（计算机应用技术专业论文）基于gsm通信方式的水情遥测系统研究与应用.pdf

河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 摘要 水情遥测系统是当前我国大力推进的水利信息化的重要组成部分之一。水情遥测 系统主要对水情信息进行采集和处理，并做出准确的预报和调度。对水情遥测系统中 使用的通信方式进行研究，对于保障水利系统的正常运行，具有十分重要的意义。现 有的水情遥测通信方式有多种类型，它们在通信质量、适应条件、覆盖范围、地理环 境、建设成本及运行费用、实时性等方面各有优缺点。 为了更好地进行水情信息传输，本文提出一种基于g s m 通信方式的水情遥测系 统，通过使用g p r s 蜂窝电话，采用g s m 短消息、g p r s 短消 息、g p r s 数据业务、 电路型数据业务和语音通道等多种移动通信方式，为水情数据的传输提供了新的解决 途径。 本文探讨了水情遥测系统的组成结构，现有的各类水情数据通信方式的优缺点， 以及多种移动通信方式，并比较各种水情通信方式的优缺点；分析在水情遥测系统中 使用g p r s 蜂窝电话的可行性及其选型原理等情况，并着重探讨了基于g s m 通信方 式的水情遥测系统的组成结构、工作原理及中心站、遥测站等，改进遥测站结构，并 给出改进后的遥测站的实验电路图。最后，给出系统通信主程序的模块结构和关键程 序，并进行了实验仿真。此外，本文还探讨了使用语音通道时，单片机进行c p f s k 的调制原理。 关键词：g s m 、g p r s 、短消息、水情遥测系统、蜂窝电话 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 a bs t r a c t t h e h y d r o l o g y t e l e m e t r i c s y s t e m i sa n i m p o r 。m n tc o m p o n e n t o f i n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt h ef i e l do fw a t e rc o n s e r v a n c y i no r d e rt om a k ea c c u r a t e p r e d i c t i o na n dm a n a g e m e n t ，t h eh y d r o l o g i c a l i n f o r m a t i o ni sc o l l e c t e da n d p r o c e s s e d i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a tr e s e a r c ho nt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o dc a n e n s u r ew a t e rc o n s e r v a n c ys y s t e mw o r kn o r m a l t h o s ec o n n u n i c a t i o nm e t h o d su s e d h a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h o s ea s p e c t s ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n q u a l l t y ，a d a p t a t l o nc o n d l t l o n ，c o v e r z n gs c o p e ，g e o g r a p h ye n v l r o n m e n t ， c o n s t r u c t i o na n dw o r k i n gc o s t ，r e a lt i m eq u a l i t y ，e t c i no r d e rt om a k et h et r a n s p o r to fh y d r 0 1 0 9 i c a li n f o r m a t i o nb e t t e r ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dg s mc o m m u n i c a t i o nm e t h o d si nt h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i c s y s t e m ，u s i n gg p r sc e l l p h o n e ，b yt h o s em o b i l ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ，s u c h a sg s ms m s ，g p r ss m s ，g p r sd a t as e r v i c e ，c i r c u i td a t as e r v i c e ，t o n ec h a n n e l ， e l e t h is d i s s e r t a t i o ns u g a r i z