（信号与信息处理专业论文）基于gprs的无线通信汽车检测系统通信及上位机软件的设计.pdf

摘要 汽车的发明与应用，极大地改善了人类的生产与生活水平，然而交通事故也 由此产生。随着汽车工业的飞速发展和汽车数量的大幅度增加，交通事故率日趋 上升。交通事故的原因虽然很多，但汽车性能优劣无疑是主要原因之一，因而世 界主要汽车生产国家都把汽车安全性能定为最重要的指标，并大量采用汽车碰撞 试验来评价其安全性能。目前，汽车碰撞试验主要采用在汽车车体上附加一个轮 子的方法来获取车速，并用假人检测汽车的其它性能参数。碰撞试验完成后再利 用人工将采集到的数据传输到p c 机上进行分析和研究。该方式不仅需要耗费大 量人力，且不能实时监测，具有实时性差，检测效率低和自动化程度不高等缺点。 因此，无线通信汽车检测系统的研制已成为当今的热门课题。 本文研制了一种基于g p r s 技术的无线通信汽车检测系统，提出了利用g p s 进行速度检测，蓝牙和g p r s 进行通信的系统总体设计方案；采用g p r s 技术和 t c p i p 通信协议，以及v i s u a lb a s i c6 0 提供的w i n s o c k 控件编写了p d a 与上位 机的通信软件，实现了p d a 与上位机的通信；在w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统 上，采用v i s u a lb a s i c6 0 开发工具设计了汽车检测数据管理系统的软件，它主要 包括登陆模块、数据接收入库模块、检测信息管理模块、数据查询分析模块、报 表打印模块和系统维护模块六个模块；采用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库、a d o 数据 库访问技术和v b + s q l s e r v e r 软件编程技术开发了汽车检测数据的数据库，并 进行了调试实验。 该系统能够实现基于g p r s 技术的汽车检测数据的传输和管理，以及利用上 位机对汽车碰撞试验中汽车性能参数的实时检测，系统界面友好、操作简单，提 高了检测的效率和水平，具有较高的应用价值。 关键词：车辆检测；p d a ；g p r s ；通信：管理软件 a b s t r a c t t h ei n v e n t i o na n da p p l i c a t i o no fv e h i c l eh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h eh u m a n s p r o d u c t i o na n dl i r e a n dt h e nt h et r a f f i ca c c i d e n t sw e r ed e r i v e da tt h es a m et i m e w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n das i g n i f i c a n ti n c r e a s i n ga m o u n t o fv e h i c l e s ，t h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n th a sb e e nk e e p i n gg r o w i n g a l t h o u g ht h e c a u s e so ft r a f f i ca c c i d e n t sa r ec o m p l e xa n dd i v e r s e ，o n eo ft h em a i np o i n t si st h e p e r f o r m a n c eo fv e h i c l e t h em a j o ra u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r si d e n t i f yt h es a f e t yo f v e h i c l ea st h ei m p o r t a n td a t at oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l ea n da l s ou t i l i z e t h ev e h i c l ec r a s ht e s t st oe v a l u a t ei t ss a f e t yp e r f o r m a n c e c u r r e n t l y , t h ev e h i c l es p e e d o fv e h i c l ec r a s ht e s ti so b t a i n e db ya t t a c h i n ge x t r aw h c e lo nt h ev e h i c l eb o d ya n dt h e o t h e rv e h i c l ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ed e t e c t e db yam a n i k i n a f t e rt h ec o m p l e t i o n o fc r a s ht e s t ，t h es c i e n t i s th a st ot r a n s m i td a t ai n t oc o m p u t