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利用g p r s 技术搭建水情遥测数据传输平台 摘要 水利工程是关系国计民生的重要工程，水情遥测系统是水利信息化的重要 组成部分。随着社会信息化，传统的水情遥测系统通信网络以及通信方式已经 制约了水利信息化的发展。寻找新的水情遥测系统承载平台，使其能较好满足 现在以及将来的水利信息化的需要，并能和现今的其他数据网络实现信息融合 和共享就显得相当重要。无线通信技术是二十一世纪最有发展前景的技术之一， 而蜂窝移动系统又是无线通信技术中的最为重要的广域通信技术。无线数据业 务这几年得到了长足发展( 如w a p 无线浏览技术、m m s 技术、e m a i l 等已经实现 商用) ，而且在将来，全i p 无线网络、高速无线数据业务将使其应用更加广泛。 本课题的研究目的就是利用移动通信网络( g p r s 无线数据网) ，为水情遥测系 统获取丰富的水情信息提供统一的传输通道，并把系统之间以及系统和公共数 据网之间无缝的连接起来，从而搭建一个实用、统一、易扩展、可升级而且独 立于承载网络的水情遥测数据传输平台一- - h i t t p 。 本文从分析和设计的角度对该平台进行了研究，所做的主要工作有以下几 点： 夺根据水情系统的实时性要求，对g p r s 网络的数据业务流程以及时延性能进 行了深入的分析和研究，得出其时延性能是满足要求的。 夺利用西门子3 1 1 8 手机，进行了实验和调试。从数据链路层开始，成功实现 了终端和服务器的通信。在此基础上，为了保证传输普通文本、控制信息 以及图象信息的有效传输，详细研究了在多媒体领域中应用广泛的实时传 输与控制协议r t p r t c p ，该协议在控制、测量等对实时陛有要求的工业领 域也有良好的应用价值。最终实现了水情遥测数据传输平台的搭建，并对 其组成原理和实现方式进行了详细讨论。 夺分析了该平台的协议栈组成结构以及各层协议。 夺为了保证该平台的健壮、易维护、可扩展的性能，设计了该平台的自动机 模型，并对其进行形式化证明和程序化。 夺分析了该平台的性能，展望其在将来高速无线数据业务中的的应用价值。 关键词：水情遥测系统、传输平台、r t p r t c p 、有限自动机、g p r s 、p p p m a k i n gu s eo fg r p st e c h n o l o g yt ob u i l dh y d r o l o g y i n f o r m a t i o nt e l e m e t r i ct r a n s m i t t i n gp l a t f o r m a b s t r a c t h y d r o l o g ye n g i n e e r i n gi sv e r yi m p o r t a n tw h i c ha f f e c t st h en a t i o n a le c o n o m y a n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d t h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e mi sak e yc o m p o n e n to f i n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt h ef i e l do fw a t e rc o n s e r v a n c y b u tw i t l lt h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t yi n f o r m a t i o n i z a t i o n t h et r a d i t i o n a ln e t w o r ka n dt h em t h o do ft h eh y d r o l o g y t e l e m e t r i cs y s t e mb e c o m eb o t t l e n e c ko fi n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt h ef i e l do fw a t e r c o n s e r v a n c y t os e e kan e wb e a rp l a t f o r mo ft h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m ，a n d m a k ei ts u f f i c et h en e e do fi n f o r m a t i o n i z a t i o ni nt h ef i e l do fw a t e rc o n s e r v a n c y b e t t e ra n ds y n c r e t i z eo rs h a r et h ei m f o r m a t i o nw i t ho t h e rd a t an e tb e c o m ev e r y u r g e n t w i r