（电机与电器专业论文）gprs在配变监测系统中的应用.pdf

一查堕奎堂堡主堂焦堡塞 a b s t r a c t t h i st h e s i si sa b o u tt h er e s e a r c ho f u s i n gg p r si nm o n i t o r i n gs y s t e mo f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r t h e w o r km a i n l yd e v e l o p sg p r sw i r e l e s st e r m i n a lu s e di nm o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r t h e t h e s i sd e s c r i b e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mp p p p r o t o c o la n dt c p i p p r o t o c o la r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt og p r sw i r e l e s st e r m i n a l f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，p u r p o s e ，s i g n i f i c a n c e so fm o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e ra n dp o i n t so u tt h a ti ti st h ed i f f i c u l t yt oc o m m u n i c a t et om a n yr e m o t ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r s i ns p r e a da r e a e s ，t h e nt h et h e s i sa n a l y s e sk i n d so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k su s e di nd i s t r i b u t i o na u t u m a t i o n s y s t e ma n df i n d so u tt h a tg p r st e c h n o l o g yc a ns o l v et h ed i f f i c u l t i yt oc o m m u n i c a t et om a n yr e m o t e d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r i n e r s s e c o n d l y t h et h e s i ss t u d i e st h ew h o l es t r u c t u r eo fg p r sn e t w o r ke n dl o g i c a ls t r u c t u r eo fc o r e n e t w o r k ，a n da n a l y s e sg p r s st r a n s m i s s i o np l a t f o r m o nt h eb a s i so fi t ，t h et h e s i sp r o v e sf e a s i b i i i t yo fu s i n g g p r si nm o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o na u t u m a t i o ns y s t e m ，a n db r i n g so u tas c h e m eu s i n gg p r si n m o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r i nt h ed e s i g ns c h e m e ，t h ee s s e n t i a lt e c h n o l o g i e sa b o u tg p r s w i r e l e s st e r m i n a la r ep r o v i d e d t h i r d l y , t h et h e s i sc a r e f u l l yd e s c d b e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go f h a r d w a r ea n ds o r w a r em o d u l e sa b o u t g p r sw i r e l e s st e r m i n a l t h e d e s i g n o f h a r d w a r ei n c l u d e s m