230MHz解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

張合強(qiáng)　陳瑜　姜瑩　王雷　陳瑩　趙俊紅

摘? ?要：針對(duì)我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)、地下室等GPRS信號(hào)未能覆蓋或者信號(hào)較弱的環(huán)境，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端無法正常使用GPRS進(jìn)行及時(shí)通信，在不改動(dòng)GPRS通信設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)終端的前提下，利用230 MHz技術(shù)來解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)的技術(shù)難題。在230 MHz頻段開發(fā)提供現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)的設(shè)備，一端與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)終端交互數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)通過230 MHz信道轉(zhuǎn)發(fā)后，另一端將通過230 MHz信道收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至GPRS網(wǎng)絡(luò)，從而傳輸至主站系統(tǒng)，進(jìn)而建立良好的通信環(huán)境。

關(guān)鍵詞：計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng);230MHz技術(shù);GPRS通信盲點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：For the remote areas，basement and other GPRS signals can not be covered or weak signal environment，the GPRS communication can't normal used in the terminal equipment of metering automation system in time，without changing the GPRS communication equipment and field terminals，230MHz technology To solve the GPRS communication blind spot technical difficulty of metering automation system is used in this paper. In the 230MHz band to development equipment provide uplink data transfer service for the terminal equipment，one end interacts with the terminal equipment of the data acquisition，the uplink data of terminal equipment forwarded by 230MHz channel，and the other end forwards the data received by 230MHz channel forwards to the GPRS network，transmit to the master station system，and establish a good communication environment.

Key words：metering automation system;230 MHz technology;GPRS communication blind spots

我國(guó)電力通信隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，從小到大、從點(diǎn)到面發(fā)展并形成覆蓋全國(guó)的電力通信網(wǎng)，因此，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)開始被廣泛使用。該系統(tǒng)以當(dāng)前各行業(yè)先進(jìn)的技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的整合最終成型，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程抄表、分析供電線路損耗、有效控制管理電網(wǎng)負(fù)荷以及電網(wǎng)故障預(yù)警等先進(jìn)功能，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的使用極大的減少了工作人員的數(shù)量，節(jié)約了管理成本的同時(shí)還提高了管理效率。然而，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端安裝在各種復(fù)雜的環(huán)境中，部分地域存在GPRS信號(hào)未覆蓋或信號(hào)不穩(wěn)定的情況，造成現(xiàn)場(chǎng)終端與主站系統(tǒng)間不能建立通信連接或連接不穩(wěn)定，無法正常采集到現(xiàn)場(chǎng)終端的各項(xiàng)數(shù)據(jù)等問題[1-3]。為此，基于計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的通信規(guī)約要求，研究利用230 MHz來解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)，以便現(xiàn)場(chǎng)終端能與主站系統(tǒng)建立穩(wěn)定可靠的通信連接。

1? ?計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)分析

1.1? ?計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)概述

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是一套涵蓋全網(wǎng)絡(luò)各種計(jì)量點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)終端，集信息采集、監(jiān)控、分析和計(jì)量管理于一體的應(yīng)用平臺(tái)。系統(tǒng)從單一到完整，功能從簡(jiǎn)單到豐富，業(yè)務(wù)應(yīng)用從原來主要以自動(dòng)抄表為主，拓展到用電檢查、計(jì)量管理、線損統(tǒng)計(jì)及分析、需求側(cè)管理、市場(chǎng)分析等多方面，覆蓋廠站、專變、公變及低壓用戶，完成了從點(diǎn)到面的自動(dòng)化信息管理。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的投入應(yīng)用，為有序用電、遠(yuǎn)程抄表、智能負(fù)荷控制、電費(fèi)結(jié)算、市場(chǎng)管理、線損管理、營(yíng)銷系統(tǒng)的電費(fèi)結(jié)算等業(yè)務(wù)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐，使得電力營(yíng)銷管理水平和客戶服務(wù)水平得到了實(shí)質(zhì)性的提升，取得了供用雙方的效益雙贏。

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是電力企業(yè)營(yíng)銷自動(dòng)化的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主站系統(tǒng)、通信通道、現(xiàn)場(chǎng)終端、本地通信和電能表。計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的主站系統(tǒng)是指把各類計(jì)算機(jī)接入到計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，它控制著整個(gè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息采集，并遠(yuǎn)程連接通信信道，通過通信信道對(duì)現(xiàn)場(chǎng)終端的信息進(jìn)而二次控制和實(shí)時(shí)采集，并把得到的結(jié)果進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)處理。通信信道是用來溝通主站系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)終端的通信介質(zhì)，可以是通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（Genegral Packet Radio Service）、碼分多址CDMA（Code-Division Multiple Access）、公用電話交換網(wǎng)PSTN（Public Switched Telephone Net-work）和/或數(shù)據(jù)專線等，目前主要應(yīng)用的是GPRS?，F(xiàn)場(chǎng)終端包含一定的客戶端和總站下轄的二級(jí)單位，用于通過本地通信具體采集各個(gè)計(jì)量點(diǎn)（電能表）的電能信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并通過通信信道將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)，還執(zhí)行并轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)控制與操作命令[1-3][5]。

