GSM無線通信網(wǎng)絡技術應用研究摘要數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GlobalSystemForMobileCommunications，GSM）網(wǎng)絡在我國發(fā)展迅速。隨著國民經濟的改善，用戶對移動網(wǎng)絡性能的要求越來越高。當前，中國通信行業(yè)面臨的最大問題是通信熱點的增加以及如何實現(xiàn)綜合覆蓋服務，解決這兩個問題的需要要求對GSM技術及其正確的應用和推廣方法有正確的理解。隨著中國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，舊式手動抄表的弊端越來越明顯，不能適應時代的發(fā)展要求。手動抄表的缺點，例如費時，費力，準確性不高，及時性差，無法抑制竊電和抄表穩(wěn)定性差，使得在電網(wǎng)系統(tǒng)中獲得的線損數(shù)據(jù)很高，極大地限制了電力行業(yè)的發(fā)展與運行。因此，基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡，目前廣泛使用諸如無線遠程抄表系統(tǒng)之類的GSM無線通信網(wǎng)絡遠程抄表系統(tǒng)。本文通過介紹通信網(wǎng)絡技術及其發(fā)展歷史，進一步介紹GSM無線網(wǎng)絡通信技術，專注于GSM無線通信網(wǎng)絡結構，關鍵通信技術和網(wǎng)絡優(yōu)化過程方法。然后，以國家電網(wǎng)河北省電力公司的GSM無線遠程抄表系統(tǒng)為例，詳細介紹了各鏈路的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)基于GSM網(wǎng)絡通信平臺，使用通信模塊和GSM網(wǎng)絡技術來控制電表數(shù)據(jù)的收集、實時傳輸、監(jiān)視管理等問題。關鍵詞：通信網(wǎng)絡技術；GSM；遠程抄表系統(tǒng)

目錄引言 頁共21頁引言移動通信網(wǎng)絡及其優(yōu)化技術，是指通過正式投入運營的網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析，找出影響網(wǎng)絡運行質量的原因，并通過調整系統(tǒng)參數(shù)和調整系統(tǒng)設備配置來實現(xiàn)。達到最佳運行狀態(tài)，使現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源可以獲得最大的收益。同時，為網(wǎng)絡的未來維護和規(guī)劃提出了合理的建議。對于移動通信運營商而言，隨著中國加入世界貿易組織（WTO）[1]，其業(yè)務發(fā)展和推廣應用范圍的重要性不言而喻。當前，全球移動通信系統(tǒng)（GlobalSystemforMobileCommunications，GSM）移動通信網(wǎng)絡相對成熟和穩(wěn)定，大規(guī)模擴容已接近尾聲。如何充分利用其關鍵技術，擴大其應用范圍，是具有巨大經濟效益和企業(yè)發(fā)展的重要課題。GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)由歐洲主要電信運營商和制造商組成的標準委員會設計。它是在蜂窩系統(tǒng)的基礎上開發(fā)的。第一個系統(tǒng)于1991年在歐洲開放。與此同時，諒解備忘錄（MOU）組織設計并注冊了該系統(tǒng)修改的商標，并將GSM重命名為“全球通信系統(tǒng)”。同年，移動工作隊還完成了1800MHz頻段公共電信服務規(guī)范的制定，即DCS1800系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有與GSM900相同的基本功能。目前，中國移動和中國聯(lián)通建立的GSM已覆蓋全國，其他運營商也達成共識，促進GSM技術應用和服務應用，以提高企業(yè)的競爭力和用戶滿意度。

第一章GSM無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)簡介1.1GSM系統(tǒng)結構GSM主要分為交換部分和無線部分。其中，交換部分與公共交換電話網(wǎng)（PSTN）非常相似，而無線部分是GSM網(wǎng)絡所獨有的。它是由無線專用移動線路，復雜性以及不良傳播條件導致的衰落直接導致的。影響無線通信的質量，因此無線部分是優(yōu)化的重點。一個完整的GSM蜂窩系統(tǒng)主要包括：移動站（MS），基站子系統(tǒng)（BSS），交換網(wǎng)絡子系統(tǒng)（NSS），操作支持子系統(tǒng)（OSS），這四個主要組成部分，GSM系統(tǒng)的結構如圖1-1所示。圖1.1GSM系統(tǒng)結構1.1.1移動臺MS是GSM系統(tǒng)中用戶可以訪問的唯一設備。它分為兩個部分：移動終端（MT）和用戶身份模塊（SIM）。SIM也稱為用戶識別卡，主要用于識別用戶的身份，賬單等功能。