l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h em o s tp o t e n t i a lo n et e c h n o l o g y , c e l l m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n te x t e n s i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y w i r l e s sd a t ao p e r a t i o nm a k e sg r e a tp r o g r e s s ( s u c ha sw a pb r o w s e r ， m m sa n de m a i lt e c h n o l o g y ) ，i nt h ef u t u r e ，t h et o t a li pw i r l e s sn e ta n dh i 曲s p e e d w i r l e s sd a t ao p e r a t i o nw i l lb ea p p l i e dm o r ew i d e l y t h i sa r t i c l e sp u r p o s ei sn o t o n l y m a k i n gu s eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t ( s u c ha sg p r sn e t ) t op r o v i d ea u n i v e r s a lt r a n s f e rt u n n e lf o rh y d r o l o g yt e l e m e t r i c s y s t e mo b t a i n i n ga b u n d a n t i n f o r m a t i o nb u ta l s oj o i n tt h ed i f f e r e n ts y s t e m so rh y d r o l o g ys y s t e ma n do t h e rd a t a n e tw i t h o u ta n ya p e r t u r e s oa s 幻b u i l daa p p l i e d ，u n i v e r s a l ，e x t e n d i n ge a s i l ya n d u p g r a d eh y d r o l o g yi n f o r m a t i o nt e l e m e t r i ct r a n s m i t t i n gp l a t f o r m - - h i t t pw h i c h i n d e p e n d e n to nb e a r i n gn e t - w o r k a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r o l o g y t e l e m e t r i cs y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e st h eh i t t pf r o mt h ea n g l eo fa n a l y s i sa n dd e s i g n i n g t h e k e yw o r kt h a th a sb e e nd o n ei sb e l o w ： 夺a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fh y d r o l o g ys y s t e m sr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c ， a n a l y s ea n ds t u d yg p r s d a d ao p e r a t i o na n dt i m e - l a p s ec a p a b i l i t y t h o r o u g h l y a tl a s ti tg e t sar e s u l tt h a tg p r s sd a d ao p e r a t i o ns a t i s f i e st h en e e d 夺 m a k i n gu s eo fs i e m m e s sp h o n e 一31 18t oe x p e r i m e n ta n dd e b u g 。