GPRS及远传组网方法

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一、 GPRS简介及选择
最早的移动通信电话是采用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性话音业务，而且通话效果差、保密性能也不好，用户的接听范围也很有限。随着移动电话迅猛发展，用户增长迅速，传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求，在这种情况下就出现了GSM通信技术，该技术允许在一个射频(即‘蜂窝’)同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之问的数字移动电话系统。GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit／s，而当时的Internet几乎只提供纯文本的信息。针对GSM通信出现的缺陷，在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP分组数据接入业务。
（一） GPRS介绍
GPRS—General Packet Radio Service，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。GPRS网络的技术核心是在GSM网络中传送分组数据，它的技术优势主要体现在两个方面，即：实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合；实现了IP协议的透明传送。与原有的GSM比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：(1)通过多个GSM时隙的利用，支持的数据传输的速率更高，理论峰值为171Kbps；(2)不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用了无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点；(3)GPRS计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费：(4)与无线应用协议(WAP)不同，GPRS能够随时为用户提供透明的IP通道，可直接访问Internet中所有站点和资源(WAP用户只能访问特定的WAP服务器)：(5)采用信道复用技术，每一个GPRS用户能够实现永远在线；另外，GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等。
（二）无线通信系统通信方式的比较
无线通信方式主要有无线电台、拨号、GPRS网络、数字线路四种。
1、无线电台
无线数传电台是目前常用的远距离通信方式之一。电台适合多点，点数越多，费用越低。一般数传电台设备费用约2000—4000元，天线架在离地面约30m以上时可传输20—50km或更远(架中继站)；另外建专网还要向当地无线电管委会申请专用频点，申请专网频率每年要交费；用无线电台作为通信手段，主要存在以下一些问题：
1）无线电超短波电台的局限性，一般台站的天线应远离高大建筑物，但实际情况不能满足这一要求，而且风、雨、雷等对数传电台有巨大影响，造成站台的巡查、加固和修复工作量增大。
2）无线电频谱是一种资源，随着国家对无线电频谱资源的限制和对电磁污染的治理，无线超短波通信已不是企业数据采集传输的最佳方案。
3）现有传输系统不仅需要人工巡查维护，维修费用大，并且由于体积大和发射功率大，对仪表运行造成干扰。
2、拨号
利用公共电话网，通过MODEM拨号，配合相应软件来实现监控。它明显的缺点是只有拨号后才能通信，不能同时“点对多点”通信等等。而且无论是上位机还是客户端都得必须具备专门的电话线。对于上位机而言，每一个下位机对应的上位机都要具备一条电话专线，且一个上位机只能接收一条电话线，也就是说下位机和上位机是一对一的关系，上位机也就不能称得上是服务器了。
3、数字线路
数字线路价格在这几种方法中最经济，但它的前期电缆铺设时间和费用投入都比较大，铺设中问要有中继站，线路周围不能有大的干扰，在运行过程中，要注意防雷、干扰、防破损等工作。数字线路虽说是最经济的一种方法但是它所受的限制很大，数据只能传输到有形线路铺设到的地方。
4、GPRS网络
GPRS网络是依托于手机模块的功能实现的，只要是具有GPRS功能的手机模块在有移动信号的地方都可以使用，无需用户自己铺设有形电缆或架设基站。
二、GPRS无线通信系统的组成及原理
（一）GPRS无线通信系统组成
GPRS无线通信系统主要由传感器、智能仪表、GPRS模块、GPRS／Internet网络、数据中心数据管理程序五部分组成。
GPRS模块是仪表数据进入网络的起点，同是也是接收到的服务器数据所到达的终点，模GPRS／Internet网络是数据远程传输的载体，GPRS模块通过登陆GPRS网经过GSN网关到达Intemet网络，从而达到数据无线远程传输的功能。
数据中心数据管理程序即服务器是程序是用户用来监视仪表运行状态的人性化程序，可以对参数进行监控并对通信记录进行记录和查询，对不同的仪表进行访问，监控其在线状态等功能；服务器程序还可以供仪表厂家对仪表进行维护和维修，远程判断其部分故障从而节省时间，也大大方便用户的使用。
