（机械设计及理论专业论文）基于gprs的分布式油田远程监控系统研究与实现(1).pdf

基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 摘要 随着移动通信技术的发展，我们将步入一个随时随地都可以通过任何终 端享受通信的时代，这将使得我们的生产、生活发生翻天覆地的变化。在工 业控制领域，原始的人力控制因其费时费力慢慢的被社会所淘汰，取代它的 是一种无线监控为主，人力为辅的先进解决方案。 本文立足于陕北延长油田，分析其当前管理系统存在的弊端，提出了利 用多传感器信息融合技术、移动通信技术结合计算机技术，构建分布式无线 远程监控系统，提高管理效率，减小人为损失，防止偷盗油现象的发生。 首先，提出系统的总体设计方案，为了实现监控系统的自动化、网络化、 实时化、模块化，将监控系统分为三个子系统：数据采集子系统、数据传输 子系统、数据处理与监控子系统。接着对g p r s 移动通信技术进行详尽的研 究，介绍了它的技术优势、网络结构、工作原理等，并对数据传输速率进行 了优化。然后介绍系统的硬件和软件设计。在硬件设计方面，努力达到低能 耗、高精度、高可靠性指标。重点介绍了液位计量模块和无线传输模块：选 用r i s e n t s 超声传感器，对液位实时监控、准确测量；无线传输模块采用 西门子公司的m c 3 5 模块结合5 1 系列8 位单片机，运用c 语言编程实现数 据的t c p i p 封装，并构建无线通信网络，实现数据的透明式传输。在软件 设计方面，从软件的功能、性能、可用性出发，开发一个易于推广易于使用 的产品。对当前流行的数据库软件分析比较，选用s q ls e r v e r2 0 0 5 作为后 台数据库，以v i s u a lb a s i c n e t2 0 0 5 作为开发语言，对油田数据库优化设计， 并开发客户端软件，设计原油计量算法，实现中心控制室对井场的远程监控。 本系统在实验室已经试运行通过，可以移植到同类的分布式场合当中， 例如金融、农业、运输业、电力水力行业等等，具有广泛的市场前景。 关键词：通用无线分组业务，分布式油田，实时监控，t c p i p 组网 本文得到陕西省教育厅产业化项目( 0 7 j c 0 5 ) 资助 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h e d i s t i u b u t e do i l w e l ld a t at r a n s p o r t s y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w ec a ne n jo y t h ep l e a s u r eo fc o m m u n i c a t i o n st h r o u g ha n yt e r m i n a ln o tc o n s i d e r i n gt h et i m eo r p l a c e ，w h i c hc h a n g e so u rd a i l yl i f ea n dp r o d u c t i o ns h a r p l y e s p e c i a l l yi nt h ea r e a o fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h em e a s u r eo fh u m a nc o n t r o lw a ss l o w l ye l i m i n a t e db y s o c i e t yf o rt h et i m e - c o n s u m i n ge f f o r t ，a n dr e p l a c e si ti sa na d v a n c e ds o l u t i o no f aw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tm a n a g e m e n ts y s t e m sd i s a d v a n t a g e i ns h a a n x iy a n c h a n gp e t r o l e u m ( g r o u p ) c o ，l t d ，w ep r o p o s eas o l u t i o n w h i c hc o m b i n et h eu s eo fm u l t i s e n s o rd a t af u s i o n t e c h n o l o g y ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a n d e s t a b l i s ha d i s t r i b u t e dw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m i tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f m a n a g e m e n t ，r e d u c et h ea r t i f i c i a ll