（电路与系统专业论文）基于GPRS的智能仪器远程通信接口设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着新一代g p r s ( 通用分组无线业务) 移动通信业务的产生和全面投入使 用，无线移动数据通信的应用越来越广泛。数据高速传输和永远在线特点， 配合按流量收费的资费方式，使g p r s 通信方式在智能仪器仪表的远程通信领 域具有无可比拟的性价比优势。 本论文首先通过对g p r s 通信系统的组成原理和逻辑结构的研究分析，详 细介绍了该系统的信令流程以及联网原理，然后以s i m l o o e 模块为核心设计了 用于智能仪器仪表远程通信的g p r s 调制解调器，并在此基础上完成了基于 g p r s 的智能仪器仪表远程通信接口，同时使用d e l p h i 编程语言编写上位机的 应用程序，通过该通信接口实现了上位机对智能仪器仪表的远程控制。最后， 在电力抄表系统中对该智能仪器仪表远程通信接口进行了验证试验，结果表 明该接口性能稳定、通信可靠。与现有智能仪器仪表的其它通信方式相比， 具有接入时间短，实时性好，工程费用低等特点，特别适用于山区、沼泽地 带等恶劣环境中的智能仪器仪表远程通信。 关键词：智能仪器仪表远程通信g p r s 调制解调器s o c k e t a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to fg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o o fs e r v i c e ) ，m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n so fw i r e l e s sm o b i l ed a t ac o m m u n i c a t i o n a r ew i d e l yu s e d g p r si sh i g h s p e e da n dp e r m a n e n to n l i n e ，a sw e l la si t se x p e n s e c a nb ec o u n t e dw i t ht h ef l u xd a t a ，s og p r sc o m m u n i c a t i o nm o d eh a sh i g h c a p a b i l i t y a n dl o wp r i c ei nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sl o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ec o m p o s i t i o na n dt h el o g i c a ls t r u c t u r eo fg p r s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nw h i c ht h es i g n a lf l o wa n dt h ep r o c e s si nc o n n e c t i n g n e t w o r ka r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nag p r sm o d e mw h i c hc h o s es i m l 0 0 e m o d u l ea sc o r ec o m p o n e n ti sd e s i g n e df o ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sl o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n o nt h ef o u n d a t i o no ft h i sg p r sm o d e md e s i g n i n g ，ar e m o t e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do ng p r si s d e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，a n a p p l i c a t i o nf o rc o m p u t e ri sw r i t t e nb yu s i n gd e l p h ia sp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a t l a s t ，t h ei n t e r f a c ew a sa p p l i e dt oe l e c t r i ca r m s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) f o rv e r i f yi t s