（电力电子与电力传动专业论文）基于gprs开关磁阻电机远程控制系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 abstrac t b s y r c i a b s t r a c t ：g p r s ( g e n e r a lp k e tr a d i os e r v i c e ) g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e , i sas y s t e mb a s e do nt h eg s mw i r e l e s sp a c k e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g i e st o p r o v i d ee n d t o - e n d , w i d e - a r e aw i r e l e s s i pc o n n e c t i v i t y , w i t hs p e e d sa sf a s t , l o w o p e r a t i n gc o s t s ，r e l i a b i l i t yh i g h ，f a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fs u c ho b v i o u sa d v a n t a g e s ， i sa p p l i c a b l et or e m o t ec o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n , 骼p e c i a l l yw i d e l yu s e di np o o r e n v i r o n m e n to i l f i e l d , p o w e rg e n e r a t i o na n do t h e ri n d u s t r i a lf i l e d t h et h e s i si n t r o d u c e sa g p r s b a s e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc o n t r o l l e rr e m o t cc o n t r o la n ds p e e dc o n t r o l s y s t e mf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e l n s ，i n c l u d i n gi t ss y s t e mh a r d w a r ca n ds o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mi sp co p e r a t i n gs y s t e m st h r o u g ht h eu s eo fw i r e l e s sn e t w o r kr e m o t e c o n t r o lp u m p i n gu n i t su s e di nt h eo i lf i e l d ，f i n i s h i n gt h ec o n t r o lo ft h es t a r tt os t o p ，r e s e t ， s e tp a r a m e t e r s ，s u c ha ss p e e d , a n dt h es r m r u n n i n gs t a t ea c q u i s i t i o n ，s u c ha se a n - e n t , t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s ，s p e e di n f o r m a t i o n ，f a u l ti n f o r m a t i o na n dr e t u r n i n gt ot h ep c o p e r a t i n gs y s t e mt oa n a l y z ea n dd e c i d i n gt h en e x ts t e pm o t o rc o n t r 0 1 a c h i e v et h e r e m o t ec o n t r o lp u r p o s e s t h es y s t e mo v e r c o m e st h el i m i t a t i o n st h a to p e r a t o r sw o r ki nt h ef i e l do fb a d e n v i r o n m e n t a l ，s ot h a tt h eo p e r a t o r sc a no p e r a t et h em a c h i n e sw i t h o u tv i s i t i n gt h es o , n o a n da tt h es a m et i m eg e tt h em a c h i n e sr u n n i n gs t a t e i tc a na v o i de n v i r o n m e n t a lf a c t o r s b u ta l s op r o v i d