（计算机应用技术专业论文）gprs在配电网监控及信息管理系统中的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着信息技术和计算机网络技术的发展，公用通信网的网络规模质量、网络可 靠性和运行水平都得到了巨大的提高，将公用通信网络和计算机网络相结合的 g p r s 应用于配电网远程监控，解决了配电网远程监控系统中的通信网络问题。系 统经过试运行，效果良好，可以满足系统的经济性、可靠性和实时性的要求。 本文通过介绍g p r s 网络和i n t e r n e t 网络的相关技术，在分析国内外的应用研 究现状基础上，设计实现了一个基于g p r s 的配电网远程监控系统。该系统主要由 数据采集、数据通信、数据处理分析和监控等几部分组成。通过分析g p r s 通信的 特点，设计了通信规约进行网络数据传输，结合实际应用验证了规约设计的合理性。 关键词：配电网，g p r s i n t e r n e t ，远程监控，通信规约 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k ，t h e s c a l e ，q u a l i t y ，n e t w o r kr e l i a b i l i t y , o p e r a t i o nl e v e l o fc o m m o nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka l lh a v eg o te n o r m o u sr i s e a p p l y i n gt h eg p r si nr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mo fe l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i tr e s o l v e st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k p r o b l e m t h es y s t e mh a sb e e nr e a l i z e da n dr u n ，t h ee f f e c ti sg o o d ，a n de n s u r e st h e e c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n dt h er e a l t i m et r a i to ft h es y s t e m b yi n t r o d u c i n gt h eg p r sa n di n t e r n e tn e t w o r ks y s t e m ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r da k i n do fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fe l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko nt h eb a s i so f g p r s t h i ss y s t e mi sm a d eu po ff o u rp a r t s ：d a t ag a t h e r i n g ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，d a t a p r o c e s s i n ga n a l y s i s a n dm o n i t o r i n g b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg p r s c o m m u n i c a t i o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt op r o c e s sd a t a ，a n d v a l i d a t e st h er e a s o n a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t hp r a c t i c a ld a t a y a n gx u e ( c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f h u a n gz h i q i a n g k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , g p r s - i n t e r n e t ，r e m o t em o n i t o r i n g ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 1 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文g p r s 在配电网监控及信息管理系 统中的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：二叠垒 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叠4 丝 日 期：；趔厶1 ：】7 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的选题背景及意义 配电网自动化是将配电网的检测、电能计量、故障探测定位、自动控制、规划 和信息管理集为一体的综合系统，利用先进的电子、通信及计算机技术，实现对配 电设备的自动监测、控制和管理，以保证配电网安全、经济运行。