o s s e s ，a n dp r e v e n tt h et h e f to f o i l f i r s t ，w ep r o p o s et h es y s t e md e s i g np r o g r a m m e i no r d e rt oa c h i e v et h e m o n i t o r i n gs y s t e ma u t o m a t i o n ，n e t w o r k i n g ，r e a l - t i m e ，m o d u l a r ，w ed i v i d ei ti n t o t h r e es u b s y s t e m s ：d a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m , d a t at r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m , a n d d a t ap r o c e s s i n ga n dm o n i t o r i n gs u b s y s t e m t h e nw ec o n d u c tad e t a i l e ds t u d yo n g p r st e c h n o l o g i e so fi t st e c h n i c a l s u p e r i o r i t y ，t h en e t w o r ks t r u c t u r e a n d w o r k i n gp r i n c i p l e ，a n do p t i m i z et h er a t eo fd a t at r a n s p o r t f i n a l l y ，w ei n t r o d u c e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e m a b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t o a c h i e v et h et a r g e to fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y ， w ec h o o s et h e s e n - t su l t r a s o n i cs e n s o r , s i e m e n sm c 35m o d u l ew i t ht h e51 s e r i e s8 - b i tm c u ，t og a t h e rt h ed a t aa n dc o m p o s et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n i n t e r m so ft h es o f t w a r ed e s i g n ，w es t r i v et od e v e l o pa ne a s y e a s y t o u s ep r o d u c t f o l l o wt h ep r i n c i p l e so ff u n c t i o n a l i t y ，p e r f o r m a n c e ，a v a i l a b i l i t y u s e dv b 2 0 0 5 a st h ed e v e l o p m e n to fl a n g u a g e ，d i v i d e di n t oc l i e n ts o f t w a r ea n dd a t ac o l l e c t i o n i i c e n t r et w o ，a n db a c k g r o u n du s i n gs q l 2 0 0 5d a t a b a s e ，d a t am a n a g e m e n ta n d r e a l t i m em o n i t o r i n go ft h eo i l w e l l t h i ss y s t e mh a sb e e nt e s t i n gi nt h el a b o r a t o r yt h r o u g h ，c a r lb et r a n s f e r r e dt o s i m i l a rd i s t r i b u t e do c c a s i o n s ，s u c ha sf i n a n c e ，a g r i c u l t u r e ，t r a n s p o r t ，i n d u s t r y ， h y d r a u l i cp o w e re t c ，a n dh a sab r o a d m a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：g p r s ，t h ed i s t r i b u t e do i l w e l l ，r e d - t i m ec o n t r o