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g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的直用 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 专业：微电子学与固体电子学 硕士生；刘冬华 指导老师：陈弟虎教授 摘要 g p r s 通用分组无线业务是在目前现有的g s m 数字移动通信系统上发展 起来的一项薪型的数据承载业务，它将移动通信技术和i p 技术有机结合，组成 了移动i p 网络，可与高速发展的固定i p 网实现无缝连接，为移动用户以分组交 换的形式提供数据、语音、图像等多媒体业务。高速的数据传输业务和永远 在线特点，配合按流量收费的资费方式，使g p r s 终端的应用迅速丽广泛地开 展起来，g p r s 终端的实现技术也成为无线通信技术研究的热点。 本论文重点研究了基于单片机的t c p ，i p 协议、g p r s 终端系统的实现及其 在信息显示系统中的应用。 论文通过对国内外移动通信技术的发展历史、现状和技术特点的分析， 阐述了g p r s 通信技术的现状、发展趋势和应用前景，并对g p r s 系统的结构、 组成及业务进行的研究，剖析了g p r s 网络技术的优势和不足。在此基础上， 提出了本课题研究的主要内容及其意义。 鉴于g p r s 系统是基于t c p ，i p 协议进行传输的，论文首先对t c p ，i p 协议作 了详细分析，并针对单片机系统的应用对t c p ，i p 协议进行了适当的裁减，通 过自行设计的以太网络电路系统对裁减后的t c p i p 协议进行了调试和通信验 证，同时对标准t c p i p 协议和裁减后的协议进行了对比。 其次，利用s i e m e n s 公司的g p r s 收发模块( m c 3 5 i ) ；f l l c o n n e c t o n e 公司的 t c p b p 协议栈模块( c 0 6 6 1 a l - s ) ，设计并开发出t g p r s 终端收发系统。论 文详细的介绍了m c 3 5 i 和c 0 6 6 t a l s 两块芯片的结构、功能和特色，阐述了 g p r s 终端收发系统的硬件电路设计、制做和测试过程。 中山大学硕士学位论文 最后，论文从应用的角度出发，将g p r s 终端应用到大屏幕l e d 信息显示 系统中，尝试通过信息数据中心的软件平台，利用g p r s 网络技术，对各处的 显示屏信息进行实时更新和监控。论文对该系统的网络拓扑结构和功能进行 了介绍，同时给出了具体的硬件电路解决方案，并对数据中心的软件进行了 介绍。 关键词；g p r s ，t c p ，i p 协议，m c 3 5 i ，c 0 6 6 l a l s g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 s t u d y o fg p r s t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n i n i n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：l i ud o n g h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nd i h u a b s t r a c t 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 ) i sd e v e l o p e df r o mt h ec u r r e n tg s m d i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hf i n a l l yr e a l i z e st h ec o m b i n a t i o no f r a d i ot e c h n o l o g ya n di pt e c h n o l o g y , a n dc o n s t r u c t sam o b i l ei pn e t w o r k s i tc a n i m p l e m e n tn o g a pl i n kw i t hh i g h l yd e v e l o p e df i xi pn e t w o r k s ，u s i n gp a c k e ts w i t c h t e c h n o l o g yt ot r a n s m i ta l lk i n do fd a t as u c ha sd a t a , a u d i oa n di m a g e b o t h a d v a n t a g e so fp e r m a n e n t - o n l i n et r a n s m i s s i o n w i t hh i g h - s p e e da n dt h ec h a r g e c a l c u l a t e da st h ef l u xo fd a t a ，m a k ea p p l i c a t i o no fg p r si nr a p i d l ya n dw i d e l y ，a n d b e c o m e sr e s e a r c hh o t s p o to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n t h i sd i s s e r t a t i o n o u rm a i n l yr e s e a r c hw o r ka r et h et c m p p r o t o c o lb a s e d o nm c u ，t h er e a l i z a t i o no fg p r st e r m i n a la n dt h ea p p l i c a t i o no fg p r st e r m i n a l i n 