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基于单片机的GSM网数据传输 目录摘要3Abstract31.绪论41.1课题眼究的背景41.2课题的确立41.3通信方式选择41.3.1通信方式的比较41.3.2通信方式的选择71.4本文研究的内容和方法72.GSM系统82.1 GSM系统组成82.1.1交换子系统82.1.2基站子系统92.1.3操作和支持子系统92.2 GSM系统提供的业务92.3 GSM系统的信道92.4 SIM卡102.4.1 SIM卡的功能102.4.2 SIM卡的存储内容112.4.3 SIM卡的物理结构113.短消息业务123.1短消息业务的体系结构123.2短消息业务的协议分层143.3短消息业务的优缺点153.4短消息业务的现状和前景153.5短消息业务的主要应用164GPRS业务164.1 GPRS的业务特性164.2 GPRS的网络结构174.3 GPRS协议模型184.4 GPRS的路由管理194.5 GPRS空中接口的信道构成194.6 GPRS的优缺点204.7 GPRS的应用205.GSM/GPRS 模块介绍及应用方法215.1 GSM模块的结构和特点215.2 AT指令225.3短消息的模式与Unicode编码方式225.4 GSM模块测试256. 基于短消息业务的系统硬件设计266.1系统整体结构266.2单片机端系统串口设计266.3 PC端系统的VB MSComm控件介绍277. 基于短消息业务的系统软件设计297.1单片机端程序设计297.1.1单片机端主程序设计297.1.2重要子程序设计307.2 PC机端程序设计317.2.1短消息软件的实现327.2.2短消息软件的运行结果347.3 系统抗干扰措施357.4通信时延分析357.4.1短消息传输时延的定性分析357.4.2短消息传输时延的测量和结论357.5系统开发中的难点368基于GPRS的系统设计368.1 系统组成368.2 单片机数据发送终端设计378.3 PC机数据接收端设计398.3.1 Winsock控件介绍408.3.2 Winsock控件的使用418.3.3 使用UDP协议进行通信41.结论429.1 论文的创新点429.2有待进一步研究的问题43致谢43参考文献43附录441.ASCII码对照表442本文术语45基于单片机的GSM网数据传输作者：周盛指导师：李方洲（温州大学（筹） 物理与电子信息学院 325027）摘要：本文通过对现代远程通信方式的讨论，提出了利用现有GSM网络的短消息业务实现的远程通信的种种优势，并将这种方式应用于本设计系统。采用先进的GSM通信模块和单片机互连的终端系统，通过AT指令，实现了数据的发送。在PC机端，通过VB编程实现人机友好交互界面，通过连接GSM模块实现接收终端发出的数据的功能。文中论述了GSM系统的组成结构、主要业务，重点介绍了短消息业务的特点、结构等方面，并基于此建立了整个系统。详细介绍了系统主要硬件组成部分及其作用，给出了整个系统软件流程图和部分子程序流程图。介绍了该技术的应用前景和推广价值。而且提出了本系统尚需解决的一些问题，并给出了可能解决这些问题的途径和方法。但是由于利用短消息业务存在时延等问题，本文基于此还提出了另一种基于GPRS的系统方案。介绍了GPRS的业务特点，网络结构等方面，并给出了整个系统设计。关键词：GSM网络 短消息 单片机 VB GPRSThe data transmission with GSM based on MicrocontrollerAuthor: zhoushengTutor: lifangzhou(Physical and Electronic information dapartment ,WenZhou University,325027)Abstract:This article proposed to use the existing GSM nets short message service to realize all sorts of superiority to long-distance correspondence through the discuss of the modern long-distance correspondence modes,and apply this way in this designed system. I realized the data tranmission by using the teminal system which connected with the advanced GSM correspondece module and the MicroController Unit and through the AT commands. In another PC machine end, I realized the friendly man-machine interactive contact surface through