（水利工程专业论文）基于gprs网络水情遥测系统的研究与实现.pdf

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n ，i no r d e rt om a k ee x a c tf o r e c a s ta n dd i s p a t c h 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 ) i sb a s e do ng s m ( g i o b a ls y s t e m f o r m o b i l ec o m , u n i c a t i o n s ) t h a to f f e rw i r e l e s si p t ot h ee n da n dw i d ea r e a o fe n dt oc o n n e c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fn e w t y p ew i r e l e s sa u t o m a t i ch y d r o l o g y a n dm o n i t o r sn e t w o r k w e a k n e s so ft h er e s p e c t o f g a t h e r i n g a n d t r a n s m i t t i n gt h a tt h i sn e t w o r kb r e a k st h r o u g ht h en e t w o r ki n f o r m a t i o no f t r a d i t i o n a la u t o m a t i ch y d r o l o g y ，c o m b i n et h ew i r e l e s sm o b i l et r a n s i t i o n a n di n t e r n e tt e c h n o l o g y ，u s eg p r sd a t at e r m i n a lt or e a l i z et h ea u t oa n d w i r e l e s st h a th y d r o l o g ym o n it o t s i n t r o d u c i n ge v e r yc o m p o n e n to ft h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e ma t f i r s ti nt h ea r t i c l e ，c o m p a r ew i t ht h et r a n s m i s s i o nm e a n so ft r a d i t i o n a l w a t e rl e v e i n f o r m a t i o na f t e r w a r d s ，i n t r o d u c e st h er e l e v a n tt e c h n o l o g y o fg p r ss y s t e ma n dn e t w o r km o d e la n da n a l y s e st ot h ec o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n to fg p r s ，p r o p o s i n gu t i l i z i n gg p r sw i r e l e s sm o b i l en e t w o r kt o c a r r yo nt h et r a n s m i s s i o no ft h ew a t e rl e v e ld a t a ，t h er e s u l ti np r a c t i c a l a p p li c a ti o n h a sb e e na n a l y z e d p r o v i d i n gt h eo b j e c t i v ea n do v e r a l l a p p r a i s a lo nt h es y s t e mi nt h ee n do ft h ea r t i c l e ，t oi m p r o v ea n dp u t f o r w a r dt h es u g g e s t i o nf u r t h e r k e y w o r d s ：t h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m g p r si p 2 0 2 2 r e m o t et e r m i n a lu n i tw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m i i 第一章鳍论 第一章绪论 1 1 问题的提出 从大禹治水开始，中国治水已有几千年历史。数千年来，中国水利活动绵延 不断，水利成就举世无双。