GPRS 数据分包长度和心跳包间隔性能分析✴

田锦

（金陵科技学院江苏省信息分析工程实验室，南京211169）

GPRS 数据分包长度和心跳包间隔性能分析✴

田锦

（金陵科技学院江苏省信息分析工程实验室，南京211169）

分析了车载GPRS数据传输的难点，在南京地区建立GPRS网络测试系统，测试结果表明：为确保高速率移动数据传输的可靠性和高效性，在GPRS网络中使用TCP协议时，心跳包间隔最大9min；使用UDP协议时，心跳包间隔最大4min；数据分包长度小于500 byte。该试验为实际工程应用中的参数设置提供了依据。

智能交通；GPRS；心跳包；数据分包；传输协议；性能分析

1 引言

智能交通（ITS）系统是通过对关键基础理论模型的研究，将信息技术、通信技术、电子控制技术和系统集成技术等有效地应用于交通运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统。伴随着IPv6、3G、传感技术的不断发展进步，智能交通正伴随着物联网在向“新一代智能交通发展”。城市公共交通是智能交通的重要领域，也是发展较快的一个领域。

GPRS是第二代移动通信技术向第三代移动通信技术演进过程中的一种通信技术，被称为第2.5代通信技术［1］。虽然现在第三代移动通信技术已经商用，但是目前GSM／GPRS网络仍然是全球应用最广泛、用户数最多的移动通信网络，电信运营商仍然需要一张可靠的、低成本的、覆盖广的基础语音和中低速数据网络，以满足最重要的移动话音沟通需求和中低速的数据通信业务。此外，GPRS具有覆盖范围广、支持TCP／IP协议、永远在线和按流量计费等优点，结合嵌入式技术开发的具有GPRS数据通信功能的车载移动数据终端，在诸如车辆位置管理、物流管理、移动售票以及金融业务的办理与开通等行业中具有无可比拟的性价比优势［2-4］。

GPRS终端安装在公交车上，车辆在城市内行驶。借助GPRS移动通信链路传输的数据业务包括GPS位置坐标、固定短语、短消息、调度命令、公交IC卡刷卡数据、车内广告、车内照片、到站数据、电子站牌数据、员工通知、其他运行信息等。其数据特点如下：

（1）数据实时性要求较强，如GPS位置坐标、公交IC卡刷卡数据等要求时效性好；

（2）数据长度参差不齐，有的数据块非常大，有的数据块小得如同一个短消息；

（3）数据准确性要求较高，如公交IC卡刷卡数据要求不能出差错，否则经济损失将会很大。

基于GPRS的车载数据传输面临几个困难：一是带宽有限造成通信拥挤和掉线；二是小区切换造成数据延迟和出错；三是终端IP地址变换要求使用心跳包维护终端地址信息。

围绕GPRS展开的研究相当广泛，主要研究内容涉及：GPRS通信技术的相关理论介绍与分析；GPRS无线传输系统的设计；GPRS数据终端的应用和实现；GPRS通信中协议的研究和GPRS网络的优化等。但是对于车载GPRS移动数据通信中，面向具体应用场景数据终端的参数设置方面研究较少，而这些参数的设置对数据传输性能的好坏有很大影响。数据分包长度和心跳包间隔对车载环境下GPRS的性能影响较大。为此，本文研究车载移动环境下GPRS数据传输时心跳包间隔时间的设计和基于数据分包的数据流控制技术，这对实际工程应用中保障移动数据通信的可靠性和高效性有很大帮助，可为系统参数的具体设置提供良好的依据。

2 GPRS系统中的传输协议

在实际应用中，GPRS数据传输速率速率比理论值要低得多，要达到理论上的最大值172.2 kbit／s，就要求一个用户占用所有8个时隙并且没有任何防错保护，这显然是不太可能的。GPRS在无线信道上实现了分组交换，空中资源可以为多个用户共享，共享是以牺牲带宽为代价的，因此吞吐率的降低有可能是在线用户数多造成的。另外，不同终端类型支持的GPRS上下行时隙数的能力也不同，GPRS用户的有限带宽因此也会受到严重的限制。同时总体来看，无论哪种GPRS终端其上下行最多同时占用的时隙都没有超过4个时隙，加之网上可采用的无线传输的编码方式为“CS1”和“CS2”，使得用户使用GPRS的理论值也只有13.4×4=53.6 kbit／s，这也影响GPRS上网速率的进一步提升［5］。

