（电路与系统专业论文）cdma无线数据业务和web技术在电能量监测查询系统中的研究与应用.pdf

摘要 随着远程数据传输技术的不断发展，无线通信技术逐渐被广泛采用，其中基 于g p r s 网络的分组数据业务得到了广泛的行业应用。而c d m a 2 0 0 0 1 x 与 g p r s 相比，具有频率资源丰富、系统安全性高、传输速度快等优点，因此基于 c d m a 2 0 0 0 1 x 的数据通信方式在无线数传系统中具有更广的应用前景。电力部 门采用基于c d m a 2 0 0 0 1 x 的远程数据传输技术，使用电管理和服务实现自动化、 网络化、信息化，加强了用电监察和用电服务，相比与其他方式具有明显的优势。 此外，电力部门的电力数据采集结合图像监控功能，将更加完善用电环境的实时 控制和系统的安全使用。 电力数据与监控图像传输系统的完善，还需一套完备的数据查询机制得以加 强。通过改进前置机应用软件，在已有电力数据有效管理的基础上，实现电力部 门内部对监控图像数据合理、有效地存储和查询。通过动态网页技术j s p 开发改 进w e b 服务器端的数据库查询功能，从而更加方便了用电客户，使电力部门的 w e b 服务更加出色。通过基于w e b 服务器集群的负载均衡技术研究，对动态反馈 负载均衡策略中的主调度算法作进一步的改进，提出了一种加权比例分配算法， 并通过算法执行结果分析，证明了改进方案的切实可行。 本文在电力部门数据传输和用电管理的大系统应用背景下，结合c d m a 2 0 0 0 一1 x 分组数据业务、j s p 开发技术和w e b 服务器负载均衡技术研究，实现一 种结合电力数据采集与图像监控功能的传输系统，优化w e b 数据库查询功能和服 务器调度性能，从而改善了整个“用电现场服务与管理系统”的服务质量。 关键词 c d m a 2 0 0 0 一1 x图像监控前置机j s pw e b 负载均衡 加权轮换法加权比例分配算法 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e m o t ed a 诅r e a d i n ga 1 1 d 也m s f b m n gt c c h n 0 1 0 9 y ， 讪r e l e s sc o m m l 】l l i c 砒i o nt e c l u l o l o g ye s p e c i a l l y l eg p r s 盱旧u a l l yb eu s e d 埘d e l y c o m p a r e d 稍t 1 1g p r s ，c d m a 2 0 0 0 1 xi si na d v a n t a g eo f m o r e 舶q u e n c yr e s o u r c e s 、 h i 曲e rs y s t e ms e c 城t yl e v e l 、h i 曲e rn 锄s f e rs p e e d a 1 1 ds oo n t h e r e f o r e ，t l l em e t h o d o f d a t ac o m m 眦i c a t i o nb 嬲e do nc d m a 2 0 0 0 l x 惭l lb em o r c 印p l i c a t i o nf o r c g r o l l i l d f o r 、v i r e l e s sd a t ar e a d i n ga i l dt 姗s f b r r i n gs y s t e m t or c a l i z en e t w o r kc o n t r o l 、 i n f o m l a t i o n i z a t i o na n dc i l l l a n c ee l e c 埘cs e r v i c ea n d 洳i m s 仃a t i o n ，i t sab e t t e r 、v a y f o re l e c t r i cp o w e rd 印a r t r n e n tt oi 臼d u c er e m o t eda _ t ar e a d i n ga i l d 仃a n s f b r r i n g t e c l h l o l o g yb a s e do nc d m a 2 0 0 0 1 x i na d d i t i o n ，i n t e 斟t e dt l l e 缸l c d o no fi m a g e m o n i t o r ys y s t e m ，i tw i l lc e 喇n i yi m p r o v e 幽er e a lt i m ec o n t lf o re l e c 仃i cp o 、e r e n v i m m e n t 锄ds y s t e ms e c u “够 t bp e r f e c tt h et r a i l s f 硎n gs y s t e mf o re l e c 砸cp o w e rd a 诅a n dm o n i t o ri m a g e ，i t n e e d sam a t u r i t yd a t aq u e r ym e c k m i s m b ya d d i