（计算机系统结构专业论文）基于gprs的变压器监控系统的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术在工业自动化领域的不断成熟和发展，以往传统的 工业监控方式暴露出实现效率低，资源浪费等缺憾，而以无线通信技 术进行的工业监控开始出现，并逐渐显现出巨大优势。 g p r s 通信技术作为无线通讯的尖端技术，具有接入速度快、传 输速率高、按流量计费、支持i p 协议等优点，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，非常适合工业监控的 特点和需求 笔者在对g p r s 通信技术和传统的工业监控方式进行深入研究分 析后，将g p r s 技术与电力系统变压器监控的特殊需求紧密联系在一 起，提出了一种将g p r s 技术引入工业监控系统的构想，并开始了“基 于g p r s 的变压器监控系统”的研究设计开发工作。 文章首先简要介绍了g p r s 技术的体系结构，分析了g p r s 的协议 及路由管理，以及g p r s 网络的安全性和其发展现状 随后。本文将g p r s 技术与以往工业监控所采用的人工或电话线 方式进行了分析比较，指出了传统监控方式的弊端，提出了一种基于 g p r s 技术的变压器监控系统的设计结构。同时，通过g p r s 技术与几 种常用无线数传方式的比较，进一步确认了g p r s 在变压器监控中的 优势，在此基础上，作者为该系统的实现选择了合适的g p r s 模块， 并且对系统组网方案的设计实现进行了深入的探索。 g p r s 通讯部分的设计，是g p r s 模块与监控中心建立连接，实现 数据远程接收和发送的关键本文详实阐述了这一设计的实现原理和 模块的参数设置，并重点阐明了两者从建立连接到数据收发在程序中 的实现，同时对通讯的可靠性进行了深入的探讨 本文还重点介绍了监控中心的设计和相关技术的实现。系统采用 模块化结构，主要包括数据读取模块，历史数据查询模块，信息维护 模块，设备参数设置模块，报警数据维护模块等五部分。其中，数据 读取模块实现了这个系统的大部分核心功能，主要涉及监控中心与 g p r s 模块之间的数据传送；报警数据维护模块的实现使得负责监控 的人员可以随时对变压器当前的状态进行处理。另外，在本系统中， 多线程技术的采用使多个被监控变压器可以同时执行监控中心的指 山东大学硕士学位论文 令。 文章的最后，对该系统的应用和作者在设计开发过程中所做的主 要工作进行了总结，并提出了有待进一步深入研究和探讨的几个问 题。 关键词：g p r s ，变压器监控，模块，安全性 - _ _ - _ - _ - _ - _ _ - _ _ 一l _ _ i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em a t u r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi ti nt h ed o m a i no f i n d u s t r i a la u t o m a t is m ，t r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o le m e r g e s s e v e r a lr e g r e t ss u c ha s1 0 we f f i c i e n c ya n dr e s o u r c ew a s t i n g a tt h es a m et i m e ， i n d u s t r i a l c o n t r o lb a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na p p e a r sa n ds h o w st r e m e n d o u sa d v a n t a g e s g p r sc o m m u n i c a t i o n sp r o v i d e sf a s t e rc o n n e c t i o na n dd a t a t r a n s f e rr a t e s i ta l s oh a sa d v a n t a g e s s u c ha sc h a r g ei n i n f o r m a t i o na n di p - s u p p o r t i n g i n t e r m i t t e n tb u r s to u td a t a t r a n s f e ra n ds p o r a d i cv a s td a t at r a n s f e ra r es u p p o r t e d ，w h ic h h i g h l ya d a p t st ot h ec h a r a c t e r is t i c sa n dr e q u i r e m e n t s f t e rp r o f o u n dr e s e a r c ha n dc o m p a r i s o n b e t w e e ng p r s c o m m u n i c a t i o n sa l l dt r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r 