（电气工程专业论文）地区电业局农网台变终端通讯方式研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d sf o rb e n c ht r a n s f o r m e r i nr u r a lg r i di nl o c a le l e c t r i cp o w e rb u r e a u x uj i n g w e n b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fp r o f e s s i o n a l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gz h i w e n s e n i o re n g i n e e rz e n gw e i s h e n g m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性! 声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者繇镎晶k 吼矽年州9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门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。本人授权湖南大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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：簿品支 导师签名尹 n 修 月 月 期 弦 年 年 -1-j iil-jf 劲 矽 期 期 t 程顶。l j 学位论文 摘要 国家电网公司提出了“新农村、新电力、新服务”的农电发展战略，正在推进坚强智 能电网建设，协调各级电网健康发展。在智能化发展中，农网供电台区变压器综合监控 系统将是其中一个有机组成部分。本文针对某地区电业局农村配电网综合监控系统的通 信方式进行了较为深入的研究。 本文首先分析比较了当前应用于电力系统的各种通信方式的优缺点，深入研究了农 村配电网自动化对通信的要求，阐述了g p r s 通信的网络结构及通信原理，并详细分析 了g p r s 技术在农网配电自动化系统中应用的可行性。在此基础上提出了农网台变终端 通信方案。该方案采用点对多点网络结构，远程管理信息中心通信服务器通过专线接入 i n t e m e t 网络，g p r s 终端登陆g p r s 网络获取动态i p 地址后主动向信息中心发起链接， 建立数据通道。 其次，介绍了通信网络协议，分析了g p r s 网络协议模型，比较了u d p 协议和t c p 协议的特点，确定了t c p 传输层协议，设计了应用层通信协议，编制了通信数据包结 构表以及功能表。 最后，对台变终端通信模块的硬件和软件进行了详细设计。硬件主要包括电源电路、 s i m 卡接口电路、网络标识电路及状念检n 复位电路。软件部分采用模块化设计方法， 编制完成了s i m 3 0 0 初始化模块、g p r s 网络连接模块、管理系统登陆模块、数据发送 模块及数据封装解封装模块。软件和硬件的联调已经通过，结果表明本文设计的通信方 案完全能够满足农网供电台区变压器综合监控系统的通信要求，验证了本方案的可行 性、有效性和实用性。 关键词：农网台变终端；g p r s 通信；通信协议；s i m 3 0 0 模块 n 地区电业局农网台变终端通讯方s u o f 究 a b s t r a c t t h en o v e ls t r a t e g yn a m e d n e wc o u n t r y s i d e ，n e we l e c t r i cp o w e r , a n dn e ws e r v i c e w a s p r o p o s e db yt h es t a t eg r i d i tw a se m p l o y e dt op r o m p tt h ec o n s t r u c t i o no fs m a r tg r i da n d c o o r d i n a t et h ed e v e l o p m e n to fg r i d so fa l ll e v e l s i nt h ep r o c e s so fu p g r a d i n g ，t h ei n t e g r a t e d m o n i t o rs y s t e mo fb e n c ht r a n s f o r m e rr u r a lp o w e r 酣dw i