（电力系统及其自动化专业论文）车载定位导航系统中通信功能的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nv e h i c l e p o s i t i o na n d n a v i g a t i o ns y s t e m m a j o r ：p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：z h u a n gy a h p r o f e s s o r ：t i a ny u a n - f u a sab r a n c ho fi t s ，t h ev e h i c l ep o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e mi nd e v e l o p e d c o u n t r i e sh a sb e e nc a r r i e dt 0r e s o l v et h es e r i o u st r a f f i cp r o b l e ma n da c q u i r e dg r e a t a c h i e v e m e n t b u ti nc h i n a , t h er e s e a r c hj u s tb e g i n si nr e c e n ty e a r sb u ti tw i l lr e a c h i t sh i 曲t i d eb e c a u s eo f t h e2 0 0 8o l y m p i c si nb e r i n g i nt h ec o n v e n t i o n a lv e h i c l e p o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e m ，t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np a r ti sa l w a y sas c a b r o u sp r o b l e m t h ef o r m e rt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e s ， s u c ha s b r o a d c a s t i n gs t a t i o n , t r u n k i n g s y s t e m , s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n s , g s ms m s ，a r en o tp e r f e c ti nt h ea p p l i c a t i o n t h ef a c ti st h a tt h e s e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa r ea l w a y sl i m i t e db ys om a n yf a c t sl i k ec o m m u n i c a t i o n a r e a , e x p a n s i v ec o s t , c o m p l i c a t e dt e c h n i q u e , t r a n s m i s s i o nd e l a y , d a t as p e e d , r e l i a b i l i t ya n ds oo n t h u st h e yc a n tm e e ta l lt h er e q u i r e m e n t so fd a t a c o m m u n i c a t i o ni nv e h i c l e p o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e m w h e r e a s an o v c l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lg p r si si n t r o d u c e dt os o l v et h e 扛a n s m i s m o np r o b l e mh e r e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ei n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e so ft h eg p r sn e t w o r k i t c o v e r sw i d ea n dt r a n s f e r sd a t ai n h i g hs p e e d ；”a l w a y so n l i n e ”；a l l o w sa n o n - e x p e n s i v et r a m m s s i o na n da c o s tr e l a t e dw i t ht h ea m o u n to fd a t at r a n s m i t t e d n 地d a t at h r o u g ht h eg p r sn e t w o r ki sb o t hs t e a d ya n dr e l i a b l e t h e s ea d v a