【n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m i nt h i sp a p e r , s t a t u sq u o ，d e v e l o p e dt r e n da n df o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o nw e r e e x p a t i a t e d a f t e r a n a l y s i s o f p h y l o g e n y ，s t a t u sq u o a n dc h a r a c t e r i s t i co f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d w e s t u d yt h ed e t a i l e df r a m e w o r k c o n s t i t u t ea n do p e r a t i o no fg p r ss y s t e m ，a n da n a t o m i z et h e a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fg p r st e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dp u r p o s eo f t h et a s ka r ep u tf o r w a r d w ef i r s t l ym a k ead e t a i l e da n a l y s i sf o rt h et c p i pp r o t o c o l ss i n c et h ed a t a t r a n s m i s s i o no fg p r ss y s t e mi sb a s e do nt c 肌pt r a n s p o r t p r o t o c o l s a n da a p p r o p r i a t er e d u c t i o no fs t a n d a r dt c p 仃pw a sp e r f o r m e df o ra p p l i c a t i o ni nb a s e d o nm c us y s t e m t h i sr e d u c e dt c p i pp r o t o c o li sc o m p a r e dw i t hs t a n d a r dt c m p a n dv a l i d a t e db yr u n n i n go nas e l f - m a d ee t h e r n e tn e t w o r ks y s t e m s e c o n d l y , a g p r st e r m i n a ls y s t e mw a sd e s i g n e da n dr e a l i z e du s i n gas i e m e n sg p r sm o d u l e ( m c 3 5 i ) a n dat c p i pp r o t o c o l ( c 0 6 6 l a l s ) t h ef r a m e w o r k ，f u n c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i co ft h e s et w om o d u l e sw e ed e t a i li n t r o d u c e da n dt h ed e s i g no f i 中山大学硕士学位论文 h a r d w a r gd e v i c ea n dt e s tp r o c e s so fg p r st e r m i n a ls y s t e mw e r ee x p a t i a t e d f i n a l l y b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nv i e w p o i n to fw i r e l e s sn e t w o r k ，w es u p p l yt h ea p p l i c a t i o n o fg p r sm n 位n a lo nt h el e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m i nt h i ss y s t e m ，t h e i n f o r m a t i o no nl e dd i s p l a yd i s t r i b u t e da n y w h e r ec a nb er e a lt i m eu p d a t e da n d s u r v e i l e db yu s i n gg p r sw i r e l e s sn e t w o r ki ni n f o r m a t i o nt e n s et h en e t w o r k t o p o l o g ys t r u c t u r e ，f u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h ed e t a i l e dh a r d w a r es o l u t i o na n d s o f t w a r eo fi n f o r m a t i o nc e n t e rw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：g p r s ；t c p i pp r o t o c o l ：m c 3 5 i c 0 6 6 1 a l s i v g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 1 1 前言 第1 章绪论 在全球所有的第二代移动通信中，g s m 通信网络的使用人数最多中国 目前的大部分移动通信网络就是g s m 系统。由于最初的g s m 标准主要是考虑 支持语音业务和少量电路交换方式的数据业务，因此g s m 网络的语音通信是 电路交换方式。