l lp l a yas t r i c t l yu t i l i t a r i a nr o l e t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e st h ec o m m u n i c a t i o n m e t h o d sf o rs u c hs y s t e mi nac e r t a i na r e a f i r s t l y , t h er e l a t i v em e r i t sw e r ec o m p a r e db e t w e e nal a r g ev a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o n a p p r o a c hi ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，s t u d y i n gt h ed e m a n db yt h ea u t o m a t i o no fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki nr u r a la r e a t h e n ，t h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e so fg p r s a r ed e s c r i b e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no fg p r si nt h ea u t o m a t i o ns y s t e mo f r u r a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ec o m m u n i c a t i o np l a nf o rb e n c h t e r m i n a l si nr u r a l 鲥di sp r o p o s e db a s e do ns u c ha n a l y s i s t h i sp l a ne m p l o y e dt h es t a r n e t w o r k t h er e m o t em a n a g e m e n tc e n t e ru s e st h es p e c i a l - p u r p o s ec o m m u n i c a t i o nl i n kt o a c c e s st ot h ei n t e r n e t m e a n w h i l e ，t h et e r m i n a l sc a nl o gi nt h eg p r sn e t w o r kt od e r i v et h e d y n a m i ci pa d d r e s sa n dr e q u i r et h ei n f o r m a t i o nc e n t e rt oc o n s t r u c td a t ac h a n n e l s e c o n d l y , t h ep r o t o c o li nt r a n s m i s s i o nl a y e ri sd e f i n e db yc o m p a r i n gt h em e r i t so fu d p a n dt c eb e s i d e s ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e d ，a n dt h es t r u c t u r et a b l ea n d f u n c t i o nt a b l ea r ec o m p o s e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e df o rt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h eh a r d w a r ei n c l u d e st h ep o w e rm a n a g e m e n t s ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i t so ft h es i mc a r d ，t h e n e t w o r ki d e n t i t yc i r c u i t sa n dt e s t r e s e tc i r c u i t s t h es o f