（通信与信息系统专业论文）基于gprs的自动气象站系统的研究与设计.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 摘要 l i l i l l lii ii i ii i i i i l li i ii ii ii i i 19 9 6 719 由于天气变化直接影人们的日常生活 随着社会现代化程度的提高 人们对气象 部门的气象服务水平提出了更高的要求 因此需要加快气象测报业务的现代化进程 提高气象测报数据的准确性和及时性 自动气象站正是为适应这一需求而提出的由电 子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站 另一方面 采用 传统的有线方式建立气象信息采集传输系统 必须租用专线或电话线进行连接 线路 资源利用率很低 采用g p r s 通信方式 则线路资源利用率较高 而且能够满足一些 无法连接宽带和电话线的边远地区上传资料的要求 基于这种情况 提出本研究课题 论文首先分析了自动气象站系统的研究现状以及g p r s 网络在远程数据采集系 统中的应用情况 然后对基于g p r s 的自动气象站的关键技术进行了研究 包括g p r s 网络的体系架构与组网方案 远程数据传输系统中的关键协议 w i n s o c k 通信原理 实时多任务操作系统等 在上述研究工作的基础上 提出了基于g p r s 的自动气象站 系统的总体设计方案 并重点论述了该系统采集器的硬件电路设计和软件设计方法 其中硬件电路设计主要实现了数据采集 数据分析和存储 远程数据传输等功能 软 件设计主要对采集器的数据处理算法和监控中心的数据库结构进行了设计 最后通过 系统基本功能测试 数据传输测试和数据查询测试实验验证了系统设计的正确性和可 行性 关键词 自动气象站 通用分组无线业务 电路设计 软件设计 测试 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t t h ec h a n g e so fw e a t h e rh a v ead i r e c ti n f l u e n c eo no u tl i f e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i a lm o d e r n i z a t i o n p e o p l en e e dh i g hq u a l i t ym e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e s ow es h o u l dq u i c k m o d e r n i z e da d v a n c e m e n to fw e a t h e rf o r e c a s tt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dt i m e l i n e s so f m e t e o r o l o g i c a ld a t a a n dd ot h es e r v i c ew e l l t h ed e s i g no f a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o ni st o a d a p tt h i sr e q u e s tw h i c hi sc o n t r o l l e db ye l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o no rc o m p u t e rt od o m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o na n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na u t o m a t i c a l l y f o rt h eo t h e rh a n d i fw eu s et r a d i t i o n a lm e t h o dt ob u i l dw e a t h e rs t a t i o nm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o ng a t h e r i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e m w em u s tr e n tt h es p e c i a ll i n eo rt h et e l e p h o n el i n et oc o n n e c t t h el i n e r e s o u r c e su s ef a c t o ri sv e r yl o w t ou s eg p r s w ew e l lg e ta h i g hl i n er e s o u r c e su s ef a c t o r m o r e o v e rc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fs o m er e m o