鼎升力创 GPRS DTU无线上网模块

　　 一、GPRS简介
　　 GPRS—General Packet Radio Service，GPRS为通用分组无线业务的简称，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。
　　与GSM CSD业务不同的是，GPRS业务将以数据流量计费，而GSM CSD业务则以时间计费，GPRS这一计费方式更适应数据通信的特点。此外，GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大提高，GPRS可提供高达115kb／s的传输速率(最高值为171.2kb／s),下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s。
　　 GPRS一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，可以使运营商在全国范围内推出此项业务。相信在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能以与ISDN用户一样快的速度上网浏览，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。
　　 GPRS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。同时，用户只需按数据通信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，可使用户的使用费用大大降低。
　　 GPRS通信模块就是为使用GPRS服务而开发的无线通信终端设备。可应用到下列系统集成中： 远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安系统、物质管理系统等。
　　
　　二、GPRS特点
　　 GPRS，通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术（2.5G），GPRS在许多方面都具有显著的优势。
　　 GPRS有下列特点：
　　 1、可充分利用现有资源—中国移动全国范围的电信网络--GSM，方便、快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署；
　　 2、传输速率高，GPRS数据传输速度可达到57.6Kbps，最高可达到115Kbps—170Kbps，完全可以满足用户应用的需求，下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s；
　　 3、接入时间短，GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒；
　　 4、提供实时在线功能 “alwaysonline”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；
　　 5、按流量计费，GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。
　　 GPRS业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输,因而GPRS业务在某些行业上有特殊的应用。
　　
　　三、GPRS系统结构
　　 GPRS网是在GSM电话网的基础上增加以下功能实体构成的： SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）、PTMSC（点对多点服务中心）；共用GSM基站但基站要进行软件更新；采用新的GPRS移动台；GPRS要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联；GSM网络系统要进行软件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。GPRS骨干网的逻辑结构如图1所示。
　　

GPRS骨干网的逻辑结构图

　　 GPRS网上增加了一些接口，主要包括：
　　 Gb口：SGSN通过Gb口与基站BSS相联，为移动台MS服务。通过逻辑控制协议LLC，建立SGSN与MS之间的连接，提供移动性管理（位置跟踪）和安全管理功能。SGSN完成MS和SGSN之间的协议转换，即骨干网使用的IP协议转换成SNDCP和LLC协议，并提供MS鉴权和登记功能。
　　 Gn口：SGSN通过Gn口和GGSN相联，通过GPRS隧道协议（GTP）建立SGSN和外部数据网（X.25或IP）之间的通道，实现MS和外部数据网的互联。
　　 Gs口：用于SGSN向MSC/VLR发送地址信息，并从MSC/VLR接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。
　　 Gr口：HLR保存GPRS用户数据和路由信息（IMSI、SGSN地址），每个IMSI还包含分组数据协议PDP信息，包括PDP类型（X.25或IP）、PDP地址及其QoS等级以及路由信息。
　　 Gi口：GGSN通过Gi口实现GPRS网和外部数据网（PDP）的互联。GGSN实际上是两个互联网网关，GPRS本身属于IP领域网络，Gi口支持X.25和IP协议。从PDN网看GGSN，GGSN可看作是一个路由器连到PDN网。GGSN包含用于连接GPRS用户的路由信息，为外部数据网的PDU送到MS提供通道。通过GGSN与GPRS网互联的分组数据网PDN，可以是PSPDN网，这时，GPRS支持ITU-T X.121和ITU-T E.164编号方案，提供X.25虚电路及对X.25快速选择，还支持网间的X.75协议连接；也可以是Internet网，基于IP协议，在IP数据报传输方式中，GPRS支持TCP/IP头的压缩功能。
　　
　　四、GPRS DTU及系统组网
　　 DSLC GPRS无线数据传输系统以中国移动GSM/GPRS网络为通信平台，采用GPRS、SMS等承载方式，通过无线数据传输终端设备(GPRS DTU)，提供透明数据传输通道，满足行业用户数据传输需求。
　　
　　系统组网单元
　　 • 数据终端设备 (DTU)
　　提供用于连接用户设备的RS232/485 串行接口，适用于各种工业应用。
　　 • GPRS-1X网络
　　中国移动公司的无线公用数据传输网络，为智能设备提供透明的数据传输通道。
　　 • 数据中心
　　命令接收/发起，接收并处理数据终端的数据。
　　
　　组网方案介绍
　　 • GPRS无线监控系统的组网比较简单，GPRS DTU可直接与用户设备通过RS-232或RS-485接口连接。
　　 • 数据终端(GPRS DTU)的接入：GPRS用户可选择CMNET和APN接入网络，CMNET通常用于公众用户，APN针对行业用户，通常在一个组内，用户需设定用户名和密码，安全性更好。此外，APN用户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。
　　 • 数据中心的组网略微复杂一些。结合GPRS承载网络的特点，根据GPRS应用领域，我们提供数据中心组网方案多种应用形式供应用开发商参考。组网形式的选择主要由业务数据量、可靠性要求、数据保密性、网络状况决定。
　　