i c r o p r o c e s s o rs y s t e mm o d u l e ，g p r s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds w i t c hp o w e rs u p p l ym o d u l e t h e d e s i g no f s o f t w a r e m a i n l y i n v o l v e sp p pp r o t o c o lm o d u l e t c p 胛p r o t o c o lm o d u l ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h es o u r c ec o d ei sw r i t t e ne n t i r e l yi ncl a n g u a g e ，s oi tc a nb ee a s i l yt r a n s p l a n t e d i nt h ee n d ，t h et h e s i sc o n c l u d e st h em a i nw o r ko f t h i sd e s i g n ，a n dr a i s e ss o m er e s e a r c ht o p i c sa f t e ri t k e y w o r d ：m o n i t o r i n gs y s t e mo f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r ，g p r s ，w i r e l e s st e r m i n a l s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 研究课题的背景 第一章绪论 近年来，随着城乡电网改造工程的深入和电力企业改革的不断深化，用电管理的现代化建设就显得 越来越重要。配电网中的配电变压器是连接中压和低压的关键节点，能够提供有关电力负荷、电量、电 能质量、电网运行参数等重要信息，其运行数据是配电网自动化系统基础数据的重要组成部分。传统人 工抄读配电变压器方式在时效、准确性方面难以满足配电网自动化和用电管理现代化的要求。随着计算 机技术、通信技术和电力电子技术的飞速发展，为配变监测系统的发展提供了基础和保证。因此，在配 电网自动化项目中，利用计算机技术、通信技术和电力电子技术来建设配变监测系统就显得十分必要。 1 2 研究课题的目的、意义 配变监测系统可以实时监测配电变压器运行状态。通过配变监测系统，供电企业可以实时、自动 记录配电变压器的三相电压、三相电流、三相有功功率和三相无功功率、功率因数、零序电流、频率、 油温等数据，并进行运算、存贮；通过分析实时数据，计算线损、电压合格率、供电可靠性，形成电 流、电压、功率、电能量历史陆线及用电曲线等 获得事故报警，如断电、缺相、电流电压越限、三 相不平衡等；记录停电及恢复时间；打印抄收报表及各类分析图表；严格控制各种操作员的参数设定、 修改等操作权限。确保系统数据的安全、准确。 配变监测系统可以为防止窃电提供分析依据。电力法的颁布，标志着“电能”已经成为真正意 义上的商品，窃电直接影响供电企业的经济效益，窃电已经成为供电企业十分关注的一个重大社会问题。 具备计量功能的配变监测系统具有监视电压缺相、断电、零序电流异常等功能，为窃电分析提供依据。 配变监测系统为安全生产提供保障。配电变压器安全稳定运行，是供电企业生产部门关注的重要目 标。配变监测系统能监测变压器的油温或环境温度、电流越限、三相不平衡、缺相、停电等参数，作为 安全运行的判据。 配变监测系统可以为中低压电网规划提供基础数据。在进行中低压电网规划设计时，供电企业对居 民负荷的现状必须做到心中有数，系统增容、变压器安装点选择等日常规划工作必须有科学的依据，这 些依据可以由配变监测系统提供。 配变监测系统除了监测配电变压器以外，还可以为居民集抄系统提供上传数据通道。随着“一户一 表。抄表到户”政策的实施，居民集抄系统是居民抄表技术的发展趋势，这些抄表系统一般以台区为单 位，在变台位置的设置一个集中抄表器，存储本台区下所有的电表数据。居民集抄系统通过配变监测系 统将电表数据上传到供电企业。因此，保证了居民抄表计费的及时和准确，提高供电企业的经济效益和 工作效率，降低劳动强度，达到减人增效的目的，提高管理现代化水平和服务质量，并可为客户提供用 电信息服务等。 综上所述，配变监测系统作为配电网自动化系统重要组成部分，在有限的投资前提下，能全面提高 配电网自动化系统的服务质量、配电变压器的安全和经济运行和供电企业的管理水平，产生很好的经济 效益和社会效益。 东南大学硕士学位论文 1 3 配变监测系统的难点 随着我国配电网自动化建设的广泛开展，配变监测系统的建设成为配电网自动化系统的重要组成 部分之一。在配变监测系统中配电变压器特点一是数量多，通常有成百上千甚至上万点之多：二是种 类形式多，有为各类工矿企业及事业单位提供电力的专用变压器( 含大用户变) 、城市公用变压器、农 村变压器等，变压器形式上有杆式变、箱式变、室内变等；三是地域分布广，有些终端设备在市区， 有些终端设备在郊区；另外还有各种小水电的关口表。