伟大的中国古代劳动人民修建了郑国渠、都江堰、灵 渠、大运河等大批水利工程，在历史上对于经济社会发展起过重要作用，有些工 程至今仍发挥着重要的作用，充分体现了中华民族的伟大智慧。 特定的自然地理条件，决定了中国是一个水旱灾害频繁的国家，防灾减灾成 为保障国家经济建设和人民生命财产安全以及社会稳定的一项重要工作。 水文工作是水利的基础工作，社会对水文需求越来越迫切，水文作为国民经 济和社会发展的基础性、前期性工作的任务越来越艰巨和繁重。 水文现代化是一个地区在一定的历史时期内为满足国民经济建设、社会进步 和水利发展的需求，使水文信息采集、传输、处理、应用、信息服务和管理等方 面具有先进实用的科技水平。水文现代化建设是以推动水文适应经济社会发展需 求为目标的动态发展过程，具有强烈的时代特征，反映了时代的科技发展水平和 经济社会发展的需求。水文现代化不仅是物质基础的现代化，技术手段的现代化， 更是思维方式，思想方法的现代化。 当前水文建设现代化建设的任务是建设较高标准的水文水资源信息系统，包 括水文信息监测系统、信息传输系统、预测预报及分析评价系统、信息技术服务 系统、保障体系等五个方面。 水文现代化建设是水利信息化的基础。其中信息传输是水利信息化的重要基 础工作之一。水利管理部门与决策者需要对管理对象进行全面而准确的了解，这 就需要对监控现场的信息进行快速传输和管理。 目前我国水情自动遥测系统的建设中，数据采集和检测技术水平不断提高， 数据的传输却存在较大的问题，如传统的拨号和专线的固定网络接入方式严重地 限制了个人甚至企业的活动自由和范围，不能满足自动测报的要求；同样无线通 信方式中，超短波存在中继站问题，不适合远距离传输；手机短信存在信息阻塞 的问题；卫星存在投资和雨衰的问题。针对以上各种传输方式中存在的问题，本 文提出了基于g p r s 网络建设水情自动遥测系统的新途径。 第一章绪论 1 2 本文研究的技术背景 2 0 0 2 年5 月1 7 日世界电信日，中国移动正式推出了商用的g p r s 移动互联 网技术。g p r s 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，它能提供端到端的广 域的无线i p 连接。使用者可以通过无处不在的全球移动通信系统，以无线连接 的方式，方便、快捷地接入现有的固定i p 网络。相对原来g s m 的拨号方式的电 路交换数据传送方式，具有“高速”和“永远在线”的优点。 “7 1 随着移动g p r s 业务的开展，利用g p r s 来进行水文数据传输的优势慢慢 的显现出来。相对于传统的远程传输方式( 例如通过电话拨号) 来说，g p r s 数 据传输具有突出的优点。一方面，g p r s 资费比较便宜，可以采用多种资费方案。 对于大数据量业务的用户可以采用包月的方式，对于小数据量业务的用户可以根 据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。另一方面，在g p r s 网中，用户只 需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种连接，并只在传输数据时才占用 信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，数据采集点不用频繁建立连接， 也不必支付传输间隙时的费用，而且g p r s 能够较好地支持频繁、少量突发型的 数据业务。此外，g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。由 于g p r s 网本身是一个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 等协议，因此无需经 过p s t n 等网络的转接，就可以直接与分组数据网( i p 网或x 2 5 网) 互通，而 且接入迅速，仅需几秒，快于电路型数据业务。 因此，基于g p r s 技术的水情遥测系统的研究和应用，是本论文研究的目标。 将水情信息按规范封装，形成口数据后通过g p r s 网络传送到遥测系统的中心 站计算机，以实现水情信息的实时传输和共享。随着移动技术的进一步发展，移 动通信运营商提供的服务在不断完善，移动网络为水情数据的传输提供了良好的 通信途径。将此项技术引入水情遥测系统有着广阔的应用前景与实用价值。 1 3 本文研究的主要内容 本论文首先追溯g p r s 接入中所涉及的基本概念，介绍g p r s 的技术及原理； 接着阐述了g p r s 在水情遥测系统中的实现以及无线通讯中的硬件设计及通讯程 序的设计；最后对实际应用的结果进行了分析，并提出g p r s 的局限性，并且对 本文进行了总结和展望。 第二章水情遥测系统现状分析 第二章水情遥测系统现状分析 水情遥测系统实质上是以基本系统中心站为节点构成的计算机网络。随着建 设目标、规模、当地通信条件的不同，网络结构、采用的技术和设备配置将有较 大差异，而且原则上应按照有关广域计算机网的规程和技术进行测报网的设计与 建设。水情遥测系统主要对流域面积内的水情信息进行采集和处理，做出准确的 洪水预报和防洪调度。 2 1 水情遥测系统的概述 水情遥测系统是为满足防汛指挥系统建设的要求，进行实时水情测报的自动 测报系统。水情遥测系统的建设是水文现化化建设的重要组成部分。 “7 1 水情遥测系统的建设经历了二十多年的发展过程。系统通信方式由最初的 超短波发展到今天的利用短波、超短波、微波、卫星、有线共用网组网的通讯方 式，以支持更加复杂的组网模式和自报应答或兼容的工作方式；系统的稳定性 和可靠性有了很大提高，随着元器件质量的提高和计算机技术的发展，其关键设 备遥测终端的质量也大幅度提高，平均无故障工作时间( m t b f ) 己从原来的3 0 0 0 小时上升到8 0 0 0 小时，有的设备已突破3 0 0 0 0 小时，其它设备的质量也得到了 不同程度的提高；系统的功能也由最初的降水量、水位信息，发展到今天的可满 足传输降水量、水位、流速、流量、蒸发量、水质、闸门开启度、风速、风向、 温度、湿度、气压等多种参数的丰富的传感器接口。用户不仅可以进行硬件现场 编程，也可进行远程控制，极大地方便了系统维护，中心站软件支持用户进行二 次开发，可以生成各种符合用户要求的图形系统和报表系统，部分系统采用n t 网络方式，利用流行的数据库查询软件，可以方便地与用户信息管理系统连接。 随着科技的不断进步和发展，对水情遥测系统提出了更高的要求。 首先，水情信息的共享。水情遥测系统正在由单一的防汛报汛功能向全面的 水资源监测和管理的方向发展；第二，由于系统服务功能的增强，覆盖面的扩大， 采用先进的通信方式建设水情遥测系统是提高系统可靠性的关键。当前水情遥测 系统中所采用的几种通信方式如有线方式、超短波及卫星等通信方式在实际运用 当中都发现了一定的不足，制约了系统的发展速度，因此本文利用无线g p r s 网 络对于遥测系统的传输方式进行进一步的研究。 第二章水情遥测系统现状分析 2 2 遥测系统组成 水情遥测系统由( 水位、雨量等) 传感器、遥测站、通信设备、及中心站计 算机系统组成，在系统中遥测站通过传感器自动实时地进行水位及雨量数据的采 集，并通过无线电台向中心站计算机系统发送所采集到的水情数据，中心站计算 机系统则对所接收的水情数据进行分析处理及洪水预报。 图2 1水情遥测系统示意图 1 水情遥测站 水情遥测站一般由r t u 、处部供电系统( 如交流稳压电源等) 、各种相应避 雷器物如天线避雷器、电话线避雷器等) 、无线馈线系统( 无线系统) 、各种水情 数据传感器( 如雨量传感器、水位计、闸位计等) 等组成。r t u 加固在机箱内。 根据通信方式，选择各种通信设备，如无线电台、( 有线或无线) 调制解调器、 卫星通信小站电子单元、光纤通信光端机、g s m 通信设备等。 ( 1 ) r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端单元) r t u 是构成水情遥测站的基本设备，它通过m c u ( m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l u n i t ，微处理机控制器) 及其软件，根据实际应用的需要编成，实现本地水情采 集、处理、存储，在通信协议支持下实现与远端的中心站或其它远程设备之间的 通讯。 ( 2 ) 传感器 传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两 类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用a d 转换器把 模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接 4 第二章水情遥测系统现状分析 将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备 直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中，选择数 字式雨量及水位传感器有利于遥测站电路的简化，提高遥测站的可靠性，从而有 利于满足遥测站低功耗的要求。 水情遥测站的主要功能：连接各种传感器等；对采集的各种水情数据进 行预处理，如现场数据的显示、存储等；根据现场实时数据的处理结果或来自 中心站的指令，通过现场控制装置控制现场设备，如闸门启闭、泵站启停等； 按照指定的工作制式( 自报式、查询应答式或两者兼有的混合式) 向中心站( 或 分中心站) 发送现场实时数据，或根据中心站指令进行应答等。 2 水情遥测中心站( 分中心站) 水情遥测中心站主要是管理和监测各水情遥测站，通过遥测数据通信网采集 来自各遥测站的数据，并对接收到的数据进行解析、存储、显示等操作。中心站 一般由前置通信处理器、中心计算机、中心站计算机网及相应数据显示、打印等 设备组成。遥测中心计算机通常需要运行相应的水情信息实时处理软件，该软件 通常以标准的工业组态软件为开发和操作平台，如f i x 等。中心站计算机通过通 信处理器和相应的实时信息处理软件，能过对遥测通信网实现管理，为中心站计 算机网上的各种水利应用软件( 如洪水预报) 和中心站系统服务器提供有效的数 据。 3 遥测通信网络 系统中有各种通信组网方式，如有线通信网( 公共电话网、专线或光纤) 、 无线通信网( 超短波、短波、卫星通信、g s m 移动通信) 、电力载波以及不同通 信方式的组合等。遥测通信网是遥测站与中心站问数据传输的通道，因此可靠、 高效、标准的网络通信协议和网络管理功能是非常重要的。 