n t a g e s m a k ei tf i tf o rt h ef r e q u e n t , d i s c o n t i n u o u sa n dd i s t r i b u t e dd a t af l o wl i k ei nv e h i c l e p o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e m a tf i r s t ，t h em a i np e r f o r m a n c eo f s e v e r a lt y p e so f g p r sm o d u l ei sc o m p a r e di n t h i s p a p e r a n dt h e e x c e l l e n tm c 5 5i ss e l e c t e da so u rd e s i g np o i n t s e r i a l c o m m u n i c a t i o no nw i n d o w sc ei sa p p l i e dt od e s i g nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n l i l j i 1 、等睁 学论文 s o m ee x p e r i m e n t sa l ed o n et ov a l i d a t eo u rd e s i g n ，w h i c hi n c l u d et h ev o i c e ， s m s d a t ac o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fg p r sm o d u l ea n dt h er e l i a b i l i t ya n dt h e r e a l t i m ef e a t u r eo f t h eg p r sn e t w o r k b e c a u s eo ft h et i m e ，t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nd e s i g n e di sl i m i t e d ，b u tc a n s a t i s f yt h en e e d so fd a t ac o m m u n i c a t i o ni no u rs y s t e m m o r ed e s i g nw o r kw i l l c o n s u m m a t ei t k e yw o r d s ：v e h i c l e 。g p r s w i n d o w sc e a tc o m m a n d ，m c 5 5 i i i 四川大学颂士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 交通对于国民经济的发展意义重大。现代生活中，汽车文明使得交通流量 急剧增长，交通承受了前所未有的压力。根据统计资料显示，由于交通堵塞而 造成的直接和间接经济损失十分惊人。因此如何实现各类车辆的有效指挥、协 调控制和管理已经成为交通运输和安全管理部门亟待解决的问题。智能交通系 统( i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 就是解决这一困难的途径之一，其重 要性正被越来越多的人所认可。 i t s 是交通运输的一场革命，它运用“信息化”和“智能化”来解决道路 交通堵塞、改善环境污染、减少交通事故、提高运输质量。它是在当代科学技 术充分发展进步的背景下产生的，将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电 子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面交 通管理系统，从而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时，准确， 高效的综合交通运输管理系统口】。作为i t s 的重要组成部分，车载定位导航系 统具有不可忽视的作用。准确地知道车辆当前所在的位置是保障其它功能得以 实现的基础。如果车载定位导航系统不能提供i t s 所要求的精确、可靠的位置 信息，不仅会使得i t s 的大部分功能不能实现，而且也会使降低运行成本、减 少旅行时间、降低环境污染、合理运用运输资源的优越性大大丧失。因此，研 制高精度、高可靠性的车载定位导航系统是使i t s 充分发挥各项功能的前提。 车载定位导航系统是把定位技术、地理信息技术( g i s ) 和现代通信技术综 合在一起的高科技系统。其主要功能是将车辆的位置( 经度、纬度) 、时间、状 态等信息，实时地通过无线通信链路传送至监控中心，而后在具有强大地理功 能的电子地图上进行车辆运动轨迹的显示，并提供对车辆的位置、速度、运动 方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行查询的功能，为进一步的调度管理提 供可视化依据【1 0 1 。 通信作为车载定位导航系统的基本功能，在设计系统的时候必须慎重对待， 包括选择合适的通信手段、使用可靠的通信技术、选用先进的通信模块、设计 稳定的通信软件等。如果不能实现完善的通信功能，那么车载导航监控系统的 智能先进性便无从体现，无法有效地实现车辆的远程监控。 