e rt oa n a l y s i sa n dr e s e a r c h a r t i f i c i a l l y t h i sm e t h o dh a st oc o n s u m eac o n s i d e r a b l ea m o u n to fm a n p o w e r i tc a n h a r d l yr e a l i z ear e a l t i m em o n i t o r i n gw i t has h o r t a g eo fl o wd e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i o ne t c t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so fv e h i c l e i n s p e c t i o ns y s t e mh a sb e c o m eah o ts u b j e c t b a s e do ng p r saw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mo fv e h i c l ei n s p e c t i o nd a t ai s d e s i g n e d u s i n gg p sf o rt h ev e h i c l es p e e dt e s t i n ga n db l u e t o o t ha n dg p r sf o r c o m m u n i c a t i n g ，t h eo v e r a l ld e s i g nh a sb e e np r o p o s e d b yu s i n gg p r sa n dt c p i p p r o t o c o la n dw i n s o c kc e n t r e lo fv b t h ep d a a n dp cc o m m u n i c a t i o nh a sb e e n a c c o m p l i s h e d b ym e a n so fap d aa n dp cc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ，t h er e m o t e w i r e l e s st r a n s m i s s i o no fv e h i c l ei n s p e c t i o nd a t ah a sb e e na c c o m p l i s h e da l s o t h e s o f t w a r eo fv e h i c l ei n s p e c t i o nd a t am a n a g e m e n ts y s t e mo nw d o w s2 0 0 0s e r v e rb a s e d o nv i s u a lb a s i c6 0h a sb e e nd e v e l o p e d i ti n c l u d e st h el a n d i n gm o d u l e ，d a t ar e c e i p t a n ds t o r a g em o d u l e ，d e t e c t i o na n dm a n a g e m e n to fd a t am o d u l e ，d a t aq u e r ya n d a n a l y s i sm o d u l e ，r e p o r tp r i n t i n gm o d u l ea n ds y s t e mm a i n t e n a n c em o d u l e b yu s i n g t h es q ls e r v e r2 0 0 0 ，t h ea d ot e c h n o l o g ya n dv b + s q ls e v e rs o f t w a r e p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , t h ed a t a b a s eo f v e h i c l ei n s p e c t i o nd a t ah a sb e e nd e v e l o p e d a l lt h ed e b u g g i n gt e s t sh a v eb e e nc o m p l e t e d t h i ss y s t e mr e a l i z e dt h et r a n s m i s s i o na n dm a n a g e m e n to fv e h i c l et e s t i n gd a t a b a s e do ng p r sa n dt h er e a l - t i m ed e t e c t i o no fv e h i c l ei n s p e c t i o nd a t ab ys e r v e r i ti s c h a r a c t e r i z e db yu s e r - f r i e n d l y , e a s y o p e r a t i o n ，a n dh i g h e rd e t e c t i o ne f f i c i e n c y i n s u m m