p e r f o r m a n c e ，a n d t h er e s u l ts h o w e di ti ss t a b l ea n dr e l i a b l e c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rc o m m u n i c a t i o nm o d e so fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，g p r s c o m m u n i c a t i o nm o d eu s e di nt h ei n t e r f a c eh a ss h o r tc o n n e c t e dt i m e ，h i g hr e a l t i m e p e r f o r m a n c ea n dl o we n g i n e e r i n ge x p e n s e ，t h u si t i sm o r es u i t a b l ef o rs o m e a t r o c i o u se n v i r o n m e n t so fm o u n t a i n o u sa n ds w a m pa r e a k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o n ，g p r s ，m o d e m ，s o c k e t y 7 9 6 7 u 丘 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明力、 1 怠二!幻澎厂? 学位论文作者签名：2 羔丝：厶指导教师签名：翌9 瑟兰：么 ，矿年占月g 日 叮年g 月男目 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其 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谢意。、， 学位论文作者签名：7 i 戎磊弋 f 年6 月学日 蹦北人学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 智能仪器仪表进行远程通信的意义 近些年来，随着微型计算机技术的发展和广泛应用，智能仪器仪表成为现代仪器仪表 发展的新方向。这种仪器以微处理器或单片计算机为核心，具有信息采集、显示、处理、 传输以及优化检测与控制等多种功能。智能仪器仪表的出现，极大地扩充了传统仪器的应 用范围。智能仪器仪表凭借其体积小、功能强、功耗低等优点，迅速在家用电器、科研单 位和工业企业中得到广泛应用。在工业中，很多工矿企业都希望能利用智能仪器仪表实 现机房、厂房的无人值守以及防火防盗的自动化和智能化。例如商场、银行的图像监控系 统要求全天候的远程监控；在电力系统中。供电局对配电变压器的实时监控和的对电表的 实时采集和集中管理等。 随着计算机网络、通信技术在工业自动化领域的发展，智能仪器仪表向可控制操作， 远程化方向发展成为可能，即各类仪器仪表不仅是可控制的，而且控制信号也由近程的串 行通信向远程化方向发展，并通过各种信道将分散的控制装置和各类智能仪器仪表连接起 来，实现集中控制和管理。在这类控制系统中，关键技术之一就是智能仪器仪表与智能仪 器仪表以及智能仪器仪表与控制装置之间的远程通信能力“。 1 2 智能仪器仪表远程通信技术的发展过程 1 9 7 3 年，美国电子工业协会提出了r s 2 3 2 串行通信接口标准后，智能仪器仪表的远 程通信技术日益引起世界各国的广泛关注o 。经过了近三十年的发展，智能仪器仪表远程 通信技术经历了从模拟到数字，从有线到无线的发展过程。 早期的智能仪器仪表远程通信多采用r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等串行通信方式，这 些串行通信方式的传输速度慢，传输距离有限，但它们的抗干扰能力强“1 。它们一经推出， 即在智能仪器仪表的通信领域得到广泛运用，现在仍是许多仪器装置所配备的基本通信方 式。但传输距离的限制阻碍了它们在远程通信领域的进一步发展。 1 9 7 8 年，在美国诞生了最早的电力配线方式的住宅自动化系统x 1 0 系统，从此基于 电力线路的通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 成为智能仪器仪表通信的热门话题“1 。 电力线不仅可以解决所谓的i t e r n e t 接入的“最后一公里”问题，而且由于使用电力线作为信 号的传输媒介，是唯不需线路投资的有线通信方式。但由于电力线载波通信受m o d e m 曲北人学硕十学位论文 芯片技术的发展限制，因此电力线载波通信在智能仪器仪表远程通信方面还没有得到广泛 应用。 2 0 世纪9 0 年代，以太网以其开放性、低成本和大量的软、硬件支持等明显优势，在 远程通信领域的应用越来越多”1 。