【文章內(nèi)容簡介】 CP/IP 協(xié)議族，詳細(xì)分析了TCP/IP 協(xié)議族中的兩個協(xié)議：UDP 協(xié)議和IP 協(xié)議，并詳細(xì)分析了登錄GPRS 網(wǎng)絡(luò)時所使用的鏈路層協(xié)議：PPP 協(xié)議。第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，分本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩部分進(jìn)行設(shè)計。本地監(jiān)控站部分設(shè)計本地監(jiān)控服務(wù)器，企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，以及本地監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)連接方案。遠(yuǎn)程監(jiān)控分站部分主要講述MSP430F149 單片機(jī)的特點，設(shè)計包括液晶顯示、鍵盤功能、串行通信、A/D 轉(zhuǎn)換等幾個功能模塊，GPRS 無線通信模塊MC35 的硬件特性并設(shè)計外圍電路。最后設(shè)計給出整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，首先講述對于本系統(tǒng)很重要的軟件設(shè)計基礎(chǔ)，然后分本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩個部分進(jìn)行軟件設(shè)計。軟件設(shè)計基礎(chǔ)主要講述常見AT 指令及使用方法和如何通過設(shè)置GPRS 通信模塊，如何登陸GPRS 網(wǎng)關(guān)。遠(yuǎn)程監(jiān)控分站軟件設(shè)計部分首先給出主程序流程，GPRS 模塊的初始化流程，以及過程當(dāng)中的難點，然后對A/D 轉(zhuǎn)換部分程序進(jìn)行設(shè)計 第六章為總結(jié)和展望 敘述將來GPRS更大的用處第二章 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信綜述GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS在現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級，形成一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率，最高可達(dá)170kb/s。GPRS 把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM 系統(tǒng)，使得移動通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一，具有“極速傳送”、“永遠(yuǎn)在線”、“價格實惠”等特點。GPRS 與現(xiàn)有的GSM 語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM 是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS 是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS 特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，這一特點正適合大多數(shù)移動互聯(lián)的應(yīng)用。 GPRS 現(xiàn)狀與發(fā)展在固定電信網(wǎng)上，許多國家數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)己經(jīng)超過了話音業(yè)務(wù)，我國在骨干傳輸網(wǎng)上，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也己經(jīng)超過了話音業(yè)務(wù)。最近幾年，許多國家在GSM網(wǎng)絡(luò)上短消息業(yè)務(wù)的極大成功，說明移動數(shù)據(jù)通信的市場具有極大的潛力。盡管由于缺少經(jīng)驗，特別是移動數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用千變?nèi)f化，如何開拓和規(guī)劃技術(shù)與市場，一直困擾著各移動運營商、設(shè)備供應(yīng)商和內(nèi)容提供商。但是，可以肯定地說，正如話音經(jīng)歷了從第一代、第二代發(fā)展到第三代移動通信一樣，總體來說，移動數(shù)據(jù)通信的發(fā)展歷程也必然會經(jīng)歷同樣的過程。而且，隨著我國電信體制的進(jìn)一步放開，電信增值業(yè)務(wù)會極大地促進(jìn)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開展，例如基于位置業(yè)務(wù)(LBS)，將帶來一大批新的應(yīng)用業(yè)務(wù)的開展，特別是移動電子商務(wù)的發(fā)展。GPRS 的現(xiàn)狀己經(jīng)非常成熟，目前，全世界己有近百個運營商開通了商用系統(tǒng)、試商用系統(tǒng)或?qū)嶒炏到y(tǒng)。從1999 年開始，英國的BTCellNET、荷蘭的TELFORT、中國香港的SMATONE 等多個國家和地區(qū)的運營商，紛紛在其GSM 網(wǎng)疊加發(fā)展GPRS。2001 年各運營商有了非常大的發(fā)展，2002 年基本進(jìn)入商用化。