e d t h ec o n s t i t u t eo f h y d r 0 1 0 9 y t e l e m e t r i c s y s t e m ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ，a n dc o m p a r e dt h e m w i t ht h o s et r a d i t i o n a l m e t h o d s a f t e ri n t r o d u c e dt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do f u s i n g g p r sc e l1 一p h o n ei sd i s c u s s e d ，ah y d r o l o g yt e l e m e t r i c s y s t e mb a s e d o ng p r s m o b i l ep h o n ei s s t r u c t u r e d ，p l a n n e d ，a n dd e s i g n e d ，t h ec e n t r a ls t a t i o da n d r e m o t es t a t i o n sa r er e a l i z e d ，s o m ei m p r o v e m e n ta n dac i r c u i tg r a p ho ft h e s t r u c t u r eo fr e m o t es t a t i o n si sg i v e n f i n a l l y ，t h em a i ns t r u c t u r ea n ds o m e i m p o r t a n tp a r to fs y s t e mc o m m u n i c a t i o np r o g r a mi sg i v e n 。t h i sd i s s e r t a t i o n a l s op r o b e dt h ec p f s km e t h o du s i n gm c u k e yw o r d s ：g s m ，g p r s ，s m s ，h y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m ，c e l 卜p h o n e i i 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g s w 通信方式的水情遥测系统研究与应用 第一章绪论 1 1 研究的目的 水利事业直接与国家经济建设、人民生命财产安全有着密切的联系，是一件关系 国计民生的大事。为了保障水利系统的正常运行，必须能够及时准确地了解水情信息。 信息化的发展，是当今世界经济和社会发展的趋势，也是关系我国产业优化升级和实 现工业化、现代化的关键环节。水情遥测系统是当前我国大力推进的水利信息化的重 要组成部分之一。 水情遥测系统往往放置于远离城市的偏远地方甚至野外，环境恶劣，缺乏高素质 的维护人员，为系统的建设、维护、检修等带来了很大的困难。这给水利信息化的建 设及推广带来了相当大的难度。水情遥测系统是一个庞大复杂的系统，而通信方式又 是水情遥测系统中的重要方面之一。 现有的水情遥测通信方式有多种，它们受到通信质量、通信条件、通信范围、地 理环境、建设成本及运行费用、实时性等多方面因素的制约，各有优缺点。为了更好 地进行水情信息传输，在水情遥测系统中探讨采用新的通信方式，寻找新的通信解决 途径，具有重要的意义。 本文提出了一种基于g s m 通信方式的水情遥测系统，通过使用g p r s 蜂窝电话 作为通信设备，利用移动通信运营商的专用网络，使用多种移动通信方式传输水情数 据。它可以解决目前在水情遥测通信中存在的很多实际问题，更好地实现水情数据的 传输。 本课题成功完成之后，可以很好地应用到实际的水情遥测系统中，也可以经过适 当改造后用于其它系统中，如远程监控、数据采集、交通管理系统、移动p o s 系统 等，因此具有理论和实用价值。 1 2 研究的技术背景 基于g s m 通信方式的水情遥测系统可以采用g s m 短消息、g p r s 短消息、g p r s 数据业务、电路型数据业务和语音通道等多种移动通信方式传输水情数据。 g s m ( 全球移动通信系统) 在全国范围内已经实现了联网和漫游，网络覆盖范围 广。g s ms m s ( 短消息业务) 是g s m 提供的主要电信业务，它通过信令信道进行传输， 经s m s c ( 短消息业务中心) 完成存储和转发，每个短消息的信息量限制为1 4 0 个字节。 作为g s m 系统上的一项增值业务，s m s 具有安全有效、透明度高、双向信息传输、 支持的用户数多等优点。g s m 短消息已经广泛应用于多种行业，技术上比较成熟。 不过，它的主要问题是实时性有时得不到保证，这在平时对水情数据传输影响不大， 在汛期则会带来一定问题。 1 9 9 3 年，也即g s m 网络在欧洲剐刚开通一年之时，英国b tc e l l n e t 公司提出了 g p r s 技术。