1.1.2基站子系統(tǒng)它由兩個實體組成：一個基站發(fā)送站（BTS）和一個基站控制器（BSC）。一個BSC可以控制數(shù)十個BTS。BTS可以直接連接到BSC，也可以通過遠程控制連接方法通過基站接口設備（BIE）連接到BSC。BTS屬于BSS的無線部分，主要負責接收和發(fā)送信息。它由BSC控制。BTS主要由基帶單元，載波頻率單元，控制單元和天線饋電單元組成。BSC屬于BSS的控制部分，主要負責各種借口的管理，并且負責無線資源和無線參數(shù)的管理。BSC由連接到移動交換中心（MSC）的A端口或帶有轉碼開關的Ater接口的數(shù)字中繼部分，Abis接口的BTS部分或由BTS訓練的BS接口以及公眾處理部分組成[2]。1.1.3網(wǎng)絡子系統(tǒng)NSS主要包括GSM系統(tǒng)的交換功能和支持數(shù)據(jù)以及移動性管理和安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。它在GSM移動用戶之間以及GSM移動用戶與其他通信網(wǎng)絡用戶之間的通信中發(fā)揮作用，NSS由一系列功能實體組成。（1）移動業(yè)務交換中心移動交換中心（MSC）是網(wǎng)絡的核心，它提供交換功能和其他面向系統(tǒng)的實體：BSS，歸屬位置注冊（HLR）和身份驗證中心（AUC），設備標識注冊（EIR），運行維護中心（OMC）和面向固定網(wǎng)絡的接口功能將移動用戶和移動用戶，移動用戶和固定網(wǎng)絡用戶連接起來。（2）訪問用戶位置寄存器訪客位置寄存器（VLR）在其控制區(qū)域內為移動用戶提供服務，并存儲與進入其控制區(qū)域的注冊移動用戶有關的信息，從而為注冊移動用戶建立呼叫連接提供了必要條件。VLR從移動用戶獲得HLR并存儲必要的數(shù)據(jù)。一旦移動用戶離開VLR的控制區(qū)域，它將再次在另一個VLR中注冊，并且原始VLR將取消臨時記錄的移動用戶數(shù)據(jù)。因此，VLR可以被視為動態(tài)用戶數(shù)據(jù)庫，VLR功能始終集成在每個MSC中[3]。（3）歸屬用戶位置寄存器HLR是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，并存儲由HLR控制的所有現(xiàn)有移動用戶的相關數(shù)據(jù)。HLR可以控制多個移動交換區(qū)域和整個移動通信網(wǎng)絡。移動用戶的所有重要靜態(tài)數(shù)據(jù)都存儲在HLR中，這包括諸如移動用戶標識號、訪問功能、用戶類別和補充服務之類的數(shù)據(jù)。HLR還存儲并向MSC提供有關移動用戶實際漫游的MSC區(qū)域的動態(tài)信息數(shù)據(jù)，這樣，任何來電都可以立即路由到所選路徑上的被叫用戶。（4）認證中心GSM系統(tǒng)采用特殊的安全措施，例如用戶身份驗證、語音、數(shù)據(jù)和無線接口上的信號信息的機密性。因此，AUC存儲身份驗證信息和加密密鑰，用于防止未經授權的用戶訪問系統(tǒng)并確保通過無線接口進行移動用戶通信的安全性。AUC屬于HLR的功能單元部分，專門用于GSM系統(tǒng)的安全管理。（5）行動裝置識別碼EIR存儲移動設備的國際移動設備識別碼（IMEI）。通過檢查白名單、黑名單或灰名單的三種形式，該表列出了準許使用的、出現(xiàn)故障需監(jiān)視的、失竊不準使用的移動設備的IMEI識別碼[4]。1.1.4操作支持子系統(tǒng)OSS需要完成許多任務，包括移動用戶管理、移動設備管理以及網(wǎng)絡運營和維護。移動用戶管理可以包括用戶數(shù)據(jù)管理和呼叫計費，用戶數(shù)據(jù)管理通常由作為NSS功能實體之一的HLR完成，用戶識別卡SIM的管理也可以視為用戶數(shù)據(jù)管理的一部分。但是，作為用戶識別卡SIM卡的相對獨立的管理，還必須根據(jù)管理部門對SIM卡管理的要求和模型，由專用的SIM卡個性化設備來完成此操作。呼叫計費可以由移動用戶訪問的每個移動業(yè)務交換中心MSC和GMSC分別處理，或者可以通過HLR或獨立的計費設備來處理集中計費數(shù)據(jù)。移動設備管理由移動設備標識寄存器（EIR）執(zhí)行，EIR和NSS的功能實體通過SS7信令網(wǎng)絡的接口互連。因此，EIR也是NSS的一部分。網(wǎng)絡運維是為了完成GSM系統(tǒng)的BSS和NSS的運維管理任務，完成網(wǎng)絡運維管理的設施稱為運維中心（OMC）[5]。1.2GSM網(wǎng)絡接口在實際的GSM通信網(wǎng)絡中，由于不同的網(wǎng)絡規(guī)模，不同的工作環(huán)境和不同的設備制造商，上述各部分可能具有不同的配置方法。為了使各個制造商生產的設備通用，各部分的連接必須嚴格遵守規(guī)定的接口標準和相應的協(xié)議。1.2.1GSM系統(tǒng)主要接口GSM系統(tǒng)的主要接口是A接口、Abis接口和Um接口。A接口定義為網(wǎng)絡子系統(tǒng)（NSS）與基站子系統(tǒng)（BSS）之間的通信接口，該接口發(fā)送的信息包括移動臺管理、基站管理、移動性管理、連接管理等。