四川大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 美国、西欧和日本等发达国家为了解决共同所面i 临的交通问题，竞相投入 大量资金和人力，早在三四十年前就大规模地进行了道路交通运输智能化的研 究试验，其中对车载定位导航系统的投资占据了相当大的比重l l 埘。据统计，全 世界用于车载定位导航系统的投资在1 9 9 4 年为1 8 亿美元，从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年平均每年的增长率达到6 0 8 。车载定位导航系统从一诞生就显示出了强大 的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效益，成为了9 0 年代 整个世界新的经济增长点之一 日本的车载导航发展是领先于全球的。目前在低档车型上已可以安装，超 过8 0 的新车装有车载定位导航终端。附带覆盖全国的电子地图内容非常丰富。 在通信功能方面，特有的准3 g 无线通信网络使驾车人可以在车上实现宽带上 网，这样日本已经实现了几乎全部城市的道路信息实时发布。由于车载导航系 统巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参 加了这一高科技角逐，仅近几年投入市场的新系统就有3 0 多个，如日本的宏达、 尼桑、本田、马自达、三菱以及松下等公司都已开发出自己的车载导航产品。 2 0 0 0 年日本的车载定位导航系统产量达到2 0 0 万套，年增长率为3 3 3 。据日 本专家研究，车载导航系统是民间企业最有希望的领域。 世界其它发达国家如美国、德国、荷兰也不甘落后，力图在该市场占有一 席之地。美国的福特和克莱斯勒公司等企业正在开发先进的智能车载导航系统， 以满足潜力无限的市场需求。在欧洲，由飞利浦、西门子开发的车载导航系统 1 9 9 5 年已在雷诺、菲亚特等大众化民用车辆上使用；从1 9 9 4 年起，奔驰s 系 列、宝马7 系列厂装车辆已将车载定位导航系统列在选装清单上。目前汽车导 航终端的市场销量以差不多每年都比上一年增加1 0 0 万台的数量持续增长，至 2 0 0 5 年总的年销量达到7 4 0 万台，至2 0 1 0 年预测量达到1 3 0 0 万台。 总之，目前，美国、欧洲国家和日本的车载导航产品已经走向成熟，形成 了规模化的市场需求。相比之下，我国的车载定位导航市场则刚刚启动，还处 于初期发展阶段。中国于2 0 世纪8 0 年代末就引入了g p s 技术，但是作为一种 专业工具，多应用于林业、农业、电力、水利、石油、海洋、地质、国防、交 通、环保、气象、城建等行业i ”。随着数字化生活的到来，g p s 也越来越贴近 2 婴型查兰璺主兰垒笙壅 我们的日常工作与生活。经过l o 多年的研发和产业化历史，我国的导航产业已 经初步成为一项高科技产业。但是限于经济和交通条件的落后，目前汽车导航 主要用于运钞车、急救车、危险品及贵重物品运输车等特种车辆领域的监控管 理。 尽管目前车载定位导航系统在中国的使用还有限，但其巨大的市场潜力已 经引起各方的关注。武汉科学技术情报研究所预测2 0 0 6 年开始，车载导航产品 市场需求将进入一个快速增长期，研制国产化车载导航产品近年内可望形成一 项利润空间较大的产业1 2 】。据统计，我国2 0 0 4 年汽车销售达到5 0 0 多万辆，汽 车保有量达到2 5 0 0 多万辆，私家车保有量达到7 0 0 多万辆。并且从实际情况来 看，近年来我国运输市场持续升温，各种物流系统均显示出对车载定位导航系 统的明显需求。 调查显示，中国车载导航产品在市场启动初期需求约为5 5 万台，l o 至3 0 万元之间的轿车最有可能成为国内车载导航系统的主要市场，市场价值约为 2 7 6 亿人民币。同时这个市场伴随着中国汽车市场的迅速增长，也会有一个类 似手机市场的爆炸式增长过程，在三至五年后甚至会成为百亿规模的市场，2 0 0 8 年奥运会的影响已使其达到一个小高峰旧。而长远来看，市场规模将达到千亿 人民币。武汉科学技术情报研究所专家建议，针对公交车、出租车、公路物流、 长途客运、私家车、其他特种车辆等不同行业应用特点，进行市场细分和专业 定位，开发功能各具特色的车载定位导航系统，提供专业化市场解决方案，将 更有利于快速占有市场，获取最大化利润。 目前国内已有部分厂商和研究单位推出了一些车载导航定位系统，但是总 是存在一些缺陷。有的技术简单，功能单一，定位精度不够，时延较大；有的 成本昂贵，传输费用高，不能为一般用户所承受，因而不能在实际车载系统中 得到广泛的应用“0 1 。在造成这些失败的原因中，通信技术的不完善不能被忽视。 早期车载定位系统基本采用模拟电台作为通信方式，商品化程度较低。1 9 9 6 到 1 9 9 9 年期间，是车载监控导航系统市场的整顿和提高的时期。在对原有系统进 行改造的同时，建成了一些新的系统，如河南天网、广东天网等多个具有水平 集群的系统，并以此在三四十个城市建成了金融车辆和公安车辆监控系统l 。 2 0 0 0 年开始，车载监控导航系统市场又出现了新一轮的快速增长势头。这时的 市场逐步趋于成熟，车载监控导航系统的技术也有了较大的提高和发展，普遍 采用g s m 移动通信公众网的短消息作为卫星定位信息的传输数据方式。然而， 阴- 1 1 人学母i 学位论支 随着市场的发展，g s m 短消息由j ：受到自身协议的限制，无法提供低于秒级的 数据传输，所以对于实时性要求较高的需求，难以提供令人满意的应用。