GPRS作為無線傳輸媒介的幾種組網(wǎng)方式的分析與比較

貴州廣播電視臺廣播技術(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)時都會考慮采用GPRS作為無線數(shù)據(jù)傳輸媒介，但針對實際應(yīng)用每個行業(yè)都會有自己的功能需求和組網(wǎng)方式。組網(wǎng)方式的選擇往往會對整個系統(tǒng)的運營效率、開發(fā)經(jīng)費產(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)計中非常重要的一環(huán)。

文章主要對通用分組無線業(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，通用分組無線業(yè)務(wù))是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS通過在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換的實體，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、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以使多個用戶共享某些固定的信道資源，提高了無線資源的利用率，適合于數(shù)據(jù)處務(wù)突發(fā)性的特點。

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)在以下幾個方面：

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

(2)在不同PLMN(參考點R和參考點Gi在不同的PLMN)中的移動終端和外部網(wǎng)絡(luò)之間，也就是通過Gp接口在參考點R和參考點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)；對于大小大于1500字節(jié)的N-PDU，將根據(jù)具體實現(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GPRS附著過程將自己的信息登記在SGSN中，附著過程結(jié)束后，SGSN建立了移動臺的信息，并對移動臺進(jìn)行移動性管理，盡可能地獲得移動臺的位置信息。移動臺如果要訪問外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，需要發(fā)起PDP激活過程，通過此過程使移動臺到GGSN建立一條邏輯通路，從而可以訪問外部數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 同步廣播發(fā)射站點遠(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)一個移動用戶從一個路由區(qū)進(jìn)入另一個新路由區(qū)時，其附著規(guī)程需完成移動性管理。

GPRS附著過程的具體步驟如下：

(1)MS向SGSN發(fā)送請求附著消息；

(2)HLR對MS進(jìn)行鑒權(quán)，同時檢測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其附著請求被接受，必要時給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。

移動臺附著成功后，要想訪問外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，還需發(fā)起PDP環(huán)境激活過程。PDP環(huán)境激活過程如下：

(1)MS向SGSN發(fā)送激活PDP環(huán)境請求消息；

(2)SGSN根據(jù)MS提供的激活類型、PDP地址、APN，通過APN選擇標(biāo)準(zhǔn)來解析GGSN地址，從而檢查該請求是否有效；

(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、動態(tài)PDP地址，根據(jù)商定的QoS選擇無線優(yōu)先權(quán)，然后向MS返回激活PDP上下文接受消息，此時就己建立起MS與GGSN之間的路由，開始計費，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。以下主要介紹各類適用于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并通過比較，找到適合于同步廣播發(fā)射臺站搭建遠(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終端撥號上網(wǎng)時，其IP地址都是移動內(nèi)網(wǎng)IP地址，并且這個內(nèi)網(wǎng)IP地址大多為動態(tài)分配的。此時，如果監(jiān)控中心與GPRS終端雙方的IP地址都是動態(tài)的話，雙方則無法實現(xiàn)通信。若監(jiān)控中心采用靜態(tài)IP地址或者動態(tài)IP地址結(jié)合域名系統(tǒng)(Domain NameSystem，DNS)解析服務(wù)則可實現(xiàn)雙方的互聯(lián)。

靜態(tài)IP地址方式，監(jiān)控中心需要向Internet運營商申請公網(wǎng)固定IP地址；或者是企業(yè)內(nèi)部有一臺連接到Internet的服務(wù)器，且具有公網(wǎng)固定IP地址，不過此時考慮到服務(wù)器的穩(wěn)定運行，通常不在服務(wù)器安裝其他軟件，此時可以通過端口映射的方法解決。最終由各監(jiān)測點主動向監(jiān)控中心發(fā)起連接，從而實現(xiàn)雙方的互聯(lián)。此種方案在實時性和穩(wěn)定性方面很好，但公網(wǎng)固定IP使用費用比較高。

動態(tài)IP地址方式，由于公網(wǎng)靜態(tài)IP在使用費用和安裝條件等方面的限制，監(jiān)控中心往往采用動態(tài)IP方式接入Internet。而在實際應(yīng)用中，動態(tài)IP結(jié)合DNS域名解析的組網(wǎng)方式更為常見。采用動態(tài)域名解析方案，首先需要聯(lián)系DNS服務(wù)商為監(jiān)控中心申請一個域名，并把這個域名寫入監(jiān)測點的GPRS終端中。監(jiān)控中心接入Internet之后會與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當(dāng)前獲得的動態(tài)IP地址報告給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和使用公網(wǎng)靜態(tài)IP的開支，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DNS服務(wù)商開通移動動態(tài)域名，監(jiān)測點GPRS終端先采用域名尋址方式連接移動DNS服務(wù)器，再由移動DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心移動動態(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的費用，但并不是所有移動公司都提供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，但該方案實時性和穩(wěn)定性較差，不推薦使用。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)移動APN專網(wǎng)固定IP接入

此種方案必須先向移動公司申請APN專網(wǎng)業(yè)務(wù)，申請到專用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)測點的GPRS終端被分配給GPRS內(nèi)網(wǎng)固定IP地址。由于申請到固定IP，該方案無需注冊服務(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，無需通過公網(wǎng)，安全性增強(qiáng)，而且該方案無需負(fù)擔(dān)專線月租費。從總體上說，本方案性價比合理，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專線接入

此種方案需要監(jiān)控中心通過一條2M的APN專線接入移動公司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與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道，為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點及中心分配移動內(nèi)部固定IP移動終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，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)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境.

5.同步廣播發(fā)射臺站搭建遠(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)射臺站系統(tǒng)容量大、需要監(jiān)控的點多而分散、對數(shù)據(jù)處理分析要求及時可靠等特點，采用專線APN接入方案是最佳的組網(wǎng)方式，但是有發(fā)射站點不具備專線接入的條件，故發(fā)射及站點選擇移動APN專網(wǎng)固定IP接入方式，監(jiān)控服務(wù)中心選擇采用APN專線接入。使用APN專線有訪問權(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

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

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

[2]祁耀斌,韓亞東.基于GPRS的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計[J].中國高新企業(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專網(wǎng)的電力自動化無線通訊服務(wù)系統(tǒng)[J].科協(xié)論壇(下半月),2011(05).