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浙江大学硕 j 学位论文 皋十移动平台的无线远程监控系统 摘要 工业控制技术发鹱至令，许多应用领域对工业控制系统提出了更高更毅的要求，这 些应用都存存覆盖范围广、监测点分散或者监控对苏处于运动状态中等特点，如何经济 有效缝实瑷所嚣斡鼗控功蕤，绘我粕疆出了灏豹漂题。毒论文结台7 先进约餐糍仪表按 术、移动通讯技术、网络技术、嵌入式软件技术以及电子技术，实现了基于移动平台的 多点远程蓝控，大大突破了传统远稷篮控系统的逮域范霞帮缝溺方式，挺豢了一耱全方 位、廉价、可靠的解决方案。 本课题从研究远程监控系统的发展现状入手，系统造阐述了中圈移动通讯系统的发 展概况、g s m 及g p r s 的网络架构和关键技术以及短消息和g p r s 业务的原理及特点，为 课题的深入展开提供依据和知识准备。 潆题中结合移动通信业务以及远程监控豢绞豹设计要求秘特性，提出了合理魏基予 移动平台的无线远秘监控系统的方案设计，简述了上位机监控软件的功能和实现要求， 著蘩述了现场燕控终臻豹功能媲刘、设诗器潮等，在诧基磷t 详细奔绥了硬件帮软传酌 设计“方法和具体实现。 针对技术的发陵，在论文静最蜃撵窿了蘩予移动平台的无线远稔溢控系统存在豹 些需要完善的地方以及发展的趋势。 浙江大学硕上学位论文基于移动平台的无线远程监控系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，s o m ea p p l i c a t i o nf i e l di sf a c i n gh i g h e ra n d n e w e rr e q u i r e m e n t t h e s e a p p l i c a t i o n s h a v et h ef e a t u r eo fc o v e r i n gaw i d e r a n g e a n d d i s t r i b u t i n gc o n t r o lp o i n to rt h eo b j e c ti sa l w a y sm o v i n g ，s oh o w t or e a l i z et h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gt h e me f f i c i e n t l y a n de c o n o m i c a l l y , i ti san e ws u b j e c ts u b m i t t e dt ou s nt h i s a r t i c l e ，w ei n t e g e r a t e a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s s u c ha s i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，i n t e r n e t ，r t o sa n dm i c r o e l e c t r o n i c st or e a l i z em u l t i p o i n tc o n t r o lb a s e do n m o b i l ep l a t f o r m a l lt h i st o t a l l yb r e a k st h el i m i to fd i s t r i c ta n dt h et r a d i t i o n a ln e tf r a m e w o r k a n d p r o v i d e s a c h e a p ，r e l i a b l es o l u t i o n t h ea r t i c l ee n t e r sw i t ht h er e s e a r c ho ft h ec u r r e n ts t a t eo fr e m o t ec o n t r o ls y s t e m t h e ni s t h es y s t e m i cd e s c r i p t i o no fc h i n am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，g s ma n dg p r sa n dt h e t h e o r ya n d f e a t u r eo fs m sa n dg p r s h e r e p r o v i d e se n o u g hk n o w l e d g e f o rf u r t h e rr e s e a r c h i nt h ea r t i c l e ，w ec o m b i n et h ef e a t u r eo f r e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，s m sa n dg p r sa n dp u t f o r w a r dt h ed e s i g no f r e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o b i l ep l a t f o r m a l s ow ew o r ko u tt h e f u n c t i o no f a l lt h ec o m p o n e n ta n dr e a l i z ei tb o t ho nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , i nt h ee n do f t h ea r t i c l e ，w ep o i n to u ts o m e p r o b l e m sn e e d i n g t ob eo p t i m i z e da n dt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e i i 溉江夫学硬七孕链论文 鼙哥：转秘乎台曲无线莲翟藕牲系缝 第一章绪论 过去的5 0 多年，随祷工业领域生产方式的变化以及电子技术的发展，工_ e 控制技 术褥裂了迅猛酶发震，鼓皴初蛇模拟过程调节仪表到采餍激处理嚣 乍为核心的露缡翟逻 瓣调节器，囊至溺络证翡d c s 系统、瑷场总线系统以及工监强太阏，等等。：e 泣控籁 系统的功能趟涞越强大，黼讯的实时性和可靠性也越来越好。现在，很多应用领域对 王、监控裁系统提出了更离凳菠涎要求，铡懿：在巧僚簸溅孛，环壤躲溅部门需对掰辖莲 溺内蘸生产垒娆能蒜污状况及环霖设餐躲运行状猿爨行全面有效的漩控；供熟厂、自来 水公司、供电局等公用事业单位需对用户的使用状况i 拄行远程监掩及抄表；水文监测部 分霈对淫流、濑洼众多跨街甚至跨雀豹黢溅点的数据游行采集；交通喾理蜀寨对行驶中 鲍车辆方囊移运行状态避行实露蓝测翻调度，等等。这些应弼郡存在覆盖范翻广、箍溺 点分散的特点，如何经济宵效地实现所濡的监控功能，给我们提出了新的课题。 近年来，逶谖接术迅速发震，蜀域礴钛无至寿，扶1 0 m 发震戮1 0 0 m 、1 0 0 0 m 甚至 1 0 0 0 0 m ；i n t e r n e t 接入觚单一豁m o d e m 拨号上瓣翔现在豹a d s l 、宽带、顿中继等等， 方式越来越多，速度越来趟快；通讯介质多种多样，精双绞线、同轴电缆、光纤、微波 等等；移动遴谶技术经魇了一代模拟踺、g s m 网络焱至2 。5 代抟g p r s 、c d m a 黢发震， 鞠前，第3 弋技术氇在舔稍中，不久将蕊式投入使鬻1 2 j 。将逶谲鞭域的新技术萼i 进到工 业控制领域中来，为构建缀济可靠的邋椴监控系统搬供了新思路。 今天，警嚣体制造监及计算机技术迅速发震，徽处理器鲍处遐髓力越寒越滏大，瓷 源越来越丰富，价格却瞬盥下洚，开发过程越来越简便j ，丽对，嵌入式技术的发展， 也使得系统功能更加强大和可靠。这些，为基于新代通讯技术的远程监控系统的研制 提供了技术支撩露实瑗可貔。 1 1 远程监控系统的发展现状研究 我 j 熟邋，要实瑷逯稳监控或者越道稷簦控，其铸戆媒矮爰羚乎寄线黎光线爵辞方 找。 董1 1 有线方式 有线方式的远程蓝控羝统发展至今，按网络槊构其主要代表有r s 4 8 5 本地控镧潮络 l 浙江人学硕i j 学位论文幕于移动、r 台的无线远程监控系统 以及电话线拨号上网接入i n t e m e t 等。 1 1 1 1r s 4 8 5 本地控制网络 实现远程监控，采用的一种传统方式是r s 4 8 5 本地控制网络，其系统网络图如下 图1 1r s 4 8 5 网络结构图 r s 4 8 5 网络具有支持多节点( 最多3 2 个) 、传输线成本低等特点，在控制系统中得 到了广泛的应用，同时还可以通过多级网络组成大型本地控制网络。但是r s 4 8 5 总线的 通讯距离有限，其最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上最大传输距离不会超过3 0 0 0 米。显然，要组成广域范围内的远程控制网络是不现实的。 同样，目前广泛使用的基于有线介质的集散控制系统、现场总线系统【1 h ”，虽然在 系统性能( 实时性、可靠性等) 、组成大型控制网络上具有许多的优势，但在实现控制 点分散、散布范围广的远程监控上也面临着经济和技术上的难题。 1 1 1 2 电话线拨号上网接入i n t e m e t 要实现广域范围内的远程或者超远程监控，目前普遍采用的是通过电话线拨号接入 i n t e r n e t 的方式来双向传输数据，其网络结果如图1 2 。 图1 2 电话线拨号上网接入i n t e r n e t 网络结构图 2 浙江人学倾l 学位论史基于移动甲台的无线远程髓拌系统 电话线拨号接入i n t e r n e t 的方式是以公共电话网为承载平台，利用电信运营商和网 络服务供应商提供的i n t e m e t 网络服务实现远程贿控。如图所示，系统需为每个监控终 端配置配置一台内置或外接调制解调器( m o d e m ) 、一条接入公共电话网的电话线路， 一个从电信运营商处中请的电话号码以及从网络服务商处申请的i n t e m e t 接入帐号。 由此可见，采用电话线拨号接入i n t e m e t 方式在工程安装以及实际运行方面都存在 着无法克服的缺点： 1 ) 必须首先敷设从电信运营商用户接l j 至监控终端的电话线缆，这大大延长了施 工周期，增加了工程安装成本。事实上，对于某些处于边远野外的特殊环境( 例如远离 城镇的河流监控点) ，以及某些运动的对象的监控，这是很难实现的。 2 ) 目前中国电信运营商的电话网络采用的是电路交换【2 1 ，对二f 上网电话资费( 不包 括应支付给网络运营商费用) 一般采用按在线时间长短计取的方式( 根据杭州电信的最 新计费标准，每小时最低费用为1 元) ，如果m o d e m 长时间在线，系统运行费用相当可 观。因此，一些远程监控系统往往采用定时拨号上网或者仅在必要时( 如产生报警条件 等异常情况时) 拨号的方式，以降低运营成本；然而，采用这种方式必然造成远程监控 系统的实时性和可靠性降低，而且不能处理突发性的双向通讯，不能适应很多应用领域 的要求。 