（计算机软件与理论专业论文）城市基础生活能源管理智能化研究与设计.pdf

一 垫要 摘要 城市基础生活能源智能化管理就是运用地理信息系统、遥感、遥测、网络、 通信、数据存储、微电子、多媒体等高新技术，对进行城市基础生活能源管理所 需的各种信息，以数字化形式自动采集、整合、储存、管理、交流和再现，对能 源管理功能机制进行动态监测，通过网络化、电子化、数字化手段实现能源信息 的合理利用。管理智能化，实质上就是各能源管理部门能够以非常便利的方式搜 集信息、整合信息、产生信息，并依据所产生的数据信息对城市中各种基础生活 能源实施有效管理的技术手段，整个过程具有鲜明的智能化特征，从而提升了公 共组织实施公共管理的知识含量和技术水准。 本文为城市基础生活能源管理智能化提出了一种综合解决方案，提出了构建 该系统的概念和总体架构，并利用在研究中所做的相关设计与开发具体描述了该 思想中部分重要环节的实现方法。系统设计首先从数据采集入手，通过设计昆好 的通信协议，使用分布式智能采集设备获取用户能源接入终端和能源供应环网关 键节点的数据，并能够对它们对实施管理与控制；数据采集设备通过无线通信网 络同数据中心平台交互信息，一方面，将采集数据封装后传给数据中心，另一方 面，要根据数据中心的管理策略实施对采集点的控制；数据中心是一个综合平台， 它有强大的无线通信能力，它处理来自数据采集设备和系统上层管理系统产生的 数据流；数据分析处理系统的主要工作是对数据进行解释、验证、分类，并把数 据按类路由到分布式存储系统；存储系统采用分布式解决方案可以大大缓解突发 数据存储所产生的瓶颈；系统的高层是企业级应用服务，通过对数据建模、数据 挖掘、智能分析，能够为能源管理部门提供详尽的视图，同时能够将管理部门的 策略实施到整个管理系统的各个环节。整个管理过程是智能化的，也是透明的， 并且是高效的。城市基础生活能源管理智能化抛弃了原有的复杂的、冗余的管理 机制，使整个管理流程能够实现真正的智能化、集成化。设计实现中使用到当今 十分流行的科学与技术，包括：无线通讯、嵌入式计算、数据挖掘、分布式计算、 w e bs e r v i c e s 、g i s 等。 关键词：数据建模，数据挖掘，g 1 s ，w e bs e r v i c e s ，分布式数据库 一一 垒! ! 塑璺 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t f o rf u n d a m e n t a lu r b a n l i v i n gr e s o u r c e si sd e f i n e da sa p r o c e d u r e ，i nw h i c hr e s o u r c e sm a n a g e m e n ti n s t i t u t i o n sc a ne a s i l yg e tw e l l o r g a n i z e d a n dd e t a i l e di n f o r m a t i o nf r o mt h el i v i n gr e s o u r c e ss u p p l yc h a i n i nt h i s p r o c e d u r e ， l o t so fa d v a n c e ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw i l lb e e x e r t e d ，i n c l u d i n gg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，r e m o t es e n s i n g ，r e m o t em e a s u r i n g ，n e t w o r k ，t e l e c o m m u n i c a t i o n ， d a t as t o r i n g ，m i c r o e i e c 订o n i c s ，m u l t i m e d i a ，e t c t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a s y n t h e t i c s o l u t i o nf o ri n t e l l i g e n t m a n a g e m e n tf o r f u n d a m e n t a lu r b a nl i v i n gr e s o u r c e s t h es o l u t i o ni sr e f l e c t e di nt h i sa r t i c l ea s f o l l o w s ：f i r s tt h eb a s i cc o n s t r u c t i o no ft h ep r o p o s e dm o d e ls y s t e m ；t h e nt h ea u t h o re x p o u n d ss e v e r a l i m p o r t m a tp a r t s o ft h e s y s t e m t h em o d e ls y s t e mm a i n l yc o n s i s t s o fs