貴州廣播電視臺(tái)廣播技術(shù)中心 周禮坤 楊昌明 曹小山

1.引言

GPRS應(yīng)用非常廣泛，幾乎涉及到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)都會(huì)考慮采用GPRS作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸媒介，但針對(duì)實(shí)際應(yīng)用每個(gè)行業(yè)都會(huì)有自己的功能需求和組網(wǎng)方式。組網(wǎng)方式的選擇往往會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率、開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)產(chǎn)生極大影響。因此，深入研究分析現(xiàn)有的組網(wǎng)方案，選擇一種最適合的組網(wǎng)方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。

文章主要對(duì)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS的相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行了概括性地論述，為將GPRS技術(shù)應(yīng)用于廣播發(fā)射臺(tái)站監(jiān)控系統(tǒng)奠定必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。GPRS通過(guò)在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換的實(shí)體，完成分組方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS允許用戶在端到端分組傳輸模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以使多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源，提高了無(wú)線資源的利用率，適合于數(shù)據(jù)處務(wù)突發(fā)性的特點(diǎn)。

3.GPRS工作原理

GPRS的路由管理是指GPRS網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)傳送路由。GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在同一PLMN中的移動(dòng)終端和外部網(wǎng)絡(luò)之間，也就是在參考點(diǎn)R和參考點(diǎn)Gi之間的路由功能。

(2)在不同PLMN(參考點(diǎn)R和參考點(diǎn)Gi在不同的PLMN)中的移動(dòng)終端和外部網(wǎng)絡(luò)之間，也就是通過(guò)Gp接口在參考點(diǎn)R和參考點(diǎn)Gi之間的路由功能。

(3)在不同終端之間，也就是在不同MS的參考點(diǎn)R之間的路由功能。PDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元在MS和GGSN之間以N-PDU的形式傳送，包的大小限制在1500字節(jié)以內(nèi)。對(duì)于大小在1500字節(jié)以內(nèi)的N-PDU，將在MS和GGSN之間進(jìn)行分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)；對(duì)于大小大于1500字節(jié)的N-PDU，將根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)被切分、丟棄或拒絕。在SGSN和MS之間，PDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元由SNDCP傳送。在SGSN和GGSN之間，PDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元通過(guò)TCP/IP或UDP/IP進(jìn)行路由和傳送。GPRS用戶使用GPRS業(yè)務(wù)之前首先要通過(guò)GPRS附著過(guò)程將自己的信息登記在SGSN中，附著過(guò)程結(jié)束后，SGSN建立了移動(dòng)臺(tái)的信息，并對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)性管理，盡可能地獲得移動(dòng)臺(tái)的位置信息。移動(dòng)臺(tái)如果要訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，需要發(fā)起PDP激活過(guò)程，通過(guò)此過(guò)程使移動(dòng)臺(tái)到GGSN建立一條邏輯通路，從而可以訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 同步廣播發(fā)射站點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D

MS在接入分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之前，必須先附著到GPRS上，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)用戶從一個(gè)路由區(qū)進(jìn)入另一個(gè)新路由區(qū)時(shí)，其附著規(guī)程需完成移動(dòng)性管理。

GPRS附著過(guò)程的具體步驟如下：

(1)MS向SGSN發(fā)送請(qǐng)求附著消息；

(2)HLR對(duì)MS進(jìn)行鑒權(quán)，同時(shí)檢測(cè)IMEI信息；

(3)執(zhí)行SGSN的位置更新，如果釆用了Gs接口，還應(yīng)執(zhí)行MSC/VLR的位置更新；

(4)SGSN通知MS其附著請(qǐng)求被接受，必要時(shí)給MS分配新的P-TMSI：

(5)如果一切順利，SGSN向MS發(fā)送附著接受消息，反之則向MS發(fā)送附著拒絕消息。

移動(dòng)臺(tái)附著成功后，要想訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，還需發(fā)起PDP環(huán)境激活過(guò)程。PDP環(huán)境激活過(guò)程如下：

(1)MS向SGSN發(fā)送激活PDP環(huán)境請(qǐng)求消息；

(2)SGSN根據(jù)MS提供的激活類(lèi)型、PDP地址、APN，通過(guò)APN選擇標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解析GGSN地址，從而檢查該請(qǐng)求是否有效；

(3)如果收到GGSN的創(chuàng)建PDP上下文響應(yīng)，則在該P(yáng)DP上下文中插入NSAPI、GGSN地址、動(dòng)態(tài)PDP地址，根據(jù)商定的QoS選擇無(wú)線優(yōu)先權(quán)，然后向MS返回激活PDP上下文接受消息，此時(shí)就己建立起MS與GGSN之間的路由，開(kāi)始計(jì)費(fèi)，可以進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳送。

4.基于GPRS的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求，通常有下列幾種組網(wǎng)方式以適應(yīng)不同要求，它們的主要區(qū)別在于監(jiān)控中心接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的方式不同。以下主要介紹各類(lèi)適用于GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并通過(guò)比較，找到適合于同步廣播發(fā)射臺(tái)站搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)Internet接入

盡管GPRS基于IP協(xié)議，但每次GPRS終端撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)，其IP地址都是移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)IP地址，并且這個(gè)內(nèi)網(wǎng)IP地址大多為動(dòng)態(tài)分配的。此時(shí)，如果監(jiān)控中心與GPRS終端雙方的IP地址都是動(dòng)態(tài)的話，雙方則無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信。若監(jiān)控中心采用靜態(tài)IP地址或者動(dòng)態(tài)IP地址結(jié)合域名系統(tǒng)(Domain NameSystem，DNS)解析服務(wù)則可實(shí)現(xiàn)雙方的互聯(lián)。