t eb o r d e rd i s t r i c tw h i c hi su n a b l et oc o n n e c t t h ew i d eb a n da n dt h et e l e p h o n el i n e b a s e do nt h i sk i n do fs i t u a t i o n t op r o p o s e st h i s r e s e a r c ht o p i c a n de l a b o r a t e dt h i ss y s t e mg a t h e r i n gh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h e s o f t w a r ed e s i g nm e t h o dw i t he m p h a s i s t h es o r w a r ed e s i g nm a i n l yf o rg a t h e r i n gd a t a p r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n dt h em o n i t o r i n gc e n t e rd a t a b a s es t r u c t u r e f i r s t w ea n a l y s i st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n a n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fg p r sn e t w o r ki nl o n gr a n g ed a t ag a t h e r i n gs y s t e m t h e nd i d r e s e a r c h0 1 1t h ek e yt e c h n o l o g i e s i n c l u d i n ge s s e n t i a la g r e e m e n to fl o n gr a n g ed a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m w i n s o c kc o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l e r e a l t i m em u l t i d u t yo p e r a t i n g s y s t e ma n ds oo n a tr e s e a r c hf o u n d a t i o na b o v e p r o p o s e do v e r a l lp r o j e c td e s i g no f a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eg p r s t h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i tm a i n l y r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n d a t aa n a l y s i sa n dm e m o r ya n dl o n gr a n g ed a t a t r a n s m i s s i o n a tl a s t w ec o n f i r m e dt h ea c c u r a c ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e mt h r o u g h s y s t e mb a s i cf u n c t i o nt e s t d a t at r a n s m i s s i o nt e s ta n dd a t ai n q u i r yt e s t t e s t k e yw o r d s a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n g p r s c i r c u i td e s i g n s o f t w a r ed e s i g n 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 自动气象站就是没有人工操作 完全由仪器自己完成测定地面各气象要素的全自 动气象站 l 它们常常被安置在高山 海洋 沙漠 高原上 由於地球表面面积广大 人力物力有限 建设地面气象站的数目不可能很多 自动气象站弥补了地面气象站的 不足 2 本章对国内外自动气象站的发展现状及应用作了介绍 通过分析目前气象事 业的发展 提出了建设自动气象站的必要性 同时对本课题的研究目的 意义 主要 内容及创新点作出了说明 1 1 自动气象站系统的研究现状与应用情况 1 1 1 自动气象站简介 自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的 气象站 一般由传感器 采集器 数据处理装置 资料发送装置 电源等部分组成 随着气象要素值的变化 