l ，t c p i p n e t w o r k i n g t h i sp a p e ri ss u b s i d i z e db ys h a a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ti n d u s t r i a l i z a t i o np r o j e c t ( 0 7 j c 0 5 ) 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 孙强良 日期：2 0 0 扩b 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翻1 侣茹尊师签名：7 耖汤日期：2 。孑年占月 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 1 绪言 1 1 研究背景及意义 1 1 1 偷盗原油的危害 分布式油田指的是油井数量多且分布比较零散，各个井场之间相隔几十甚至上百公 里，分散布局在各个山头或沟壑，每个井场有自己的储油罐，且相对独立。通过拉油车 将原油运输到储油中心，而非用管道输送。目前这类油田大多采用人工管理方式，每个 井场派驻一个人员，记录油量并作一些日常的维护。我省的延长油田有一部分便是分布 式布局，由于缺少必要的监控，看井工人经常会伙同当地农民偷盗原油、变压器等财产， 使得公司蒙受巨大的损失。 我省志丹县地处陕北黄土高原延安市的西北部，境内沟壑纵横，石油储量十分丰富。 1 9 9 7 年，延长油矿管理局在志丹县成立了西区勘探开发指挥部( 简称西区指挥部) ，地 跨该县三乡两镇。就在国家对当地石油资源进行开采的同时，陕、甘两省交界处的几个 乡镇也组成了一支庞大的偷油队伍，贩油车遍布各村各峁，收油点遍地开花。 随着石油短缺、价格上涨，当地一些农民甚至靠偷油度日，并延续至今。据当地人 透露，这些地方的农民多数都靠偷油度日，只有少数人还在种田。由于广东等地闹油荒， 有人将油先贩卖到山西、咸阳、郑州等地，然后再拉往广东，一般是以1 5 0 0 元吨至2 0 0 0 元吨的价格从收油点或小炼厂收购，再以6 0 0 0 元吨或更高的价格卖出。假如用8 到1 0 吨装载量的拉油车，每车油卖出去净赚3 万元。村民偷油的主要对象是延长油田和 长庆油田的散矿。偷油的村民一般是四五人组成一伙，结伴用蛇皮袋去“背油”。 另外一种赚取巨额利润的方式是在运油车上做手脚。在陕西志丹县，很多拥有运油 车的个体户在3 2 吨的油罐车里面加入了钢板，表面看是3 2 吨，实质上只能装2 4 吨。外 地人前来买油，一个大油罐车至少要损失七八吨。近年来，由于原油货源短缺，一些正 规、合法的炼油厂和化工厂亦成了盗油犯罪的销赃点。甚至，有的本地厂家见犯罪分子 把原油销赃到外地而倍感不平，于是他们放任或怂恿犯罪分子到其处销油。有的化工厂 还派人晚上到犯罪分子指定的地点接车，共同犯罪的倾向十分明显，无形中助长了犯罪 分子的嚣张气焰。 按照每口井每天损失2 吨油，每吨2 0 0 0 元计算，一年每口井将损失1 4 0 多万元，而 在当地，延长油田有将近2 0 0 0 口油井，其损失之大难以估算。 不仅在我省，由于全国油田有一部分属于分散式布局，管理相对落后，从1 9 9 3 年发 生第一起打孔盗油的案件一直到2 0 0 3 年7 月底，全国在十年间共发生打孔盗油的案件 3 8 4 7 起，造成了1 亿1 千万元的巨大的损失( 据中国石化提供的资料) 。 陕西科技大学颈学位论立 1 - 1 2 油田监控系统的意义 日益猖獗的原油偷盗犯罪不仅使政府遭受巨额经济损失，给社会带来不稳定因素， 而且使外资对我省石油的勘探和开发望而却步，这也是大多数石油跨国公司逐渐由陆上 石油转向深海石油开发的原因之一。 通过对油田的实地考察( 陕北油田现状如图1 1 所示) 并与相关人员具体交流，得 知现油田迫切需要解决的问题是计量不准与偷油漏油问题。目前的计量统计系统全部采 用人工测量填写，手段原始，效率低下，从井场工人到采油大队到总公司逐级上报。由于 井场分布广，又缺少必要的监控手段，所以错报漏报甚至瞒报现象时有发生，以致造成 虚假的数字，为油田高层领导正确了解下请、做出科学决策造成很大的障碍。为此油田 也曾下力整改，但收效甚微，所以依据先进科技手段建立一套无人值守计量系统是十分 必要的。与此同时，偷油现象也十分猖獗，使得增产增效实现困难，国家资源流失，生 产成本居高不下，职工收益下降。所以在建立科学计量统计系统的同时附设偷油防盗报 警功能，将会使整套系统更加完善和实用。 图1 - 1 胰北油目现状 f i g1 1t i l ec u r r e n c ys t a t e o f o i l w d l i n n o r t h e r n s h a a m x i 1 2 油田监控技术的发展 为了解决防盗、计量及日常管理与野外作业不便的矛盾，传统的方案就是架设专用 的通信电缆或者无线电台，但由于油田过于分散，电缆成本过高而无线电台传输距离不 够，都不能很好的解决问题。 国内外学者对油田监控这方面也有一定的研究，在原油计量方面，目前，国外及国 内的大型油田( 如大庆、胜利等) 的原油均采用管线运输，集中储运与管理( 属于井场 集中布局的模式) ，所虬，计量较准，管理相对规范。