（计算机应用技术专业论文）基于gprs的实时监控系统方案与实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于g p r s 的实时监控系统方案与实现 摘要 随着移动通信技术与市场的不断发展，移动数据通信己经 成为数据通信发展的新方向。g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实 现的内容之一，它支持i p 协议和x 2 5 协议，因此能提供一 个完备的基于t c p i p 协议的通信解决方案。 数据采集与监控系统s c a d a 是以计算机为基础的生产过 程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监 视和控制。g p r s 技术的发展成熟及广泛应用为s c a d a 系统提 供了一种新的通信方式。 本文主要介绍了应用于s c a d a 系统的g p r s 终端的设计、 t c p i p 协议处理、g p r s 终端与数据中心的互联、数据中心 的软件设计等内容。其中重点讨论了g p r s 数传终端的设计， 解快了数据及控制命令的t c p i p 协议打包分包问题以及 g p r s 终端自动附着网络问题，并给出了数据中心的程序设计 方法。 基于g p r s 的s c a d a 系统具有更为广泛的应用范围，几乎 太原理工大学硕士研究生学位论文 任何环境的所有中低速率的数据传输业务都可以适用，如 i n t e r n e t 接入、个人信息、金融、交通等。 关键词：g p r s ，s c a d a ，t c p i p ，i n t e r n e t i i a p p l i c a t i o no fg p r st e c h n o l o g yi nd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dm a r k e t ，t h em o b i l e d a t ac o m m u n i c a t i o nh a s b e c o m et h en e w d e v e l o p i n g o r i e n t a t i o no ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o n g p r si so n eo ft h er e a l i z a t i o n sb a s e dg s m p h a s e2 1 ，a n di ts u p p o r t st h ep r o c o t o lo f i pa n dx 2 5 ，s ot h a ti t c a na f f o r das e l f - c o n t a i n e dc o m m u n i c a t i o np r o e c tb a s e do nt h e t c p i pp r o t o c o l t h e s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( s c a d a ) i sap r o d u c t i o n c o u r s ec o n t r o la n da t t e m p e r m e n t a u t o m a t i z a t i o ns y s t e mb a s e do nc o m p u t e r i tc a ns u p e r v i s ea n d c o n t r o lt h eo p e r a t i n gf a c i l i t i e so nt h es p o t t h em a t u r i t ya n dt h e b r o a d a p p l i c a t i o n s o fg p r s t e c h n o l o g yp r o v i d e an e w i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m m u n i c a t i o nm o d ef o rs c a d s y s t e m t h et e x tm a i n l yi n t r o d u c e st h eg p r st e r m i n a ld e s i g n ，t h e i n t e r f a c e 、i 也u s e r e q u i p m e n t ，t h ed i s p o s a l o ft h et c p ，i p p r o t o c o l ，t h em u t u a lc o n n e c t i o nb e t w e e nt h eg p r st e r m i n a la n d t h ed a t ac e n t e r , n e t w o r ka c c e s sa n ds o f t w a r ed e s i g no fd a t a c e n t e ra n ds oo n t h et e x te s p e c i a l l yd i s c u s s e st h ed e s i g no f g p r sd a t at r a n s i t i o nt e r m i n a l ，a n dr e s o l v e sm a t t e ro ft h ed a t a a n dc o m m a n d so ft c p i pp r o t o c o lp a c k e do ru n p a c k e da n dt h e p r o b l e mo fg p r st e r m i n a lc l i n g i n gt o n e t w o r ka u t o m a t i c a l l y , a n dm o r e o v e rp r e s e n t st h ep r o g r a md e s i g no fd a t ac e n t e r t h es c a d as y s t e mb a s e do ng p r sh a sae v e nm o r e b r o a d e ra p p l i c a t i o