现有的g s m 网络已经很好地解决了人们对通信及时性的要求， 但是2 0 世纪9 0 年代以后，随着互联网技术的迅猛发展，人们开始想到了移动 互联网，希望能通过移动终端享受各种高速数据业务r 包括收发e m a i l 、进行 i n t e m e t 浏览等) ，而g s m 在移动市场新热点数据业务方面则显得束手无 策。这主要是由于其采用的是电路交换的通信方式，最明显的缺点就是无线 资源被大量占用，即使是在没有数据传送时，该无线资源也无法用作他用， 这对于无线资源捉襟见肘的中国移动市场而言，无疑是一个限制，计费也是 一个难点问题。正是在这样的社会需求下，欧洲电信标准化组织( e t s i ) 及时在 g s m 系统的基础上制定了一套移动数据通信技术标准，使g s m 与i n t e r n e t 相结 合，重组的新网络称为通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ， g p r s ) 。显然该网络既有电路交换又有分组交换，后称2 5 g 系统。 g p r s 技术的应用将是一场意义深远的变革。首先，g p r s 技术第一次使 现有的主要承载话音的g s m 网络，向承载分组数据的网络实现网络结构上的 飞跃。以前虽然能够通过w a p 等实现移动数据业务，但其实现模式仍然是电 路交换的模式，而g p r s 采用的是一种崭新的分组交换模式。这种网络结构的 变革，代表了移动通信网络向数据化方向演进的不可逆转的趋势。 其次，由于g p r s 一直在线，按用户使用信息收费，与原有的按连接时间 的收费模式完全不同，这种收费模式代表了数据通信时代的收费模式，使用 户费用得到最大节省。一直在线使用户使用数据业务时有更大的方便性和灵 活性，而新的收费模式对用户而言具有更大的合理性。这两方面的结合，将 有望打破原有的移动数据市场启动难的局面。 中山大学硕士学位论文 第三，g p r s 技术是向第三代移动通信进程中迈出的第一步。g p r s 网络 改良了现有的g s m 网络系统，使得g s m 系统可以在第三代移动通信系统得到 实际应用之前实现同时提供电路交换和分组交换两种承载业务。分组交换方 式使得g p r s 可以支持两种主流的分组数据网络协议：i p 和x 2 5 ，很好地满足 了人们对移动数据业务的需求。同时分组交换技术也使得使现有的移动通信 系统提供的数据业务首次从9 6 k b p s 飞跃到了10 0 k b p s 以上，这种告诉的数据传 输将使移动业务初步向3 g 的方向迈进。 g p r s 技术走向商用，是移动通信业界不可抗拒的大潮流。对g p r s 应用 终端技术的研究也将成为无线数据业务的热点。 1 2 国内外移动通信网络发展概况 1 2 1g s m 网络 移动通信的发展，可以追溯至l j 2 0 世纪2 0 年代，当时主要在短波频段上实 现了小容量的专用移动通信系统，其语音质量差，自动化程度低，且不能和 公共电话网相连【1 1 。 2 0 世纪7 0 年代末，引入蜂窝技术后，移动通信技术才向前迈进了一大步。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出 来，其目的是为了解决当时移动通信系统容量小、通信质量差、频谱资源有 限且利用率低等问题。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提 高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能， 扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点： 1 各系统间没有公共接口； 2 很难开展数据承载业务； 3 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 5 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成 很大的不便。 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 g s m 数字移动通信系统史源于欧洲。旱在1 9 8 2 年，欧洲已有几大模拟蜂 窝移动系统在运营，例如北欧多国的n m t ( 北欧移动电话) 和英国的t a c s ( 全 接入通信系统) 西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统， 不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系 统，1 9 8 2 年北欧国家向c e p t ( 欧洲邮电行政大) 提交了一份建议书。要求制 定9 0 0 m h z 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲 电信标准学会( e t s i ) 技术委员会下的“移动特别小组”( g r o u p s p e c i a l m o b i l e ) 简称“g s m ”来制定有关的标准和建议书。 1 9 8 6 年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出 的8 个建议系统进行了现场实验。 1 9 8 7 年5 月g s m 成员国就数字系统采用窄带时分多自j ：t d m a 、规则脉冲激 励线性预测r p e l t p 话音编码和高斯滤波最小移频键控g m s k 调制方式达成 一致意见。同年欧洲1 7 个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录( m o u ) ， 相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了m o u 组织，致力于g s m 标准的 发展。 1 9 9 0 年完成了g s m 9 0 0 的规范，共产生大约1 3 0 项的全面建议书，不同建 议书经分组而成为一套1 2 系列。 