Abis接口定義了BSS中BSC和BTS之間的通信標準，并用于遠程互連，該接口支持提供給用戶的所有服務，并支持BTS無線設備的控制和射頻分配。Um接口是空中無線接口，其實現(xiàn)了移動站與BTS之間的通信，它用于移動臺與GSM系統(tǒng)固定部分之間的通信，它的物理連接是通過無線電波實現(xiàn)的。這三個主要接口的定義和標準化可以確保將不同制造商生產的移動臺，基站子系統(tǒng)和網(wǎng)絡子系統(tǒng)設備整合到同一GSM移動通信網(wǎng)絡中進行操作和使用。主界面示意圖如圖1-2所示。圖1-2主要接口示意圖1.2.2網(wǎng)絡子系統(tǒng)內部接口網(wǎng)絡子系統(tǒng)的內部接口包括B、C，D和E接口。B接口被定義為拜訪VLR和MSC之間的內部接口，并且被MSC用來向拜訪VLR詢問MS的當前位置信息或向拜訪VLR通知移動臺的位置更新信息。C接口定義為HLR與MSC之間的接口，用于傳遞路由和管理信息。D接口定義為HLR和訪問VLR之間的接口，它用于交換有關移動臺位置和用戶管理的信息，提供給移動用戶的主要服務是確保移動臺可以在整個服務區(qū)域建立和接收呼叫。E接口定義為控制相鄰區(qū)域的不同MSC之間的接口，該接口用于在切換過程中交換切換信息，以啟動和完成切換。

第二章GSM無線網(wǎng)絡關鍵技術2.1切換技術所謂切換，是指移動臺在通話過程中從一個基站的覆蓋范圍移動到另一個基站的覆蓋范圍，或者當通話質量由于外部干擾而降低時，它必須改變原始語音通道并切換到新的空閑語音通道，以保持通話。切換是移動通信系統(tǒng)中非常重要的技術，它滿足了移動通信中不間斷通信，減少干擾和平衡流量的要求。但是，現(xiàn)有網(wǎng)絡中有許多因素會影響MS的正常切換過程，并對用戶呼叫產生不利影響。因此，解決切換中的問題并提高切換成功率是網(wǎng)絡優(yōu)化的關鍵點之一[6]。在移動通信中，用戶經常在通話過程中不斷移動，速度可以快也可以慢。當用戶離開當前小區(qū)的信號覆蓋區(qū)域并到達另一個小區(qū)覆蓋區(qū)域時，原始服務小區(qū)的信號電平和信號質量將會有所下降，甚至嚴重到足以影響通話質量，這會直接影響用戶的心情。為了確保服務質量和連續(xù)通信，移動臺MS不斷測試周圍的信號電平，生成測量報告，然后通過BTS將其上傳到BSC[7]，以及用于無線鏈接控制的質量等級信息。這確保了新的服務小區(qū)接管原始服務小區(qū)的服務，并且每個小區(qū)形成一個無縫網(wǎng)絡。2.1.1切換的種類根據(jù)切換的條件和發(fā)生的次數(shù)，將切換分為緊急切換、負載切換、普通切換和快速移動切換。在緊急切換中，它分為太大的緊急切換，質量差的緊急切換（BQ切換），快速的電平下降切換和干擾切換。質量差切換中鏈路的傳輸質量由誤碼率（BitErrorRati，BER）來衡量，BER較高的原因可能是信號功率太低或信道干擾。干擾切換是指當服務小區(qū)的接收水平仍然良好，但是接收質量已經下降到一定程度（仍然可以保持通話）時，網(wǎng)絡啟動切換算法，使MS能夠維持一定的通信。質量。干擾切換通常考慮小區(qū)內切換。干擾切換和質量切換差之間的區(qū)別，質量惡化尚未達到影響呼叫的水平，并且接收水平仍然很高。在路試中可以發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生干擾切換時，該級別通常大于80DBm，質量高于4級，質量差時解碼成功率很低，切換時該級別低，測試手機的語音質量非常差，無法撥打普通電話。如圖2-1所示。負載切換為了允許上層小區(qū)和相鄰小區(qū)分擔部分負載并實現(xiàn)小區(qū)間負載均衡，需要采用業(yè)務負載切換策略。目的是將負載較重的小區(qū)的部分業(yè)務負載切換到負載較輕的小區(qū)，并使其成為負載[8]。相鄰小區(qū)的負載不應盡可能地切換到該小區(qū)，可以在不同層的小區(qū)之間執(zhí)行此操作，但是只能在同一BSC內執(zhí)行負載共享。當負載大于或等于服務小區(qū)的負載激活閾值并且負載大于或等于相鄰小區(qū)的負載接收閾值時，啟動該切換類型。在華為切換算法中，即使未激活負載激活開關，在滿足上述條件時仍會觸發(fā)負載切換。圖2-1質量差引起的頻繁切換普通交換包括邊緣交換、層間交換和PBGT交換。邊緣交換是基于級別的交換，屬于搶救交換的一種。當觸發(fā)邊緣切換時，要求目標小區(qū)的電平高于服務小區(qū)并且至少高于遲滯值（小區(qū)間切換遲滯）。PBGT切換，也稱為更好的小區(qū)切換，是基于路徑損耗的切換。它也是華為切換算法中唯一基于路徑損耗L準則進行決策切換的算法。PBGT切換算法實時搜索是否存在路徑損耗較小且滿足系統(tǒng)某些要求的小區(qū)，并確定是否需要切換。它與其他切換算法之間的最大區(qū)別在于，它使用路徑損耗而不是接收到的功率作為切換的觸發(fā)條件。當相鄰小區(qū)的路徑損耗小于服務小區(qū)路徑損耗的某個閾值，并且在一定的統(tǒng)計時間內滿足P/N準則時，觸發(fā)PBGT切換。