0 1 ，w ed i d c l o s ec o n n e c t i o n b e t w e e ng p r s t e c h n 0 1 0 9 y a n d e s p e c i a l r e q u i r e m e n t so ft r a n s f o r m e rc o n t r 0 1i n e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n db r o u g h tf o r w a r dat y p eo fd e s i g ni nin d u s t r i a lc o n t r 0 1 ， w h ic hu s e sg p r st e c h n 0 1 0 9 y f t e rt h a t ，w eb e g a nt or e s e a r c h a n dd e v e l o pt h es y s t e mo f “t r a n s f o r m e rc o n t r 0 1s y s t e mb a s e d o ng p r s ” t h ist h e s isf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fg p r s b r i e f l y ，a n a l y s e sp r o t o c 0 1o fg p r sa n dr o u t e rm a n a g e m e n t ，a n d g p r ss e e u r i t ya n dd e v e l o p m e n ta c t u a l i t y s e c o n d l y 。t h et h e s i sc o m p a r e sg p r st e c h n o l o g yw i t hm a n u a l w o r ka n dp h o n ew o r ki ni n d u s t r i a lc o n t r o li no r d e rt ot e l lt h e d is a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a lc o n t r 0 1 an e w d e s i g n o f t r a n s f o r m e rc o n t r o lb a s e do ng p r st e c h n o l o g yisb r o u g h tf o r w a r d a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ec o m p a r is o nb e t w e e ns e v e r a l w i r e l e s sd a t at r a n s f e rm o d e s ，w ea f f i r mt h ea d v a n t a g e so fg p r s i nt r a d s f o r m e rc o n t r 0 1 o nt h eb a s i so f i t ， w ec h o o s e a p p r o p r i a t eg p r sm o d u l e ，a n de x p l o r e t h ed e s i g no fn e t w o r k o r g a n iz a t i o n 。 i 山东大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fg p r st e i e c o m m u n i c a t i o n sist h em o s ti m p o r t a n t p a r t t h ep a r tt e l l su st h ew a yt ob u i l dc o n n e c t i o i lb e t w e e ng p r s m o d u l e sa n dc o n t r 0 1c e n t e ra n dt h ew a yt oa c h i e v ed a t ar e c e p t i o n a n ds e n d i n gi n1 0 n gd is t a n c e t h et h e s ise x p o u n d st h ep r i n c i p l e o ft h ed e s i g na n dt h ep a r a m e t e r s s e t t i n g o fm o d u l e t h e r e a l iz a t i o no fp r o g r a mi se m p h a s iz e df r o mb u i l dc o n n e c t i o nt o d a t ar e c e p t i o na n ds e n d i n g w ea ls od idc l e a re x p l o r a t i o na n d d is c u s s i o nt ot h es e c u r i t yo fc o m m u n i c a t i o n t h et h