基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现图文.docx
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基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现图文
武汉理工大学
硕士学位论文
基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现姓名:
李自刚
申请学位级别:
硕士
专业:
通信与信息系统
指导教师:
聂明新
20090501
摘要
随着通信技术飞速发展和直放站的广泛应用,直放站监控系统在实时监测直放站的工作状态和远程控制方面发挥了重大作用,然而当前的直放站监控系统多采用单片机作为主控制器,通过GSM网络或PSTN网络传输监控数据,随着直放站监控系统日益复杂化,目前的直放站监控系统显得处理速度慢,处理的任务有限,远程传输数据效率不高;为了改善当前直放站监控系统现有的这些缺点,采用新的主控制器ARM7系列芯片,利用新的传输数据技术GPRS,设计并实现了一款光纤直放站监控系统。
在充分研究当前直放站监控系统发展现状和实现技术的基础上,根据《中国移动直放站监控系统数据需求规范》对监控参数和功能设置的要求,论证了光纤直放站监控系统的整体设计方案和监控终端的实现架构,选择了PHILIPS的ARM7芯片LPC2134作为主控制器,选择了SIMCOM300作为远程通信模块;详细介绍了光纤直放站监控系统监控终端的硬件电路设计,阐释了监控终端嵌入软件的设计思路流程,分析了如何把嵌入式软件开发技术和GPRS远程数据传输的技术运用到项目实践中去,说明了监控系统中所用的通信协议,并且利用vC++开发环境,采用SOCKET网络编程技术和ADO数据库开发技术,设计了光纤直放站监控系统监控中心应用软件。
经过实验验证,该设备运行结果良好,提高了光纤直放站的稳定性和可靠性,光纤直放站监控系统监控终端处理任务的能力得到增强,远程传输数据速度变快,传输数据所耗费用降低,为光纤直放站系统的监控提供了一种新的设计实现。
关键词:
光纤直放站直放站监控系统GPRS嵌入式系统
Abstract
Withthefastdevelopmentofcommunicationtechnologyandwideapplicationofrepeater,monitorsystemoffrepeaterhas
takenaimportantpartinmonitoringoperatingstateandremotecontrol,however,current
monitorsystemofrepeaterusuallytooksinglechipmicrocomputer
asmaincontroller,transferreddatabymeansofGSMandPSTN;withmorcandmorccomplexfunctionofrepeater,thecurrentmonitorsystemofmonitoralsoshowssomedisadvantage,suchasslowspeedofdataprocessinganddatatransferring;Inordertoimprovethedisadvantageofthe
currentmonitorsystemofrepeater,basedonARMcontrolplatformandGPRStechnology,thefiber-opticrepeatermonitoringsystemwasdesigned.
Basedondepthinvestigationofdevelopingstatusandtechnicalrealizationofthecurrentmonitorsystemoffiberrepeater,accordingtotechnicalSpecificationofmonitorsystemofchinamobile,operatingprincipleandintegralarchitectureofmonitoringsystemoffiber-opticrepeaterwereintroduced;LPC2134
wasusedasMCUandSIMCOM300Wasusedastelecommunicationmodule;itshardwaresystemandperipheralinterfacecircuitwereanalyzed,itssoftwaresystemandprocesswerediscussed,itsapplicationsoftwarewasdesignedbymeansofVC++6.0basedonSOCKETandADO.
Thedeviceoperateswellunderexamination,ithaslowcostofcommunicationandmanipulatesdataandtransfersdatafast,itoffersanewwayformonitoringthefiber-opticrepeater.
