（计算机应用技术专业论文）基于gprs的电力行业分布式监测系统的研究与应用.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：叠蒸：日期：冱垒垒! ! ! 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 五、o j 研究生签名：垒堕 导师签名：i i 皇塾曩日期：2 生垒丝! 塑 硕士学位论文 摘要 随着电力事业的发展和人民生活水平的提高，对于供电质量和服务水平的要 求日益提高。电量抄收是电力营销系统中的重要环节，其数据的准确性与实时性， 不仅直接影响到工矿、企业、居民的用电情况，还影响到电力企业整个配网配电 工作，是关乎国计民生的重要事项。传统的抄收工作通常采用人工采集，费时费 力，且准确性、实时性差，而以往采用的有线和无线方案都存在一定的弊端。因 此，采用高效而准确的电量抄收及监测系统变得尤为重要。 本文根据g p r s 永远在线、实时通讯、按流量计费、安全可靠、覆盖面广等 优点，提出g p r s 电量抄收方案，并结合n e t 平台的分布式系统开发技术，建立 了分布式监测系统。本文主要进行了以下两个方面的研究： 一、g p r s 的应用。通过g p r s 与传统有线、无线通信信道之间的对比得出应 用g p r s 的优点。通过分析g p r s 的应用技术来解决系统中通讯双方的数据传输问 题，确定传输帧格式、制定相应的传输协议，实现传输过程，达到双方通讯的目 的。 二、通过分析n e t 平台两种构建分布式系统的技术：a s p n e t h n e t r e m o t i n g ，说明了根据本系统的实际网络环境选用n e t r e m o t i n g 的原因。并将 其应用到监测系统中，实现了通过n e tr e m o t i n g 建立w 曲服务及其对应的w 曲 和w i n d o w s 客户端，达到了分布式监测的目的。 通过以上两方面的研究工作，f f j g p r s 应用于电力行业的其它领域或者其它 行业提供了借鉴。其中由n e t r e m o t i n g 建立的w e b 服务在电力监测中的应用是 一种新的尝试，扩展了n e t r e m o t i n g n 应用领域，并为其在其它领域的应用提 供了一定的经验。 最后对系统构架的实现进行了总结，提出了不足之处，并指出今后工作的研 究的方向。 关键词电力监测分布式g p r sn e tr e m o t i n g 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i ci n d u s t r y a n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r dc a l l e df o rh i g h e rq u a l i t ya n db e a e rs e r v i c e si n e l e c t r i cp o w e r e l e c t r i c c o l l e c t i o ni sac r i t i c a lc o m p o n e n ti n e l e c t r i cm a r k e ts y s t e m t h ed a t a sa c c u r a c y a f f e c t sn o to n l yt h ec i r c so fu s i n ge l e c t r i ci ni n d u s t r y , c o r p o r a t i o n sa n dd e n i z e n s ，b u t a l s ot h ew h o l ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r ka n de l e c t r i cp o w e ri ne l e c t r i ci n d u s t r y i ta l s o h a s g r e a ti m p o r t a n c e o ne c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h e l i v i n go fa c c u r a c y p e o p l e t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cc o l l e c t i o ni su s u a l l yc o l l e c t e dw i t hm a n u a la c q u i s i t i o n ， w h i c hi st i m ea n dl a b o r - c o n s u m i n g w i t hp o o ra c c u r a c ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e w h i l et h e r ea r es e v e r nd i s a d v a n t a g e sb o t hi nt h ew i r e l e s sa n dw i r es c h e m e su s e d b e f o r e i ts e e m st h a ti t sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ou s ee l e c t r i cc o l l e c t i o na n d m o n i t o rs y s t e mw i t hh i g he f f i c i e n c ya n da c c u r a