（通信与信息系统专业论文）适用于3g网络的视频监控系统关键技术研究.pdf

一 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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r 作所取 得的成果。除文中已经注明引川的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已住文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 藕良军日期：加f o 年r 月r 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南人学关丁收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部fj 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。本人授权海南人 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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人住导师指导。卜完成的论文成果，知识产权l 门属海 南人学。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名： 日期：ki o 年 荔良军 f 月f 日 锣编 导师签名：7 厂7 日期：7 , o 夕年j f ：目占日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论 文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关 论文作者签名：籍吝葺 日期：沙协年1 - 月，日 竹扫办磊 导师签名：乡。” 日期：7 , , a m t 月易日 川9 3帅989 ，iiiily 海南人学硕：仁学位论文 摘要 摘要 随着通信技术、多媒体技术和嵌入式技术的飞速发展，视频监控进入网络化、智能 化时代。3 g 网络覆盖的同趋完善，尤其是移动网络带宽的增加，对适用于3 g 网络的无 线视频监控系统的研究已经成为嵌入式开发领域的热门话题。相比于传统视频监控系 统，它具有组网方便、可远程监控、可扩展性强等优点。 基于这一发展方向，本文对适用于3 g 网络的视频监控系统的几个关键技术进行了 讨论，包括视频图像的采集、c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 无线网络拨号上网的实现和视频图 像的传输和接收。在深入研究a r m 处理器和l i n u x 操作系统的基础上，设计了一个基 于三星公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 和l i n u x 操作系统的视频图像监控系统，实现了 b s 结构的有线局域网、广域网和c s 结构的3 ge v - d o 网络对视频终端的监控。系统 分为服务器端和上位机客户端。 本文首先对背景知识和相关技术进行了简要介绍，然后给出了系统硬件电路的设计 思想以及软件的实现方法，接着描述了嵌入式l i n u x 开发坏境构建过程。详细阐述了利 用v 4 l 的a p i 函数采集摄像头j p e g 图像、运用a t 指令完成中兴无线模块m c 8 6 3 0 的 c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 拨号上网、基于t c p 协议的s o c k e t 视频图像网络传输模块的实现。 文中提供了系统运行的效果图，指明了存在的不足和改进思想。 本文对适用于3 g 网络的视频监控系统关键技术的研究是一次有意义的尝试，为进 一步研究打下了良好的基础。经实验测试设计的系统可以稳定持久运行，达到了设计的 要求。 关键词：3 g ，c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ，视频监控，嵌入式系统 海南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i aa n d e m b e d d e dt e c h n o l o g y , v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sg o i n gt ot h en e t w o r k ，i n t e l l i g e n t d i r e c t i o n 3 gn e t w o r kc o v e r a g ei sb e c o m i n gm o r ep e r f e c t ，e s p e c i a l l ym o b i l en e t w o r k b a n d w i d t hi n c r e a s e s ，t