针对这种数量多、分布广、种类形式多的配电 变压器监测系统，通信组网一直是困扰人们的难题，而且在控制中心的计算机系统处理这么大量的配 电变压器信息也很困难。 此外，配变监测系统中的大量配电变压器一般都安装在户外。工作环境恶劣，必须考虑雷击、雨 淋和潮湿、振动、高低温工作、电磁干扰等因素的影响。因此，配变监测系统要和在数量上众多的分 布广的配电变压器通信，如何降低通信系统的造价而且还要满足配变监测系统的性能要求成为设计人 员面临的重要难题。 1 4 配变监测系统对通信系统的要求“1 通信系统是建设配变监测系统的关键技术，通信系统的好坏很大程度上决定了配变监测系统的优 劣。配变监测系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方 配变数据采集终端，并且将反映配电变压器运行情况的数据信息收集到控制中心。 总体上讲，配变监测系统对通信系统的要求体现在以下几个方面： 1 、通信的可靠性 配变监测系统的通信系统通常是在户外安装的，这意味着通信系统要常期经受不利的气候条件和 较强的电磁干扰。因此，配变监测系统的通信系统必须能够在上述恶劣状况下工作。 2 、功能费用比 在设计通信系统时要同时考虑通信技术先进性和通信系统的费用，选择费用和功能及技术先进性 的最佳结合，追求最佳功能费用比。通信系统一味追求先进性，追求多功能，其高投资很可能会抵消 配变监测系统带来的效益。在计算通信系统费用时，除了初期投资外，还应考虑将来运行和维护的费 用。 3 、通信的实时性 配变监测系统是一个实时监测系统，必须满足实时性的要求。因此，需要选择合适的通信带宽以 及通信网络结构方式。此外，除了配电变压器数据的上送还有控制中心控制命令的下发，所以配变监 测系统的通信系统必须具有双向通信的能力。 4 、使用和维护的方便性 配变监测系统的通信系统构成规模较大。因此，在设计上应考虑尽可能地简化这一复杂的通信系 统的使用和维护。 1 5 配电网通信系统现状分析n 。 随着通信技术的发展，目前可选用的通信手段很多。为了解决配变监测系统和数量众多、分布范 围广的配电变压器通信组网的难题，有必要对配电网系统中各种通信技术进行分析，选用恰当的通信 方式。按照传统的分类方法，通信方式可以简单地分为有线方式和无线方式。 一、有线方式 2 第一章绪论 有线方式包括传统的现场总线和r s - 4 8 5 总线、光纤通信、配电线载波通信等。 1 、现场总线和r s 一4 8 5 总线 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总 线常用的有c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等。 c a n 被公认为几种最有前途的现场总线之一，具有多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时 刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用 这一特点可方便地构成多机备份系统：c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时 性要求：采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动 地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间； 可实现点对点、一点对多点及全局广播等通信方式：直接通信距离最远可达l o k m ( 速率小于5 k b p s ) ， 通信速率最高可达l f o p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ；采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，具 有极好的检错效果。 l o n w o r k s 网络是一种“面向数据”的网络技术它采用完全符合i s o o s i 参考模型七层协议的开 放式网络通信协议一l o n t a l k 协议，提供i s o o s i 参考模型所定义的全面七层服务，并支持不同介质 分段的网络，包括双绞线，同轴电缆、电力线以及光纤等，通信速率可达1 2 5 m b p s ，直接通信距离最 长可达2 7 0 0 米( 7 8 k b p s ，双绞线介质) 。采用l o n w o r k s 技术的配电自动化系统中的远方终端均可咀被 视为l o n w o r k s 网络上的一个节点或予站。由于l o n w o r k s 网络本身的特点，每个节点的投入或退出均 不会影响系统的运行，并且网络上的节点平等，整个系统可拥有多个主站，物理上各节点之间可以直接 通信，同时由于可以设置优先级，可以保证网络中重要信息传输的实时性。 p r o f i b u s 总线包括p r o f i b u s - - d p 、p r o f i b u s - - f m s 、p r o f i 舢s p a 三部分。