因此， 采用g p r s 技术取代g s m 短消息，成为目前车载定位导航系统的发展趋势。 1 3 本论文完成的工作 本文完成的工作如下： 1 查阅大量文献，研究了目前车载定位导航系统国内外的发展现状、 g s m g p r s 技术，讨论了车载定位导航终端的总体设计。 2 对当前各种无线数据传输技术的传输特性进行比较、分析，针对车载系 统中的通信特点，恰当地选取g p r s 作为通信技术，满足系统设计需求。 3 进行广泛的调研，对目前几种主流g p r s 工业模块的功能、性能、应用 范围进行分忻比较；选择合适的g p r s 模块一m c 5 5 ，它具有体积小、功能 丰富、接口简单、性能稳定可靠等特性，完全可以满足车载系统中的通信要求。 4 使用p r o t e l 软件设计了m c 5 5 的接口电路，包括启动电路、与控制器的 串口电路、音频电路、s i m 卡接口、信号灯指示电路。 5 分析基于w i n d o w sc e 系统串口通信上m c 5 5 的软件设计流程，制定了 车载终端与监控中心的通信协议，开发g p r s 虚拟驱动程序和g p r s 配置管理 界面。 6 作实验测试g p r s 模块m c 5 5 的语音、短信、数据通信功能，并对g p r s 网络无线数据传输的准确可靠性、实时性进行验证。 1 4 论文章节安排 第一章是绪论。通过介绍目前城市交通系统存在的问题，引出了本文研究 的目的和意义。接着介绍了车载定位导航系统的国内外研究现状，指出国内传 统车载定位导航系统存在的问题，引出本文设计的重点。然后总结本文工作， 最后简要说明了本文的结构安排。 第二章是本文的理论基础。分析了以前用于车载定位导航系统中的几种无 线通信技术的性能之优劣，通过比较选择了g p r s 作为车载定位导航系统的通 信手段，之后介绍了g p r s 无线通信的相关理论和技术基础。 4 型_ 叁! 竺! 兰竺堡墨 第三章足本文系统的核心部分，介绍了车裁定位导航系统的总体设计思想 和通信功能的硬件实现。首先从系统要实现的功能出发，给出了系统的总体设 计方案；之后基于车载系统中的通信要求，对当f i 市场上的主流g p r s 模块进 行分析比较，选择合适的g p r s 模块m c 5 5 。然后介绍m c 5 5 的接口电路 及其注意事项。 第四章是本文系统的另外一个重要组成部分。该章主要介绍了本文系统的 软件设计，它与第三章的硬件共同实现车载定位导航系统的通信功能。对应于 第三章各部分硬件，本章介绍了此通信功能的软件设计思想，介绍相应的a t 指令、g p r s 虚拟驱动程序的开发。 第五章详细介绍实验测试g p r s 模块m c 5 5 的语音、短信、数据通信功能， 并对g p r s 网络无线数据传输的准确可靠性、实时性进行验证，也是本文的一 个重点。 第六章对本文车载定位导航系统的通信功能作出了总结和展望，总结本次 设计的特点，讨论了设计中遇到的问题和解决办法，并从数据传输速度、网络 传输时延、安全问题及系统功能扩展这三个方面进行了分析和展望，指出了还 应进一步完成的工作。 本章小结 本章首先分析了论文的选题背景和意义，介绍了国内外的研究现状，重点 分析了我国目前的车载定位导航系统中存在的问题，说明本文拟改进的问题。 然后总结本文完成的工作，最后介绍论文章节安排。 四川大学硕士学位论文 第二章g p r s 技术原理 2 1 无线数据通信方式的选择 在车载定位导航系统中，如何在车辆与监控中心之间传输定位、导航信息 一直是比较难解决的问题之一。随着各种通信系统的迅速发展，从有线到无线， 从话音到数据、图像，从局域网到广域网等，已经有非常多的通信网络和通信 方式用于车载定位导航系统中。在之前的车载定位导航系统中，应用的通信方 式可以归纳为：数传电台、集群通信、专用数据通信、卫星通信和g s m g p r s 网络通信等1 6 1 。 2 1 1 数传电台 数传电台利用音频调制解调器( m o d e m ) 将数字信号调制到音频带宽再进 行数据传送，具有数话兼容、数据传输实时性好、专用数据传输通道、适用于 恶劣环境、稳定性好等优点。它的缺点也显而易见。虽然没有运行使用费，但 是一次建设投资及后期维护费用惊人。其覆盖半径约有几十公里，可以覆盖一 个城市大小的区域，电台通信距离受到了限制，并且容易受到外界无线电信号 的干扰，影响数据发送成功率。 2 1 2 集群通信系统 集群通信系统是一种高级移动调度通信系统，其特点是“频率共用”，即系 统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用，具有自动选择信道功能，它是 共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信 系统。用户每次建立通话前首先向调度台提出申请，调度台将搜索到的空闲信 道分配给该用户。它主要有四部分组成：基站、移动台、调度台、控制中心m 。 集群通信系统的特点有共用频率、共用设施、共享覆盖区、共享通信业务、 具有调度指挥功能、兼容有线通信等。这种系统的优点有：更快的系统进入一 一使用前无须监测信道；更好的信道效率所有信道被所有的用户分享，减 少信道的拥挤；更好的用户私密性相同谈话组的用户在会话时使用一个独 占的信道；灵活的扩展性谈话组可以增加，但不必增加附加通道或修改现 6 心jj 1 人掌帧l 学论上 存的对讲机。这些优点使得组织机构队伍和谈话组的组织更机动灵活、更经济。 