n ga d d i t i o n a lf i l n c t i o nt os o r w a r ei n 也ef 如n t - e n dp m c e s s o r e l e c t r i cp o w e rd e p a r 嘶e n tr e a l i z et l l ei m a g es t o m 萨、q u e r y e 行b c t i v e l yl i k ee l e c m cp o w e rd a 诅b yi m p m v i n go nd 撕b a s eq u e r yq u a l i t yu s i n g d y n 锄i cw e b p a g et e c l l i l o l o g yj s 只t l l ew e b s e n 旧rp r 0 v i d e sb e t t e rs e r v i c e sf o rc l i e n t s b yr c s e a r c h i n gt l l el o a db a l a l l c et e c l l l l o l o g yf o r 、e bs e n ，e rc l u s t e r w ei m p r o v eo nm e a n c m p e r i n ga l g o r i 灿f o rd y n a m i cf c e d b a c kl o a db a l 锄c es t r a t e g ya i l dp r o v ei ti na w a y o f s i m u l a t i o n 1 1 1 ep a p e ri sl l i l d e rt l l e1 a r g eb a c k g r o u n do fd a t a 咖s f e i t i n ga n de l e c t r i c a d m i n i s t r a t i o ns y s t e mi n e l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n t w i t lt l l er c s e a r c ho fc d m a 2 0 0 0 l xp a c k e td a t ao p e r a t i o n 、j s pd e v e l o pt e c h n o l o g ya 1 1 dl o a db a l a l l c et e c l l i l 0 1 0 9 y ， i tm a k e st h ee l e c t r i cp o w e ra d m i n i s t r a t i o ns y m i mm o r ee 船c t i v ea n dm a t u r e i k e y w o r d s lc d m a 2 0 0 0 一1 x i m a g em o n i t o r y j s pw e bl o a db a l a i l c e w e i g h t e dr o u n d r o b i na l g o 开【h m w 色i g h t e dp m p o r t i o na l g o r i t m 浙江大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 电能量监测系统的发展 电能计量是电力生产、营销以及网络安全运行的重要环节，发、输、配电和 销售、使用电能都离不开电能计量。电能计量的技术水平不仅事关电力工业的发 展和电力企业的形象，而且影响贸易结算的准确、公正，涉及国家、电力企业和 电力客户的合法权益。i l j 电能表在电能计量中起着极为重要的作用，其计量准确与否直接影响着电能 交易双方的经济效益。随着近年来我国城乡电网建设与改造，电能表市场需求迅 速加大，技术进步也明显加快，出现了一些高附加值的新产品，但高技术含量的 电能表与国外先进水平相比，还具有一定的差距。与电能量监测系统配套使用的 电能表需具备通信功能，常用的有网络电能表、电子式载波电能表等。 电能表现场监测技术一直是电能供需双方关注的重要课题。完善的电能量监 测查询系统能使用电管理人员实时检测到用电客户的用电情况，掌握用电信息， 从而可以科学地分析客户的用电规律。带有防窃电装置的电能量监测系统能及时 发现用电客户的窃电行为并报警，从而提高了用电监察的针对性、可靠性和监察 效益，为用电管理部门挽回经济损失。具有图像或视频监控功能的电能量监测系 统不仅可以进一步加强客户用电信息的检测，而且可以掌握用电环境变化，甚至 通过监控可以有效防止电能表监测系统设备的安全性。另外，用电客户需要通过 一定的方式来了解自己的用电量情况，查询方式需要具有快捷、方便、高效的特 点。因而综合各方面考虑，一套完善的电能量监测查询系统将具有较大的经济效 益和社会效益。 传统的电能表监测工作是操作人员携带便携式电能表现场校验仪到现场在 线监测电能表的巡回工作模式。这种电能管理方式与现代高速信息化的进程不相 适应，存在着种种弊端，例如工作效率低下、管理成本高、工作过程的安全性和 可靠性比较差等。随着自动化、智能化程度的不断提高，远程数据采集和传输技 1 浙江大学硕士论文 术获得了极大的发展，并与现场监测仪器相结合，使各种远程数据监测系统得以 实现并日趋成熟。