随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，工业现 场智能仪器仪表和嵌入式控制器能够方便地接入以太网络，直至与i t e r n e t 相连，从丽实现 智能仪器仪表的远程通信。 2 0 世纪9 0 年代后期无线通信技术得到了巨大的发展，和传统的有线通信方式相比较， 无线通信技术在工业上的应用主要体现在各类支持无线通信的智能仪器仪表及远程、分布 式控制系统的通信上。现阶段在我国应用范围最广的数字移动通信系统，信号较稳定，无 同频干扰，可处理大量数据通信业务。 本世纪以来，随着无线通信技术的发展，g p r s 技术在智能仪器仪表远程通信领域的 应用得到迅速发展。g p r s 支持t c p i p 业务，并且g p r s 可提供高达1 7 1 2 k b p s 的传输速 率。1 ，使得智能仪器仪表的实时在线数据传输成为可能，促进了智能仪器仪表远程通信技 术的新发展。 1 3 智能仪器仪表远程通信技术的研究现状 目前国内外关于智能仪器仪表远程通信的研究主要集中在以下几种方面。1 ： 1 基于现场总线的远程通信设计。现场总线是用于过程自动化最底层的现场设备以及 现场佼表的互联网络，采用标准化现场总线接口可在控制现场建立一条可靠的数据通信线 路，实现各现场总线智能仪表之间及现场总线智能仪表与主控机之间的远程通信，把单个 分散的现场总线智能仪表变成网络节点。目前较有影响的现场总线有：基金会现场总线f f ， 过程现场总线p r o f i b u s ，控制局域网总线c a n ，h a r t 等。现场总线控制系统( f c s ) 是顺应 智能化现场仪表发展起来的，它的初衷是用数字通信代替4 - 2 0 m a 模拟传输技术，从而满 足仪器的通信要求。但由于迄今为止现场总线的通信标准尚未完全统一，各厂商的仪表设 备难以在不同的f c s 中兼容，使f c s 在工业控制中的推广受到了一定的限制。 2 基于工业以太网的远程通信设计。工业以太网具有传输速率高、低耗、支持e t h e r n e t 和t c p i p 协议，采用交互式和开放的数据存取技术，所以在仪器的远程通信系统中被广 泛采用。但是由于以太网采用总线式拓扑结构和多路侦听碰撞检测( c s m a c d ) 通信方式， 在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，因而导致数据传输的 “不确定性”。针对以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，i e e e 、i a o n o ( 工业自 豳北大学硕士学位论文 动化开放联盟) 、o d v a ( d e v i c e n e t 供应商协会) j 下在致力于制订基于以太网的新标准， 开展以太网关键技术的研究，以太网进入智能仪器仪表的远程通信领域是智能仪器仪表的 一个重要发展趋势。 3 。基于电力线载波的远程通信设计。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它 的最大优点在于现存物理链路，无需线路投资，是一种非常实用的新兴通信手段，具有很 大的应用前景。目前思科、英特尔、松下和惠普等1 3 家公司已成立“家电插电联盟”，致力 于电力线载波远程通信的新标准。但是由于电力线载波通信质量主要受电力线的线路阻抗 和噪声干扰影响，国外的电力载波m o d e m 芯片是针对当地电网特性和电网结构的，因此在 国内远程通信领域使用时很难尽如人意。近年来国内基于电力线载波的远程通信m o d e m 芯 片技术也有了长足的进展，如电力载波芯片p l 2 0 0 0 、p l 3 0 0 0 系列，采用b p s k 直序扩频方 式，是专为国内电力线载波通讯网络设计的半双工异步调制解调器，适合国内的电力线载 波通信应用。 4 基于无线技术的远程通信设计。随着无线通信的飞速发展，在智能仪器仪表领域应 用无线通信的技术开始出现。无线通信对于远距离、分散、移动的控制对象可以方便地实 现数据通信；对于物理布线困难的地方，采用无线通信技术可以节省大量费用；同时，也 克服了有线网络由于线路故障而导致网络瘫痪的弊端。目前基于无线通信的智能仪器仪表 应用主要有：基于蓝牙技术的无线通信，基于现有的g s m 或c d m a 网络的无线通信。蓝 牙技术采用时分复用多路访问和调频扩频技术，能满足高达1 m b p s 的数据传输速率，但因 其传输距离有限，只能达到1 0 m ，所以仅能应用于近距离无线传输。早期基于g s m 或c d m a 网络的无线通信主要利用移动网络的数传或拨号等电路交换方式来满足通信的要求，但存 在语音方式费用高、短信方式实时性差等缺点。随着信息技术的发展，基于g s m 网络和 无线分组交换技术的g p r s 业务在仪器的远程通信领域中应用逐渐增加。g p r s 能提供端 到端的、广域的无线i p 连接，具有高速、永久在线等特点，是g s m 向第三代移动通信平滑 过渡的桥梁“。由于借用了移动的接入网和传输网，所以利用g p r s 技术来建立远程通 信系统不仅传输距离远而且费用低廉。 