a r y , t h es y s t e mh a sas i g n i f i c a n tv a l u eo fa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v e h i c l ei n s p e c t i o n ；p d a ；g p r s ；c o m m u n i c a t i o n ；m a n a g e m e n ts o f t w a r 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丞洼王些太堂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己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘲；艮 签字r 期乡哆年上月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：别；乏 导师签名： 签字日期：j 哆年上月髟r 签字吼川年月形同 学位论文的主要创新点 一、提出了一种利用g p s 进行速度检测，蓝牙和g p r s 进行通信的无 线通信汽车检测系统的总体设计方案，可提高检测效率和自动化程 度。 二、利用s q ls e r v e r2 0 0 0 、a d o 数据库访问技术和v b + s q ls e r v e r 软件编程技术开发了汽车检测数据库及检测数据管理软件，实现了对 汽车检测数据的管理和查询。 第一章绪论 1 1 汽车检测发展现状 第一章绪论 汽车的发明与应用，极大地改善了人类的生产与生活，然而交通事故也由此 产生。随着汽车工业的飞速发展和汽车数量的大幅度增加，交通事故率日趋上升。 交通事故的原因虽然很多，但汽车性能优劣无疑是主要原因之一，因而世界主要 汽车生产国家都把汽车安全性能定为最重要的指标，并通过汽车检测技术来评价 其性能。 汽车工业是2 0 世纪初形成的。汽车检测技术伴随着汽车技术的进步，首先 在西方工业国家开始发展，当时的检测诊断主要由人工进行。2 0 世纪中叶，开 发了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术及检测设备；进入6 0 年代，出 现了光机电、理化机电相结合的设备，汽车检测设备开始向专业化、多功能化转 变；7 0 年代以后，随着计算机技术的发展，出现了检测控制自动化、数据采集 自动化、数据处理自动化、检测结果自动存储并打印的现代综合检测技术，其检 测效率较高【1 】；9 0 年代起，随着计算机信息技术的发展，汽车检测技术已发展 到车载自诊断系统( o b d ) 及汽车故障诊断专家系统阶段，1 9 9 6 年后，许多美 国企业生产出的汽车在配备普通的o b d i i 系统的同时，又推出了加强型的诊断 系统，在很大程度上提高了检测数据的通讯速度，而且还增加了对自动变速器、 a b s 和s r s 系统的诊断功能。 自工业发达国家建立机动车检测站和检测线以来，汽车检测便开始向制度 化、标准化和智能化方向发展，检测结果注重科学、准确、公开、公正【2 1 。总体 来讲，发达国家的汽车检测在管理上已实现了“制度化”；在检测结果判别上已 实现了“标准化”；在检测技术上已实现了“智能化、自动化”。目前，汽车检测 前沿技术包括汽车行驶安全装置的检测，汽车安全防护装置的检测，汽车仪表、 照明及信号装置的检测，汽车操纵稳定性检测，汽车制动性能检测，汽车碰撞安 全试验，汽车噪声与排放污染物的检测等 3 1 。针对汽车被动安全性能主要评定手 段之一的汽车碰撞试验，欧、美、日、澳大利亚等也都推出了新车评价规程 ( n c a p ) 。n c a p 通常按照一定的试验规范和流程，通过对新上市的乘用车进行 正面、侧面和后部碰撞以及圆杆碰撞和行人碰撞等多方面的碰撞试验，并以驾驶 员、副驾驶员、乘车儿童、车外行人等多个对象的伤害指数评估该车综合安全等 天津工业大学硕士学位论文 级【4 1 。 我国汽车检测技术的发展经历了萌芽、发展和逐步完善的过程【5 】。6 0 年代， 我国开始研究汽车检测技术。7 0 年代，汽车不解体检测技术及设备被列为国家 科委的开发应用项目。“六五”期间，国家重点推广了汽车检测和诊断技术。1 9 8 4 年5 月，大连建立了国内第一个汽车检测站。随之，国内展开了筹建汽车检测站 的任务，形成了全国的汽车检测网。进入9 0 年代，全国开始迅速建设汽车综合 性能检测站。到1 9 9 7 年，全国已建立近千家，其中a 级站1 4 0 多家。与此同时， 汽车的检测技术和设备也得到了大力发展，目前全国生产汽车综合性能检测设备 的厂家已达6 0 多个。为了鼓励汽车生产企业进一步提高碰撞安全性能并且为消 费者提供准确可靠的安全信息，2 0 0 6 年中国汽车技术研究中心( g 蚴c ) 在 深入研究和分析国外n c a p 的基础上，结合我国的汽车标准法规、道路交通实 际情况和车型特征，正式推出了新车评价规程( c n c a p ) 【6 】。c n c a p 要求对 一种车型进行车辆速度5 0 k m h 与刚性固定壁障1 0 0 重叠率的正面碰撞、车辆 速度5 6 k m h 对可变形壁障4 0 重叠率的正面偏置碰撞、可变形移动壁障速度 5 0 k m h 与车辆的侧面碰撞等三种碰撞试验，根据试验数据计算各项试验得分和 总分，由总分多少确定星级。 由于我国汽车检测起步较晚，相比发达国家，我国汽车检测设备还存在着可 靠性低、自动化程度落后、品种单一、技术含量低等缺点。