i x p a r t s ：“d i s t r i b u t e d d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ”，“d a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m ”，“c e n t r a lc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，“d a t aa n a l y z i n g d i s p o s i n gs y s t e m ”，“d a t as t o r i n gs y s t e m ”，“e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n s e r v i c e s s y s t e m t h i s i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tf o rf u n d a m e n t a lu r b a nl i v i n g r e s o u r c e ss y s t e mw i i 1 g e tr i d o ft h e c o m p l i c a t i o n a n dr e d u n d a n c yi nt h et r a d i t i o n a lm a n a g e m e n tb y i m p l e m e n t i n gr e a li n t e l l i g e n t a n di n t e g r a lm a n a g e m e n t a l s o ，m o s ta d v a n c e ds e i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a v eb e e na p p l i e dt ot h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h ee x p e r i m e n t i n gs y s t e m ，s u c ha s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e m b e d d e dc o m p u t i n g ，d a t am i n i n g ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，w e bs e r v i c e s ，g i s ，e r e k e y w o r d s ：d a t am o d e l i n g ，d a t am i n i n g ，w e bs e r v i c e s ，g i s ，d i s t r i b u t e d d a t a b a s e 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，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 为获得电子科技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。 签名：翌宝日期：2 n 。悔z 月怕 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：颦虫 导师签名：强盈蕴 日期：矿争年又月罐日 缩略词 缩略词 g p s g i s p l c f s k m s k o f d m p n u r s c d m a h o m e r f m s b s s m s c f d m a t d m a a r f c n p a c i m e i s i m i m s i m c c 川c g p r s s n d c p l l c m a c m o m t d c c h s m s c c 8 7 g l o b a l s y s t e mf o r m o b i l e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g m i n i m u ms h i f tk e y i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o w e rn e t w o r ku n i t r a d i os o n d e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s h o m er a d i o f r e q u e n c y m o b i l es t a t i o n m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r b a s es t a t i o ns y s t e m f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s a b s o l u l e