1 9 9 1 年在欧洲开通了第一个系统同时m o u 组织为该系统设计和注册了 市场商标，将g s m 更名为“全球移动通信系统”( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年移 动特别小组还完成了制定1 8 0 0 m h z 频段的公共欧洲电信业务的规范，名为 d c s l 8 0 0 系统。该系统与g s m 9 0 0 具有同样的基本功能特性，因而该规范只占 g s m 建议的很小一部分，仅将g s m 9 0 0 和d c s 8 0 0 之间的差别加以描述，绝大 部分二者是通用的，二系统均可通称为g s m 系统。 1 9 9 2 年大多数欧洲g s m 运营者开始商用业务。到1 9 9 5 年5 月已有5 0 个g s m 网在世界上运营，1 0 ) 9 总客户数己超过5 0 0 刀 ，国际漫游客户每月呼叫次数超 过5 0 0 万，客户平均增长超过5 0 。 、 1 9 9 3 年欧洲第一个d c s l 8 0 0 系统投入运营。到1 9 9 5 年已有6 个运营者采用 了该系统。g s m 系统是目前世界上最成功的移动系统之一。 中山大学硕士学位论文 1 2 2g p r s 网络 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 y s t e m ) 的缩写，是介于 第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2 5 g 。称之为2 5 g 是比较恰当的， 因为它是一个混合体，采用t d m a 方式传输语音，采用分组的方式传输数据。 它改良了现有的g s m 网络系统，使得g s m 系统可以在第三代移动通信系统得 到实际应用之前实现同时提供电路交换和分组交换两种承载业务。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加 一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、 广域的无线i p 连接。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，在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i p * t x 2 5 服务，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 m a i l 、进行t n t e m e t 浏览等。 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。g p r s 技术1 6 0 k b p s 的极速 传送几乎能让无线上网达到公网i s d n 的效果实现“随身”携带“互联网”。 使用g p r s ，数据实现分组发送和接收用户永远在线且按流量、时间计费， 迅速降低了服务成本。g p r s 把分组交换技术引入现有g s m 系统，将移动通信 和数据网络合二为一，以其“极速传送”、“永远在线”等特点，倍受国内外 电信业的青睐。g p r s 被公认为将成为通往第三代移动通讯( 3 g ) 的一个重要 里程碑。 我国从1 9 9 6 年开始跟踪研究g p r s 的相关标准。着重组织开展了一系列 g p r s 相关标准研究工作。于2 0 0 0 年4 月，已经完成了”9 0 0 1 8 0 0 m h zt d m a 数 字蜂窝移动通信网g p r s 隧道协议( g t p ) 规范”，由信息产业部电信传输所提出 了”g p r s 业务研究”的前期的预研成果。从1 9 9 8 年开始，我国运营者开始酝酿 在国内兴建g p r s 的试验网络工作，标准化的工作就显得极为迫切了。在2 0 0 0 年内和2 0 0 1 年上半年。已颁布f 9 0 0 1 8 0 0 m h zt d m a 蜂窝移动通信网通用 分组无线业务相关的系列标准。 4 g p r s 终端技术研究厦其在信息显示系统中的应用 2 0 0 0 年1 2 月2 1 日，中国移动通信集团公司在京宣布：正式启动g p r s 网络 的建设。到2 0 0 1 年6 月，中国移动g p r s 一期工程已完成。2 0 0 1 年l o 月正式投 入商用。迄今已有全国2 5 0 个城市的中国移动用户享受以宽带和快速为标志的 g p r s 网络服务。 1 2 33 g 及其发展状况 第三代移动通信，即国际电信联盟( 1 t u ) 定义的i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) ，俗称3 g t ”。 r r u t g s 1 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为 f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。 第三代移动通信系统的目标和特征是： ( 1 ) 全球统一频段、统一制式全球无缝漫游；世界范围内设计上的高 度致性；与固定网络各种业务的相互兼容：高服务质量：全球范围内使用 的小终端：具有全球漫游能力： ( 2 ) 高频谱效率： ( 3 ) 支持移动多媒体业务，即室内环境支持2 m b p s 、步行室外到室内支 持3 8 4 k b p s 、车速环境支持1 4 4 k b p s 等。 为了实现上述目标，对第三代无线传输技术( r t t ) 提出了支持高速多媒 体业务( 高速移动环境：1 5 5 k b p s ，室外步行环境：3 8 5 k b p s ，室内环境：2 m b p s ) 、 比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。 2 0 0 4 年，全球3 g 运营商的数量和商用用户数量都开始呈现了明显增长的 态势，特别是倍受关注的w c d m a 技术发展有了较大的进展，c d m a 2 0 0 0l x 则 继续高速稳步增长。 2 0 0 4 年3 g 商用运营商和用户数量都开始呈现了明显增长的态势。中国 也在积极推进3 g 产业和技术标准等工作。随着多种新技术的不断涌现，3 g 的 无线技术向3 g 增强型发展，核心网络面向支持移动多媒体业务的全i p 架构， 并逐渐成为下一代网络的基础框架。 