由于g p r s 具有数据的高速传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使基 于g p r s 的智能仪器仪表远程通信在工业控制等行业中具有无可比拟的性价比优势。且随 着新一代g p r s 移动通信业务的产生和全面推广，采用g p r s 无线通信网络的移动i p 通信 接口必将具有广泛的应用价值”1 。 西北大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究内容 本论文首先对g p r s 的通信系统组成、逻辑结构，信令流程以及g p r s 组网原理进行 分析，然后设计出基于g p r s 的调制解调器和远程通信接口，并将其运用到工业现场进行 验证。 本设计的具体研究内容如下： 1 通过文献检索和查阅，掌握g p r s 的网络结构、调制技术，对g p r s 远程通信系统 的多种组网方式进行分析比较，选择合适的组网结构。 2 对当前各种g p r s 调制解调芯片进行分析比较，选定相应的g p r s 调制解调芯片， 确定具体的g p r s 调制解调器设计方法并设计出g p r s 调制解调器。 3 选用以单片机为主控制器来设计基于g p r s 的调制解调器终端接口方案。完成原理 图和印制电路板图设计，使用单片机仿真器进行电路调试。 4 编写该终端的软件程序以及和上位机的通信程序，单片机部分采用c 5 1 语言编程， 上位机以d e l p h i 为工具编写相应的通信程序。 5 在实验环境中运行该终端，得到相应的实验数据，检验该终端的各项技术参数和对 工业环境的适应性。 4 凸北大学硕士学位论文 第二章g p r s 系统简介及应用方案比较 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x 2 5 连接”1 。本章将首先对g p r s 系统进行简要介绍，并 通过对多种无线通信方案的探讨和比较，选择合适的g p r s 无线通信方案。 2 1g p r s 概述 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。g p r s 是一项高速数据处理的科技，它能够提供比现有g s m 网9 6 k b i 似更高的数据率，可达 1 7 0 k b i “s ”1 。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 c m c t 浏览等。g p r s 支持x 2 5 协议和对i n t e m e t 具有深 远影响的i p 协议。对于g s m 网现有的电路交换数据业务( c s d ) 和短消息业务( s m s ) 来 说，g p r s 是一种补充。g p r s 根据用户需要灵活地动态分配无线资源。从而实现多用户 共享，提高频率利用率。同时计费也由传统的按时方式改为根据用户数据传输量来计费。 g p r s 不仅被欧洲的第二代移动通信系统g s m 支持，同时也被北美的i s 1 3 6 支持“”。它 的高数据率能够提供第三代移动通信网系统的部分多媒体业务且在时间进程上提前几年， 并且当第三代真正到来时，对于没有第三代经营权的运营商来说，g p r s 仍不失为一种竞 争业务，因此g p r s 被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信系统演进的重要一步。 2 2g p r s 系统结构和工作原理 2 2 1g p r s 的网络结构 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加一些节点：网 关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o n i n gn o d e ) 、服务g p r s 支持节点 s g s n ( s e r v i n g g p r ss u p p o s i n g n o d c ) ”1 。g g s n 在g p r s 网络和公用数据网之间起关口站 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。s g s n 记录移动设备的 当前位置信息，并在移动设备和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服 务区内所有用户提供双向的分组路由。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并 西北大学硕士学位论文 采用新的g p r s 移动设备。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，其网络结构图如下图。 图2 - 1g p r s 的网络结构图 由图2 1 可以看出，g p r s 网络是将p c u 、s g s n 、g g s n 等g p r s 网元叠加在g s m 网 络中而构成，其中主要的网络单元的功能： 1 分组控制单元( p c u ) p c u 是传统的g s m 的b s c 中增加的专门用于处理分组数据和无线分组信道管理的 模块，主要功能有：无线资源管理，信道资源分配( m a c 层功能) ，误帧重传( r l c 层功 能) ，实现到s g s n 的数据传输( g b 接口) 。 