【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(gè)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(shí)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(jì)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(jì)。本地監(jiān)控站部分設(shè)計(jì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)包括液晶顯示、鍵盤功能、串行通信、A/D 轉(zhuǎn)換等幾個(gè)功能模塊，GPRS 無線通信模塊MC35 的硬件特性并設(shè)計(jì)外圍電路。最后設(shè)計(jì)給出整個(gè)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(jì)部分，首先講述對(duì)于本系統(tǒng)很重要的軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，然后分本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩個(gè)部分進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)，然后對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換部分程序進(jìn)行設(shè)計(jì) 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(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)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(dòng)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(jià)格實(shí)惠”等特點(diǎn)。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(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)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(dòng)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(yàn)，特別是移動(dòng)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(dòng)運(yùn)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(dòng)通信一樣，總體來說，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的發(fā)展歷程也必然會(huì)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(huì)極大地促進(jìn)移動(dòng)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(dòng)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(gè)運(yùn)營商開通了商用系統(tǒng)、試商用系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)。從1999 年開始，英國的BTCellNET、荷蘭的TELFORT、中國香港的SMATONE 等多個(gè)國家和地區(qū)的運(yùn)營商，紛紛在其GSM 網(wǎng)疊加發(fā)展GPRS。2001 年各運(yùn)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(dòng)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(dòng)秘書、短消息、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)撥打IP 電話、信息點(diǎn)播、手機(jī)銀行、WAP 業(yè)務(wù)等形式多樣的業(yè)務(wù)。運(yùn)營商們發(fā)現(xiàn)，一方面，短消息業(yè)務(wù)因其價(jià)格低廉、隨時(shí)隨地收發(fā)信息，不受關(guān)機(jī)影響的特點(diǎn)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(shí)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(fèi)政策不符合用戶實(shí)際應(yīng)用的需要。而現(xiàn)在人們移動(dòng)上網(wǎng)的傳輸方式是基于電路交換的，需要撥號(hào)連接，占用固定通信時(shí)隙，對(duì)資源的利用不可動(dòng)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(gè)要求。并且現(xiàn)在的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)方式一樣，用戶只要連接到網(wǎng)就要按時(shí)間付費(fèi)。在速率低的情況下，必然造成連接時(shí)間長，并且用戶瀏覽Web 網(wǎng)頁并不是一個(gè)連續(xù)占用信道的過程，它是“用戶提交網(wǎng)頁請(qǐng)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(qǐng)求……”這樣一個(gè)突發(fā)和間歇占用信道的過程，在用戶閱讀網(wǎng)頁的時(shí)間里信道其實(shí)是空閑的，但用戶也要為此付費(fèi)。CSD 方式的明顯缺陷就是造成了無線資源的浪費(fèi)和用戶費(fèi)用較高，用戶對(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)時(shí)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(duì)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(chǔ)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(hào)，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(hào)重新組裝成原始信號(hào)。分組通信的實(shí)質(zhì)是依靠高處理能力的計(jì)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(dú)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(gè)TDMA 幀可分配1 到8 個(gè)無線接口時(shí)隙。時(shí)隙能為活動(dòng)用戶所共享，且上行鏈路和下行鏈路的分配是獨(dú)立的，在上行鏈路上網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)MS(移動(dòng)臺(tái))進(jìn)行爭搶判決，多個(gè)MS 可共享一個(gè)時(shí)隙的無線資源；在下行信道上采用排隊(duì)的機(jī)制，多個(gè)MS 可共享多時(shí)隙的下行資源。通過同時(shí)使用8 個(gè)時(shí)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(shí)間短 GPRS 的核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP 技術(shù)，很方便地實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)才占用無線信道，無線資源可以同時(shí)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(fèi)。(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(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)服務(wù)，以實(shí)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(dú)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(dòng)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(yùn)營商支持)。(6)業(yè)務(wù)豐富 GPRS 的設(shè)計(jì)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(jí)別，－1 秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。GPRS可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及QoS 的計(jì)費(fèi)功能，計(jì)費(fèi)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(diǎn)的對(duì)比：對(duì)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(gè)時(shí)隙捆綁共享，最多8個(gè)時(shí)隙捆綁鏈路建立時(shí)間呼叫建立時(shí)間長短，有永遠(yuǎn)在線之稱傳輸時(shí)延短，適用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)適度的傳輸時(shí)延傳輸速率網(wǎng)絡(luò)升級(jí)費(fèi)用初期投資少，需要增加IWF單元及BTS/BSC進(jìn)行軟件升級(jí)費(fèi)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(jià)價(jià)格昂貴，占用系統(tǒng)資源多價(jià)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(shí)體構(gòu)成的：服務(wù)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)、網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(dòng)臺(tái)；GPRS 要增加新的移動(dòng)性管理程序；通過路由器實(shí)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(dòng)臺(tái)(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(gè)TDMA 幀分為8 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙發(fā)送的信息稱為一個(gè)“突發(fā)脈沖串”(Burst)，每個(gè)TDMA 幀的一個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)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(gè)物理信道既可以定義為一個(gè)邏輯信道，也可以定義為一個(gè)邏輯信道的一部分，即一個(gè)邏輯信道可以由一個(gè)或幾個(gè)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(dòng)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(dòng)時(shí)(當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí))分配給用戶，而在活動(dòng)結(jié)束時(shí)會(huì)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(shí)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(qǐng)求，實(shí)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(gè)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(jí)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(shí)現(xiàn)GPRS 網(wǎng)和外部分組組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)的互聯(lián)。GGSN 實(shí)際上是兩個(gè)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(shí)GPRS 支持ITU－T 和ITU－T 編號(hào)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(bào)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(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)哪一個(gè)MS；這個(gè)MS 現(xiàn)在由哪一個(gè)SGSN 控制。除此之外，還有Gp 接口，在BGGSN 和其他運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)之間，以便實(shí)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(tái)如圖22 所示。數(shù)據(jù)包從TE 傳到MS 要經(jīng)過四個(gè)接口：Gi、Gn、Gb 和Um。下面我們就順序介紹在這個(gè)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)包做處理的是GTP(GPRS Tunneling Protocol)協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了從GGSN 到SGSN 的虛擬傳輸通路，即隧道。隧道有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是便于MS 的移動(dòng)，當(dāng)MS 由一個(gè)SGSN 轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)SGSN的控制下時(shí)，只需改變GTP 的配置，使隧道的末端發(fā)生變化即可，對(duì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，即TE 和運(yùn)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(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)GTP 應(yīng)用的四層端口號(hào)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(shí)傳送的是運(yùn)營商內(nèi)網(wǎng)IP(或者內(nèi)層IP、下層IP)，與此相對(duì)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(duì)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(duì)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