【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 構(gòu) 如圖 21 所示， GPRS 網(wǎng)絡(luò)是對(duì) GSM 的平滑升級(jí)，通過(guò)在 GSM 系統(tǒng)的無(wú)線側(cè)新增 PCU（ Packet Control Unit)作為分組接入和控制單元，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)新增 SGSN(Serving GPRS Support Node)和 GGSN(Gateway GPRS Support Node)實(shí)施用戶管理 和分組支撐，將電路交換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)合二為一，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效利用，拓展系統(tǒng)功能。 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN(Serving GPRS Support Node)的主要功能是對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)性管理，建立移動(dòng)終端到 GGSN 的傳輸通道，接收從 BSS 傳送來(lái)的移動(dòng)終端分組數(shù)據(jù)，通過(guò) GPRS 骨干網(wǎng)傳送給 GGSN 或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端。 SGSN還可以集成計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)、邊緣網(wǎng)關(guān) (負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) GPRS 網(wǎng)絡(luò)之間的互連 )和防火墻的功能。 圖 21GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN(Gateway GPRS Support Node)是連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)路由器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)己經(jīng)激活的 GFRS 用戶的路由信息。 GGSN 接收移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的外部網(wǎng)絡(luò)，或接收來(lái)自華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，通過(guò)隧道 (Tunnel 技術(shù)，傳送給相應(yīng)的 SGSN。另外 GGSN 還可具有地址分配、計(jì)費(fèi)、防火墻功能。 SGSN 和 GGSN 兩節(jié)點(diǎn)可分可合，即它們的功能既可以由一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)，也可以由不同的物理節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè) GGSN 和 SGSN 都至少擁有一個(gè)網(wǎng) 內(nèi)固定 IP 地址，它們都應(yīng)有 IP 路由功能，并能與 IP 路由器互連。 GPRS 骨干網(wǎng)絡(luò)是 IP 的網(wǎng)絡(luò)，提供 GPRS 內(nèi)部和 GPRS 之間的通信。對(duì)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)， GPRS 系統(tǒng)中的 GGSN 就是一個(gè)路由器，實(shí)現(xiàn) GPRS 骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) ( 網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)或 ATM網(wǎng) )之間的路由尋址功能。因?yàn)椴捎孟嗤膮f(xié)議， GPRS 可以看作是 Inter 的子網(wǎng)，能夠使用 GPRS 的移動(dòng)終端可以視為移動(dòng)主機(jī)。每一個(gè) GPRS 終端都有一個(gè)自己的 IP 地址，并可以依據(jù)此尋址。 PCU(分組控制單元 )與 BSC(Base Station Controller)協(xié)同作用，提供無(wú)線數(shù)據(jù)的處理功能，如邏輯鏈路與物理鏈路的映射，數(shù)據(jù)包的拆封和確認(rèn)，無(wú)線數(shù)據(jù)信道的分配等。PCU 可作為模塊單元插入 BSC，或者作為獨(dú)立于 BSC 的單元存在。 GPRS 技術(shù)優(yōu)勢(shì) GPRS 通訊技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn) ： (l)價(jià)格合理，資源利用率高。 GPRS 引入了分組交換的傳輸模式，使得用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率。 GPRS 通訊采取按流量計(jì)費(fèi)的方式，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。 (2)傳輸速率高。 GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸速度理論最高可達(dá)到 115kbps170kbps， 是 常用有線 Modem 理想速率的兩倍，是當(dāng)前 GSM 網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速 度 的十幾倍。 (3)接入時(shí)間短。