e t s i ( 欧洲电信标准化协会) 对g p r s 的标准化工作始于1 9 9 4 年，】9 9 7 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 年取得重大进展，同年1 0 月，e t s i 发布了o s m 0 2 6 0g p r s p h a s e i 阶段的业务描述。 目前，e t s i 已完成了g p r s 的p h a s e l 和p h a s e 2 阶段的标准化工作。全球2 0 0 多个最 大的运营商都选择了g p r s 网络。2 0 0 2 年5 月1 7 日，中国移动通信公司同时在全国 所有省、直辖市、自治区的2 4 0 多个主要城市正式开通了g p r s 业务，并于2 0 0 3 年4 月1 日在全网范围内与香港数码通、香港和记、台湾大哥大公司开通g p r s 国际漫游 业务。g p r s 以端对端分组交换传输方式提供了一组新的承载业务，同时，它并不妨 碍用户使用其他的g s m 业务。使用g p r s 短消息、g p r s 数据业务等方式传输水情 数据，可以更好地发挥g p r s 网络的优势，提高水情数据传输的数量和质量。 另外，使用电路型数据业务和语音通道等移动通信方式，同样可以达到传输水情 数据的目的。 1 3 研究的主要工作 搜集有关资料，阅读有关水情遥测系统方面的文献，并对现有的水情数据传输 方式进行了解与分析； 跟踪移动通信市场，通过市场调查，对移动通信运营商提供的服务进一步认识， 并根据实际的选型需要，在市场上找到适合系统要求的服务与产品： 阅读有关移动通信书籍和资料，阅读g s m 、g p r s 、p p p 、u d p i p 等标准协议， 阅读单片机技术等相关资料，对可能用到的技术进行理论化的分析研究，加以汇总， 分析其特点，围绕如何使用g p r s 蜂窝电话进行水情信息传输作进一步试验研究： 构建一种基于g s m 通信方式的水情遥测系统，对整个系统进行规划设计，包 括水情遥测系统中的遥测站和中心站的实现，改进遥测站的结构，编程实现通信功能。 整理文档，完成论文答辩。 1 4 本文的内容和组织结构 第一章，绪论。介绍本论文研究目的、技术背景以及主要工作。 第二章，水情遥测系统及现有的水情遥测通信方式。水情遥测系统的组成结构 和各部分功能，以及现有的各类水情数据通信方式的特点。 第三章，移动通信方式。探讨g s m 短消息、g p r s 短消息、g p r s 数据业务、 电路型数据业务和语音通道等多种移动通信方式，比较多种水情通信 方式，分析使用单片机进行c p f s k 的调制原理。 第四章， 基于g s m 通信方式的系统设计。分析使用g p r s 蜂窝电话的可行性及 其选型原理等情况，并着重探讨了基于g s m 通信方式的水情遥测系统 的组成结构、工作原理及中心站、遥测站等，改进遥测站结构，并给 出改进后的遥测站的实验电路图。 第五章，基于g s m 通信方式的系统实现。给出系统通信主程序的模块结构和关 键程序，并进行实验仿真。 第六章，总结与展望。总结前面的工作，展望以后需进一步做的工作。 2 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 第二章水情遥测系统及现有的水情遥测通信方式 运用遥测、通信、计算机技术，完成江河流域降水量、水位、流量、蒸发量等数 据的实时采集、报送和处理的信息系统，称为水文自动测报系统，也称水情遥测系统。 水情遥测系统中的信息传输方式，称为水情遥测通信方式。 2 1 概述 水情遥测系统可在无人值守的情况下快速准确地将水情数据传递至中心决策机 构，使中心工作人员及时掌握水情信息，进行水情预报和优化调度，最大限度地减少 洪涝灾害损失，提高水资源利用率。该系统具有良好的社会效益和经济效益。 我国水情遥测系统的快速发展一方面是受到洪水事故的影响，另一方面是由于科 学技术的进步和我国改革开发政策的推动。早期的系统因受通信设备和电子元器件的 可靠性、稳定性等因素的影响，现已基本淘汰。我国在认真吸取国外先进技术的基础 上，研制出了较高技术性能的新型水情遥测系统。目前我国已研制的设备可无人值守， 并改善了野外供电、防雷等关键技术问题，平均无故障时间从初期的5 0 0 一1 0 0 0 小时 提高到目前的1 0 0 0 0 小时以上。但仍有不足，如用于水情遥测的传感器品种不足、通 信手段比较单一、硬件设备的可靠性、环境的适应性等方面有待于迸一步提高。 2 2 系统组成 水情遥测系统主要对流域范围内的水情信息进行采集和处理，做出准确的预报和 调度。水情遥测系统的基本功能包括：遥测，数据处理，预报，监控，通话等。在设 计时要考虑到系统需要具有较高的安全性和稳定性。安全性主要是防止来自系统内外 的有意和无意的损坏：稳定性是指系统能够不间断运行，即使出现硬件和软件故障， 系统也不能中断运行。 水情遥测系统一般由水情遥测站、遥测通信网、中继站( 可选) 及中心站等组成， 其基本组成结构如图2 1 所示。 图2 1 水情遥测系统基本结构图 ( 1 ) 水情遥测站 水情遥测站一般由r t u ( 远程终端单元) 、外部供电系统、避雷器、通信系统、各 种水情数据传感器等组成，通常采用定时和增量自报方式工作。 r t u 设备主要完成对水情数据信息的自动实时采集和存储，并通过各种通信方式 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 向中心站传送，接收遥控指令并发送数据，具有现场实时显示、存储数据、参数设置、 电源管理等功能。