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GPRS技术在紫金桥组态软件中的应用

GPRS技术简介

GPRS的英文全称是:“General Packet Radio Service”(译作“通用分组无线服务”),它是利用“包交换”(Packet-Switched)的概念发展起来的一套无线传输方式。所谓“包交换”就是将Data封装成许多独立的封包,再将这些封包一一传送出去,形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽。

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,通过在新的网络上增加一些硬件设备,并同时对原有网络软件升级,形成了一个新的网络逻辑实体,提供端到端,广域的无线IP连接。通俗的讲,GPRS是一项高速数据处理技术,它以分组交换技术为基础,用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务。

GPRS的系统组成原理图如下图所示:

GPRS在现有的GSM网络中需增加一些节点,如GGSN(Gateway GPRS Supporting Node,GPRS网关支持节点)和SGSN( Serving GSN,GPRS服务支持节点),GSN是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能,它可以连接各种类型的数据网络,并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备,也可以与GSM中的MSC集成在一起。GSN有两种类型:一种为SGSN( Serving GSN,服务GSN),另一种为GGSN(Gateway GSN,网关GSN),SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息,并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用,它可以和多种不同的数据网络连接,如ISDN、PSPDN和LAN等。国外有些资料甚至将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS 分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。

GPRS大规模的借鉴及使用了数据通信技术及产品,包括帧中继、TCP/IP、X.25、X.75、路由器、接入网服务器、防火墙等。

GPRS最早在1993年提出,1997年出台了第一阶段的协议,到目前为止GPRS协议还在不断更新,2000年初推出SMG#30,匿名接入功能在新的协议中不再体现。GPRS协议除包含新出台的协议外,还对原有的一些协议进行了较多的修改。

GPRS的优点

1、相对原来GSM的电路交换数据传送方式,GPRS采用分组交换技术。由于使用“分组”技术,用户上网可以免受掉线的麻烦。能够高效传输高速或低速数据和信令,优化了对网络资源和无线资源的利用。

2、GPRS的数据传输速度相对其他无线通讯方式较高。GPRS在今年初推出时已达到56Kbps的传输速度,到现在更是达到了115Kbps(此速度是常用56k modem理想速率的两倍)。除了速度上的优势,GPRS还有“永远在线”的特点,即用户随时与网络保持联系。举个例子,用户访问Internet时,点击一个超级链接,手机就在无线信道上发送和接受数据,主页下载到本地后,没有数据传送,手机就进入一种“准休眠”状态,手机释放所用的无线频道给其它用户使用,这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接,当用户再次点击,手机立即向网络请求无线频道用来传送数据,而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网。

3、GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。GPRS支持基于标准数据通信协议的应用,可以和IP网、X.25网互联互通。GPRS的核心网络层采用IP技术,底层款可使用多种传输技术,很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。支持特定的点到点和点到多点服务,以实现一些特殊应用如远程信息处理。

4、 GPRS的数据通讯安全性高。身份认证和加密功能由SGSN来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前GSM中的一样,不过GPRS使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。GPRS移动设备(ME)可通过SIM访问GPRS业务,不管这个SIM是否具备GPRS功能。

5、用户数据在MS和外部数据网络之间透明地传输,它使用的方法是封装和隧道技术。数据包用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN之间传输。这种透明的传输方法缩减了GPRS PLMN对外部数据协议解释的需求,而且易于在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩,并有重传协议保护,因此数据传输高效且可靠。

6、使用方便,一次性投资少。采用GPRS无线通讯方式,用户无需架设发射铁塔、天线,也无需申请频点,只需购置一块GPRS通讯模块和一张中国移动SIM卡及申请相应的服务即可。这和整套数传电台的投资成本比较GPRS的投资可以忽略不计,而购买中国移动SIM卡的成本更低,而且根据我们的经验这样用量的大客户通讯部门甚至可以不收SIM的费用。这样在一次性投资上大大低于数传电台的投资。