eag o o dw o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rs t a f fa n ds a v eal o to fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e s a tt h es a m et i m es r m se n e r g ys a v i n ge f f e c tw i l lb r i n gh u g e e c o n o m i cb e n e f i t s a n dt h es y s t e mi sac r o s s - d i s c i p l i n e sb e t w e e nt r a n s m i s s i o nc o n t r o l a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，e n r i c h e dd r i v ec o n t r o la r e a s ，w h i c hh a v eac e r t a i n a c a d e m i cs i g n i f i c a n c e t h eb a s i cf u n c t i o n so fr e m o t i n gc o n t r o ls r mc o n t r o l l e rb a s e do nw i r e l e s sn e th a s b e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：g p r s ，s r d ，m c 3 5 i ，r e m o t ec o n t r o l c l a s s n 0 ：t m 9 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：! 魄，啦f导师签名：勇殳知惧 签字日期：乒唧年l 月研日签字日期：卫”7 年，文月工f 日 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，也不包含为获得北京交通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已在论文中作 了明确钧说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扬强s 潮吖签字日期：参加7 年，a 月a ，曰 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师殷天明老师的悉心指导下完成的，殷天明老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 殷天明老师对我的关心和指导。 同时殷天明老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上 都给予了我很大的关心和帮助，在此也向殷天明老师表示衷心的谢意。 王艳教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吕海臣、栗霖、郭淳、梁晓锋、肖敬义、王 庆林等同学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，父亲柴万国、母亲丛培英，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 国内外监控系统发展现状 国内外监控技术多样化，目前常用的远程监控方法主要分为有线监控和无线 监控。其后总有线监控包括：利用网络芯片与i n t e m e t 网络相结合的有线监控( 例 如a d s l ) 等；无线监控主要包括：蓝牙监控，红外监控，利用g p s 监控，以及 利用g p r s 网络的无线远程控制1 1 1 。 利用有线进行监控，例如a d s l ，系统利用c s 8 9 0 0 等网络芯片，通过标准 r j 4 5 接口与i n t e m e t 相连，然而系统受地域的影响较大，需要自己布网线，这会带 来系统的附加成本上升，从节约成本与系统移放便利的角度来讲，这样的系统有 明显的缺点。 利用无线进行监控，蓝牙监控基本实现原理为蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯 片能使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝芽设备。一旦找到， 相互之间便开始通信，交换信息。蓝牙工作频率为2 4 g h z 频段，开放性高，采用 跳频技术，受干扰小。在数据传输过程中对收发器的位置状态没有特别要求，并 且可以移动，只要不超过信号有效距离即可，不要求苛刻的传输条件，实用性高。 它主要应用在短距离无线应用的场合，例如无线终端，医疗设备等。对于远距离 的数据传输是不适用的。 g p s 是g l o b a lp o s t i o n i n gs y s t e m 的简称，即全球卫星定位系统。g p s 最初只 是运用于军事领域，目前g p s 已被广泛应用于交通行业，它利用g p s 的定位技术 结合无线通信技术( g s m 或c d m a ) 、地理信息管理系统( g i s ) 等高新技术，实 现对车辆的监控，经过g s m 网络的数字通道，将信号输送到车辆监控中心，监控 中心通过差分技术换算位置信息，然后通过g i s 将位置信号用地图语言显示出来， 最终可通过服务中心实现车辆的定位导航、防盗反劫、服务救援、远程监控、轨 迹记录等功能。 