1 1 2 无线方式 1 1 2 1 无线电台 长期以来，人们采用电台进行无线数据远程传输，其网络结构如图1 3 。 上住机 图1 3 无线电台远程监控网络结构图 浙江大学侦l 。学位论文 皋j 移动、p 台的无线远程黼拧系统 然而，传统卜采用电台做无线数传的漫计方案有其显著的缺陷： 1 ) 电台硬件部分成本高昂，系统初始安装费用不菲。同前多数商用电台或者电台 模块为国外进口产品，本身价格尤其是高品质长距离的传输电台非常昂贵，因此再开发 产品成本居高不下，限制了电台在远程监控系统中的发展空间。 2 ) 电台数传距离短。一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公里数量级，如需超长距 离数据传输，必须自行建设中继站，又进一步增加了投资成本。 3 ) 电台数据传输的可靠性差。一般商用电台工作在单一频点，电磁环境恶劣，另 外由于数传协议上的缺陷也使数据传输的可靠性降低。 4 ) 系统维护困难，维护成本高。基于电台的远程监控系统一般均为自行建设的封 闭系统，虽然无需另行交纳运行费用，但系统( 如电台、中继站等) 维护均需自行完成， 而商用电台的工作功率大、货源复杂等都导致电台故障频率较高，系统维护的费用也相 当惊人。 1 1 2 2 基于移动平台的无线远程监控 针对目前远程监控系统的发展现状和一些应用领域的特殊要求，基于移动平台的无 线远程监控系统越来越多的使用到环保监测、远程抄表、车辆管理等各个方面，在特殊 的应用场合具有显著的优越性： 1 ) 网络覆盖范围广，特别适合点多分散的、尤其是跨地域的应用场合。 2 ) 无需敷设专用通讯电缆，组网迅速灵活，建设周期短，初期投入少。 3 ) 直接承载于移动通信和i n t e r n e t 网络，用户运行成本低，维护费用小。 随着中国移动通讯事业的迅猛发展，短消息方式、g p r s 方式都己迅速的应用到无 线远程监控中，监控的方式越来越灵活，监控的实时性和可靠性越来约好，而安装和运 行的成本却越来越低。相信在不远的将来，基于移动平台的无线远程监控系统必将成为 远程监控的主流，在工业控制领域占有不可忽视的一席之地。 1 2 本论文内容和所做的工作 本论文的工作是对移动通讯系统的组成、性能进行研究和探讨，完成基于移动平台 的无线远程监控系统的网络架构的设计，并最后完成无线远程监控系统中上位机监控软 件的设计和监控终端的硬件和软件设计。 第一章主要完成对现有远程监控系统的发展现状进行研究，为课题的提出做出铺 浙江大学硕1 - 学位论文基十移动，f 台的无线远程监挣系统 挚。 第二章主要介绍我国移动通讯系统的发展、系统组成、业务特点等，为课题的研究 准备背景知识。 第三章分析短消息及g p r s 业务在无线远程监控的特点，并最终确定系统方案设计。 第四章重点介绍现场监控终端的功能规划、硬件组成以及各个部分的硬件设计及实 现。 第五章介绍现场监控终端软件丌发的环境、特点、嵌入式操作系统的移植和应用程 序的设计和实现。 浙江人学碗l 学位论文 幕于移动平台的无线远程曲控系统 第二章移动通讯系统 本章刘移动通讯系统的组成和性能进行研究和探讨，对g s m 网络及其g p r s 网络 以及相应业务的特点和性能进行阐述，为后面基于移动平台的无线远程监控系统的设计 和实现提供知识准备。 2 1 概述 中国移动通讯发展至今，已经形成了覆盖率高达全国绝大多数县市的通讯网络，目 前有中国移动通信集团和中国联通公司两大运营公司，中国移动通信集团拥有g s m 和 g p r s 网络，中国联通公司拥有独立的g s m 网络和c d m a 网络。本论文的研究是在中 国移动通信集团的移动网络上进行的，以下如非特别说明，均指的是中国移动通信集团 的移动网络。 中国移动通信集团的移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中 心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构，形成了一个完全独立的数字移动通信 网络。经过十多年的建设与发展，中国移动通信已建成一个覆盖范围广、通信质量高、 业务品种丰富、服务水平一流的综合通信网络。网络已经覆盖全国绝大多数县( 市) ， 主要交通干线实现连续覆盖，城市内重点地区基本实现室内覆盖。 2 2g s m 网络网 2 2 i 系统组成 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 ) 数字移动通信系统源于欧洲，属 于第二代的移动通信系统。g s m 蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统( n s s ) 、 无线基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 三大部分组成。 图2 1g s m 通信系统的组成 6 i白惦 浙江人学倾 。学位论文皋于移动平台的无线远程临控系统 g s m 系统框图如图三所示，接口往右是n s s 系统，它包括有移动业务交换中心 ( m s c ) 、拜访位置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( h l r ) 、鉴权中一t l , ( a u c ) 和移 动设备识别寄存器( e i r ) 。a 接口往左u m 接： 往右是b s s 系统，它包括有基站控制 器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。