各传感器的感应元件输出的电量产生变化 这种变化量被数 据采集器所采集 经过线性化和定量化处理 实现工程量到要素量的转换 再对数据 进行筛选 得出各个气象要素值 经过处理的气象要素数据按规定的格式编排 经资 料发送装置用有线或无线方式传给用户 或存贮在介质上 由用户定期回收 电源是 为气象站正常工作提供动力的 在野外通常使用太阳能电池 整个系统由一部微机自 动管理 3 1 自动气象站观测项目通常为气压 气温 相对湿度 风向 风速 雨量等基本气 象要素 经扩充后还可测量其它要素 自动气象站根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站 和无人自动站 或者称作有线遥测自动气象站和无线遥测气象站 自动气象站网由一 个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成的 4 1 有线遥测自动气象站 仪器的感应部分与接收处理部分相隔几十米到几公里 其 间用有线通信电路传输 由气象传感器 接口电路 微机系统 通讯接口等组成 传 感器将气象信息转换成电信号由接口电路输出 微机系统是它的心脏 负责处理接口 武汉邮电科学研究院硕士论文 电路及观测员通过键盘输入的信号 并将处理结果输出显示 打印 存盘 也可通过 接口发送到信息网络服务系统 这种自动站早期用于实时查询气象资料 现在逐渐取 代气象站日常主要观测工作 无线遥测气象站 又称无人气象站 它包括测量系统 程序控制和编码发射系统 电源三部分组成 气象要素转换成电信号的方式常见有机械编码式和低频调制式两 种 前者多使用机械位移的感应元件 使指针在码盘上位移而发出不同的电码 后者 多使用电参量输出感应元件 使它产生一个低频变化的信号 然后将此信号载于射频 上发射 无人气象站通常能连续工作一年左右 每天定时观测4 2 4 次 可在1 0 0 0 公里之外的控制中心发送指令或接收它拍发的电报 也可利用卫星收集和转发它拍发 的资料 该站通常安置在沙漠 高山 海洋 漂浮式或固定式 等人烟稀少的地区 用于填补地面气象观测网的空白处 5 1 1 2 自动气象站发展与研究现状 自动气象站发展到现在已有三代 第一代研制于本世纪5 0 年代末 当时它只能 测量温度 湿度 气压 风力 风向 降水等少数几个要素 6 0 年代中期 由于半导 体元件和脉冲数字电路的普及 第二代自动气象站产生 它的感应元件能观测云高 降水 辐射总量 雷暴等 但是这种气象站不能自动处理观测资料 7 0 年代后 自动 气象站已发展到第三代 电子计算机和卫星通信技术的兴起 使自动气象站自动化程 度大为提高i s 从1 9 9 8 年起 中国气象局开始在中国部分地区建立自动气象站 逐步完成自动 站的建设 实现地面观测自动化 改变中国地面气象观测仪器设备陈旧 技术落后的 状况 目前 全世界投入运行的自动气象站有几千台 有一些国家还建立了自动气象站 网系统 称之为自动气象遥测系统 这种系统由中心站和野外站组成 中心站控制着 野外站 野外站的主要任务是观测 它由铁塔 传感器 电子线路等组成 我国在 七 五 期间就研制出了自动气象站 它们分别安装在内蒙古 青海等地 定期通过静止 卫星向地面接收站发送各种气象信息 效果良好 刀 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 2g p r s 技术的研究现状与应用情况 1 2 1g p r s 技术简介 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 g p r s 为通用分组无线业务的简称 是 欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准 g p r s 具有充分利用现有的 网络 资源利用率高 始终在线 传输速率高 资费合理等特点 目前世界上有大约1 0 亿普通电话用户 3 亿无线通信用户和l 亿互联网用户 世界电信业的发展趋势是无线语音业务的发展速度超过普通电话业务 两者间在不断 融合 未来的网络将是一个有线 无线和互联网三者合一的数字化的全球网络 其覆 盖将超越一切地理障碍 使信息无处不在 8 与g s m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通讯系统 c s d c o m b i n e ds e r v i c ed r a w i n g 电路交换数据业务不同的是 g p r s 业务将以数据 流量计费 而g s mc s d 业务则以时间计费 g p r s 这一计费方式更适应数据通信的 特点 此外 g p r s 业务的速度较g s mc s d 业务也将有很大提高 g p r s 可提供高 达1 1 5 k b s 的传输速率 最高值为1 7 1 2 k b s 下一代g p r s 业务的速度可以达到 3 8 4 k b i t s g p r s 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 同时 用户只需按数据通信量付费 而无需对整个链路占用期间付费 实际上 g p r s 用户可能连接的时间长达数小时 却只需支付相对低廉的连接费用 可使用户的使用费用大大降低 9 1 g p r s 通信模块就是为使用g p r s 服务而开发的无线通信终端设备 