（控制理论与控制工程专业论文）基于gprs的污水处理远程监控系统的设计与研究.pdf

武汉理f ：人学硕十学侮论文 摘要 随着工业的进步和社会的发展，水污染f 趋严重，已经成了世界性的头号 环境治理课题。水污染讵在由浅层向深层发展，地下水和近海域海水也正在受 到污染，我们能够饮用和使用的水正在不知不觉中减少。日趋加剧的水污染， 已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会哥持续发展的 重大障碍。 我国的水的质量之所以呈现不断恶化的趋势，其中一个重要原因是监督力 度的不足和监控手段的落后。国家及各省市地区日趋重视生态环境的保护，在 水资源污染方面不断加强治理的同时，在监测监管方砸也加大了投入。在国家 大力整治的污水治理项目中，所涉及的污水处理系统，很多必须无人值守设备 或监测点，不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤或电台的方式实现无线通讯， 不仅设备投入耗资巨大，而且不适应移动的需要。因此，需要利用高科技开发 远程监控系统，以实现对污水处理点的自动监控。 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 ，通用分组无线业务) 作为从2 g 向 3 g 过渡的2 5 g 的技术，正在工业自动化领域得到越来越广泛的应用。本文根据 g p r s 的基本理论，在国内现有的技术基础之上，综合利用计算机控制技术、g p r s 技术等技术，提出了集远程监控、信息管理和网络技术于一体的系统方案，重 点讨论了g p r s 的基本原理、g p r sd t u ( d a t at e r m i n a lu n i t ，数据终端单元) 的基本原理和远程监控中心的体系结构和功能设计。 基于上述理论，并根据污水处理的具体特点和远程监控系统的要求，本文 主要进行了以下工作： 第一章的工作是概述本课题研究的背景以及远程监控系统的技术现状，并 月对各项技术的优缺点进行了比较。第二章对g p r s 技术的基本原理进行了详细 地介绍。第三章讨论了污水处理远程监控系统的总体设计，并且分析相关的组 网方式。第四章研究了g p r sd t u 的基本原理，包括硬件和软件设计。第五章的 研究内容是远程监控中心的功能设计。最后的第六章作为全文的结论部分，是 对当前工作的总结和对以后工作的展望。 关键词：远程监控，g p r s ，污水处弹 武汉理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fi n d u s t r ya n dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ep o l l u t i o no f w a t c ri sg e t t i n gm o r es e r i o u st h a ue v e ra n di tb e c o m e st h ef i r s te n v i r o n m e n t a l p r o b l e m t h er e s u l to ft h a ti st h ew a t e rp e o p l ec a nd r i n kj sr e d u c i n gd a yb yd a y t h e w a t e rp o l l u t i o nt h r e a t e n st oo u rs u r v i v a l ，h e a l t h ，e c o n o m ya n dd e v e l o p m e n t o n ei m p o r t a n tr e a s o no fd e t e r i o r a t i o no fo u rw a t e rq u a l i t yi st h el a c k o f m o n i t o r i n g a n d l a go ft e c h n o l o g y o u r n a t i o na t t a c h e s i m p o r t a n c e t ot h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n di n c r e a s e st h ei n p u tt ot h em o n i t o r i n gm a n a g e m e n to f s e w a g ed i s p o s e dc o n t r o ls y s t e r nw h i l eo u rg o v e r n m e n te n e r g e t i c a l l yp u n i s h e st h e p o l l u t i o ns o u r c e s a st h et e c h n o l o g yo ft r a n s i t i o nf r o m2 gt o3 gg p r sb e c o m e sp o p u l a ri n i n d u s t f i a la u t o m a t i cd o m a i n t h i st e x ta c c o r d i n gt og p r sb a s i ct h e o r i e s ，o nt h eb a s i s o ft h ef o u n d a t i o no fd o m e s t i ce x i s t i n gt e c h n o l o g y , m a k i n gu s eo ft h et e c h n i