Keywords:
fiber-opticrepeater;repeatermonitoringsystem;GPRS;Embeded
system
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独创性声明
本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:
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冱弘l关于论文使用授权的说明
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学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。
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（保密的论文在解密后应遵守此规定
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导师签名:
坳日期:
2竺拿:
墨:
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第1章绪论
绪论从直放站监控系统出现的背景着手,介绍了直放站的概念和基本组成,分析了直放站监控系统的组成和工作原理以及发展历程,研究了当前直放站监控系统的研究现状,进而提出本文研究的课题内容和意义。
1.1课题研究背景
随着计算机和通信技术的飞速发展,移动通信经历了从模拟通信向数字通信的转变,当前又进入了3G时代,移动通信在人们的日常生活和工作中正发挥着不可替代的作用。
然而无论何种通信手段,其覆盖区域都会有信号弱区和盲区,为了提高信号质量,通常要在这些区域来架设一组模拟或数字基站,但是这样成本太高并且基础设施也很复杂,于是提供一种低成本、架设简单、具有小型基站功能的经济有效的设备——直放站就应用而生Ill。
直放站是基站（BS与移动台（MS之间的中继转发器,属于同频放大设备,是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备,其基本功能就是一个射频信号功率增强器【21。
作为实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一,直放站可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖,并且造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统;作为解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案,与基站相比它有结构简单、投资较少和安装方便等优点,被广泛应用于信号移动盲区和弱区,如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所,直放站大大提高了通信质量,解决了掉话问题,优化了无线通信网络【31。
根据信号传输方式的不同,移动通信直放站被分为无线射频直放站和光纤直放站,其中光纤直放站组成示意如图1-1所示。
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（直放站近端机
…一…一一
图1.1光纤直放站组成示意图
光纤直放站是通过射频信号和光信号的相互转换实现中继功能,它包括直放站近端机、直放站光远端机、光纤三部分,近端机多位于基站端,通过有线方式介入微蜂窝系统,远端机位于信号覆盖端,完成信号的接收与发送,近端机和远端机包含有光射频转换单元、功率放大器、滤波器和低噪声放大器组成的射频单元,远端机和近端机通过光纤连接14l。
光纤直放站工作过程分上行与下行两部分,下行信号处理过程为:
下行电信号以有线接入方式从微蜂窝引入,经环形双工器消除上下行信号之间的串扰、滤波器滤波后进入近端光发盘,近端光发盘将电信号转变为强度光信号,然后通过光缆送至各远端机;远端机的光盘将近端机传来的下行光信号变换为电信号,电信号经功放放大后由重发天线发射至目标覆盖区域空间供移动终端接收;上行信号处理过程与下行相似【5J。
