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基于单片机的GSM网数据传输

基于单片机的 GSM 网数据传输

目录
摘要 ........................................................................ 3 Abstract..................................................................... 3 1.绪论 ...................................................................... 4 1.1 课题眼究的背景 ------------------------------------------------------- 4 1.2 课题的确立 ----------------------------------------------------------- 4 1.3 通信方式选择 --------------------------------------------------------- 4 1.3.1 通信方式的比较 ------------------------------------------------- 4 1.3.2 通信方式的选择 ------------------------------------------------- 7 1.4 本文研究的内容和方法 ------------------------------------------------- 7 2.GSM 系统 ................................................................... 8 2.1 GSM 系统组成 --------------------------------------------------------- 8 2.1.1 交换子系统 ----------------------------------------------------- 8 2.1.2 基站子系统 ----------------------------------------------------- 9 2.1.3 操作和支持子系统 ----------------------------------------------- 9 2.2 GSM 系统提供的业务 --------------------------------------------------- 9 2.3 GSM 系统的信道 ------------------------------------------------------- 9 2.4 SIM 卡 -------------------------------------------------------------- 10 2.4.1 SIM 卡的功能 -------------------------------------------------- 10 2.4.2 SIM 卡的存储内容 ---------------------------------------------- 11 2.4.3 SIM 卡的物理结构 ---------------------------------------------- 11 3.短消息业务................................................................ 12 3.1 短消息业务的体系结构 ------------------------------------------------ 12 3.2 短消息业务的协议分层 ------------------------------------------------ 14 3.3 短消息业务的优缺点 -------------------------------------------------- 15 3.4 短消息业务的现状和前景 ---------------------------------------------- 15 3.5 短消息业务的主要应用 ------------------------------------------------ 16 4.GPRS 业务 ................................................................ 16 4.1 GPRS 的业务特性 ----------------------------------------------------- 16 4.2 GPRS 的网络结构 ----------------------------------------------------- 17 4.3 GPRS 协议模型 ------------------------------------------------------- 18 4.4 GPRS 的路由管理 ----------------------------------------------------- 19 4.5 GPRS 空中接口的信道构成 --------------------------------------------- 19 4.6 GPRS 的优缺点 ------------------------------------------------------- 20 4.7 GPRS 的应用 --------------------------------------------------------- 20 5.GSM/GPRS 模块介绍及应用方法 ............................................... 21 5.1 GSM 模块的结构和特点 ------------------------------------------------ 21 5.2 AT 指令 ------------------------------------------------------------- 22 5.3 短消息的模式与 Unicode 编码方式 -------------------------------------- 22 5.4 GSM 模块测试 -------------------------------------------------------- 25 6. 基于短消息业务的系统硬件设计 ............................................. 26 6.1 系统整体结构 -------------------------------------------------------- 26 6.2 单片机端系统串口设计 ------------------------------------------------ 26

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6.3 PC 端系统的 VB MSComm 控件介绍 --------------------------------------7. 基于短消息业务的系统软件设计 ............................................. 7.1 单片机端程序设计 ---------------------------------------------------7.1.1 单片机端主程序设计 -------------------------------------------7.1.2 重要子程序设计 -----------------------------------------------7.2 PC 机端程序设计 ----------------------------------------------------7.2.1 短消息软件的实现 ---------------------------------------------7.2.2 短消息软件的运行结果 -----------------------------------------7.3 系统抗干扰措施-----------------------------------------------------7.4 通信时延分析 -------------------------------------------------------7.4.1 短消息传输时延的定性分析 -------------------------------------7.4.2 短消息传输时延的测量和结论 -----------------------------------7.5 系统开发中的难点 ---------------------------------------------------8.基于 GPRS 的系统设计...................................................... 8.1 系统组成-----------------------------------------------------------8.2 单片机数据发送终端设计 ---------------------------------------------8.3 PC 机数据接收端设计 ------------------------------------------------8.3.1 Winsock 控件介绍 ---------------------------------------------8.3.2 Winsock 控件的使用 -------------------------------------------8.3.3 使用 UDP 协议进行通信 -----------------------------------------9.结论..................................................................... 9.1 论文的创新点-------------------------------------------------------9.2 有待进一步研究的问题 -----------------------------------------------致谢 ....................................................................... 参考文献.................................................................... 附录 ....................................................................... 1.ASCII 码对照表 -------------------------------------------------------2.本文术语-------------------------------------------------------------

27 29 29 29 30 31 32 34 35 35 35 35 36 36 36 37 39 40 41 41 42 42 43 43 43 44 44 45

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基于单片机的 GSM 网数据传输

基于单片机的 GSM 网数据传输
作者:周盛 指导师:李方洲
(温州大学(筹) 物理与电子信息学院 325027)

摘要:本文通过对现代远程通信方式的讨论,提出了利用现有 GSM 网络的短消息业务实现的远程通信的种 种优势,并将这种方式应用于本设计系统。采用先进的 GSM 通信模块和单片机互连的终端系统,通过 AT 指 令,实现了数据的发送。在 PC 机端,通过 VB 编程实现人机友好交互界面,通过连接 GSM 模块实现接收终 端发出的数据的功能。文中论述了 GSM 系统的组成结构、主要业务,重点介绍了短消息业务的特点、结构 等方面,并基于此建立了整个系统。详细介绍了系统主要硬件组成部分及其作用,给出了整个系统软件流 程图和部分子程序流程图。介绍了该技术的应用前景和推广价值。而且提出了本系统尚需解决的一些问题, 并给出了可能解决这些问题的途径和方法。但是由于利用短消息业务存在时延等问题,本文基于此还提出 了另一种基于 GPRS 的系统方案。介绍了 GPRS 的业务特点,网络结构等方面,并给出了整个系统设计。 关键词:GSM 网络 短消息 单片机 VB GPRS

The data transmission with GSM based on Microcontroller
Author: zhousheng Tutor: lifangzhou (Physical and Electronic information dapartment ,WenZhou University,325027)
Abstract:This article proposed to use the existing GSM net’s short message service to realize all sorts of superiority to long-distance correspondence through the discuss of the modern long-distance correspondence modes,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 contact 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 on. Besides, based on what have discussed above, I have established the overall system. Forthermore, I have intrduced the system’s main hardware consistent and it’s function in detail, provided the system’s software flow and some subroutines. Moreover, I introduced this technical’s applicatin prospect and 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 introduced 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 GPRS

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1.绪论
1.1 课题研究的背景 进入二一十一世纪以来,计算机网络、通信技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术 以及大规模集成电路无不飞速发展, 而其中最为引人瞩目的当是无线通信技术及无线通信网 络飞速普及和应用。 现今, 无论国外还是国内通用的、 覆盖广泛的无线网络已基本建设完成, 例如中国移动的 GSM 网可实现全国及全球漫游,使手机等无线终端设备得以快速普及,可 以说世界已经进入无线时代。而无线通信不仅仅可以传输话音信号,从本质讲,它是数据通 信技术与移动通信技术结合的产物,数据通信才是无线传输的核心内容。近年来,移动通信 的数据业务获得了迅猛发展, 其年增长率远远高于电话业务, 广阔的市场前景使得各大通信 制造业巨头们纷纷投入到移动数据业务的竞争之中。作为数字蜂窝系统的典范,GSM 系统 已在全球获得了巨大的成功,其广阔的覆盖范围和良好的漫游性、安全性,再加上各种基于 GSM 的数据传输技术的不断发展, 使得在 GSM 上进行数据通信成为在 3G(第三代移动通信 的简称)到来之前最好的一种手段。 随着 GSM 无线通信技术的不断发展和成熟,可用于实现快速、准确、独立、经济的远 程监控、读取、控制远方的调控测量仪器,例如无人值守加油站、家用电力用表、水表、煤 气表等,正在被越来越广泛应用到各种新的系统,具有非常广阔的应用前景。 在 GSM 数据业务中, 短消息业务最适合应用到数据采集点分散、 数据量较小的系统中。 短消息服务 SMS(Short Message Service)是 GSM 通信网络对用户提供的一种数据服务。 它通 过 7 号信令信道传输,具有通信灵活可靠、保密性强、初期投入费用低的优点,适用于小量 数据的实时传输。 1.2 课题的确立 针对公共无线通信技术应用和发展形势,提出了利用公用无线通信网传输数据的课题。 课题的重点是考察 GSM 网络现有数据传输方式,传输过程,以及将来其技术发展和演进, 解决数据无线远传的问题, 同时增加数据传输方面的技术储备, 便于进行其它系统的应用研 究。 本课题要求立足于现有 GSM 传输技术,在充分了解 GSM 传输机制、传输方式的基础 上,选择一种技术服务作为传输手段,同时决定在哪一层次上进行开发研究,并对技术实现 的难易程度进行分析,最终提出一套系统总体设计方案。即下位机为单片机数据发送系统、 上位机为 PC 系统的数据接收系统。本设计把 GSM 模块作为信息传递的载体,使其与单片 机和 PC 机结合起来构成的应用系统有着强大的生命力和广阔的应用空间,特别是在远程数 据传输、远程监控领域更是受到人们的关注。 1.3 通信方式选择 1.3.1 通信方式的比较 目前,在数据传输系统设计中,可供选择的通信方式较多,传统使用的有短波、超短波、有 线电话和卫星。近些年,随着通信技术的发展,全球移动通信系统 GSM 以及 GPRS 通用无线 分组业务也被用于数据传输系统中。以下对各种通信方式的优缺点进行分析。 1.PSTN 什么是 PSTN?即 Public Switched Telephone Network,意指传统的电话交换网络,是目 前全球最普及的电话网络。PSTN 进行数据通信的原理如图 1.3.1。

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图 1.3.1 PSTN 数据通信原理图

它是通过两端被称作 modem 的设备将由数据终端进入的低速数据经 PSTN,用电路交 换方式连接至别的用户终端或计算机的。在这种通信方式中,主控计算机通过调制解调器 (MODEM)拨号沟通被控终端,然后再传送数据。 PSTN 组网优点: ·适用范围广; ·传输速率高,容量大,没有无线通信中经常遇到的同频干扰问题,传输质量也较高; ·技术成熟,设备简单,价格低廉。 PSTN 组网缺点: ·传输时效不甚理想,建立通信要花费 30s 左右的时间,在系统容量较大时,时效慢的 问题相当突出。 · 如果终端电话属农话线路, 则线路质量不高, 防御自然灾害的能力低; 当线路较长时, 建设、维修费用也高。 ·PSTN 属有线通信信道,防雷避雷问题格外重要,若解决措施不得力,电话会构成引 雷设备,极易造成设备因雷击而毁坏。 ·只能实现单路数据传输,不能满足多路数据同时传输的要求。 ·传输速率上限只能达到 9600bps,不适合批量数据传输的情况。 2.超短波 超短波通信的传播机理是对流层内的视距传播与绕射传播, 由于传播距离较短, 常常需 要建设中继站进行接力。与 PSTN 组网一样,在超短波信道组建的通信网中,无论是发送 端还是接收端, 都必须配备无线调制解调器, 分别完成音频信号与数字信号之间的相互转换。 超短波组网优点: ·独立性好,完全是自建通信网; ·技术成熟,设备简单且易于配套,建设周期短; ·实时性能好。 超短波组网缺点: ·由于是自身建设的通信网,因此需要专业的维护队伍。 ·在用户拥挤的地区(多为经济发达地区) ,同频干扰比较严重。 ·山区及远距离的超短波通信需在野外高处建中继站, 雷击是一个突出问题,维护管理 极为不便,同时建设费用也比较大。 ·有些地区天线需高挂,从而造成铁塔造价过高。 ·对通信效果差的站点,需建多级中继站级联,这降低了系统的可靠性。 3.卫星信道 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站, 转发无线电波实现地球站之间相互通信的 一种方式,使用频率一般为 300 MHZ~300 GHZ。 卫星信道优点: ·信号传输质量高,通信可靠; ·覆盖面大,可进行多址通信;

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·通信频带宽; ·组网灵活机动,在卫星覆盖区域内,通信基本不受地形条件的限制。 卫星信道缺点: ·卫星终端的设备费较高; ·耗电较大; ·随着用户增加通信时延较长。 当前可供选用的卫星信道有 4 种:亚洲 2 号通信卫星信道(VSAT)、Omni TARCS 全线 通卫星信道、国际海事卫星信道( Inmarsat) 和北斗卫星信道。 4.全球移动通信系统(GSM) 采用 GSM 通信方式组建数据传输网,其工作原理与传统的组网方式大体一致,不同的 是收发信机换为 GSM 数传模块。每一次通信由下位机站发起,经过基站接力传输最后到达 中心站, 整个信息传输过程用户只需要解决好发送端和接收端两个环节, 中间的通信是由移 动运营商来解决的。 用户可以免去以往因自建通信网所带来的维护任务, 可以腾出更多的人 力和物力来做好系统其他方面的工作。 GSM 短信息平台组网优点: ·信道稳定、传输质量好,传输速率可达 9600 bps 以上。 ·系统容量较大,可传输的数据量大,一条短信息所能容纳的数据量最多可达 100 字节 以上。 ·GSM 信道无需中继,利用公网,不需自建和维护通信网,组网十分灵活。 ·GSM 系统设备体积小、重量轻、功耗低。由于不需要架设室外天线,安装方便,不 仅一次性建设投资少,而且维护管理简单,运行费用低。 GSM 短信息平台组网缺点: ·受当前 GSM 网络覆盖的限制,可能有些偏远的站点无法通信组网,因此在进行 GSM 信道设计时,必须进行测站与 GSM 基站间的电路测试(估测) ; ·短信息的接收会出现时延的现象,实施时要根据系统规模考虑设置专用服务器,再通 过 DDN 等信道完成数据转发的方案解决瓶颈问题。 另外,由于 GSM 是一个相当复杂的系统,各地的网管和电路质量也不完全一致,因此 应重视当地 GSM 情况的调研,严格遵照 GSM07. 05、GSM07. 07 协议编程;对可能发生的 意外要有应对策略,比如合理使用数据重发机制、切换至备用信道等措施。 5.GPRS 通用无线分组业务 GPRS 是 GSM 系统的无线分组交换技术, 不仅提供点对点、 而且提供广域的无限 IP 连 接, 是一项高速数据处理的技术, 方法是以 “分组” 的形式将数据传送到用户手中。 GPRS 是 作为现行 GSM 网络向第 3 代移动通信演变的过渡技术, 突出的特点是传输速率高和费用低。 GPRS 优点: ·永远在线。只要激活 GPRS 应用后,将永远保持在线,类似于一种无线专线网络; ·按量计费。只有产生通信流量时才计费,是一种面向使用的计费,计费方式更加科学 合理; ·快速登录。全新的分组服务,无需长时间的拨号建立连接过程。 GPRS 缺点: ·目前网络的覆盖率不够理想; ·因为是永远在线,对下位机站的供电要求会高一些。

