目录
目录... I
摘要... III
Abstract.. IV
第一章 绪论... 1
1.1研究背景. 1
1.2 GPRS的发展状况. 1
第二章 GPRS系统介绍及相关技术... 2
2.1 GPRS概述. 2
2.1.1 GPRS简介. 2
2.1.2 GPRS网络架构. 3
2.1.3 GPRS协议模型. 4
2.1.4 GPRS提供的业务. 6
2.1.5 GPRS终端分类. 7
2.1.6 GPRS的优点. 7
2.2 GPRS技术. 8
2.2.1 GPRS的系统结构. 8
2.2.4 GPRS网络主要实体. 8
2.2.4 GPRS的路由管理. 11
第三章 短消息编码和通信协议... 12
3.1短消息发送和接收模式及编码. 12
3.1.1短消息发送和接收模式. 12
3.1.2 GPRS短消息的编码. 14
3.1.3 短消息相关AT命令集. 22
3.2通信协议的设计与实现. 24
3.2.1传输层协议的选择. 24
3.2.2系统通信协议的设计. 25
3.2.3 通信协议的实现. 32
第四章 系统的设计与实现... 36
4.1建立uClinux开发环境. 37
4.1.1 uClinux简介. 37
4.1.2 uClinux的基本架构. 37
4.1.3 uClinux 的开发环境. 38
4.1.4 uClinux的内存管理. 39
4.2 GPRS模块短消息通信功能设计. 40
4.2.1 GPRS模块初始化. 40
4.2.2键盘输入处理. 40
4.2.3 AT命令接受和发送. 41
4.2.4 GPRS发送短消息状态机. 41
4.2.5 AT命令接收和发送. 42
4.2.6 GPRS接受短消息. 42
4.3 串行通信接口. 42
4.3.1串行传送的特点. 43
4.3.2串口通信的基本方式. 43
4.4网络通信接口编程. 44
4.4.1网络通信接口. 44
4.4.2 网络通信操作. 47
4.5串口通信编程. 48
4.5.1串口通信设计. 48
4.5.2 GDB 环境下使用ADT1000 调试Linux 核心. 49
4.6系统测试. 55
第五章 GPRS的安全性... 58
5.1 GPRS的安全问题. 58
5.1.1 问题提出. 58
5.1.2 GPRS网络体系结构. 58
5.1.3 GPRS网络安全研究. 59
5.2 GPRS安全策略. 59
5.2.1用户认证. 60
5.2.2 用户识别码保密. 61
5.2.3 用户数据和GMM/SM信令保密. 62
5.2.4 识别码校验过程. 63
5.2.5小结. 64
结束语... 65
参考文献... 66
致谢... 67
附录... 68
摘要
GPRS是一种新的移动数据通信业务，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数据通信，GPRS采用分组交换技术，使每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。这里介绍了一套基于GPRS短消息的远程无线监控系统和基于AT指令的GPRS模块的应用开发。实现了GPRS短消息接收平台的建立，提供了GPRS安全性解决方案。对通讯方式、系统结构、工作原理及系统的实现进行了详细的说明。由于GPRS网络支持TCP/IP协议，这使得无线数据传输变得更加轻松，利用GPRS作为通信手段进行数据传输具有技术新、效果好、可平滑技术升级等特点。 该系统在自动抄表，远程监控等领域具有很好的应用前景。
关键词：GPRS，SMS，通信
Abstract
GPRS is one kind of new mobile data communication service, it provide a kind of connection between the mobile subscriber and the data network, provides the high speed data correspondence for the mobile subscriber, GPRS uses the Packet-Switched echnology, each user can take many wireless channels at the same time , the identical wireless channel may be shared by many users and resources can be used effectively.Here introduced a set of application development based on the short message of GPRS about long-distance wireless of supervisory system and AT GPRS module on AT. It realized establishment of the receiving platform about the short message of GPRS, it has provided the GPRS security solution. It show detail for the communication way, the system structure, the principle of work and the system realization. Because the GPRS network supports TCP/IP ,it make the wireless data transmission easer,it has many characteristic,for example,it is a new technology.the effect is good and can promotion smoothly.it has good prospect on copying the table,domote monitoring .