配电网自动系统 运行、管理功能综合优化的实现是建立在配电系统信息化基础上的，通信是配电网 自动化的关键，配电网自动化系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心的控制 命令准确地传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行状况的数据信息 收集到控制中心，通信系统设计的合理性直接影响配电自动化系统的成败“1 。 随着经济的发展，城乡负荷与日俱增，配电网规模不断扩大，配电设备大幅度 增加，用户对供电可靠性和电能质量要求相应提高。由于配电网点多且面广，线路 接线复杂且变化频繁，给通信系统建设带来很大困难。现有的通信手段如有线通信、 无线扩频通信、载波通信等由于地理位置、可靠性等的限制均不能很好满足系统的 要求。光纤通信是目前最好的通信手段，但其高昂的造价限制了其应用，而且不适 应配电网经常更换的需要。因此，通信问题成了目前制约配电网自动化发展的瓶颈 【2 】 o 公用通信网经过多年的发展和完善，网络规模、网络质量和容量都得到巨大的 改善，网络可靠性和运行水平都得到极大的提高。此外，由于网络是规模经济，公 用通信网的单位带宽成本比专用电力通信网低得多，这些因素为利用公网解决电力 通信问题提供了可行性。如果我们能深入研究分析和设计安全体系、可靠性等问题， 并找到与网络工程投资合理的平衡点，大部分电力通信业务完全可以借助公用通信 网络平台来实现承载。 g p r s ( g e n e r a lp a e k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组业务) 是一种基于第二代移动 通信系统g s m 的无线分组交换技术。利用g p r s “永远在线”、“流量计费”、“快 捷登陆”、“高速传输”、“自如切换”等优点进行传输。g p r s 网络在空中的全 程通信中采用分组加密和矢量压缩处理技术，使得用户的通信保密安全功能非常 强，保障了系统传输的可靠性。利用g p r s 进行传输，组网简单、迅速、灵活。系 统可以通过i n t e m e t 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络， 接入便利，节省接入投资。通信链路由专业运营商维护，g p r s 链路维护由中国移 动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。g p r s 网络传输采取按数据流量计费，可 以大大节省系统运营费用。将g p r s 应用于配电网远程监控中，可以满足系统的实 时性、可靠性、经济性要求阻“。 1 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题在国内外的研究现状 目前将g p r s 无线传输技术应用于工业远程监控系统的数据传输是当前比较热 门的研究课题。采用g p r s - i n t e r n e t 通信网络，使工业远程监控系统的监控空间延伸 到了公用通信网络和i n t e r n e t ，在保证系统实时性、可靠性的同时降低了系统的开发 成本以及运营费用。g p r s 技术在国内外已广泛的应用于电力、交通、医疗、勘探、 供热管网等领域的工业远程监控系统中d - i o o 在国外，意大利p i r e l l i & c a m b i e n t et e c n o l o g i es p a 公司开发的基于g p r s 的 空气质量监控系统，对大范围内的国土环境进行监控来获得实际的空气质量等级以 保障公众身体健康。荷兰2 0 0 4 年完成的移动健康工程，通过在病人身上放置一个 移动的传感部件实时采集病人的健康状况数值并通过g p r s 方式发送到监控中心， 使医务人员可以随时随地查看到病人的健康情况，以预防突发疾病和及早做出治疗 【l l 】 o 在国内，北京移动与北京夜景照明管理部门合作，建立了基于g p r s 的夜景照 明管理系统( l m a s ) ，实现了对夜景照明的远程控制，以及对夜景照明系统设备的远 程实时监控和集中管理，从而降低了新建夜景照明系统的网络投资和建设周期。胜 利油田厂于2 0 0 2 年利用g p r s 对配电网进行了自动化技术改造，有效改善了供电质 量，提高了供电可靠性，对线路的运行实现实时监测，达到快速排除线路故障，降 低运行费用，提高经济效益，减少劳动强度，实现了电网的自动、优化、高效运行 的目的b 4 3 。江苏省公安厅交巡警总队采用的g p r s g i s g p s 高速公路巡警指挥调度 系统，实现了对全省路面交巡警勤务的实时指挥调度、管理，高速公路恶劣天气( 路 况) 的分级处置，建立起巡逻民警和指挥中心的信息交互通道，使总队能够及时掌握全 省各项实时信息，从而进行更加科学的管理和协调，全省交巡警指挥调度、勤务管理 现代化水平迈上一个新台阶。