原油计量是油田开发生产中的一 个重要环节，2 0 世纪8 0 年代末石油系统在原油计量管理上推行了三级计量( 即分厂计 量、分矿计量、分队计量) ，采用单独计量、计算管理模式。该模式对于当时国内各油 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 田都处于开发中期环境下，原油生产计量、外输交接、生产管理与决策起到了很大的作 用【l 】：李昌岭工程师用流量剂对原油进行实时测量，用标量体积管来完成对流量剂的在 线标触：】；刘晓良工程师采用三相工艺流程对原油进行测量，用油气分离器和压力平衡 器对液位进行标定1 3 1 ；侯鹏倩工程师应用靶式流量计的原理，对原油计量中的密度进行 了修正，解决了含有泥沙杂质的原油计量问题【4 】。长庆气田采用差压式孔板流量计，实 现了计算机连续测量，保证了计量的准确性【5 】。袁波等人应用玻璃管液面计量法，并结 合研发的e c h 0 5 4 0 1 r i u 远程终端单元控制，编写应用程序，实现对油田的遥控、遥测、 无人值守的目的1 6 1 。胜利油田采用超声波流量计对大管径天然气监控，为西气东输提供 了技术保障7 1 。 在原油防盗技术研究方面，国内目前的研究主要集中在对原油的管道运输防盗上。 大港油田应用声波原理，以管道做信道，大地做回路实现了原油防盗及阴极保护参数自 动遥测监控系统，可实时对原油输送管道及阴极保护参数进行有效的检测【8 1 。华北油田 安装数字视频监控系统，以视频替代了操作人员的巡视1 9 。李华工程师在长庆油田采用 瞬态负压波法，实现长输管道的泄漏定位，并实时反馈各控制中心【l o 】。孔令波工程师在 胜利油田应用流量预警器，开发了单井防盗报警系统【- - i 。 纵览国内外关于原油计量与防盗的现状，为本项目的实施指明了方向，主要存在的 缺陷集中在两点：构建监控系统成本过高；对原油的计量不准。故我们提出利用多传感 器信息融合技术，利用g p r s 网络无线传输，降低了系统成本，并提高了计量的精度。 1 3 本文的主要工作 本项目来源于陕西省产业化项目( 0 7 j c 0 5 ) ，针对国内外在分布式油田监控技术应 用中的现状，结合延长油田的实际情况，本文从监控系统自动化、传输系统无线化、系 统设计模块化等角度出发，采用传感器组检测、g p r s 网络传输、t c p f l p 协议组网等较 先进技术构建了分布式油田远程监控系统的方案。围绕监控系统的研制，重点开展了以 下几个方面的工作： ( 1 ) 分析和调查了国内外油田监控的方法和手段，设计基于g p r s 的分布式油田远 程监控系统的组成及实现方案。 ( 2 ) 深入研究g p r s 原理及实现方法，提出改进数据传输速率的方法。 ( 3 ) 采用基于t c p i p 协议的g p r s 技术，构建一套网络通讯系统，实现对各个井 场设备及油罐进行实时监控。 ( 4 ) 对监控软件和数据库进行优化设计和调试，使得软件功能齐全化、界面人性化、 应用大众化。 全文章节安排如下： 3 陕西科技大学硕士学位论文 第一章为绪论，主要介绍项目研究的背景、意义、国内外研究现状； 第二章对整个系统的设计方案及每个子系统的构成进行了阐述，并提出了系统设计 的主要技术指标； 第三章详细阐述了移动通信技术的发展，g p r s 技术的优势、网络结构，与i n t e m e t 等外部网的互通，提出了优化数据传输速率的方法； 第四章为硬件系统设计，介绍了液位传感器选择和g p r s 模块的设计，在单片机上 编程实现了t c p i p 协议栈； 第五章为软件设计，阐述了软件作为一个产品，必须具备功能、性能、可用性等特 点，设计实现了远程监控系统的数据库及各功能模块，并在延长油田采油一大队试运行 半年，测试其稳定性与可靠性。 第六章对本论文的研究工作做了总结，并提出下一步需深入研究的内容。 4 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 2 分布式油田远程监控系统总体设计方案 油田监控主要分两部分：原油的计量和防盗。在一些大型的集中式的油田比如大庆、 胜利等，管理自动化程度较高，而在分布式油田方面，国内还是一片空白。本文在系统 方案设计上，考虑以无线数据传输网络为基础，以传感器技术为手段，辅以计算机技术， 构建一套较先进的分布式油田远程监控系统。 2 1 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统设计思路 为了实现监控系统的自动化、网络化、实时化的要求下，本文提出了以下系统设计 思路和设计方案： 系统采用模块化思想，分为三个子系统：数据采集子系统、数据传输子系统、数据 处理与监控子系统，结构如图2 1 所示。 图2 - 1 子系统结构框图 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo f 廿1 es u bn e t w o r k 数据采集部分选用单片机控制，由于单片机结构简单、指令功能完善、体积小、能 耗低、造价低廉，具有较强的接口扩展能力和软件兼容性，可以用于监测数据采集、存 储等。 