（电路与系统专业论文）基于ARM和GPRS电力负荷管理系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 国内电力市场的开放给电力公司带来了新的挑战。各家电力公司都在寻求 提高公司效率，增加客户、改善服务的方案。在此竞争的舞台上，采用先进技 术的自动抄表和负荷管理系统就成为一个强有力的工具。它可以加强企业内部 管理，加强对电网负载能力的控制。集软硬件于一体的一整套电力负荷控制系 统就成为满足当前市场需求、顺应国家电力改革的解决方案。 论文是基于a r m 和g p r s 电力负荷管理系统的研究与设计，主要工作是研 制应用于电力负荷管理系统的g p r s 终端，包括终端的软硬件系统的设计和调 试。自主开发了p p p 协议，成功地将p p p 协议应用于g p r s 终端，所以此终端 具有很强的后续扩展性和移植性。 论文首先介绍了电力负荷管理系统的研究背景、目的及意义，结合国内外 发展情况，指出了现有系统的不足，伴随g p r s 、c d m a 等新一代无线通信技 术的发展对其进行改进。 其次对g p r s 无线通信技术进行研究，了解g p r s 终端数据传输协议 _ t c p i p 、p p p 协议的基本原理。并对电力负荷系统的整体架构和通信方式进 行了研究分析。 再次是对g p r s 终端硬件的设计，主要包括a r m 微处理器硬件系统的设计、 串行扩展电路以及g p r s 模块的电路的设计。 最后本文着重对p p p 协议做重点研究和设计。按照自身状态机机制，从p p p 的协议结构、运行机制、协商分析过程来展开，对p p p 协议的实现进行详细设 计说明。同样也对g p r s 终端拨号上网程序进行了设计与实现。 经测试，g p r s 终端能够顺利地进行拨号，并发送数据。证明了g p r s 终端 运行稳定可靠，达到了预期的效果和设计要求，有利于配电网络运行的安全性 和经济性管理，对加强用电管理和提高电网供电质量起到了积极的作用。 关键词：电力负荷管理系统，g p r s ，p p p ，n u c l e u s 操作系统，m c 3 5 i ，e p 7 3 1 2 a b s t r a c t d e r e g u l a t i o no fe l e c t r i c i t y m a r k e t sa r o u n dc h i n ai sp u s h i n gp l a y e rt o f a c e c o m p e t i t i o n p o w e rc o m p a n i e s a r et h u sl o o k i n gf o rw a y st oi m p r o v et h e i re f f i c i e n c y a n dt og a i nc l i e n t sp r e f e r e n c ea n dc o n f i d e n c e t a k i n ga d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) a n de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s ( e m s ) c a nb eav i t a lt o o l i ns u c hac o m p e t i t i v es c e n a r i o t h i st o o lc a nm a k et h e p o w e rc o r p o r a t i o nt oe n f o r c et h ep o w e rl o a dc o n t r o l a n dt h e c o m p a n y s m a r i a g e m e n t t h es o l u t i o nf o rt h ep o w e r l o a dc o n t r o lw h i c ht o g e t h e rw i t hs o f t w a r e a n dh a r d w a r eb a s e do na r ma n dg p r sm e e t st h ed e m a n do ft h ec u r r e n tm a r k e t i n t h ep o w e rl o a dm a n a g e m e n t t h i st h e s i si sa b o u tt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fu s i n gg p r si np o w e rl 0 a d m a n a g e m e n ts y s t e m t h ew o r km a i n l yd e v e l o p sg p r s t e r m i n a lu s e di np o w e rl o a d m a n a g e m e n ts y s t e m t h e t h e s i sd e s c r i b e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r es y s t e m p o s s e s si t