the VB programme, and realized to receive data from the terminal system by connecting with the GSM module. In this article, I elaborated the composition and the primary service of the GSM system, introduced the characteristics of the short message service, the structure and so on. Besides, based on what have discussed above, I have established the overall system. Forthermore, I have intrduced the systems main hardware consistent and its function in detail, provided the systems software flow and some subroutines. Moreover, I introduced this technicals applicatin prospect and the promoted value. Then, I proposed some problems the system still had to solve,and provided some prossible ways and methods to solve these problems. However,because the short message service has some problems such as the time delaying, the article gave another system plan based on GPRS. I introduced the characteristics ,the network architecture of the GPRS service and has produced the overall design of the system.Key words: GSM short message service MicroController VB GPRS1.绪论1.1课题研究的背景进入二一十一世纪以来，计算机网络、通信技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术以及大规模集成电路无不飞速发展，而其中最为引人瞩目的当是无线通信技术及无线通信网络飞速普及和应用。现今，无论国外还是国内通用的、覆盖广泛的无线网络已基本建设完成，例如中国移动的GSM网可实现全国及全球漫游，使手机等无线终端设备得以快速普及，可以说世界已经进入无线时代。而无线通信不仅仅可以传输话音信号，从本质讲，它是数据通信技术与移动通信技术结合的产物，数据通信才是无线传输的核心内容。近年来，移动通信的数据业务获得了迅猛发展，其年增长率远远高于电话业务，广阔的市场前景使得各大通信制造业巨头们纷纷投入到移动数据业务的竞争之中。作为数字蜂窝系统的典范，GSM系统已在全球获得了巨大的成功，其广阔的覆盖范围和良好的漫游性、安全性，再加上各种基于GSM的数据传输技术的不断发展，使得在GSM上进行数据通信成为在3G(第三代移动通信的简称)到来之前最好的一种手段。随着GSM无线通信技术的不断发展和成熟，可用于实现快速、准确、独立、经济的远程监控、读取、控制远方的调控测量仪器，例如无人值守加油站、家用电力用表、水表、煤气表等，正在被越来越广泛应用到各种新的系统，具有非常广阔的应用前景。在GSM数据业务中，短消息业务最适合应用到数据采集点分散、数据量较小的系统中。短消息服务SMS(Short Message Service)是GSM通信网络对用户提供的一种数据服务。它通过7号信令信道传输，具有通信灵活可靠、保密性强、初期投入费用低的优点，适用于小量数据的实时传输。1.2课题的确立针对公共无线通信技术应用和发展形势，提出了利用公用无线通信网传输数据的课题。课题的重点是考察GSM网络现有数据传输方式，传输过程，以及将来其技术发展和演进，解决数据无线远传的问题，同时增加数据传输方面的技术储备，便于进行其它系统的应用研究。本课题要求立足于现有GSM传输技术，在充分了解GSM传输机制、传输方式的基础上，选择一种技术服务作为传输手段，同时决定在哪一层次上进行开发研究，并对技术实现的难易程度进行分析，最终提出一套系统总体设计方案。即下位机为单片机数据发送系统、上位机为PC系统的数据接收系统。本设计把GSM模块作为信息传递的载体，使其与单片机和PC机结合起来构成的应用系统有着强大的生命力和广阔的应用空间，特别是在远程数据传输、远程监控领域更是受到人们的关注。1.3通信方式选择1.3.1通信方式的比较目前,在数据传输系统设计中,可供选择的通信方式较多,传统使用的有短波、超短波、有线电话和卫星。