（信号与信息处理专业论文）基于gprs网的qr码编码系统的研究与实现.pdf

a b s ti d e t ab s t r a c t 2 d c o d e t e c h n o l o g y i s a a d v a n c e d h i g h - t e c h m e a n s , w h i c h p r e v a l e n t u s e d in d a t a s e c u r i ty , c a r r y , t r a n s f e r i n t h e w o r l d . wit h m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s l a r g e v o l u m e s o f i n f o r m a t i o n , c o d i n g b r o a d ly , c o n fi d e n t i a l i ty , s e c u r i ty , h i g h r e l i a b l e d e c o d i n g , e r r o r c o r r e c t i o n c a p a b i li ty , r n a k i n g e a s y , l o w c o s t e t c , i t w i l l r e p l a c e t h e o n e - d i m e n s i o n a l b a r c o d e s , t o b e w i d e l y a p p l i e d in s o c i e ty . i n p a r t i c u l a r , t h e q r c o d e s u ff i c i e n t t o s t o r e 7 , 0 8 9 c h a r a c t e r s o f d a t a h a s w i d e a p p l i c a t i o n p o t e n t i a l i n th e m a n u f a c t u r e , l o g i s t i c s , i n f o r m a t i o n m a n a g e m e 呱 a n d o t h e r i n d u s tr i e s . me a n w h i l e , i n t h e a r e a o f mo b i l e c o m mu n i c a t i o n s , g p r s t e c h n o l o g y i s g r a d u a l l y m a t u re . a ft e r t h e a p p e a r a n c e o f g p r s s e r v i c e , 比 e c o s t c a n b e r e d u c e d c o n s u m e d l y s i n c e t h e s e r v i c e c h a r g e s c h e a p l y . t h e r e f o r e , t h e d a t a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n g p r s b e c o m e s a p e r f e c t d a t a t r a n s m i s s i o n wa y . s o g p r s n e t w o r k d a t a t r a n s m i s s i o n s y s t e m h a s b e c o m e a n i d e a l w a y o f d a t a t r a n s m i s s i o n , mo b i l e d a t a s e rv i c e i s t h e h o t a p p l i c a t i o n i n t h e f u t u r e . t h i s p a p e r s t u d i e s a n e w l o n g - r a n g e q r c o d i n g s y s t e m , w h i c h c o m b i n i n g t h e q r c o d e t e c h n o l o g y w i t h g p r s d a t a t r a n s m i s s i o n s e rv i c e . u s i n g c e l l p h o n e s a s a t o o l , t h e g p r s n e t w o r k a s a t r a n s m i s s i o n c h a n n e l , t h i s p a p e r d e v e l o p e d a q r c o d e g e n e r a t i o n s o ft w a r e i n t h e g p r s n e t w o r k s e rv e r . c u s