（模式识别与智能系统专业论文）基于gprs的远程监控系统的研究.pdf

j + 吒 l ”h 。 yh犍覃 。以，j o 0rh&k； 声明尸明 删p l i l li i i l | y 1 7 8 5 8 岑百。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g p r s 的远程监控系统的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔幺王忽 日 期：羔翌三! 皇：塑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：越鲤盏 e t 期迎善垒为 导师签名： 日期： 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 远程监控在工业控制领域中有着十分重要的意义，在许多工业场合，需要对一 些分散的、无人值守的现场数据进行定时采集，同时发送简单的控制命令。为了使 远距离监控实现更灵活方便，本课题设计了远程g p r s 监控系统。 本设计介绍了g p r s 移动通信系统，论述了g p r s 无线数据传输系统的组成及系 统实现的功能，完成了g p r s 数据终端单元的硬件电路设计及各功能模块的调试， 对g p r s 模块m c 3 9 i 的g p r s 网络登录过程和t c p 连接过程进行了详细地分析，并且 结合终端系统的实际需求，编写了基于g p r s 网络主站软件。通过主站软件对终端 系统实现的功能进行了测试，测试结果表明：系统实现了上位机与现场终端通过 g p r s 网络的交互，能够进行数据传输。 关键词：通用分组无线业务，m c 3 9 i ，a t m e g a l 2 8 ，p p p 协议，t c p i p 协议 a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d i nm a n y i n d u s t r i a lf i e l d ，f i e l dd a t ao nd i s p e r s i v eo ru n w a t c h e do c c a s i o nn e e dt ob eo b t a i n e da tr e g u l a r i n t e r v a l sa n ds i m p l ec o n t r o lc o m m a n d sa r e s e n t i no r d e rt om a k ei tm o r ef l e x i b l ea n d c o n v e n i e n t ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s t h et h e s i si n t r o d u c e dt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ng p r s ，d i s c u s s e dt h e s t r u c t u r eo ft h eg p r sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e ma n df u n c t i o n ，d e s i g n e dd a t at e r m i n a t i o nu n i t b a s e do ng p r s ，d e b u g g e dt h ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n a l y z e dt h ep r o c e s so ft c pc o n n e c t i o n d e t a i l e da n dt h ep r o c e s so fl o g g i n gi ng p r sn e t w o r kt h r o u g hm c 3 9 i ，a n dt h e na c c o r d i n gt o t h ea c t u a ld e m a n do ft h et e r m i n a ls y s t e m ，c o m p i l e dt h es o f t w a r eo f m a i nw e b s i t eb a s eo n g p r sn e t w o r ka n dt e s tt h es y s t e mt h r o u g ht h es o f t w a r e 1 1 1 er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e m c a nr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no ft h es u p e r v i s o r yc o m p u t e rw i t ht h et e r m i n a ls y s t e mb yt h e g p r sn e t w o r k a n dt h et r a n s m i s s i o no ft h et e a lt i m ed a t a z h a oh o n g l i a n g ( p a t t e mr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n c es y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f l i ny o n g j u n