可应用到下 列系统集成中 远程数据监测系统 远程控制系统 自动售货系统 无线定位系统 门禁保安系统 物质管理系统等 1 0 1 1 2 2g p r s 技术的行业应用 传统行业对通讯和数据交换的要求 已由固定的 限时的模式转变为不受地域 时间限制的 随时进行的模式 接入网部分无线代替有线已成必然趋势 采用g p r s 实现无线口接入 能满足业务点的远程接入的需求 g p r s 无线数传终端应用范围 武汉邮电科学研究院硕士论文 广泛 几乎所有远程数据传输业务都可以应用 并不受地理环境 气候 时间限制且 能进行存储和历史查询等诸多优点 因此在我国工业自动化和其它领域的应用将会越 来越广泛 目前g p r s 应用的行业包括 工业遥信 遥测 遥控 电信行业无人值守站机房 监控和远程维护 如移动基站 微如移动基站 微波 光纤中继站等 城市配电网自 动化系统与抄表数据传输 高压电力设备监测 自来水 煤气管道 闸门 泵站与水 厂监控 城市热网系统实时监控和维护 环境保护系统数据采集 三防与水文监测 人民防空警报设备监测 气象数据采集 其他无人值守 如仓库 办公楼等如仓库 办公楼等 监控 金融 零售行业 移动车辆监控调度系统 油罐及输油管线监控 城市路灯监控 移动办公以及医疗监护 1 1 g p r s 的应用非常广泛 每种行业的实际需求和复杂的应用环境都大不相同 所 以每种行业都会有自己独特的功能要求和组网方式 下面就给出几个典型的行业应用 的具体方案介绍 1 工业现场应用 现在很多企业都利用g p r s 数据传输网络进行现场数据的监测 在工业现场利 用各种传感器进行信号采集或对设备已存在的数据或模拟信号进行分析 g p r s m o d e m 可通过标准接口与各种数据采集仪器仪表相连 一般现场仪器仪表的通信接 口为r s 2 3 2 r s 4 8 5 及以太网 g p r sm o d e m 的通信接口为r s 2 3 2 及以太网 在正常 工作模式下g p r s 传输模块将仪器仪表的数据通过移动通信分组网络 g p r s 网络 传递给数据管理服务器 数据服务器可通过d d n 专线 a d s l i s d n 连接等形式 连接到企业内部网络上 在控制中心的服务器上建立一个中央数据库 对收到的数据 进行整理贮存 产生相应的报表和指示 并可以在其上开发分析决策模块 判断要监 控对象的工作状态 如是否正常工作 有何异常事件 并对该情况作出相应指令 传回数据终端侧执行 或通过短信发送给管理和维护人员 从而实现了对现场设备运 行状态的实时监控 实现了数据在人员 控制中心和设备间的互通互传 使技术人员 和管理人员无论在任何地方都可以得到每个监控点的数据 并可以进行及时响应 1 2 1 2 低压配电监控应用 随着电网改造的逐步深入 电力配网技术的高速发展 科学 经济 有效的控制 电网运行 必须逐步实现 提高配网自动化水平 城市配电网自动化系统是电力部门 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 改善供电质量 合理配置供电设备 有效实现电力需求管理的重要措施 分布在城市 郊区和农村的低压配变具有节电数量大 分散 环境复杂等特点 低压配变的运行数据监测 采集 分析 无功补偿控制状态及远程遥控 对低压配网 设备数据传输方式提出了新的要求 实时 准确 高效的传输配电数据 高性能价格 比的设备配置 简单 方便的安装方式 g p r s 网络 支持无线方式的分组包交换功能 其永远在线 快速传输 按流量 计费的特点 很好的满足了低压配电网数据传输的需求 目前 数据采集节点和配网 控制中心的通信方式 主要是固定传输和现场数据采集 使用r s 4 8 5 光纤 m o d e m 拨号等有线传输涉及到布线施工 建设成本 安全和可靠性等一系列问题 电力线载 波是解决问题的方案之一 但是通讯的成功率 电网的状况 跨变压器不可传输和载 波频率分配等方面却存在缺陷 不能有效应用 g p r s 数据系统的推出使这一难题迎 刃而解 利用g p r s 网络的无线数据通信方式代替传统的做法 将能克服以上缺点 在保证数据传输的及时 准确的前提下 将系统运行费用也降低到了最低 1 3 3 电力远程抄表系统应用 挨家挨户敲门查电表的方式 无论是对敲门的人来讲 还是对被敲门的人来讲 都是一件麻烦的事情 现在已有许多住宅用户都用上了预付费电卡 省去了查表的麻 烦 但对电力部门来说 数据统计和实时监测仍然是一个有待解决的问题 通过g p r s 网络系统 电力部门可将工业和民用电表采集的电力系统数据实时传 递到地 市 省级的集中监控中心 以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理 g p r s 网络可为电力系统提供了简单高效的通信传输手段 g p r s 系统可提供广域的无线m 连接 在移动通信公司的g p r s 业务平台上构 建电力远程抄表系统 实现电表数据的无线数据传输 具有可充分利用现有网络 缩 短建设周期 降低建设成本的优点 而且设备安装方便 维护简单 g p r s 电力远程抄表系统由位于电力局的配电中心和位于居民小区的电表数据 采集点组成 居民小区的所有电表首先连接到电表集中器 居民用户的用电数据由复 费率电表通过4 8 5 传到电表集中器 电表集中器通过r s 2 3 2 口与g p r s 透明数据传 