（电路与系统专业论文）基于315M+ASK和GSMGPRS的无线消防网络的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 火灾作为现代城市的主要灾害，越来越受到人们的广泛关注。随着 火灾自动报警技术和计算机网络技术的迅猛发展，融合了这两门学科的 “城市火灾自动报警系统”的建设水平体现了对城市消防安全防范系统 的综合监管能力与处置事件的快速反应能力。而作为消防信息交换平台 的消防网络，更是在该系统中有着举足轻重的地位。 本文通过对现代火灾报警技术、现代消防网络技术的总结，并针对 当今消防网络中存在的问题做了以下几个方面的研究和开发工作： 1 文章首先针对目前消防网络以有线为主的不足，提出了以 3 1 5 ma s k 和c s w c p r s 两种无线方式来构建一套全新的、完 整的、能实现整个城市范围内的无线消防网络的思想。同时对 消防网络构建过程中使用到的几种无线技术进行了详细叙述 和分析比较，并在此基础上提出并实现了这种全无线方式的新 型网络模型。 2 从总体角度出发，详细阐述了系统的网络构建方案及系统的总 体设计，并对该方案下的关键指标进行了讨论。同时针对该设 计制定了一套完整可行的通信接口协议。 3 详细阐述了基于3 1 5 ma s k 方式的工作原理及在该方式下借助 编解码芯片的联网方式。同时详细介绍了利用该联网方式进行 联网的两种设备的研发过程。 4 。详细介绍了基于c s m ，g p r s 公网的远程联网设备的研发过程。 从远程联网模块的选型到该模块a t 命令集介绍，最后到针对 北京交通人学硕十学位论迁 中文摘要 该模块的硬件设计软件实现，从整体j 二介绍了基于g s m g p r s 下的g p r s 、c s d 、s m s 三种数据业务的应用实现。 关键字：城市火灾自动报警系统，消防网络。3 1 5 兆幅移键控，g p r s ， c s d s m s a b s t r a c t r e s e a r c h 锄di m p l e n l e m a t i o no f 埘r e l e s sf 妊e n e t b a s e do n3 1 5 m a s ka r l d g s m g p r s f i r e ，a st h em a i nd i s a s t e ro m o d e r nc i t v ，h a sb e e nm o r ea n dm o r ea t t e n d e db yp e o p l e w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to ff i r ea u t o a i a r mt e c h n o i o g y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o n s t n l c t i o nl e v e lo f 历删而垂m ，廊pa ，d 一幽，皇p f e 珊w h i c hc o m b i n e st h e s et w os u b j e c t se m b o d i e sm es y n t h e s i z e da b i l i t yo f s u p e r v i s i n ga n dl h 8q u i c kr e s p o n s ea b i l i t yo fd e a l i n gw i t he v e n l s a n da s p l a t 王bn t lo fd a t ae x c h a “g ei nt h es y s t e m ，n r e n e th a sv e r yi m p o r t a n fp o s i t i o n v i as u m m a r i z i n gm o d e r n6 r ea i a r mt e c h n o l o g ya n dm o d e r n “r en e t t e c h n o l o g ) ，t h er e s e a r c hf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t 8c o n t r 8 p o s i n g t h es h o r t c o m i n 驴o fa c t u ；i lw i r ef i r en e t ： 1 c o n t m p o s i n gt h es h or l c o m i n 舻o fa c t u a lw i r en r en e i ，出er e s e a r 【。