1、上海大学硕士学位论文基于GPRS及ZigBee无线传感器网络技术的远程监控系统的研究与应用姓名：党彦博申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：王舒憬20080101上海大学硕士学位论文摘 要无线传感器网络系统是由大量微小节点通过无线通信技术组成的自组织网络，主要有传感模块、无线通信模块和无线通讯协议三部分组成，传感器网络系统集采集、传输、融合分析与一体。对于分散测控系统，线路铺设和维护成本较高，而且在现场装置空间位置不固定的情况下，采用无线传感器技术能够解决这方面的技术难题。GPRS(GeIleral Packet Radio Se州ce)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提
2、供端到端的、广域的无线P连接。目前GPRs网络覆盖率高，数据传输比较经济实用。本文选用ZigBee技术作为无线传感器网络的协议基础，提出了一种综合GPRS远程通讯技术、ZigB无线传感器网络技术以及GPS卫星定位技术的远程监控系统。论文首先介绍了GPRS和GPs技术的相关情况，分析了无线传感器网络的体系结构及特点。接着对zigBee技术进行了分析和研究，并深入MAC层及网络层协议内部，仔细研究了ZigBee的协议包的组成结构及其相互之间的关系。在此基础上开发了一个ZigBee网络侦测软件ZigTree，从而可以直观地显示zigBee网络的拓扑结构及其节点之间的通讯路由。最后建立了一个通过GPR
3、S网络传输的，结合ZigBee无线传感器网络与GPS技术的远程监控系统，完成了上位机及下位机的软件开发，实现了对室外物体的动态实时定位及温度实时监测。关键词：无线传感器网络；zigBee技术；GPRs技术Vl上海大学硕士学位论文ABSTRACTWircless SeIlsor N咖ork syStem w11ich is composed of锄。眦of tiny points isa selforgaIliziIlg ne咐ork mrou曲wireless c0IIl】嘲】Ilication te6hn0109yIt h嬲3 pans：sensor module， wireless com
4、munication module 锄d wireleSs commullicationprotoc01SeIlsor Ne细ork syStem Combines collectioll，仃蜀IIlsmission and inte孕ation锄d趾alysisWireless SeIlsortecllIlology caIl solVele probl锄on廿le condition oflli曲cost on setting lines a11d maintains a11d nle position of equipment is unfixedGPRS，b鼬ed 0n GSM sys
5、tI锄is a州瞻less packet s砸tching teclHlology姐d providc、池l铭s P co姐ect througll End m End觚d W俄GPRS n咖。呔l瑚a high co唧d now觚d it is p豫c石cable t0慨mitting me data t11rough itOn b鼬ed of the ZigBee嬲the谢rel骼s湖sor ne咐ork the thesis puts fon硼rd血at a reInoten10nitor system by璐iIlg GPRS黜lote c咖munica石on t。chnologyZi
6、gBwirel髂s s蛐sor北twod【妣llnology孤d GPS satellite kated technolog)，First，the thesis iIl仃oduces the tecllll0109y iIlf0锄ation about GPRS锄d GPS111en it西ves锄in缸蜘ucti叽about血e sys触n锄d feature of the诵reless seIlsor nc触Second it百ves锄觚alysis粕d stIldy on z适Bee，layer ofMAC肌d inside ofme ne似leveln百Ves a detailsabo
7、ut也e co璐trIlction of the protocol packet锄d the托latio璐hip bet、)l，et、o layc稿Th锄ZigTzl，a Zigbmonitor sof啊a他of谢reless sensor net、wrk is realizcd on b勰is of“So it c粕蛔nos也Ite the com伽lction of ZigBnetwork direcny缸d the commlmjcation be“，een thepoilltsLast，on basis of the GPRS net、)I，ork，the soRw暑鹏甑plorali
8、on of soRw暑鹏锄d血mwa托ist隐lized by 11sing ZigBee丽rcl姻s s钮sor ne柳ork粕d GPRs reInote mon沁r s灿mnere蠡Dreit c锄monitor me position of tlle moving thiIlgs outside锄d me temperatIltimelyKeywords：zigB；GPRS；GPS；饥l锶s Sensor Ne俩0rkVII上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果