2 3 系统工作方式 水情自动测报系统的工作方式可分为自报式、查询一应答式及混合式三种方 式。 ( 1 ) 自报式 自报式是一种不受中心站指令控制工作方式，当遥测站的测量参数( 水位或 雨量) 发生一个按预先规定的数据变化时，自动将水情信息向中心站发送。主要 第二章 水情遥测系统现状分析 有增量自报方式和定时自报方式两种。 ( 2 ) 查询应答式 查询应答式工作方式下，遥测站自身能对水情参数的变化自动采集和存储， 但不主动传送给中心站，只有当中心站发出查询指令时，才将水还必须数据送出。 其主要是控制性好，中心站可以随机或定时地对遥测站进行巡测和召测，还可以 实现数话兼容。但对于超短波组网方式中，需要测站的无线电台长期守候在工作 状态，以便随时接收中心站的指令，因此功耗比较大。 ( 3 ) 自报应签混合式 在有线拨号组网的方式下，每次传送数据都将发生通话费用，故传送数据的 次数不宜过密。同时在守候时( 相当于电话挂机状态) ，遥测站设备几乎不耗电。 为考虑暴雨时系统能及时搜集雨量信息，系统的有线拨号组网中常采用查询应答 式与自报式相结合，其中遥测站的自报功能设置和自报标准的设置由中心站遥 控，以便降低系统使用费用。该系统具有自报式和应答式两种方式的特点，既能 实时反映参数变化的全过程，又能响应中心站的查询指令，一般以查询应答式为 主，自报式做为辅助手段。 2 4 现有水情遥测系统通信方式 随着电信技术的迅速发展，可用于监控和管理的通信方式很多，一般可分为 有线通讯方式、g s m 短消息方式、超短波通信、卫星通信和g p r s 通信方式。通 信方式的选择是通信网络设计的重要组成部分，它将直接影响到水情遥测的可靠 性和经济性。因此通信方式的选择应根据水情遥测系统的实际要求、所在地区的 地形、运行维护条件、建设运行费用以及交通等条件综合分析确定。 2 4 1 有线通信方式 在有线方式中水情遥测系统采用有线拨号方式，遥测系统中以公用交换电话 网为通信线路。公用交换电话网通常是由通信终端、集团电话系统、专用分局交 换机中继线和数据访问设备组成。由于公用交换电话网传输的信号是模拟信号， 而计算机所能处理的数字信号不能直接进入这样的信道，所需的中间设备就是 m o d e m ( 调制解调器) 。m o d e m 是用来实现数字信号和模拟信号的相互转换，它是 最重要的d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，数据通信设备) 设备之一。系 统通过标准的a t 指令对m o d e m 进行控制访问，一般的传输过程如下： 第二章水情遥测系统现状分析 呼叫请求一呼叫应答一连接建立一连接确认一数据传输一连接终止。 图2 2水情遥测有线通信系统示意图 在有线拨号通信方式的水情遥测系统中以公用交换电话网为通信线路，主要 有如下优点： ( 1 ) 在有线拨号组网方式中以公用交换电话网进行水情数据传输，公用交 换电话网由电信公司部门进行管理维护，因此本系统中维护成本比较低； ( 2 ) 没有无线电干扰问题，在进行数据的传输时占用语音通道，相当于用 户的专线，受其他系统的干扰性小； ( 3 ) 技术成熟，设备简单，易于实现低功耗设计。 ( 4 ) 投资费用低，安装成本也比较低，无须像超短波等无线通信方式那样 申请频率等手续，在有线组网方式中通信线路为公用交换电话网，因此省去了用 户组网费用，只要用户向电信部门申请开通电话线路。 以公用交换电话网作为传输媒介，也有着其一定的局限性； ( 1 ) 测站的中心站都须安装m o d e m 与电话线，通信受到地点的限制，受地 理条件的影响比较大，在电信公司的通信线路没有到达的地方则无法进行水情数 据的通信； ( 2 ) 有线通信通过公用交换电话网，采用拨号方式进行。每次需要数据时， 均要事先拨号连接，由于m o d e m 在进行数据传输前需核对协议，因此需要的时阳j 比较长，巡测速度较慢，当对某遥测站点进行控制时，对其它站点巡测将停止； 第二章水情遥测系统现状分析 ( 3 ) 通信费用比较高。 ( 4 ) 通信线路容易中断，通信将受到影响。由于遥测站是在野外工作，无 人值守，电话线路属于农村线路，线路信号比较差，而且容易受到人为因素的影 响： ( 5 ) 有线拨号方式中容易受到雷击。 2 4 2g s m 短消息通信方式 随着无线数据业务的快速发展，g s m 网络系统是目前基于时分多址技术的移 动通信体制中最完善、应用最广的一种系统。而以短消息进行水情数据传输的系 统建立在g s m 网络基础上，因此具有以下特点： 1 ) 投资小，组网简单，费用低廉。建设周期短，见效快，系统运行费用较 低( 以止前移动通信运营商的收费标准，发一条短消息为0 1 元，而接收短消息 不收取费用) 。短消息互联，在跨地区小数据量通信上经济适用。 2 ) 突破了传统的水情遥测系统中对水情数据查询地点的限制。目前g s m 覆 盖范围广，是其他网络所无法比拟的，只要有g s m 信号( 手机可用) 的地方就可 以使用本系统，这样就解决了水情数据在大范围传输的问题。 3 ) 很好地满足了水情数据传输的需求，在水情数据传输过程中实时水情数 据一般为几十个字节，传输的数据量比较小，而短消息发送协议中可以发送1 4 0 个字节，另外短消息采用g s m 移动网络，其误码率低，移动网络标准规范，校验 方法多，大大提高了水情数据通信的可靠性。 