中山大学硕士学位论文 截止至q 2 0 0 4 年9 月，全球在3 g 核心频段有效的3 g 许可证有1 2 0 张。核心频 段中有f d d ( 频分双工) 和t d d ( 时分双工) 两种方式。1 2 0 张许可证中， f d d + t d d 组合方式有1 0 0 张，大多数欧 ：h 的运营商都采取这种形式；从采用 的技术角度看，在核心频段w c d m a 技术共有1 1 6 张，t d d 技术有1 0 l 张， c d m a 2 0 0 0 技术有3 张。c d m a 2 0 0 0 在原有频段和许可证下升级至l j c d m a 2 0 0 0l x 和 l xe v - d o ，l xe v - d v ，约有8 0 张。 截止到2 0 0 4 年9 , 9 底，全球共有5 8 个国家1 1 8 个3 g 商用网络，其中w c d m a 网络有1 9 个国家的3 8 个网络，6 7 个c d m a 2 0 0 0 l x 网络，l o 个e v - d o 的网络； w c d m a 用户数为1 0 6 0 万，c d m a 2 0 0 0 用户为1 1 3 亿，e v - d o 用户为9 3 0 万。 选择w c d m a 技术的运营商为1 1 6 个，2 0 0 4 年已经商用的网络约已增长到 3 8 个，约占到2 5 。在1 0 0 0 万用户中，n r r r d o c o m o 的用户超过6 0 0 万，占6 0 ， 和黄“3 ”的7 个商用用户超过3 2 0 多万，两个运营商的用户数加起来已经占了 整个用户数的9 2 左右。其他运营商发展的用户尚比较有限。h s d p a 的技术 目前在日本和美国等国进行了技术试验，预计2 0 0 5 年底能够提供商用。 由于c d m a 2 0 0 0l x 在i s 一9 5c d m a 的基础上发展，技术成熟性好，且后向兼 容，所以发展迅速。e d m a 2 0 0 0l x 已经在全球大规模商用，运营商都在原有2 g 频段上运营，目前没有运营在3 g 核心频段的网络。c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 的商用 运营商1 由2 0 0 3 年底的5 个增加到了l o 个，用户达至1 1 9 3 0 万，但9 0 以上的用户集 中在韩国。c d m a 2 0 0 0e v o d v 也在韩国进行积极试验。 截止到2 0 0 4 年9 j 1 ，我国移动用户数为3 2 亿，占全球移动用户的2 0 以上。 在移动用户数平稳增长的同时，数据业务成为新的增长点。2 0 0 5 年，我国3 g 网络技术试验为3 g 技术和产品积累了大量的经验，t d s c d m a 产业取得了长 足进步，并积极组织制订了全套3 g 标准。 中国通信标准化协会积极组织了我国的科研院所、大学、运营商和制造 商，密切跟踪3 g 的发展进程，跟踪国际标准的主流技术。从1 9 9 9 年开始，组 织研制了包括w c d m a ，t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 三大主流技术的标准工作。 根据当前国际i - 3 g 标准的进展结合我国的实际需求，中国通信标准化 协会自2 0 0 5 年初全面启动- j 3 g 系列标准的起草及审定工作。这一工作的开展， 一方面是以近年来跟踪了解并编写大量预研报告为基础，另一方面是基于3 g 模拟实验和现场实验的基础，从而使目前起草的3 g 系列标准具有可操作性和 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 指导性。目前，正在开展起草的3 g 系列标准共有9 8 项，包括了三个主流技术 的w c d m a ，t d s c d m a ，c d m a 2 0 0 0 及业务应用共四个子体系的标准。 1 3 课题来源 随着移动通信技术的发展和普及，g p r s 的应用是越来越广泛，已经逐渐 渗入到现实生活中。作为一种传输速率比g s m 更快，安全性更好的网络技术， g p r s 的应用普及将是大势所趋。g p r s 的应用对一个城市的数字化建设有着 重要的现实意义，而对g p r s 终端技术的研究将是无线数据通信的热点。 信息显示系统可以说是一个城市的“窗口”，在我们的生活中有着广泛的 应用，例如，火车站、飞机场、以及些大型的公共场所和展览会等，它给 人们的生活带来了极大的方便，一个先进的信息显示系统无疑是一个城市数 字化建设的不可缺少的进程。 通常，信息显示系统的数据传输可采用有线和无线两种方式。有线数据 传输方式一股采用现场总线或着串口方式，如r s 2 3 2 等。适合于传输距离较近 的场合。而且采取有线方式常常会带来线太多太乱，从而影响了系统的美观。 无线传输方式有：使用开放遥控遥测频段的短距离无线数传模块( 传输距离 约1 0 0 0 m 左右) 、数传电台，g s m 短消息和g p r s 模式。无线的方式组网比较灵 活，而且随着无线通信技术的发展，传输数据的费用也在逐渐降低。因此采 用无线传输的方式组网将是信息显示系统的潮流。 在无线传输方式中。短距离无线数传模块的传输方式中。传输距离比较 近，且一般都是点对点的数据传输，较少用于点对多点形式的数据传输。数 传电台的传输距离在二三十公里左右但属于专用网络；基于g s m 网络的短 消息形式的数据传输，运营成本较高，而且短消息的延时性较大，实时性不 强。 集移动通信和i p 技术于一身的g p r s 数据业务则可以弥补各项技术的不 足。g p r s 数据传输率高，实时性强：数据采用网络方式传输，稳定可靠，且 可实现跨地域传送；数据按流量收费，费用低；同时利用了现有的g s m 基站 系统，不需组建自己的网络，大大节省了组网成本。 因此将g p r s 终端技术的研究成果应用于现有的信息显示系统无疑是信 中山大学硕士学位论文 息显示系统中的一大变革，具有十分重要的现实意义。 正是基于这种情况，导师和实验室为我确立了开发了通用的g p r s 终端及 其基于g p r s 网络的数据传输和显示系统的研究任务。目前，该系统已经已经 成功研制出来，并有望得到实际的应用。 