输终端连接 电表数据经过协议封装后发送到中国移动的g p r s 数据网络 通过g p r s 数据网络将数据传送至配电数据中心 实现电表数据和数据中心系统的实时在线连 接 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 电表集中器通过r s 4 8 5 接口直接连接到电表上 既可支持单个电表 也可以同 时支持多个电表 实现对电表参数的采集 存储 预处理或并将采集到的电表数据实 时传送到配电中心 同时 电表集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制 模块 对电表进行控制操作 对于电力部门来说 远程变电站抄表一直是一件非常头疼的事情 需要投入大量 的人力 物力和财力 因为变电站数量众多 地理位置分散 给工作人员带来极大的 不方便 电力公司也可利用g p r s 移动数据网络对各重要电力节点进行监控 自动读 取相关数据并加以分析 还可进一步进行远程控制或设备维护 可减少人力资源 缩 短修护时间并节省专线建设成本 1 4 1 4 石化行业应用 我国石油和化工自动化经过5 0 年的发展 通过技术引进 消化吸收和不断创新 自动化水平取得了长足进步 现场从手工操作发展到自动控制 从低级的单回路控制 发展到高级复杂系统控制 直到管控一体化 此外 在自动化装各 技术 功能 规 模等方面都有了很大提高 测量和控制装置不断更新升级 作为一个特殊行业 石化行业的安全问题经常引起人们的关注 如果把石化厂的 所有生产部位都处在g p r s 定位电脑监控系统的监控下 就能够及时侦测到险情发 生 进行险情排除 防止造成重大的财产损失和人员伤亡 以气田站为例 利用g p r s 技术作为数据传输通道 实现天然气泄漏等安全信息 2 4 小时在线检测报警 并且能在井场出现异常险情 如井口发生超压 输气管线爆 破失压或出现火警时 可立即自动截断气源 实现了天然气采输生产的安全管理由人 工监控向智能信息化监控的转变 进一步体现了 预防为主 的安全管理原则和 以人 为本 的安全管理理念 l s 5 气象行业应用 气象信息采集系统利用实时采集的气象资料 对未来一定时段内的气象情况作出 较为精确的预测和报警 包括进行短期的降雨预报 中期降水预报和洪水的预警预报 是防汛工作中非常重要的环节 构建气象信息采集传输系统要求数据通信覆盖范围 广 扩容无限制 接入地点无限制 能满足山区 乡镇和跨地区的接入需求 考虑到 气象信息采集点数量众多 分布在全省范围内 部分气象信息采集点位于偏僻地区 而且地理位置分散的特点 并且 考虑到今后系统扩充的可能 必须具有良好的可扩 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 展性的要求 采用g p r s 网络 能够满足气象信息采集传输系统对覆盖范围的要求f 阍 气象系统需要极高的系统安全保障和稳定性 安全保障主要是防止来自系统内外 的有意和无意的破环 网络安全防护措施包括信道加密 信源加密 登录防护 访问 防护 接入防护 防火墙等 稳定是指系统能够7 x 2 4 小时不间断运行 即使出现硬 件和软件故障 系统也不能中断运行 采用g p r s 构建气象信息采集系统 不仅能很好地满足气象信息采集的需求 而 且 网络运营商也将因此获得业务稳定的集团用户 营业收入也随之增加 调动了运 营商的积极性 符合网络建设和网络应用同步发展的要求 对于气象局等用户来说 由于通信费用较低 享受到了实惠 另外 由于接入设备可以移动 当气象观测站和 气象信息采集点搬迁时设备可随之迁移并可继续使用 可以保护用户原有投资 适合 于气象采集工作 1 3 本课题的来源 研究目的及其意义 中国气象目前已经成为世界气象组织中一支举足轻重的重要力量 我国也已成为 名副其实的气象大国 气象现代化建设步伐日益加快 率先基本实现气象现代化 是 中国气象局在新世纪新阶段提出的我国气象事业未来发展的新目标 加快建设由气象 卫星 天气雷达 自动台站等观测系统组成的观测体系 建设由高性能计算机和先进 的预报模式组成的天气气候预报预测系统 建设先进的气象信息网络系统和气象服务 系统刻不容缓 以提高天气预报和短期气候预测准确率为中心 提高气象工作的科技 含量以及我国气象科技的整体实力和竞争力 使我国的气象科学技术达到世界先进水 平 而采用传统的有线方式建立气象信息采集传输系统 必须租用专线或电话线进行 连接 由于气象信息采集点必须与中心随时保持连线状态 而每次数据发送的数据量 很小 在几k 至1 0 k 之间 线路资源利用率很低 而如果采用g p r s 通信方式 由 于g p r s 采用按数据流量计费的方式 资源利用率高 另外 随着气象业务的发展需 要 各种要素的自动气象站越来越多的应用到实际工作中 自动气象站资料的上传工 作就显得更为突出和重要 对于一些无法连接宽带和电话线的边远地区和特殊要求的 地区 利用g p r s 技术上传资料就更显得重要 目前g p r s 已覆盖省内绝大部分地区 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 能够满足气象信息采集传输系统对覆盖范围的要求 1 4 论文的主要研究内容 本论文主要针对自动气象站系统的采集器部分进行研究和设计 重点研究采集器 外围硬件电路的设计及采集器软件的设计 我们选择硬件实现成本较低的r