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基于g p r s 基站远程实时监控系统研究 摘要 基站是移动网络中最基础的单元。移动通信系统中的基站主要负责与无线有 关的各种功能，为移动台提供接入系统的接口，直接和移动台通过无线相连接。 系统中基站发生故障对整个移动网的影响是很大的。基站监控系统是维护和保护基 站内的各种动力设备、空调设备的有效措施之一，使基站能够正常的运行。随着移动通 信的迅猛发展、移动通信与本地网有线通信的体制分离，移动通信的运维力量薄弱和运 维工作量大的矛盾日益突出，并且移动基站和无线基站等一般具有如下特点：站点多且 分散；传输资源受限；基站的动力设备种类少、数量少；基站设备投资少：电力网情况 不很稳定；机房所处环境也比较恶劣，而且平时机房基本上都是无人值守。就金华移动 通信网络来说，目前在网基站数目有1 0 0 0 多个，原有干接点方式的监控系统只能实现 对基站各类告警状态的显示，无法提供具体的数据进行分析，使我们的维护工作时效性 和准确性得不到保证。 基于g p r s 的远程实时基站监控系统就是针对移动基站现状设计而成。本文首先分 析了目前我国基站监控系统的现状及采用基站监控系统的必要性。对现有几种通信方式 进行了研究对比。创造性的提出了一种基于g p r s 远程实时基站监控系统的设计方案。 该方案通过对移动通信基站的环境数据和电源、蓄电池状态等工作参数采集，并通过 g p r s 上传和i n t e r n e t 网上传给服务器；每个工作站可以根据相应帐号和密码通过 i n t e r n e t 网登陆到该服务器的相关网页，进行相关操作。基站监控器检测到数据超门限 值时立即上传告警信息给服务器，由服务器通知工作站。本文在系统阐述了系统运行机 理的同时，创造性的提出了一种先进的准周期信号采样的方法。 本文第一章对监控系统做了概述，对比较流行的通信方式进行了对比，得出了采用 g p r s 通信方式是比较经济实用的结论，并指出了基于g p r s 远程基站远程实时监控系统 研究的意义和难点，以及目前g p r s 监控系统的研究现状。 第二章主要对基于g p r s 的无线传输原理进行了阐述，介绍g p r s 通信的实现和基本 工作流程。 第三章首先介绍了基站内部的监控的主要对象和监控的总体实施方案，接着主要对 监控系统的各个硬件模块进行了分析说明，包括主控模块、g p r s 模块、丌关电源模块和 蓄电池监测模块，并对他们内部机理进行了详细的分析。 第四章对基站监控系统下位机软件总体流程和各模块流程进行了描述，重点说明了 通信部分软件的设计。 第五章介绍了一种新型的系统准周期信号采样方法，并对该方法进行了性能和误差 分析。 第六章对全文进行了总结，并对下一步工作提出建议。 关键词：g p r s ；监控；蓄电池监测；心跳包；准周期采样 r e s e a r c ho nr e m o t er e a l t i m eb a s es t a t l 0 n m o n i t o i u n gs y s t e mb a s e do ng p r s a bs t r a c t b a s es t a t i o n si st h em o s tb a s i cu n i ti nm o b i l en e t w o r k t h eb a s es t a t i o nm o n i t o r s y s t e r n i st h es y s t e mw h i c hi su s e df o re n h a n c i n gt h em a n a g e m e n to fc h i n am o b i l ec o m p a n y , i tc a n b eu s e da sam e t h o df o rp r o v i d i n gt h eq u a n t i t yo fn e t w o r ka n dm a k et h ea t t e n d a n tf i n dt h e p r o b l e mi nt i m e t h eb a s es t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi so n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st o s a f e g u a r da n dp r o t e c tv a r i o u sp o w e re q u i p m e n t sa n da i r - c o n d i t i o n i n g si ni n n e rb a s es t a t i o n , s o a st om a k eb a s es t a t i o n sr u ne f f e c t i v e l y w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，m a n yc o n t r a d i c t i o n sa r ed i s c o v e r e dr e c e n t l y , s u c h 嬲：s y