基于3g的远程网络监控系统设计

基于3g的远程网络监控系统设计内容摘要：

一个移动交换中心 (MSC)和一个 SGSN以及广播域通过 Iu 接口相连，在移动台和 UTRAN 之间的无线资源控制 (RRC)协议在此终止，它在逻辑上对应于 GSM 网络中的基站控制器。 控制 Node B 的 RNC 称为该 Node B 的控制 RNC(CRNC)。 CRNC 负责对其控制的小区无线资源进行管理。 Node B 用于完成空中接口与物理层的相关的处理 (信道编码，交织，速率匹配，扩频等 )。 同时它还完成一些如内环功率控制等的无线管理功能。 CN RNC RNC Node B Node B Node B Node B UE RNS RNS IU IU Iub Iub Iub Iub Uu Iur 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 10 它在逻辑上对应于 GSM 网络中的基站。 UTRAN 和 CN之间的接口是 Iu 接口。 从 Iu 的 观点看， UTRAN 的接入点是 RNC。 对于任何一个 RNC，它和 CN间存在三个 Iu 接口， Iu_CS(面向电路交换域 )、 Iu_PS(面向分组交换域 )、和 Iu_BC(面向广播域 )。 Iu_CS 接口为电路型业务接口，与 CN 中的移动交换中心 MSC 连接。 传输网络层为 ATM，以 AAL2 信元的方式传 话音数据信息、以 AAL5 的方式传输控制平面信息； Iu_PS 接口为 RNC 与核心网 C 中的分组域处理SGSN/GGSN 设备互连的接口； Iu_BC 接口提供广播域与 RNC 的通信，底层为 ATM+IP方式。 Iub/Iur 接口为 RNC 与 Node B/RNC 之间的通信接口，其数量一定程度上决定了RNC的容量。 Uu 接口为 UTRAN 与 UE间的接口，通常称为无线接口。 TDSCDMA 系统关键技术 作为中国自己提出的 3G 标准， TDSCDMA 技术的主要突出特点都集中在其无线接入网的无线传输技术中。 采用了时分双工、联合检测、智能天线、动态信道分配、上行同步和接力切换等关键技术突出了其网络优越性。 下面对其关键技术进行简单介绍 : (1)时分双工 时分双工模式是 TDSCDMA 与 FDD 系统的根本区别。 工作在 TDD 模式下的TDSCDMA 系统在同一载波上 进行上、下行链路传输，而不需要像 FDD 系统所必须的上、下行对称频谱。 除了充分利用频率资源，极大地提高了频谱利用率以外， TDD模式的优势还在于系统可以根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点，从而提供最 佳的业务容量和频谱利用率。 (2)联合检测 联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，是消除和减轻多用户干扰的主要技术，它把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰。 与智能天线技术相结合，联合检测技术可以获得更加理想的效果。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 11 联合检测技 术己经被纳入 3G 系统的关键技术体系中，但只有 TDSCDMA 第一次在 CDMA 通信系统中采用联合检测技术，实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。 (3)智能天线 智能天线系统由一组天线阵及相连的收发机和先进的数字信号处理算法构成。 在发送端，智能天线根据接收到达的信号在天线阵上产生的相位差，提取出终端的位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。 空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下，极大地降低总的射频发射功率，一方面改善 了空间电磁环境，另一方面也降低了无线基站的成本。 在接收端，智能天线通过空间选择分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量。 (4)动态信道分配 TDSCDMA 所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、空域和码域对无线的灵配置。 采用动态信道分配技术使得 TDSCDMA 系统能够较好地避免干扰，使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。 此外，通过使用时域地动态信道分配，可以灵活分配时隙资源，动态地调整上、下行时隙的个数，从而灵活 地支持对称和非对称的业务。 (5)上行同步 上行同步是指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，它通过软件及物理层设计来实现，这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步 CDMA 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高了 TDSCDMA系统的容量和频谱利用率，还可以简化硬件电路，降低成本。 (6)接力切换 接力切换不同于硬切换和软切换，它是基于同步 CDMA 技术和智能天线的结合技术。 当手机用户进行越区切换时， TDSCDMA 系统采用智能天线大致定位用户的方江苏科技大学本科毕业设计（论文） 12 位和距离，基站和基站控制器根据这些方位和距离信息，判断用户现在是否移动到应该切换给另一基站的邻近区域。 如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。 接力切换的方式既适用于同频切换也适用于异频切换，而且避免了频繁的切换，大大提高了系统的容量 [12]。 采用中国自主知识产权的第三代移动通信标准 TDSCDMA，有利于国内更多的制造商投入 3G的开发，将带动我国民族移动通信产业在第三代移动通信技术的群体突破，并赢得抢先进入市场的先机， 为未来市场的发展创造宽松的环境，并极大地推动我国移 动通信的产业化发展。 3G 业务 细数而来，如今业已出现的 3G 细分与衍生应用已多达千种，但究其本质，所有这些应用都可以归纳为六种 3G业务，分别是定位、媒体点播和应用下载、短 信息、可视电话、互联网连接和企业网应用。 其中互联网和多媒体即时消息虽然算作 3G的重要应用，但是它们在 甚至 2G 网络上已经发展的相当完善， 3G 只是为用户带来了更多的速度快感而已。 目前看来，其余四种应用都要求以大带宽承载能力作为先决条件。 (1)定位应用 定位应用，就是通 过使用 AGPS（增强型全球定位服务）技术，从而为移动终端本身提供高精度的位置信息。 