so w np p pp r o t o c o li st h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h i sp a p e ra n dt h ep r o t o c o li ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt og p r st e r m i n a l s ot h ec l i e n t s o f t w a r eh a v es t r o n ge x p a n s i b i l i t ya n df o l l o w i n gr e p l a n t a t i o ni nt h ef u t u r e f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c kg r o u n d ，p u r p o s e ，s i g n i f i c a n c e so f e l e c t r i c p o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e ma n dp o i n t so u tt h ed i s a d v a n t a g eo fc u r r e n ts y s t e m 0 fo u rc o u n t r yb yc o n t r a s t t h eo v e r s e a s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fg p r sa n dc d m a ，i tw i l lh o p et oi m p r o v e t h e d e f a u l t s s e c o n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n du n d e r s t a n dt h eg p r sd a t at r a n s f e rp r o t o c o lp r i n c i p l et h a tt h et c p h p a n dp p p d r o t o c o l s a n da l s oi n t r o d u c et h eo v e r a l lf r a m e w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nw a y so f t h e e l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m t h i r d l y , t h et h e s i sc a r e f u l l yd e s c r i b e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea b o u tt h eg p r s t e r m i n a l t h ed e s i g no fh a r d w a r ei n c l u d e st h ea r mm i c r o p r o c e s s o rh a r d w a r es y s t e m d e s i g n 、s e r i a lp o r te x p a n s i o nc i r c u i td e s i g na n dg p r s m o d u l ec i r c u i td e s i g n 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h ee n d ，t h et h e s i sc a r e f u l l yd e s c r i b e st h en e t w o r kp r o t o c o li ng p r s ，t h e m a i ni sp p p p r o t o c 0 1 i td e t a i l e d l yi n t r o d u c et h ep p pa g r e e m e n ts t r u c t u r e ，o p e r a t i n g m e c h a n i s ma n dc o n s u l t a t i o np r o c e s s ，a n dt h e nc a r e f u l l yd e s c r i b e st h es o f t w a r ed e s i g n o fp p p p r o t o c 0 1 i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e dt h ed e s i g no fd i a lu pi n t e r n e t a c c e s si ng p r s i np r a c t i c e ，t h ee l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a lb a s e do ng p r sr u n s r e l i a b l yt oi m p r o