s t e ms e p a r a t i o n b e t w e e nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dl o c a lc a b l ec o m m u n i c a t i o n ，w e a ko p e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nh e a v yw o r kl o a df o rm a i n t e n a n c e m o b i l eb a s es t a t i o n sa n dw i r e l e s sb a s e s t a t i o n s g e n e r a l l yh a v et h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r s ：d e c e n t r a l i z e dm u l t i s i t e s ，c o n s t r a i n e d r e s o u r c e s ，as m a l ln u m b e ro fp o w e re q u i p m e n to fb a s es t a t i o n ，l e s si n v e s t m e n tf o rs t a t i o n e q u i p m e n t s ，u n s t a b l ep o w e rg r i ds i t u a t i o n ，r a t h e rp o o re n v i r o n m e n to fm a c h i n er o o m ， m o r e o v e r , n ow o r k e r sa r r a n g e do nd u t yf o rm o s tt i m e o nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f o rj i n h u ac i t y , t h en u m b e ro fb a s es t a t i o n sc u r r e n t l yh a sm o r et h a n10 0 0o nt h en e t w o r k t h e o r i g i n a lw a yo ft h eb a s es t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，o n l ya c h i e v i n ga l lk i n d so fa l a r ms t a t u s d i s p l a y ，c a l ln o tp r o v i d es p e c i f i ca n a l y s i so ft h ed a t as ot h a tt h et i m e l i n e s sa n da c c u r a c yo fo u r w o r kc a nn o tb eg u a r a n t e e d r e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s es t a t i o nb a s e do ng p r si s d e s i g n e df o rt h e p r e s e n ts i t u a t i o no fm o b i l eb a s es t a t i o n s f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d t h en e c e s s i t yo fa n do u rn a t i o n a lm o b i l eb a s es t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h er e m o t er e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mi nb a s es t a t i o nb a s e do ng p r sw a sp r o p o s e d t h r o u g ht h ec o l l e c t i n g p a r a m e t e r so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o ne n v i r o n m e n t a ld a t aa n dp o w e rs u p p l y , b a t t e r ys t a t u s ，s y s t e mu p l o a d si tt ot h es e r v e ru s i n gg p r sa n di n t e m e t e a c hw o r k s t a t i o nc a n a c c e s st ot h er e l e v a n tp a g eo ft h es e r v e rt oc a r r yo u tt h er e l