（计算机应用技术专业论文）供水信息系统研究与开发.pdf

摘要 论文题目 学科专业 研究生 指导教师 供水信息系统研究与开发 计算机应用技术 b 莉 李军怀副教授 摘要 签名： 签名： 随着无线通信、互联网、数据库和分布式计算技术的发展，无线计算技术应运而生。 基于无线传输网络技术，包括数据采集、计算、通讯和管理几个要素的企业无线计算将改 变人们的生活方式和工作方式。通过若干个数据采集终端对企业作业点的信息进行快速、 准确、便捷的采集、计算，并通过无线传输方式实时或定期地发送给后台服务器进行处理， 极大地提高了企业生产力，增强了企业的竞争能力。 本文通过对城市供水工艺流程以及在此过程中信息收集与管理业务的分析，设计并实 现了一个基于c d m a 无线网络的供水信息系统。论文首先介绍了课题的研究背景和供水 信息管理的现状：接着在分析城市供水工艺流程的基础上，提出了一个基于c d m a 的供 水信息系统组成结构，并介绍了系统参考模型、网络结构及所涉及的相关技术；然后分析 了目前几种常用的无线通信技术( 如g s m 、g p r s 、c d m a ) 的优缺点及适用场合，重点 分析了c d m a l x 网络的工作原理，提出了基于c d m a l x 的供水信息系统传输网络结构 及数据传输的实现方法；接着，介绍了供水信息系统参考模型所涉及的s o a 、w e b 服务、 中间件技术，基于这些技术，提出了一个基于w e b 服务的分层无线计算软件模型，并着 重介绍了通信服务中间件层的结构、w e b 服务安全模型及q o s 实现方法；最后，在上述 理论研究基础上，开发实现了一个供水信息系统。 关键词：无线计算；无线通信；s o a ；安全；q o s中间件 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw a t e rs u p p l yi n f o r m a t i o n s y s t e m m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：l jb u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j u n h u a il i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：盆麴 s i g n a t u r e ：壅盆必 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 。i n t e m e t , d a t a b a s ea n dc o n t r i b u t e d c o m p u t i n gt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s sc o m p u t i n gt e c h n o l o g ya r i s e s t h ee n t e r p r i s e sw i r e l e s s c o m p u t i n gw h i c hc o m b i n e dw i t hw i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t i n g t e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ed a t ac o l l e c t i o n ，t h ec o m p u t a t i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o na n dt h e m a n a g e m e n tw i l lc h a n g et h ew a yp e o p l el i v ea n dw o r k t h r o u g hs o m ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a l u n i t s ，f a s t , a c c u r a t e ，c o n v e n i e n tc o l l e c t si n f o r m a t i o no fe n t e r p r i s ew o r k i n gp o i n ta n dt h e n r e a l - t i m eo rf i x e d - t i m et r a n s m i t sd a t at h r o u g ht h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d ef o rt h eb a c k e n d s e r v e rp r o c e s s i n g t h i sg r e a t l ye n h a n c e se n t e r p r i s ep r o d u c t i v i t ya n ds t r e n g t h e n se n t e r p r i s e c o m p e t