基于單片機的GSM網數(shù)據傳輸

1、基于單片機的GSM網數(shù)據傳輸 目錄摘要3Abstract31.緒論41.1課題眼究的背景41.2課題的確立41.3通信方式選擇41.3.1通信方式的比較41.3.2通信方式的選擇71.4本文研究的內容和方法72.GSM系統(tǒng)82.1 GSM系統(tǒng)組成82.1.1交換子系統(tǒng)82.1.2基站子系統(tǒng)92.1.3操作和支持子系統(tǒng)92.2 GSM系統(tǒng)提供的業(yè)務92.3 GSM系統(tǒng)的信道92.4 SIM卡102.4.1 SIM卡的功能102.4.2 SIM卡的存儲內容112.4.3 SIM卡的物理結構113.短消息業(yè)務123.1短消息業(yè)務的體系結構123.2短消息業(yè)務的協(xié)議分層143.3短消息業(yè)務的優(yōu)缺點15

2、3.4短消息業(yè)務的現(xiàn)狀和前景153.5短消息業(yè)務的主要應用164GPRS業(yè)務164.1 GPRS的業(yè)務特性164.2 GPRS的網絡結構174.3 GPRS協(xié)議模型184.4 GPRS的路由管理194.5 GPRS空中接口的信道構成194.6 GPRS的優(yōu)缺點204.7 GPRS的應用205.GSM/GPRS 模塊介紹及應用方法215.1 GSM模塊的結構和特點215.2 AT指令225.3短消息的模式與Unicode編碼方式225.4 GSM模塊測試256. 基于短消息業(yè)務的系統(tǒng)硬件設計266.1系統(tǒng)整體結構266.2單片機端系統(tǒng)串口設計266.3 PC端系統(tǒng)的VB MSComm控件介紹27

3、7. 基于短消息業(yè)務的系統(tǒng)軟件設計297.1單片機端程序設計297.1.1單片機端主程序設計297.1.2重要子程序設計307.2 PC機端程序設計317.2.1短消息軟件的實現(xiàn)327.2.2短消息軟件的運行結果347.3 系統(tǒng)抗干擾措施357.4通信時延分析357.4.1短消息傳輸時延的定性分析357.4.2短消息傳輸時延的測量和結論357.5系統(tǒng)開發(fā)中的難點368基于GPRS的系統(tǒng)設計368.1 系統(tǒng)組成368.2 單片機數(shù)據發(fā)送終端設計378.3 PC機數(shù)據接收端設計398.3.1 Winsock控件介紹408.3.2 Winsock控件的使用418.3.3 使用UDP協(xié)議進行通信41.

4、結論429.1 論文的創(chuàng)新點429.2有待進一步研究的問題43致謝43參考文獻43附錄441.ASCII碼對照表442本文術語45基于單片機的GSM網數(shù)據傳輸作者：周盛指導師：李方洲（溫州大學（籌） 物理與電子信息學院 325027）摘要：本文通過對現(xiàn)代遠程通信方式的討論，提出了利用現(xiàn)有GSM網絡的短消息業(yè)務實現(xiàn)的遠程通信的種種優(yōu)勢，并將這種方式應用于本設計系統(tǒng)。采用先進的GSM通信模塊和單片機互連的終端系統(tǒng)，通過AT指令，實現(xiàn)了數(shù)據的發(fā)送。在PC機端，通過VB編程實現(xiàn)人機友好交互界面，通過連接GSM模塊實現(xiàn)接收終端發(fā)出的數(shù)據的功能。文中論述了GSM系統(tǒng)的組成結構、主要業(yè)務，重點介紹了短消息業(yè)

5、務的特點、結構等方面，并基于此建立了整個系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)主要硬件組成部分及其作用，給出了整個系統(tǒng)軟件流程圖和部分子程序流程圖。介紹了該技術的應用前景和推廣價值。而且提出了本系統(tǒng)尚需解決的一些問題，并給出了可能解決這些問題的途徑和方法。但是由于利用短消息業(yè)務存在時延等問題，本文基于此還提出了另一種基于GPRS的系統(tǒng)方案。介紹了GPRS的業(yè)務特點，網絡結構等方面，并給出了整個系統(tǒng)設計。關鍵詞：GSM網絡 短消息 單片機 VB GPRSThe data transmission with GSM based on MicrocontrollerAuthor: zhoushengTutor: li

6、fangzhou(Physical and Electronic information dapartment ,WenZhou University,325027)Abstract:This article proposed to use the existing GSM nets short message service to realize all sorts of superiority to long-distance correspondence through the discuss of the modern long-distance correspondence mode

7、s,and apply this way in this designed system. I realized the data tranmission by using the teminal system which connected with the advanced GSM correspondece module and the MicroController Unit and through the AT commands. In another PC machine end, I realized the friendly man-machine interactive co

8、ntact surface through the VB programme, and realized to receive data from the terminal system by connecting with the GSM module. In this article, I elaborated the composition and the primary service of the GSM system, introduced the characteristics of the short message service, the structure and so

9、on. Besides, based on what have discussed above, I have established the overall system. Forthermore, I have intrduced the systems main hardware consistent and its function in detail, provided the systems software flow and some subroutines. Moreover, I introduced this technicals applicatin prospect a

10、nd the promoted value. Then, I proposed some problems the system still had to solve,and provided some prossible ways and methods to solve these problems. However,because the short message service has some problems such as the time delaying, the article gave another system plan based on GPRS. I intro

11、duced the characteristics ,the network architecture of the GPRS service and has produced the overall design of the system.Key words: GSM short message service MicroController VB GPRS1.緒論1.1課題研究的背景進入二一十一世紀以來，計算機網絡、通信技術、自動化技術、遙感技術、傳感器技術以及大規(guī)模集成電路無不飛速發(fā)展，而其中最為引人矚目的當是無線通信技術及無線通信網絡飛速普及和應用。現(xiàn)今，無論國外還是國內通用的、覆蓋