h er e s e a r c ho nv i d e om o n i t o rs y s t e mf o r3 gn e t w o r kh a s b e c o m eah o tt o p i ci nt h ef i e l do fe m b e d d e dd e v e l o p m e n t i th a ss o m ea d v a n t a g e st h a t a r ee a s yn e t - b u i l d u p ，a b l e r e m o t e - m o n i t o r i n ga n de a s yt ob ee x t e n d e dc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h e k e yt e c h n o l o g i e so fv i d e om o n i t o rs y s t e mf o r3 g n e t w o r k ，i n c l u d i n g v i d e o g a t h e r i n g ，t h ed i a l u p i n t e m e ta c c e s s p r o c e s s f o r c d m a 2 0 0 0lxe v - d o ，t h ei m p l e m e n to fv i d e oi m a g et r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ， a n dt h e nd e s i g nav i d e oi m a g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dp l a t f o r mo f a r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0a n dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o s e r v e r - s i d ea n dc l i e n t - s i d e ，a n dr e a l i z e st h ev i d e om o n i t o rs y s t e mo faw i r e db s s t r u c t u r ea n daw i r e l e s sc ss t r u c t u r eb a s e do n3ge v 二d on e t w o r k f i r s t l y , t h ep r o j e c t sb a c k g r o u n da n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s a r ei n t r o d u c e d b r i e f l y s e c o n d l y , t h ed e s i g no ft h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n i s p r o p o s e d t h e n t h e p r o c e s s o f b u i l d i n g e m b e d d e dl i n u x d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sd e s c r i b e d i nt h ep a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g i e so fv i d e o m o n i t o rs y s t e mf o r3 gn e t w o r ka r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l ，s u c ha st h eu s b d i g i t a l c a m e r ad r i v e rr e a l i z a t i o na n dh o wt ou s ev 4 la p if u n c t i o n st or e a l i z ev i d e og a t h e r i n g ， t h ed i a l - u pi n t e m e ta c c e s sp r o c e s so fz t ew i r e l e s sm c 8 6 3 0m o d u l ef o rc d m a 2 0 0 0 lxe v - d ob ya tc o m m a n d s ，t h ei m p l e m e n to fv i d e oi m a g et r a n s m i s s i o nt h r o u g h t c pp r o t o c 0 1 l a s t l y , t h er u n n i