9、。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：蛊差监日期：迭里!量：至!疗本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)m缈日期型，f上海大学硕士学位论文第一章绪论11研究的背景及意义无线网络，顾名思义是利用无线电波而非线缆来实现与计算机设备位置无关的网络数据传输系统，是现代数据通信系统发展的一个重要方向。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传
10、感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。目前，在工业自动化领域中，对于可用于现场设备层的主要无线通讯技术协议是IEEE 802154(zigB)。现场设备层无线通信能迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合【451。如果zigBee技术与GPRS通讯技术相结合就能够实现远程的数据的采集或
11、者监控甚至控制等功能。在所有的远程通讯技术中，GPRS有着很多优势。GPRS就是在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在GSM网络上增加一些硬件设备，然后通过软件升级，从而形成了一个新的网络逻辑实体，其提供端到端的、广域的无线P连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，是一种新的GSM数据业务，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，包括收发Email、进行hnenlet浏览等。它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m和X25服务。使每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共享，这样资源被有效
12、的利用。使用GPRS实现数据分组的发送和接收，用户永远在线并且按流量、时间计费，降低了服务成本。而在工业现场设备层中，利用ZigBee技术的无线传感器网络是当前在国际上海大学硕士学位论文上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。所谓无线传感器网络(Whless SeIlsor N咖ork WSN)就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通讯方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线
13、方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通】。无线传感器网络集数据采集、传输、融合、分析与一体，是信息技术的一个新领域，在环境监测、医疗监测、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域具有广阔的应用前景。早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感
14、器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。结合GPRS的无线传感器网络主要应用集中在以下领域：环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利。通过无线传感器网络可以监测海洋、大气和土壤的成分，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。智能家居传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过GPRs无线网络与hlt锄et连接在一起，将会为
15、人们提供更加舒适、方便和更具有人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可以完成对家电的远程遥控。2上海大学硕士学位论文如果结合GPRs的无线传感器网络再加上GPs卫星定位技术，那么就可以使其应用在移动物体上。如危险品的运输过程中，一方面可以利用GPS实时定位，同时还利用zigBce传感器实时采集数据，再通过GPRS发送至监控中心来进行实时的跟踪与监控。12国内外研究和应用现状121 GPRs技术GPRS(GeIleral Packet Radio Service，通用分组无线业务)是欧洲电信标准化协会(ETSI)从1993年开始研究制定的，于1998年基本完成。由于当时第三代移动通信系统从标准
16、出台到全面商业化还需较长时间，所以国际上各大通信公司都在忙于开发所谓25G的无线数据业务，作为向3G标准过渡的中间方案，而GPRS就属于GSM向3G过渡的中间方案。GPRS不仅被欧洲的第二代移动通信系统GSM支持，同时也被北美的IS136支持。中国移动通信集团公司在引进欧洲技术的基础上，基本完成了GSM网的GPRS升级，在全国的省会城市提供了较高质量的GPRS服务。从该网络正式运营到现今，证明了该网络的稳定性和可靠性。同时针对该网络局部性能的研究与改进也一直在进行。以GPRS为基础的无线数据系统有很广泛的应用，GPRS使互联网进入无线领域，一直延伸到手掌上。除了支持传统的互联网应用，GPRs也
17、可使无线终端支持B2B、B2C的电子商务和电子支付、股票交易、银行转帐等应用。GPRs同样可以应用于公司内部网(INT&蝌ET)，其基于口的远程局域网接入，使无线终端成为局域网的延伸。由于这项技术来源于欧洲，采用该技术构建移动通信网的国家一般比我国稍早。我国于2002年5月才开始投入商用，运营相对较晚。因此，在应用研究方面也无疑落后于欧洲各国。由于某些方面的原因，市面上基于该项技术的系统级的终端产品很少见。从国内的研究、开发的资料和文献来看，无一不采用了GPRS数据传输模块，而这些模块绝大部分都来源于德国SIEMENS、法国WaVeCom和美国Motorola等国外公司。虽然国内华为和中兴通讯