作为一种经济有效的网络覆盖设备,直放站得到了广泛的推广应用,然而,这些直放站数量庞大、分布广泛,通信设备供应厂家众多,早期的直放站安装到选定地点后,工程师会现场设置好设备工作参数,调试无误后交付使用,如果需要调整工作参数,必须由工程师重新回到现场更改设置参数,更为严重的问题是,电信运营商无法掌握众多直放站的实际工作状态,如果某台直放站由于某种原因出现故障,无法正常工作,运营商并不能及时发现,只能等到手机用户发现自己的手机无法搜寻到网络或网络信号过于微弱而无法通信而向电信运营商提出投诉后,电信运营商才会发现相应的直放站未能J下常运行,然后再向该直放站设备的通信设备供应商发出故障通知,最后设备供应商派人到现场检查并修复设备,恢复网络功能,这样的故障发现和处理方式,是以牺牲最终服务质量为代价的,导致用户对电信运营商的无线通信服务质量不满意,从而降低了电信企业的客户竞争力。
于是在这样背景下,直放站监控系统开始被研究和设计【引。
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1.2课题研究目的和意义
为了实现直放站系统的智能化,弥补当前直放站监控系统的诸如处理事务速度慢等缺陷,丰富和完善直放站监控系统,通过与开发生产智能射频光模块和射频功率放大器的深圳国扬通信技术有限公司合作,借助于他们在直放站配套器件的研究方面积累了丰厚的经验,按照《中国移动直放站综合监控系统设计规范》对监控参数和功能设置的要求,采用ARM7系列处理器作为主控器设计了监控系统终端,使用GPRS网络和本地串口作为通信信道,设计了监控中心监控应用软件,开发了一套光纤直放站监控系统。
本课题的提出有现实的需求性,可以很好改善无线通信服务质量,提升我国直放站监控的技术水平,对确保直放站的正常运行和维护都有重要作用,为更好的配合当前和未来各种移动通信系统的建设做出贡献具有突出意义。
1.3课题研究的发展历程和现状
直放站监控系统主要用来监控直放站内部各种射频模块工作参数、环境和故障情况,如功率放大器、选频模块等,一般由直放站监控终端、通信信道和监控中心组成。
监控终端是安装在直放站内部的监控电路,主要功能包括设备上电初始化与自检,本地信号的采集、控制和处理,与网管监控中心数据交换等;通信信道完成监控单元与网管监控中心的物理连接,监控中心完成对整个直放站网络的监控,包括配置管理、操作维护、故障告警、性能管理和安全管理等信息处理。
一般直放站监控系统基本组成如图1.2所示。
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图1.2直放站监控系统组成示意图
1.3.1课题研究的发展历程
监控中心
直放站监控系统从产生至今发展,大致经历了以下四个阶段。
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（1第一阶段:
简单的本地调测阶段
80年代末期,由于直放站生产时对各项指标调测的工作量很大,生产车间对于自动化需求的迫切使得监控系统开发成为必须。
最初的监控系统以电缆直连作为主要通信方式,完成生产测试环节和工程开通时简单的参数调测,这是直放站网管监控系统最基本的雏形。
如图1.3所示。
l监控中心
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直放站图1.3简单本地调测
图1.4基本远程监控示意图（2第二阶段:
基本的远程监控阶段90年代中后期,随着越来越多直放站工程开通,需要一种有效的管理方式实现远程参数调测与报警,第二代监控系统应运而生。
该阶段网管中心和直放站之间主要以9.6kbps的异步电路交换型无线数传业务作为通信方式,通过自定义协议交换数据,管理的直放站主要是自己厂家的GSM设备。
由于数传业务的限制,能够管理的设备数量非常有限。
具体结构如上图1-4所示。
（3第三阶段:
统一网管监控阶段
本世纪初,移动通信发展迅猛,在大量使用直放站的同时,由于维护成本的日益增加,对直放站的日常维护管理也开始引起运营商关注,集中监控也同趋必要。
某些直放站厂家开始关注统一网管系统,其目的是为运营商提供集中式解决方案,将众多厂家的设备在同一个平台上集中监控,这一阶段的统一性主要体现在:
多个网络统一管理（GSM900/DCS1800/CDMA800,多种设备统一监控（GSM/CDMA直放站、室内分布系统等,多种协议统一接入（快速接人多厂家、多协议、多机型设备,多种功能统一使用（远程监控、自动巡检、故障处理1。
这一阶段监控系统组成如图1.5所示。
4
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图1.5统一监控网络管理示意图
（4第四阶段:
综合网管监控阶段
随着直放站建设规模的扩大和运营商运营维护模式的发展,单机操作模式的网管监控中心已不能满足实际运营要求。
因此在该阶段网管中心的组成结构与功能都发生了变化,由一个单纯的单机版软件演化到由多个相对功能独立部分组成的综合系统,并具备了典型的网络结构,嵌入了初步的企业资源管理思想,力图将直放站建设相关的信息管理纳入到网管系统,并考虑到与运营商实际运营模式的结合,增加了较多维护管理、工程管理、资产管理等综合性管理的内容,引入了电子地图,将直放站与基站等主设备之间组成网络系统管理。