e v a n to p e r a t i o nu s i n gt h e c o r r e s p o n d i n g a c c o u n tn u m b e ra n dp a s s w o r d t h eb a s es t a t i o nm o n i t o r su p l o a da l a r m i n f o r m a t i o nt ot h es e r v e ri m m e d i a t e l yw h e nd e t e c t i n gt h ed a t ao u to ft h r e s h o l d ，a n dt h es e r v e r i n f o r m st h ew o r k s t a t i o na tt h es a m et i m e t h i sp a p e re x p o u n d ss y s t e mo p e r a t i o nm e c h a n i s m s y s t e m a t i c a l l y ，a n di n t r o d u c e saq u a s i p e r i o d i cs i g n a ls a m p l i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r , c h a p t e rid i da no v e r v i e wt h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dd r a w sc o n c l u s i o n s t h a t a d o p t i n gg p r sc o m m u n i c a t i o nm o d ew a sm o r e e c o n o m i c a la n de f f e c t i v ea f t e r c o m p a r i n gs e v e r a lc o m m u n i c a t i o nm o d e s ，a n dp o i n t e do u tt h a t t h er e m o t eb a s es t a t i o n g p r s b a s e dr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fr e m o t es i g n i f i c a n c ea n dd i f f i c u l t i e s c h a p t e ri im a i n l yd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fg p r sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，a n di n t r o d u c e d g p r sc o m m u n i c a t i o n si m p l e m e n t a t i o na n db a s i cw o r kf l o w c h a p t e ri i ii n t r o d u c e dt h em a i nm o n i t o r i n gt a r g e to ft h ei n n e rb a s es t a t i o nea n dt h e o v e r a l li m p l e m e n t a t i o np l a n t h e nt h ee v e r yh a r d w a r em o d u l e so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o lm o d u l e ，g p r sm o d u l e ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym o d u l ea n dt h e b a t t e r ym o n i t o r i n gm o d u l e s ，w e r ea n a l y z e d ，a n di t si n t e m a lm e c h a n i s mw a ss h o w e di nd e t a i l t h eb a s es t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r em a i nf l o wa n dt h em o d u l ef l o wa r e d e s c r i b e di nc h a p t e ri v , f o c u s i n go nt h es o f t w a r ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n sp a r t i nc h a p t e rv ，an e ws y s t e mo fq u a s i p e r i o d i cs i g n a ls a m p l i n gm e