q u eo f c o m p u t e rc o n t r o l ，g p r s ，e t c p u t sf o - r w a r dt ot h ep r o i e c to fs y s t e mi n c l u d i n gt h e r e m o t em o n i t o r i n g , t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dt h en e t w o r kt e c h n i q u e s ， e m p h a t i c a l l yd i s c u s sg p r s g p r sd t ua n dr e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rf o rt h es y s t e m s t r u c t u r ea n df u n c t i o nd e s i g n s m a n ys e w a g ed i s p o s e dp r o j e c t sd o n tn e e dp e o p l et o k e e pw a t c ht h ee q u i p m e n t sa n dd o n tf i tt ob u i l dw i r ec o m s n u n i c a t i o nn e t w o r k m a n y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss u c ha sb r o a d c a s t i n gs t a t i o nn o to n l yn e e dh u g ec a p i t a lt o b u ye q u i p m e n t sb u ta l s os u i tt h em o b i l en e e d s s ow en e e dh i 曲t e c h n o l o g yt od e s i g n t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi no r d e rt oa c t u a l i z et h ea u r o r a a t i cm o n i t o r i n go f s e w a g ep o i n t s a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e dt h e o r i e sa n dt h ec o n c r e t ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es e w a g ed i s p o s e ds y s t e ma n dt h er e q u e s to fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e r m a i n l yc a r r i e so nt h ef o l l o w i n gw e r k ：c h a p t e rtm a i n l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ha n dt h ep r e s e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o no fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n d t h e nc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et e c h n o l o g i e s c h a p t e r2 c a r r i e so nt h ei n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r i e so fg p r si nd e t a i l e d c h a p t e r3 d i s c u s s e st h et o t a ld e s i g no fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs e w a g ed i s p o s e d ，a n d a n a l y s e st h em o d eo ft h en e t w o r k c h a p t e r4r e s e a r c h e st h eb a s i ce l e m e n t so fg p r s d t u i n c l u d i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c h a p t e r5c a r r i e so nt h e r e s e a r c ht ot h er e m o t em o n i t o r i n go ft h ef u n c t i o no ft h ec e n t e rd e s i g n a st h el a s tp a r t ， c h a p t e r6i n t r o d u c e st h es u m m a r y t ot h ew o r kw h i c hh a sb e e nd o n ea n dp u t sf o r w a r d t os e v e r a lk i n d sc o n c e p t i o nt ot h ef u r t h e rp e r f e c ts y s t e m k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，g p r s ，o i l yd i s p o s e dw a t e r j j 武汉理r 人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的题目及来源 课题题目：基于g p r s 的污水处理远程监控系统的设计与研究 课题来源：校内重点学科建设项目 1 2 课题的研究背景 我国每年约有l 3 的工业废水和9 0 以上的生活污水未经处理就排入水域。 