k e y w o r d s ：g p r s ，m c 3 9 i ，a t m e g a l 2 8 ，p p p t c p i p 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 国内外发展现状1 1 3 课题研究的主要内容和途径2 第二章g p r s 通信技术4 2 1g p r s 概述：4 2 1 1g p r s 的产生和发展4 2 1 2g p r s 的特点和优势5 2 2g p r s 的组成和相关接口6 2 3g p r s 网络工作原理8 2 3 1g p r s 网络传输平台8 2 3 2g p r s 信令平台1 0 2 4 本章小结1 0 第三章基于g p r s 的数据传输协议1 l 3 1t c p i p 协议1 1 3 2i p 协议1 3 3 3t c p 协议1 4 3 3 1t c p 数据报头1 4 3 3 2 连接管理1 5 3 4u d p 协议1 6 3 4 1u d p 协议功能1 6 3 4 2u d p 报文格式1 7 3 5p p p 协议1 7 3 5 1p p p 协议概述1 7 3 5 2p p p 的帧格式1 8 3 6 本章小结1 8 第四章系统的硬件实现1 9 4 1 系统功能描述1 9 4 2 系统终端单元组成2 0 4 3 系统主要器件介绍2 1 4 3 1a t m e g a l 2 8 微控制器2 1 4 3 1 1a t m e g a l 2 8 微控制器主要性能2 1 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 1 2a t m e g a l 2 8 引脚配置2 3 4 3 2g p r s 核心模块m c 3 9 i 2 4 4 4 系统硬件电路设计2 7 4 4 1r s - 2 3 2 通信电路2 7 4 4 2m c 3 9 i 外围接口电路设计2 8 4 5 本章小结3 0 第五章g p r s 数据终端软件设计3 1 5 1 系统软件的总体结构和思路3 1 5 2a t 指令集概述3 1 5 3g p r s 终端各功能模块的设计3 2 5 3 1g p r s 模块m c 3 9 i 上电初始化3 2 5 3 2g p r s 的i n t e r n e t 接入3 3 5 4 通过t c p 协议实现数据传输4 0 5 5 终端功能模式j 4 1 5 6 设计中遇到的问题及措施4 2 5 7 本章小结4 4 第六章基于g p r s 网络主站软件设计4 5 6 1g p r s 远程监控系统的通信原理4 5 6 2 服务器通信软件介绍4 5 6 2 1 软件的开发环境4 5 6 2 2w i n d o w ss o c k e t 编程技术4 5 6 3 主站通信的总体设计4 7 6 4 通过s o c k e t 实现网络通信4 8 6 4 1 服务器端s o c k e t 的操作4 9 6 4 2 客户端s o c k e t 的操作5 0 6 4 3 数据通信的实现5 0 6 4 4 系统测试5 1 6 5 本章小结5 2 第七章总结与展望5 3 7 1 总结5 3 7 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢一5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 i i l i l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 远程监控系统是指在远离被控对象的情况下，能够及时获知被控对象的工作状 况，必要时发出指令对其进行遥控的系统。远程监控系统的用途十分广泛，在交通、 电力、工农业、水利、环保、建筑等行业已有大量的应用。尤其是在现代工业企业 的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管 理和自动控制“1 。远程监控系统的出现，使工作人员不需要到达现场，只要坐在监 控中心就能够掌握全局，及时得到被控对象的详细情况，迅速做出决策并有效地执 行，大大提高了工作效率，节省了人力物力，也提高了系统对突发事件的应变能力， 将是各行业监控系统的发展趋势。 当前在远程监控系统中，集移动通信和i p 技术于一身的g p r s 数据业务备受广 大用户亲赖。尤其是随着现代工业和科学技术的不断发展，强大的i n t e r n e t 和日 趋成熟的无线数据通信技术使得工业控制网络得到了广泛地延伸，基于g p r s 的远 程监控系统得到越来越广泛地应用。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文缩写，是 在目前现有的g s m 数字移动通信系统上发展起来的一项新型的数据承载业务，它将 移动通信技术和i p 技术有机结合，组成了移动i p 网络；可与高速发展的固定i p 网实现无缝连接，为移动用户以分组交换的形式提供数据、语音、图像等多媒体业 务。g p r s 数据传输率高，实时性强；数据采用网络方式传输，稳定可靠，且可实现 跨地域传送；数据按流量或者采用包月形式收费，费用低；同时利用了现有的g s m 基站系统，不需组建自己的网络，大大节省了组网成本。因此，进行基于g p r s 的 远程监控系统研究具有十分重要的现实意义。 1 2 国内外发展现状 基于g p r s 的远程监控系统在国外企业中应用很早，技术己经相当成熟，典型 的例子是日立电梯设在广州中信大厦的监控中心可以实时监控广州、上海、日本、 美国一些日立新型电梯的运行状态。在发生紧急情况时监控中心可以进行远程控 制，从而减少紧急事件带来的损失。