n e s sr fc h a n n e ln u m b e r p o w e ra u t o e x e cc o n t r o i i n t e r n a t i o n a lm o b i l ee q u i p m e n ti d e n t i f i c a t i o n s u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o i lm o d u l e i n t e m a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o n m o b i l ec o u n t r yc o d e m o b i l en e t w o r kc o d e g e n e r a ip a c k e tr a d i os e r v i c e s u b n e t w o r kd e p e n d e n t c o n v e r g e n c e p r o t o c o l l o c a ll i n kc o n t r o l m u l t i m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 m o b i l eo r i g i n a t e d m o b i l et e r m i n a t e d d e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l s h o r tm e s s a g e ss y s t e m c o m m o nc h a n n e ls i g n a l l i n gs y s t e mn o 7 l i i 缩略词 m t p t u p i s u p s c c p t c a p m a p b s s a p d d b d d b m s c a d j 2 e e x m l s o a p r p c c o r b a u d d i w s d l h t t p s m t p f t p r m i f c c m e s s a g e t r a n s f e rp a n t e l e p h o n e u s e rp a r t i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k u s e rp a r t s i g n a l i n gc o n t r o lc o n n e c t i o np a r t t r a n s a c t i o nc a p a b i l i t y a p p l i c a t i o n p a r t m o b i l e a p p l i c a t i o np a r t b a s es t a t i o ns y s t e m a p p l i c a t i o n p a r t d i s t r i b u t e dd a t a b a s e d i s t r i b u t e dd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m c o m p u t e r a i d e d d e s i g n j a v a e n t e r p r i s ee d i t i o n2 e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l r e m o t ep r o c e d u r ec a l l i n g c o m m o n o b j e c t b r o k e ra r c h i t e c t u r e u n i v e r s a ld e s c r i p t i o nd i s c o v e r y 2 & i n t e g l a t i o n w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e h y p e r t e x t t r a n s f e r p r o t o c o l s i m p l em e s s a g e t r a n s f e rp r o t o c o l ， f i l et r a u s f e rp r o t o c o l r e m o t em e t h o di n y o k e f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 第章前言 第一章前言 i i 城市基础生活能源管理智能化研究的背景和意义 在商品化逐步深入的当今，住房已成为我国居民近年来大力消费的热点，而 住房的商品化也早已步入人们的消费观念，人们的居住环境不再局限于以往的由 具体的某个单位集中管理的区域，分散化、个性化、便利化、时尚化已成为目前 城市居民的购房趋势。这样一来，城市中的人们是越来越享受了，但给城市中各 基础生活能源供应商带来了比较头痛的问题怎样才能更高效、及时、准确的 管理好这些分散化的能源供应点? 