f r o md a t a l i n kl a y e r ，r e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep h o n ea n dw e bs e r v e r d e p e n d i n go nt h i s ，i no r d e rt o g u a r a n t e et h ev a l i dt r a n s f e r r i n go fp l a i n i l t e x t ，c o n t r o l i n f o r m a t i o na n ds t a t i ci m a g e ，a u t h o ra b s o r b st h er e a lt i m ec o n t r o l p r o t o c o lr t p r t c pw h i c hi su s e dw i d e l yi nm u l t i m e d i af i e l d i th a sf a v o u r a b l e v a l u ec o n t r i b u t i n gt oi n d u s t r i a l a n dm e a s u r ef i e l d sw h i c hn e e dr e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i c a tl a s t ，r e a l i z et h ep u r p o s et ob u i l dh y d r o l o g yi n f o r m a t i o n t e l e m e t r i ct r a n s m i t t i n gp l a t f o r m t h e nd i s c u s si t s c o m p o s i n gt h e o r ya n d r e a l i z i n gd e t a i l e d l y 夺a n a l y s et h ep r o t o c o ls t a c ko fh i t t pa n di t sp e rl a y e rp r o t o c 0 1 夺t o g u a r a n t e et h e h i t t p s h a l e n e s s ，m a i n t e n a n c e e a s i l y , p a t u l o u s s t r o n g p o i n t ，a u t h o rp u tu pw i t haf i n i t ea u t o m a t o nm o d e l t h e np r o v ei t s o r m a l i z a t i o na n dr e a l i z ei tb yp r o g r a m 夺a tl a s t ，a n a l y s eh n l p sc a p a b i l i t ya n dp r o s p e c ti t s a p p l i e dv a l u ei nt h el l i g h s p e e dw i r t e s sd a t at r a n s f e r r i n gf u t u r e k e yw o r d s ：h y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m ，t r a n s m i t t i n gp l a t f o r m ，r t p r t c e f i n i t e a u t o m a t o n ，g p r s ，p p p i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 传统水情遥测系统简介 水情遥测系统是一个包括通信、计算机以及水文等在内的多学科的综合系 统，是防洪、水利资源优化调度的必要手段。通信网络为各测站与中心站之间提 供稳定可靠的数据传输通道。通讯网络是水情遥测系统的关键，而通信方式的选 择是通信网络设计的重要部分，它将直接影响到水情遥测的可靠性和经济性，应 根据水情遥测系统的要求、所在地区地形、运行维护条件、建设运行费用以及交 通等条件综合分析确定。通讯网络总的来说可以分为有线网络和无线网络两类， 在水情遥测系统中均有应用。 1 ) 有线网络：在水情有线拨号遥测系统中以公用交换电话网为通信线路。公用 交换电话网通常是由通信终端、集团电话系统、专用分局交换机中继线和数 据访问设备组成。由于公用交换电话网传输的信号是模拟信号，而计算机所 能处理的数字信号不能直接进入这样的信道，所需的中间设备就是 m o d e m ( 调制解调器) 。在有线组网的方式下，还有一种利用光纤进行水情 数据通信，光纤传输信号比较稳定，受干扰小，带宽大，但是由于需铺设光 纤专线，投资成本费用比较高，往往受到一定的限制。 2 ) 无线网络：当水情遥测系统中的遥测站现场分布比较广，在传统的方式中只 能采用无线通信方式。电波信号的传输根据工作波长( 频段) 的长短不同，有 地面波传输( 长波) ，电离层反射传输( 短波) ，空中传输( 超短波，微波) 等 三种方式。我国无线电管理部门将无线数据传输业务主要分配到 2 2 0 2 4 0 m h z 频段( 另外还有8 0 0 m h z ，2 4 g h z 等) ，这个频段的电波传播 是通过空中进行的。水情遥测系统中无线通信方式一般有超短波方式、卫星 通信等，随着移动网络通讯的发展，移动通信技术也被运用在水情数据通讯 中，如s m s 等。超短波方式组网，虽运营成本比较低。但是频率资源、带 宽、功率、架设天线、可维护性以及稳定性等问题是应用中的最大难题。况 且，随着社会的发展和城市化进程的加快，往往会出现由于新建高楼的增加 而导致整个通信信号质量大幅下降的情况。