此外，西南交通大学电气工程学院和铁道部第二勘察 设计院电气化设计处在当前铁道监控系统中对监控图像清晰度要求不高和g p r s 网 传输速度低的前提下，对利用o p r s 在铁路监控系统中进行图像、视频传输做了实 验研究，采取了一定的打包传送策略和图像格式转换和压缩技术，实验达到了设计 目标并取得了较好的实验结果“”。 将g p r s 应用于配电网远程监控中，可以有效的解决配电网通信网络问题，满 足系统的经济性、可靠性、实时性要求。随着i n t e m e t 技术和g p r s 通信技术的发 展，远程监控系统将会更紧密地与现代通信技术相结合，g p r s 的应用前景将是相 当广阔的。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文通过分析研究g p r s 网络和i n t e r a c t 网在配电网远程监控中的应用、现有 通信规约以及g p r s 自身的特点，设计了一个基于g p r s 的通信规约来进行数据传 输。结合具体的配电网远程监控实例，以城市路灯网络为背景，采用g p r s i n t e r n c t 网，集成地理信息系统( g i s ) ，设计实现了基于g p r s 的配电网远程监控及信息管 理系统。学位论文的主要工作如下： ( 1 ) 论述选题的背景及意义，分析g p r s 技术在国内外的研究现状。 ( 2 ) 研究g p r s 网络和i n t e r n e t 网络的相关技术，介绍g p r s 的应用情况。 ( 3 ) 设计出基于g p r s 的配电网远程监控系统的总体结构，介绍了系统实现的 主要功能以及采用的开发工具，论述g p r s i n t e r n e t 网络及其应用于配电网远程监的 特点。 ( 4 ) 结合具体配电网远程监控实例，以城市路灯网络为背景，设计实现了基于 g p r s 的配电网远程监控系统。设计了基于g p r s 的通信规约进行数据传输，介绍 系统软硬件的实现技术和方法。 ( 5 ) 进行总结，指出了下一步研究工作。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章g p r s 及其相关技术 将公用通信网和计算机网络应用于配电网远程监控，组网方便，网络维护由专 业运营商负责，能够减少人员、资金的投入，降低系统成本。 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 ，通用分组无线业务) 是在g s m 系统的基 础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。它使用分组交换技术，支持i n t e m e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议，而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。g p r s 技术在端到端的高层提供 了灵活的差错控制和流量控制，减少了中间网络低层环节不必要的开销，并在网络 部分环节上增加控制，提高了安全性。通过设置服务等级q o s 等手段，可有效的控 制和分配延时、带宽等性能。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据 传输，同时也适用偶尔的大数据量传输“”。采用g p r s i n t e r n e t 网络进行数据传输， 组网方便，能够减少人员、资金的投入，降低系统成本。 2 1g p r s 的构成和特点 g p r s 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连 接，给移动用户提供高速无线i p 或x 2 5 服务，可以方便的与i n t e m e t 网络构建安 全可靠经济的数据传输网络。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无 线信道，周一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率 高达1 6 0 k b p s 。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量 计费，迅速降低了服务成本。其特点突出表现为“”： ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网 络资源和无线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活时隙能为移动用户所共 享，且上、下链路的分配是独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案， 定义了c s - l 、c s 一2 、c s - 3 和c s - 4 四种编码方案。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大 量数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。 ( 7 ) 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：节点( s g s n ) ，它和 m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全功能和接入控制。