h s t a r t s w i t hp r o p o s i n gaf h o u g h to fc o n s t 九j c | i n gab r a n n e wa r l di n f 8 9 m t e dm u n i c i p a lw i r e k s s 矗r en e tb a s e do n3 1 5 ma s ka n dg s m ，g p r s a n dt h e n s e v e m lw i r e l e s st e c h n o l o 盱u s e di nt l e 丘r en e tc o n s t r u c t i n gi sh r i e n yn a r r a t e d ，a n a i y s e da n dc o m p a r e d t h e nan e wn e t w o r km o d e lb a s e do nt h e s e t w ok i n d so fw i r e l e s sm e t h o di 8p m p o s e da n di m p l e m e n t e d 2 w i t ht h ev i e wo ft h eo v e r a l ls i t u a t i o n ，山e8 y s t e mn e tc o n s t r u c t i “gs o l u t i o n a n dt h em a i nd e s i g na r en a r r a t e di nd e t a i l a n dt 1 1 ek 。yp a r a m e i e r su n d e r t h i ss o i u “o i la r ed j s c u s s e d a n dt 1 1 e nc o m m u n j c a l i o np r o t o c n 】a m o n gi n t e r f 备p e si n t h i s 8 y s t e mi sd e t a i l e d l yn a i t a t e da c c o r d i n gt ot h es o l u t i o n 北京交通大学硕士学位论文 英文摘要 w h i c hj sc o n s t r u c t e 【1a b o v e 3 t h e3l5 ma s kw o r k i n gp r i n c i p l ea n dw i r e l e s sr l e tc o n s t m c t i “gm c t | l o d h a s e du nc o d i n ga n dd e c o d i n gc h i p sa r ec k t a i l e d l y8 。p l a i n e d ，a n ds o m e a n t i _ j a m m i n gd e s i g nu n d e rt 1 i sm e 血o di sp r o p o s e d t h e nt h i st h e s i se x p l a i n sh o wt od e v e l o pt w ow i l e l e s sn e t8 q u i p m e n t sh a s e do nt h i sm e t h o d 4 a n da l s ot h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h er e m o t en e lc o n n e c t i “g 。q u i p m e n t h a s e do nc o m m o nn e t w o r kg s m g p r si sn a a t e di nd e t a i l f r o mc h o s i “g t h er e m o t en e tc o n n e c t i n gm o d u l et oa tc o m m a n do fs u c hm o d u l e ，a n d t h e nl o 【h eh a r d w a r e s u “w 艄ei m d l e m e n a t i o nb a s e do ns u c hm o d u l e ，i h i 8 t h e s i si u u m i n a t e si nam a s s ，t h 。a p p l i c a t i o ni n p l e m e n t a t i o no ft h e s et h r e e d a t 日s e v i c ew h i c hi s ( ；p r sc s da n ds m s k e y w o r d s ：m u n i c i p a lf i r ea u 幢。一a l 删5 y s t e m ，f i r e n e t ，3 1 5a s k ，g p r s ，c s d s m s 第一章绪论 1 1 背景及意义 总结近年重大火灾的教训，我们可以看到虽然我国城市中的大中型 建筑及公共场所安装的，用以预防火灾事故发生的火灾探测报警设备已 逐渐普及、完善，但在实际使用过程中暴露出的问题也日益突出。部分 火灾自动探测报警系统使用单位的管理人员消防意识淡薄，消防安全常 识匮乏，不重视火灾探测报警系统的使用和维护，也人为增加了火灾发 生隐患。虽然消防管理部门大力加强监管力度，但往往鞭长莫及、力不 从心。 消防设施的完好率以及在火灾发生时它们对火灾信息的反映速度， 直接影响灭火的成败。而决定消防设施的完好率和火灾发生时的反映速 度主要是靠监控设备来实现的。火灾信息以及设备状态信息的传输则要 借助网络来进行，为此，我们就必须结合当今最先进的网络技术和计算 机技术，建立一套不但能对现场火灾信息进行全天监控，还能对各种消 防设施进行日常检测、监控、维护及综合信息处理的城市火灾自动报警 系统。