在实际双频网络中，对于GPRS手机可能会频繁地发生路由区更新和小区重选。对比GSM，GPRS在READY模式下数据传输过程中发生小区重选时，将停止数据传输，之后要进行数据重传，如果是基站控制器（Base Station Controller，BSC）内部的小区重选，数据需从BSC传给新的基站系统GPRS协议虚连接标示（BSSGPRSProtocol Virtual Connection Identifier，BVCI）；如果是BSC间的小区重选，数据需从老BSC中的BVCI中清除，由GPRS业务支持节点（Service GPRS Support Node，SGSN）重新传给新BSC的BVCI，造成较大的停顿。频繁小区重选造成更严重的数据重传甚至不可恢复的中断。因此，对GPRS应用来说，希望尽量减少重选次数。此外，如果小区采用混合广播控制信道／独立专用控制信道（Broadcast Control Channel／Stand-Alone Dedicated Control Channel，BCCH／SDCCH），会使得移动台（Mobile Station，MS）耗费更多的时间读取相邻小区的信息，造成更长的数据传输停顿。路由区域更新会造成时间更长的数据传输停顿，同样出现数据重传和吞吐率下降的现象。根据测试统计经验，下载一个2 Mbyte大的文件，在一般情况下，如果发生3次路由区更新，则平均速率会降低约12%。

IP包组成中8位协议可选择TCP方式或UDP方式，8位TTL为Time To Live，指数据包在网络中的存活时间。

相对于IP数据包，UDP数据包的组成比较简单，主要包含所要发送的数据信息即数据段，其中最后的UDP校验与IP数据包中的IP校验方式一样，但与点到点协议（Point-to-point Protocol，PPP）中的帧校验序列（Frame Sequence Check，FSC）校验方式不同。FSC校验属于循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）16位校验方式的一种，而IP校验和UDP校验是相对简单的反码求和的校验机制。并且，对于IP及UDP校验而言需要将数据包需要校验部分的16位转换为32位进行校验，校验好之后再转换为16位。

网络层和传输层虽然属于IP及UDP协议实现的功能，但此两者都是建立在数据链路层基础上的，因此在发送UDP／IP包的时候仍然不能摆脱对PPP协议的依赖。

IP／X.25层的用户数据增加了分组头后首先送到SNDCP层，在SNDCP层分为多个帧，帧信息在LLC层附加了帧头和FCS之后，每帧进一步分块送到无线链路控制（Radio Link Control，RLC）／MAC层，在RLC／MAC层附加了块头和块校验序列及必要的尾比特后进行卷积编码和突发脉冲形成，卷积编码后生成了的456 bit数据，在20ms时间内传输。

3 GPRS数据传输相关技术研究

3.1 实验设备

（1）GPRS数据终端的实现。结合当前热点的嵌入式技术，采用ARM9系列的微处理器AT91SAM9260作为GPRS数据终端的微处理器，采用SIMCOM公司的GPRS通信模块SIM300C作为无线接入模块，其中GPRS模块和微处理器之间通过三线串口协议进行通信。通过相关硬件电路设计、嵌入式Linux系统的移植以及GPRS模块应用程序开发，完成GPRS数据终端的研制。

（2）一张开通GPRS功能（CMNET业务）的手机卡（SIM卡）；一个公网的IP地址；TCP／UDP网络调试软件。目前GPRS的业务有CMWAP和CMNET业务两个种类：CMWAP业务一般用于网页浏览，通过CMWAP方式时，即通过移动网关的HTTP代理访问网络时，只允许HTTP连接请求通过；CMNET允许直接接入互联网，允许基于TCP和UDP协议的数据传输服务。公网IP地址可以通过电信的宽带拨号获得。

3.2 建立实验系统

带有CPU和嵌入式操作系统的目标板与GPRS模块构成GPRS传输终端。开发和调试服务器将程序调试好后，通过串口下载到目标板中。目标板中的数据通过GPRS无线链路，经由路由器到达数据中心服务器。建立的实验系统如图1所示。

图1 实验系统示意图Fig.1 Experiment system sketchmap

实验系统的公网IP地址是通过电信宽带拨号获得。考虑到公网IP地址缺乏，但为了使开发服务器和数据中心服务器都能上网，因此把实验系统的数据中心服务器连接在路由器上，所以在进行实验前还需要对路由器进行相关设置，把对路由器WAN口一个协议端口的访问重定向到了内网中的数据中心服务器。

3.3 试验结果及分析

心跳间隔时间和数据分包长度是GPRS系统中两个重要参数。不同厂家或者不同行业应用的GPRS数据终端在个别细节上可能有所不同（比如心跳重发次数等），使用软硬件平台在南京市进行试验测量。