4 ) 发送短消息的速度较快( 平均每5 秒可发送一条短消息) 、无需像有线调 制解调器通信那样进行冗长的握手连接，短消息具有点对点的特征，不需拨号。 5 ) 系统容量大，通信可靠性高，可实现批量发送，在较短的时间完成较大量信 息的发送。g s m 网络中采用了频分多址和时分多址的复用方法提高系统的容量。 6 ) 解决了环境地域等因素造成的无法通信的问题，也使系统在不断引进新 技术，不断应用新技术有了新的尝试，在水利行业上是一个新的突破。 g s m 短消息通讯方式能充分利用移动公网资源，它可以大大节约建设投资， 降低维护成本，但它有几个较大的缺点： 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。 2 ) 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较大。 第二章水情遥测系统现状分析 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 4 3 超短波通信方式 2 3 0 m h z 频段的无线通信具有较好的通信质量和一定的绕射能力，水情遥测 系统中的无线电通信方式一般都选用2 3 0 m h z 频段的超短波进行水情数据的传 输。常采用2 3 0 m h z 数传电台作为通信工具，由于这种电台是半双工电台，不能 工作在连续发射方式，故中心站和监控站之间的数据交换不能完全在线。对于本 系统，采用点对多点的组网方式，现对超短波通信方式进行分析。其系统图如图 2 3 所示。 遥 测 际卜恒虱 站 由 心 站 计 算 田一肄螬 机 图2 3水情遥测无线通信超短波系统示意图 在超短波方式中，工作方式一般采用自报方式，当水情数据发生变化时，测 站启用无线电台进行水情数据的传输，一般有如下几个过程： 1 ) 当测站水情数据发送变化或发送时间到时，r t u 将采集到的水情数据以 及本测站的特征信息通过无线m o d e m 进行调制，转换为无线电波，经无线电台向 空中发送； 9 第二章水情遥铡系统现状分析 2 ) 当中心站无线电台接收到信号后，通过无线m o d e m 进行解调，将信号还 原，中心站计算机对接收到的数据信息进行校验判断，如正确，则根据测站的特 征码判别是哪个测站的数据，并加以显示： 在以上通信过程中，如果通信距离比较远，则需经过中继站进行转发。 超短波通信具有信号传播稳定、通信质量较高，技术较成熟等优点，是目前 水情遥测系统中一种主要通信方式，也是应用最多的通信方式。利用该方式组网 的水情遥测系统具有以下特点： 传输距离较远，一般可传输2 0 4 5k m ，具体根据传输的频率而定； 安装维护简便，便于采用避雷措施，运行成本低，使用费用少。在超短波方 式中，用户根据国家无线管理委员会分配给水文监测的专用频率进行传输。如果 通信距离远，则须架设中继站，而且在远距离、地形复杂、多高山地区，所需中 继站数目及中转次数将增多，并会带来以下问题： 中继站的数目增加必然导致设备、土建等相关费用的增加： 中继站起存储转发作用，水情数据经过中继级数越多，则受到影响的概 率增大，出现误码率码的概率也将增大，所以中继站的增加导致系统可靠性下降： 为了达到理想的效果，一般中继站架设在比较高的地方，所以中继站存 在雷击的可能性也比较大。 因此，超短波方式较适宜于遥测站距离较近，中继站建设及维护条件较好 的地区的水情遥测系统。由此可见，采用超短波方式组网。虽运营成本比较低， 但是频率资源、带宽、功率、架设天线、可维护性以及稳定性等问题是应用中的 最大难题。况且，随着社会的发展和城市化进程的加快，往往会出现由于新建高 楼的增加而导致整个通信信号质量大幅下降的情况。 2 4 4 卫星通信方式 卫星通信是地面微波通信的一种特殊的形式，其利用人造地球卫星作为中继 站转发无线电波，实现地面遥测站之间相互通信的一种方式，使用频率为 3 0 0 删z 3 0 0 g h z ，其特点是： 1 ) 覆盖面广，传输距离远： 2 ) 由于遥测站采集到的水情数据可以直接经过卫星，发送到中心站，通信 线路稳定可靠，因此传输质量好，误码率比较低； 第二章水情遥测系统现状分析 3 ) 通过卫星通信，通信频带宽，传输容量大，能够传送图像、语音等信号， 适用于多种业务； 4 ) 组网比较灵活，不受地理、环境等条件限制。 卫星通信较适应于地形复杂、覆盖范围大的水情自动遥测系统，是大面积 收集水情数据的一种较理想的通信方式，但由于受卫星转发器和地面设备的限 制，传输信号受雨衰的影响以及使用费用高，卫星通信在应用中受到一定的局限。 目前，水情测报可利用的卫星有以下几种：同步气象卫星、同步通信卫星、海事 卫星等。 