t h o dw a si n t r o d u c e d a n dt h em e t h o do fp e r f o r m a n c ea n de r r o ra n a l y s i sw a sp r e s e n t e d c h a p t e rv is u m m e du pt h ew o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n ，a n dm a d es o m es u g g e s t i o nf o r f u r t h e rw o r k k e y w o r d ： g p r s ；m o n i t o r i n g ；b a t t e r y - m o n i t o r i n g ；h e a r t b e a tp a c k e t s ； q u a s i p e r i o d i cs a m p l i n g i v 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明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 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担： 作者签名：李哟 学位论文使用授权声明 嗍许彩月争日 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅 和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范 大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学 位论文在解密后遵守此协议。 储躲奎鸫剥一 嗍：尸肛1 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究 指导教 1 1 研究的目的及意义 1 1 1 选题背景 第1 章引言 近几年来，随着移动通信业务的迅猛发展，移动通信基站的建设数量也与同俱增。 尤其是随着第三代移动通信网( 3 g ) 建设的即将启动，移动运营商对于降低基站综合成 本和运营维护成本的要求也更加迫切。随着移动通信不断发展及将来全业务发展的需 要，通信机房的数量急剧增加，对通信设备的维护管理和对基站的安防提出了越来越高 的要求。这些不断增加的通讯局站、不断提升的服务要求对运维队伍的人力资源和运维 效率提出了更高的要求，移动通信的运维力量薄弱和运维工作量大的矛盾同益突出。n 。3 1 为保证移动通信网的讵常运行，就必须保证通讯基站内通讯设备的安全、稳定、可 靠运行。随着网络规模的不断扩大，以人工巡检的方式对分布越来越广的基站进行监控， 已无法满足及时发现和处理基站故障的要求。“刊对通信系统中所有基站的配电设备、蓄 电池、空调等多种设备和环境进行计算机化的监视、控制和管理已经成为必然的需求。 7 1 移动通信技术最近几年得到了长足的发展，其用户数目的增长率也己经超越固定电 话的用户数目增长率。用户人数与日俱增带来了通话量的居i j 增，而通话质量以及网络运 营的优劣则决定于各基站的工作情况。所以及时了解各个基站的参数值及运行情况，就 具有重要的意义。这样才能够及时发现问题，对基站及网络进行及时的优化或故障处理， 以保证通信网络的良好运行，向用户提供高质量的通话保证。基站话务监控即是指利用 相应的技术手段对于各基站话务数据进行采集、分析、处理。系统设计的先进性在于实 现数据采集、转换及报警的自动化，基站管理的信息化、数字化、图形化。淘汰纸张， 提高工作效率和质量，降低运营成本。啊1 因此要求设计一个户外移动基站机房监控系统，可做到机房无人值守、远程监控， 给基站设备提供了一个稳定可靠的工作环境。汨删 第1 章引言 1 1 2 理论和实际意义 “十一五”期白j ，是我国为实现电信电子强国目标奠定坚实基础的关键时期，根 据中央规划精神，未来几年随着3 g 移动网络建设的即将启动，2 0 0 8 年奥运会的召丌， 我国移动电信建设将会得到更加迅猛的发展。据资料统计，至2 0 0 5 年木，我国电信用 户总数已达7 2 4 亿户，其中移动用户比例占5 2 3 ，固定电话用户比例为4 7 7 ，而且 移动用户的增长速度也远远大于固定电话用户，我国g s m 移动通信网络规模居世界首 位。另外，宽带接入业务和数据通信业务增势强劲。根据国家通信专家组对通信市场调 查研究表明，未来五年内通信行业对移动通信基站的需求量约在5 万台以上，这为户外 移动基站机房监控系统提供了广阔的市场空间。n 2 1 3 3 基站实时远程监控系统可以对机房内各种设备信息和机房环境信息进行采集，然后 统一发送到监控中心，便于实现对机房各种信息的统一管理，避免原有设备之间各自独 立不能有机结合的缺点。而且该系统还可以对采集到的信息进行分析处理，进行故障检 测，发现故障则及时报警，利于及时发现并排除故障。这样可以使机房做到无人值守、 远程监控在移动通信基站建设数量与同俱增的情况下既提高了维护效率又可以降低维 护成本。m 叫7 1 此外，基站实时远程监控系统不仅仅局限于在通信行业使用，其实时远程监控方案 在其他行业也可以广泛采用，有较为广阔的市场前景。 