当然，目前商品住宅管理领域中已逐步向小区 化、规模化发展，同时也兴起了住宅区物业管理这类附加产业，并且相应的配套 管理设旌也在不断标准化、规范化。虽然各能源管理部门可以委托物业管理公司 对相关范围的能源供应终端实施管理，但这都属于传统基础生活能源管理的范 畴，这种层层管理的机制在过去许多年的运行中已显示出诸多弊端，其中最大的 缺点就是低效，这与当代的高速信息化概念是格格不入的。城市基础生活能源管 理部门希望能够对高度分布化的用户能源接入终端实施数据采集、状态监控、故 障检测、远程控制，并且要求这以系列过程能够自动化、可靠的实现。另外，城 市基础生活能源管理部门还希望能够对整个城市的能源供应网络实施全网在线 监控，能够及时检测网络故障并实施有效控制，能够根据能源使用情况对能源供 应负荷进行有效评估。 许多发达国家早已提出“数字城市”的概念，“数字城市”作为技术现代性 的标志性成就，将城市的生存空间由单一的物理世界扩展到数字化虚拟世界，这 不仅打破了传统城市社会的固有屏障，而且给既有的行为方式、制度规范、思维 方式和价值规范以巨大的冲击和震荡，对城市各领域管理产生深刻影响。在数字 化信息技术条件下如何对城市实施有效的公共管理? 这正是全球“数字城市”研 究领域的专家们正在关注的论题。根据目前的研究结果，数字城市可以运用遥感、 遥测、电脑网络、多媒体及仿真虚拟技术等对城市的全部基础设施、功能机 制进行动态监测与管理、辅助决策服务。城市数字化也就是城市信息化、智能化， 涉及交通、能源、地质、水文、地藉、经济、规划、人口等领域。 世界信息技术发展到崭新的阶段。高分辨率卫星遥感技术突飞猛进，极大地 提高了地理信息获取和更新的能力；宽带光纤和卫星通讯为基础的互联网的迅速 普及，极大地扩大了信息的通讯交换能力；分布式数据库和共享技术的发展，极 城市基础生活能源管理智能化研究与设计 大地提高了信息存储和管理能力；仿真和虚拟技术的成熟，酝酿着信息应用技术 领域的划时代变革。信息技术变革的大趋势必然地深刻地影响到城市规划、建设 和管理行业的信息技术应用领域。传统的城市规划、建设和管理必需顺应世界信 息化的历史潮流，以积极的姿态迎接数字化、智能化技术革命。 任何一个国家的通信网络建设的速度都无法跟中国相比，截至2 0 0 3 年底， 中国通信网络规模已跃居世界第一。特别是无线通信网络的建设已经进入了全面 发展的时期，它所能提供的不单单是传统的语音通讯服务，而是能够提供强大的 数据通信服务。无线通信是高效的，它能够提供高速高吞吐率的数据通信；无线 通信是灵活的，它能够把地域对网络的限制降低到最低程度；无线网络是易交互 的，许多其它领域的技术都可以部属在无线网络中以构成更加强调的信息系统。 正是由于无线通信网络的这些优势，大量的信息服务提供商也正在不断加强他们 的系统以充分利用这一强大的信息载体。也就构成了目前信息时代的格局：网络 运营商不断完善和健壮信息网络系统；信息内容提供商制作有价值的信息内容来 充实信息网络，从而为信息化时代提供更丰富完善的信息资源。 信息是基于数据的，要对城市基础生活能源进行智能化管理更是需要复杂详 尽的基础数据，这些数据通过整合后就可以在各种层面上进行分析与建模，从而 实现管理的智能化。基于目前通信网络系统的强大支持，承载这些元数据是十分 便利和现实的，再结合其他一些数据处理系统，构建一个强大的城市基础生活能 源智能化管理系统是完全可行的，它将成为未来城市数字化模型的先导。 1 2 国内外研究和发展现状 目前国内外已有相关的机构正在进行城市基础生活能源管理智能化方面的 研究，但研究的主要精力都集中在了数据传输方面。大家都希望能够找到一种很 有效的数据传输方式来支持能源管理所面临的庞大的分布式数据通讯。而要为这 类数据通讯提供专用的传输介质是非常不现实的，因为这类数据只能称作是一种 突发性数据，他们对传输介质的占用是临时的、突然的，因此大家都在考虑如何 将现有的网络应用起来，为这类突发性数据传输提供综合解决方案。下面介绍 些典型的解决方案： ( 1 )电力载波 电力载波( p l c p o 、e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 技术是电力系统特有的基本 通讯方式，电力载波是指利用现有的电力线( 高压、中压、低压等输配电线路) ， 通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于使用电力线作为载波 信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用远动信号 2 第一章前言 等特点，是一种不需要线路投资的有线通信方式。 低压电力载波技术在近年来随着通信技术的发展进步很快，己出现了多种通 讯方式。较常用的有调幅、f s k 调频、m s k 调相、扩频、跳频、o f d m ( 正交频 分复用) 、d m t ( 多载波调制) 、a p m ( 交变脉冲调制) 通讯等几种方法。o f d m 技 术的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用 一个子载波进行调制。o f d m 技术具有以下3 个优点：可以有效地对抗信号波 形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；通过各子载波的联 合编码，具有很强的抗衰落能力；o f d m 技术抗窄带干扰很强，因为这些于扰 仅仅影响到很小一部分的子信道。