i t i v ea b i l i t y t h i sa r t i c l et h r o u g ha n a l y s e so ft h er e g i o nw a t e rs u p p l yt e c h n i c a lp r o c e s sa sw e l la st h e c o l l e c t i o no fi n f o r m a t i o na n dt h em a n a g e m e n tb u s i n e s si nt h ep r o c e s s ，d e s i g n sa n dr e a l i z e sa w a t e rs u p p l yi n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nc d m aw i r e l e s sn e t w o r k t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ew a t e r s u p p l yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp r e s e n ts i t u a t i o n t h e n a n a l y z e st h ec i t yw a t e rs u p p l yt e c h n i c a lp r o c e s s ，i nt h ef o u n d a t i o nt op r o p o s eaw a t e rs u p p l y i n f o r m a t i o ns y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nt h ec d m aa n di n t r o d u c et h es y s t e mr e f e r e n c em o d e l t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dr e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e s t h e nw ea n a l y z e ss e v e r a lc o n l l u o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa tp r e s e n ts u c ha sg s m ，g p r sa n dc d m a , a n a l y z e s t h e i rg o o da n db a dp o i n t sa n dt h es u i t a b l es i t u a t i o n , e m p h a s e so nt h ec d m a l xn e t w o r k w o r k i n gp r i n c i p l e ，w ep r o p o s e sw a t e rs u p p l yi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e b a s e do nt h ec d m a l xa n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nr e a l i z a t i o nm e t h o d w en e x ti n t r o d u c e st h e s o a ，w e bs e r v i c ea n dt h em i d d l e w a r et e c h n o l o g yi n v o l v e di nt h es o f t w a r em o d e lo f t h ew a t e r s u p p l yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，b a s e do nt h e s et e c h n o l o g i e s ，p r o p o s e s al a m i n a t i o nw i r e l e s s c o m p u t a t i o ns o f t w a r em o d e lb a s e do nt h ew e bs e r v i c e , a n de m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em i d d l e w a r el a y e r , t h ew e bs e r v i c es e c u r i t ym o d e la n dt h e q o sr e a l i z a t i o nm e t h o d u n d e rw i r e l e s s e n v i r o n m e n t f i n a l l y , i na b o v et h e o r yr e s e a r c h f o u n d a t i o n ，w ed e v e l o p e sa n dr e a l i z e saw a t e rs u p p l yi n f o r m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m p u t i n g ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；s o a ；s e c u r i t y ；q o s ；m i d d l e w a r e 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 、靠 论文作者签名： ! 