2．2 GPRS无线通信系统原理
GPRS无线通信系统由发射设备、传输介质、接收设备三大部分组成。
发射设备由信号源、变换器、发射机组成。信号源主要是提供系统所需要传送的信息，例如GPRS无线传输系统中的传感器和智能仪表实现的功能；变换器的作用是完成待传送的信息与电信号之间的互相转换：发射机的作用把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去。传输介质是信息的传送通道，在本系统中功能与GPRS／Internet网络相当。接收设备由接收机、变换器和受信人组成。接收机把高频振荡信号转换成原始电信号，受信人是信息的最终接受者。
在GPRS无线通信系统中，当信息由客户端到数据中心时，受信人是处在网络上的数据中；而在信息从数据中心到客户端时，数据中心为信号源。对于数据中心来说，无论是作为受信人还是信号源，接收机和变换器部分的功能是由网络运营商实现的。
通信过程的第一步是建立数据中心和GPRS接收设备之间的通信链路。数据中心做服务器，客户端向服务器请求连接，连接建立后客户端主动发送注册码(区别客户端的ID)到服务器，这样就建立起了通信链路。其次是数据的传输，可以通过通信链路发送和获仪表的相关信息。数据传输过程如下：数据以数据流形式通过串行方式由仪表送给GPRS通信模块上，与中国移动基站进行通信，基站SGSN(Serving GPRS Suport Node)GPRS业务支持节点再与网关支持节点GGSN(Gateway GPRS Suport Node)GPRS网关支持节点进行通信，GGSN对GPRS分组资料进行相应的处理。GPRS模块以GPRS资料包的形式通过GPRS
网络把资料发送到中国移动的内部网(CMNET)，然后由中国移动通过GPRS业务节点，
把资料发送到Internet上，处在Internet上的数据中心收到来自仪表端的数据。数据从数据中心到达仪表的流程和这个过程正好相反。
三、GPRS无线传输系统的网络实现过程
本章主要研究无线传输系统的网络实现过程、GPRS无线通信模块的功能及使用，其中无线传输系统的网络实现包括组网方式、DNS(Domain Name System)、端口映射、及GSN(GGSN和SGSN合称GSN)。GPRS无线传输系统采用的是服务器／客户端模式。
（一）组网方式
由于GPRS无线数据终端与其它无线数据传输不同，它是基于TCP／IP协议进行数
据传输，并且上位机(数据中心)是接入公网(Internet)任何一台计算机。数据中心具有动态或固定的公网IP地址，或者是从中国移动中获取的数据专线接入从而具有固定的移
动子网IP地址。根据用户的不同需求，及采用的组网技术方案的不同，产生了以下
两种组网方式：
1、组网方式一
使用向中国移动申请专线的方式来构建服务器与通信终端的通信链路，这种方案的信息传递在中国移动内部即可完成。服务器数据中心需要也有一个手机模块，服务器拥有移动子网的固定IP地址，通信终端可以直接请求连接。该方案对用户来说是操作最简单的方案，性能稳定，可靠性高，但同时是初始费用及后续费用最多的一个方案，适合大数据量的用户使用。
2、组网方式二
使用普通的Internet来构建服务器与通信终端的通信链路，手机模块通过GGSN网
关与Internet相连，这就需要服务器拥有固定IP或通信终端已知服务器IP地址。
由于固定IP使用费用高，而且对于想要查询服务器信息的任何一个用户来说不一
定都具有固定IP(比如说无线上网卡)，这就限制了客户的使用范围，所以不建议使用
固定IP。另外一种办法就是GPRS终端通过服务器域名来访问服务器，服务器使用动态域名解析的方法获取服务器(数据中心)的IP地址，从而与数掘中心建立连接并互相传输数据。该方案的优点在于用户使用范围广，费用低廉，完全能满足数据量小的用户。鉴于以上原因采取组网方式二中的动态域名解析的方案来组网。
（二）网络协议的选择
GPRS模块支持的网络传输控制协议有TCP／IP和UDP协议。
TCP协议提供面向连接、可靠数据传输服务，TCP已经实现了发送．应答机制，数据无差错、无重复的发送，且按发送顺序接收，TCP本身就是可靠链路传输，提供一个时时的双向的传输通道，能很好的满足工业现场传输的要求，可以将它同电话系统相比，在开始数据传输之前，用户必须先建立连接。
UDP协议提供无连接服务，两台计算机之间的传输类似于传递邮件，消息从一台计算机发送到另一台计算机，但是两者之间没有明确的连接，数据包以独立包形式发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。在运输层的控制机制中，UDP没有流量控制机制，在收到分组时也没有确认。但是，UDP提供了某种程度的差错控制。如果UDP检测出在收到的分组中有差错，它就丢弃这个分组。而TCP使用使用确认分组，超时和重传来完成差错控制。UDP由于自身特点，以及GPRS网络UDP端口资源的有限性，在一段时间没有数据流量后，端口容易改变，产生的影响就是从服务器中心端向GPRS终端发送数据，GPRS终端接收不到。