t o m e r s a p p l i c a t i o n c a n b e c o d e d i n t o p i c t u r e f o r m fi s rt , t h e n t h e p i c t ur e b e s e n t t o u s e r s i n s h o r t m e s s a g e . q r c o d e i s n o w a t a t r u e z e r o c o s t t h a n p a p e r - b a s e d c a r r i e r , t h i s i n d u s t ry - o r i e n t e d a p p li c a t i o n s o f 2 d c o d e i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m i s v e ry fl e x i b l e a n d u n i v e r s a l . t h e m a i n ta s k s i n t h i s t h e s i s a r e : t h e q r c o d i n g a n d c o r r e c t i o n d e s i g n , q r c o d e s d a t a e x c h a n g e m e t h o d s i n g p r s n e t w o r k , s e t i n g f o rt h g p r s n e t w o r k - b a s e d q r c o d i n g s y s t e m s o v e r a l l d e s i g n s c h e m e , d e t a i l e d l y a n a l y s i n g t h e f u n c t i o n a l m o d u l e s , f i n a l l y t h i n k i n g o f g p r s n e t w o r k t r a n s m i s s i o n s e c u r i ty r e q u i r e m e n t s , b r i n g i n g a e n c r y p t i o n p r o g r a m . f o r t h e n e x t s t e p i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , 由 e p a p e r o ff e r e d a b a s i c t h e o ry a n d o p e r a t i o n a l s t r u c t u r e , w i t h a s t r o n g f o r w a r d - l o o k i n g a n d p r a c t i c a l v a l u e . k e y w o r d s : 2 d c o d e q r c o d i n g g p r s n e t w o r k t c 3 5 d e s e n c ryp t i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版 本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同 意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 最长5 年，可少于5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学 位论文， 是 本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已 经注明引 用的内 容外， 本学位论文 的 研究成果不包含任何他人创作的、 己 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以 明确方式标明。 本学位论 文原创性声明的 法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 绪论 第一章绪 论 第一节研究背景及意义 近几年来，随 着信息领域自 动识别技术的发展，条码技术己经给我们的生 活带来了巨 大的方 便和影响。二维码技术，是 近几年来国际 上流行的数据防 伪、 携带、传递的高科技先进手段，具有信息容量大，编码范围广，保密、防伪性 好、 译码可 靠性高、 纠错能力强，制作容易且成本低， 形状多样 化等优点，即 将取代一维条形码，在社会上得到广泛应用。 随着信息产业的发展，移动数据业务越来越受人们关注，展现出巨大的商 机和活力，其中， 手机短信业务发展尤为迅猛， 现已 成为电信业发展潜力最大 的 领域。 手机短信依 靠移 动通讯、 网络传输等高 科技平台的支持， 成为继 书信、 电 话、电子邮件之 后的又一种全新的 信息交换方式。手机短信已 经融入到普通 百姓的日常生活之中。 