这个监控系统涉及有线和无线的网络控制技术， 可以说是两者的完美结合。 近年来，国内在基于g p r s 的远程监控领域进行了大量的理论及应用开发研究， 取得了长足的进步。一些高等院校和科研院所通过与企业进行联合攻关，正逐渐将 华北电力大学硕士学位论文 基于g p r s 的远程监控技术应用于各行各业，已取得了许多成果，遍及国民经济的 很多领域。基于g p r s 网络的无线监控系统已广泛用于遥控、遥测、工业数据采集 系统、防盗报警、交通运输监控管理、广告信息发布等工业领域和智能家庭仪器等 民用产品。其典型应用有心1 ： ( 1 ) 煤气、天然气、石油、电力等能源系统设备以及网络的远程监控发电机组， 变电站，供电所的远程监控。 ( 2 ) 对人体有害的环境下的远程监控：化工厂周围的空气质量的远程监控，噪 声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监控点的资 料上传。 ( 3 ) 水库大坝、水闸、供水系统的远程监控：河流、湖泊的水位变化，水流量 状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质的变化对供水系统和人们的生 活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。 ( 4 ) 各种信息查询系统：交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查 询。 ( 5 ) 车辆状态远程监控：如车辆位置、时间，运动方向、速度的监控，远程控 制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监控等。 ( 6 ) 自动化工厂生产过程，机器和设备的远程控制：在自动化生产线上，一般由 可编程逻辑控制器控制，可对之进行远程监控。关键的机器和设备事关产品的质量 和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，越限报警。 综上所述，远程监控系统应用的行业众多，随着g p r s 网络的进一步完善和发 展，基于g p r s 的远程监控系统的应用也必将越来越广泛。 1 3 课题研究的主要内容和途径 本课题主要研究基于g p r s 的远程监控系统的开发。对于由监控中心、通信系 统和现场监控模块为主组成的远程监控系统来说，采用g p r s 技术后，监控中心只 需使用标准的组网技术接入i n t e r n e t 即可，软件开发使用标准的s o c k e t 接口。g p r s 的通信系统由运营商组建维护，作为用户也不需要关心。现场监控模块在硬件上要 通过串口连接g p r s 无线模块，至少要实现p p p 、i p 、t c p 等几种协议。这是整个系 统开发的一个难点。此外，基于g p r s 的远程监控系统所应用的行业众多，其功能 和结构也各异，根据实际情况的不同，所采用的设备和技术都有较大差异，其中通 信是一个关键技术，它的性能、传输速率和可靠性直接影响整个系统的运行效率。 因此，通信方式的选择也是系统设计中的一个重要内容。归纳起来，本文所涉及的 主要内容如下： 2 t ， j 叠飞0；， 华北电力大学硕士学位论文 第一章：论述了无线远程监控系统的研究背景和研究现状，阐述了本课题研究 的意义： 第二章：阐述了g p r s 的产生和发展以及g p r s 的特点和优势，并对g p r s 的基 本知识简单的进行了介绍，有助于课题的快速掌握： 第三章t 详细介绍了实现g p r s 无线数据传输用到的协议，主要包括t c p 、u d p 、 i p 和p p p 协议，详细分析了它们的功能及报文格式： 第四章：介绍了g p r s 无线数据传输系统的组成，对g p r s 终端单元用到的主要 器件作了详细介绍，并设计了g p r s 数据终端单元的硬件电路，详细介绍了各主要 功能模块的设计。 第五章：介绍了g p r s 数据终端软件的设计，包括g p r s 模块的初始化过程，以 及g p r s 模块通过p p p 协议实现接入i n t e r n e t 的过程； 第六章：介绍了基于g p r s 网络通信的主站系统的设计及实现。中心站的核心 是p c 机，软件使用v c + + 6 0 编写，主要完成数据的接收、指令的发送和数据的显 示，接着对整个系统进行软件和硬件上的测试。 第七章：总结与展望。 3 华北电力大学硕士学位论文 2 1g p r s 概述 第二章g p r s 通信技术 g p r s 是通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e m i t e ) 的英文简称，g p r s 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 t c 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。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 a c t 浏览等。g p r s 技术以最高1 6 0 k b p s 左右的速度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( 或采用包月形式) ，迅速降低 了服务成本。 2 1 1g p r s 的产生和发展 蜂窝移动通信自2 0 世纪8 0 年代大规模投入使用以来，经过多年的发展，己呈 现出日趋繁荣的局面。移动通信业务至今为止仍是传统的语音通信占主导地位。但 随着用户量和业务量的激增，运营商之间竞争将加剧，单一的语音业务的收益增长 空间已经越来越有限，发展移动数据业务就成了移动通信运营商的战略发展方向。 