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不斷擴(kuò)大和用戶數(shù)量的不斷增加，中國移動和中國聯(lián)通也都在積極采用新技術(shù)，推出新業(yè)務(wù)。除基本話音業(yè)務(wù)外，兩家公司都開通了三類傳真、9600 波特及以下數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音信箱、移動秘書、短消息、移動互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)撥打IP 電話、信息點播、手機(jī)銀行、WAP 業(yè)務(wù)等形式多樣的業(yè)務(wù)。運營商們發(fā)現(xiàn)，一方面，短消息業(yè)務(wù)因其價格低廉、隨時隨地收發(fā)信息，不受關(guān)機(jī)影響的特點而倍受用戶青睞，發(fā)展態(tài)勢喜人；而另一方面，WAP 業(yè)務(wù)雖然宣傳描繪得很好，用戶也十分想用，但實際應(yīng)用卻并不理想。WAP 業(yè)務(wù)之所以不能廣泛推廣的主要原因是它是基于GSM 電路交換數(shù)據(jù)(CSD)方式承載的，CSD 的速率低，并且資費政策不符合用戶實際應(yīng)用的需要。而現(xiàn)在人們移動上網(wǎng)的傳輸方式是基于電路交換的，需要撥號連接，占用固定通信時隙，對資源的利用不可動態(tài)調(diào)整，資源利用效率低，如Fax、Email、FTP 等，這種速度用于傳送靜態(tài)圖像還基本能滿足要求，但隨著因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，用戶往往希望傳送高質(zhì)量的視頻和聲音。顯然，現(xiàn)有的GSM 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無法滿足這個要求。并且現(xiàn)在的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)計費方式一樣，用戶只要連接到網(wǎng)就要按時間付費。在速率低的情況下，必然造成連接時間長，并且用戶瀏覽Web 網(wǎng)頁并不是一個連續(xù)占用信道的過程，它是“用戶提交網(wǎng)頁請求－服務(wù)器響應(yīng)后向用戶發(fā)送網(wǎng)頁－用戶閱讀網(wǎng)頁－用戶再提交新的請求……”這樣一個突發(fā)和間歇占用信道的過程，在用戶閱讀網(wǎng)頁的時間里信道其實是空閑的，但用戶也要為此付費。CSD 方式的明顯缺陷就是造成了無線資源的浪費和用戶費用較高，用戶對GSM 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的積極性就這樣被抑制了，即便使用WAP 業(yè)務(wù)也不能從根本上解決這一問題。而GPRS 將改變這一現(xiàn)狀，由于它是基于IP 協(xié)議的二層協(xié)議，因此GPRS可提供與因特網(wǎng)更有效的連接 GPRS 的特點與優(yōu)勢GSM 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具有和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接的功能了，那么GSM 和GPRS 又有什么不同呢[31]？通過以下對比來說明GPRS 的優(yōu)勢。從數(shù)據(jù)傳輸方式說： 現(xiàn)在主要存在2 種數(shù)據(jù)傳輸方式：電路交換(CS)方式與分組交換方式(PS)。電路交換方式(CS)：采用公共控制方式，在源端和目的端間實時建立起電路連接，構(gòu)成一條信息通道，專供兩端用戶通信。通信期間，信道一直為通信雙方占用。通信結(jié)束則釋放電路。端對端的物理電路由若干電路組成。目前GSM 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就是基于電路交換方式，因而受無線速率的影響。分組交換方式(PS)：利用存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理，使不同終端的數(shù)據(jù)采用長度不大的等長標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，通過非專用的許多邏輯子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)快速交換，即將信息分成為數(shù)據(jù)分組或信息包，再加上目的地址，分組編號，控制比特等的分組頭，沿不同的路由進(jìn)行傳送，收端可按分組編號重新組裝成原始信號。分組通信的實質(zhì)是依靠高處理能力的計算機(jī)來充分利用寶貴的通信信道資源?；诜纸M交換的GPRS 。與GSM 數(shù)據(jù)通信相比，GPRS 有許多獨特的特性：(1)傳輸速率高 定義了新的GPRS 無線信道，且分配方式十分靈活，每個TDMA 幀可分配1 到8 個無線接口時隙。時隙能為活動用戶所共享，且上行鏈路和下行鏈路的分配是獨立的，在上行鏈路上網(wǎng)絡(luò)需要對MS(移動臺)進(jìn)行爭搶判決，多個MS 可共享一個時隙的無線資源；在下行信道上采用排隊的機(jī)制，多個MS 可共享多時隙的下行資源。通過同時使用8 個時隙，GPRS ，GPRS 采用了與GSM不同的信道編碼方案，定義了CS－CS－CS－CS－4 四種編碼方案。而且通過不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸。(2)接入時間短 GPRS 的核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP 技術(shù)，很方便地實現(xiàn)與高速發(fā)展的IP 網(wǎng)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的快速無縫連接，保證通信的實時性。