g p r s网络的发展使手机可以更加灵活地接入 i n t e rne t ，进而滋生出许多新 的无线数据传输业务。随着近年来日 本、韩国 手机二维条码的 大范围 应用， 二 维条码在手机上的 应用软件开发正成为一股席卷全球的热潮. 中国 移动在北京 也开始了 手机二维条码的业务试点。 当前市场上出 现的一些手机二维码识别软 件， 大都是基于可摄像手机，通过下载并安装条码识读软件， 对二维 码进行拍 照、识别，其安全性、可靠性都不高，尤其是不能 进行网络传输， 无法满足网 络时代的要求，实用性受到很大制约。 本文研究的 主要内 容是将二维条形码技术与 g p r s网络传输结合起来， 将 原始信息经过编码、纠错、掩膜形成二维码图片，然后以图片短信的方式发送 给用户，作为 用户享受某种服务的 证明。 两者技术的结合就是基于 g p r s网 络 传输数据流 服务的q r码编码系 统。 比如:用户可以 通过手机申 请电 影、 音乐会、 体育比赛等入场券，并由 网 站将入场券 信息 ( 节目 座位号等) 生 成q r 码， 然后发给用户手机。 用户携带 手 机到入场口， 通过 条码扫描器读取q r 码， 经系统认 证后换票或直接验票入场， 系统 完成信息收 集， 更新数据。 用户当天只需携带手 机， 通过扫描q r 码就可以 找到自己 的 座位。 在社会生活网络化的今 天， 这种基于g p r s 网 络的q r码应 用 绪论 系统，无疑是一种先进的应用模式，可以让用户享受到高品质的服务，具有广 阔的商业应用前景。 第二节系统的论证 码制选择 本系统使 用的 条码采用q r c o d e 码， 既快 速响应矩阵码。 它具有信息容量 大、可靠性高、超高速全方位识读、高效汉字表示等优点，可以提供更高的信 息密度和更小 的存储空间。广泛应用于 工商、 金融、税务、 物流等 领域。 我国 参照国际 标准制订出中国国 家标准 g b / t 1 8 2 8 4 -2 0 0 0 快 速响应矩阵 码，为 q r c o d e 二 维条 码在我国的推广应用奠定了 基础。 特别是q r条码的 专有汉字 模 式， 用 1 3 b i t 二进制表示一个汉字，比 其它 二维条码表示汉字的效率 提高2 0 % , 更加适合我国需要。 硬件平台 本系 统的 研究内 容搭建于 g p r s网 络传输平台，以 无线应用协议为载体。 硬件平台 包括: g p r s 网络端编码系统、q r 码与g p r s网 络传输的 硬件接口 、 安全与认证系统。 编码系统 q r条 码的 编码系统是将客户经g p r s 网 络传送来的数 据， 根据数据类型采 用不同模式， 经过相应编码和纠错， 形成条 码符号。然后， 经过网络传输到客 户端的手机上，或者直接硬拷贝打印在纸介质上。本文详细介绍了数据转化为 可识读的q r 码的 全部过程， 其中包括实 现过 程中涉及的数据结构、 生成数据码 和纠错码、写 入数 据时输入位置的计算、 掩模处 理、格式信息和版本信息的计 算等细节操作。 加密算法 信息系 统安全是一个很大的 研究课题， 本文分析了q r 码网络 传输中 信息安 全的特点和要 求， 研究了 一种适合本系统的实 用安全结构， 在编码系统与业务 终端之间提供了一 条保密通道。 此保密通道实 现了对通信双方的身份验证、 对 数据的加密，加强了网络中数据传输的安全性。 第三节主要工作 主要工作与特色 绪论 本系统主要设计研究了网 络端远程编码系统、 q r码数据与g p r s 网 络的 传 输接口，由于信息数据在网络中传输，因此本文还提出了对编码系统的加密方 案，以及传输中的完整性认证问题。 本研究系统的特色与创新之处在于，一是编码系统基于 g p r s网络，编码 后的 数据以g p r s 数据流的方式进行传输; 二是提出了q r码在网络传输中 安全 与保密方案。 整体结构 第一章 绪论: 介绍论文的研究背景，并对论文的主要内容及组织形式进行 简要的叙述。 第二 章 q r码 和g p r s网 络的 相关 理论 介 绍: 介绍q r码的 基本 特点、 结 构，g p r s网络特点与结构，以及 s ms 短消息通信技术。 第三章 q r码编码系统的设计: 介绍了 系统设计思想，编码模块设计， r s 纠错算法的实现。 第四 章 q r码在g p r s中 数字传输的设计: 介绍了系统的 工作流程，系统 各功能模块的应用设计. 第五章 q r码编码系统的加密模块: 介绍了 系统的完整性认证，以 及基于 d e s 对称密码技术的数据加密方案。 第六章 工作总结:总结了本文主要工作与需要继续完善之处。 第二章 q r 码和g p r s 网的相关理论 第二章 q r码和g p r s 网的相关理论 第一节q r码介绍 2 . 1 . 1 条码技术现状 条形码技术属于 自动识别技术范畴。它是随着电子技术的进步，尤其是计 算机技术在现代化生产和管理领域的广泛应用而发展起来的一门实用的数据 输 入技术。 条码技 术自 出 现以 来，由于其具有的 输入 速度快、 准确度高、成本 低、 可 靠性强等 优点，得到人们普遍的关注，发 展十分迅速，仅仅2 0 年的时 间，它己 广泛用于 交通运输 业、商业、 医疗卫生、 制造业、金融业、 仓储业等各个 领域。 