节 4 华北电力大学硕士学位论文 点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。网关支持节点g g s n ，g g s n 支持与外部分 组交换网的互通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 ( 8 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。g p r s 使用的密码算法是专 为分组数据传输所优化过的。 ( 9 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告知网 络。在h s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可接收基于g p r s 的s m s 服务、 经由s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 ( 1 0 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 m s 可被相应的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的互通。 ( 1 1 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和 隧道技术，因此数据传输高效且可靠。 ( 1 2 ) 计费方式更加合理，用户使用更加方便。 ( 1 3 ) g p r s 的核心网络层采用i p 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i p 网无缝连接。 2 2g p r s 和i n t e r a c t 网络的相关技术 2 2 1t c p i p 概述 i n t e m e t 是当今规模最大的信息网络，t c p i p 是i n t e m e t 的基础，基于t c p i p 的远程通信技术对实现控制网络与信息网络的集成实现控制网络的远程化具有广 阔的应用前景。 国际标准化组织( i n t e r n e ts t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，i s o ) 曾经提出了一种七层网 络通信模型开发系统互连参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e e t i o nr e f e r e n c e m o d e l ) ，由于这个七层协议模型数据转换过程比较复杂，在实际的应用中并没有获 得广泛的应用，而目前应用最广泛最成功的通信协议是t c p i p 协议族“”。图2 - l 列 出了o s l 的7 层模型和t c p i p 协议族的对照表。 链路层有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动 程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其它任何媒介) 的物理 接口细节，功能相当于o s i 的物理层和链路层的功能，完成网络数据底层帧的形成 和收发。 网络层主要负责在互联网上传输数据分组，与o s i 参考模型的网络层相对应， 相当于o s i 参考模型中网络层的无连接网络服务。网络层是t c p ，i p 参考模型中最 重要的一层，它是通信的枢纽，主要完成的功能是：从底层来的数据包要由它来选 择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层：对从传输层来的数据包，它要负责 按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。网络 5 华北电力大学硕士学位论文 层协议主要定义了网际协议( i p ) 以及数据分组的格式，它的主要功能是路由选择和 拥塞控制。另外，本层还包括i c m p 协议( i n t c r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，网际控 制报文协议) 和i g m p 协议( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，网际群组管理协议) 。 图2 - 1o s i 模型与t c p i p 协议族对照 t c p i p 通常被认为是一个四层协议系统，每一层负责不同的功能，其协议结构 如图2 2 所示。 传输层的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信。它与o s i 参考模型 的传输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主 机到目的主机的端到端的通信。 在t c p i p 协议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( t r a n s f e rc o n t r o l p r o t o c o l ，传输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。 