近些年,随着通信技术的发展,全球移动通信系统GSM以及GPRS通用无线分组业务也被用于数据传输系统中。以下对各种通信方式的优缺点进行分析。1.PSTN 什么是PSTN？即Public Switched Telephone Network，意指传统的电话交换网络，是目前全球最普及的电话网络。PSTN 进行数据通信的原理如图1.3.1。 图1.3.1 PSTN数据通信原理图它是通过两端被称作modem 的设备将由数据终端进入的低速数据经PSTN，用电路交换方式连接至别的用户终端或计算机的。在这种通信方式中，主控计算机通过调制解调器(MODEM)拨号沟通被控终端，然后再传送数据。PSTN 组网优点：适用范围广；传输速率高，容量大，没有无线通信中经常遇到的同频干扰问题,传输质量也较高；技术成熟，设备简单，价格低廉。PSTN 组网缺点：传输时效不甚理想，建立通信要花费30s左右的时间，在系统容量较大时，时效慢的问题相当突出。如果终端电话属农话线路，则线路质量不高，防御自然灾害的能力低；当线路较长时，建设、维修费用也高。PSTN属有线通信信道，防雷避雷问题格外重要，若解决措施不得力，电话会构成引雷设备，极易造成设备因雷击而毁坏。只能实现单路数据传输，不能满足多路数据同时传输的要求。传输速率上限只能达到9600bps，不适合批量数据传输的情况。2.超短波超短波通信的传播机理是对流层内的视距传播与绕射传播，由于传播距离较短，常常需要建设中继站进行接力。与PSTN 组网一样，在超短波信道组建的通信网中，无论是发送端还是接收端，都必须配备无线调制解调器，分别完成音频信号与数字信号之间的相互转换。超短波组网优点：独立性好，完全是自建通信网；技术成熟，设备简单且易于配套，建设周期短；实时性能好。超短波组网缺点：由于是自身建设的通信网，因此需要专业的维护队伍。在用户拥挤的地区(多为经济发达地区) ，同频干扰比较严重。山区及远距离的超短波通信需在野外高处建中继站, 雷击是一个突出问题，维护管理极为不便,同时建设费用也比较大。有些地区天线需高挂，从而造成铁塔造价过高。对通信效果差的站点，需建多级中继站级联，这降低了系统的可靠性。3.卫星信道卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电波实现地球站之间相互通信的一种方式，使用频率一般为300 MHZ300 GHZ。卫星信道优点：信号传输质量高，通信可靠；覆盖面大，可进行多址通信；通信频带宽；组网灵活机动，在卫星覆盖区域内，通信基本不受地形条件的限制。卫星信道缺点：卫星终端的设备费较高；耗电较大；随着用户增加通信时延较长。当前可供选用的卫星信道有4 种：亚洲2 号通信卫星信道(VSAT)、Omni TARCS全线通卫星信道、国际海事卫星信道( Inmarsat) 和北斗卫星信道。4.全球移动通信系统(GSM) 采用GSM通信方式组建数据传输网，其工作原理与传统的组网方式大体一致，不同的是收发信机换为GSM数传模块。每一次通信由下位机站发起，经过基站接力传输最后到达中心站，整个信息传输过程用户只需要解决好发送端和接收端两个环节，中间的通信是由移动运营商来解决的。用户可以免去以往因自建通信网所带来的维护任务，可以腾出更多的人力和物力来做好系统其他方面的工作。GSM短信息平台组网优点：信道稳定、传输质量好，传输速率可达9600 bps 以上。系统容量较大，可传输的数据量大，一条短信息所能容纳的数据量最多可达100字节以上。GSM信道无需中继，利用公网，不需自建和维护通信网，组网十分灵活。GSM系统设备体积小、重量轻、功耗低。由于不需要架设室外天线，安装方便，不仅一次性建设投资少，而且维护管理简单，运行费用低。GSM短信息平台组网缺点：受当前GSM网络覆盖的限制，可能有些偏远的站点无法通信组网，因此在进行GSM信道设计时，必须进行测站与GSM基站间的电路测试(估测) ；短信息的接收会出现时延的现象，实施时要根据系统规模考虑设置专用服务器，再通过DDN 等信道完成数据转发的方案解决瓶颈问题。另外，由于GSM是一个相当复杂的系统，各地的网管和电路质量也不完全一致，因此应重视当地GSM情况的调研，严格遵照GSM07. 05、GSM07. 07 协议编程；对可能发生的意外要有应对策略，比如合理使用数据重发机制、切换至备用信道等措施。5.GPRS 通用无线分组业务GPRS 是GSM系统的无线分组交换技术，不仅提供点对点、而且提供广域的无限IP 连接，是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式将数据传送到用户手中。GPRS 是作为现行GSM网络向第3 代移动通信演变的过渡技术，突出的特点是传输速率高和费用低。GPRS 优点：永远在线。只要激活GPRS 应用后，将永远保持在线，类似于一种无线专线网络; 按量计费。只有产生通信流量时才计费，是一种面向使用的计费，计费方式更加科学合理；快速登录。全新的分组服务，无需长时间的拨号建立连接过程。GPRS 缺点：目前网络的覆盖率不够理想；因为是永远在线，对下位机站的供电要求会高一些。