数据传输采用g p r s 网络，由于它具有实时在线、传输速率高、按流量计费等优点， 且与i n t e r a c t 无缝连接，开放性好，非常有利于构建远程实时监控系统。 数据处理与监控子系统包括两部分：数据库服务器，选用s q ls e r v e r 2 0 0 5 ；分布式 油田远程监控系统软件，采用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 编写，易于实现模块化，缩短开发周期。 2 2 系统设计方案 本系统总体设计方案如图2 - 2 所示，数据采集子系统包括传感器组和数据采集器： 数据传输子系统包括g p r s 传输模块和g p r s 网络；数据处理和监控子系统包括数据库 服务器以及监控软件。 5 陕目科技大学颈学位论文 ，骂落 t 1 j ，、，7 。 5 h “少、。 一一工 嗵= 口 i _ ；：蔫 图2 - 2 g p r s 无线敷据传输方案示意圉 f 埴2 - 2 t h es k e t c h o f d a m m m s p o r t b a s e d o n g p r s 本系统融合了多传感器信息融合技术、移动通信技术、单片机技术和计算机技术， 在油罐顶部、变压器、抽油机、阀门等上面装上传感器，将液面的高度测量值和油温、 变压器状态、抽油机工作状态等数据发送给数据采集模块；数据采集模块将数据传入 g p r s 模块，通过g p r s 网络接入i n t e r a c t 寻址接入监控数据服务器：利用编制的远程 监控系统对数据进行分析处理并对井场监控。 2 2 1 数据采集子系统 数据采集予系统由传感器组和数据采集器组成，数据采集器由主控单片机、串行接 口扩展、数据存储器和看门狗电路组成，其功能框图如图2 3 所示。 主 控 直气 片 机 圉2 - 3 敷据采集器功能框图 f i g 2 - 3 b l o c k d i a g r a mo f t h ed a t aa c q u i s i t i o n 基十g p r s 的分布式油目远程监控系绕研究与宴现 数据存储器用于暂存处理后的观测数据，看门狗电路用于监视单片机的运行，防止 单片机因各种偶然因素而死机。串行接口扩展电路将单片机并行总线扩展为4 个可同时 工作的串行接口，分别与传感器组、g p r s 模块连接，剩余两个接口可扩展使用。 2 2 2 数据传输子系统 数据传输子系统包括o p r s 模块、g p r s 网络两部分。如图2 _ 4 所示。 目2 4 数据侍精子春统 f i 目2 ms u b s y s t e m o f d a m g a a s p o n 数据采集器收集到的数据通过串行总线传导o p r s 模块上，再通过无线传输的方式 发送到监控中心，且监控之心将控制命令发送到某个指定的监控井区，故系统设计采用 一对多的g p r s 无线通信体制。 g p r s 模块类似于g p r s 受挤的数据收发集成电路模块，能够在有g s m g p r s 网络 覆盖地区以t c p i p 的方式传输数据。 2 2 3 数据处理与监控子系统 数据处理与监控子系统由数据处理服务器及运行前台监控软件组成。如图2 - 5 所示。 图2 数据处理与监控子系统 f i 9 2 - 5s u b s y s t e m o f d a t a p r o c 髂s i n ga n d m o n i 协f i n g 2 3 各子系统间数据接口规范 各子系统问需要进行频繁的数据交换，它们之间的接口规范必须完善，既要顾及接 口的简单易用性，又要兼顾系统的扩展性，各子系统间的接口形式和数据格式如图2 - 6 所示。 陕西科技火学硕士学位论文 图2 - 6 各子系统间的接口 f i g 2 - 6t h ei n t e r f a c eo ft h es u bn e t w o r k 数据采集器与传感器组之间采用r s 2 3 2 接口，其输出的数据格式为专用的二进制 格式。采集器与g p r s 模块之间也是采用r s 2 3 2 接口，采集器输出的是经过t c p i p 封 装的液面高度数据、开关量以及抽油机的电压电流数据。g p r s 网络至i n t e m e t 之间、 i n t e m e t 至数据库服务器之间都是采用t c m p 协议，数据透明接入，格式不变。 2 4 系统性能指标和优势 系统设计时充分考虑了系统高性能、实用性以及经济性等原则，提出为了适合长期 远程监控，系统需具备以下性能指标和技术特性： ( 1 ) 计量误差不大于1 ：计量误差主要取决于液位传感器的精度，国外的液位传 感器虽然精度高，但价格高昂，大约是国内产品的4 倍左右，故综合考虑，选用国内的 液位传感器，精度为0 5 。再加上其他温度、杂质等对计量的影响，总的误差控制在 1 以内是合情合理的。 ( 2 ) 数据传输方式：采用基于t c p i p 协议的g p r s 网络，免除了自己架设传输线 路的困难，并且系统具有很强的扩展性，可以与其他分组网络进行无缝互通。 ( 3 ) 系统平均时延：g p r s 模块设计为每3 0 秒向数据服务器发送数据一次，考虑到 g p r s 传输有一定的延时，故通过对g p r s 传输速率的优化，将延时控制在2 分钟以内。 