低压电力载波技术主要包括：电力线网络单元 ( p n u ) 负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务；电源线网络终端( p n t ) 为终端设备提供适当的接口；耦合设备( c o u p l i n gu n i t ) 是将信号传入线路并过滤 噪音。 但电力载波也有致命的缺点：一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个 是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输 的质量。显而易见，载波传输系统所处的环境是很恶劣的，所以应采取某些措施 消除噪声，特别是脉冲噪声对数据传输的影响。于是又必须增加很多新的技术来 解决相关问题。但始终逃脱不了分级传输的网络建设的命运。 ( 2 )有线通信网络 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经 济有效的方案。利用电话网通信，只需在数据采集点加装调制解调器( m o r d e m ) 即可，其通信速率可高达5 6 k b p s 。通信时可以通过拨号由交换机自动完成，也 可以租用专线，但费用较高。租用电话线方式进行数据通信时，线路续接( 包括 呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒。这一方面使得管理中心无法对用 户实时监控；另一方面当数据采集点数目较多时，租用电话线路多，其租用费用 也很可观，因此不适合大容量系统。 ( 3 )光纤通信网络 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干 扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 形连接，不 能实现总线结构( 除非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接。出于目 前星型连接节点造价高，安装费用也比较高，在能源管理系统中无法采用。随着 光纤技术和网络的发展，不久必后在能源管理系统中借用其它现有光纤通信网进 行上层通信将是一种很好的选择。 ( 4 )无线通信网络 城市基础生活能源管理智能化研究与设计 前面已经介绍了无线通信网络已经在全球得到了迅猛发展，移动通信网络的 覆盖面日趋完善，您几乎走到每一个角落都能享受到移动业务的服务，并且开发 基于无线网络的数据传输系统是十分便利的，因为现有的无线网络已经为我们提 供了高效可靠的传输能力，这使得我们可以完全放心物理传输方面的细节而集中 大量精力研究数据交互方面的工作。本文所研究的城市基础生活能源智能化管理 模型的数据通信部分正是建立在无线通信网络基础上的。 作为建立数字城市的三大支撑技术g p s ( 全球定位系统) 、r s ( 遥感) 、 g i s ( 地理信息系统) 之一的g i s 技术，是建立在地球科学和信息科学基础上的 边缘科学，它是对描述地理环境信息的地理坐标及相关信息进行采集、贮存、管 理、分析和制图的计算机软件相结合的综合性技术系统。g i s 技术正在越来越多 的应用到城市建设中，现在已经建成的域市电力调度网络系统、电信网资源管理 系统都是基于g i s 技术开发的，并且在生产和应用中发挥了巨大的作用。将g i s 概念应用于城市基础生活能源供应网络也越来越被业界人事所看好，并且这项工 程也将是充满激情和挑战的。 1 3 作者的主要工作 作者结合“成都天和华软技术有限公司”重点投资项目：“城市基础生活能 源智能计费系统”的研究和开发为背景，对未来“数字城市”概念中的城市基础 生活能源管理智能化模型进行了理论分析和建模，并做了相应的仿真。研究中作 者对系统的可行性做了必要的分析，查阅了相关文献和技术资料，为系统的实现 提出了可行的解决方案，同时试验性的实现了系统部分关键模块。 作者在整个系统设计过程中采用了面向对象的设计思想：即先将整个系统按 功能划分为几个相对独立的构建( 对象类) ；然后充分挖掘出各个对象的用例( u s e c a s e ) ，同时进行相关部分的详细设计；然后找出各对象类之间的联系( i n t e r f a c e ) ； 最后在构建系统的过程中不断精化；整个过程中有相当数量的迭代过程。 系统实现部分作者主要做了一下几个方面的工作：设计数据采集部分的通 信协议，该协议定义了数据采集设备跟数据源的通信格式；编写数据采集设备 同采集源之间的通信程序，该部分实现对用户能源接入终端的自动化数据采集、 实时监测、智能控制；编写数据采集设备同无线通信网络的通信程序，该部分 按照g p r s 和s m s 的标准通信协议实现了与无线通信网络的通信；设计与开 发数据分析处理系统，数据处理分析处理能够在两个反向对数据进行过虑：正向 ( 数据通信中心平台的流入数据) ，对数据解包，分析数据逻辑有效性，对数据 分类，传送给存储系统；反向( 由上层系统传向数据通信中心平台的数据) ，对 第一章前言 数据进行封装，送往数据通信中心平台发送数据；企业级应用服务，为能源管 理部门提供详尽的视图，包括：用户能源接入终端的能源流量明细，数据源状态 监控，能源供应网络关键节点监控，全网在线监控，能源供应负荷评估等。 