利用g p r s 无线传输，也要借助i n t e m e t 公网作为传输媒介，但系统移放便利， 受地域的影响较小，只要是有移动网络的地方都可以使用，而且成本低，可以替 代有线的监控系统，因此是一种有效的远程监控系统。 北京交通大学硕士论文 1 2 选题背景 随着计算机网络技术和无线技术的发展，电力传动技术与通信技术的结合日 益紧密，监控方式也在发生着变化。过去传统的监控方式是通过专用通信线在远 方采集现场设备的数据进行远方显示和控制，但在工作站上都要安装专用软件， 而且通信介质要专用，通信协议要自己写，配套的软件和硬件要自己设计。随着 i n t e m e t 的迅速发展，只要将企业控制系统与i n t e r n e t 相连接，上述问题就迎刃而 解了。而且系统不需要专用的通信线路，只需现成的互联网。网络速度很快，不 仅可以传输数据，还可以传输音频和视频信号，并且协议是公开的。所以利用新 的技术改造或构建新的电机监控系统是电力传动行业的发展趋势。 尤其在环境比较恶劣，人员缺乏，不利于布线的场合，由于电机大多放置在 室外，布置有线的i n t e r n e t 连接成本高，并且受外界环境的影响较大，同时需要耗 费大量的人力物力。因此采用无线监控代替有线监控的方式成为必需。 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 的英文简称，中文为通用无线分组业务， 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、广域的无线口连接。 它具有“实时在线”、“快捷登录”、“按量计费”、“高速传输”等的优点。同时与原 有的g s m 比较，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：通过多 个g s m 时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达1 1 5 k b s ：不同的网 络用户共享同一组g p r s 信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会 占用信道资源；g p r s 能够随时为用户提供透明的l l i 通道，可直接访问i n t e m e t 中的所有站点和资源。因此使用g p r s 实现远程数据的传送是非常经济实用的， 特别是对于环境恶劣的地区和不便于架设有线通信的边远地区。 开关磁阻电机一直被认为是一种性能( 效率功率因数刑用系数等) 不高的电 机，故用于小功率范围的场合。经过不断的研究和改进，磁阻电机的性能不断的 提高，目前已经能在较大的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机 2 1 。七十年 代初，美国福特汽车公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。其结构为轴向气 隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池 供电的电动车辆的传动。 1 我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始s r m 的研究，开发工作。1 9 9 2 年初 成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推 动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。现在，国内对开关磁阻电机接受和感兴 趣程度逐年上升，形成理论研究与实际应用并重的发展态势。尤其是在国家大力 倡导节能的理念下，节能型电机得到了快速的发展，开关磁阻电机正是在这样一 种环境下，作为一种新兴的节能型电机正在得到大力的推广和发展，开关磁阻电 绪论 机是一种新型高效调速驱动系统，可广泛应用于家用电器、通用工业和电动车驱 动等各个领域，是伴随着电力电子技术以及微电子技术的发展而不断进步的。开 关磁阻电机的调速系统具有控制系统结构简单、成本低，整个系统具有效率高， 可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点，因而可以在超高速的状态下运行， 而且坚固耐用，适合于恶劣条件下应用。 本系统是对开关磁阻电机应用的一个扩展，在油田领域，开关磁阻电机主要 应用在抽油机上，由于油田工况复杂，环境恶劣。这些不利条件为油田工人对电 机的控制和监测带来了很多影响，因此很有必要设计一套基于无线网络g p r s 的 开关磁阻电机的远程监控系统，为油田设备的监控带来便利。从而节省了大量的 人力物力，也为油田工人的操作提供了方便的平台。本文正是基于这样一种背景， 研究一种基于g p r s 的开关磁阻电机的无线远程监控系统，利用上位机操作平台 实现对电机运行情况的远程监视和控制。 1 3 开关磁阻电机远程监控系统的发展现状 我国从1 9 9 6 年开始跟踪研究g p r s 的相关标准。着重组织开展了一系列g p r s 相关标准研究工作。于2 0 0 0 年4 月，已经完成了”9 0 0 1 8 0 0 m h zt d m a 数字蜂窝 移动通信网g p r s 隧道协议( g t p ) 规范”，由信息产业部电信传输所提出了”g p r s 业务研究”的前期的预研成果。