18、也有相应的模块产品，但核心基带处理芯片还是用的国外的。由此可见，国外在此领3上海大学硕士学位论文域的应用更为成熟，产品的硬件和软件差不多都稳定下来了，国内在此领域应用研究空间还比较大。也许正是因为看到了这其间的发展空间和潜在的巨大市场，国内虽然在GPRS业务的应用研究方面还处于起步阶段，但并没有影响该技术的蓬勃发展事态。其主要用于电子消费领域的无线网上冲浪、电子商务、电力系统中的远程抄表、车载监控、航标数据采集、遥测遥控等无线数据业务方面。专门从事移动网络数据通信终端产品的企业越来越多，其商业形式也是多种多样的。有移动数据通信的全套解决方案的企业，他们针对消费电子、工业控制、环境保护和监测等行
19、业，研制了数据采集、数据通信、数据管理等全套功能实体产品。还有的公司针对GPRS网络的通信协议栈的开发，为众多单片机开发工程师或嵌入式工程师提供透明的m通道，让这些工程师专注于应用开发，而不用理会相对庞大、复杂的网络通信协议。其形式有单芯片的硬件方式，如上海精致科技E5112就是单芯片的网络协议栈，还有日本Sekio公司的S7600A。更多的是软件协议栈，它们为嵌入式应用定制功能，代码可以根据用户的需要裁减，特别是大大减小了对数据存储器的需求，产品形式一般是一个小巧模块，能够很方便地嵌入到用户的应用系统中去；还有一些其他的形式，比如开发基于PCI或者USB的无线网卡、车载防盗视频监控等。现在，
20、各类产品还在不断的推出，一片盎然景象。虽然国内相关的无线数据传输终端产品的功能越来越强大，关键软件越来越稳定，配套的技术支持和服务也越来越完善，从事相关研究、开发的工程师越来越多。但是从市场角度来看，其应用还是处于起步阶段，还有巨大的潜力可以挖掘。相信在今后10年内，该项技术的应用还有长足的发展。122 zigBee技术1999年3月，原由IEEE80211领导的WPAN小组单独成立了IEEE80215工作组，主要是建立个人工作空间无线通讯的国际标准，实现和IEEE80211协议族的融合。IEEE80215委员会制定了三种不同的WPAN标准。802151标准即蓝牙技术，是目前比较流行的一种无线
21、个人区域网技术。802153主要针对高速图像和多媒体应用，有较高的速率。对其物理层进行改进，形成802153a标准，应用于超宽带技术(I r、B)。4上海大学硕士学位论文2000年12月IEEE成立了IEEE802154工作组，致力于定义一种廉价设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。2003年5月IEEE802154标准面世，ZigBee正是这种技术的商业化命名。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。802154定义了媒介接入控制层和物理层上的规范，ZigBee联盟在此基础上定义其余的网络
22、层、安全层和应用层，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国I蝴ys公司，日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰Pllilips半导体公司组成，至今已吸引了上百家芯片公司。ZigBee联盟于2004年12月14日宣布确定zigBee的正式版规格。802154还引起了其它标准化组织注意，如IEEE 1451工作组正在考虑以此为基础实现传感器网络。目前已经有标为“遵循ZigBee的无线收发产品。如NEC电子公司推出有ZigBee功能无线网络模块。模块由Cllipcon公司的CC2420 l强收发器和NEC电子公司的78KoKFl+低功耗闪存微控制器
23、构成。CrosSbow Technology公司的遥感模块MICAZ内含一个符合IEEE802154规范和ZigBee规范的I江收发器。其5l根引脚扩展连接器支持模拟输入、数字IO、12C、SPI以及UAl玎接口，与外围设备连接非常方便。睡眠模式下可使AA电池的寿命延长至超过一年。该公司还提供一个适用于无线嵌入式传感器网络的开放源码操作系统，即TinyOS。适用于RF和MEMS(微电机系统)的TinyoS，除了双向通信之外，还提供实时调度算法和极端节能算法。弛yOs的元件库包含网络协议、分布式服务、传感器驱动以及数据采集等工具。zigBee无线网络开发人员可以根据需要将该免费的网络软件有选择的
24、移植到自己的系统中。123无线传感器网络无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图11所示的发展历程。上海大学硕士学位论文域复盏面复兰线复董点复簋第一代 第二代 第三代 第四代图L l传感器发展历程在无线传感器网络体系结构中，目前的发展主要集中在几个方面，在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现：在网络支撑技术层，主要研究节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现。这其中，协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。
25、通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。MAC协议直接影响射频模块，对节点功耗有重要影响。由于上述原因，传感器网络姒C协议一般采用了“侦听休眠“交替的信道侦听机制，节点空闲时自动转换为休眠状态，以减少能耗。根据协议中为减少数据碰撞和串音现象而采用的不同方法，MAC协议分为三类：(1)利用时分复用(TDMA)的方式为各节点分配独立固定的信道；(2)通过频分复用(FDMA)或者码分复用(CD姒)的方式，实现无冲突的强制信道分配；(3)通过竞争机制，保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干扰。传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于传感器网络