但是它也有以f 不足之处： 1 ) 集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量的建设资金投入， 建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点； 2 ) 专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制： 3 ) 集群通信系统主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通信，对 无线用户与有线用户之问的通信业务有较大的限制。 2 1 3 专用无线数据通信网 专用移动通信网是指某一业务部门如公安、铁路、交通等内部业务使用的 移动通信网。它可与公众交换电话网( p s t n ) 或专用有线交换机( p a b x ) 互联或 不联。它具有保密性好、支持多种业务、网络管理和控制更加有效和灵活等优 势。在国际上较为流行的无线数据通信有采用m o b i t e x 和d a t a t a c 技术的专用分 组无线网络。但是由于种种原因，我国专用移动通信网没有同公众网协调发展。 2 1 4 卫星通信方式 卫星通信是利用通信卫星提供转发功能，实现远距离、覆盖面广的通信， 适用于需要覆盖全国甚至全球范围的车辆。它可确保在任何情况下，即使在地 面网络无法覆盖或遭到破坏的情况下，都可提供通信服务，是真正做到广域无 缝隙覆盖的通信方式。而且它可以提供不同的传输速率，从2 4 k b p s 至2 * 6 4 k b p s 甚至更高。 但是，该系统的车载终端价格昂贵，通信费用也较高，因此不适用于一般 用户，更适用于军用或特殊需要，如海事通讯。另外，其实时性也不能保证。 2 1 。5g s m g p r s 网络通信 数传电台和集群通信系统、专用无线数据通信网等都由某一部门独立建设 和使用，因而一般都只能在某一特定区域或部门内使用，覆盖范围受限。作为 在i t s 中应用，严重限制了车辆定位导航范围，容量较小；需要独立建网，费 用高，同时需要网络维护。因而从应用范围和经济角度来说，它们都不可取。 7 四川大学硕士学位论文 g s m g p r s 网络利用频率复用技术有效地使用了频率资源，而且在全国范 围内，网络覆盖完全。所以，充分利用现有的g s m g p r s 网络实现无线数据传 输是一种既有效又经济的手段。 2 1 5 1 基于短消息( s m s ) 业务的数据传输技术 g s m 除语音业务外，另有基于短消息数据传输业务。与话音传输的建 立和释放过程不同，在g s m 系统中，短消息是唯一一种不需要建立端到端通 道的业务。由于具备这个特点，即便移动台已经处于电路通信状态，还能同时 实现短消息业务。但是，作为数据通信应用，它也有几个较大的缺点旧： ( 1 ) g s m 短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据； ( 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较大。对数据实时性要求比较高的 数据通信应用，时延就是一个必须考虑的因素； ( 3 ) 在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信 不畅。 2 1 5 2 基于g p r s 的分组数据传输 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，构建在 g s m 网络基础之上，对原有的g s m 网络子系统和无线系统的设备及功能进行 了升级和增强，被称为2 5 g 系统f i i l 。g p r s 采用了与g s m 同样的无线调制标 准、同样的带宽、同样的跳频规则和同样的t d m a 帧结构，这一切都昭示着现 有的g s m 网络可以很容易地提供g p r s 业务。它支持t c p i p 协议，是一个分 组型数据网，无需经过p s t n 等网络的转接，就可直接将数据以数据包的形式 与i n t e m e t 互传。因此g p r s 业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办 公等行业中具有无可比拟的性价比优势。 概括起来，基于g p r s 的数据传输具有以下显著优点i s ： ( 1 ) 相对其它通讯方式来说，采用g p r s 技术可以充分利用中国移动g s m 公网资源，将极大地节约建设成本，缩短建设周期。整个系统的性能价格比高， 系统建设投资与建无线专网的投资相比估计可节约5 0 以上。 ( 2 ) 资源共享，频率利用率高。在g s m 网络中，g p r s 引入了分组交换的 传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 数据传输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。对电路交换模式来说，在整 婴型查兰竺主兰丝堡苎 个连接期内，用户无论是否传送数据都将独占无线信道。而对于分组交换模式， 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，每一用户也能够同时占有多个无线信道，从而提高了资源的 利用率。 0 ) 数据传输速率高。g p r s 的数据传输速度理论最高可达到 11 5 k b p s 1 7 0 k b p s ，是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电 路数据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到 3 8 4 k b p s 。