在终端用户允许的前提下，运营商可以为该用户提供多种定位衍生业务（包括随身广告、地图指引、移动监护等）。 当前，全球很多移动运营商，尤其是 3G运营商大都拥有定位衍生应用。 例如中国联通推出的定位之星服务 UMap，可以为其用户提供交通、娱乐以及紧急求助等位置相关的信息和服务。 (2)媒体点播与应用下载 媒体点播是包含类似体育比赛重播、新闻头条、 MTV 和电影预告、广告等音频和视频内容的流媒体点播或下载服务。 应用下载类似于媒体点播中的 下载应用，但主要集中于一些手机终端可以执行的应用程序，典型的包括游戏、商用程序、媒体江苏科技大学本科毕业设计（论文） 13 播放工具以及铃声等，例如由中国联通于 2020年 3月推出的应用下载业务 UMagic。 (3)可视电话（或会议） 可视电话（或会议）是一种实时视频信息传送应用，允许两个到多个手机用户之间相互实现可视通话或虚拟电话会议。 高端的可视电话（或会议）还可以实现二分屏或四分屏通话。 可视电话（或会议）需要大量的带宽支持，只有真正的 3G 运营商才可以提供可视电话（或会议）应用。 (4)企业网应用 企业网应用是指搭设一个 3G 移动应用平台，通过这 一平台可以提供企业网移动接入并执行企业网内运行的应用。 使用移动终端接入企业网络具备其独有的优势，除去可以提高工作效率之外，使用移动终端形成的内外网络连接将具备更高的接入安全性。 目前， 3G 主要将应用聚焦于娱乐与消费领域。 真正步入 3G时代后，企业类的应 用会越来越多。 本章首先介绍了 3G 移动通信的基本特征、终端结构，然后分析了 TDSCDMA 的系统特征，包括 TDSCDMA 系统网络结构和关键技术，最后分析介绍了 3G时代的无线业务应用。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 14 第三章 数据采集终端硬件电路设计 集终端的总体设计 数据采集终端的设计主要包括两个方面：一方面是数据采集终端的硬件实现，包括各硬件功能模块设计、选型、电路版绘制以及调试等；另一方面是各功能模块的软件实现。 硬件资源介绍 3G 无线调制解调器 无线调制解调器选用四川火狐无线科技有限公司的无线猫 modem。 型号 :HF30TM 图 3— 1 无线调制解调器 主要规格 /特殊功能：  TD— SCDMA MODEM 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 15  基于 3G TDSCDMA 网络，采用高性能工业级无线模块，支持短信、 CSD 数据及拨号上网 功能。  MODEM 采用工业级标准设计。  功能特性： o 支持短信、 CSD 数据及拨号上网功能，使用方便、灵活 o 支持标准 RS232 接口 o 支持 5V35V 宽电压供电 o 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求  无线参数： a) TDSCDMA： 2020～ 2025MHz b) GSM： 850／ 900／ 1800／ 1900 c) UPLINK： 128Kbps， DOWNLINK： 384Kbps  技术指标： a) 接口： i. 标准 RS232 串口，串口速率 110～ 230400bits/s ii. 指示灯：具有电源、 ACT及在线指示灯 iii. 天线接口：标准 SMA 阴头天线接口，特性阻抗 50 欧 iv. SIM 卡接口： 3V/ 标准的推杆式用户卡接口 v. 电源接口：标准的 3 芯火车头电源插座 b) 供电： i. 外接电源： DC 9V、 500mA ii. 宽电压供电： DC 535V 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 16 iii. 通信电流：＜ 250mA（ 9V） iv. 待机电流：＜ 20mA（ 9V） v. 无线模块：采用高性能工业级 TDSCDMA 无线模块 vi. 外形尺寸： mm（不包括天线及固定件） c) 其他参数： i. 工作环境温度： 25～＋ 65?C ii. 储存温度： 40～＋ 85?C iii. 相对湿度： 95％（无凝结） 本系统采用 ：外部控制器开发模式 [13]。 在该方案下， 无线调制解调器 嵌入到用户系 统 中使用，利用外部 CPU对模块进行操作控制， 调制解调器 和微处理器通过串口进行通信，脚本程序下载到外部控制器中运行，如图 3— 2所示。 图 3— 2 外部控制器模式 系统接 口 SIM 3G ENGINE 数字 通信 设备 DC POWER 数据 终端 设备 状态 反馈 控制命令 3G 网络 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 17 微处理器 在这套系统中单片机起着很重要的作用，一方面负责下端传感器数据的采集以及对下端数据采集模块的控制信号传输；另一方面还要负责将收到的数据通过 3G网络与数据中心通信。 近年来，在工业测控领域，国内诸多运用 TI 公 司生产的 MSP430 系列单片机，其在振荡电路、功耗、软件加密等技术水平上均有很大的优势 [14]。 尤其是其低功耗的特点很适合在现场不能频繁更换电源的环境。 基于上述需要，本系统最终选用的是 TI公司的 MSP430F149 单片机。 MSP430F149 单片机的特点 (1)低电压、超低功耗 首先， MSP430F149 单片机的电源电压采用的是 ～ 低电压。 RAM 数据保持方式下耗电仅 A，活动模式耗电 250μ A/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数 )，I/O 输入端口的漏电流 最大仅 50nA[15]。 其次， MSP430F149 单片机采用独特的时钟系统设计。 其具有两个不同的时钟系统：基本时钟系统和 DCO数字振荡器时钟系统，采用高速晶体（最高 8MHz）和低速晶体 (32768Hz)进行基本时钟模块配置。 时钟可以通过指令的控制打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 (2)强大的处理能力 MSP430F149 单片机为 16 位的 RISC 指令 (Reduced Instruction Set Computing精简指令集 )结构，具有丰富的寻址方式、精简的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多 种运算；还有高效的查表处理方法；有高效的处理速度，在 8MHz 晶振驱动下，指令周期为 125μ s。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 (3)系统工作稳定 单片机上电复位后，首先由 DCO 时钟启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间，然后软件可设置适当的寄存。