u m 接口往左是移动台部分( m s ) ，其中包括移动 终端( m s ) 和客户识别卡( s i m ) 。 图2 2 g s m 的系统框图 1 ) 交换网路子系统 交换网络子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数 据库功能，由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下： m s c ：是g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖区域内的移动台进行控制和完成话 路交换的功能实体，也是移动通信系统与其他共用通信网之间的接口。它可完成网路接 口、公共信道信令系统和计费管理等功能，还可完成b s s 、m s c 之间的切换和辅助性 的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个m s c 还 应能完成入口m s c 的功能，查询位置信息的功能。 v l r ：是一个数据库，是存储m s c 为了处理所管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提 供的服务等参数。 h l r ：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户 都应在其归属位置寄存器( h l r ) 注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参 数：一时有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如m s c 、 v l r 地址等。 a u c ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数( 随 机号码r a n d ，符合响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。 7 形 i由惦 浙江人学硕t ：q - 位论文皋于移动f 台的无线远程监拧系统 e i r ：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、 监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 2 1 无线基站子系统 b s s 系统是在一定的无线覆盖区内由m s c 控制、与m s 进行通信的系统设备，它 主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。 b s c ：具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、 小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 b t s ：无线接口设备，它完全由b s c 控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的 转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 3 ) 移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端( m s ) 和客户识别卡 ( s i m ) 。移动终端就是“机”，它可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制 和解调、信息发射和接收。s i m 卡就是“人”，它类似于我们现在使用的i c 卡，因此也 称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，以防止非法客户进入网络。s i m 卡还 存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入s i m 卡后移动终端才能接入进网，但s i m 卡本身不是代余卡。 4 ) 操作维护子系统 g s m 系统还有个操作维护子系统( o m c ) ，它主要是对整个g s m 网路进行管理和 监控，通过它实现对g s m 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。 2 2 2g s m 关键技术 2 2 2 1 工作频段 见图2 3 ，我国陆地共用蜂窝移动通信网g s m 通信网络采用9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频段： 9 0 5 9 1 5 ( 移动台发、基站收) 9 5 0 9 6 0 ( 基站发、移动台收) 1 7 1 0 1 7 8 5 ( 移动台发、基站收) 1 8 0 51 8 8 0 ( 基站发、移动台收) 浙江大学硕i 学何论义基于移动i r 台的无线远程临控系统 m s 发b s 发 医圈匿圈【 8 8 08 9 09 0 59 1 59 2 59 3 59 5 09 6 0 m s 发b s 发 医羽g s m 第= 阶段扩展的额段巨圈 c s m9 0 0 懒段 圈 我国t a c s 已使用频段 目 d c s l8 0 0 的频段 图2 3 我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图 2 。