　　 图1

　　方案1： GPRS MODEM接入方式 (监控中心作为数据终端绑定固定IP地址)
　　此种方案适用于没有接入Internet、而且对安全要求极高的企业；适合总数据带宽需求不太大的应用，例如使用Polling 传输协议的数据采集系统；全部数据在GPRS 网内运行；要求所有GPRS 终端之间可以直接通讯；数据中心的GPRS 数据终端接入点邦定固定IP 地址。(即至少提供一个邦定固定IP地址的SIM 卡)
　　
　　方案2： Internet接入方式见图2 (监控中心经由Internet接入无线网)
　　企业已有稳定的、永久的连接到Internet 的接入；企业端的路由器端口地址，监控中心IP地址应是公有的，且由为企业提供Internet 连接的ISP 提供， 此种方案客户须先向INTERNET运营商申请公网固定IP。中心用公网固定IP，监控点直接向中心发起连接。或客户公司有一台连接Internet的服务器，并且具有公网固定IP，但是考虑到服务器的稳定运行问题，通常不让在服务器上安装其他应用软件，所以GPRS数据中心系统也不能安装在该服务器上，可以用NAT端口映射的方法来解决这个问题。
　　此种方案在实时性和稳定性方面很好，但公网固定IP使用费用比较高。
　　

图2

　　方案3：专线接入方式 见图1 (监控中心经DDN专线接入无线网)
　　此种方案适于企业没有接入Internet 或企业对安全方面考虑较高，适合金融、
　　证券、工业监控等行业使用；企业通过专线接入中国移动的路由器，用户端的接入路由器必须提供公有的IP 地址。
　　 GPRS专网系统DTU终端上网登录监控服务器的工作过程为：
　　 1 GPRS DTU发出GPRS网络发出登录请求
　　 2 请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN
　　 3 据请求中的APN，GGSN向DNS服务器发出查询请求
　　 4 找到与企业用户的系统服务器平台连接GGSN
　　 5 并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN
　　 6 GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至企业Radius进行认证；Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求
　　 7 向DHCP服13 务器请求分配用户地址
　　 8 Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息
　　 9 用户得到IP地址后，就可以携带数据包，对GPRS 专网系统信息查询和业务处理平台进行访问
　　
　　方案4: 动态IP的解决方案
　　对于没有固定IP的应用系统，组网方式同“固定IP接入”。解决问题的关键在数据中心端，目前有两种解决方案：
　　 1． 短信发送IP
　　当数据中心的IP地址发生改变，中心端可通过短信的方式通知终端设备当前的最新IP地址并通知其连接。短信发送可以采用通过Internet或USB接口的GPRS modem。
　　 2． 动态域名解析
　　在使用动态DNS方式时，首先有几件事项要先准备。
　　第一是Domain Name，需要申请一组三级域名或二级域名。
　　第二是需要到网域管理中心来指定动态DNS服务。
　　当准备工作完成后，即会从网域管理中心得到一个Client软件，用来维护动态IP与Domain Name，当数据中心的计算机开机后，即可从ISP处取得动态IP，再透过Client软件与DDNS 服务器联机并刷新域名与IP对照，GPRS终端可通过DNS的方式来进行Domain Name 的正反解译，而后建立连接。
　　
　　方案5: 中心采用专线接入见图3， 所有点都采用内网固定IP
　　此种方案客户的数据中心通过一条APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，并用防火墙进行隔离，在防火墙上进行IP地址和端口过滤。移动为客户分配专用的APN，用于GPRS专网的SIM卡开通该专用APN。得到专用APN后，给所有监控点及中心分配APN专网内部固定IP。见图二。
　　

