夏忠球

（健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇太倉(cāng)215400）

1.GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加形成的一種新網(wǎng)絡(luò)模式，它是在GSM上增加GGSN和SGSN來(lái)實(shí)現(xiàn)的，GGSN和SGSN分別表示GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)和GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)來(lái)講，GPRS網(wǎng)絡(luò)分為無(wú)線(xiàn)接入和核心網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。無(wú)線(xiàn)接入部分是在移動(dòng)臺(tái)(MS)與基站子系統(tǒng)(BSS)之間傳輸數(shù)據(jù)，核心網(wǎng)絡(luò)在BSS與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)邊界網(wǎng)關(guān)之間中繼傳輸數(shù)據(jù)。

2.GPRS網(wǎng)絡(luò)原理

GPRS是利用"包交換"概念所發(fā)展出的一套無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式。它采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、無(wú)線(xiàn)調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、突發(fā)結(jié)構(gòu)、TDMA幀結(jié)構(gòu)以及相同的跳頻規(guī)則，能兼容GSM網(wǎng)絡(luò)并可以更加有效地傳輸高速數(shù)據(jù)和信令。

GPRS網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的，使用戶(hù)能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且不需要使用電路交換模式下的任何網(wǎng)絡(luò)資源，從而可以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)營(yíng)。GPRS用戶(hù)如何接入GPRS網(wǎng)絡(luò)以及如何利用GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)Internet等外部數(shù)據(jù)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)的工作原理體現(xiàn)在它的分組數(shù)據(jù)路由傳輸和傳輸協(xié)議模式上。在圖1所示結(jié)構(gòu)中，用戶(hù)通訊數(shù)據(jù)通過(guò)串行或無(wú)線(xiàn)方式連接到GPRS終端上，然后GPRS終端與GSM基站通信，這種方式與電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)，而不是通過(guò)移動(dòng)交換中心(MSC)連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)上。因此，SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)。

圖1 GPRS的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，其具體的數(shù)據(jù)傳輸流程分為四步：第一步用戶(hù)設(shè)備通過(guò)串行接口向GPRS終端傳輸數(shù)據(jù)；第二步經(jīng)過(guò)處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站；第三步分組數(shù)據(jù)經(jīng)GSM基站的SGSN封裝后，然后發(fā)送到GPRS骨干網(wǎng)；第四步在GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN對(duì)SGSN分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)。

移動(dòng)臺(tái)(MS)和GPRS之間的分層傳輸協(xié)議模型主要由GTP、LLC和RLC協(xié)議構(gòu)成。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層、LLC層、SNDC層和網(wǎng)絡(luò)層。RLC/MAC為無(wú)線(xiàn)鏈路控制/媒質(zhì)接入控制層，LLC層為邏輯鏈路控制層。GTP是將用戶(hù)數(shù)據(jù)及信令用隧道技術(shù)在GPRS網(wǎng)絡(luò)GSN節(jié)點(diǎn)之間傳送。

3.GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

在GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸中，常用的有兩種傳輸協(xié)議，即TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。它們都是使用IP作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，每組數(shù)據(jù)都通過(guò)端系統(tǒng)和每個(gè)中間路由器中的IP層在互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。

TCP主要負(fù)責(zé)把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊然后再交給下面的網(wǎng)絡(luò)層、確認(rèn)接收到的分組、設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等，是為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

UDP協(xié)議與TCP協(xié)議最大的不同表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨?，UDP協(xié)議是一種不可靠的或最盡力的協(xié)議，它本身不提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但并不意味著在UDP協(xié)議之上就不能有可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)傳輸中使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序要負(fù)責(zé)實(shí)施重傳、過(guò)濾多余信息等等。如果一個(gè)UDP包在傳輸過(guò)程中丟失或者損壞，需要引起發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序注意才行。

TCP協(xié)議和UDP協(xié)議各有優(yōu)勢(shì)，工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中究竟是采用TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議，可以根據(jù)實(shí)際條件和技術(shù)水平來(lái)綜合考慮。

4.GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

4.1 永遠(yuǎn)在線(xiàn)性

GPRS在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)把信道讓出來(lái)，但并不與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，如需繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，僅需幾秒鐘的接入時(shí)間，就可重新快速及時(shí)地連接。因此，分組用戶(hù)只在傳遞數(shù)據(jù)時(shí)才使用信道資源，這種分配方式使網(wǎng)絡(luò)資源的利用率得到提高，而且可以讓用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間的保持與外網(wǎng)的連接，不需進(jìn)行斷開(kāi)操作，使用戶(hù)做到了永遠(yuǎn)在線(xiàn)。在實(shí)際監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控點(diǎn)不用頻繁建立連接，也不必支付傳輸間隙時(shí)的費(fèi)用。