全国有髓测的1 2 0 0 多条河流中，目前8 5 0 多条受到污染，9 0 以上的城市水域 也遭到污染，致使许多河段鱼虾绝迹，符合国家一级和二级水质标准的河流仅 占3 2 2 。水环境质量呈现不断恶化的趋势，其中一个重要的原因是监督力度 不足和监控手段落后。国家及各省市地区日趋重视生态环境的保护，在水资源 污染方面不断加强治理的同时，在监测监管方面也加大了投入。在国家大力整 治的污水治理项目中，所涉及的污水处理无线监测系统，很多必须无人值守设 备或监测点。而这些监测点中，有很多不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤 或电台的方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，也不适应移动的需要。 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 ，通用分组无线业务) 是在g s m ( g l o b a l s 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 ，全球移动通信系统) 基础上发展出来的 一种新的分组数据承载业务。1 。它的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的 路由器之间提供分组传递业务。它的最大的特点是“永远在线”1 ，因为它采用 的是分组交换技术，不需要像m o 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。g p r s 另外的一个特点就是以传输资料量计费，而不是以传送 时阳j 计费，所以就算遇上网络塞车，也不会白白花钱。g p r s 移动通讯业务的产 生和全面投入，使它相比于传统的监控网络技术具有无可比拟的性价比优势。 武汉理1 人学硕t 学位论文 1 3 技术现状 1 3 1 监控系统的各种通信方式 目前国内外的监控系统产品有多种，其本质上的差异是它们所采取的通信 方式不同。随着电信技术的迅猛发展，可用于监控管理的通信方式有多种， 艘可分为有线通信方式、电台数据传输方式、无线集群通信方式、g 蹦短消息通 信方式、c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，蜂窝式数字分组数据) 通信 方式、c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u lt i p l ea c c e s s ，码多份址) 通信方式和g p r s 通信方式。下面分别介绍这几种最常用的通信方式。 1 、有线通信方式 有线通信方式是指通过架设光缆、铺设电缆、租用专用电话线或公众电话 网进行监控终端与监控中心间的数据传输的方式。有线通信方式只适用于小范 围小区域的监控系统，对大城市的全局监控管理采用有线通信方式几乎是不可 能的，可以想象，在一个大城市里布放一套监控传输通信网络将是一件多么费 钱费时费力的事情，其固定性又无法解决城市布局迅速发展变化的要求。 2 、电台数据传输方式 电台数据传输方式是指监测系统通过调制解调器把采集到的数字信息转换 成音频信号，通过特定频率的电台发射出去，接收端解调恢复原来的信号的方 式。电台数据传输方式是传统的无线监控系统中应用最广泛的通信方式。 3 、无线集群通信方式 无线集群通信是指系统可用信道可为系统中全体用户所共用，具有自动选 择信道功能、资源共享、费用分担、信道设备共用的多用途、高效能的无线调 度通信系统。从广义上讲，包括无线对讲系统在内的具有调度通信功能的各种 无线通信系统均可被纳入集群通信系统的范畴。所谓数字集群系统就是采用数 字通信技术的集群通信系统，这种通信方式只能实现无线对无线的远程监控。 4 、g s m 短消息通信方式 g s m 短消息通信方式是指充分利用移动公网资源，通过g s m 通信模块发送和 接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的监控的通信方式”1 。相对无线集群 通信方式而言，它可以大大节约建设投资、降低维护成本。目前，g s m 短消息通 汛方式主要应用在一些数掘量不是很大、实时性要求不是很高的场合。 武汉理r 。大学硕士学位论文 5 、c d p d 通信方式 c d p d 主要由移动数据中介系统，移动数据基站及移动终端系统组成。它是 以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信 技术。这种技术通过在蜂窝电话网f ：增加分组数据处理装置( 无线和放大发射 设备可与现有模拟电话系统共用) ，使蜂窝网能同时处理语音和数据业务“1 。其 基本思想是利用蜂窝网的空闲话音信道发送分组数据。g p r s 和c d p d 都可以提供 数据业务服务，主要应用的场合与g p r s 类似。 