2 服务g p r s 支持节点( s g s n ) s g s n 类似于传统g s m 系统中的m s c v l r ，相当于g p r s 网络中的分组交换机，主 要功能包括：终端鉴权一即移动终端发起连接时s g s n 负责检查该终端是否有权限进行 g p r s 连接，对移动终端进行移动性管理，路由选择和分组交换。 3 网关g p r s 支持节点( g g s n ) g g s n 负责提供g p r s 网络与外部分组数据网的接口，相当于一台路由器，功能包括： 分组路由和转发。对外部数据网来说，g g s n 就是一个子网路由器。g g s n 的一侧是g p r s 移动子网，另一侧是外部固定数据网( 包括因特网和专网) 。g g s n 接收移动台发送的数据， 选路到相应的外部网络；同时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，传给相应的终端。g g s n 可以通过多个物理或逻辑端口同时连接多个外部数据网，通 过接入点名称( a p n ) 将彼此区分开。 端、 磊鬣、簸 g g 嫂北人学硕士学位论文 4 用户位置寄存器( h l r ) h l r 的功能和在传统g s m 网络中一样，提供签约用户数据的数据库。在g p r s 网络中 h l r 中的用户数据扩展了g p r s 部分，即增加了用户对g p r s 业务的定购信息和参数。 s g s n 鹰要访问m 且来决定是否对用户提供g p r s 服务以及具体参数，g g s n 需要访问 h l 丑获缛终端当前附着到哪个s g s n 。 一个由移动终端发起的g p r s 通信过程为：移动终端b t s b s c - _ p c i _ s g s n g g s n - - i p n e t w o r k 啪。在中国国内移动终端是通过中国移动互联网( c k i n a m o b i l en e t , 简称 c m n e t ) 接入i n t e m e t 的，移动终端在通过c m n e 倦入i n t e r a c t 的数据包在c m n i t 会做n a t 转抉( 网络地址转换) 。这是由于移动终端在g p r s 网内得到的是内部的m 地址，采用蛆转 换后才可以进行双向的数据通信，基于g p r s 的系统组网需要对n a t 转换又较深的理解， 下面简要介绍n a t 的原理。 2 2 2 锯原理 由于i p v 4 地址大部分已分配出去，而i n t e r a c t 用户数目一直在快速增长，促使1 p v 4 资源 曰益紧缺，n a t 正是解决这一矛盾的有效方法“”m 虹将网络化分为相对隔离的内部网和 外部网，其中内部网采用r f c l 9 1 8 规定的私有地址，外部网采用公有地址。m 技术使得 一个私有网络可以通过i n t e m e t 的注册口连接到外部世界，位于内部网和外部网的n a t 路由 器在发送数据包之前，负责把内部p 翻译成外部的合法地址。下面分别讨论t c p ( 传输控制 协议) 和u d p 用户( 数据包协议) 传输过程中的n a t 实现。 t c p 是建立在连接抽象上的，它所对应的对象不是t c p 的个单独的端口而是一条虚电 路连接，即t c p 是使用连接而不是使用协议端口号作为基本的抽象“。在t c p q a 连接是用 一对端点来标识的。t c p 把端点定义为一对整数s t ，p o n ) 因此一条t ( ，连接用1 个四元组 来定义，这样一个连接抽象允许多个连接共享1 个端点，例如两条连接( 1 0 6 1 6 6 7 ：1 1 1 2 ； 6 1 5 1 1 0 7 1 8 5 ：2 2 0 0 ) 、( 1 0 6 1 6 6 8 ：1 1 1 2 ；6 1 5 1 1 0 7 1 8 5 ：2 2 0 0 ) 共享同一端点( 6 1 5 1 1 0 7 1 8 5 ： 2 2 0 0 ) ，但又不会引起起义，从而可以利用1 个口地址进行外部访问提供了基础。n j a t 网关实 现的功能与常规的网关软件不相同，通常常规路由器只是机械的根据i p 包中的目的地址以 及路由表将口数据包从一个网络转发给另一个网络，而n a t 路由器之间中继数据包并非凭 借目的狰地址，它的中继是面向连接的。图2 2 是其工作原理图 图中移动终端登陆i n t e r a c t 后的得到了一个i p ：1 0 6 1 6 6 8 ，它要以1 1 1 2 端1 = 1 i n t e r a c t 上的口为6 1 5 1 1 0 7 1 8 5 ，端口为2 2 0 0 的计算机发送t c p 数据包，在建立连接的过程中， 阿北大学硕士学位论文 c m n e t 的路由器会将终端的t c p 包的源地址映射到合法的i p 和端口上，目的地址看来好象 是和n a t 路油器间建立的连接，这正是抽象连接的概念。