远程数据传输方式有小型大功率无线电台、低压电力线载波、 以太网、短消息、g p r s 等。相对其他几种方式来说，g p r s 更具有优势：数据传输 可靠性高，传输速率最高可达到1 7 1 。2 k b p s ，基于i p 协议可以访问整个i n t e r n e t ， 永远在线和按流量计费。g p r s 技术使成本合理、相对较低技术门槛的无线数据 传输技术在监测系统中实现现场到远程主站系统的实时数据传输成为可能，并得 到了广泛的应用。 目前，越来越多的电力部门也采用远程数据传输技术，实现远程自动抄表。 使用电管理和服务实现自动化、网络化、信息化，从而加强了用电监察力度，减 轻了工作人员的抄表工作量，并将精力更多地放在用电监察和用电服务中，克服 了传统工作模式的缺点。 1 1 2 课题研究的意义 1 图像监控与电力数据采集相结合 近年来，图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于各种重要 场合，成为安全监控的主要手段之一。由于其对远程目标的监视、遥控功能，从 而为无人值守场合提供了新手段。远程电能量监测系统通过图像数据的采集和传 输，进一步提高电能量数据的准确性，并可以方便地捕捉监测环境的变化，增强 系统设备的安全性。在同一系统平台中实现电能量数据采集和图像监控，是具备 一定的应用前景的。 图像文件相对电力数据来说比较大，而静止图像压缩标准j p e g 的制定对图 像的传输起到了极大的推动作用。另外，传统的远距离监控，图像传输一般采用 专门光缆或微波进行传递，容易受到地形和线路的限制，且造价极高，采用无线 数据业务进行图像传输将具有更大的优势。 2 采用c d m a 2 0 0 0 一1x 无线数据业务 分组形式的数据业务是现代社会需求的主要发展方向。c d m a 2 0 0 0 1 x 属于移 动通信系统2 5 代技术，网络加强了对数据业务的支持，从原电路交换方式转变 为分组交换方式，提高了信道利用率，支持高速分组数据业务。根据3 g 应用规 划，c d m a 2 0 0 0 一1 x 理论速率可达3 0 7 2 k b p s ，且高速数据业务采用分组交换实现， 2 浙江大学硕士论文 所以计费方式采用计量方式。【2 5 】 中国联通推出c d m a 2 0 0 0 一1 x 作为一种新型移动数据通信业务，提供比较高 速、安全的的接入和数据传输，目前已覆盖全国，可在任何信号区域实现无线数 据业务，在多次测试中还突出表现了数据业务提供能力强的特点。本课题系统中 无线通信网络部分采用c d m a 2 0 0 0 1 x 作为无线数据传输技术，与g p r s 相比将更 具优势。 3 有效的数据存储、查询机制 电力数据与监控图像数据采集后，通过c d m a 2 0 0 0 l x 无线数据业务传输到主 站系统。主站数据库服务器提供数据存储、查询功能，内网采用基于c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构的软件实现，外网提供基于b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构 的w e b 查询模式。结合多种数据库访问技术，从而实现对监测数据进行有效的存 储、查询和管理，使系统整体功能更加完备。 1 2 国内外研究现状 在用户用电管理和服务领域，国内外工程师做了大量的工作，使电能量监测 查询系统不断得到完善，更加便捷、高效、准确。主要包括以下几个方面： 电能表的技术、质量水平不断提高，体现在长寿命、高精度、高稳定性、宽 负载、低损耗等方面，用户主要需求以感应式电能表为主，而电子式电能表 将逐渐成为市场主流。与国外先进水平相比，高端产品还是存在着差距。【2 3 l 各种单片机、a r m 系列嵌入式处理器性能越来越完善，各种嵌入式操作系统 如u c o s 、l i n u x 等提高了系统的实时性、多任务处理能力，嵌入式开发技术 在电力系统中得到广泛应用。 集成功能越来越完善，除了一般的数据采集、传输外，结合图像、视频的多 媒体技术在系统中逐渐得到应用。 多种远程数据传输方式，有线与无线相结合，公用电话网、e t h e r n e t 、 i n t e r n e t 、g p r s 等多种网络综合运用，使电能量监测查询系统能够适合各种 环境和需求。 随着数据库技术、w e b 技术的成熟，服务器功能不断加强，电力部门管理更 加科学。监控系统和电力调度系统、办公室自动化o a 系统有机的融合在一起， 浙江大学硕士论文 形成一个综合的管理业务系统。 用电客户可以及时、方便、高效的查询用电信息，查询方式不断改进，查询 界面更加友好，基于w e b 技术的电力数据查询是目前比较流行的方式。 目前国内一般采用r s 一4 8 5 总线完成数据采集，然后通过以太网或g p r s 网络连 接i n t e r n e t ，把电力数据传送至电力部门前置机系统，再交于主站系统处理。远 程电能量监测系统一般都采用主从结构的命令型通讯方式，现场网络上都只有一 个主节点负责与远程主站系统通信，其余节点为从节点。数据通讯时必须先由主 节点接收到主站系统命令，而后主节点向各个从节点传达命令，从节点上的数据 依次送至主节点，最后再由主节点将各从节点数据发送至主站系统。 