2 2 2 频段间隔 相邻两频道间隔为2 0 0 k h z ，每个频道采用时分多址接入( t d m a ) 方式，分为8 个时隙，即8 个信道( 全速率) 。每信道占用带宽2 0 0 k h z 8 = 2 5 k h z ，同模拟网t a c s 制式每个信道占用的频率带宽。从这点看j 二者具有同样的频谱利用率。 2 2 2 3 频道配置 采用等间隔频道配置方法，频道序号为7 6 1 2 4 ，共4 9 个频点( 见图2 4 ) 。频道序 号和频点标称中心频率的关系为 频道 1234567891 01 11 2 组号 7 67 77 87 988 18 28 38 48 5 8 6 8 7 并频 8 88 99 09 19 29 39 49 59 69 79 89 9 道组 1 0 01 0 11 0 21 0 31 0 41 0 51 0 61 0 71 0 81 0 91 1 01 1 1 的频 1 1 21 1 31 1 41 1 51 1 61 1 71 1 81 1 91 2 01 2 11 2 21 2 3 道号 1 2 4 图2 49 0 0 m h z 频段数字蜂窝移动通信网的频道配置 _ f 1 ( n ) = 8 9 0 2 0 0 m h z + ( n 一1 ) 70 2 0 0 m h z 移动台发，基站收 f h ( n ) = f l ( n ) + 4 5 m h z 基站发，移动台收 n = 7 6 1 2 4 频道 2 2 2 。4 双工收发间隔：4 5 k l l z 发射标识：业务信道发射标识为2 7 1 k f 7 w ；控制信道发射标识为2 7 1 k f 7 w 。 主载波调制方式：调频 调制主载波的信号性质：包含量化或数字信息的双信道或多信道 被发送信息的类型：电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合 9 浙江人学硕 学位论文基于移动平台的无线远程监控系统 2 1 2 2 5 干扰保护比 载波干扰保护比( c i ) 就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值， 此比值与m s 的瞬时位嚣有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数 量一i 同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站珧的标高及位置，当地的干 扰源数目等所造成的。 g s m 规范中规定： 同频道干扰保护比：c i3 9 d b 邻频道干扰保护比：c i3 9 d b 载波偏离4 0 0 k h z 时的干扰保护比：c i3 4 1 d b 2 2 2 6 频率复用方式 频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开 足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。 频率复用方式就是指将可用频道分成若干组，若所有可用的频道n ( 如4 9 ) 分成f 组( 如9 组) ，则每组的频道数为n f ( 4 9 9 i5 4 ，即有些组的频道数为5 个，有些 为6 个，见图2 5 ) 。 图2 59 0 0 m h z3 9 方式频道分配图 因总的频道数n 是固定的，所以分组数f 越少则每组的频道数就越多。但是，频 率分组数的减少也使同频道复用距离减小，导致系统中平均c i 值降低。因此，在工 l o 浙江人学硕 学位论文 基于移动r 台的无线远程瓶控系统 程实际使用巾是把同频干扰保护比c i 值加3 d b 的冗余来保护，采用1 2 分组方式，即 4 个基站，1 2 组频率( 见图2 6 所示) 。 4 x 3 3 3 图2 6 频率复用方式 对于有向天线而言，天线可采用1 2 0 。或6 0 。的定向天线，形成三叶草小区，即把 基站分成3 个扇形小区。如采用4 1 2 复用方式，每个小区最大可用到5 个频道，。般 的也可用到4 个频道。如采用3 9 复用方式，则每个小区可用到6 个或5 个频道。 对于无方向性天线，即全向天线建议采用7 组频率复用方式，其7 组频率可从1 2 组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用( 见图2 7 ) 。业务量较大的小区可借用剩 余的频率组，如使用第9 组的小区可借用第2 组频率等。 图2 77 小区分组 以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为1 0 m h z 情况下，目前1 0 m h z 中4 m h z 为“中国移动公司”使用，另6 m h z 为“中国联通公司”使用。从频道序号来看，7 6 9 5 为“中国移动公司”使用，9 5 1 2 4 为“中国联通公司”使用。这样，“中国移动公 司”建的g s m 数字移动通信网如采用4 1 2 频率复用方式时，每小区可用频道数最大 仅有2 个( 1 6 个信道) ，有些只能用到1 个( 8 个信道) 。为此，“中国移动公司”f 属大部 分分公司将4 m h z 带宽向下端扩展2 m h z ，即占用模拟b 网2 m h z ，使g s m 数字移动 通信网从可用频道7 6 9 5 ( 2 0 个) 扩展到6 6 9 5 ( 3 0 个) ，4 1 2 方式每个小区一般可用3 1 l 浙江人学颂 j 学位论文基于移动。卜台的尤线远程怖控系统 个频道( 2 4 信道) ，最小也能用到2 个频道( 1 6 个信道) 。 