传统条码的 使用， 极大地提高了 数据 采集和信息处理的 速度， 改善了 人们的 工 作 和生 活环境， 提高了工作效率，为管 理的 科学化和现代化做出了 很大的 贡献。 但随着应用领域的不断扩展，传统的一维条码渐渐表现出了它的局限，首 先，使用一维条码必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的 信息含意，因此在没有数据库或者不便联网的地方，一维条码的使用就受到了 限制;其次，一维条码表达的只能为字母和数字，而不能表达汉字和图像，在 一些需要应用汉字的场合，一维条码便不能很好的满足要求;另外，在某些场 合下，大信息容量的一维条码通常受到标签尺寸的限制，也给产品的包装和印 刷带来了不便。二维条码的诞生解决了一维条码不能解决的问题，它能够在横 向 和纵向两 个方位同时表达信息，不仅能在 很小的面积内表达大量的信息， 而 且能够表达汉字和存储图像。二维条码的出现拓展了条码的应用领域，因此被 许多行业所采用，具有广泛的应用前景。 我国对二维条码技术的研究开始于 1 9 9 3 年，中国物品编码中心对几种常用 的 二维条码p d f 4 1 7 , q r c o d e , d a t a m a tr i x , c o d e o n e , c o d e 1 6 k , c o d e 4 9 的 技术规范进行了 翻译和跟踪研究。 随着我国市场经济的 不断完善和信息技术 的迅速发展，国内对二维条码这一新技术的需求与 日俱增，中国物品编码中心 在原国家质量技术监督局和国家有关部门的大力支持下，对二维条码技术的研 究不断深入，在消化国外 相关技术资料的基础上， 结合我国宣传推广二维条码 技术的实际需要，编著出版了我国两部关于二维条码的专著 二维条码技术 第二章 q r码和g p r s网 的相关理论 和 q r c o d e 二维码一一种新型的 矩阵 符号 ， 在二维条码的标准化 研究 方面， 制定了两个二维条码国家标准:g b / t 1 7 1 7 2 - 1 9 9 7 四一七条码 ，g b / t 1 8 2 8 4 -2 0 0 0 快 速响应矩阵码 。 设计二维条码的目 的是提高信息密度， 在相同的面积上印 刷更多的 信息。 这一问题的解决可用两种方法;一是在一维条码的基础上向二维条码的方向扩 展，二是利用图像识别原理，采用新的几何图形和结构设计出二维条码码制。 目 前，根据二维条码的编码原理，结 构形状差异， 可分为堆叠式和矩阵 式二维 条码两大类型。 堆叠式二维条码的编码原理建立在一维条码基础上，按需要堆积成多行. 它在编码设计、检验原理、识读方式等方面继承了一维条码的特点。识读设备、 条码印刷与一维条码兼容。但由于行数的增加，行的鉴别，译码算法和软件与 一维条码不 完全相同。 典型的二 维条码有c o d e 4 9 . c o d e 1 6 k . p d f 4 1 7 等。 矩阵式二维条码以矩阵的形式组成。在矩阵相应元素位置上，用点的出现 表示二进制 “ 1 ，空的出现表示二进制“ r，点的排列组合确定了矩阵码所代 表的意义。矩阵码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一 种新型图形 符号自 动识读处理 码制。 代表性的 矩阵码有 q r c o d e , d a t e m a t r ix 等。 本文根据系统的商业模式以 及应用特点， 采用了目 前在制造、 物流等行业 中应用最为 广泛的q r c o d e 码。 2 . 1 . 2 q r c o d e 码简介 q r c o d e 是日 本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月 研制的一种矩阵 式二维条码， 其 符号如图2 . 1 所示， 它除了具 有二维条码 所具有的 信息容量大、 可靠性高、 可表 示汉字及图像多种信息、保密性强等优点外，还具有以下特点: 0 图2 . 1 q r c o d e 码 超高速识读 q r c o d e 是英文q u i c k r e s p o n s e c o d e 的缩写。 超高 速识读是q r c o d e 区 别于 第二章 q r码和g p r s 网的相关理论 区 别是， g s m是一种电 路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。 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。 我们可以 将 g p r s理 解为g s m的一个更高层次。 通俗地讲，g p r s 是一项高速 数据处理的 科技， 它以 分组交换技术为基础， 用户通过 g p r s可以 在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发 e - ma i l 、进行 i n t e me t 浏览等. 它为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 ip 和 x . 2 5 服务。 