n gr e s u l t so ft h es y s t e ma r ep r o v i d e d ，t h ep a p e ra l s o p r o p o s e st h ew a y o f p e r f e c t i n ga n di m p r o v i n gf u r t h e r t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fv i d e om o n i t o rs y s t e mf o r3 gn e t w o r ki s m e a n i n g f u l a n dl a y sag o o df o u n d a t i o nf o r f u r t h e rr e s e a r c h t h es y s t e mr u n s l o n g - t i m ea n ds t a b l ei ne x p e r i m e n t a lt e s ta n di tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：3 g , c d m a 2 0 0 0lxe v - d o ，v i d e om o n i t o r , e m b e d d e ds y s t e m i i 海南人学硕+ 学位论文目录 目录 1 绪 仑1 1 1 课题研究背景1 1 2 视频监控技术的现状及发展1 1 3 课题研究的目标和主要内容2 2 相关技术介绍4 2 1 嵌入式系统概况4 2 1 1 嵌入式系统简介4 2 1 2 嵌入式系统的现状及发展方向4 2 2c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 系统概述5 2 2 1c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 基本网络模型6 2 2 2e v - d o 协议栈模型9 2 。3p p p 协议1 ( ) 2 4l i n u x 下的s o c k e t 编程1 1 2 5j a v aa p p l e t 技术1 2 2 6n a t 技术13 3 系统运行平台的构建1 5 3 1 视频监控系统组成1 5 3 2 系统硬件开发平台1 6 3 2 1 嵌入式微处理器1 6 3 2 2e v - d o 无线模块1 8 3 3 系统的软件层次结构1 9 3 4 嵌入式l i n u x 开发环境的构建2 0 3 4 1 交叉编译环境建立2 0 3 4 2 引导程序b o o t l o a d e r 移植2 1 3 4 3l i n u x 内核移植2 2 3 4 4 构建y a 凰根文件系统2 2 4 视频图像采集模块的实现2 4 4 1u s b 摄像头选择及驱动加载2 4 4 2 基于v i d e 0 4 l i n u x 的图像采集模块实现2 5 4 2 1v i d e 0 4 l i n u x 简介2 6 4 2 2v i d e 0 4 l i n u x 支持的数据结构及用途2 6 4 2 3 图像采集模块的具体实现2 8 5c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 网络接口实现3 3 5 1a t 指令3 3 5 2e v - d o 网络连接过程3 3 1 1 1 海南人学硕+ 学位论文目录 5 3 无线模块功能测试3 5 5 4l i n u x 下拨号上网功能实现3 5 6 视频监控图像传输单元设计4 1 6 1 有线网络视频图像传输实现4 l 6 1 1 视频流网络发送模块4 2 6 1 2 采集线程与传输线程同步4 4 6 1 3 嵌入式w e b 视频服务器一4 6 6 1 4j a v aa p p l e t 设舌卜4 8 6 1 5 系统的运行5 l 6 2 无线网络视频图像传输实现5 3 6 2 1 服务器端实现5 3 6 2 2 客户端实现5 5 6 2 3 系统的运行5 6 7 总结与展望5 9 7 1 全文总结5 9 7 2 下步工作展望5 9 参考文献6l 硕士期间发表论文和参加科研情况6 4 后记6 5 i v 海南人学硕： ：学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机网络、图像处理和移动通信等技术的飞速发展，视频监控系统已 经进入i p 监控时代，以硬盘录像机为代表的监控设备己无法满足人们随时随地 获取信息的需求。现有的视频监控系统逐渐暴露被动性、固定性、非智能性等 缺点【2 1 1 3 1 。智能移动视频监控将成为安防的新目标【4 1 。通过优化网络结构，按需 调整视频内容及编码方式，采用智能预警及目标捕获和跟踪等图像处理技术，结 合信源与信道、信道与终端联合控制等调整方式保证了移动监控实时性的同时满 足智能监控的要求【5 】。伴随3 g 网络覆盖的同趋完善，尤其是移动网络带宽的增 加及移动终端的普及，基于3 g 无线网络的视频监控必将为人们生活带来方便。 