p r o f i b u s 支持主从方 式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控 制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。p r o f i b u s 直接通信距离为2 3 8 k m 1 8 7 5 k b p s ( 光纤) 或者9 6 k b p s ( 双绞线) ，最多允许挂1 2 7 个节点。 r s - 4 8 5 总线是一种改进的串行接口标准，与r s 2 3 2 不同，r s 4 8 5 总线采用双绞线传输信号，在发 送时采用差分的方式将逻辑电平转换为电位差来传送，接收时将电位差还原为逻辑电平。r s 4 8 5 总线 最多可以支持6 4 2 5 6 个发送接收器对，最远传输距离为2 5 k m ( 波特率不大于9 6 0 0 b i t s ) 。最高传 输速率为2 4 m b i t s 。 综上，现场总线适合与附近配电变压器的通信，也适合于变电站内智能模块之间的通信。但对于 分布范围广的大数量的配电变压器，现场总线具有成本高、布线困难、可靠性低、维护困难等缺点。 因此，现场总线在配变监测系统中的使用受到限制。 r s 4 8 5 总线尽管建设简单，但传输速度低，抗干扰及纠错能力较差，对较小规模的系统实时性可 以得到保证，对较大规模的系统实时性不能得到保证，一般只适合在控制室内部使用，也不适用于分 散安装的配变监测系统。 2 、光纤通信 光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的先进的通信手段。光纤通信的优点 是传输频带宽、速率高、容量大、传输距离远、不怕电磁干扰、抗腐蚀和抗酸碱、保密性好、敷设方 便、可靠性高等。从传输模式上光纤可以分为单模光纤和多模光纤两种。单模光纤传输速率高，一般 在1 4 0 m b i t s 以上传输距离长，可靠性好，在无中继的情况下可靠传输距离为3 0km ：多模光纤传 输速率相对单模光纤速率低，可靠性稍低，在无中继的情况下可靠传输距离小于5 k m 。由于光纤的主 要材料是二氧化硅，资源非常丰富，所以光缆造价不断的降低，光终端设备造价也逐渐降低，光纤通 信必将广泛应用在配电自动化系统中。一般而言，单模光纤用于建设通信主干网；多模光纤常用配电 变压器与区域工作站间通信。这样光纤可以实现对主干线上重要配电变压器的实时在线监控，但光纤 的接入点过多会增加费用。降低系统可靠性，因此该方式不能将主干线上所有配变全部包括，对干线 周边及支线上的配变更是无能为力，因此光纤通信在配变监测系统中的使用受到限制。 东南大学硕士学位论文 3 、配电线载波通信 配电线载波通信是以6 i o k v 配电线路为传输通道，采用移频监控( f s k ) 和调频技术相结合的调制 方式，应用先进的数字信号处理( d s p ) 技术和集成电路技术来实现数话同传的通信方式。配电线载波 方式的虽大优点是实施方便，无需额外敷设通信线路，电力线路设备铺设到哪里，通信就到哪里，建 设成本低，投资少，见效快，而且运行成本也较低。和其它通信介质不同，配电线完全属于电力公司 企业本身，因而便于管理。但是配电线载波通信系统的数据传输速率低，容易受到干扰、非线性失真 和信道间交叉调制的影响，并且配电线载波通信系统采用的电容器和电感器的体积较大、价格也较高， 因此配电线载波通信不适合应用到配变监测系统中。 二、无线通信 无线通信方式结构简单，架设方便，价格便宜。它仅需要很少或者不需要通信线路就可以工作在 双工方式，特别是任何无线方式都有能力和停电的区域进行通信，所以是一种生命力很强的通信方式。 无线通信主要包括以下几种通信方式： i 、数传电台 数传电台使用3 5 0 5 1 2 瑚z 或者8 0 0 9 0 0 m t l z 频段，具有覆盖范围广、发射功率大、传输时延小、 安装维护方便的优点，适合于点多而分散、地理环境复杂等的应用场合。但由于数传电台的发射功率 大，需要向无线电台管委会申请专用频点，但无线专用通道比较拥挤，因此在配变监测系统中，数传 电台使用受到定的5 i t | i l 。 2 、扩频通信 扩频系统主要由中频单元和射频单元组成，扩频通信的频率范围为9 0 01 0 0 0 m h z 。扩频通信的优 点是抗干扰能力强、传输速度商、系统误码率低、发射功率小，但缺点是要求通信两端无阻挡对大 城市比较困难。一般用于通信点不多，通信速率要求较高的场合。在配电自动化系统中，扩频通信可 以应用于实现配电子站和主站的通信外，还可以应用于i o k v 开闭所，小区变和配电主站的通信。由于 存在成本方面的原因，在配变监测系统中，不便于采用扩频通信方式和为数众多的分散的配电变压器 进行通信。 3 、微波通信 微波通信采用1 0 0 0 1 i z 以上的频率。微波通信在电力系统中发挥重要的作用，对于调度自动化和 变电站综合t l 动化数据的传输有重要意义。微波频率为i g z 以上，属视距传输，它传输容量大，稳定 性能好，配置灵活尤其是在一点多址小微波系统( t d m a ) 推i l l 后。其使用性能更加加强。微波通信 一般为点对点传输，对于配变监测系统中为数众多的配电变压器都要建设一对微波通信设备。微波通 信虽然可以省去建设有线传输线的费用，并且具有很高的带宽，可以实现很高的数据传输速率，但是， 对于配变监测系统。