当n a t 完成映射转换后会维护一 个映射表，能把移动终端的球和端口映射到目的地址，也能将目的地址映射到移动终端的 i p 和端口上。 移动终潴 1 , t a t 路由器服务器 终端 1 0 6 1 6 ，6 8 1 0 8 2 0 2 1 私有地址 一i - 一一一一_ 卜 诅m 川渺懈 公有地址 一一一一1 卜 图2 2n a t 工作原理图 通过上面的分析，可以知道n a t 的地址转换过程经历了3 个阶段： ( 1 ) 映射关系的建立阶段。发生在会话开始，当g p r s 内郝的机器与外部机器通信时发 生，n a t a 为其分配未使用的t c p 端口号，并且会记下这个映射关系。 ( 2 ) 映射关系的查找和转换阶段。当由外部进入的数据或从内部出取得数据包通过 n a t 时，m 蛆都在内部进行查询，以便找到对应的映射地址迸行转换。 ( 3 ) 映射关系解除阶段，当t c p 的1 次连接关闭时，n a t 厶释放这条连接的端口号，以 便以后的连接可以继续使用。 对于u d p 数据传送方式，由于其采用的是非面向连接协议，但是经过n a t 转换后，可 以将它作为一种虚连接来看待。当n a t 路由器接收到g p r s 终端发送的u d p 包时，也会维 护一个映射表，并在修改u d p 包的源i p 地址和端口为n a t 服务器的口和空闲端口以后将该 u d p 包发往目的地址，n a t 路由器会为这个连接保持一定时间，在这段时间内，外部的机 器可以用n a t 的口和端口找到内部的移动终端。如果在这段时间内没有数据流过，n a t 路 有器就会自动撤销这个虚连接给其它终端使用。 根据n a t 路由器原理，移动终端要与i n t e r a c t 上的计算机通信，必须在移动终端登陆 g p r s 网络后，主动与计算机连接，保持它们之间的虚电路。由于u d p 的虚电路只能保持 很短时间，为了保持其虚电路，移动终端和计算机之间需要不停的通讯。而对于t c p 协议， 西_ 大学硕士学位论文 理论上n a t 路由器会一直保持其电路连接，直n t c p 连接断开。但是如果t c p 连接的某一 方没有发送t c p 连接解除包，要求解除相应的连接记录，就会造成t c p 连接已断开，还是 会占用n a t 资源的后果。考虑到这种可能性，n a t 路由器会计算每个连接自上次通讯后， 已经多长时间没有通讯，如果空闲状态保持时间超过设定值，n a t 路由器就会断开t c p 连 接。这个空闲状态保持时间，就是后面要提到的心跳时间。 2 2 3g p r s 的路由管理 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：移动终端发送数据的路由建立、移动终端接收数据的路由建立、 以及移动终端处于漫游时数据路由的建立吨“。 第一种情况，如图2 - 3 中的路径1 所示，当移动终端产生了一个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 层处理后为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。 图2 - 3g p r s 的路由管理 第二种情况中一个公用数据网用户传送数据到移动终端，如图2 3 中的路径2 所示。 9 硝靶大学硕士学位论文 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 帧单元+ 最终经空中接口送给移动终端。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动终端。如图2 3 中路由 3 所示。其数据必须经过归属地的g g s n ，然后送到移动终端。 2 2 4g p r s 主要信令流程 1 g p r s 附着( a t t a c h ) g p r s 附着是实现与网络间通信的最基本条件，其作用是在s g s n 上建立该终端的移动 性管理信息，使得网络知道该终端的存在和目前所处的位置嘲。在附着完成之前，网络不 知道终端的存在，因而无法进行信息的传输。在终端发起附着请求时，网络首先要对终端 进行鉴权，只有该终端的i m s i 号为本网的合法用户，网络才给予接受。附着完成以后，每 次终端的位置区变化都要发送位置区更新信息，以便网络及对准确的跟踪用户的位置。与 g s m 不同，g p r s 终端不一定是开机即自动附着。很多终端都可以选择可以在发起数据会 话时再附着 2 p d p 激活 在g p r s 终端成功附着到网络以后，在进行数据通信之前，还需要进行p d p 激活。p d p 即“分组数据协议”的简称，一般情况下即是协议。p d p 激活即是终端申请分配口地址和 在g p r s 核心网设备( s o s n 和g g s 研中建立路由信息和计费信息的过程。进行t p d p 激活以后，就可以进行砰数据传输了，下面分别介绍其信令流程和a p n 功能。 ( 1 ) p d p ( 分组数据协议，如口或x 2 5 ) 激活信令流程 终端向网络发起的p d p 激活请求包含以下信息：n s a p i ：用于终端中识别不同的p d p 会 话，以便终端同时支持多个p d p 会话；p d p 类型：表示请求连接的类型，主要是口，也可以 是p p p ；p d p 地址：如果为空，则向网络请求动态分配一个地址，否则，为终端的口地址； a p n ：接入点，用于告诉网络所接入的外部网络；q o s 参数：向网络请求的服务质量。 其激活过程如下：终端向s g s n 发送激活p d p 上下文请求消息s g s n 请求d n s 对a p n 进行解析，得到该a p n 对应的g g s n 的碑地址s g s n 向g g s n 发送建立p d p 上下文请求消 息- - g g s n 对该用户进行认证，分配m 地址- - g g s n 向s g s n 返回建立p d p 上下文响应消息 s g s n 向移动终端发送激活p d p 上下文接受消息。至此通过在终端、s g s n 和g g s n 上 建立路由信息，打通了终端到网络间的球通路。这样，移动终端和外部数据网之间的数据 1 0 撕北大学硕士学位论文 通路建立起来，移动终端可以和该数据网进行通信。 ( 2 ) 接入点名称( a p n ) 及功能 g p r s 网络不同于一般的口子网，其分组的路由不是完全按照m 地址来选路，而是 增加了一个参数：接入点名称( a p n ) 。在g g s n 上可以同时接入多个外部数据网( 包括 因特网) ，当分组到达后，g g s n 首先根据a p n 选择接入哪个外部网络，然后如果是口网， 再看其i p 地址进行路由转发。除此以外，a p n 还可以作为对终端鉴权的一种手段。终端 希望接入某个网络，需要首先定购该网络的a p n ，在h l r 的用户数据中建立相应的信息， 才可建立到该a p n 的p d p 激活。h l r 中的对每个用户最多可以同时定购7 个a p n 访 问权限。 2 2 5 ( 毋r s 联网 g p r s 网络本身作为一个口子网，需要和其它网络相连来实现端到端的数据业务。 g p r s 网络和外网的互联方式灵活多样，可以根据业务需求进行灵活的设计。g p r s 联网 示意圈如图2 4 ： 图2 4g p r s 联网示意图 g p r s 网络中与外部数据网相连的功能是由g g s n 节点实现的。每个g g s n 可以同时连 接多个外部数据网，通过不同的接入点( a p ) 来进行区分，在g g s n 中用接入点名称( a p n ) 来标识。g p r s 网中每增加一个接入点a p ，就需要在g g s n 上配置一个a p n ，并为该接入 点在g i 接口上进行相应的连接州。g g s n 的接入点配置主要包括以下内容。 西北大学硕士学位论文 1 i p 地址分配方式 ( 1 ) 动态m 地址。这种方式下，用户每次发起p d p 请求时，日4 g g s n 指定的d h c p ( 动态 主机配置协议1 服务器为用户动态分配一个m 地址，用户每次发起p d p 激活后分到的i p 地 址都不一样。具体配置为：g g s n 对该a p n 配置一个或多个d h c p 服务器的口地址，并 在d h c p 服务器上为该a p 配置一个口地址池。用户p d p 请求到达后，g g s n 向该d h c p 服务 器申请从相应地址池中分配一个口地址。 ( 2 ) 静态口地址。这种方式下，用户每次发起p d p 请求时，都可以获得固定的球地址， 即口地址和用户绑定。根据不同的方案，可以实现口地址和s i m 卡绑定或坪地址和用户名 口令绑定。 2 与外部数据网之间的互联方式峨”1 g g s n 可以通过不同的物理或逻辑端口实现与不同外部网络的连接，g g s n 对各个的 外部网络配置不同的a p ，实现不同的互联方式。 ( 1 珊路由方式。这种方式下g g s n 所执行的就是虹骼由器分组转发功能。终端通过 该a p n 发起数据访问时，g g s n 为其分配口地址并激活p d p 会话。其数据包到达g g s n 后， 根据口分组的目的地址，直接查g g s n _ k 的路由表来选择p 包转发的接口，其实现过程已在 n a t 路由器部分详细说明。 c 2 ) g i i e 隧道方式。本方式为g g s n 特殊功能，一般用于实现移动远程接入特定网络的 情况，g g s n 和相应的外网边缘路由器之间建立g r e 隧道。终端通过该a p n 发起数据访 问时，g g s n 为其分配口地址并激活p d 哙话。其数据包到达g g s n 后，g g s n 直接将其转 入相应隧道，而不经过通用的路由机制。图2 - 5 中c m w a p 这+ a p x q 就是采用这种配置方式。 2 2 6g p r s 的调制技术 调制在通信系统中有着十分重要的作用，在前面对g p r s 的网络结构和工作原理介绍 后，本节简单介绍g p r s 系统的调制解调技术。