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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于单片机和g p r s 数据传输技术的研究 摘要 数据采集与监控系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。随着工业自动化技术 和无线通信技术的飞速发展，工业企业对s c a d a 系统的可靠性、实时性和 灵活性提出了更高的要求。针对这些要求，本文将g p r s 网络通信引入实际 的数据采集系统中。 本文系统地阐述了通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ， g p r s ) 系统的组成和结构，分析了g p r s 数据传输方式的原理和特性，研究 了数据传输协议结构，设计了利用g p r s 网络进行远程数据传输的技术方 案。基于单片机和g p r s 的数据传输系统由数据中心、g p r s 网络、数据采集 终端组成，数据中心和数据采集终端通过i n t e m e t 和g p r s 网络联系起来。数 据中心采用一台接入i n t e m e t 的具有固定i p 地址的p c 机，数据采集终端以 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器为核心通过串口与g p r s 模块连接起来。 本文对无线模块g r 6 4 和m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机及其外围电路以及监控中心 站软件和数据采集终端软件进行了重点详细的设计，对设计过程中出现的问 题作了总结并提出了解决方案。最后，搭建了实验室环境下的实验平台，描 述了具体的实验步骤，并通过实验，对数据在传输过程中的可靠性和安全性 进行了验证。 本系统以现有的中国移动通信网络为依托，并不需要搭建新网络，后 期维护容易、网络用户容易迁移和增加，数据传输按流量计费，这在很大程 度上降低了成本。本研究可用于水情监测系统中，还可以用于煤矿瓦斯含量 监测，海水污染情况检测，远程抄表等，因此具有广阔的应用前景。 关键词g p r s ；g r 6 4 模块；m s p 4 3 0 f 1 4 9 ；数据库 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 鼍e | | 皇皇皇鼍置詈，詈置| | 鼍暑置昌鲁穹詈置鼍昌日_ i i i i r e s e a r c ho nd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e d o ns i n g l e - c h i pa n dg p r s a b s t r a c t t h es u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s y s t e mi sa n a u t o m a t i cc o m p u t e rs y s t e mw h i c hc o n t r o l sa n da d ju s t si n d u s t r i a lp r o c e s s e s w i t l l t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f i n d u s t r y a u t o m a t i c t e c h n o l o g y a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a le n t e r p r i s eh a sh i g h e re x p e c t a t i o nf o rt h e r e l i a b i l i t y , r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n df l e x i b i l i t y o ft h es c a d as y s t e m i n r e s p o n s et ot h e s er e q u e s t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg p r sn e t w o r kt ot h ea c t u a l d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t 1 l i sp a p e re x p a t i a t e so nt h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo ft h eg p r ss y s t e m ， a n a l y s e st h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg p r sd a t at r a n s m i s s i o nm o d e ， r e s e a r c h e si n t ot h es t r u c t u r eo ft h ed a t at r a n s p o r tp r o t o c o l s ，a n dd e s i g n sa t e c h n i c a lp r o g r a m m ew h i c hi su s i n gg p r st or e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n t h e r e m o t ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hb a s e do ng p r st e c h n o l o g yi sm a i n l y c o n s i s t so ft h ed a t ac e n t e ra n dd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a l s t h ed