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1.3.2 通信方式的选择 目前可供选择的数据传输信道较多, 其中技术比较成熟, 运用比较广泛的主要有 PSTN、 GSM、超短波、卫星 4 种。从通信网的运行维护管理角度来区分,PSTN 和 GSM 通信网 属公网,超短波和卫星通信网属专网。 当今,GSM 移动公网已经成为社会上应用最为广泛的一种通信资源,基于 GSM 网络的 短信息开发应用技术也相当成熟。 而短信息在数据传输过程中的堵塞、 时延现象, 主要出在两个环节上: 基站和短信中心, 基站由于受容量的限制, 在信息超限时会出现排队而导致延时。为此,现在移动短信中心提 供了专线接入技术来解决这个传输瓶颈。 综上所述, GSM 短信息传输数据的应用技术是可行的,并且具有广阔的前景。 卫星通信以其独立性好、通信速度快、并发能力强、保密安全性高的优点,正越来越受 欢迎, 但由于通信费比较高, 建成后系统的运行费也较高, 限制了其在数据传输方面的应用。 不过, 现在我国自拥主权的北斗卫星已经将每次的通信费降到每条数据包 0.5 元, 今后还有 更大的优惠, 因此卫星通信不再是一种高不可攀的通信方式, 在通信网设计时可以扬长避短 合理利用卫星通信。 各种信道的比较如表 1.3.2。
表 1.3.2 信道对比表 特点 PSTN 建设费用 通信费用 运行维护 防雷要求 一般 一般 运行商维护 很高 公网 GSM/GPRS 低 低 运行商维护 低 超短波 高 无 建设方维护 高 专网 卫星 高 一般 运行商维护 高

通过对上述各种通信方式的分析比较, 所以本人首选了 GSM 短信息传输作为通信方 式。 1.4 本文研究的内容和方法 本论文经过调研, 收集且分析相关技术资料, 综合考虑通信技术发展和数据传输系统特 点的基础上,提出综述性技术解决方案,为将来的系统研发做好必要的准备工作。 本课题主要包括以下几方面的内容: 1. GSM 网络的基本结构和 GPRS 业务、SMS 短消息协议和传输过程的简单介绍。 2.基于 GSM 网络数据传输系统设计方案。主要包括数据发送终端系统结构设计和原理 和 GSM MODEM 的设计。 4.数据传输系统的上下位机 GSM 通信接口部分,上下位机硬件组成及软件功能和具体 实现等。 5.基于 GPRS 技术的系统方案及实现方法。

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2.GSM 系统
2.1 GSM 系统组成 GSM 系统主要由交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、操作和支持子系统(OSS)三部分 组成。系统结构如图 2.1。

BTS:基站收发器 EIR:设备标示器 MSC:移动交换中心 AUC:鉴权中心

MS:移动台 BSS:基站子系统 VLR:访问位置寄存器 ISDN:综合数字数据业务网 图 2.1 GSM 系统结构

BSC:基站控制器 HLR:归属位置寄存器 GMSC:网关 MSC PSDN:分组交换数据网

2.1.1 交换子系统 交换子系统(NSS)由 MSC,HLR,VLR,ELR 及 AUC 组成。 1.移动交换中心 MSC (Mobile-Services Switching Centre) :MSC 是网络的核心,它完成 最基本的交换功能,即实现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。为此,它提供面向系 统其它功能实体的接口,到其它网络的接口以及与其它 MSC 互连的接口。 MSC 从 HLR, VLR, AUC 这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据, 同时 这三个数据库也会根据 MSC 最新信息进行自我更新。 MSC 为用户提供承载业务, 基本业务 与补充业务等一系列服务。 对于容量较大的通信网,一个 NSS 可以包括若干个 MSC, HLR 和 VLR,在建立固定网 用户与 GSM 移动用户之间的呼叫时,呼叫往往首先被接到入口 MSC(GMSC),再由入口 MSC 负责获取移动用户位置信息,然后进行接续。GMSC 具有与固定网和其它 NSS 实体互 通的接口。 2.访问位置寄存器 VLR:VLR 存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信息,为已经 登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR 是一个动态数据库,需要随时与有关 的 HLR 进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开其覆盖区时,用户的有关信 息将被删除。 VLR 在物理实体上总是与 MSC 一体, 这样可以尽量避免由于 MSC 与 VLR 之间频繁数 据交换所带来的接续时延。 3.归属位置寄存器(HLR):用于管理移动用户数据库。它的主要任务是存储登记归属用 户的档案、位置信息以及用户的 VLR 地址。 4.设备指示器 EIR:存储有效用户、可疑用户、禁止用户的国际移动分设备识别码,在 用户进入移动系统时进行核查。 5.鉴权中心(AUC):提供确保呼叫保密所需的鉴权和加密参数。

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2.1.2 基站子系统 BSS 由基站控制器 BSC、基站收发器 BTS 和移动台 MS 组成。其功能如下: 1.基站控制器 BSC 用以控制 BTS 包括: 无线电资源的管理、 无线电网络功能管理, BSS 的操作与维护等。 2.基站收发器 BTS:由 BSC 控制,执行固定网与移动用户间的接口功能,提供移动台 MS 和 GSM 网络间无线信令和话音、数据信息交换,并处理这些信道数字化发射的全部无 线功能。 3.移动台(MS):移动台从形式上分车载台和手持机两类。移动台硬件结构由双工器、收 信前端电路、发信功放、调制解调器、发信电路、收信电路、锁相频率合成器、信道编译码 器、控制器接口、CPU 控制中心、显示器和键盘等组成。 2.1.3 操作和支持子系统 该系统主要对整个 GSM 网络进行管理和监控。它由操作维护中心(OMC)及操作和支持 系统软件组成。可实现对 GSM 网内各种部件的功能监测、状态报告、故降诊断及分类等, 还可对 GSM 进行动态管理和调整。 2.2 GSM 系统提供的业务 GSM 是以加入窄带综合数字业务网(ISDN) ,向其用户提供 ISDN 业务为目标的,它 所支持的业务主要有三大类: 1.基本电信业务:包括电话、短消息、紧急呼叫、传真、话音信箱、智能用户电报等, 可以与 PSTN(公共电话网), ISDN 等互通。 2.数据传输业务:包括 300b/s 和 1200b/s 异频双工数据传输,1200b/s,2400b/s, 4800b/s, 9600b/s 同步双工数据传输,以及它们的分组式传输等,并与 PSTN, ISDN 和 PDS(综合布 线系统,Premises Distributed System)等互通。 3.补充业务:包括 3 方通话、会议电话、呼叫转移等。 2.3 GSM 系统的信道 GSM 系统采用的是频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)的混合多址技术,并采用跳 频方式。GSM 信道分为物理信道和逻辑信道。 1.物理信道 一个载频上的 TDMA 帧的一个时隙称为一个物理信道, 它相当于 FDMA 系统中的一个 频道,每个用户通过一系列频率的一个信道接入系统。GSM 系统每个载频上的 TDMA 帧包 括 8 个时隙,也就是 8 个物理信道。在一个 TS 中发出的信息称为一个突发脉冲序列。 2.逻辑信道 大量的信息传递与 BTS 和 MS 之间,根据传递信道的种类,GSM 系统定义不同的逻辑 信道。 逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道上。 逻辑信道可分为业务信道和控制信 道两大类。 业务信道(TCH)用于携带语音或用户数据,可分为话音业务信道和数据业务信道。 控制信道(CCH)用于传输信令或同步数据,具体分为三类。 (1)广播信道(BCH),其中包括: ·频率校正信道(FCCH ):此信道给用户传送校正 MS 频率的信息。 · 同步信道(SCH ): 此信道传送 MS 的帧同步(TDMA 帧号)和 BTS 的识别码(BSIC)的信 息。 ·广播控制信道(BCCH) :包括寻呼移动台分组、寻呼信息复帧号和 CCCH 时隙号等。

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(2)公共控制信道(CCCH),其中包括: ·寻呼信道(PCH):此信道用于寻呼 MS。 ·随机接入信道(RACH):MS 通过此信道申请分配一个 SDCCH,它可用作为对寻呼的 响应或 MS 主叫登记时的接入。 ·允许接入信道(AGCH):此信道用于为 MS 分配一个 SDCCH。 ·小区广播控制信道(CBCH):从 SDCCH 中借用时隙来传输短消息和广播信息。 3.专用控制信道(DCCH):其中包括: ·独立专用控制信道(SDCCH):用于在分配 TCH 之前呼叫建立过程中传送系统信息。 例如登记和鉴权在此信道上进行。 ·慢速随路控制信道(SACCH)与一个业务信道 TCH 或一个独立专用控制信道 SDCCH 相关, 它是一个传送连接信息的连续数据信道, 如传送移动台接收的关于服务及邻近小区的 信号强度的测试报告。 这对实现移动台参与的切换功能是必要的,它还用于 MS 的功率管理 和时间调整,是上下行、点对点(移动对移动)信道。 · 快速随路控制信道(FACCH)与一个业务信道 TCH 相关。 FACCH 的话音传输过程中如 果突然需要以比慢速随路控制信道 SACCH 所能处理高的多的速率传送信令信息,则借用 20ms 的话音(数据)突发脉冲序列来传送信令,这种情况通常在切换时使用。由于话音译码 器会重复最后的 20ms 的话音,所以这种中断是不被用户查觉的。 2.4 SIM 卡 2.4.1 SIM 卡的功能 用户识别模块(Subscriber Identity Module)是一种带微处理器的封装在塑料中的智能 IC 卡, 它是 GSM 系统中不可缺少的一个重要部分, 是用户进入 GSM 网络的登记凭证。 SIM 在 卡中,包含有用户识别信息,辅助业务信息、短消息、移动性信息和无线电资源信息等。在 GSM 系统中,通过对 SIM 卡的物理接口、逻辑接口的明确定义,来完成与移动终端的连接 和信息交换,同时在 SIM 卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。 只有插入 SIM 卡,移动终端才能接入网络。它由 CPU(8 位)、程序存储器(3-8bit )、工作存 储器(6-16bit )、数据存储器(128-256kbit )和串行通信单元五部分组成。 SIM 卡分为 3V 和 5V 两种。手机最初使用的是 5V 的 SIM 卡;1998 年后陆续使用 3V 的 SIM 卡;5V 的 SIM 卡容量小且功耗大,容量一般在 3K 左右,能存储 30 个电话号码, 3V 的 SIM 卡容量大且省电,容量为 8K,能存储 100 个电话号码及其对应的姓名文字,15 组短消息等。 SIM 卡正面图上有 20 值数码。前面 6 位(898600)是中国的代号;第 7 位是业务接入号, 在 135, 136, 137, 138, 139 中分别为 5, 6, 7, 8, 9;第 8 位是 SIM 卡的功能位,一般为 0,现在 的预付费 SIM 卡为 1; 9, 10 位是各省的编码; 11, 12 位是年号; 13 位是供应商代码; 第 第 第 第 14~19 位则是用户识别码;第 20 位是校验位。SIM 卡正面图如图 2.4.1。

图 2.4.1 SIM 卡正面图

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2.4.2 SIM 卡的存储内容 SIM 卡是 GSM 的用户资料卡,它存储着用户的个人电话资料和保密算法、密钥等,下 面就 SIM 卡中所存储的主要内容加以说明: 1.国际移动用户识别码(IMSI) IMSI 是全球统一编码的唯一能识别移动用户的号码,一般由 3 个部分组成:移动台国 家识别码+长途区号+移动用户号码,其中移动国家识别码 3 位数,我国为 460,后两项共 7-12 位数。IMSI 被存在 SIM 卡中,且 IMSI 与用户电话号码又一一对应地存储于网络的归 属用户数据库里。 当移动台用户在归属地或漫游地进入系统时, 网络系统均能首先从用户的 SIM 卡中获取用户识别码,从而识别用户归属于哪个国家,哪个电信部门,甚至哪一个移动 业务服务区。 2.用户密钥 Ki 和保密算法 A3/A8 在 SIM 卡中存储有用户的密钥和两种保密算法。用户密钥 Ki 在写卡时就已随机生成, 通常是在此时就将 Ki 用一种叫 A4 的算法进行加密,以后在进入交换机后再解密,那么连 写卡机和交换机的操作员都不会知道 Ki 的真实数据。 移动网络经营者需加入谅解备忘录组织(MOU)方可得到 SIM 的详细规范和拥有 A3/A8 算法文件的使用权,然后经营者再提供给制卡公司 A3/A8 算法文件的副本。这样制卡公司 才可以向经营者提供带 A3/A8 算法的 SIM 卡。 用户密钥与用户识别号码一一对应,它们和保密算法一起被分别存在 SIM 卡和用户鉴 别中心内。 每次用户鉴别中心对用户进行身份鉴别时, 都将产生一个随机数和用户的密钥一 起经过 A3/A8 的加密运算。然后通过无线信道核对移动台和鉴别中心的计算结果是否一致, 这样既鉴别了用户的身份,又可防止非法用户进入网络。 3.个人识别码((PIN)和 SIM 卡解锁密码(PUK) PIN 码是 SIM 卡上的个人密码,主要用来验证 SIM 卡使用者的身份是否有效。为了防 止他人擅用 SIM 卡,在移动台接通电源,将 SIM 卡插入移动台时,就会被要求输入 4-8 位 的 PIN 码,否则将不能正常通信。如果用户连续三次输入错误的 PIN 码,移动台就会提示 用户卡己被锁住,这时用户需输入 PUK 码才能解开。如果连续十次输错 PUK 码,SIM 卡就 将永久报废,无法再使用。 因此,当移动台“要求 SIM 卡 PIN”一项置为“ON”时,输入 PIN 虽然可防止 SIM 卡 的非授权使用,但要注意我国电信部门没有将 PUK 码告诉用户,如 SIM 卡被锁,一定要到 电信部门解锁,防止损坏 SIM 卡。 4.用户使用的存储空间 SIM 卡中大部分信息是经营者或制卡者所输入且不能更改。但 SIM 卡中也可存储部分 个人信息,如固定的短消息、号码簿等,用户可以用移动台的键盘来完成个人情息的存储和 读出。这就是所谓 SIM 卡中的个人存储空间。 2.4.3 SIM 卡的物理结构 SIM 卡的物理结构如图 2.4.3 所示。SIM 卡共有 8 个触点,通过这些触点与移动终端接 口,进行相互间的信息传输,并提供 SIM 卡电路工作时所需的电源。 SIM 卡各触点的定义如下: C1:Vcc 电源电压。 C2:RST 复位端。 C3:CLK 时钟,时钟速率通常由移动终端提供,SIM 卡支持 1~5MHz 时钟,它在指定 时间内运行监权过程时至少需要 13/4MHz 的时钟频率,其它情况下使用 13/8MHz 的时钟频 率。