该系统通过现代网络技术，实现对消防设施远程监视，能实时掌 握消防系统的运行状态，接收报警信号与主动巡检消防设备，达到早期 发现、快速处理各类火灾隐患，显著提高对城市消防安全防范系统的综 合监管能力与处置事件的快速反应能力，对提升城市防灾体系水平，有 效控制重特大火灾的发生将产生重大影响。 本课题是在该背景下提出的，主要对城市火灾自动报警系统中消防 联网部分进行研究，针对目前火灾报警系统中有线方式的不足，在满足 j e 京交通人学硕士学位论文第一章绪论 中华人民共和国消防法和公安部城市消防通信指挥系统设计规范 等有关文件要求的前提下，提出了一种新型的全无线的联圳方式并加以 实现。 1 2 国内外发展现状 近十年来，世界各国都在对火灾的预防、报警和控制进行了大量的 研究，借助现代化网络和控制技术的一些智能型系统及相应的设备也应 运而生。 在国外，比较权威的公司有德国西门子公司、日本日探公司、英国 g e n t 公司、美国辛普勤斯公司、美国n o t i f i e r 公司、瑞士西伯乐斯 公司，这些公司在火灾报警方面的研究比较早，已经有一些基于网络的 消防产品面世，并且部分已经打人中国市场。这些网络产品主要分为两 类，区域报警网络产品和远程联网产品，区域报警网络以2 3 2 4 8 5 、c a n 总线为主，远程网络以p s t n 、以太网为主，两类产品均为有线产品。 随着g s m g p r s 、c d m a 网络的推广、费用的逐渐降低以及覆盖面的扩 大，基于g s m ，g p r s 、c d m a 网络的产品也逐渐走向市场，但是占有市 场的比例很小。 在国内，火灾报警产品起步相对较晚，但是近年来也有诩：多厂家和 科研单位研制开发了自己的产品。其中网络产品主要以基于2 3 2 4 8 5 、 c a n 总线的区域网络为主，基于p s t n 、以太网的远程联网设备很少， 基于c s m g p r s 、c d m a 联网方式的无线产品基本没有。 纵上所述，目前同内外基于无线方式的火灾报警联网产品很少，而 且这些产品只能用在城市火灾报警系统中某一部分的网络结构中，无法 满足整个城市消防联网的要求。 北京交通大学硕士学位论文第章绪论 1 3 主要工作 本课题构建了一个完整的全无线方式的消防网络，整个网络分为两 个主要部分，前端数据的采集和转发部分、远程联网部分。前端数据的 采集和转发基于3 1 5 ma s k 方式，采用不同功率的发射模块进行数据的 采集、中继转发。远程联网部分负责和上位p c 机进行远程通信，主要 负责将消防信息通过c s m g p r s 公网进行远程传输，以及接收上位机的 一些设置和控制命令，并进行解析转发。所以系统网络的构建分为对三 大设备的研发，下面就简单介绍这三大设备的主要功能。 1 基于3 1 5 ma s k 的无线中继器的研发 无线中继器负责收集前端无线光电式感温感烟探测器的消防报警 信息，并将信息通过大功率的3 1 5 ma s k 无线方式将信息进行转发。发 送和接收均采用地址、数据编解码形式以区分数据的发送目的地及数据 的来源。 2 基于3 1 5 ma s k 的无线终端的研发 无线中继器只是负责信息的中转，最终要将信息汇集到无线终端。 所以无线终端首先要完成的工作就是接收来自各个无线中继器的数据， 并对来自不同中继器的数据进行区分，打成规定格式的数据包，将信息 通过本设备的2 3 2 接口将信息上传给远程联网设备。这样本设备就和无 线中继器构成了一个小范围的无线网络。 此外无线终端还负责远程联网设备和无线控制器之间的数据中转。 首先无线终端要接收远程联网设备下发的控制命令以及一些设置命令 并进行解析，然后通过本设备的无线接口以一定的数据绑议格式将信息 下发给无线控制器，同时要接收无线控制器上传的状态等信息，并按照 规定协议进行解析后再按照和上位机通信的协议将信息上传给远程联 北京交通大学硕十学位论文第幸绪论 网设备。 3 基于g p r s ，c s d ，s m s 的远程联网设备的研发 远程联网没备利用g s m g p r s 公网，负责系统内部的远程数据传 输，是连接前端数据的采集转发部分和消防中心的中间节点。首先得选 用合适的g s m c p r s 模块作为远程传输设备，之后借助m p u 在其基础 上进行二次开发，通过a t 命令进行拨号连接、数据传输等，并制定合 适的通信协议便能够和消防中心的上位p c 机进行很好的数据交换。其 次本联网设备还得和下位机通信，所以还得留有2 3 2 接口，并制定相关 的传输协议： 第二章消防网络中的无线传输技术 2 13 1 5 ma s k 方式无线接收发送 采用声表器件的3 1 5 m 发送接收电路频率稳定度极高，电路相对简 单，而a s k 方式又使得电路非常容易和单片机接口，广泛应用于车辆 监控、工业数据采集系统、安全防火系统、无线遥控系统、小型无线数 据终端生物信号采集、机器人控制、等领域中。3 1 5 m 的接收发送原理 使得上述应用简单、可行、可靠，下面章节介绍发送接收机理。 2 1 13 1 5 ma s k 发射 早期的发射机较多使用l c 振荡器，频率漂移较为严重，频率稳定 度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保 证已调好的频点不会发生偏移。