ns c o p et h a ti sa p p l i c a b l et oa l m o s ta l ls o r t so f d a t at r a n s i t i o n o p e r a t i o n s i nm i d d l eo rl o wr a t ei n a n y e n v i r o n m e n ts u c ha si n t e r n e ta c c e s s ，p e r s o n a li n f o r m a t i o n f i n a n c e ，t r a f f i ca n ds oo n k e yw o r d s ：g p r s ，s c a d a ，t c p n p i n t e r n e t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章前言 1 1 1 移动通信的飞速发展 在全球数字化浪潮的推动下，c d p t ( 欧洲邮电管理部门) 于1 9 8 2 年 成立一个g s m ( 移动特别小组) ，开始制定适用于泛欧各国的一种数字 移动通信系统的技术规范。经过六年的研究、实践与比较，于1 9 8 8 年 确定了主要技术规范并指定出实施计划，采用t d m a 多址方式的数字 通信系统，大大提高了频率利用率。在1 9 9 0 年g s m 开始在德国、法 国、英国和北欧许多国家投入商用运行。我国于9 0 年代中期引入g s m 技术。 随着移动通信技术、互联网技术和计算机技术的的飞速发展，移 动通信已经不再局限于单纯的话音通信，把移动和i p 结合起来已经成 为不可阻挡的趋势，于是提出了第三代移动通信系统的概念，i t u t 己经就其空中接口的规范达成意见，第三代移动通信的空中接口有5 种，还没有统一。并且在i m t - - 2 0 0 0 的频段划分上也还没有达成一致 意见。 第三代移动通信的核心是宽带、高速率、多媒体。静止状态下数 据速率可以达到2 m b p s 。并且移动通信和因特网在移动环境下提供服 务是其主要业务特征。它将使人们的生活方式发生巨大变化，生活的 自由度将会空前增加。 但是，现有的第二代移动通信系统到目前为止已经相当成熟。在 太原理工大学硕士研究生学位论文 我国，截止到1 9 9 9 年末，我国已经有移动用户4 0 0 0 多万，8 9 0 万互联 网用户。用户需求带动网络的发展，运营商在不断扩容满足需要的同 时。也不得不考虑向第三代过渡的问题。同时第三代网络也必须做到 能与至少一种第二代网络兼容。于是对现有的第二代移动通信系统进 行升级改造，增加各种新业务，开展数据业务，以便向第三代系统平 滑过渡。例如g s m 网络上增加一些软硬件设备，实现g p r s 、w a p 等 新业务，为用户提供越来越高的数据传输速率，这就是所谓的2 5 代产 品。也就是现在多数移动运营商考虑二代产品向三代的平滑过渡所采 用的一种过渡技术 2 5 代产品中比较有代表性的g p r s ( 通用分组无线业务) 使用户能 在分组端到端传输模式下发送和接收数据，在g s m 由窄带向宽带演进 过程中起到桥梁作用。 1 1 2s c a d a 系统的发展 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统。即数据采 集与监视控制系统。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力 系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程 控制等诸多领域。 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。 s c a d a 系统发展到今天已经经历了三代： 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力 自动化研究院为华北电网开发的s d l 7 6 系统以及在日本日立公司为我 国铁道电气化远动系统所设计的h - 一8 0 m 系统。这一阶段是从计算机 运用到s c a d a 系统时开始到7 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 泛采用v a x 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用 的u n i x 操作系统。第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是基于集 中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及 与其它联网构成很大困难。 9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库 技术的能够实现大范围联网的s c a d a 系统称为第三代。这一阶段是我 国s c a d e m s 系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进 s c a d a 系统中。 第四代s c a d a 系统的基础条件己经具备。该系统的主要特征是采 用移动通信技术、i n t e m e t 技术、面向对象技术、神经网络技术等技术， 继续扩大s c a d a 系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。 s c a d a 系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止 过。当今，随着各行业对s c a d a 系统需求的提高以及计算机技术的发 展，为s c a d a 系统提出新的要求，概括地说，有以下几点： 1 s c a d a 系统与其它系统的广泛集成 这十年来，s c a d a 系统如何与其它非实时系统的连接成为s c a d a 研究的重要课题；现在在s c a d a 系统己经成功地实现与d t s ( 调度员模 拟培训系统) 、企业m i s 系统的连接。s c a d a 系统与电能量计一量系 统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办 公自动化系统的集成成为s c a d a 系统的一个发展方向。 