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， 同 一 无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。 和现有的通信网络相比，g p r s有以下几个优点: ( 1 ) g p r s 一个最大的特点就是“ 永远在线” ，即 用户随时 与网 络保持联系， 即 使没有数 据传送， 笔记本和手机还一直与网 络保持连接， g p r s 采用的 是分组 交换技术， 不需要 像mo d e m那样拨 号连接， 用户只有在发送或 接收 数据时才占 用资源。 ( 2 ) g p r s 更适合数据应用。 g p r s 采用分组交换技术， 以传输的 流量计费， 而不是以传送的时间计费，所以就算遇上网络塞车，也不会 白白花钱，对消费 者来 说更为 合算，只要没有数据流量传递时， 用户即使一 直挂在网上，也是不 收费的。因 此， 分组交换非常适用于数据应用， 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. g s m 采 用的电 路 交换需 要建立端到端的连接， 在通信过程中 独占 信道， 属于实时或固 定延时通 信，特别适用于话音传输。 ( 3 ) 减少无 线资 源浪费。由 于g p r s 采用分组传送方式， 用 户只有 在进行数 据传送时才会占有系统资源。在没有数据传输时，该用户原先占有的系统资源 就会动态的分配给其他的多个用户。 ( 4 ) 高 速传输。g p r s采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值可达 1 7 1 . 2 k b p s 。但实际数据传输速率受网 络编码方式和终端支持的因素影响， 现在 用户的 接入 速度大概分成2 0 k b p s 4 0 k b p s . 6 0 k b p s , 1 1 5 . 2 k b p s 几种 等级。 而g s m 的电 路交换 方式 数据业务 速率为9 . 6 k b p s . 2 . 2 . 2 g p r s 网络分组交换的主要特点 g p r s 与g s m网络最大的区别是 采用的 交换方式不同， g s m网络只 有电 路 交换， g p r s 网 络中 既有电路 交换又有分组交换。 电路交换 第二章 q r码和g p r s 网的相关理论 电路交换是在发送端( t r a n s m i tt e r ) 与接收端( r e c e i v e r ) 之间建立一 个固定的 信道， 不管发送端有无数据传送，网 络都在 信道上保留固定的 带宽和路径。 电路交换的优点是传送数据时不会受到其他用户的影响，信道的延迟时间 非常固定，缺点是信道的利用率不高.当应用服务需要固定的数据传输速率， 或对延迟非常敏感时，适合采用电路交换。例如视频会议就适合采用电路交换。 语音通信对延迟非常敏感，如果每组 语音数据的延迟时间 不一致， 发送端 较早送出 的语音数据有可能 较晚到达接收 端， 语音就出 现断断续续的现象， 所 以 语音传输 通常比 较适合采用电 路交换。 分组交换 分组交换就是发送端将数据分 成一个个的分组，在每个分组内 标注接收端 的地址后传送到网络上，网络根据分组内的地址将分组传送到接收端，接收端 将收到的一个个分组重新组合起来。 分组 交换的优点是多个发送端能够同 时使用同 一个信道，提高了信道的 使 用 效率。 缺点是当多个传送端同时 传送数据时，信道会出 现拥塞现象，导 致数 据到达接收端的延迟时间不一致。 如果 应用服务的数据流量是突发性的， 就适合采用分组交 换.突发 性越强 的应用服务就越适合采用分组交换。电子邮件和文件传送等服务适合分组交换。 由于 g s m 网络的语音通信是电路交换方式，而 i n t e r n e t 上的数据传送是分 组交换方式， 所以二者独立运行， 并不互相 连接，如图2 .4 所示。 g s m网 络只 与 p s t n连接，在运营商的服务区域内，都是电路交换。 入 多 ui 幻作 者皿务区 ， 一尸一一 一，、 】 9 甲 国5 7 峪 .帕 电路交挽 图2 . 4 g s m 网 络只能进 行电路交换 制定 g p r s 的标准就是为了改变这种互相独立的状况。g s m 网络升级到 第二章 q r 码和g p r s 网 的相关理论 g p r s网络的方法是，在原有的g s m网络上， 加上 g g s n和 s g s n两种数据交 换节点设备。 对于gs m 网络原有的b t s , b s c等设备， 只需进行软件更新或增 加一些接口。因为 g g s n与 s g s n数据交换节点具有处理分组的功能，所以使 得g p r s 网 络能 够和 i n t e rn e t 网 络互相连接。 如图2 . 5 所示，数据和信令 都以 分 组来传送。当移动用户进行语音通信时，原有g s m 网络的设备负责电路交换， 传送分组时，由g g s n和 s g s n负责将分组传送到 i n t e rn e t .这样就实现了数据 从移动台经过 g p r s网络传送到i n t e rne t 网络上，或者移动台通过 g p r s网络接 收 i n t e rn e t 网络数据的功能。 