1.2? ?GPRS技術(shù)概述

GPRS技術(shù)是一個(gè)疊加在GSM（Global System for Mobile）上專為高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的新網(wǎng)絡(luò)，屬于一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，稱為2.5G數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，是GSM向3G移動(dòng)通信發(fā)展的必經(jīng)階段。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。它充分利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體，手機(jī)通話繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)傳輸則使用GPRS。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)，理論上最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)171.2 Kbps，客戶可以在移動(dòng)狀態(tài)下通話的同時(shí)使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括高速電子郵件傳遞（可帶圖形等大型文件附件）、網(wǎng)上沖浪、訪問企業(yè)廣域網(wǎng)等。此外，GPRS是以運(yùn)營(yíng)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來計(jì)費(fèi)，從而令每個(gè)用戶的服務(wù)成本更低[4]。

GPRS是在原有基于電路交換（CSD）方式的GSM網(wǎng)絡(luò)上引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級(jí)水平，并跟蹤單個(gè)MS的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。GPRS與Internet連接原理如圖2所示，GPRS模塊通過接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站（BSS）。分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，SGSN通過GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)等。若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個(gè)GPRS終端，則數(shù)據(jù)由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。

GPRS采用無線分組技術(shù)，將無線通信與因特網(wǎng)緊密結(jié)合，作為一種先進(jìn)的全新的無線網(wǎng)絡(luò)承載手段，全面提升了無線數(shù)據(jù)通信服務(wù)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：1）永遠(yuǎn)在線：只要激活GPRS應(yīng)用就永遠(yuǎn)保持在線，不存在掉線問題，相當(dāng)于一種高速無線專線網(wǎng)絡(luò);2）按量計(jì)費(fèi)：雖然永遠(yuǎn)在線，但只有產(chǎn)生通信流量時(shí)才計(jì)費(fèi)，它是一種面向使用的計(jì)費(fèi)方式，更加科學(xué)合理;3）快速登錄：全新的分組服務(wù)，無需長(zhǎng)時(shí)間的撥號(hào)建立連接過程;4）自如切換：話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以自如切換使用，電話上網(wǎng)兩不誤;5）高速傳輸：GPRS理論傳輸峰值遠(yuǎn)高于撥號(hào)上網(wǎng)及一般無線數(shù)傳電臺(tái)[6]。

1.3? ?存在的問題及原因分析

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端主要采用GPRS的通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如某些用戶計(jì)量點(diǎn)安裝在偏遠(yuǎn)山區(qū)或地下室，中國(guó)移動(dòng)、電信或聯(lián)通等無線通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不到或強(qiáng)度較弱、信號(hào)不穩(wěn)定。信號(hào)盲點(diǎn)問題突出，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)終端無法遠(yuǎn)程接入主站系統(tǒng)，進(jìn)而無法穩(wěn)定上線、向主站傳輸數(shù)據(jù)。而且，通信信道的效果在相當(dāng)程度上依賴中國(guó)移動(dòng)、電信或聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商的對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)的重視程度和維護(hù)水平，故障處理時(shí)間得不到保障[7]。從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況分析，按地理環(huán)境特點(diǎn)分類，存在以下的問題。

1）偏遠(yuǎn)山區(qū)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有情況的總結(jié)分析，偏遠(yuǎn)山區(qū)常見的地理環(huán)境特點(diǎn)及其影響有幾個(gè)類型：1）處于山峰峽谷地段，一般是現(xiàn)場(chǎng)終端附近沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或者信號(hào)較弱，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致終端無法上線，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通信;2）離變電站超10千米的偏遠(yuǎn)地區(qū)，無信號(hào)覆蓋同時(shí)也沒有安裝有線電話，導(dǎo)致無法使用有線通信接入;3）位于省際交界區(qū)域，其通信網(wǎng)為外省信號(hào)，終端SIM卡未開通漫游功能，導(dǎo)致無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通信等。為此，改善偏遠(yuǎn)山區(qū)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端接入主要技術(shù)瓶頸在于如何在信號(hào)不穩(wěn)定或沒有信號(hào)環(huán)境下保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2）地下室

城市建筑的地下室的地理環(huán)境特點(diǎn)是，受墻體、地面等的屏蔽影響，地下室的室內(nèi)信號(hào)弱或者無信號(hào)，但室外的GPRS通信良好，形成局部性區(qū)域信號(hào)不穩(wěn)定。導(dǎo)致位于地下室的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端無法穩(wěn)定與主站系統(tǒng)進(jìn)行通信[8、11]。