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C4:无定义,为将来使用保留。 C5:GND 地。 C6:Vpp 编程电压。 C7:I/O 输入输出。 C8:无定义,为将来使用保留。

图 2.4.3 SIM 卡的物理结构

SIM 卡的电性能要求为使 SIM 卡能正常工作。各触点的电性能以及电源开/关时的电性 能都是有所要求的。SIM 卡开启电源期间,各触点的激活顺序为:RST 为低电平状态;Vcc 加电;I/O 处于接收状态;Vpp 加电,提供稳定的时钟信号。SIM 卡关闭电源时,各触点的 去活顺序为:RST 为低电平状态,CLK 为低电平状态,Vpp 去活;I/O 为低电平状态;Vcc 去活。电源开启时,SIM 卡有两种工作方式,即工作方式和空闲方式。在工作方式时完成与 移动终端之间的信息传输,在空闲方式时 SIM 卡将保留所有相关数据,并支持内部全休眠、 指令休眠和时钟休眠三种休眠方式。

3.短消息业务
SMS 短消息是 Short Message Service 的英文缩写, 是通过移动网络用手机接收和发送有 限长度文本信息的一种通信体制。 文本信息可以是汉字, 数字, 字母或符号以及它们的组合。 GSM 的协议规范规定,一条短消息最多可以包含 160 个英文字母的 7-bit 编码或是 70 个汉 字等 Unicode 编码。 世界上第一条短消息是在 1992 年 12 月从英国沃达丰(Vodafone)公司的 GSM 网络由电 脑发送到一部手机上的,此后几年内短消息并未得到广泛应用。直到 1988 年,欧洲的语音 业务渐趋饱和,移动数据业务市场广大,运营商开始注意到短消息市场,Sonera, Vodafone, Mannesmann 等公司大力发展短消息业务,使欧洲的短消息迅速火爆。随着手机在中国的普 及,2000 年开始,中国移动和中国联通开始开发中国的短消息市场,在中国掀起短消息的 热潮。 3.1 短消息业务的体系结构

图 3.1 短消息业务的体系结构

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SMS 体系结构如图 3.1,各部功能介绍如下: 1.短消息实体(Short Messaging Entity, SME ):它可以接收或改善短消息,位于固定电话 系统、移动基站或其他服务中心内。 2. SMS 网关(SMCGWMS 或 SMCGMSC: SMS-Gateway MSC): 接收由 SMSC 发送的短 消息,向 HLR 查询路由信息,并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 3.归属位置寄存器(Home Location Register, HLR ):用于永久存储由 SMSC 产生的管理 用户和服务记录的数据库。SMS 网关可以要求 HLR 搜索可找到的用户地址。 4.移动交换中心(Mobile Switching Center, MSC ):负责系统切换管理并控制来自或发现 其它电话或数据系统的拨叫。 5.访问位置寄存器(Visitor Location Register, VLR): 含有用户临时信息数据库。 交换中心 访问用户时需要这些信息。 6.短消息服务中心(Short Message Service Center, SMSC ): 简称短信中心。负责在基站和 SME 间中继、存储或转发短消息,移动台(MS)到 SMSC 的协议能传输来自移动台或朝向移 动台的短消息,协议名为 SMPT(Short MessageTransmission Protocol)。 短信中心实质是运行在服务器上的一个数据库应用程序,其核心进程担负着通过 7 号 信令与交换机连接并发送、 接收短消息低层编码任务, 它收到一条信息后将其放入数据库中, 同时另一个进程试图将这条信息放入发送队列进行发送, 如果成功, 这条信息将被删除以释 放数据库空间,但统计信息将保存。如果不成功,则根据设置的时间间隔重发,直到发送成 功或过了有效期为止。 短信中心的功能应符合 ETSI GSM 规范 03.40 的要求,具备如下功能: ·短消息的存储能力 ·短消息的提交和转发 ·设置短消息的优先级 ·根据有效期处理短消息 ·重复转发尝试 ·流控功能 ·路由选择功能 ·具有系统日志 ·用户核查能力 ·告警功能 ·统计功能 ·支持汉字短消息业务能力 ·支持二进制形式的短消息业务能力 ·虚拟短消息中心 ·支持长短消息

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3.2 短消息业务的协议分层

图 3.2.1 短消息协议结构

短消息协议结构如图 3.2.1 所示。由应用层来的短消息经过传输层、中继层、连接管理 子层 CM 和以下的移动管理子层 MM、无线管理子层 RR 将短消息发送到 MSC。来自应用 层的最多 140 字节的编码短消息,添加了收件人地址后被包装入 TL 传输层的协议数据单元 PDU 中(称为 TP-DATA ),然后被包装于 RL 中继层的 PDU 中(称为 RP-DATA),包括电话号 码式的 SC 服务器地址,RL 层的 PDU 本身被包装于 CP-DATA 式的 CP 连接管理子层控制 协议的 PDU 中。借助于 L2 这层的 SDCCH 或 SACCH 信道的数据帧,将短消息变成突发脉 冲(Burst)的形式发送出去。突发脉冲是 GSM 的传输单位,SACCH 和 SDCCH 都采用 4 个连 续突发脉冲为一组的编码,也即 SDCCH 和 SACCH 的原始数据由 4 个突发脉冲携带。短消 息的数据封装如图 3.2.2 所示。 发送短消息要使用 SDCCH 或 SACCH 信道,具体是哪一种,取决于业务信道 TCH 的 使用。 TCH 未分配, 当 也就是不在通话中时, 短消息占用 SDCCH 信道。 如果短消息在 SDCCH 上处理时分配了 TCH,即进行通话时,短消息传送将停止并继续在 TCH 随路的 SACCH 信 道上传送;如果短消息到达时,TCH 已分配,则短消息在随路的 SACCH 信道上传输;当 采用 TCH 的实体结束其处理时,无线资源管理(RR)子层可选择在 SACCH 上继续进行短消 息传送或将它转至 SDCCH,所以发送短消息只能在 SDCCH 或 SACCH 信道上传输。

图 3.2.2 短消息的数据封装

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L2 层的 SDCCH 一个数据帧最多只能携带 23 字节的信息,来自 CM 子层的 251 字节的 数据单元需要[251/23]=11 个数据帧来传输,每个帧由物理层的一个块传送,即四个突发脉 冲 Burst。 在物理层, 一个 TDMA 帧持续 4.615ms, 控制信道(BCCH, CCCH, SDCCH+SACCH) 安排在 51 复帧中,SDCCH 的每个块的重复周期为 51 个 TDMA 帧,因此在 SDCCH 上发送 251 字节 CP-DATA 的时间为 11 ×51 ×4.615 ms=2.6s。 L2 层的 SACCH 一个数据帧最多只能携带 21 字节信息, 因此需要[251/21]=12 个数据帧 来发送。业务信道(TCH+SACCH)安排在 26 复帧中,伴随 TCH 的 SACCH 每个块的重复周 期为 104 个 TDMA 帧,因此在 SACCH 上发送 251 字节 CPDU 的时间为 12 ×104 ×4.615 ms=5.8s。 所以被层层封装的一条 140 字节的短消息, 占用 SDCCH 信道在空中接口需要 2.6s 才能 发送完毕,而占用 SACCH 信道在空中接口则需要 5.8s 才能发送完毕。 3.3 短消息业务的优缺点 1. 短消息业务的优点 ·短消息采用存储一转发的模式,防止了短消息的丢失。短消息先发送并存储到短消 息服务中心,然后由短消息服务中心转发给接收方。如果接收方不在服务区内或是关机,则 短消息服务中心先保存该短消息,等接收方处于服务区内再转发给他。 ·短消息的收费十分低廉,这是短消息风靡的决定性因素。无论距离的远近,接收方 免费接收短消息,发送一条短消息网内收费 0.1 元,网间收费 0.15 元。并且发送一定量的短 消息运营商会给出一定的优惠政策,这对某些消费群体具有很大的吸引力。 ·短消息的升级版本 EMS 和 MMS 能够承载多种数据。它们的内容可以是文本、声音、 图像等,更大程度的满足人们交流的方式。 ·手机中的 SIM 卡可以对发送短消息进行加密,接收方的手机将信息解密,实现了传 输中的安全可靠行。 ·短消息可以与话音、数据、传真等业务同步传输。短消息使用 S7 信令传输数据分组, 是非对称业务,即使在业务信道处于高峰期时,仍然可以进行顺利通信。 2. 短消息业务的缺点 ·短消息的规范不统一。短消息运营商和开发上采用各自的专有协议,不利于短消息 市场的规范发展。为统一各种不同的接口规范,实现不同的短消息中心之间的相互操作, X.25 协议已被确定为连接不同短消息中心的公共协议。 ·每条短消息长度有限。超过 160 个字符的 SMS 则需拆分成多个消息子段传输,增加 了服务的成本,并且不利于收信者的查看。 ·短消息服务中心处理能力不够,每秒只能处理几百条短消息。特别是各个节日,像 春节、 圣诞节等, 短消息业务量急速上升, 存在着很长的延时, 严重时短消息中心发生阻塞, 服务质量下降。 ·SMS 的数据传输速率偏低,等待时间长。由于 SMS 使用的是速率很慢的信令信道, 在 GSM 网络中,信令信道处理很多其它任务。 ·GSM03.40 中定义的 SMS 协议数据单元(PDU)固定的各种首部域,效率比较低,使 SMS 的适应能力不高。 3.4 短消息业务的现状和前景 1.短消息业务的现状 短消息业务的广泛发展给各地的运营上带来了丰厚的利润,同时它方便了人们的生活, 成为我们生活中必不可少的一部分。 但是它也带来了一些负面影响, 例如现在的一些垃圾短

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信经常充斥我们的手机, 严重防碍了我们的正常生活; 再如一些不明不白的收费让很多人大 伤脑筋。 2.短消息业务的前景 ·SMS 的升级版 EMS:Enhanced Message Service (EMS)增强消息业务是爱立信公司向 ETSI/3GPP 委员会提交的技术标准。大多数手机制造商支持 EMS 经过稳步发展,EMS 已成 为 3 GPP 技术规范的一个完整部分。EMS 和 SMS 的实现原理基本相同,也是存储一转发机 制,使用信令信道,因此不用对基础网络升级。EMS 能够支持格式化文本、黑白图片、声 音、简单的动画等媒体。 ·SMS 的下一代版本 MMS:Multimedia Message Service (MMS)多媒体信息服务支持移 动图像、卡通、交互式视频等多媒体信息,可以把文本、声音、图像、视频等集成在一起, 通过手机发送电子贺卡、屏保等。从 2002 年开始,很多手机厂家推出了支持 MMS 的手机, 更多的运营服务商参与 MMS 的研发。到目前为止,MMS 已有了广泛的应用。 3.5 短消息业务的主要应用 短消息业务的应用十分广泛,总结如下: 1.最基本的手机用户之间的相互交流信息的功能。 2.资讯服务。包括新闻、天气预报、股市行情、话费查询、火车、航班时刻查询等。 3.移动商务。移动证券交易、移动银行、预订车票等。 4. E-mail 应用。E-mail 主要信息提示和全部信息浏览、回复简单的 E-mail。 5.娱乐。铃声图片下载、智力问答、手机游戏。 6.远程监控。对工业、地质、水文等数据采集和远程控制。 7.企业服务。对企业内部信息进行交流和管理。

4.GPRS 业务
GPRS(Gerneral Packer Radio Service通用分组无线业务)是一种基于GSM的新型移动分 组数据承载业务,其最高速率可达到170kb/s。GPRS允许业务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。 GPRS能够确保分组模式数据应用 的成本效益和网络资源的有效利用。 从2000年6月,摩托罗拉公司在英国推出了世界上第一个GPRS商用系统和第一部GPRS商 用手机后,在仅仅一年多的时间里,世界上就有99家运营商投入到GPRS的运营之中。中国移 动早在1999年就开始搭建GPRS实验网。 目前, 中国移动GPRS网络已经覆盖全国二百多个省会 城市和大中城市,并于2001年7月采用国际上流行的营销方式推出商务试用,经过近一年的 成熟试用,于2002年5.17世界电信日正式推出GPRS服务。 4.1 GPRS 的业务特性 GPRS突破了现有GSM数据业务最高速率仅9.6kb/s的限制,数据速率最高可至170kb/s。 它允许用户以端到端的分组传送模式发送和接收数据, 不需要使用电路交换模式下的任何网 络资源,从而可以自主运营,并且最适合突发数据的业务特性。GPRS能够提供两个MS之间或 MS与GPRS终端或外部PDN终端之间的数据传送能力。它提供两类业务: ·Point-To-Point(PTP即点到点业务); ·Point-To-Multipoint(PTM即点到多点业务)。 PIP业务有两种:面向无连接业务和面向连接业务。第一种是数据报类的业务.是为了