Key words:Gprs, SMS , Commnication
第一章 绪论
1.1研究背景
近年来，大量的无线数据业务孕育而生。像车辆定位监控系统、机房无线远程监控系统、无线POS系统、照明设备远程监控系统等等。这类业务需求往往是在一个主要的控制中心管理下，多个终端设备以无线方式与控制中心进行信息交互。终端设备除了具有无线接入之外，有的还要求比较强的数据处理能力，比如数据采集、数据处理、判断告警等等。
现在市场上针对此类的应用已经陆陆续续的推出了一些产品，但这些产品往往功能过于单一，比如:资料的透传，仅仅把终端作为一个无线通信设备来使用，而不考虑其它数据处理功能，将所有资料运算功能全部放在上端的监控处理系统里面进行。这样，造成数据通信量的大幅增加和上端软件的膨胀。针对这类低端产品的不足，我们希望能够研究与实现一种功能更加丰富的产品，将数据采集、数据处理、逻辑判断、结果传输等功能融合在一起，比如对资料进行计算提取最终结果值进行传送，对运算结果进行逻辑判断和对报警资料自动发送等功能。形成一个无人看守的数据处理平台，使终端系统具备了通用性、可扩展性。
1.2 GPRS的发展状况
GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2K b/s,实际应用带宽大约在10-70Kb/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。GPRS移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业POS机、Internet接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。
移动通信迅猛发展的用户数及其完善的基础网络，为移动通信增值业务的发展提供了有利条件。在诸多增值业务中，短消息(SMS)服务因其价格低廉、使用方便、信息传递准确及时、存储转发离线通信等优点而备受用户欢迎。据统计，2001年中国移动的短消息业务总量达到了159亿条。中国移动“移动梦网”合作模式的推出，极大地推动了短消息业务的发展。预计2002年中国移动短消息量将达到500亿条。同样在欧洲，短消息服务已经成长为电信运营商的重要收入来源，每个月有近50亿条短信息被发出，平均每位手机用户每月要发送出25条短信息。欧洲主要的无线运营商每月要处理超过3亿条短信息，而且这个数字还在以每月10%到15%的速率增长。在芬兰的手机用户每月的话费账单上，平均50%出自短信息服务。短信息服务像风暴一样席卷欧洲大陆。在日本，短消息及移动互联网业务仅用了1年半时间便实现了赢利的目标，目前已培育成一个30亿美元的巨大市场。
在短消息业务迅猛发展的同时，由于现有的短消息存在一些局限性，如只能传送文本信息，无法完成高质量的铃音、壁纸和动画下载，无法传送高质量的图片和声音等，因此增强型消息服务(EMS)和多媒体消息服务(MMS)就应运而生。基于目前短消息服务的良好市场，目前国内移动运营商对这两项新的消息服务非常看好，并计划大力发展。
第二章 GPRS系统介绍及相关技术
2.1 GPRS概述
2.1.1 GPRS简介
通常将移动通信分为三代。第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通信包括GSM、CDMA等，第三代是分组型的移动业务，称为是3G。GPRS是通用无线分组业务的缩写（General Packet System），是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为是2.5G，目前通过升级GSM网络实现，GPRS与GSM最根本的区别是GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。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具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据。
GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据规定的标准。它可以提供高达115Kbps的空中接口传输速率。GPRS使若干移动用户能够同时共享一个无线信道，一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接受数据包的用户占很少一部分网络资源。有了GPRS，用户的呼叫建立时间大为缩短，几乎可以做到“永远在线”（always online）。此外，GPRS使运营商能够以传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而使每个用户的服务成本更低。
GPRS采用信道捆绑和增强数据速率改进实现高速接入，目前GPRS的设计可以在一个载频或8个信道中实现捆绑，将每个信道的传输速率提高到14.4Kbps，因此GPRS最大速率是8×14.4=115.2Kbps。GPRS发展的第二步是通过增强数据速率改进（EDGE）将每个信道的速率提高到48Kbps，因此第二代的GPRS设计速率为384Kbps。
GPRS是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套传输方式。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输时才会占用频宽，而且大多数的时间频宽是闲置的。
2.1.2 GPRS网络架构
GPRS网络一般都是以GSM网络为基础而建立起来的，为了实现GPRS,在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN (Gateway GPRS Supporting Node，网关GPRS支持节点)、SGSN(Serving GSN，服务GPRS支持节点)、PCU(Packet Controlling Unit，分组控制单元)。
图2-1 GPRS网络的系统结构
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，并可以连接到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台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。
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台的当前位置信息，并且在移动台和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, LAN等。有的文献中，把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外部数据网。
PCU负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。
BG(Border Gateway，边界网关)用于处理漫游。
GCG(GPRS Charge Gateway, GPRS收费网关)专门用于收费。
PTMSC(Point To Multipoint Service Centre，点到多点业务中心)用于处理QOS业务的服务器。
2.1.3 GPRS协议模型
移动台(MS),SGSN和GGSN之间的分层协议模型如图2-2所示。
图2-2 GPRS协议模型
(1)Um接口
Um接口是GSM的空中接口，Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC/RLC(Medium Access Control/Radio Link Control)层、LLC (Logical Link Control)层、SNDC (Subnetwork Dependant Convergence)层和网络层。
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200Kbit/s。考虑纠错码开销，则最终数据速率可达164Kbit/s左右。