从1 9 9 8 年开始，我国运营者开始酝酿在国内兴建 g p r s 的试验网络工作，2 0 0 1 年，国外网络运营商开展g p r s 商用业务，并且推 广g p r s 。2 0 0 2 年5 月1 7 日，中国最大的移动运营商一中国移动g p r s 网络正式 商用嗍。 2 0 0 2 年西门子公司推出的第一款g p r s 模块m c 3 5 i ，利用它可以实现h t e m e t 的无线接入，目前它已经应用在很多涉及到g p r s 传输的场合，比如利用p c 和 m c 3 5 i 相连登陆m t e m e t 等。 计算机网络编程知识的发展为利用网络进行远程控制提供了可靠的保证。 工业中常用到的控制方法都是基于c a n 总线的，利用带有c a n 卡的p c 对 整个c a n 总线网络进行数据的收发。目前，在国内，开关磁阻电机和g p r s 模块 发展的时间都很短，因此利用g p r s 通信模块，基于a r m3 2 位处理器实现对开 关磁阻电机的远程控制是一项比较新的应用，它具有很高的应用价值。 北京交通大学硕士论文 1 4 本文所做的工作 本课题构建了一个基于g p r s 网络的开关磁阻电机控制器远程监控系统，该 系统利用i n t e r a c t 网络和g p r s 相结合，组成一个有线无线相结合的网络，通过上 位机操作系统利用无线网络远程控制应用于油田抽油机的开关磁阻电机，控制开 关磁阻电机的启动、停止、复位，转速设定等参数，并对电机的运行状态进行采 集，如电流参数、温度参数、转速信息、故障信息等，返回到上位机操作系统进 行分析并存储到数据库中，判断电机工作情况和下一步的控制情况，实现远程控 制的目的。本文完成了系统的硬件电路设计，包括原理图设计、p c b 制作、部分 元器件焊接工作；完成了软件部分的设计，包括u m 协议分析、p p p 分析、u l p 协 议栈的移植以及底层软件的编写等相关工作；同时还进行电路及系统的调试工作， 包括远程控制板单板调试、配合开关磁阻电机控制器调试以及整机调试工作等。 无线数据传输方式 2 无线数据传输方式 无线通信是当今世界发展最迅速的一个领域，现在无线传输方式主要有三种， 利用g s m ，利用g p r s 网络，利用3 g 网络 2 1 利用g s m 进行数据传输 2 1 1g s m 原理 第二代移动通信技术是数字移动通信系统，通常称为2 g 技术，其中当前发展 最成熟的一种数字移动通信就是全球移动通讯系统g s m ( g l o b a is y s t e mo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 移动技术，也就是泛欧蜂窝移动通信网。g s m 可以使用9 0 0 m h z ， 1 8 0 0 m h z 以及1 9 0 0 m h z 的频段，国内主要采用9 0 0 m h 臣和1 8 0 0 m h z ，简称为 g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 。采用全双工的通信方式。g s m 9 0 0 系统的频段范围为下行 9 3 5 9 6 0 m h z ，上行8 9 肌9 1 5 m h z ，载频间隔为2 0 0 k h z ，可用信道数为1 2 4 个； 扩展g s m ( e g s m ) 的频段范围为下行9 2 5 - 9 6 0 m h z ，上行8 8 0 - 9 1 5 m h z ，载频间隔 为2 0 0 k h z ，可用信道数为1 7 5 个。d c s l 8 0 0 的频段范围为下行1 8 0 5 1 8 8 0 m h z ， 上行1 7 1 0 - 1 7 8 5 m i - i z ，载频间隔为2 0 0 k h z ，可用信道数为3 7 4 个。g s m 系统采用 t d m a 多址方式，其载频间隔为2 0 0 k h z ，每个载频按时间分割为以8 个时隙为单 位的t d m a 帧，即每8 个时隙在2 0 0 k h z 的频率范围内循环出现，从而形成频率 时间分隔复用系统。多个t d m a 帧构成复帧，复帧可分为包含2 6 个t d m a 帧的 2 6 复帧和包含5 1 个t d m a 帧的5 1 复帧以及包含5 2 个 r d m a 帧的5 2 复帧等几 种类型。 1 、g s m 信道类型 g s m 系统的信道可分为物理信道和逻辑信道，物理信道是指某一载频中的某 一具体时隙。逻辑信道是指按携带信息的不同而分的信道。物理信道指采用频分， 时分方式形成的突发脉冲，它用于承载逻辑信道。逻辑信道可分为业务信道( t c h ) 和控制信道( c c h ) 两大类型。业务信道主要用于传送语音和数据业务信息，它 包括话音业务信道和数据业务信道。话音业务信道又包括全速率业务信道 ( t c 刚f s ) ，增强全速率业务信道( t c h e f r ) 和半速率业务信道( t c h ，h s ) ， 数据业务信道则包括t c h f 9 6 ，t c h f 4 8 ，t c h h 4 8 ，t c h f 2 4 和t c 明2 4 等 几种类型。控制信道适用于传送信令或同步数据的信道，主要包括管玻信道 ( b c c h ) 、公共控制信道( c c c h ) 、专用控制信道( d c c h ) 。 