6 、c d m a 通信方式 c d m a 是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种全新的而且 成熟的无线通信技术。c d m a 技术的原理是扩频技术，即将需要传送的具有一定 信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制， 使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同 的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把带宽信号换成原信息数据的窄 带信号，即解扩，以实现信息通信”1 。c d m a 作为新一代移动通信技术的新潮流， 具有绿色更健康、清晰更逼真、保密性能好、业务功能多等独特魅力的商品质 特点。但是目前的c d m a 并非3 g ，而是类似g p r s 的3 g 的过渡产品。 7 、g p r s 通信方式 g p r s 通信方式是指监控系统以g p r s 分组型数据业务为基础，通过g p r s 网 络完成远程数据传输和远程终端监控的通信方式。g p r s 突破了g s m 网络只能提 供电路交换的思维方式，只需要通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统 进行部分改造来实现分组交换”1 。由于g p r s 网络的数据传输的高速性和使用成 本的低廉性，当前对g p r s 在远程监控方面的开发和应用，可谓如火如荼。可以 说g p r s 是目前远程监控系统中性价比最高的通信方式。 1 3 2 各种通信方式的比较 和g p r s 的通信方式相比，其他几种通信方式都有其固有的缺陷，下面分别 加以说明： 1 、传统上使用电台作无线数据传输的设计方案和g p r s 相比有显著的缺陷： ( 1 ) 产品硬件部分成本高昂。一般商用电台或电台模块价格都在1 0 0 0 元 到2 0 0 0 元之问，从而导致再 发产品的成本居高不一f ，限制了客户的发展空削。 武汉理_ r = 人学硕十学位论文 g p r s 模块价格只有电台的3 0 。 ( 2 ) 数据传输距离短。一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公罩的数量级， 不利丁长距离数据传输。g p r s 模块可以实现全球通信。 ( 3 ) 数据传输可靠性低。一般商用电台都工作在崮定单一的频点，电磁环 境恶劣。另外，基于数据传输协议的缺陷等问题也是可靠性低的重要原因。而 g p r s 系统目前已经比较成熟，运行可靠。 ( 4 ) 维护困难。商用电台工作功率大、货源复杂等都导致商用电台故障频 率较高，另外其维修人工费用也比较高。而g p r s 模块的集成度很高，故障率低。 2 、无线集群通信方式与g p r s 通信方式相比，存在几个致命缺点： ( 1 ) 无线集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量建设资金的投 入，建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点。 ( 2 ) 由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制。 ( 3 ) 无线集群通信系统主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通 信，对无线用户与有线用户之问的通信业务有较大的限制。 3 、与g p r s 相比较，g s m 短消息通信方式有几个较大的缺点： ( 1 ) g s m 短消息通信方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据。 ( 2 ) 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较大。 ( 3 ) 在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信 不畅。 4 、与g p r s 相比较，c d p d 有以下几个缺点： ( 1 ) 在g s m 网络中每发展一个用户的成本约为2 0 0 0 元，g p r s 用户的成本 是根据网络规模决定的，现在g p r s 网络的覆盖能力已经有相当规模。而c d p d 在建网的初期基站数量不会很多，加上必须的交换机和网管的投资，平摊到每 个用户的成本约为2 5 0 0 、3 0 0 0 元左右。 ( 2 ) g p r s 通信所能达到的传输速度要比c d p d 通信高，尽管g p r s 通信是以 牺牲信道资源为代价。 ( 3 ) c d p d 是工作在a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，高级移动电 话系统) 频段，只有i m h z 频段，而g p r s 可用频段要宽得多，因此在g p r s 每个 小区内可用于数据的信道数远大于c d p d ，容易满足组件公网对信道数的需要。 5 、与g p r s 方式相比，c d m a 通信方式在性能上有很大的优势，但也存在不 小的缺陷： 武汉理l 人学硕十学位论文 ( 1 ) 在成本上，基于c d m a 网络的通信模块要比基于g p r s 网络的通信模块 高将近一倍。 ( 2 ) c d m a 网络的覆盖率不及6 p r s 网络的覆盖率高。 综上所述，基于6 p r s 的无线监控系统是目前最先进最稳定的无线监控管理 系统。 