自p 年月! 。日 学位论文使用授权声明 1 十 本人! ! i在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名：锄砷7 年；月f c 7 日 前言 1 前言 1 1 课题研究背景与意义 随着国民经济的迅猛发展，城市、农村供水在国民生活中所起的作用越来越大。但传 统的供水管理信息化水平不高，特别是省级水利部门和下级水厂之间的数据集成程度较 低，上级部门无法实时了解各个水源监测点的情况，有关部门无法及时获取决策和分析需 要的数据，不利于提高工作效率，保证供水质量，满足日益增产的用水量的需求。因此有 必要建立供水信息网络并在此基础上开发供水信息系统，保障城市供水，提高经济效益。 由于水源监测点分布范围广、数量多、距离远、地理位置分布复杂，要想实现远程数 据采集和信息化管理，必须有效解决系统的通信传输组网问题。目前，国内城市供水系 统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大类”。根据水源监测点的地理位置特点， 通过有线方式实施非常不方便，而且成本高。采用无线技术则可以很好的解决这一问题。 无线数据通信因其具备组网灵活、投资较少、建设周期短、维护简单、性价比高等优点， 逐渐成为供水管理中的主要数据传送方式。 随着g p r s 和c d m a 无线分组数据传输技术日趋成熟，为解决供水行业信息化提供 了新的通信组网解决手段。近年来，g p r s 已广泛应用于电力、石油、水利、环保、气象、 供水、交通运输、煤矿、金融、市政等许多行业的远程数据传输系统中，有效解决了野外 分布范围广、数量大、数据传输量少、地域分布复杂的监测点的远程数据传输问题。但由 于固有技术特点，g p r s 网络存在通信速率低、数据和话音通道共用、经常发生阻塞等现 象。 与此同时，中国联通推出了c d m a l x 业务。c d m a i x 使用8 0 0 m 频段，频率资源丰 富，相比9 0 0 m 的g p r s ，可以提供更好的空问覆盖和深度覆盖。c d m a l x 理论带宽可 达3 0 0 k b s ，目前的实际应用带宽大约在1 0 0k b s 左右( 双向对称传输) 。在此信道上提供 t c p i p 连接，可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等。 基于以上情况，本文研究开发了一个基于c d m a 的供水信息系统，目的是解决目前 城市供水信息化水平不高的现状。 1 2 供水信息系统现状 目前的供水信息收集与管理方式主要为人工管理，数据来源比较分散，水源数据是通 过各地水厂水源监测点的数据采集终端( r 1 u 或p l c ) 采集，而诸如生产、运行、销售 等管理信息大多以纸质报表的形式处理；同时，上级的政策法规、文件、信息，是以书面 形式送达各地水厂。这种管理方式使得有关部门决策层难以及时的了解各地水厂的水源以 西安理工大学硕士学位论文 及生产、运行、销售等情况，带来以下缺点： 夺科学决策缺乏依据； 夺信息无法及时发布； 夺与各地供水企业的交互不能及时进行。 为了解决上述问题，本文试图研究并开发一个基于c d m a 的供水信息系统，包括通 信传输硬件组网和供水信息系统软件。各地水厂数据通过中国联通c d m a l x 无线网络进 行传输，最终传送到省级数据中心，然后进行数据的分析、显示，实现对各个水厂供水数 据及生产、运行、销售等管理数据的收集、传输、显示、分析、历史查询以及报警等功能， 供上级领导决策参考，实现供水管理的快速、高效、准确化。 1 3 论文主要工作与结构 1 3 1 主要工作 论文针对目前供水信息管理中存在的诸多问题，重点研究了基于无线网络的供水信息 系统结构、关键技术，并在理论研究基础上，设计实现了一个基于c d m a 网络的供水信 息系统。具体工作包括： 1 、在分析城市供水流程及供水管理功能要求基础上，提出了供水信息系统的组成结 构； 2 、通过对现有几种无线通信网络技术的分析与比较，确定课题选用联通c d m a l x 网络作为本系统通信信道，设计并测试了基于c d m a l x 的供水信息系统网络方案； 3 、针对无线网络的特点，研究并提出了供水信息系统分层软件模型，并重点讨论了 模型中涉及的w e b 服务安全性、q o s 等技术； 4 、在上述理论研究基础上，根据具体的功能需求，设计并实现了一个基于c d m a 的 供水信息系统。 