电 路交换 回 图 2 . 5 g p r s网络能同时进行电路交换和分组交换 2 . 2 . 3 g p r s 的网络结构 g p r s是在 g s m 原有网络的基础上叠加一层网络组成 g s m/ g p r s网络， 它 增加t s g s n( s e r v i n g g p r s s u p p o rt i n g n o d e , g p r s 业务支持节点 ) 、 g g s n ( g a te w a y g p r s s u p p o r t n o d e , g p r s 网 关 支 持 节点 ) 、 p c u ( p a c k e t c o n t r o l u n it , 分组 控制单元 ) 、 收费网 关( 可选 ) 、 边界网 关( 可 选) 等实体，同时 通过g p r s 骨干 网实 现各实体 之间的连接。图2 . 6 是g p r s 的 网络结构图: 从图 2 . 6可以看到，计算机通过串行通讯或无线方式连接到 g p r s移动台 ( m s ) 上， m s 与g s m基站( b t s ) 通信， 但与电 路交换式数据呼叫不同， g p r s 分 组是 从基站发 送到s g s n ， 而不 是通过移动交 换中 心( ms c ) 连接到语音网 络上。 s g s n与 g g s n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 第二章 q r码 和g p r s 网的相关理论 网络，如i n t e rne t 或 x . 2 5网络。来自i n t e rn e t 或 x . 2 5网络标识有 ms地址的ep 包，由g g s n接收，再转发到 s g s n，继而传送到ms 上。s g s n是g s m 网络 结构中的一个节点， 它与 ms c处于网络体系的同一层。 s g s n通过帧中继与b t s 相 连， 是g s m 网 络结 构与ms 之间的接口。 s g s n的 主要作用 是记录m s 的当 前 位置信息， 并且在m s 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 通 过基于i p 协议的g p r s 骨干网 连接到s g s n ， 是连接g s m网 络和外 部分组交 换网 ( 如i n t e rn e t 和局域网)的网 关。 爵爹 边 界网 关收 费网 关 dns / dbc p 城名服 务a/ 动态主 机配 t协 议 图2 . 6 g p r s网络结构 g g s n主要起网关作用，有时也将 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i n t e rne t 或 x . 2 5 网络。s g s n和 g g s n利用 g p r s隧道协议 ( g t p ) 对e p 或x . 2 5 数据分组进行封装， 实 现两者之间的数据传输。 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，数据包用特 定的 g p r s 协议信息打包并在 ms和 g g s n之间传输。这种透明的传输方法缩 减了g p r s公共陆地移动网络 ( p l m n)对外部数据协议解释的需求，而且易于 在将来引入新的互通协议。 用户数据能够压缩，并且有重传协议保护，因 此数 据传输高效且可靠。 第二章 q r 码和g p r s 网的相关理论 2 . 2 . 4 g p r s网络接口协议 基于g p r s的数据传输平台的分层协议模型如图2 . 7 所示: 图 2 . 7中，u m 为 ms与 g p r s固定部分之间的无线接口，g b为 s g s n与 b s s 之间的接口，而 g n 为同一 g s m网络中两个 g s n之间的g s m 的接口。可 以看出，u m之上的通信协议有 6层:自 下而上依次为物理层、ma c ( 介质访 问控制)层、 l l c( 逻辑链路控制)层、s n d c ( 子网相关融合协议)层、网络 层和应用层。 物理层为 g s m 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。u m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，最终的数 据速率可达1 6 4 k b p s 左右. m a c为媒质 接入控制 层， 它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 ms共享。l l c层为逻辑链路控制层，它是一种基于 h d l c ( 高速数据链 路规程) 的 无线链路协议，能 够提供高 可靠的加密逻辑链路。 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。