2 远端( 受控端) 综合自动化 以r t u 、微机保护装置为核心，将远端站的控制、信号、测量、 计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低远端 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 站的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。 3 专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用 利用这些新技术模拟监控网络的各种运行状态，并开发出调度辅助 软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化 的运行方式或出来故障的方法，以达到合理、经济地进监控检测，提 高系统效率的目的， 4 移动通信技术、面向对象技术、i n t e m e t 技术的应用 移动通信技术为s c a d a 系统的数据传输提供了先进的通信手段， 大大扩大了s c a d a 系统的应用范围，可以说，目前只要移动通信网络 能覆盖到的地方，就有s c a d a 系统的用武之地。 面向对象技术( o o t ) 是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统 分析软件设计的合适工具将面向对象技术( o o t ) 运用于s c a d a 系统 是发展趋势 随著i n t e m e t 技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本 平台。将浏览器技术运用于s c a d a 系统，将浏览器界面作为监控系统 的人机界面，对扩大实时系统的应用范围、减少维护工作量非常有利； 在新一代的s c a d a 系统中新的w e b 服务器可以供远程用户浏览、遥 控，也大大提高了s c a d a 系统的应用性。 1 2 研究内容 s c a d a 系统的通信手段是制约其应用范围的最主要的因素。从目 前情况看，几乎成为了s c a d a 系统发展的瓶颈。在很多情况下，通信 条件的好坏直接决定s c a d a 系统的性能，而g p r s 技术的发展成熟及 广泛应用为s c a d a 系统提供了一种新的通信方式。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文详细讨论了g p r s 终端设计、与用户设备的接口、t c p i p 协 议处理、g p r s 终端与数据中心的互联、数据中心的网络接入与软件设 计等内容。其中重点讨论了g p r s 数传终端的设计，解决了数据及控 制命令的t c p ，i p 协议打包分包问题以及g p r s 终端自动附着网络问 题，并讨论数据中心的程序设计方法。 l _ 3 开发工具 本系统的开发工具主要有：m i c m s o 盘v i s u l c + + 6 0 、k e i lc 5 1 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章g p r s 系统简介 2 。1g p r s 系统概述 2 1 1 概述 虽然g s m 提供了数据传输的能力。但g s m 依然受到9 6 k b i t s 速 率的限制。因此移动数据传送速率令人难以接收，并造成费用过高。 随着数据业务和因特网业务的增长，高速移动数据通信的市场需求越 来越大。为适应这一情况，g s m 推出了两种高速移动数据规 范：h s c s d ( 高速电路交换数据业务) 和g p r s ( 通用无线分组业务) 。 g p r s 是一种基于g s m 的新型移动分组数据承载业务，其数据速 率可达到1 1 5 k b p s 。由于目前g s m 移动电话用户占到了全球4 5 亿移 动电话用户的四成以上，因此g p r s 在未来的移动数据市场中占有一 定的天然优势。随着数据业务的需求和因特网应用范围的迅速扩大， 在全球范围内，用户对移动数据通信业务的需求正呈增长态势。g s m 协会预计，今后一年内全球g s m 网上传送的移动数据量增长率将达到 4 0 到5 0 。这给g p r s 带来了一个良好的发展机遇。随着标准化进程 的结束，全球性的g p r s 市场己经形成。并在2 0 0 0 年启动了商业服务。 这也使全球g p r s 设备市场日益升温。 2 0 0 0 年1 2 月2 1 日，中国移动通信集团公司在京宣布：正式启动称 为”移动梦网”的g p r s 网络建设。2 0 0 1 年6 月，中国移动g p r s 一 期工程已完成，2 0 0 1 年1 0 月正式投入商用。 g p r s 允许业务用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而 不需要利用电路交换模式的网络资源。g p r s 能够确保分组模式数据应 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 用的成本效益和网络资源的有效利用。这些应用主要包括以下方面：间 歇的、非周期的数据传输；少量数据的频繁传输：较大容量数据的不频繁 传输。g p r s 不妨碍用户的其他g s m 业务。 2 1 2g p r s 的主要特点 ( 1 ) g p k s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令， 优化了对网络资源和无线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配1 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上 链路和向下链路的分配是独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输 速率( 每用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s - - 1 、c s 一2 、c s 一3 和c s 一4 四种编码方案。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应 用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道 传输。