2 4 5 无线通信方式性能比较 根据遥测站的分布特点，对实现水情数据传输的常用几种通信方式技术性能 进行比较，结果如下： 表2 1 性能比较表 超短波短信( g s m ) g p r s卫星 传输速率 1 2 0 0 b 一1 9 2 k 每条4 0 b y t e高速 高速 传输距离i o k m 内可靠传输不受限( 网络覆盖范围内) 传输距离远 受天气，转发器 覆盖范围受地理环境限制无线连接 及地面设备限制 采用工业频段，另需每月3 0 元费用低( o 0 1 传输费用 加微波管理费用2 0 0 0 条短信元k 数据) 实时性实时性高 实时性较高 实时在线 实时性较高 可靠性一般高高高 频率2 3 0 m h z 或4 0 0 m h z 9 0 0 m h z 、1 8 0 0 m h z3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 抗干扰性 较好 抗干扰能力强 每台从站3 s 左右，从 从站数目不受限 不受限( 基站负载能力范围内) 站越多轮询时间越长 可作为 应用范围适合小规模应用灵活方便，适合大规模应用 备用通道 第二章水情遥测系统现状分析 2 5 遥测系统分析 水情测报系统采用自报式工作体制，系统的设备指标及传输格式符合水文 自动测报系统规范s l 6 1 - 2 0 0 3 标准。除此之外我们还遵循了水文巡测规范 s l l 9 5 9 7 、水文情报预报规范s l 2 5 0 - 2 0 0 0 、水文自动测报系统通讯电路设 计规定s l l 9 9 9 7 及相关水文测验、水文情报预报等规范，并参考国内水文自 动测报系统最新进展，结合工程具体情况设计分析。 2 5 1 需求分析 g p r s 无线传输数据有以下优势： 1 ) g p r s 用户可随意分布和移动自己的网点，无需担心线路的维护或有线 在移机时导致的通讯中断。建设新的监测点无需进行拉线、理线等工作。较光纤 或专线系统投资较少，设备安装方便。 2 ) 终端价格比较低。与d d n 相比，较d t u 或d d n 专线m o d e m 其终端价格便 宜很多。 3 ) g p r s 资费便宜，计费合理。g p r s 资费包月比有线电话网络资费还便宜。 确保数据采集业务。没有大数据量的信息传输，不必要采用资费很高的专线( d d n 、 帧中继) 。g p r s 还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。在g p r s 网 络中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种连接，并只在传输 数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，监测点既不用频 繁建立连接，也不必支付传输间隙时的费用。 4 ) g p r s 能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠， 永不掉线。 5 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。e h 于g p r s 本 身就是一个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 协议，因此无需经过p s t n 等网络 的转接，直接与分组数据网( i p 网或x 2 5 网) 互通，接入速度仅几秒钟，快于 电路型数据业务。采用t c p i p 协议，较以前的无线数据网络( g s m 短信息) 而 言，网络接入更加直接方便。 6 ) 覆盖较好。比较很多无线数据网络，目前其网络覆盖是最好的。 2 5 2g p r s 无线业务与其他网络业务的性价比较 1 2 第二章水情遥测系统现状分析 从表2 2 可以看出基于g p r 8 的在线监控方式具有较高的综合性能价格比。 易于网络采集点的扩展，几乎不受到网点规模的限制，可以在中国移动的全网覆 盖范围内使用。跨省份、跨地区的网络也非常容易组建。可实现集中网络管理， 可用s n m p 协议实现所有网点设备的集中管理。g p r s 方案只是通信方式的改变， 对上层应用软件系统几乎没有任何影响。同时对现在水利行业大量存在的各种监 测设备也不需要更换和进行硬件电路更改。 表2 2网络业务的性价比较 通讯 建设运营 监控 操作 方案名称传输速度实时性 方式成本成本范围方式 电话线电话 高较低 窄5 6 i ( b p s 轮询差 m o d e m 监控 拨号 g s m 短信g s m 较低很高较宽 1 4 4 b p s 并行 差 g p r s g p r s g s 较低较低较宽 2 1 4 - 8 5 6 k b p s并行高 在线监控m s m s 2 5 3g p r s 方案的安全性分析 g p r s 的物理链路数据本身已经采用了加密传送。网络即可采用v p n 方式与 i n t e r n e t 连接，也可直接以a p n 方式连接到g p r s 网络。如果监控中心直接连接 到g p r s 网络，实质为内网方案，所有数据均与i n t e r n e t 隔离，大大增加了信息 的安全性。可以向移动中心申请单独的a p n ( 网络接入点名称) ，类似于v p n 方 案，可以限制非法s i m 用户的登录。两种方案的选择可根据实际情况决定均可实 现。必要时两种方案可互为备用。 2 6 水情遥测系统通讯方式解决方案 基于上面的分析可以看出，每一种通讯方案都存在着一定的缺点，基于g p r s 的无线通讯方式是目前最先进最稳定的无线监控管理系统通讯方式。 