在r t u 设计时，要尽可能地降低功耗，另外，应该考虑到遥测站 的远程监控及远程升级功能，为今后系统的维护和升级奠定基础。 传统的r t u 结构如图2 2 所示。其中，m c u 单片机为主控芯片，通过运行相应 程序，控制r t u 工作。 图2 2 传统的r t u 结构图 ( 2 ) 中继站 在使用某些通信方式( 如短波、超短波等) 传输水情数据时，需要架设中继站。中 继站具有存储转发无线遥测数据的功能，能够确保遥测站与中心站之间可靠的数据双 向传输。当使用移动通信方式传输数据时，因为直接利用了移动通信运营商的专用网 络，故无需自己架设中继站。 ( 3 ) 遥测通信网 遥测通信网是遥测站与中心站间数据传输的通道，可靠、高效、标准的网络通信 协议和网络管理功能是非常重要的。可以采用多种通信方式构建系统的遥测通信网， 如有线、短波、超短波、移动通信、电力载波以及不同通信方式的组合等。 ( 4 ) 水情遥测中心站 水情遥测中心站一般设在防汛调度中心，主要功能是管理和监测各遥测站，通过 遥测通信网收集来自各遥测站的水情数据，并使用相应的信息处理软件，对接收到的 数据进行解调、存储和处理，为中心站计算机网上的各种水利应用软件和中心站系统 服务器提供有效的数据，也可以向相关遥测站发布指令等。 2 3 现有的水情通信方式 水情数据的采集，必须有可靠的传输方式。2 0 世纪7 0 年代以前，我国水情数据 的传输手段是很落后的，绝大多数地方采用人工电话、邮政电报方式，自动化程度较 低，人为影响因素较多，不能满足及时报汛的需要。1 9 8 0 年后，我国水情数据采集应 用了计算机技术，可以将水情数据经过邮电通信有线网、短波信道、超短波信道和卫 星信道等进行远距离传输处理，为各级防汛部门的各种决策提供较及时可靠的依据。 下面先就水情遥测系统中现有的几种通信方式进行分析【3 “。 4 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 2 3 1 邮电通信有线网 可以使用邮电通信有线网( 电话网) 传输水情数据。它的特点是投资省，无需自身 维护通道，配套设各简单便宜：其缺点是运行费用高，线路易受雷击和恶劣自然条件 的破坏，数据收集周期长。相应的水情遥测系统基本结构如图：3 所示。 图2 3 基于邮电通信有线网的系统结构图 2 3 2 无线通信方式 无线通信方式利用无线电波传输信息。在水情遥测系统中常用的无线通信方式包 括短波、超短波、卫星、流星余迹等。 ( 1 ) 短波通信 短波通信主要是通过电离层对电波的反射来实现的。短波通信有长距离、无中继 和不受地形影响、设备较简单( 相对于卫星通信) 、组网灵活的特点，但通信可靠性低 于其它通信方式。 ( 2 ) 超短波通信 超短波通信是目前我国水情遥测系统中应用最广泛、最成功的一种通信方式。基 于超短波通信的系统基本结构如图2 4 所示。 图2 4 基于超短波通信的系统结构图 超短波通信的质量介于短波和微波之间，具有一定的绕射能力，能在丘陵山区传 输组网。技术比较成熟，易于组建和运行维护。然而，超短波的传播会受地形和建筑 物的影响，传输距离受到限制，在传输距离较远和传输受到阻挡的情况下，必须设置 中继站。 ( 3 ) 卫星通信 随着卫星通信技术的发展和卫星地面站价格的下降，现在已有利用卫星通信技术 传送水情数据的系统，其中，卫星起中继的作用，地球站用来作基站或与用户相连。 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 卫星通信的特点是覆盖面积大，传输距离远，且对气候不敏感，传输质量好：适 用于多种业务，组网比较灵活：建设周期短。在一般无线网络覆盖不到的地方，例如 沙漠、森林地区特别适用。但由于卫星通信的终端设备复杂，费用较高，不利于普及。 ( 4 ) 流星余迹 流星余迹依靠进入大气层燃烧气化时产生的电离尾巴反射无线电波。流星余迹的 优点是传输距离可以较远，可安装在地形陡峭的地区。不过，由于它的背景噪音较大， 使用效果不理想。 2 4 本章小结 为了防洪预报和调度的需要，用户需要及时掌握流域内的水情信息。无人值守的 水情遥测系统使用户及时掌握水情信息成为可能。本章探讨水情遥测系统的组成结构 和各部分的功能，以及现有的各类水情数据通信方式的特点。在工程应用中，应根据 实际情况，在适应现场应用的需要和保证通信可靠性的前提下，在不同的场合选用不 同的水情数据传输方式，充分利用各通信方式的优势，扬长避短。 6 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g s m 通信方式的水情遥测系统研究与应用 第三章移动通信方式 在本文中，提出利用g p r s 蜂窝电话，使用g s m 短消息、g p r s 短消息、g p r s 数据 业务等多种移动通信方式，进行水情数据的传输，构建基于g s y i 通信方式的水情遥测 系统。 3 1 概述 蜂窝移动通信自2 0 世纪8 0 年代大规模投入应用以来，经过多年的发展，已呈现 出繁荣的局面。业界通常将蜂窝移动通信分为三代。