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支 持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在 o 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为 依据。 ( 7 1 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的 存储单元，实现安全功能和接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点g g s n ，g g s n 支持与外部分 组交换网的互通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 ( 8 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加 密功能由s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与 目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输 所优化过的。g p r s 移动设备( m e ) 可通过s i m 访问g p r s 业务，不管 这个s i m 是否具备g p r s 功能。 ( 9 ) 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某 一特定的蜂窝。m s 在重选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会 通知网络。 ( 1 0 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将 它的存在告知网络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进行如下操作：接收基于g p r s 的的s m s 服务、经由s g s n 的寻呼、 g p r s 数据到来通知。 ( 1 1 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。 这个操作使m s 可被相应的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网 络的互通。 0 2 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输。它使用的方 法是封装和隧道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和 g g s n 之间 传输。这种透明的传输方法缩减了g p r sp l m n 对外部数据协议解 释的需求，而且易于在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩， 并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 ( 1 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便， ( 1 4 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层款可使用多种传输技术 很方便地实现与高速发展的i p 网无缝连接。 2 2g p r s 的总体结构 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。 回 b l s 图2 - 1 总体结构 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es y s t e ms t r u c t u r e 图2 1 中，用户设备通过串行或无线方式连接到g p r s 终端上；g p r s 终端与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，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 ) ，而不是通过移动交换中心 ( m s c ) 连接到语音网络上。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i n t e m e t 或i n t r a n e t 的标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接 收，再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 同一层。s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与移动台之 间的接口。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 通过基于正协议的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i n ( 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 i p 或x 2 5 网络。 图2 2g p r s 网络接口的基本组成 f i g2 - 2s t r u c t u r eo f t h eg p r sn e t w o r ki n t e r f a c e 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。 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网 络是通过g 口接1 3 连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点， u m 接口用于无线通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终 端m t ( 例如手机) 通过u l n 接口按入g p r sp l m n ，r 则是m t 和t e ( 如 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 笔记本电脑) 之间的参考点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成，它 们通过r 参考点组成一个整体，另外，m s 也可单独由一个移动终端( m t ) 组成。 