本课题既适应了无线通信和网络通信高速增长的需求，又缩短了我国在基站实时远 一 程监控领域与世界先进水平的差距：将来实现产品化之后以低于国外同类产品的价格进7 1 入市场竞争，为降低我国运营商成本做出贡献。n 砌 本论文针对目前基站监控存在的问题，充分利用i n t e m e t 技术、2 5 g 移动通讯网络 的发展，开发了基于g p r s 基站实时远程监控系统。该系统以单片机s t c 8 9 c 5 8 为核心， 采用g p r s 作为通信手段，可同时实现对基站交流电、直流电、温度、湿度、烟感、水 浸、火警、门禁等动力量和环境量的实时监控。该系统具有测量精度高、可靠性高和实 时性好的优点，将有很好的推广应用前景。 第l 章引言 1 2 无线监控系统在国内外发展现状 当前市场上做类似产品的有中兴通讯e g u a r d 集中监控解决方案和艾默生网络能源 公司的动力设备、机房环境及安全监控系统。 e g u a r d 集中监控解决方案采用分布式计算机控制系统结构，以多级监控中心自下 而上逐级汇接而成，每个级别的监控中心连接成一对多的监控系统网络。州叫系统结构 可分为监控中心、传输线路及现场监控单元。 监控中心主要功能为实时监控基站的动力设备及环境量，对基站、机房上报的各种 信息进行智能分析处理，实现告警联动。 现场监控单元，负责采集基站的动力设备及环境参量的数据并将数据定期上报监控 中心( 告警信息实时上报) ，同时接收并执行监控中心发送来的遥控命令。现场监控单 元可对高低压配电设备、油机、整流器、蓄电池、空调、环境参量进行监控，可以转换 智能油机、智能开关电源、智能空调等智能设备的监控协议，并对其他监控系统提供透 明传输接口。基站监控单元主要由各种监控模块及通讯设备组成。嘶呓1 艾默生网络能源开发的动力设备、机房环境及安全监控系统适用于对通信局站内各 种动力设备( 通信电源、电池、u p s 、油机、低压配电) 、空调设备及其环境( 门禁、 温度、湿度、烟感、水浸、红外、场景) 进行实时监控、统一管理，以保障电信系统正 常运行。池1 1 2 1 监控系统的功能结构 根据通信局( 站) 电源空调及环境集中监控管理系统【y d t 1 3 6 3 2 0 0 5 】中的规 定，集中监控管理系统的功能即是对监控范围内分布的各个独立的监控对象进行遥测、 遥信，实时监视系统和设备的运行状态，记录和处理相关数据，及时侦测故障，并做必 要的遥控操作，适时通知人员处理，按照上级监控系统或网管中心的要求提供相应的数 据和报表，从而实现通信局( 站) 的少人或无人值守，以及电源、空调的集中监控维护管 理，提高供电系统的可靠性和通信设备的安全性。“3 1 现场监控单元是监控网络中最基本的元素，它负责监控对象的各种信息的采集和上 级控制命令的下达。接收来自监控对象和智能设备的监测数据和告警信息经过处理和综 合后，按系统通信协议的要求向区域监控中心传送数据；接收来自各级监控中心的命令， 以便各级监控中心实施对这些局站的监控。口们 第l 章引言 区域监控中一1 1 , 通过通信网络收集、处理下属各通信基站监控单元送来的信息将处理 后的信息上送监控中一t l , ，同时监控所属区域基站动力设备的运行情况。 监控中心是本地网动力坏境系统的最高级，作为整个系统的神经中枢，它不仅直接 监控处理整个本地动力设备的运行，而且还要对监控数据做大量的统计、分析和管理工 作，为决策提供依据。 根据各地实际情况( 维护组织设置、通信网规模和结构) 的不同，动力环境监控系 统的结构有所不同，可采用二级、三级或多级结构。 1 2 。2 数据传输方式 现场监控单元与区域监控中一i i , ，区域监控中心与监控中心之间是通过通信网络连接 的。电信系统为监控系统的组网连接提供的网络资源有很多，可以利用各种资源混合组 网。 ( 1 ) 干接点方式 工作原理是由基站前端的数据采集器( 动力与环境监控器) 将采集到的数据转变成 开关量，然后通过b t s 的外部告警通过一告警d f 架，即所谓的干接点方式把这些监控 到的状态上送到交换中心协1 。其优点是：利用现有网络的辅助通道，无需占有传输线路 资源，实现起来简单，投入少，可在简易干接点的基础上任意扩展，平滑升级。缺点是 告警只为“单工 方式，即只有告警遥信功能，不具备遥测、遥控和遥调功能；由于不 能得到被监控设备的实时数据，因此对告警只能进行定性分析而不能定量分析，即无法 对b t s 设备的运行进行故障分析、故障诊断和趋势分析等各种工作。 ( 2 ) 公用交换电话网( p s t n ) 其特点是价格低廉，组网方便，节约用户资源。它需要机房具备r s 2 3 2 接口或者 p s t n 线路，一般采用直线m o d e m 、拨号m o d e m 等方式，在监控中心采用多个 m o d e m 或者多串1 3 卡，最高传输速率2 8 8 k b p s 汹3 。采用这种监控方式的监控中，1 1 , 成 本不高，但是数据的采集处理速度相对较慢。 ( 3 ) 2 m 抽取时隙 e 1 中继线路上传输2 m b i t s 的码流，有信道e 1 和非信道e 1 两种资源，信道e 1 分 3 2 个时隙，每个时隙的带宽为6 4 k b i t s 。在动力环境监控系统中，可利用e 1 线路上的 空闲时隙，采用时隙提取设备提供的接口，直接将r s 2 3 2 形式的监控信息插入e 线路。 