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支持非交互型的突发应用,它们建立在ISO 8473制定的无连接网络协议(CLNP)或RFC 791规 定的IP网络协议基础之上。 这类业务提供单个用户到单个目的用户之间的独立分组传送。 第 二种提供用户之间的逻辑联系,支持基于X.25或ISO 8348制定的面向连接网络协议(CONP) 的突发事务处理应用或交互型应用。 PTM业务支持向多个用户传送一个消息。到多个目的用户的数据传送由一个业务请求发 起。PTM业务又分为多播业务(PTM-M)和组呼业务(PTM-G)。多播即指消息发送给某个地区的 所有用户。消息中包含组识别,用以指示消息是发送给所有用户还是某个PTM组的一部分用 户。采用PTM-G,则只有被多播服务器控制的预先定义的一组用户能接收到发送的消息。 GPRS运营者通过对无线资源的动态配置, 能够灵活地提供服务。 这种依据数据业务情况 动态配置资源的方式是通过逻辑信道实现的。 运营商与用户之间可以对业务的吞吐量、延 迟和优先级3个指标进行协商,但网络的动态配置对用户是完全隐藏的。同GSM相比。GPRS 采用基于通常的按照时间方式和根据传送数据大小、 请求业务类型来收费。 这种计费方法类 似于现有的分组数据网(PDN)。 传统的GSM网,不同运营者之间的信息交换是通过No.7信令网实现的。安全性由网络接 入控制保证,不需要采用专门的安全措施。但是在GPRS内有更多的可能接入点,并且支持与 公众数据网(如Internet)的互联, 所以受外来侵入的危险也更高。 为防止非授权用户不合法 使用资源和窃听无线链路上的信息,GPRS采用和GSM中相同的基本原则,即在网络实体之间 采取鉴权、加密和防火墙而不使用别的安全协议。对临时逻辑链路的鉴权使用户更加放心。 类似GSM网,如果能提供合适的国际信令机制,就可以实现网间漫游的业务接入。漫游是通 过两个GSM网之间配置的GPRS专门网关实现的。 4.2 GPRS的网络结构 GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。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)和SGSN(Serving GSN,服务GPRS 支持节点)。 GPRS网络参考模型如图4.2所示。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, 也可以与GSM中的MSC集成在一起。

图4.2 GPRS网络结构

GSN有两种类型:一种为SGSN(ServingGSN,服务GSN),另一种为GGSN(GatewayGSN,网

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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、PSPDN和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TCP/IP或X.25网络。 另外,有的厂商提出了GR(GSMRegister,GPRS数据库)的概念。GR类似于GSM中的HLR, 是GPRS业务数据库。它可以独立存在,也可以和HLR共存,由服务器或程控交换机实现。GR 这个名称在ETSI的建议中没有专门提及。 GPRS网结构中还引入下列新的网络接口: Gn,GSN主干网接口,用于各种GSN之间。 Gb,BSS和SGSN之间的接口。 Gr,SGSN和HLR之间的接口。 Gp,不同的GSM网络之间的接口。 Gs,SGSN和MSC之间的接口。 4.3 GPRS协议模型 移动台(MS)和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图4.3所示。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层、LLC层、SNDC(Subnetwork Dependant Convergence)层和网络层。

图4.3 GPRS协议模型

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200 kHz,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200 kbit/s。考虑前向纠错码开销,则最终数据速率可 达164 kbit/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,从而生成完整的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。 BSS中的LLR层是逻辑链路传递层。这一层负责转送MS和SGSN之间的LLC帧。LLR层对于 SNDC数据单元来说是透明的,即不负责处理SNDC数据。 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LLC帧内。

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网络层的协议目前主要是Phasel阶段提供的TCP/IP和x.25协议,这些协议对于传统的 GSM网络设备(如BSS和NSS等设备)是透明的。 4.4 GPRS的路由管理 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 现在以下三个方面:移动台发送数据的路由建立,移动台接收数据的路由建立,以及移动台 处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况,如图4.4中的路径1所示。当移动台产生了一个PDU(分组数据单元), 这个PDU经过SNDC层处理,称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧,通过空中接口 送到GSM网络中移动台所处的SGSN。 SGSN把数据送到GGSN。 GGSN把收到的消息进行解装处理, 转换为可在公用数据网中传送的格式(如PSPDN的PDU), 最终送给公用数据网的用户。 为了提 高传输效率并保证数据传输的安全,可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中,一个公用数据网用户传送数据到移动台,如图4.4中的路径2所示。 首先通过标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。 数据网用户发出的数据单元(如PSPDN中的 PDU),通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动台所在的SGSN, GSN把PDU封装成SNDC数据单元,再经LLC层处理为LLC帧单元,最终经空中接口送给移动台。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。如图4.4路由3所 示。其数据必须经过归属地的GGSN,然后选到移动用户。

图4.4 GPRS的路由管理

4.5 GPRS空中接口的信道构成 GPRS空中接口的信道构成如下: PDTCH(Packet Data Traffic Channel,分组数据业务信道)。这种信道用来传送空中接 口的GPRS分组数据。 PPCH(Packet Paging Channel,分组寻呼信道),用来寻呼GPRS被叫用户。 PRACH(Packet Randem Access Channel,分组随机接入信道)。GPRS用户通过PRACH向基 站发出倍道请求。

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PAGCH(Packet Access Grant Channel,分组接入应答信道)。PAGCH是一种应答信道, 对PRACH作出应答。 PACCH(Packet Associated Control Channel,分组随路控制信道)。这种信道用来传送 实现GPRS数据业务的信令。 移动台发送数据时的空中接口信道使用过程如图4.5.1所示。移动台接收数据时的空中 接口信道使用过程如图4.5.2所示。

图 4.5.1 移动台发送数据时的信道使用过程

图4.5.2 移动台接收数据时的信道使用过程

4.6 GPRS的优缺点 GPRS 优点: ·永远在线。只要激活 GPRS 应用后,将永远保持在线,类似于一种无线专线网络; · 按量计费。 只有产生通信流量时才计费,是一种面向使用的计费,计费方式更加科学合 理; ·快速登录。全新的分组服务,无需长时间的拨号建立连接过程; ·相对其它通讯方式来说,采用 GPRS 技术可以充分利用中国移动公网资源,将极大节 约建设成本, 缩短建设周期, 整个系统的性能价格比高, 系统建设投资与建无线专网的投资 相比估计可节约 50%以上; ·数据传输速率与其它通讯技术相比最快,最高可达 171.2Kb/s,通信传输时延较小, 最长不超过 3 秒; · 通信服务质量安全可靠, 服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运营商协商确定。 GPRS 缺点: ·目前网络的覆盖率不够理想; ·因为是永远在线,对下位机站的供电要求会高一些。 4.7 GPRS的应用 GPRS的高数据速率可以实现人们使用无线PC进行移动办公的梦想。那些通过有线基于 Internet的应用,如文件传送、收/发E-mail、在WWW上冲浪等,通过GPRS都可以用无线手段 实现了。提供多媒体业务的关键是视频。近年来随着ITU-T H.263低比特率视频压缩建议的 实施, 以及硬件上压缩率高达80%的芯片的问世, 使得传送视频信息(如会议电视)成为GPRS 可提供的应用业务。 GPRS另一个重要的应用领域在交通运输的车流量和信息传送(road trait and transport information application,RTTI)。基于自动计费系统AFC的GSM/GPS(全球定位系统)已进入 测试阶段。 该系统是利用GSM的短消息业务(SMS)来交换信息。 GPRS能够更好地取代SMS。 RTTI

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的其它应用如路况与天气情况、行车路线指南、停车管理等,都可以由GPRS来提供服务。国 际铁路联盟UIC也打算采用基于GPRS的欧洲列车自动控制系统(ETCS)来代替欧洲各国现有的 互不兼容的列车控制系统。 此外,GPRS还可用在金融事务处理方面,如电子票券、资金转移等。这些应用不需要太 高的通信指标,GPRS完全可以承载这些业务。 总的来说,GPRS可能的应用范围还包括:简单的消息分发业务以及先进的检索和会议业 务。 这些业务通过在多个用户之间传送实时信息来提供多方通信, 传送特性下至对小量数据 的频繁传送,上至对小量或中量数据的不频繁传送。一般而言,消息大小在500字节以内, 但某些情况下(如文件传送),消息长度可至几千字节。

5.GSM/GPRS 模块介绍及应用方法
5.1 GSM 模块的结构和特点 随着 GSM 应用的不断推广和深化, GSM 无线技术和实现手段也在不断提高: 各种 GSM 无线终端模块的不断涌现,简化了用户端仪器的开发,同时也大大扩展了无线应用领域。 GSM 模块基于 GSM 底层协议,实现了移动台所有功能。这些模块不仅按照 GSM 移动台与 终端设备(TE)的连接规则,提供相应引脚,同时按照上层应用协议规定,提供标准 AT 指令 支持。它们大多还集成了语音信号处理和编码,以及键盘、显示、天线、声音等接口,极大 的降低了用户终端的开发难度和开发周期。现在,许多大型通信公司都生产 GSM 模块,例 如 MOTOROLA 公司的 D10/D15, SIMENS 公司的 TC35/37, WAVECOM 公司的 WISMO2B/2C 等等,支持不同等级要求的应用。本系统采用的是 CENTEL 有限公司的 PIML-900/1800 模 块。 CENTEL 有限公司的 PIML-900/1800 模块。是符合 E-GSM900/GSM1800 标准的第二代 无线双频无线模块。它的尺寸为 58×32×3.9mm,内嵌 TCP/IP 协议,带 GPRS 功能,主要为 语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。使用 3.3-4.2VDC(直接连到锂电池)电源,语 音编解码三位一体并对模块本身采取了完全的电磁屏蔽措施。适合于开发一些 GSM/GPRS 无 线应用产品,如移动电话、PDA、PCMCIA 无线 MODEM 卡、USB 无线 MODEM、无线 POS 机、 无线抄表、无线数据传输业务,无线公用电话、无线商务电话、监控、调度、车载、遥控、 远程测量、定位和导航等系统和产品,应用范围十分广泛。 1.主要功能如下: ·话音功能(GSM 状态):呼叫紧急电话;对语音进行编解码:回音消除及噪音消减(可 选择);双音多频(DTMF)。 · GSM 电路数据/传真功能:非同步数据电路,透明及非透明数据 9600bits/s,第三类 自动传真机(Class1 与 Class2)。 ·GPRS 数据传输功能:语音短信实时在线,无需命令切换。 ·短信息服务功能(GSM 或 GPRS 状态):支持中英文字及 PDU,点对点(MT/MO),小 区广播。 2.模块组成包括: ·RS-232 串连口及小型 Sub-D15 插头连接器,该两个接口可任选一种,支持用 AT 命 令作遥控 (GSM07.07 及 07.05) 串连比突率可由 300 至 115,200bits/s, , 自动比突率为 (300 至 38,400bits/s) ·通过微型-FIT4 插头连接器的电源 ·SMA 天线接口 ·滑入式 SIM 卡储存器

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5.2 AT 指令 GSM 模块通过 AT 命令与单片机通信。所有的 AT 命令(除了重复命令 A/以外)都由 AT 开头,除了发送短消息最后是以<Ctrl>+<Z>结束外,其余的都是以回车符<CR>结束的。响 应形式都是<CR><LF><response><CR><LF>。表 5.2 列出了 AT 命令的语法规则。
表 5.2 AT 命令的语法规则

测试命令 读命令 写命令 执行命令

AT+CXXX=? AT+CXXX? AT+CXXX=?<?> AT+CXXX

模块返回由相应写命令或内部处理设置的参数和值范围列表 模块返回当前设置的参数或参数值 模块返回用户定义的参数值 读取在 GSM 内部处理器的不变参数

1.常用初始化指令 (1)设置单片机和 GSM 模块的通信波特率 AT+IPR=<rate><CR>, <CR>是回车符号。 指令 正确则模块返回<CR><LF>OK<CR><LF>, <CR><LF>是回车换行符号。 参数 rate 可以是 300, 600, 1200, 2400, 4800,9600, 19200, 38400, 57600, 115200。其中 300 至 115200 表示固定波特 率的数值;当通信波特率超过 1200 时,可设为 0,表示自适应波特率,模块根据单片机的 串口数据的波特率调整本身与之相同。本设计中参数 rate 设为 0,单片机的串口的波特率为 9600b/s。 (2)设置短消息中心号码 AT+CSCA= "+8613800577500"(温州短消息中心)<CR>,设置正 确则模块返回<<CR><LF>OK<CR><LF>。短消息中心号码可能会因不同手机或不同区域而 不 同 。 如 果 读 取 短 消 息 服 务 中 心 则 使 用 命 令 AT 十 CSCA=?<CR> , 模 块 应 该 返 回 <CR><LF>+CSCA:“8613800577500" <CR><LF>。 (3)设置短消息发送格式 AT+CMGF =0<CR>,设置 0 代表 PDU 模式,指令正确则模块 返回<CR><LF>OK<CR><LF> 。 (4)保存当前的设置 AT&W。把前面设置的通信波特率、短消息中心号码和短消息发送 格式写入模块。 2.常用短消息操作指令 (1)发送短消息指令。PDU 模式中,首先发送短消息数据的长度。 AT+CMGS=<Length><CR>。等待 GSM 模块返回 ASCII 字符“>” ,则可将 PDU 数据输 入 , PDU 数 据 以 <Ctrl>+<Z> 作 为 结 束 符 , 短 消 息 发 送 成 功 , 模 块 返 回 <CR><LF>OK<CR><LF> 。 (2)设置短消息到达自动提示 AT+CNMI=1, 1, 0, 0, 1<CR>,设置正确则模块返回 <CR><LF>OK<CR><LF>。错误则返回+CMS ERROR:<err>。设置此命令可使模块在短消息 到达后向单片机发送指令<CR><LF>+CMTI:" SM ", INDEX(信息在 SIM 中的存储位 置)<CR><LF>。 (3) 读短消息指令。 模块接收到新的短消息时, 向单片机发送字符串<CR><LF>+CMTI : " SM " ,INDEX<CR><LF>。 于是读取该短消息的 AT 命令为 AT+CMGR=INDEX<CR><LF>, 则模块返回刚刚收到的 PDU 格式的短消息内容。 (4)删除短消息。由于 SIM 卡只能存储有限条短消息,为防止 SIM 卡中短消息存满 而不再接收短消息,收到一条短消息后,在进行数据分析处理后,将此消息立刻删除,删除 短消息的指令为 AT+CMGD=INDEX<CR>,删除后模块返回<CR><LF>OK<CR><LF>。 5.3 短消息的模式与 Unicode 编码方式 ETSI 制定短消息协议作为整个 GSM 标准中的一部分。该协议为在 MT(移动终端,相 当于 GSM MODEM)和 TE(终端设备, 相当于单片机或微机)之间传送短消息定义了三种接口 协议。分别为 Block Mode(阻塞模式)、Text Mode(ASCII 模式)、PDU Mode(二进制模式)。
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阻塞模式是用来封装 GSM3. 40 中定义的 SMS PDU 的二进制协议。该协议包括差错检 测,适合应用于终端间的链路受差错控制,连接不是非常可靠的情况。这种模式常见于需要 对远方设备控制的情况。 阻塞模式有着与另两种模式完全不同特性的协议, 当进入此种模式, 此状态就将一直保持下去, 直到程序主动退出阻塞模式, 退出阻塞模式以后将返回到 V.25ter 命令状态,或者在线命令状态。应用部分组合的二进制串应包含报头和短消息 PDU。 ASCII 模式是基于 AT 命令的接口协议,适用于非智能的终端和仿真器,以及一些基于 命令结构的应用软件。在 ASCII 模式,所有的 AT 命令都是以 ASCII 码的形式回答的。应用 将消息按简单文本传递到 MS 组成 TPDU。ASCII 模式提供功能比阻塞模式和 PDU 模式少。 ASCII 模式不需支持或自动传送到达消息给应用,而仅仅是通知消息到达。 PDU 模式是以 16 进制编码传输消息块的接口协议,在此模式中,短消息(包括短消息 的头部分)都是经过 16 进制编码的,也即,只有 0,1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, A, B, C, D, E, F 这些 字符是允许的。 西文字符一般是以 7 位一个字节来表示的,最多有 128 种组合方式,最常用的表示方 法是 ASCII 码。对应 ASCII 码表得到相对应的字符为可见字符。如果使用 8 个位形成一个 字节, 那么可能的组合就是 256 种, 也就是 ASCII 码表上的 256 个字符。 英文只需用到 ASCII 码的前 128 个位置就足以表达全部的字符。 用 PDU 模式收发短消息可以使用三种编码:7-bit 编码、8-bit 编码和 UCS2 编码。7-bit 编码用于发送普通的 ASCII 字符; 8-bit 编码通常用于发送数据消息, 如图片或铃声等; UCS2 编码用于发送 Unicode 字符。由于在本系统中要实现中文短消息的发送,所以选择用 UCS2 编码,即中文 Unicode 码。 Unicode 是一种统一字符编码标准,采用双字节对字符进行编码。这是 Apple 和 Xerox 公司于 1988 年建立的一个技术标准。Unicode 提供了一种简单而又一致的表示字符串的方 法。由于 Unicode 用一个 16 位的值来表示每个字符串,因此总共可以得到 65000 个字符, 这样, 它就能够对世界各国的书面文字中的所有字符进行编码, 远远超过了单字节字符集的 256 个字符的数目。这种 Unicode 的特点是所有的字符是以两个字节表示、不仅中文使用两 个字节。而且英文也使用两个字节表示。 汉字的十六进制 PDU 编码直接采用汉字的 Unicode 编码, 由于汉字的编码是十六位的, 当中英文出现在同一短消息的时候, 中文每个汉字是十六位的, 但是字母和数字是八位的编 码,这时统一采用十六位编码,也就是在八位的 ASCII 码前面补 0。61H 是“a"的 ASCII 码, 补齐十六位后的 Unicode 编码为 0061H。 在 VB 中得到一个汉字的 Unicode 编码的十六进制可以利用函数 Hex(AscW( 汉字” “ )), 比如取“电”的编码直接利用函数 Hex(AscW(“电”)),得到的 Unicode 编码为“7535 "。 解码也非常的方便利用 ChrW("&H"&"7535 "), 就可以得到所对应的汉字, 也就是汉字 “电” 。 本系统采用 PDU 模式进行收发短消息,统一使用 Unicode 的编码形式。下而举例说明 PDU 串的结构和编排方式。 例如,需要发送信息“电压 Uab=123 V”到手机 13587679298,单片机首先通过串口向 模块发送数据串 AT+CMGS=35 <CR>,然后单片机等待模块返回 ASCII 字符“>” ,然后输 入 PDU 数据 0011000D91683185679792F80008A9207535538B005500610062003D003100320 0330056IA。长度 35 不包括 PDU 数据中第一个字节 00 和 1A。对各个数据域进行分析如表 5.3.1 所列。
表 5.3.1 发送信息的 PDU 串分析