对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( p l m n ) ，当它运行g p r s 业务时可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。 g p r s 网络通过g i 参考点和( 3 p 接1 ：7 实现同其他网络的互通。 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，它本身具有g s m 和g p r s 业务运营商提供的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据 网识别码即可向g p r s 终端直接发送数据。另外g p r s 支持与基于i p 的网络互通，当在t c p 连接中使用数据报时，g p r s 提供t c p i p 报头 的压缩功能。 g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，但从其根本性质上 说，他也属于1 p 网络，所以它能广泛应用于i p 域。其移动终端通过 g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间 通信。 2 3g p r s 服务 g p r s 是一组新的g s m 承载业务，是以分组模式在p l m n 和与 外部网络互通的内部网上传输。在有g p r s 承载业务支持的标准化网 络协议的基础上，g p r s 网络管理可以提供( 或支持) 一系列的交互式电 信业务。 2 3 1 承载业务 g p r s 支持在用户与网络接入点之间的数据传输的性能。提供点 太原理工大学硕士研究生学位论文 对点业务、点对多点业务两种承载业务。 a 点对点业务( p t p ) ：点对点业务在两个用户之间提供一个或多个分 组的传输。由业务请求者启动，被接收者接收。包括两种点到点业务。 b 点对多点业务( p t m ) ：点对多点业务是将单一信息传送到多个用 户。g p r sp t m 业务能够提供一个用户将数据发送给具有单一业务需 求的多个用户的能力。 2 3 2 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。用户终端业务可以分为基于p t p 的用户终端业务和基于p t m 的用 户终端业务。如表2 1 所示。 表2 - 1g p r s 用户终端业务分类 t a b l e 2 1g p r su s e rs e r v i c ec l a s s i f i c a t i o n 会话 报文传送 检索 基于p t p 的用户终端业务 通信 分配 调度 会议 基于p t m 的用户终端业务 预定发送 地区选路 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ 一 2 3 3 附加业务 g s m 第2 阶段附加业务支持所有的g p r s 基本业务p t p - - c o n s 、 p t p c l ，n s 、i p m 和p t m g 的c f u ( 无条件呼叫转送1 。 2 4g p r s 的路由和传输 路由是一个有序的节点列表，用于在p l m n 内或p l m n 之间传递 信息。每一个路由均由源节点、零个或多个中继节点和目的节点所组 成。路由选择是指根据一定规则，判断或选择在p l m n 之内或之间传 输消息所用路由的过程。 2 5g p r s 空中接口 无线接口u m 是移动台( m s ) 与基站( b t s ) 之间的连接接1 2 1 ，g p r s 中接日标准遵循g s m 系统的标准。 与g s m 系统相同，在g p r s 系统的空中接口中，一个t i ) m a 帧 分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个”突发脉冲串”( b u r s t ) ， 每个t d m a 帧的一个时隙构成个物理信道。物理信道被定义成不同 的逻辑信道。与g s m 系统不同，在g p r s 系统中，一个物理信道既可 以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，即一 个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成。 m s 与b t s 之间需要传送大量的用户数据和控制信令，不同种类 的信息由不同的逻辑信道传送，逻辑信道映射到物理信道上。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 1 分组数据链路逻辑信道 ( 1 ) 分组公共控制信道 c c c h ，p a c k e tc o m m o nc o n t r o lc h a n n e l ) 它包括如下一组传输公共控制信今的逻辑信道。 a 分组随机接入信道( p r a c h ，p a c k e tr a n d e ma c c e s sc h a n n e l ) ： 只存在与上行链路，m s 用来发起上行传输数据和信令 信息。分组接入突发和扩展分组接入突发使用该信道。分组 寻呼信道( p p c h ，p a c k e tp a g i n gc h a n n e l ) ：只存在于下行链路。 在下行数据传输之前用于寻呼m s 。可以用来寻呼电路交换 业务 b ， 分组接入许可信道( p a g c h ，p a c k e ta c c e s sg r a n tc h a n n e l ) ：只 存在于下行链路。在发送分组之前，网络在分组传输建立阶 段向m s 发送资源分配信息。 c 分组通知信道( p n c h ，p a c k e tn o t i f i c a t i o nc h a n n e l ) ：只存在于 下行链路。当发送点到多点一组播( p t m m ) 分组之前，网 络使用该信道向m s 发送通知信息。 ( 2 ) 分组广播控制信道口b c c h ，p a c k e t b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l ) 只存在于下行链路。广播分组数据特有的系统信息。 ( 3 ) 分组业务信道( p t c h ，p a c k e tt r a f f i cc h a n n e l ) a ，分组数据业务信道( p d t c h ，p a e h e td a t at r a f f j ec h a n n e l ：用于 传输分组数据。在p 1 m m 方式，该信道在某个时间只能属 于一个m s 或者一组m s 。在多时隙操作方式时，一个m s 可 以使用多个p d t c h 并行地传输单个分组。所有的数据分组信 道都是单向的，对于移动发起的传输就是上行链路( p d t c h 用1 ，对于移动终一止分组传输就是下行链路( p d t c h d ) 。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 b 分组相关控制信道( p a c c h ，p a c k e ta s s o c i a t ec o n t r o lc h a r m e l 、： 它携带与特定m s 有关的信令信息。这些信令信息包括确认、 功率控制等内容。它还携带资源分配和重分配消息，包括分配 的p d t c h 的容量和将要分配的p a c c h 的容量。当p a c c h 与p d t c h 共享时，就是共享时已经分配给m s 的资源。另外， 当一个m s 正在进行分组传输时，可以使用p a c c h 讲行申路 亨换业各的传输。 总之，g p r s 系统定义了为分组数据而优化的逻辑信道，如表2 2 所示 表2 - 2 g p r s 逻辑信道 t a b | e 2 - 2g p r sl o g i c a lc h a n n e l 组别名称 方向功能 p r a c h 上行 随机接入 p p c h 下行寻呼 p c c c h p a g c h下行 允许接入 p n c h 下行多播 p b c c hp b c c h下行 广播 p c t c h 下行和上行数据 p t c h p a c c h 下行和上行 随路控制 2 5 2 无线接口u m g p r s 的无线接1 ：3 u r n 可以用图4 g p r s m s 网络参考模型来描述。 m s 与网络之间的通信涉及了物理射频( i 强) 、物理链路、无线链路控制 媒体接入控n ( r l c m a c ) 、逻辑链路控制和子网依赖的汇聚层几个层 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 次。 s n c d p s n c d p l l c l l c r l c p l c m a cm a c 物理链路 物理链路 物理r f物理r f 图2 - 3g p r sm s 网络参考模型 f i g2 - 3g p r sm sn e t w o r km o d e l 物理层分为物理r f 层和物理链路层两个子层。物理r f 层执行物 理波形的调制和解调功能，把物理链路层收到的e e 特序列调制成波形， 或把接收的波形解调成物理链路层所需要的比特序列。物理链路层提 供在m s 和网络之间的物理信道上进行信息传输的服务。这些功能包 括数据单元成帧、数据编码、检测和纠正物理介质上传输错误。物理 链路层使用物理r f 层提供的服务。 数据链路层包括r l c 和m a c 两个子层。r l c m a c 层提供通过 g p r s 无线接口传输信息的服务。这些功能包括后向纠错过程。m a c 层提供多个m s 接入共享媒体的方法。r l c m a c 层使用物理链路层提 供的服务，并向上层( l l c ) 提供服务。 ( 1 ) 物理射频( r f ) 层 物理r f 层由g s m 0 5 系列标准定义，包括如下的内容：载波频率的 特点和g s m 信道结构；发送波形的调制方式和g s m 信道的数据速；发射 机和接收机的特性及其要求。 ( 2 ) 物理链路层 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 物理链路层运行在物理r f 层的上面，在m s 和网络之间提供物理 链路。其目标是通过g s m 的无线接口传输信息，包括r l c m a c 层的 信息。物理链路层支持多个m s 共享一个物理信道。 信道编码 分组数据信道定义了4 种分组数据编码方案，c s l 到c s _ 4 。 对于c s 一1 、c s 一2 和c s 一3 ，第二步包括：上行链路状态标志( u s f ) 预编码( 除c s 一1 ) ，附加4 比特的尾码，半速率卷积码，之后进行截短 以便提供希望的编码速率。 对于c s 4 ，不对纠错码进行编码。 表2 - 3 不同编码方案的编码参数 t a b l e 2 3d i f f e r e n tp a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n te n d i n g s 预编 无线 编码数据 方案码率 s f码b c s尾码 后比 截短 u s f 块 特 比特 速率 k b i t s c s 11 2331 8 14 044 5 6o9 0 5 c s 2到3362 6 81 6 4 5 8 81 3 21 3 4 c s 3 3 4363 1 21 6 4 6 7 62 2 01 5 6 c s 4 231 24 2 81 64 5 62 1 4 ( 3 ) 媒体介入控制和无线链路控制层( m a c l l c ) m a c 层的功能定义了多个m s 共享传输媒体的过程，共享媒体由 几个物理信道组成。其提供了对多个m s 的竞争仲裁过程、冲突避免、 检测和恢复方法。m a c 层功能还允许单个的m s 并行地使用几个物理 信道。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 子网相关融合协议( s n d c p ) 在m s 和s g s n 中s n d c p 位于网络层之下，逻辑链路控制层之上。 它支持多种网络层，这些网络层分组数据协议共享同一个s n d c p ，由 此，来自不同数据源的多元数据都能通过l l c 层。 