v i n gm e e t st h ed e m a n d so fu s e r s i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c es a f e t y a n de c o n o m i c a lo p e r a t i n gl e v e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n de n h a n c i n gt h ee n e r g y m a n a g e m e n ta n dp o w e rs u p p l yq u a l i t y k e y w o r d s ：p o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m ，g p r s ，p p p ，n u c l e u s ，m c 3 5 i ， e p 7 3 1 2 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毒陋导师签名：陋日 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景、目的及意义 对电力负荷进行控制的想法，是伴随着电力工业的产生和发展而同时出现 的。早期的供电，用电量最多的是照明负荷，除晚上高峰以外，其它时间负荷 很少。很多人想了多种方案来鼓励用户白天多用电，以便电站和电网设备能得 到更充分的应用。 对用电负荷的管理和控制，可以有效的改善负荷曲线形状，使负荷曲线趋 于平坦，减少峰谷差，实现电力负荷在一定时空的最佳分布。提高用户和电网 的负荷率，从而提高发、供、用电设备的利用率，达到电网的安全和经济运行， 提高投资效益，对发电、供电和用电以及整个社会都有很大好处。随着国民经 济的高速发展，负荷快速增长，对用电负荷的管理和控制在电网调度中的作用 越来越重要，所以，设计开发出能保证其顺利实施的软件系统也日显重要。 用电管理是电力企业管理工作的重要内容l ，主要承担电能销售和社会应用 管理工作，是电力生产供销的最后环节，也是电力工业生产和经营成果最终得 到体现。用电管理工作的质量直接关系到电力企业的自身形象，自身经济效益 和社会效益。电力企业从规范经营、面向市场、集约经营、提供快速市场反应 能力的角度出发，就必须加快用电管理的信息化、一体化进程，及时地引入先 进的管理技术和科学方法，建立起自己的用电管理信息系统，以满足运行、管 理、使用中信息交互的需要。这不仅能够高效地完成用电经营管理的日常工作， 而且实现了管理的信息化、实时化，辅助领导优化决策，从而显著地提高本企 业的用电管理水平和工作效率，增强企业的市场竞争力。目前，由于政策性、 地方性等因素的影响，用电管理系统一直缺乏规范、系统平台、前端和后端开 发工具以及软件实现的功能参差不齐，不利于信息共享和统一管理。 1 2 电力负荷管理国内外研究现状 1 ) 国外负荷管理的发展情况 电力负荷控制技术首先是在欧洲得到广泛的应用。英国从2 0 世纪3 0 年代 武汉理工大学硕士学位论文 就开始音频电力负荷控制技术的研究，第二次世界大战后，这种音频电力负荷 控制技术在法国、瑞士等国家得到大量的使用。日本从6 0 年代开始研究电力负 荷控制技术，从欧洲引进制造技术，到7 0 年代已广泛安装使用了音频脉冲控制 装置。美国从7 0 年代开始重视电力负荷控制技术的发展，不仅从西欧引进了音 频电力负荷控制系统设备的制造技术，而且着手研究和发展无线电力负荷控制 技术。目前世界上已经有许多国家使用了各种不同类型的电力负荷控制系统【3 1 。 发达国家使用电力负荷控制装置，已有六十多年的历史，是在不缺电的情 况下发展起来的。目前国际上已有几十个国家采用了电力负荷控制技术，安装 使用的终端己有几千万台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量的1 0 以上。 电力负荷控制技术在国际上已成为一项具有大量使用经验的成熟的实用技术。 发达国家使用这项技术主要目的是改善电网负荷曲线，削峰填谷，提高电网运 行的经济性、安全性和发电设备投资的效益，推迟电力设施的建设投资。国外 正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化、需求侧管理和对电力市场的技 术支持。 2 ) 国内负荷管理的发展情况 我国从1 9 7 7 年底开始了电力负荷控制技术的研究和应用，过程大致可分为 几个阶段。第1 阶段：负荷控制系统，仅限于满足负荷限电不拉路的基本要求， 它独立于电力企业内部的其他系统，信息的一致性和共享能力差。第2 阶段： 负荷管理系统，除满足基本的控制功能外，信息的采集功能进一步加强，如远 方抄表、小电厂上下网及发电信息采集、催缴电费、购电等，系统的使用仅限 于负荷管理部门内部。第3 阶段：负荷综合管理系统，系统的负荷控制仅作为 一项基本的功能要求，信息采集的而更广，通信方式多样。 随着电力供需矛盾趋向缓和，电力负荷控制系统的作用逐步转向了建立正 常的供电秩序、保障电网安全、营配管理等方面。系统增加了用电管理的功能， 包括用电信息管理、远程抄表、用电信息服务等功能。这些扩展的功能，提高 了电力负荷控制系统的经济价值和生命力。在系统的数据处理方面也打破了以 前的局限性，扩展了网络功能。