26、中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用，因此需要设计新型的网络安全机制。可借鉴扩频通信、接入认证鉴权、数据水印、数据加密等技术。6上海大学硕士学位论文13论文的主要工作本文在对无线传感器网络技术以及ZigBee协议研究基础上，利用GPRS远程通讯技术、GPS卫星定位技术，选用合适的硬件平台，开发了一种应用于移动物体的实时监测定位系统和一个被称为ZigTree的ZigBee网络拓扑结构侦测软件，完成了应用软件及下位机软件的设计和开发，并且进行了调试、连接及测试工作。论文的主要工作如下：1、分析和研究了无线传感器网络的概念、应用场合、体系结构、主要性能等。2、
27、学习并利用了GPRS通讯技术及GPS定位系统的功能。3、对ZigBee协议进行了深入的研究，重点分析研究了ZigBee协议簇中的MAC层协议和网络层协议。4、按照ZigBee协议栈和802154协议编写了一种ZigBee网络侦测软件ZigTree，其采用图形化的方式反映一个ZigBee网络的拓扑结构。完成了上位机及下位机软件的设计、开发和测试等工作。5、完成了一个基于GPRS及Zigbee无线传感器网络技术的远程监控系统，设计和开发了其中的下位机程序，通过结合GPS技术实现了对物体的实时定位。利用这种远程监控系统，可以将ZigBee传感器网络中的传感数据以及GPS定位信息通过GPRS发送至监控
28、中心，实现了对物体的实时跟踪及监视。7上海大学硕士学位论文第二章GPRS与GPS技术21 GPRS技术GPRS的英文全称为Gelleral Packet Radio SeiCe，中文含义为通用分组无线服务，是一种新的GSM数据业务，它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口和X25分组数据接入服务。GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口m)上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达1712kbs(每个时隙的传输速率可高达214kbs)。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRs数据业务占用。当然
29、在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。GPRS是利用“包交换“(PackctSwitched)的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将数据封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以用传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为像Im锄et这类的数据传输大多数的时间频带是闲置的。此外，在GSM ph硒e 2+的标准里，GPRS可以提供四种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护(EnDr Protection)能力。利用四种不同的编码方式，每个时槽
30、可提供的传输速率为CS1(905kbs)、CS2(134kbs)、CS3(15。6kbs)及CS-4(214kbs)，其中CS1的保护最为严密，CS_4则是完全未加以任何保护。每个用户最多可同时使用八个时槽，所以GPRS号称最高传输速率为1712kbs。211 GPRS网络的构成GPRS网络是基于现有的GSM网络，在现有的GSM网络中增加一些节点，如GGSN(Gateway GPRS Supporting Node，GPRS网关支持节点)和SGSN(S硎ng GSN，GPRS服务支持节点)来实现的。系统结构如图21所示。8上海大学硕士学位论文，图21 GPRS系统结构SGS悯PRS业务支持节点
31、。在激活GPRS业务时，SGSN建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端(MS)的移动性和安全性方面的信息。SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。 GGS焖PRS网关支持节点。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和乙蝌等。另外，GGSN也又被称作GPRS路由器。C晒SN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口或X25网络。GTPGPRS隧道协议。GTP是GPRS骨干网中GsN节点之间的互联协议。其中，SGSN与GGSN一般被简称为GSN。
32、它们是GSN的两种不同的类型，也分别有各自的功能。CPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此在GSM基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。212 GPRS协议模型GPRS分层协议模型如图22所示。Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下面上依次为物理层、MAC(Mdi啪AcceSS CoInr01)层、LLC(L0西cal呲con昀1)层、sNDC(SubI删Dep锄d姐t Co唧ce)层和网络层。9上海大学硕士学位论文网络协议 网络协议S
33、NDC SNDCLLC LLR LLCI IMAC MAC LAPD LAPDl I物理链路 物理链路 f物理链路 物理链路RF接口 I RF接口 II IMS Um RSS Gb SGSN图2。2GPRs协议模型um接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GsM空中接口的载频带宽为200kHz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达1712kbs。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达115kbs左右。MAC为媒质访问控制层，其主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动终端共