a t ac e n t e ra n d d a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a l sa r ec o n n e c t e dw i t h e a c ho t h e rv i ai n t e r n e ta n dg p r s n e t w o r k t h ed a t ac e n t e ru s e sap cw h i c hi sc o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e tw i t ha f i x e di pa d d r e s s ，a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a l sa r ec o n n e c t e dt og r 6 4 m o d u l eb ys e r i a lp o r tw i t hm i c r o p r o c e s s o r ( m s p 4 30 f14 9 ) a st h ec o r e t h i sp a p e re x p a t i a t e so nt h ew i r e l e s sm o d u l eg r 6 4a n d m i c r o c h i p m s p 4 3 0 f 1 4 9m c uw i t hp e r i p h e r a lc i r c u i ta n dt h em o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r e a n dt h er e m o t em o n i t o r i n gs t a t i o ns o f t w a r ei nd e t a i l t i l i sp a p e rs u m m a r i z e st h e p r o b l e m sd u r i n g t h es y s t e md e s i g na n dp u tf o r w a r dt h es o l u t i o nt ot h e s e p r o b l e m s b u i l tt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo fg p r sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni n l a b o r a t o r y ，d e s c r i b e dt h es p e c i f i ce x p e r i m e n t a ls t e p ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ， t h ed a t ar e l i a b i l i t ya n ds a f e t yd u r i n gt r a n s m i s s i o na r ev e r i f i e d r e l y i n go nt h ec h i n am o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h es y s t e mn e e dn o t - u t oc o n s t r u c tn e t w o r k ，i ti s e a s yf o r l a t t e rm a i n t e n a n c ea n dn e t w o r ku s e r m i g r a t i o na n di n c r e a s i n g ，d a t at r a n s m i s s i o nc h a r g e s a c c o r d i n gt ot h ef l o w , w h i c hr e d u c ec o s tt oal a r g ee x t e n t t h i s s t u d yc a nb eu s e df o rh y d r o l o g i c a l f o r e c a s t i n gs y s t e m ，c a r ta l s ob eu s e di nc o a lm i n eg a sm o n i t o r i n g ，w a t e rp o l l u t i o n c a s ed e t e c t i o n , r e m o t em e t e rr e a d i n g ，a n ds oo n s oi t h a sw i d ea p p l i c a t i o n p o t e n t i a l k e y w o r d sg p r s ，g r 6 4m o d u l e ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，d a t a b a s e i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于单片机和g p r s 数据传输技 术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：寻幂走日期：毋崩罗年弓月矽日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于单片机和g p r s 数据传输技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者躲习乖患 日期卿弓月衫日 导师签名：诵彩i 舀 日期矿矽年弓月一日 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 移动i p 的发展 当今世界，在飞快发展的信息领域中，有两支突飞猛进的支柱产业，即移 动通信和i n t e m e t 。几乎最新的信息、通信、电子、计算机方面的一切新技 术，无不为这两大支柱产业所吸收和采纳。它们的网络覆盖愈来愈大，主干网 和接入网的传输速率越来越快，核心网络设备和终端功能越来越强，体积愈来 愈小，价格大幅度下降。