北京交通大学硕士论文 2 、g s m 系统体系结构 g s m 系统由移动用户( m s ) ，网络子系统( n s s ) ，基站子系统( b s s ) 以及 网络管理子系统( m s ) 等网络单元组成。 g s m 系统主要接口是指a 接n ( n s s 与b s s 之间的通信接口) 、a 岫接d ( b s s 中两个功能实体基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 之间的通信接口) 、 u 。接口( m s 与b t s 之间的通信接口) g s m 系统结构如图2 1 所示： u m 接口a b i s 接口a n 口 v 广- 晶广：= _ m s i l：i l 啊 i - j v 如。厂l 卜却 v 强 l b t s l b s c l 。 移动台m s基站子系统b s s 网络子系统n s s 图2 - 1 g s m 系统主要接口 f i g 2 - 1t h em a i ni a t e r f a c eo fg s ms y s t e m 网络子系统n s s 主要进行用户数据管理，安全管理，呼叫管理和计费管理等 功能，同时提供与外部其他网络和系统之间的连接。无线子系统( b s s ) 主要提供 无线资源管理和基站设备管理等功能，它通过无线接口与移动用户的连接。网络 管理子系统( o s s ) 提供网络性能管理，故障管理和告警管理。移动用户( m s ) 使用s i m 卡负责完成呼叫功能。n s s 部分包括移动交换中心( m s c ) ，访问用户 位置寄存器( v u t ) ，归属用户位置寄存器( h l r ) ，移动设备标识存储器( e l r ) ， 鉴权中心( a u c ) 等网络单元。其中，m s c 负责完成呼叫和交换控制功能，h l r 进行用户静态和动态数据管理，e l r 进行设备号i m e i 的管理，a u c 负责进行用 户鉴权通常m s c 与v l r 之间的数据交换量较大，所以两者功能合一。h l r 也可 以与m s c 合设，但是为了便于实现多厂家设备之间的互连，h l r 通常独立存在。 无线数据传输方式 而e l r 则根据需要进行配置a u c 通常作为h l r 的一部分存在。b s s 部分包括基 站控制器b s c 和基站收发信机b t s 两部分。b s c 负责无线资源管理，b t s 负责 进行空中信息的收发和信道编，解码等功能。一个b s c 可以控制多个b t s 。 2 1 2 s m s 业务 短消息实体( s m e s ) n 通过短消息业务中心( s m 咖传送文本或者二进制数 据，各包的最大长度为1 4 0 个字节，即所谓的短消息。s m s 采用的是存储一转发模 式。 1 、s m s 业务的传输方式： g s m 网络采用无连接方式传播发送消息。s m s 是非对称业务，它使用信令信 道传输数据分组，所以即使在业务信道处于高峰期的情况下，也照样可以使用短 消息顺利通信，s m s 还可以实现全国和国际漫游。使用短消息业务的实体( 可以接 收或改善短消息) 可以位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。s m s c 是g s m 网络和其他固定的或者移动网络之间的交互单元，为短消息提供存储和转 发业务。短消息业务按其实现的方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消 息业务。点到点短消息业务是通过移动发起( m o ) 和移动终m m t ) 将一条短消息从 一个实体发送到指定目的地址的业务。 s m s 业务f l ：i e t s i ( t s 0 3 4 0 和t s 0 4 0 8 ) 定义。规范按照运作观点可以分为两个阶 段：第一阶段( p h a s e l ) ，只考虑移动终m m t ) 业务；第二阶段( p h a s e2 ) ，包含了上 面所捕述的所有业务。 通过使用广播无线信道和广播网络配置( s m s 蜂窝广播，t s0 3 4 1 ) 的支持， e t s i 提供了可以向多组移动无线终端发送广播消息的功能。如小区广播短消息业 务，是指通过发送消息的基站向指定区域中所有短消息用户发送短消息的业务。 2 、s m s 业务的基本传输特性： 首先，短消息的长度有限。g s m 的协议规范规定：s m s 消息的最大长度为1 4 0 个字节，如果发送的信息太长，则需要拆分成多个消息分段。但是，多媒体消息 业务( m m s ) 将去除简短消息长度受限的限制。从理论上讲，m m s 可以运行于任何 承载业务之上，但实际上可能要等到g p r s 、e d g e 或者3 g 出现之后才会流行开来。 其次，s m s 使用信令信道作为g s m 系统的传送信道。特别地，在移动单元打 电话时，s m s 使用的是慢速随路控制信道侣a c c h ) ；若移动单元未分配任何一个 传送信道，则使用独立专用控制信道( s d c c h ) 。从传输速率的角度考虑，这两种 信道都是馒信道。不同长度短消息在不同误码率的无线链路上的网络终端接入时 北京交通大学硕士论文 间和网络延时是不同的。例如，一条6 0 字节长的短消息从一个移动终端发往另一 个移动终端，使用的是s d c c h 信道，在平均无线传播条件下，在该消息到达一个 业务中心之前，须先等待3 2 秒，然后送往目的地址。若传播条件比较有利，则只 需要等待2 9 秒。对于g s m 。