与目前陕北油田采取的人工计量和监控相比较，本系统具有以下优势： ( 1 ) 将人工计量改为自动连续计量，杜绝了人为错报漏报等现象，能够提供更准确 更实时的油罐储油资料。 ( 2 ) 在油罐出油口及变压器、抽油机等设备上安装智能传感器，实时监控其状态， 从根本上遏制了偷盗的发生，并能对抽油机状态实施控制。 ( 3 ) 实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度。 ( 4 ) 在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高管理水平。 8 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 2 5 本章小结 本系统设计遵循自动化、网络化、实时化原则，提出了设计思路和设计方案，采用 模块化设计思想，将整个系统划分成三个子系统：数据采集子系统、数据传输子系统和 数据处理与监控子系统，设计了各子系统的数据接口规范。在充分考虑系统的性能、实 用性和经济性等因素，提出了系统的性能指标和技术特性。 9 陕两科技大学硕士学位论文 3g p r s 移动通信技术 g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，即通用分组无线业务【1 2 1 ，是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换数据承载和传输方式，由英国b tc e l l e n t 公司最早在 1 9 8 3 年提出，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。g p r s 与 g s m 根本的区别在于：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。所 谓的分组交换就是将数据分装成许多独立的数据包，并且可以按照传输的数据流量计价 ( 而非占线时间) ，可以同时处理语音业务和数据业务，两种业务互相独立，互不影响。 3 1 移动通信技术的发展 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、计算机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 数据通售1 3 】。 现代移动通信技术的从出现到发展至第一代模拟移动通信( 1 g ) ，大致经历了5 0 年时间【t4 】( 如表3 1 所示) 。 表3 1 移动通信技术的前期发展 t a b3 1p r e d e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 年代 发展阶段特点 1 9 2 0 - - - 1 9 4 0 早期发展阶段工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 4 0 m h z ，专用 系统开发，工作频率较低。 1 9 4 0 - - , 1 9 6 0 公用移动通信业从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网 务开始问世的容量较小。 1 9 6 0 - - 1 9 7 0 移动通信系统完采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自 善阶段动选频与自动接续。 7 0 年代中期到8 0 年代中期，第一代模拟移动通信网孕育产生，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。以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝 移动通信网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设 备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不 能满足日益增长的移动用户需求。 l o 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利 用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与i s d n 等兼容。实际上，早在7 0 年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家 就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。 到8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系，第二代移 动通信技术出现，标志着数字移动通信系统成熟。随后，美国和日本也制定了各自的数 字移动通信体制。泛欧网g s m 已于1 9 9 1 年7 月开始投入商用，拥有全球最大的用户。 g s m 网的主流业务仍是语音通信，以电路交换为特点，同时兼顾低速率的数据业务例如 短消息等，理论最高数据传输速率为9 6 k b p s o n 。 