为了更确切地表述这个系统，电力负荷控制系 统遂更名为电力负荷管理系统。目前，电力负荷管理中心可以通过数据库和网 桥与不同的系统网络联结，将负荷管理系统的大量数据信息送到电力系统的管 理网、调度网、营业网等，对于电网管理的科学化和现代化，都是不可或缺的。 但是由于政策性、地方性等因素的影响，用电管理系统一直缺乏规范、系统平 2 武汉理工大学硕士学位论文 台、前端和后端开发工具以及软件实现的功能参差不齐，不利于信息共享和统 一管理。 鉴于目前国内负控系统和抄表系统的现状，并且伴随着a d s l 、c s d n 等新 一代有线通信技术和g p r s 、c d m a 等新一代无线通信技术以及c m n e t 、a p n 等新一代网络技术的广泛应用，应用这些新技术的新一代负荷管理系统也得到 了广泛的推广和良好的发展。本文所研究的电力负荷管理系统的g p r s 终端， 结合n u c l e u s 操作系统，采用g p r s 技术实现无线方式的接入，使终端能进 行自动登录等功能，为电力负荷管理发展提供了新的技术。因此，如何将g p r s 无线数据传输技术应用到电力负荷管理系统是一个具有很好经济效益和社会效 益的新课题，值得研究。 1 3 本文主要工作 本文是关于a r m 和g p r s 在电力负荷管理系统的研究与设计，主要工作是 研制应用于电力负荷管理系统的g p r s 终端，包括g p r s 终端的软硬件系统的 设计和开发。 首先，论文介绍了电力负荷管理系统的背景、目的及意义，指出了电力负 荷管理系统的不足，通过新兴的g p r s 、c d m a 技术的引进，促使电力负荷管 理系统的良好发展和广泛的推广。 其次，论文研究了g p r s 无线通信技术，对g p r s 数据传输中的关键问题 进行分析并给出对策。在此基础上，对g p r s 终端协议进行研究，主要包括 t c p i p 、p p p 协议。同时对电力负荷管理系统的通信组织方式以及应用于该系统 的g p r s 网络进行探索和分析。 最后，论文重点阐述了电力负荷管理系统的g p r s 终端的硬件和软件设计， 主要工作包括： 1 ) 根据对本系统通信方式的分析，使用c i r r u sl o g i c 公司e p 7 3 1 2 和 s i e m e n s 公司的m c 3 5 i 无线模块来开发g p r s 终端，完成终端硬件的设 计。 2 ) 根据电力负荷管理系统的通信方式，开发符合终端要求的软件。结合 n u c l e u s 操作系统，自主开发实现p p p 协议，成功地将p p p 协议和 t c p i p 协议应用于g p r s 终端，且通过对串口通信的程序设计，实现 g p r s 无线上网以及数据的传输。并通过测试，验证了g p r s 终端功能。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文结构安排 本文是基于a r m 和g p r s 的电力负荷管理系统的研究与设计。文中主要结 构安排如下： 第1 章介绍本文的研究背景、目的及意义，对电力负荷管理在国内外的发 展现状作了概述，并且交代了本文主要研究的工作内容以及文章结构的安排。 第2 章对g p r s 无线通信技术的研究，主要包括g p r s 的业务介绍、业务 的实现以及对g p r s 在数据传输过程中的问题分析。并且还对g p r s 终端的数 据传输协议进行研究，重点对p p p 协议的基本原理做详细介绍。 第3 章对电力负荷管理系统的整体架构、通信方式以及适用于该系统的 g p r s 通信网络进行初步的研究和分析。 第4 章给对g p r s 终端硬件进行详细设计。主要包括a r m 微处理器系统设 计、串行扩展电路设计以及g p r s 模块电路设计。 第5 章对终端的g p r s 通信软件进行了详细设计说明。首先从n u c l e u s 嵌入 式操作系统出发，对n u c l e u s 的特点及文件系统分析作了简要介绍，其次对g p r s 通信程序做了总体设计说明，从g p r s 拨号上网的程序、p p p 协议、i p 协议以 及串口通信程序几方面进行设计与实现，最后对g p r s 终端的通信功能进行了 测试验证与分析，指出了在测试过程中发现的问题。 第6 章对整个论文进行全文的工作总结和对下一步工作的展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p r s 无线通信技术 2 1g p r s 无线通信技术 通常我们将移动通信分为三代，第一代是模拟的无线网络，第二代是数字 通信如g s m 等，第三代是分组型的移动业务称为3 g 。g p r s 是通用无线分组业 务的缩写( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) ，是介于第二代和第三代之间的一种技 术，通常称为2 5 g ，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁。目前基本上是通过升级 g s m 网络来实现，它是一个混合体，采用t d m a 方式传输语音，和采用分组的 方式传输数据。 2 1 1g p r s 业务简介 g p r s 技术较完美的结合了移动通信技术和数据通信技术尤其是i n t e r a c t 技 术，它是这两者技术的结晶。