c y i nt h i sp a p e rw ed e v e l o p e dag p r ss o l u t i o nf o re l e c t r i cc o l l e c t i o n ，w h i c hb a s e d o nt h em a r v e l o u sf e a t u r e so fg p r st e c h n o l o g y , s u c ha sa l w a y so n l i n e ，r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n ，c h a r g i n gb yf l o wq u a n t i t i e s ，h i g hs e c u r i t ya n dw i d ec o v e r a g e t h e s o l u t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h ed i s 廿i b u t e ds y s t e md e v e l o p i n gm e t h o do nt h en e t p l a t f o r m ，b u i l d su pad i s t r i b u t e dm o n i t o rs y s t e m t h i sa r t i c l em a i n l yc o n c e m e dt h e f o l l o w i n gt w op a r t s ： 1 a p p l i c a t i o no fg p r s ：p r o v et h ea d v a n t a g eo fu s i n gg p r sb yc o m p a r i n gi t w i t ht r a d i t i o n a lw i r e w i r e l e s sc h a n n e l s a c h i e v et h ea i mo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h et w os i d e sb y s o l v i n gd a t at r a n s m i s s i o np r o b l e m sb e t w e e nb o t hs i d e so f c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，e s t a b l i s h i n gt h ef o r m a to ft r a n s m i s s i o n f r a m ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，r e a l i z i n gt h et r a n s m i s s i o n ，a n da n a l y z i n gt h e a p p l i c a t i o nt e c h n i q u eo fg p r s 2 e x p l a i nt h er e a s o nf o rt h ec h o i c eo f n e tr e m o t i n ga c c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e t w o r ke n v i r o n m e n to ft h i s s y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e dt w ot e c h n i q u e s o f c o n s t r u c t i n gt h ed i s t r i b u t e ds y s t e mi n n e tp l a t f o r m t h e ya r ea s p n e ta n d n e t 一一 些! 燮!一一 一 r e m o t i n g b ya p p l y i n g t h e t e c h n i q u e s i n t ot h em o n i t o rs y s t e m ，r e a l i z i n gt h e c o n s t m c t i o no fw e bs e n ，i c ea n dc o r r e s p o n d i n gw e ba n d w i n d o w sc l i e n t ，a c h i e v e dt h e a i mo fd i s t r i b u t e dm o n i t o r t h er e s e a r c hw o r k si n t r o d u c e da b o v ep r o v i d es o r t i e u s e f u lr e f e r e n c ei nt h e a p p l i c a t i o no fg p r si no t h e rf i e l d so fe l e c t r i ci n d u s t r ya n d o t h e ri n d u s t r y s t h ew e b s e i c ec 。