随着i n t c r n e t 的发展，人们看到了数据通信的巨大潜力，移动与数据的结合已 经成为移动通信发展的趋势。g p r s 技术的出现，加快了移动通信承载数据业务方 面的发展，移动数据通信开始进入了快速发展阶段。 现在，第二代移动通信( g s m ) 技术已经成熟，并得到了广泛的应用，但是人们 对高速移动数据的需求也随之与日俱增。人们希望在移动状态下，通过便携式计算 机或移动手机也能进行数据通信和接入因特网，这就形成了当前移动通信网发展的 新趋势。具有宽带数据通信和多媒体通信能力是第三代移动通信的主要特征，这就 要求网络必须能够提供快速分组交换能力。除此之外，人们最关注的问题当然是第 二代移动通信网络如何接近到第三代。在第二代移动通信网络中，9 0 以上的业务 都是语音及其增值业务，而第三代技术则为综合媒体通信而设计，语音业务为其子 业务。如此巨大的反差应考虑两代网络之间如何平滑过渡，权衡再三的结论是：通 4 l t i j 华北电力大学硕士学位论文 过技术的平滑过渡，而不是用第三代技术直接另起炉灶。基于g s m 系统提出的 g p r s 方案，是迎合平滑过渡策略的最主要的方案。 目前，g s m 技术的成熟和3 g 技术还未普遍应用，这给了g p r s 充分发展的空 间。g p r s 的现状已经非常成熟，全世界己有近百个运营商开通了g p r s 商用系统。 国内运营商也不甘落后，加大运营投入，积极构建g p r s 通信系统，并且提供包月 等优惠措施，为用户降低成本。因此，g p r s 业务在国内己经得到了广泛的应用。 2 1 26 p r s 的特点和优势 通用分组无线业务( g p r s ) 使得用户能够在端到端分组传送模式下发送和接收 数据。由于无线资源采用动态分配方式，一个用户可以分配多个时隙，一个时隙也 可由多个m s ( 移动台) 共享，用户虽然与网络一直连接，但仅当有数据传送时才占 用无线信道资源。与原有的电路型业务相比较，用户使用g p r s 业务将具有链接时 间短、数据传送速率高、费用低等特点，而对于运营商来说，提供一定规模的数据 业务服务，将会在无线资源利用率上有一定的提高，但同时在网络设施建设上需做 大量的调整。g p r s 具体特点如下【2 】： 1 ) 在核心网络中引入g p r s 支持节点( g s n ) ：网关支持节点( g g s n ) 和服务支持 节点( s g s n ) 。s g s n 和g g s n 采用分组交换平台方式，定义了基于t c p i p 的 g t p ( g p r s 隧道协议) 方式来承载高层数据。s g s n 与m s c ( 移动业务交换中心) 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 通过帧中继连接到基站系统。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； 2 ) 通过g g s n 实现了与标准i n t e m e t 的无缝连接，在g g s n 可实现与外部i p 网络的透明与非透明的连接，支持特定的点对点和点对多点服务，以实现一些特殊 应用。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； 3 ) 以灵活的方式与g s m 语音业务共享无线与网络资源( 如g s 接口) ，采用了灵 活的策略，实现数据与话音业务共存； 4 ) 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l 到8 个无线接口时隙。时隙能为用户所共享，且上行和下行链路的分配是独立的； 5 ) g p r s 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 个用户) 。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 i 、c s 2 、c s 3 和 c s 4 四种编码方案； 6 ) 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 卡来访问g p r s 业务，不管这个s i m 卡是否具备g p r s 功能； 5 华北电力大学硕士学位论文 7 ) 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t 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 ( 公用陆地移动网络) 对外部数据协议解释的需求， 而且易于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； 8 ) g p r s 的资源利用率高。它引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路 交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下 显得尤为重要。在对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才古用资源， 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 2 2g p r s 的组成和相关接口 g p r s 网是在g s m 网的基础上增加以下功能实体构成的：服务g p r s 支持节 点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点( g g s n ) ；g l 点对多点服务中一i 二, ( p t m s c ) 。