电力数据查询系统往往都是基于客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 的结构模 式。c l i e n t s e r v e r 模式虽然具有较强的信息共享能力，但它需要在每一个c l i e n t 端安装特定的应用软件，限制了c l i e n t 端的灵活性，而且存在跨平台使用不灵活 的问题，这种结构具有一定的局限性，在用电管理部门内网运行比较合适。从严 格意义上讲，浏览器服务器( ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构也属c l i e n t s e r v e r 结构， 只是它的客户端软件为通用的网络浏览器软件，使这种结构具有很大的灵活性。 不仅可以为用电管理部门提供一个更好的工作平台，也为普通用电客户进行信息 查询和交互提供了更为便捷的方式。 在国外，7 0 年代至8 0 年代，欧美一些发达国家已经开始对远距离电能量数据 采集、传输等进行了探索性研究，电子式电能表的出现，有力地推动了远程自动 抄表技术的发展。8 0 年代末，美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员准备了手持 式微机，以完成抄表与统计等功能。至9 0 年代，埃及开罗配电公司已经开发出双 模式民用电能监视抄表系统。 1 3 本文的任务和结构 1 3 1 电畿量监测查询系统整体结构 本文中电能量监测查询系统拓扑结构图如图卜1 所示，主要包括终端数据采 集系统、从c d m ad t u 到主站的通信网络系统和主站服务器系统，各子系统在功 能上紧密结合，在设计上符合电力系统行业规约。 d - 浙江大学硕士论文 终端数据采集部分收集到监控图像和电力数据信息后，进行数据压缩处理， 利用c d m a 2 0 0 0 一1 x 分组数据业务发送到主站系统前置机，无线数据传输功能由 c d m ad t u 来完成。前置机将收集的数据进行处理、存储，用o r a c l e 数据库系统 进行管理。用电客户可访问w e b 服务器，通过网页查询用电信息。 图卜1 系统拓扑结构图 本课题结合数据采集技术、c d m a 2 0 0 0 一1 x 无线数据业务、数据库管理系统和 w e b 技术研究，运用多种编程设计，实现一种结合数据采集和图像监控的电能量 监测查询系统。终端数据采集部分采用成熟的嵌入式开发技术，建立c d m a 无线 通信网络机制，主站服务器系统实现有效的数据库存储和基于w e b 技术的查询， 并对w e b 服务器负载均衡策略进行研究，提高了系统整体性能。 1 3 2 论文结构 本文各章节组织结构如下： 浙江大学硕士论文 第一章绪论，对电能量监测查询系统的应用背景、研究意义、目前的研究现 状和论文内容及分布作了简单介绍。 第二章介绍了g p r s 、c d m a 2 0 0 0 1 x 通信网络技术，并通过比较，分析了 采用c d m a 2 0 0 0 一1 x 无线数据业务作为本课题系统数据传输技术的优势。 第三章阐述了基于c d m a d t u 实现数据通信网络的设计与实现，包括通信 网络结构、图像传输协议和通信规约制定、c d m a d t u 软硬件设计等。 第四章阐述了主站数据查询功能的实现，包括前置机软件图像数据通信、存 储、查询功能模块的设计实现和w 曲服务器数据库查询功能的设计与实现。 第五章分析研究了针对w 曲服务器集群技术的负载均衡策略，并对负载均 衡策略中的主调度算法进行了分析和改进。 第六章总结本文工作，分析不足并对将来进行展望。 浙江大学硕士论文 第二章c d m a 2 0 0 0 1x 无线通信网络技术 随着移动通信技术的发展，无线数据业务的应用也越来越广泛，其中主流是 以g p r s 和c d m a 2 0 0 0 1 x 作为无线通信网络技术解决方案。 2 1g p r s 无线通信技术 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 通信技术g s m 向第三代移动通信的过渡技术，是一种基于g s m 的移动分组数据业 务。g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议，能给用户提供端到 端的、广域的无线i p 连接。i 蛔 2 1 1g p r s 体系结构 图2 1g p r s 体系结构图 g p r s 的体系结构如图2 1 所示，大致分为四个部分：移动台m s 、基站子系 统b s s 、电路交换子系统c s s 和分组交换子系统p s s 。在g s m 网络结构基础上， p s s 是新增子系统，包括g p r s 服务支持节点( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g g s n ) 。s g s n 为m s 提供移 动性管理、路由选择等服务，g g s n 用于接入外部数据网络和业务。另外，在b s s 中新增分组控制单元( p a c k e tc o n t r o lu n i t ，p c u ) 从而可以提供数据功能，多 7 浙江大学硕士论文 个用户可以使用相同的无线资源。