第一代以2 0 世纪7 0 年代未出现 的模拟蜂窝移动电话和模拟无绳电话为代表：第二代以8 0 年代末开发的数字蜂窝、 数字无绳电话和卫星移动系统为代表；目前蜂窝移动通信正向着第三代移动通信系统 ( 3 g ) ，包括国际电联制定的国际移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 系列标准，以及欧盟制定的 通用移动通信系统( u m t s ) 标准，向着宽带化高速化的来来个人通信的方向演进。日本 一些国家又提出了第四代移动通信网( 4 g ) 的概念，并开始开发和研制。 3 2g s m 短消息 3 2 1 简介 g s m 是由欧洲e t s i 组织提出的第二代数字蜂窝移动通信系统标准，采用 t d m a f d m a 复用方式，以及数字化语音编码和数字调制技7 r ，以语音业务为主， 也支持无线的数据业务，是世界上使用最广、用户数最多、覆盏面积最大、技术上最 成熟的移动通信系统。全世界已有1 3 0 多个国家和地区建立了g s m 网络，实现全球 漫游。截至2 0 0 2 年9 月，我国的移动通信用户已经达到1 。8 8 亿，位居世界第一位， 其中绝大多数是g s m 用户。g s m 系统具有高频谱效率，安全性高，稳定性好，集成 度高，容量大，开放性的接口，抗噪音性能强，覆盖范围广等特点。 世界上第一条短消息是1 9 9 2 年1 2 月在英国通过沃达丰( v o d a f o n e ) 公司的g s m 网 络由p c 机向移动用户发送的。随着移动网络技术迸一步发展，短消息技术也在一步 一步升级。从最早的s m s ( 简单短消息) 到e m s ( 增强型短消息) ，现在又有了新的短消 息标准m m s ( 多媒体短消息) ，m m s 以2 5 g 或3 g 移动网络为基础，传送如动画、 语音等多媒体信息。 目前，已经开发出多种基于g s m 短消息的系统。如：基二f 短消息的移动车辆监 控定位系统；运用短消息进行机房监控、远程维护等系统：基子短消息的移动性数据 查询证券交易和信息查询；移动p o s 机，移动收费系统：数据采集系统的应用等等。 3 2 2 特点 g s m 短消息业务按其实现的方式分为c b s ( 小区广播短消息) 和s m s ( 点对点短消 息) 。本文中所使用的g s m 短消息是指s m s 。s m s 是在g s mp h a s e1 标准中引入的，是 移动终端通过移动网络收发简单短文本消息的一种通信杌制，是通过移动业务起始 7 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g s m 通信方式的水情遥测系统研究与应用 ( m 0 ) 和移动业务终止( m t ) 将一条短消息从一个实体发送到指定目的地址的业务，具有 收发由字符或数字组成、不超过1 4 0 字节文本信息的能力。 g s m 短消息采用存储转发模式，短消息发送后被首先存储在s m s c ( 短消息业务 中心) ，再由s m s c 根据寻找到的目标移动终端的路由信息发送给目标移动终端。g s m 短消息的传递是有保证的，即使一个目的移动终端不可达( 比如终端关机等情况) ，网 络还是会保留发给它的短消息，并在该移动终端重新出现在网络中后将短消息发给 它。 g s m 短消息使用的是公共信道信令，在空闲时通过s d c c h ( 独立专用控制信道) 传 输，在通话时通过s a c c h ( 慢伴随控制信道) 传输。g s m 中唯一不要求建立端对端连 接的业务就是短消息。g p r s 蜂窝电话可以在任何时候发送接收g s m 短消息，无论语 音或数据通信是否正在进行。 3 2 3 网络结构及传输过程 与g s m 短消息有关的网络结构如图3 1 所示。 图3 】g s m 短消息网络结构 g s m 短消息的传输过程为：当一个移动用p ( m s ) 想发送一条短消息时，要预先 正确设置好s m s c 的电话号码，编辑短消息，输入被叫用户电话号码，将短消息发出。 m s c ( 移动交换中心) 收到短消息后，查询v l r ( 访问定位寄存器) 获得正确信息，检查 短消息参数和目的地址无误，将短消息经由s m s c i w m s c 送往s m s c 。 s m s c - g m s c ( 短消息中心网关) 接收到来自s m s c 的短消息后，检查参数的正确性， 查询h l r ( 归属位置寄存器) ，然后根据获得的路由信息将短消息传送到m s c 。m s c 收到短消息后，查询v l r ，获得位置区域地址信息，最后将短消息发送到目的地m s 。 3 2 4 发送和接收模式 g s m 短消息的发送和接收模式共有三种：b l o c k 模式、t e x t 漠式和p d u 模式。文 本模式使用比较简单，但只能发送英文与数字，块模式已被取代。p d u 模式和t e x t 模式很相似，它将组装短消息t p d u 的任务留给应用系统完成，能发送中文，可以方 便地组构出更多复杂的短消息。不过，g s m 0 3 4 0 中定义的短消息协议数据单元( p d u ) 固定了各种首部域，效率不高，使得短消息的适应能力大打折扣。人们正在从3 g 规 范入手，寻求解决此问题的办法。目前大部分g s m g p r s 蜂窝电话都支持p d u 模式。 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g s m 通信方式的水情遥测系统研究与应用 3 2 5g s ma t 指令 常用的与g s m 短消息有关的g s m a t 指令定义在g s m 0 7 0 5 中，如表3 1 所示。 