发送码 3030

数据 00

说明 模块使用 SIM 卡中已存的短消息中心号码
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3131 3030 3044 3931 36383331383536373937 39324638

11 00 0D 91 683185679792 F8

文件头字节,一般为 11 信息类型,一般为 00 被叫号码长度为 13(8613607654321) 被叫号码类型,一般设为 91 实际号码为“8613587679298” ,经过了位移处理, 将相邻的两位数字颠倒,如 86 换为 68,13 换为 31,60 换为 06 等,可将号码还原,字母 F 是指字 符串长度要减 1 协议标志,一般设为 00 编码方案,使用 Unicode 编码类型 短消息有效日期,A9 表示一天 实际短消息长度 短消息内容 “电压 Uab=123V” 如 , “电” Unicode 的 编码为“7535”“压”的 Unicode 编码为“538B” , , “U”的 Unicode 编码为“0055”等

3030 3038 4139 3230 373533353533384230 303535303036313030 363230303344303033 30303536 1A

00 08 A9 20 7535538B0 0550061006 2003D0031 0032003300 56 1A

结束符

单片机可以通过读指令 AT 十 CMGR=INDEX<CR><LF>来读取 SIM 卡指定位置的短消 息。例如读取的短消息是由手机号码为 13587679298 的用户发送的“电压 Uab=123V "。则 模块返回给单片机的 PDU 串为 0891683108507705F0240D91683185679792F8000840205160 211480207535538B0 05500610062003 D0031003200330056。 对各个数据域进行分析如表 5.3.2 所列。
表 5.3.2 接收消息的 PDU 串分析

接收码 3038 3931 3638333130383530373730354630 3234 3044 3931 3638333138353637393739324638 3030 3038 3430323035313630323131343830 3230 373533353533384230303535 303036313030363230303344 303033313030333230303333 30303536

数据 08 91 683108507705F0 24 0D 91 683185679792F8 00 08 40205160211480 20 7535538B005 50061006200 3D003100320 0330056

说明 短信服务中心所占字节数 国际格式号码(在前面加“+” ) 短信息服务中心号码 信息头字节 发送方地址信息 国际格式号码(在前面加“+” ) 发送方手机号码 协议标志,一般设为 00 编码方案,使用 Unicode 编码类型 时间戳表示 2004 年 2 月 15 日 6 点 12 分 41 秒,+8 时区 信息长度 短信息内容“电压 Uab=123V”

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5.4 GSM 模块测试 GSM 无线模块可以通过 RS232 串口和计算机连接,为了测试连接是否成功,可以通过 超级终端打开相应的端口。 此测试中使用 COM1, 端口参数设置如下: 波特率为 “9600 bps” , 数据位为“8” 。奇偶校验为“无” 。停止位为“1” 。数据流控制为“硬件” 。 当参数设置好后,进入控制界面,命令执行如下: AT OK 表明超级终端和设备连接成功,且设备能正常工作。 AT+CGMI CENTEL MODEM 返回生产厂商标识 OK AT+CGMM MULTIBAND 900E 1800 返回产品型号标识 OK AT+CGMR PIML R01.09 Feb 21 2005 15:15:51 返回版本标识 OK AT+CGSN 353098000281052 返回产品序列号 OK AT+CMOD=0 OK 设置命令模式,当前支持的命令模式只能是 0 AT+COPS? +COPS: 0,2,46000 返回当前网络的注册模式和注册的网络 OK AT+COPS=? +COPS: (2,"CHINA TELECOM","CMCC","46000"),(3,"CHN-CUGSM","CU-GSM","46001")
返回当前可得到的所有网络,结果返回总共有 2 个可得到的网络,分别是 CMCC 和 CU-GSM

OK AT+CSQ +CSQ: 31,99 返回“31”表示接收信号强度指示值为:-51dBm 或更高; “99”表示信道误码率未知 OK AT+CSMS? +CSMS: 0,1,1,1 选择短消息服务类型, “0”表示 GSM 03.40 和 03.41,后面 3 个“1”分别表示可以接收
短消息,可以发送短消息,可以接收小区广播

OK AT+CMGF=0 设置短消息输入和输出的格式, “0”表示 PDU 模式, “1”表示文本模式 OK AT+CSCA? +CSCA: "+8613800577500",145 返回短消息中心,前面为“+”是为第 2 个参数为 145,否则为 129 OK AT+CNMI=1,1,0,0,1 设置新消息指示,该设置可使模块在短消息到达后向单片机发送指令+CMTI:”SM
“,INDEX(信息在 SIM 卡中的存储位置)

OK AT+CMGR=3

读取第 3 条短消息

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+CMGR: 1,,30 0891683108507705F0240D91683159786058F30008504022016035000A523054EA91CC4E86FF1F OK AT+CMGS=28 发送一条短信到手机 13587679298 > 0011000B913185679792F80008A70E00500044005577ED4FE16D4B8BD5 +CMGS: 235 OK AT+CMGD=1 删除第一条短信 OK

6. 基于短消息业务的系统硬件设计
6.1 系统整体结构 本系统共分两个部分: 由单片机控制的 GSM 终端数据发送部分和 PC 机端数据接收部分。 系统框图如图 4.1 所示:
单片机

PC 机

RS-232 电平 转换电路

GSM 模块

GSM 模块

图 6.1 系统框图

6.2 单片机端系统串口设计 单片机端系统主要实现单片机控制 GSM 模块实现数据编码并进行短消息的发送。 本系统 所采用的单片机为 Intel 公司的芯片 89C51。 单片机要进行串行通信, 必须对串口进行设置, 其设置如下: (1)工作方式 由于 GSM 通信模块的数据接口配置为 8 位数据位、1 位停止位、无校验位,所以单片 机的串行口工作在方式 1。 (2)波特率设定 系 统 的 晶 振 为 12M , 波 特 率 为 9600b/s , 所 以 根 据 记 数 初 值 的 计 算 公 式 : X=256-fose*1/384*波特率,TH1=OFCH。 (3)连线 目前市场上可购得的 GSM 模块都具有数据引出口,并基本上都支持与 GSM 短消息相 关的 AT 控制指令(GSM-SMS-AT) ,GSM 模块通过数据口以串行方式接收指令并向外输出 数据。理论上讲,在数据口中找出 RXD、TXD 和 GND 引脚与单片机的串口对应连接即完 成了硬件接口。然而,由于本设计所用 GSM 模块为 RS232 电平,接口为 RS232 接口,不 能直接与由 5V 供电的单片机串口连接。最简单可靠的方法把单片机的信号电平也转换成标 准的 RS232 电平,就可方便连接。 RS- 232C 是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的在异步串行通信中应用最为广泛的标 准总线。 它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。 适合短距离或带调制解调器的通

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信场合。它适合于数据传输速率在 0—20000b/s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的 有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机和单片机系统中广泛采用。本 系统中 MODEM 与单片机的接口就是 RS-232。 目前较为常用的串口有 9 针串口(DB9)和 25 针串口(DB25) ,DB9 和 DB25 的常用信号 脚说明如表 6.2 所示。
表 6.2 DB9 和 DB15 常用信号脚说明表 9 针串口(DB9) 针号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 功能说明 数据载波检测 接收数据 发送数据 数据终端准备 信号地 数据设备准备好 请求发送 清除发送 振铃指示 缩写 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS DELL 针号 8 3 2 20 7 6 4 5 22 25 针串口(DB25) 功能说明 数据载波检测 接收数据 发送数据 数据终端准备 信号地 数据准备好 请求发送 清除发送 振铃指示 缩写 DCD RXD TXD DTR GND DSR RTS CTS DELL

本系统 GSM 模块采用 DB9 作为通信接口。利用 GSM 模块和单片机的通信过程测出仅仅 只有两个脚起作用,一个是 2 脚接收数据,另一个是 5 脚接地。其他的脚为无关脚,这里可 以不做考虑。RS-232 的电平为-3~-15 表示逻辑“1” ,3~15 表示逻辑“0” ,所以必须进行 电平转化。首先我们考虑的是用 MAX232 电平转化专用芯片,但实验结果得出如图 6.2 的电 路也完全可以达到电平转化的标准。

图 6.2

RS-232 电平转换电路

采用图 6.2 的电路更节省,更简单。从图中我们可以看出当 A 输入为-15V 时 B 输出为 +5V,当为+15V 时三极管就导通了,B 就为 0V 了。 6.3 PC 端系统的 VB MSComm 控件介绍 PC 机端主要需实现对单片机终端发出的数据短信的接收功能。 本系统考虑到选用的 GSM 模块带有 RS-232 接口,即可直接与 PC 机的串口相连接,无需再增设其他硬件设备,通过高 级语言编程开发人机交互软件就可实现计算机无线上网接收短信息。 本系统采用的高级语言 为 Visual Basic 6.0,在编程的过程中用到了 VB 的 MSComm 控件。 Visual Basic 6.0(以下简称 VB) 是一种功能强大、简单易学的程序设计语言。它不但保 留了原先 Basic 语言的全部功能,而且还增加了面向对象程序设计功能。它不仅可以方便快 捷地编制适用于数据处理、多媒体等方面的程序,而且利用 ActiveX 控件 MSComm 还能十 分方便地开发出使用计算机串口的计算机通信程序。 本文结合计算机通信的两个例子, 详细 介绍如何在 VB 中使用 MSComm 控件。
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1.处理方式 MSComm 控件提供了两种处理通信的方式:一种为事件驱动方式,该方式相当于一般 程序设计中的中断方式。当串口发生事件或错误时,MSComm 控件会产生 OnComm 事件, 用户程序可以捕获该事件进行相应处理。本设计采用该方式。另一种为查询方式,在用户程 序中设计定时或不定时查询 MSComm 控件的某些属性是否发生变化,从而确定相应处理。 在程序空闲时间较多时可以采用该方式。 2.常用属性和方法 利用 MSComm 控件实现计算机通信的关键是理解并正确设置 MSComm 控件众多属性 和方法。以下是 MSComm 控件的常用属性和方法: ●Commport:设置或返回串口号。 ●Settings:以字符串的形式设置或返回串口通信参数。 ●Portopen:设置或返回串口状态。 ●InputMode:设置或返回接收数据的类型。 ●Inputlen:设置或返回一次从接收缓冲区中读取字节数。 ●InBufferSize:设置或返回接收缓冲区的大小,缺省值为 1024 字节。 ●InBufferCount:设置或返回接收缓冲区中等待计算机接收的字符数。 ●Input:从接收缓冲区中读取数据并清空该缓冲区,该属性设计时无效,运行时只读。 ●OutBufferSize:设置或返回发送缓冲区的大小,缺省值为 512 字节。 ●OutBufferCount:设置或返回发送缓冲区中等待计算机发送的字符数。 ●Output:向发送缓冲区发送数据,该属性设计时无效,运行时只读。 ●Rthreshold:该属性为一阈值。当接收缓冲区中字符数达到该值时,MSComm 控件设 置 Commevent 属性为 ComEvReceive,并产生 OnComm 事件。用户可在 OnComm 事件处理 程序中进行相应处理。若 Rthreshold 属性设置为 0,则不产生 OnComm 事件。例如用户希 望接收缓冲区中达到一个字符就接收一个字符,可将 Rthreshold 设置为 1。这样接收缓冲区 中接收到一个字符,就产生一次 OnComm 事件。 ●Sthreshold:该属性亦为一阈值。当发送缓冲区中字符数小于该值时,MSComm 控件 设置 Commevent 属性为 ComEvSend,并产生 OnComm 事件。若 Sthreshold 属性设置为 0, 则不产生 OnComm 事件。要特别注意的是仅当发送缓冲区中字符数小于该值的瞬间才产生 OnComm 事件,其后就不再产生 OnComm 事件。例如 Sthreshold 设置为 3,仅当发送缓冲 区中字符数从 3 降为 2 时,MSComm 控件设置 Commevent 属性为 ComEvSend,同时产生 OnComm 事件,如发送缓冲区中字符始终为 2,则不会再产生 OnComm 事件。这就避免了 发送缓冲区中数据未发送完就反复发生 OnComm 事件。 ●CommEvent:这是一个非常重要的属性。该属性设计时无效,运行时只读。一旦串口 发生通信事件或产生错误, 依据产生的事件和错误, MSComm 控件为 CommEvent 属性赋不 同的代码,同时产生 OnComm 事件。用户程序就可在 OnComm 事件处理程序中针对不同的 代码,进行相应的处理。CommEvent 属性的代码、常数及含义参见表 6.3.1 及表 6.3.2。
表 6.3.1 CommEvent 通信事件 代码 常数 1 ComEvReceive 含义 接受到 Rthreshold 个字符。该事件将持续产生,直到用 Input 属性从接受缓冲区中读 取并删除字符。 发送缓冲区中数据少于 Sthreshold 个,说明串口已经发送了一些数据,程序可以用 Output 属性继续发送数据。 Clear To Send 信号线状态发生变化。 - 28 -