到底选择哪一种协议通常是由需要创建的应用程序决定的。在收发数据的时候，应用程序是否需要得确认信息，如果需要，则使用TCP协议，在收发数据之前先建立明确的连接；此外在连接建立之后，TCP协议将维护连接并确保数据的完整性，实现了发送—应答机制。所以这次选用的是TCP／IP协议。
（三）网络路由
网络路由是网络数据从GPRS的移动网络上传递到Internet网络，以便服务器接收的路径。在普通局域网内的用户要想发送信息到Internet网络，众所周知是通过局域网的网关来实现的。而GPRS移动网络类似一个大的局域网，实现这个局域网网关作用的就是GSN。Base Station System(BSS)基站系统。
（四）动态域名解析

动态域名解析是域名解析的特例，与域名解析不同的是它所解析出的IP地址是变化的。前边提到了在网络中的任意两台主机的IP地址是全球唯一的，IP地址是一个点分十进制的格式表示，例如：192.68.0.16，可见点分十进制的IP对于全球的网络用户来说容量是很小的，所以不可能赋给每一个Internet网络用户以固定IP，所以网络管理者想到了这样一个办法，给正在上网的用户一个IP，下线后收回所用IP，用户下一次上线时再随机分配给一个不同或相同的IP，相当于在空闲时刻IP分给了别人使用，这样就大大减少了IP地址的使用量。这样来说，对于一个用户而言， IP成了动态IP，每次上网的IP与前一次都不一定相同。动态域名解析可以解析出服务器的动态IP。从另一个角度来说，申请固定IP的费用比动态IP的费用高出好几倍，这也使使用动态IP的机率增加了很多。动态域名解析就可以解决费用的问题。
动态域名解析是将一个域名解析为一个动态的IP地址，每次在电脑IP地址发生改变时，软件会自动将新的IP地址发送到DNS服务器，或者服务商提供的服务器上，对域名的解析进行修改，也就是当再次访问同一个域名的时候，DNS服务器会自动连接到变化了的IP地址。而仪表和数据中心通信时是用IP地址进行访问的，让这个变化的IP始终被捕捉到，域名解析就很重要了。如果用户是固定IP的话则不存在动态域名解析这方面的考虑了，客户端可以直接用IP地址连接服务器。常用免费动态域名解析软件有每步、花生壳等软件。
（五）端口映射
1 、端口
在Internet上，各主机间通过TCP／TP协议发送和接收数据报，各个数据报根据其目的主机的IP地址来进行互联网络中的路由选择。可见，把数据报顺利的传送到目的主机是没有问题的。现在的操作系统大多支持多程序(进程)同时运行，那么目的主机应该把接收到的数据报传送给众多同时运行的进程中的哪一个。端口映射就可以从中选定所提供服务的程序。
按照OSI七层模型的描述，传输层提供进程(应用程序)通信的能力。为了标识通信实体中进行通信的进程(应用程序)，TCP／IP协议提出了协议端口(protocol port，简称端口)的概念。端口是一种抽象的软件结构(包括一些数据结构和I／O缓冲区)。应用程序通过系统调用与某端口建立连接(binding)后，传输层传给该端口的数据都被相应的进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。端口用一个整数型标识符来表示，即端口号。端口号与协议相关，TCP／IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立。端口使用一个16位的数字来表示，它的范围是0—65535，1024以下的端口号保留给预定义的服务，例如“80”端口是系统定义给访问网页时所专用的端口。
2、公网和内网
公网、内网是两种Internet的接入方式。公网接入方式上网的计算机得到的IP地址是Internet上的非保留地址。公网的计算机和Internet上的其他计算机可随意互相访问。
内网的计算机以NAT(网络地址转换)协议，通过一个公共的网关访问Internet，
内网计算机的IP地址有保留形式，例：10.x.x.x或172.16．x．x至172．3l.x.x或192．168.x.x。
内网的计算机可向Internet上的其他计算机发送连接请求，但Internet上其他的计算机无法向内网的计算机发送连接请求，也就是接受不到外网的计算机连接请求。而端口映射正是解决了外网计算机对内网计算机的连接请求问题。
3、端口映射
端口映射功能就是可以让内部网络中某台主机对外部提供网络服务，当用户访问提供映射端口主机的某个端口时，服务器将请求转到内部一提供这种特定服务的主机；利用端口映射功能还可以将一台公网IP地址机器的多个端口映射成内部不同机器上的不同端口。理论上可以提供六万多个端口的映射。
实现端口映射的方法常用的有两种方法：
一、可以在有网关的计算机（即局域网服务器）上装上端口映射软件，给内网电脑做端口映射；
二、可以在宽带路由器上做端口映射，现在一般的宽带路由器都有这种功能。而第二种方法是对局域网内任何一台机器都是可以使用的。
（六）网络业务节点
APN(Access Point Name)就是业务接入点，网络从接入点判断客户要连接的业务。GPRS内部也是一个网，当手机要访问业务时，它内部通过APN点把手机连到相应路由。目前普通的APN是：CMWAP、CMNET。当设置为CMWAP时，网络把手机路由连接到WAP网关，再到相应的WAP网站访问；当设置为CMNET时，网络把手机路由连接到Internet网。所以如果访问Internet网但设置的是CMWAP的话，一般情况下WAP网关的防火墙会予以阻挡，不予通过。