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调 制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而 且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信 系统的性能。g m s k 调制( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f t - k e y i n g ) 是实现g p r s 基站系统发射部分 数字上变频( d u c ) 的关键技术之一。基带信号经过g m s k 调制后得到中频信号，再经射频 发射。g m s k 信号比m s i 【信号具有更窄的带宽，以满足移动通信中对带外辐射的严格要求。 g m s k 调制是在m s k 调制器之前加入高斯低通顸调制滤波器实现的，g m s k 信号产生原理 鳗北人学硕士学位论文 如图2 5 所示，首先对数据序列进行差分编码，编码后的信号经过高斯低通滤波器脉冲形成 之后，直接进行频率调制。其关键是高斯滤波器的设计。 图2 5g m s k 信号产生原理图 1 差分编码( d i f e r e n t i a le n c o d i n g ) 为了方便g m s k 的解调，需要对输入数据进行差分预编码。差分编码将信息存储在相 位的变化中，而不是相位的本身上。在有些情况下，在解调和检测的过程中使用的同步和 载波恢复技术会产生- t - 厅的相位模糊。差分编码中信息由相位的差值来表示，因而克服了 相位模糊带来的影响。 设输入数据为d i 一【叮】， d w 。d i 。d f 一1 魄 ( 2 - 1 ) 其中。代表模求和，则 a i - 1 2 d i _ 越矿0 f _ 1 ，l ) ( 2 2 ) 将差分编码之后的不归零数据4 ；通过高斯滤波器和f m 调制器，就可得到g m s k 调制信 号。 2 滤波( f i l t e r i n g ) 高斯预滤波器的传递函数为： h 2 ( ，) - c x p ( - q2 ，2 ) ( 2 - 3 ) 式中n = 孚= o 5 8 8 7 ，气是滤波器的3 船带宽。气为系统的可变参数，b b t b 取得小能够使调制后的带宽变窄，但会引起码间干扰当b b 毛= * 时即为m s k 调制则 高斯预滤波器的冲击响应函数为： ( f ) 昌 蕊北大学硕士学位论文 式中6 一差型笋，气是滤波器的3 扣带宽，乇为系统的可变参数。 g ( t ) - h ( t ) * r e c t o ) ，其中当h 墨时， 函数r e c t ( t ) = l ，其它时候m c f ( f ) = o a 式中代 叫q 斟一孚 卜斟+ 手 ， 式中q ( o - j 尸忑1e 叫乃d f - 可以证明j 二g o ) 出- j 1 ，这样，可以保证每个码元产生 s m 厚咖k 州o ) 】 ， 十卜铲卜h 啡 c z 忉 式中：为载波角频率未比特宽度，a t 为输入的不归零数据 2 3 基- t - g p r s 的通信应用方案比较 1 4 残北大学硕士学位论文 通过2 2 节对g p r s 的分析，我们知道g p r s 与现有g s m 语音系统最根本的区别在于 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、 突发性的数据传输。表2 1 是g p r s 系统与电信的c d p d 系统和联通的c d m a 系统比较结果。 传输技术c d p d 电信c d m a - 联通g p r s 移动 系统类型基于舢噶基于d s s s基于g s m 传输速率k b i 垤 1 9 2 1 4 4 1 7 1 2 交换方式 分组交换分组交换分组交换 链路建立时间 短永远在线永远在线 网络覆盏有限覆盖有限覆盖全隔覆盖 资费 较高较高按流量计 表2 1 各种无线系统的技术比较 经过比较，可以看出，g p r s 无线传输方式具有以下优点： 覆盖率高( 目前覆盖全国3 1 个省2 4 0 多个城市) ，易于网络采集点的扩展，几乎 不受网点规模的限制，可以在中国移动的全网覆盖范围内使用。跨省份、跨地区的网络也 非常容易组建。 o g p r s 方案只是通信方式的改变，对上层应用软件系统几乎没有任何影响，同时对现 有各种仪器监控设备不需要更换。部署成本低，不需平台投资。 基于t c p i p 的开放平台，永远在线，连接时间快。 联通c d m a 形成网络覆盖还有一段时间 s m s 、c s d 、u s s d 方式可成为g p r s 方式的辅助手段。 g p r s 是目前较好的无线传输方式，它在仪器的远程通信方面具有较高的性价比，它 可以提供远程控制、在线监控、实时采集、实时发布等功能。因此，我们采用g p r s 作为 智能仪器仪表的远程通信方式来设计仪器的通信接口。同时根据现场环境的智能仪器仪表 小型化、操作简单和成本低等要求，采用单片机为控制单元来构建整个应用系统。 利用单片机实现g p r s 的远程通信接口的设计，需要解决的两个问题是：( 1 ) 数据及控 制命令的t c p i p 协议打包和分包；( 2 ) g p r s 终端如何自动附着到g p r s