(3)頻譜效率 由于采用分組交換方式，用戶只有在數(shù)據(jù)傳輸時才占用無線信道，無線資源可以同時被若干用戶共享，大大提高了頻段利用率，避免了資源的浪費。(4)支持協(xié)議 TCP/IP 協(xié)議，可以和Internet 網(wǎng)、 網(wǎng)互聯(lián)互通 支持特定的點到點和點到多點服務(wù)，以實現(xiàn)一些特殊應(yīng)用如遠(yuǎn)程信息處理,突破了GSM 通信中數(shù)據(jù)流量的限制。GPRS 在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域獨有的技術(shù)優(yōu)勢為它贏得了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、移動辦公、調(diào)度和定位等方面有很好的應(yīng)用前景。(5)兼容短消息 GPRS 也允許短消息業(yè)務(wù)(SMS)經(jīng)GPRS 無線信道傳輸(需要運營商支持)。(6)業(yè)務(wù)豐富 GPRS 的設(shè)計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸[45]。它支持四種不同的QoS(Quality ofService，服務(wù)質(zhì)量)級別，－1 秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。GPRS可以實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及QoS 的計費功能，計費方式更加合理，用戶使用更加方便。GSM 與GPRS 兩種業(yè)務(wù)特點的對比：對比內(nèi)容電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無線信道專用，最多四個時隙捆綁共享，最多8個時隙捆綁鏈路建立時間呼叫建立時間長短，有永遠(yuǎn)在線之稱傳輸時延短，適用于實時性強(qiáng)的業(yè)務(wù)適度的傳輸時延傳輸速率網(wǎng)絡(luò)升級費用初期投資少，需要增加IWF單元及BTS/BSC進(jìn)行軟件升級費用較大，需增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但節(jié)省基站投資提供相同業(yè)務(wù)代價價格昂貴，占用系統(tǒng)資源多價格較便宜占用系統(tǒng)資源少 GPRS 系統(tǒng)組成及相關(guān)接口GPRS 網(wǎng)是在GSM 網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加以下功能實體構(gòu)成的：服務(wù)GPRS 支持節(jié)點(SGSN)、網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點(GGSN)和點對多點服務(wù)中心(PTMSC)。系統(tǒng)共用GSM 基站，但基站要進(jìn)行軟件更新，并采用新的GPRS移動臺；GPRS 要增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS 骨干網(wǎng)互聯(lián)；GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進(jìn)行軟件更新和增加新的MAP 信令和GPRS 信令等。GPRS 骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖21 所示。GPRS 網(wǎng)絡(luò)上增加了如下一些接口：無線接口Um 是移動臺(MS)與基站(BTS)之間的連接接口，GPRS 中接口標(biāo)準(zhǔn)遵循GSM 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。與GSM 系統(tǒng)相同的是在GPRS 系統(tǒng)的空中接口中，一個TDMA 幀分為8 個時隙，每個時隙發(fā)送的信息稱為一個“突發(fā)脈沖串”(Burst)，每個TDMA 幀的一個時隙構(gòu)成一個物理信道，物理信道被定義成不同的邏輯信道。與GSM 系統(tǒng)不同的是在GPRS 系統(tǒng)中，一個物理信道既可以定義為一個邏輯信道，也可以定義為一個邏輯信道的一部分，即一個邏輯信道可以由一個或幾個物理信道構(gòu)成。SGSN 與BSS 間的Gb 口。Gb 口的功能是通過邏輯鏈路控制(LLC)協(xié)議建立SGSN 與MS 之間的連接，以進(jìn)行信令信息和用戶數(shù)據(jù)的交換，為MS 提供移動性管理(位置跟蹤)和安全管理功能。Gb 接口能使多用戶復(fù)用同一物理資源。資源在用戶活動時(當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時)分配給用戶，而在活動結(jié)束時會馬上被收回并重新分配。SGSN 與GGSN 間的Gn 口。SGSN 通過Gn 口和GGSN 相聯(lián)，通過GPRS 隧道協(xié)議(GTP)建立SGSN 和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)( 或IP)之間的通道，實現(xiàn)MS 和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)。SGSN 與MSC/VLR 間的Gs 口。Gs 口用于SGSN 向MSC/VLR 發(fā)送地址信息，并從MSC/VLR 接收尋呼請求，實現(xiàn)分組型業(yè)務(wù)和非分組型業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)。