随着因特网的迅猛发展，人们对移动业务的要求不在局限于语音通话，各种移动终 端需要随时随地的介入因特网并享受高速数据服务，这就迫使第三代移动通信系统的开 发。第三代移动通信速率目标为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 ；室内则要达到2 m k b p s o 6 】。 为了从第二代平滑地向第三代过渡，出现了目前的2 5 代通信系统，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，它重点引入了分组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p 连接。 g p r s 可以使网络在进行语音通信的同时，利用空余信道传输数据，充分的利用共享无 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。 目前，g p r s 系统在我国的一些大中城市已经得到了一些应用。油田系统、电力系 统、市政系统、交通管理系统、环保系统、电子商务等多个有影响力的领域，对数据传 输业务有较高的要求。由于传输的数据量较小，且具有突发性、持续性的特点，有线通 信方式相对比较浪费，用电力线传输数据不安全，而光缆投资太高，自建无线电台范围 受到局限，最佳的方式就是采用g p r s 通信系统，可以很好的满足用户的要求并将成本 控制在最低。 3 2g p r s 技术的优势 与g s m 相比，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势： ( 1 ) 更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。 g p r s 采用分组交换技术，将数据分割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地，再按规则组合成完整数据。而分组交换一般是非实时的， 陕西科技大学硕士学位论文 故g p r s 可以灵活的运用无线信道，使多个用户共享带宽，更为有效的利用无线网络信 道资源。g p r s 提供灵活的差错控制和流量控制，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，特别适合于间断的、突发性的或频繁的、少量的数 据传输。而g s m 采用电路交换，独占信道，属于实时或固定延时通信，特别适用于语 音传输。 ( 2 ) 支持数据传输的速率更高，于现有g s m 网9 6 k b s 相比，其理论峰值可达 1 7 1 2 k b s t l 7 】。 g p r s 的物理层与g s m 物理层相同，数据编码也基于g s m 的语音编码( 4 5 6 b i t s m s ) ， 只是在卷积后进行压缩时，去除了更多的比特数，以降低了容错性换取了高数据传输数 率。根据e s t i 的规定，g p r s 的可以采用c s 1 ，c s 2 ，c s 3 ，c s 4 四种编码方式，具 体比较如表3 2 所示： 表3 - 2 不同编码方案的编码参数 t a b3 - 2d i f f e r e n tp a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n tc o d i n g 预编码 编码后截短比数据速率 方案码率s f无线块b c s尾码 u s f比特特 k b i t s c s 1 1 23 31 8 1 4 04 4 5 6 o 9 0 5 c s - 22 3362 6 81 6 4 5 8 81 3 21 3 4 c s 33 4363 1 21 646 7 62 2 01 5 6 c s 一4231 24 2 81 64 5 62 1 4 表中给出的是1 个时隙所能达到的最高速率，g p r s 最多可以同时使用8 个时隙， 因此g p r s 号称能给客户提供高达1 7 1 2 k b p s 的带宽。当前中国移动提供的网络只能使 用c s l 和c s 2 两种编码方式，可以提供2 0 4 0 k b p s 的速率。而基于电路交换的g s m 网 络只能提供9 6 k b p s 的速率。 ( 3 ) 计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费。 由于g p r s 采用分组交换技术，可以方便的计算用户所接收的数据包，故其采用的 收费方式一般是按流量，现在中国移动也推出了包月套餐。 而g s m w a p 上网方式就如同我们以前使用的拨号上网一般，不管你是否在浏览网 页或者下载资料，都会按时间以及你所占用的时隙来收费，它不能对数据流量进行统计。 ( 4 ) 建立连接之后一直在线，无流量时不占用频带资源。 当g p r s 用户在使用网络的时候，用户可以接收或者发送数据，当不用的时候，用 户终端便把你使用的信道共享给其他用户，但逻辑上仍保持着连接。而g s m 用户如果 中断了网络，则需要重新拨号申请。 1 2 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 ( 5 ) 提供无缝、直接i n t e m e t 网连接。 