4 第l 章引言 该方式充分移动网络现有的传输资源，传输速率高，时延小，可以保证实时传送监控数 据，及时反映被监控设备的运行状况和环境信息。但是需要增加抽取时隙的设备，在区 域监控中心通过交换机做半永久连接，对没有时隙收敛功能的移动设备，在b s c 或者 o m c 需要增加交叉连接设备，因此此种方式造价高，而且占有基站传输资源。对组成 监控系统任何一个环节设备的要求均较高，否则会影响b t s 的正常工作，并且网架结 构相对比较复杂，维护量大。 ( 4 ) e 1 方式 该方式将整个2 m 线路作为传输通道。2 m b i t s 传输具有传输稳定性好、响应速度快 的特点，但仍然占用了基站的传输资源。嘲1 ( 5 ) 短信方式 该方式通过在前端数据采集器中增加短信模块，将监控数据以短信方式上传到监控 中心，在监控中心安装类似集中监控的管理软件，实现日常的用户管理、设备管理、告 警管理、规则管理以及值班管理，实现动力量和环境量的监控，可实现智能门禁功能， 也可以对基站的智能设备( 开关电源、微波设备等) 进行监控。但是，短消息传送时间 不确定，可以从几十、几百秒不等，甚至有可能发生短信丢失现象，实时性不好，而且 短信最大只能传送6 0 个字符，对监控信息的长度有严格的要求，不适合大数据量的监 控需求。 ( 6 ) g p r s 方式 通用分组无线系统( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ，g p r s ) 是在现有的g s m 系统上 发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与g s m 系统最根本的区别是，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，因此，g p r s 特别适用于间断的、 突发性的或频繁的少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 具有“实时 在线”、“按量计费”、“快捷登录 、“高速传输”、“自如切换”等优点，由于采用的是分 组交换技术，数据传输速率最高理论值能达1 7 1 2 k b s ，啪i g p r s 方式还可以利用t c p i p 协议。所以，g p r s 方式特别适合一点对多点、多点对多点、突发性大流量数据的监控， j 下在成为监控领域的宠儿。 第l 章引言 1 3 本课题所研究的主要内容 1 3 1 数据采集系统设计 系统设计时优化设计信号处理电路，保证数据采集的精度。同时，由于基站可能会 架设在边远无人地区，环境恶劣，对采集系统的环境适应能力、抗干扰及可靠性上提出 了苛刻的要求。因此在设计采集系统时，在保证高精度数据采集的自 提下，需提高系统 的抗干扰能力。 具体而言包括以下这些功能： 为保障设备j 下常运行，要求对机房动力设备数据、空调系统数据以及环境数据进 行采集； 对直流风机、百叶窗、门锁、照明进行控制； 与监控中心进行通信； 故障检测及报警； 机房门控； 机房温度控制； 空调切换 1 3 2 蓄电池在线监测系统的研究 针对基站内部蓄电池组难以检测的现状，研究了蓄电池工作原理，设计了一种在线 检测蓄电池状态的方法，可以判断蓄电池组状态的好坏。 1 3 3 监测系统下位机软件设计 介绍了监测系统下位机软件设计总体流程，重点介绍了通信方面软件的设计方案。 1 3 4 准周期信号采样的研究 对一些设备的机箱振动频率进行采样，对准周期信号的采样进行分析研究，提出一 种准周期信号采样的新方法。并分析结果及其误差。 6 第2 章基于g p r s 的无线传输原理 2 1g p r s 网络概述 g p r s 是“通用分组无线业务”英文的缩写，它在现有的g s m 网络基础上发展起 来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 以分组交换技术为基础，支持x 2 5 协议和i p 数据网络协议，提供了直接、无缝的i n t e r n e t 网连接。g p r s 能根据用户需求灵活地动 态分配无线资源，从而实现多用户共享，更有效的利用无线网络信道资源。同时计费也 由按时方式改为按数据的流量来计费。叫 利用g p r s 用户可以在移动状态下使用各种高速数据业务，如e m a i l ，w e b 浏览等 业务功能。对于g s m 网现有电路交换数据业务( c s d ) 和短消息业务( s m s ) 来说，g p r s 是一种补充而不是替代。g p r s 有如下特点：o ”1 ( 1 ) 永远在线：只要激活g p r s 应用后，客户随时都与网络保持联系，即使没有 数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接。 ( 2 ) 高速传输：由于g p r s 采取了先进的分组交换方式，数据传输最高理论值可 达1 7 1 2 k b s 。 ( 3 ) 按量计费：g p r s 上网时，是以数据传输量束计费，而不是以传送的时间计 费，没有传输数据信息时，即使实时在线也不收费。 在我国，g s m g p r s 网络信号覆盖范围最广。 