电路交换传送方式的实际的吞吐量远远低于理论上可 以达到数据传送标准。 3 、s m s 业务的应用： s m s 业务可以应用于远程监控系统中，收发端可以自行建立一个基于非连续 控制信息交换的逻辑连接。它具有很大的灵活性，不要求收发设备都工作于运行 状态，而且成本低廉，可以广泛应用于工业、水文、地质等数据采集的领域，具 有很大的市场潜力。 综上，s m s 毫无疑问是一项广泛增值业务和用户应用都需要的灵活的、通用 的业务。然而，使用s m s 可交换的信息量不大。简言之，从标准的角度考虑，不 能指望s m s 作为承载业务。g s m 技术委员会意识到了这个局限，并已经开始向 g p r s 进军。 2 2 利用g p r s 进行数据传输 2 2 1g p r s 概述 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 是g s m 网络为提供 真正的无线分组接入而设计的一项新业务，能够提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高 的数据率。是2 g 通信网络向3 g 通行网络的国度技术，被称作2 5 g 网络。g p r s 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。目前g p r s 通过升级g s m 网络实现，采用t d m a 方式传输 话音，采用分组的方式传输数据。 2 2 2g p r s 网络结构 g p r s 系统通过在原有g s m 系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据 业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户分配独立地址( 如 i p 或x 1 2 1 地址) ，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络到移动用户的端 到端的数据应用。 8 无线数据传输方式 为了实现数据承载，g p r s 系统引入了几种新的网络单元，如分组控制单元 ( p c u ) 、服务g p r s 支持节点( s g s 聊、网关g p r s 支持节点( g g s n ) 等网元设备，以 及其它辅助进行数据业务管理和应用的单元如域名服务器( d n s ) * 0 动态主机配置 协议( o h c p ) 服务器，网络时间协议( n t p ) ，计费网关( c g ) 等。g p r s 网络结构 基于g s m 系统实现，话音部分仍采用原先的基本处理单元，而对于数据部分则新 增了一些数据处理单元和接口。系统结构如图2 2 所示。 2 2 3g p r s 网络单元 图2 - 2g p r s 系统结构图 f i g 2 - 2c o n f i g u r a t i o no f g p r ss y s t e m g p r s 系统中新引入的网络单元可以区分为无线部分和数据部分两大类。其 中，p c u 属于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分，g g s n 则 完全属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在g p r s 系统中未定义，但在数据 网络中必不可少，从而也是g p r s 网络的一部分，如前述的d n s 、d h c p 以及网络 时间协议( n r p ) 服务器，认证与鉴权服务器( r a d i u s ) 等。 2 2 4g p r s 信令流程 g p r s 移动性管理主要包括g p r s 附着去附着，小区路由区更新，路由区位置 区更新等过程。通过附着去附着过程，m s 能够建立起与g p r s 网络的连接，而当 m s 在g p r s 系统中移动时，则通过小区路由区更新过程保证自身的位置为网络所 了解。这几个过程是不可分割的方面。g p r s 会话管理包括p d p 上下文激活去激活， f d p 上下文修改，s m s 收发和g p r s 业务挂起恢复等过程。 1 、g p r s 附着过程 北京交通大学硕士论文 移动用户进行g p r s 附着后才能获得g p r s 业务的使用权。在附着过程中，m s 将提供身份识别以及附着类型，身份标识包括临时移动用户识别码( p - t m s i ) 或 者国际移动用户识别码( 1 m s l ) 附着类型包括g p r s 附着以及g p r s i m s l 联合附 着两种。m s 通过附着过程登录到g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新以及发 起数据传送和接收过程，其附着过程如图2 3 所示。m s 在附着过程中，通过p c u 进 行接入控制和信道分配；通过s g s n 和h u 避行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签 约信息，最终在m s ，h l r 与s g s n 内部形成有关用户的移动管理信息( m m c o n t e x t ) 。m s 在未进行附着之前脱离g p r s 网络，处于空闲状态，不能进行任何数 据业务操作。附着之后用户得到临时身份识别号( t l l i ) ，并在m s 与s g s n 之间建 立起逻辑链路，变为就绪状态，可以进行p d p 上下文激活过程，进行i p 地址的申请。 