1.3.2通信方式的选择目前可供选择的数据传输信道较多，其中技术比较成熟，运用比较广泛的主要有PSTN、GSM、超短波、卫星4 种。从通信网的运行维护管理角度来区分，PSTN 和GSM 通信网属公网,超短波和卫星通信网属专网。当今,GSM移动公网已经成为社会上应用最为广泛的一种通信资源，基于GSM 网络的短信息开发应用技术也相当成熟。而短信息在数据传输过程中的堵塞、时延现象，主要出在两个环节上：基站和短信中心，基站由于受容量的限制, 在信息超限时会出现排队而导致延时。为此，现在移动短信中心提供了专线接入技术来解决这个传输瓶颈。综上所述, GSM 短信息传输数据的应用技术是可行的,并且具有广阔的前景。卫星通信以其独立性好、通信速度快、并发能力强、保密安全性高的优点，正越来越受欢迎，但由于通信费比较高，建成后系统的运行费也较高，限制了其在数据传输方面的应用。不过，现在我国自拥主权的北斗卫星已经将每次的通信费降到每条数据包0.5 元，今后还有更大的优惠，因此卫星通信不再是一种高不可攀的通信方式，在通信网设计时可以扬长避短合理利用卫星通信。各种信道的比较如表1.3.2。表1.3.2 信道对比表特点公网专网PSTNGSM/GPRS超短波卫星建设费用一般低高高通信费用一般低无一般运行维护运行商维护运行商维护建设方维护运行商维护防雷要求很高低高高通过对上述各种通信方式的分析比较, 所以本人首选了GSM短信息传输作为通信方式。1.4本文研究的内容和方法本论文经过调研，收集且分析相关技术资料，综合考虑通信技术发展和数据传输系统特点的基础上，提出综述性技术解决方案，为将来的系统研发做好必要的准备工作。本课题主要包括以下几方面的内容： 1. GSM网络的基本结构和GPRS业务、SMS短消息协议和传输过程的简单介绍。 2.基于GSM网络数据传输系统设计方案。主要包括数据发送终端系统结构设计和原理和GSM MODEM的设计。4.数据传输系统的上下位机GSM通信接口部分，上下位机硬件组成及软件功能和具体实现等。5.基于GPRS技术的系统方案及实现方法。2.GSM系统2.1 GSM系统组成GSM系统主要由交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、操作和支持子系统(OSS)三部分组成。系统结构如图2.1。BTS：基站收发器 MS：移动台 BSC：基站控制器EIR：设备标示器 BSS：基站子系统 HLR：归属位置寄存器 MSC：移动交换中心 VLR：访问位置寄存器 GMSC：网关MSCAUC：鉴权中心 ISDN：综合数字数据业务网 PSDN：分组交换数据网 图2.1 GSM系统结构2.1.1交换子系统交换子系统(NSS)由MSC，HLR，VLR，ELR及AUC组成。1.移动交换中心MSC (Mobile-Services Switching Centre) ：MSC是网络的核心，它完成最基本的交换功能，即实现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。为此，它提供面向系统其它功能实体的接口，到其它网络的接口以及与其它MSC互连的接口。MSC从HLR, VLR, AUC这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据，同时这三个数据库也会根据MSC最新信息进行自我更新。MSC为用户提供承载业务，基本业务与补充业务等一系列服务。对于容量较大的通信网，一个NSS可以包括若干个MSC, HLR和VLR，在建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫时，呼叫往往首先被接到入口MSC(GMSC)，再由入口MSC负责获取移动用户位置信息，然后进行接续。GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。2.访问位置寄存器VLR：VLR存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR是一个动态数据库，需要随时与有关的HLR进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。VLR在物理实体上总是与MSC一体，这样可以尽量避免由于MSC与VLR之间频繁数据交换所带来的接续时延。3.归属位置寄存器(HLR)：用于管理移动用户数据库。它的主要任务是存储登记归属用户的档案、位置信息以及用户的VLR地址。4.设备指示器EIR：存储有效用户、可疑用户、禁止用户的国际移动分设备识别码，在用户进入移动系统时进行核查。5.鉴权中心(AUC)：提供确保呼叫保密所需的鉴权和加密参数。2.1.2基站子系统BSS由基站控制器BSC、基站收发器BTS和移动台MS组成。其功能如下： 1.基站控制器BSC用以控制BTS包括：无线电资源的管理、无线电网络功能管理，BSS的操作与维护等。 2.基站收发器BTS：由BSC控制，执行固定网与移动用户间的接口功能，提供移动台MS和GSM网络间无线信令和话音、数据信息交换，并处理这些信道数字化发射的全部无线功能。