1 3 2 论文结构 第一章，分析了供水系统管理现状和数据通讯现状，以及目前的现状对供水管理信息 化的制约影响。分析了数据采集的方式，简单介绍了联通的c d m a 业务的特点，提出将 c d m a 业务运用到供水管理中，并给出了本文的研究内容。 第二章，首先介绍了城市供水的流程，根据流程特点和供水管理的功能要求提出了供 水信息的总体结构，详细地阐述了系统的各个组成部分和供水信息参考模型，该模型也可 以应用到其它行业中建立基于无线网络的企业信息系统。 第三章，首先介绍目前流行的3 种无线通信技术，讨论了它们的特点和不足，在此基 2 前言 础上选择了c d m a l x 作为本课题的通信信道。接着详细讨论c d m a l x 的原理与特点。 最后分别就各地水厂和省级数据中心接入方案进行详细讨论，并设计、测试了基于 c d m a l x 的供水信息系统网络方案。 第四章，依据数据的信息流将系统划分为数据采集层、通信服务中间件层、数据发布 层三层，并讨论了无线环境下w e b 服务安全性、q o s 等关键技术。 第五章，在理论研究基础上，设计开发了基于无线网络的供水信息系统，详细介绍了 系统开发中公共类和典型模块的设计以及系统关键问题的解决方法。 第六章，总结本文的工作并对下一步的工作进行了展望。 3 供水信息系统总体结构 2 供水信息系统总体结构 2 1 城市供水流程概述 2 1 1 城市供水流程 城市供水的过程是：由水源取水送到自来水厂，在自来水厂经过消毒、沉淀、过滤等 过程后送入城市供水管网，提供给城市居民或工业用户等使用。水源可来自水源井，也可 来自地表水。在城市供水管道中途设有中途加压站，在城市管网中还设有许多测压点。由 于各城市的地理条件、水源分布、水源水质、城市规模和高层建筑的不同，其供水工艺会 有所不同，主要有以下几种模式：第一、水源水质较好，不需净化处理，直接送往用户； 第二、水源水质达不到标准，必须先对其作净化处理再送往用户；第三、有些城市，地面 高度变化较大，或高层建筑较多的地方，需要二次加压；第四、城市规模较大，单一水源 无法满足需求，要多永厂并行供水。综合以上几种模式，可以看出，城市供水工艺主要包 括以下几个部分：原水提取、净化处理和净水输送”1 。典型的供水工艺流程如图2 1 所示。 2 1 2 功能要求 城市供水信息系统的主要目标就是通过计算机通讯网络与软件系统，及时、准确了解、 分析区域各供水系统的运行、管理及水质情况，为科学决策提供依据。同时，发布各种信 息，及时与各地供水企业进行信息交流，指导供水企业安全运行。 系统由一个省级数据中心和若干个下属水厂组成。各个水厂和省级数据中心的数据传 输通过有线或无线网络完成，水厂负责向中心报送数据，可以通过访问数据中心软件直接 填报或者以文件的形式导入数据。 省级数据中心负责数据存储、处理、显示分析、报表显示打印、信息发布等。同时供 中心局域网用户查询，使得决策层能够及时掌握下级水厂的生产、管理情况。各个水厂也 可以通过计算机网络访问数据中心，查询历史数据、政策法规等等。 系统的具体功能要求如下： 1 、数据采集 通过各地水厂的信息采集系统获取生产、运行、销售情况。 2 、数据传输 将各水厂的信息，通过计算机网络，传递到省级数据中心。 5 西安理工大学硕士学位论文 图2 1 典型的供水工艺流程 f i g 2 1t y p i c a lw a t e rs u p p l yt e c h n i c a lp r o c e s s 3 、数据显示及分析 数据中心将收集的各类信息及数据，经过分析、加工，以报表、图形等形式直观地显 示出来；供有关部门领导决策使用。 4 、历史数据访问 可存储、查询、分析全省供水历史数据。 5 、报表显示及打印 系统可自动生成各种生产、管理、销售情况的日月年报表，并可随时打印。 6 、信息发布 通过网站及时发布各种政策法规、文件、信息，指导全省供水企业运行。 6 供水信息系统总体结构 2 2 供水信息系统组成结构 2 2 1 系统总体结构 根据上小节的分析，本文提出城市供水信息系统由三个部分组成：各个水厂数据采集 与局域网络系统、无线数据传输网络、省级数据中心，其总体结构如图2 2 所示。 w e b 服务器应用服务器数据库服务器通信服务器 图2 - 2 系统总体框架图 f i g 2 - 2s y s t e mo v e r a l lf r a m ec h a r t 图2 2 中，各组成部分功能如下。 1 、各个水厂数据采集与局域网络系统 各水厂将生产、管理数据通过无线传输网络发送到省级数据中心。各个水厂的组网方 7 西安理工大学硕士学位论文 案因网点的设备数量多少而有较大差异，主要集中为两种方式： ( 1 ) 网点为单台设备，此时只需要增加一个具有串口的g s m g p r s c d m a 桥接器。 ( 2 ) 网点为多台设备集群使用，此时可以先将水厂的各个设备组成局域网，r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口可通过串口到1 0 0 b a s e t 转换器转换成以太网接口，再经由一个 g s h 吖g p r s c d m a 模块接入无线数据传输网络。 