12、廣泛的無線網絡已基本建設完成，例如中國移動的GSM網可實現(xiàn)全國及全球漫游，使手機等無線終端設備得以快速普及，可以說世界已經進入無線時代。而無線通信不僅僅可以傳輸話音信號，從本質講，它是數(shù)據通信技術與移動通信技術結合的產物，數(shù)據通信才是無線傳輸?shù)暮诵膬热荨＝陙?，移動通信的?shù)據業(yè)務獲得了迅猛發(fā)展，其年增長率遠遠高于電話業(yè)務，廣闊的市場前景使得各大通信制造業(yè)巨頭們紛紛投入到移動數(shù)據業(yè)務的競爭之中。作為數(shù)字蜂窩系統(tǒng)的典范，GSM系統(tǒng)已在全球獲得了巨大的成功，其廣闊的覆蓋范圍和良好的漫游性、安全性，再加上各種基于GSM的數(shù)據傳輸技術的不斷發(fā)展，使得在GSM上進行數(shù)據通信成為在3G(第三代移動通信的簡稱

13、)到來之前最好的一種手段。隨著GSM無線通信技術的不斷發(fā)展和成熟，可用于實現(xiàn)快速、準確、獨立、經濟的遠程監(jiān)控、讀取、控制遠方的調控測量儀器，例如無人值守加油站、家用電力用表、水表、煤氣表等，正在被越來越廣泛應用到各種新的系統(tǒng)，具有非常廣闊的應用前景。在GSM數(shù)據業(yè)務中，短消息業(yè)務最適合應用到數(shù)據采集點分散、數(shù)據量較小的系統(tǒng)中。短消息服務SMS(Short Message Service)是GSM通信網絡對用戶提供的一種數(shù)據服務。它通過7號信令信道傳輸，具有通信靈活可靠、保密性強、初期投入費用低的優(yōu)點，適用于小量數(shù)據的實時傳輸。1.2課題的確立針對公共無線通信技術應用和發(fā)展形勢，提出了利用公用無

14、線通信網傳輸數(shù)據的課題。課題的重點是考察GSM網絡現(xiàn)有數(shù)據傳輸方式，傳輸過程，以及將來其技術發(fā)展和演進，解決數(shù)據無線遠傳的問題，同時增加數(shù)據傳輸方面的技術儲備，便于進行其它系統(tǒng)的應用研究。本課題要求立足于現(xiàn)有GSM傳輸技術，在充分了解GSM傳輸機制、傳輸方式的基礎上，選擇一種技術服務作為傳輸手段，同時決定在哪一層次上進行開發(fā)研究，并對技術實現(xiàn)的難易程度進行分析，最終提出一套系統(tǒng)總體設計方案。即下位機為單片機數(shù)據發(fā)送系統(tǒng)、上位機為PC系統(tǒng)的數(shù)據接收系統(tǒng)。本設計把GSM模塊作為信息傳遞的載體，使其與單片機和PC機結合起來構成的應用系統(tǒng)有著強大的生命力和廣闊的應用空間，特別是在遠程數(shù)據傳輸、遠程監(jiān)控

15、領域更是受到人們的關注。1.3通信方式選擇1.3.1通信方式的比較目前,在數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計中,可供選擇的通信方式較多,傳統(tǒng)使用的有短波、超短波、有線電話和衛(wèi)星。近些年,隨著通信技術的發(fā)展,全球移動通信系統(tǒng)GSM以及GPRS通用無線分組業(yè)務也被用于數(shù)據傳輸系統(tǒng)中。以下對各種通信方式的優(yōu)缺點進行分析。1.PSTN 什么是PSTN？即Public Switched Telephone Network，意指傳統(tǒng)的電話交換網絡，是目前全球最普及的電話網絡。PSTN 進行數(shù)據通信的原理如圖1.3.1。 圖1.3.1 PSTN數(shù)據通信原理圖它是通過兩端被稱作modem 的設備將由數(shù)據終端進入的低速數(shù)據經PS

16、TN，用電路交換方式連接至別的用戶終端或計算機的。在這種通信方式中，主控計算機通過調制解調器(MODEM)撥號溝通被控終端，然后再傳送數(shù)據。PSTN 組網優(yōu)點：·適用范圍廣；·傳輸速率高，容量大，沒有無線通信中經常遇到的同頻干擾問題,傳輸質量也較高；·技術成熟，設備簡單，價格低廉。PSTN 組網缺點：·傳輸時效不甚理想，建立通信要花費30s左右的時間，在系統(tǒng)容量較大時，時效慢的問題相當突出。·如果終端電話屬農話線路，則線路質量不高，防御自然災害的能力低；當線路較長時，建設、維修費用也高。·PSTN屬有線通信信道，防雷避雷問題格外重要，

17、若解決措施不得力，電話會構成引雷設備，極易造成設備因雷擊而毀壞。·只能實現(xiàn)單路數(shù)據傳輸，不能滿足多路數(shù)據同時傳輸?shù)囊蟆?#183;傳輸速率上限只能達到9600bps，不適合批量數(shù)據傳輸?shù)那闆r。2.超短波超短波通信的傳播機理是對流層內的視距傳播與繞射傳播，由于傳播距離較短，常常需要建設中繼站進行接力。與PSTN 組網一樣，在超短波信道組建的通信網中，無論是發(fā)送端還是接收端，都必須配備無線調制解調器，分別完成音頻信號與數(shù)字信號之間的相互轉換。超短波組網優(yōu)點：·獨立性好，完全是自建通信網；·技術成熟，設備簡單且易于配套，建設周期短；·實時性能好。超短波組網缺