g p r s 是欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据 所规定的标准，它可以提供高达1 1 5 k b p s 的空中接口传输速率。g p r s 能使用户 的呼叫建立时间大为缩短，几乎可以做到永远在线( a l w a y so n l i n e ) 。g p r s 业务【2 l 有如下几大特点： 1 ) 应用广泛。g p r s 是在g s m 基础上引入了三种新的逻辑网络实体： g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 、s g s n ( s e r v i n g g p r s s u p p o r t i n gn o d e ，服务g p r s 支持节点) 和p c u ( p a c k e tc o n t r o l l i n gu n i t ， 分组控制单元) ，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络 的部署。 2 ) 较高的数据速率。g p r s 提供的数据速率取决于所采用的编码方式，在 标准中有四种编码数据速率，分别为每信道9 0 5 、1 3 4 、1 5 6 和2 1 4 k b i t s 。由于 能在一个频率上提供全部8 个业务信道，最大的数据吞吐量可高达1 7 1 2 k b i t s 。 不过由于信道编码和多时隙分配所需的开销，更具实际意义的吞吐量最高值达 1 1 5 k b i t s 。 3 ) 准多媒体无线网络。在较高的数据速率条件下，除了传输文本外还使得 传输图片、话音和视频等成为现实。 5 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 大用户容量以及登陆快捷。采用分组方式，增强了用户的容纳能力，且 g p r s 网络接入速度快，分组交换接入时间缩短为少于1 秒，提供了与现有数据 网的无缝连接。 5 ) 较好的实时性。g p r s 有两个重要的c o n t e x t ，其中m m c o n t c x t 实现了用 户总是在线，即用户随时与网络保持联系。无论网络还是终端设备随时都可发 起数据传输，减少了传统拨号过程中的延迟。这点在电力负荷管理系统中尤为 重要。 6 ) 与i p 网无缝连接。g p r s 的核心网络层采用口技术，底层可使用多种传 输技术，很方便地实现与高速发展的口网络无缝连接。 7 ) 计费合理以及资源利用率好。用户只有在发生数据传输时才占用无线资 源，且一直在线，g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s l 的计费功能。用户可以在保证话音业务质量的同时，利用无线信道的空闲资源 提供分组业务，大大提高了网络资源的利用率。 通过以上介绍，g p r s 技术给我们提供了在更加优化的无线通信平台上来实 现负荷管理系统的数据传输的可能性，同时也可以增加数据传输的实时性，降 低数据传输的成本，并且克服g s m 短消息的时延问题。 2 1 2g p r s 业务的实现 1 ) g p r s 的基本网络结构 g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它 采用分组交换技术，能兼容g s m 网络并在网络上更加有效的传输高速数据和信 令。为了实现g p r s ，在现有的g s m 网络中需要增加三个主要节点，分别是 g g s n 、s g s n 和p c u ，g p r s 网络的系统结构如图2 1 所示。 图2 1g p r s 网络系统结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 g s n 具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连 接到g p r s 寄存器，g s n 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格 式转换。g s n 可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与g s m 中的m s c 集成在一起。g s n 有两种类型：一种为s g s n ( s e r v i n gg s n ，服务g s ，另一 种为g g s n ( g a t e w a yg s n ，网关g s n ) 。s g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节 点，它的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间 完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同 的数据网络连接，如i s d n 、p s d n 和l a n 等。在有的文献中，把g g s n 成为 g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从 而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。