GPRS工作原理以及其通信協(xié)議.doc

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-------GPRS的工作原理簡介 GPRS工作時，是通過路由管理來進行尋址和建立數(shù)據(jù)連接的，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下3個方面：移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動終端處于漫游時數(shù)據(jù)路由的建立。 對于第一種情況，當移動終端產生了一個PDU（分組數(shù)據(jù)單元），這個PDU經過SNDC層處理，稱為SNDC數(shù)據(jù)單元。然后經過LLC層處理為LLC幀，通過空中接口（空中接口（Air Interface）是指用戶終端（UT）和無線接入網絡（RAN）之間的接口）送到GSM網絡中移動終端所處的SGSN。SGSN把數(shù)據(jù)送到GGSN。GGSN把收到的消息進行解裝處理，轉換為可在公用數(shù)據(jù)網中傳送的格式（如PSPDN的PDU），最終送給公用數(shù)據(jù)網的用戶。為了提高傳輸效率，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可以對空中接口上的?shù)據(jù)做壓縮和加密處理。 在第二種情況中，一個公用數(shù)據(jù)網用戶傳送數(shù)據(jù)到移動終端時，首先通過數(shù)據(jù)網的標準協(xié)議建立數(shù)據(jù)網和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元（如PSPDN中的PDU），通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU送給GGSN。而GGSN再把PDU送給移動終端所在的SGSN上，GSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經過LLC層處理為LLC幀單元，最終通過空中接口送給移動終端。 第三種情況是一個數(shù)據(jù)網用戶傳送數(shù)據(jù)給一個正在漫游的移動用戶。這種情況下的數(shù)據(jù)傳送必須要經過歸屬地的GGSN，然后送到移動用戶A。 ------GPRS的英文全稱是：“General Packet Radio Service”（譯作“通用無線分組服務”），它是利用“包交換”（Packet－Switched）的概念發(fā)展起來的一套無線傳輸方式。所謂“包交換 ”就是將Data封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一一傳送出去，形式上有點類似郵局中的寄包裹。其作用在于只有當有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計價，這對廣大用戶來說是較合理的計費方式，因為像Internet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時間頻寬是閑置的。 GPRS網絡是基于現(xiàn)有的GSM網絡來實現(xiàn)的。在現(xiàn)有的GSM網絡中需增加一些節(jié)點，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網關支持節(jié)點）和SGSN（ Serving GSN，GPRS服務支持節(jié)點），GSN是GPRS網絡中最重要的網絡節(jié)點。GSN具有移動路由管理功能，它可以連接各種類型的數(shù)據(jù)網絡，并可以連到 GPRS寄存器。GSN可以完成移動終端（即手機）和各種數(shù)據(jù)網絡之間的數(shù)據(jù)傳送和格式轉換。GSN可以是一種類似于路由器的獨立設備，也可以與GSM中的MSC（Mobile Switching Center，移動交換中心，將本網和其它網絡連接起來）集成在一起。GSN有兩種類型：一種為SGSN（ Serving GSN，服務GSN），另一種為GGSN（Gateway GSN，網關GSN），SGSN的主要作用是記錄移動終端的當前位置信息，并且在移動終端和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要是起網關作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網絡連接，如ISDN（綜合業(yè)務數(shù)字網）、PSPDN(分組交換公用數(shù)據(jù)網)和LAN（局域網）等。國外有些資料甚至將GGSN稱為GPRS路由器。GGSN可以把GSM網中的GPRS 分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網絡。 　 