2 、省级数据中心 省级数据中心服务器申请配置i n t e m e t 上固定的口地址，或租用i n t e m e t 服务提供商 的光缆、d d n 等数据专线直接与i n t e r n e t 相连。数据中心局域网络中安装通信服务器、 应用服务器、数据库服务器、w e b 服务器等。 ( 1 ) 通信服务器负责实现数据中心与各水厂之间的数据传输； ( 2 ) 应用服务器实现数据分析、存储、等功能； ( 3 ) 数据库服务器进行数据存储、备份； ( 4 ) w e b 服务器实现数据收集、分布等功能。 具体实现时，通信服务器、应用服务器、数据库服务器、w e b 服务器可以安装在一 台服务器中，也可以安装在不同服务器中。 3 、无线数据传输网络 数据经g s m g p r s c d m a 网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成 在公网数据传送的格式，通过无线数据传输网络进行传输，最终传送到数据中心口地址。 2 2 2 网络结构 整个供水信息系统的网络结构如图2 3 所示。 图2 - 3 总体网络结构示意图 f i g 2 - 3o v e r a l ln e t w o r ka r c h i t e c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 由图2 - 3 可见，数据中心通过光纤、d d n 等数据专线接入因特网，再与中国联通的 c d m a1 x 网络连接；或者数据中心直接通过c d m a 接入模块( m o d e m 或者路由器) 接 8 供水信息系统总体结构 入c d m a 网络。各地水厂通过c d m a 接入模块接入c d m a 网络。本章着眼于系统的总 体结构，至于数据中心和水厂的详细接入方案和系统通信功能的实现将留待下一章中详细 讨论。 接入c d m a 网络可通过c d m ai pm o d e m 实现。但是，c d m ai pm o d e m 只能提供一 个串口解决单台串口设备接入c d m a l x 问题。也可以采用一台c d m a 路由器( 可实现 i p m o d e m 的以太网- - c d m a l x 网络路由功能) 连接各设备，再接入c d m a l x 网络的方 案，此方案具有很高的性能价格比。 2 2 3 供水信息系统参考模型 无线数据传输网络具有如下特点： ( 1 ) 高损耗： ( 2 ) 高延迟； ( 3 ) 低带宽； ( 4 ) 低可靠性。 针对无线网络环境的上述特点，本文提出如图2 4 所示的分层信息系统模型。模型分 为管理层、中间层和网络层。管理层可以是c r m 、e r p 、m i s 、o a 等应用软件；中间层 负责数据传输：网络层可以是g s m 、g p r s 、c d m a 等。在本课题中管理层、中间层、 网络层分别对应基于w e b 的供水信息系统( 即数据中心软件) ，通信服务中间件，c d m a l x 无线网络。这个模型可以普遍的适用于行业用户，为企业提供无线计算服务。向上可以为 应用层的供水、物流、零售等行业建立基于无线网络的企业信息系统，而向下的采集层可 以是条码、r f i d 等各类终端设备。 管理层 中间层 网络层 图2 - 4 基于无线网络的企业无线计算模型 f i g 2 4e n t e r p r i s ew i r e l e s sc o m p u t i n gm o d e lb a s e do i lw i r e l e s sn e t w o r k 9 西安理工大学硕士学位论文 2 3 相关技术 2 3 1s o a 和w e b 服务 s o a 是一个软件系统架构，它将应用程序划分为若干独立的功能单元即服务。w e b 服 务是它的技术基础之一，s o a 最大特性是“松散耦合”，这个特性使得能够将服务组合为 各种应用程序。 采用s o a 思想开发供水信息系统数据中心软件，将大部分功能以w e b 服务的形式提 供，不仅可以提高代码重用率，还可以在增加功能的同时减少工作量。如果某个功能的流 程发生变化，需要升级软件，只需替换完成该功能的w e b 服务即可。日后需要时，这些 服务可以将自己组装为按需应用程序一即相互连接的服务提供者和使用者集合，彼此结合 以完成特定业务任务，使业务能够适应不断变化的情况和需求。 2 。3 2 通信服务中间件 所有的数据通信由通信服务中间件完成，这种分离的方式使得数据中心和水厂可以集 中精力于数据的处理和上报而不必考虑数据的传输。这使得数据中心和水厂之间的数据传 输透明化。中间件负责传输数据和日志记录等工作。作者提出通信服务中间件的软件架构， 并且使其普遍的适用于企业无线计算。 2 3 3 安全和q o s 软件采用w e b 服务方式开发，w e b 服务以s o a p 协议为基础，安全性是其一大问题。 本文分析了w e b 服务的安全需求，并采用n c t 框架的w s e 2 0 实现了w e b 服务安全。此 外，由于系统的通信是基于无线环境的，无线环境高延迟低带宽的特点对系统性能有很大 影响。针对此问题，本文介绍了几种无线环境下q o s 策略，包括异步调用w e b 服务，缓 存w e b 服务，大数据量低频率访问和s o a p 响应压缩。 