而伴随着二者的飞速发展，这两大领域也开始迅速融 合。移动口开始从过去的希望变成现实。事实上，从g s m 移动蜂窝通信系统 诞生的那一天起，移动通信就具有数据通信能力，主要是基于9 6 k b i t s 电路型 数据业务，如中文短消息服务。在发展数据通信的过程中，又不断采用新技 术，增加传输带宽，进一步引进数据业务，尤其是引进了与i n t e r n e t 相结合的 数据业务。移动i n t e r n e t 正是在这时候开始从概念阶段走上业务发展的前台， 成为移动通信的主流发展趋势。 在需求和技术两种驱动力的作用下，全世界范围内涌现出多种移动 i n t e r n e t 技术。通过移动和无线通信系统接入i n t e r n e t 的方式分为两大类：一是 基于蜂窝的接入技术，如c d p d 、g p r s 、e d g e 等；二是基于局域网的接入 技术，如i e e e 8 0 2 i i w l a n 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 等。总体来说，可以采用的 技术主要有：m o d e m 、w l a n 、g p r s 、b l u e t o o t h 、m o b i l e l p 以及w a p 等等。 尽管它们解决问题的层面和侧重点有所不同，但着眼点都是相同的：一是连接 i n t e m e t 的计算机设备( p c 、膝上电脑、笔记本电脑等) 如何实现移动性：二是便 携终端( 蜂窝电话、掌上电脑、p d a 等) 如何接入i n t e r n e t 并获取和显示有效信 息。实际上，这二者也是相辅相成的，并且已部分成为现实。 另一方面，网络应用最重要的目标之一就是进行多媒体通信。多媒体信息 主要包括图像、声音和文本三大类，其中视频、音频等信号的信息量是非常大 的。而且这些信息的表达方式、输入、输出的要求也各不相同，因此，在多媒 体通信中，对这些数据进行有效的表达和适当处理非常重要。为了满足多媒体 通信对带宽的需求，无线通信网络不约而同地将网络传输速率作为其性能参数 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 中的关键指标。例如，g p r s 网络理论上的最大数据传输速率达1 7 1 2 k b i s t ， 而3 g 标准则要求提供2 m b i t s 的数据业务，这一速率还将在日后得到迸一步 提高。除此之外，多媒体压缩技术的日臻成熟也为移动多媒体通信的实现提供 了技术保证。 g p r s 就是在这种条件下应运而生的，它解决了移动所要解决的问题， 满足了初步的要求。它成为移动i p 的理想解决方案，在向3 g 过渡的过程中起 到很重要的作用。从g p r s 投入商用以来在各个领域得到了广泛的应用，本文 就是对其在无线监控领域的应用进行研究。 1 1 2 无线监控系统发展现状及其前景 s c a d a 系统即数据采集与监视控制( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统。它可 以对现场运行的设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参 数调节以及各类信号报警等功能。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用 于电力系统、市政公用、石油、化工、水利等领域的数据采集与监视控制以及 过程控制等诸多领域【1 1 。 s c a d a 系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。如 今，随着各行业对s c a d a 系统需求的提高以及计算机技术的发展，对 s c a d a 系统提出了新的要求，概括地说，有以下几点【2 l ：s c a d a 系统与其它 系统的广泛集成；远端( 受控端) 综合自动化；专家系统、模糊决策、神经网络 等新技术研究与应用；移动通信技术、面向对象技术、i n t e r n e t 技术的应用。 移动通信技术为s c a d a 系统的数据传输提供了先进的通信手段【3 】，极大 地扩大了s c a d a 系统的应用范围，可以说，目前只要移动通信网络能覆盖到 的地方，就有s c a d a 系统的用武之地。 早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时 在线监控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现 场的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况， 对生产现场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展 密不可分的，伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式： 1 人工远程监控 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控 室由工程师进行分析推理，这就包含了太多的人为因素，而且无法实现实时在 2 哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 线监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。 2 有线网络远程监控 有线网络监控方式是现代远程监控模式，它将现场各个采样点通过通信线 连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也是现 在广为使用的方式，如现场总线。其最显著特点：是现场的采样设备将各种传 感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传送给远程诊断工程 师。远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号 进行分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论并将结果返回给现场人 员。