18、點：·由于是自身建設的通信網，因此需要專業(yè)的維護隊伍。·在用戶擁擠的地區(qū)(多為經濟發(fā)達地區(qū)) ，同頻干擾比較嚴重。·山區(qū)及遠距離的超短波通信需在野外高處建中繼站, 雷擊是一個突出問題，維護管理極為不便,同時建設費用也比較大。·有些地區(qū)天線需高掛，從而造成鐵塔造價過高。·對通信效果差的站點，需建多級中繼站級聯(lián)，這降低了系統(tǒng)的可靠性。3.衛(wèi)星信道衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉發(fā)無線電波實現(xiàn)地球站之間相互通信的一種方式，使用頻率一般為300 MHZ300 GHZ。衛(wèi)星信道優(yōu)點：·信號傳輸質量高，通信可靠；·覆蓋面大，可

19、進行多址通信；·通信頻帶寬；·組網靈活機動，在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內，通信基本不受地形條件的限制。衛(wèi)星信道缺點：·衛(wèi)星終端的設備費較高；·耗電較大；·隨著用戶增加通信時延較長。當前可供選用的衛(wèi)星信道有4 種：亞洲2 號通信衛(wèi)星信道(VSAT)、Omni TARCS全線通衛(wèi)星信道、國際海事衛(wèi)星信道( Inmarsat) 和北斗衛(wèi)星信道。4.全球移動通信系統(tǒng)(GSM) 采用GSM通信方式組建數(shù)據傳輸網，其工作原理與傳統(tǒng)的組網方式大體一致，不同的是收發(fā)信機換為GSM數(shù)傳模塊。每一次通信由下位機站發(fā)起，經過基站接力傳輸最后到達中心站，整個信息傳輸過程用戶只需要

20、解決好發(fā)送端和接收端兩個環(huán)節(jié)，中間的通信是由移動運營商來解決的。用戶可以免去以往因自建通信網所帶來的維護任務，可以騰出更多的人力和物力來做好系統(tǒng)其他方面的工作。GSM短信息平臺組網優(yōu)點：·信道穩(wěn)定、傳輸質量好，傳輸速率可達9600 bps 以上。·系統(tǒng)容量較大，可傳輸?shù)臄?shù)據量大，一條短信息所能容納的數(shù)據量最多可達100字節(jié)以上。·GSM信道無需中繼，利用公網，不需自建和維護通信網，組網十分靈活。·GSM系統(tǒng)設備體積小、重量輕、功耗低。由于不需要架設室外天線，安裝方便，不僅一次性建設投資少，而且維護管理簡單，運行費用低。GSM短信息平臺組網缺點：·

21、;受當前GSM網絡覆蓋的限制，可能有些偏遠的站點無法通信組網，因此在進行GSM信道設計時，必須進行測站與GSM基站間的電路測試(估測) ；·短信息的接收會出現(xiàn)時延的現(xiàn)象，實施時要根據系統(tǒng)規(guī)?？紤]設置專用服務器，再通過DDN 等信道完成數(shù)據轉發(fā)的方案解決瓶頸問題。另外，由于GSM是一個相當復雜的系統(tǒng)，各地的網管和電路質量也不完全一致，因此應重視當?shù)谿SM情況的調研，嚴格遵照GSM07. 05、GSM07. 07 協(xié)議編程；對可能發(fā)生的意外要有應對策略，比如合理使用數(shù)據重發(fā)機制、切換至備用信道等措施。5.GPRS 通用無線分組業(yè)務GPRS 是GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，不僅提供點對點、

22、而且提供廣域的無限IP 連接，是一項高速數(shù)據處理的技術，方法是以“分組”的形式將數(shù)據傳送到用戶手中。GPRS 是作為現(xiàn)行GSM網絡向第3 代移動通信演變的過渡技術，突出的特點是傳輸速率高和費用低。GPRS 優(yōu)點：·永遠在線。只要激活GPRS 應用后，將永遠保持在線，類似于一種無線專線網絡; ·按量計費。只有產生通信流量時才計費，是一種面向使用的計費，計費方式更加科學合理；·快速登錄。全新的分組服務，無需長時間的撥號建立連接過程。GPRS 缺點：·目前網絡的覆蓋率不夠理想；·因為是永遠在線，對下位機站的供電要求會高一些。1.3.2通信方式的選擇目

23、前可供選擇的數(shù)據傳輸信道較多，其中技術比較成熟，運用比較廣泛的主要有PSTN、GSM、超短波、衛(wèi)星4 種。從通信網的運行維護管理角度來區(qū)分，PSTN 和GSM 通信網屬公網,超短波和衛(wèi)星通信網屬專網。當今,GSM移動公網已經成為社會上應用最為廣泛的一種通信資源，基于GSM 網絡的短信息開發(fā)應用技術也相當成熟。而短信息在數(shù)據傳輸過程中的堵塞、時延現(xiàn)象，主要出在兩個環(huán)節(jié)上：基站和短信中心，基站由于受容量的限制, 在信息超限時會出現(xiàn)排隊而導致延時。為此，現(xiàn)在移動短信中心提供了專線接入技術來解決這個傳輸瓶頸。綜上所述, GSM 短信息傳輸數(shù)據的應用技術是可行的,并且具有廣闊的前景。衛(wèi)星通信以其獨立性好

24、、通信速度快、并發(fā)能力強、保密安全性高的優(yōu)點，正越來越受歡迎，但由于通信費比較高，建成后系統(tǒng)的運行費也較高，限制了其在數(shù)據傳輸方面的應用。不過，現(xiàn)在我國自擁主權的北斗衛(wèi)星已經將每次的通信費降到每條數(shù)據包0.5 元，今后還有更大的優(yōu)惠，因此衛(wèi)星通信不再是一種高不可攀的通信方式，在通信網設計時可以揚長避短合理利用衛(wèi)星通信。各種信道的比較如表1.3.2。表1.3.2 信道對比表特點公網專網PSTNGSM/GPRS超短波衛(wèi)星建設費用一般低高高通信費用一般低無一般運行維護運行商維護運行商維護建設方維護運行商維護防雷要求很高低高高通過對上述各種通信方式的分析比較, 所以本人首選了GSM短信息傳輸作為通信方