2 4 本章小结 在分析城市供水流程的基础上，提炼系统的功能需求，进而确定了系统的结构。在此 基础上，给出了系统的网络结构以及供水信息系统的参考模型，并且该模型能够广泛地应 用于构建基于无线网络的企业信息系统。最后，提出并简单介绍了系统中涉及的关键技术， 这些关键技术将在后面的章节中详细阐述。 l o 基于c o m a 的数据传榆技术 3 基于c d m a 的数据传输技术 3 1 几种无线通信技术 目前，各地水厂到省数据中心的数据通信方式可采用有线和无线方式。有线通信主要 包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、x 2 5 、d d n 、a d s l 等，无线包括超短波通信、 扩频通信、卫星通信、g s m 短信g p r s c d m a 通信等。 由于各地水厂分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，架设光缆、铺设电 缆难度大、不切合实际。向电信部门租用专用电话线需要等待漫长的电话拨号过程，速度 慢，运营成本较高。总之，采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不 便于大规模使用。 无线通信方式具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高、使用灵活等优 点。无线通信方式主要包括：超短波( 2 3 0 m h z ) 无线数传、扩频、卫星通信、g s m 数字 蜂窝通信系统等。 卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用。扩频通信技术虽然速率高， 但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用超短波数传电台作为传输信道具有组网 灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但由于系统工作于2 3 0 m h z 且多采用 普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传 送量不大、信号覆盖范围小等缺点。数传电台有发射功率限制，传输距离最大只有数十公 里，而且，超长距离的发送需要大功率发射，因此需要提供大功率电源。这一特性决定了 数传电台的应用只能限定在一定的区域范围内。 目前比较适宜本系统的先进数据通讯方式是g s m 、g p r s 与c d m a 。下面将分别介 绍这几种网络的特点。 3 1 1f i s m 全球数字移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 是国家投资 建设的公众网络，是目前国内覆盖范围最广、系统可靠性最高、话音清晰度最高的移动蜂 窝通信系统，它具有强大的保密功能，用户身份鉴别可保护网络避免无权用户使用。g s m 系统除提供话音业务外，还提供数据业务、短信息业务等多项功能。 借助g s m 网络传输数据主要是使用短信息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s m s ) j j 匣务4 1 。 短信息业务s m s 是g s m 网络中惟一不需要建立端到端通信信道的业务。短信息传送的 基本过程是：在g s m 系统中有一个短信息服务中心s m s c ( s h o r t m e s s a g e s e r v i c e c e n t e r ) ， 移动端a 将短信息和要发送的移动端b 的号码一同发给s m s c ，然后再由s m s c 转发给 西安理工大学硕士学位论文 移动端b 。如果传送失败，移动端b 没有回答确认消息，s m s c 会保留所传的消息，一 旦网络发现移动端b 能够被叫通时，就可以重发消息以确保移动端b 能够收到，这一点 又不同于寻呼机。而且短信息发送方移动端a 还能够知道发送是否成功。由于s m s 不需 要单独建立通信信道，因此费用低廉。但是由于s m s 标准规定了短信息的格式为1 4 0 个 英文字符或是7 0 个中文字符，如果超过此规定长度，则要分多次发送。在较少通信数据 量的场合上应用，尤其是长途通信上的应用，s m s 有较大的优势。 3 1 2 p r s g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) 是的缩写，是介于第二代和第三代之问的一种 技术，通常也称为2 5 g ，中国移动2 0 0 2 年5 月正式商用g p r s 网络。g p r s 是在现有g s m 系统基础上发展出来的一种新的网络业务。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占 用多个无线信道，同一个无线信道又可以由多个用户共享资源有效的利用，从而实现高速 率数据传输。g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以实现上x 2 5 网互联互通。 