GPRS網不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質量高、永遠在線和按流量計費等優(yōu)點，而且其本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。因此，GPRS在無線上網、環(huán)境監(jiān)測便攜型、交通監(jiān)控、移動辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。 -------GPRS的主要特點 相對原來GSM的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS采用分組交換技術。由于使用“分組”技術，用戶上網可以免受掉線的麻煩。此外，使用GPRS上網的方法與 WAP不同， 用WAP上網就如在家中上網，先“撥號連接”，而上網后便不能同時使用該電話線，但GPRS則較優(yōu)越，下載資料和通話可以同時進行。 從技術上來說，聲音的傳送（即通話）繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)的傳送則使用GPRS，就把移動電話的應用提升到一個更高層次，而且不需重新組網，十分經濟。 GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機發(fā)送及接收電子郵件、在Internet上瀏覽等。使用GPRS，數(shù)據(jù)可實現(xiàn)分組發(fā)送和接受，這意味著用戶總是在線且按流量計費，降低了服務成本。 GPRS的最大優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸速度不是WAP所能比擬的。目前的GSM移動通信網的傳輸速度為每秒9.6K字節(jié)，GPRS手機在今年初推出時已達到 56Kbps的傳輸速度，到現(xiàn)在更是達到了115Kbps（此速度是常用56k modem理想速率的兩倍）。除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有“永遠在線”的特點，即用戶隨時與網絡保持聯(lián)系。舉個例子，用戶訪問Internet時，點擊一個超級鏈接，手機就在無線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，主頁下載到本地后，沒有數(shù)據(jù)傳送，手機就進入一種“準休眠”狀態(tài)，手機釋放所用的無線頻道給其它用戶使用，這時網絡與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當用戶再次點擊，手機立即向網絡請求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，而不像普通撥號上網那樣斷線后還得重新?lián)芴柌拍苌暇W。 -------GPRS的協(xié)議模型 Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信協(xié)議有5層，自下而上依次為物理層、MAC（Media Access Control)層、LLG（Logical Link Control）層、SNDC層和網絡層。Um接口的物理層為射頻接口部分，而物理鏈路層則負責提供空中接口的各種邏輯信道。GSM空中接口的載頻帶寬為 200KHZ，一個載頻分為8個物理信道。如果8個物理信道都分配為傳送GPRS數(shù)據(jù)，則原始數(shù)據(jù)速率可達200Kbps?？紤]前向糾錯碼的開銷，則最終的數(shù)據(jù)速率可達164kbps左右；MAC為媒質訪問控制層。MAC的主要作用是定義和分配空中接口的GPRS邏輯信道，使得這些信道能被不同的移動終端共享；LLG層為邏輯鏈路控制層。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLG的無線鏈路協(xié)議；SNDC被稱為子網依賴結合層。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包，確定TCP／IP地址和加密方式；網絡層的協(xié)議目前主要是Phasel階段提供的 TCP／IP和L25協(xié)議。TCP／IP和X.25協(xié)議對于傳統(tǒng)的GSM網絡設備（如：BSS、NSS等設備）是透明的。 --------GPRS的應用范圍 GPRS是在現(xiàn)有GSM網絡上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，在有GPRS承載業(yè)務支持的標準化網絡協(xié)議的基礎上，GPRS可以提供系列交互式業(yè)務服務： 1、點對點面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務。為兩個用戶或者多個用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務，該業(yè)務要求有建立連接、數(shù)據(jù)傳送以及連接釋放等工作程序。 