25、式。1.4本文研究的內容和方法本論文經過調研，收集且分析相關技術資料，綜合考慮通信技術發(fā)展和數(shù)據傳輸系統(tǒng)特點的基礎上，提出綜述性技術解決方案，為將來的系統(tǒng)研發(fā)做好必要的準備工作。本課題主要包括以下幾方面的內容： 1. GSM網絡的基本結構和GPRS業(yè)務、SMS短消息協(xié)議和傳輸過程的簡單介紹。 2.基于GSM網絡數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計方案。主要包括數(shù)據發(fā)送終端系統(tǒng)結構設計和原理和GSM MODEM的設計。4.數(shù)據傳輸系統(tǒng)的上下位機GSM通信接口部分，上下位機硬件組成及軟件功能和具體實現(xiàn)等。5.基于GPRS技術的系統(tǒng)方案及實現(xiàn)方法。2.GSM系統(tǒng)2.1 GSM系統(tǒng)組成GSM系統(tǒng)主要由交換子系統(tǒng)(NSS)

26、、基站子系統(tǒng)(BSS)、操作和支持子系統(tǒng)(OSS)三部分組成。系統(tǒng)結構如圖2.1。BTS：基站收發(fā)器 MS：移動臺 BSC：基站控制器EIR：設備標示器 BSS：基站子系統(tǒng) HLR：歸屬位置寄存器 MSC：移動交換中心 VLR：訪問位置寄存器 GMSC：網關MSCAUC：鑒權中心 ISDN：綜合數(shù)字數(shù)據業(yè)務網 PSDN：分組交換數(shù)據網 圖2.1 GSM系統(tǒng)結構2.1.1交換子系統(tǒng)交換子系統(tǒng)(NSS)由MSC，HLR，VLR，ELR及AUC組成。1.移動交換中心MSC (Mobile-Services Switching Centre) ：MSC是網絡的核心，它完成最基本的交換功能，即實現(xiàn)移動用

27、戶與其它網絡用戶之間的通信連接。為此，它提供面向系統(tǒng)其它功能實體的接口，到其它網絡的接口以及與其它MSC互連的接口。MSC從HLR, VLR, AUC這三種數(shù)據庫中取得處理用戶呼叫請求所需的全部數(shù)據，同時這三個數(shù)據庫也會根據MSC最新信息進行自我更新。MSC為用戶提供承載業(yè)務，基本業(yè)務與補充業(yè)務等一系列服務。對于容量較大的通信網，一個NSS可以包括若干個MSC, HLR和VLR，在建立固定網用戶與GSM移動用戶之間的呼叫時，呼叫往往首先被接到入口MSC(GMSC)，再由入口MSC負責獲取移動用戶位置信息，然后進行接續(xù)。GMSC具有與固定網和其它NSS實體互通的接口。2.訪問位置寄存器VLR：V

28、LR存儲進入其覆蓋區(qū)的所有用戶的全部有關信息，為已經登記的移動用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。VLR是一個動態(tài)數(shù)據庫，需要隨時與有關的HLR進行大量的數(shù)據交換以保證數(shù)據的有效性。當用戶離開其覆蓋區(qū)時，用戶的有關信息將被刪除。VLR在物理實體上總是與MSC一體，這樣可以盡量避免由于MSC與VLR之間頻繁數(shù)據交換所帶來的接續(xù)時延。3.歸屬位置寄存器(HLR)：用于管理移動用戶數(shù)據庫。它的主要任務是存儲登記歸屬用戶的檔案、位置信息以及用戶的VLR地址。4.設備指示器EIR：存儲有效用戶、可疑用戶、禁止用戶的國際移動分設備識別碼，在用戶進入移動系統(tǒng)時進行核查。5.鑒權中心(AUC)：提供確保呼叫保密所

29、需的鑒權和加密參數(shù)。2.1.2基站子系統(tǒng)BSS由基站控制器BSC、基站收發(fā)器BTS和移動臺MS組成。其功能如下： 1.基站控制器BSC用以控制BTS包括：無線電資源的管理、無線電網絡功能管理，BSS的操作與維護等。 2.基站收發(fā)器BTS：由BSC控制，執(zhí)行固定網與移動用戶間的接口功能，提供移動臺MS和GSM網絡間無線信令和話音、數(shù)據信息交換，并處理這些信道數(shù)字化發(fā)射的全部無線功能。3.移動臺(MS)：移動臺從形式上分車載臺和手持機兩類。移動臺硬件結構由雙工器、收信前端電路、發(fā)信功放、調制解調器、發(fā)信電路、收信電路、鎖相頻率合成器、信道編譯碼器、控制器接口、CPU控制中心、顯示器和鍵盤等組成。2

30、.1.3操作和支持子系統(tǒng)該系統(tǒng)主要對整個GSM網絡進行管理和監(jiān)控。它由操作維護中心(OMC)及操作和支持系統(tǒng)軟件組成?？蓪崿F(xiàn)對GSM網內各種部件的功能監(jiān)測、狀態(tài)報告、故降診斷及分類等，還可對GSM進行動態(tài)管理和調整。2.2 GSM系統(tǒng)提供的業(yè)務GSM是以加入窄帶綜合數(shù)字業(yè)務網（ISDN），向其用戶提供ISDN業(yè)務為目標的，它所支持的業(yè)務主要有三大類： 1.基本電信業(yè)務：包括電話、短消息、緊急呼叫、傳真、話音信箱、智能用戶電報等，可以與PSTN（公共電話網）, ISDN等互通。 2.數(shù)據傳輸業(yè)務：包括300b/s和1200b/s異頻雙工數(shù)據傳輸，1200b/s，2400b/s, 4800b/s,