2 6g p r s 的网络特- 性 1 分组交换 分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不 同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数 据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的 数据传输”共用”传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从 而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制，主 要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销：也 可以在网络部分环节上增加控制，提高安全性。另外，通过设置服务 等级q o s 等手段，可阻有效的控制和分配延时、带宽等性能，所以分 组交换非常适用于数据应用。 2 频谱效率 在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换， 通信需要建立端到端的连接，在通信过程中要独占信道，每条g s m 信 道只能提供9 6 k b p s 或1 4 4 k b p s 传输速率。如果多个组合在一起最多8 个时隙，虽可提供更高的速率，但只能被一个用户独占，在成本效率 上显然缺乏可行性。而采用分组交换的g p r s 则可灵活运用无线信道， 每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享， 从而极大地提高了无线资源的利用率。在理论上，g p r s 可以将最多8 18 太原理工大学硕士研究生学位论文 个时隙组合在一起，给用户提供高达1 7 1 2 k b p s 的带宽，从1 4 4 k 一1 7 1 k ， 足足比以前超出了1 0 倍的传输速度，保证了更大数据的传输，更快的 因特网接入。由于g p r s 用户的数据通信费是以数据量为基础，而不 考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。g p r s 最大的特点就是“永远在线”。人们可以随时获得即时的更新结果，只 要移动设备打开，就会一直收到信息，这使它成为理想的数据传输方 法。从无线系统本身的特点来看，g p r s 使g s m 系统实现无线数据业 务的能力产生了本质的飞跃。 3i n t e r n e t 识别 典型的互联网连接是：用户通过拨号接入某一i s p ，通过i s p 的网络 访问互联网。因此用户需要付拨号电话费和网络使用费两部分费用， 而g s m 做无线接入时付无线网络电话费。如果通过g p r s 接入互联网 则有很大的不同，因为g p r s 是无线分组数据系统，只要用户一打开 g p r s 终端，就已经附着到g p r s 网络上，g p r s 通过允许现存的i n t e m e t 和新的g p r s 网络的互通首次完全实现了移动i n t e m e t 功能。也就是用 户通过g p r s 系统的网关g g s n 连接到互联网，g g s n 还提供相应的 动态地址分配、路由、名称解析、安全和计费等互联网功能。目前任 何一种在固定i n t e m e t 上的业务( 如文件传输协议( f t p ) 、网页浏览、交 谈、信函、遥信) 通过利用g p r s 将同样能在移动网络上实现。所以， 移动业务运营商同时也是互联网业务的提供商。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章g p r s 系统t c p ip 性能分析 随着i n t e m e t 的普及t c p i p 协议已经成为了事实上的网络互联标 准，无线通信的发展也在向t c p i p 协议靠近，t c w i p 协议的核心部分 是传输层协议( t c p ，u d p ) 、网络层协议( i p ) ，而无线环境影响传输性 能的表现方式其实就是对传输层协议( t c p ，u d p ) 的性能影响，考虑到 t c p 协议的应用范围和重要性都比u d p 协议大的多，此外，u d p 协议 本身就没有设计成可靠的传输协议，因此本部分只讨论无线环境对t c p 性能的影响。 3 1 无线信道的一般特征 相比于有线信道，无线信道有自己独特的特征，主要如下：长延时、 误码率高、带宽小，且带宽大小变化明显、上下行链路不对称、连接 的间歇性、存在盲区，阴影区域。 无线链路一般具有较长的时延，如卫星链路就具有很长的时延， 但时延较为稳定，抖动不大；误码率很高是无线链路与有线链路的最显 著差别，因此，几乎所有的无线链路层协议都提供了错误恢复机制；可 供利用的无线频谱资源有限，这就决定了无线链路提供的带宽较有线 链路小的多，且带宽大小变化也更为明显；上下行链路不对称是指上行 链路的带宽与下行链路的带宽不同，这主要是为了节省宝贵的带宽资 源，考虑到数据的流量与流向，下行链路带宽一般远大于上行链路的 无线链路受外界因素的影响很大，如天气、地形等，所以时常会致使 无线链路出现暂时的不可用，这就是所谓连接的间歇行；有些区域，根 太原理工大学硕士研究生学位论文 本就接收不到特定频率的无线信号，如电梯、坑道中，称之为盲区或 阴影区域。 为了给上层协议提供更好的服务，多数无线链路层协议针对无线 信道的特征和具体需求做了相应的处理。试图降低这些影响，但很难 完全屏蔽这些特征。所以我们有必要研究一下无线信道的这些特征对 t c p 协议的影响。特别是当在当前广泛使用并正向数据通信领域急速 扩展的蜂窝环境中，由于移动性的引入，即用户可以移动接入，使某 些特征更为显著。例如，在蜂窝式移动网中，当需要进行小区切换时， 常常会导致连接的暂时性中断，即使移动台在基站之间实现了平滑切 换( t d m a 系统的越区切换仍在与f d m a 系统一样，只能采取“硬切切 换”方式，在切换过程中有瞬间中断，但对电话业务无甚影响。而c d m a 系统由于采用r a k e 接收技术，能通过运算使信号分离、合并等加工 处理，而实现了在越区切换中，不中断通信传输，实现了“软切换， 这对数据传输甚为适合) ，也会由于需要对路由进行相应的即时修改， 导致连接的中断。从t c p 的层次来看，会认为对方突然断线了，当这 种情况频繁出现时，t c p 简直是难以工作的! 另外，对于无线信道的高 误码率问题，往往会有相应的无