1 2 视频监控技术的现状及发展 自从自动摄像机、闭路电视等出现后，模拟视频监控系统也随之出现，并经 过较长时问的发展，已经非常成熟，在实际工程中得到了非常广泛的应用。然而 随着人们生活水平提高，对监控的要求越来越严格，尤其是在网络化的当代，模 拟监控系统的缺点和弊病暴露出来，并越来越难以适应技术和需求的发展【z j 。首 先模拟视频监摔系统受到线路的限制，不能长距离布线，限制了其应用范围。其 次可扩展能力差，模拟信号易受干扰，且监控图像质量不好。再次监控信息量大， 受存储设备的制约，存储成本高。 随着计算机的普及应用，网络通信技术及图像压缩处理技术的快速发展，数 字化和网络化成为视频监控领域的一种趋势【5 】【6 】。上世纪术，基于p c 的数字化 网络视频监控系统迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核 心，辅以其他设备的模拟视频监控系统。数字化的视频通信在图像质量、传输距 离、抗干扰能力等方面都要优越于传统的模拟视频通信系统，并且数字图像处理 更加方便。因此，基于计算机的数字化网络视频监控系统逐渐取代了传统的模拟 视频监控系统。但是基于计算机的数字化网络视频监控系统也存在明显的缺陷， 它必须选用专用的图像压缩与解压缩视频卡，使得视频采集设备过于复杂，系统 稳定性和可靠性都不高，且成本较高。 进入2 1 世纪，嵌入式技术、多媒体图像处理技术的进一步发展，为嵌入式 网络视频监控系统的发展提供了技术条件【7 】【引。嵌入式系统是指以计算机技术为 基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁，适应系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。它以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为核 海南大学硕+ 学位论文l 绪论 心，主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件 等部分组成。嵌入式系统具有与一般计算机系统不同的特点和要求，是计算机技 术、半导体技术及机械技术等和各个行业具体结合的产物，是一个技术密集、不 断创新的高集成度的知识集成系统。它系统专用性强，软硬件结合紧密，系统资 源有限，在体积、功耗和配置等方面有明显约束。系统工作可靠性强，应用十分 广泛。 嵌入式网络视频监控系统可以提供友好的用户接口，操作界面简单易用，用 户在世界的任何地方都可以通过网络来监控前端现场1 9 j 。前端数字视频d s p 芯 片处理能力的不断增强，使盟控点的图像可进行数字化、高压缩比的码流化。嵌 入式操作系统的应用，使得视频监控系统集成了网络传输功能，支持多种网络协 议，具备嵌入式w e bs e r v e r 功能，可以通过浏览器远程访问，并可以通过浏 览器设置参数，实时监控视频信号【1 0 】【i i 】。 目前，国外的数字视频监控技术j 下朝着多元化和网络化方向发展，技术水平 较高的是美国、以色列等国。其中由于美国在集成电路、数字通信和图像压缩技 术上的优势和长期的积累，在这一领域处于明显的领先地位。国内视频监控技术 水平比国外要相对落后一些。首先，受i c 集成电路设计制造水平的限制，目前 国内还没有自主版权的视频编码压缩专用芯片；另外，在数字视频采集压缩的板 卡产品中，国内市场也大多数是进口产品；其次，国内从事视频监控系统开发具 有代表性的公司，其产品与国外先进水平相比，也存在以下几方面明显的差距， 表现在：系统可靠性差、功能弱；视频数字化处理关键基础件对国外公司依赖性 强；多画面视频播放器效率低，影响远程监控的图像清晰度和质量；网络传输实 时性和视频流系统复合同步性较差。 伴随着3 g 的商用，无线视频监控和移动监控业务大大扩展了监控行业商用 市场空间。以电信最新l xe v - d or e v a 为例，用户反向链路得到了质的飞跃， 应用增量传送及灵活分组长度的结合，以及h y b r i d a r q 和更高阶调制等技术在 反向链路的引入，链路从原来的1 5 3 6 k b p s 提升到1 8 k b p s ，上行业务远大于下行 业务【l2 1 ，反向链路的提升，无疑很大程度上帮助了无线视频监控技术的实现， 采用3 g 技术的视频监控成为监控市场的大势所趋。 1 3 课题研究的目标和主要内容 本课题对适用于3 g 网络的视频监控系统关键技术进行了研究，包括视频图 像的采集、3 ge v - d o 网络拨号上网的实现和视频图像的传输。课题设计了一个 以嵌入式微处理器为核心的嵌入式网络视频图像监控系统，实现了有线局域网、 广域网的网络视频流监控和通过3 ge v - d o 网络对视频终端的无线图像监控。其 海南人学硕十学位论文1 绪论 中有线监控采用b s 结构和流媒体技术，3 g 网络无线监控采用c s 结构。 本文的具体结构安排如下： 第一章概述了本课题研究的背景，视频监控的研究现状，并对全文的结构安 排做了介绍。 