2、單點對多點業(yè)務。根據(jù)某個業(yè)務請求者的要求，把單一信息傳送給多個用戶。該業(yè)務又可以分為點對多點多信道廣播業(yè)務、點對多點群呼業(yè)務和IP多點傳播業(yè)務。 3、點對點無連接型網絡業(yè)務。各個數(shù)據(jù)分組彼此互相獨立，用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程序，分組的傳送沒有邏輯連接，分組的交付沒有確認保護，是由IP協(xié)議支持的業(yè)務。 GPRS除了提供點對點、點對多點的數(shù)據(jù)業(yè)務外，還能支持用戶終端業(yè)務、補充業(yè)務、 GSM短消息業(yè)務和各種GPRS電信業(yè)務。 -------GPRS通信系統(tǒng)軟件設計 　　系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，在MPLAB環(huán)境下編譯。由于本系統(tǒng)是遠程管理終端的一個模塊，因此在程序的編寫中要遵守一定的協(xié)議，這樣才能保證正確通信。程序的主體是如何控制GR47的AT命令對GR47進行初始設置和對信息數(shù)據(jù)的處理。程序總體上可以分為以下幾個塊：CPRS連接的初始設置、短消息的判斷處理、無數(shù)據(jù)傳輸時的心跳處理、數(shù)據(jù)判斷轉發(fā)等。主程序是把這些程序塊有機結合到一起，相互控制，無限循環(huán)。 -------連接的建立 GPRS模塊連接到Internet和GPRS網絡的實現(xiàn)過程如下： 　　a)單片機軟件控制GR47模塊開機，等待此模塊正常啟動。 　　b)通過單片機和GR47模塊連接的串口，向GR47模塊寫入相應的AT設置命令，進行初始化，使模塊成功粘附在GPRS網絡上，獲得網絡運行商分配的動態(tài)IP地址，與目的終端建立連接。 -------數(shù)據(jù)的處理 　　數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)中心服務器和GPRS服務器中的傳輸是基于IP數(shù)據(jù)包的，但明文傳送IP包不可取，因此大多選用PPP(點對點協(xié)議)進行傳輸，實現(xiàn)通過 GPRS模塊的數(shù)據(jù)和Internet網絡的透明傳輸。GR47內部集成了TCP/IP協(xié)議棧，所以用戶對IP協(xié)議相關的程序就不必編寫，可以直接通過 GR47傳遞數(shù)據(jù)。 　　a)模塊與Internet上PC機的數(shù)據(jù)傳輸：要求PC機具有公網的IP地址和開放的端口以及監(jiān)視傳輸報文的運行軟件。這樣，模塊與Intemet傳輸數(shù)據(jù)時，報文就會顯示。在模塊成功聯(lián)入網絡后，單片機只要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給GR47，GR47就會把數(shù)據(jù)轉發(fā)給相應的IP地址的PC機。 　　b)短消息數(shù)據(jù)的處理：GR47具有GSM的功能，可以與手機發(fā)送和接收短消息。短消息采用PDU格式，在程序中需要判斷短消息的到來和讀取短信內容，并根據(jù)內容執(zhí)行相應的功能，最后把結果構造成PDU格式返回給相應的發(fā)送者。 　　c)GPRS通信心跳信息：網絡連接建立后，在設定周期內無數(shù)據(jù)通信時，GPRS模塊向數(shù)據(jù)服務中心發(fā)送心跳信息，數(shù)據(jù)服務中心收到心跳信息后，回應應答信號。 　　d)重要數(shù)據(jù)的存儲：程序中把一些重要的常用和易變的數(shù)據(jù)如計算機服務器的IP地址、端口號、終端地址、SIM卡號等存入單片機的EEPROM中。需要時從EEPROM中讀出或向EEPROM重新寫入數(shù)據(jù)進行設置。 --------主程序流程 　　主程序由模塊函數(shù)組成，模塊函數(shù)由基本函數(shù)嵌套組成。主程序流程大致如下：首先進行單片機設置變量的初始化，一般均為0；進行單片機相應配置單元的初始化，比如設定端口方向、沒置中斷優(yōu)先級、定時器初始化等；然后由單片機控制GR47的電源，以決定是否開機；待開機成功后，查詢網絡是否注冊成功；成功后即可建立模塊與PC機服務器的連接，并進行數(shù)據(jù)傳輸和短消息處理；根據(jù)需要發(fā)送一定格式的心跳信息。見圖2。 -------結束語 　　本文給出了一種基于單片機和GPRS模塊的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸終端的實現(xiàn)方案。以單片機應用系統(tǒng)為中心的小型GPRS通信系統(tǒng)成本低、設計周期短、便攜性好，尤其適用于遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。