7、营运费用低。GPRS无线通讯方式对于用户来说是免维护的,它所有的维护工作由移动通讯供应商来完成。GPRS是按流量来计费的,运营费用比租用专线、电话拔号等方式都要低的多,普通手机用户200元包月,可不限流量通讯,工业大用户可与移动通讯供应商签定大用户协议,收费将更加低。

目前,中国移动GPRS资费标准有以下四种方式:

月租费(元)

赠送免费流量数(MB)

超过赠送流量后的流量费(元/KB)

自由套餐

0

0

0.03

经济套餐

20

1

0.01

时尚套餐

100

20

0.01

商务套餐

200

不限流量

不限流量

8、便于扩展。对于新扩展的站点用户唯一需要做的就是去购买一张移动通讯供应商提供的SIM卡并且立刻就可以开通使用。

9、组网简单、迅速、灵活:GPRS无线DDN系统可以通过Internet网络随时随地的构建虚拟移动数据通信专用网络,为广大中小用户提供接入便利,节省接入投资。

10、GPRS相对其他无线通讯方式更能防雷击:由于采用中国移动的GPRS 数据业务, GPRS DTU的发射功率非常小,天线非常短,而且无需高架,克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备的缺点,所以它无需特别的防雷措施。

GPRS基本原理

在以前的GSM电路交换的通信方式中,在发送数据之前,首先需要通过一系列的信令过程,为特定的信息传输过程(如通话)分配信道,并在信息的发送方、信息所经过的中间节点、信息的接收方之间建立起连接,然后传送数据,数据传输过程结束以后再释放信道资源,断开连接。

在GPRS系统中采用的是分组通信技术,用户在数据通信过程并不固定占用无线信道,因此对信道资源能够更合理地应用。

在分组交换的通信方式中,数据被分成一定长度的包(分组),每个包的前面有一个分组头(其中的地址标志指明该分组发往何处)。数据传送之前并不需要预先分配信道,建立连接。而是在每一个数据包到达时,根据数据包头中的信息(如目的地址),临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中,数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系,信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。

由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点,对信道带宽的需求变化较大,因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。

GPRS网络结构

GPRS网络引入了分组交换和分组传输的概念,这样使得GSM网络对数据业务的支持从网络体系上得到了加强。GPRS其实是叠加在现有的GSM网络的另一网络,GPRS网络在原有的GSM网络的基础上增加了SGSN(服务GPRS支持节点)、GGSN(网关GPRS支持节点)等功能实体。GPRS共用现有的GSM网络的BSS系统,但要对软硬件进行相应的更新;同时GPRS和GSM网络各实体的接口必须作相应的界定;另外,移动台则要求提供对GPRS业务的支持。GPRS支持通过GGSN实现的和PSPDN的互联,接口协议可以是X.75或者是X.25,同时GPRS还支持和IP网络的直接互联。

 

GPRS的应用范围

GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务,在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上,GPRS可以提供系列交互式业务服务:

1、点对点面向连接的数据业务。为两个用户或者多个用户之间发送多分组的业务,该业务要求有建立连接、数据传送以及连接释放等工作程序。

2、单点对多点业务。根据某个业务请求者的要求,把单一信息传送给多个用户。该业务又可以分为点对多点多信道广播业务、点对多点群呼业务和IP多点传播业务。

3、点对点无连接型网络业务。各个数据分组彼此互相独立,用户之间的信息传输不需要端到端的呼叫建立程序,分组的传送没有逻辑连接,分组的交付没有确认保护,是由IP协议支持的业务。

4、GPRS除了提供点对点、点对多点的数据业务外,还能支持用户终端业务、补充业务、 GSM短消息业务和各种GPRS电信业务。

本数采系统的数据传输流程

紫金桥实时数据库目前已经支持各种厂家生产的各种型号的GPRS远程终端模块10多种。每种都有多处应用,经过实践的检验,紫金桥实时数据库对GPRS通讯的支持还是可靠、安全的。本数采系统得数据流程如下所示:

GPRS设备把数据从现场采集站采集上来,通过GPRS网络发送到移动公司网络,移动公司通过INTERNET把数据发送到应用中心。

 

基本的步骤是:

首先紫金桥实时数据库所在的监控中心指挥系统必须连入Internet网络,并且具有一个全球唯一识别的IP地址。然后紫金桥系统将打开GPRS监听功能,等待GPRS远程终端连接。在数据采集站,现场设备通过RS-232、RS-485或RS-422方式连接GPRS远程终端。当GPRS远程终端加电后,它会按照设置直接连接移动营运商的GPRS网络,而移动营运商会根据远程终端的请求通过Internet网络连接紫金桥系统。就这样一个由设备经串口线到GPRS远程终端,再经由无线网络到移动营运商,再通过Internet到紫金桥系统的链路就成功地建立了。而紫金桥系统一但接收到营运商的连接,就可以使用预先指明的通讯协议通过刚刚建立的链路直接和远程现场设备进行通讯,从而把现场设备中的数据采集到监控中心指挥系统中。

由上面的介绍可以知道,一旦连接建立,连接就变成了透明的。连接建立后,紫金桥系统就无需关系连接的具体细节,它甚至可以认为设备就仅仅通过串口直接和系统相连。这种高度的透明性也就带来了系统的易扩充性。

GPRS通讯方式存在的问题和解决办法

  • GPRS会发生包丢失现象

由于分组交换连接比电路交换连接要差一些,因此,使用GPRS会发生一些包丢失现象。而且,由于话音和GPRS业务无法同时使用相同的网络资源,而对于不同的用途而言只有有限的无线资源可供使用。例如,话音和GPRS呼叫都使用相同的网络资源,这势必会相互产生一些干扰。其对业务影响的程度主要取决于时隙的数量。当然,GPRS可以对信道采取动态管理,并且能够通过在GPRS信道上发送短信息来减少高峰时的信令信道数。

这一点紫金桥实时数据库采用超时重发的方式来解决。紫金桥实时数据库使用协议和设备进行通讯时,采用一问一答的方式。如果设备因为包丢失而没有收到紫金桥提出的数采请求或者是设备提交的数据包因为包丢失而没有被紫金桥所收到,紫金桥系统会等待一定的时间(这个时间一般几秒钟),如果过了这段时间,仍然没有收到数据,就可以认为采集超时。在采集超时发生之后,紫金桥系统会再次发送采集命令,由于丢包现象只会极其偶尔的发生,所以再次采集时,就可以保证采集数据的成功。

  • 实际速率比理论值低

GPRS数据传输速率要达到理论上的最大值172.2kbps,就必须只有一个用户占用所有的8个时隙,并且没有任何防错保护。运营商将所有的8个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外,最初的GPRS终端预计可能仅支持1个、2个或3个时隙,一个GPRS用户的带宽因此将会受到严重的限制,所以,理论上的GPRS最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。在实际的应用过程中,数据传输速率经我们实际测试应该是在30-70K之间。

按照现在每个站采集量100个(不加区分都按模拟量算),即使数据传输格式采用double型,(在一般工业应用中,float型也应该是足够的),其数据长度不超过800字节,加上TCP/IP协议包本身的数据,其总共数据长度不超过1000字节,有效数据长度不超过8K,因此在数据基本上能保证在1秒更新一次。在考虑网络和天气原因,数据有可能出现延时,但延时时间一般不超过30秒。

如果出现延时,紫金桥系统也有应对策略。因为紫金桥系统传送的数据都附有时标,及时出现网络延时,系统的历史数据也是准确的。

  • 监控中心指挥系统必须连入Internet网络,这就对数据安全提出了更高的要求。

请看下图:

图中的“中心服务器”即为本系统的数据监控中心,位于GPRS子网之外,Internet网络之中,具有公网IP,它的功能相当于普通的网络服务器,但和一般的商业服务器相比有两大特点,第一,它是服务于GPRS子网用户的服务器。第二,它的服务客户对象是事先预知的。结合这两个最为显著的特点,系统提供了以下两种安全技术解决方案。