e sise m p h a s i z e sd e s i g no fc o n t r 0 1c e n t e ra n dt h e r e a l iz a t i o no fi n t e r r e l a t e d d i v id e di n t of i v e p a r t s ， t e c h n 0 1 0 9 y t h e i n c lu d i n gd a t a s y s t e mism a i n l y r e a d i n gm o d u l e ， h is t o r i c a ld a t aq u e r ym o d u l e ，i n f o r m a t i o nm e i n t e n a i l c em o d u l e d e v i c ep a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l ea l l da l a r md a t am a in t e n a n c e m o d u l e d a t ar e a d i n gm o d u l er e a liz e sm o s tf u n c t io n so ft h e s y s t e m i tm a in 1 yr e l a t e st ot h ed a t at r a n s f e rb e t w e e nc o n t r 0 1 c e n t e ra n dg p r sm o d u l e t h ea l a r ms u b s y s t e ma l l o w st h eo p e r a t o r t od e a lw i t ht h ed i f f e r e n ts t a t e sa ta n ym o m e n t m u l t i t h r e a d a 1 1 0 w ss e v e r a lt r a i l s f o r m e r se x e c u t ec o m m a n d si nt h es a m et i m e l a s t l y ，w es u m m a r iz eo u rw o r ki nt h ea p p l i c a t i o no fs y s t e m a n dp u tf o r w a r ds e v e r a lp r o b le m st ob ed is c u ss e d k e y w o r d ：g p r s ，t r a n s f o r m e rc o n t r o l ，m o d u l e ，s e c u r i t y 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 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 过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承 担。 论文作者签名： ：笈堑 日 期：丝：妊茎 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山尔人学有犬保留、使h 学位论文的规定同意学校保留 或向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被卉阅和借 阋；本人授权山东人学可以将本学位论文的全部或部分内容缩入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：& 型导师签名： 爿冬 山东大学硕士学位论文 第一章课题技术背景 随着g p r s 网络的不断发展和各行业对无线网络应用需求的大幅提 升，基于g p r s 的应用逐渐成为当前无线通信应用的主流6 p r s 自身的 特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使g p r s 通讯技术迅速成 为国内外远程数据采集系统中解决监控点涉及地域广、设备布局分数 等问题的主流技术 通过对g p r s 体系结构、协议与路由管理、安全性以及与其他移动 通信网之间的比较和对g p r s 技术发展现状的分析，可以更深入的了解 g p r s 技术，为研究基于g p r s 的电力系统变压器监控打下良好的基础。 1 1g p r s 简介 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( 3 g ) 的过渡技术，是 由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向 用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络 上增加一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提 供端到端的，广域的无线i p 连接n 1 。