系统共用 g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的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 s m 网络系统要进行软件 更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令等。g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 1 所示。 信令接口 信令和数据传送接口 图2 1g p r s 骨干网的逻辑结构 g p r s 的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组业 务。g p r s 网络分成两部分，即无线接入部分和核心网络部分。无线接入部分在移 动台与基站子系统( b s s ) 之间传输数据，核心网络部分在b s s 和标准通信网络边缘 路由器之间中继传递数据。s g s n 是服务g p r s 支持节点，主要是记录用户移动台 6 ： j 曩 f j 华北电力大学硕士学位论文 当前是否登录g p r s 和当前位置，并且s g s n 将数据封装成传输协议，发给g g s n 。 g g s n 是网关g p r s 支持节点，主要是起网关和路由作用，它把g s m 网络中的 g p r s 分组数据包进行协议转换，传送到远端的t c p i p 或x 2 5 协议网络。 g p r s 网络中存在很多接口及参考点【2 1 【2 1 】1 2 3 1 ，接口与参考点的区别是：接口是 开放的，需要所有设备生产厂商都保持一致，且支持不同设备的互连；而参考点不 是标准的接口，g p r s 没有定义参考点的规范。 i ) r 参考点 r 参考点是设备终端( t e ) 和移动终端( m t ) 之间的接口参考点。该点将设备和移 动台相连。 2 ) u r n 接口 u m 接口为b s s 与m t 之间的无线接口，它的r f ( 射频) 部分和g s m 相同，但 逻辑信道增加了p d c h ( 分组数据信道) ，并采用了4 种新的编码方式：c s i 、c s 2 、 c s 3 、c s 4 ，并能支持多时隙传送方式，最多可支持8 个时隙。 3 ) g b 接口 g b 接口为s g s n 和b s s 之间的接口，该接口支持用户数据传输和信令传输。 它基于帧中继网络，提供流量控制，支持移动性管理和会话管理。 4 ) c n 接口 g n 接口是同一p l m n 中的两个g s n 之间的接口，它支持用户数据和信令传输， 支持移动性管理，在基于i p 的骨干网中，g n 以及g p 接口使用g p r s 隧道传输协 议( o t p ) 。 5 ) o p 接口 o p 接口是不同p l m n 中的两个g s n 之间的接口，o p 接口的功能基本上和g n 接口一样，此外，它还提供边界网关( b g ) 、防火墙以及不同p l m n 之间的互连功能。 6 ) g r 接口 o r 接口是s g s n 与h l r 之间的接口。g r 接口为s g s n 提供了接入h l r 并获 得用户管理数据和位置信息的接口。它们之间通过m a p 信令交换信息。 7 ) g s 接口 g s 接口是s g s n 与m s c v l r 之间的接口，它是一个可选接口，但对于a 类 移动台，则必须有此接口。它用来支持s g s n 和m s c v l r 配合工作的，使s g s n 可以向m s c v l r 发送位置信息，以实现联合移动性管理( 联合附着、分离、位置更 新等) 的功能，并且可以接收来自m s c v l r 的寻呼消息，因此可以提高无线资源的 使用效率。该接口采用b s s m a p + 协议。 8 ) g o 接口 g c 接口为g g s n 和h l r 之间的接口，它是一个可选接口。只有通过该接口， g g s n 才能从h l r 中获得m s 的位置信息，也就能完成网络发起的p d p 上下文激 7 华北电力大学硕士学位论文 活。 9 ) g i 参考点 g i 参考点是( 3 g s n 与外部分组数据网络之间的接口参考点。由于g p r s 可以 支持各种数据网络，因此g i 参考点不是标准接口，只是一个参考点。 1 0 ) g f 接口 g f 接口是s g s n 与e i r 之间的接口，它用于鉴权m s 的i m e i ( 国际移动身份识 别) 信息。 1 1 ) g d 接口 g d 接口是s g s n 与s m s g m s c ( 短消息业务网关移动交换中心) ，及 s m s i w m s c ( 短消息业务互联移动交换中心) 之间的接1 ：3 。通过该接口可以使s g s n 发 送短消息，以提高s m s 的使用效率。 2 3g p r s 网络工作原理 2 3 1g p r s 网络传输平台 传输平台由一个分层协议结构组成【2 】【6 】。其用于用户信息传输以及与此相关的 信息传输中的过程控制( 例如：流量控制、检错、纠错和错误恢复等) 。传输平台通 过底层无线接口和网络子系统( n e t w o r ks w i t h i n gs u b s y s t e m ，简称n s s ) 平台连接， 这种独立性是通过保留g b 接口来实现的。g p r s 传输协议平台如图2 2 所示。 a p p l i c a t i o n m ，x 2 5 m x 2 5 曰脱p 刈l g t p s n d c pg t p u c l l cu d p u d p r e l a y b s s g p 1 pt c p r l c l u 。