31、 9600b/s同步雙工數(shù)據傳輸，以及它們的分組式傳輸?shù)?，并與PSTN, ISDN和PDS（綜合布線系統(tǒng)，Premises Distributed System）等互通。3.補充業(yè)務：包括3方通話、會議電話、呼叫轉移等。2.3 GSM系統(tǒng)的信道 GSM系統(tǒng)采用的是頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)的混合多址技術，并采用跳頻方式。GSM信道分為物理信道和邏輯信道。 1物理信道一個載頻上的TDMA幀的一個時隙稱為一個物理信道，它相當于FDMA系統(tǒng)中的一個頻道，每個用戶通過一系列頻率的一個信道接入系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)每個載頻上的TDMA幀包括8個時隙，也就是8個物理信道。在一個TS中發(fā)出的信息稱

32、為一個突發(fā)脈沖序列。2邏輯信道 大量的信息傳遞與BTS和MS之間，根據傳遞信道的種類，GSM系統(tǒng)定義不同的邏輯信道。邏輯信道在傳輸過程中要被放在某個物理信道上。邏輯信道可分為業(yè)務信道和控制信道兩大類。業(yè)務信道(TCH)用于攜帶語音或用戶數(shù)據，可分為話音業(yè)務信道和數(shù)據業(yè)務信道?？刂菩诺?CCH)用于傳輸信令或同步數(shù)據，具體分為三類。（1）廣播信道(BCH)，其中包括：·頻率校正信道(FCCH )：此信道給用戶傳送校正MS頻率的信息。·同步信道(SCH )：此信道傳送MS的幀同步(TDMA幀號)和BTS的識別碼(BSIC)的信息。·廣播控制信道（BCCH）：包括尋呼移

33、動臺分組、尋呼信息復幀號和CCCH時隙號等。（2）公共控制信道(CCCH)，其中包括：·尋呼信道(PCH)：此信道用于尋呼MS。·隨機接入信道(RACH)：MS通過此信道申請分配一個SDCCH，它可用作為對尋呼的響應或MS主叫登記時的接入。·允許接入信道(AGCH)：此信道用于為MS分配一個SDCCH。·小區(qū)廣播控制信道(CBCH)：從SDCCH中借用時隙來傳輸短消息和廣播信息。3專用控制信道(DCCH)：其中包括：·獨立專用控制信道(SDCCH)：用于在分配TCH之前呼叫建立過程中傳送系統(tǒng)信息。例如登記和鑒權在此信道上進行。·慢速隨

34、路控制信道(SACCH)與一個業(yè)務信道TCH或一個獨立專用控制信道SDCCH相關，它是一個傳送連接信息的連續(xù)數(shù)據信道，如傳送移動臺接收的關于服務及鄰近小區(qū)的信號強度的測試報告。這對實現(xiàn)移動臺參與的切換功能是必要的，它還用于MS的功率管理和時間調整，是上下行、點對點(移動對移動)信道。·快速隨路控制信道(FACCH)與一個業(yè)務信道TCH相關。FACCH的話音傳輸過程中如果突然需要以比慢速隨路控制信道SACCH所能處理高的多的速率傳送信令信息，則借用20ms的話音(數(shù)據)突發(fā)脈沖序列來傳送信令，這種情況通常在切換時使用。由于話音譯碼器會重復最后的20ms的話音，所以這種中斷是不被用戶查覺

35、的。2.4 SIM卡2.4.1 SIM卡的功能用戶識別模塊(Subscriber Identity Module)是一種帶微處理器的封裝在塑料中的智能IC卡，它是GSM系統(tǒng)中不可缺少的一個重要部分，是用戶進入GSM網絡的登記憑證。在SIM卡中，包含有用戶識別信息，輔助業(yè)務信息、短消息、移動性信息和無線電資源信息等。在GSM系統(tǒng)中，通過對SIM卡的物理接口、邏輯接口的明確定義，來完成與移動終端的連接和信息交換，同時在SIM卡內進行用戶信息存儲、執(zhí)行鑒權算法和產生加密密鑰等工作。只有插入SIM卡，移動終端才能接入網絡。它由CPU(8位)、程序存儲器(3-8bit )、工作存儲器(6-16bit )

36、、數(shù)據存儲器(128-256kbit )和串行通信單元五部分組成。SIM卡分為3V和5V兩種。手機最初使用的是5V的SIM卡；1998年后陸續(xù)使用3V的SIM卡；5V的SIM卡容量小且功耗大，容量一般在3K左右，能存儲30個電話號碼，3V的SIM卡容量大且省電，容量為8K，能存儲100個電話號碼及其對應的姓名文字，15組短消息等。SIM卡正面圖上有20值數(shù)碼。前面6位(898600)是中國的代號；第7位是業(yè)務接入號，在135, 136, 137, 138, 139中分別為5, 6, 7, 8, 9；第8位是SIM卡的功能位，一般為0，現(xiàn)在的預付費SIM卡為1；第9, 10位是各省的編碼；第11

37、, 12位是年號；第13位是供應商代碼；第1419位則是用戶識別碼；第20位是校驗位。SIM卡正面圖如圖2.4.1。 圖2.4.1 SIM卡正面圖2.4.2 SIM卡的存儲內容SIM卡是GSM的用戶資料卡，它存儲著用戶的個人電話資料和保密算法、密鑰等，下面就SIM卡中所存儲的主要內容加以說明： 1.國際移動用戶識別碼(IMSI)IMSI是全球統(tǒng)一編碼的唯一能識別移動用戶的號碼，一般由3個部分組成：移動臺國家識別碼+長途區(qū)號+移動用戶號碼，其中移動國家識別碼3位數(shù)，我國為460，后兩項共7-12位數(shù)。IMSI被存在SIM卡中，且IMSI與用戶電話號碼又一一對應地存儲于網絡的歸屬用戶數(shù)據庫里。當移