例如，我国汽车检测 中对于车速的获取主要采用在汽车车体上附加一个轮子的方法，试验完成后再利 用人工将采集到的数据传输到p c 机上进行分析和研究。该方式不仅需要耗费大 量人力，且不能做到实时监测，具有实时性差，检测效率低和自动化程度不高等 缺点。因此，无线通信汽车检测系统的研制已成为当今的热门课题。 1 2 课题的目的及意义 本课题的目的是研制一种基于g p r s 技术的汽车检测通信系统并实现对检 测数据的管理和查询。利用g p r s 网络平台，借助p d a 作为无线传输终端设备， 进行车辆检测数据的传输。在上位机上建立汽车检测数据库，并利用v b + s q l s e r v e r 软件编程技术编写管理软件，实现对检测数据的管理和查询。 本系统实现了汽车检测数据的无线传输，有效地解决了碰撞试验完成后需利 用人工传输数据到p c 机上的缺点，提高了检测效率和自动化程度，极大的方便 了汽车检测数据的传输与分析。由于g p r s 的分组交换传输模式，用户可以永远 在线，通过实时反馈数据分析结果，及时调整检测方式，提高了系统的实时性。 通过管理软件和后台数据库的支持，进一步提高了车辆检测性能分析的效率和精 2 第一章绪论 度，具有较高的应用价值。 1 3 课题的主要内容 本文在总结了前人关于g p r s 通信系统各种研究和应用的基础上，深入研究 了g p r s 通用分组无线业务技术的特点及其工作原理，设计出了基于g p r s 技术 的汽车检测通信系统。为了满足汽车检测数据不断增加的需求，选择使用功能强 大、安全性能高、运行稳定的m i c r o s o f ts q l s e r v e r2 0 0 0 中文版，创建汽车检测 数据库。 本课题按照整个系统的功能需求制定了基于g p r s 的无线通信汽车检测系 统的设计方案，根据检测系统的实际需求设计了通信软件、检测数据管理软件， 建立了检测数据库，并进行了试验调试。 主要研究工作如下： 1 系统方案的设计。提出了利用g p s 进行速度检测，蓝牙和g p r s 进行通 信的系统总体设计方案。 2 介绍了g p r s 技术和t c p i p 通信协议。g p r s ( 通用分组无线业务) 是 在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，为g s m 用户提供分组形式 的数据业务。 3 在m i c r o s o f tw i n d o w sm o b i l e5 0 平台上利用e v b 3 0 编写了p d a 通信软 件；在w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 平台上利用v i s u a lb a s i c6 0 编写了与上位机的通信 软件，实现了p d a 与上位机的通信。 4 在w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统上，采用v i s u a lb a s i c6 0 开发工具设计 了汽车检测数据管理系统的软件，它主要包括登陆模块、数据接收入库模块、检 测信息管理模块、数据查询分析模块、报表打印模块和系统维护模块六个模块。 3 第二章总体方案设计 第二章总体方案设计 基于g p r s 的无线通信汽车检测系统是由检测数据采集终端、蓝牙模块、客 户端p d a 、g p r s 数据传输部分、互联网传输部分和上位机组成，其原理框图如 图2 - 1 所示。 检测数据采集终端 r “一 c s m 基站 服务器端 圈 1 无线通信汽午检测系统组成框图 检测数据采集终端包括g p s 模块和单片机模块。g p s 模块采用r o c k w e l l 公 司的j u m t 盯g p s ，o e m 板。由于“j u p i t e r g p s o e m 接收机的串口与订l 电平兼 容，故可直接与单片机的u a r t 0 串口连接p l 。单片机模块使用的是c y o n a l 公司生产的具有c 口- 5 1 微控制器内核的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机。c 8 0 5 1 f 0 加具有运 算速度快、片内存储空间大i s 等优点。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机与c a p s 接收机通信接 口采用异步串行通信方式，并根据n e m a - 0 1 8 3v 30 协议发送至单片机控制系 统。 蓝牙模块采用金瓯蓝牙j i n o u 3 2 6 3 蓝牙内嵌式模块。它主要负责将从串口 接收的数据转换成蓝牙协议发送到对方的蓝牙设备。由于j i n o u 3 2 6 3 提供标准 u a r t 接口，这个接口提供t x d 、r x d 、r t s ( 请求发送) 、c t s ( 清除发送) 四个信号。困此它可直接与本系统中c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的u a r t l 口连接进行通 信”。 p d a 的通信软件是在m i c r o s o f l w i n d o w $ m o b i l e5 0 操作系统上采用e v b3 , 0 9 ； 固黼 v 厨一v 厨 天津工业大学硕士学位论文 开发而成。