c b s s c p mi p m a c n e t w o r k n e t w o r k 1 2l 2 m a c s g t v i c a ：s c n n c c g s mr fg s mr fl l b i sl i b i sl ll l u mo bc a t o i m sb s ss g s ng g s n 图2 - 2g p r s 传输协议平台 由图2 2 可以看出，一个数据包通过g p r s 的传输过程可以描述如下： m s 产生并发送数据包一一数据包通过u m 接口接入g p r s 网络数 据包进入b s s 数据包经过g b 接口进入s g s n 数据包经过g n 接口进入 g g s n 数据包经过g i 接口进入外部数据网。下面是这个过程所使用到的协议： 8 华北电力大学硕士学位论文 1 ) g p r s 隧道协议( g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l ，简称g t p ) g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输。所有的点 对点p d p 协议数据单元( p d pd a t au n i t ，p d u ) 将由g t p 协议进行封装。g t p 是g p r s 骨干网中g s n 节点之间的互联协议，它是为g n 接口和g p 接口定义的协议。 2 ) t c p 协议( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，简称t c p ) 在g p r s 骨干网中需要一个可靠的数据链路( 如x 2 5 ) 进行g t pp d u 的传输时， 所用的传输协议是t c p 协议。如果不要求一个可靠的数据链路( 如i p ) ，就使用u d p 协议来承载g t p 中的p d u 。t c p 提供流量控制功能和防止g t pp d u 丢失或破坏的功 能。u d p 提供防护g t pp d u 受到破坏的功能。 3 ) 网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，简称i p ) 这是g p r s 骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。g p r s 骨干网最初 是建立在i p v 4 协议基础上的，随着i p v 6 的广泛使用，g p r s 会最终采用i p v 6 协议。 4 ) 子网相关融合协议( s u b n 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 ，简称s n d c p ) 这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。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。 5 ) 逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，简称l l c ) l l c 是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议，能够提供高可靠的加 密逻辑链路。逻辑链路控制层负责从高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成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。l l c 独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的g p r s 无线解决方案时，对网络子系统n s s 的改动程度最小。 6 ) 中继转发( r e l a y ) 在b s s 中，这项功能中继转发u m 和g b 接口间的l l cp d u ，在s g s n 中，这项功 能是转发g b 和g n 接口间的p d pp d u 。 7 ) g p r s 基站系统协议( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c o l ，简称b s s g p ) 这个层用来传输在b s s 和s g s n 之间与选路服务质量有关的信息。b s s g p 没有纠 错功能。 8 ) 网络服务( n e t w o r ks e r v i c e ，简称n s ) 这个层传输b s s g pp d u 。n s 以b s s 和s g s n 之间的帧中继连接为基础，而且有 多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。 9 ) 无线链路控制( r a d i ol i n kc o n t r o l ，简称r l c ) 介质访问控制( m e d i aa c c e s s c o n t r o l ，简称m a c ) 这一层具备两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决 9 华北电力大学硕士学位论文 方案的可靠链路。二是介质访问控制功能，它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。m a c 除了控制着信令传输所 用无线信道外，还将l l c 帧映射到g s m 物理信道中去。 