分組交換接入時(shí)間少于 1秒，能提供快速及時(shí)的連接，可 大 幅度提高一些事務(wù) (如信用卡核對(duì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等 )的效率，并可使己有的 Inter應(yīng) 用 (如 Email、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等 )操作更加便捷、流暢。 (4)基于 IP協(xié)議，可提供強(qiáng)大的 Inter 接入能力。 (5)永遠(yuǎn)在線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 下面我們以列表的形式從實(shí)際應(yīng)用中將 GPRS 通訊技術(shù)與 其他的無(wú)線的通 訊 技術(shù)進(jìn)行一下比較，如表 21所示。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 21GPRS與無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的比較 傳輸方式 比較內(nèi)容 GPRS 短消息 無(wú)線數(shù)傳電臺(tái) 覆蓋范圍 全國(guó) 全國(guó) 不大于 20km 建設(shè)費(fèi)用 一般 低 高 施工難度 較低 低 高 計(jì)費(fèi)方式 流量，無(wú)月租 /條 占頻費(fèi) 運(yùn)行費(fèi)用 較低 較高 一般 通信速率 20kbps 可靠性 較高 一般 一般 傳輸時(shí)延 短 不確定 短 維護(hù)成本 低 低 高 通過(guò)以上客觀分析可以看出，無(wú)論從建設(shè)周期、建設(shè)費(fèi) 用和運(yùn)行費(fèi)用，還是系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和技術(shù)的先進(jìn)性等用戶比較關(guān)心的角度而言， GPRS 技術(shù)在遠(yuǎn)程的分散數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)越性。因此，在分布范圍較廣，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合， GPRS 通訊技術(shù)比較合適，同時(shí)它也符合遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，那就是測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的融合。 無(wú)線抄表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過(guò)方案論證與選擇，系統(tǒng)的總體方案也隨之確定，按照無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能，將本系統(tǒng)大體分為三個(gè)功能部分 :無(wú)線抄表終端 （下位機(jī)） 、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心 （上位機(jī)） 。 上位機(jī)監(jiān)控中心 服務(wù)器不管采用何種方式接入 Inter 都必須有固定 IP 地址，并對(duì)各終端開放相應(yīng)的偵聽端口，在接人網(wǎng)絡(luò)后需盡量保持在線。下位機(jī)終端完成對(duì)多功能電能表的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)及事件上報(bào)等任務(wù)。 其中 智能電表部分直接采用市面上現(xiàn)有的大唐公司的產(chǎn)品，該部分已經(jīng)完成了電能數(shù)據(jù)的采集，并按照規(guī)約格式發(fā)送數(shù)給之后的采集終端，從而不再做具體設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)框圖 及工作原理 圖 22給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖， 其中抄表終端的 GPRS 通信部分將是本論文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分。下面簡(jiǎn)單介紹本系統(tǒng)的工作原理。 下 位機(jī)終端工作后會(huì)主動(dòng) 與服務(wù)器建立連接，告知服務(wù)器自己的終端地址，服務(wù)器收到后將其加到動(dòng)態(tài)地址數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器自動(dòng)定時(shí)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)以確定哪些表還掛在網(wǎng)絡(luò)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 上，再根據(jù)管理員設(shè)定的自動(dòng)抄表時(shí)間對(duì)連接在網(wǎng)絡(luò)上的終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、校時(shí)等操作。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，始終保持這一連接不斷開，一旦斷開必須重新建立連接，保證 GPRS 模塊“永遠(yuǎn)在線”。 下位機(jī)終端接入 Inter網(wǎng)要通過(guò)兩個(gè)過(guò)程 :GPRS附著過(guò)程 (通過(guò)基站系統(tǒng) BSS與節(jié)點(diǎn) SGSN 建立連接 )， PDP 上下文激活過(guò)程 (通過(guò)節(jié)點(diǎn) GGSN)。