n s 仃u c t e db y n e tr e m o t i n gi san e wa t t e m p ti ne l e c t r i cm o n i t o rs y s t e m i t e x p a n d st h ea p p l i c a t i o nr a n g eo f n e tr e m o t i n ga n do f f e r s s o m ee x p e r i e n c e sf o r o t h e rr e s e a r c hf i e l d s i nt h ee n d w em a d eac o n c l u s i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms t r u c t u r ea n d d i s c u s s e ds o m es h o r t c o m i n g so ft h es y s t e md i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c hw a sf i g u r e d 0 1 2 a ta t a s t k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r ；d i s t r i b u t e ds y s t e m ；g p r s ：n e tr e m o t i n g 硕士学位论文 1 1 背景与选题依据 第一章绪论 随着我国电力建设的发展和市场化进程的深入，电力作为商品，需要在电能 计量的准确性和电量抄收的自动化程度上进行提高。而其中的电量抄收工作是电 力营销系统中一个重要环节，传统的抄收工作通常是依靠人工定期到现场抄收数 据来完成，在准确性、实时性等方面存在很多不足之处。这直接影响到电力企业 对于用户用电情况的掌握，因而不利于电力企业对于用户用电负荷、线损情况、 违章及窃电情况的掌握和控制，从而使企业在经营中往往处于被动地位。 同时随着近年来两网改造在某些地区的初步完成，用户不仅要求有电用，而 且要求用高质量的电，享受到更好的服务，因此提高电力部门电费实时性结算水 平，建立区域乃至全国统一的电力大市场已成为所有电力部门的共识。 目前电力系统配网自动化及配变监测的发展速度缓慢、发展空间狭窄，原因 在于：馈线开关及配电变压器分布点多、位置杂乱，要建立一个时效性强，可靠 性高、投资省的通信网络困难很大。其已成为配网自动化及大用户用电管理系统 进行大面积推广的最主要障碍【1 1 。 针对以上电力行业的现实问题，本文提出了基于n e t 框架的w 曲服务和分 布式对象技术，利用中国移动提供的g p r s 通用分组无线业务，建立基于 g p r s 的分布式用电监钡4 系统的设计，以实现对各级电力部门数据终端的采集与 监测。 该系统一可利用g p r s 具有永远在线、实时通讯、按流量计费、安全可靠、 覆盖面广、高速传输等优点【2 】，实现为电力企业提供准确、实时、全面的电量数 据，并且可按电力企业的要求对数据进行分析( 如线损分析、电量平衡分析等) 、 监测配网的负荷和电量使用状态，以防止窃电行为发生。二可结合分布式信息系 统构建技术，建立分布式监测系统，以提高监测的效率，进行跨局监测。分布式 信息系统是在多学科结合基础上发展起来的，是信息系统、软件体系结构、计算 机网络技术的组合9 1 。可充分利用它部署分散、逻辑统一、功能强大的优点，将 用电监测应用于其中，使之与g p r s 配合，达到跨地域、实时通讯的目的。 第一章绪论 1 2 国内外发展现状 1 传统通信信道缺陷 对于通信信道来说，传统的电力监测通信信道，有有线和无线之分，电力企 业曾做过多种尝试，但是最终都没能得到大范围的推广，其根本原因就在于： ( 1 ) 传统有线信道，如利用电表的4 8 5 口传输 4 ，必须采用线路连接，专用 线路的传输可靠性高，但通道容易损坏且工程量大； ( 2 ) 采用电力线载波传输可靠性差，需要增加专用设备； ( 3 ) 采用无线信道，如负控通道网，建网投资大，数据传输量小，速度慢， 时效差，运行维护困难，频率资源枯竭，终端设备价格高，工程量大且不环保口j 。 2 g p r s 应用现状 g p r s 是通用分组无线业务( b c r a lp a c k e t 蹦i os e r v i c e 的英文简称，是 在现有g s m 系统基础上发展起来的一种新的承载业务。g p r s 允许用户在端到端 分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而 提供了- , 0 0 高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和 频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 目前g p r s 的应用不仅仅局限于个人手机或p d a 上的数据业务，它己扩展到 各行各业的数据传输领域。这种应用的g p r s 终端都是采用内嵌g p r s 通信模块的 方式来实现，例如：消防车辆定位系统、市政夜景照明管理系统、环保监测系统 等。但是目前这些应用都还是处于试用阶段，随着g p r s 网络的进一步优化和终 端产品的成熟，g p r s 的应用前景是相当广阔的【5 l 【9 1 。 因此，可以利用g p r s 高速传输、实时在线、按流量计费、投资较小的特点， 将其应用于电力行业，实现无线抄表。 3 n e t 构建分布式系统 当今网络时代，越来越多的企业应用程序跨多个服务器分布和运行、连接到 远程数据源和w e bs e r v i c e ，并可通过i n t e m e t 访问。构建分布式系统采用的传 统方法是采用组件技术，如：m i c r o s o f t 的分布式组件对象模型( d c o m ) 、o b j e c t m a l l a g e m e mg r o u p 的公共对象请求代理程序体系结构( c o r b a ) 或s u n 的远程 方法调用( r m i ) 。它们将应用程序构建成一组组件，分布于计算机网络之间， 将其作为系统的一部分一起运行。