声表器件的出现解决了这一问题，其频 率稳定性与晶振大体相同，而其基频可达几百兆甚至上千兆赫兹。无需 倍频，与晶振相比电路极其简单。 同时，采用a s k 调制方式，可以降低发射电路的功耗，当数据信号 停止发射时其发射电流降为零，可以延长电池及其他元器件的使用寿 命。3 1 5 m h z 的工作频率其频率稳定度优于l o ，使用中无需调整频点。 例如罔2 1 两个电路为常见的采用声表器件的发射机电路，由于使用了 声表器件，电路工作非常稳定，即使手抓天线、声表或电路其他部位， 发射频率均不会漂移。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。 北京交通大学顶十学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 图21 简单的不带编码的发射机电路 以| 二两个发射电路均未设编码集成电路，而右图增加了一只数据调 制三极管，这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电 路及单片机接口，而不必考虑编码电路的t 作电压和输出幅度信号值的 大小。比如用”2 2 6 2 或者s m 2 2 6 2 等编码集成电路配接时，直接将它 们的数据输出端接至发射模块的的输入端即可，如图2 _ 2 所示： 图22 带编码的发射原理 2 1 2 超再生，超外差接收 接收机可采用超再生或超外差方式进行解调，解调后的信号可以通 过专用解码芯片进行解码，将信号转换成并行信号供单片机等电路识 别。两种方式各有优缺点，适用于不同场合。 j j 北京交通大学硕十学位论文 第二璋 消防网络中的无线传输技术 2 1 2 1 超再生接收电路 超再生解凋电路也称超再生检波电路，它实际上是工作在间歇振荡 状态下的再生检波电路。一般再生检波电路在中波段 ：作时灵敏度很 高，所以常用来制作简易晶体管收音机。对于工作于短波段的无线遥控 或通信设备，再生检波稳定性一般不符合要求。但超再生检波在短波段 却具有很高的灵敏度，在接收弱信号时放大率可达几十万倍。因此，对 于希望电路简单、灵敏度高，而对选择性和信噪比要求不高的简单无线 遥控通信设备，超再生检波电路还是颇有实用价值的。通常超再生接收 机的灵敏度约8 5 。9 5 d b m ，所用器件比超外差要多，稳定性差，但是 价格要比超外差便宜很多。 超再生检波电路实际上是一个受间歇振荡控制的高频振荡器，这个 高频振荡器采用电容三点式振荡器，振荡频率和发射器的发射频率相一 致。而间歇振荡又是在高频振荡的振荡过程中产生的，反过来又控制着 高频振荡器的振荡与间歇。而间歇振荡的频率是由电路的参数决定的 ( 一般为1 百到几百千赫) 。这个频率选低了，电路的抗干扰性能较好， 但接收灵敏度较低，反之，频率选高，接收灵敏度较好，但抗干扰性能 变差。超再生检波电路有很高的增益，在未收到控制信号时，由于受外 界杂散信号的干扰和电路自身的热骚动，产生一种特有的噪声，叫超噪 声，这个噪声的频率范围为o 3 5 k h z 之间。在无信号时，超噪声电平 很高，经滤波放大后输出噪声电压；当有控制信号到来时，电路谐振， 超噪声被抑制，高频振荡器开始产生振荡，输出信号。图2 3 是常用的 超再生接收模块电路原理图，图中q 1 等组成高放电路，q 2 及相关元件 组成超再生检波电路，检出的控制信号经两级运放进行放大处理后，从 输出端输出接收到的无线信号。 北京交通大学硕士学位论文 第_ 章消防网络中的无线传输技术 图23 不带解码的超再生接收机电路 这种电路的优点在于： 1 天线输入端有选频电路，而不依赖天线的选频作用，控制距离 较近时可以剪短甚至去掉外接天线。 2 输出端的波形在没有信号时比较干净，干扰信号为短暂的针状 脉冲，而不象其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰 能力较强。 3 模块自身辐射极小，如果在电路模块背面加上网状接地铜箔的 屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。 4 采用带骨架的铜芯电感将频率调整到3 1 5 m 后进行封固，这与采 用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动 性能都有极大改善。 2 1 2 2 超外差接收电路 超外差式解调电路与超外差收音机相同，它是设置一本机振荡电路 北京交通人学硕十学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 产生振荡信号，与接收到的载频信号混频后，得到中频( 一般为4 6 5 k h z ) 信号，经中频放大和检波，解调出数据信号。由于载频频率是固定的， 所以其电路要比收音机简单一些。 超外差接收机灵敏度可达一l o o 1 0 4 d b m ，而且外围元件少，集成 化程度高，适合大规模生产。超外差接收机有声表稳频和l c 稳频的两 种，采用l c 稳频的灵敏度高可达一1 0 4 d b m ，但是稳定性稍差，而声 表稳频的灵敏度约一1 0 0 d b m ，稳定性好。 超外差接收机对天线的阻抗匹配要求较高，要求外接天线的阻抗必 须是5 0 欧姆的，否则对接收灵敏度有很大的影响，要尽可能减少天线 根部到发射模块天线焊接处的引线长度，如果无法减小，可以用特性阻 抗5 0 欧姆的射频同轴电缆连接。