2 2 基于g p r s 的网络结构 g p r s 网络是在现有的g s m 网络中增加网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r t i n gn o d e ) 和服务支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 来实现的，其 系统结构如图2 1 所示笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上，g p r s 蜂窝电话与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 7 第2 章基g p r s 的无线传输原理 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。来自因特网标识有移动终端地址的i p 7 包， 由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到移动终端上。澎1 f 移 图2 1g p r s 系统结构 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与移动交换中心( m s c ) 处于网络体系 的同一层。s g s n 通过帧中继与基站收发单元( b t s ) 相连，是g s m 网络结构与移动 之间的接口。s g s n 的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和 g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收，并进行计费和业务统计。 g g s n 通过基于i p 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 组交换网的网关。g g s n 主要是起网关的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如 i s d n 和l a n 等。也有将g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 接收移动台发送的数据， 选路到相应的外部网络，或接收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通 道，传给相应的s g s n 。此外，g g s n 还有地址分配和计费等功能。呻门剐 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。b s c 需要增加新硬件p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i t ，分组控制单元) 来作为封包数据资源管理。g p r s 系统共用g s m 基站，但基站需要进行软件更新，用 户想使用g p r s 也需要更换新的g p r s 移动台。g p r s 要增加新的移动性管理程序，通 过路由器实现g p r s 骨干网互联。 g p r s 接入接口和参考点如图2 2 所示。 8 第2 章基y - g p r s 的无线传输原理 图2 2g p r s 接入接口和参考点 每一个g p r sp l m n 均有两个接入点，其中u m 用于移动台的接入，r 参考点用于 消息的发起和接收。这罩移动台由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，移动台也可由一个移动终端( m t ) 组成。参考点与接口的差别在于：在 接口上，要交换特定的g p r s 信息，并且需完全地知道信息格式。8 蚓两个g p r s 之间的 接v i 为g p ，它将两个独立的g p r s 网络连接起来进行消息交换。g p r s 与固定网络的参 考点称为g i 。也可以由一个g p r s 网络接口与几个不同的分组数据网络或其他网络相 连。这些网络可以属于不同的运营商，也可以是不同的通信协议，例如x 2 5 、t c p i p 等等。 2 3 基于g p r s 的无线数据传输 g p r s 网络由移动运营服务商实现了与i n t e r n e t 网络的互连互通，因此g p r s 网络 可以看成是一个已经接入了i n t e m e t 网络的局域网。嵌入式环境监测仪器成功连接上 g p r s 网络之后，就相当于此局域网中的一台主机，它既可以与此局域网中的其它主机 进行通信，也可以与i n t e r n e t 网络中的其它主机进行通信。1 2 3 1g p r s 无线通信实现原理 ( 1 ) 终端部分 终端部分必须要有g p r s 通信模块，要接入i n t e r n e t 必须要有t c p i p 协议支持。 t c p i p 协议体系如图所示。g p r s 通信模块可从专业移动设备厂家获得。t c p i p 协议 可以利用嵌入式操作系统中的t c p i p 协议栈来实现，可以支持t c p 、u d p 、h t t p 、f t p 、 s m t p 等各种协议。