g p r s 支持i n t e m e t 上应用最广泛的p 协议和x 。2 5 协议，能提供i n t e r n e t 和其他分 组网络的全球性无线接入，使得通信的一端可以是连接在i n t e m e t 上的某一设备 i s l 。 3 3g p r s 的网络结构 3 3 1g p r s 的网络系统结构 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的，共用相同的基站、相同的频谱资源， 同样的无线调制技术。主要的不同之处就在于g p r s 网络引入了3 个新的组伴9 j ：p c u ( 分组控制单元) ，s g s n ( g p r s 服务支持节点) 和g g s n ( g p r s 网关支持节点) ， 如图3 1 所示。 一一倌号线 图3 一lg p r s 网络系统结构 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo f t h eg p r s n e t w o r ks y s t e m p c u 是g p r s 引入g s m 最重要的功能实体，负责管理信道和无线链路控制，并对 无线链路和媒体接入进行管理，将帧从无线部分转化为分组或者相反；同时，p c u 提供 与s g s n 连接的标准接口，负责移动终端和s g s n 之间包的传输；p c u 还具备服务质量 管理、流程控制功能等。 1 3 陕两科技大学硕士学位论文 s g s n 主要负责分组数据的交换，监测本地区内移动台对于分组数据的传输和接收， 同时还提供用户移动性管理、安全管理、会话管理控制、q o s 管理以及计费数据管理。 此外它还定位和识别移动台的状态并收集关键呼叫信息，控制移动寻呼和短消息的收发。 g g s n 由s g s n 通过a p n ( 接入点名称) 为用户选择，是g p r s 网络和p d n ( 公 共私有分组数据网) 之间的网关，负责g p r s 骨干网( b a c k b o n e ) 与p d n 的互联，同 时提供移动性管理，数据路由与数据转换功能。 当移动终端进入一个g p r s 网络时，它首先要附着到网络上，提供给网络它的位置 信息。然后移动终端启动分组数据协议上下文激活过程，通过在s g s n 和g g s n 中生成 相关数据通道的寻径表，建立与外部数据网的连接。 3 3 2g p r s 的网络接口 g p r s 是在网络结构中增加了s g s n 和g g s n 两个新的网络节点，故需在原来的 g s m 网络中命名新的接口，并进行软件升级，以支持相应的接口。g p r s 的网络接口如 图3 2 所示。 图3 - 2g p r s 网络接口 f i g 3 - 2t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ei n t e r f a c ei ng p r sn e t w o r k 主要接口包括： u m m s 和g p r s 固定网部分之间的无线接口( 空中接口) ； 1 4 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 g t r _ s g s n 和p c u 之间的接口，交换分组数据和m m 信息； g n 同一个g p r s 网中两个g s n 之间的接口，支持g p r s 的p l m n 中的s g s n 和g g s n 间交换用户数据与有关的信令，支持移动性管理； q 广不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口； g i 七g s n 与外部p d n 之间的接口； g r _ m s c u 己与s g s n 之间的接口，用于交换位置信息和寻呼等信息； g r - s g s n 与h l r 之间的接口，交换m s 位置和用户管理信息； g 旷川g s n 和h l r 之间的接口，交换移动用户的位置与业务信息； g 卜- s g s n 与e i r 之间的接口。 无线部分的设计主要涉及u m 和g b 接口。 ( 1 ) 主要网络接口 1 ) g b 接口 g b 接口把b s 同s g s n 连接起来，交换信令信息和用户数据信息，使得多用户复用 同一物理资源。资源在用户收发数据时，非配给用户，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) 刚好相反。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，不管是否在使用。 2 ) u m 接口 u m 是移动台( m s ) 与基站( b t s ) 之间的连接接口。g p r s 中无线接口标准遵循 g s m 系统的标准，一个t d m a 帧被分为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，并被定义成不同 的逻辑信道。与g s m 不同的是，在g p r s 中一个物理信道被定义为一个逻辑信道，也 可以，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