图2 4 是典型的不带解码的接收机电 路图。 址：c 图2 4 不带解码的超外差接收机电路 2 1 2 3 超再生与超外差比较 超再生式接收机具有电路简单、成本低廉的优点所以被广泛采用 9 北京交通人学硕士学位论文 第一章 消防网络中的无线传输技术 f 超外差接收机价格较高，温度适应性强，接收灵敏度更高，而且_ 作 稳定可靠，抗干扰能力强，产品的一致性好，接收机本振辐射低，无二 次辐射，性能指标好，容易通过f c c 或者c e 等标准的检测，符合丁业 使用规范。 超再生和超外差电路性能各有优缺点，分别适用于不同场合。超再 生电路成本低，功耗小，可达1 0 0 u a 左右，调整良好的超再生电路灵 敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差 不多。然而，超再生电路频率受温度漂移大，从而降低了抗干扰能力。 超外差式接收机优点是频率稳定，抗干扰能力好，和单片机配合时性能 比较稳定，接收灵敏度比超再生相对较高，缺点是价格稍高于超再生接 收机，而且近距离强信号时可能有阻塞现象。 2 12 4 合理的抗干扰机制 无论采用何种接收电路，解凋后的串行数据都必须进行解码，才能 得到正确的数据：模块一般要和单片机或专用编解码芯片相结合进行编 解码，由于本发射接收模块的特点，不管模块和什么相结合，都必须采 用适当的机制来提高抗干扰能力。 1 合理的通讯速率 数据模块的最大传输数据速率为9 6 k b p s ，一般控制在2 5 k 左右， 过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作。 2 合理的信息编码格式 单片机和模块工作时，通常自己定义传输协议，不论用何种调制方 式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响到数据的可靠收发。 建议使用以下的数据格式：前导码+ 同步码+ 数据帧。前导码f 乏度应大 r1 0 m s ，以避歼背景噪声，凶为接收模块接收到的数据第一位极易被 北京交通人学硕十学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 干扰( 即零电平干扰) 而引起接收到的数据错误。所以采用c p u 来进 行编解码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰。同步码主 要用于区别于前导码及数据。有一定的特征，好让软件能够通过一定的 算法鉴别出同步码，同时对接收数据做好准备。数据帧不宜采用非归零 码，更不能长o 和长1 。采用曼彻斯特编码或p o c s a g 码等，如图2 5 的数据格式有一定检错功能： 解码说明： 1 一一检测1 “沿 2 一一为i ，o w 时出错 3 一一读数据 4 一一为h i g h 时出错 5 一一柃测下一位( = 1 ) t e = 1 波特率 图2 5 具有一定纠错功能的数据格式 2 2 g s m 上所承载的几种无线数据业务 c s m 标准自1 9 9 2 年投入商用以来，得到不断的验证和发展。近年 来越来越多的g s m 网络运营商引入移动数据业务，g s m 无线数据业务 使得人们不受空间、地域的限制，随时随地获取所需的信息，它是数据 通信技术和移动通信技术的结合。而将这些无线数据业务运用到远程无 线监控系统中无疑是对现有网络资源的最大利用。 正在演进的g s m 系统将提供更为强大的数据业务功能，与此同时 无线数据业务的范畴也在不断地拓展。对无线数据通信业务，c s m 技 术在多个方面进行了调整，提供了短信息数据业务、电路交换型数据业 务和分组交换型数据业务。下面对不同类型的数据业务进行简单地阐 翔 勋 数 数 北京变通大学硕士学位论文第二幸消防网络中的无线传输技术 述，并说明其在无线通信中的优缺点及各自适合使用的场合。 2 2 1基于电路交换网的c s d 数据业务 电路交换型数据业务是在g s m 的第一阶段所提出的数据业务实现 方式。电路交换型的数据承载技术是将数据信息调制在话音信道上并在 数据通信网人口处进行解调的方式。主要包括c s d 和h s c s d 。 用户利用此类型业务进行数据通信，首先需要进行数据呼叫，在对 方回答了该呼叫后连接建立。这个过程大概需要花费1 0 秒2 0 秒的时 间连接，建立连接后的通信双方不管有无数据传输都独占无线信道资 源，占用的无线信道资源直至本次数据通信结束才能被释放为其他通信 用户所用，这造成无线信道资源的极大浪费，并且在此通信期间用户需 要按时付费。 利用电路型数据业务进行无线数据通信，虽然能满足实时性要求， 但由于目前g s m 网络实行的是双向收费体制，其通信费用很高，如果 涉及到长途或漫游，费用就更昂贵。 1 c s d 该技术使用户通过u d i ( u n r e s t r i c t e dd 西t a li n f o r m a t i o n ) 传送其 9 6 k b i l s 或1 4 4 k b i “s 的承载数据，在移动交换中心( m s c ) 的数据功 能模块1 w f ( i n t e r w o r k i n g f u n c t i o n ) 采用m o d e 二方式( p s t n 接口) 或 者i t u v 1 l o 标准( i s d n 接口) 将其适配到6 4 k 信道上，冉由接人 服务器从6 4 k 信道中提取出9 6 k b i t ，s 或1 4 ，4 k bit s 的承载数据，然 后接入到因特网。