　　 图3

　　此种方案在实时性、安全型和稳定性方面都很好，适用于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。
　　
　　方案6: 中心采用移动APN专网固定IP见图4
　　此种方案客户先与移动申请APN专网业务，移动为客户分配专用的APN，客户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。中心用无线MODEM拨号上网，得到其内网固定IP；监控点直接向中心发起连接。中心和监控点都具有移动内网固定IP，减少中间环节，稳定性增强；且所有数据都在移动GPRS的APN内网传输，无需经过公网，安全性增强。见图三。
　　

图4

　　此种方案无需负担专线月租费用，性价比合理，适合总数据带宽需求不太大的应用。推荐小型客户使用。
　　
　　五. GPRS DTU的应用
　　 GPRS DTU可提供以下几类应用：
　　 • 运输业：车辆及智能调度。
　　 • 金融、证券和商业：无线POS、无线ATM、自动售货机、流动银行等。
　　 • 实时发布股市动态、天气预报、交通信息等。
　　 • 公共安全业：随时随地接入远程数据库。
　　 • 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和告警，远程操作。
　　 • 提供VPN业务，使企业员工能够随时随地与总部保持联系，降低公司建设自己的广域网的成本。
　　 • 提供以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。
　　 • 通过手提电话或电脑,可检查自动售卖机内的货存和营业额。
　　 • 自动售卖机的手提电话付款。
　　 • 监视器的错误状况，液体水平，温度...
　　 • 监视冷库温度,湿度。内置温度探针(-25°/+100°)。
　　 • GSM天文台,广泛应用在飞翔和航海俱乐部。
　　 • 监视老人及行动不便的人。它可以将警报通过语音或短讯同时发给8个不同的电话号码。
　　 • 可以遥控商业及住宅的防盗警报。
　　 • 可以遥控暖气和冷却系统。
　　 • 可以应用在汽车的防盗警报。
　　 • 机房监控和远程维护管理系统
　　 银行储蓄点机房监控
　　 通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）
　　 其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控
　　 • 移动车辆监控调度系统
　　 公安、110、交警车辆监控调度
　　 银行运钞车、邮政运输车监控调度
　　 出租车管理调度
　　 公交车辆调度和指示
　　 集团车辆监控调度
　　 • 移动性数据查询系统
　　 移动性证卷交易和信息查询
　　 公安移动性数据（身份证、犯罪档案等）查询
　　 交警移动性数据（车辆、司机档案等）查询
　　 通信维护人员线路资料查询
　　 其他外勤人员移动性数据查询
　　 • 无线接入系统
　　 无线固定电话接入（WLL）
　　 无线IC卡
　　 无线磁卡电话
　　 火车、汽车、轮船等移动载体付费电话
　　 • 城市公用事业实时监控维护系统
　　 煤气调压站实时数据采集和自动控制
　　 自来水、污水管网实时监控和维护
　　 热力系统实时监控和维护
　　 电力系统城市中压电网实时监控和自动补偿