1 4 本文的主要工作和结构安排 g p r s 业务是在2 g 基础上发展起来的数据传输业务，尽管未来的3 g 业务功 能将更加强大，但是由于现有g s m 技术已经发展成熟，并且得到了广泛的应 用，所以决定了g p r s 在未来相当长一段时间内也将会得到广泛的应用。本文 的重点不是研究g p r s 业务本身的工作原理和相关的技术实现，而是重点研究 它在日常生活中的应用。本文主要研究g p r s 终端技术的实现以及g p r s 终端 在信息显示系统的应用。 论文的研究过程中主要进行了如下工作： ( i ) 查找和阅读了涉及g p r s 的大量技术资料和i e c 标准，同时对移动通 信系统进行了深入的了解。 ( 2 ) 详细研究了t c p a p 协议，对t c p ，i p 协议的通信过程进行了深入的分 析，同时对基于m c u 的t c p a p 协议进行了研究。 ( 3 ) 对于目前市场上g p r s 终端的实现技术进行了了解，根据需求确定 了g p r s 终端的实现方案。在选取g p r s 模块和t c p a p 模块时，对目前常见的 几个生产厂家的g p r s 模块了对比。 ( 4 ) 采用以色列c o n n e e t o n e 公司的t c p i p 模块c 0 6 6 1 a l s 和s i e m e n s 的 g p r s 模块m c 3 5 i 实现了通用g p r s 终端的开发，并完成了有关a t ，a t + i 指令的 测试，实现了g p r s 的数据通信。 ( 5 ) 通过对通用g p r s 终端的改进，针对信息显示系统的应用，完成了 基于g p r s 网路的信息显示系统的设计与实现。 论文的内容结构如下： 第一章给出了国内外移动通信网络发展的状况，之后针对g p r s 技术所具 有的优势引出了本课题的来源；最后介绍了本文的研究内容和论文结构安排。 第二章介绍了g p r s 网络系统，简要地介绍了它的特点、网络结构、网络 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 实体和承载的业务和g p r s 的传输过程。 第三章介绍了本课题涉及到的i p 技术t c m p 协议，给出了t c p i p 的协 议模型，并着重介绍了t c m p 协议栈的三个重要协议口协议、t c p 协议和 u d p 协议的相关知识。同时，根据目前t c m p 协议的使用现状，介绍了一种 基于m c u 的t c p i p 协议，该协议是在标准的t c p i p 协议栈的基础上进行了裁 减，同时通过以太网路对其进行了验证。 第四章研究了g p r s 终端的解决方案，重点介绍了其中一种简单实用的解 决方案，同时对所采用的主要芯片以及硬件电路进行了介绍。 第五章重点研究了基于g p r s 的城市信息显示系统的设计与实现包括系 统结构、实现的功能、终端的组成和采用的协议以及数据中心的软件设计。 最后，在结束语中对全文的工作进行了总结，同时提出了进一步工作的 重点与设想。 9 中山大学硕士学位论文 2 1 前言 第2 章g p r s 系统介绍 g p r s 2 l 吲( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二 代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一 种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。 g p r s 被认为是2 g 向3 g 演进的重要一步，不仅被g s m 支持，同时也被北 美的i s 一1 3 6 支持。 本章主要对g p r s 系统的网络结构和承载业务以及其优缺点做一个简要 的介绍。 2 2 g p r s 的网络结构 g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网 9 6 k b i t s 更高的数据率。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、 无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，在g s m 系统的基 础上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只 需作软件升级。 2 2 1 g p r s 的总体结构 g p r s 网络是在现有( 巧m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能 够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2 一l 所示。 1 0 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 图2 1g p r s 系统结构 图中，p c 机通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上；g p r s 蜂窝电 话与g s m 基站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 至j | g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网 络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信；g g s n 对分组数据进行 相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。来自因特网标识有 移动台地址的i p 包由g g s n 接收，再转发至i s g s n 继而传送到移动台上。 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s 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 网络结构与移动台之间的接1 2 1 。