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GPRS在遠程測控系統中的應用

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作者： 時間：2006-05-14 來源：
目前中國移動主推的GPRS 通訊方式是一種新興的數據傳輸技術，將從根本上解決傳統傳輸方式的弊端，更加貼近專業數據傳輸的需求。


遠程測控系統中的通訊需求分析

遠程測控系統數據傳輸包括各種檢測、監視、生產、報警等，行業涉及到油田、環保、地震、水利、電力、氣象、燃氣、管道、自來水等各個部門。遠程測控系統數據有數據量小、定時或非定時及實時發送等特點，一方面需實現數據的上傳，另一方面亦需下達各種傳輸、控輸、控制指令，即雙向的數據、指令傳輸，同時須結合自己的測控系統。傳統的數據傳輸主要有數傳電臺、電話撥號、衛星通信等方式來解決；這些傳輸方式存在覆蓋范圍、實時性、投資及運行費用等問題，同時對工控設備的無人守值守運行存在較大困難。目前中國移動主推的GPRS 通訊方式是一種新興的數據傳輸技術，將從根本上解決傳統傳輸方式的弊端，更加貼近專業數據傳輸的需求。
　
GPRS技術概述

GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現有GSM 系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM 用戶提供分組形式的數據業務。GPRS 采用與GSM 同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的TDMA 幀結構。這種新的分組數據信道與當前的電路交換的話音業務信道極其相似，因此現有的基站子系統只要增加一些模塊即可提供GPRS 服務。GPRS 允許用戶在分組交換模式下發送和接收數據，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。分組交換的基本過程是把數據先分成若干個小的數據包，可通過不同的路由，以存儲轉發的接力方式傳送到目的端，而組裝成完整的數據。分組交換基本上不是實時系統，延時也不固定，但可以使不同的數據傳輸“共用”傳輸帶寬：有數據時占用帶寬，無數據時不占用，從而分享資源。在GSM 無線系統中，無線信道資源非常寶貴。如采用電路交換，通信需要建立端到端的連接，信道只能被一個用戶獨占，在成本效率上顯然缺乏可行性。而采用分組交換的GPRS 則可靈活運用無線信道，每一個用戶可以有多個無線信道，而同一信道又可以由幾個用戶共享，從而極大地提高了無線資源的利用率。在理論上，GPRS可以將最多8 個時隙組合在一起，給用戶提供高達171.2kb/s 的帶寬。由于GPRS 用戶的數據通信費是以數據流量為基礎，而不考慮通信時長，所以GPRS用于IP 業務的接入將更為用戶所接受。

GPRS用于無線數據接入具有多方面的優勢，一是接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網絡，方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署；二是傳輸速率高，數據傳輸速度可達57.6kbps，最高可達到171kbps，是常用有線56k Modem 理想速率的兩倍，下一代GPRS 業務的速度甚至可以達384kbps，完全可以滿足用戶應用需求；三是接入時間短，GPRS 接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為兩秒；四是提供實時在線功能，現在用GPRS MODEM上網，用戶將始終處于連線和在線狀態，這將使訪問服務變得非常簡單、快速；五是按流量計費，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，用戶可以一直在線，按照用戶接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時，用戶即使掛在網上也是不收費的。以上優勢使GPRS 非常適用于開展行業和企業無線接入應用。

GPRS數據傳輸方式及網絡結構

無線移動通訊網絡的發展，特別是GPRS的出現為工業自動化設備的通訊提供了新的手段，通過GPRS服務，設備可采用互聯網Internet的標準方式與在互聯網上的服務器交換數據。GPRS的基礎是以IP包的形式進行數據的傳輸，GPRS無線終端接入GPRS 網絡的方法與普通有線MODEM 類似， 都采用建立PPP(Point-to-Point Protocol) 連接方式。PPP協議是一種被廣泛采用的串行點對點鏈路上傳輸數據報的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRS MODEM通過PPP協議獲得動態分配的IP地址。連接建立后，在PPP協議的基礎上通過數據傳輸協議，如TCP、UDP等實現與互聯網上其它計算機的數據通訊。以下為基于GPRS 技術的測控系統網絡典型應用示意圖：