o md o s 操 作系统作为软件的运行平台 p c i 0 4 主板是采集器软件运行的硬件平台 本型自动气 象站的采集器采用了积木式的整体设计方式 这种方式下 各主要功能模块相对独立 可以通过增加或减少模块来配置不同采集要素或不同辅助功能的采集器 它使得采集 器有良好的可升级 扩展性能 可以有效降低维护成本 本论文的主要研究内容如下 1 首先分析了国内外自动气象站技术的研究现状及动态 研究了g p r s 技术在 各个行业中的应用情况 然后研究了o p r s 网络的体系结构和g p r s 网在g s m 电话 网的基础增加的功能 给出了基于g p r s 网络的三种应用组网方案 2 在介绍自动气象站系统中关键协议的基础上 分析了基于g p r s 的网络接口 协议 探讨了w i n s o c k 的通信原理 介绍了实时多任务操作系统 3 在上述研究工作的基础上 提出了基于g p r s 的自动气象站系统的整体设计 方案 主要介绍了采集器终端硬件电路和采集器软件设计思想 以及数据处理算法和 通信命令的设计 还有监控中心软件数据库表结构的设计 4 最后在复杂的环境中进行了系统基本功能 数据传输的测试和数据应用的测 试 给出了试验结果 论证了系统设计的正确性和可行性 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章自动气象站系统的关键技术研究 2 1g p r s 网络的体系结构与组网方案 2 1 1g p r s 网络逻辑结构 g p r s 网是在g s m 电话网的基础上增加以下功能实体构成的 s g s n 服务g p r s 支持节点 g g s n 网关g p r s 支持节点 p t m s c 点对多点服务中心 共用 g s m 基站但基站要进行软件更新 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 8 g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 1 所示 一一一信奄接口 信令 w a t 矗l 接口 图2 1g p r s 骨干网逻辑结构图 g p r s 网上增加了一些接口 主要包括 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 g b 口 s g s n 通过g b 口与基站b s s 相联 为移动台m s 服务 通过逻辑控制 协议l l c 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 g n 口 s g s n 通过c m 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 或口 之间的通道 实现m s 和外部数据网的互联 g s 口 用于s g s n 向m s c v l 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 g r 口 h l r 保存g p r s 用户数据和路由信息 蹦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 g i 口 g g s n 通过g i 口实现g p r s 网和外部数据网 p d p 的互联 g g s n 实 际上是两个互联网网关 g p r s 本身属于p 领域网络 g i 口支持x 2 5 和口协议 从p d n 网看g g s n g g s n 可看作是一个路由器连到p d n 网 g g s n 包含用于连接 g p r s 用户的路由信息 为外部数据网的p d u 送到m s 提供通道 通过g g s n 与g p r s 网互联的分组数据网p d n 可以是p s p d n 网 这时 g p r s 支持i t u tx 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 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 r a c t 网 基于p 协议 在口数据报传输方式中 g p r s 支持t c p i p 头 的压缩功能 1 9 2 1 2g p r s 协议模型 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 g i c a ll i n kc o n t r 0 1 层 s n d c s u bn 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 2 0 g p r s 协议模型如图2 2 所示 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 s n d cs n d c l l cl l rl l c m a c m a cl l c l a p d i 物理链路物理链路物理 i 链路 物理链路 r f 接口r f 接口 m su mr s s 图2 2g p r s 协议模型 s g s n 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 