卫星通信较适应于地形复杂、覆 盖范围大的水情自动遥测系统，是大面积收集水情数据的一种较理想的通信 方式，但由于受卫星转发器和地面设备的限制，传输信号受到雨衰的影响以 及使用费用高，卫星通信在应用中受到一定的局限。目前，水情测报可利用 第一章绪论 的卫星有以下几种：同步气象卫星、同步通信卫星、海事卫星等。采用s m s 传输水情数据，实际上是利用g s m 移动通信网位通讯网络。g s m 网络为水 情遥测系统所用使水利行业的应用有了一个新的突破，该系统具有有线与无 线组网方式的两重优点，利用现有的网络资源，安装调试方便，技术成熟， 建设运行成本较低，通信效果良好，覆盖范围广。但s m s 通讯方式有个难 以回避的弊端就是短信的时延非实时性以及通讯量比较低，每条短信的最大 数据量才是1 4 0 个字节，传输较大数据量时使用s m s 是不切实际的。另外， s m s 在短消息中心s m s c 有个存储转发的过程，不易满足水情数据的实 时性要求。 综上所述，不同的通信方式在水情遥测系统的发展中起了非常大的作用。但 随着水利信息化的需求和发展，水情遥测系统原有的通信方式已经难以满足较高 的通信要求。为了解决上述的问题，水情遥测系统需要搭建新的传输平台，选择 经济、可靠、实用的通讯方式。 1 2 本论文的研究目的 在已有的水情遥测系统中，大部分采集的都是文本数据，比如读取水位信息、 雨量信息等，数据量较小，这在单独的水情应用中是满足需求的。但在其他一些 场合，比如堤坝的环境监测、大型灌溉区的监测等，简单的文本信息难以达到预 想的监测效果。水情系统需要更加丰富的水情数据，比如图象信息，可以达到更 加直观的监测效果。另外，由于不同遥测系统的通信网络以及通信协议都是孤立 的，系统之间的信息难以融合和共享，并且还需要维护通信网。这些问题，在一 定程度上制约了水情遥测系统的发展。移动数据通讯业务的发展与成熟，可以为 解决上述问题提供较好的解决方案。本课题的研究目的就是利用移动通信网络， 为水情遥测系统获取丰富的水情信息提供统一的传输通道，并把系统之间以及系 统和数据网之间无缝的连接起来，从而搭建一个实用、统一、易扩展、可升级而 且独立于物理承载网络的水情遥测数据传输平台( h y d r o l o g yi n f o r m a t i o n t e l e m e t r i ct r a n s m i t t i n gp l a t f o r m ，简称h i t t p ) ，如图1 一l 所示。 。- - 。- 。t 。t - ( ；i ：! i j j ! ! j i ! ! ：! ! ! ! ! i j ：i i j i ! ! j ! ! ! ! i i ! i i ! ! ：! i i j i ! ：) - - - - 。t o o - - 。- 。一。- 。- 图i 一1 h i t t p 示意图 1 3 本论文的研究技术背景 第一章绪论 前面已经提出，本论文的目的是利用现在和将来的商用移动通信网搭建一个 通用的h i t t p ( 水情遥测数据传输平台) 。到目前为止，大家普遍认为移动通信可 分为三代：i g 、2 g 、3 g 。i g 是一种模拟和半模拟的移动网络。2 g 移动网络的 重点在于系统间的兼容性和全球透明性，它除了能提供传统的语音业务之外，还 能提供一些数据业务。3 g ，将能真正实现移动通信系统的全球化，全i p 是3 g 的重要特点，其主要目标是将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络 功能的统一系统，它能够提供宽带业务并将实现全球无缝覆盖。3 g 系统本身也 在不停地演化，最近已经有人开始讨论4 g ，4 g 系统主要考虑引入更多的功能给 移动终端，系统会更加复杂。我们确信3 g 系统将来的主要目标是提出新的方法 来处理各种类型的数据业务和用户的移动性可以看出，移动通信的发展趋势是高 宽带、数据化、分组化和全i f 。3 g 系统技术具有较高的数据传输能力，最高可 达2 m b i t s ，而g s m 数据传输速率只能达到9 6 k b i t s 。为了让g s m 用户享用较 高数据速率业务，并利用现有g s m 基础网络和基础设施，就在g s m 系统中引 入了g p r s 技术。g p r s 是向g s m 用户提供高速数据业务，即从2 g 向3 g 演进 的必经之路。o 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 ) 也称通用分组无线业务，是g s m p h a s e2 + 规范，是一种基于g s m 移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的 i p 或x ，2 5 的连接，从而在g s m 网络中引入分组交换能力，其理论理论速率到 达1 7 2 k b i t s ，实际速率也能达到3 0 k b i t s 左右。无线数据业务这几年得到了长足 发展( 如w a p 无线浏览技术、m m s 、e m a i l 等技术已经实现商用) ，而且在将来， 全i p 无线网络、高速无线数据业务将更为成熟。本论文的实验网络采用g p r s 网。 