的特定类型的前后 关系( 比如i p 网络和x 2 5 网络) 。 第三章g p r s 原理臣无线通讯网络 g g s n 向s g s n 发送t i d 信息的回复信息更新自身所带的表在表中完成 t i d 和s g s ni p 地址和与之相关的特定移动台的映射。 s g s n 向移动台发送一条消息，通知移动台s g s n 已经为m s 创建了个前 后关系。s g s n 也更新包古t i d 和g g s ni p 地址的表，并已经用这些t i d 和g g s n i p 为移动台建立了隧道。更新后的s g s n 和g g s n 表中的映射关系表如下表3 - 2 ； 表3 2 p d p 擞活后s g s n 和g g s n 中关系表 3 2 2 数据交换阶段 在连接s g s n 和激活p d p 前后关系后，移动台就能够向网络发送和接收来 自同络的分组数据。由移动台发起的数据传输过程如图3 5 所示，具体过程如下： 蕾墟t 1 - - 2 1 l _ 1 2 01 2 _ 1 3 j 目j h 0 3 1 3 4 l 圉 7 、l 卫些! ! 些l 一 。v 5 曼 f 翊 s g s n 以。； 圈 移动古发起的分组数据传警 1 ) 移动台的一个应用产生一个i p 分组数据包包括源地址、目标地址和信息， 该l p 分组交给移动台的s n d c p 层。 2 ) s n d c p 取得原始的i p 分组后，根据m s 保存的t l l i 和n s a p i 信息，加入 包音t l u 和n s a p i 信息的头信息，然后将这些信息发送到s g s n 。 3 ) s g s n 收到信息后，在关系表中查找对应的t l l i 和n s a p i 的g t p 标识和 g g s n 的l p ，然后将数据帧中的t l l i 和n s a p i 的头信息替换为t i d 和g g s n i p 氘 天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究 地址的g t p 头，形成隧道协议数据包。 4 ) s g s n 将隧道协议数据封装成i p 数据包，其中目标地址时g g s n 的i p 地址， 源地址是s g s n 的i p 地址。 5 ) g g s n 收到信息后，去除分组头，得到原始的i p 分组数据，将该信息发送到 外部分组网上，此时信息与用户应用程序发送的信息是完全相同的，数据被送到 指定的目标地址。 由网络发起的数据传输过程与上述过程类似，来自外部的数据首先传输到 g g s n 上，g g s n 查找自己的关系表寻找与该移动台连接的s g s n 的i p 地址和 隧道标识t i d ，然后将数据通过隧道传送到s g s n ，s g s n 把t i d 和s g s n 映射 为表中相应的t l l i 和n s a p i 值，然后将t l l i 和n s a p i 加到分组数据上，通过 b s s 将数据发送到移动台，移动台的s n d c p 层将接收到的数据中的t l l i 和 n s a p i 去掉，然后将数据传送到应用层。 3 2 3 分离阶段 g p r s 的分离有两种，一种是p d p 的去激活，即删除p d p 前后关系；另一 种是断开同g p r s 的连接，即移动台的移动性管理转移到空闲状态。其中后者把 移动台的所有被激活的p d p 前后关系去激活。 l 、p d p 前后关系的去激活 _ 移动台发起的去激活过程 移动台向s g s n 发送一个去激活p d p 前后关系请求( n s a p d 消息，并可能执 行安全功能，s g s n 收到请求后向g g s n 发送一个删除p d p 前后关系请求( t i d ) 消息，g g s n 删除p d p 前后关系并返回一个p d p 前后关系响应( t i d ) 消息给 s g s n ，s g s n 收到消息后向移动台发送去激活p d p 前后关系确认，并删除自己 保存的该移动台的p d p 前后关系。 网络发起的去激活过程 g g s n 首先发送一个删除p d p 前后关系请求( t i d ) 消息给s g s n ，s g s n 发送 一个去激活p d p 前后关系请求( n s a p i ) 消息给移动台。移动台删除p d p 前后关 系，返回一个去激活p d p 前后关系确认洲s a p i ) 给s g s n ，然后s g s n 向g g s n 返回删除p d p 前后关系确认消息。 2 、g p r s 去激活 移动台发起的g p r s 去激活 当移动台由准备就绪状态转入空闲状态时，移动台就要发起一个g p r s 去连 接过程，这个过程的主要任务就是通知s g s n 删除m s 的p d p 前后关系，其过 程与p d p 前后关系去激活相同。 第三章g p r s 原理及无线通讯网络 _ 网络发起的g p r s 去激活 与p d p 前后关系去激活不同的是，网络发起的g p r s 去激活是由s g s n 发 起的。s g s n 首先向移动台发送去连接请求，通知移动台已经被解除连接，然后 s g s n 向g g s n 发送p d p 去激活请求，删除该用户的p d p 前后关系。 3 3g p r s 有关的网络协议 3 3 1t c p i p 协议族 国际标准化组织( i n t e r n e ts t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，i s o ) 经提出了一种七层网 络通信模型一一开发系统互连参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ) ，由于这个七层协议模型数据转换过程比较复杂，在实际的应 用中并没有获得广泛的应用，而目前应用最广泛最成功的通信协议是t c p h p 协议 族。图3 - 6 列出y o s l 的7 层模型和t c w i p 协议族的对照表1 1 l 】。 应用层应用层 l 表示层不存在 会话层不存在 f 传输层 i【 传输层 i 厂丽硼厂丙网 匿蔓固 两叼 图3 6o s i 模型与t c p f l p 协议族对照 t c p f i p 通常被认为是一个四层协议系统，每一层负责不同的功能，其协议结 构及相互关系如图3 7 所示。 链路层有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱 动程序和计算机中对应的网络接1 2 1 卡，它们一起处理与电缆( 或其它任何媒介) 的 物理接口细节。其功能相当于o s i 模型中的物理层和链路层的功能，完成网络数 据底层帧的形成和收发。 网络层主要负责在互联网上传输数据分组，与o s i 参考模型的网络层相对应， 相当于o s i 参考模型中网络层的无连接网络服务。网络层是t c p i