因本文設(shè)計(jì)的終端采用內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議 棧，這兩個(gè)接入過(guò)程只需使用 AT 命令就可以實(shí)現(xiàn)。 在下位機(jī)終端接入 Inter 后，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，我們知道 Inter 網(wǎng)的傳輸層上支持 TCP， UDP 等協(xié)議，它們是 TCP/IP 協(xié)議族中的協(xié)議，因此在移動(dòng)終端分配到 IP 地址，要對(duì)傳輸層上的協(xié)議進(jìn)行選擇，接下來(lái)就來(lái)了解一下 GPRS 通訊的傳輸層協(xié)議。 圖 22系統(tǒng)總體方案圖 GPRS 通訊的傳輸層協(xié)議選擇 GPRS 通訊是基于 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊，它支持兩種不同的傳輸層協(xié)議，分別是面向連接的 TCP 協(xié)議和無(wú)連接的 UDP 協(xié)議。 (l)TCP 協(xié)議 TCP 協(xié)議 :傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的，可靠的傳輸層協(xié)議。面向連接是指一次正常的 TCP 傳輸需要通過(guò)在 TCP 客戶端和 TCP 服務(wù)端建立特定的虛電路連接來(lái)完成，該過(guò)程通常被稱為“三次握手”。 如圖 23 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 23TCP協(xié)議連接的三次握手 TCP 報(bào)文格式如圖 24 所示 : ? 源端口號(hào) :16 位字段，在主機(jī)中發(fā)送這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，這和前面介紹的 UDP 源端口號(hào)的作用是一樣的。 ? 信宿端口號(hào) :16 位字段，在主機(jī)中接收這個(gè)報(bào)文段的應(yīng)用程序的端口號(hào)，和 UDP的目標(biāo)端口號(hào)的作用是一樣的。 ? 序號(hào) :這個(gè) 32 位字段定義 了指派給本報(bào)文段第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的一個(gè) 數(shù)。 TCP 是流式傳輸協(xié)議。為了保證連通性，要發(fā)送的每一個(gè)字節(jié)都要編號(hào)。序號(hào)可以告訴目的端，這個(gè)序號(hào)中的哪個(gè)字節(jié)是報(bào)文段的第一個(gè)字節(jié)，目的進(jìn) 程在知道數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度后就可以確定最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。 ? 確認(rèn)號(hào) :這個(gè) 32位字段定義了源進(jìn)程期望從對(duì)方接收的報(bào)文段的序號(hào)。 ? 首部長(zhǎng)度 :這個(gè) 4 位字段指出了 TCP 首部共有多少個(gè) 4 字字節(jié)。首部長(zhǎng)度可以在2060字節(jié)之間。因此，這個(gè)字段的值可以在 5(5x4=20)至 15(15x4=60)之 間 。 ? 保留 :這是 6位字段，保留為今后使用。 ? 標(biāo)識(shí)域 :這個(gè) 6位 字段定義了 6種不同的控制位或標(biāo)志，在同一時(shí)間可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)這樣的位。 ? 窗口大小 :這個(gè) 16 位字段定義了對(duì)方必須維持的窗口值 (以字節(jié)為單位 )。 TCP 校驗(yàn)和 :TCP 首部 +數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。 ? 緊急指針 :只有當(dāng)緊急標(biāo)志置位時(shí)，這個(gè) 16 位字段才有效，這時(shí)的報(bào) 文 段中包括緊急數(shù)據(jù)。緊急指針定義了一 個(gè)數(shù)，把這個(gè)數(shù)加到序號(hào)上就得出報(bào)文段數(shù)據(jù)部分中最后一個(gè)緊急字節(jié)。 ? 選項(xiàng) :在 TCP首部中可以有多達(dá) 40 字節(jié)的可選信息。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 24TCP報(bào)文格式 (2)UDP 協(xié)議 UDP 是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的簡(jiǎn)稱。它位于 TCP/IP 協(xié)議集中，與 TCP 相對(duì)應(yīng)，是一種提供應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)報(bào)的機(jī)制。將每臺(tái)機(jī)器看作是一些抽象 的協(xié)議端口 的集合，協(xié)議端口能區(qū)分在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的多個(gè)程序。每個(gè) UDP 報(bào)文不僅傳送用戶數(shù)據(jù)，還包括發(fā)送方和接收方的協(xié)議端口號(hào)，以使接收方的 UDP 軟件能將報(bào)文送到正確的接收進(jìn)程，并回送應(yīng)答報(bào)文給對(duì)應(yīng)的發(fā)送進(jìn)程。 UDP 使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)傳送報(bào)文，同 IP 一樣，提供不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。