PBGT切換僅在相同級別和級別的單元之間發(fā)生。在邊緣移交，PBGT和其他移交中，使用了諸如平均濾波和P/N決策之類的方法，這些方法對短期快速下降的電平不敏感，這與緊急移交不同[9]?？焖僖苿拥那袚Q基于MS的相對速度，以減少切換次數(shù)和掉話率。例如火車上的通訊，高速公路上的通訊等等。MS相對于微小區(qū)快速移動，為了減少切換數(shù)量并反映呼叫的連續(xù)性，MS被迫切換到宏小區(qū)。原理如下：如果移動站相對于微小區(qū)快速移動，則將其移交到宏小區(qū)。為了防止在宏小區(qū)中注冊的快速移動臺進入微小區(qū)，對微小區(qū)施加了時間損失。同時對多個單元執(zhí)行P/N統(tǒng)計，以確定它們是否滿足快速移動條件。2.1.2切換的算法Locating算法是確定切換的軟件算法。它在BSC中實現(xiàn)，以為活動的或連接的MS提供備用小區(qū)組。定位根據(jù)MS使用的載波強度，信號質量和時間提前來提供用于切換的候選小區(qū)的排隊列表。如果隊列中的第一個小區(qū)是服務小區(qū)，則不執(zhí)行切換，否則觸發(fā)切換。當前實現(xiàn)定位功能的算法包括Ericsson1和Ericsson3。在對單元進行排名時Ericsson1算法需要同時考慮信號強度和路徑損耗，而在對單元進行排名時，Ericsson3算法僅需要考慮信號強度。Ericsson1算法具有良好的通用性和兼容性，目前已被廣泛使用。Ericsson3算法將接收電平用作特定BSC的對齊標準，可以減少不必要的強信號切換，從而減少切換和切換呼叫的總數(shù)。當前，K算法基本上用于愛立信設備的現(xiàn)有網(wǎng)絡中的切換小區(qū)的隊列選擇[10]。K算法的簡要說明如下：（1）最低級別算法（M算法）：最低級別算法是小區(qū)成為切換候選小區(qū)的必要的第一條件。具體算法為：SS_DOWNn≥MSRXMINn與SS_UPn≥BSRXMINn注意：通常在現(xiàn)有網(wǎng)絡中設置MSRXMINn=102和BSRXMINn=150，即滿足目標小區(qū)的下行鏈路的最小信號強度。（MSRXMINn）大于或等于-102dBm，并且目標小區(qū)的最小小區(qū)上行信號強度（BSRXMINn）大于或等于-150dBm，則該小區(qū)可以進入切換候選小區(qū)列表。（2）K算法：K算法是單元排隊的主要算法。根據(jù)信號強度，它計算出最適合候選小區(qū)的鄰居列表。具體算法如下：服務單元格K算法：K_DOWNS=SS_DOWNS-MSRXSUFFSK_UPS=SS_UPS-BSRXSUFFS①候選單元格K算法：K_DOWNn=p_SS_DOWNn-MSRXSUFFnK_UPn=p_SS_UPn—BSRXSUFFn②最終的K細胞排隊算法為：服務單元格K_RANKS=分鐘（K_DOWNS，K_UPS）相鄰單元格K_RANKn=min（K_DOWNn，K_UPn）-KOFFSETS，n-KHYSTSn注意：MSRXSUFFS是切換算法的下行鏈路信號閾值。通常，當前網(wǎng)絡設置為0；否則，設置為0。BSRXSUFFn是切換算法的上行鏈路信號閾值。通常，當前網(wǎng)絡設置為150。p_SS_DOWNn和p_SS_UPn分別為SS_DOWNn和SS_UPn，減去相應的位置損失和層間損失。K_RANK值越大，單元隊列越靠前。2.2跳頻技術跳頻技術實際上起著干擾平均和頻率分集的作用。相對而言，它提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。最后，它可以達到提及頻率復用和增加系統(tǒng)容量的目的。根據(jù)實際經驗，當Rxqual為5或更高時，沒有跳頻的系統(tǒng)的通話效果較差，通話可能會掉線，但仍然可以在跳頻網(wǎng)中進行通話。GSM系統(tǒng)提供兩種跳頻方法，一種是基帶跳頻（BBH），另一種是合成器FH（SFH）。2.2.1基帶跳頻這種跳頻方法的最重要特征是每個載頻單元具有固定的頻率。跳頻是通過在不同載波頻率的相同突發(fā)序列（時隙）之間跳頻來實現(xiàn)的。在某個載波頻率的某個時隙中建立呼叫后，一個脈沖串的間隔（約577ms）將跳至另一載波頻率的相同時隙。因為每個載波頻率都不同，所以不同載波頻率之間的跳躍意味著頻率跳躍。這樣，多少個頻率參與跳頻將具有相同數(shù)量的載波頻率。應該注意的是，盡管信息是在不同的載波頻率上傳輸?shù)?，但是它的控制功能是由建立呼叫的載波頻率的數(shù)字部分來執(zhí)行的[11]。BCCH載波頻率中的BCCH時隙不能參與跳頻，其余時隙可以參與跳頻。BBH具有以下特征：（1）載波頻率單元的數(shù)量等于跳頻序列的頻率的數(shù)量；（2）每個載頻單元具有固定頻率；（3）在相同的基礎幀上以不同的載波頻率發(fā)送呼叫。2.2.2合成器跳頻合成器跳頻的最大優(yōu)點是，頻率的數(shù)量和載波頻率的數(shù)量不再相互限制以確定載波頻率的數(shù)量，載波頻率最多可以跳到64個頻率。