这一阶段的综合网管结构如图1-6所示ITl。
图1-6综合网管结构示意图
1.3.2课题研究的国内外现状
从目日订来看,国内外生产直放站的企业有很多,如武汉虹信、上海欣民、沈阳奥维、广州京信、阿尔创等,其中广州京信生产的监控系统在功z月*匕l--,和操作方便性方面更具特色,市场占有率也较高。
虽然这些公司的直放站监控系统各有特色,但总体来讲,大多数直放站监控系统仍采用控制终端、通信信道和远
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端监控中心三部分组成模式,控制终端多采用单片机作为处理器【8l,也有少量用户使用了DSP作为处理器【9】,监控终端采集了直放站内部其他模块的现场数据,然后利用移动GSM公网或公用电话网（PSTN以短消息或语音数据的形式把现场信息发送到监控中心,或者把监控中心发送的命令信息通过GSM公网传到控制终端,以达到对直放站的控制和监控。
监控中心主要是使用VB开发的监控应用软件,现在也有很多厂家开始采用JTEE开发了基于Web的应用软件,并且集成了电子地图、统计分析等工具,可以说,在监控中心应用软件开发方面,技术已经比较先进。
随着通信网络的日益庞大和用户的需求提高,采用以前的直放站监控系统随之暴露出来一些问题,一是由于采用单片机作为处理器,以使监控系统处理事务相对较少,容易出现突然死机的现象,难以满足现在网络的需求。
二是采用短消息形式传输数据,费用成本相对较高,并且数据流量不大,传输速度较慢。
三是由于GSM是电路交换型数据业务,不能实现与因特网的互连,不能实现长期在线,不能满足用户利用移动终端接入Interact或其它分组数据网络的需求。
1.4本文的工作内容
在本文设计的直放站监控系统中,从监控系统终端硬件电路的设计、监控系统终端嵌入式软件的开发、监控中心的应用软件、数据库系统的设计、到GPRS远程通信模块软件开发以及通信协议的制定都是自主研发,实现了《中国移动直放站综合监控系统设计规范》相关要求,具体所做工作如下:
（1广泛调研国内外直放站监控系统的发展状况,根据课题情况和《中国移动直放站综合监控系统设计规范》要求,进行光纤直放站监控系统的功能分析。
（2充分比较当fi{『嵌入式控制器的资源优势和劣势,采用PHILIPS公司ARM7系列芯片LPC2134处理器,根据功能需求,设计直放站监控系统的硬件电路,并完成调试工作。
（3研究GPRS传输数据的规律,学习使用GPRS模块丌发传输数据的技术,采用了SIMCOM公司SIMCOM300远程通信模块进行远程数据传输。
（4根据嵌入式软件设计要领,开发了直放站监控终端底层软件。
（5充分利用VC++6.0开发工具设计应用软件的优势,结合当前主流数据库系统SQLServer2000,丌发了直放站监控系统上位机软件。
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第2章光纤直放站监控系统需求分析和总体设计
本章将从直放站监控系统的功能需求、方案设计、处理器和远程通信模块选型、以及所设计监控系统的技术特点等几个不同的方面对直放站监控系统进行了总体分析和介绍。
2.1功能需求分析
直放站监控系统是对直放站设备进行远程监控维护的管理系统,其功能需求主要包括配置管理功能、操作维护功能、故障告警管理功能和安全管理功能四个部分【lol,详述如下:
（1配置管理功能
在新建直放站网元的情况下,能够创建网元的基本信息,创建的配置信息应包括站点基本信息如施主小区信息、设备生产厂家、设备类型、设备编号、电话号码\站点等级、站点描述等,参见数据集等。
在直放站配置信息发生变化情况时,要求通过一定策略实现监控中心配置数据的及时更新;在直放站设备需要被搬迁、拆除和更换情况时,能够删除其网元配置的基本信息以及与其相关信息。
（2操作维护管理功能
提供对直放站设备网元所有信息的查询功能,如网元的配置信息、参数信息、告警信息等;提供对直放站设备配置参数的数据修改功能,如对功放开关、信道频率、增益、门限的远程控制功能;提供对包括对设备的配置参数、性能参数、工作状态进行定时轮询并把需求信息保存到数据库中的功能。
（3故障告警管理功能
提供对直放站故障告警信息进行集中监视和管理。
能够实现对告警数据的实时采集和集中监视,对告警信息进行分类并能够存储告警同志,以辅助运维人员和值班人员快速地发现网络问题和定位故障。
（4安全管理功能
主要是负责接入和授权管理及对全网安全起保证作用,包括创建和删除用7