1 3 3 后台系统构架 监控系统的后台，即般控中心一般由图形用户界面( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，g u i ) 、数据库和底层通信模块三部分组成，其实现架构有以下几种： l 、单机架构 6 u i 、数据库和底层通信模块是一个程序，在一台机器上运行，该机器管理、 监控一定数量的被管设备，是一个单用户、单任务的后台监控系统。早期的监 控系统一般采用这种架构。这种架构的优点是简单易用，成本低。缺点是功能 单一，可监控的设备少，不易升级和扩展。 2 、客户端服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 架构 客户端服务器系统分为服务器部分和客户端部分。它采用“请求响应” 的应答模式，当用户需要访问服务器时就由客户端来发出“请求”，服务器接受 “请求”并“响应”，然后执行相应的服务，把执行结果送回给客户端，由它进 一步处理后再提交给用户。客户端服务器结构被设计成两层模式，客户端集中 了显示逻辑和事务处理逻辑部分，而数据处理逻辑和数据库放在服务器端。在 这种模式下，客户端功能较强而比较庞大，相反服务器端的任务相对较轻。 3 、浏览器服务器( b r o s e r s e r v e r ，b s ) 架构 本质上来说，浏览器服务器结构也是一种客户端服务器结构，但是浏览 器服务器结构把传统的二层客户端服务器结构发展成了在w e b 上应用的特例。 浏览器服务器体系由上而下分为3 层：表示层( p r e s e n t a t i o n ) 、事物逻辑层 ( b u s i n e s sl o g i c ) 和数据服务层( d a t as e r v i c e ) 。这种3 层结构的层与层之 间是相互独立的，任何一层的改变不影响其他层的功能。这种结构减轻了客户 端的负担，避免了不断要求提高客户端的性能，同时也使技术维护人员的维护 升级变得相对轻松。它从根本上改变了传统的两层客户端朋艮务器体系结构的缺 陷，是应用系统体系结构中一次深刻的变革”“。 武汉理【：大学硕士学位论文 1 4 本文工作 在污水处理远程监控系统中，如何将污水处理监控点产生的大量数据传输 到远端的监控中心以及监控点和远程监控中心的体系结构和功能设计，是我们 将要解决的问题。现代计算机技术、网络技术和通信技术的发展，为我们提供 了很好的解决途径。将g p r s 通信技术应用到远程监控系统中，监控的实时性和 可靠性好，而安装和运行的成本较低。 本文的结构安排如下： 第一章的工作是概述本课题研究的背景以及远程监控系统的技术现状，并 且对各项技术的优缺点进行了比较。 第二章对g p r s 技术的基本原理进行了详细地介绍。 第三章讨论了污水处理远程监控系统的总体设计，并且分析相关的组网方 式。 第四章研究了g p r sd t u ( d a t at e r m i n a lu n i t ，数据终端单元) 的基本原 理，包括硬件和软件设计。 第五章的内容是远程监控中心的功能设计。 第六章作为全文的结论部分，是对当前工作的总结和对以后工作的展望。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 第2 章g p r s 的基本原理 2 1 移动通信技术的发展概况 所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通 信方式“。显然，这是一种在人们生活和工作中非常实用的通信方式。移动通 信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。 移动通信的发展经历了以下几个阶段： 1 、第一代模拟移动通信系统 上个世纪6 0 年代，随着半导体技术的迅猛发展，无线通信技术开始从人工 接续发展为自动接续系统，系统的成本开始降低，容量有所增加。2 0 世纪7 0 年 代末至8 0 年代，集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展，以及由美国贝 尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论的应用，美国、日本等国家纷纷研制出 陆地移动电话系统。这个时期系统的主要技术是模拟调频、频分多址，以模拟 方式工作，使用频段为8 0 0 9 0 0 i 删z ( 早期曾使用4 5 0 m h z ) ，故称之为蜂窝式模 拟移动通信系统，或为第一代移动通信系统。 由于第一代以f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nl l l u l t i p l ea c c e s s ，频多分址) 技术为基础的模拟移动通信系统存在频谱利用率低，容量有限；制式太多，互 不兼容，不利于用户漫游，限制了用户覆盖面；提供的业务种类受限制，不能 传送数据信息：容易被窃听；不能与i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ， 综合服务数字网) 兼容等缺点，9 0 年代初人们便着手研究数字蜂窝移动通信系 统。 2 、第二代数字移动通信系统 9 0 年代起，随着数字技术的发展，通信、信息领域中的很多方面都面临向 数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。第二代移动通信系统是以数字传输、 时多分址、码多分址为主体技术，制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能， 克服了第一代移动通信系统的不足之处，可与窄带综合业务数字网( n - i s d n ) 相兼容，所以比起第一代移动通信系统有着无可比拟的优越性。