GPRS技术在配电监控系统中的应用
　　
　　 1　问题的提出
　　
　　随着城市电网的快速发展，自然而然的面临两个方面的问题，其一：配电网的自动化水平，涉及到故障的检测、故障的隔离、转移供电等。其二：用电的管理水平，涉及到用电量的计费等。这两个方面都涉及到通讯问题，通信经常成为这类系统的瓶颈，总是存在着可靠性与经济性两者不可调和的矛盾。随着GSM和GPRS的发展，使得配电网的通讯问题有了新的契机，本文提出利用移动互联网来进行实时数据传输，并介绍GPRS的通信技术以及基于GPRS技术的智能配电通讯设备和它们在故障定位、配变监测及抄表系统上的应用。
　　
　　 2　GPRS技术简介
　　
　　 2.1　GPRS的定义
　　
　　 GPRS的英文全称为General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利用"包交换"（Packet－Switched）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Date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，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为象Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的。此外，在GSM phase 2+的标准里，GPRS可以提供4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（Error Protection）能力。
　　
　　 GPRS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IP和X.25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164kbps。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。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。
　　
　　 2.2　GPRS优势
　　
　　相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术。由于使用了"分组"的技术，用户上网可以免受断线的痛苦(情形大概就跟使用了下载软件Net Ants差不多)。此外，使用GPRS上网的方法与WAP并不同，用WAP上网就如在家中上网，先"拨号连接"，而上网后便不能同时使用该电话线，但GPRS就较为优越，下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说，声音的传送(即通话)继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPRS，这样的话，就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。而且发展GPRS技术也十分"经济"，因为只须沿用现有的GSM网络来发展即可。GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等。
　　
　　而GPRS的最大优势在于：它的数据传输速度不是WAP所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6k字节，GPRS手机在今年年初推出时已达到56kbps的传输速度，到现在更是达到了115kbps(此速度是常用56kmodem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。
　　
　　 2.3　GPRS网络的实现
　　
　　 GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，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。
　　
　　 2.4　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数据路由的建立。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层通过空中接口送到GSM网络中移动终端所处的SGSN。第二种情况，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PDU），通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动终端所在的SGSN上，SGSN把PDU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A。
　　
　　 2.5　GPRS应用
　　
　　 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可以提供一系列交互式业务：点对点面向连接的数据业务－该业务是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。
　　
　　单点对多点业务－该业务可以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。点对点无连接型网络业务－该业务中的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。
　　
　　 2.6　GPRS与WAP
　　
　　 WAP是无线Internet的标准，由多家大厂商合作开发，它定义了一个分层的、可扩展的体系结构，为无线Internet提供了全面的解决方案。WAP协议开发的原则之一是要独立于空中接口，所谓独立于空中接口是指WAP应用能够运行于各种无线承载网络之上，如TDMA、CDMA、GSM、GPRS、SMS等等。
　　
　　 GPRS对应于GSM中的9.6kbps的数据业务，与之不同的是GPRS是通过分组交换来实现高速率的数据传输，换句话说，GPRS是对GSM数据业务的改进,是在GSM中实现高速数据传输的手段。
　　
　　可见，WAP是高层应用，而GPRS是底层传输。可以引用著名的邮递信件的例子来说明WAP与GPRS的关系：如果说WAP是平信或贺卡或明信片，那么GPRS和GSM的CSD（9.6kbps电路交换的数据业务）就是运送信件的交通工具，只不过后者是汽车，前者则是飞机罢了。
　　
　　 3　GPRS在故障定位、配变监测和抄表系统中应用
　　
　　 3.1　故障定位
　　
　　配电网中使用大量的故障指示器，用来检测故障位置定位故障点。它简单可靠，在检测到故障时通过翻牌或输出节点的形式指示故障。GPRS通信设备设有3路开关量输入，可采集本条线路的故障指示器的开关量输出状态。当线路发生故障时，故障指示器动作，GPRS通讯设备把故障信息通过INTERNET传输至前控制中心，监控中心在接收到这些动作信息后，经过网络拓扑计算分析，与地理信息系统相结合，可以直接显示出故障点地理位置信息。
　　
　　 3.2　配变监测
　　
　　在配电网上的变压器上都装有配变监测仪－TTU，它的主要功能有对配变的工况的数据采集、对线路的自动无功补偿等。TTU的无功补偿功能在就地可实现，无需网络通讯的支持，但是配变的运行数据过去一般采用RS485等通讯方式传输，可靠性差，距离短，受地理环境的因素影响较大。
　　
　　 3.3　电能计量
　　
　　电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，而传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处。利用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量使用（即销售情况）。通过GPRS无线局域网专网，为用电管理提供实时性好、稳定性高的数据和事件记录，可实现多块表同时冻结抄表功能。该系统具有设备参数远程回读功能，如回读参数和后台系统保存的设置参数对比，异常报警，可以发现非法修改电能表参数行窃的非法行为。具有失压、断流、错误接线报警、显示、记录并主动上传功能，方便管理人员在公司本部就可以发现用户异常，为反窃电提供了一种先进的、有效的高技术检测手段。根据实时抄收10kV线路总表和分表的数据，自动分析线路电量平衡情况，为线损考核提供准确的依据，达到大面积降低线损目的。当用户电能表所测量的电压和负荷超出一定范围时，电表报警远传给系统并可以通过智能化分析功能的系统软件，对用户负荷进行监测控制。