第二章介绍了涉及到适用于3 g 网络的嵌入式视频监控系统的重要技术知 识，包括嵌入式技术，3 g 移动通信技术，从c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 的基本网络 模型和协议栈模型两个方面对e v - d o 系统进行了概述。并介绍了涉及到的重要 i e t f 协议一p p p 协议，l i n u x 下的网络编程，j a v a a p p l e t 技术和n a t 技术。 第三章论述了系统运行平台的构建，包括视频监控系统组成、系统硬件开发 平台、系统的软件层次结构和嵌入式l i n u x 开发环境的构建。 第四章详细叙述了适用于3 g 网络的视频监控系统关键技术之一，即视频图 像的采集模块的具体实现过程，包括u s b 摄像头驱动加载和调用v 4 l 编程接口 实现视频图像采集。 第五章对c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 网络接口的实现过程进行了介绍，该部分也 是通过3 g 网络传输视频图像成功的关键，重点在于l i n u x 无线拨号上网的实现。 第六章介绍了关键技术视频图像传输单元的设计，包括b s 结构的有线 传输和c s 机构的无线传输过程。对于有线传输，重要模块有视频图像网络发送 模块实现、嵌入式w e b 视频服务器的搭建、j a v a a p p l e t 小程序的实现、视频监 控主页面的编写。对于无线部分，重要在于服务器端的图像发送和客户端的c 撑 视频图像接收和显示。该章的最后给出了系统运行结果的截图。 第七章是对当前工作的总结，针对不足之处提出还有待改进的地方和今后进 一步做研究的展望。 海南大学硕十学位论文 2 相关技术介绍 2 相关技术介绍 本章对适用于3 g 网络的嵌入式视频监控系统涉及的相关技术进行的简单介 绍，主要包括嵌入式系统、3 g ( c d m a 2 0 0 01 xe v d o ) 移动通信技术、p p p 协 议、l i n u x 下的s o c k e t 网络编程、j a v aa p p l e t 技术和n a t ( 网络地址转换) 技术。 2 1 嵌入式系统概况 2 1 1 嵌入式系统简介 随着微处理技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部 分。嵌入式系统的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统【1 3 】。大体上看，嵌入式系统与通用型计算机系统相比具有及时响应，并发处 理，专用紧凑，健壮可靠，多样性，技术密集等优点【l3 1 。 嵌入式系统通常由嵌入式硬件平台( 包括嵌入式处理器、嵌入式外围设备) 、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件几个部分组成【l4 1 。嵌入式处理器当前主要采 用3 2 位嵌入式c p u ，主流系列有a r m ( 包括i n t e l 公司的s t r o n g a r m 和x s c a l e ) 、 m i p s 和s h 三大系列，嵌入式系统c p u 另一类型为d s p 。系统组成框图如图 2 1 所示。 嵌入式应川软什 嵌入式操作系统 嵌入式处理器嵌入式外罔设备 嵌入式硬件平台 图2 1 嵌入式系统组成框图 2 1 2 嵌入式系统的现状及发展方向 嵌入式系统无所不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备：掌上p d a 、 移动计算机设备、上网手机、多媒体、蜂窝式电话等等。越来越多的设备需要复 杂的嵌入式操作系统，为了适应嵌入式设备的复杂性和多样性，缩短其开发周期， 嵌入式操作系统应运而生。 在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。通常，对嵌 4 海南人学硕十学位论文2 相关技术介绍 入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。 随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了相应的变 化，主要有以下几点【1 5 】： 1 、操作系统的支持 嵌入式系统覆盖面很广，主要由具体应用决定的，简单的嵌入式系统只是一 个控制循环，没有操作系统。当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作 系统来支持，否则，应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可 靠性都难以保证。 2 、多任务且具有实时性 在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少，仅仅通过提高处理器速 度无法达到目的，因此要求嵌入式系统软件必须具有多任务调度能力。 3 、强大联网功能 嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与i n t e r n e t 相连，给系统提出了很多要 求。