2 - 2 _ 2 7 保护带宽 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间f 频道中心 频率之问) 应有约4 0 0 k h z 的保护带宽，通常是由模拟b 网预留。中国移动集团的数字移 动通信系统与巾国联通公司的数字移动通信系统之间也应有4 0 0 k h z 的保护带宽，即它 们之间少用一个频道，或由中国移动集团一方预留，或由中国联通公司一方预留。 2 2 3 短消息业务 短消息业务是承载于g s m 网络的业务，所有的g s m 网络均支持该项业务。短消 息业务能使g s m 客户发送短消息给其他g s m 点对点客户，也可使g s m 客户接收其他 g s m 客户发送的短消息。点对点的短消息业务是由短消息业务中心完成存储和转发功 能的。而短消息业务中心是在功能上与g s m 网络完全分离的实体，不仅可服务于g s m 客户，亦可服务于具备接收短消息业务功能的固定网客户。点对点的信息发送和接收既 可在g s m 客户终端处于呼叫状态时进行，也可在空闲状态下进行。 g s m 中唯一不要求建立端端业务路径的业务就是短消息，即使移动台已处于完全 电路通信情况下仍可进行短消息传输。短消息通信仅限于一个消息，换言之，一个消息 的传输就构成了一次通信。因此，业务是非对称的，一般认为移动起始短消息传输与移 动终接短报文传输是两回事。这并不阻碍实时对话，但系统认为不同的消息彼此独立， 消息的传输总是由处于g s m 外部的短消息服务中心( s m s c ) 进行中继，消息有目的 地或起源地，但只与用户和s m s c 有关，而与其他g s m 基础设施无关。 短消息的体系结构： 图2 8 短消息的体系结构 浙 1 大学顺l 学位论文基于移动甲台的光线远程临择系统 g s m 标准中定义的点点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之 间传递。这些服务中心是通过称为s m s g m s c 的特定m s c 同g s m 网络联系的。涉及 s m s 管理的叭议如图2 8 所示。 s m e ：s h o nm e s s a g i n ge n t i t y ，短消息实体。它町以接收或改善短消息，位于固话 系统、移动基站或其他服务中心内； s m s c ：s h o nm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心，负责在基站和s m e 间中 继、储存或转发短消息：移动台( m e ) 到s m s c 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s m t p ( s h o r t m e s s a g e t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ： s m c g w m s 或s m c g m s c ：s m s g a t e w a ym s c ，s m s 网关。接收由s m s c 发送 的短消息，向h l r 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。 1 ) 移动起始短消息：m o b i l eo r i g i n a t e ds h o r tm e s s a g e 一个g s m 用户发送短消息时，它必须至少在其内容中包含最终地址的识别符，和 处理这消息的服务中心号码，然后请求传递。短消息的传输要求在移动台和m s c 之问 建立信令连接。消息本身的传递要求在无线路径上建立专用的链路层链接，并要求采用 专用的消息传递协议。在规定的协议栈的顶部是所谓的传输层协议，在移动起始短消息 情形下，它是一条单独的报文，即s m t p ( 不是t c p i p 的s m t p ) 短消息传送报文，低 层处理应答的传送，它只指出s m s c 已收到报文。 2 ) 移动终接短消息：m o b i l et e r m i n a t e ds h o r tm e s s a g e 目的地为g s m 用户的短消息必须首先先从发送方路由至短消息服务中心，然后再 被路由至实际地址。当s m s c 有短消息需发送到期某一g s m 用户时，它建立一一条包含 各种利于接收者的信息的s m s d e l i v e r 报文。此信息包括用户的内容，最初的发送者 身份及用于批示短消息己被s m s c 接收的时间标记。与m o 情形相似，s m s d e l i v e r 报文将在各种接口上传送。在达到目的地前，报文的实际路由必须利用m a p c 查询功 能获得，采用的是如下方法：s m s c 将短消息传到与服务中心相连的s m s 网关，网关 的选择依赖于它想到在的用户，因为通常网关仅能处理某些用户( 某家营运商或某个国 家的用户) 。这样，用户通过目录号( 一般同电话一样) 来识别，这些目录号最初是由 短消息发送者输入的，这使得s m s 网关能识别有关的h l r 并查询它。查询是通过发送 一个专用报文，即用于短消息的m a p cs e n dr o u t i n gi n f o r 报文来实现；对其应 答既可采用包含用户正在访问的m s c v l r 的s s 7 地址的m a p cs e n dr o u n t i n g i n f of o rs h o r tm e s s a g er e s u l t 报文，又可当已知用户此时不可到达时采用拒绝 浙江人学硕 学位论文基于移动平台的无线远程舱控系统 报文。 