由于增加了这些节点和功能单元，还需要在系 统中相应增加新的接口，例如g b 、g n 、g i 等。 2 1 2g p 髂分组数据业务 2 1 2 1g 隙s 数据业务特点 g p r s 是一个以分组为基础的系统，适合突发性分组数据传输。采用分组交 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) ；另一方面，同一信道又可以由多个用户共享，提 高了无线信道的利用率。g p r s 接入时间少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大 幅度提高一些事务处理的效率，并在理论上能达到最高1 7 1 2 k b p s 的数据传输速 率。用户通过g p r s 在移动状态下使用各种高速数据业务，包括i n t e r n e t 浏览、 e m a i l 收发等，支持4 种q o s ( 服务质量) ，能实现话音资源和数据资源的动态分 配，并以流量计费。由于分组型传输不占信道，因此用户可以长时间保持与外部 数据网的连接，真正实现“永远在线，永远连接”。此外，在g s mp h a s e 2 + 的标 准里，g p r s 可以提供四种不同的编码方式，分别提供了不同的错误保护能力。 g p r s 身份认证和加密功能由s g s n 来执行，且密码算法是专为分组数据传输所优 化过的，从而保障了分组数据传输的安全性。 g p r s 支持三种移动台m s 操作模式：在a 类模式下，一个m s 可同时运行g p r s 和其他g s m 业务；b 类模式下，一个m s 可同时监测g p r s 和g s l 业务的控制信道， 但同一时刻只能运行一种业务；c 类模式下，m s 只能运行g p r s 业务。【2 4 】 2 1 2 2g p r s 传输协议模型 应用 i p x 2 5 i p ，x 2 5 s n d c p ；高己卜8 1 哆 7 丽 g t p l l cl l c ： u d p r r c pu d p ，t c p r l c _ j 高p 、坦e 唑弘乍；卜 b s s g p i pp m a c m a c 网络业务卜 网络业务 l 2 l 2 g s m r f一g s m r f l 1 b i s 卜 l 1b i sl 1l 1 赆u mg hs g s ng ng g s ng 1 8 - 浙江大学硕士论文 图2 2g p r s 传输协议模型 移动台m s 和g g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图2 2 所示。其中，u m 接口 是g s m 的空中接口。u m 接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提 供空中接口的各种逻辑信道。m a c 为媒体接入控制层，主要作用是定义和分配空 中接口的g p r s 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。r l c ( r a d i ol i n k c o n t r 0 1 ) 提供一个独立于无线解决方案的可靠链路。l l c 层为逻辑链路控制层， 它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议，负责生成完整的l l c 帧， 并可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。s n d c p 被称为子网依赖结合 层，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。 r e l a y 的主要作用是：b s s 中，在u m 与g b 接口之间中继l l c 协议数据单 元；s g s n 中，在g b 与g n 之间中继p d p 协议数据单元。b s s g p ( b a s es t a t i o n s y s t e mg p r sp r o t o c 0 1 ) 的主要作用是：在b s s 与s g s n 之间，传送路由和有关服 务质量( q o s ) 的信息，不提供纠错功能。g t p ( g p r st u n n e l l i n gp r o t o c 0 1 ) 则是 g p r s 骨干网实现分组数据及信令传输的机制，即来自b s s p d n 的分组数据在进 入骨干网的s g s n 和g g s n 时用g t p 首部封装，离开时再将这些首部去掉。这样， 在m s 和外部数据网络之间，g p r s 骨干网提供了一条透明的分组数据传输隧道。 在激活g p r s 业务时，s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于m s 的移 动性和安全性信息：当p d p 环境激活时，s g s n 建立一个与g p r s 用户将使用的g g s n 相关p d p 环境，用于路由选择。g g s n 则通过配置一个p d p 地址可将分组数据网 接入。从而可以完成g p r s 网络业务数据上行、数据下行和漫游服务。 