靜態(tài)IP地址方式，監(jiān)控中心需要向Internet運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)公網(wǎng)固定IP地址；或者是企業(yè)內(nèi)部有一臺(tái)連接到Internet的服務(wù)器，且具有公網(wǎng)固定IP地址，不過(guò)此時(shí)考慮到服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行，通常不在服務(wù)器安裝其他軟件，此時(shí)可以通過(guò)端口映射的方法解決。最終由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)起連接，從而實(shí)現(xiàn)雙方的互聯(lián)。此種方案在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性方面很好，但公網(wǎng)固定IP使用費(fèi)用比較高。

動(dòng)態(tài)IP地址方式，由于公網(wǎng)靜態(tài)IP在使用費(fèi)用和安裝條件等方面的限制，監(jiān)控中心往往采用動(dòng)態(tài)IP方式接入Internet。而在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)IP結(jié)合DNS域名解析的組網(wǎng)方式更為常見(jiàn)。采用動(dòng)態(tài)域名解析方案，首先需要聯(lián)系DNS服務(wù)商為監(jiān)控中心申請(qǐng)一個(gè)域名，并把這個(gè)域名寫(xiě)入監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPRS終端中。監(jiān)控中心接入Internet之后會(huì)與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當(dāng)前獲得的動(dòng)態(tài)IP地址報(bào)告給DNS服務(wù)器。GPRS終端上電后，首先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心的公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通信。此種方式可以減少申請(qǐng)和使用公網(wǎng)靜態(tài)IP的開(kāi)支，但其穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定性。

4.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)經(jīng)GPRS-DTU接入

此種方案需要監(jiān)控中心向移動(dòng)DNS服務(wù)商開(kāi)通移動(dòng)動(dòng)態(tài)域名，監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPRS終端先采用域名尋址方式連接移動(dòng)DNS服務(wù)器，再由移動(dòng)DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心移動(dòng)動(dòng)態(tài)IP地址建立連接。監(jiān)控中心也用GPRS-DTU做接收端，但GPRS無(wú)線方式的監(jiān)控中心不如有線方式穩(wěn)定。此種方式可以大大節(jié)約固定IP的費(fèi)用，但并不是所有移動(dòng)公司都提供DNS解析服務(wù)，所以要在有DNS解析服務(wù)的地區(qū)才能采用此種方案。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用，但該方案實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性較差，不推薦使用。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)移動(dòng)APN專(zhuān)網(wǎng)固定IP接入

此種方案必須先向移動(dòng)公司申請(qǐng)APN專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)，申請(qǐng)到專(zhuān)用APN的SIM卡僅可以使用該APN。在獲得APN后，監(jiān)控中心和所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPRS終端被分配給GPRS內(nèi)網(wǎng)固定IP地址。由于申請(qǐng)到固定IP，該方案無(wú)需注冊(cè)服務(wù)器協(xié)助建立連接，減少了中間環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性加強(qiáng)。另外，所有數(shù)據(jù)都在GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳輸，無(wú)需通過(guò)公網(wǎng)，安全性增強(qiáng)，而且該方案無(wú)需負(fù)擔(dān)專(zhuān)線月租費(fèi)。從總體上說(shuō)，本方案性價(jià)比合理，在條件允許的情況下可以使用本方案。

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)APN專(zhuān)線接入

此種方案需要監(jiān)控中心通過(guò)一條2M的APN專(zhuān)線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道，為客戶分配專(zhuān)用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡僅開(kāi)通該專(zhuān)用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點(diǎn)及中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過(guò)程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過(guò)濾。此種方案無(wú)論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前三種方案都有很大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境.

5.同步廣播發(fā)射臺(tái)站搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到同步廣播發(fā)射臺(tái)站系統(tǒng)容量大、需要監(jiān)控的點(diǎn)多而分散、對(duì)數(shù)據(jù)處理分析要求及時(shí)可靠等特點(diǎn)，采用專(zhuān)線APN接入方案是最佳的組網(wǎng)方式，但是有發(fā)射站點(diǎn)不具備專(zhuān)線接入的條件，故發(fā)射及站點(diǎn)選擇移動(dòng)APN專(zhuān)網(wǎng)固定IP接入方式，監(jiān)控服務(wù)中心選擇采用APN專(zhuān)線接入。使用APN專(zhuān)線有訪問(wèn)權(quán)限的控制，系統(tǒng)安全性、可控性高。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的拓?fù)鋱D如圖1所示。

6.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了GPRS作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸媒介的工作原理，通過(guò)對(duì)幾種組網(wǎng)方式的分析和比較。結(jié)合調(diào)頻同步廣播發(fā)射臺(tái)站的實(shí)際情況，找到適合于同步廣播發(fā)射臺(tái)站搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守臺(tái)站的遠(yuǎn)程控制和管理提供了重要的理論基礎(chǔ)。

[1]鐘章隊(duì),李紅君,蔣文怡.GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[2]祁耀斌,韓亞?wèn)|.基于GPRS的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新企業(yè),2009(15).

[3]韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]吳永華,周明方,黃緯,南風(fēng).建立基于TD-SCDMA/APN專(zhuān)網(wǎng)的電力自動(dòng)化無(wú)線通訊服務(wù)系統(tǒng)[J].科協(xié)論壇(下半月),2011(05).