IP 过滤技术:由于监控中心服务于GPRS子网用户,所有访问客户的IP必为GPRS子网内的IP ,即所有的用户必须通过CMNET才可能访问该服务器。因此,我们在系统中采用了IP过滤技术,对所有接受的数据包进行过滤,抛弃掉所有的非法IP数据报。这一过程就好像将系统置身于CMNET的防火墙保护之下,所有的非法用户只有先穿过了CMNET的安全防护才有可能访问到本系统,但对于安全措施非常强大的CMNET网络来说,这将是非常的困难。

身份授权和密码认证体系:采用IP过滤技术尽管可以防止一些非CMNET网段用户的侵袭,但由于系统处于GPRS子网以外,IP过滤只能起到简单的安全防护,对于那些利用IP伪装技术的非法用户则无法识别。由于该系统是专业化的服务系统,访问客户是预先确定的,利用这一特点,我们在系统中采用了用户ID和密码验证技术,系统中存储了有所客户端的MAC地址以及密码,对通过了IP过滤的数据包,再验证其ID号和密码。对于该系统以外的非法用户,获取合法的MAC地址和密码将十分困难,所以这一步极大可能地增加了系统的安全性。

数据安全加密通道系统:采用标准的SSL数据安全通讯协议在客户端和服务器端建立加密数据通道,保证私有数据传输的安全性;系统在应用层植入高可靠性的加密算法,使得数据在任何网络出错时都可以得到保证的高可靠性;采用MD5算法产生“报文摘要”已实现对所有发送报文的数字签名,保证了数据传输过程中的完整性,防止数据被篡改。

访问过程跟踪系统:对所有的访问过程进行日志记录,包括用户身份、IP、时间、数字签名、操作事项等信息,向系统管理人员提供了详细、完整、有效的操作证明。

紫金桥数据加密:由于数据是在中国移动的网络和公网上传输,因此,必须考虑对数据进行加密传输。我们可以考虑对数据进行压缩并加密,这样相当于是两次加密,由于攻击者不可能同时得到压缩算法、加密算法和加密密码,因此数据的安全性是完全能得到保证的。

通过以上方式,我们将确保数据的安全性,防止非授权用户非法获取用户数据。

  • 监控中心指挥系统必须拥有一个全球唯一识别的IP地址。如果没有全球唯一识别的IP地址,移动营运商就无法找到紫金桥系统,从而也就无法建立正确的连接,也就无从采集数据。

不过,这里的全球唯一识别的IP地址只需要为所有的设备配一个即可,通过着一个IP地址就可以建立所有需要的链路,也就可以采集所有现场设备的数据。

  • 只能在移动网络覆盖的地区工作

尽管中国移动网络经过多年的建设,其网络分布已经基本覆盖国内的大部分地区,但是毕竟还是有少数地区不能达到GPRS数据传输要求。针对这一问题,我们考虑以下解决方案:

和中国移动协商解决:对于GPRS盲点问题,和移动运营商协商是最简单和有效的办法。可以通过加大GPRS信号,建立直放站等技术手段解决。通过增强GPRS信号,达到可以使用的信号强度,消除信号盲点。

架设无线电台:如果和移动运营商协商有困难,可通过架设无线电台方式解决。在GPRS信号盲区附件选择一个信号比较强的站和盲区站点通过电台通讯,把盲区站点数据传输到邻近站点,在该站点通过GPRS上传到中心。电台选用低频电台,可以尽可能消除障碍物对数据信号的影响。

  • 雷击

GPRS架设的天线一般都很低,基本上被雷击的几率远远小于其他无线传输方式架设的天线。

小结

优点:采用GPRS无线数据传输方式,硬件建设相对简单,数据传输效率高,距离远,只要有GPRS信号(满足GPRS无线传输业务的信号强度要求)覆盖的地方就可以发送和接收。保密性强,自动化控制程度高,运营费用比较低,一般由网络营运商完成无线传输媒介的维护工作,基本上不需要考虑线路的维护和管理费用。

缺点:一次性投资费用较高,对营运商的依赖型很强。只要营运商出现故障,无线传输媒介中断,整个系统就会瘫痪。发射站安装工作量大,对部分GPRS信号覆盖不好的井站,费用和工作量就更大了。