由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此诊断结论 可靠性高，可以实现真正意义上的实时在线远程监控与诊断。但是，这种方式 在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远铺网的投 资就要越大，主要是由于需要增设路由器。 3 无线网络远程监控 无线网络远程监控又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公 网g s m 。第一种方式由于要自己进行网络构建包括传输设备、中继站、传输 协议制定，工作量比较大。第二种用g s m 网络实现，这类监控的通信方式是 依托遍布全球的g s m 网，它的最大特点是打破了距离的限制，从而可以实现 全国乃至全球漫游监控。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e m e t 进 行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系统， 实时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。g p r s 是通用无 线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，它是在现有的g s m 系 统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供高效、低成本的 分组形式的数据业务。其主要特点是：可以提供高达1 7 1 2 k b p s 的分组数据传 送速率，用户永远在线且按流量计费，降低了通信费用1 4 。利用g p r s 进行远 程监控，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具 有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点， 并且完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术 的不断发展，构筑在g p r s 网上的远程无线监控系统必然能与移动通信技术的 发展同步，因而具有广阔的前景。 哈尔滨理工大学工学硕一l ：学位论文 1 2g p r s 应用与发展 1 2 1g p r s 的应用 g p r s 技术现在己经十分成熟，目前全世界很多运营商开通了g p r s 商用 系统、试商用系统或实验系统。国际上有名的大型电信设备制造厂商也都在积 极开发g p r s 的相关产品，提出了一系列的解决方案，世界各地的移动网络运 营商也纷纷响应，配合电信设备制造厂商提供了大量的g p r s 服务区。g p r s 可提供以下一系列交互式业务：点对点无连接型网络业务俾t p c l n s ) ；点对 点面向连接的数据业务( p t p c o n s ) ；点对多点业务( p t m ) 。 g p r s 还能支持用户终端业务、补充业务、g s m 短消息业务和各种g p r s 电信业务。总之，g p r s 可提供网上冲浪、e m a i l 、文件传输、数据库查询、增 强型短消息等业务；可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业；p t m 业务支持股市动态、天气预报、交通信息等实时发布；另外，还能提供种类繁 多、功能强大的以g p r s 承载业务为基础的网络应用业务和基于w a p 的各种 应用。 1 2 2g p r s 的技术优势 利用g p r s 进行数据传输具有很多优点，主要如下睁7 1 ： 1 费用低廉，g p r s 网络按照客户收发数据包的数据流量来收费，而不 是采用s m s 的按短信条数的方式收费，极大地降低了通信使用费用： 2 永远在线，客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户 仍然在网上，与网络之间还保持一种连接； 3 快速登录，连接时间很快，g p r s 无线终端一开机，就已经与g p r s 网络建立了连接，每次登录网络，只需要一个激活过程，一般仅需l 到3 秒； 4 高速传输，由于g p r s 网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最 高理论值可达1 7 1 2 k b s ，实际使用中一般能达到2 0 4 0 k b s ； 5 组网灵活，中国移动的g p r s 网络覆盖面广，可在全国漫游而不增加 额外费用，适合用户以低成本方式在短时间内组建自己的跨区域性数据网络： 6 信道保障，g p r s 通信链路由中国移动这样的专业运营商维护，在出 现通信链路中断的情况下能得到及时抢修，免除通信链路维护的后顾之忧； 4 哈尔滨理r 下大学t 学硕十学位论文 7 防雷击，g p r s 采用小功率短天线，不需要室外架设大天线，克服了 有线传输设备和无线电台容易被雷击而损坏和中断通信的情况。 1 2 3g p r s 面临的问题及发展策略 1 2 3 1 当前g p r s 面临的问题 1 实际传输速率比理论值低，由于分组交换连接比电路交换连接质量要 差一些，因此使用g p r s 会发生一些数据包丢失现象。而且，由于话音和 g p r s 无法同时使用相同的网络资源，因此，用于专门提供g p r s 使用的时隙 数量越多，能够提供给话音通信的网络资源就越少。话音和g p r s 呼叫都使用 相同的网络资源，这势必会相互产生一些干扰。其对业务影响的程度主要取决 于时隙的数量。当然，g p r s 可以对信道采取动态管理，并且能够通过在 g p r s 传道上发送短信息来减少高峰时信令信道的拥塞情况【8 1 。 g p r s 理论上的数据传输速率最大值是1 7 1 2 k b i f f s ，但要求只有一个用户 占用所有的8 个时隙，并且没有任何防错保护。运营商将所有的8 个时隙都给 一个用户使用，显然是不太可能的。另外，最初的g p r s 终端预计可能仅支持 1 个、2 个或3 个时隙，一个g p r s 用户的带宽因此将会受到严重的限制，所 以，理论上的g p r s 最大传输速率将会受到网络和终端现实条件的制约。 