随着通信技术不断的发展，传统的话音业务市场已经趋于饱和，世界各国都 在致力于无线通信的数据传输技术研究和应用，在有线网络上既有的业务功能也 别逐渐引入到无线移动网络中来，如流媒体业务。流媒体在因特网上的传输必然 涉及到网络传输协议，这是制约流媒体性能的最重要的因素。为了保证对网络拥 塞、时延和抖动及其敏感的流媒体业务在面向无连接的球网络终端服务质量， 必须采用合适的传输协议。在i p 互联网上传输数字音频或视频信号所使用的协 议是实时传输协议r t p , r t p 协议是专门为交互式话音、视频、仿真数据等实时 媒体应用而设计的轻型传输协议，提供端到端的实时网络传输。但它不局限于这 样的应用，也可以运用到控制、测量等对实时性有要求的工业领域。但r t p 协 议本身并不提供对实时媒体应用的服务质量保证，需要下层协议提供支持。r t p 协议由紧密相关的两部分组成：负责媒体数据传输的r t p 协议和负责反馈控制、 传输监测的r t c p 协议。 所以说，移动通信不断发展的数据通讯业务为h i t t p 的搭建提供了有效的物 理承载网络，移动数据业务本身也专门为工业级数据应用提供了良好的技术支 持。同时h i t t p 中引入了实时控制协议r t p ，保证有效传输水情数据。从而为 第一章绪论 水情遥测系统采集丰富的水情数据提供统一、高效的传输通道。 1 4 本论文的主要工作以及内容组织结构 本文所做的主要工作： 1 ) 搜集有关资料，阅读有关水情遥测系统方面的文献，并对现有的水情数据传 输方式进行了解与分析： 2 ) 跟踪移动通信市场，通过市场调查，对移动通信运营商提供的服务进步认 识，并根据实际的选型需要，在市场上找到适合系统要求的服务与产品； 3 ) 阅读有关移动通信书籍和资料，阅读g s m 、g p r s 、p p p 、u d p f l p 、r t p r t c p 以及3 g ( u m t s ) 等标准协议，对将用到的技术进行理论化的分析研究，加以 汇总，分析其特点， 4 ) 进行g p r s 数据传输业务实验调试工作，实现g p r s 终端和因特网上的服务 器之间的数据通讯； 5 ) 搭建一个完整的水情遥测数据传输平台，从数据链路层开始，研究并实现该 平台的组成协议。为了使该平台具有健壮、可扩展、易维护的特性，提出了 一个实用的有限自动机模型，并程序化。 6 ) 测试h i t t p 的性能，介绍总结2 5 g 后的无线数据业务及其特点，并对h i t t p 在其上的运行效果进行展望分析。 本文的内容和组织结构： 第一章绪论。介绍传统水情遥测通信方式以及本论文研究目的、技术背景以 及主要工作。 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析。由于h i t t p 的物理实验网 络是g p r s 网，并且其也受实际网络性能的影响。本章分析了g p r s 的数据业务的实现原理，并根据其数据传输过程分析g p r s 数据业务 的时延性能，得出g p r s 数据传输业务适合水情系统的实时性要求。 第三章h i t t p 原理以及组成结构的分析与设计。详细讨论了水情遥测数据传 输平台的原理以及组成结构和如何实现该平台。分析了如何在该平台 上传输监测图象信息以及h i t t p 的自适应机制。 第蹬章数据传输平台各层协议的研究分析。h i t t p 的基础是其协议栈，为了 使h i t t p 和数据网无缝的连接，h i t t p 采用标准的通信协议。本章 详细分析了h i t t p 协议栈的不同层协议和配置实现方法。 第五章h i t t p 中有限自动机模型的设计与程序实现。简述了有限自动机的基 本概念，为了保证该平台的健壮、可靠性以及提高软件设计的工作效 率，设计了一个自动机模型，并对其形式化证明以及程序化。 4 第一章绪论 第六章 第七章 第八章 数据传输平台的应用层设计。对水情遥测系统中的应用数据进行格式 化分析，提供了传输平台的应用接口并解释如何使用搭建的数据传输 平台。 传输平台的性能分析以及此平台在3 g 网络上运行效果展望。 总结 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 2 1g p r s 的基本特性分析 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a t i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是一种基 于分组交换传输数据的高效率方式，能够使得用户在端到端分组传送模式下发送 和接收数据。由于无线资源采用动态分配方式，一个用户可分配多个时隙，一个 时隙也可由多个m s 共享，用户虽然与网络一直连接，但仅当有数据传送时才占 用无线信道资源。g p r s 业务非常适合承载具有下列特性的数据应用： 1 ) 突发数据的陆续传输，连续两次数据的发送时间间隔远远大于平均传送延 迟： 2 ) 小量数据的频繁传输，例如每次会话的数据量不超过5 0 0 字节，会话产生的 频率为每分钟几次； 3 ) 大量数据的偶尔传输，例如每次会话的数据量为几千字节，会话产生频率则 为每小时几次。 g p r s 具有以下几个优点： 1 ) 资源利用率高，与g s m 语音业务共享无线与网络资源。 