2 3

ComEvSend ComEvCTS

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4 5 6 7

ComEvDSR ComEvCD ComEvRing ComEvEOF

Data Set Ready 信号线状态从 1 变到 0。 Carrier Detect 信号线状态发生变化。 检测到振铃信号。 接受到文件结束符。 表 6.3.2 CommEvent 通信错误

代码 1001 1002 1003 1004 1006 1007 1008 1009 1010 1011

常数 ComEvntBreak ComEvntCTSTO ComEvntDSRTO ComEvntFrame ComEvntOverrun ComEvntCDTO ComEvntRxOver ComEvntRxParity ComEvntTxFull ComEvntDCB

含义 接受到一个中断信号。 Clear To Send 信号超时。 Data Set Ready 信号超时。 帧错误。 串口超速。 载波检测超时。 接受缓冲区溢出,缓冲区中已没有空间。 奇偶校验错。 发送缓冲区溢出,缓冲区中已没有空间。 检索串口的设备控制块时发生错

7. 基于短消息业务的系统软件设计
7.1 单片机端程序设计 单片机系统除了必要的硬件支持外, 还需要进行软件设计。 由于使用的单片机是 89C51, 所以单片机端的软件程序是用汇编语言编写的。 单片机与手机的软件接口其实就是单片机通 过与 GSM 短消息有关的 AT 指令控制 GSM 模块的控制技术,主要是发送短消息。然而, 执行一条指令,也并非如某些资料中介绍得那么简单。事实上,指令的执行过程需要单片机 与 GSM 模块交互应答完成,每一次发送或接收的字节数都有严格的规定,二者必须依据这 些规定实现数据交换,否则,通信就是失败的。 对几个问题说明如下: 1.所有 AT 指令的指令符号、常数、PDU 数据包等都是以 ASCII 编码形式传送的,比如 “A”的 ASCII 编码为 41H, “T”的 ASCII 编码为 54H,数字“0”的 ASCII 编码为 30H 等, 具体详细的 ASCII 编码对照表见附录。 2.单片机控制 GSM 模块工作,必须把手机的短信息工作模式设置为 PDU 格式,即通过 指令 AT+CMGF=0 完成。 3.单片机向手机发送每一条指令后,必须以回车符作为该条指令的结束,回车的 ASCII 编码为 0DH。 例如, 单片机向手机发送 “AT+CMGF=0” 这条指令, ASCII 编码序列为 其 “41H, 54H,2BH,42H,4DH,47H,46H,3DH,30H,30H,0DH” ,最后一个字节 0DH 就是回 车符,表示该条指令结束,如果没有这个回车符,GSM 模块将不识别这条指令。 7.1.1 单片机端主程序设计 主程序是对单片机端系统框架的描述。 本系统的主程序的功能是上电后, 完成系统的初 始化,然后将数据形成短信发送到 GSM 网。主程序的流程图如图 7.1.1 所示。

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开始

调用单片机初 始化子程序

发送指令 AT 进行入网检测

调用延时 300ms 子程序 N

返回”OK”成功吗? Y 调 用 发送 短 消息子程序

结束
图 7.1.1 主程序流程图

7.1.2 重要子程序设计 1.系统初始化子程序 系统初始化子程序主要完成单片机本身和外围器件以及 GSM 模块的初始化工作,流程 图如图 7.1.2 所示。

开始

配置串口波特率,启动串口

初始化数据存储器单元

返回
图 7.1.2 初始化子程序流图

2.软件延时子程序 单片机系统常常会用到延时程序, 一般我们通过设置定时器 0 来实现。 在定时器 0 的功 能中,寄存器 TL0 每个机器周期加 1,所以可以认为它在计算机器周期。一个机器周期由 12 个振荡周期组成,所以计数率为振荡器频率的 1/120 当 TH0 和 TL0 的值均为 FFH 时,定 时器。溢出并产生中断,我们利用这个中断作为系统的软件时钟。本系统采用 12M 的晶振, 所 以 一 个 机 器 周 期 为 12/(12M/S)=1us , 预 置 TH0=3CH,TL0=B7H , 而 FFFFH-3CB7H=C348H=50000,得 50000*1us=50ms,即每 50ms 中断一次。这样就很容易得 到延时 300ms 的子程序,流程图如图 7.1.3 所示。

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开始

50ms 计数器清零

50ms 计数器加 1 N 50ms 计数器=6? Y 返回
图 7.1.3 延时 300ms 子程序

3. 发送短消息子程序 发送短消息子程序是整个单片机程序中的核心部分。 初始短信息已经经过编码存放在了 存储器中,所以当需要发送时,可从存储器中直接提取出来,以 ASCII 码的形式进行发送。 流程图如图 7.1.4 所示。 开始

发 AT+CMGS=<length>

延时 300ms N

返回”>”了吗? Y 延时 300ms

发 数 据 的 Unicode 编码

发”1A”结束符 N 返回”OK”了吗? Y 结束
图 7.1.4 发送短消息子程序

7.2 PC 机端程序设计 现在,短消息收发软件得到越发广泛的应用,从政府机关、学校到广大的传媒机构,直 至诸多的企事业单位,颇受使用者欢迎。首先,手机用户的普及为这类软件的出现提供了可

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能,而使用这类软件,与人们传统惯用的打电话、发电子邮件等通讯方式相比,有独到的优 点,它能将信息及时送达对方,不会像查收信件(或电邮)存在时间上的延误,也不存在类似 于打电话占线或无人接听之类的烦恼;短消息收发软件可以实现消息收发双方的实时交互, 用它还可以实现消息的群体发送或定时发送等。 7.2.1 短消息软件的实现 1. 短消息收发的实现模式 目前,计算机串口上连接 GSM MODEM,用它向 GSM 模块发送短消息,是比较适合 于小型项目开发的一种实现模式。这种方法要求对 AT 指令集和串口编程比较熟悉。 2. 短消息发送和接受的功能实现 打开 VB6.0,从工程菜单的部件选项中添加 Microsoft Comm Control 6.0 控件到工具栏, 在窗体里添加 COMM 控件,点右健进行属性设置:在“通用”选项选择可用的端日,设置 属性参数;在“缓冲”选项设置输入输出缓冲值,设置 R 阀值(设为 1)和 S 阀值(设为 0);在 “硬件”选项选中 RTS 有效。初始化: MSComml.Commport = 1 ?选择串口 COM 1 MSComm1.Settings=”9600,N,8,1” ?9600 波特,无奇偶校验,8 位数据,一个停止位 MSComml.InputLen = 0 ?读入整个缓冲区 3. 发送消息的程序实现 前面已经对发送 PDU 串的编制进行了分析,对于编好的 PDU 串,就可利用 COMM 控 件,通过相应的 AT 指令来实现短消息的发送。用来实现消息发送的 AT 指令是:AT+CMGS。 以前面用的发送 PDU 串为例,即发送内容为“电压 Uab=123 V” ,接受方手机号为 1358767 9298;需要说明的是,在此省去了对 SMSC 地址格式和 SMSC 地址这两个分段的编写,采用 了 SIM 卡设置的 SMSC 地址。即发送的 PDU 串为:11000D91683185679792F80008A920753 5538B005500610062003D00310032003300561A。 具体程序如下: If MSCommI.PortOpen=False Then MSCommI.PortOpen = True '确认打开串口 MSComm1.Output="AT+CMGF=0"+vbCr'以 PDU 模式发送短信 TimeDelay‘延时处理 MSCommI.Output="AT+CMGS=”&Str (15+length)+vbCr TimeDelay MSComm1.Output="0011000D91683185679792F80008A9207535538B005500610062 003D00310032003300561A " MSComm1.Output=Chr$(26) TimeDelay buf = MSComm1.Input 'buf 是自定义的一个 string 型的变量 If InStr(buf, "OK") Then?若发送成功 MsgBox”发送成功!", vbInformation,"系统消息" Else If InStr(buf, "ERROR") Then '若发送失败 MsgBox”发送失败!", vbInformation,"系统消息" End if 在程序语句:SComml.0utput = "AT+CMGS="&Str(15 + length) + vbCr 中,15 表示所发 送的 PDU 串中 11000D91683185679792F80008A920 的位数,而 length 的取值(此例中为 20) 为 7535538B005500610062003D0031003200330056 的位数。 程序中的 TimeDelay 是本人自定义的用来处理延时操作的函数,因为在连续的两个 AT

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指令之间需要设置一定的间隔时间(设为了 1 秒),为每一条发送的指令提供响应时间。 4. 接收消息的程序实现 先介绍几个相关的 AT 指令,(1)AT+CPMS,优先信息存储。该命令用来指定读写信息 的存储区域。在这里设置 AT+CPMS="SM","SM","SM"。使收到的短消息存储在 GSM 模块 中的 SIM 卡上,不是存储在模块木身的内存中。(2)AT+CNMI,新信息指示,可用于设定当 有某类短消息到达时,如何处置它。在此不对它的详细指令语法多做介绍了,这里设置为 AT+CNMI=3,1,这样,当收到一条新消息时,系统就会收到一个提示信息,格式如:+CMTI: "SM",1。(3)AT&W,用来保存所做的设置。 在保存了上述设置后,当软件收到新消息到达的提示信息时(假定是:+CMTI: "SM",1。 说明它存在了 SIM 卡上,并且序号为 1),可以发送 AT+CMGR 指令,用它来读取该指定位 置的消息。我们仍用前面进行接收 PDU 串分析时使用的 PDU 串为例,程序实现如下: If MSCommLPortOpen=False Then MSCommLPortOpen=True MSComm I.InBufferCount=0 MSCommI.Output="AT+CMGR=1"+vbCr TimeDelay 同时设置 COMM 控件的 OnComm 事件: Private Sub MSComm1_ OnComm() Dim buf As Variant Select Case MSComm1CommEvent Case comEvReceive MSComm1InputMode=comInputModeText Do buf=buf&MSCommLInput Loop Until InStr(buf,"OK"&vbCrLf) Case Else End Select End Sub 这时, COMM 控件读取回的全部内容存放在变量 buf 中, 此例中 buf 值为:+CMGR:1,,22 0891683108507705F0240D91683185679792F800085050323135302323207535538B005500 610062003D0031003200330056 OK 有时候可能并不知道新消息在 SIM 卡上的实际存储位置的序号,或新消息可能不正一 条,这时可以用 AT+CMGL 指令来读取。它用来同时列出 SIM 卡上的信息:AT+CMGL=0, 用来列出 SIM 卡上所有未读取的新消息;AT+CMGL=4,列出 SIM 卡上的所有消息。程序实 现如下: If MSComm1.PortOpen=False Then MSComm1.PortOpen=True MSComm1.InBufferCount=0 MSComm1.Output="AT+CMGL=0"+vbCr TimeDelay 同样要设置 OnComm 事件,这时 buf 为:+CMGL: 1,0,22 0891683108507705F0240D91683185679792F800085050323135302323207535538B005500 610062003D0031003200330056 OK 因为此时 SIM 卡上只有一条新消息,所以 buf 只列出了一条,若同时有多条,将会全

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部列出。 这时,我们可以取其中的接收 PDU 串: 0891683108507705F0240D91683185679792F800085050323135302323207535538B005500 610062003D0031003200330056 进行解码分析,获得消息内容。具体分析前面已经做了详细 介绍,在此就不再累赘了。 7.2.2 短消息软件的运行结果 运行程序结果如图 7.2.2,7.2.3 所示:

图 7.2.2 运行结果 1

单击“连接”后弹出对话框:

。写入短信内容后单击“发送”弹出对话

框:

。单击“断开”弹出对话框:

。除了收发短信外,该软件

还能读出 SIM 卡中的短信内容,如图 7.2.3 所示:

图 7.2.3

运行结果 2

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7.3 系统抗干扰措施 抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分, 没有良好的抗干扰措施, 系统就无 法安全可靠的工作。 当然, 我们只能通过系统软件、 硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响, 而不可能完全消除干扰。本系统在抗干扰方面考虑了如下的问题。 ·电源去耦,在电源线和地线之间并联 47uF 和 0.1uF 两个去耦电容,并联大电容为了 去除低频干扰,并联小电容为了去除高频干扰。 ·加宽地线和电源线,加宽后的地线和电源线是信号线的 7 倍。 ·所有芯片可靠接地,并且接地线构成环路。 ·手工布置元件和布线,连线尽可能短。 ·设有看门狗电路,防止程序跑飞。 7.4 通信时延分析 7.4.1 短消息传输时延的定性分析 任何网络都存在时延, 以短消息为载体、 利用 GSM 无线数传不可避免会遇到同样问题。 以两个 MS 之间发送接收短消息为例, 发送方要发送短消息,首先按照协议结构将用户数据 自顶向下依次封装,然后通过信令信道发送给 MSC,通过 PLMN 路由给 SC,完成 SM-MO 业务。SMS-SUBMIT 在 SC 解封装,再封装成 SMS-DELIVER. SMS-DELIVER 通过 PLMN 路由给 MSC, 发送给接收方 MS, 短消息在 MS 解封装提交给用户或应用程序, 完成 SM-MT 业务。 在这一过程中, 每一环节都需要处理时间, 称收发一条短消息的时间间隔为传输时延。 短消息业务通过 GSM 网络的信令信道来传送,因此,即使 MS 已经处于通话状态,还 能同时发送或接收短消息。当 MS 处于正常状态时,收发短消息使用 SDCCH 信道,用户忙 时使用 SACCH 信道,后者比前者需要更多时间发送完或接收下一条完整的短消息。此外, GSM 网络或 SC 拥塞无疑会导致更大的时延。 使用单片机系统进行发送短消息, 受系统速度和串口波特率的影响, 数据的打包和数据 从存储器传送到 GSM MODEM 也要有一定传输时延,此时延相对前者网络时延来讲,相对 比较固定,且比较小,通常和上位机一样可以忽略不记。 7.4.2 短消息传输时延的测量和结论 为做到对数据传输时延有清楚的认识, 可以通过试验方法进行大概的测量, 基本测试方 案如下:分别对网络忙时时间段和闲时时间段、采用不同发送时间间隔传输、采用不同长度 的数据包传输,三种情况进行对比试验,分别得出如下结论: 1.不同时间段对 SM 传输时延的影响: 选取忙时时间段 9: 00, 16: 00 和闲时时间段 12: 20: 00, 22:00, 5s 的时间间隔连续 00, 以 发送短消息,短消息数据部分只携带 6 个字节的时间值。太大的传输时延被认为是坏数,进 行数据统计时予以剔除。对有效数据进行分析可知:①传输时延主要集中在 5s 和 6s,但忙 时 6s 居多,闲时 5s 居多②闲时时延 4s 所占百分比远远超出忙时。 得出结论:网络闲时通信效果要好于忙时,因此系统查询可设在网络闲时进行。 2.不同发送时间间隔对 SM 传输时延的影响 选取 9: 00 时间段,分别以 5s, 10s, 30s 时间间隔连续发送,SM 数据部分只携带 6 个字 节的时间值。5s 测试过程中有时(一般是在白天忙时)会出现一种异常现象:在一个测试周期 之初,传输时延为 4s-6s,这是正常的,在 SM 的发送数量超过五六十条之后,所有后续 SM 的传输时延很大,长达 10 分钟乃至更长。当延长发送时间间隔至 10s, 30s 时,这种现象就 会消失。 得出结论为:传输密度越小(时间间隔越大)越有利于传送,这符合客观实际。

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3.不同数据长度对 SM 传输时延的影响 测试选取 SM 数据长度为 70 个字节和满负荷 140 个字节的两种典型情况。测试过程中 发现,在一个测试周期内,发送模块以 5s 间隔连续发送几条 SM 之后,SC 因无法及时处理 如此快的数据流而返回错误信息,导致测试中断,当延长发送时间间隔设为 l0s 时,一切进 行顺利。显然,随着 SM 数据部分长度的增加,传输时延变长。 综上所述, 我们可以认为以 30s 时间间隔发送满负荷用户数据可以得到比较满意的传输 效果,如果非满负荷数据则可在更短的时间间隔内连续发送数据。 7.5 系统开发中的难点 项目开发中的难点主要集中在软件上。 我们可以通过调试软件很清楚的了解单片机内部 的工作情况,而对于 GSM 模块的状态,我们只能通过单片机向它发送 AT 指令,等待它返 回的响应。再根据响应值,判断软件的正确性。响应值如有错,则需要分析原因,它往往和 GSM 模块当时的状态以及 GSM 网络本身的状态有关,所以错误类型并不唯一,种类很多。 有时单片机甚至收不到模块返回的响应,这给调试带来很大的麻烦。所有 AT 指令的响应要 通过大量的实验才能掌握。 在这里我总结的经验是,延时对模块的响应至关重要,许多令人头痛的问题都是通过 调整延时而得到解决的。

8.基于 GPRS 的系统设计
由第四部分对 GPRS 业务的介绍可知, GPRS 业务传输数据具有实时性好、 费用低的优势, 可以很容易地和其他带有 GPRS 接入能力的设备进行连接和通信,数据可以通过 GPRS 网络发 送到任何在 GSM 公网覆盖范围内的远端服务器或类似的终端中。由此可见,GPRS 服务为远 程的无线数据传输提供了一条新的有效途径。 目前国内外都非常重视这方面的研究, 但至今 为止还未见到利用 GPRS 网络实现数据传输的成果的报道。在本设计系统中,由于各方面原 因,本人未能实现这个系统,在此只对方案做部分介绍。 8.1 系统组成 基于 GPRS 的数据传输系统主要由三大部分组成:数据发送终端(包括单片机、GPRS Modem)、GPRS 通信部分(包括 MSC 基站控制器、SGSN 业务支持节点、GGSN 网关支持节点)、 数据接收端(包括网关、PC 机等)。在以 GPRS 通信网承载的 IP 数据报形式传输数据时,数 据发送终端和 GPRS 网关支持节点(GGSN)之间利用 GPRS 网络无线传输;在 GGSN 和数据接收 端之间采用有线(Internet)传输。系统框图如图 8.1 所示。
单片机

RS-232 电平 转换电路 SGSN 节点
GPRS 骨干网

PC 机 GGSN Internet

GSM 模块

BSS
图 8.1 基于 GPRS 的系统框图

由于 GPRS 网络工作方式是以 IP 地址导址为基础的,所以数据接收 PC 机端并非接入单

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片机与终端设备 GPRS Modem 进行连接,只需要简单接入 Internet,并具备公网分配的 IP 地址即可。同时,因为 GPRS Modem 本身由网络提供商动态地分配 IP 地址,在未进入连接待 机状态时,其本身是不具备 IP 地址的(在连接中,模块的 IP 地址为移动骨干网内局域网 IP,无法被公网服务器解析,动态分配的制度使获取 IP 地址无意义) 。因此在数据接收 PC 机端与接收终端尚未建立连接前,接收端难以(可将短信转换为命令内容)对发送终端设备 及单片机进行控制。必须先将单片机进行相应初始化,并由 GPRS Modem 主动向接收端服务 器发送数据,进行连接。 8.2 单片机数据发送终端设计 数据发送终端必须具备以下基本功能:自动登录 GPRS 网络;自动检查在线状态并在掉 线时自动重拨; 自动向数据中心注册动态 IP 地址和 SIM 卡的 IMSI 号; 使用固定的端口进行 UDP 包传输。 当数据发送终端进入或者切换到一个 GPRS 网络时,终端首先进行附着(Attach),使得 网络知道终端的出现,这样就可以通过 GPRS 网络接收信息。接着终端可以进行 PDP 报文激 活,这是终端发送 GPRS 数据报文之前必需完成的。至此,终端就可以与 GPRS 网络交互数据 了。GPRS 终端有空闲(Idle)、就绪(Ready)、待命(Standby)三种状态。相比传统 GSM 业务, GPRS 终端能始终保持在线状态,当收到来自上层应用程序的数据时,能够立即启动分组传 送。

图 8.2 发送终端状态转换模型

用户使用 GPRS 数据业务以 PDP 报文为单位,定义了数据传输过程中的用户端地址、服 务接入点、 服务质量等重要参数。 可以由 GPRS 终端发起 PDP 报文激活过程, 通过 SGSN、 GGSN 接入外部数据网,实现 IP 分组的传送。发送终端状态转换模型如图 8.2 所示: 由于数据终端用单片机实现,所以必须从底层的串口通信开始逐步实现 GPRS 网络的登 录过程和数据包的打包解包过程。编程工作量相对较人,而且要求熟悉 PPP 协议。数据发送 终端的通信步骤(如图 8.2 所示)大致如下:

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图 8.2

数据发送终端拨号程序流程图

①数据发送终端提供 RS-232 串口与 GPRS Modem 相连。只使用 DB9 中的 RX、TX 和 GND 三条线。最好通过数据终端的输出继电器控制 GPRS Modem 的电源,以便对 Modem 进行开关 控制。 ②配置 GPRS Modem 参数。由于通用的 GPRS Modem 兼容并扩展了 Hayes 的 AT 指令集, 所以我们可以通过 AT 命令来控制 Modem。首先向串口发送“+++”至 GPRS Modem,使其进入 命令状态,然后发送“ATH”,挂断 Modem。在挂断的状态下,再发送“ATEOVOVOQO”,并 等候 Modem 应答。在配置参数字字符串中,“E0”表示不在屏幕上回显指令,“VO”表示返 同数字结果码,“QO”表示要求 Modem 回送结果码。此时,如果 Modem 返回“30 OD”的数 字结果码则表示配置参数成功。 ③发送额外初始化命令:AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”。事实上,数据发送终端 采用“CMNET”的 APN 接入点名,将会登录移动梦网,并分配到一个随机的动态 IP。此时, 如果 Modem 返回“30 OD”的数字结果码,则表示初始化成功。 ④拨号。 Modem 发送“ATDT*99***1#”, 向 并等候 Modem 应答。 Modem 返回“31 OD” 若 的数字结果码,则表示成功地接通 GPRS 网络。一般来说,拨号时间在 2-3 秒左右。 ⑤网络协商。由于移动梦网的 GGSN 与 Modem 通信时遵循 PPP 协议,Modem 在拨号后首 先要与 GGSN 进行通信链路的协商, 即协商点到点的各种链路参数配置。 协商过程遵循 LCP(链 路 控 制 协 议 Link Control Protoco1) 、 PAP( 口 令认 证 协 议 Password Authentication Protoco1)、CHAP(质询握手认证协议 Challenge Handshake Authentication Protoco1)和

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IPCP(互联网协议控制协议 Internet Protocol Control Protocol)等协议。这是一个相对 复杂的协商过程。下面详细说明: A.链路建立阶段。此阶段涉及 LCP 协议。LCP 用于交换配置信息包,协商数据帧格式。 一旦一个同意请求信息包被发送且被接收,就完成了交换,进入了 LCP 开启状态。在实际应 用中,LCP 协商分两种情况:一、Modem 端先发送 LCP 协商请求,服务器端响应请求并发送 应答帧;二、服务器端先发送 LCP 协商请求,此时它的数据帧中会多出一项数据内容,请求 使用 CHAP 协议进行认证。如果 Modem 端已实现了 MD5 算法,可以生成 128 位的消息摘要的 话, 即可发送同意请求的应答帧。 否则必须发送数据帧告知服务器端只能使用 PAP 协议进行 认证。最后,当服务器端发回同意请求的应答帧时,表示链路建立成功。 B.认证阶段。此阶段涉及 PAP 协议或者 CHAP 协议。PAP 协议为连接提供了基本的安全 认证。但是它的用户名和密码是以明文发送的。这可能会被黑客截获而危及网络安全。CHAP 比 PAP 要安全得多, 它通过从 MD5 算法导出的、 只对当前事务有效的散列值来防止回放攻击。 当使用 PAP 协议时,Modem 端发送带有用户名和密码(可以设置为空)的认证请求数据帧,收 到服务器的应答帧时,表示认证成功。当使用 CHAP 协议时,服务器端使用三次握手的方法 周期性地检验 Modem 端的访问身份。服务器端先向 Modem 发送“挑战”信息,Modem 端接到 “挑战”信息后, 用指定的算法计算出应答信息并发送给服务器端, 服务器端比较应答信息 是否正确从而判断验证的过程是否成功,并发送认证成功或失败的数据帧。 C.网络层协议阶段。此阶段涉及 IPCP 协议。IPCP 协议主要是协商 Modem 端和数据接 收 PC 机端的 IP 地址以及 DNS, 双方的网络参数都要获得对方的确认。 此阶段分为两个部分, 首先是 Modem 端的 IPCP 协商。Modem 端开始协商时,由于尚未获取动态 IP 地址和 DNS,必 须先向数据接收端发送 IP 地址和 DNS 全为零的请求数据帧。数据接收端接收到之后,发回 带有动态 IP 和 DNS 的应答数据帧。Modem 端接收后将其存人数据终端的配置地址域,再发 送配置后的数据帧, 若收到数据接收端的应答帧则表示协商成功。 其次是数据接收端的 IPCP 协商, 路由器端将本身的 IP 地址发给 Modem 端, 若收到 Modem 端的应答帧则表示协商成功。 ⑥传输数据。在网络协商之后,即可开始传送数据。GPRS 网络支持 TCP/IP 协议,所以 我们能够通过收发 IP 数据包来传送数据。TCP/IP 传输层有 TCP(传输控制协议 Transfer Contro1 Protoco1)协议和 UDP(用户数据报协议 User Datagram Protoco1)协议可供选择。 一般选择 UDP,因为 UDP 省略了 TCP 所必须有的建立连接、保持连接和断开连接等过程。节 省了时间和数据流量,更符合小流量突发数据传送的要求。但必须指出的是,UDP 是不安全 的、面向无连接的协议。转发数据接收端在 UDP 数据包出错或数据接收端缓冲区溢出时,都 会将其丢弃而没有通知通信双方, 这可能导致重要信息的丢失。 因此我们在数据接收端和数 据发送终端都必须设计重发机制。 这里简单叙述一下数据发送终端发送数据的流程: 准备好 发送的数据->放入 UDP 数据段->生成 UDP 长度和校验和->放入 IP 数据段->生成 IP 数据段总 长度->放入 PPP 数据段->计算生成 PPP 数据帧->发送。 8.3 PC 机数据接收端设计 PC 机端数据接收部分主要应用 VB 的一个 Winsock 控件来实现接收发送的数据。利用 WinSock 控件可以与远程计算机建立连接,并通过 UDP 或者 TCP 协议进行数据交换。这两种 协议都可以用来创建客户与服务器应用程序。 使用时,只需在接收窗体中插入一个 Winsock 控件,将 Protocol 属性设定为使用的协 议(TCP 或 UDP) ,设置远程(单片机端)IP 地址和端口,调用 Bind 方法,即可建立双方的 连接。当单片机端发送数据时,将触发 Winsock 控件的 DataArrival 事件,在事件处理程序 中读取 GetData 属性的内容,即可获得远端发来的数据。