2 终端不支持无线终止功能，目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣 称其g p r s 终端支持无线终止接收来电的功能，这将是对g p r s 市场是否可以 成功地从其他非语音服务市场抢夺用户的核心问题【9 i 。启用g p r s 服务时，用 户将根据服务内容的流量支付费用，g p r s 终端会装载w a p 浏览器。但是， 未经授权的内容也会发送给终端用户，更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付 费。 3 存在转接时延，g p r s 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同 的目的地，那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组 丢失或出错的情况。 4 缺乏g p r s 专门技术人才，现有的g s m 运营公司的技术人员，具有话 音业务、s m s 方面的经验，但缺乏对g p r s 的设计、安装、运营、维护等方 面的经验，需尽早进行培训。 1 2 3 2 我国的发展策略我国引入g p r s ，应采取积极实验，分步实施，逐步 展开，平滑过渡的策略。同时还应考虑结合我国国情，保护现有的g s m 网络 投资问题；通过引入g p r s ，为用户提供更高的无线接入速率；保护用户利 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 益，降低提供数据业务的成本；降低运营成本，兼容已有的数据业务；便于扩 容，易于向3 g 平滑演进过渡【1 o 1 1 1 。 1 3 课题来源及意义 本课题来源于哈尔滨市呼兰区水务局预研项目基于g p r s 的水文自动测 报系统的设计和校级( 创新) 开放实验项目基于g p r s 的远程自动监测系 统的设计。 本课题的研究是解决远程数据采集和监控系统的无线数据传输通道问题。 应用场合可以在：偏远地区或结点分散、不宜铺设有线网络现场中的各类工控 设备；农村供电网管理；移动环境下的电子信息设备( 如g p s ) ；城市水电气 等公用事业设备；水利环境监测网；智能交通系统；商用无人自动售货机联网 以及军事、公安等应用领域。 哈尔滨市呼兰区水务局预研项目基于g p r s 的水文自动测报系统的设 计旨在搭建省内水文监控系统示范工程，使用g p r s 无线数据传输给水文行 业带来一个全新的方便快捷的数据传输解决方案。 1 4 主要研究内容 课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要涉及到嵌入式数据 采集模块硬件功能设计、g r p s 模块和微处理器的选型、电路板设计以及调试 等。在软件上，一方面是针对t c p i p 协议进行s o c k e t 编程实现数据的通 信，另一方面针对实验板上的温度传感器进行编程实现数据的采集，最终实现 数据的实时传输，在线监测。 本课题主要完成以下任务： 1 对g p r s 关键技术进行了研究，包括g p r s 技术特点、结构、网络原 理、无线通信技术等； 2 课题硬件电路的设计，包括关键器件的选择和工作原理，以及系统外 围电路的设计； 3 课题的软件设计，包括数据采集终端的程序设计、数据中心的软件和 数据库设计等内容； 4 实验测试和总结，包括搭建数据传输实验平台，进行数据传输和存储 的测试，以及测试结果的分析总结。 6 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 第2 章g p r s 关键技术研究 2 1g p r s 技术特点 g p r s 是一种基于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m 连接。它突破了g s m 网络只能提供电路交换的思维方式，只通过增 加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改 造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。 g p r s 通信技术具有以下特点 1 2 - 1 4 】： 1 在核心网路中引入g p r s 支持节点( g s n ) ，s g s n 和g g s n 采用分组 交换平台方式，定义了基于t c p i p 的g t p 方式来承载高层数据。g g s n 支持 与外部分组交换网的互通，并经由基于的g p r s 骨干网和s g s n 连通； 2 通过g g s n 实现了与标准i n t e r n e t 的无缝连接，在g g s n 可实现与外 部口网络的透明与非透明的连接，支持特定的点到点和点对多点服务，以实 现一些特殊应用，如远程自动抄表等。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经 g p r s 无线信道传输； 3 g p r s 非常适合频繁的、数据量小的突发型数据业务，同时也适合偶 尔的大数据量业务。它能高效利用信道资源在无线接口m a c r l c 层无线资源 的有效管理，以及核心网部分适于数据传送的分组交换方式，g p r s 网络适于 突发性数据的有效传送，它支持四种不同的q o s 级别。一般来说，g p r s 能在 0 5 l s 之内恢复数据的重新传输； 4 g p r s 支持中、高速率的数据传输，可提供9 0 5 - - 1 7 1 2 k b p s 的数据传 输速率( 每用户) 。g p r s 目前实际能够提供的极限速率是4 0 2 5 3 6 k b p s ，这 个速率没有考虑到因为各层重传导致的传输速率下降，因此实际速率和理想速 率相差甚远； 5 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封 装和隧道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传 输。这种透明的传输方法缩减了g p r sp l m n 对外部数据协议解释的需求，而 且易于将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此 数据传输高效且可靠； 6 g p r s 的资源利用率高。