1 4 论文章节安排 本文从城市基础生活能源智能化系统的核心数据传输系统入手，介绍了 当前流行的几种无线通信网络体系结构，分别介绍了g s m 、c d m a 无线通信系 统的接入规范，介绍了信令技术在无线网络通信中的重要意义，详细阐述了g p r s 和短消息在无线数据通信中应用，这些内容都是本文主题数据传输部分的重要基 础。第三章对现代数据库领域的发展作了介绍，分别讨论分布式数据库技术和空 间数据库技术，并阐述了空间数据库技术同地理信息系统( g i s ) 密切关系，最 后介绍了数据挖掘技术在企业级数据处理上运用。第四章介绍了w e b 服务的重 要概念，详细说明了w e b 服务的体系结构。第五章在前面所讨论的相关理论与 技术的基础上构建了试验级的城市基础生活能源智能化管理系统，阐述了系统的 架构模型，并对系统部分模块作了详细介绍：数据通信硬软件设计、通信协议定 制、数据处理中间件系统、数据库存储系统、企业级应用服务。第六章为全文总 结，对系统改进提出建议。 第二章无线通信网络介绍 第二章无线通信网络介绍 本章主要介绍了无线通信网络。无线通信应用与传统基于有线方式的应用存 在很大不同，表现在：应用的环境不同，无论内部应用还是外部应用都需要运营 商参与；无线终端处理能力和显示差异很大，从小型无线移动终端到p d a 到笔 记本电脑：无线应用中存在特有的安全性问题等等。一方面由于无线通信的技术 进步，为无线工作者提供了全新的应用；一方面传统的应用系统延伸到无线环境 要做修改才能适合无线应用环境。由于城市基础生活能源数据源存在分布性、空 间性等复杂地域特征，选用无线通信网络作为数据传输手段是非常行之有效的。 2 1 无线通信网络概述 近年来，随着社会的发展、科技的进步，信息传送方式发生了很大变化。人 们已不再满足于固定方式的数据通信，而渴望实现随时随地的无线连接。无线网 络技术充分满足了人们的这种需求，并成为信息时代倍受人们关注的热点。 从网络覆盖范围的角度上可将无线网络技术分成两个流派，即无线广域网技 术和无线局域网技术。目前无线广域网技术已进入了第三代多媒体移动通信系 统，又称为3 g 。它利用卫星移动通信网与地面移动通信网的结合，形成一个对 全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求， 支持话音、数据和多媒体业务，提供高达2 m b p s 的宽带数据业务。 无线局域网常常被看做有线网络和用户端计算机之间的，最后一公里，链路， 该技术发展至今，已被广泛应用在一些特殊地区。如：需要保护的历史古迹附近、 被水域阻隔不适合架设有线网络的区域、大型工矿企业厂区、银行、金融证券中 心等。无线局域网技术主要包括i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r 2 l a n 2 、h o m e r f 、蓝牙等。 它使人们彻底摆脱了线缆的束缚，在整个区域内实现随时随地的无线连接。 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议是由美国i e e e s 0 2 委员会于1 9 9 7 年6 月颁布 的。i e e e 8 0 2 1 1 协议对无线局域网络技术的发展和无线网络的应用起到了重要 的推动作用，它主要用于解决办公室和校园等局域网中用户与用户终端的无线接 入，是无线网络技术发展过程中的一个里程碑。1 9 9 9 年8 月i e e e 8 0 2 委员会相 继推出了1 e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 两个协议。i e e e 8 0 2 1 1 a 协议规定使用 5 g h z 频段，传输速率范围为6 5 m b p s ，这样的速率完全能满足传输语音、数 据、图像等需要。由于i e e e8 0 2 1 1 a 需要用到5 g h z 的高频信号，考虑到大量 城市基础生活能源管理智能化研究与设计 的技术和组织上的困难，它的成功有一定困难。i e e e8 0 2 1 l b 协议规定使用2 4 g z 频段，其传输速率能够根据环境的变化而自动改变，可从1 1 m b p s 自动降至 5 5 m b p s ，也可调整到2 m b p s 或1 m b p s 速率，充分保证了通信的高可靠性。 曾有人断言，随着3 g 的延迟，无线局域网趁势推广与普及，高端移动数据用户 将被不断分流，未来无线局域网与3 g 存在一定的互补与竞争关系。 h i p e r l a n 2 协议是由欧洲电信标准协会e t s i 提出并开发。h i p e r l a n 2 规 定使用5 g h z 频段，它具有很高的数据传输率，物理层传输速率最高可达到 5 4 m b p s ，其实际速率接近2 0 m b p s 。目前该协议只在欧洲流行，由于它与i e e e 8 0 2 1 l a 都使用5 g h z 频段，所以该协议要在全球范围内使用，还需与i e e e 8 0 2 1 1 a 标准进一步整合。 h o m e r f ( h o m e r a d i of r e q u e n c y ) 即家庭射频技术，主要应用于家庭办公室， 私人住宅和庭院网络。