3.移动台(MS)：移动台从形式上分车载台和手持机两类。移动台硬件结构由双工器、收信前端电路、发信功放、调制解调器、发信电路、收信电路、锁相频率合成器、信道编译码器、控制器接口、CPU控制中心、显示器和键盘等组成。2.1.3操作和支持子系统该系统主要对整个GSM网络进行管理和监控。它由操作维护中心(OMC)及操作和支持系统软件组成。可实现对GSM网内各种部件的功能监测、状态报告、故降诊断及分类等，还可对GSM进行动态管理和调整。2.2 GSM系统提供的业务GSM是以加入窄带综合数字业务网（ISDN），向其用户提供ISDN业务为目标的，它所支持的业务主要有三大类： 1.基本电信业务：包括电话、短消息、紧急呼叫、传真、话音信箱、智能用户电报等，可以与PSTN（公共电话网）, ISDN等互通。 2.数据传输业务：包括300b/s和1200b/s异频双工数据传输，1200b/s，2400b/s, 4800b/s, 9600b/s同步双工数据传输，以及它们的分组式传输等，并与PSTN, ISDN和PDS（综合布线系统，Premises Distributed System）等互通。3.补充业务：包括3方通话、会议电话、呼叫转移等。2.3 GSM系统的信道 GSM系统采用的是频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)的混合多址技术，并采用跳频方式。GSM信道分为物理信道和逻辑信道。 1物理信道一个载频上的TDMA帧的一个时隙称为一个物理信道，它相当于FDMA系统中的一个频道，每个用户通过一系列频率的一个信道接入系统。GSM系统每个载频上的TDMA帧包括8个时隙，也就是8个物理信道。在一个TS中发出的信息称为一个突发脉冲序列。2逻辑信道 大量的信息传递与BTS和MS之间，根据传递信道的种类，GSM系统定义不同的逻辑信道。逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道上。逻辑信道可分为业务信道和控制信道两大类。业务信道(TCH)用于携带语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。控制信道(CCH)用于传输信令或同步数据，具体分为三类。（1）广播信道(BCH)，其中包括：频率校正信道(FCCH )：此信道给用户传送校正MS频率的信息。同步信道(SCH )：此信道传送MS的帧同步(TDMA帧号)和BTS的识别码(BSIC)的信息。广播控制信道（BCCH）：包括寻呼移动台分组、寻呼信息复帧号和CCCH时隙号等。（2）公共控制信道(CCCH)，其中包括：寻呼信道(PCH)：此信道用于寻呼MS。随机接入信道(RACH)：MS通过此信道申请分配一个SDCCH，它可用作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的接入。允许接入信道(AGCH)：此信道用于为MS分配一个SDCCH。小区广播控制信道(CBCH)：从SDCCH中借用时隙来传输短消息和广播信息。3专用控制信道(DCCH)：其中包括：独立专用控制信道(SDCCH)：用于在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信息。例如登记和鉴权在此信道上进行。慢速随路控制信道(SACCH)与一个业务信道TCH或一个独立专用控制信道SDCCH相关，它是一个传送连接信息的连续数据信道，如传送移动台接收的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与的切换功能是必要的，它还用于MS的功率管理和时间调整，是上下行、点对点(移动对移动)信道。快速随路控制信道(FACCH)与一个业务信道TCH相关。FACCH的话音传输过程中如果突然需要以比慢速随路控制信道SACCH所能处理高的多的速率传送信令信息，则借用20ms的话音(数据)突发脉冲序列来传送信令，这种情况通常在切换时使用。由于话音译码器会重复最后的20ms的话音，所以这种中断是不被用户查觉的。2.4 SIM卡2.4.1 SIM卡的功能用户识别模块(Subscriber Identity Module)是一种带微处理器的封装在塑料中的智能IC卡，它是GSM系统中不可缺少的一个重要部分，是用户进入GSM网络的登记凭证。在SIM卡中，包含有用户识别信息，辅助业务信息、短消息、移动性信息和无线电资源信息等。在GSM系统中，通过对SIM卡的物理接口、逻辑接口的明确定义，来完成与移动终端的连接和信息交换，同时在SIM卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。只有插入SIM卡，移动终端才能接入网络。它由CPU(8位)、程序存储器(3-8bit )、工作存储器(6-16bit )、数据存储器(128-256kbit )和串行通信单元五部分组成。SIM卡分为3V和5V两种。