它引入了分组交换的传输模式，使得原来采 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀 缺的情况下显得尤为重要。用户只有在发送或接收数据期间才占用资源。这意 味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量( q o s ) 等级的计费功 能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 2 2g p r s 网络原理 2 2 1g p r s 网络结构 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，通过增加一些硬 件设备并对原有网络升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端、广域 的无线m 连接【1 5 1 。g p r s 的网络结构如图2 1 所示。 图2 1g p r s 骨干网逻辑结构 f i g 2 1g p r sc o r en e t w o r kl o g i c a ls t r u c t u r e 从网络侧看，新增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) 这两种网络实体以及g b 、g n g p 、g i 、g r 、g f g d 、g s 、g c 等接 口而形成的移动分组数据网络。图2 1 中的部分解释说明：t e ( i 受备终端) ； 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 m t ( 移动终端) ；p d n ( 公用数据网) ；e i r ( 设备标识寄存器) ；m s c ( 移动交换中 心) ；v l r ( 访问位置寄存器) ：g s m c ( 短消息业务的网关m s c ) ；i w m s c ( 短消 息业务的网间m s c ) 。 s g s n 的功能：s g s n 是g p r s 业务支持节点，它相当于传统g s m 系统 中的m s c v l r 。主要功能是对移动台进行授权和移动性管理，进行路由选 择，建立移动台到g g s n 的传输信道，接收基站子系统传来的移动台数据，进 行协议转换后通过g p r s 骨干网传给g g s n 或将分组发送到同一服务区内的移 动台，并计费和业务统计。 g g s n 的功能：它是接入外部数据网络节点，对外部网络来说，它就是个 子网络路由器。g g s n 接收移动台发送的数据，选路到相应的外部网络，或接 收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输信道，传给相应的 s g s n 1 7 1 。此外，g g s n 还有地址分配和计费等功能。s g s n 和g g s n 的功能 可以在一个物理节点内实现，也可以放置在不同的物理节点内，s g s n 和 g g s n 处于不同的p l m n 内。 2 2 2g p r s 的相关接口 g p r s 系统除了增加了g s n 外，还增加了各种接口如：g b 、g n c , p 、g i 、 g r 、g f 、g d 、g s 和g c 等。下面分述其功能和作用【1 8 】。 1 g b 接口 g b 接口是s g s n 和b s s 中的p c u 之间的接口。承载s g s n 与b s s 间 g p r s 业务和信令，可以采用基于2 0 4 8 m b s 的e 1 帧中断链路。 s g s n 通过g b 口与基站b s s 相连，为移动台( m s ) n 务，通过逻辑链路控 制( l l c ) 协议s g s n 与m s 之间的连接，提供移动性管理器( 位置跟踪) 和安 全管理功能。s g s n 完成m s 和s g s n 之间的协议转换，即骨干网使用的口协 议转换成s n d c p 和l l c 协议并提供m s 鉴权和登记功能。 2 g n 接口 g n 接口是同一公共陆地移动网( p l m n ) 中g g s n 与s g s n 之间的接 口，在p l m n 内提供数据和信令接口，基于i p 骨干网使用g p r s 隧道协议 ( g t p ) ，通过g p r s 隧道协议( g t p ) 建立s g s n 和外部数据网( x 2 5 或 i p ) 之间的通道，实现m s 和外部数据网的互联。 3 g p 接口 g p 接口是不同公共陆地移动网( p l m n ) 中g g s n 与s g s n 之间的接 9 哈尔滨理工大学丁学硕十学位论文 口，也基于口骨干网，提供与g n 相同的功能，同时与边界网关( b g ) ，防火 墙一起跨越p l m n 通信的所有功能包括安全和路由等。 4 g i 接口 g i 接口是g g s n 实现g p r s 网和外部分组数据网( p d n ) 的互连，g g s n 实际上是两个数据网网关，g p r s 本身属于i p 网络领域，g i 接口支持x 2 5 和 i p 协议，通过g g s n 与g p r s 网互连的分组数据网可以是p s p d n 网，这时 g p r s 支持1 1 r u t x 1 2 1 和t 1 u t e 1 6 4 编号方案，提供x 2 5 虚电路及对x 2 5 的快速选择，网间的x 7 5 协议连接；也可以是i n t e r n e t 网，基于i p 协议，在 i p 数据报传输方式中，g p r s 支持t c p i p 头的压缩功能。 5 g r 接口 g r 接口是s g s n 与h l r 之间的接口，它向s g s n 提供了接入h l r 中用 户数据的能力。h l r 保存g p r s 用户数据和路由信息( i m s l ，s g s n 地址) ， 每个i m s i 还包含数据协议( p d p ) 信息，包括p d p 类型( x 2 5 或) 、p d p 地址及其q o s 等级以及路由信息。 6 g s 接口 g s 接口是可选择接口，它用于s g s n 向m s c l r 发送地址信息、并从 m s c v l r 接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。 