因而第二代移 动通信系统很快就取代了第一代通信系统而一跃成为移动通信的主流。第二代 数字移动通信系统除了传送语音外，还可传送数据业务，如传真和分组的数据 武汉理i 大学硕十学位论文 业务等。较为著名的数字蜂窝系统有欧洲的g s m 。 3 、第三代移动通信系统 第三代移动和个人通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多 速率数据的传输，除了语音和数据传输外，还能传送高达2 m b i t s 的高质量的 活动图像，真丁f 实现“任何人( w h o e v e r ) 在任何地点( w h e r e v e r ) 、任何时间 ( w h e n e v e r ) 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信” 这样一个目标。 第三代移动通信网将是一个特别庞大的、全球统一的移动通信网络，系统 容量可以满足全球人口总数的应用需要，其覆盖范围理论上可以达到地球上任 何一个有人类活动的三维空间。在无线网络中，为了大幅度提高频谱利用率， 降低终端的功耗和成本，需采用覆盖范围小于l k m 的微小区和覆盖范围只有 5 、3 0 4 的微微小区结构，以满足城市用户密集环境和室内终端密度很高的场合的 要求。将实现以“个人通信号码”取代今天的“电话机号码”，使目前的移动通 信向个人通信发展，从而满足任何人在任何时间和任何地点，使用任意固定或 移动终端，通过个人号码能和任何人建立全时空的信息交换的愿望。 4 、未来移动通信业务 在未来，移动通信的应用领域，将从单纯的入与人之间的信息交互，发展 为人与机器之间的信息交互以及机器与机器之间的信息交互手段。关于未来移 动通信的发展可以基本肯定，移动通信网络将向i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，网际 协议) 化的大方向演进。在此过程中，在移动网络上的业务将运步呈现分组化 特征，而网络结构将逐步实现以i p 方式为核心的模式。 2 2g p r s 的主要特点 g p r s 技术以分组交换技术为基础，支持i p x 2 5 ( 一种基于包的协议，主 要在欧洲地区广泛使用) 数据网络协议，可以保证计算机和移动用户的持续连 接。每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共 享。用户只有在进行数据传输时占有系统资源，没有数据传输时，该用户原先 占用的系统资源就会动态地分配给其他的多个用户。 g p r s 在无线通信中的使用满足了人们对数据业务的日益增长的需求。因此， 在很短的时间内，就出现了各种各样的g p r s 技术的增值业务，诸如移动多媒体、 武汉理l 人学硕十学位论文 远程监控、电子购物等等。 具体地讲，g p r s 技术具有如r 特点“1 “。1 ”： 1 、支持中、高速率数据传输。可提供9 0 5 。l7 1 2 k b i t s 的数据传输速率。 2 、永远在线。即用户随时与网络保持联系。当没有数据传送时，网络与用 户之间保持一种逻辑上的连接，用户再次传输数据不需要重新接入网络。g p r s 能在0 5 1 s 之内恢复数据的重新传输。 3 、g p r s 采用封包( p a c k e t ) 式传输，可以实现基于数据流量、业务类型及 服务质量等级( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的计费功能，计费方式更加合理， 用户使用更加方便。 4 、用户数据在m s ( m o b i l es t a t i o n ，移动台) 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m s 和g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，网关g p r s 支持节点) 之间传输。 这种透明的传输方法缩减了g p r s 、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 陆地移动网络) 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，并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 5 、g p r s 采用分组交换技术的传输模式，多个用户可高效地共享同个信道， 从而提高了资源的利用率，优化了对网络资源和无线资源的利用。 6 、g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。g p r s 支持基 于标准数据通信协 义的应用，可以和i p 网、互联网互通；支持特定的点到点和 点到多点服务，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 骼，s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 经g p r s 无线信道传输。 7 、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 ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ，时多分址) 帧可以分配l 到8 个无线接口时隙。 时隙能为活动用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。 