系统不仅需要支持t c p i p 协议和相关实用程序，而且需要处理安全认证和 访问控制问题。 4 、窗口交互功能 现在很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供类似于xw i n d o w 或者 m i c r o s o f tw i n d o w s 的窗口交互系统。由于嵌入式系统越来越追求智能化、数字 化和网络化，要达到“三化”的要求，整个系统必须是开放的且提供标准的a p i ， 并能方便的与众多的第三方软硬件沟通。在这方面，l i n u x 操作系统具有得天独 厚的优势。 2 2c d m a 2 0 0 0lxe v - d o 系统概述 c d m a 2 0 0 0 是美国向l t u 提出的第三代移动通信空中接口标准建议， 是 i s 9 5 向3 g 演进的技术体制方案。从c d m a o n e 向3 g 演进的路径为：i s 9 5 a ， i s 9 5 b ，c d m a 2 0 0 01 x 和c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 。c d m a 2 0 0 0 标准的技术细节 主要由3 g p p 2 组织完成i 酬。 c d m a 2 0 0 0 的第一阶段是c d m a 2 0 0 01 x ，其容量可以达到c d m a o n e 的 1 5 倍。由于无线i n t e m e t 高速分组业务需求不断增长，c d m a 2 0 0 01 x 已不能完 全满足业务发展的需要。在c d m a 2 0 0 01 x 基础上，3 g p p 2 制定了c d m a 2 0 0 01 x 的增强标准，分为两个分支：l xe v - d o 和l xe v - d v 。在l xe v - d v 中，数据和 话音共用一个载波；在l xe v o d o 中，采用独立载波传输高速分组数据【1 7 】。 与c d m a 2 0 0 01 x 相比，l xe v - d o 在无线传输技术上进行了许多革新，这 在前向链路上体现的尤为突出。在前向链路上，l xe v - d o 的革新主要体现在时 海南人学硕士学位论文2 相关技术介绍 分复用、虚拟软切换、智能调度算法、自适应编码调制、h a r q 等；在反向链 路上，l xe v - d o 增加了自适应调制、辅助导频、速率控制和h a r q 等1 引。这 些新的技术使得l xe v - d o 的分组数据接入能力得到大大提高。 2 2 1c d m a 2 0 0 0lxe v - d o 基本网络模型 c d m a 2 0 0 0l xe v o d o 网络可以看做是多个逻辑实体及其相关接口的组合。 逻辑实体表示某种功能或功能集合，与实现方式无关。不同逻辑实体之间通过接 口相连并通过接口协议进行通信，接口协议则定义了与之相连的逻辑实体之问进 行通信的规则和信令集合。 l xe v - d o 网络参考模型如图2 2 所示【1 9 】，它由分组核心网( p a c k e tc o r e n e t w o r k ，p c n ) 、无线接入网( r a d i o a c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 和接入终端( a c c e s s t e r m i n a l ，a t ) 三部分组成。p c n 通过p i 接口与外部i p 网络( 如因特网) 相连， r a n 通过a 接口与p c n 相连，a t 通过空中接口或u m 接口与r a n 相连。 e v - d o 网络外部网络 厂 厂 接入终端 ( a t ) u m 无线接入网 ( r a n ) a 分罨p 核c n ：；j ；：网h ! = ! 兰 () l i 图2 2l xe v - d o 网络结构 1 、接入终端 接入终端包括移动设备( m o b i l ee q u i p m e n t ，m e ) 和用户识别模块( u s e r i d e n t i t ym o d u l e ，u i m ) 两部分，是为用户提供数据连接的设备。m e 由终端设 备2 ( t e r m i n a le q u i p m e n t2 ，t e 2 ) 和移动终端2 ( m o b i l e t e r m i n a l2 ，m t 2 ) 组 成。接入终端结构参考模型【1 9 11 2 0 1 如图2 3 所示。 接入终端 图2 3 接入终端结构参考模型 u i m 作为用户数据和签约信息的存储及处理模块，通过u i m m t 2 接口与 m t 2 相连，该接口作为接入终端内部接口，取决于设备实现。m t 2 作为网络通 海南人学硕十学位论文2 相关技术介绍 信设备，通过u m 接口与r a n 相连。t e 2 作为数据终端处理设备，通过r m 接 口与m t 2 相连。