其特点主要是： 接入时间较长：c s d 方式的接人过程需要呼叫建立、m o d e m 协商、p p p 协商等过程，因此建立时间在l o s 一2 0 s 。 传输速率低：该技术受限于单个无线信道的数据带宽，最高速 北京交通_ 人学硕十学位论文第二章消防酬络中的无线传输技术 率只能达到9 6 k 或1 4 4 k ，如支持1 4 4 k 需要进行一定的软件升级或 配置修改。 连接建立后数据传输时延较小：由于该技术在完成接入到断开 连接的过程中，一直保持无线和固定信道，因此数据传输的过程中排除 了信道建立的和释放的过程，使时延在无拥塞情况下可控制在2 0 0 m s 左右。 信道资源利用率较低：由于接人后一直占用无线和固定信道， 在无数据传输的过程中信道资源也无法被其他用户复用，因此资源利用 率较低。 不支持网络发起。 2 ，h s c s d 该技术是为g s m 利用l s d n 而设计，因此最大速率受限于6 4 k ，信 道编码方式有9 6 k 和1 4 4 k 两种，空中可实现最多8 个信道捆绑，因 此速率有较大提高，上下行信道可不对称分配。h s c s d 和c s d 类似， 具有如下特点： 接人时间较长：h s c s d 的接入时间与c s d 相近。 传输速率较高：因实现了多个空中信道的捆绑使用，使该技术 的速率最高可达5 7 6 k ( 9 6 。6 1 4 4 4 4 ) 。 连接建立后数据传输时延较小。 信道资源利用率较低。 不支持网络发起。 2 2 f 2基于信令网的s m s 数据业务 该类技术利用信令信道资源的余量提供业务，使信令资源的利用率 北京交通人学硕士学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 得到了很大提高，且可与数据或话音业务同时传送，主要是s m s 短消 息数据业务。 g s m 短信业务以数字蜂窝终端发送和或接收字母数字消息的能力 为基础，与普通的寻呼业务不同的是，g s m 短消息的传递是有保证的。 即使一个目的蜂窝终端小可达( 比如关机或不在服务区内) ，网络电会 保留发送给它的消息并当蜂窝终端又出现在网络中后传递。短消息分为 两类小区广播消息( c b s ) 和点到点短消息( s m s ) 。在点到点短 消息服务中，消息可以从一个移动台或从一个p c 到另一个移动台，或 者相反。这些消息由短消息中心( s m s c ) 来保存，并在可以传递时转 发消息。c s m 系统支持用户点对点的短消息( s m s p p ) 和小区广播型 短消息( s m s c b ) 两种业务，本系统中只用到了点对点的短消息服务。 2 2 f 2 ，l 点对点s m s 服务的网络结构 s m s 网络结构的主要部分见图2 6 ：在确定一个移动台终结短消息 的路由时，s m s c 把短消息发送到短消息业务网关移动交换中心( s m s g m s c ) 。s m s g m s c 向目的移动台的归属位置寄存器( h l r ) 询问 路由信息并把信息发送到合适的移动交换中心( m s c ) ，由该m s c 把 消息发给目的移动台。相反，当确定一个移动台发起的短消息、路由时， 移动台根据全球称谓( g l o h a lt i t l e ) 寻址到需要的s m s c 。如果是在外 漫游，被访问的移动网把短消息路由到合适的短消息业务互连移动交 换中心( s m s 1 w m s c ) 。 图2 6s m s 的主体网络结构 点对点的短消息可以在用户之间传送信息，它这是通过两种基本机 北京交通人学硕十学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 制来实现的。 ( 1 ) 移动台接收点对点短消息( s m s m t p p ) 。它说明了从短消息服 务中心( s m s c ) 向移动用户( m s ) 发送短消息的机制。 ( 2 ) 移动台发送点对点短消息( s m s m o p p ) 。它说明了一个移动 用户( m s ) 通过短消息服务中心( s m s c ) 向一个短消息实体 ( s m e ) 发送短消息的机制。 这两种机制保证了短消息传送的双向性，为灵活的使用短消息、f e 务 提供了可能。这两种机制的具体处理过程是移动台( m s ) 发起一个短 消息业务，这个信息通过信道传送到移动服务交换中心( m s ( ：) ，移动 服务交换中心根据来访位置寄存器( v l r ) 的信息向移动台提供服务并 且将短消息传送到与短消息服务中心接口的网内互联移动服务交换中 心( s m s 1 w m s c ) ，s m s 1 w m s c 查询归属位置寄存器( h l r ) 的 信息将短消息送到相应的短消息服务中心( s m s c ) ，最后由短消息服 务中心将短消息递交给相应的短消息实体，这个实体可以是移动台、固 定网中的用户或是另一个短消息服务中心，这样就完成了一次移动台发 送短消息服务。移动台接收一个短消息，这个过程相对前一个可以说是 一个相反的过程，只是其中涉及的实体有所不同。