38、動臺用戶在歸屬地或漫游地進入系統(tǒng)時，網絡系統(tǒng)均能首先從用戶的SIM卡中獲取用戶識別碼，從而識別用戶歸屬于哪個國家，哪個電信部門，甚至哪一個移動業(yè)務服務區(qū)。2.用戶密鑰Ki和保密算法A3/A8在SIM卡中存儲有用戶的密鑰和兩種保密算法。用戶密鑰Ki在寫卡時就已隨機生成，通常是在此時就將Ki用一種叫A4的算法進行加密，以后在進入交換機后再解密，那么連寫卡機和交換機的操作員都不會知道Ki的真實數(shù)據。移動網絡經營者需加入諒解備忘錄組織(MOU)方可得到SIM的詳細規(guī)范和擁有A3/A8算法文件的使用權，然后經營者再提供給制卡公司A3/A8算法文件的副本。這樣制卡公司才可以向經營者提供帶A3/A8算法的S

39、IM卡。用戶密鑰與用戶識別號碼一一對應，它們和保密算法一起被分別存在SIM卡和用戶鑒別中心內。每次用戶鑒別中心對用戶進行身份鑒別時，都將產生一個隨機數(shù)和用戶的密鑰一起經過A3/A8的加密運算。然后通過無線信道核對移動臺和鑒別中心的計算結果是否一致，這樣既鑒別了用戶的身份，又可防止非法用戶進入網絡。3.個人識別碼(PIN)和SIM卡解鎖密碼(PUK)PIN碼是SIM卡上的個人密碼，主要用來驗證SIM卡使用者的身份是否有效。為了防止他人擅用SIM卡，在移動臺接通電源，將SIM卡插入移動臺時，就會被要求輸入4-8位的PIN碼，否則將不能正常通信。如果用戶連續(xù)三次輸入錯誤的PIN碼，移動臺就會提示用戶

40、卡己被鎖住，這時用戶需輸入PUK碼才能解開。如果連續(xù)十次輸錯PUK碼，SIM卡就將永久報廢，無法再使用。因此，當移動臺“要求SIM卡PIN”一項置為“ON”時，輸入PIN雖然可防止SIM卡的非授權使用，但要注意我國電信部門沒有將PUK碼告訴用戶，如SIM卡被鎖，一定要到電信部門解鎖，防止損壞SIM卡。 4.用戶使用的存儲空間SIM卡中大部分信息是經營者或制卡者所輸入且不能更改。但SIM卡中也可存儲部分個人信息，如固定的短消息、號碼簿等，用戶可以用移動臺的鍵盤來完成個人情息的存儲和讀出。這就是所謂SIM卡中的個人存儲空間。2.4.3 SIM卡的物理結構SIM卡的物理結構如圖2.4.3所示。SIM

41、卡共有8個觸點，通過這些觸點與移動終端接口，進行相互間的信息傳輸，并提供SIM卡電路工作時所需的電源。SIM卡各觸點的定義如下：C1：Vcc電源電壓。C2：RST復位端。C3：CLK時鐘，時鐘速率通常由移動終端提供，SIM卡支持15MHz時鐘，它在指定時間內運行監(jiān)權過程時至少需要13/4MHz的時鐘頻率，其它情況下使用13/8MHz的時鐘頻率。C4：無定義，為將來使用保留。C5：GND地。C6：Vpp編程電壓。C7：I/O輸入輸出。C8：無定義，為將來使用保留。 圖2.4.3 SIM卡的物理結構SIM卡的電性能要求為使SIM卡能正常工作。各觸點的電性能以及電源開/關時的電性能都是有所要求的。S

42、IM卡開啟電源期間，各觸點的激活順序為：RST為低電平狀態(tài)；Vcc加電；I/O處于接收狀態(tài)；Vpp加電，提供穩(wěn)定的時鐘信號。SIM卡關閉電源時，各觸點的去活順序為：RST為低電平狀態(tài)，CLK為低電平狀態(tài)，Vpp去活；I/O為低電平狀態(tài)；Vcc去活。電源開啟時，SIM卡有兩種工作方式，即工作方式和空閑方式。在工作方式時完成與移動終端之間的信息傳輸，在空閑方式時SIM卡將保留所有相關數(shù)據，并支持內部全休眠、指令休眠和時鐘休眠三種休眠方式。 3.短消息業(yè)務SMS短消息是Short Message Service的英文縮寫，是通過移動網絡用手機接收和發(fā)送有限長度文本信息的一種通信體制。文本信息可以是漢

43、字，數(shù)字，字母或符號以及它們的組合。GSM的協(xié)議規(guī)范規(guī)定，一條短消息最多可以包含160個英文字母的7-bit編碼或是70個漢字等Unicode編碼。世界上第一條短消息是在1992年12月從英國沃達豐(Vodafone)公司的GSM網絡由電腦發(fā)送到一部手機上的，此后幾年內短消息并未得到廣泛應用。直到1988年，歐洲的語音業(yè)務漸趨飽和，移動數(shù)據業(yè)務市場廣大，運營商開始注意到短消息市場，Sonera, Vodafone, Mannesmann等公司大力發(fā)展短消息業(yè)務，使歐洲的短消息迅速火爆。隨著手機在中國的普及，2000年開始，中國移動和中國聯(lián)通開始開發(fā)中國的短消息市場，在中國掀起短消息的熱潮。3.