GPRS傳輸方式：在遠程終端，采集數據通過A/D接口送入GSM/GPRS無線通信控制終端，GSM/GPRS無線通信控制終端首先將數據打包成TCP/IP 數據包，再轉換成GPRS 數據包，通過無線鏈路傳送到無線數據交換中心（MDEC）。MDEC再剝離GPRS 數據包并通過GGSN網關將TCP/IP 數據包傳送到Internet，再由Internet傳送到通信控制計算機，通信控制計算機通過Socket 套接字接受TCP/IP 數據包，并把它還原成原始數據。當數據由無線數傳監控中心到遠程終端方向時，情況是類似的。

短信傳輸方式：短信傳輸方式為點到點的傳輸方式，將采集到的數據通過短信發送到控制中心，控制中心通過短信收發設備接收短信，并通過計算機串口送入計算機處理。

目前中國移動開通的GPRS 數據服務主要是為手機和計算機用戶提供無線上網功能，針對專業數據的傳輸，必須解決以下幾個問題才能實現測控數據的及時、準確、安全地傳輸。

<1>PPP、TCP/IP 協議在終端設備上的實現

對于計算機用戶來說，實現撥號接入Internet 是件很容易的事，因為在PC上有非常成熟的軟件能夠輕松實現PPP 和TCP/IP 協議。但是對于采用嵌入式設備的終端，尤其是對單片機來說，由于硬件資源的制約和協議的復雜繁瑣，實現起來還是比較困難的。

<2>服務器的接入方式

由于GPRS 網絡工作方式是以IP 地址尋址為基礎的，所以服務器端理論上只需要接入Internet，并具備公網（Internet）分配的IP 地址即可。但是在實際系統應用中，如果服務器是撥號或ADSL 等接入方式，每次接入所獲得的IP 地址不是固定的，而GPRS MODEM 也是動態地獲得IP 地址，兩個動態的IP 地址設備在Internet 上是無法直接通信的。因此要求服務器具有靜態IP 地址或通過其它方式中轉。這樣，服務器的接入方式就受到一定限制。中國移動開通的GPRS 服務中現階段只提供點對多點的傳輸服務。點對多點傳輸方式是指多個GPRS 無線終端把數據傳輸到一個固定的數據處理中心。GPRS終端與終端間的點對點傳輸理論上可行，但技術上還有待更好的支持。

<3>移動網和公網（Internet）互聯

GPRS MODEM 動態地獲得的IP 地址為移動骨干網內地址，無法被公網服務器直接解析，在未進入連接狀態時，服務器是無法與GPRS MODEM 直接通訊的。必須先由GPRS MODEM 主動向服務器發送數據，進行連接。當連接的路由建立以后，服務器和終端設備才可以雙工地進行數據傳輸。所以通訊必須是由GPRS MODEM首先發起連接，這一點在制定測控系統通訊方式時要考慮進去。

<4>終端設備的身份識

GPRS MODEM 動態地獲得的IP 地址，對于服務器來講就無法象普通計算機網絡那樣靠IP 地址或MAC 地址來判斷終端設備的身份，無法準確地定位終端設備。另外，從網絡安全的角度來說，也存在這個問題。所以必須建立一個ID 識別機制。

<5>GPRS MODEM 的長期穩定性

測控系統中的終端設備一般都安裝在野外環境中，地點偏遠、分散，無人職守，設備必須能在特殊的環境下長期、穩定地工作。系統必須具有自動撥號、斷線重撥功能,在GPRS 網絡狀況不穩定時，具有自動恢復通訊能力,保證系統穩定工作,無需人為干預。另外，在電源抗干擾及散熱等方面也必須進行特殊設計，才能使終端設備適應惡劣工作環境。

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