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户和用户组,修改用户和用户组的属性信息（名称、密码等,对申请登录的用户进行身份认证,管理系统访问日志、系统操作日志和定时轮询日志的记录【l¨。
（5本地和远程通信功能
直放站监控终端需要提供本地通信和远程通信接口,使直放站设备可通过数传、短信、GPRS等其中一种或多种承载方式接入上级网管系统。
以达到对直放站无人职守监控的目的。
2.2监控数据分析
根据《中国移动直放站监控系统数据需求规范1.0》的要求,结合在上节中介绍的直放站监控系统基本功能需求,对不同的直放站,如选频直放站、宽带直放站、移频直放站等;其需要采集和监控的数据也有所不同;从本课题研究的光纤直放站角度讲,需要监控的数据分类如下【12l。
表2-1网络参数
数据类型
序号名称备注
（字节数
1设备信息:
设备类别整数（1
2站点编号整数（4
3设备编号整数（1
4联系电话字符串（20可选
5奄询/设置号码字符串（20
6联系人字符串（20
7监控中心IP地址及端口号整数（6
8上报通信方式整数（1
9日期、时间时间可选
8
表2.2采集参数
数据类型
序号名称备注（字节数
1检测功放反向功率有符号整数（1
2检测的功放前向功率有符号整数（1
3功放ALC值有符号整数（1可选4功放驻波比有符号整数（1
5功放ATr整数（1
6功放温度浮点数
7光模块发光功率有符号整数（1可选8光模块收光功率有符号整数（1
9低噪放ATr值整数（1
10LNA输出功率有符号整数（1
11低噪放ALC值有符号整数（1
12模块输入功率有符号整数（1可选12模块输出功率有符号整数（1可选表2.3设置参数
数据类型
序号名称备注（字节数
1功放开关布尔弛
2功放过温门限有符号整数（1
3发光告警门限浮点数
4收光告警I’J限有符号整数（1
6功放过功率门限有符号整数（1可选7功放欠功率I、J限有符号整数（1
9
表2.4告警参数
序号名称数据类型备注
1电源掉电告警布尔型
2电源故障告警布尔型
3门禁告警布尔型可选
4功放过温告警布尔型
5上行功放故障告警布尔型
6下行功放故障告警布尔型
7上行低噪放故障告警布尔型
8下行低噪放故障告警布尔型
9上行功放过功率告警布尔型
10下行功放过功率告警布尔型
11上行功放欠功率告警布尔型
12下行功放欠功率告警布尔型
13上行功放驻波比告警布尔裂可选
14上行功放驻波比告警布尔型
15光收无光告警布尔型
16光发无光告警布尔型
2.3关键技术考虑
2.3.1嵌入式处理器选型
根据对光纤直放站监控系统的功能和监控数据的分析,在直放站监控终端处理器的选型上,面临着以下选择:
一、采用传统的单片机CF8051为主控制器,二、采用以耵公司TMS320C2000系列DSP为主控制器,三、采用韩国SamSung公司、美国ATMEL公司、PHILIPS公司的ARM7系列微控制器作为主控制器,下面分别从功能、性能、价格、存储起资源数量、操作系统支持、供货稳定几个方面加以选择【13J。
从性能和价格方面考虑,当前单片机多是8/16位控制器,DSP和ARM都是32位处理器,在处理速度上后两者显然占有无可比拟的优势,而随着芯片制造技术的提高,成本也越来越低,单片机的以往价格优势也不在明显;从这两方面考虑看,在处理器的选型上,我们以DSP和ARM为主要选择范围。
从功能角度考虑,DSP系列处理器更偏重于对数字信号的处理和运算;10
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Samsung公司ARM系列主要面向通信产品和PDA等应用,没有工业级芯片;而直放站监控系统的终端多位于恶劣环境中并且处理数据容量较大,显然这两个系列的处理器不太适合直放站监控终端的开发。
而ATMEL公司和PHILIPS公司的ARM7系列产品都有适合工业控制的芯片,并且在业界具有很高知名度,所以在处理器的选型上,我们只能在这两个公司的产品中取舍。
从IC资源角度考虑,ATMELMCU的Flash通常比PHILIPS的容量大,但PHILIPS将FLASH存储器与处理器核集成在同一个管芯当中,而ATMEL将一个单独的FLASH芯片与处理器集成在一个多芯片封装当中。
这对存储器性能、功耗以及价格有着很重要的影响;在ATMEL的MCU当中,Flash接口的宽度只有32位,而不是PHILIPS的128位宽度,访问时间大约110ns,只有PHILIPSFlash存储器速度的一半。
另外PHILIPS的0.18微米嵌入式FlashI艺的另一个优点是实现了较小的芯片,这样不但降低了功耗,减小
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