8 、g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大 量数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。 9 、c 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出 s g s n ( s e r v i n gg a t e w a ys u p p o r tn o d e ，服务g p r s 支持节点) 来执行，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。 1 0 、在核心网中引入g p r s 支持节点( g s n ，g p r ss u p p o r tn o d e ) ，s g s n 和 g g s n ( 统称为g s n ) 采用分组交换平台方式，定义了基于t c p i p 协议的g t p ( g p r s 武汉理【大学硕士学位论文 t u n n e f n gp r o t o c o i ，g p r s 隧道协议) 方式来承载高层数据。s g s n 与m s c ( m o b j1 e s w jt c h i n gc e n t e r ，移动交换中心) 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单 元，实现安全功能和介入控制，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，并经过基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 11 、为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 m s 可被相应的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的互通。 2 ，3g p r s 的基本原理 2 ，3 1g p r s 网络单元 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统中引入分组数据单元来提供无线系统上的 数据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户分配独立 地址( 如i p 或x 1 2 1 地址) ，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络 到移动用户端到端的数据应用“i s og p r s 系统网络结构如图2 - 1 所示： 图2 一lg p r s 系统网络结构 b s c ：b a s es t a r i o nc o n t r o l l e f ，基站控制器 b t s ：b a s et r a n s c e i v e rs y s t e m ，基站收发系统 p c u ：p a c k e tc o n t r o lu n i t ，( g p r s ) 包控制单元 d i i c p d y n a m i cl t o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，动态主机配置协议 d n s ：d o m a i nn a m es e r v e r ，域名服务器 武汉理i ：大学硕十学位论文 r a d i u s ：r e m o t ea u t h e n t i c a t i o nd i a lu s e rs e r v i c e ，远程授权拨入用户 服务 n t p ：n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，网络时间协议 1 、p c u p c u 是分组数据处理单元，它与b s c 协同工作，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。p c u 可作为模块单元插入b s c 中，或者作为独立于b s c 的单元存在， 它与b s c 之间的接口方式规范未给出定义。 p c u 与s g s n 之间g b 接口采用帧中继协议。p c u 具有g b 接口管理的功能。 2 、s 6 s n s g s n 通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 的连接，进行移动数据的管理， 如用户身份识别、加密、压缩等；通过g r 接口与f l l r ( h o m el o c a l i o nr e g i s t e r ， 注册地信息注册器) 相连，进行用户数据库的访阿及接入控制；通过g n 接口与 g g s n 相连，提供i p 数据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能；s g s n 还 可以提供与m s c 的g s 接口连接，以及与s t s c ( s h o r tm e s s a g e s e r v i c ec e n t e r ， 短消息服务中心) 的g d 接口连接，用以支持数据业务和电路业务的协同工作和 短信收发等。 3 、g g s n g g 刚负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r $ 与外部数据网之间的 传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。 