a t 指令功能 a r + c m g dd e l e t es m s m e s s a g e ( 从选中的存储区中删除短消息) a 1 r + c m g fs e l e c ts m sm e s s a g ef o r m a t ( 选择短消息的发送模式) a t + c m g ll i s ts m s m e s s a g ef r o mp r e f e r r e ds t o m ( 歹0 出短消息) a t + c m g rr e a ds m s m e s s a g e ( 读取短消息) 缸+ c m g ss e n ds m s m e s s a g e ( 发送短消息) a t + c m g ww r i t es m s m e s s a g et om e m o r y ( 向存储区中写入待发的短消 息) a 丁+ c m s ss e n ds m s m e s s a g e f r o ms t o r a g e ( 从存储区中发送短消息) a t + c n m in e ws m s m e s s a g ei n d i c a t i o n s ( 显示新收到的短消息) a t + c p m sp r e f e r r e ds m s m e s s a g es t o r a g e ( 首选的短消息存储区) a t + c s c as m ss e r v i c ec e n t e ra d d r e s s ( 短消息业务中心地址1 a r + c s m ss e l e c tm e s s a g es e r v i c e ( 选择短消息服务类型) 3 3g p r s 表3 1 常用的与短消息有关的g s m a t 指令 3 3 1 g p r s 概述 g p r s ( 通用无线分组业务) 是g s m 网络向第三代过渡的重要技术，通常称为 2 5 g 。g p r s 是由g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范定义实现的，是在现有g s m 系统上发 展出来的一种新的承载业务，是一种采用分组交换技术传输高速、低速数据及信令的 高效率数据传输方式，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 采用与 g s m 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则和帧结构。现有基站子系统( b s s l 可提供全面的g p r s 覆盖。 g p r s 可应用于多种领域，如：车辆管理以及智能调度；灾害遥测、告警及远程遥 控操作；提供v p n ( 虚拟专用网) 业务；网络应用业务等。 ( 1 ) g p r s 业务 g p r s 提供一系列新的承载业务，又称为g p r s 网络业务，主要包括点对点无连 接的数据业务、点对点面向连接的数据业务、点对多点的数据业务等，支持补充业务 和短消息业务，并且不妨碍用户使用其他的g s m 业务。g p r s 承载业务支持标准网 络层协议( 如i p 协议，x 2 5 协议等) ，所以用户可以使用p 报的形式通过g p r s 网络 进行数据传输本文的水情遥测系统正是利用g p r s 点对点无连接的数据业务进行水 情数据的传输，充分利用了g p r s 支持i p 协议和能访问外部数据网的特点实现的。 ( 2 ) g p r s 的特点 按量计费。g p r s 能够按照用户实际传输的流量进行收费，更加合理。 9 塑塑查堂堡主堡壅皇望些堡皇 苎! ! 竺望堕塑苎竺查竺里型至竺! 兰兰竺里 快捷登录，永远在线。g p r s 用户一开机，就始终连接在g p r s 网络上。每次 使用时只需执行一次激活过程，一般只需1 3 秒的时间就能够登录至互联网。 高速传输。g p r s 理论上可获得的最大数据传输速率为1 7 1 2 k b i t s ，它是在编 码方式为c s - 4 ，且无线环境好，信道充足的情况下实现的。 减少无线资源浪费。用户只有在进行数据传输时才占用系统资源；在没有数据 传输时，该用户原先占用的系统资源就会动态地分配给其它用户。 自由切换。g p r s 具有数据传输与语音传输可同时进行或自由切换的优势。 其它。g p r s 无线数据传输具有较强的保密性和可靠性，支：特前向纠错、自动反 馈重发、全程加密等功能。 ( 3 ) g p r s 的网络结构 图3 2 g p r s 的网络结构 g p r s 的网络结构如图3 2 所示。为了升级至g p r s ，g s m 网络侧n s s ( 网络子系 统) 需要新增设备s g s n 、g g s n ，以及新增节点与其它硬件设备相连接的接口。在 b s s ( 基站子系统) 侧，不需改动现有基站无线设备的硬件，但需要增加新的g b 接口， 用于与s g s n 相连。由于g b 接口采用帧中继，原有b s c 的电路交换设备无法使用， 需增加相应的硬件设备p c u ( 分组控制单元) ，用于分组数据的信道管理和信道接入控 制。 