啪3 9 第2 章基j ：g p r s 的无线传输原理 厂应甫f ；传输层j 网络层 链路层 t e l n e tf t pd n ss m t p 等 t c pu d p i pi c m pg m p 设备驱动程序及接口卡 图2 3t c p i p 协议体系 终端部分的软硬件具备后，还需要移动运营服务商提供g p r s 服务，运营服务商可以提 供终端动态i p 或静态i p ( 静态i p 运行费用稍高) 的方式接入i n t e m e t 网络。 ( 2 ) 服务器部分 服务器部分可以是单机，也可以是局域网，看规模而定，后台必须要有一台计算机 接入i n t e m e t 网络，需要i s p 服务商提供接入服务，接入i n t e m e t 的计算机称为数据中转 服务器。数据中转服务器必须具有公网i p ，成为i n t e m e t 网络上的一台合法主机。 ( 3 ) 通信原理 t c p i p 协议通信需要两个基本条件：i p 地址和协议端口( 端口是一个虚拟端口，其 值为0 - - 6 5 5 3 5 ，h t t p 使用了8 0 端口、邱使用了2 5 端口等，1 0 2 4 以上的端口都可供应 用程序使用) 。环境监测仪器和数据中转服务器通过i s p 服务商进入i n t e m e t 网络以后， 都具有静态或动态的i p 地址，所以只需要使用一个没被其他协议使用的协议端口，通 过t c p i ps o c k e t 建立虚拟的通信逻辑通道，即可实现数据通信，应用层的协议需要自己 制订。 通信的过程是客户端( 环境监测仪器) 先建立客户端s o c k e t ，然后向服务端( 客户端必 须知道该服务端的i p 和使用的协议端口) 发出链路连接请求，服务端随时处于监听状态 ( 一般使用多线程方式) ，当监听到客户的连接请求后，建立通信链路，通信链路建立后 就可任意交换数据了。 2 3 。2g p r s 基本工作流程 下面具体说明g p r s 用户如何接入g p r s 网络以及如何利用g p r s 网络访问 i n t e m e t 、i n t r a n e t 等外部数据网。在g p r s 用户使用g p r s 业务之前，它首先要通过g p r s 注册连接a t t a c h 过程将自己的信息登记在s g s n 中，注册过程结束后，s g s n 建立了移 动台的信息，并对移动台进行移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如 l o 第2 章基丁g p r s 的无线传输原理 果要访问外部数据网，需要发起p d pc o n t e x t 激活过程，通过此过程使移动台到g g s n 建立一条逻辑通路，从而可以访问外部数据网。 g p r s 的注册连接( a t t a c h ) 过程如下： 当g p r s 模块上电时，它将监听无线信道，接收系统信息，然后在系统信息指出的 控制信道上发送接入请求，系统将分配无线信道给g p r s 模块，g p r s 模块将在系统分 配的无线信道上向s g s n 发送注册连接请求。下面以一种最简单注册连接过程举例说 明。 。 移动台向s g s n 发送一个注册连接请求来启动注册过程； s g s n 向移动台发送一个标识请求信息，请求的标识类型为移动台的i m s i ( 国际移动 用户识别码) ； 。移动台以一个标识响应消息将它的i m s i 告知s g s n ； 。s g s n 用取得的i m s i 到h l r 中请求认证三码组( a u t h e n t i c a t i o nt r i p l e t s ) ，并对移动台 进行鉴权； 。 移动台的认证通过后，s g s n 向h l r 发送位置更新消息； 。h l r 发送一条插入用户数据消息给s g s n ，消息包括移动台的g p r s 预定数据； 。s g s n 根据移动台的g p r s 预定数据决定是否允许移动台在当前路由区内注册连接， 如允许，s g s n 将向h l r 返回一条插入用户数据确认信息； 。h l r 向s g s n 返回一条位置更新确认消息； 。 移动台注册成功后，要想访问外部数据网，还需发起分组数据协议环境( p d p c o n t e x t ) 激活过程： 下面讲述一下分组数据协议环境激活过程。 当用户想访问移动公司的i m e m e t 时，在g p r s 终端上输入访问点名，则可触发分 组数据协议环境激活过程。移动终端向s g s n 发送激活分组数据协议环境请求消息，消 息中带有如下信息：访问点名；p d p 地址为空，标识请求动态地址分配；服务质量和其 它选项。 s g s n 请求d n s 对a p n 进行解析，得到a p n 对应的g g s n 的i p 地址。 s g s n 向g g s n 发送建立分组数据协议环境请求消息，消息中带有如下信息：访问 点名；p d p 地址为空，标识请求动态地址分配；服务质量和其它选项。g g s n 对该用户 进行认证，认证通过以后使用r a d i u s 服务器、d h c p 服务器或直接由g g s n 为该用 第2 章基丁g p r s 的无线传输原理 户分配动念i p 地址。g g s n 向s g s n 返回建立分组数据协议环境响应消息。 s g s n 向移动终端发送激活分组数据协议环境响应消息。到此，