在可以基于服務的頻率模式下，載波頻率每隔一個突發(fā)時間更改一次頻率，但是每個呼叫始終以載波頻率為單位。在該跳頻模式下，跳頻頻率的數(shù)量可以大于載波頻率的數(shù)量。同時，如果廣播信道（BroadcastingChannel，BCCH）的載波頻率參與跳頻，并且BCCH頻率也包含在跳頻中，那么在空中瞬間不會有BCCH頻率信號，直到BCCH頻率再次回到BCCH載波頻率傳輸，此處包含以下兩個含義：（1）如果BCCH載波頻率參與跳頻，則BCCH頻率包含在跳頻序列中，則載波頻率中的其余時隙將不再能夠發(fā)送語音信息，而成為向BCCH信息發(fā)送的空閑突發(fā)?？諝庵械捻樞颉＃?）如果BCCH載頻不參與跳頻，則BCCH載頻中除BCCH時隙外的其他時隙可以發(fā)送語音信息。一般來說，在此模式下，不允許BCCH參與跳頻。SFH具有以下特征：（1）載波頻率連續(xù)跳到新頻率；（2）參與跳頻的頻率數(shù)目不受載波頻率數(shù)目的限制；（3）呼叫只能在一個載波頻率上完成。下面解釋該模式下相關參數(shù)的含義：（1）跳頻序列（移動分配MA）定義了用于跳頻的頻率序列。（2）跳變序列號HSN也稱為跳頻算法。它定義了64種類型的跳躍方法。當HSN=0時，為循環(huán)跳，HSN=1?63為隨機跳[12]。（3）移動分配索引偏移MAIO是起飛頻率編號，它定義跳頻首先開始的頻率編號。（4）跳頻指示（FHI）用于定義跳頻系統(tǒng)，它基于MAGSM和HSN，范圍是0到3。

第三章GSM網(wǎng)絡在遠程電費抄表系統(tǒng)中的應用電能表遠程抄表系統(tǒng)是一個集成系統(tǒng)，結合了現(xiàn)代計算機技術，網(wǎng)絡技術和通信技術來監(jiān)視和調節(jié)電網(wǎng)中的電能表。本文中的示例是基于GSM網(wǎng)絡的國家電網(wǎng)河北省電力公司電能表的遠程抄表系統(tǒng)，它可以將河北省電力公司公司轄區(qū)的小區(qū)、工廠、農排等主要電力負荷的電能測量實時的傳輸?shù)焦究偛康挠嬃恐行氖?，從而?jié)省了大量的人力物力，大大提高了測量數(shù)據(jù)的準確性[13]。圖3-1遠程抄表系統(tǒng)圖3.1系統(tǒng)概述遠程抄表系統(tǒng)是指一種新興的管理系統(tǒng)，它使用現(xiàn)代通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)遠程抄表數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)使用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡，可以快速建立廣泛的遠程抄表系統(tǒng)，用戶的電表或其他電表使用信息將傳輸?shù)焦芾砉荆赃M行綜合處理，這是現(xiàn)代管理的發(fā)展趨勢之一。在城鎮(zhèn)，可以完全保證工廠和物業(yè)社區(qū)基于GSM網(wǎng)絡的抄表工作。無線抄表系統(tǒng)是在有線抄表系統(tǒng)的基礎上開發(fā)的。但是，由于使用了無線通信技術，可以解決有線抄表系統(tǒng)距離有限、組網(wǎng)困難、建設維護成本高、功耗大的問題。其基本原理如圖3-1所示。GSM網(wǎng)絡遠程抄表系統(tǒng)主要包括三部分：業(yè)務控制中心、數(shù)據(jù)傳輸部分和用戶終端、抄表系統(tǒng)圖。服務控制中心的主要工作是進行監(jiān)視、控制、發(fā)送和接收等，以分析、存儲、處理和設置數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到抄表終端。數(shù)據(jù)傳輸部分采用GSM無線傳輸協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要包括集中器和收集器。集中器可以連接到多個收集器進行數(shù)據(jù)通信，并且其收集器通過其地址來區(qū)分。用戶收集的諸如電流、電壓、電功率和無功功率之類的數(shù)據(jù)隨時以短消息的形式通過移動基站發(fā)送到集中器，并且集中器正在轉發(fā)到服務控制中心。用戶終端主要收集用戶的功耗，并通過RS485串行通訊將電流、電壓、電功率，無功功率等數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊姌O，以實現(xiàn)對功率的及時采集、分析和處理，如圖3-2所示。圖3-2GSM網(wǎng)絡的遠程抄表系統(tǒng)結構圖數(shù)據(jù)采集??模塊和數(shù)據(jù)集中器均使用STM32F103VCT6作為核心處理器，二者均使用CC2500射頻收發(fā)器芯片在Zigbee無線通信模式下進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集??模塊通過RS485串行端口直接連接到智能電表。對于數(shù)據(jù)采集模塊，智能電表的RS485通訊是下游通訊。RS485接口是一種半雙工通信方法，可以在兩端進行發(fā)送并在兩端進行接收。