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(jiǎn)介 GPRS工作時(shí)，是通過路由管理來進(jìn)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(gè)方面：移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。 對(duì)于第一種情況，當(dāng)移動(dòng)終端產(chǎn)生了一個(gè)PDU（分組數(shù)據(jù)單元），這個(gè)PDU經(jīng)過SNDC層處理，稱為SNDC數(shù)據(jù)單元。然后經(jīng)過LLC層處理為L(zhǎng)LC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(wǎng)絡(luò)（RAN）之間的接口）送到GSM網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端所處的SGSN。SGSN把數(shù)據(jù)送到GGSN。GGSN把收到的消息進(jìn)行解裝處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式（如PSPDN的PDU），最終送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶。為了提高傳輸效率，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩梢詫?duì)空中接口上的數(shù)據(jù)做壓縮和加密處理。 在第二種情況中，一個(gè)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端時(shí)，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)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(dòng)終端所在的SGSN上，GSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過LLC層處理為L(zhǎng)LC幀單元，最終通過空中接口送給移動(dòng)終端。 第三種情況是一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個(gè)正在漫游的移動(dòng)用戶。這種情況下的數(shù)據(jù)傳送必須要經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到移動(dòng)用戶A。 ------GPRS的英文全稱是：“General Packet Radio Service”（譯作“通用無線分組服務(wù)”），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(dú)立的封包，再將這些封包一一傳送出去，形式上有點(diǎn)類似郵局中的寄包裹。其作用在于只有當(dāng)有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)廣大用戶來說是較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄馡nternet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是閑置的。 GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中需增加一些節(jié)點(diǎn)，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）和SGSN（ Serving GSN，GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)），GSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)中最重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。GSN具有移動(dòng)路由管理功能，它可以連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并可以連到 GPRS寄存器。GSN可以完成移動(dòng)終端（即手機(jī)）和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳送和格式轉(zhuǎn)換。GSN可以是一種類似于路由器的獨(dú)立設(shè)備，也可以與GSM中的MSC（Mobile Switching Center，移動(dòng)交換中心，將本網(wǎng)和其它網(wǎng)絡(luò)連接起來）集成在一起。GSN有兩種類型：一種為SGSN（ Serving GSN，服務(wù)GSN），另一種為GGSN（Gateway GSN，網(wǎng)關(guān)GSN），SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置信息，并且在移動(dòng)終端和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要是起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）、PSPDN(分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng))和LAN（局域網(wǎng)）等。國(guó)外有些資料甚至將GGSN稱為GPRS路由器。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS 分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的TCP／IP或X.25網(wǎng)絡(luò)。 　 GPRS網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，而且其本身就是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。因此，GPRS在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)便攜型、交通監(jiān)控、移動(dòng)辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。 -------GPRS的主要特點(diǎn) 相對(duì)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(shù)。由于使用“分組”技術(shù)，用戶上網(wǎng)可以免受掉線的麻煩。此外，使用GPRS上網(wǎng)的方法與 WAP不同， 用WAP上網(wǎng)就如在家中上網(wǎng)，先“撥號(hào)連接”，而上網(wǎng)后便不能同時(shí)使用該電話線，但GPRS則較優(yōu)越，下載資料和通話可以同時(shí)進(jìn)行。 從技術(shù)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(dòng)電話的應(yīng)用提升到一個(gè)更高層次，而且不需重新組網(wǎng)，十分經(jīng)濟(jì)。 GPRS的用途十分廣泛，包括通過手機(jī)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(shí)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(jì)費(fèi)，降低了服務(wù)成本。 GPRS的最大優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)傳輸速度不是WAP所能比擬的。目前的GSM移動(dòng)通信網(wǎng)的傳輸速度為每秒9.6K字節(jié)，GPRS手機(jī)在今年初推出時(shí)已達(dá)到 56Kbps的傳輸速度，到現(xiàn)在更是達(dá)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(shì)，GPRS還有“永遠(yuǎn)在線”的特點(diǎn)，即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。舉個(gè)例子，用戶訪問Internet時(shí)，點(diǎn)擊一個(gè)超級(jí)鏈接，手機(jī)就在無線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，主頁(yè)下載到本地后，沒有數(shù)據(jù)傳送，手機(jī)就進(jìn)入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，手機(jī)釋放所用的無線頻道給其它用戶使用，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當(dāng)用戶再次點(diǎn)擊，手機(jī)立即向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，而不像普通撥號(hào)上網(wǎng)那樣斷線后還得重新?lián)芴?hào)才能上網(wǎng)。 -------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(wǎng)絡(luò)層。Um接口的物理層為射頻接口部分，而物理鏈路層則負(fù)責(zé)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(gè)載頻分為8個(gè)物理信道。如果8個(gè)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(dá)200Kbps?？紤]前向糾錯(cuò)碼的開銷，則最終的數(shù)據(jù)速率可達(dá)164kbps左右；MAC為媒質(zhì)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(dòng)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(wǎng)依賴結(jié)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(wǎng)絡(luò)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(duì)于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如：BSS、NSS等設(shè)備）是透明的。 --------GPRS的應(yīng)用范圍 GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，在有GPRS承載業(yè)務(wù)支持的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，GPRS可以提供系列交互式業(yè)務(wù)服務(wù)： 1、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為兩個(gè)用戶或者多個(gè)用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)。根據(jù)某個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求者的要求，把單一信息傳送給多個(gè)用戶。該業(yè)務(wù)又可以分為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多信道廣播業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)群呼業(yè)務(wù)和IP多點(diǎn)傳播業(yè)務(wù)。 3、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無連接型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。各個(gè)數(shù)據(jù)分組彼此互相獨(dú)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(rèn)保護(hù)，是由IP協(xié)議支持的業(yè)務(wù)。 GPRS除了提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外，還能支持用戶終端業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、 GSM短消息業(yè)務(wù)和各種GPRS電信業(yè)務(wù)。 -------GPRS通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，在MPLAB環(huán)境下編譯。由于本系統(tǒng)是遠(yuǎn)程管理終端的一個(gè)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(duì)GR47進(jìn)行初始設(shè)置和對(duì)信息數(shù)據(jù)的處理。程序總體上可以分為以下幾個(gè)塊：CPRS連接的初始設(shè)置、短消息的判斷處理、無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的心跳處理、數(shù)據(jù)判斷轉(zhuǎn)發(fā)等。主程序是把這些程序塊有機(jī)結(jié)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(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程如下： 　　a)單片機(jī)軟件控制GR47模塊開機(jī)，等待此模塊正常啟動(dòng)。 　　b)通過單片機(jī)和GR47模塊連接的串口，向GR47模塊寫入相應(yīng)的AT設(shè)置命令，進(jìn)行初始化，使模塊成功粘附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商分配的動(dòng)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(wù)器和GPRS服務(wù)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)通過 GPRS模塊的數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸。GR47內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，所以用戶對(duì)IP協(xié)議相關(guān)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(jī)的數(shù)據(jù)傳輸：要求PC機(jī)具有公網(wǎng)的IP地址和開放的端口以及監(jiān)視傳輸報(bào)文的運(yùn)行軟件。這樣，模塊與Intemet傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)文就會(huì)顯示。在模塊成功聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)后，單片機(jī)只要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給GR47，GR47就會(huì)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的IP地址的PC機(jī)。 　　b)短消息數(shù)據(jù)的處理：GR47具有GSM的功能，可以與手機(jī)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(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的功能，最后把結(jié)果構(gòu)造成PDU格式返回給相應(yīng)的發(fā)送者。 　　c)GPRS通信心跳信息：網(wǎng)絡(luò)連接建立后，在設(shè)定周期內(nèi)無數(shù)據(jù)通信時(shí)，GPRS模塊向數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送心跳信息，數(shù)據(jù)服務(wù)中心收到心跳信息后，回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)。 　　d)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)：程序中把一些重要的常用和易變的數(shù)據(jù)如計(jì)算機(jī)服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、終端地址、SIM卡號(hào)等存入單片機(jī)的EEPROM中。需要時(shí)從EEPROM中讀出或向EEPROM重新寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)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(jìn)行單片機(jī)設(shè)置變量的初始化，一般均為0；進(jìn)行單片機(jī)相應(yīng)配置單元的初始化，比如設(shè)定端口方向、沒置中斷優(yōu)先級(jí)、定時(shí)器初始化等；然后由單片機(jī)控制GR47的電源，以決定是否開機(jī)；待開機(jī)成功后，查詢網(wǎng)絡(luò)是否注冊(cè)成功；成功后即可建立模塊與PC機(jī)服務(wù)器的連接，并進(jìn)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(jié)束語(yǔ) 　　本文給出了一種基于單片機(jī)和GPRS模塊的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸終端的實(shí)現(xiàn)方案。以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型GPRS通信系統(tǒng)成本低、設(shè)計(jì)周期短、便攜性好，尤其適用于遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。