p c u 负责管理分 组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控 制、功率控制等。b g ( b o r d e rg a t e w a y 边界网关) 用于处理漫游。g c g ( g p r sc h a r g e g a t e w a y ，g p r s 收费网关1 专门用于收费。p t m s c ( p o i n tt om u l t i p o i n ts e r v i c e c e n t e r 点到多点业务中心】用于处理q o s 业务的服务器。 劲g p r s 协议模型 移动台( m s ) 、s g s n 和g g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图2 2 所示 i p x 2 5 r e l a y i p x 2 5 s n d c s n d cg t pg t p l l c r e l a y l l c u d p 厂r c p u d p 厂r c p r l c l u cb s s g p b s s g p i p i p m a c m a cn sn sl 2l 2 物理链路 物理链路 物理 物理 l ll l 链路 链路 r f 接口r f 接口 u mb s s g b s g s n g - n g g s n 图2 2g p r s 网络数据传输协议模型 a ) u m 接d ( b s s 与m s 之间的接口) u m 接口是g s m 的空中接口，u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依 次为物理层、m a c r l c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 层、 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u bn e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网 络层。u m 接口的物理层为射频接口部分，而物理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 7 武汉理工大学硕士学位论文 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 。 考虑纠错码开销，则最终数据速率可达1 6 4 k b i t l s 左右。m a c 为媒质接入控制层。 m a c 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。g p r s 的逻辑信道共有3 类，分别是公共控制信道、分组业 务信道和g p r s 广播信道。公共控制信道用来传送数据通信的控制信令，具体 又分为寻呼和应答等信道。分组业务信道用来传送分组数据。广播信道则是用 来给移动台发送网络信息。l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据 链路规程h d l c 的无线链路协议。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单 元上形成u 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。b s s 中的u 且层是逻辑链路传递层。这 一层负责转送m s 和s g s n 之间的l l c 帧。u 且层对于s n d c 数据单元来说是 透明的，即不负责处理s n d c 数据。s n d c 被称为子网依赖结合层。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。网络层的协议目前主要是t c p i 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。 b ) g b 接1 2 ( s g s n 与b s s 之间的接口) n s ( n e t w o r ks e r v i c e ) 网络业务层用于传送上层的b s s g p 。b s s g p ( b a s e s t a t i o ns y s t e mg p r s p r o t o c 0 1 ) 协议，在传输平台上，该协议用于在b s s 与s g s n 之间提供一条无连接的链路进行无确认的数据传输。 c ) g n 接1 2 ( g g s n 与s g s n 之间的接口) l 1 l 2 是底层网络相关协议。u d p t c p 中u d p 提供差错保护，用于承载不 要求可靠传输的g t pp d u ；而t c p 提供流量控制以及丢失及差错保护，用于承 载要求可靠传输的g t pp d u 。g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l ，g p r s 隧道协议) ， 用于g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令的传输，是节点之间的互连协议。 