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据 处理的科技，它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状 态下使用各种高速数据业务，包括收发e m a i l ，进行i n t e r n e t 浏览等 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，在移动用户和数据网络之间提供一种 连接，给移动用户提供高速无线i p 和x 2 5 服务。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，同一无线信道又可以由多 个用户共享，资源被有效的利用g p r s 技术1 6 0 k b p s 的极速传送几乎 能让无线上网达到公网i s d n 的效果，实现”随身携带互联网使用 g p r s ，数据实现分组发送和接收，用户永远在线，且按流量、时间计 费，迅速降低了服务成本 g p r s 适用于远程数据采集的主要特点可以归纳为以下几点： 山东大学硕士学位论文 永远在线，接入速度快用户可以随时与无线网络保持连接，且 分组交换接入时间缩短为少于一秒，可以使远程数据采集的效率 大幅提高。g p r s 的核心网属于分组交换数据网，使用i p 协议， 由于分组网用户只有在传输数据时才占用信道资源，所以，它允 许用户可以长时间保持与外网的连接，而不必进行频繁的连接与 断开操作，从而使用户做到“永远在线”由于g p r s 网本身就 是一个分组型数掘网，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 乜”，减小了呼叫时延，加快了接入速度。 传输速率高。g p r s 将g s m 的每时隙最大9 6 k b p s 的数据传输速 率提高到1 4 4 k b p s ，甚至2 1 4 k b p s ( m o t o f 0 1 a 已实现) 另外。采 用信道捆绑技术，即将1 个载频的8 个时隙进行捆绑，服务于同 一用户，可向用户提供高达1 1 5 2 k b p s ，甚至1 7 1 2 k b p s 的数据传 输速率。这一速率突破了g s m 系统不能支持包括图像、话音和视 频业务在内的多媒体业务的限制，使用户移动上网成为现实。 采用数据流量计费方式1 g p r s 是一种经济高效的分组数据技 术。用户只在传输数据时按照数据通信量进行付费，也就是 说，g p r s 的计费以传输量为依据，而无需像电路交换方式那样对 整个链路占用期自j 付费。这样可以大幅降低用户的使用费用。 支持i p 协议。由于g p r s 网络覆盖广，底层支持t c p i p 协议， 使得g p r s 能够与i n t e l n e t 实现无缝连接。 g p r s 具有多种服务质量，可灵活支持多种数据应用。对数据传 输可设置不同的服务质量参数：优先级、可靠性、时延、数据速 率，可根据实际灵活选择服务质量参数为用户提供服务，从而使 g p r s 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。g p r s 能在o 5 1 秒之内恢复数据的重新传输 由于g p r s 具有这些特点，目前得到很多国家和地区越来越多的应 用。我国也陆续在大陆各大城市开通了各项业务。g p r s 主要应用在信 息业务，网络浏览，交通工具定位，静态图像传输，文件传送等方面。 主要针对电力系统自动化，车载终端，工业控制等部门的应用 山东大学硕士学位论文 1 2g p r s 的体系结构 1 2 1g p r s 的逻辑体系结构 g p r s 的逻辑体系结构如图1 1 所示。g p r s 通信系统由下述功能单元 组成： 图1 1g p r s 逻辑体系结构图 ( i ) 服务g p r s 支持节点( s g s n ) ：执行用户位置管理、安全功能和接 人控制功能“ ( 2 ) 关口g p r s 支持节点( g g s n ) ：提供g p r sp l d n 与外部分组数据网 的接口g g s n 通过可选的g c 接口向h l r 请求用户的位置信息。无g c 接口 时，g g s n 与h l r 间信令过程可以通过g s n 转发。 一个g p r sp l m n 中可以有多个g p r s 支持节点( g s n ) 。s g s n 和g g s n 可 以是在不同的物理设备中，也可以合置在同一物理设备中。不同p l m n 中的s g s n 和通过g p 接口通信。 ( 3 ) 边界网关( b g ) ：为实现不同p l a n 之间互联而采用的边界设备。 边界网关由不同g p r sp l a i n 运营商在满足漫游协定和b g 安全功能的基础 上选用。 “) 计费网关( f s ) ：用户收集各g s n 发送的计费数据记录并进行计 费的设备。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 移动台( m s ) ：用户使用的设备，按功能可分为a 、b 、c - - - 类， 由移动终端( m t ) 或移动终端和终端单元( t e ) 的组合构成 ( 6 ) 其他设备：b s s 、h l r 、m s c v l r 、s m s g m s c 和s m s i w m s c 等g s m 原有设备被扩展以支持相应的与g p r s 有关的功能。 