这意味着在数年内，g p r s 用户能和i s d n 、a d s l 用户一样快速地 上网测览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。目前由 于技术限制，中国移动建成的g p r s 网络用户接入速度大概在4 0 k b p s 。 ( 4 ) 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速。g p r $ 是在现有的g s m 网上 升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数 据终端提供远程接入i n t e r n e t 的部署。 ( 5 ) 按量计费。g p r s 实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费方式，用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源。没有数据流量 传递时，用户即使挂在网上也是不收费的，通信费用相对低廉。 ( 6 ) 实时在线。g p r s 是按g s m 标准定义的分组交换协议，可快速接入数 据网络，它在移动终端和网络之间实现了“永远在线”的接入。 ( 7 ) 通信服务质量安全可靠。提供4 种q o s 类别的服务供用户选择配置。 服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运营商协商确定。 综上所述，g p r s 是实现无线数据业务的最佳承载方式。利用现有的g p r s 网络，用户无需自己构建网络( 发送设备、转接设备) ，只需要申请相应的服务 即i 。表2 1 列出了几种无线数据通信方式应用中各方面的比较，可以看出，相 对于短消息、数传电台、集群通信系统、专用无线数据网和卫星通信技术，g p r s 技术更适用于车辆导航定位信息这种间断的、突发性的和频繁的、点多分散、 中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。随着g p r s 的发展，基 于g p r s 的无线数据通信将得到更广泛的应用。 9 四川大学硕十学位论文 表2 1 无线数据通信方式比较 传输技术 g p r s短消息数传电台集群通信 专用无线卫星通信 系统数据通信 网 覆盖范围 全国全国2 0 k m区域区域全国 建设费用一般一般高高高高 施工难度较易 较易易( 需特较难难难 别审批) 施工周期较短较短 长 较长较长 短 计费方式流量0 1 5 元占频费租赁租赁租赁 条 运行费用 较低低无高高高 通信速率较高高一般商高一般( 可 变) 误码率较低较低 高低低一般 可靠性较高一般差高 高一般 实时性一般一般高较高较高低 维护成本 低 低教高高 高低 2 2 g p r s 原理 2 2 1g p r s 系统概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二代移动通 信g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b t c e l l n e t 公司早在 1 9 9 3 年提出的，是g s m p h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是种基于 g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接】。对 于g s m 网现有的电路交换数据业务( c s d ) 和短消息业务来说，g p r s 是一种补 充而不是替代。 g p r s 充分利用现有网络的资源，在g p r s 无线接口采用了新的四种不同 的编码方式，通过灵活的配置，可为用户提供从9 0 5 1 7 1 2 k b p s ( 理论计算值) 1 0 塑型查兰竺主兰竺堡苎 的速率服务。它既支持多个用户对信道的共享，也支持单个用户对多个信道的 同时占用，能够以较高的速率向用户提供服务，所以频率共享率高。 g p r s 特别适用于归j 断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用 于偶尔的大数据量传输，而这正是大多数移动互联应用的特点。 2 2 2g p r s 系统发展现状 g p r s 作为2 5 g 移动通信技术，通过在原有g s m 网上添加协议接口和改 动少量设备，就可以提供高达1 1 7 2 k b s 的数据传输速率，支持x 2 5 、t c p f l p 等 协议。目前，已有1 0 0 多个国家的移动通信运营商投入了g p r s 运营。较为著 名的有英国的b tc e l l n e t 、德国的t - m o b i l e 、香港的s m a r t o n e 、台湾t s l 以 及法国，西班牙，葡萄牙、芬兰、捷克、丹麦，比利时、意大利，俄罗斯，澳 大利亚、新加坡、菲律宾等很多国家和地区的运营商【1 2 l 。 在向3 g 系统演进的过程中，中国移动在分析世界和中国通信发展形式后， 紧跟世界主流技术，选择了g p r s 技术。我国已经建立了覆盖全国的完善的 g s m 移动网络，为了充分保护运营商在g s m 网络上的投资，选择网络演进方 案时必须考虑继承现有网络基础设施，所以以g s m 为基础，通过g p r s 过渡 是中国g s m 向3 g 演进的合理方式。