t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给 它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确 认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可 以忽略所有这些细节。而u d p 则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作 数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。 任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 应用层是t c p i p 协议族的最高层，它包含了所有o s i 参考模型中会话层、表 示层和应用层这些高层的协议的功能。到目前为止，互联网络上的应用层协议有下 面几种： ( 1 ) 电子邮件协议( s m t p ) ，负责互联网中电子邮件的传递； ( 2 ) 超文本传输协议( h t t p ) ，提供w w w 服务； 6 一一一一一 一一一一一一一 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 网络终端协议( t e l n e t ) 。实现远程登录功能； ( 4 ) 文件传输协议( f t p ) ，用于交互式文件传输，下载软件就是使用这个协议； ( 5 ) 网络新闻传输协议( n n t p ) ，为用户提供新闻订阅功能，它是网上的一种功 能强大的新闻工具，每个用户既是读者又是作者： ( 6 ) d n s ，负责机器名字到i p 地址的转化； ( 7 ) s n m p ，负责网络管理； ( 8 ) r i p o s p f ，负责路由信息的交换 2 2 2g p r s 网络结构 媒体 图2 - 2t c p i p 办议结构 应用层 传输层 网络层 链路层 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络实现的，为了实现g p r s ，需要在现有的 g s m 网络中增加一些节点，如g g s n 和s g s n 。s g s n 的主要作用是记录移动台的 当前位置信息，并在移动台和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 p d n 和l a n 等。g p r s 数据分组是从基站发送到s g s n 节点，而不是通过移动交换中心m s c 连接到语音网络上。s g s n 与网关支持节点g g s n 进行通信，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。来自i n t e r a c t 、标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收， 再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。其逻辑体系结构如图2 3 所示。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3g p r s 协议模型 图2 - 3g p r s 逻辑体系结构 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图2 - 4 所示。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 ( m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a l l i n k c o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r k d 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。 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。 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l l c 地址、帧字段， 从而生成完整的l l c 帧。 b s s 中的l l r 层是逻辑链路传递层。这层负责转送m s 和s g s n 之间的l l c 帧。 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。 网络层的协议目前主要是p h a s e2 + 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议。t c p i p 和 x 2 5 协议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 8 华北电力大学硕士学位论文 t p i x 籀 l p l p 】l 笛 、乡 囊n 节 譬0 译嗣f p g 伊 l p 矿 i p ) l 笛 u 嚣 u - c 删 恻 x 笛 氟鼻 ! ! 