s n d c被称 为 子网依 赖结合层， 其主 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， ms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 g p r s 第一阶段提供的 t c p / i p 和 x.2 5 协议。 当需要一个可靠的数 据链路， 进行g t p p d u ( g p r s 隧道协 议数 据单元)的传输时， 所用的传 输协 议是t c p协议; 如果不要求一个可靠的数据链路， 就使用 u d p协议来承载g t p p d u . t c p提供流量控制功能和防止g t p p d u丢失或破坏的功能，而 u d p 提 供防护g t p p d u受到破坏的功能。 e p 是g p r s 骨千网络协议， 用以用户数 据和 控制信令的选路。g p r s 骨干网现在是建立在 i p v 4协议基础上的，随着 i m的 广泛使 用， 将会最终采用i m 协议。 第二章 q r 码和g p r s 网的相关理论 m s um b s s g b s g s n g n g g s n 图2 . 7 g p r s的协议模型 在b s s( 基站服务中心) 中，中 继转发 ( r e l a y )负 责转发u m和 g b 接口 间 的 l l c p d u( 逻辑链路协议数据 元) ， 在 s g s n中， 这项功能是转发g b 和 g n 接口间的p d p p d u ( 点到点 协议数据单元 ) e b s s g p 这个层用来传输在b s s 和 s g s n之间与选路服务质量有关的信息， 它没有纠错功能。 n s 层传输 b s s g p p d u ( g p r s 基站系 统协议 数据单元) ， 它以b s s 和s g s n之间的 帧中 继连接为 基础，并能横贯有帧中继交换节点的网络。g t p是g p r s骨干网中g s n节点之 间的 互联 协议， 它是为g n 接口 和卯 接口 定义的 协议。 在g p r s 骨干网 中g s n 间的的 用户数据和信令利用g t p 进 行隧道传输， 所有的p d p p d u都将由g t p 协议进行封装。 第三节s ms 短消息通信技术概述及编码方式介绍 2 . 3 . 1 s ms 短消息通信技术概述 g s m的 短消息业务s m s ( s h o rt m e s s a g e s e r v i c e ) 与话音传输一样同为g s m 移动通信网提供的主要电信业务， 它通过g s m通信网所特有的无线控制信道进 行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量限制为 1 4 0 个八位组( 7 比 特编码， 1 6 。 个字符 ) 。 传送短消息业务的 控制信道为专 用控制 第二章 q r码和g p r s 网的相关理论 信道。它不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上 目的地址发送到短消息服 务中 心，由 短消息服务中 心再发送给最 终的 信宿。 这适于把每次采集到的数据 随时 发送到监控中 心。短消息业务可以 使网络端知道被叫方是否已经收到 短消 息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧会保留所传的消息， 一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重发以确保被叫方能收到。因此短 消 息业务作为g s m网络的一 种主要的电 信 业务，它的传输是可靠的。 短消息是g s m 承载业务中唯一不要求建立端到端业务路径的业务， 即使移 动台己处于完全电路通信情况下仍可以进行短消息传输。在整个传输过程中， 有呼叫连接建立和释放的过程。短消息中心具有短消息的存储功能，终端设备 关机时，可以保持消息不丢失，传输的可靠性大为提高。 欧洲电信 标准协 会( e t s d 指定了 一个短 消息发送协议作为g s m标准的一部 分。 该规程定 义了 三个接口 协议: 即 块模式( b l o c k m o d e ) 、 文本 模式( t e x t m o d e ) 和p d u ( p ro t o c o l d a t a u n i t 协议数据单 元) 模式， 用于移动台和终 端设 备之间 通过异步接口传送 s ms短消息。 块 模 式 是 一个 二 进制 协议 ， 用 于 移 动台 和 s m s c ( s h o rt m e s s a g e s e r vi c e c e n t e r 短消息服务中心)之间短消息传输的 p d u封装。这个协议包括了错误 检测，适用于应用和移动台之间链路容易出错的情况，特别是在需要控制远程 设备时。 文本模式是在为 g s m 修改的 a t命令集的基础上定义的基于字符的协议。 这种模式适合 非智能终端或终端仿真器， 及建立在i t u v 2 5 t e r 之 类的命 令结构 上的 应用软件。 应用将消息按简单文 本传递到手机组成t p d u 。 这意味 着文本模 式提供的功能较少，它不支持或不会自动将收到的消息传给应用。 