MAC为媒质接入控制层。MAC的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台共享。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台发送网络信息。
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。
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/IP地址和加密方式。在SNDC层，移动台和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LL层内。
网络层的协议目前主要是TCP/IP和X.25协议，这些协议对于传统的GSM网络(如BSS和NSS等设备)是透明的。
(2)Ub接口
NS(NetworkService)网络业务层，用于传送上层的BSSGP PDU,BSSGP(Base Station System GPRS Protocol)协议，在传输平台上，该协议用于在BSS与SGSN之间提供一条无连接的链路进行无确认的数据传输。
(3)Gn接口
L1/L2是底层网络相关协议。UDP/TCP中UDP提供差错保护，用于承载不要求可靠传输的GTP PDU;而TCP提供流量控制以及丢失及差错保护，用于承载要求可靠传输的GTPPDU.GTP(GRSP Tunnelling Protocol)GPRS隧道协议，用于GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令的传输，是GSN节点之间的互连协议。
2.1.4 GPRS提供的业务
业务特点及种类网主要为移动数据用户提供突发性数据业务，能快速建立连接，无建立时延。GPRS特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据。GPRS除能提供点对点和点对多点数据业务外还能支持补充业务和短信息业务。
GPRS网提供的承载业务：
- 点对点面向无连接网络业务(PTP-CLNS)
PTP-CLNS属于数据报类型业务，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，主要支持突发非交互式应用业务，是由IP协议支持的业务。
- 点对点面向连接的数据业务(PTP-CONS)
PTP-CONS属于虚电路型业务，它为两个用户或多个用户之间传送多路数据分组建立逻辑虚电路（PVC或SVC）。PTP-CONS业务要求有建立连接、数据传送和连接释放工作程序。PTP-CONS支持突发事件处理和交互式应用业务，是面向连接网络协议，如X.25协议支持的业务，在无线接口，利用确认方式提高可靠性。
- 点对多点数据业务(PTM)
- GPRS提供的点对多点业务可根据某个业务请求者要求，把信息送给多个用户，又可细分为点对多点多信道广播业务(PTM-M)、点对多点群呼业务(PTM-G)、IP广播业务(IP-M)。
- 其它业务
- 包括GPRS补充业务、GSM短消息业务、匿名的接入业务和各种GPRS电信业务。
2.1.5 GPRS终端分类
GPRS技术规范定义了三种终端
(1)A类终端，能同时处理电路交换业务和分组交换业务，并且两种业务相互独立。即A类终端可同时工作于GPRS和GSM.
(2)B类终端，在某一时刻只能处理电路交换业务或分组交换业务当中的一种，但可以在两种业务间自动切换。
(3)C类终端，此类终端只能手工设置为电路交换模式或分组交换模式，当终端处于电路交换模式时，无法接收分组交换数据业务，反之亦然。
2.1.6 GPRS的优点
(1)资源利用率高于GSM网络，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，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。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上Intemet浏览、收发E-mail等等。对于分组交换模式，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。
(2)传输速率高，GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率(最高值171.2kbit/s) ，这意味着在数年内，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。
(3)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(如信用卜核对、远程监控等)的效率，并可使已有Internet应用(如E-mail,网页浏览等)操作更加便捷、流畅。
(4)GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。越来越多的公司将Internet作为职员访问公司Intranet的媒介，因此支持IP协议显得尤为重要。由于存在大量的分组数据网(PDN)，所以支持X.25协议可使已存在的X.25应用能够在GSM网络上继续使用。而且由于GSM网络覆盖面广，所以也使得GPRS能提供Internet其它分组网络的全球性无线接入。
2.2 GPRS技术
2.2.1 GPRS的系统结构
GPRS的系统结构如图所示：
图2-3 GPRS的系统结构图
它是在GSM系统的基础上引入三个关键组件组成，分别为SGSN（GPRS业务支持节点）、GGSN（GPRS网关支持节点）和PCU（分组控制单元）。
SGSN负责用户鉴权、加密和压缩、移动管理、与HLR、MSC/VLR协调、话务统计及NMS接口等；GGSN是GPRS网与外部IP网的接口、完成计费和统计等功能；PCU主要是将分组数据分离出来，传送到SGSN。
2.2.4 GPRS网络主要实体
GPRS网络主要实体包括GPRS支持节点、GPRS骨干网、本地位置寄存器HLR、短消息业务网关移动交换中心(SMS-GMSC)和短消息业务互通移动交换中心(SMS-IWMSC)、移动台、移动交换中心(MSC)/拜访位置寄存器(VLR)、分组数据网络(PDN)等。
1. GPRS支持节点(GSN)
GPRS的支持节点GSN是GPRS网络中最重要的网络节点，包含了支持GPRS所需的功能。GSN具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN是一种类似于路由器的独立设备，也与GSM中的MSC集成在一起。在一个GSM网络中允许存在多个GSN。GSN有两种类型：SGSN和GGSN。
SGSN是为移动终端(MS)提供业务的节点(即Gb接口由SGSN支持)。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。
GGSN通过配置一个PDP地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的GPRS业务用户的路由信息，并根据该信息将PDU利用隧道技术发送到MS的当前的业务接入点，即SGSN。GGSN可以经Gc接口从HLR查询该移动用户当前的地址信息。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LAN等。另外，GGSN也又被称作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。
SGSN与GGSN的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理节点上分别实现。它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器相连。当SGSN与GGSN位于不同的PLMN时，通过Gp接口互联。SGSN可以通过任意Gs接口向MSC/VLR发送定位信息，并可以经Gs接口接收来自MSC/VLR的寻呼请求。
2. GPRS骨干网
GPRS中有内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网两种。
内部PLMN骨干网是指位于同一个PLMN上的并与多个GSN互联的IP网。外部PLMN骨干网是指位于不同的PLMN上的并与GSN和内部PLMN骨干网互联的IP网 |