它不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)文可能會(huì)丟失 、重復(fù)、以及亂序等。而可靠性的問(wèn)題將由使用 UDP 的應(yīng)用程序來(lái)解決。 每個(gè) UDP 報(bào)文稱為一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)，分 UDP 報(bào)頭和 UDP 數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。報(bào)頭由四個(gè)16 位長(zhǎng)的字段組成，分別說(shuō)明該報(bào)文的源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度以及校驗(yàn)和。 UDP報(bào)文格式如圖 25所示 。 16位源端口號(hào) 16 位目的端口號(hào) 16位 UDP 長(zhǎng)度 16 位 UDP校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)（如果有） 圖 25UDP報(bào)文格式 源端口 Source Port（ 16bit） 宿端口 Destination Port（ 16bit） 序列號(hào) Sequence Number(32bit) 確認(rèn)號(hào) Acknowledgement Number（ 32bit） 頭長(zhǎng)度 *4 Reserved （ 6bit） U R G A C K P S H R S T S Y N F I N 窗口大小 Window Size （ 16bit） 校驗(yàn)和 Checksum（ 16bit） 緊急指針 Urgent Pointer（ 16bit） 選項(xiàng) Options(0 或多個(gè) 32bit 字 ) 數(shù)據(jù) Data(可選 ) 40 個(gè)字節(jié) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 綜上所述， 再 結(jié)合 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的情況具體談一下它們的區(qū)別 : l)從對(duì)系統(tǒng)資源的要求上看， TCP 較多， UDP 少。 2)UDP 程序結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。 3)TCP是基于流模式的， UDP 是基于數(shù)據(jù)報(bào)模式的。 4)TCP 保證數(shù)據(jù)正確性和數(shù)據(jù)的順序， UDP 可能會(huì)丟包，數(shù)據(jù)順序也沒(méi)有保證。 5)TCP 傳輸存在一定的延時(shí)，大概是 1600ms， UDP 響應(yīng)速度稍微快一些。 6)從 GPRS 網(wǎng)絡(luò)端口資源分析， UDP十分緊缺，變化很快。而 TCP 采用 可靠鏈路傳輸，不存在端口變化的問(wèn)題。 本系統(tǒng)中要求監(jiān)控中心和 GPRS 模塊能相互的、實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)。 TCP 本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個(gè)實(shí)時(shí)的雙向的傳輸通道，能很好的滿足這一要求。而對(duì)于 UDP 傳輸，在一段時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)流量后，端口容易改變 ，產(chǎn)生的影響就是從監(jiān)控中心向 GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)， GPRS 模塊接收不到。從通訊的可靠性方面來(lái)說(shuō)，不容許傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失或者最大限度的要求數(shù)據(jù)的可靠性。否則，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這一點(diǎn)來(lái)看，很顯然在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中， TCP 比 UDP 更能保證數(shù)據(jù)的完整性、可靠性，存在更小的丟包率。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，要求降低費(fèi)用，和費(fèi)用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費(fèi)用就低了。雖然 TCP 本身的包頭要比 UDP 多，但是 UDP 在實(shí)際應(yīng)用中往往需要維護(hù)雙向通道，就必須要通過(guò)大量的心跳包數(shù)據(jù)來(lái)維護(hù)端口資源。總的比較起來(lái)， UDP 的 實(shí)際流量要比 TCF還要大。 基于對(duì)以上幾點(diǎn)的考慮，本文認(rèn)為 TCP 傳輸更能滿足本系統(tǒng)對(duì)通訊的要求，所以在本系統(tǒng)的 GPRS 通訊部分，選擇了 TCP 協(xié)議。 GPRS 通訊模式選擇 為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合， GPRS 通訊模式的選擇必須從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是下位機(jī)終端 GPRS 模塊的通訊模式，一個(gè)是監(jiān)控中心的通訊模式。下面分別介紹 : GPRS 終端單元可以工作在三種工作模式下 :永遠(yuǎn)在線模式、中心呼號(hào)模式和定時(shí)傳輸模式，下面以傳輸 TCP 數(shù)據(jù)報(bào)為例來(lái)說(shuō)明三種不同的數(shù)據(jù)傳