該信號采用差動平衡傳輸，抗干擾能力強，傳輸速率高，傳輸距離長，非常適合電磁環(huán)境復雜的工作環(huán)境。整個系統(tǒng)的具體工作過程如下：系統(tǒng)使用外部5V穩(wěn)壓電源，并通過內部電路將其轉換為3.3V，以為模塊的每個部分供電。數(shù)據(jù)集中器收到主機發(fā)送的采集命令后，通過Zigbee無線傳輸方式將配置參數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)收集器接收到配置參數(shù)后，將根據(jù)標準的Modbus通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式控制軟件，并生成相應的命令幀并將其發(fā)送到智能電表。接收到智能電表發(fā)回的響應幀后，收集的數(shù)據(jù)將返回到上級集中器，將收集的數(shù)據(jù)收集到上位機進行顯示和存儲[14]。在硬件實現(xiàn)方面，SP3485芯片的RS485收發(fā)器用于數(shù)據(jù)收集器與智能電表之間的硬件連接。SP3485芯片的RO和DI端是接收器的輸出和驅動器的輸入，連接到主控制芯片STMSTM32F103VC時，USART3引腳用作RS485數(shù)據(jù)接口。RE和DE端子分別用作使能和接收端子，當RE為低電平時，芯片處于接收狀態(tài)；當DE為高電平時，芯片處于發(fā)送狀態(tài)，這兩個接口分別由PC6和PC7引腳控制。硬件連接如圖3-3所示。圖3-3RS485硬件接口設計在軟件實現(xiàn)方面，數(shù)據(jù)采集模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的采集命令后，必須首先初始化命令幀，并將接收到的數(shù)據(jù)包中的協(xié)議參數(shù)重新封裝為標準的Modbus數(shù)據(jù)幀，以便與智能電表進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)Modbus協(xié)議的幀格式，地址位也是此處要收集的儀器地址，并且功能代碼為寄存器03的讀取。數(shù)據(jù)位是不同的寄存器地址，并且要存儲的數(shù)據(jù)所占的寄存器數(shù)量根據(jù)不同的采集參數(shù)收集。RTU模式下的Modbus協(xié)議使用CRC校驗，無論郵件是否具有奇偶校驗，都將執(zhí)行此檢查。初始化命令幀時將計算CRC值，并遵循低字節(jié)然后高字節(jié)的順序附加在郵件末尾。當儀表收到準確的命令幀時，它將立即返回相應的響應幀，并且采集模塊開始接收數(shù)據(jù)幀。定時器Time1的切換狀態(tài)用于控制接收過程，以確保接收的實時性能。數(shù)據(jù)采集??模塊成功接收到響應幀后，它將分析協(xié)議。它首先從接收緩沖區(qū)讀取響應幀，從中提取地址位，功能碼和CRC校驗碼，然后進行判斷。當?shù)刂肺唬δ艽a和校驗碼都正確時，表明接收到正確的數(shù)據(jù)幀，并且可以從數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位中讀取要收集的數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，還需要根據(jù)上位機配置的數(shù)據(jù)存儲方式，即big-endian方式，確定數(shù)據(jù)的具體存儲方式。整個采集數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸過程的流程圖如圖3-4所示。3.2GSM網(wǎng)絡抄表系統(tǒng)結構基于GSM網(wǎng)絡的電能表遠程抄表系統(tǒng)包括用戶端、管理端和GSM網(wǎng)絡。電能表、數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)集中器、通信控制模塊和用戶側GSM收發(fā)器組成用戶側，如圖3-2所示。儀表數(shù)據(jù)收集點位于居民區(qū)，采集器將用戶的電數(shù)據(jù)轉換為電脈沖進行累加，或直接讀取智能電表數(shù)據(jù)，并將累加的電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊衅?，集中器負責收集、存儲和管理。電表?shù)據(jù)連接到通信控制模塊，在將電表數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM收發(fā)器之后，它通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送到管理中心。管理中心通過GSM收發(fā)器向通信控制模塊發(fā)送相應的控制指令，并接收通信控制模塊上傳的電表數(shù)據(jù)。管理計算機應用程序管理軟件對儀表數(shù)據(jù)進行分類、存儲、檢索、分析和處理。