GPRS作為無線傳輸媒介的幾種組網方式的分析與比較

貴州廣播電視臺廣播技術中心 周禮坤 楊昌明 曹小山

1.引言

GPRS應用非常廣泛，幾乎涉及到遠程監控系統時都會考慮采用GPRS作為無線數據傳輸媒介，但針對實際應用每個行業都會有自己的功能需求和組網方式。組網方式的選擇往往會對整個系統的運營效率、開發經費產生極大影響。因此，深入研究分析現有的組網方案，選擇一種最適合的組網方案是系統設計中非常重要的一環。

文章主要對通用分組無線業務GPRS的相關理論和技術進行了概括性地論述，為將GPRS技術應用于廣播發射臺站監控系統奠定必要的理論和技術基礎。

2.GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS通過在GSM網絡中引入分組交換的實體，完成分組方式進行的數據傳輸。GPRS允許用戶在端到端分組傳輸模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，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，適合于數據處務突發性的特點。

3.GPRS工作原理

GPRS的路由管理是指GPRS網絡如何進行尋址和建立數據傳送路由。GPRS的路由管理表現在以下幾個方面：

(1)在同一PLMN中的移動終端和外部網絡之間，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絡之間，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協議數據單元在MS和GGSN之間以N-PDU的形式傳送，包的大小限制在1500字節以內。對于大小在1500字節以內的N-PDU，將在MS和GGSN之間進行分組路由和轉發；對于大小大于1500字節的N-PDU，將根據具體實現被切分、丟棄或拒絕。在SGSN和MS之間，PDP協議數據單元由SNDCP傳送。在SGSN和GGSN之間，PDP協議數據單元通過TCP/IP或UDP/IP進行路由和傳送。GPRS用戶使用GPRS業務之前首先要通過GPRS附著過程將自己的信息登記在SGSN中，附著過程結束后，SGSN建立了移動臺的信息，并對移動臺進行移動性管理，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據網，需要發起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據網。

圖1 同步廣播發射站點遠程監控網絡架構拓撲圖

MS在接入分組數據業務之前，必須先附著到GPRS上，當一個移動用戶從一個路由區進入另一個新路由區時，其附著規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發送請求附著消息；

(2)HLR對MS進行鑒權，同時檢測IMEI信息；

(3)執行SGSN的位置更新，如果釆用了Gs接口，還應執行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發送附著接受消息，反之則向MS發送附著拒絕消息。

移動臺附著成功后，要想訪問外部數據網，還需發起PDP環境激活過程。PDP環境激活過程如下：

(1)MS向SGSN發送激活PDP環境請求消息；

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

(3)如果收到GGSN的創建PDP上下文響應，則在該PDP上下文中插入NSAPI、GGSN地址、動態PDP地址，根據商定的QoS選擇無線優先權，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，可以進行分組數據傳送。

4.基于GPRS的監控網絡結構

結合GPRS網絡的特點及其應用領域的具體要求，通常有下列幾種組網方式以適應不同要求，它們的主要區別在于監控中心接入GPRS網絡的方式不同。以下主要介紹各類適用于GPRS無線數據傳輸的網絡構架，并通過比較，找到適合于同步廣播發射臺站搭建遠程監控系統的網絡架構。

4.1 監控系統網絡經Internet接入

盡管GPRS基于IP協議，但每次GPRS終端撥號上網時，其IP地址都是移動內網IP地址，并且這個內網IP地址大多為動態分配的。此時，如果監控中心與GPRS終端雙方的IP地址都是動態的話，雙方則無法實現通信。若監控中心采用靜態IP地址或者動態IP地址結合域名系統(Domain NameSystem，DNS)解析服務則可實現雙方的互聯。

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

動態IP地址方式，由于公網靜態IP在使用費用和安裝條件等方面的限制，監控中心往往采用動態IP方式接入Internet。而在實際應用中，動態IP結合DNS域名解析的組網方式更為常見。采用動態域名解析方案，首先需要聯系DNS服務商為監控中心申請一個域名，并把這個域名寫入監測點的GPRS終端中。監控中心接入Internet之后會與DNS服務器進行連接，將當前獲得的動態IP地址報告給DNS服務器。GPRS終端上電后，首先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到監控中心的公網動態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靜態IP的開支，但其穩定性受制于DNS服務器的穩定性。

4.2 監控網絡經GPRS-DTU接入

此種方案需要監控中心向移動DNS服務商開通移動動態域名，監測點GPRS終端先采用域名尋址方式連接移動DNS服務器，再由移動DNS服務器找到監控中心移動動態IP地址建立連接。監控中心也用GPRS-DTU做接收端，但GPRS無線方式的監控中心不如有線方式穩定。此種方式可以大大節約固定IP的費用，但并不是所有移動公司都提供DNS解析服務，所以要在有DNS解析服務的地區才能采用此種方案。此種方案適合小規模應用，但該方案實時性和穩定性較差，不推薦使用。

4.3 監控系統經移動APN專網固定IP接入

此種方案必須先向移動公司申請APN專網業務，申請到專用APN的SIM卡僅可以使用該APN。在獲得APN后，監控中心和所有監測點的GPRS終端被分配給GPRS內網固定IP地址。由于申請到固定IP，該方案無需注冊服務器協助建立連接，減少了中間環節，穩定性加強。另外，所有數據都在GPRS的APN內網傳輸，無需通過公網，安全性增強，而且該方案無需負擔專線月租費。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 監控系統網絡經APN專線接入

此種方案需要監控中心通過一條2M的APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用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，給所有監控點及中心分配移動內部固定IP移動終端和服務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。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前三種方案都有很大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境.

5.同步廣播發射臺站搭建遠程監控系統的網絡架構

考慮到同步廣播發射臺站系統容量大、需要監控的點多而分散、對數據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方式，但是有發射站點不具備專線接入的條件，故發射及站點選擇移動APN專網固定IP接入方式，監控服務中心選擇采用APN專線接入。使用APN專線有訪問權限的控制，系統安全性、可控性高。

監控網絡架構的拓撲圖如圖1所示。

6.結語

本文介紹了GPRS作為無線數據傳輸媒介的工作原理，通過對幾種組網方式的分析和比較。結合調頻同步廣播發射臺站的實際情況，找到適合于同步廣播發射臺站搭建遠程監控系統的網絡架構，為實現無人值守臺站的遠程控制和管理提供了重要的理論基礎。

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