由于通信数据量较少加上建设一套微波通信系统的技术复杂性和造价很高，使得 微波通信在配变监测系统中使用很少。 4 、卫星通信 卫星通信是通过同步轨道上的通信卫星作为中继站来转发或者反射无线电波信号，在地面间进行 通信，其带宽有5 0 0 m b z 、5 7 5 m h z 、8 0 0 m b z 三种。卫星通信的优点是不受地形、距离的限制、通信容量 大，不受大气层的影响通信可靠。但是卫星在同步轨道的超高空上，报文来回一次的时间约为1 4 秒，传输延迟大。另外为了通过卫星进行通信，需要租用卫星的信道，而卫星的信道租用费用非常昂 贵，因此卫星通信在配变监测系统中使用在很大程度上受到限制。 5 、g s m g s m ( 全球移动通讯网) 是近年来发展迅速的数字式移动通讯网络。g s m 网络省去了布线组网带来的 很多问题，通信距离不受限制，g s m 网络覆盖范围广，通信可靠，一般采用其增值业务短消息为载体， 结构简单，成本低。但是实对性差。通信流量受短消息1 4 0 个字节的限制，因此g s m 在配变监测系统 中的使用很大程度上受到限制。 6 、新兴的g p r s 技术 4 第一章绪论 g p r s ( 通用分组无线业务) 作为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是 由英国b tc e l i n e t 公司在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + 规范实现的内容之一，它是在g s m 系统的 基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它使用分组交换技术，能兼容g s m 并在网络上更加 有效地传输高速数据和信令，使得用户能够在端到端分组传送模式下发送和接收数据。由于无线资源 采用动态分配方式，一个用户可以分配多个时隙，一个时隙也可以由多个用户共享，用户虽然与网络 一直连接，但仅当有数据传送时才占用无线信道资源。g p r s 的信道由多个用户共享，不会被独占，可 以保证各用户数据的实时传输。g p r s 的数据传输速率快，最快可达到1 7 l 2 k b p s 。g p r s 采用针对数据 业务的计费方法，即流量计费方法，与上网时间无关，用户可以时时在线。g p r s 的网络接入速度快， 数据传输稳定、抗干扰能力强。 综上所述，新兴的g p r s 通信方式使用了分组交换技术“永远在线”，通信速率高，按流量收费， 通信费用低，是移动通信技术和r n t e r n e t 互联网完美结合的产物，而且g p r s 网络是在现有的g s m 网 络系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，在一次性投入和网络维护上的开销小，对 配电自动化系统内分布范围大、地域比较复杂、实时数据量小、数量众多的配电变压器监测和控制来 说可以节省耗费巨大的导线材料和人工费用，而且免除了日常检修和维护费用，同时，具有高可靠性， 扩展性和抗干扰性。这样在配变监测系统应用g p r s 技术可以实时监测配电变压器的运行状态、用户的 电表读数等参数。 因此，如何将g p r s 无线数据传输技术应用到配变监测系统是一个具有很好经济效益和社会效益的 新课题，值得研究。 1 6 论文的研究工作 本论文是关于g p r s 技术在配变监测系统中应用的研究，主要工作是研制应用于配变监测系统中的 g p r s 无线终端，包括g p r s 无线终端的软硬件系统的设计和开发。 首先，论文介绍了配变监测系统的背景、目的和意义，指出在配变监测系统中，与数量众多、分 布范围广、种类多的配电变压器通信的难点，分析了配电自动化系统的各种通信方式，得出新兴的g p r s 技术能够解决大范围分布的众多配电变压器通信的难题。 其次，论文研究了g p r s 网络的总体结构和骨干网的逻辑结构，剖析了g p r s 网络的传输平台。在 此基础上，对g p r s 技术应用于配变监测系统的可行性进行了论证，给出了g p r s 应用于配变监测系统 的总体设计方案，分析讨论了通信网络的构成方案设计、g p r s 无线终端的实现方案设计、集中监控主 站系统的方案设计。 最后，论文重点阐述了g p r s 无线终端的硬件和软件设计，主要工作包括： ( 1 ) 根据对本系统通信方式的分析，使用i n t e l 公司的高性能单片机8 0 c 1 9 6 k c 和s i e m e n s m c 3 5 i 无线模块来开发g p r s 无线终端。完成硬件原理图和印刷电路板的设计及调试。 ( 2 ) 根据配变监测系统对通信要求，开发符合要求的软件，成功地将p p p 协议和t c p i p 协议应 用于g p r s 无线终端。通过调试，实现了g p r s 无线终端的功能。 1 7 本章小结 首先概述了配变监测系统的背景、目的和意义，指出了在配变监测系统中，与数量众多、分布范 围广、种类多的配电变压器通信的难点。 然后，分析了配电网自动化系统的各种通信方式，认为薪兴的g p r s 技术能够解决大范围分布的众 多配电变压器通信的难题。