u m 是a t 与r a n 之间的无线链路协议接口，为分组数据业务 及信令消息提供可靠、高效的无线传送通道。r m 是m t 2 与t e 2 之间的接口， 它有两种协议模型：中继层协议模型和网络层协议模型。 2 、无线接入网 r a n 提供p c n 与a t 之间的无线承载，传送用户数据和非接入层面的信令 消息，a t 通过这些信令消息与p c n 之间进行业务信息的交互。r a n 主要负责 无线信道建立、维护和释放，并进行无线资源管理和移动性管理。 r a n 参考模型【1 9 1 如图2 4 所示，它主要包括接入网( a c c e s sn e t w o r k ，a n ) 、 分组控制功能( p a c k e tc o n t r o lf u n c t i o n ，p c f ) 和接入网鉴权授权计费 ( a n a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n da c c o u n t i n g ，a n 。a a a ) 等功能实体。 r a n i j m 广 a t ：接入终端 a n ：接入网 p c f ：分组控制功能实体 a n a a a ：接入网鉴权、授权及计费服务器 p d s n ：分组数据j i k 务节点 a a a ：鉴权、授权及计费服务器 图2 4 无线接入网参考模型 a n 是在分组网( 主要为凶特网) 和接入终端之间提供数据连接的网络设备， 完成基站收发、呼叫控制和移动性管理功能。a n a a a 经a 1 2 接口与a n 交换 接入鉴权的参数及结果，是接入网执行接入鉴权和对用户进行授权的逻辑实体。 p c f 与a n 配合完成与分组数据业务有关的无线信道控制功能。a 8 a 9 是连接 a n 与p c f 的接口，a n 与p c f 之间是一对或一对多的关系。a 9 接口承载信 令业务，a 8 接口承载用户的数据业务。p c f 支持a 8 连接在不同a n 之问的切 换。a 1 0 接口用来传送用户数据业务，a 1 1 接口用来传送信令消息。a 1 2 接口采 用基于u d p i p 的协议栈结构，应用层采用远程认证拨号接入服务( r a d i u s ) 协议，传送对用户的接入鉴权、授权及计费等信令消息。a 1 3 是不同a n 之i 、日j 的 信令接口。 3 、分组核心网 海南大学硕+ 学位论文 2 相关技术介绍 p c n 逻辑实体主要包括p d s n 与a a a 。a a a 可以分为三类：归属地a a a ( h o m e a a a ，h a a a ) 、拜访地a a a ( v i s i t e d a a a ，v a a a ) 及代理a a a ( b r o k e r a a a ，b a a a ) 。当使用简单i p 时，p c n 主要包含p d s n 及a a a 等功能实体； 当使用移动i p 时，p c n 增加了外地代理( f o r e i g n a g e n t ，f a ) 和归属代理( h o m e a g e n t ，h a ) 等功能实体。 采用简单i p 接入时，接入业务提供者( a c c e s ss e r v i c ep r o v i d e r ，a s p ) 在 事先设定的网络域中为a t 统一分配i p 地址。其中p - p 是相邻p d s n 之间的接 口；p i 是p c n 与因特网的接口。 u m a 1 0 a 1 1 目标服务网络 图2 5 采用简单i p 时p c n 的协议参考模型 图2 - 6 采用移动m 时p c n 的协议参考模型 采用简单口时p c n 的协议参考模型【1 9 】如图2 5 所示。当采用移动i p 接入 海南人学硕士学位论文2 相关技术介绍 时，a t 在全网保持固定i p 地址，由归属网络而非a s p 为其分配i p 地址。在移 动i p 情况下，p c n 协议参考模型一】如图2 - 6 所示。其中，f a 和h a 分别执行外 部代理和归属代理的功能，f a 功能可以由拜访地p d s n 提供。 从网络结构上看，l xe v - d o 与c d m a 2 0 0 01 x 基本上一致，两者的主要差 异在于l xe v - d o 是数据业务专用网络，不支持电路型语音业务，不存在电路核 心网。 。 从接口协议上看，l xe v - d o 定义了新u m 接口协议，其a 接口功能及通信 协议与c d m a 2 0 0 01 x 大致相似，核心网内部接口协议及与外部i p 网络之间的 接口协议与c d m a 2 0 0 01 x 也基本一致，都遵从c d m a 2 0 0 0 无线i p 网络标准中 的有关规定。 2 2 2e v - d 0 协议栈模型 e v - d o 空中接口协议栈结构【1 9 】如图2 - 7 所示，从下往上依次为物理层、m a c 层、安全层、连接层、会话层、流层和应用层。 