它们在i n t e m e t 应用中存在一定的问题，如： 硕士学位论文 无法进行交互操作、当以r p c 形式进行通信时采用对象方法的显式调用会导致构 建成紧密耦合的系统等 挖1 。 m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k 的分布式编程模型w 曲服务具有两种基本的 构建技术：a s p n e t 、n e tr e m o t i n g 。 a s p n e t 是目前应用n e t 架构进行w 曲服务开发最为常用的方法，它通过 将s o a p 消息映射到方法调用，为w 曲服务提供了简单的a p i 。a s p n e tw 曲服 务的客户端不需要了解用于创建它们的平台、对象模型或编程语言。而服务也不 需要了解向它们发送消息的客户端。唯一的要求就是：双方都要认可正在创建和 使用的s o a p 消息的格式，该格式是由使用w s d l 和x m l 架构( x s d ) 表示的w 曲 服务合约定义来定义的【1 3 】。 n e tr e m o f i n g 是分布式组件技术的下一代，是n e tf r a m e w o r k 中的 d c o m 。它使得用户能够从一台客户机上发布和利用n e t 组件，就像使用本地 组件一样。可以在所有消息层( 如s o a p ) 和协议( 如h 兀p 协议或t c p i p 协议) 上使用n e t r e m o t i n g 。与a s p n e t w 曲服务类似的是，s o a p 协议i g h t t p 协议 能够用于使用外部的n e t 组件 1 4 】。但n e tr e m o t i n g 够订阅事件，分配、重 分配对象，支持通过值或引用传递对象、回调，具有多对象激活及生命周期管理 策略等功能，并且用户还可利用标准的分布式对象系统使用其他的服务。要使 用n e t r e m o t i n g ，客户端需要了解所有这些详细信息，即需要使用n e t 建立 客户端或支持n e tr e m o t i n g 的其他框架，如i n u i n s y c 的j a n e t 。 根据实际的网络环境，对以上两种技术进行一定的比较，选择了适合本系统 的构建技术，以达到构造交互的、松散耦合的分布式监测系统的目的。 1 3 论文研究的意义 本文研究的意义就在于：通过对g p r s 技术在电力行业的应用以及对n e t r e m o t i a g 建立分布式监测系统方法的研究，建立电力行业分布式监测系统。使其 利n g p r s 商用网络来避免重复建设专门的通讯网络，解决长期以来数据采集网 络系统难度大、成本高、可靠性差、构建复杂的瓶颈问题。 设计的系统可以成为电力行业突破地域、网域、时空限制的有效的管理工具， 还可以为其他g p r s 应用领域提供参考：基于n e t 架构的分布式编程模型为系统 第一章绪论 的实现提供优于以往的w i n d o w s 服务和w 曲服务，由a s p n e t 、n e tr e m o f i n g 实现w 曲服务的应用为今后合理构架企业分布式系统提供了借鉴。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是研究g p r s 应用的相关技术及n e tf r a m e w o r k 构建分布 式系统的技术，构建了电力行业分布式监测系统。内容如下： 一o p r s 应用及n e t 构建分布式系统技术研究 通过对g p r s 应用技术的研究，制定实际系统中通讯双方的协议、数据格式、 收发流程；根据系统所在网络环境，比较两种分布式系统构建模型，采用通 过n e tr e m o t i n g 建立w 曲服务。 二实现基于g p r s 的电力行业分布式监测系统 设计基于g p r s 的电力行业分布式监测系统模型，结合以上技术实现通过 g p r s 商用网络进行的基于本地和i n t e m e t 的电量抄收，实现本地控制和i n t e m e t 监 测。 本文共分为五章： 第一章介绍系统设计的背景、国内外研究现状、论文研究意义及本文工作。 第二章介绍t g p r s 的基本特点、关键技术及发展前景，说明了本文应用 g p r s 是一项有价值的工作。 第三章分析现有分布式系统研究现状和技术，对比在n e t 框架下的两种模 型，得出采用n e t r e m o t i n g 的原因。 第四章设计基于g p r s 的分布式监测系统的结构，进行功能划分和总体设 计，主要介绍基于g p r s 的通讯及基于n e tr e m o t i n g 的分布式监测 的实现。 第五章对本文工作进行总结，指出不足之处，并提出今后工作的重点。 硕士学位论文 2 1g p r s 概述 第二章g p r s 技术介绍 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是一种 以全球移动系统( g s m ) 为基础的数据传输技术，是g s m 的延续。它突破了g s m 网只能提供电路交换的思维方式，而以封包( p a c k e t ) 的方式来传输数据，通过 增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造就可实现分组交换，这种 改造的投入相对来说不大，但得到的用户数据速率却相当可观。 g p r s 和以往在信道进行连续传输的方式不同，使用者所负担的费用是以其 传输数据单位来计算的，而并非使用其整个信道，理论上较为便宜。另外，其传 输速率可达1 6 4 k b p s 。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器， 所以连接及传输都会更方便，更容易。