4.2 支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議

IP協(xié)議和X.25協(xié)議為Internet上應(yīng)用最為廣泛的通訊協(xié)議，同時(shí)這兩種協(xié)議也均可在GPRS中應(yīng)用，這樣使通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合更為快捷。目前在GPRS上可以開(kāi)展的業(yè)務(wù)有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、Web瀏覽、電子商務(wù)、電子銀行、移動(dòng)辦公、信息點(diǎn)播、家庭監(jiān)視與工程技術(shù)控制等。它實(shí)現(xiàn)了與多種網(wǎng)絡(luò)交互，比如E-mail、FTP和多媒體聊天、娛樂(lè)游戲等等。

4.3 支持多種數(shù)據(jù)應(yīng)用

GPRS對(duì)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置有不同的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，包括優(yōu)先級(jí)、可靠性、時(shí)延、數(shù)據(jù)速率等。其中，對(duì)于數(shù)據(jù)速率，GPRS支持多時(shí)隙（最多8個(gè)時(shí)隙）合并傳輸和4種編碼方式，使數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)171kbps。同時(shí)GPRS可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)資源質(zhì)量，靈活選擇服務(wù)質(zhì)量參數(shù)為用戶(hù)提供服務(wù)，它不僅適用于頻繁的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型，而且支持頻率較低、突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

4.4 資源利用率高

GPRS改變了原來(lái)采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)模式，引入分組交換的傳輸方式。按傳統(tǒng)電路交換模式來(lái)說(shuō)，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占有無(wú)線(xiàn)信道，這對(duì)系統(tǒng)資源造成很大的浪費(fèi)。而對(duì)于分組交換模式，用戶(hù)只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無(wú)線(xiàn)信道資源，這意味著多個(gè)用戶(hù)可高效率地共享同一無(wú)線(xiàn)信道，從而提高了資源的利用率。

4.5 移動(dòng)和分布的靈活性

由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，用戶(hù)無(wú)須擔(dān)心線(xiàn)路的維護(hù)或有線(xiàn)在移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致通訊中斷，因此可以隨意移動(dòng)和分布自己的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)。

目前用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的通訊方式有GSM數(shù)據(jù)撥號(hào)方式、CDMA網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)三種方式。GSM撥號(hào)方式是基于電路交換的通訊形式，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占有無(wú)線(xiàn)信道。因此為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)中心要一直保持電路上的鏈接，它產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)高。另外，在使用GSM撥號(hào)方式時(shí)，管理中心只能對(duì)系統(tǒng)中的一個(gè)監(jiān)控終端保持鏈接，如需跟其它的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行信息交換和通信，就必須掛斷當(dāng)前的鏈接。

CDMA網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩者相比，CDMA無(wú)論在數(shù)據(jù)傳輸速度、技術(shù)先進(jìn)性和實(shí)際使用資費(fèi)上，CDMA都比GPRS更有優(yōu)勢(shì)，但是作為工控產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用，考慮更多的是產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。CDMA作為一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前開(kāi)通的地方有限，信號(hào)覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有GPRS廣泛，而當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)中某些設(shè)備需要分布在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)更合適。同時(shí)，從技術(shù)角度來(lái)分析，CDMA和GPRS的網(wǎng)絡(luò)鏈接都是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PPP撥號(hào)鏈路協(xié)議，相關(guān)的應(yīng)用軟件可以兼容使用。GPRS的應(yīng)用程序可以移植到CDMA網(wǎng)絡(luò)上，如果CDMA網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于GPRS網(wǎng)絡(luò)更完善時(shí)，就可以通過(guò)升級(jí)無(wú)線(xiàn)Modem模塊來(lái)平滑地過(guò)渡到CDMA網(wǎng)絡(luò)模式。而且，GPRS應(yīng)用較早，相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)比較到位，移動(dòng)公司可以為企業(yè)構(gòu)建企業(yè)級(jí)VPN，有利于提高網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)交換的安全性。

根據(jù)我們對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、GPRS網(wǎng)絡(luò)工作原理、GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的討論，我們不難看出它的應(yīng)用給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大變革，尤其在工控遠(yuǎn)程監(jiān)控中，它發(fā)揮了關(guān)鍵而重要的作用。

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