啪p t i 故胬泄瞬对译 i p l p 眨 黼0 一c 霸络一 照务髯缡敦务 睦 眨眩 l 2 l r 毯辫箨 娼i 孵l 协i s l | b i $l ll il 1 l l 。 2 2 4g p r $ 数据传输 图2 - 4g p r s 网络协议栈示意图 在能够发送或接收数据前，必须为( 移动台) 激活( 或创建) 一个p d p 前后关 系( 数据地址) ，使用p d p 前后关系实现g p r s 网的路由选择。一个g p r s 签名可以 包含几个p d p 地址，并在移动台、s g s n 和g g s n 中的每个p d p 地址保持一个独 立的p d p 前后关系。个用户所有的p d p 前后关系与同一个m m ( 移动性管理) 环境相关，该m m 环境是对用户的i m s i ( 国际移动台标识符) 而言的。可能需要 查询和或设置下列参数： ( 1 ) 被请求的q o s ，诸如峰值比特率、平均比特率、时延要求、服务优先级和 期望的可靠性等级； ( 2 ) 数据压缩或非数据压缩； ( 3 ) 是否使用t c p i p 首部压缩； ( 4 ) 被请求的p d p 地址和类型( 尤其当一个i p 或x 2 5 地址是静态地址时) 。 如图2 5 所示，每个p d p 前后关系可能是活动的或非活动的，并可等到3 种p d p 前后关系功能激活、去激活或修正： ( 1 ) 移动台负责激活和去激活； ( 2 ) g g s n 负责激活( 对进入的分组) 和去激活； ( 3 ) s ( 3 s n 负责修正。 这3 种功能仅仅在网络子系统( n s s ) 级上有意义，不直接涉及基站子系统 ( b s s ) 。处于等待或准备就绪状态的移动台可在任何时间发起激活或去激活过程来 激活自身的、s g s n 或g g s n 的p d p 前后关系。 9 华北电力大学硕士学位论文 l 激活p d p 前后关系 激活9 。9 前后关系 p d p 环境状态机 图2 5 活动或空闲模式下m s 的p d f 前后关系 ( 一) 前后关系激活 移动台在p d p 前后关系激活中使用一种方式，把自己与g p r s 公共陆地移动网 ( p l m n ) 的s g s n 连接起来。移动台被分配一个无线网络已知的临时逻辑链路标 识( t l l i ) 。然而，外部的网络节点( r p 或x 2 5 ) 仍然不知道移动台。因此，移动 台必须与g g s n 一起建立一个p d p 前后关系。 s g s n 和g g s n 是通过i p 地址区分的。s g s n 和g g s n 之间存在一个多对多的 关系。多个隧道( 为s g s n 和g g s n 之间数据的安全传输而使用的) 可以存在于一 对g g s n 之间。每个隧道都具有一个特定的隧道标识( t i d ) 。激活过程包括下面4 个步骤，如图2 6 所示： 图2 - 6 激活p d p 前后关系的步骤 ( 1 ) 移动台向s g s n 发送一个p d p 前后关系激活请求： ( 2 ) s g s n 根据移动台提供的信息和其他配置选择g g s n ，请求g g s n 为移动 1 0 华北电力大学硕士学位论文 台创建一个前后关系。s g s n 将选择一个g g s n ，该g g s n 提供所需的特定的类型 的前后关系( 诸如i p 网络接入和x 2 5 接入) ； ( 3 ) g g s n 向s g s n 发送带t i d 信息的回复信号，更新自身所带的表，在表中 完成t i d 和s g s ni p 地址和与之相关的特定移动台的映射； ( 4 ) s g s n 向移动台发送一条消息，通知移动台，已为它激活一个前后关系。 s g s n 也更新包含t i d 和g g s ni p 地址表，并已用这些t i d 和g g s ni p 地址为移 动台建立了隧道。 ( 二) 来自移动台的g p r s 数据传输 在连接s g s n 和激活p d p 前后关系后，移动台被外部的分组数据网( p d n ) 所 知道，而且能够向网络发送和接收来自网络的信息。现在移动台的一个用户应用将 产生i p 和x 2 5 分组。分组包括源地址、目的地址和信息。分组流程按下面的步骤 进行，如图2 7 所示： 图2 - 7 来自移动台的g p r s 数据传输 ( 1 ) 在s o s n 和移动台之间存在一条逻辑链路，由该移动台专用的t l l i 区别 该链路。在移动台存在一个表，它保存移动台到t l l i 和相关的n s a p i ( 网络层业 务接入点标识符) 的映射信息。s n d c p ( 子网会聚协议) 层取得原始的i p 分组， 加入包含t l l i 和n s a p i 信息的头信息，然后将这些分组发送到s g s n ； ( 2 ) 在s g s n 的表中还存储有t l l i 和n s a p i 到对应t i d 和g g s nm 地址映 射信息。在s g s n 中，去除包含t l l i 和n s a p i 的头，然后在它的位置放上包含 l i d 和g g s n i p 地址的g t p 头； l l 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 分组以i p 格式发送到g g s n ，其中s g s n 的i p 地址作为源地址，g g s n 的i p 地址作为目的地址。t i d 也是i p 数据分组的一部分； ( 4 ) 在目的端( g g s n ) ，去掉分组头，得到原始的i p 或x 2 5 分组。