7 g e 接口 g c 接口也是g g s n 与h l r 之间的可选接口，g g s n 通过g c 接口可直接 从h l r 获取位置信息，否则g g s n 需通过其它s g s n 或g g s n 从h l r 获取 位置信息。 8 g d 接口 它是s m s g m s c 和s g s n 之间的接口以及s m s i w m s c 和s g s n 之间的 接口，通过接口可以提高s m s 的使用效率。 9 g f 接口 g f 接口是s g s n 与e i r 之间的接口，认证m s 的i m s i 信息。 2 2 3g p r s 协议模型 移动台( m s ) 和g p r s 之间的分层传输协议模型如图2 2 所示| 1 9 2 0 1 。它主要 由g t p 、l l c 和r l c 协议构成。 1 0 哈尔滨理t 大学t 学硕1 j 学位论文 应用 i p 2 5i p x 2 5 s n d c艮少 g t p s n d 6 7 g t p u d p ，i p l l cl l c u d p j 呵p r l c巡a y b s s g pi p r l c 嗡s s g p i p m a c m a cs e r v i c e s e r v i c el 2 l 2 g s mg s ml l b i s l i b i sl 1 l 1 图2 - 2g p r s 传输协议模型 f i g 2 - 2g p r st r a n s m i s s i o np r o t o c o lm o d e l 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 kc 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。 r l c m a c 为无线链路控制媒质接入控制层。r l c 负责l l p d u 的拆装 与重组，并提供可靠的无线链路。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的 g p r s 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共 有3 类，分别是公共控制信道、分组业务和g p r s 广播信道。 中继转发( r e l a y ) 在b s s 中，这项功能中继转发u m 和g b 接口间的 l l c p d u ，在s g s n 中，这项功能是转发g b 和g n 接口间的p d pp d u 。 网络层的协议目前主要是p h a s el 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议。 t c p i p 和x 2 5 协议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s ) 是透明的。 g t p 即g p r s 隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在g p r s 网络 g s n 节点之间传送。 i p 这是g p r s 骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。g p r s 骨 干网最初是建立在i p v 4 协议基础上的，随着i p v 6 的广泛使用，g p r s 会最终 采用i p v 6 协议。 2 2 4g p r s 的数据传输方式 基于g s m g p r s 网络的数据传输通常有四种方式：基于短消息的数据传 输；基于d a t a 方式( 一种以电路交换为基础的传输方式) 的数据传输；基于 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 语音方式的数据传输；基于i p ( i n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 方式的数据传输【2 1 1 。 基于i p 的数据传输方式是g p r s 系统独有的，因为g p r s 数据传输的基 础是t c p i p 协议，因此基于i p 的数据传输方式中最核心的内容是t c p i p 协 议的转换。该方案的优点是：数据传输的成本比较低( o 0 3 元k b y t e s ) ，实时 性较好，但缺点是g p r s 终端开发成本高，使用复杂度较高。该方案的组网方 案灵活性更好，数据传输的速率更高、数据量更大，适合各种对实时性要求不 太高的远程无线数据传输。 2 2 5g 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：连接过程、m s 发 起数据传输过程、m s 终止数据传输过程、终止过程。这里的分析是针对由 m s 发起的过程，而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 a c t t 2 2 1 。 2 2 5 1 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 虽然己经登陆上g p r s 网络，但还没有 为外部网络知道。要能够收发数据，m s 需要激活p d p 上下文，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 之间的通讯。 m s 首先向s g s n 发送一个p d p 上下文激活请求，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 上下文。 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 ( t u n n e l i d e n t i f i e r ) 。在保存了t i d es 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 上下文己经激活。同时s g s n 更新自身保存的 映射关系表。 、 在g p r s 系统中，m s 在p d p 上下文激活时获得的p d p 地址为动态i p 地 址，如1 0 1 7 5 5 8 3 ，其在g p r s 网络之外不可对之寻址。g g s n 网关节点处 采用了n a