缺省信令应用信令网络协议缺省分组应用流控协议 应心层 l 信令链路协议il 无线链路协议il 位置更新协议i 流协议流层 会话管理协议地址管理协议会话配置协议会话层 无线链路管理初始化状态协议空闲状态协议迎接状态协议 迩接层 分组合并协议路径更新协议开销管理协议 安全协议密钥交换协议鉴权协议加密协议安全层 控制信道前向业务信道 接入信道反向业务信道 m a c 层 m a c 协议 m a c 协议m a c 协议m a c 协议 i 物理层协议 l 物理层 图2 7 空中接口协议栈结构 海南大学硕+ 学位论文2 相关技术介绍 物理层规定了前反向物理信道的结构、输出功率、数据封装、基带及射频处 理和工作频点等；m a c 层完成对物理信道的访问控制；安全层完成c r y p t o s y n c 生成、密钥交换、数据加密和空口鉴权等；连接层完成系统的捕获、连接的建立 维持释放、连接状态下移动性管理和链路控制，以及对会话层数据分组的复用 和对安全层数据分组的解复用；会话层完成空口会话的建立、维持和释放；流层 对应用层数据流和信令流打q o s 标识，将单个或多个应用流( f l o w ) 合成为流 层的径流( s t r e a m ) ；应用层完成分组应用和信令应用数据分组的收发及其控制。 2 3p p p 协议 l xe v - d o 分组核心网逻辑实体及相关接口基于i e t f 协议集f l9 j 【2 l 】，比如 p p p 、i p s e c 、i k e 、移动i p 、隧道协议、传输协议( 如t c p 、u d p ) 、r a d i u s 协议等。本节简单介绍p p p 协议。 p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l ，点到点协议) 是为在对等网络单元之间传输数 据包而设计的链路层协议。这种链路提供全双工的操作，并按照顺序传递数据包。 p p p 的优点是协议简单，具备用户验证能力，可实现灵活计费及动态分配i p 地 址以节约紧张i p 资源。p p p 协议适合无线分组网传送，用于传送不同q o s 业务 分组，p p p 的链路丌销低，能提供用户和业务的鉴权功能。p c n 中，p p p 连接 a t 与p d s n ，p d s n 作为n a s 使用。 p p p 数据帧的格式【l 州如图2 8 所示。p p p 帧以标志字符0 l l1 11 1 0 丌始和结束， 地址字段长度为1 字节，内容为标准广播地址1 1 1 1 1 1 1 l ，控制字段为0 0 0 0 0 0 1 1 。 协议字段长度为2 个字节，它的值代表其后数据字段所属的网络层协议，比如： 0 x 0 0 2 1 代表i p 协议，0 x c 0 2 1 则代表l c p 数据，0 x 8 0 2 1 代表n c p 数据等。数据 字段包含协议字段中指定协议的数据报，长度为o 1 5 0 0 字节。c r c 字段为整 个帧的循环冗余校验码，用于检测传输中可能出现的数据错误。 i 标j 盏地址控制 数据标忠 协议c r c 7 ef f0 3 ( 1 5 0 0 字节) 7 e 图2 8p p p 数据帧格式 p p p 由三部分组成1 2 2 j ：种在串行封装数据报的方式、扩展连接控制协议 l c p 和用来建立和配置不同网络层协议的家族网络控制协议n c p 。封装方案由 内核驱动代码来提供。p p p d ( p p pd a e m o n ) 提供基本的l c p ，认证支持，建立和 配置i p 的网络控制协议n c p 。一个p p p 会话分为四个步骤：连接建立、连接质 量控制、网络层协议配置、连接终止。p p p 提供密码认证协议( p a p ) 或邀请握 海南人学硕十学位论文 2 相关技术介绍 手认证协议( c h a p ) 用来保证连接的安全。具体的状态转移过程如图2 - 9 所示。 图2 - 9p p p 协议状态转移图 2 4lin u x 下的s o c k e t 编程 套接字( s o c k e t ) 【2 3 】 2 4 1 是同一台主机应用层与传输层之间的接1 2 1 。i n t e r n e t 套接字有三种不同的类型：流套接字( s o c ks t r e a m ，用于提供面向连接、 可靠的数据传输服务) 、数据报套接字( s o c kd g r a m ，提供了一种无连接的 服务) 、原始套接字( s o c kr a w ，可以读写内核没有处理的i p 数据包，如果要 访问其他协议发送数据必须使用原始套接字) 。应用层通过传输层进行数据通信 时，t c p 或u d p 可能会同时为多个应用程序进程提供并发服务，为了区别不同 的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与t c p i p 协议交互提 供了称为套接字( s o c k e t ) 的接口。l i n u x 支持多种套接字( 即s o c k e t ) ，它既适 用于一般的进程问通信，也适用于网络环境的进程通信。 u d p 协议是无连接的数据通信协议，由于u d p 协议没有建立连接的过程， u d p 协议通信效率要高于t c p 协议，但是u d p 协议没有可靠性保障。本课题在 传输层用的是t