1 2 2g p r s 的部署 新型无线数据服务的预期需求令g s m 运营商对运营环境中的重大 变革充满期望，考虑到对更复杂应用的需求，g p r s 作为一种改进g s m 网数据传输方式的标准已得到欧洲电信标准委员会( e t s i ) 的确认，其 基本原理是：当有数据传送需要时，将利用分组在网络中传送数据， 而非利用当前承载服务所采用的固定电路连接 g p r s 系统结构的灵活性令部署费用很低，可根据预期的数据业务 量的增长安排部署，为网络演进提供了一条全新的途径在引入g p r s 时可将其叠加在现有的g s m 网上，而g s m 无线资源则可在电路交换 的话音和g p r s 数据之间共享在无线接口内。多个用户可共享一个时 隙，或者一个用户最多可使用八个时隙。在传输时，数据信息被包封 到很短的分组里，每一分组都含有一个报头，报头中包括了分组的始 发地址和目标地址。来自多用户的分组可交错传输，所以可按需分配 传输容量，并在没有分组可传时释放容量。 g s m 无线资源也可在电路交换模式( 数据和话音) 业务与g p r s 之间 共享在空中接口上，可分配给g p r s 业务使用的时隙( 根据o m 程序) 必须能够工作在业务信道( 一个全速率语音信道或两个半速率语音信 道) ，或工作在g p r s 模式的分组数据业务信道 这里，定义一种新的物理信道类型：分组数据信道( p d c h ) ，它由 几个新的逻辑分组信道映射而成。在一个小区中，若没有分配物理分 组信道资源，则逻辑分组信道被映射到普通的g s m 物理信道上新的 分组信道可被复用，这是在当前的g s m 中引入分组技术后带来的主要 不同。 首先，通过对基站子系统( b s s ) 进行软件升级，一种被称为分组控 制单元( p c u ) 的新型g p r s 实体将被用来处理数据业务量，并将数据业 务量从g s m 话音业务量中分离出来。p c u 增加了分组功能，可控制无线 链路，并允许多用户接入同一无线资源。 然后，g p r s 数据分组被g p r s 骨干系统( g b s ) 传送出去。这一过程 山东大学硕士学位论文 将涉及两个g p r s 网元，分别称为g p r s 业务支持节点( s g s n ) 和6 p r s 网 关支持节点( g g s n ) d 4 根据地理条件和用户号码情况，g p r s 各节点可 分布在网络中的不同位置或位于同局址。 s g s n 将为所服务的手机提供移动性管理、安全性( 数据加密和压 缩) 、管理控制、计费数据收集、鉴权以及逻辑链路和路径的管理s g s n 还将为用户和某些g g s n 提供分组路由和隧道功能。s g s n 的容量由路由 范围和用户的数量决定，并采取可伸缩和模块化的结构通过基于帧 中继的g b 接口，一个或多个b s s 被连至s g s n 。s g s n 通过g n 接口连至 g g s n 。g g s n 通过g i 接口提供与外部分组交换网络的交互工作。 s g s n 和g g s n 均可与归属位置寄存器( h l r ) 通信，并各自通过g r 和 g c 接口获得路由信息和用户详细资料根据现有和预期的数据业务增 长量，g p r s 系统结构的灵活性将保证成本获得最优的部署。g b s ( s g s n ， g g s n ) 的不同网元结构将确保可获得多厂商支持。采取何种类型提供交 互工作支持可视特殊的客户要求而定，也可分阶段提供。网络结构 的解决方案将与逻辑结构和传输规划保持一致。 g p r s 服务可与若干结构解决方案一起实施，其分组控制功能可有 不同选项，这些选项可以内置的形式或作为独立单元存在。尽管需要 更新访问位置寄存器( v l r ) ，但移动交换中心( m s c ) 并不一定要变更硬 件，这样电路交换呼叫和o p r s 分组数据服务之间便可进行有效的协调。 与g s m 用户一样，h l r 数据库也将存储g p r s 的用户资料 通过使用同一分组传输技术。g g s n 可为与g p r s 相连的其他公共数 据网络( p d n s ) 提供一个网关，以在不同网络间提供无缝的服务。有了 g p r s ，用户的呼叫建立时间大幅缩短，且任何呼叫只需建立次。一 旦通话经由一个叫做“附着”的过程建立起来，用户便成为网络的服 务对象，且只是在收发数据时才需用到网络资源。 若某数据流的最后一个数据块已被送出并得到确认，或者计时器 到达计时限制，则其使用的资源将被释放并重新分配当需要收发新 的数据块时，g p r s 通话仍然开放并可重新建立与目前的电路交换服 务相比，重新接入的延迟很短，因而提高了网络资源的利用效率 山东大学硕士学位论文 1 3g p r s 的协议与路由管理 1 3 1g p r s 的协议 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图i - 2 所示1 u m 接口是g s m 的空中接口u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依 次为物理层、m a c ( m d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 层、s n d c( s u b n e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网 络层。 