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 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 s 左右 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 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 b s s 中的l l r 层是逻辑链路传递层 这一层负责转送m s 和s g s n 之间的l l c 帧 l l r 层对于s n d c 数据单元来说是透明的 即不负责处理s n d c 数据 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 武汉邮电科学研究院硕士论文 网络层的协议目前主要是p h a s e1 阶段提供的t c p i p 和l 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1 2 2 1 3g p r s 网络应用的组网方式 根据用户数据中心接入i n t e m e t 的不同方式 形成多种应用组网方案 由于自动 气象站对于网络q o s 要求较高 下面就对于数据传输安全性能高的组网方案予以介 绍 1 公网固定p 组网方案 监控中心直接使用固定的合法i p 地址 该方案适合于拥有固定p 地址服务器的 企业应用 用户数据中心直接拥有i n t e m e t 上的固定i p 地址 用户设备可与用户中 心直接进行双向传输 远程数字监控终端与监控中心之间通过t c p u d p 建立数据连 接 监控中心作为通信的服务端 具有公用的固定p 并指定侦听端口 远程数字 监控终端的i p 和p o r t 设置为固定服务器i p 地址与服务器侦听端口 远程数字监控 终端上电自动拨号 如果远程数字监控终端与监控中心之间采用t c p 协议传输数据 则自动与服务器建立t c p 连接 该方案适合于拥有固定m 地址服务器的企业应用 用户数据中心直接拥有i n t e m e t 上的固定i p 地址 用户设备可与用户中心直接进行 双向传输 2 2 1 公网固定m 组网方案如图2 3 所示 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 图2 3 公网固定i p 组网方案 t e l n e t 服务器 无线数据业务处理中心 2 公网固定i p 和私网组网方案 该方案适用于监控中心没有合法的i p 地址 但连接的路由器有合法的i p 地址 同 样适合于拥有固定i p 服务器的企业应用 监控中心只拥有内部局域网上的私有地址 并位于具有固定i p 地址的路由器后面 远程数字监控终端与监控中心之间通过 t c p u d p 建立数据连接 监控中心的数据中心没有固定的全局i p 地址 通过路由器 连接至u i n t e m e t 经n a t 端口映射 映射的侦听端口 远程数字监控终端的d 和p o r t 设置为固定服务器i p 地址与端口 远程数字监控终端上电自动拨号 如果与监控中心 传输数据 则自动与服务器建立t c p 连接 2 3 公网固定i p 私网组网方案如图2 4 所示 1 3 画一画 日u 目u 武汉邮电科学研究院硕士论文 图2 4 公网固定i p 私网组网方案图 目画 目画 无线数据业务处理中心 3 专线组网方案 监控中心通过专线方式直接连接至i j g p r s 网络 该专用网络需与移动运营商共同 建立 租用运营商的端口和接入线路 它是在运营商的g p r s 网络或者c d m a 网络中 虚拟一个专用网络 v p n 所有终端分配在一个特定的号段内 中国移动和中国联通 都开展v p n 接入的业务 使用运营商所分配的专用接入号码 该方案由于需要租用当 地移动通信网络运营商的接入通道 光纤或者d d n 专线等 端口等 使用费用相 对较高 远程数字监控终端与监控中心之间通过t c p u d p 建立数据连接 用户的监控 中心通过专线方式申请g p r s 网络上固定的i p 地址 并指定侦听端口 远程数字监控 终端上设置服务端的i p 和p o r t 为监控中心的固定d 地址及侦听端口 远程数字监控 终端上电自动拨号 如果与监控中心之间采用t c p 协议传输数据 则自动与服务器建 立t c p 连接 在一些安全性要求较高的情况下 就可以采用专线接入模式进行 这样 就可以保证网络和数据的完全可靠 典型的应用是移动支付类 无线p o s 的入通道 光纤或者d d n 专线等 端口等 使用费用相对较高f 2 4 1 专线组网方案如图2 5 所 示 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 无线业务终端 泛 g g s n 二二二二二二兽 j 目画路由器l j 亡 j 图2 5 专线组网方案图 2 1 4 与联网方式相对应的应用模式 永远在线模式 无线端末设备和无线业务处理中心保持永久链接 无线端末设备 开机后 自动或被动地和无线业务中心建立链接 并一直保持链接 一旦发现掉线情 况 设备自动重拨 保持链路一直畅通 此模式适用于需要实时数据传输的应用领域 如银行p o s 交易 银行a t m 交易 移动营业厅交易系统 邮储交易系统等 2 5 定时传输模式t 