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 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( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用，因此也 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 分组数据包迸行协 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。 s g s n 和g g s n 利用o p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现 二者之间的数据传输。 图2 2 给出了g p r s 网络结构的接入与参考点的简图。 图2 2g p r s 总体结构及接入接e l 和参考点 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过 中山大学硕士学位论文 g d 接1 3 连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接1 3 用于无线 通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接口接入g p r sp l m n ，r 则是m t 和t e ( ! t d 笔记本电脑) 之间的参考点。这里的 m s 由t e ；n m t 两部分组成，它们通过r 参考点组成一个整体，另外，m s 也可 单独由一个移动终端( m t ) 组成。 对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( p l m n ) ，当它运行g p r s 业务时 可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g i 参考点和g p 接口实现同其他网络的互通。 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，它本身具有g s m 和g p r s 业务运营 商提供的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直接发送数据。另外g p r s 支持与基于i p 的网络互通，当在t c p 连接中使 用数据报时，g p r s 提供t c p i p 报头的压缩功能。 由于g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于 i p 域。其移动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协 议实现全球网间通信。 2 2 2g p r s 的逻辑体系结构 从逻辑上来说，g p r s 通过在g s m 网络结构中增添s g s n 和g g s n 两个新的 网络节点来实现。由于增加了这两个网络节点，需要命名新的接口。图2 3 说 明 g p r s 逻辑体系结构。表2 1 给出 7 g p r s 体系结构中的接口及参考点。 。仃夺接口 图2 3g p r s 逻辑体系结构一览 1 2 g p r s 终端技术研究及其在信息显示系统中的应用 表2 一ig p r s 体系结构中的接口及参考点 接口或参考点 说明 r! i h s d n 终端与移动终端之间的参考点 g b s g s n 与b s s 之间的接口 g c g g s n 与h l r 之间的接口 g d s m s g m s c 之间的接口，s m s i w m s c 与s g s n 之间的接口 g i g p r s 与外部分组数据之间的参考点 g n 同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口 g p 不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口 g r s g s n 与h l r 之间的接口 g s s g s n 与m s o v l r 之间的接口 g f s g s n 与e r 之间的接口 u m m s 与g p r s 固定网部分之间的无线接口 除了这些接口和参考点之外，g p r s 还新增加了分组控制单元( p c u p a c k e t c o n t r o lu n i t ) 和g b 接口单元( g b i u ，g bi n t e r f a c eu n i t ) 。 其中p c u 使b s s 提供数据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无 线资源。g b u 提供从b s s 至i s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理 实体中。 由于g p r s 在g s m 网络中引入了两个g p r s 支持节点和新的接口及单元， 会对g s m 网络设备产生以下的影响。 ( 1 ) h l r 现有软件需更新，以支持g c 、g r 接口： ( 2 ) m s c 现有软件需更新，以支持g s 接口； ( 3 ) 在b s c 中引入p c u ，并且软件需要升级： ( 4 ) b t s 配合b c f 进行相应的软件升级。 2 2 3g p r s 的主要实体 中山大学硕士学位论文 g p r s 网络主要实体包括g p r s 支持节点、g p r s 骨干网、本地位置寄存器 h l r 、短消息业务网关移动交换中- f f ( s m s g m s c ) 和短消息业务互通移动交换 中一d ( s m s r v c m s c ) 、移动台、移动交换中，山( m s c f f 拜访位置寄存器( v l r ) 、 分组数据网络( p d n ) 等。 ( 1 ) g p r s 支持节点( g s n ) g p r s 的支持节点g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点，包含了支持 g p r s 所需的功能。g s n 具有移动路由管理功能，可以连