图2 - 3g p r s 系统用户附着过程 f i g 2 - 3a t t a c h e d u r b e g p r ss y s t e mu s e r 2 、g p r s 去附着过程 g p r s 的去附着过程可以由m s 或者网络发起。去附着类型包括i m s i 去附着， g p r s 去附着和联合g p r s i m s i 去附着等3 类。 m s 发起的去附着过程如图2 - 4 所示。 图2 - 4m s 发起的去附着过程 弱g 2 - 4d e t a c h u r o fm s 无线数据传输方式 m s 去附着分为明确和含糊去附着的情况。明确去附着是网络或者m s 通过发送 去附着请求( d e t a c hr e q u e s t ) 信息明确去附着过程；而含糊去附着则是网络将m s 去激活后不通知m s ，只有在m s 的r e a c h a b l e 时限超时或者不可恢复的无线错误发生 后，逻辑链路才被释放。 网络发起的去附着过程分为两类：s g s n 发起的去附着过程以及h l r 发起的去 附着过程。 s g s n 发起的去附着过程如图2 5 所示。 图2 - 5s g s n 发起的去附着过程 f i g 2 - 5a t t a c h e dc o u r s eo fs g s n s g s n 通过去激活请求信息告知m s 已经被去激活。其中的去激活类别指示m s 是否需要重新发起附着和p d p 上下文激活过程。如果需要重新附着，附着过程将在 去激活完成后实现。s g s n 通过发送删除m s 相关的p d p 上下文请求信息n g g s n 请 求去激活p d p ，g g s n 通过删除p d p 上下文响应予以确认。如果m s 为i m s i 和g p r s 附着状态，贝i s g s n 发送g p r s 去激活指示信息到v l r 。v l r 去除与s g s n 的关联性 并不再通过s g s n 发送寻呼和位置更新信息。 h l r 也可以发起去附着过程如图2 6 。这样s g s n 中用户相关的移动性管理 ( m m ) 和分组数据协议( p d p ) 上下文信息都将被删除。 图2 - 6h l r 发起的去附着过程 f i g 2 - 6d e t a c hc o u r s eo f h l r 如果h l r 想要删除s g s n 中用户相关的m m 和p d p 上下文信息，h l e 将发送取 北京交通大学硕士论文 消位置信息到s g s n ，其中的取消类为s u b s c r i p t i o nw i t h & a w n 。s g s n 通过去激活 请求信息告知m s 己被去附着，其中的去附着类别表示m s 不用再重复新发起附着和 激活过程。s g s n 通过发送删除m s 相关的p d p 上下文请求信息到g g s n 请求去激活 p d p ，g g s n 通过删除p d p 上下文响应予以确认。如果m s 为i m s i 和g p r s 附着状态， s g s n 发送g p r s 去激活指示信息到v i _ r 。v l r 去除与s g s n 的关联性并不再通过 s g s n 发送寻呼和位置更新信息。m s 发送去激活接收信息到s g s n 。s g s n 通过取 消位置确认信息对h l r 予以确认。 3 、移动用户激活p d p 过程 p d p 指分组数据规程( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) ，p d p 上下文包含与某个接入网络 ( a p n ) 相关的地址映射以及路由信息。移动用户通过激活p d p 上下文得到动态地 址以随时通过g g s n 接入特定数据网络。 p d p 上下文激活过程如图2 7 所示。 图2 - 7g p r sp d p 上下文激活过程 f i g 2 7p d pc o n t e x ta d i v 埘o n u r o fg p r s m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ，s g s n 根据a p n ( 接入点名称，它 与特定的业务类型和企业网相关，例如c m n e t ) 判断可接入性，并通过d n s 得到 相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p d p 激活请求信息到g g s n ，由g g s n 控制 进行动态地址分配和接入认证过程。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n ，s g s n 与 g g s n 之间的q o s 协商通过，并且r a d i u s 认证过程能够通过，则m s 将得到i p 地址， 并在m s 与相应的s g s n 和g g s n 中形成m s 的相关p d p 上下文信息。 4 、g p r s 路由区更新 当附在g p r s 网络上的m s 长期停留在某个路由区或者进入新的路由区时，它 将发起路由区( r a ) 更新过程。路由区更新过程包括周期性r a 更新过程，同一s g s n 无线数据传输方式 内部的r a 更新过程，不同s g s n 之间的r a 更新过程，以及r m a 联合更新等过程。 跨s g s n 的路由区更新过程如图2 8 所示。 