GPRS作为无线传输媒介的几种组网方式的分析与比较

2013-04-14贵州广播电视台广播技术中心周礼坤杨昌明曹小山

电子世界 2013年16期

贵州广播电视台广播技术中心周礼坤杨昌明曹小山

1.引言

GPRS应用非常广泛，几乎涉及到远程监控系统时都会考虑采用GPRS作为无线数据传输媒介，但针对实际应用每个行业都会有自己的功能需求和组网方式。组网方式的选择往往会对整个系统的运营效率、开发经费产生极大影响。因此，深入研究分析现有的组网方案，选择一种最适合的组网方案是系统设计中非常重要的一环。

文章主要对通用分组无线业务GPRS的相关理论和技术进行了概括性地论述，为将GPRS技术应用于广播发射台站监控系统奠定必要的理论和技术基础。

2.GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS通过在GSM网络中引入分组交换的实体，完成分组方式进行的数据传输。GPRS允许用户在端到端分组传输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，它可以使多个用户共享某些固定的信道资源，提高了无线资源的利用率，适合于数据处务突发性的特点。

3.GPRS工作原理

GPRS的路由管理是指GPRS网络如何进行寻址和建立数据传送路由。GPRS的路由管理表现在以下几个方面：

(1)在同一PLMN中的移动终端和外部网络之间，也就是在参考点R和参考点Gi之间的路由功能。

(2)在不同PLMN(参考点R和参考点Gi在不同的PLMN)中的移动终端和外部网络之间，也就是通过Gp接口在参考点R和参考点Gi之间的路由功能。

(3)在不同终端之间，也就是在不同MS的参考点R之间的路由功能。PDP协议数据单元在MS和GGSN之间以N-PDU的形式传送，包的大小限制在1500字节以内。对于大小在1500字节以内的N-PDU，将在MS和GGSN之间进行分组路由和转发；对于大小大于1500字节的N-PDU，将根据具体实现被切分、丢弃或拒绝。在SGSN和MS之间，PDP协议数据单元由SNDCP传送。在SGSN和GGSN之间，PDP协议数据单元通过TCP/IP或UDP/IP进行路由和传送。GPRS用户使用GPRS业务之前首先要通过GPRS附着过程将自己的信息登记在SGSN中，附着过程结束后，SGSN建立了移动台的信息，并对移动台进行移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如果要访问外部数据网，需要发起PDP激活过程，通过此过程使移动台到GGSN建立一条逻辑通路，从而可以访问外部数据网。

图1 同步广播发射站点远程监控网络架构拓扑图

MS在接入分组数据业务之前，必须先附着到GPRS上，当一个移动用户从一个路由区进入另一个新路由区时，其附着规程需完成移动性管理。

GPRS附着过程的具体步骤如下：

(1)MS向SGSN发送请求附着消息；

(2)HLR对MS进行鉴权，同时检测IMEI信息；

(3)执行SGSN的位置更新，如果釆用了Gs接口，还应执行MSC/VLR的位置更新；

(4)SGSN通知MS其附着请求被接受，必要时给MS分配新的P-TMSI：

(5)如果一切顺利，SGSN向MS发送附着接受消息，反之则向MS发送附着拒绝消息。

移动台附着成功后，要想访问外部数据网，还需发起PDP环境激活过程。PDP环境激活过程如下：

(1)MS向SGSN发送激活PDP环境请求消息；

(2)SGSN根据MS提供的激活类型、PDP地址、APN，通过APN选择标准来解析GGSN地址，从而检查该请求是否有效；

(3)如果收到GGSN的创建PDP上下文响应，则在该PDP上下文中插入NSAPI、GGSN地址、动态PDP地址，根据商定的QoS选择无线优先权，然后向MS返回激活PDP上下文接受消息，此时就己建立起MS与GGSN之间的路由，开始计费，可以进行分组数据传送。

4.基于GPRS的监控网络结构

结合GPRS网络的特点及其应用领域的具体要求，通常有下列几种组网方式以适应不同要求，它们的主要区别在于监控中心接入GPRS网络的方式不同。以下主要介绍各类适用于GPRS无线数据传输的网络构架，并通过比较，找到适合于同步广播发射台站搭建远程监控系统的网络架构。

4.1 监控系统网络经Internet接入

尽管GPRS基于IP协议，但每次GPRS终端拨号上网时，其IP地址都是移动内网IP地址，并且这个内网IP地址大多为动态分配的。此时，如果监控中心与GPRS终端双方的IP地址都是动态的话，双方则无法实现通信。若监控中心采用静态IP地址或者动态IP地址结合域名系统(Domain NameSystem，DNS)解析服务则可实现双方的互联。

静态IP地址方式，监控中心需要向Internet运营商申请公网固定IP地址；或者是企业内部有一台连接到Internet的服务器，且具有公网固定IP地址，不过此时考虑到服务器的稳定运行，通常不在服务器安装其他软件，此时可以通过端口映射的方法解决。最终由各监测点主动向监控中心发起连接，从而实现双方的互联。此种方案在实时性和稳定性方面很好，但公网固定IP使用费用比较高。

动态IP地址方式，由于公网静态IP在使用费用和安装条件等方面的限制，监控中心往往采用动态IP方式接入Internet。而在实际应用中，动态IP结合DNS域名解析的组网方式更为常见。采用动态域名解析方案，首先需要联系DNS服务商为监控中心申请一个域名，并把这个域名写入监测点的GPRS终端中。监控中心接入Internet之后会与DNS服务器进行连接，将当前获得的动态IP地址报告给DNS服务器。GPRS终端上电后，首先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到监控中心的公网动态IP，这样就可以在两者之间建立通信。此种方式可以减少申请和使用公网静态IP的开支，但其稳定性受制于DNS服务器的稳定性。

4.2 监控网络经GPRS-DTU接入

此种方案需要监控中心向移动DNS服务商开通移动动态域名，监测点GPRS终端先采用域名寻址方式连接移动DNS服务器，再由移动DNS服务器找到监控中心移动动态IP地址建立连接。监控中心也用GPRS-DTU做接收端，但GPRS无线方式的监控中心不如有线方式稳定。此种方式可以大大节约固定IP的费用，但并不是所有移动公司都提供DNS解析服务，所以要在有DNS解析服务的地区才能采用此种方案。此种方案适合小规模应用，但该方案实时性和稳定性较差，不推荐使用。

4.3 监控系统经移动APN专网固定IP接入

此种方案必须先向移动公司申请APN专网业务，申请到专用APN的SIM卡仅可以使用该APN。在获得APN后，监控中心和所有监测点的GPRS终端被分配给GPRS内网固定IP地址。由于申请到固定IP，该方案无需注册服务器协助建立连接，减少了中间环节，稳定性加强。另外，所有数据都在GPRS的APN内网传输，无需通过公网，安全性增强，而且该方案无需负担专线月租费。从总体上说，本方案性价比合理，在条件允许的情况下可以使用本方案。

4.4 监控系统网络经APN专线接入

此种方案需要监控中心通过一条2M的APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道，为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。得到APN后，给所有监控点及中心分配移动内部固定IP移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前三种方案都有很大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境.

5.同步广播发射台站搭建远程监控系统的网络架构

考虑到同步广播发射台站系统容量大、需要监控的点多而分散、对数据处理分析要求及时可靠等特点，采用专线APN接入方案是最佳的组网方式，但是有发射站点不具备专线接入的条件，故发射及站点选择移动APN专网固定IP接入方式，监控服务中心选择采用APN专线接入。使用APN专线有访问权限的控制，系统安全性、可控性高。

监控网络架构的拓扑图如图1所示。