手机最初使用的是5V的SIM卡；1998年后陆续使用3V的SIM卡；5V的SIM卡容量小且功耗大，容量一般在3K左右，能存储30个电话号码，3V的SIM卡容量大且省电，容量为8K，能存储100个电话号码及其对应的姓名文字，15组短消息等。SIM卡正面图上有20值数码。前面6位(898600)是中国的代号；第7位是业务接入号，在135, 136, 137, 138, 139中分别为5, 6, 7, 8, 9；第8位是SIM卡的功能位，一般为0，现在的预付费SIM卡为1；第9, 10位是各省的编码；第11, 12位是年号；第13位是供应商代码；第1419位则是用户识别码；第20位是校验位。SIM卡正面图如图2.4.1。 图2.4.1 SIM卡正面图2.4.2 SIM卡的存储内容SIM卡是GSM的用户资料卡，它存储着用户的个人电话资料和保密算法、密钥等，下面就SIM卡中所存储的主要内容加以说明： 1.国际移动用户识别码(IMSI)IMSI是全球统一编码的唯一能识别移动用户的号码，一般由3个部分组成：移动台国家识别码+长途区号+移动用户号码，其中移动国家识别码3位数，我国为460，后两项共7-12位数。IMSI被存在SIM卡中，且IMSI与用户电话号码又一一对应地存储于网络的归属用户数据库里。当移动台用户在归属地或漫游地进入系统时，网络系统均能首先从用户的SIM卡中获取用户识别码，从而识别用户归属于哪个国家，哪个电信部门，甚至哪一个移动业务服务区。2.用户密钥Ki和保密算法A3/A8在SIM卡中存储有用户的密钥和两种保密算法。用户密钥Ki在写卡时就已随机生成，通常是在此时就将Ki用一种叫A4的算法进行加密，以后在进入交换机后再解密，那么连写卡机和交换机的操作员都不会知道Ki的真实数据。移动网络经营者需加入谅解备忘录组织(MOU)方可得到SIM的详细规范和拥有A3/A8算法文件的使用权，然后经营者再提供给制卡公司A3/A8算法文件的副本。这样制卡公司才可以向经营者提供带A3/A8算法的SIM卡。用户密钥与用户识别号码一一对应，它们和保密算法一起被分别存在SIM卡和用户鉴别中心内。每次用户鉴别中心对用户进行身份鉴别时，都将产生一个随机数和用户的密钥一起经过A3/A8的加密运算。然后通过无线信道核对移动台和鉴别中心的计算结果是否一致，这样既鉴别了用户的身份，又可防止非法用户进入网络。3.个人识别码(PIN)和SIM卡解锁密码(PUK)PIN码是SIM卡上的个人密码，主要用来验证SIM卡使用者的身份是否有效。为了防止他人擅用SIM卡，在移动台接通电源，将SIM卡插入移动台时，就会被要求输入4-8位的PIN码，否则将不能正常通信。如果用户连续三次输入错误的PIN码，移动台就会提示用户卡己被锁住，这时用户需输入PUK码才能解开。如果连续十次输错PUK码，SIM卡就将永久报废，无法再使用。因此，当移动台“要求SIM卡PIN”一项置为“ON”时，输入PIN虽然可防止SIM卡的非授权使用，但要注意我国电信部门没有将PUK码告诉用户，如SIM卡被锁，一定要到电信部门解锁，防止损坏SIM卡。 4.用户使用的存储空间SIM卡中大部分信息是经营者或制卡者所输入且不能更改。但SIM卡中也可存储部分个人信息，如固定的短消息、号码簿等，用户可以用移动台的键盘来完成个人情息的存储和读出。这就是所谓SIM卡中的个人存储空间。2.4.3 SIM卡的物理结构SIM卡的物理结构如图2.4.3所示。SIM卡共有8个触点，通过这些触点与移动终端接口，进行相互间的信息传输，并提供SIM卡电路工作时所需的电源。SIM卡各触点的定义如下：C1：Vcc电源电压。C2：RST复位端。C3：CLK时钟，时钟速率通常由移动终端提供，SIM卡支持15MHz时钟，它在指定时间内运行监权过程时至少需要13/4MHz的时钟频率，其它情况下使用13/8MHz的时钟频率。C4：无定义，为将来使用保留。C5：GND地。C6：Vpp编程电压。C7：I/O输入输出。C8：无定义，为将来使用保留。 图2.4.3 SIM卡的物理结构SIM卡的电性能要求为使SIM卡能正常工作。各触点的电性能以及电源开/关时的电性能都是有所要求的。SIM卡开启电源期间，各触点的激活顺序为：RST为低电平状态；Vcc加电；I/O处于接收状态；Vpp加电，提供稳定的时钟信号。SIM卡关闭电源时，各触点的去活顺序为：RST为低电平状态，CLK为低电平状态，Vpp去活；I/O为低电平状态；Vcc去活。电源开启时，SIM卡有两种工作方式，即工作方式和空闲方式。在工作方式时完成与移动终端之间的信息传输，在空闲方式时SIM卡将保留所有相关数据，并支持内部全休眠、指令休眠和时钟休眠三种休眠方式。 3.短消息业务SMS短消息是Short Message Service的英文缩写，是通过移动网络用手机接收和发送有限长度文本信息的一种通信体制。文本信息可以是汉字，数字，字母或符号以及它们的组合。GSM的协议规范规定，一条短消息最多可以包含160个英文字母的7-bit编码或是70个汉字等Unicode编码。世界上第一条短消息是在1992年12月从英国沃达丰(Vodafone)公司的GSM网络由电脑发送到一部手机上的，此后几年内短消息并未得到广泛应用。