44、1短消息業(yè)務的體系結構 圖3.1 短消息業(yè)務的體系結構SMS體系結構如圖3.1，各部功能介紹如下：1.短消息實體(Short Messaging Entity, SME )：它可以接收或改善短消息，位于固定電話系統(tǒng)、移動基站或其他服務中心內。 2. SMS網關(SMCGWMS或SMCGMSC：SMS-Gateway MSC)：接收由SMSC發(fā)送的短消息，向HLR查詢路由信息，并將短消息傳送給接收者所在基站的交換中心。 3.歸屬位置寄存器(Home Location Register, HLR )：用于永久存儲由SMSC產生的管理用戶和服務記錄的數(shù)據庫。SMS網關可以要求HLR搜索可找到的用戶地

45、址。 4.移動交換中心(Mobile Switching Center, MSC )：負責系統(tǒng)切換管理并控制來自或發(fā)現(xiàn)其它電話或數(shù)據系統(tǒng)的撥叫。 5.訪問位置寄存器(Visitor Location Register, VLR)：含有用戶臨時信息數(shù)據庫。交換中心訪問用戶時需要這些信息。6.短消息服務中心(Short Message Service Center, SMSC )：簡稱短信中心。負責在基站和SME間中繼、存儲或轉發(fā)短消息，移動臺(MS)到SMSC的協(xié)議能傳輸來自移動臺或朝向移動臺的短消息，協(xié)議名為SMPT(Short MessageTransmission Protocol)。短信

46、中心實質是運行在服務器上的一個數(shù)據庫應用程序，其核心進程擔負著通過7號信令與交換機連接并發(fā)送、接收短消息低層編碼任務，它收到一條信息后將其放入數(shù)據庫中，同時另一個進程試圖將這條信息放入發(fā)送隊列進行發(fā)送，如果成功，這條信息將被刪除以釋放數(shù)據庫空間，但統(tǒng)計信息將保存。如果不成功，則根據設置的時間間隔重發(fā)，直到發(fā)送成功或過了有效期為止。短信中心的功能應符合ETSI GSM規(guī)范03.40的要求，具備如下功能：·短消息的存儲能力·短消息的提交和轉發(fā)·設置短消息的優(yōu)先級·根據有效期處理短消息·重復轉發(fā)嘗試·流控功能·路由選擇功能

47、3;具有系統(tǒng)日志·用戶核查能力·告警功能·統(tǒng)計功能·支持漢字短消息業(yè)務能力·支持二進制形式的短消息業(yè)務能力·虛擬短消息中心·支持長短消息3.2短消息業(yè)務的協(xié)議分層 圖3.2.1 短消息協(xié)議結構短消息協(xié)議結構如圖3.2.1所示。由應用層來的短消息經過傳輸層、中繼層、連接管理子層CM和以下的移動管理子層MM、無線管理子層RR將短消息發(fā)送到MSC。來自應用層的最多140字節(jié)的編碼短消息，添加了收件人地址后被包裝入TL傳輸層的協(xié)議數(shù)據單元PDU中(稱為TP-DATA )，然后被包裝于RL中繼層的PDU中(稱為RP-DATA)，包括電

48、話號碼式的SC服務器地址，RL層的PDU本身被包裝于CP-DATA式的CP連接管理子層控制協(xié)議的PDU中。借助于L2這層的SDCCH或SACCH信道的數(shù)據幀，將短消息變成突發(fā)脈沖(Burst)的形式發(fā)送出去。突發(fā)脈沖是GSM的傳輸單位，SACCH和SDCCH都采用4個連續(xù)突發(fā)脈沖為一組的編碼，也即SDCCH和SACCH的原始數(shù)據由4個突發(fā)脈沖攜帶。短消息的數(shù)據封裝如圖3.2.2所示。發(fā)送短消息要使用SDCCH或SACCH信道，具體是哪一種，取決于業(yè)務信道TCH的使用。當TCH未分配，也就是不在通話中時，短消息占用SDCCH信道。如果短消息在SDCCH上處理時分配了TCH，即進行通話時，短消息傳

49、送將停止并繼續(xù)在TCH隨路的SACCH信道上傳送；如果短消息到達時，TCH已分配，則短消息在隨路的SACCH信道上傳輸；當采用TCH的實體結束其處理時，無線資源管理(RR)子層可選擇在SACCH上繼續(xù)進行短消息傳送或將它轉至SDCCH，所以發(fā)送短消息只能在SDCCH或SACCH信道上傳輸。 圖3.2.2 短消息的數(shù)據封裝L2層的SDCCH一個數(shù)據幀最多只能攜帶23字節(jié)的信息，來自CM子層的251字節(jié)的數(shù)據單元需要251/23=11個數(shù)據幀來傳輸，每個幀由物理層的一個塊傳送，即四個突發(fā)脈沖Burst。在物理層，一個TDMA幀持續(xù)4.615ms，控制信道(BCCH, CCCH, SDCCH+SAC

50、CH)安排在51復幀中，SDCCH的每個塊的重復周期為51個TDMA幀，因此在SDCCH上發(fā)送251字節(jié)CP-DATA的時間為11 ×51 ×4.615 ms=2.6s。L2層的SACCH一個數(shù)據幀最多只能攜帶21字節(jié)信息，因此需要251/21=12個數(shù)據幀來發(fā)送。業(yè)務信道(TCH+SACCH)安排在26復幀中，伴隨TCH的SACCH每個塊的重復周期為104個TDMA幀，因此在SACCH上發(fā)送251字節(jié)CPDU的時間為12 ×104 ×4.615 ms=5.8s。所以被層層封裝的一條140字節(jié)的短消息，占用SDCCH信道在空中接口需要2.6s才能發(fā)送完畢