网络协议网络协议 s n d cs n d c l l cl l rl l c m a cm a cl a p d l a p d 物理链路物理链路 物理链路物理链路 r f 接口r f 接口 m su mr s sg bs g s n 图1 - 2g p r s 协议模型 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“。g s m 空中接口的载频带宽为2 0 0 k h z ，一个载 频分为八个物理信道。如果8 个物理信道都分配为传送g p r s 数据，则 原始数据速率可达2 0 0 k b p s 。考虑前向纠错码开销，则最终数据速率可 达17 1 ，2 k b p s 。 m a c 为媒质接入控制层。m a c 的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。g p r s 的逻辑信 道共有三类，分别是公共控制信道、分组业务信道和g p r s 广播信道。 公共拧制信道用来传送数据通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答 等信道。分组业务信道用来传送分组数据。广播信道则是用来给移动 台发送网络信息。 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。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成 山东大学硕士学位论文 l 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制。b s s 中的l l r 层是逻辑链路传递层 这一层负责转送m s 和s g s n 之间的l l c 帧。l l r 层对于s n d c 数据单元 来说是透明的，即不负责处理s n d c 数据 s n d c 被称为子网依赖结合层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s n d c 层，移动台和s g s n 之间传送的数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单 元生成后被放置到l l c 帧内 网络层的协议目前主要是p h a s e1 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议，这些协议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是 透明的。 1 3 2g p r s 路由管理 g p r s 的路由管理是指g p r s 网络如何进行寻址和建立数据传送路 由。g p r s 的路由管理表现在以下三个方面：移动台发送数据的路由建 立、移动台接收数掘的路由建立、以及移动台处于漫游时数据路由的 建立如图卜3 所示。 第一种情况中，当移动台产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个 p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元“”。然后经过l l c 层处理 为l l c 帧，通过空中接口送到g s m 网络中移动台所处的s g s n 。s g s n 把 数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数 据网中传送的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用户 为了提高传输效率并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据 做压缩和加密处理。 第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台。首先通 过数据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出 的数据单元( 如p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移动台所在的s g s n ，g s n 把p d u 封装 成s n d c 数据单元，再经l l c 层处理为l l c 帧单元，最终经空中接口送 给移动台。 山东大学硕士学位论文 图卜3g p r s 的路由管理 第三种情况中，一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动 用户其数据必须经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户。 1 4g p r s 网络的安全性 g p r s 网络可提供多达四级的安全保障 ( 1 ) 第一级：网络接入层是安全的可以使用专门的a p n ，分配特 定的手机号。手机主叫号在移动g s m 交换机生成，已经进行了加密， 山东大学硕士学位论文 资深的网络黑客也很难伪造手机号移动在网络侧h l r 网元给手机号 和a p n 做了绑定，只有属于行业的手机号才能访问专用a p n 。黑客拿着 其他手机号的g p r s 终端根本无法呼叫专门的a p n ( 2 ) 第二级：终端的合法性是安全的。