2 2 o - 1x 无线通信技术 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数 字技术上的分支一一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 2 0 0 0 1 x 是在现有c d m ai s 一9 5 窄带系统上发展起来的新的承载业务，目的 是为c d m a 用户提供分组1 p 形式的数据业务。作为c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率 高于i s 一9 5 ，低于2 m b s ) ，它可支持3 0 7 2 k b s 的数据传输，网络部分引入了高 速分组数据业务，可支持移动i p 业务。技术目前已成熟，并统入商用。”“ q 浙江大学硕士论文 c d m a 2 0 0 0 一1 x 系统在i s 一9 5 系统的基础上，新增加分组域设备( p c f 和p d s n ) 来处理分组数据业务，基于a n s i 一4 1 核心网的系统结构见图2 3 。新增节点p c f ( 分组控制单元) 是新增功能实体，转发无线子系统和p d s n ( 分组数据服务节 点) 之间的消息和数据。p d s n 是连接无线网络和分组数据网的接入网关，为移 动用户提供分组数据接入服务，使i p 包能在无线网络和i p 网络间正确传输。p c f 和p d s n 通过支持移动i p 协议的a l o 、a 1 l 接口互联，可以支持分组数据业务传 输。而以m s c v l r 为核心的网络部份，支持话音和增强的电路交换型数据业务。 b t s 一基站收发信机 b s c 一基站控制器 s d u 一业务数据单元 p c f 一分组控制功能 p d s n 一分组数据服务节点 m s c l r 一移动交换中心，访问寄存器 b s c o 一基站控制器连接 图2 3c d i i a 2 0 0 0 1 x 系统体系结构图 2 2 2c 吣2 0 - 1x 分组数据业务 通常用户接入c d 姒2 0 0 0 一1 x 分组数据网络有两种方式：简单i p 和移动i p 。 2 2 2 1 简单i p 网络 基于简单i p 的c d m a 分组数据网的基本网络结构如图2 4 所示，电路域网络 通过7 号信令网连接，而分组域网络通过i p 网连接。其中无线网络r n 代表r r c 1 0 一 亡巴自 浙江大学硕士论文 ( 无线资源控制) 和p c f ，是无线接入网的一部分。r a d i u s 服务器方式完成鉴权、 计费、授权服务( a a a 服务) 。 图2 4s i p 基本网络结构 简单i p 业务是c d m a 2 0 0 0 l x 分组数据业务的最基本业务模式，类似于固定 电话通过m o d e m 拨号上网，每次移动台获得动态i p 地址，可实现移动台作为主 叫的分组数据呼叫，协议简单易实现，但跨p d s n 时需要中断正在进行的数据通 信，无法保证用户移动业务的持续性，只能实现主叫方式的数据通信，例如 i n t e r n e t 浏览、e m a i l 收发等等。简单i p 网络数据协议参考模型如图2 5 所示： 妒 p p p l a c m a c 无线链路 图2 5s i p9 日络数据协议参考模型 其中，p c f 和p d s n 间的无线数据r p 接口，完成无线信道和有线信道的协 议转换，对应于a 1 0 、a 1 1 接口。从上图可以看出，p p p 连接起始于m s ，终于p d s n ， r n 只是做一个中继。r n 左边是无线网络相关协议层次，右边是分组相关的协议 层次，且从r n 开始向p d s n 方向的连接都是有线连接。 一个简单i p 的呼叫流程可以分为移动台和基站问空中接口信道的建立及对 等实体间p p p 协商两部分。首先，移动台与无线网络建立空中接口信道。之后， 浙江大学硕士论文 p c f 向p d s n 发出请求。p d s n 收到该消息后，发出响应信息，并开始与移动台建 立链路层连接。链路控制协议建立后，p d s n 向r a d i u s 发出接入请求消息，启动 认证过程。认证完成后，p d s n 开始与移动台建立i p 控制协议，之后进一步完成 移动台与p d s n 之间的p p p 连接。p p p 连接建立后，就可以开始分组数据传输。 2 2 2 2 移动i p 网络 基于移动i p 的c d m a 分组数据网的基本网络结构如图2 6 所示。与简单i p 相比，增加了归属代理服务器( h a ) ，h a 具有公共的i p 地址并且不位于一个专 用网之内，移动用户通过p d s n f a 到h a 注册，并从h a 获得i p 地址，之后在 p d s n f a 和h a 之问建立一条单向的业务隧道，然后就可以自由访问互联网络。 h a 与p d s n 之间通过移动i p 协议进行通信。 图2 6 移动i p 基本网络结构 移动i p 是一种在i n t e r n e t 网上提供移动功能的方案，它借助了数据网络中 的i p 隧道技术，使移动台可以以一个永久i p 地址连到任何子网中，实现真正的 永远在线和移动，承载移动台作为主叫或被叫时的分组数据业务通信。