g p r s 具有全双工运作，间隙收发，永远在线，只有在收发数据才占用系统资源，以数据 传输量为准等特点，由于g p r s 的核心层采用口技术，底层可使用多种传输技术，这使 得它较易实现端到端的、广域的无线口连接，以实现某种特定功能岱“。相比g s m 之下， 采用g p r s 网络更具优点和前瞻性。但是，由于在实际使用过程中，g p r s 用户不可能全 部占用8 个时隙进行数据通信，所以实际的数据速率最高只能达到4 0 k b p s 左右。 3 1 3c d m a c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ”- - 9 1 是与g s m 并列的移动通信技术，是码分多 址数字无线技术的英文缩写，它拥有频率利用率较高、手机功耗低等优点。与g s m 相同， c d m a 也有2 代、2 5 代和3 代技术。c d m a 被认为是第3 代移动通信技术的首选，目 前的标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。c d m a 2 0 0 0 是第三代c d m a 的名称， 它的第一阶段称为i x 。c d m a2 0 0 01 x 是一种新型的移动数据通信业务，是中国联通在 完善优化c d m a 网络建设过程中推出的第2 7 5 代通信技术，它在目前的i s 一9 5c d m a 网 络的基础上进一步升级了无线接口，使其支持高速补充业务信道，从而可实现高速互联网 接入服务。它利用c d m a l x 终端，通过运营商的p d s n ( p a c k a g e d a t a s e r v i c e n o d e ) 接入 i n t e m e t ，并可以进一步利用电信级v p n ，v p d n ( n 【i a l p r i v a t e n e t w o r k v i r t u a l p r i v a t e d i a l n e t w o r k ) 架设的专有数据传输通道，以动态分配地址的形式，登录到用户的i n t r a n e t 。 基于c d m 的数据传输技术 3 1 4 通信信道的选择 c d m a 网络和g p r s 网络原理类似，均采用m 通信技术，较g s m 具有优点和前瞻 性。虽然c d m a 2 0 0 0 1 x 同g p r s 同属2 5 g 移动通讯网络，主要为了解决提供分组数据 业务而建立，但是c d m a 2 0 0 01 x 在以下4 个方面较g p r s 具有突出的优势n0 i i i 。 1 、网络覆盖，c d m a l 2 0 0 0 1 x 使用8 0 0 m 频段，相比9 0 0 m 的g p r s ，可以提供更好 的空间覆盖和深度覆盖，这样在初期建网的时候，可以实现广覆盖、低容量的建网方式， 待用户数量发展到一定规模之后再继续扩容，从而实现运营商网络建设的滚动发展。 2 、频率资源，c d m a 2 0 0 0 1 x 占用的是全新的8 0 0 m 频段，频率资源丰富。而g p r s 使用的是g s m 的9 0 0 m 频段。g s m 的频率资源在很多地区本来就很缺乏，g p r s 使用分 组业务，每个用户占用比话音更多的频率资源，导致g p r s 的频率资源进一步的匮乏， 从而限制了g p r s 的用户数量。 3 、带宽，c d m a 2 0 0 0 1 x 理论速率1 5 3 6 k b p s ，目前实际测试速率为8 0 k b p s ，是平均 3 0 4 0 k b p s 的g p r s 数据传输的2 - 3 倍。 4 、信道质量，c d m a l x 通过专用载频和信道，通过p d s n 网络与互联网连接，与话 音路由分道提供，传输速率依赖无线环境程度不大；g p r s 数据业务与话音业务共用同一 信道，如网络用户数量增加到一定程度，导致频率资源问题更加突出，每个g p r s 用户 可使用带宽将进一步降低。 基于以上分析，我们选择了联通的c d m a 2 0 0 0 1 x 作为本课题的无线数据通信信道。 采用c d m a 2 0 0 0 1 x 无线分组数据传输技术进行供水系统通信组网，具有以下特点： 1 、系统组网迅速灵活，建设周期短、成本低，维护量少； 2 、网络覆盖范围广，不受地域限制，通信传输速率高，同时支持语音通信； 3 、传输稳定、可靠性高、安全保密性能好； 4 、用户永远在线，按流量计费，用户使用成本低； 5 、特别适合点多分散、中小数据通信量的数据传输； 6 、尤其适于跨地域的企业应用和条件差、野外的使用环境。 3 。2c d m a i x 的原理与特点 c d m a 2 0 0 0 是t i a 标准组织用于指代第三代c d m a 的名称。适用于3 gc d m a 的 t i a 规范称为i s 一2 0 0 0 ，该技术本身被称为c d m a 2 0 0 0 。c d m a 2 0 0 0 的第一阶段也称为 l x ，其使拥有现有i s 9 5 系统的通信公司能将其整体系统容量增加一倍，并可将数据速率 增加到高达6 1 4 k b p s 。 3 西安理工大学硕士学位论文 3 2 1c d m a 技术原理 c d m a 是在数字技术上的分支一扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。 