t w a r ei n c l u d e st h eb u i l d i n gb l o c k d e s i g n ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a l i z a t i o n ，i n t e r l i n k ，m a n a g e m e n t ，d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t a e n c a p s u l a t i o nm o d u l e s a f t e rt h ed e b u gb e t w e e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec o m m u n i c a t i o np l a ni nt h i sp a p e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n t e g r a t e dm o n i t o r s y s t e mf o rb e n c ht r a n s f o r m e ri nr u r a l 鲥d t h ef e a s i b i l i t y , v a l i d i t ya n du t i l i t ya r et e s t i f i e d k e y w o r d s b e n c ht r a n s f o r m e r ； g p r sc 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 l m 3 0 0m o d u l e i l l t 程顾。l ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论。l 1 1 选题背景及意义1 1 2 农网台区变综合监控系统对通信的要求。2 1 3 配电网当前使用的通信方式3 1 4 本文所做的工作5 第2 章g p r s 技术在配电自动化系统应用的可行性分析7 2 1 移动通信技术发展概况7 2 2g p r s 通信技术简介7 2 2 1g p r s 网络结构1 2 1 8 2 2 2g p r s 数据流程9 2 2 3g p r s 的特点l1 2 3g p r s 通信技术的应用状况1 1 2 4g p r s 通信技术用于配电自动化的可行性分析1 2 2 4 1 安全性1 3 2 4 2 可靠性15 2 4 3 经济性15 2 4 4 系统传输及扩容能力16 2 5 本章小结1 6 第3 章农网台变终端系统分析及通信方案设计1 7 3 1 农网台变终端总体方案设计18 3 1 1 农网台变终端硬件设计1 8 3 1 2 农网台变终端软件设计2 0 3 2 农网台变终端与主站通信实现2 3 3 2 1 台变终端侧接入方案2 4 3 2 2 远程管理信息中心侧接入方案2 4 3 2 3 通信网络中数据流分析2 7 3 3 本章小结2 7 第4 章农网供电台区变综合监控系统通信协议2 9 i v 地区电业局农网台变终端通讯方式研究 4 1 通信系统交互过程2 9 4 2g p r s 网络协议模型3 0 4 3 通信系统传输层协议分析3l 4 3 1 传输控制协议t c p 31 4 3 2 用户数据报协议u d p 3 3 4 4 通信系统应用层协议分析3 4 4 4 1 应用层通信数据分类3 4 4 4 2 数据包格式3 6 4 5 本章总结3 7 第5 章农网台变终端g p r s 通信的硬件设计和软件实现3 8 5 1 农网台变终端通信子模块硬件设计3 8 5 1 1 终端通信子模块硬件资源介绍3 8 5 1 2 终端通信子模块硬件电路设计：4 l 5 2 农网台变终端通信子模块软件设计4 3 5 2 1g p r s ! 连接4 3 5 2 2 数据处理一4 4 5 2 3 通信程序总体流程图4 6 5 3 软硬件综合调试4 7 5 3 1 跳合闸实验4 8 5 4 本章总结5 0 结论一51 参考文献5 3 致谢5 6 v 丁程硕j j 学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着我国电力系统的迅速发展，农村电网也正在经历着建设、发展和改造的过程， 在这种形势下，农网对与其相适应的通信信道的要求也在不断提高【i 】。未来十年我国要 打造具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网，这对我国农村电网发展提出了 新的更高的要求【2 j 。 我国农村幅员辽阔，农村电网分布地域广阔，以县为单位，农电配电变压器数量有 几百台至上千台，全国农电配电变压器数量庞大。