提出将g p r s 无线数据传输技术应用到配变监测系统是一个具有很好经济效 益和社会效益的新课题，值得研究。 5 东南大学硕士学位论文 最后，明确了本论文的研究工作是g p r s 技术在配变监测系统中的应用，主要工作是研制应用于配 变监测系统中的g p r s 无线终端，包括g p r s 无线终端的软硬件系统的设计和开发。 6 第二章g p r s 技术及其在配变监测系统中的应用 第二章g p r s 技术及其在配变监测系统中的应用 2 1g p r s 技术睁“1 2 1 1g p r s 技术概述 2 1 1 1g p r s 系统的基本原理 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 作为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l i n e t 公司在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + 规 范实现的内容之一。它是在g s m 系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它使用分组 交换技术，能兼容g s m 并在网络上更加有效地传输高速数据和信令。 g p r s 是一个以分组交换为基础的系统，它具有与其他分组数据系统一样的特性，特别适合突发性 分组数据的传输，由于使用了分组交换技术，在无线接口上可以按需分配信道资源，一方面，每个用 户可以根据需要同时使用多个信道( 最多8 个) ：而另一方面，同一信道又可以同时由多个用户共享。 g p r s 理论上能提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率。 g p r s 系统在无线资源分配上采用动态信道分配方式，仅在有效数据通信时占用物理信道资源，因 此可以长时间保持在线，又没有独占倍道，可以大大提高频率资源的利用率。当一则消息含有大量的 数据时，它可以被分成多个分组，不同的分组可以通过不同的信道发送，这些分组都到达目的地以后， 它们被重新组合起来，恢复成原来的消息。 e t s i ( 欧洲电信标准协会) 指定了g s m 9 0 0 、1 8 0 0 和1 9 0 0 三个工作频段用于g s m ，其中g s m 9 0 0 频 段还有g i ( e - g s m ) 频段和p 频段。相应地，g p r s 也工作于这三个频段，包括g s m 9 0 0 的g l 频段和p 频 段，当然，g p r s 可以限制每个小区只工作于p 频段。 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， 这一切都表示了现有的g s m 网络可以很容易地提供g p r s 业务。在g s m 系统上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要作硬件上改动，只需软件上的升级。g p r s 系统的原理如图2 一l 所示， 构建g p r s 系统的方法是： 1 、在g s m 系统中引入三个主要组件，s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持接点) 和 p c u ( 分组控制单元) ，其中s g s n 和g g s n 又合称为g s n ( g p r s 支持节点) a 2 、对g s m 系统中的相关部件进行软件升级。 7 东南大学硕士学位论文 电路交换业务通道 2 1 1 2g p r s 网络总体结构 图2 - 1g p r s 系统原理图 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发 送和接收数据，其网络总体结构如图2 2 所示。 圉2 - 2g p r s 网络总体结构 图中计算机通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上，g p r s 蜂窝电话与g s m 基站通信。 g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通 信；g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。来自因特网标识 有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s o s n ，进而传送到移动台上。s g s n 的主要作用是 记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 通 过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分组交换网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用，也有将g g s n 称为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 t p 或x 2 5 网络。s g s n 和 g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数据传输。 