中国移动于1 9 9 9 年开始搭建g p r s 实验 网。经过近三年的建设和不断完善，2 0 0 1 年底g p r s 一期工程就已完成，开通 了覆盖全国2 4 1 个省会城市和大中城市的g p r s 网络。2 0 0 2 年“5 1 7 ”世界 电信日，中国移动的g p r s 网络正式投入商用，开启了中国移动数据业务的新 纪元。 2 2 3g p r s 网络结构 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，在现有的g s m 网络中增加了一些 节点：网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n g n o d e ) 、服务g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、p c u ( 分组控制单元) 、计费 网关c g 、域名服务器d n s 和边界网关b g 等【“】。 p i 1 1 1j 、学 口- f 学位论芝 信令和数据传送接口 图2 1g p r s 逻辑结构和接口 下面对图2 1 所示g p r s 网络结构中的相关功能实体进行说明。 1 移动台 完整的g p r s 移动台由“移动设备( m e ) 十s i m 卡”构成，m e 又包含移 动终端( m t ，支持各种终端适配器) 和终端设备( t e ) 。g p r s 移动台分为c l a s s a 、b 、c 三种等级，目前市场上最常见的是b 类，a 类移动台尚未面市。 ( 1 ) a 类手机 a 类手机具有同时提供g p r s 和电路交换业务的能力，即在同一时间内既 进行一般的g s m 话音业务又可以接收g p r s 数据包。 ( 2 ) b 类手机 如果m s 能同时侦听两个系统的寻呼信息( 如：通过g p r s 寻呼信道) ， m s 可以同时附着在g s m 系统和g p r s 系统，但是在某一时刻它只能要么使 用电路交换业务，要么使用分组交换业务，这两种业务可以切换。 ( 3 ) c 类手机 m s 只能附着在g p r s 网络，什么时候都不能打电话，其技术含义是它只 支持分组交换。 g p r s 的服务类型c l a s s 并不完全由手机决定，而是需要g p r s 网络运营商 提供相应服务才能进行。两者是互相配合和依存的关系。 堕型查兰堡主兰丝丝苎 2 b s s 基站子系统 b s s 由一个基站系统控制器( b s c ) 和一个或者多个基站收发信机( b t s ) 组 成。g p r s 共享g s m 系统的基站，但b s c 需要增加处理分组数据及无线分组 信道管理的p c u ( 分组控制单元) 模块，同时b s c 中还要增加新的移动性管理 软件。并且由于g p r s 采用了新的编码方案，还需对现有g s m 网络的b t s 进 行改造。 3 s g s n s g s n 相当于传统g s m 系统中的m s c n l r ，主要功能是对移动台进行鉴 权和移动性管理，进行路由选择，建立移动台到g g s n 的传输通道，接受基站 子系统透明传来的移动台数据，进行协议转换后通过g p r s 骨干网送给g g s n 或反向工作，并进行计费和业务统计。 4 g g s n g g s n 是接入外部数据网络的节点。对外部网络来说，它就是一个子网路 由器，可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。g g s n 接受移动 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 网内的传输通道，传给相应的s g s n 。此外，g g s n 还有地址分配 和计费等功能。 在图2 1 中，还包括一些传统的g s m 设备，如移动交换中心( m s c ，m o b i l e s w i t c hc e n t e r ) ，负责其管辖范围内移动台的所有交换和信令功能等。 除了以上主要节点，g p r s 网络结构中还引入了一些新的网络接口m 】： g b ，s g s n 与基站子系统b s s 之间的接口，传送g s m 无线网络部分 与g p r s 部分之间的数据与信令，其重要性类似于g s m 网络中的a 接口； g c ，g g s n 与归属位置寄存器( h l r ) 之间的接口，是一个可选用的接 口： o r ，s g s n 与h l r 之间的接口，s g s n 通过此接口获取h l r 中的用户 信息； g f ，s g s n 与设备识别寄存器( e i r ) 之间的接口，s g s n 通过此接口获 取e i r 中的设备信息； g s ，s g s n 与m s c 之间的接口，通过这个可选接口，s g s n 向m s c 发送移动用户的位置信息，同时接收m s c 的寻呼请求，采用此接口可 1 3 四大学硕士学位论文 以大大提高g s m g p r s 混合网络的无线与网络资源的利用率； g n ，同一移动网内两个g s n 之间的数据与信令接口，在此接口中采用 了g p r s 隧道协议( g t p ) g _ p ，不同移动网中两个g s n 之间的接e l ，功能类似于g n 接口。