直到1988年，欧洲的语音业务渐趋饱和，移动数据业务市场广大，运营商开始注意到短消息市场，Sonera, Vodafone, Mannesmann等公司大力发展短消息业务，使欧洲的短消息迅速火爆。随着手机在中国的普及，2000年开始，中国移动和中国联通开始开发中国的短消息市场，在中国掀起短消息的热潮。3.1短消息业务的体系结构 图3.1 短消息业务的体系结构SMS体系结构如图3.1，各部功能介绍如下：1.短消息实体(Short Messaging Entity, SME )：它可以接收或改善短消息，位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 2. SMS网关(SMCGWMS或SMCGMSC：SMS-Gateway MSC)：接收由SMSC发送的短消息，向HLR查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 3.归属位置寄存器(Home Location Register, HLR )：用于永久存储由SMSC产生的管理用户和服务记录的数据库。SMS网关可以要求HLR搜索可找到的用户地址。 4.移动交换中心(Mobile Switching Center, MSC )：负责系统切换管理并控制来自或发现其它电话或数据系统的拨叫。 5.访问位置寄存器(Visitor Location Register, VLR)：含有用户临时信息数据库。交换中心访问用户时需要这些信息。6.短消息服务中心(Short Message Service Center, SMSC )：简称短信中心。负责在基站和SME间中继、存储或转发短消息，移动台(MS)到SMSC的协议能传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为SMPT(Short MessageTransmission Protocol)。短信中心实质是运行在服务器上的一个数据库应用程序，其核心进程担负着通过7号信令与交换机连接并发送、接收短消息低层编码任务，它收到一条信息后将其放入数据库中，同时另一个进程试图将这条信息放入发送队列进行发送，如果成功，这条信息将被删除以释放数据库空间，但统计信息将保存。如果不成功，则根据设置的时间间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。短信中心的功能应符合ETSI GSM规范03.40的要求，具备如下功能：短消息的存储能力短消息的提交和转发设置短消息的优先级根据有效期处理短消息重复转发尝试流控功能路由选择功能具有系统日志用户核查能力告警功能统计功能支持汉字短消息业务能力支持二进制形式的短消息业务能力虚拟短消息中心支持长短消息3.2短消息业务的协议分层 图3.2.1 短消息协议结构短消息协议结构如图3.2.1所示。由应用层来的短消息经过传输层、中继层、连接管理子层CM和以下的移动管理子层MM、无线管理子层RR将短消息发送到MSC。来自应用层的最多140字节的编码短消息，添加了收件人地址后被包装入TL传输层的协议数据单元PDU中(称为TP-DATA )，然后被包装于RL中继层的PDU中(称为RP-DATA)，包括电话号码式的SC服务器地址，RL层的PDU本身被包装于CP-DATA式的CP连接管理子层控制协议的PDU中。借助于L2这层的SDCCH或SACCH信道的数据帧，将短消息变成突发脉冲(Burst)的形式发送出去。突发脉冲是GSM的传输单位，SACCH和SDCCH都采用4个连续突发脉冲为一组的编码，也即SDCCH和SACCH的原始数据由4个突发脉冲携带。短消息的数据封装如图3.2.2所示。发送短消息要使用SDCCH或SACCH信道，具体是哪一种，取决于业务信道TCH的使用。当TCH未分配，也就是不在通话中时，短消息占用SDCCH信道。如果短消息在SDCCH上处理时分配了TCH，即进行通话时，短消息传送将停止并继续在TCH随路的SACCH信道上传送；如果短消息到达时，TCH已分配，则短消息在随路的SACCH信道上传输；当采用TCH的实体结束其处理时，无线资源管理(RR)子层可选择在SACCH上继续进行短消息传送或将它转至SDCCH，所以发送短消息只能在SDCCH或SACCH信道上传输。 图3.2.2 短消息的数据封装L2层的SDCCH一个数据帧最多只能携带23字节的信息，来自CM子层的251字节的数据单元需要251/23=11个数据帧来传输，每个帧由物理层的一个块传送，即四个突发脉冲Burst。在物理层，一个TDMA帧持续4.615ms，控制信道(BCCH, CCCH, SDCCH+SACCH)安排在51复帧中，SDCCH的每个块的重复周期为51个TDMA帧，因此在SDCCH上发送251字节CP-DATA的时间为11 51 4.615 ms=2.6s。L2层的SACCH一个数据帧最多只能携带21字节信息，因此需要251/21=12个数据帧来发送。业务信道(TCH+SACCH)安排在26复帧中，伴随TCH的SACCH每个块的重复周期为104个TDMA帧，因此在SACCH上发送251字节CPDU的时间为12 104 4.615 ms=5.8s。