这样使用者既可联机上网，参加视讯会议 等互动传播，而且在同一个视讯网络上( v r n ) 的各终端用户，无须通过拨号 上网，便可实现与网络持续连接【1 5 1 一 1 6 。 2 2g p r s 特点 1 高速传输：g p r s 是一种基于包的无线通讯服务。相对于以往的无线通讯，通 讯速率得以提升，从5 6 k b p s 上升至1 1 6 4 k b p s ，且支持计算机和移动用户的持续连 接。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑进行电视会议和多 媒体页面以及类似的应用。 2 服务继承：g p r s 是基于g s m 的，所以可以完成现有的一些服务，例如：蜂 窝电话电路交换( c i r c u i t - s w i t c h e d ) 连接和短消息服务( s m s ) 。 3 实时在线：或称为永远在线。当用户访问互联网时，点击一个超级链接，手 机就在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本地后，没有数据传送，手机就 进入种“准休眠”状态，手机释放所占用的无线频道给其他用户使用，这时网 络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络发出 请求，请求无线信道传送数据，而不象普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才 第二章g p r s 技术介绍 能访问网络。 4 按流量计费：在理沦上，g p r s 包服务的花费比电路交换服务所花的费用要少。 信道是共享使用的，需要的时候才有包产生，比专用的连接要节省很多资源1 ”。 2 3g p r s 技术 2 3 1g p r s 功能与业务 g p r s 可以给移动用户提供无线分组数据接入业务。主要功能是在移动用户 和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从而给 移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。 g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如 果把空中接口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可 达1 6 4 k b p s 。g s m 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业 务占用，在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信道。 要实现g p r s 网络，需要在传统的g s m 网络中引入新的网络接口和通信协 议。目前g p r s n 络引x g s n ( g p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 节点。移动台则必须是 g p r s 移动台或g p r s g s m 双模移动台。 根据欧i + i e t s i 的g s m 2 + 阶段的建议，g p r s 分为两个发展阶段( 目n p h a s e l 和 p h a s e 2 ) 。 g p r s 的p h a s e l 阶段支持下列功能和业务：t c p i p 和x 2 5 业务、g p r s 空中接 口加密技术、g p r s 附加业务、增强型的短信业务( e s m s ) 、g p r s 分组数据计 费功能( 根据数据量计费) 。上述功能业务中最显著的是t c p i p 年 i x 2 5 功能。g s m 网络可以通过t c p i p * d x 2 5 为用户提供电子邮件、w w w 浏览、专用数据、l a n 接入等业务。p h a s e 2 阶段支持点对多点多信道广播业务( p t m m ) 、点对多点群 呼业务( p t m g ) 、补充业务、与其他网络的互通( 立n s d n 等) 等 1 8 】f2 0 1 。 2 3 2g p r s 网络结构 g p r s 网络是基于现有的g s m n 络来实现的。在现有的g s m 网络中需要增加 一些节点，) f g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n g n o d e ，网关g p r s 支持节点) 和 硕士学住论文 s g s n ( s e r v i n gg s n ，g p r s 服务支持节点) 。g p r s 网络结构与接口如图2 1 所示。 信令接r 7 信令和数据接口 图2 - 1g p r s 网络结构与接口旧 f i g u r e 2 1n e t w o r ks t r u c t u r e i n t e r f a c eo f g p r s g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点。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 n ) ，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 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 p d n 和l a n 等。有的 文献中，把g g s n 称为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。 m s ：移动台，由t e ( 终端设备) 、m t ( 移动终端) 、s i m 卡组成。 