低压配电网络自动化管理和农村用电 安全还处于较低的水平，农网供电台区是农网供配电的最基本单元，为了改善农村低压配 电网络管理，提高自动化管理水平，结合当前农村供电台区现状和管理特点以及基于现 代通信技术、计算机技术、低压配电网技术，研究开发一种农网供电台区变综合监控系 统势在必行p 4 j 。 在农村配电网中，有大量的数据需要远程采集处理，如杆上变压器、箱式变压器、 公用配电房电气设备的电流、电压、有功功率、无功功率、运行状态、故障情况等数据。 农网供电台区设备与用户直接相连，具有点多面广、负荷变化频繁、供电可靠性不稳定、 管理难度大等特点，为确保农村地区低压配电网络的安全、经济运行，电力企业为此要投 入了大量的人力、物力和财力进行农村供电台区设备改造和运行维护【3 】。尽管这样，如 下问题，依然突出： ( 1 ) 农网运行优化和建设规划缺乏依据。农网负荷变化大，导致台区运行参数变化 大，而现有的依靠当地电工的措施无法及时准确测得相关数据，使得农网运行优化和建 设规划无据可寻。 ( 2 ) 台区变漏电保护装置需要维护电工手动合闸，因漏电保护装置频繁动作，农电 员工交通事故频繁发生，农村人、畜触电死亡或者长时间停电事件经常发生。农村电网 主要依靠漏电保护器保障用电安全，杜绝人、畜触电死亡，但是，农业生产中的一些不 良用电习惯( 挂钩偷电打稻、抽水) 、农用电器以及农网低压绝缘水甲低等因素导致漏 电保护装置频繁动作。目前的恢复供电措施是农电员工人工合闸。农网台区变数量庞大、 分行范围广，且地理条件复杂，需要投入大量人力。按照电力企业的规定，及时地对漏 电保护装置人工重合闸是值班电工必须完成的本职工作，这就要求农电员工无论白昼、 风雨雪都要完成任务，致使负责人农电员工交通事故频繁发生。不负责任的农电员t n 只是在上级检查和自己方便的时候恢复投入漏电保护装置，致使人、畜触电死亡事件经 常发生，或者长时间停电，损害农网用户的利益。 ( 3 ) 台区变烧损率高。现有的台区变主要通过高压和低压侧保险装置、过流空气开 地区 乜业局农网台变终端通讯方式研究 进行过流保护，而运行中由于保险参数配置不当、过载、雷击、农民用电误操作等原 ，导致变压器烧损率高。 ( 4 ) 无功控制方式落后。农网无功控制现主要采取固定投入或者根据功率因数自动 切方式，而现有方式未考虑农网运行参数变化大的特点，易导致无功补偿电容器烧损。 ( 5 ) 配电变压器防盗技术落后。农村地理环境复杂，而大多数配电变压器都缺乏防 技术，因而易发生电力设施被盗、遭受外力破坏的情况，致使供电中断和国家财产损 0 ( 6 ) 运行监控方式落后。农网供电台区设备的运行状况无法远程监测和控制，运行 据收集和线路控制仍需人员到现场抄录和操作，效率低下，而易形成数据滞后、失真。 ( 7 ) 目前的监控装置功能单一，全套采购安装成本太高。 鉴于此，在农村地区低压配电网络上应用配电自动化技术，利用现代计算机技术和 信技术对远方的变压器进行全天候实时监视、调节和控制【5 】。通过实际调研表明，研 一种高集成、低成本、多功能的农网供电台区综合监控系统，建立二级监控中心，为 村供电实现无线远程监控管理，实现农村配电网的科学管理，提高农村供电安全性与 济性提供非常重要的基础平台，对推动我国农村电网健康科学发展具有十分重大的现 意义和普遍推广价值。 相对于输电网，农网配电网络是以配电变压器为中心构成的供电网络，因此配变的 行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分【6 j 。通过实时采集配电变压器运行中的 种参数，并对采集的数据进行分析，来监视变压器的运行状况，以优化配网运行方式： 时发现配电变压器运行中出现的异常情况，迅速报警，及时恢复供电正常，可以减少 电时洲7 j ；计算电压合格率，从而合理控制电压水平，改善供电质量。配变具有分布 散、数量众多、所处地理环境复杂的特点，对其实现远程数据采集与监控，既满足实 性、可靠性的要求，又节约成本、经济合理，通信方式的选择就变得尤为重要。 2 农网台区变综合监控系统对通信的要求 通信系统的建设是农网台区变综合监控系统的关键一环。监控系统需要通过完备的 信网络，将管理中心的控制指令及时、准确的下达给数量众多的远方监控终端，并且 将远方设备的各项运行参数收集到管理中心以供决策。总体来说，盟控系统对通信的要 求主要有如下方面： ( 1 ) 可靠性：农网台区变一般都是安装在气候条件恶劣的野外，温差大，湿度大， 而且还有较强的电磁干扰。这就要求通信系统能够恶劣的环境下保持长时间的正常工 作，还要求检修周期长，操作方便。 ( 2 ) 经济性：基于整个监控系统的投资成本和性价比来考虑，通信系统不能花费 太大。在保证性能的前提下，应当尽可能缩减成本，以免影响监控系统的整体效益。 ( 3 ) 传输速率：在整个监控系统中，台区变监控终端数量多，数据传输量大，传 2 t 程硕i j 学位论文 输频繁，实时性要求高。这就需要通信系统能够提供足够高的传输速率。 ( 4 ) 双向通信：通信系统不仅担负着台区变运行参数实时上传的任务，还要能够 接收来自监控中心的操控命令，实现遥测、遥调、遥控和遥信的功能。 ( 5 ) 开放性：随着电力系统的发展，电力网络通信的互联能力越来越重要，在选 择通信系统的时候，要选用开放性、兼容性好的通信技术。 ( 6 ) 扩容能力：随着地区用电量的增加，监控终端的数量会越来越多，这就要求 通信系统接入灵活，容量充足。 ( 7 ) 易操作，免维护：台区变监控终端一般安装在野外，且操作人员文化水平普 遍不高，还需要和各种电力采集、监控设备联系。这就要求终端的安装、操作简捷，维 护尽可能方便。 1 3 配电网当前使用的通信方式 根据配电自动化系统对通信的要求，目前可供使用的通信方式有很多种，表1 1 列 出了电力网络中可能用到的通信方式。根据将要实施的台区变监控系统具体情况，选用 既适合本区域实际情况又具有深厚发展潜力的通信方式，必须对现今使用主要通信手段 的优劣有一个全面的分析和了解。另外，在台区变监控系统的具体施工中，选用的通信 方案是否性价比高会成为整个系统成败的关键，表1 2 对各种通信方式的优点和缺点也 进行了比较例。 表1 1 通信方式一览表 地区i 乜业局农网台变终端通讯方- 研究 ( 续表) 尽管通信技术飞速发展，国内外在配电自动化系统以及各种监控系统上使用的通信 方式多种多样，各有特色。但是从全面满足配电自动化需要这个方向来看，还没有任何 一种单一的通信技术能够完全满足要求。在许多具体项目中，根据所实施的项目实际功 能要求，选择不同的通信方式组合搭配使用，用以优势互补，最大化的完善配电网中通 信系统的功能。如图1 1 所示，为一个典型的多种通信方式共存的配网自动化系统。该 系统有两个开闭所，两个l1 0 k v 变电站。配网自动化控制中心和市区调度自动化中心 之i 、日j 、配网自动化控制中心和丌闭所之间、市区调度自动化中心和1 1 0 k v 变电站之间 都是使用光纤通信方式。而开闭所可作为通信的子节点，它与馈线的f t u 之间是使用 配电线载波( d l c ) 的通信方式。对于大负荷用电户，直接与配网自动化控制中心连接 是采用2 3 0 m h z 电台无线通信，远方抄表则采用拨号电话与配网自动化控制中心联系。 在这个系统中，不同层次上的通信方式各司其责，扬长避短，完成了整个系统的通信功 能 4 t 程硕1 j 学位论文 图1 1 典型混合通信系统 经过对各种通信方式的优劣进行了比较分析，对典型混合通信系统进行了初步介 绍，从这些可以看出：单一通信系统和混合通信系统都需要建设一个完整的专用的通信 网络系统，存在通信基础设施利用率不高，工程规模大，投资高，维护复杂，而且在系 统扩容的时候，还需要再次投资建设基础通信设施。随着互联网技术和通信技术的飞速 发展，利用移动运营商提供的移动通信技术来实现数据的远程采集和设备远程控制功能 就成为配电网智能化的发展方向。其中，基于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 网络系统的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 ， 通用分组无线业务) 通信技术，完美结合了无线移动通信和因特网技术，具有成本低廉， 稳定可靠，实时性高且组网简单等优点，且由于g p r s 网络运营商自有一个完善的运行维 护机制和管理人员，电力公司仅仅按照需要支付一定的使用费就能利用g p r s 网络组建 配网自动化系统的通信系统，极大的减少了通信设施的投资和运行费用，因此利用g p r s 组网非常容易，理论上也是可行的。 1 4 本文所做的工作 本文按照某地区电业局农网供电台区变变压器运行状况和环境特点，结合配网自动 化的具体标准，分析现有的配电变压器监控系统通信网络的特点，研究和设计了基于 g p r s 的台区变压器监控系统通信子系统。为远程管理信息系统对配电变压器的监测和 控制提供了良好的通信平台，提高了农村电网用电安全检测和控制的实时性、可靠性， 降低了农村电网运行成本，对农网配电自动化改造的具有非常强的促进作用。 5 地区i 乜业局农网台变终端通讯方式研究 本文所做的主要工作有： 1 、充分分析比较各种通信方式的特点，提出在农网供电台区变综合监控系统中应 用基于g p r s 技术的通信方案，并从传输能力、可靠性、系统扩容能力和经济性等方面 讨论方案的可行性。 2 、深入分析研究通信系统网络结构，按照配电网络发展趋势，结合配电网的实际 情况和项目要求，设计通信系统，使其既能够满足农网供电台区变综合监控系统对通信 的要求，又具有通用性强、移植方便的特点。 