所以被层层封装的一条140字节的短消息，占用SDCCH信道在空中接口需要2.6s才能发送完毕，而占用SACCH信道在空中接口则需要5.8s才能发送完毕。3.3短消息业务的优缺点1. 短消息业务的优点短消息采用存储一转发的模式，防止了短消息的丢失。短消息先发送并存储到短消息服务中心，然后由短消息服务中心转发给接收方。如果接收方不在服务区内或是关机，则短消息服务中心先保存该短消息，等接收方处于服务区内再转发给他。短消息的收费十分低廉，这是短消息风靡的决定性因素。无论距离的远近，接收方免费接收短消息，发送一条短消息网内收费0.1元，网间收费0.15元。并且发送一定量的短消息运营商会给出一定的优惠政策，这对某些消费群体具有很大的吸引力。短消息的升级版本EMS和MMS能够承载多种数据。它们的内容可以是文本、声音、图像等，更大程度的满足人们交流的方式。手机中的SIM卡可以对发送短消息进行加密，接收方的手机将信息解密，实现了传输中的安全可靠行。短消息可以与话音、数据、传真等业务同步传输。短消息使用S7信令传输数据分组，是非对称业务，即使在业务信道处于高峰期时，仍然可以进行顺利通信。2. 短消息业务的缺点短消息的规范不统一。短消息运营商和开发上采用各自的专有协议，不利于短消息市场的规范发展。为统一各种不同的接口规范，实现不同的短消息中心之间的相互操作，X.25协议已被确定为连接不同短消息中心的公共协议。每条短消息长度有限。超过160个字符的SMS则需拆分成多个消息子段传输，增加了服务的成本，并且不利于收信者的查看。短消息服务中心处理能力不够，每秒只能处理几百条短消息。特别是各个节日，像春节、圣诞节等，短消息业务量急速上升，存在着很长的延时，严重时短消息中心发生阻塞，服务质量下降。SMS的数据传输速率偏低，等待时间长。由于SMS使用的是速率很慢的信令信道，在GSM网络中，信令信道处理很多其它任务。GSM03.40中定义的SMS协议数据单元(PDU)固定的各种首部域，效率比较低，使SMS的适应能力不高。3.4短消息业务的现状和前景 1.短消息业务的现状 短消息业务的广泛发展给各地的运营上带来了丰厚的利润，同时它方便了人们的生活，成为我们生活中必不可少的一部分。但是它也带来了一些负面影响，例如现在的一些垃圾短信经常充斥我们的手机，严重防碍了我们的正常生活；再如一些不明不白的收费让很多人大伤脑筋。 2.短消息业务的前景 SMS的升级版EMS：Enhanced Message Service (EMS)增强消息业务是爱立信公司向ETSI/3GPP委员会提交的技术标准。大多数手机制造商支持EMS经过稳步发展，EMS已成为3 GPP技术规范的一个完整部分。EMS和SMS的实现原理基本相同，也是存储一转发机制，使用信令信道，因此不用对基础网络升级。EMS能够支持格式化文本、黑白图片、声音、简单的动画等媒体。 SMS的下一代版本MMS：Multimedia Message Service (MMS)多媒体信息服务支持移动图像、卡通、交互式视频等多媒体信息，可以把文本、声音、图像、视频等集成在一起，通过手机发送电子贺卡、屏保等。从2002年开始，很多手机厂家推出了支持MMS的手机，更多的运营服务商参与MMS的研发。到目前为止，MMS已有了广泛的应用。3.5短消息业务的主要应用短消息业务的应用十分广泛，总结如下： 1.最基本的手机用户之间的相互交流信息的功能。 2.资讯服务。包括新闻、天气预报、股市行情、话费查询、火车、航班时刻查询等。 3.移动商务。移动证券交易、移动银行、预订车票等。 4. E-mail应用。E-mail主要信息提示和全部信息浏览、回复简单的E-mail。 5.娱乐。铃声图片下载、智力问答、手机游戏。 6.远程监控。对工业、地质、水文等数据采集和远程控制。 7.企业服务。对企业内部信息进行交流和管理。4GPRS业务GPRS(Gerneral Packer Radio Service通用分组无线业务)是一种基于GSM的新型移动分组数据承载业务，其最高速率可达到170kb/s。GPRS允许业务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。GPRS能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用。从2000年6月，摩托罗拉公司在英国推出了世界上第一个GPRS商用系统和第一部GPRS商用手机后，在仅仅一年多的时间里，世界上就有99家运营商投入到GPRS的运营之中。中国移动早在1999年就开始搭建GPRS实验网。目前，中国移动GPRS网络已经覆盖全国二百多个省会城市和大中城市，并于2001年7月采用国际上流行的营销方式推出商务试用，经过近一年的成熟试用，于2002年5.17世界电信日正式推出GPRS服务。4.1 GPRS的业务特性GPRS突破了现有GSM数据业务最高速率仅9.6kb/s的限制，数据速率最高可至170kb/s。它允许用户以端到端的分组传送模式发送和接收数据，不需要使用电路交换模式下的任