m s 从原先所在的s g s n 移动到新的s g s n 时，m s 发送路由区更新信息到新的 s g s n ，其中包含原先的r a i ，p - t m s i 信息，c s 连接存在标志，以及更新类型等信 息。同时s g s n 可以从小区表示信息中得到新的l a i 和r a i 信息，如果存在c s 连接， 则s g s n 将不发送位置更新请求信息到m s 口r ，也不更新m m 上下文中的瓜地 址信息。新的s g s n 根据r a i 信息从d n s 获得原先s g s n 的地址，并发送s g s n 2 下 文请求信息到原先的s g s n 获得m s 的m m 和p d p 上下文信息。如果p - t m s i 合法，则 原先的s g s n 将回送s g s n 上下文响应信息，保存新s g s n 的地址并根据此地址进行 数据的转发。如果用户有一个激活的p d p 上下文，则新的s g s n 将发送s g s n 上下 文确认信息到原先的s g s n ，以表明新的s g s n 准备好接收属于激活p d p 的数据包。 原先的s g s n 开始将缓存的p d u 信息传送到新的s g s n 。其他已发送到m s 但是尚未 予以确认的数据包也一起被转发。另外，原先的s g s n 在发送s g s n 上下文请求时 将启动计时器，如果计时器超时，就不在转发数据包。新的s g s n 发送包含新的 s g s n 地址，t i d 和q o s 的更新p d p 上下文请求信息到g g s n ，s g s n 进行p d p 上下 文更新并回送更新p d p 上下文响应信息。新的s g s n 发送包含s g s n 号，s g s n 地址， t i d 和i m s i 的更新位置信息到h l r ，进行h l r 中用户数据的更新。h l r 发送位置取 消信息到原有s g s n ，s g s n 予以回应确认。h l r 发送插入用户数据到新的s g s n ， s g s n 进行用户确认后，形成m m 上下文，并发送出用户数据响应信息。h l r 对新 的s g s n 进行位置更新确认。存在g s 接口时，s g s n 到m s c 进行位置更新。最后新 的s g s n 形成m m 和p d p 上下文，并对m s 发送路由区更新接收信息。如果分配了 p t m s i ，m s 将回送路由区更新完成信息。如果m s 鉴权失败，则黜w 过程将被拒 绝，新的s g s n 将发送拒绝指示到原先的s g s n ，原先的s g s n 将认为s g s n 上下文 请求信息不曾收到过。 北京交通大学硕士论文 图2 - 8s g s n 之间路由区更新过程 f i g 2 - 8u p d a t et h el o t l t eo f s g s n 2 2 5g p r s 与外部数据网问的连接 g p r s 系统通过g i 接入点与外部数据网相通，实现移动用户和外部数据网之 间信息的传送，如连接i n t e r n e t 实现h 删浏览，连接f r p 服务器进行文件传送等。 对于外部数据网的连接，g p r s 支持多种连接方式，一般采用基于i p 规程的连接 方式和基于p p p 规程的连接方式。进行口规程连接时，g g s n 需要支持口规程， 并作为路由器实现网络问的口连接。进行p p p 连接时，g g s n 除了需要支持妒 规程外，还需要支持p p p 规程以及其他基于n c p 的应用规程。 g p r s 的公众陆地移动网( p l m n ) 提供到i n t e m e t 的透明接入和非透明接入 两种连接方式。采用g p r s 透明接入时，鉴权只在无线接口上通过h l r 和s g s n 与m s 进行，不进行用户的网络接入鉴权。m s 在发送激活p d p 请求时不发送任 何鉴权信息，g g s n 也无须参加用户的鉴权和认证过程。g p r s 运营商对g p r s 用 户提供公有口地址。如果采用d h c p 服务器进行动态地址的分配，则g g s n 将进 行到d h c p 服务器的请求信息的转发并对m s 回送响应信息。采用g p r s 非透明 接入时，g g s n 将根据p d p 激活请求中的用户鉴权请求信息，协同因特网服务提 无线数据传输方式 供商( i s p ) 进行r a d i u s 鉴权，m s 将获得i s p 或企业内部的动态或静态私有地址， 并负责g p r s 网络与i s p 的数据链路建立和数据传送工作。 2 3 利用3 g 进行数据传输 所谓3 g ，其实它的全称为3 r dg e n e r a t i o n ，中文含义就是指第三代数字通信。 是能将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。能够处 理图像、音乐、视频形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务信息服务。无线 网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中 能够分别支持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度。 3 g 的主要特点如下i s ： ( 1 ) 世界范围内高度共同性的设计 ( 2 ) 多媒体应用能力，多种业务能力和多种终端 ( 3 ) 实现全球覆盖和全球无缝漫游 ( 4 ) 具有较