d ) g i 接口( 外网与g g s n 之间的接口) 在该接口上没有新协议。g g s n 作帧处理后，得到i p 数据包，分析该口包 的目的地址，若恰为本地p d pc o n t e x t 所标示的某一m s 地址，则把该数据包送 至g n 接口的软件模块，作进一步处理。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3g p r s 数据传输中关键问题分析及对策 1 ) g p r s 数据传输问题 由于网络编码方式和终端支持因素的制约，以及移动营运商的限制，g p r s 的实际数据传输速率典型值比理论速度慢得多。因为射频资源有限，g p r s 的应 用会冲击现有的网络容量。g p r s 采用的g m s k ( 高斯最小移频键控1 调制技术是 一种次优化调制。g p r s 对无线信道质量的要求高于g s m ，对信息丢失或损坏 的容忍度小。在传输过程中，g p r s 会产生潜在的转接时延短消息业务支持存储 转发，但g p r s 标准中未提及任何存储机制，除短消息与g p r s 的互相链接。 目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称初期的g p r s 终端支持无线终止接 收来电的功能启用。g p r s 服务时，用户确认就服务内容的流量支付费用。无线 终止的e p 流量会允许未经授权的内容发送给终端而不被收取费用。但是，由于 不能保证无线终止的终端应用，用户可能要为不想收取的垃圾内容付费。g p r s 终端是否支持无线终止威胁g p r s 的应用和市场开拓。 2 ) 解决方法 鉴于短消息方式时延较大，并且容量有限的问题，在网络允许条件下尽量 采用g p r s 方式进行传输。这样对服务器端的短消息模块的负载要求能降低到 较小的程度。数据传输网络做到专网专用，不进行其它通信服务操作如上网、 电话等，减少因此产生的垃圾流量或者病毒冲击。 用户和移动运营商的问题均会导致数据的发送接收失败。为了保证数据的 正常传输，要保证用户s i m 卡不欠费，服务器一直保持对i n t e m e t 的连接等， 以使网络处于可靠的通信状态。接收方可以在收到数据后，向发送方反馈信息， 告知传送结果。发送方可以判断数据是否发送成功，否则间隔一段时间后进行 数据重传，增加系统的可靠性。在使用移动通信方式传输数据时，通信质量系 统可靠性安全性等性能在很大程度上取决于移动运营商的网络建设及服务质 量。当移动运营商发生网络故障，或不支持某项业务时，改用其它方式进行数 据的传输。 2 2g p r s 终端协议研究 g p r s 技术是移动通信技术和i p 技术相结合的产物，数据在传送过程中要 遵循t c p i p 协议，也就是要有源点和目的i p 地址。管理中心直接和因特网相连， 9 武汉理工大学硕士学位论文 被分配一个固定的口地址。但是，终端处于g p r s 网络中，它不会被分配固定 的口地址，也就是说它的口地址是变化的，是动态分配的。而p p p 协议正是用 来接入g p r s 网络，并动态申请口地址的。本节将详细介绍g p r s 终端实现无 线数据传输所用到的相关协议，其中主要对p p p 协议原理作重点介绍。 2 2 1t c p i p 协议 网络协议通常分为不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 一个协议族，比如t c p i p t 2 0 ，2 1 1 ，是组不同层次上的多个协议的组合。本系统的 网络协议层次如图2 3 。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 电力规约电力规约 飞c p k 町晤 t c p 叽y d p i p i p p p pp p p g p r s 网络 _ g p r s 网络协议 协议 g p r sg p r s 图2 3 系统网络协议层次 借鉴网络通信o s i 的7 层标准，系统只需是以下5 层网络协议：物理层、 数据链路层、网络层、传输层和应用层。为了避开与本系统无关的g p r s 内部 复杂的协议转换和数据操作流程，图2 3 把g p r s 服务节点和网关节点等g p r s 内部节点简化为g p r s 网络，把g p r s 内部协议及i n t e r a c t 网关协议等协议简化 为抽象为g p r s 网关协议。 i p 处于网络层，提供统一编址和路由服务，它屏蔽了上层协议与数据链路层 的关系，使物理结构完全不同的网络能够互联互通，是i n t e m e t 的基础。由于应 用层协议都是以口为基础的，因此g p r s 用户可使用现有的大多数网络应用，如 浏览网页、收发电子邮件、f t p 下载等。u d p 和t c p 处于运输层，为主机提供端 到端的通信。它们处理通信过程中的各种细节( 错误处理，流量控制等) ，使上层 协议能够专注于通信的内容。 下面主要对p p p 协议进行介绍。p p p 协议处于数据链路层，用于在串行链 1 0 武汉理1 = 大学硕士学位论文 路上封装口数据报，它是拨号上网( 有线和无线) 采用的链路层协议。在拨号过 程中，通信双方协商链路的相关参数、验证身份、分配i p 地址，完成后就可传 输i p 数据报。对于协议族中i p 、t c p 和u d p 协议的详细介绍可以参看参考文 献 2 0 、2 1 】。 