具体过程是短消息服 务中心将短消息发送到与其接口的移动服务交换中心( s m s c m s c ) ， 这个移动服务交换中心查询归属位置寄存器( h l r ) 的信息得到月前移 动台所在移动服务交换中心( m s c ) 的地址并将短消息发送到相应的 m s c ，s g s n ，m s c 再查询相应的来访位置寄存器得到移动台的信息，最 后将短消息转发给目的移动台，从而使移动台完成一次短消息的接收。 根据上述的过程可以得到短消息传输的基本网络结构，如图2 7 所示。 北京交通大学硕+ 学位论文 第二章消防网络中的无线传输技术 图2 7 短消息传输的基本网络结构 点对点短消息是g s mp h a s e l 标准定义的业务，它通过信令信道传 送，在无业务信道呼叫时使用独立专用控制信道( s d c c h ) ，有业务信 道呼叫时使用慢伴随控制信道【s a c c h ) ，最大消息长度为1 4 0 字节或 1 6 0 字母数字。其具体实现如图2 8 所示。 图28 短消息业务的实现 2 2 2 2 点对点s m s 服务的协议结构 在短消息服务中心( s m s cj 和移动台( m s ) 中短消息服务的协议 共分为四层：短消息应用层( s m a l ) 、短消息传输层( s m t l ) 、短 消息中继层( s m r l ) 以及短消息低层( s m l l ) 。 ( 1 )s m a l 层 s m a l 层主要是向s m t l 层提供用户数据并且在用户数据大于一 次短消息所能传送的最大数据长度时自动的拆分用户数据。 ( 2 )s m t l 层 s m t l 层向s m a l 层提供服务，使s m a l 层可以在传送短消息 1 6 北京交通大学硕士学位论文第：章消防网络中的无线传输技术 到对等的实体同时还可以接收来自对等实体的短消息或接收来自服务 中心的报告信息，为了跟踪这些信息和报告，在s m a l 和s m t l 之间 的原语中包含一个短消息指示( s m i ) ，它是和原语相关的消息参考值， 该s m i 在s m t l 和s m a l 之间互相映射，由于s m i 不会在实体之间 传送，因此在m s 和s m s c 中的s m i 可以是不同的。 s m t l 层对s m a i 层的用户数据进行封装，添加相应的地址和控 制信息，形成s m t l 层的协议数据单元( t p d u ) ，s m t l 层共包含有 六种协议数据单元( t p d u ) ，分别为： 短消息递交( s m s d e l i v e r ) ，从s m s c 向m s 传送短消息； 短消息递交报告( s m s d e l i v e r r e p o r t ) ，传送失败原因和一 些信息； 短消息发送( s m s s i7 b m i t ) ，从m s 到s m s c 发送短消息； 短消息发送报告( s m s s u b m 一r e p o r t ) ，传送失败原因和一些 确认信息； 短消息状态报告( s m s s t a t u s r e p o r t ) ，从s m s c 向m s 传送 状态报告； 短消息命令( s m s c 0 m m a n d ) ，从m s 向s m s c 传送命令。 短消息发送协议数据单元( s m s s u b m j t ) 主要结构如表2 1 所示。 表2ls m t l 层中的s m s - s u b m i t 的t p d u 结构 定义 信息类型指示 副本拒绝指示 有效期格式 回复路径 作用 描述t p d u 是上述六种p d u 格式的哪一种 是否接收具有相同t p m r 和t p d a 的短消息 指明在t p v p 域中使用数据的格式 指明对回复路径的请求 j 7 r ) 叫p号枷舢一坩鸺限限限限 北京交通大学硕j ：学位论文第章消防蛐络中的无线传输技术 1 p d c s t p v p t p u d i t p u d 用户数据头指示指明在t p u d 中是否包含头指示 状态报告请求指明m s 是否需要状态报告 信息参考值用于鉴别s m s s u b m r r 目的地址s m e 终端地址 协议指示指明所用的高层协议 数据编码格式 短消息有效期 用户数据长度 用户数据 指明在t p u d 中数据采用的编码格式 指明数据的有效期 指明在t p u d 巾的用户数据长度 用户数据 在t p d c s 中使用的编码方式的不同，t p u d 数据区可“使用 7 b i t 、8 b j t 和1 6 b i t 三种编码方式，同时信息类型也分为c l a s s o 到 c l a s s 3 四类信息。由于数据区编码方式的不同和用户数据是否存在数 据头，t p u d 所能带的用户数据是不同的。在没有用户数据头时，t p u d 的总长度为1 4 0 个字节，使用7 b i t 编码方式可以携带1 6 0 个字符的数 据，使用8 b i t 编码方式可以携带1 4 0 个字符，而使用1 6 b i t 编码方式 只能携带7 0 个字符的数据。在有用户数据头的时候，情况就比较复杂， 一般来说所支持的用户数据要小于无数据头的情况，由于在实际使用中 一般使用无用户数据头的短消息，因此在这里对于有用户数据头的情况 就不进行详细说明。 ( 3 )s m i l 层 s m r l 层向s m t l 层提供服务，使得s m t l 层可以传送t p d u 到 相应的实体同时从相应的实体接收t p d u 以及接收前一个发送的t p d u 的报告信息。为了能够追踪和记录传送的t p d u ，在s m t l 层和s m r l 层之间的服务原语中包含一个指示t p d u 的参考值s m i 。s m r l 层中 有一个控制短消息传送的实体s m r ，s m r 将s m t l 层的t p d u 数据打 包形成s m r l 层上的数据r p d a t a ，再利用s m l l 层提供的服务在 对等的实体之间传送短消息。 叶m m 队哪慕：蛐 什即口m m j t 京交通大学硕士学位论文第二章消防网络中的无线传输技术 ( 4js m l l 层 这一层包括c m 子层、m m 子层、r r 子层、l l c 子层等，主要完 成数据的处理、信道的选择等功能，以便将短消息通过无线信道发送出 去。其中的c m ( 连接管理) 子层向s m r l 层提供服务，c m 予层提供 的服务是通过其中的s m c ( 短消息服务控制) 实体完成的，c m 子层一 般有两个s m c 实体，这样就可以在发送短消息的同时不影响短消息的 接收。图2 9 所示的就是短消息服务的协议层次结构。 图2 ，9 短消息服务的协议层次结构 22 _ 2 3 s m s 服务的特点 信息承载能力差：每条s m s 所能携带的信息量为1 4 0 b v t e ( 1 6 0 个7 b i t 拉丁字符或7 0 个8 b i t 非拉丁字符) ，扩展短信( e m s ) 的承载能 力有了一定的加强，可将最大2 5 5 条短信进行串接，最多可承载2 5 5 1 4 0 约3 8 k h v t e 的信息： 传输速率低：短信利用独立专用控制信道s d c c h ，该信道带宽 为1 ，2 k b p s ，因此传输速率较低。 实时性较差：当进行s m s 传输时，移动终端与网络之间要进行 无线信道建立、认证以及加密模式的协商等复杂的过程，大约需要3 4 s 北京交通人学硕学位论文第二章 消防刚络中的无线传输技术 时间，且短信采用存储转发机制，其实时陛较差。 可实现网络发起：短信的最大优势就是支持m 0 和m t 两种模 式，可很容易地实施p u s h 业务。 提高了资源利用率：有效地利用信令资源提供业务，提高 r 资 源利用率。 2 2 _ 3基于通用分组交换网的g p r s 数据业务 2 2 t 3 1g p r s 概述 通用兀线分组业务( ( ；e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c eg p r s ) 是g s m 网 络为提供真正的无线分组接入而设计的一项新业务。能提供比现有g s m 网9 6 k b i t ，s 更高的数据率。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、 突发结构、无线凋制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此， 在( 焉m 系统的基硎f 上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件 都不需要作硬件改动，只需作软件升级。构成c p r s 系统首先要在g s m 系统中引入3 个主要组件，然后对g s m 的相关部件进行软件升级。这 三个主要组件是g p r s 服务支持结点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n g n o d e ) 、g p r s 网关支持结点( g g s n ，g a t e w 8 yg p r ss u p p o r fn o 拈) 、 分组控制单元( p c u ) 。c p r s 系统原理如图2 1 0 所示。 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。 e p r s 的业务主要有以下几个方面： 北京交通大学硕士学位论文第二章消坊网络中的无线传输技术 图2 + 1 0c p r s 系统原理图 1 承载业务 支持在用户与网络接人点之间的数据传输的性能。提供点对点业 务、点对多点业务两种承载业务。 ( 1 )点对点业务( p 1 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。 ( 2 )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。c 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。包括有i 种胛m 业务：点对多点广播 ( 门m m ) 业务是将信息发送给当前位于某一地区的所有用户的 业务。点对多点群呼( 町m g ) 业务是将信息发送给当前位于某一 区域的特定用户子群的业务。i p 多点传播( i p m ) 业务是定义为 i p 协议序列一部分的业务。 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i ) r 1 1