b s s ：b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站子系统。由一个b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 和多个b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 组成。g p r s 使用g s m 的基站，但b s c 需要增加处理分组数据、无线分组信道管理模块及移动管理软件。因g p r s 采用 一一 堑三主! ! ! ! 垫查坌丝一一 _hp_-_一一。 新的编码标准，b t s 须进行硬件改动，空中接口采用支持分组数据的新协议并增 加新的时隙和信道资源分配功能。 m s c v l r ：m s c 是移动交换中心，进行本管辖范围内的m s 的所有交换和 信令功能。v l r 是拜访位置寄存器，存储用户预置数据、标识、m s 位置信息的 数据库。 h l r ：归属位置寄存器，存储用户预置数据和路由信息的数据库。 s m s g m s c ：短消息业务网关m s c 。 s m s i w m s c ：短消息业务互通m s c ，用于将短消息由m s 传送到s m s c 。 s m - s c ：短消息服务中心。 e n ：设备标识数据库，存储g s m 的移动设备标识。 p d n ：外部数据网络。 o r ：g s m 鼬垂s 鼢，g p r s 数据库。g r 类似于g s m 中的h l r ，是g p r s 业务数据库。它可以独立存在，也可以和h l r 共存，由服务器或程控交换机实 现。 g p r s 网络结构中还引入了下列新的网络接口： g n ：g s n 主干网接口，用于各种g s n 之间； g b ：b s s 和s g s n 之间的接口。 g r ：s g s n 和h l r 之间的接口。 g p ：不同的g s m 网络( 不同的p l m n ) 之间的接口。 g s ：s g s n 和m s cz j 刚的接口。 2 3 3g p r s 协议模型 g p r s 分层协议模型如图2 2 所示。 m s 、b s s 、s g s n 、g g s n 的协议栈实现用户信息及有关信令信息的传送控 制过程。 硕士学位论文 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 ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o 西c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 应用 i p x ，2 5i p x 2 5 s n d c、墅墼 s n d cg t p g t p l l cl l c u d p ，r c pu d p ，r c p r 上cr e l a y r l c ，白s sg p b s s g p i pi p n e t w o r k n u o h o r k l 2m a c m a c l 2 s e r v i c e s e r v i c e g s mg s ml 1 b i sl l b i sl ll i 图2 - 2g p r s 分层协议模型l l “ f i g u r e 2 2l a y e r e dp r o t o c o lm o d e lo f g p r s 层、s n d c ( s u b n 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1 1 1 的物理层为射频接口部分( g s mr f ) ，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 p s 。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达1 6 4 k b p s 左右。 r l c m a c 为无线链路控制媒质接入控制层。r l c 负责l l p d u 的拆装与 重组，并提供可靠的无线链路。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 帧的重发控制。 第二章g p r s 技术介绍 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p h a s el 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。 g t p 即g p r s 隧道协议，它将用户数据及信令用隧道技术在g p r s 网络g s n 节点之间传送。所有的p t p 、p d pp d u 由g t p 进行封装。 b s sg p 是基站系统g p r s 协议，它在b s s 与s g s n 之间传送与选路及q o s 有关的信息，不执行纠错功能。 n e t w o r ks e r v i c e 层基于b s s 与s g s n 的帧中继( f r ) 连接。 2 3 4 g p r s 路由管理 g p r s 的路由管理是指g p r s 网络如何进行寻址和建立数据传送路由。g p r s 的路由管理表现在以下3 个方面：移动台发送数据的路由建立：移动台接收数据 的路由建立：以及移动台处于漫游时数据路由的建立。