g p r 8 的无线监控系统具有以下显著优点： 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公网资源， 将极大节约建设成本，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。 第二章水情遥测系统现状分析 数据传输速率与其它通讯技术相比较快，最高可达1 7 1 2 k b s ，通信传输时 延较小，最长不超过3 秒。 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速。辽宁移动通信网的有效覆盖范围已 达9 5 以上。 系统建成后，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉，每个控 制点的月通信费用可控制在百元以内。 通信服务质量安全可靠，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。 整个系统维护方便，系统升级简单快速。 为了确保通讯畅通无阻，无线监控系统还可采用g s m 短消息通讯方式作为 g p r s 通讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用g p r s 通讯 方式，当g p r s 通信万一中断时，立即切换成g s m 短消息通讯方式。 2 7 本章小结 本章首先介绍了水情遥测系统的概况及其组成，并对现有遥测系统的通信现 状进行了分析；同时对无线通信方式进行了比较，提出了现有各种通信方式的特 点和存在的不足；最后通过对遥测系统的分析，对g p r s 方案进行了安全性分析， 提出了g p r s 方式水情遥测系统的通信方式解决方案。 1 4 第三章g p r s 技术及原理 第三章g p r s 技术及原理 3 1g p r s 网络简介 g p r s 的英文全称是：“g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ”( 译作“通用分组 无线业务”) ，它是利用“包交换”( p a c k e t - - s w i t c h e d ) 的概念发展起来的一套 无线传输方式。所谓“包交换”就是将d a t a 封装成许多独立的封包，再将这些 封包一一传送出去，形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料 需要传送时才会占用频宽，而且以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合 理的计费方式，因为像i n t e r n e t 这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的， 而且可以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式。g p r s 网 络是基于现有的g s m 网络来实现的“。 图3 1g p r s 系统结构图 为了实现分组交换技术，g p r s 在g s m 原有网络基础上叠加了一层网络，组 成g s m g p r s 网络。增加了s g s n 、g g s n 、p c u 、计费网关( c g ，可选) 、边缘网关 第三章o p r s 技术及原理 ( 可选) 等节点。如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 网络支持节 点) 和s g s n ( s e r v i n gg s n ，g p r s 服务支持节点) ，g s n 是g p r s 网络中最重要的 网络节点。g p r s 与g s m 共用基站，但要进行软件升级，增加新的移动性管理程 序、m a p 信令和g p r s 信令等，接入终端也要采用新的g p r s 移动台。图3 1 为g p r s 系统结构图。 g p r s 骨干网可分为内部p l m n ( 公众陆地移动网) 骨干网和外部p l m n 骨干网。 每一个内部骨干网都是i p 专网，内部和外部骨干网之间使用边界网关( b g ) 相 连。在h l r ( 本地位置寄存器) 中有管理g p r s 用户的数据和路由信息，s g s n 和 g g s n 都可以访问h l r 。 3 2g p r s 网络主要实体 g p r s 网络主要实体包括g p r s 支持节点、g p r s 骨干网、本地位置寄存器h l r 、 短信息业务网关移动交换中心( s m s - g m s c ) 和短消息业务互通移动交换中心 ( s m s i 删s c ) 、移动台、移动交换中心( m s c ) 拜访位置寄存器( v l r ) 、分组数 据( p d n ) 等1 。 图3 2g p r s 骨干网逻辑结构 1 6 第三章g p r s 技术及原理 1 g p r s 支持节点( g s n ) g p r s 的支持节点g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点，包含了支持6 p r s 所需的功能。