GSM網(wǎng)絡是中國目前的無線通信網(wǎng)絡，其特點是覆蓋范圍廣，技術成熟，安全可靠，無需投入額外的維護費用，節(jié)省了成本。圖3-4智能電表與數(shù)據(jù)采集器之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸過程3.3GSM網(wǎng)絡抄表系統(tǒng)工作原理在遠程抄表系統(tǒng)中，通信控制模塊是整個抄表系統(tǒng)中最關鍵的模塊之一。具有存儲量大，集成度高的特點，它可以在GSM數(shù)字網(wǎng)絡中完成數(shù)據(jù)、語音和短信發(fā)送。由通訊控制模塊組成的遠程抄表系統(tǒng)由管理端和用戶端兩部分組成。管理端由GSM收發(fā)器、通信控制模塊和管理計算機組成，用戶端由電表、數(shù)據(jù)采集模塊、集中式模塊、通信控制模塊和GSM收發(fā)器由5部分組成。管理計算機用于監(jiān)視和控制系統(tǒng)，其主控制程序通過通信控制模塊將短消息發(fā)送到受控設備。在接收到該短消息之后，用戶的通信控制模塊經由串行端口RS232經由串行端口RS232將信息發(fā)送到數(shù)據(jù)收集器。收集器處理收到的短信，從中提取控制命令，然后通過串口RS485對用戶側電表進行相應的操作控制。電能表的月度用電量信息也通過用戶通信控制模塊，通過短消息形式通過GSM數(shù)字網(wǎng)絡發(fā)送到短消息服務中心，然后由短消息服務中心發(fā)送到管理終端通信控制模塊，最后通過字符串將串行端口RS232發(fā)送到管理計算機。計算機收到短信后，可以根據(jù)短信內容發(fā)回短信進行控制或處理短消息并將相應的抄表數(shù)據(jù)存儲到管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。3.4抄表系統(tǒng)模塊分析3.4.1智能電表電能計量是計量工作的重要組成部分，是電能表讀取系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)。智能電表開發(fā)的技術水平反映了抄表系統(tǒng)的發(fā)展水平和速度，其準確可靠的計量關系到供電公司和廣大公眾的利益。對于GSM無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，儀表的最低要求是具有通信接口以實現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，這也是區(qū)分智能電表與普通電表的最重要功能。通常，國家網(wǎng)格系統(tǒng)使用的通信協(xié)議是串行485通信。3.4.2數(shù)據(jù)采集器和集中器電能表數(shù)據(jù)收集器參與自動聯(lián)網(wǎng)，并提供載波/無線通道，并通過其自己的RS485接口與電能表RS485接口進行通信。收集相關數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)通過其自己的運營商/無線通道傳輸?shù)郊衅?，最后傳輸?shù)焦芾碇行牡某硐到y(tǒng)。根據(jù)抄表系統(tǒng)，可以將管理中心的系統(tǒng)指令或參數(shù)下載到電表。根據(jù)收集形式，電能收集器分為單表收集器和多表收集器。除了收集和處理用戶電表的能量信息外，能量收集器還可以通過電表的接口與集中器進行數(shù)據(jù)通信，并將電表數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器[15]。數(shù)據(jù)集中器是使用微處理技術和通信技術開發(fā)和設計的工業(yè)測控儀器。它具有大存儲容量和高集成度，是集中式抄表系統(tǒng)中的關鍵設備。通過下行鏈路，它可以自動復制和存儲各種功率數(shù)據(jù)，例如電表，采集終端和具有載波通信功能的采集模塊。同時，您還可以通過悲傷的渠道與管理中心或手持移動設備交換數(shù)據(jù)。在功能上，除了以固定間隔從收集器接收電表數(shù)據(jù)外，它還可以與通信控制模塊進行通信，并將多個電能表數(shù)據(jù)共同發(fā)送到通信控制模塊，以實現(xiàn)多個電表數(shù)據(jù)的收集。集中器根據(jù)地址解析來收集終端，并將其存儲在集中器內部的工作芯片中。芯片的ROM和RAM分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)。采集設備應配備免維護電源，以確保其在斷電后可以正常工作，保護數(shù)據(jù)以及從主機接收并執(zhí)行命令。最后，通過RS-232串口與GSM模塊連接，實現(xiàn)與管理中心的無線通訊。3.4.3通信控制單元通信控制模塊單元位于獲取子系統(tǒng)的關鍵部分，并通過AT命令控制GSM收發(fā)器的發(fā)送和接收。因此，電能數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給管理端，并通過接收到的控制字符采取相應的控制動作。