（1）心跳包间隔时间研究

对于GPRS系统而言，心跳机制以及IP地址和端口管理机制是GPRS系统两大必需的功能机制，这是由GPRS运行特点决定的。心跳功能是指GPRS数据终端每隔一定时间，发一个数据包到数据中心，这个数据包就是心跳包。它的主要功能可以概括为以下两点：一是防止掉线，移动通信网络运营商当发现GPRS数据终端在一定时间内没有传输数据时就会把它踢下线；二是实现远程主动在线监测。GPRS数据终端访问外部数据网络时，都必须依靠GPRS网关支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）单元为其产生的网络地址转换（Network Address Translation，NAT）映射，每个映射均有一个生存时间，因此需要GPRS数据终端定时发一些心跳包来保持住该NAT映射状态。

发送心跳包的时间间隔是重要的网络使用参数。心跳间隔时间设置过短，发送心跳包就越频繁，由此产生的流量引起的网络开销负荷量也就越高。心跳间隔时间设置过长，可能无法达到发送心跳包的目的，维持数据通信链路，最终无法保证数据传输的可靠性。在实际的工程应用中，根据经验心跳间隔时间一般设置为30 s到几分钟不等。在利用GPRS进行数据传输时，一般采用TCP和UDP两种通信协议，因此分别研究采用TCP和UDP协议通信时心跳间隔时间设计问题。

TCP是面向连接的通信协议，心跳间隔时间的设置主要考虑网络是否会把GPRS数据终端踢下线，不同的数据发送时间间隔下，GPRS数据终端在线率的测试结果如表1所示。

表1 TCP通信在不同时间间隔下的终端在线率Table 1 Terminal online rate on TCP communications in different interval

而对于UDP通信，它是一种无连接的通信协议，它的通信端口号每隔一段时间会自动加1，所以心跳间隔时间的设置主要不是考虑它是否掉线，而是考率如何维持住原先的通信端口，以便数据中心能够主动发起到GPRS数据终端的数据传输。不同的数据发送时间间隔下，端口变化率的测试结果如表2所示。

由上述的研究结果可以看出，对于TCP通信，心跳间隔时间设置为9min及小于9min时，心跳包接收次数等于发送次数，即在线次数等于实验次数，GPRS终端都没有掉线，因此心跳最大间隔时间可以设置为9min。对于UDP通信，心跳间隔时间设置为4.5min及大于4.5min时，GPRS终端UDP端口变化次数等于心跳包发送次数；心跳间隔时间设置为4min及以下时，端口没有变化。因此如果要在服务器端随时主动地发起与GPRS终端的通信，心跳最大间隔时间可以设置为4min。若只考虑成本，心跳间隔时间应设置为最大，但在实际的工程中考虑到数据传输的可靠性要求可以设置得相对保守一点。

（2）数据分包长度研究

GPRS通信适合短时间内的大数据量传输，因此在实际应用中会使用GPRS来传输图像或视频等多媒体数据。但是GPRS通信模块内嵌TCP／IP协议栈的缓存区有限，若写入串口数据速率远高于GPRS传输速率，由于缓存区溢出，系统将会丢失数据。因此，为保证数据传输的可靠性，必须进行流控制。主要的流控制方法有两种：硬件握手法［6］和数据分包法。数据分包法是指在终端传输文件时，先将文件分成若干个小数据包，逐个写入串口，然后由GPRS模块发送。在GPRS通信中，过大的数据包会增加传输时延并且数据容易丢失；过小的数据分包，网络吞吐量和发送效率又会大大降低。数据分包长度的选择主要受网络负荷量的影响。研究数据分包长度对传输性能的影响需要研究网络关于时间的负荷量。据相关监测表明，在GSM／GPRS系统中，每天不同的时间段业务负荷不尽相同，网络性能也会有较大差别［7］，如图2所示。

图2 不同时段下的GSM／GPRS网络业务负荷Fig.2 GSM／GPRSnetwork services payload in different period

为避免不同时间段下网络性能差别而给研究结果带来的干扰，采取分时间段进行研究，主要选取上午10：00～12：00，下午15：00～17：00以及晚上23：00～凌晨1：00 3个时间段，其中12：00时刻网络业务负荷量最大。丢包率是衡量数据传输性能好坏的指标。由于TCP具有传输确认和重传机制，不便于直接显示丢包率指标，所以研究UDP协议下数据传输的丢包率。在3个时间段，采用不同的数据分包长度传输一个60 kbyte大小的文件，其丢包率如图3所示。