无线端末设备和无线业务处理中心定时交换数据 此模式适用于 有规律的数据传输的应用领域 如水抄表 水文监测 气象监测等 中心呼叫模式 由无线业务数据中心发起数据传输请求 无线端末设备应答并发 送 接收数据 此模式适合于中心控制端末设备各种状况的场合 如煤炭检测系统 人防系统 油井数据采集系统等 数据触发模式 当无线端末设备或无线业务处理中心有用户数据传输时 发起端 通过短消息方式或拨号方式 通知对方 使对方从休眠态转入工作状态 此模式适合 于一些数据传输不频繁场合 如水文 气象等 节电模式t 无线端末设备或无线业务处理中心间数据传输完后 系统设备进入休 眠状态 当再有数据传输时 系统才再次激活 此模式适用于用电池供电的无线传输 系统 如抄表系统等 2 6 由于本系统是针对湖北省气象局而设计的 系统要求通信速度快 通信质量稳定 武汉邮电科学研究院硕士论文 实时性要求较高 安全性要求高 所以选择专线组网的 定时传输与数据触发相结合 的模式 通信组网主要由自动气象站内置的g p r s 数据通信专用终端 d t u r s 2 3 2u i 支 持全透明传输的g p r s 移动台 租用g p r s 移动通信网及e l 专线 连接支持通用路由 隧道协议 o r e 的路由器等组成 组网采用静态网络地址分配方式 由g p r s 网的d n s 服务器对每个内置t c p s p 协议的g p r sm o d e m m s 分配一个固定的i p 地址 简化m s 动态地址分配给通信带来的复杂性 f l 了m s 通过g p l 塔网及e 1 专线 电信的6 4 k bd d n 专线作为双专线热备份 把自动气象站数据发送至u g p r s 通信服务中心 采用专线接入 方式 即租用移动的e 1 光纤专线 2 m b 在资料采集中心设立g p r s 网络通信服务中 心 省中心 集中收集全省各地自动气象站资料 再由虚拟专用网 v p n 将资料分发 到各地区台站 同时 通信服务中心将数据转发至数据处理中心 经处理后入省中心 业务数据库 并将整网监控信息发送到组网监控中心 监控整网内各地区自动气象站 在线 来报情况及指令控制自动气象站等 2 7 1 2 2 远程数据传输系统中关键协议 t c p i p 协议结构 t c p i p t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 即传 输控制协谢网间协议 是一个工业标准的协议集 它是为广域网 w a n s 设计的 t c p h p 协议是一组包括t c p 协议和口协议 u d p u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 协议 i c m p i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 协议和其他一些协议的协议组 2 8 t c p i p 通信协议结构如图2 6 所示 t c p i p 通讯协议采用了4 层的层级结构 每一层都呼叫它的下一层所提供的网 络来完成自己的需求 这4 层分别为 应用层 应用程序间沟通的层 如简单电子邮件传输 s m l l p 文件传输协议 f t p 网络远程访问协议 t e l n e t 等 传输层 在此层中 它提供了节点闻的数据传送服务 如传输控制协议 t c p 用户数据报协议 u d p 等 t c p 和u d p 给数据包加入传输数据并把它传输到下一 层中 这一层负责传送数据 并且确定数据已被送达并接收 互连网络层 负责提供基本的数据封包传送功能 让每一块数据包都能够到达目 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 的主机 但不检查是否被正确接收 如网际协议 i p 网络接口层 对实际的网络媒体的管理 定义如何使用实际网络 如e t h e m e t s e r i a ll i n e 等 来传送数据 2 9 媒体 图2 6t c p i p 协议结构 应用层 输层 网络层 链路层 1 t c p i p 中的协议 i p i p 层接收由更低层 网络接口层例如以太网设备驱动程序 发来的数据包 并把该数据包发送到更高层t c p 或u d p 层 相反 p 层也把从t c p 或u d p 层接收 来的数据包传送到更低层 i p 数据包是不可靠的 因为口并没有做任何事情来确认 数据包是按顺序发送的或者没有被破坏 i p 数据包中含有发送它的主机的地址 源 地址 和接收它的主机的地址 目的地址 t c p 如果p 数据包中有已经封好的t c p 数据包 那么p 将把它们向上传送到 t c p 层 t c p 将包排序并进行错误检查 同时实现虚电路间的连接 t c p 数据包中 包括序号和确认 所以未按照顺序收到的包可以被排序 而损坏的包可以被重传 3 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 t c p 将它的信息送到更高层的应用程序 例如t e l n e t 的服务程序和客户程序 应用程序轮流将信息送回t c p 层 t c p 层便将它们向下传送到口层 设备驱动程序 和物理介质 最后到接收方 u d p u d p 与t c p 位于同一层 但它不管数据包的顺序 错误或重发 因此 u d p 不被应用于