上位机通信软件采用v b6 0 开发，并利用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库建 立了汽车检测数据的数据库，采用v b + a d o + s o ls e r v e r 软件编程技术在 w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统上开发了汽车检测数据管理系统的软件。 基于g p r s 的无线通信汽车检测系统的工作过程是由检测数据采集终端中 的单片机模块通过串行口1 接收g p s 模块的速度检测信号，并将该信号与采集 到的状态检测信号，通过单片机串行口2 发送到蓝牙模块，并通过蓝牙模块发送 给装有g p r s 通信模块的p d a 移动终端。p d a 把g p r s 分组数据发送给基站， 基站再把数据发送到s g s n ( g p r s 业务支持节点) ，s g s n 与g g s n ( g p r s 网 关支持节点) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络， 如i n t e m e t 或x 2 5 网络；来自i n t e m e t 标识有移动台地址的口包由g g s n 接收， 再转发到s g s n ，继而传送到移动台上，实现了g p r s 与i n t e r n e t 的互联互通； 拥有固定i p 地址的上位机直接与i n t e r n e t 连接从而实现了p d a 与上位机之间的 通信。s g s n 和g g s n 利用基于口协议的g p r s 骨干网连接，运用g p r s 隧道 协议( g r p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数据传输【1 0 1 。上位机 数据管理系统利用数据库存储各种检测信息，通过系统管理软件管理各类数据， 实现了车辆基本信息及各种检测数据的存储、查询、分析。 6 第三章g p r s 网络与t c p i p 协议 3 1g p r s 技术 第三章g p r s 网络与t o p ip 协议 g p r s ( g e n e r f lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在现 有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，能为g s m 用户提供分组形式的 数据业务。g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网 更高的数据率，采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结 构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。g p r s 以分组交换技术为基础， 支持x 2 5 协议和i p 数据网络协议，提供了直接、无缝的i n t e r n e t 网连接。与现 有的g s m 语音系统相比，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量 的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，这一特点正适合大多数移动互联的 应用。 3 1 16 p r s 发展现状 g p r s 的技术已经非常成熟，目前，全世界已有近百个运营商开通了商用系 统、试商用系统或实验系统。从1 9 9 9 年开始，英国的b t c e l l n e t 、荷兰的 t e l f o r t 、中国香港的s m a t o n e 等多个国家和地区的运营商，纷纷在其g s m 网叠加发展g p r s 。2 0 0 1 年各运营商有了非常大的发展，2 0 0 2 年基本进入商用 化。因为g p r s 较之g s m 在数据的传输上产生了由电路交换到分组交换这样一 个质的飞跃，对于移动互联网和数据业务有了一个很大的促进。 随着网络覆盖的不断扩大和用户数量的不断增加，中国移动和中国联通也都 在积极采用新技术，推出新业务。除基本话音业务外，两家公司都开通了三类传 真、9 6 0 0 波特及以下数据业务、语音信箱、移动秘书、短消息、移动互联网、 手机拨打口电话、信息点播、手机银行、w a p 业务等形式多样的业务。运营商 们发现，一方面，短消息业务因其价格低廉、随时随地收发信息，不受关机影响 的特点而倍受用户青睐，发展态势喜人；而另一方面，w a p 业务虽然宣传描绘 得很好，用户也十分想用，但实际应用却并不理想。 g p r s 移动数据业务能够为用户提供丰富的应用服务，g p r s 的快速传输能 力将可以有效地解决w a p 手机上网速度慢的难题。w a p 业务之所以不能广泛推 7 天津工业大学硕士学位论文 广的主要原因是它是基于g s m 电路交换数据( c s d ) 方式承载的，c s d 的速率低， 使用c s d 方式只能传输一些文本信息和静态图片，用户最高只能以9 6 k b i t s 的 速度进行数据通信，如f a x 、e m a i l 、f t p 等，但随着因特网的飞速发展，用户 往往希望传送高质量的视频和声音。显然，现有的g s m 数据业务无法满足这个 要求，并且现在的数据业务与话音业务计费方式一样，用户只要连接到网上就要 按时间付费。c s d 方式的明显缺陷就是造成了无线资源的浪费和用户费用较高， 用户对g s m 数据业务需求的积极性就这样被抑制了。