移动i p 业务除了能提供上述简单i p 业务外，还可提供非实时性多媒体数据业务安全的 v p n 机制。 移动i p 网络数据协议参考模型如图2 7 和2 8 所示，分控制信令和用户数 据两部分。与简单i p 呼叫流程不同，移动台在p p p 连接建立后向p s d n 发出移动 i p 请求。之后，p s d n 才开始启动认证过程，通过访问r a d i u s 服务器向归属系统 浙江大学硕士论文 的r a d i u s 发出接入请求。认证通过后，再向h a 发出移动i p 请求，并将响应转 发给移动台。最终，在p d s n 与移动台之间建立p p p 连接，p d s n 与h a 之间建立 i p i n i p 的隧道连接。 移动i p 中，用户从h a 获得i p 地址且保持不变，则用户服务就不会中断。 数据上行是从移动用户发送到p s d n f a ，p d s n 再将数据包直接路由转发到目的地 址。数据下行是首先路由转发到h a ，通过i p i n i p 的隧道发送到p s d n f a ，f a 再转发给移动用户。 f p p p p l a c m a c 无线链路 m i p u d 尸 l p p p p l a c m a c 无线链路 i k emj p u o p i p l p ，s e c p p p 链路层 r p 接口 p l p l r np d s n 图2 - 7 控制信令协议模型 2 3 短消息业务 图2 8 用户数据协议模型 i k e lm i p u d p i p ，s e c 链路层 p l | p 链路层 p l 短消息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s l s ) 是一种低速数据业务。s m s 采 用存储转发机制，传送数据包的工作由移动网络中的短消息中心( s m s c ) 而不是 终端用户来完成，如果用户不在服务区，则短消息就被存储在短消息中心，等用 户出现再转发。【2 6 l 短消息业务的传递是可靠的，s m s 发送方可以在将短信息发 送出去之后得到一条确认通知，返回传递成功或失败的信息，以及不可达的原因。 g s m 和c d m a 2 0 0 0 一1 x 都支持三类基本的短消息：m s 发起的点到点短信业务 ( s m s m o ) 、m s 终止的点到点短信业务( s m s m t ) 和广播短信业务。实际系 浙江大学硕士论文 统中前两个过程是相互连接的，因为只有一个m s 发送了短消息，另外一个才可 能接收它，这个连接点就是移动网络的核心部分。网络内一个完整的s m s 业务 流图如图2 9 所示： m s a lm s g ai m c - a im o blm s o b m s - b 图2 9 两个移动台之间的s m s 业务基本流图 s m s 信息的发送和接收可以在网络上与语音、数据和传真服务同时进行， 而不会对彼此产生干扰。但是s m s 信息不超过1 6 0 b 的数据量，且存储转发机 制对行业应用来说实时性也比较差。 2 4c d m a 2 0 0 0 一1x 与g p r s 的比较 c d m a 2 0 0 0 一l x 与g p r s 都支持高速率的数据分组服务，且都能够永远在线， 以流量计费，具备一定的稳定性、安全性和多种接入方式选择。是当前行业应用 的两种主要无线通信技术解决方案。 但是，c d m a 2 0 0 0 1 x 相对于g p r s 具有网络优势。c d m a 2 0 0 0 1 x 电路域和分组 域结构清晰，网络结构简单，易于维护和规划；支持m o b i l ei p ，增强了鉴权功 能，增加了系统的安全，而g p r s 不支持m o b 订ei p 功能；支持路由优化，不会 有迂回路由；对i p v 6 的支持好，易于向i p v 6 发展；对于以前的指示兼容性好， 升级容易，成本低，组网灵活；对企业网的支持好；通过扩频、编码、功率控制 等技术提升了系统容量：频率资源丰富，覆盖大：采用伪随机序列扩频，增加了 安全性；采用软切换技术，大大减少掉线率。 在传输速率上，g p r s 的峰值速率为1 1 5 2 k b p s ，而c d m a 2 0 0 0 1 x 系统的峰值 速率达到了1 5 3 6 k b p s 。另一方面，用户进行数据传送期间内的平均业务速率与 峰值业务速率的比值也成为衡量系统技术的一项重要指标。从近年来的试验来 浙江大学硕士论文 看，经过测试，g p r s 的平均业务速率可以达到2 0 k b p s 一4 0 k b p s ，而c d m a 2 0 0 0 一1 x 的平均业务速率为8 0 k b p s 1 0 0 k b p s 。另外，g p r s 采用语音和数据共享信道，如 果网络用户数量或语音用户数量增加到一定程度，将导致频率资源的问题更加突 出，那么每个g p r s 用户可以使用的带宽将进一步的降低。而c d m a 2 0 0 0 1 x 的数 据和语音采用不同的信道传输，在同一基站下语音用户数量增加，也不会影响数 据通信。 c d m a 2 0 0 0 1 x 在传输的机制上，较g p r s 有一定的优势。