2 ) 传输速率高，c s d 方式下，每个用户只能占用一个时隙，最高基本速率为 9 6 k b s ，而g p r s 采用时隙结合的方式，最高可以达到1 7 1 2 k b s 。 3 ) 用户始终保持在线连接，呼叫建立时间短。g p r s 的会话连接机制为快速预 留，能够马上开始分组传输，典型的呼叫建立时间为o ，5 s 一1 s 。 4 ) 与标准i n t e r n e t 的无缝连接，支持x - 2 5 协议和l p 协议。从而使g p r s 可以 与多种网络交互，促进了通信和数据网络的融合。 5 ) 计费方式合理，按数据流量计费，同时提供优惠套餐计费业务。 2 2g p r s 网络结构以及平面传输协议介绍 g p r s 为g s m 用户提供了数据通信的接口，如e m a i l 、i n t e m e t 等。g p r s 是利用现有的g s m 网络并通过增加新的分组交换网络设备实现的。现有的g s m 网络军u 用分组交换技术在用户之间传递信息( 语音或数据) ，然而g p r s 使用分 组交换功能就不需要为g p r s 手机建立一条专用的电路。也就是说在需要传送数 6 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 据时，才动态地建立起一条物理链路，当数据传送完后，这些资源( 如无线接口 的时隙) 又将分配给新的用户。 图2 一lg p r s 网络组成 如图21 所示，从网路侧看，g p r s 是在g s m 网络的基础上增加s g s n 和 g g s n 这两种网络实体以及g b 、g n g p 、g i 、g r 、g lg d 、g s 、g c 等接口而实 现的。s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 和g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 是实现g p r s 的核心实体，它们也可通称为g s n 。s g s n 是为m s 提供移动性管理、路由选择 等服务的节点，g g s n 是用于接入外部数据网络和业务的节点。在上述接口中， g s 和g e 接口是可选接口，需要s g s n 和m s c ( 移动交换中心) 配合实现诸如联合 位置更新、经由g p r s 进行c s 寻呼等功能时，就应选用g s 接口：如果选用g c 接口，则g g s n 可直接从h l r ( 归属位置寄存器) 获取位置信息，如果未选用g c 接口，则g g s n 需要通过其他s g s n 或g g s n 从h l r 获取位置信息。 来自m s ( 移动终端) 的用户信令与数据在b s s ( 基站系统) 之后分流，电路 业务经a 接口去往m s c v l r 进入g s m 核心网，分组业务则经g b 接口去往 s g s n 进入g p r s 骨干网。b s c 与s g s n 之间可以利用帧中继方式相连，信令和 数据在这一传输平台中传送，帧中继支持请求宽带，线路利用率较高，费用较低， 适用于分组数据的传输。此外，在业务量不太大的情况下，g b 接口也可以暂时 共享原g s m 网a 接口的传输资源，在m s c 侧通过m u x 分复用之后，再将g p r s 数据流送往s g s n 。 在g p r s 骨干网内部，各g s n 实体之间通过g n 接口相连，它们之间的信令 和数据传输都是在同一传输平台中进行的，所利用的传输平台可以在a t m 、以 太网、d d n 、i s d n 、帧中继等现有传输网络中选择。 g p r s 骨干网中的s g s n 和g g s n 还通过g d g c 、g s 、g lg d 等接口分别 与h l r 、m s c v l r 、e i r 、s m s g m s c 等原有g s m 网络实体相连，这些实体 之间的通信只涉及信令，利用s s 7 网络进行通信。g p r s 骨干网通过g g s n 经 g i 接口与公共数据网( p d n ) 互连，p d n 可以是i n t e m e t 、x 2 5 x 7 5 等网络， g i 接口应是与p d n 相应的接口，即在与不同的p d n 互连时，g i 接口也不同。 7 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 g p r s 业务的提供涉及m s 、b s s 、s g s n 、g g s n 、h l r 以及外部p d n 等实 体，还可能涉及m s c v l r 、s m s g m s c 等实体。g p r s 的主要功能是由s g s n 、 g g s n 与m s 、h l r 、p d n 等相关实体配合实现的。 m m ( 会话) 上下文、p d p ( 分组数据协议) 上下文、g p r s 签约数据等都是g p r s 提供移动分组数据业务所必需的信息，这些信息分别由一系列相关的标识和相应 的状态信息组成，存储在上述各相关实体中，供执行登记、鉴权、移动性管理、 路由选择等功能时调用。 g p r s 提供的承载业务有：点对点无连接网络业务，点对点面向连接的数据 业务，点对多点数据业务，以及其它业务。它的传输协议平面结构如图2 3 所 示。 