现在这个 分组能够被送到它的目的地，该目的地来自分组的目的地址字段。 ( 三) g p r s 数据向移动台传输 数据向移动台传输过程类似于数据从移动台传输。如图2 8 所示为传输步骤， 它们按照下面的顺序进行： 图2 - 8g p r s 数据流向移动台 ( 1 ) 来自外部网络的分组到达g g s n 。g g s n 查表去测定移动台的特定的s g s n 地址和t i d ，该移动台是分组的期望接收者； ( 2 ) s o s n 产生i p 数据报( 分组) ，数据报分组包含作为源地址的g g s ni p 地 址、作为目的地址的s g s ni f 地址和原始的i p 分组及t i d 分组； ( 3 ) s g s n 把t i d 和s g s n 映射为表中相应的t l l i 和n s a p i 值。在该点，s g s n 知道移动台在哪里和它必须把分组送给哪个网络应用： ( 4 ) s g s n 取得原始的i p 分组，加入包含n s a p i 和t l l i 的分组头，把它传送 到移动台得s n d c p 层去掉分组头，把分组送到相关的网络应用层 上述顺序是假设一个活动的p d p 前后关系是开着的。如果在该事件中还没有为 移动台创建p d p 前后关系，对网络来说，该需要可以引发去创建一个p d p 前后关 系。首先，在g g s n 和与移动台相连接的s g s n 之间建立一个前后关系，然后，事 件流程如前所述。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3g p r s 的安全性 在以g s m g p r s 为代表的2 0 及2 5 g 数字蜂窝移动通信系统中，安全性方面 较模拟及其它2 g 系统有了很大的改进，特别是为保证移动台( m s ) 能安全使用网 络提供的各种服务，并确保网络的正常运营，g s m g p r s 采用了认证和加密技术。 即在g s m g p r s 网中，每个m s 都有一张用户标识模块( s i m ：s u b s c r i b e ri d e n t i t y m o d u l e ) 卡，卡中存有移动用户的秘密信息( 如：“国际移动台识别码一鉴权钥” 对 等) 和a k a 算法( a 3 a 8 算法) 。在m s 请求业务时，由s i m 卡中的 微处理器执行a 3 a 8 算法，生成鉴权响应和会话密钥，而数据加密算法( a 5 g e a ) 则在用户手机中进行运算。这样，在网络端，当用户的秘密信息( 经a 2 算法加密 后) 与a 3 a 8 算法均存在于认证中心( a u c ) 的数据库中时，就会由a u c 执行a 3 a 8 算法，而生成用户入网安全参数，并传给移动交换中心( m s c ) 和基站( b s ) ，由 m s c 与b s 对m s 进行身份认证，以及由a 5 g e a 算法在b s s g s n 中执行。在保 密通信系统中，通常将身份认证与密钥分配的过程结合在一起，以避免攻击者在身 份认证之后以代合法者而参与密钥的分配过程，达到窃听或篡改信息的目的。为此， g s m g p r s 系统的安全机制在总体上可以分为两个部分，即认证与密钥的分配和加 密两部分n ”，。 ( 一) 用户认证 g p r s 将使用g s m 定义的认证过程，其差异是：该过程是从s g s n 执行的。 g p r s 认证过程执行用户认证、选择加密算法和加密起始时刻的同步。认证三重系 存于s g s n 中。一旦附着i m s i ，m s c v l r 将不通过s g s n 对移动台认证，也不能 位置更新，但在c s 连接建立期间可以认证移动台。认证过程如图2 - 9 所示。 图2 - 9g p r s 系统的认证过程 如果s g s n 之前没有存储认证三重系，就要给h l r 传送包含i m s i 的“发送认 证信息”消息。h l r 用包含认证三重系的“发送认证信息响应”消息应答。每一个 1 3 华北电力大学硕士学位论文 认证三重系都包含r a n d 、s r e s 和k c 。 s o s n 给移动台发送包含r a n d 、c k s n 和加密算法的“认证和加密响应”消 息应答。移动台发送“认证和加密响应”消息后，启动加密。s g s n 从移动台接收 到有效的“认证和加密响应”，启动加密。在路由区更新情况，如果在路由区更新 之前使用了加密，并且忽略认证过程，那么，当发送一条“加密的路由区更新接受” 消息时，s g s n 恢复用相同的算法加密，并且，当移动台接收到一条“加密的路由 区更新接受”消息时，也将恢复加密。 ( 二) 用户识别码保密 临时逻辑链路识别码( t l l i ) 用来识别一个g p r s 用户。t l l i 和i m s i 之间的 管理只有在移动台和s g s n 内才能知道。l i 根据s g s n 安排的p t m s i 得到，或 者由移动台创建。当移动台处于就绪状态时，s g s n 任何时候都可以重新安排 p t m s i 。重新安排过程根据p t m s i 重新安排过程来执行，或者也可以包含在附着 或路由更新过程中。 ( 1 ) p t m s i 署名 s g s n 可以选择地在“附着接受”和“路由区更新接受”消息中，给移动台传 送p - t m s i 署名。