3 ) 短消息的几个要素 s m s 山几个与提交或接收相关的服务要素组成，如：有效期( 在将短消息成功送达 用户前s m s c 需要保证的储存时间) ，优先性。此外，短消息还提供提交消息的时间、 告诉移动台是否还有更多消息要发送，以及还有多少条消息要发送等。 2 3g p r s 网络嘲 2 3 1g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，属于2 5 代移动通 讯系统。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 v 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。 构成g p r s 系统的方法是： 1 ) 在g s m 系统中引入3 个主要组件 g p r s 服务支持结点( s g s n ，s e r v i n g g p r s s u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 网关支持结点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 分组控制单元( p c u l 2 ) 对g s m 的相关部件进行软件升级 g p r s 系统原理如图2 9 所示图。 图2 9 g p r s 系统原理图 4 浙江人学坝l 学位论文基于移动平台的无线远程监控系统 2 3 2g p r s 的特点、优势及问题 g p r s 的主要特点是： 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源 和无线资源的利用。 2 ) 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 帧可分配1 到 8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向。l 二链路和向下链路的分配是独立的。 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率f 每用户1 。 g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 一2 、c s 一3 和c s 一4 四种编 码方案。 4 ) 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。 5 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能，计 费方式更加合理，用户使用更加方便。 6 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与 高速发展的i p 网无缝连接。 g p r s 的技术优势： 1 ) 资源利用率高：g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式 的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。 按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。 而对于分组交换模式，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。g p r s 用户的计费以通信的 数据量为主要依据，体现了“到多少、支付多少”原则。实际上，g p r s 用户的连接时 间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。 2 ) 传输速率高：g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ，不 包括f e c ) 。这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览， 同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 3 ) 接入时间短：分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可 大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已有的i n t e r n e t 应 用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议：g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协 议。而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性 15 浙江人学硕【学位论文皋于移动甲台的无线远程艏柠系统 无线接入。 g p r s 存在的问题： 1 ) g p r s 会发生包丢失现象：由于分组交换连接比电路交换连接要差些，因此， 使用g p r s 会发生一些包丢失现象。而且，由于话音和g p r s 业务无法同时使用相同的 网络资源，因此，用于专门提供g p r s 使用的时隙数量越多，能够提供给话音通信的网 络资源就越少。对用户来说其容量有限g p r s 确实划网络现有的小区容量产生影响，对 于不同的用途而言只有有限的无线资源可供使用。例如，话音和g p r s 呼叫都使用相同 的网络资源，这势必会相互产生一些干扰。其对业务影响的程度主要取决于时隙的数量。 