g p r s 为多信道分组 发送接收，整体速度受到可支配信道数影响；而c d 姒2 0 0 0 1 x 则是基于c d m a 2 0 0 0 的1 2 3 m b p s 共享带宽上( 与g p r s 的最大带宽相比大了6 至8 倍左右) ，速率由 所申请的业务以及无线网络的质量所决定，我们现在可以使用的多为6 级的速率 也就是说可以达到1 5 3 k b 左右的接入。因而实际感受到的c d m a 2 0 0 0 1 x 速度较 g p r s 快的多。 2 5 本章小结 本章主要介绍了无线通信网络技术g p r s 和c d m a 2 0 0 0 一l x ，并对其进行比 较分析。 首先，介绍了g p r s 及其体系结构和分组数据业务。其次，介绍了 c d m a 2 0 0 0 1 x 及其体系结构和分组数据业务。最后，比较并分析了这两种无线 通信网络技术，介绍了短消息业务特点。 浙江大学硕士论文 第三章基于c d m a 2 0 0 0 1 x 的通信网络设计与实现 终端数据采集系统具备c d m a 2 0 0 0 1 x 网络接入和数据转发功能，实现电力数 据与监控图像的无线传输，需要对通信网络进行严格设计，包括基于c d m ad t u 的软硬件设计实现、数据传输协议选择、应用层通信规约的完善等，。 3 1 终端数据采集系统设计与实现 图3 1 终端部分结构图 终端数据采集系统由摄像头模块和现场设备、微处理器、c d 姒d t u 组成( 结 构见图3 1 所示) 。其中摄像头模块负责采集监控图像数据。由通用串行总线u s b 与微处理器连接：现场设各负责电能表电量数据采集，并封装成一定的帧格式存 储，由r s 一4 8 5 总线与微处理器连接；c d m ad t u 负责数据通信功能，转发采集的 电力数据和图像数据，并接收来自主站系统的控制信息和应答，由r s 一2 3 2 串行 通信接口与微处理器连接。 微处理器a r m 9s 3 c 2 4 1 0 负责终端系统的中央控制功能。除了控制摄像头图 像采集、现场设备电力数据采集之外，还负责对图像数据进行j p e g 压缩处理和 图像传输的规约解释，对电力数据进行动态哈夫曼压缩，最后控制无线模块c d m a d t u 转发数据并对接收到的主站控制信息和应答作出相应处理。 微处理器s 3 c 2 4 1 0 需移植l i n u x 操作系统，从而实现合理地调度多任务、利 用系统资源、系统函数以及专家函数接口。嵌入式l i n u x 具有强大的内核，性能 高效、稳定、多任务，具有完善的网络通信功能，支持多种体系结构和大量的周 边硬件设备，软件资源丰富，大小功能可定制。从而保证了程序执行地实时性和 浙江大学硕士论文 可靠性，并减少开发时间，提高软件质量。【2 9 1 我们建立交叉编译环境，在l i n u x 环境下进行终端系统软件设计，软件模块 划分如图3 2 所示。其中： 图3 2 软件模块设计 主控制模块：负责控制其他各个模块协同工作，包括多线程控制、数据采集 等，使终端系统软件完成正常功能流程。 图像数据采集模块：由主站控制图像监测功能开启、关闭，开启后定时由摄 像头采集图像数据，并接收主站随时下发的任务。 现场设备数据采集模块：根据各种任务类型，包括定时任务、中继任务和主 站下发任务，负责从现场设备读取电力数据。 数据压缩模块：完成对图像数据和电力的数据的压缩功能，其中图像采用 j e p g 压缩，电力数据采用动态哈夫曼编码压缩； 串口通信和数据通信模块：利用串口编程，实现对c d m ad t u 的控制。向主站 发送经压缩后的数据信息，完成各种任务；并接收主站系统的任务和控制信 息，完成系统终端部分与主站系统的通信控制。 多线程处理模块：负责各任务线程的协同工作。 浙江大学硕士论文 3 2 通信网络系统设计 3 2 1 通信网络结构 在数据传输领域里，发展最迅速、商业应用最广泛的是蜂窝移动通信系统， 选择其中的c d m a 2 0 0 0 一l x 网络作为本系统的通信网络，是综合考虑业务数据量、 安全性、可靠性、网络状况与成本等因素。采用目前较成熟的组网方式：主站系 统前置机以公网固定i p 接入i n t e r n e t ，数据终端主动与前置机建立连接，此方 案成本低、通信质量稳定、安全性适中、运行可靠。网络结构图见图3 3 所示。 i 数据采c d m a i 集终端 d t ul 基站 主站前置机 图3 3 基本通信网络结构 根据此组网方案，无线数据传输原理如下：终端数据采集设备生成的数据， 通过r s 一2 3 2 接口发送到c d m ad t u ，c d m ad t u 将数据打成i p 数据包，然后发送 到c d m a 无线网络；i p 数据包经系统分组数据服务节点，传输至i n t e r n e t 上， 并且去寻找在i n t e r n e t 上指定的主站系统前置机，前置机通过数据接收软件将 数据接收。同时，主站亦可向终端数据采集系统发送控制信息和应答，整个数据 传输通过使用t c p i p 协议( 短消息通讯为后备方式) 进行数据通讯，从而使终 端与前置机完成了点对点数据通信。 3 2 2 华为卧d t u 介绍 3 2 2 1 模块简介 终端采集数据进行处理、压缩后，要通过i n t e r n e t 把数据发送到主站系统 前置机。系统中完成终端与i n t e r