而g p r s 将改变这一现状， 由于它是基于i p 协议的二层协议，因此g p r s 可提供与因特网更有效的连接。 g p r s 方式不仅可以传输图片等信息，还可以传输动画，语音等多媒体信息，因 此在g p r s 上可以开发出更多更精彩的应用。此外，g p r s 使运营商能够以传输 的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而大大的降低了成本，因此可以说 g p r s 是w a p 目前的最佳承载平台，是w a p 业务成功的关键。 3 1 2g p r s 的特点 g p r s 网络提供高速的分组数据业务，提供端到端的、广域的无线i p 连接， 实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合及i p 协议的透明传送。g p r s 具有 以下特点 t t l ： 1 在核心网络中引入g p r s 支持节点( g s n ) ，s g s n 和g g s n 采用分组交 换平台方式，定义了基于t c p i p 的g t p 方式来承载高层数据。s g s n 与m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的储存单元，实现安全功能和接入控制，节点 s g s n 通过帧中继连接到基站系统。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。 2 通过g g s n 实现了与标准i n t e m e t 的无缝连接，在g g s n 可实现与外部 i p 网络的透明与非透明的连接，支持特定的点对点和点对多点服务，以实现一 些特殊应用如远程信息处理。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。 3 以灵活的方式与g s m 语音业务共享无线与网络资源( 如g s 接口) ，采 用了灵活的策略，实现数据与话音业务的共存。 4 g p r s 非常适合突发数据应用业务，能高效利用信道资源在无线接口 m a c 瓜l c 层无线资源的有效管理，以及核心网部分适于数据传送的分组交换方 式，g p r s 网络适于突发性数据的有效传送，它支持四种不同的q o s 级别。一般 来说g p r s 能在0 5 一l s 之内恢复数据的重新传输。 5 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活，每个t d m a 帧可分 第三章g p r s 网络与t c p i p 协议 配1 到8 个无线接口时隙。时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配 是独立的。 6 g p r s 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速 率( 每用户) 。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 2 、 c s 3 和c s 4 四种编码方案。 7 g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由 s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样， 不过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。g p r s 移动设备 ( m e ) 可通过s i m 访问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具有g p r s 功能。 8 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明的传输，它使用的方法是封装 和隧道技术。数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。 这种透明的传输方法缩减了g p r sp l m n 对外部数据协议解释的需求，并且易于 将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输 高效且可靠。 9 g p r s 的资源利用率高。它引入了分组交换的传输模式，使得原来采用 电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的 情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期间内，用户无论是否 传送数据，都将独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接 收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而 提高了资源的利用率。g p r s 可以实现基于数流量、业务类型及服务质量( q o s ) 等级的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 g s m 与g p r s 两种业务特点的对比如表3 - 1 所示 1 2 1 。 