s g s n ( g p r s 业务支持节点) 的主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，进 行路由选择，建立移动终端和g g s n 的传输通道，接收用户数据，进行协议转换后通 过g p r s 骨干网传送给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。s g s n 可 集成计费网关、边缘网关和防火墙的功能，还可通过g 口接口与其它p l m n ( 公共陆地 移动网1 相连。 l o 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 g g s n ( g p r s 网关支持节点) 是用于接入外部数据网络的网关节点，可以由具有 n a t f 网络地址翻译) 功能的路由器承担内部瑾地址与外部合法i p 地址的转换。g g s n 将s g s n 转发过来的移动终端发送的数据，选路到相应的外部网络；或接收来自外部 网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通道，利用隧道( t u n n e l ) 技术，将数据 传送给相应的s g s n 。另外，g g s n 还可具有地址分配、计费、防火墙功能。 3 3 2g p r s 短消息 g p r s 除了能够提供各种数据承载业务，还能够承载短消息的传输。使用 a t + c g s i d s = ，可以设置移动台发送短消息的方式“。 ( 1 ) 传输过程 如图3 2 ( g p r s 的网络结构图) 所示，建立了g d 接口( s g s n 到s m s g m s c s m s i 聊d s c 的接口) ，即s g s n 和短消息中心的连接之后，短消息就可以通过s g s n 以分组的形式 在m s 和s m s c 之间传输。一个附着了g p r s 的m s 可以通过g p r s 无线分组信道( p d t c h ) 传送短消息。同时，通过a 接口和e 接口，短消息仍然可以通：吐m s c 在m s 和s m s c 之 间传输。由h l r ( 归属位置寄存器) 根据网络和m s 的特性决定选择通过m s c 或s g s n 发送短消息。 ( 2 ) 与g s m 短消息比较 g s m 短消息在无线接口u m 上使用s a c c h 或s d c c h 信道进行传递，g p r s 短 消息则使用p d t c h 信道进行收发；由于p d t c h 信道的分组特性使得它可以由多个 用户共享，容量较大，不仅可以缓解s a c c h ，s d c c h 信道上的负荷，还可以提高短 消息传输的效率，同时占用的空中资源相对较少，从而可以更加有效地利用资源。不 过，如果有大量的用户开通了g p r s 业务，则其短消息的流量在减轻对s a c c h 或 s d c c h 信道负荷的同时，将会对g p r s 的数据业务流量产生影响。另外，g s m 短消 息在a 接口通过s c c p 进行承载，g p r s 短消息使用g b 口的l l c 层进行承载，减少 了对s c c p 链路的需求。 在g p r s 短消息传输过程中，通过s m s c 可以分割和重组，即可以将短消息数据 包拆包和重组，拆包后的数据可以在同一事务处理的过程中以多条连续的短消息的形 式进行发送，克服了对短消息长度的限制。 3 3 3 g p r s 数据业务 使用g p r s 数据业务传输水情数据，构建相应的水情遥测系统，可以最大程度地 发挥g p r s 网络的优势。 ( 1 ) g p r s 网络与i p g p r s 是一个基于m 协议的网络。在g p r s 系统中，有两个重要的数据库记录信 息。一是用户移动性管理上下文，用于管理移动用户的位置信息；另一是用户的p d f 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 驯通信方式的水情遥测系统研究与应用 上下文( 分组数据协议上下文) ，用于管理从m s 到网关g g s n 及到i s p ( i n t e m c t 服务提 供商) 之间的数据路由信息。 当m s 访问g p r s 内部网络或外部p d n i n t e m c t 网络时， m s 向s g s n 发激活 p d p 上下文请求消息，m s 可以与运营商签约选择固定服务的g g s n ，或根据a p n 选择规则，由s g s n 选择服务的g g s n 。s g s n 向g g s n 发建立p d p 上下文请求消 息。g g s n 分配给m s 一个i p 地址，在成功地建立和激活p d p 上下文后，m s 、s g s n 和g g s n 都存储了用户的p d p 上下文信息。有了用户的位置信息和数据的路由信息， m s 就可以访问该网络的资源。用户通过g p r s 网络接入到互联网、企业内部网或i s p 时，需要对用户的身份、服务质量进行鉴权认证和数据加密等过程，用户m s 的动态 i p 地址的分配可以分别由运营商、企业网或i s p 等实现，因此g p r s 用户的接入方式 有透明接入和非透明接入两种方式。 g g s n 与s g s n 设备之间通过i p 网络连接，称为g p r s 骨干网。在g p r s 骨干 网中，每个s g s n 和g g s n 都有一个内部i p 地址，用于骨干网内的通信。