8 l 圈二惦 第二章g p r s 技术及其在配变监测系统中的应用 2 1 1 3g p r s 的商用现状 欧洲最早是在1 9 9 3 年就提出了在g s m 网上开通g p r s 业务，当时g s m 网络在欧洲也不过刚刚开通 一年。目前，全世界已有近百个运营商开通了g p r s 商用系统、试商用系统或实验系统，如英国的 b t c e l l n e t 、德国的t - m o b i l e 、荷兰的t e l f o r t 、香港的s 姒t o n e 以及法国、西班牙、意大利、俄罗斯、 澳大利亚、新加坡、菲律宾等国家和地区的运营商。全球2 0 0 多个最大的运营商都选择了g p r s 网络， g p r s 数据业务可以触及世界各地。 目前，中国移动g p r s 网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及2 4 0 多个城市。无论在 繁华的闹市、还是在僻静的边远地区，g p r s 都能够最大限度的为商务人士和各行业集团客户提供高速 数据服务。2 0 0 0 年1 2 月2 1 日，中国移动集团公司在京宣布：正式启动g p r s 的网络建设。2 0 0 1 年6 月，中国移动g p r s 一期工程己完成，在公安、电力、电信、交通、市政、铁路等部门，基于g p r s 技 术的应用也蓬勃发展起来。 2 1 1 4g p r s 的业务功能 g p r s 网络作为一个分组承载平台，可以提供点对点以及点对多点的承载业务，并在此基础上可以 支持或提供用户各种电信服务。g p r s 提供应用业务的特点是适于不连续的非周期性突发的数据传送： 适用于小于5 0 0 字节小数据量事务处理业务，允许每分钟出现几次，可以频繁传送：适于几千字节大 数据量事务处理业务，允许每小时出现几次。因此，g p r s 非常适合突发数据应用业务，能高效利用信 道资源。 1 、g p r s 网络提供的承载业务 支持在用户与网络接入点之间的数据传输的性能。提供点对点业务、点对多点业务两种承载业务。 点对点业务是在两个用户之间提供一个或多个分组传送的业务。它分为点对点无连接网络业务和点对 点面向连接的数据业务。点对多点的业务是将单一消息传送给多个用户的一类业务，它又可细分为三 类：点对多点组播业务、点对多点群呼业务和i p 组播业务。 2 、g p r s 补充业务 适用于g p r s 承载业务的补充业务可分为g s mp h a s e 2 的补充业务和g p r s 特定的补充业务。 3 、用户终端业务 g p r s 支持电信业务，提供完全的通信业务能力包括终端设备能力。g p r s 系统可以根据用户的需 要，灵活地提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率，用户终端业务可以分为基于点到点的用户终端 业务和基于点到多点的用户终端业务。点到点的用户终端业务包括会话、报文传送、检索遥信等：点 到多点的用户终端业务包括分配、调度、会议等。 2 1 2g p r s 骨干网的逻辑结构 从逻辑上来说，g p r s 通过在g s m 网络结构中增添s g s n 和g g s n 两个新的网络节点来实现。由于增 加了这两个网络节点，需要命名新的接口。图2 3 说明了g p r s 逻辑体系结构。接口与参考点的区别是： 接口是开放的需要所有设备生产厂商都保持一致，且支持不同设备的互连；而参考点不是标准的接 口，g p r s 没有定义参考点的规范。g p r s 体系结构中的接口及参考点如下： r 参考点：是设备终端( t e ) 和移动终端( m t ) 之间的接口参考点，该点将设备终端( t e ) 和移 动终端( m t ) 相连。 g i 参考点：是g g s n 与外部分组数据网络之间的接口参考点，由于g p r s 可以支持各种数据网络， 园此g i 参考点不是标准接口。 u m ：m s 与g p r s 固定网部分之间的无线接口，它的r f ( 射频) 部分和g s m 相同，但逻辑信道增加 9 东南大学硕士学位论文 了p h d c ，并采用了4 种新的编码方式：c s l 、c s 2 、c s 3 、c s 4 ，并能支持多时隙传送方式，最多可支持 8 个时隙。 g b 接口：s g s n 与b s s 之间的接口，该接口支持用户数据传输和信令传输。它基丁_ 帧中继网络，提 供流量控制，支持移动性管理和会话管理。 g n 接口：同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口，它支持用户数据和信令传输，支持移动性管理， 在基于i p 的骨干网中，g n 和g p 接口使用g p r s 隧道传输协议( g t p ) 。 g p 接口：不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口，g p 接口的功能基本上和g n 接口一样，它还提供 边界网关( b g ) 、防火墙以及不同g s m 网络之问的互连功能。 g r 接口：s g s n 与h l r 之间的接口。