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8.3.1 Winsock 控件介绍 Winsock 控件是 VB6.0 中关于网络编程的一个重要控件,它建立更为低层的连接,制作 的应用程序灵活性更大,但使用时对编程人员的要求也更高一些。尽管如此,使用 Winsock 控件编程还是较简单,快捷,安全。 利用 Winsock 控件可以与远程建立连接,并通过用户数据报协议(UDP)或者传输控制 协议(TCP)进行数据交换。这两种协议都可以用来创建应用程序,而且制作过程简单。 与 Timer 控件类似,Winsock 控件只在设计时可见,在运行时是不可见的。 1. Winsock 控件常用属性 ·Protocol 属性 设置或返回 Winsock 控件当前的协议类型,或者是 TCP,或者是 UDP。 ·RemotoHost 属性 设置或返回 Winsock 控件所指向的远程主机地址。 它的取值可以是计算机系统名或对应 的 IP 地址,如 www.tsinghua,edu,cn 或者“133.33.100.5” 。 ·RemotePort 属性 设置或返回远程主机上相应应用程序的端口号。 某些特定的协议对应相应的端口号。 如 HTTP 协议对应端口 80,FTP 协议对应端口号 21。 ·LocalPort 属性 返回或者设置所用到的本地端口。在设计时是可读写的,而且是可用的。如果应用程序 不需要特定端口,则指定0为端口号。在这种情况下,控件将选择一个随即端口。在建立连 接之后,这就是用于 TCP 连接的本地端口。 ·State 属性 返回控件的状态,用枚举类型来表示。 这些状态主要包括 sckClosed(0,关闭)、 sckOpen(1,打开)、sckListening(2,侦听)等共计9种状态。该属性在设计时是只读的,而 且是不可用的。 2. Winsock 控件常用方法 ·Linsten 方法 该方法用于服务器方,创建套接字并将其设置为侦听模式。该方法仅适用于 TCP 连接。 ·Accept 方法 仅 适 用 于 TCP 服 务 器 应 用 程 序 。 在 侦 听 状 态 时 , 如 果 有 连 接 请 求 , 则 在 处 理 ConnectinonRequest 事件时用这个方法接受新连接。 ·Close 方法 对客户机和服务器应用程序关闭 TCP 连接或侦听套接字。 ·Bind 方法 用于 TCP 连接的 LocalPort 和 LocalIP。如果有多协议适配卡,就用这个方法。 ·GetData 方法 获取当前的数据块并将其存储在变体类型的变量中。 ·SendData 方法 将数据发送给远程计算机。 3. Winsock 控件常用事件 ·ConnectionRequest 事件 当远程计算机请求连接时出现。 仅适用于 TCP 服务器应用程序。 在请求一个新连接时激 活该事件。激活事件之后,RemoteHostIP 和 RemotePort 属性存储有关客户的信息。 ·DataArrival 事件 在连接建立之后,如果有数据从远程传来,则激发 DataArrival 事件。该事件的参数包

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含了远程传来的数据。 8.3.2 Winsock 控件的使用 VB6.0 的默认工具栏中没有 Winsock 控件, 因此在使用该控件之前应预先把其添加到工 具栏中,添加的方法具体为:使用“Project”菜单的“Components”命令弹出 Components 对话框,选种 Microsoft Winsock Control 6.0 项前的复选框,单击“确定”按钮,则控件 Winsock Control 将添加到工具栏。 在使用 Winsock 控件时,首先要考虑使用什么协议。可以使用的协议包括 TCP 和 UDP。 两种协议之间的重要区别在于它们的连接状态:TCP 协议控件是有连接的协议,可以将它同 电话系统相比。在开始数据传输之前,用户必须先建立连接。UDP 协议是一种无连接协议, 两台计算机之间的传输类似于传递邮件: 消息从一台计算机发送到另一台计算机, 但是两者 之间没有明确的连接。另外,单次传输的最大量取决于具体的网络。 到底要选择哪一种协议通常是由需要创建的应用程序决定的。 下面的几个问题有助于选 择适宜的协议: (1)在收发数据的时候,应用程序是否需要得到客户端或者服务器端的确认信息?如果 需要,则使用 TCP 协议,正在收发数据之前先建立明确的连接。 (2)数据量是否特别大(例如图象与声音文件)?在连接建立之后,TCP 协议将维护连 接并确保数据的完整性。不过,这种连接需要更多的计算机资源,因而是比较“昂贵”的。 (3)数据发送是间歇的,还是在一个会话内?例如,如果应用程序在某个任务完成的时 候需要通知某个计算机,UDP 协议是更适宜的。UDP 协议适合发送少量的数据。 在选定协议种类之后, 可以在可视化编程阶段设置它或使用代码进行设置。 当进行可视 化设计时,可以对“属性”窗口中的 Protocal 属性进行设置,其选项有 sckTCPProtocol 和 sckUDPProtocol。另外也可以在程序进行阶段使用程序代码来设置 Protocal 属性: Winsock1.protocol=sckTCPProtocol。 8.3.3 使用 UDP 协议进行通信 本设计考虑到各方面的因素,使用 UDP 协议。要在接收数据 PC 机端和单片机发送数据 端建立连接,只需要进行以下四步即可。 (1)将控件的 RemoteHost 属性设置为单片机控制的 GPRS Modem 的动态分配的 IP 地址。 (2)将 Winsock 控件的 RemotePort 属性设置为0。 (3)调用 Bind 方法,指定使用的 LocalPort. 通信。即调用 SendData 方法来发送信息,使用 DataArrival 事件内的 GetData 方法来获取 对方已发送的信息。 部分代码如下: Private Sub Command1_Click() With Winsock1 RemoteHost=Trim(Text1.Text) ‘设置数据发送端 IP RemotePort=Trim(Text2.Text) ‘设置数据发送端端口号 Bind Trim(Text3.Text) ‘绑定本地端口号 End With End Sub Private Sub Text_Change() Winsock1.SendData Text4.Text‘当数据有变化时发送数据 End Sub

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Private Sub Winsock1_DataArrival(ByVal bytesTotal As Long) Dim myStr As String Winsock1.GetData myStr ‘接收数据 Text5.Text=myStr ‘将接收到的数据显示在文本框中 End Sub 该软件运行界面如图 8.3.3 所示:

图 8.3.3 数据接收应用软件界面

9.结论
本文研制开发的基于 GSM 网的数据传输系统,是通过现有的 GSM 网络,利用短消息 方式,使用单片机控制 GSM 模块发送数据给另一个计算机终端,到目前为止,GSM 网络 在短消息方面的应用具有很大的优势,通过 GSM 网络的短消息业务来实现远程数据通信的 技术刚刚起步,它在车辆调度、安全、导航、监测、监控等领域开始有一定的研究和应用。 尤其在偏远的地区,江海等架设通信线路困难或不经济的地方,利用 GSM 网络的短消息实 现其远程监控成为一种实用且有效的技术手段,也是必然趋势。而且,本文考虑到短消息业 务存在时延等问题,还提出了更先进的 GPRS 系统。因此,该课题本身具有很大现实意义和 一定的借鉴价值。 特别是文中对一些关键技术做了详细的介绍, 为以后作应用性的课题作了 打下了基础。 9.1 论文的创新点 1.利用 GSM 网络的短消息实现数据通信,目前该技术处于领先水平。尤其是单片机和 GSM 模块通信采用 AT 指令较难掌握, 因为 GSM 模块对有些 AT 指令的响应具有多种行式, 响应形式和当时的 GSM 模块及 GSM 网络的状态息息相关,必须通过大量实践才能掌握。 掌握了该技术,很容易将其推广到其他应用领域,诸如车辆定位监控、野外数据通信,水利 水情监控,家庭电器的远程控制等。 2.开发了 PC 机和 GSM 模块的结合系统作为数据的接收端。PC 机内部资源丰富,本文 使用了 VB 语言开发了人机交互界面,能够有效地处理数据的收发,并可以在此基础上进行 统计分析,制表,打印等工作。这样可以更好地了解整个系统的运行状况。 3.分析了制约 GSM 短消息应用推广的主要因素一一时延的影响,使系统应用做到灵活

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应变、有的放矢,最大限度地减轻时延对系统造成的不良影响。 4.由于短消息业务存在时延等问题,基于此,本文还介绍了更先进的系统 GPRS,它是 短消息的技术升级,不仅数据容量较短信大,而且还可以传输图片、声音、动画等,能够实 现终端无线上网。 9.2 有待进一步研究的问题 1. 本文虽然提出了 GPRS 的系统方案,但是由于时间等原因,未能实现整个系统,有 待于进一步开发。 2. 目前一些低级趣味的顺口溜式短信、商业性短信相当泛滥,本系统被动地接收此类 短信。如要进行有选择短信息处理只能通过设置密码或对对方手机号码加以限制来实现。

致谢
四年的大学本科阶段很快就要过去了, 在我的毕业论文即将完成之际, 谨向所有在四年 的学习过程中给予我指导和帮助的老师和同学表示深深的谢意。 感谢我的导师李方洲副教授, 他对当今前沿科技的敏锐洞察力与高超的技术水平激发了 我对科学技术的前所未有的兴趣, 引导我走向科学研究的一个崭新的舞台。 他的治学精神和 生活态度也深深地影响着我,使我受益无穷! 感谢电子科学与技术教研室的其他所有老师。他们身上所体现的敬业精神让我十分钦 佩,同时他们在治学上的严谨和平时在生活学习上对我们大家的照顾也让我十分感动。 感谢我的同学们,大学四年和他们的交流,使我的思路更开阔,知识也更丰富! 感谢我的家人!四年的寒窗苦读,他们始终在默默地支持着我,关心着我! 感谢所有关心、帮助、支持我的人们!
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附录
1.ASCII 码对照表 DEC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 HEX 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 CHR NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS TAB LF 换行 VT FF CR 回车 SO SI DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM DEC 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 HEX 2B 2C 2D 2E 2F 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 3A 3B 3C 3D 3E 3F 40 41 42 43 44 CHR + , . / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ? @ A B C D DEC 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 HEX 56 57 58 59 5A 5B 5C 5D 5E 5F 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6A 6B 6C 6D 6E 6F CHR V W X Y Z [ \ ] ^ _ ` a b c d e f g h i j k l m n o

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基于单片机的 GSM 网数据传输

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

1A 1B 1C 1D 1E 1F 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2A

SUB ESC FS GS RS US (space) ! " # $ % & ' ( ) *

69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85

45 46 47 48 49 4A 4B 4C 4D 4E 4F 50 51 52 53 54 55

E F G H I J K L M N O P Q R S T U

112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127

70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 7A 7B 7C 7D 7E 7F

p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL

2.本文术语 AGCH:允许接入信道 APN (Access Point Name)接入点名称 AUC:鉴权中心 BCH:广播信道 BCCH:广播控制信道 BSS:基站子系统(包括 BTS 基站收发台、BSC 基站控制器) BSC:基站控制器 BTS:基站收发器 CBCH:小区广播控制信道 CCH:控制信道 CCCH:公共控制信道 CDPD(Cellular Digital Packet Data)蜂窝式数字分组数据 CHAP(Challenge Handshake Authentication Protoco1)质询握手认证协议 CLNP:无连接网络协议 CONP:面向连接网络协议 DCCH:专用控制信道 DDN(Digital Data Network)数字数据网 EIR(Equipment Identify Register)设备识别寄存器 ETSI(European Telecom Standardization Institute)欧洲电信标准委员会 ETCS:欧洲列车自动控制系统 FACCH:快速随路控制信道
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基于单片机的 GSM 网数据传输

FCCH:频率校正信道 FDMA:频分多址 GGSN(Gateway GPRS Supporting Node)网关 GPRS 支持节点 GMSC:网关移动交换中心 GPRS(General Packet Radio Service)通用无线分组交换业务 GR(GSMRegister)GPRS 数据库 GSM (Global System for Mobile communications)全球移动通信系统 GSN:GPRS 支持节点 HLR(Home Location Register)本地用户位置寄存器 HSCSD(High Speed Circuit Switch Data)高速电路交换数据业务 IMSI(International Mobile Station Identify)国际移动用户身份号 IPCP(Internet Protocol Control Protocol) 互联网协议控制协议 ISDN(Integrated Services Digital Network)综合数字数据业务网 LAN (Local AreaNetwork)即局域网 LCP(Link Control Protoco1) 链路控制协议 LLC(Logical Link Control)逻辑链路层 MAC (Media Access Control)媒体访问控制子层 MD5(message-digest algorithm 5)信息-摘要算法 MS (Mobile Station)移动台 MSC(Mobile Service Center)移动业务交换中心 MT:移动终端 NSS:网络和交换子系统 OMC:操作和支持子系统 OSS:操作和支持子系统 PACCH(Packet Associated Control Channel)分组随路控制信道, PAGCH(Packet Access Grant Channel)分组接入应答信道 PAP(Password Authentication Protoco1) 口令认证协议 PCH:寻呼信道 PDN:分组数据网 PDS(Premises Distributed System)综合布线系统 PDTCH(Packet Data Traffic Channel)分组数据业务信道 PIN:个人识别码 PLMN(Public Land Mobile Network) PPCH(Packet Paging Channel)分组寻呼信道 PRACH(Packet Random Access Channel)分组随机接入信道 PSDN:分组交换数据网 PSPDN:分组交换公用数据网 PSTN(Public Switched Telephone Network)公共电话交换网 PTM:分组传输模式 PTP(picture transfer protocol)图片传输协议 PUK(Personal Unlock Key)SIM 卡解锁密码 RACH:随机接入信道 RTTI (road trait and transport information application) 运输车流量和信息传送 SACCH:慢速随路控制信道

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基于单片机的 GSM 网数据传输

SCH:同步信道 SDCCH:独立专用控制信道 SGSN(Serving GSN)服务GPRS支持节点 SIM(Subscriber Identity Module) 用户识别模块 SME(Short Message Entity)短消息实体 SMPT(Short MessageTransmission Protocol)短消息传输协议 SMS (Short Message Service)短消息服务 SMSC 或 SC (Short Message Service center)短消息业务中心 SNDC:子网依赖结合层 TCH:业务信道 TDMA:时分多址 TE:设备终端 TPDU(Transmiting Protocol Data Unit)传输协议数据单元 TS(Transport Stream)时隙 VLR(Visitor Location Register)访问者位置寄存器 VSAT(Very Small Aperture Terminal)小型卫星地球站 WAP(Wireless Application Protocol)无线应用协议

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