g g s n 起到路由器的作用，它与其他相关网络单元如p i x ，d n s ，d h c p ，r a d i u s 等设备协同时间数据业务的接入和传送等功能。 g g s n 与s g s n 之间的接口为g n 接口，采用6 t p 协议类型；g g s n 与外部数据 网之i 日j 的接口为( ；i 接口，采用i p 协议类型。 对于网络发起的数据单元传送业务，g g s n 需要通过g c 接口到f l l t 查询用户 相关信息；对于计费信息的传送工作，g g s n 通过g a 接口完成。 4 、域名解析服务器( d n s 服务器) d n s 协议用以提供域名解析功能，负责进行网络域名与i p 地址之间的映射 和转换。g p r s 系统中，d n s 主要用以进行g p r s 网络接入点名称( a p n ，a c c e s sp o i n t n a e ) 与相关g g s n 地址之间的转换、内部网元i p 地址与名称之间的解析、切 换时位置区信息和相关$ g s n 地址之间的转换。 武汉理i 火学硕士学何沦文 5 、动态地址分配服务器( d h c p 服务器) g p r s 系统采用动念地址池对接入网络的移动用户进行动态地址的分配和管 理，以提供用户地址空问的有效利用，d h c p 协议用以完成这种功能。 不同a p n 或企业网可采用不同的地址段，d h c p 服务器根据a p n 信息进行地 址段的分配管理，从而保证了地址使用的灵活性和高效性。 6 、防火墙( f i r e w a l l ) 防火墙用以提供g p r s 网络与外部网络之间的安全管理功能，它通过过滤机 制或加密认证机制进行某些类型数据包的过滤，以防止某些网络地址或规程的 非法接入，从而保证g p r s 网络的安全性。 7 、网络时间协议服务器( n t p 服务器) n t p 用以提供网络的统一时钟，保证数据流的同步。 8 、计费网关 g p r s 系统中计费数据包括s g s n 与g g s n 所产生的计费信息，如s g s n 中与移 动相关的m - c d r 及与进程处理相关的s - c d r ，g g s n 中的g - c d r 。计费网关用以提 供系统中各网元北部计费数据的收集，并进行网络与计费系统之间的数据转发 工作。 9 、操作维护系统( o m c ，o p e r a t i o na n dm a i n l e n a n c ec e n t e r ) 操作维护系统提供方便的系统警告处理、维护管理、统计分析、性能管理 等功能，通过友好的界面实现操作的简便性及维护的灵活性，是系统维护和管 理的得力助手。 2 3 26 p r $ 网元之间互相作用 在g p r s 系统中，最常用也是最基本的系统功能包括用户附着和激活p o p ( p a c k e td a t ap r o t o c o l ，分组数据规程) 上下文。移动用户在进行数据传送 时，首先需要进行网络附着，即进行位置和身份登记，然后通过p d p 激活请求 信息申请网络接入，系统根据接入申请信息中的a p n 信息进行处理，如通过d h c p 服务器进行用户地址分配及通过r a d i u s 服务器进行用户身份认证等，最终使合 法用户得到i p 地址。作为数据用户，用户在进行数据传送与接受时拥有独立的 i p 地址，足一个真难意义上的i p 或数据用户。得到i p 地址后，用户可以建立 数据连接，进行数据收发”“。 武汉理i 大学硕l j 学位论文 l 、移动用户附着过程 移动台通过附着过程瞥陆到g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新，以及 发起数据传送和接收过程，其附着过程如图2 2 所示。m s 在附着过程中，通过 ? c u 进行接入控制和信道分配，通过s g s n 和h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获 得用户签约信息，最终在m s ，h l r 与s 6 s n 内部形成有关用户的移动管理信息( m m c o n t e n t ) 。 图2 2g p r s 系统用户附着过程示意图 m s 在未进行附着之前脱离g p r s 网络，处于空闲( i d l e ) 状态，不能进行任 何数据业务操作。附着之后用户得到临时链路层身份( t l l i ，t e m p o r a r yl i n k l a y e ri d e n t i t y ) ，并在m s 与s g s n 之间建立起逻辑链路，变为就绪( r e a d y ) 状态，可以进行p d p 上下文激活过程，进行i p 地址的申请。 2 、移动用户激活p d p 过程 p d p 上下文包含与某个接入网络( a p n ) 相关的地址映射及路由信息。移动 用户通过激活p d p 上下文得到动态地址并可随时通过g g s n 接入特定数据网络“ j 叫 p d p 上下文激活过程如图2 3 所示。m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ， s g s n 根据a p n ( 它与特定的业务类型和企业网相关) 判断可接入性，并通过d n s 得到相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p i ) p 激活请求信息到g g s n ，由g g s n 控制进行动态地址分配和接入认证过程。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n ，s g s n 与g g s n 之闯q o s 协商