表3 1g s m 与g p r s 两种业务特点的对比 对比内容电路型数据业务 分组型数据业务( g p r s ) 无线信道专用，最多4 个时隙捆绑 共享，最多8 个时隙捆绑 链路建立时间 长 短，有永远在线之称 传输时延小，适合于实时性强的业务适度 传输速率( k b p s ) 从小于9 6 到5 7 6最大1 7 1 2 初期投资少，需增加互联功能 费用较大，需增加网络设备，但 网络升级费用( 州f ) 单元及对b t s b s c 进行软件 升级 节省基站投资 提供相同业务费用价格昂贵、占用系统资源多价格便宜、占用系统资源少 9 天津工业大学硕士学位论文 3 1 3g p r $ 的系统组成 g p r s 网是在g s m 网的基础上增加以下功能实体构成的：服务g p r s 支持 节点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点( g g s 和点对多点服务中一已, ( p t m s c ) 。系统 共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的g p r s 移动台；g p r s 要 增加新的移动性管理程序；通过路由器实现g p r s 骨干网互联；g s m 网络系统 要进行软件更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令等【1 3 j 【1 4 jf 坫j 。 g p r s 系统中的s g s n 包括s n d c p ，l l c ，b s s g p ，n s 以及g t p 协议层， 并提供g n 和g b 接口；g g s n 包括g t p 协议及口协议结构，并提供g n 和g i 接口；p c u 包括b s s g p ，n s ，r l c ，m a c 以及无线信道协议规程，并提供u m 和g b 接口；m s 则包括r l c ，m a c ，l l c ，s n d c p 以及应用层功能【1 6 1 。g p r s 功能中所包含的功能单元与接口类型如图3 - 1 所示。 一一一一信令接口 一信令和数据传送接口 图3 - 1g p r s 骨干网的逻辑结构 1 p a c k e tc o n t r o lu n i t ( p c u ) 分组数据处理单元。它是基站控制器的一部分， 提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据 包的确认、无线数据信道的分配等。 2 g p r ss u p p o r tn o d e ( g s n ) g p r s 支持节点。g p r s 的支持节点g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点，包含了支持g p r s 所需的功能。g s n 具有移动路由 管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并可以连到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 是一种类似于 1 0 第三章g p r s 网络与t c p i p 协议 路由器的独立设备，也与g s m 中的m s c 集成在一起。在一个g s m 网络中允许 存在多个g s n 。g s n 有两种类型：s g s n 和g g s n 。 s g s n ( s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e ) g p r s 业务支持节点。s g s n 是为移动 终端( m s ) 提供业务的节点( g b 接口由s g s n 支持) 1 1 7 1 。在激活g p r s 业务 时，s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端( m s ) 的移动 性和安全性方面的信息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并 且在移动台和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) g p r s 网关支持节点。g g s n 通过配 置一个p d p 地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的g p r s 业务用户的 路由信息，并根据该信息将p d u 利用隧道技术发送到m s 的当前的业务接入点， 即s g s n 。g g s n 可以经g c 接口从h l r 查询该移动用户当前的地址信息。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 和l a n 等。 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。 3 u m 接口 无线接口u m 是m t 与b s s 之间的连接接口，g p r s 中接口标准遵循g s m 系统的标准。与g s m 系统相同的是在g p r s 系统的空中接口中，一个t d m a 帧分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串 ( b u n t ) ，每个 t d m a 帧的一个时隙构成一个物理信道，物理信道被定义成不同的逻辑信道。 与g s m 系统不同的是在g p r s 系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信 道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物 理信道构成。 