3 、研究分析传输层相关协议并根据实际要求选择传输协议，借鉴国际通用的各种 应用层通信协议和规约，依照监控系统功能要求，设计本系统应用层通信协议。 4 、完成农网台变终端通信模块的硬件和软件设计，对其进行现场调试。 6 t 程硕l ：学位论文 第2 章g p r s 技术在配电自动化系统应用的可行性分析 2 1 移动通信技术发展概况 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着数据通信及多媒体业务需求的发展，移动通信技术迅 猛发展，已经从第一代模拟移动通信开始，演变到g s m 系统、g p r s ，再到3 g 移动多 媒体通信系统，直至已经开始进行试验性研究的第四代高速移动通信系统，移动通信产 业已经成为全球经济的一个增长点，并对人类生活及社会发展产生了深远的影响【9 】。 第一代移动通信系统：模拟制式的移动通信系统。它的发展得益于微处理器的发明 和交换及控制链路的数字化，采用了f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 频分多 址) 技术，不同的用户使用不同的频段的业务信道，不同的用户时隙相同而频率不同， 每一个信道都能够提供语音通话、数字服务和数字数据服务。f d m a 技术是北美地区应 用最广泛的蜂窝电话系统模拟高级移动电话服务( a m p s ) 的一种基本的技术，但 是它存在保密性差，容量小，设备生产比较复杂，路间干扰比较严重以及频道利用率低， 已经不能满足飞速发展移动通信的要求。 第二代移动通信系统：g s m 系统( g l o b a ls y s t e mo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动 通讯系统) 。它是第一个商业运营的2 g 系统，相对于第一代移动通信系统，它采用数字 式的信令和语音信道，增强了频谱效率，扩大了系统的容量，提高了通话的语音质量， 加强了系统的安全性能，还增加了与其他网络互联的开放的接口，真j 下体现了用户移动 性，在全球得到了广泛的应用。 第三代移动通信系统：简称3 g 系统，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。 目前3 g 存在四种标准：c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a ，w i m a x 。跟第二代系 统相比，它在传输声音和数据的速度上有了巨大的提升，能够在全球范围内提供移动宽 带多媒体服务，另外，3 g 还提供了与已有第二代系统良好的兼容接口。g p r s 技术，作 为由第二代系统向3 g 的过渡技术，可以说是g s m 的延续。它利用g s m 网络中未使用 的t d m a 信道，将数据分组后进行传输，这样大幅度提高了通信信道利用率。 第四代移动通信系统：4 g 移动通信系统技术则以讵交多任务分频技术( o f d m ) 最受 瞩目，它具备通信速度更快，网络频谱史宽，通信更加灵活，智能性更高，兼容性更好， 通信费用更便宜等优点，但是存在着标准难以统一，技术难以实现，容量受到限制等缺 点【1 0 】。目前，日本的n t td o c o m o 公司已经在公司的横须贺研发园内部署了4 g 通信的 试验网络。距离大规模使用还有很长的路要走。 2 2g p r s 通信技术简介 g p r s 技术介于第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通讯技术之间，经常被描述为“2 5 g ” 7 地区i 乜业局农网台变终端通讯方式研究 系统。g p r s 系统是在现有的g s m 网络中增加了一些新的网络单元，其中最主要的是 s g s n 和g g s n ，另外还有一个重要的单元是p t m s c ( p o i n t t o m u l t i p o i n ts e r v i c ec e n t e r 点对多点服务中心) 。还有一个新的网络单元是b g ( b o r d e rg a t e w a y 边界网关) ，此单 元主要为网络的安全性服务。这样，通过增加相应的功能单位和对基站的部分改造，就 在g s m 网络中实现了分组交换传送服务。在g p r s 系统中，通过系统提供的标准协议 地址( i p 、x 2 5 ) 高速的访问公共数据网络。对用户来说，g p r s 装置能够做到即插即 用，同时提供语音和数据业务，并且用户还可以一直连接在互联网上。 g p r s 系统在传输数据时，首先将数据按照特定的格式分成规定长度的数据包，每 一个数据包传送之前并不分配固定的通信信道，而是根据到达的数据包中目的地址临时 寻找一个空闲的信道将其发送出去。