2? ?基于230 MHz技術(shù)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)分析

2.1? ?230 MHz技術(shù)概述

230 MHz技術(shù)屬于超短波無線通信技術(shù)，是利用223～231MHz超短波頻段電磁波進(jìn)行的無線電通信。超短波通信由于地面吸收較大且電離層不能反射，只能靠直線方式傳輸，又被稱為視距通信，傳輸距離約50 Km，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)需經(jīng)中繼站分段傳輸，即中繼接力通信。為了滿足電力系統(tǒng)建設(shè)負(fù)荷管理系統(tǒng)的需要，1991年國(guó)家曾明確將223～231 MHz頻段共15個(gè)雙頻頻點(diǎn)和10個(gè)單頻頻點(diǎn)分配給電力專用。

230 MHz技術(shù)用于負(fù)荷管理系統(tǒng)至今己十多年。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，230MHz電臺(tái)和數(shù)據(jù)傳輸Modem也在不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸速率從最早的600bps己發(fā)展到目前成熟的9600bps，電臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性大大改善，整個(gè)230MHz通信信道也日益完善。從目前通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，19.2Kbps或者更高的高速傳輸系統(tǒng)為今后大信息量的傳輸，尤其是圖文的傳輸創(chuàng)造了條件。230MHz技術(shù)具有建設(shè)方便、覆蓋面大等優(yōu)點(diǎn)。

2.2? ?基于230 MHz技術(shù)的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為加快營(yíng)銷計(jì)量、抄表、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，電網(wǎng)公司提出全面建設(shè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶用電信息“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”，有效改變長(zhǎng)期以來無法及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地掌控用戶用電信息的局面。目前，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用GPRS的通信信道。隨著計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的陸續(xù)建設(shè)，對(duì)通信信道也提出了更高的要求。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，利用公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無線專網(wǎng)進(jìn)行用電信息采集的方式得到了廣泛的推廣應(yīng)用，但用電信息采集用戶不斷增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬費(fèi)用和千萬級(jí)用戶采集數(shù)據(jù)傳輸給我們帶來新的挑戰(zhàn)，因此重新審視230 MHz無線組網(wǎng)方式，考慮將GPRS與230 MHz進(jìn)行結(jié)合使用[9-10]。

針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)、地下室等GPRS信號(hào)未能覆蓋或者信號(hào)較弱環(huán)境里的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端無法正常使用GPRS進(jìn)行通信的問題，本文研究利用230 MHz來解決計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)GPRS通信盲點(diǎn)。在230 MHz頻段開發(fā)提供現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)的設(shè)備，一端與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)終端交互數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)終端上行數(shù)據(jù)通過230 MHz無線信道轉(zhuǎn)發(fā)后，另一端將通過230 MHz無線信道收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，從而傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。

如圖3所示，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端位于用戶電能表位置，GPRS覆蓋不良，遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器位于GPRS信號(hào)覆蓋良好區(qū)域，距離現(xiàn)場(chǎng)終端0.5公里以內(nèi)，近端GPRS延長(zhǎng)器和UART /IP轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)終端近距離連接。為此，通過230MHz數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行GPRS信號(hào)延長(zhǎng)，以便實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)終端與主站系統(tǒng)的通信連接。具體地，現(xiàn)場(chǎng)終端通過UART/IP轉(zhuǎn)換器與近端GPRS延長(zhǎng)器進(jìn)行通信，近端GPRS延長(zhǎng)器通過230MHz無線信道與遠(yuǎn)端GPRRS延長(zhǎng)器進(jìn)行通信，遠(yuǎn)端GPRRS延長(zhǎng)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主站系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)而確?，F(xiàn)場(chǎng)終端與主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信連接，使得用戶用電信息通過230MHz、GPRS實(shí)時(shí)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端是匯集各個(gè)計(jì)量電表或采集表數(shù)據(jù)的設(shè)備，具有國(guó)網(wǎng)或南網(wǎng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并具有RS232串口來發(fā)送數(shù)據(jù)。UART/IP轉(zhuǎn)換器用于將現(xiàn)場(chǎng)終端的數(shù)據(jù)解析，并使用TCP/IP協(xié)議重新封裝發(fā)送至近端GPRS延長(zhǎng)器。RJ45接口是現(xiàn)在設(shè)備普遍具有的數(shù)據(jù)端口，GPRS延長(zhǎng)器也采用了這一通用做法。但是現(xiàn)場(chǎng)終端本身不支持以太網(wǎng)協(xié)議，因此，通過一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備來建立現(xiàn)場(chǎng)終端和近端GPRS延長(zhǎng)器的邏輯連接。具體設(shè)計(jì)是，UART/IP轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)按照國(guó)網(wǎng)協(xié)議解析來獲得有用數(shù)據(jù)，然后將有用數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議封裝（其中封裝了該設(shè)備的源IP地址，以及目的地址）。近端GPRS延長(zhǎng)器將UART/IP轉(zhuǎn)換器發(fā)過來的數(shù)據(jù)解析，并使用230MHz專網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端GPRRS延長(zhǎng)器，近端GPRS延長(zhǎng)器接收來自UART/IP轉(zhuǎn)換器的以太網(wǎng)幀，并進(jìn)行解析，那么解析完成提取到有用數(shù)據(jù)后再進(jìn)行230M專網(wǎng)數(shù)據(jù)格式的封裝。并通過230M電臺(tái)發(fā)送出去。遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器解析來自近端GPRS延長(zhǎng)器的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送至主站系統(tǒng)。

遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器主要作用包括：一接收來自230MHz的數(shù)據(jù)并解析數(shù)據(jù)提取有用數(shù)據(jù);二識(shí)別SIM卡，將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給主站系統(tǒng);遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器屬性是作為以太網(wǎng)服務(wù)器，能夠自動(dòng)識(shí)別客戶端并建立連接，而不需要設(shè)置自己的參數(shù)來適應(yīng)客戶端。具體原理在于：一般情況下，在通用客戶端設(shè)備主動(dòng)發(fā)起TCP連接前會(huì)先發(fā)送ARP報(bào)文（里面包含自己的IP地址和目的IP地址，目的IP地址是自己的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)），而服務(wù)器的IP地址必須要和目的IP地址一致才能正確接收對(duì)方的報(bào)文。那么就導(dǎo)致服務(wù)器必須手動(dòng)設(shè)置自己，來使自己與客戶端保持一致。但本設(shè)計(jì)中卻不需要設(shè)置，原因在于在客戶端發(fā)送ARP報(bào)文給GPRS近端設(shè)備時(shí)，近端設(shè)備就把報(bào)文中的目的IP（也就是客戶端的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)）提取出來作為自己的IP地址。這樣就實(shí)現(xiàn)了免除設(shè)置的特點(diǎn)[12-15]。

本文的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的GPRS延長(zhǎng)器采用的是分離式系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖4所示），具體包括一臺(tái)含有完整GPRS通信模塊的遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器和一臺(tái)不含GPRS模塊的近端GPRS延長(zhǎng)器，但近端GPRS延長(zhǎng)器具備RJ45接口，且通常被安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)終端的位置，通過較短的以太網(wǎng)雙絞線相連。遠(yuǎn)端GPRS延長(zhǎng)器通常安裝在符合以下條件的位置：有優(yōu)質(zhì)GPRS信號(hào)覆蓋的區(qū)域、能與近端GPRS延長(zhǎng)器通過230MHz無線信號(hào)良好地連通的區(qū)域、有電能表、采集終端等便于供電的位置。

2.3? ?數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩治?/p>

針對(duì)攻擊者可用竊聽無線鏈路，截獲和串改通信數(shù)據(jù)，進(jìn)行重放攻擊等，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信不能保證機(jī)密性、完整性、一致性和不可否認(rèn)性。主要采取以下設(shè)計(jì)，確保計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

鑒于GPRS通信可能存在的安全問題，為了保證通信的實(shí)時(shí)性，我們采用對(duì)稱的加密算法來解決系統(tǒng)潛在的安全問題。

1）采用對(duì)稱加密算法

對(duì)稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)收信雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

在嵌入式平臺(tái)常用的小型加密算法有AES、DESL、HIGHT、XXTEA等。相比之下AES加密算法具有更好的吞吐量。

AES（The Advanced Encryption Standard）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所用于加密電子數(shù)據(jù)的規(guī)范。它被預(yù)期能成為人們公認(rèn)的加密包括金融、電信和政府?dāng)?shù)字信息的方法。

在4G LTE系統(tǒng)中，主要采用AES算法對(duì)通信過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密，AES算法是一種高效率的對(duì)稱加密算法，具備很強(qiáng)的擴(kuò)散性能，最后形成具有很高隨機(jī)性的密碼，從而使信息得到有效的保護(hù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用的數(shù)據(jù)加密模式為128bit的AES算法，本設(shè)計(jì)中也選用AES算法作為其加密算法。

2）AES算法流程

AES加密算法涉及4種操作：字節(jié)替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）。圖4給出了AES加解密的流程，從圖中可以看出：①解密算法的每一步分別對(duì)應(yīng)加密算法的逆操作，②加解密所有操作的順序正好是相反的。正是由于這幾點(diǎn)（再加上加密算法與解密算法每步的操作互逆）保證了算法的正確性。加解密中每輪的密鑰分別由種子密鑰經(jīng)過密鑰擴(kuò)展算法得到。算法中16字節(jié)的明文、密文和輪子密鑰都以一個(gè)4x4的矩陣表示。