AT是Attention，并且AT指令集是從終端設備（TE）或數(shù)據(jù)終端設備（DTE）到終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設備（DCE）發(fā)送的。通過TA和TE，發(fā)送AT命令以控制移動站（MobileStation，MS）的功能并與GSM網(wǎng)絡服務進行交互。手機制造商諾基亞、愛立信、摩托羅拉和惠普聯(lián)合開發(fā)了一套用于GSM的AT命令，包括短信控制。AT命令是一個以“AT”開頭并以字符<CR>結尾的字符串。AT后面的字母和數(shù)字表示相應的功能。每條指令是否成功執(zhí)行都會有相應的返回值。GSM模塊和計算機之間的通信協(xié)議是一些AT字符串的指令集，而GSM收發(fā)器通過接收到的AT指令采取相應的控制動作。對于其他特殊信息，模塊將具有相應的信息提示，以便接收端可以進行相應的處理。3.4.4GSM收發(fā)器GSM收發(fā)器是一種基于GSM無線移動通信技術的具有調制解調功能的數(shù)據(jù)終端設備，它的主要作用是完成以短消息形式發(fā)送和接收電源數(shù)據(jù)和控制字符。河北省電力公司遠程復制系統(tǒng)中使用的GSM收發(fā)器是WAVCOME開發(fā)的四頻GSM收發(fā)器，其核心模塊是Q24PLUS，如圖3-5所示。Q24PLUS模塊是WAVCOME新推出的具有GPRS功能的新一代GSM/DCS四頻模塊，它可以提供標準的AT命令接口，以實現(xiàn)語音和短信等數(shù)據(jù)信息的高速，可靠傳輸。該模塊是雙列直插式結構，通過60針引腳連接到外圍電路。GSM模塊的電源由VBATT提供，輸入電壓范圍為3.2-4.5V，電壓穩(wěn)定后，由GSM基帶處理器和GSM射頻使用。圖3-5GSM收發(fā)器模塊該模塊為PCB焊接引出墊和RF測試插座提供了兩個外部RF接口，提供兩個獨立的通用異步收發(fā)器UART，兩個UART串行口用作串行數(shù)據(jù)接口，用于傳輸用戶業(yè)務數(shù)據(jù)，提供測試和調試通道以及下載升級模塊軟件；提供音頻輸入和輸出接口，提供兩個接收器和兩個麥克風接口，但只有一對可以同時執(zhí)行輸入和輸出工作；支持1.8V/3VSIM卡，在卡的端口部分有4個引腳；同時還提供網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈輸出信號。3.5電表數(shù)據(jù)傳輸遠程抄表系統(tǒng)的整個數(shù)據(jù)傳輸過程可以概括為以下四個過程。首先是數(shù)據(jù)采集/顯示模塊和數(shù)據(jù)集中模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈接。數(shù)據(jù)采集??器是電表讀取系統(tǒng)的主要設備之一，其功能是收集多個電表的信息并進行記錄。它通過RS-485接口與電表通信，并可以與集中器發(fā)送和接收各種命令，并將記錄的用戶表數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)送到集中器。第二是數(shù)據(jù)集中模塊和通信控制模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈接。當在數(shù)據(jù)集中模塊和通信控制模塊之間傳輸數(shù)據(jù)時，根據(jù)以下流程執(zhí)行集中模塊程序：（1）執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸中斷請求。（2）檢測是否有發(fā)送數(shù)據(jù)地址的請求，如果沒有請求，則進行循環(huán)檢測；如果有請求，請發(fā)送數(shù)據(jù)地址信息。（3）檢測是否存在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的請求。如果沒有請求，則循環(huán)執(zhí)行該測試；如果有請求，則發(fā)送數(shù)據(jù)位。（4）發(fā)送數(shù)據(jù)后，檢查是否已發(fā)送六位數(shù)據(jù)。如果尚未發(fā)送數(shù)據(jù)，請轉到下一個數(shù)據(jù)傳輸。如果已發(fā)送六位數(shù)據(jù)，請在數(shù)據(jù)集中模塊中結束數(shù)據(jù)傳輸過程。第三，通信控制模塊和GSM收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈接。通信控制模塊通過RS-232接口將AT指令發(fā)送到GSM收發(fā)器以進行數(shù)據(jù)傳輸。當響應中斷請求發(fā)送短消息時，首先保護場景并檢測每個標志位，然后根據(jù)檢測到的標志位調用相應的子程序，最后恢復場景中斷返回，如圖3-6所示。在接收數(shù)據(jù)中斷服務例程中，首先根據(jù)中斷服務例程流程對站點進行保護，檢測接收到的字符，