监测中心可以给每个g p r s 终端分配特有的用户i d 和密码，交换机资深黑客即使伪造了合法的手 机号，但是监测中心分配给g p r s 终端的用户i d 和密码没有，依然与 监测中心建立不了呼叫，而监测中心可以周期性命令个监测点将用户 i d 和密码改掉。 ( 3 ) 第三级：防火墙过滤是安全的。监测点g p r s 终端收到分配的 i p 地址，携带地址，通过g g s n ，并通过监测中心防火墙的过滤 ( 4 ) 第四级：自身的应用层加密。 1 5g p r s 与现有移动通信网之间的关联 g p r s 网络与其他现有通信网络相比有很大的优势，下面我们进行 简单的分析和比较。 1 5 1g p r s 与现有g s m 电路交换系统的关系 g p r s 无线分组数据是在现有的g s m 系统上的一项新的承载业务， 通过软件升级和增加必要的硬件模块，利用g s m 现有无线系统实现分 组数据传输。g s m 在承载g p r s 业务时可以不必中断其它业务( 如话音业 务) 。 两者之间最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是 一种分组交换系统，所以g s m 的交换系统不能支持g p r s 。需要增加支 持g p r s 的i p 网络交换系统。 在某种意义上，可以认为g p r s 是g s m 向i p 和x 2 5 数络网的延伸， 反过来也可以说，g p r s 是互连网在无线上的延伸。g p r s 支持虚连接， 提高了无线资源利用率。在g p r s 平台上可实现f t p 、w e b 浏览器、e m a i l 、 t e l n e t 等因特网应用。 1 5 2g p r s 与目前短信技术实现的无线数据服务的比较 电路交换的通信需要建立端对端的连接，通信过程中要独占信道， 是一种实时或固定延时的系统，特别适用于话音传输 9 山东大学硕士学位论文 当电路交换方式用于数据应用时，能提供固定速率的传输信道， 并且实时传送，适用于交互式实时影音多媒体等业务但其最大的不 足是，无论有无数据传送，此信道都被占用，所以资源利用率低 短信技术是通过g s m 信令的方式来传送数据，它简单方便，但由 于信令资源的有限使得其数据传送量和速率都极小，延迟和安全性也 很差，所以短信技术只能限制在一些对数据量要求很小，且对延迟和 安全性不敏感的少量应用中 分组交换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，再组装成完整的数据妇”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 “共同”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丌销；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o o s 等手段，可以有效地控制和分配延时、带宽等性能，所以分组交换非 常适用于数据应用 在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。采用电路交换，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 的传输速率如果多个组合 在一起( 最多八个时隙) ，虽可提供更快速率，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，让其为多个g p r s 数据用户所共用，从而极大限度地提高了 无线资源利用率。 在理论上，g p r s 可以将最多八个时隙组合在一起，提供高达 1 7 1 2 k b p s 带宽给用户，同时与g s m 不同的是它同时供多个用户共享 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。图卜4 中我们可以看到几种g s m 上数据技术的 对比。 1 0 山东大学硕士学位论文 图1 4g s m 上数据技术的对比 1 6g p r s 技术发展现状 在固定电信网上，许多国家数据业务已经超过了话音业务。固定 电信网的业务类型和方式一直是移动电信网跟踪和发展的目标。我国 在骨干传输网上，数据业务也已经超过了话音业务 最近几年，许多国家在g s m 网络上短消息业务的极大成功，说明移 动数据通信的市场具有极大的潜力尽管由于缺少经验，特别是移动 数据通信的应用千变万化，如何开拓和规划技术与市场，一直困扰着 各移动运营商、设备供应商和内容提供商，但是，可以肯定地说，正 如话音经历了从第一代、第二代发展到第三代移动通信一样，总体来 说，移动数据通信的发展历程也必然会经历同样的过程。 随着我国电信体制的进一步放丌，电信增值业务会极大地促进移 动数据业务的丌展，例如基于位置业务( l b s ) ，将带来一大批新的应 用业务的刀：展，特别是移动电子商务的发展。小区广播业务将促进移 动广告业务的应用和发展。 现在，g p r s 可提供的监控、多媒体，电子商务等业务正广泛应用 子工业、运输业，金融、证券、商业和公共安全等多个领域。并已经 体现出巨大的优势。 山东大学硕士学位论文 第二章系统的整体设计 2 1 基于g p r s 的变压器监控系统 随着无线通信技术的不断发展壮大，利用移动运营商提供的网络 实现配电网数据采集和监控，是电力系统现代化的一个重要发展方向。 