51、，而占用SACCH信道在空中接口則需要5.8s才能發(fā)送完畢。3.3短消息業(yè)務的優(yōu)缺點1. 短消息業(yè)務的優(yōu)點·短消息采用存儲一轉發(fā)的模式，防止了短消息的丟失。短消息先發(fā)送并存儲到短消息服務中心，然后由短消息服務中心轉發(fā)給接收方。如果接收方不在服務區(qū)內或是關機，則短消息服務中心先保存該短消息，等接收方處于服務區(qū)內再轉發(fā)給他。·短消息的收費十分低廉，這是短消息風靡的決定性因素。無論距離的遠近，接收方免費接收短消息，發(fā)送一條短消息網內收費0.1元，網間收費0.15元。并且發(fā)送一定量的短消息運營商會給出一定的優(yōu)惠政策，這對某些消費群體具有很大的吸引力。·短消息的升級版本EM

52、S和MMS能夠承載多種數(shù)據。它們的內容可以是文本、聲音、圖像等，更大程度的滿足人們交流的方式。·手機中的SIM卡可以對發(fā)送短消息進行加密，接收方的手機將信息解密，實現(xiàn)了傳輸中的安全可靠行。·短消息可以與話音、數(shù)據、傳真等業(yè)務同步傳輸。短消息使用S7信令傳輸數(shù)據分組，是非對稱業(yè)務，即使在業(yè)務信道處于高峰期時，仍然可以進行順利通信。2. 短消息業(yè)務的缺點·短消息的規(guī)范不統(tǒng)一。短消息運營商和開發(fā)上采用各自的專有協(xié)議，不利于短消息市場的規(guī)范發(fā)展。為統(tǒng)一各種不同的接口規(guī)范，實現(xiàn)不同的短消息中心之間的相互操作，X.25協(xié)議已被確定為連接不同短消息中心的公共協(xié)議。·每

53、條短消息長度有限。超過160個字符的SMS則需拆分成多個消息子段傳輸，增加了服務的成本，并且不利于收信者的查看。·短消息服務中心處理能力不夠，每秒只能處理幾百條短消息。特別是各個節(jié)日，像春節(jié)、圣誕節(jié)等，短消息業(yè)務量急速上升，存在著很長的延時，嚴重時短消息中心發(fā)生阻塞，服務質量下降。·SMS的數(shù)據傳輸速率偏低，等待時間長。由于SMS使用的是速率很慢的信令信道，在GSM網絡中，信令信道處理很多其它任務。·GSM03.40中定義的SMS協(xié)議數(shù)據單元(PDU)固定的各種首部域，效率比較低，使SMS的適應能力不高。3.4短消息業(yè)務的現(xiàn)狀和前景 1.短消息業(yè)務的現(xiàn)狀 短消息業(yè)

54、務的廣泛發(fā)展給各地的運營上帶來了豐厚的利潤，同時它方便了人們的生活，成為我們生活中必不可少的一部分。但是它也帶來了一些負面影響，例如現(xiàn)在的一些垃圾短信經常充斥我們的手機，嚴重防礙了我們的正常生活；再如一些不明不白的收費讓很多人大傷腦筋。 2.短消息業(yè)務的前景 ·SMS的升級版EMS：Enhanced Message Service (EMS)增強消息業(yè)務是愛立信公司向ETSI/3GPP委員會提交的技術標準。大多數(shù)手機制造商支持EMS經過穩(wěn)步發(fā)展，EMS已成為3 GPP技術規(guī)范的一個完整部分。EMS和SMS的實現(xiàn)原理基本相同，也是存儲一轉發(fā)機制，使用信令信道，因此不用對基礎網絡升級。E

55、MS能夠支持格式化文本、黑白圖片、聲音、簡單的動畫等媒體。 ·SMS的下一代版本MMS：Multimedia Message Service (MMS)多媒體信息服務支持移動圖像、卡通、交互式視頻等多媒體信息，可以把文本、聲音、圖像、視頻等集成在一起，通過手機發(fā)送電子賀卡、屏保等。從2002年開始，很多手機廠家推出了支持MMS的手機，更多的運營服務商參與MMS的研發(fā)。到目前為止，MMS已有了廣泛的應用。3.5短消息業(yè)務的主要應用短消息業(yè)務的應用十分廣泛，總結如下： 1.最基本的手機用戶之間的相互交流信息的功能。 2.資訊服務。包括新聞、天氣預報、股市行情、話費查詢、火車、航班時刻查詢

56、等。 3.移動商務。移動證券交易、移動銀行、預訂車票等。 4. E-mail應用。E-mail主要信息提示和全部信息瀏覽、回復簡單的E-mail。 5.娛樂。鈴聲圖片下載、智力問答、手機游戲。 6.遠程監(jiān)控。對工業(yè)、地質、水文等數(shù)據采集和遠程控制。 7.企業(yè)服務。對企業(yè)內部信息進行交流和管理。4GPRS業(yè)務GPRS(Gerneral Packer Radio Service通用分組無線業(yè)務)是一種基于GSM的新型移動分組數(shù)據承載業(yè)務，其最高速率可達到170kb/s。GPRS允許業(yè)務用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。GPRS能夠確保分組模式數(shù)據應用的成本效益和網絡資源的有效利用。從2000年6月，摩托羅拉公司在英國推出了世界上第一個GPRS商用系統(tǒng)和第一部GPRS商用手機后，在僅僅一年多的時間里，世界上就有99家運營商投入到GPRS的運營之中。中國移動早在1999年就開始搭建GPRS實驗網。目前，中國移動GPRS網絡已經覆蓋全國二百多個省會城市和大中城市，并于2001年7月采用國際上流行的營銷方式推出商務試用，經過近一年的成熟試用，于2002年5.17世界電信日正式推出GPRS服務。4.1 GPRS的業(yè)務特性GPRS突破了現(xiàn)有GSM數(shù)據業(yè)務最高速率僅9.6kb/s的限制，數(shù)據速率最高可至170kb/s。它允許用