图3 3个时间段下丢包率和数据分包长度的关系Fig.3 Loss packet rate changeswith data packetization in three time periods

从图中可以看出，在每一个时间段，它们的变化趋势都是一样的，即随着数据分包长度的增大，丢包率都会有比较明显的增加，数据传输性能明显降低。同时，从图中也可以看出，在不同的时间段即在不同的网络状况下，数据分包长度对数据传输性能的影响不甚相同。随着数据分包长度的增大，3个时间段下的丢包率的差别也在变大。在10：00～12：00和15：00～17：00两个时间段，当分包长度为600 byte时，丢包率低于5%；当分包长度为800 byte时，丢包率大于5%，这时服务质量不能满足要求。所以，在10：00～12：00和15：00～17：00两个时间段，分包长度一般小于500 byte能够保证服务质量。

一般来说，数据分包长度越大，吞吐量和发送效率会好一些。但在实际的工程应用中，应用层中加入了确认和重传机制，如果丢失的数据包需要重发，就需要大量的开销，最后实际结果并不一定达到最优。因此，在网络状况较好、丢包率不是太大时，可以设置数据分包长度大一点，提高吞吐量和发送效率；而在网络状况较差时，可以把数据分包长度设置得小一点，以便能够达到一个较佳的发送效率。在实际的工程应用中可根据行业应用的实际需要，找到一个合适的平衡点，合理设置数据分包长度，使数据的传输性能最佳。

GPRS通信受网络的影响比较大，各个地方的网络质量也有差别。网络质量的优劣以及各地移动网络运营商对网络通信参数的不同配置都会使心跳包间隔时间和分包长度的测试结果出现差异。

4 结束语

GPRS数据通信中心跳机制和分包长度技术是基本而重要的通信参数。测试研究表明：使用TCP协议通信，心跳时间间隔设置为9 min以下，系统在线性能较好；使用UDP协议通信，心跳时间间隔设置为4min以下，系统端口维护性能较好。考虑不同时间段的业务负荷，在任何时间段，分包长度为500 byte时，丢包率低于5%，完全能够保证服务质量。该研究结果填补了业界在该领域定量研究的空白，可广泛应用于GPRS数据传输中，使GPRS数据传输配置更具体化，为工程实践提供了依据。为适应网络状况，进一步提高GPRS数据传输性能，在后续的研究中，参考已有研究成果［8］，研究一种自适应改变数据分包长度的算法，还可以利用“分包短、传输快、心跳包少”的原理，研究心跳包发送间隔与分包长度联合优化策略。

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Performance Analysis on GPRS Data Packetization Size and Heartbeat-packets Interval

TIAN Jin
（Jiangsu Province Information Analysis Engineering Laboratory，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China）

The difficulties of data transmission by GPRSare analysed，and a test system for GPRSnetwork is established in Nanjing，China.The experiment results show in order to reliably and efficiently transmitmobile high data rate，the interval time between heartbeat-packets is atmost 9 minutes when using TCP；atmost 4 minuteswhen using UDP；and data packetization is atmost500 bytes size.The experiment provides a valuable foundation to set the communication parameter in practical engineering applications.

ITS；GPRS；heartbeat-packets；data packetization；transmission protocol；performance analysis

Doctor Foundation of Jinling Institute of Technology（No.40610035）

the B.S.degree in Electrical and Electronic Physics from Xuzhou Normal University，and the M.S.degree from Southeast University in 1996，and the Ph.D.degree from NationalMobile Communications Research Laboratory，Southeast University，in 1988，1996 and 2009，respectively.He is now a senior engineer.His research interests include cognitive radio，wide band wirelessaccess technologies，pervasive heterogeneousnetwork communication theory in 4thmobile communication，and system and theory of Intelligent Transport System.

1001-893X（2012）04-0576-05

2011-09-05；

2012-02-17

金陵科技学院博士基金资助项目（40610035）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.031

田锦（1963—），男，四川江安人，1988年于徐州师范大学获电子与电气物理专业学士学位，1996年于东南大学获光电子技术与光纤通信系统专业硕士学位，2009年于东南大学移动通信国家重点实验室获通信与信息系统专业移动通信方向博士学位，现为高级通信工程师，主要研究方向为认知无线电技术、宽带无线接入技术、第四代移动通信泛在异构网络通信理论、智能交通系统与理论。

Email：tj.tech＠jit.edu.cn

TIAN Jin was born in Jiang′an，Sichuan Province，in 1963.He