在这种传送方式中，发送者和接受者之间不固定占 用某条信道，所有用户共享信道资源。由于大部分数据传输都具有突发性，采取资源共 享方式就提高了信道资源的利用率。 2 2 1g p r s 网络结构【 1 2 】 图2 1 显示了g p r s 网络的功能结构及逻辑结构图。g p r s 网络除引进s g s n ( 服 务g p r s 支持节点) 、g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 等功能实体外还根据实际应用情况， 在g p r s 网络中将采用诸如计费网关和合法的拦截网关之类的功能单元。而且，还对 g p r s 和g s m 网络各实体的接口作相应的界定，即g 接口。通过g 接口网络，可以实 现g p r s 系统到网络和g s m 网络的n s s 部分的连接，同时通过i n t r a p l m n 骨干网， i n t e r - p l m n 或是外部网络，实现其他接口和参考剧叫2 1 。 图2 1g p r s 网络逻辑结构图 s g s n ：g p r s 服务支持节点。它通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 之间的 连接，完成移动性管理功能；通过研接口与h l r 相接，进行用数据库的访问及接入控 制；通过g n 接口与g g s n 相连，提供数据传输通道管理及协议变换的功能。s g s n 还 提供与m s c 的g s 接口连接以及与s m s c 之间的g d 接口连接。 g g s n ：网关g p r s 支持节点。它提供g p r s 和外部数据网的传输通道，进行移动 t 程硕f ：学位论文 用户和外部数据网之间的数据传输工作，另外，也支持g p r s 和其它g p r s 的互联【1 3 】。 g g s n 实际上发挥着网关或路由器的作用，它与其它的网络单元，比如p i x 、d n s 、d h c p 、 r a d i u s 等设备联合完成数据传输功能。g g s n 和s g s n 之间通过g n 接口，使用g t p 协议连结。g g s n 采用i p 协议类型与外部数据网通过g i 接口连结。 b s s ：基站子系统。b s s 在原有系统的功能上，增加了与s g s n 间的g b 接口，升 级了增强版的层2 协议，实现了信号化信息和用户数据的交换，完成数据发送或接受时 信道资源的管理与分配。 g b 接口：s g s n 和b s s 间接口。g b 接口是在g s m 网络和g p r s 部分之间的g p r s 通信和信息传输的载体。通过该接口s g s n 完成移动性管理、无线资源管理、逻辑链路 管理及分组数据呼叫转发管理功能。 g s 接口：m s c v l r 和s g s n 间接口。s g s n 通过g s 接口和m s c 配合完成对m s 的移动性管理功能。它能发送定位信息到m s c ，经由g s 这个可选择的接口接收从m s c 来的寻呼信息。这个接口使用了b s s a p + 协议。 g r 接口：s g s n 和h l r 间接口。s g s n 通过g r 接口从h l r 取得关于m s 的数据， 可以被定位在与s g s n 不同的一个p l m n 。g r 接口采用7 号信令m a p 方式。 g d 接口：s m sg m s c s m si n m s c 和s g s n 间接口。通过该接口，s g s n 能接收 短消息，并将它转发给m s 、s g s n 和g m s c ( g a t e w a ym o b i l es w i t c h i n gc e n t e r 网关移 动交换中心) ，使得s m s 服务的使用更加高效。 g n 接口：在同一p l m n 中s g s n 间、g g s n 间、s g s n 和g g s n 间接口。g n 在 i n t r a - p l m n 骨干网提供一个数据和信息传输接口。在基于i p 协议的骨干网g n 中使用 了g t p 。 g p 接1 5 1 ：在不同p l m n 中s g s n 问、g g s n 问、s g s n 和g g s n 间接口，即g p r s 网间接1 5 1 。g p 接口与g n 接1 3 性能相同，也提供b g 、f i r e w a l l 和i n t e r - p l m n 网络所需 要的功能，如安全和路由等。 g i 接口：g p r s 和分组网接口。g i 接口是g p r s 所特有的，不是一个标准接口，只 是一种参考接口，g p r s 通过g i 接口以x 2 5 、x 7 5 或i p 协议和各种公众分组网实现互 联。 