c d m a 技术以不同的正交码序列区分不同的用户，所以称为“码分多址”技术。它是以 扩频通信为基础的多址连接技术，即用一个带宽远大于数据信号带宽的高速伪随机序列 ( p n 码) 调制需传送的数据信号( 扩频) ，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发 送出去。由接收机使用完全相同的伪随机p n 码，对接收的宽带信号作相关处理，把宽带 信号转换成原信息数据的窄带信号( 解扩) ，实现数据信息通信。接收机产生的相同的伪随 机p n 码必须与接受信号中包含的伪随机p n 码完全同步。因此在发射信息信号前，要先 产生一个专门的p n 码序列( 该序列在受到干扰时，接收机仍有较高的识别率) ，用于同步， 同步建立后开始通信 1 2 1 0 3 2 2c d m a i x 网络结构 图3 - 1 显示了c d m a1 x 的网络结构 1 0 1 。 图3 - 1c d m a 2 0 0 01 x 网络结构 f i g 3 1c d m a 2 0 0 01 xn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ( 图3 - 1 摘自g p r s 、c d m a l x 网络结构大对比) p d s n 的功能：用来连接无线网络和分组数据网的接入网关，为移动i n t e m e v i n t r a n e t 用户提供分组数据接入服务。除了使点到点协议口p p ) 封装的口包能在无线网络和口网 络间正确传输外，p d s n 还与其他各种接入服务商的m 分组网络连接，从而为终端用户 提供诸如互联网接入、电子商务、w a p 应用等多种业务。 p c f 的功能：主要负责与b s c 、m s c 配合将分组数据用户接入到分组交换核心网 1 4 基于c o m a 的数据传输技术 p d s n 上。核心网的功能实体包括p d s n 、h a 、f a 、r a d i u s ( a a a ) 月a 务器等功能实体。 a a a 服务器的功能：用户注册信息的认证，即通过验证一些预先登记的信息进行用户身 份认证；数据业务的授权，即决定是否授权移动用户访问特定的网络资源；计费信息的处 理，即搜集资源使用信息，进行计费、审计、成本分配或趋势分析等。此外，它还须实现 与p d s n 、h a 及其它a 从服务器的交互功能，向移动用户提供分组数据业务。 本地代理h a 的功能：只有使用“移动坤”时才需要h a 。作为一个独立的网络单元， h a 用来完成对移动p 和代理移动口用户的移动性管理功能。h a 通过移动终端登记来 定位移动用户，同时把分组数据转发到用户当前所登记的f a ( 位于p d s n 内) 。h a 同时支 持动态的疋地址分配和反向隧道。平台用来提供无线数据业务。 3 2 3c d m a i x 优点 c d m a l x 系统的无线口网络接口采用成熟和开放的i e t f 协议，支持基于口的 i n t e r n e t i n t r a n c t 的接入方式，可在移动用户和数据网络之间提供一种连接，能够提供快速 即时的高速t c p i p 连接，可以用于数据传输、远程监控等应用。使用c d m a l x 技术实 现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，从而降低了服务成本。特别适用于 间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 c d m a l x 无线传输数据有以下优势： 1 、c d m a l x 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在移机时导 致的通讯中断。建设新的监测点无需进行拉线、埋线等工作。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 、c d m a l x 资费便宜，计费合理。c d m a l x 资费包月比有线电话网络资费还便宜。 环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) 。c d m a l x 还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。在c d m a i x 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，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 、c d m a l x 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 、c d m a l x 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。由于c d m a l x 网 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