由于g p r s 网络的通信技术已趋成熟，覆盖面又广，利用g p r s 无 线通信方式来实现变压器参数的实时采集、监测和控制，尤其对一些 通讯条件差的地域，无疑是对现有资源的最大利用最重要的是g p r s 网络是由移动运营商投控系统，可以节省数以千亿计的导线材料及人 工费用，达到环保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的 日常修改和维护工作，最大限度地节省了投资。 本系统采用基于g p r s 网络通信技术，解决了变压器参数远程传输、 监控、报警、数据采集等问题，实现及时报警、实时数据采集和远程 参数设置等功能，并可对事件和历史曲线进行分析无论何时何地， 只要有一部可以上网的电脑就能借助g p r s 无线m o d e m 实现对各地变压 器进行移动监控 本系统的意义在于：通过监视变压器的运行状况，优化配网运行 方式：发生故障或异常运行时，迅速报警，及时恢复正常供电，减少 停电时间，保证变压器的安全运行；记录电压越限时间，计算电压合 格率，从而合理控制电平水平，改善供电质量；通过对历史数据进行 分析，可以得知变压器的效率，并针对分析对变压器的型号、参数进 行改进，使变压器效率达到最优。 2 2 传统监控系统存在的问题分析 传统的变压器监控系统中，对变压器的监测一般有两种方式。 ( 1 ) 人工监测方式。 使用这种方式进行变压器监测，当工作人员怀疑变压器工作不稳 定或出现异常时，采用便携式的监测设备到现场对变压器进行一段时 间的监测和检查。 尽管这种方式是可行的并且仍在相当多的场合普遍应用，但监测 山东大学硕士学位论文 过程中受人工千预的影响较大，同时不能对变压器进行长期监测最 重要的是，在工业监测实时性要求越来越高的今天，这种监测方式会 浪费大量的时间、人力、物力、财力，并且使错误处理过程明显滞后， 甚至可能产生难以预计的后果。 ( 2 ) 通过电话线进行数据传输 使用这种方式进行变压器监测，可以实现同时对多个变压器进行 监测，对数据的收集和处理通过电话线和m o d e m 进行 由于变压器的设置地点往往通讯条件较差，实施这种传输方案又 必须将电话线拉到变压器的附近，所以实现费用较高。 由以上分析可以看出，传统监控系统中存在的问题严重困扰着监 控系统的发展 2 3 通讯技术的分析与选择 目前，无线数据传输主要采用无线数传电台、短消息、g s m ，g p r s 等方式进行在变压器监控系统中，主站和终端之间的通信组网非常 灵活，选择或者变更任意一种通信方式，对主站或终端都不会造成影 响，即通信网络对于主站系统和终端来说是透明的。但在实际应用中， 几种无线数据传输方式各具不同的性能和特点。 变压器具有分布广，离供电公司主站距离远等特点。我们常用的 是电话通信方式、无线电台通信方式，以及全球移动通信系统( g s m ) 短 信和通用分组无线业务( g p r s ) 方式 电话通信方式传输速率高，但拨号接续时间长，不适合实时性要 求高的数据通信，而且电话的运营费用比较高。 无线电台通信方式不用现场布线，安装方便，几乎没有运营费用， 通信效率高，但初期一次性投资较大，这与电话线组网方式相反，而 且无线电波容易受干扰和地形、地貌的影响。无线电台的工作频段可 以选用无线电力负荷管理系统采用的2 3 0m h z 频段，否则需要向无线电 管理协会申请频段资源。 g s m 短信通信方式像电台一样，不用现场布线，安装方便，而且不 会受干扰，但是运营费用比较高。供电公司和移动通信公司的专线通 道能使主站和终端更及时地交换数据，也可在供电公司前置安装g s m 模 块，间接通过移动通信公司短信服务器与终端通信，但这样比采用专 山东大学硕士学位论文 线通道效率低。 作者采用图表的形式从各方面对这几种无线数传方式的性能进行 了比较( 见图2 1 ) 。 陵。，”笼线裁7露鲡管躇”一礴 。 电台 短消息，。 ，g p 擎。l 。熬撬= ；。女“巍龇o i 罐 篓。二。囊 单工或 l 通信方式耄全双工全双工全双工 ； 耍 半双工 ，絮 最大 i 传输速率 1 2 k b p s2 6 s 条 9 6 k b p s j。 17 1 2 k b p s 可? 靠性 差较差高高 时t 一童延较小 波动范建立长， $ c “一镕围大之后小 小 r+“4“n l 保，密：t 硅；很差很高很高很高 ，：“学 喾，。，q ；：f 了“i 可全国可全国可全国漫 通信距离 2 k m 以内 ；、0 0 譬：摹蚤叠 漫游漫游游 i 食甭萎躺几乎为零低很高低 ；* m ；溏；i 图2 - 1多种无线数据传输方式的比较 从上面的比较可以看出：g p r s 具有全双工、可靠性高、稳定性强、 信号覆盖广、使用费用低廉等特点，非常适合在涉及地域广、设备布 局分散的情况下应用。所以本系统采用g p r s 方式对变压器进行监控 2 4g p r s 模块的选择 从上面的分析可以看到，利用g p r s 模块采集和维护数据是本系统 开发的核心思想。因此，选择一个可以信赖的g p r sm o d e m 就成为一个 极为重要的步骤。 在实际应用中，可供选择的g p r sm o d e m 有很多，例如a s c e n da 6 0 i 、 精致科技的g p r sm o d e m 、n e t e a s yg p r sm o d e m 等，这些模块大都基于 西门子w a v e c o m s i m c o m 的g p r s 模块进行二