2 2 2p p p 协议 1 ) p p p 协议概述 p p p 2 5 】是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。 这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是用来通过 拨号或专线方式建立点对点连接发送数据。p p p 协议解决链路建立、维护、拆除、 上层协议协商、认证等问题。 p p p 协议由以下三个组件组成：在串行链路上的封装数据报的方法；用 于建立、配置和测试数据链路连接的连接控制协议l c p ( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ： 用于建立、配置不同网络层协议的网络控制协议n c p ( n e t w o r kc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 。 2 ) p p p 协议帧结构 p p p 协议基于h d l c 2 6 ( h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制规 程) ，其帧格式和h d l c 的帧格式类似。表2 - 1 给出了p p p 数据帧的格式。 表2 1p p p 数据帧格式 开始 地址控制协议 代码 i d 长度信息域 校验结束 标志 ( f c s ) 标志 0 x 7 e0 】【f fo x 0 3 ( 2 b y t e s )0 b y t e )( 1 b y t e )( 1 b y t e ) 可变 ( 2 b y t e s ) 0 x 7 e 从表2 1 可以看出，每一帧都以标志字符0 x 7 e 开始和结束。紧接着是一个 地址字节，值始终是0 x f f ，然后是一个值为o 】【0 3 的控制字节。接下来是协议字 段，p p p 数据包头的第四个字节即协议字段所表示的意义由表2 2 给出。c r c 字段( 帧检验序y 0 ) 是一个循环冗余检验码，以检测数据帧中的错误。由于标志字 符的值是0 x 7 e ，因此当该字符出现在信息字段中时，p p p 需要对它进行转义。 在异步链路中，特殊字符0 x 7 d 用作转义字符。 表2 - 2p p p 协议种类表 协议域字段 含义 0 x 8 0 2 1 i p c p 协议 o x 0 0 2 1 l p 数据包 武汉理工大学硕士学位论文 0 x c 0 2 1 l c p 协议 0 x c 0 2 3 p a p 协议 0 x c 0 2 5 链路品质报告( l i n kq u a l i t yr e p o r t ) 0 x c 2 2 3 c h a p 协议 0 x 0 0 0 1 填料协议( p a d d i n gp r o t o c 0 1 ) 3 ) p p p i 作原理 p p p 协议是一个端到端对等的协议，它协商的每一个阶段双方都必须收到对 端的a c k 消息才算协商成功，从上述的讨论中可以看出为了在p p p 链路上通信， p p p 协商双方必须首先发送l c p 协商报文以配置和测试该数据链路、确认是否 需要认证，然后p p p 再发送n c p 协商报文以选择并配置一种和多种网络层协议， n c p 协商成功后该网络层的数据报文就可以在此链路上传送了，这个链路保持 此连通状态直到终止消息和其他外部事件发生时来终止它。 在建立、配置链路过程中，p p p 经过了几个不同的阶段，如图2 4 所示。 s u c c e s s n o n e 图2 4p p p 协商时阶段的变迁 由图2 4 可知，系统初始化时链路状态处于d e a d 阶段，链路必须开始并 且终止于这个阶段。此时物理连接没有建立，不能进行数据通信。 当底层向p p p 模块发出u p 事件指示物理层可以使用时，p p p 将进入建立阶 段，开始协商l c p 的选项配置，若l c p 协商失败，则回到死亡阶段，若成功则 前进到o p e n e d 状态。 如果在l c p 阶段协商了认证协议，在完成链路建立之后使用在l c p 阶段协 商的认证协议进行认证，如果完成用户身份验证即认证通过后则进入网络层协 议阶段，否则终止链路，认证阶段是可选的。 当p p p 用户身份认证通过后，将进入n c p 协商阶段，以确定p p p 承载的网 络层协议，如果确定n c p 是i p c p ，则主要的任务之一就是与对端协商本地的i p 地址。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 上面给出了各个阶段变迁的过程，下面详细介绍各个阶段的情况。 链路死亡阶段 死亡阶段是链路的出发点和终止点，当底层一个外部事件发生，表示物理 层已经准备好并可以使用时，p p p 将进入建立阶段。变迁到建立链路阶段时会发 出一个u p 事件来激活l c p 自动机开始l c p 阶段的协商。 建立阶段 这个阶段是l c p 的协商过程，l c p 是通过交换选项配置信息来建立链路的， 一旦发送并接受到配置确认包( a c k 消息) 就表明链路建立成功，l c p 自动机进 入o p e n e d 状态。这里需要注意的是每一个配置选项都有默认值，在协商过程中 可以改变默认值，否则都取默