p d u模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息 t p d u的任务留给 应用完成。 该 模式使a t命令集能方便地组 构更多复杂的p d u ， 例如既 可以 传递 二进制数据又 可以 传送字符数据。 基于文本的协议的优点是用户不需要任何 特殊的 客户软件发送短消息。他 们能 用任何终端仿真软件拨叫适当的消息中心，并用提供的不同 选项发送短消 息。 但最大的缺点是对扩展字符集的支 持能力有限。 用户只能发送短消息和接 收 发送确认， s ms c不能 通知终端用 户是否己 经成功传递了消 息。 显示s m s 信 息时，可能使用不同的字符集和不同的编码方式。如果你想阅读手机上的信息， 手机会为你选择一种合适的编码。那么一个可以阅读 s ms消息的应用要么使用 第二章 q r 码和g p r s网的相关理论 t e x t 模式， 要么是p d u模式。如 果使用t e x t 模式， 那么 应用 将绑定( 或限 制在 ) 一些 可能 的编码选择中。 在某些情况 下是不 够的， 如果使 用p d u模式， 那么就 可以使用任何编码方式。 因为本系统中g s m 的字符集采用 1 6 b i t 编码方式，t e x t 模式无法传输，所 以采用p d u格式。 短消息是利用 g p r s网络的 控制信道而不是语音信道进 行数据的 传递，用 户发出的短消息首先被发送到短信息中心服务器中，然后短信中心的服务器对 所收到的短消息进行排队处理，按顺序再发送给相应的接收用户终端。如果接 收 用户关 机或超出服务区不能正常通信时，则该条短消息进 行一定的 延时 后重 新发送， 这样有可能会造成后发的短消息先到的情况。此外 短消息中 心服务器 为 每 一个用户开设的缓 存区 一般为有限，约1 5 -2 5 条。 当 接收缓 存区 存满而接 收用户还不能正常通信时，将不再接收新的短消息，即发生短消息拥塞，造成 短消息丢失。另外，短消息在消息中心服务器中保留的时间也有一定的期限， 一 般为一天左右。 为了 保证下 位机与中 心管理机的数据交换， 一定要使接收机 可靠的与网络处于通信状态.g p r s模块所接收的短消息被保存在 s i m 卡中， 普通 s i m卡一般能存储 2 5 条短消息，因此， 在使用过程当中应及时删除已处理 过的短消息，以免造成短消息的丢失。 2 .3 . 2 p d u编码方式介绍 p d u m o d e 是发 送或 接收 手机短信息的一种方法， 短信息正 文经过 十六 进制 编码 后被传送。p d u可理解为 对于组成短消息的全部信息的一 个数据 包. 其中 包含的 信息有: 消息源地址、目 标地址、发信时间、数据格式、 使用的协议类 型、正文。 ( 1 ) 发送格式发出的短消 息数据包内容依次为: 短信中心号码长度 ( 包括 9 1 )一短信中心号码类型一短消息中心号码一文 件头字节信息附注 目 标手机号码长度一目标手机号码类型一目标手机号码 一协议标志数据编码方式数据有效期用户数据长度一用户数据 ( 以c t r l - z 结束) 。 ( 2 )接收格式接收的 短消息数 据包内 容依次为: 短信中心号码长度 ( 包括 9 1 )一短信中心号码类型一短消息中心号码一文 件头字节一信息附注一回复手机号码长度一回复手机号码类型一回复手机号码 第二章 q r 码和g p r s网的 相关 理论 一协议 标志一 数据编码方式 服务中 心时间 标志 一用户数据长度一用 户数据。 上述结构中， 短消息中心地址可由 各地移动通信公司取得， 如中国 移动电 信大连公司应为+ 8 6 1 3 8 0 0 4 1 1 5 0 0 .目标手机号码为数据接收端设备 ( 手机或 g p r s 调制解调器)的 s i m 卡号。回复地址为数据发送端设备的 s i m 卡号，用 户数据则为需传送的短消息正文。 下面举例说明 p d u 格式的具体内容。例如，我们要将字符 “ h i ( a s c ii 码 为4 8 6 9) 发 送 到 目 的 地 “1 3 8 8 9 5 8 3 4 0 7 e p d u 字 符 串 为 ; 0 8 9 1 6 8 3 1 0 8 4 0 1 1 0 5 f o 1 1 0 0 0 d 9 1 6 8 3 1 8 8 5 9 3 8 0 4 f 7 0 0 0 0 a a 0 2 c 8 3 4 。其中: - 0 8 是所在短信中心号码的字节数 ( 包括 9 1 ) . 9 1 是t o n / n p i , t o n / n p i 遵守i n t e m a t i o n a l / e . 1 6 4 标准， 是国际 格式， 指 在号 码前需 加 “ + ” 号。 此外还 可有其他数 值，如a l 为国内 格式，8 1 为 未知格 式。 - 6 8 3 1 0 8 4 0 1 1 0 5 f o 是中国移动大连短信息中心号码即:8 6 1 3 8 0 0 4 1 1 5 0 0 。编 码方式是:短消息中心的号码每二位前后互换，最后位补 f o 1 1 是文件头字节，这里 1 1 指正常的发送短信息。 - 0 0 是m r ( me s s a g e r e f e r e