g p r s 网 络的i p 地址可分为两种情况：内部g p r s 骨干网的地址和与h a t e n a c t 相连所需要的地 址。g g s n 可以对g p r s 分组数据包进行协议转换后，传送到远端的i n t e r a c t 或x 2 5 网络。g g s n 可以由具有n a t 功能的路由器承担内部i p 地址与：外部合法i p 地址+ 换。每一个g p r s 终端在与外部数据网连接时，如该外部数据网类型为i p 网， 要知道对应的i p 地址。网络层的协议目前主要是p h a s e 】阶段提供的t c m p 和x 2 5 协议，这些协议对于传统的g s m 网络设备是透明的。 ( 2 ) g g s n 的n a t 转换 g p r s 蜂窝电话的用户地址可以分配公有地址或私有地址，从节约公有地址角度 出发，一般采用私有i p 地址。实现方式为：蜂窝电话接入并通过认证后，由g g s n 分配私有地址，该私有地址通过n a t 转换后接入c m n e t 。在g p r s 网络，n a t 转 换能力内置于g g s n 设备中的。设置n a t 功能的o o s n 至少要有一个内部接口，一 个外部接口。内部接口连接的网络用户使用的是内部i p 地址，外部接1 3 连接的是外 部的网络，如i n t c r n c t 。所有从g p r s 网络内部通过o o s n 发进出去的数据包，经过 了n a t 转换，通常会把这些包的源i p 地址转换成外部的合法i i ，地址，同时在连接表 中添加了一条记录，以便这个包的应答包回来时知道应该送到哪里。被修改了源i p 地址的包送到i n t e r n e t ，它的应答包肯定能够回到n a t 的外部接口，n a t 接到应答包 后，通过查看连接表的记录，更改应答包的目标i p ，然后送到发出请求的g p r s 用户。 该过程由g g s n 内部实现。 应用n a t 技术进行i p 伪装，可以使内部网和i m e m c t 充分隔离，在内部网用户 上网的同时，保证了内部网络的安全。为附着g p r s 网络的用户分配内部i p 地址。 当用户要与外部i m e m e t 网络进行通讯时，g g s n 负责将其内部的i p 地址与一个外部 合法口地址进行对应。n a t 有三种类型：静态n a t 、动态n a r 、网络地址端口转换 】2 河海大学硕士研究生毕业论文 基于g 辄通信方式的水情遥铡系统研究与应用 n a p t 。三种n a t 方案各有利弊，可根据不同的需要，由g p r s 网络运营商选择使用。 ( 3 ) g p r sa t 指令 g p r s 蜂窝电话除了支持g s m a t 指令外，还支持一些专用于g p r s 的a t 指令。 移动终端可以通过向g p r s 蜂窝电话发送a t 指令，建立移动终端与g p r s 蜂窝电话 之间的通信连接。常用的g p r sa t 指令如表3 2 所示。另外，在g s m 0 7 0 7 中还描 述了一些已有的m o d e m 兼容命令，它们主要是为现有的通信软件提供向后兼容。 a t 指令功能 飞+ q 0 c 【g p r sa t t a c ha n d d e t a e h ( g p r s 附着和分离) a t + c g a c tp d pc o n t e x ta c t i v a t eo rd e a e t i v a t e ( p d p 上下：之激活或解除) a t + c g d 工ae n t e rd a t as t a t e ( 进入在线模式) 蜩+ c g d c o n td e f i n ep d p c o n t e x t ( 定义p d p 上下文) + c g q m i nq u a l 时o f s e r v i c ep r o f i l e ( m i n i m u ma c c e p t a b l e ) ( 最小可接受的 服务质量1 a t + c g q r e qq u a l i t yo f s e r v i c ep r o f i l e ( r e q u e s t e d ) ( 请求的服务质量) a t n s g a u t hs e tt y p eo fa u t h e n t i c a t i o nf o rp p pc o n n e c t i o n ( 设置p p p 连接的 认证类型1 a t + c g 啪d rs h o wp d p a d d r e s s ( 查看p d p 地址1 虹+ c g a u l oa u t o m a t i c r e s p o n s e t oan e t w o r k r e q u e s t f o rp d pc o n t e x t a c t i v a t i o n ( 自动响应网络发起的p d p 上下文激活请求) a t + c g a n sm a n u a l r e s p o n s e t oan e t w o r k r e q u e s t f o rp d pc o n t e x t a c t i v a t i o n ( 人工响应网络发起的p d p 上下文激活请求) a