SGSN 與HLR 間的Gr 口。HLR 保存GPRS 用戶數(shù)據(jù)和路由信息(IMSI，SGSN 地址)，每個IMSI 還包含分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)信息，包括PDP 類型( 或IP)、PDP 地址及其QoS 等級以及路由信息。GGSN 與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的Gi 口。GGSN 通過口Gi 口實現(xiàn)GPRS 網(wǎng)和外部分組組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)的互聯(lián)。GGSN 實際上是兩個數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，GPRS本身屬于IP 網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，Gi 和IP 協(xié)議。通過GGSN 與GPRS網(wǎng)互聯(lián)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)可以是PSPDN 網(wǎng)，這時GPRS 支持ITU－T 和ITU－T 編號方案， 的快速選擇， 協(xié)議連接：也可以是Internet 網(wǎng)，基于IP 協(xié)議，在IP 數(shù)據(jù)報傳輸方式中，GPRS 支持TCP/IP 頭的壓縮功能。在SGSN 和SMS 間的Gd 接口。有了這個接口，短消息就可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送，而不必占用GSM 的資源。在GGSN 和HLR 間的Gc 接口。設(shè)置它的目的是為了支持TE( Terminal Equipment)主機(jī)發(fā)起連接。通常連接是由MS 發(fā)起的，SGSN 在對用戶鑒權(quán)之后，找到指定的GGSN，并與之建立數(shù)據(jù)通路。如果連接是由外網(wǎng)主機(jī)發(fā)起的，信息到達(dá)GGSN 之后，GGSN 就需要通過Gc 接口查詢HLR：目的IP 對應(yīng)哪一個MS；這個MS 現(xiàn)在由哪一個SGSN 控制。除此之外，還有Gp 接口，在BGGSN 和其他運營商的網(wǎng)絡(luò)之間，以便實現(xiàn)網(wǎng)間漫游。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)工作原理 分組數(shù)據(jù)路由及傳輸GPRS 傳輸協(xié)議平臺如圖22 所示。數(shù)據(jù)包從TE 傳到MS 要經(jīng)過四個接口：Gi、Gn、Gb 和Um。下面我們就順序介紹在這個過程中所使用到的傳輸協(xié)議。在Gi 接口上沒有新的協(xié)議。與普通的路由器一樣，GGSN 利用現(xiàn)有的傳輸方法接收二層數(shù)據(jù)幀。之后再對幀進(jìn)行處理得到IP 數(shù)據(jù)包。分析該IP包的目的地址，恰為本地PDP 上下文所標(biāo)示的某一MS 地址，則將此數(shù)據(jù)包送至Gn 接口的軟件模塊，做進(jìn)一步處理。在Gn 接口，最先對數(shù)據(jù)包做處理的是GTP(GPRS Tunneling Protocol)協(xié)議，它實現(xiàn)了從GGSN 到SGSN 的虛擬傳輸通路，即隧道。隧道有兩個優(yōu)點：一是便于MS 的移動，當(dāng)MS 由一個SGSN 轉(zhuǎn)移到另外一個SGSN的控制下時，只需改變GTP 的配置，使隧道的末端發(fā)生變化即可，對于被承載的IP 數(shù)據(jù)包來說是透明的；二是在Gi 和Gn 兩個網(wǎng)絡(luò)之間，即TE 和運營商網(wǎng)絡(luò)之間不存在路由，只有封裝關(guān)系，安全性得到了保障。Gn 網(wǎng)絡(luò)本身是一個TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)，Gn 網(wǎng)絡(luò)中的元素都是靠IP 來尋址的。GTP 協(xié)議數(shù)據(jù)包對于Gn 網(wǎng)絡(luò)來說是高層的應(yīng)用數(shù)據(jù)，需要由TCP 或UDP 承載，對應(yīng)GTP 應(yīng)用的四層端口號是3386。之后，TCP 或UDP 的數(shù)據(jù)包進(jìn)一步封裝成IP 包，此IP 包的目的地址即為目標(biāo)SGSN 的地址。Gn網(wǎng)絡(luò)中的IP 包傳送也是靠一系列的路由器和交換機(jī)來完成的。注意，這時傳送的是運營商內(nèi)網(wǎng)IP(或者內(nèi)層IP、下層IP)，與此相對應(yīng)的是封裝在GTP 協(xié)議內(nèi)部的IP 叫做外網(wǎng)IP(或者外層IP、上層IP)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)SGSN之后，對其層層解封，最終還原出用戶的IP 數(shù)據(jù)包。在Gb 接口，首先需要SNDCP(SubNetwork Dependent Convergence Protocol，子網(wǎng)相關(guān)收斂協(xié)議)對IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，這一步的目的是提高GPRS 的可擴(kuò)展性，將來只需改變SNDCP 就可以適應(yīng)新的三層協(xié)議，比如IPv6。除此之外，SNDCP 還