4 s g s n 与b s s 间的g b 接口 s g s n 通过g b 口与基站b s s 相联，为移动台服务。通过逻辑链路控带u ( l l c ) 协议建立s g s n 与m s 之间的连接，提供移动性管理( 位置跟踪) 和安全管理功能。 s g s n 完成m s 和s g s n 之间的协议转换，即骨干网使用的i p 协议转换成s n d c p 和l l c 协议，并提供m s 鉴权和登记功能。 5 s g s n 与g g s n 间的g n 接口 s g s n 通过g n 口和g g s n 相联，通过g p r s 隧道协议( g t p ) 建立s g s n 和 外部数据网( x 2 5 或i p ) 之间的通道，实现m s 和外部数据网的互联。 6 s g s n 与m s c 朋，r 间的g s 接口 g s 口用于s g s n 向m s c m r 发送地址信息，并从m s c v l r 接收寻呼请 求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。 7 s g s n 与h l r 间的g r 接口 天津- 丁业大学硕士学位论文 h l r 保存g p r s 用户数据和路由信息( i m s i ，s g s n 地址) ，每个i m s i 还包 含分组数据协议( p d p ) 信息，包括p d p 类型( x 2 5 或i p ) 、p d p 地址及其q o s 等 级以及路由信息。 8 g g s n 与外部数据网之间的g i 接口 g g s n 通过g i 口实现g p r s 网和外部分组数据网( p d 如的互联。g g s n 实际上是两个数据网网关，g p r s 本身属于i p 网络领域，g i 口支持x 2 5 和口 协议。通过g g s n 与g p r s 网互联的分组数据网可以是p s p d n 网，这时g p r s 支 持u t x 1 2 1 和i t u t e 1 6 4 编号方案，提供x 2 5 虚电路及对x 2 5 的快速 选择，还支持网间的x 7 5 协议连接；也可以是i n t e m e t 网，基于i p 协议，在m 数据报传输方式中，g p r s 支持t c p i p 头的压缩功能。 9 g g s n 和h l r 间的接口g c 接口 g c 接口是可选接口。以支持g g s n 从h l r 查询m s 移动用户当前的位置信 息和其它相关信息如移动用户识别号码、访问能力、用户类别等。 1 0 g p 接口 不同的p l m n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，公共陆地移动网) 之间连接时 使用g p 接口【1 8 】。 3 1 4g p r s 网络工作原理 1 分组数据路由及传输 g p r s 传输协议平台如图3 2 所示。在g p r s 数据传输平台上，移动工作站 m s ( 包括终端设备t e 和移动终端m t ) 通过u m 接口连接到b s s ，b s s 和s g s n 通过g b 接口连接，s s g n 与g g s n 通过g n 接口连接。g i 是g g s n 与其它分组 数据网络( p d n ，p a c k e td a t an e t w o r k ，如口网络或x 2 5 网络，口网络目前应 用最广泛的是i n t e m e t 网) 的接口。下面我们就顺序介绍在这个过程中所使用到 的传输协议。 应用层 i p x 2 5 i p x 2 5 罢哆 s n d c p g t p s n d c pg t l p l l c r e 。竺兰 l l cu d p ，t c pu d p 门? c p r l c r l cb s s g pb s s g pi pl i p m a cm a cn sn sl 2l 2 g s 侬f g s m r fl 1 h i s l l b i sl 1l 1 m su mb s sg bs g ；s ng n g g s ng i 图3 2 传输协议平台 1 2 第三章g p r s 网络与t c p i p 协议 u m 接口 ( 1 ) u m 接口的物理层为射频接口部分，而逻辑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 个物理信道。 ( 2 ) m a c r l c 协议层提供无线链路控制功能和媒体接入控制功能。无线连 接控制( r l c ) 层可支持m s 与b s s 之间的有确认和无确认两种模式 的数据传输，可提供一条独立于无线解决方案的可靠链路：媒体访问控 制( m a c ) 层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。另外，m a c 层还负责将l l c 帧映 射到g s m 物理信道上。 ( 3 ) 逻辑链路控制协议( l l c ) 是一种基于高速数据链路规程( h d i _ c ) 的 无线链路协议，能够在m s 和s g s n 之间提供高度可靠的加密逻辑链路。 l l c 层负责从高层s n d c p 层的s n d c p 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。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻 址和数据帧