一m s u 十m 一三翌a p p - ，一叫g 5 s g s n 彳一一旦g 虬 g i 一1 l 一 1 卜r d a y i j 、 i 心, ii 十 g t i + f 一1 删 一+ - + 1 i x 2 5 + j 一 + l i i + l j ： ： + 1 j u i n 接口的传输平面协议g b 接口的传输平面协议g n 接口的传输层协议a 接口的传输平面拼议 图2 3g p r s 传输平面协议 g p r s 的传输平面是一种分层的协议结构形式，它实现用户信息的传输功能， 以及有关的信息传送控制过程，例如流控、检错、纠错等。其中，g b 接口的实 现保证了网络子系统( n s s ) 部分独立于空中接口部分的。传输平面包括： 1 ) g p r s 隧道协议( g t p ) ：g t p 对信令消息和用户数据n p d u 天骄g t p 协议 头，封装成g p d u 后，在s g s n 和g g s n 之间进行传送。 2 ) u d p t c p ：在g p r s 的骨干网中，需要可靠数据链路传送的g t pp d u s ( 例 如来自x 2 5 的数据分组) 采用t c p 协议；不需要可靠数据链路传送的g t p p d u s ( 例如i p 分组) 采用u d p 协议。 3 ) i p ：g p r s 骨干网内分组路由选用的协议。开始是基于i p v 4 ，最终将采用i p v 6 。 4 ) 子网会聚协议( s n d c p ) ：它的功能是实现对外部网络数据单元的透明传输。 s n d c p 还有一个功能就是数据压缩，以提高信道效率。s n d c p 有 a c k n o w l e d g e 和u n a c k n o w l e d g e 两种数据传送方式。在u n a c k n o w l e d g e 方式下， 发端，n p d u 在被传递给l l c 层之后立即删除；收端，s n d c p 实体负责 检出丢失的s n - - p d u ，如有可能，还负责扔弃重复的s n - - p d u s 进行重组、 8 第二章g p r s 的数据传输机制及其时廷性能分析 解压缩，重新构成n p d u 后递交给s n d c p 的用户。在a c k n o w l e d g e d 方式 下，s n d c p 实体将缓存n p d u ，直到组成该n - - p d u 的所有s n p d u s 被 正确接收。 5 ) 逻辑链路控制( l l c ) ：该层负责提供加密的高可靠性逻辑链路。 6 ) r e l a y ：在b s s 中，该功能负责在u m 和g b 之间传送l l cp d u s 。在s g s n 中，负责在g b 和g n 之间传送p d p p d u s 。 7 ) b s s g p ：该层负责在b s s 和s g s n 之间传送与路由和q o s 有关的信息。 8 ) n e t w o r ks e r v i c e ( n s ) ：该层负责传送b s s g pp d u s 。n s 在b s s 和s g s n 之 间是基于帧中继的。 9 ) r l c m a c ：该层完成两个功能：r l c 负责l l p d u 的拆装和重组，并提 高可靠的无线链路。 2 3g p r s 的分组路由和传递过程 现在来看分组数据单元( p d u ) 是如何从g p r s 网络的一端发往另一端的。 如果i n t e m e t 网上的服务器和g p r s 终端交互数据信息，那么分组数据是如何传 递的呢? 在这里通过一个例子来说明分组数据单元是如何在各个接口通过相关 协议来传递的，假设从服务器向g p r s 终端传递信息，反之流程相反。数据从因 特网到达g p r s 骨干网后，分为4 个传输阶段，如下： 1 ) g g s n 的数据传输 数据信息首先将通过因特网送到g g s n ，g p r s 网络对因特网是透明的， g g s n 相当于连接两个网络的网关。g g s n 收到数据后，若g g s n 可以激活该 用户的p d p 上下文的话，它将根据用户的i m s i 来找到它当前所处的s g s n ，来 由s g s n 把该数据传送给移动台。应用层( 即发送电子邮件的电脑) 将生成一个 i p 数据包，并通过外部数据通信网( i p 或x 2 5 ) 把该数据信息传送给g g s n 。 当i p 数据包到达g g s n 后，它就被称作n - p d u ( 弼 络分组数据单元) ，并通过用 户的i m s i 或i p 地址来完成寻址。应注意的是，该n p d u 将在g g s n 协议栈一 层层的被传递下去，并且在每一层都将被加上相应的报头。 当数据从p c 发往i p 网络时，我们通过将i p x 2 5 层的应用层数据加上一个 i p 字头。通过g t p 协议的n p d u ，将被加上一个g t p 字头来区分n p d u 和 g t p 消息。在加上g t p 字头后，n p d u 将被传送到u d p t c p 协议层。该层将 把u d p t c p 再加上该层的字头，该字头包括发端和目的端的端口地址、路由信 息及流量控制参数( 针对t c p ) 。n p d u 被传送至i p 层，在该层所加的字头包 括发端和目的地的g s n 的地址( 在这里指的是s g s n ) 。