34、享。GPRS的逻辑信道共有3类，分别是公共控制信道、分组业务信道和GPRS广播信道。公共控制信道用来传送数据通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答等信道；分组业务信道用来传送分组数据；广播信道则是用来给移动终端发送网络信息。LLC层为逻辑链路控制层，它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。另外，LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。Rss中的LLR层是逻辑链路传递层。这一层负责转送Ms和SGSN之间的LLC帧。LLR层对于SNDC数据单元来说是透明的，即不负责处理SNDC数据。
35、SNDC被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP疋地址和加密方式。在SNDC层，移动终端和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元。SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。网络层的协议目前主要是Phase l阶段提供的TCP婵和X25协议。TcP腰和X25协议对于传统的GSM网络设备(如Bss和Nss等设备)是透明的。lO上海大学硕士学位论文213 GPRs的工作原理GPRS工作时，是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的，而GPRs的路由管理表现在以下3个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终端处于漫游时
36、数据路由的建立。对于第一种情况，当移动终端产生了一个PDU(分组数据单元)，这个PDU经过SNDC层处理，称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口送到GSM网络中移动终端所处的SGSN，SGSN再把数据送到GGSN。GGsN把收到的消息进行解封装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式(如PSPDN的PDU)，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户发出的数据单元(如PSPDN中的PD
37、U)，通过建立好的路由把数据单元送给GGSN。而GGSN再把分组数据单元送给移动终端所在的sGSN上，GSN把分组数据单元封装成SNDC数据单元，再经过LLC层处理为LLC帧单元，最终通过空中接口送给移动终端。第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数据传送必须要经过归属地的GGSN，然后送到移动用户。214 GPI峪的优势 资源利用率高GPRS采用的分组交换传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对于分组交换模
38、式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRs用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少“的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。上海大学硕士学位论文 传输速率高GPRs可提供115kbs的传输速率(最高值为1712kbits，不包括FEC)。这意味着通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务(如信
39、用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的111tenlet应用(如Email、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。 支持IP协议和X25协议GPRS支持因特网上应用最广泛的P协议和X25协议。而且由于GSM网络覆盖面广，使得GPRS能提供Int锄et和其它分组网络的全球性无线接入。215 GPRS存在的问题 GPl塔会发生包丢失现象由于分组交换连接的特殊性，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，因此，用于专门提供GPRS使用的时隙数量越多，能够提供给话音通信的网络资源就越少。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
40、发送短信息来减少高峰时的信令信道数。 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1722kbps，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。 调制方式不是最优GPRS采用基于GMSK(G肌ssiaIl Minilll啪SlliR Keying)的调制技术，相比之下， EDGE基于一种新的调制方法8PsK(eightph弱e-shiR ke