当然，g p r s 可以对信道采取动态管理，并且能够通过在g p r s 信道卜发送短信息来减 少高峰时的信令信道数。 2 ) 实际速率比理论值低：g p r s 数据传输速率要达到理论上的最大值1 7 2 2 k b p s ， 就必须只有一个用户占用所有的8 个时隙，并且没有任何防错保护。运营商将所有的8 个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的g p r s 终端预计可能仅支持 1 个、2 个或3 个时隙，一个g p r s 用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论 上的g p r s 最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。 3 ) 终端不支持无线终止功能：目前还没有任何一家主要手机制造厂家宣称其g p r s 终端支持无线终止接收来电的功能，这将是对g p r s 市场是否可以成功地从其他非语音 服务市场抢夺用户的核心问题。启用g p r s 服务时，用户将根据服务内容的流量支付 费用，g p r s 终端会装载w a p 浏览器。但是，未经授权的内容也会发送给终端用户， 更糟糕的是用户要为这些垃圾内容付费。 4 ) 调制方式不是最优：g p r s 采用基于g m s k ( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f tk e y i n g ) 的调制技术，相比之下，e d g e 基于一种新的调制方法8 p s k ( e i g h t p h a s e s h i f tk e y i n g ) ， 它允许无线接口支持更高的速率。8 p s k 也用于u m t s 。网络营运商如果想过渡到第三 代，必须在某一阶段改用新的调制方式。 5 ) 存在转接时延：g p r s 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地， 那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。 2 3 3g p r s 网络结构 g p r s 网络是在现有g s 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 1 0 所示。 1 6 浙江大学硕1 学位论文幕于移动、p 台的无线远程崎拧系统 图2 1 0 g p r s 系统结构 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。 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心( s m s g m s c ) 和短消息业务互通移动交换中心 ( s m s - i w m s c ) 、移动台、移动交换中心、( m s c ) 拜访位置寄存器( v l r ) 、分组数据网络 ( p d n ) 等。 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，可咀连接各种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。g s n 是一 种类似于路由器的独立设备，也与g s m 中的m s c 集成在一起。在一个g s m 网络中允 许存在多个g s n 。g s n 有两种类型：s g s n 和g g s n 。 1 ) s g s n 是为移动终端( m s ) 提供业务的节点( 即o b 接口由s g s n 支持) 。在激活g p r s 业务时，s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端f m s ) 的移动性和安 全性方面的信息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和 s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 2 ) 6 g s n 通过配置一个p d p 地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的g p r s 业务用户的路由信息，并根据该信息将p d u 利用隧道技术发送到m s 的当前的业务接 入点，即s g s n 。g g s n 可以经g c 接口从h l r 查询该移动用户当前的地址信息。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。另外， g g s n 也又被称作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| 办 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。 1 7 浙江人学钡 。学位论文基十移动1 f 台的无线远程监控系统 2 3 4g p r s 传输平台 传输平台由一个分层协议结构组成，如图2 1 2 所示。其用于用户信息传输以及与此 相关的信息传输中的过程控制( 例如：流量控制、检错、纠错和错误恢复等) 。传输平台 通过底层无线接l _ _ i 和网络子系统( n s s ) 平台连接，这种独立性通过保留g b 接1 ：3 来实现。 应用层 i p x 2 5 i p x 25 s n d c p些 ! z 7 g t p s n d c pg t p l l cl l cu