u m 接口：m s 和g p r s 固定的网络问接口。 g f 接口：s g s n 和e i r 问接口。g f 可以让s g s n 访问设备信息。 g c 接口：g g s n 和h l r 间接口。g c 接口使得g g s n 可以获得处于网络连接激活 状态的用户位置信息。 2 2 2g p r s 数据流程 在移动台( 通信终端，m s ) 能够向相应主机发送数据之前，它必须与某个g p r s 服务支持节点( s g s n ) 建立连接，执行m s 和网络之问的连接过程，并给该移动台分 9 地区电业局农网台变终端通讯方式研究 配一个临时逻辑链路标识( t l l i ) 1 3 】。一个g p r s 用户有三种不同的移动管理状态： ( 1 ) i d l e 状态。m s 处于未激活状态，没有和g p r s 网络取得联系。在用户收到 点对多点广播数据之前。网络中没有任何关于用户的信息，移动管理对用户不起作用。 ( 2 ) s t a n d b y 状态。m s 连接到了移动管理序列，移动台能够接受点对多点( p t m ) 数据和点对点( p t p ) 数据，网络可以对移动用户进行有效的管理【1 4 1 。 ( 3 ) r e a d y 状态。m s 连接到g p r s 移动管理( g m m ) 程序，且移动台可以定 位n d , 区一级，移动台可以在任何时候接受和发送数据，接受网络提供的有效移动管理 【l4 1 。如果r e a d y 定时器超时。移动台转入到s t a n d b y 状态；如果m s 执行分离程序， 则转入到i d l e 状态。 当进行g p r s 连接时，移动台转入r e a d y 状态。 g p r s 附着概括来讲主要包括4 个步骤： ( 1 ) 移动台向s g s n 发送一个附带自身识别码( p t m s i 或t m s i ) 的连接请求， 其中还包含一个网络服务区域点标识( n s a p i ) ； ( 2 ) 检查m s 的h l r 项，s g s n 验证用户是否已经被授权和有权使用该特定业务； ( 3 ) s g s n 在用户授权后向其发送一个带t l l i 的回复信号，用来向m s 提供一个 用于数据通信的临时i d ； ( 4 ) 通过使用s g s n 中的一个数据库，来完成分配给m s 的t l l i 到m s 标识的映 射。 移动台与s g s n 连接起来后，就得到了一个无线网络已知的t l l i ，s g s n 能够跟踪 移动台的位置，移动台能够收发短信。但是，此时外部网络( i p 、x 2 5 ) 并没有识别 m s 。如果要发送或接受除短信以外数据，就必须为m s 和g g s n 一起建立一个分组数 据协议( p d p ) 前后关系，一次来实现g p r s 网络的路由选择【i5 1 。p d p 前后后关系激活 过程包括下列4 个步骤。 ( 1 ) 移动台m s 向s g s n 请求激活p d p 前后关系； ( 2 ) s g s n 根据m s 的具体信息选择g g s n ，并请求其为m s 创建p d p 前后关系 ( 3 ) g g s n 向s g s n 发送带t i d 信息的信号，在对应关系的表项中建立t i d 和s g s n i p 地址和对应m s 之问的映射； ( 4 ) s g s n 通知m s ，已经为其激活一个p d p 前后关系并更新包含t i d 和g g s ni p 地址的表项，为m s 建立了隧道。 此时，用户通过移动台不仅可以发送短信息，也可以接入i n t e r n e t 进行w w w 浏览或 者查看电子邮件。以附带有g p r s 终端的用户设备为例，设备的相关数据通过串口或者 其他无线通信技术发送到g p r s 终端，然后分组数据通过基站直接发送到g p r s 服务支 持节点( s g s n ) ，s g s n s 接受数据对其进行处理后，与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 通信，g g s n 对分组数据进行协议转换后将其发送到目的网络，其具体流程为： ( 1 ) 用户设备将数据发送到g p r s 终端 t 程硕i ：学位论文 ( 2 ) g p r s 终端中，在s n d c p ( s u bn e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c o l 子网 相关会聚协议) 层进行原始的p 分组，添加含有t l l i 和n s a p i 信息的包头，然后将 分组数据发送到s g s n ； ( 3 ) s g s n 收到分组数据后，用包含t i d 和g g s ni p 地址的g t p 包头替换含