但它 还通过防火墙( f i r e w a l l ) 和边缘网关( b g ) 同时提供了不同移动网之间 网络互连所需具备的功能，如安全性和路由功能： u m ，移动终端与g p r s 网络部分之间的空中接口，与现有g s m 网络 的空中接口基本一样，仅引入一些g p r s 所特有的变化； g i 和r 是两个参考点，而不是唯一的标准接口。g p r s 系统可通过g i 与外部各种数据网相连；各种数字终端设备( t e ) 可经由r 与移动终端 ( m t ) 相连；其物理接口可以是1 1 u tv 2 4 2 8 或p c m c i a p c 卡等标 准。 2 2 4g p r s 接入i n t e r a c t 用户通过g p r s 网络接入i n t e r a c t 、企业内部网或i s p 时，其接入方式可以 概括为透明接入和非透明接入两种。如果用户m s 的i p 地址是运营商分配的公 有地址( 动态或静态) ，则g g s n 不参与用户的认证和鉴权过程，用户可以通过 g g s n 透明地接入g p r s 内部网络或互联网络，这种方式称为透明方式。而当 用户m s 的m 地址是由企业网络或i s p 分配的私有地址( 动态或静态) 时，用户 访问该企业网络或i s p 时，g g s n 就要求企业网络或i s p 中的专用服务器对该 用户进行鉴权或认证，这种方式即为非透明方式。 在g p r s 接入i n t e m e t 时，目前使用的多是非透明方式。它的工作一般基 于i p 网络，与传统的接入i n t e m e t 方式相比，它的不同之处主要是私有1 p 。 g p r s 传输数据报的方法类似于i n t e r n e t 中的网络地址翻译( n a t ，n e t w o r k a d d r e s s e st r a n s l a t o r ) ，如图2 2 所示。i n t e r n e 标准n a t 是一个路由器，位于 i n t r a n e t ( 使用私有i p 地址) 和i n t e m e t ( 使用公有i p 地址) 之间。g g s n 提供n a t 和d h c p ( 动态主机配置协议，d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 服务。当 g p r s 用户拨号。+ 9 噼”到一个接入点时，g g s n 就分配一个私有地址( 1 0 x x x 形式的a 类保留地址) 给用户，并且负责在g p r s 客户和i n t e r a c t 服务器之间传 输数据【1 4 】。 1 4 四川大学硕士学位论文 图2 2g p r s 接入i n t e r a c t 2 - 2 5 业务特点及种类 g p r s 网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接，基 本无建链时延。g p r s 特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量 数据。g p r s 可提供以下一系列交互式业务1 1 2 1 ： ( 1 ) 点对点面向无连接网络业务( p t p c l n s ) p t p c l n s 属于数据报类型业务，各个数据分组彼此互相独立，用户之间 的信息传输不需要端到端的呼叫建立程序，分组的传送没有逻辑连接，分组的 交付没有确认保护，主要支持突发非交互式应用业务，是由口协议支持的业务。 ( 2 ) 点对点面向连接的数据业务( p t p c o n s ) p t p c o n s 属于虚电路型业务，它为两个用户或多个用户之间传送多路数 据分组建立逻辑虚电路( e v e 或s v c ) 。p t p c o n s 业务要求有建立连接、数据 传送和连接释放工作程序。p t p - c o n s 支持突发事件处理和交互式应用业务， 是面向连接网络协议，如x 2 5 协议支持的业务，在无线接口，利用确认方式提 高可靠性。 ( 3 ) 点对多点数据业务( p t m ) g p r s 提供的点对多点业务可根据某个业务请求者要求，把信息送给多个 1 5 婴型叁竺竺! 竺竺堡皇 用户，又可细分为点对多点多信道广播业务( p t m m ) 、点对多点群呼业务 ( p t m g ) 、l p 广播业务( i p m ) 。 ( 4 ) 其它业务 包括g p r s 补充业务、g s m 短消息业务、匿名的接入业务和各种g p r s 电 信业务。 2 2 6g p r s 应用 g p r s 应用主要分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应用 两种。 对于横向应用，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。 对于纵向应用，g p r s 可提供以下几类应用： 运输业：车辆及智能调度、公安、1 1 0 、交警车辆监控调度、银行运钞 车、邮政运输车、出租车公交车辆、集团车辆监控管理调度； 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等； 实时发布股市动态、天气预报、交通信息等； 公共安全业：随时随地接入远程数据库； 遥测、遥感、遥控；如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和 告警，远程操作； 提供v p n 业务，使企业员工能够随时随地与总部保持联系，降低公司 建设自己的广域网的成本； 可以遥控商