它利用无线频率来传输数据和语音信息以实现p c 及其它 家用电器设备之间的数字通信。蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 是一种开放性的短程无线数 据通信技术，是用来描述各种电子设备之间利用短距离无线电系统进行无线通信 的一种简单、实用的技术规范。它能在十米之内提供1 m b p s 的传输速率，同时 频率控制在广泛应用的2 4 g h z 频段。蓝牙的出现在p c m o d e m 、p c - 移动电 话、p c p d a 的沟通领域掀起了一场无线革命，极大地推进了无线网络技术的 应用与发展。 2 2g s m 无线通信网络 移动通信发展到现在，经历了由模拟到数字的变化，早期的移动通信系统是 以a m p s 和e t a c s 为代表的模拟移动通信系统。9 0 年代，随着移动通信用户 数量的增加，用户对跨地区，跨国漫游以及各种增值服务要求也随之增加，同时 数字通信技术发展也开趋成熟，欧洲的移动通信运营商开始考虑发展一种新型的 数字移动通信系统，g s m 移动系统也就应运而生。g s m ( g l o b a ls y s t e m f o r m o b i l e ) 移动通信系统最初被设计成为一个泛欧洲的移动通信标准，第一个数字移动通信 系统，能够在欧洲范围内进行国际漫游，g s m 系统是迄今为止商业化运营最成 功的移动通信系统，现在已经不仅局限欧洲范围内，世界上许多国家也采用g s m 系统。 2 2 1g s m 系统的组成 g s m 系统的主要组成部分是m s ，b s s ，m s c 。 第二章无线通信网络介绍 2 2 1 1移动台m s m o b i l es t a t i o n 移动台( 移动终端) ：是移动通信系统服务用户的终端设备， 用户通过移动终端进行通信并将用户语音数据信号转换为能够传播的射频信 号，同时进行反方向传输，故此，移动台必须具有： ( 1 ) 用于无线通信的电路。 ( 2 ) 用于语音传输的音频电路。 ( 3 ) 用于用户键盘输入与显示电路。 2 卫1 2 移动交换中心m s c m o b i l e s w i t c h i n gc e n t e r 移动交换中心：主要功能是负责整个移动通信系 统数据语音传输交换，网络管理，通信系统的连接，移动终端用户的身份确认与 位置更新，通信信道的选择等功能，系统提供的其他功能( 如：股票、短信息等) 也需要m s c 来完成。 2 2 1 3 基站系统b s s b a s es l a t i o ns y s t e m 基站系统：b s s 的主要功能是负责将m s c 与m s 连接起来，基站必须具备与m s c 的固定有限( 或无线) 连接方式，同时还要具备 与m s 的无线连接方式。每个基站覆盖一个蜂窝小区，小区中的移动终端都可 以与基站通信。基站对移动终端的通信的状态参数( 包括频率、功率，时序等) 进 行控制和管理，当移动终端移动到另一个基站小区时，将在基站的控制下进行越 区切换。 2 2 2g s m 传输方式 g s m 移动通信系统中m s 到b s s 的传输方式为射频通信，采用多址方式 进行传输。 g s m 系统采用了f d m a t d m a ( 频分多址，时分多址) 的多址方式，在给定 的上行下行频带中根据f d m a 规则，按照每0 2 m h z 一个信道，将p g s m 系 统分割为1 1 2 4 信道，d c s 系统分为5 1 2 8 8 5 信道，在每个信道频带中按 照t d m a 的方式分为8 个时隙，每个时隙供一个用户使用，也就是说个信道 隙，每个时隙供一个用户使用，也就是说一个信道可同时供8 个用户使用。 2 2 2 1实际信道 为了系统控制，将上行下行频带分成成对的上 亍下行频带的数字编号， 称为实际信道，也叫物理信道，其相应的信道编号称为a r f c n ( a b s o l u t e n e s s r f 9 城市基础生活能源管理智能化研究与设计 c h a n n e l n u m b e r ) 绝对射频信道号，一个a r f c n 对应一对上行和下行信道，称 为g s m 的实际信道。 p g s m 的a r f c n 为1 - 1 2 4 信道，c h l 信道的上行中心频率为8 9 0 2 m h z ， 下行中心频率为9 3 5 2 m h z ，a r f c n 的n 信道的中心频率为f n = f i 十m 1 1 0 2 m h z ，其对应的下行中心频率为上行频率加上双工间隔频率，p g s m 双工 间隔频率为4 5 m h z 。 e g s m 系统包括了p g s m 系统的1 1 2 4 信道，并向下拓展了1 0 m h z ，其 a r f c n 增加了9 7 5 1 0 2 3 信道，增加了4 9 个信道，同时还增加了c h 0 信道， 也就是说e g s m 系统有1 7 4 个信道，其规定c h 0 信道的上行中心频率为 8 9 0 m h z ，c h 9 7 5 上行中心频率为8 8 0 2 m h z 。 