图2 3 说明了这三种情 况【1 5 】 1 9 】： 情况一：当移动台产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个p d u 经过s n d c 层 处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层的处理通过空中接口送到g s m 网络中移动台所属的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进 行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终 送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空 中接口上的数据做压缩和加密处理。 情况二：一个公用数据网用户传送数据到移动台。首先通过数据网的标准协议建 立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元( 如p s p d n 中的 p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送 给移动台所在的s g s n 上，s g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经过l l c 层处理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移动台。 硕士学位论文 情况三：一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数 据必须要经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户。 主机 2 3 5g p r s 与i p 图2 3g p r s 路由管理 f i g u r e 2 3r o u t e rm a n a g e m e n to f g p r s g p r s 技术的引进，将电信网络和计算机网络有机地连接在一起，向着未来 的全i p 网络平台发展。 从g p r s 结构可以看出，基站与s g s n 设备之间的连接一般通过帧中继连接， s g d n 与g g s n 设备之间通过i p 网络连接。g g s n 可以由具有n a t ( 网络地址 翻译) 功能的路由器承担内部i p 地址与外部网络i p 地址的转换，m s 可以访问 第二章o p r s 技术介绍 g p r s 内部的网络，也可以通过a p n ( 外部网络接入点) 访问外部的p d n i n t e m e t 网络。 在标识g p r s 设备中，如手机m s 的标识除了在g s m 中使用的i m s i 、 m s i s d n 等号码外，还需要分配i p 地址。网元设备s g s n 、g g s n 的标识既有7 号信令地址，又有数据g g s n 的i p 地址，d s n ( s g s n 或g g s n ) 之间的通信 采用口地址，而g s n 与m s c 、h l r 等实体的通信采用7 号信令地址。 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 p 上下文( 分组数据协议 上下文) ，用于管理从手机m s 到网关g g s n 及到i s p 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 e 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 再向g g s n 发建立p d p 上下文 请求消息。g g s n 分配m s 一个i p 地址( 静态或动态、公用或私有) ，在建立 p d p 上下文过程中，需要对用户的身份，需要的服务质量进行鉴权和论证，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。2 5 g 的g p r s ，在开发和部署g p r s 业务有些新概念： 1 g p r s 系统容量：包括g s n 的网络容量和r f ( 射频) 容量。在g s m 系统中， 系统的容量是系统能支持的用户数。而g p r s 系统采用分组交换技术，多用户共 享无线信道，在描述g p r s 交换系统的容量时，除了人们习惯的用户数外，还采 用存储的最大p d p 上下文个数、用户的附着数，同时激活的p d p 上下文个数、 数据吞吐量等指标。而在g p r s 系统容量的描述中，要考虑g p r s 使用的信道数， 支持多大的数据流量，支持多少g p r s 用户。 2 g p r s 系统性能指标：包括p c u 、s g s n 、g g s n 、计费系统的性能。这些设 备主要是用可靠性( 如设备的故障率、中断恢复服务时间) 、吞吐量和系统容量 ( 如处理能力和计费容量) ，与外部网络的接口指标等来描述。 3 外部网络的透明接入和非透明接入：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，需要对用户的身份进行鉴权，数据进行加密等过程，用户 硕士学位论文 m s 的动态口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。 透明方式：如果用户的i p 地址是运营商分配的公有地址( 动态或静态) ，则 g g s n 不参与用户的论证和鉴权过程，用户可以通过g g s n 透明地接入到g p r s 内部网络或互联网络。 非透明方式：用户通过g p r s 网络接入到企业网络或i s p 的情形。用户m s 的i p 地址是由企业网络或i s p 分配的私有地址( 动态或静态) ，用户访问该企业 网络或i s p 时，g g s n 需要企业网络或i s p 中的专用服务器对该用户进行鉴权或 论证。 2 4g p r s 发展优势与市场前景 移动电话市场逐渐向移动数据市场转变，给g p r s 发展带来无限的机遇。由 于i n t e m e