1 0 ) g s m 射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) u m 接口的物理层为射频接口部分，而逻辑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8 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 i t s 。考虑前向纠 错码的开销，最终的数据速率可达1 6 4 k b i t s 左右。 2 3 26 p r s 信令平台 g p r s 信令平台【6 】描述了信令传输的层次结构，由一些用于控制和支持传输平 台功能的协议组成。g p r s 网络中主要有m s 与s g s n 之间、s g s n 与h l r 之间、 s g s n 与m s c v l r 之间、g s n 之间的信令协议平台。在g p r s 中还有其他一些信 令，如s g s n 与e i r 之间的m a p ( 移动应用部分) 信令、s g s n 与s m s 和s c ( 接入中 心) 之间的m a p 信令等。 g p r s 信令平台主要实现如下功能： 1 ) 控制g p r s 网接入连接，如与g p r s 网连接和断开； 2 ) 控制网络接入连接的建立，如分组数据协议p d p ( x 2 5 或i p ) 地址的激活； 3 ) 为了支持用户的移动性，控制建立网络连接的路径； 4 ) 当用户的需求改变时，控制网络资源的分配。 2 4 本章小结 本章主要介绍了g p r s 无线通信系统，了解了g p r s 的产生和发展及其特点和 优势，介绍了g p r s 系统的结构和相关接口、g p r s 网络的通信协议、g p r s 网络 的工作原理及其通信过程。通过本章的学习，对g p r s 的通信过程有了进一步的了 解，为g p r s 地应用打下良好的基础。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1t c p ip 协议 第三章基于g p r s 的数据传输协议 国际标准化组织( i n t e m e ts t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，简称i s o ) 曾经提出了一种七层 网络通信模型一一开放系统互连参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l 简称o s i ) ，由于这个七层协议模型数据转换过程比较复杂，在实 际的应用中并没有获得广泛的应用，而目前应用最广泛最成功的通信协议是t c p i p 协议族【2 2 1 。网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 t c p i p 与o s i 参考模型有着很大区别。图3 1 所示是t c p i p 协议族与o s i 参 考模型的对应关系。 o s l 参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 t c m p 协议族 n f s f t p 。t e l n e t x d r s m t p ，s n m p r p c t c p ，u d p i p ，路由协议，l c m p 链路层 以太网协议 p p p 协议 图3 - 1t c p i p 协议族与o s i 的对应关系 t c p i p 是目前世界上流行最广的一种著名的网络体系结构。它并非国际标准， 但是它已成为计算机网络的事实上的国际标准，有人也称它是工业标准。这主要是 因为现在完全符合o s i 各层协议的产品极少，远不能满足用户的要求，使用t c p i p 的产品却大量涌入市场，在i n t e r n e t 中使用的协议就是t c p i p ，因此t c p i p 得到 了广泛的应用和推广。 t c p i p 模型由四个层次组成【15 1 ，如图3 2 所示： 概念层次 层次传递对象概念层次 报文流 图3 - 2t c p i p 模型 1 1 华北电力大学硕士学位论文 网络接口层有时也称作数据链路层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计 算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其它任何媒介) 的物理接口细 节。其功能相当于0 s i 的物理层和链路层的功能，完成网络数据底层帧的形成和收 反。 网际层主要负责在互联网上传输数据分组，与0 s i 参考模型的网络层相对应， 相当于o s i 参考模型中网络层的无连接网络服务。网络层是t c p i p 参考模型中最 重要的一层，它是通信的枢纽，主要完成的功能是：从底层来的数据包要由它来选 择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层；对从传输层来的数据包，要负责按 照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。网络层 协议主要定义了网际协议( i p ) 以及数据分组的格式，它的主要功能是路由选择和拥 塞控制。另外，本层还包括i c m p 协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，网 际控制报文协议) 和i g m p 协议( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，网际群组 管理协议) 。 传输层的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信。它与0 s i 参考模型 的传输层功能类似，也对高