如果自当前p t m s i 被安排以来，s g s n 已经给移动台发送了 p t m s i 署名，那么，移动台将在下一次“路由区更新请求”和“附着请求”中， 包含p t m s i 署名，用于识别码验证的目的。在附着和路由区更新过程中，s g s n 将移动台发送的p t m s i 署名与s g s n 内存储的署名进行比较。如果比较值不一致， s g s n 应该使用安全功能，对移动台认证。如果比较值一致，或者如果p t m s i 署 名遗失，s g s n 可以使用安全功能，对移动台认证。p t m s i 署名参数只在分配署名 的s g s n 内才有意义。如果网络支持加密，s g s n 将给移动台发送加密的p t m s i 署名。“路由区更新请求”和“附着请求”不加密，移动台在其内部包含有p - t m s i 署名。 圈2 - 1 0p t m s 重新安排过程 ( 2 ) p t m s i 重新安排过程如图2 1 0 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 s g s n 给移动台发送包含新的p t m a i 、p t m s i 署名和路由区识别码的 “p 俐s i 重新安排命令”消息。p w s i 署名可选的参数，如果移动台接收了该署 名，它将在下一次附着和路由区更新过程中，返回给s g s n 。 移动台给s g s n 返回“p t m s i 重新安排完成”消息。 ( 三) 用户数据和g m m s m 信令保密 ( 1 ) 加密范围 与现有g s m 加密范围比较，g s m 只在b t s 和移动台之间单个逻辑信道上加密， g p r s 加密的范围从s g s n 的加密功能，到移动台内的加密功能。加密是在逻辑链 路层完成的，而从现有的g s m 移动台至b t s 无线路经来看，逻辑链路控制分组数 据单元是以明报文传送的。如图2 1 l 所示。 图2 - 1 lg p r s 与g s m 加密范围比较 ( 2 ) g p r s 加密算法 可以选择g p r s 加密所使用的加密算法。也可以设计新的加密算法。s g s n 不 知道t d m a 帧编号，因此，逻辑链路控制帧号码可以替代t d m a 帧号码，作为算 法的输入。此外，将采用用于k c 的标准密钥管理过程。 图2 - 1 2g p r s 移动台识别码校验过程 ( 四) 识别码校验过程 g p r s 将使用g s m 已经定义的移动台识别码检验过程，不同之处在于：该过程 1 5 华北电力大学硕士学位论文 是从s g s n 内执行的。如图2 1 2 所示。 ( 1 ) s g s n 给移动台发送包含识别码类别的“识别码请求”消息。移动台用包含移 动台识别码的“识别码响应”消息应答。 ( 2 ) 如果s g s n 决定通过e i r 检验i m e i ，它将给e i r 发送包含i m e i 的“检验 i m e i ”消息。e i r 用包含i m e i 的“检验i m e i 响应”消息应答。 2 4 g p r s 技术的应用范围以及在电力通信网中应用的可行性分析 g p r s 技术可以应用的领域有： ( 1 ) 实现移动上网。g p r s 移动终端可实现诸如收发e m a i l 、图像发送、w w w 浏览等功能。 ( 2 ) 无线接入。g p r s 可以给智能电话、掌上电脑等设备提供高达1 7 1 k b ，s 的无 线接入速率，而目前最快的无线接入速度只有1 9 2 k b s 。这大大拓宽了无线接入带 宽。 ( 3 ) g p r s 电子支付。随着g p r s 网安全保障的不断提高，g p r s 电子商务、 g p r s 电子银行都将会引入到移动通信网中来。 ( 4 ) 基于w a p 的应用。通过g p r s 可使基于w a p 的业务应用的开发变得更加 容易，其w a p 业务应用可兼容各种g p r s 终端。 ( 5 ) 以g p r s 承载业务为基础的网络应用。v p n 业务通过与企业内部i n t r a n e t 互通，使用户能无线接入内部局域网，实现移动办公等。 ( 6 ) 车辆调度。通过g p r s 可以实现交通工具的定位、道路信息的获取，从而 有效地调度车辆。 ( 7 ) 工业遥信、遥测、遥控：电信行业无人值守机房监控和远程维护( 如移动基 站、微波、光纤中继站等) ； ( 8 ) 城市配电网自动化系统数据传输；自来水管道、闸门、泵站与水厂监控； 煤气管道、闸门与加压站监控：供热系统实时监控和维护；气象数据采集与传输； 水文监测；其他无人值守站点( 如仓库、办公楼等) 监控。 ( 9 ) g p r s 在电力通信网信息传输中的可行性分析“2 ”1 从技术角度分析，g p r s 是中国移动在其现有的g s m 网络上开通的一种分 组数据传输技术，它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快，能够提供 4 0 1 0 0 k b i t s 带宽，能满足电力通信网对通信速度的要求。目前该技术现已正式投 入商用，运营稳定。 目前g p r s 技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型 数据。 实时流数据：典型应用为发电厂和变电站的实时运行信息，包括电压、电流、 1 6 华北电力大学硕士学位论文 功率、开关位置和运行参数等的监控，一般遇到的实际情况是6 0 0 b i t s 和1 2 0 0 b i t s