它为s g s n 提供接入h l r 并获得用户管理数据和位置信息的接 口。它们之间通过m a p 信令交换信息。 g s 接口：s g s n 与m s c v l r 之间的接口，它是一个可选接口，但对于a 类移动台，则必须有此接口。 g c 接口：g g s n 与h l r 之间的接口，它是一个可选接口。只有通过该接口，g g s n 才能从h l r 中获 得m s 的位置信息，也就能完成网络发起的p d p ( 分组数据协议) 上下文激活。 g f 接口：s g s n 与e i r 之间的接口，它用于鉴权m s 的i m e i 信息。 g d 接口：是s g s n 与s m s g m s c 、以及s m s i w m s c 之间的接口，通过该接口可以使s g s n 发送短消息， 以提高s m s 的使用效率。 除了这些接口和参考点之外，g p r s 还新增加了分组控制单元( p a c k e tc o n t r o lu n i t ，简称p c u ) 和g b 接口单元( g b i u ，g bi n t e r f a c eu n i t ) 。其中p c u 使b s s 提供数据功能、控制无线接口、使多个 用户使用相同的无线资源。g b 接口提供从b s s 到s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理实 体中。 1 0 第二章g p r s 技术及其在配变监测系统申的应用 2 1 3g p r s 网络传输平台 g p r s 网络传输平台由一个分层协议结构组成，图2 4 是根据i s o o s i 参考模型提出的直至网络 层的传输平台。传输平台覆盖用户信息传输、流量控制和错误处理等相关控制过程的协议。它主要由 隧道协议( g t p ) 、i p 、l l c 协议、r l c 协议分别构成g p r s 网络各段的传输模式。m t 首先通过u m 接口接 入g p r s 网络，通过基站子系统( b s s ) 经g b 接口与g p r s 网络中的s g s n 连接，之后s g s n 通过g n 接口 接入同一p l m n 的g g s n ，最后从g g s n 接入外部数据网。传输平台通过底层无线接口和网络子系统( n s s ) 平台连接，这种独立性是通过保留g b 接口来实现的。 应用应用 i 尸x 2 5i p 嘎2 5l i 刚x t 2 5 1 s n d c p li s n d c p i a t ph l 2 g r p 卅 _ _ l 1 ii u d p l l c ll l l c t c p 刖1 器i i z l cr e l a 少 i 一l ， r l c 上 ， _ j b s s g pi p i r l c a c a cs s2 一 s m 一 s m i b i si b i si f 广 f sm s s b g s n n n i e 2 4p r s 传输协议平台 、g p r s 隧道协议( g t p ) 。g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输。所有用 的点对点p d p 协议数据单元( p d u ) 将由g t p 协议进行封装，用于标识特定用户。g t p 是g p r s 骨干网 g s n 节点之间的互联协议，它是为g n 接口和g 口接口定义的协议。 、u d p t c p 。在g p r s 骨干网中需要一个数据链路进行g t pd u 的传输。u d p 协议提供差错保护， 于承载不要求可靠传输的g t pd j ：t c p 提供流量控制以及丢失和差错保护功能，用于承载要求可靠 输的g t pd u 。 、i p 。这是g p r s 骨干网络协议，用与骨干网内用户数据和控制信令的路由选择。g p r s 骨干网最 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 会虽终采用i p v 6 协议。 、子网相关融合协议( s n i ) c p ) 。作为网络层与链路层的过度，s n d c p 将网络级特性跌射到底层网 特性中去。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定t c p i p 地址和加密方式。在该层移动 和s g s n 之间传送的数据被分割为一个或多个s n i d c p 数据包单元，s n d c p 数据包单元生成后被送入l l c 进f 输。 、翌辑链路控制协议( l l c ) 。l l c 是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议，能够在m s s g s 之间提供一条高度可靠的加密逻辑链路。l l c 层负责从高层s n d c p 层的s n d c p 数据单元上形成 l c 地址、帧字段，从而生成完整的l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控 。l l c 独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的g p i 2 s 无