41、河g)，它允许无线接口支持更高的速率。8PSK也用于UMTS。网络营运商如果想过渡到第12上海大学硕士学位论文三代，必须在某一阶段改用新的调制方式。22 GPS系统GPs就是全球定位系统(Global Positiolling SystemGPS)，其实现了全天候、全覆盖、高精度的全球无线定位。GPs与现代通信技术相结合使得测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态、从数据后处理发展到实时的定位与导航，极大地扩展了应用广度和深度。221 GPS系统的组成GPS系统包括三大部分： GPS卫星星座、地面监控系统及GPS信号接收机。GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS星座。24
42、颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一个轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。地面监控系统GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站
43、监测各颗卫星的时间求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，再由导航电文发给用户设备。GPS信号接收机GPS信号接收机的任务是捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行。其对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，并解译出GPS卫13上海大学硕士学位论文星所发送的导航电文。从而实时地计算出观测站的三维位置甚至三维速度和时间。静态定位中GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变。接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，然后利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是利用GPS接收机测
44、定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰空中的飞机行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。222 GPS定位原理GPS定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离
45、，而是伪距(PR)。当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的CA码和军用的Pm码。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50bs调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧，每帧长6s。前三帧各lO个字码，每三十秒重复一次，每小时更新一次；后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第l、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并
46、将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在wGS84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以14上海大学硕士学位论文除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。223 GPs的特点及应用全球定位系统的主要特点是：全球性、全天候连续不断的导航能力；实时导航、定位精度高、数据内容多；抗干扰能力强、保密性好；功能多、用途广泛。GPS
47、最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标、给海中的军舰导航、为军用飞机提供位置和导航信息等。此外，GPS主要在应用在以下方面：GPs在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求。实践证明，采用GPS技术，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPs技术也同样应用于特大桥梁以及隧道的控制测量中，具有明显的经济和社会效益491。 GPS在汽车导航和交通管
48、理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CDROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。GPS的其它应用由于GPs系统的空间卫星上载有精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确时间或频率的控制，为许
49、多15上海大学硕士学位论文工程实验服务。224 GPS发展的三大趋势第一个大趋势就是频率分集技术(丘quencydiverSity)，实际上已经正在第二代GPS系统替换老化卫星过程中进行。完成以后，现代化的卫星星座将为民用用户提供三种新的定位信号。而且，为美军提供的另外两种高功率信号能更好地抗干扰。第二个大趋势就是克服射频干扰(I强I)。GPS广播的功率特别低，相当于5个灯泡的功率。如果被接收信号的功率是lO到16瓦，那很容易就会被周围的射频信号淹没。GPS接收器将通过把接收到的测距码与储存在本地的复制码的相位进行匹配来穿透噪声。当相位一致时，接收器就能够以定时信号作为精确的参考，因此就可以准确的定位。第三个大趋势就是安装保证定位误差小于某一个特定值的综合机械系统。采用微分GPs技术，系统将获得来自地球同步轨道通信卫星的最新误差校正信息，修正数据来自于地面参考接收器。过去GPS的误差为2米，以后将更小。23本章小结本章主要介绍了GPRS技术