由于n p d u 的长度和 i p 层的m t u ( 最大发送单元) 的限制，p d u 将被分段。最后n p d u 带着所有 9 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 被加上的字头通过g n 接口的物理层被传送到s g s n 中。 2 1s g s n 的数据传输 在s g s n n p d u 在g g s n 被加上的各个字头通过相应的协议层又被一层层 的去掉，并通过中继层被送到了s n d c p 层。s n d c p 层的作用是将这些分组进 行压缩和分段来满足g b 接口上帧中继网络服务层( n s ) 的m t u 最大长度为1 5 2 0 字节的传输要求。在分段处理完之后，s n d c p 还将按照数据传输的类型，将 n p d u 分别归类到面向连接的s n d a t ap d u 和无连接的s n - u n i t d a t a p d u 。最后，它将给处理后的p d u 加上一个包含着压缩和分段消息的s n d c p 字头，并把它们发送到l l c 层。 b s s g p 层位于l l c 层之下，它主要为n s 层提供一些路由消息，这些消息 用于通知l l c 块应该采用哪个路由来通过帧中继物理层。b s s g p 层也为l l c 块 增加了一个字头，该字头主要为无线接口的r l c m a c 层的重传功能来提供相关 的参数，如无线优先级、t l l i 等等。 3 1b s s 的数据传输 分组数据将通过物理层的连接从s g s n 传送到b s s 。b s s 收到分组数据后， 将把b s s g p 的所有信息都传送给r l c 层。r l c 层最主要的工作就是将l l c 块 分段成更小的r l c 块，即形成临时块流( t b f ) ，t b f 仅在数据传输时存在，而 且每个t b f 都被分配了一个t f i 。r l c 层为这些数据块增加了一个字头，该字 头包括t f l 、t l l i 、b s n 、d 等等。 4 ) 网络分组数据单元在空中接口的基本传送过程 g p r s 目前支持与外部数据网络x 2 5 和i p 网络的互联，可以承载这两种网 络上的数据应用。但对g p r s 网络内部来说，要传送的n p d u 都一样，它并不 区分是来自哪一种网络的n - p d u 。n p d u 先传输到s n p d u ( 用户数据) ，接着 s n p d u 传输到l l p d u ，这是在g p r s 骨干网中的传输。到达空中接口，又分 为移动台发起的分组传送过程和向移动台传送分组的过程。 2 4g p r s 时延性能分析r 本节分析g p r s 网络的吞吐性能和时延性能。根据定义，数据在g p r s 网络 传输经历的时延包括空中接口时延和网络传输时延。网络传输时延取决于固定传 输网，比较固定，计算出来非常小，往往可以忽略。空中接口时延则较复杂，它 取决于媒质接入控制协议( m a c ) 和无线链路控制协议( r l c ) 。g p r s 的m a c 协议 在上行信道的接入过程种采用基于时隙a l o h a 的随机竞争协议。接入成功后，允 许多用户复用共享同一个信道，在动态分配资源时类似令牌传递接入协议。对于 数据在无线信道上传输出错的情况，r l c 采用选择重传方式。本节将根据g p r s l o 第二章g p r s 的数据传输机制及其时延性能分析 的退避策略和信道安排算法推导出空中接口的接入时延公式和传输时延公式。 1 ) b s s 到s g s n 帧中继承载传输时延的分析 b s s 到s g s n 之间的数据传输是由帧中继承载的。b s s 和s g s n 与f r 的接 口为u n i ，它们都被视为f r 网络的用户。上行方向，b s sr l c 将接收到的b l o c k s 重组为l l p d u 后，递交给r e l a y ，由r e l a y 负责将l l p d u 传送给b s s g p , b s s g p 在l l p d u 之前添加m s 的t l l i 、q o s 配置、小区i d 以及填充字节后，形成 u l u n i t d d a t a ，利用帧中继的永久虚连接p v c ( 数据链路连接是由网络层操作 人员预先在网管中建立的，一般需要用户预先提出申请) 发送给s g s n 的对等 b s s g p 实体。下行方向，s g s n 的b s s g p 收到上层l l c 发送l l p d u 的请求后， 在l l p d u 之前添加m s 的t l l i 、q o s 配置、p d u 生存时间、m s 无线接入能 力、优先级、d r x 参数、i m s i 、填充字节后，形成d l u n i t d a t a ，利用p v c 发送给b s s 的对等b s s g p 实体。 f r 是以帧传输的方式来承载数据的，当有u l u n i t d a t a d l u n i t d 御队 要发送时，数据被添加地址、控制、校验位等后封装成帧。地址字段主要用来区 分同一通路上多个数据链路的连接，以实现帧的复用与分路，它包含数据链路连 接标识d l c i 、命令响应指