g s n 具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并可 以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格 式转换。g s n 是一种类似于路由器的独立设备，也与g s m 中的m s c 集成在一起。 在一个g s m 网络中允许存在多个g s n 。g s n 有两种类型：s g s n 和g g g n 。 s g s n 是为移动终端( m s ) 提供业务的节点( g b 接口由s g s n 支持) 。在激活 g p r s 业务时，g g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端( m s ) 的移动性和安全性方面的信息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信 息，并且在移动台和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 g g s n 通过配置一个p d p 地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的g p r s 业务用户的路由信息，并根据该信息将p d u 利用隧道技术发送到m s 的当前的业 务接入点，即s g s n 。g g s n 可以经g c 接口从h l r 查询该移动用户当前的地址信息。 g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。 另外，g g s n 也又被称作g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包 进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 s g s n 与g g s n 的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理 节点上分别实现。它们都应有i p 路由功能，并能与i p 路由器相连。当s g s n 与 g g s n 位于不同的p l m n 时，通过g p 接口互联。s g s n 可以通过任意g s 接口向m s c v l r 发送定位信息，并可以经g s 接口接收来自m s c v l r 的寻呼请求。 2 g p r s 骨干网 g p r s 骨干网分为内部p l m n 骨干网和外部p l m n 骨干网。内部p 【n m 骨干网是 指位于同一个p l m n 上的并与多个g s n 互联的i p 网。外部p l m n 骨干网是指位于 不同的p l m n 上的并与g s n 和内部p l m n 骨干网互联的i p 网，如图3 3 所示。 第三章g p r s 技术及原理 图3 3内部p l m n 骨干网和外部p l m n 骨干网 每一个内部p l m n 骨干网都是一个i p 专网，且仅用于传送g p r s 数据和g p r s 信令。i p 专网是采用一定访问控制以达到所需安全级别i p 网。两个内部p l m n 骨干网是使用边界网关( b g ，b o r d e rg a t e w a y s ) 和一个外部p l m n 骨干网并经 g p 接口相连的，外部p l a n 骨干网的选择取决于包含有b g 安全功能的漫游协定， b g 不在g p r s 的规范之列。外部p l m n 可以是一个分组数据网。 第三章g p r s 技术及原理 图3 4g p r s 网络骨干网的组成 在同一个p l m n 骨干网内，骨干网是图3 4 中虚线方框内的部分。在g p r s 骨 干网内部，各g s n 实体之间通过g n 接口相连，它们之间的信令和数据传输都是 在同一传输平台中进行的，所利用的传输平台可以在a r m 、以太网、d d n 、i s d n 帧中继等现有传输网中选择。 3 本地位置寄存器( h l r ) 在h l r 中有g p r s 用户数据和路由信息。从s g s n 经g n 接1 ：3 或g g s n 经g c 接 口均都可访问h l r ，对于漫游的m s 来说，h l r 可能位于另一个不同的p l m n 中， 而不是当前的p l m n 中。 4 短消息业务网关移动交换中心( s m s g m s c ) 和短消息业务互通移动交换 中心( s m s i w m s c ) s m s g m s c 和s m s 1 w s c 经g d 接口连接到s g s n 上，这样就能让g p r sm s 通 过g p r s 无线信道收发短消息( s m ) 。 1 9 第三章g p r s 技术及原理 5 g p r s 移动台 g p r sm s 能以三个运行模式中的一个进行操作，其操作模式的选定由惦所 申请的服务所决定：即仅有g p r s 服务，同时具有g p r s 和其他g s m 服务，或依据 m s 的实际性能同时运行g p r s 和其他g s m 服务。 a 类( c l a s s - a ) 操作模式：m s 申请有g p r s 和其他g s m 服务，而且m