d c s 系统的a r f c n 为5 1 2 8 8 5 信道，c h 5 1 2 的上行中心频率为1 7 1 0 ， 2 m h z ，下行中心频率为1 8 0 5 2 m h z ，其双工间隔为9 5 m h z 。 p c s 系统的a r f c n 为5 1 2 8 1 0 信道，c h 5 1 2 的上行中心频率为1 8 5 0 2 m h z ，下行中心频率为1 9 3 5 m h z ，其双工间隔为8 5 m h z 。 d c s 系统和p c s 系统的实际信道有多处重合，p c s 系统仅限于北荚使用， 北美没有d c s 系统，也就是说d c s 系统和p c s 系统不可能在同一地区存在。 2 2 2 2时分多址t d m ab u r s t g s m 系统是一个时分多址的通信系统，通常8 个用户复用个信道，而移 动终端的发射信号是脉冲形的，t d m a b u r s t 的概念是移动终端在一个脉冲时间 内发射的所有频谱分量的集合，它携带着一个脉冲中所要传输的所有信息，同时 系统对一个b u r s t 在每段时间的频谱宽度与幅度都有严格的要求，对移动终端发 射和接收也有规定，移动终端在接收信号的时隙后第三个时隙发射信号，而移动 终端实际工作中，在发射与接收的间隙，移动终端将接收频率调到邻近小区的广 播信道上来监听邻近小区的场强，以便系统判断何时进行越区切换。 2 2 2 3 功率控制p a c p a c ( p o w e r a u t o e x e cc o n t r a l ) 功率自动控制。对于一个小区来讲，移动终端 用户可能很多，当多个用户同时与基站进行通信时，如果移动终端的发射功率都 相同，离基站近的移动终端就会对离基站远的移动终端造成阻塞效应；离基站近 的移动终端发射功率大电池消耗也比较大，所以基站必须能够对移动终端发射功 率进行调整，移动终端必须具备改变发射功率的功能。 1 0 第二章无线通信网络介绍 2 2 3 身份鉴别 移动终端接入网络之前，g s m 系统需要确认每个用户是否具有合法身份。 身份鉴别分为i m e i 鉴别和s i m 卡鉴别，但通常是鉴别用户的s i m 卡身份。 2 2 3 1 设备号i m e i i m e i ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l ee q u i p m e n tl d e n t i f i c a t i o m ，国际移动设备鉴别号， 是国际唯一的号码。 22 3 2 用户s i m 卡 s i m ( s u b s c r i b e r i d e n t i f i c a t i o n m o d u l e ) 卡，记录着用户身份信息，网络根据 s i m 卡的信息确定用户的合法性。s i m 卡作为一个独立的部件插入移动终端， 主要记录的内容包括i m s i m c c m n c 和用户的数据信息( 如：电话本，短信息 等1 ( 1 ) i m s i ( i n t e m a t i o nm o b i l es u b s c r i b e ri d e m i f i c a t i o n ) 一国际移动用户身 份鉴别信息。 此号码为国际唯一的号码，代表用户的身份，在移动终端登陆系统时，系统 根据此信息查找用户信息。 ( 2 ) m c c ( m o b i l ec o u n t r yc o d e l 移动国家号代表用户归属网络所在国家 的编号。 ( 3 ) m n c ( m o b i l e n e t w o r k c o d e ) 移动网络号代表用户归属网络运营商 的编号。 2 3c d m a 无线通信网络 对于个人移动通信系统来说，由于频率资源是有限的，而用户数却在不断地 增加，因此需要系统容量要随之增加，同时又不能降低通话质量，这就需要不断 地研究新的技术。c d m a 是( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的英文缩写，也就是 我们所说的码分多址。其基本原理就是扩频通信，即将系统所要传输的信号扩展 成很宽的频谱，利用信号在码域上的正交性，使用强烈自相关码序列作为地址码 对基带信息进行二次调制。不同用户采用相互正交的不同的地址码，信道中所要 传输的信号在频域和时域上可以重叠。在接收端则利用地址码的相关性，产生一 个与发送端完全相同的本地地址码。当发和收的两个地址码完全一致时，宽带信 号才可以解扩成窄带信号，并将同载波的不同码序列区分出来。而对于其他用 户码，在相关接收时，只相当于噪声，不会对有用信号构成干扰。这样，理论上 城市基础生活能源管理智能化研究与设计 只要可以将背景噪音降低到足够的水平，蜂窝系统的用户就可以无限制地增加。 c d m a 采用扩频通信和c d m a 中使用伪随机码的特点在移动通信中，信道 的容量遵从香农公式：c = b l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( b s ) r o 信道容量与信道带宽和信噪比成 证比。对一定的信道容量，当采用宽带传输时，所需要的信噪比就低，也就是说， 系统的抗干扰性好。而若信噪比必须保持一定时，增大带宽可以提高信道容量， 改善通信质量。扩频通信就是利用此原理，用高速的扩频码来扩展待传输的数字 信息带宽，从而在相同信噪比条件下，获得较强的