移动通信模块组网及其在电力系统中的应用.docx

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移动通信模块组网及其在电力系统中的应用

移动通信模块组网及其在电力系统中的应用

一、移动通信模块

1.1GSMGPRSModule

GSM模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。

简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。

开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：

发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。

基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。

有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。

早期的GSM模块主要是供手机厂使用，手机厂直接购买模块，配上外围的器件就是可以生产一部手机。

GSM模块解决了手机设计中复杂的射频发送和基带处理问题，并提供了标准的通信接口，厂商不用再从底层的芯片级开始进行手机的设计，缩短了设计周期。

5年前，国内的手机厂家几乎都是购买国外的成品GSM模块进行二次开发生产手机的，近几年，随着国内手机设计公司的逐渐成熟，手机厂家才摆脱对GSM模块的依赖，转为直接从芯片级入手生产手机。

目前，GSM模块依然在广泛的工业应用领域使用，在更行各业都能看到GSM模块应用的产品。

例如，在车载监控领域，使用GSM模块将车辆行驶的GPS数据传输回车辆管理中心；在电力、水务系统，通过GSM模块实现了远程智能抄表，可以实时监控用户的用电和用水量；在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安装了GSM模块实现了实时的监控，不必再人工收集数据；[2]在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警；在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。

可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。

GSM模块根据t提供的数据传输速率又可以分为GPRS模块、EDGE模块和纯短信模块。

短信模块只支持语音和短信服务。

GPRS，可说是GSM的延续。

它经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。

GPRS的传输速率从56K到114Kbps不等，理论速度最高达171k。

相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有更改的访问数据通信速度，GPRS技术还具有在任何时间、任何地点都能实现连接，永远在线、按流量计费等特点。

EDGE技术进一步提升了数据传输的速率到384K-473K，被称为"2.75G"，数据传输速率更2倍于GPRS。

目前，国内的GSM网络普遍具有GPRS通讯功能，移动和联通的网络都支持GPRS，EDGE在部分省市实现了网络覆盖。

GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。

GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。

GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。

普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。

GPRS模块区别于传统的纯短信模块，两者都是GSM模块，但是短信模块只能收发短信和语音通讯，而GPRS模块还具有GPRS数据传输功能。

1.2EDGEModule

EDGE是一种基于GSM/GPRS网络的数据增强型移动通信技术，通常又被人们称为2.75代技术。

2003年一度倍受忽视的EDGE成为移动通信市场的亮点，先后有美国的CingularWireless和AT&TWireless、智利的TelefonicaMoviles、我国香港特区的CSL和泰国的AIS开通了基于EDGE的服务。

与此同时，一些欧洲的移动运营商对EDGE也开始表现出兴趣，其中TIM和TeliaSonera都明确表示将采用EDGE技术。

从技术角度来说，EDGE提供了一种新的无线调制模式，提供了三倍于普通GSM空中传输速率。

另一方面EDGE继承了GSM制式标准，载频可以基于时隙动态地在GSM和EDGE之间进行转换（基于手机的类型），支持传统的GSM手机，从而保护了现有网络的投资。

EDGE网络可灵活的逐步扩容，为运营商实现价值最大化提供了有利的支持。

EDGE（加强型数据GSM环境）是一个更快的全球移动通信系统（GSM）无线服务版本，其被设计为可以以每秒384比特的速度传输数据，并可以传输多媒体以及其它宽带应用程序到移动电话和个人电脑上。

EDGE标准是建立在已有的GSM和单元排列标准之上的，前两者使用了相同的时分多路访问（TDMA）帧结构。

EDGE的技术不同于GSM的优势在于：

（1）.8PSK空中接口模式

（2）.增强型的AMR编码方式（3）.MCS1~9九种信道编码方式（4）.链路自适应（5）.递增冗余传输（6）.RLC窗口大小自动调整

1.3CDMAModule

CDMA模块基于CDMA平台的通信模块，它将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，使其具有发送通过CDMA平台收发短消息、语音通话、数据传输等功能。

CDMA模块可以实现普通CDMA手机的主要通信功能，也可以说是一个“精简版”的手机。

电脑、单片机、ARM可以通过RS232串口与CDMA模块相连，通过AT指令控制模块实现各种语音和数据通信功能。

CDMA技术相对于GSM是一种更先进的移动通信技术，除CDMA辐射小外；在数据传输方面，CDMA20001X也与GPRS在技术上有明显不同，在传输速率上1X几乎是GPRS速度的3-4倍。

因此，主要用于数据传输的工业模块应用领域，CDMA模块比GPRS模块在速率上有明显优势。

但是CDMA模块在工业领域的运用要远远落后于GPRS模块的应用。

主要原因一方面CDMA网络的覆盖和建设不如GSM网络完善，另一方也是因为CDMA模块的成本早期远远高于GSM模块至少2-4倍，使得生产成本高很多。

国内初期，CDMA模块主要是韩国和欧洲公司提供，例如AnyData和Wavecom公司；近两年，国内的华为和中兴业推出了自己的高质量CDMA模块，才使得整体价格下浮。

目前，常见的型号包括华为的EM200[1]、Anydata的DTGS-800和Wavecom的Q2358/2438等模块。

这些模块都具有CDMA1X的数据传输功能，也都内置了TCP/IP通信协议栈。

由于中国电信运营CDMA平台后，带动了业务迅猛增长，使得整个CDMA模块市场也迅速发展起来。

目前，CDMA模块主要应用于移动数据传输领域，包括车辆导航监控、智能抄表、远程数据采集等领域，尤其是在带宽要求比较高的多媒体传输领域，CDMA具有明显的带宽优势。

1.4TD-SCDMAModule

时分-同步码分多址存取（英文：

TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，缩写为：

TD-SCDMA），是ITU批准的三个3G标准中的一个，相对于另两个主要3G标准（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步较晚。

该标准是中国制定的3G标准。

1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（现大唐电信科技股份有限公司）向ITU提出了该标准。

该标准将智能天线、同步CDMA和软件无线电（SDR）等技术融于其中。

另外，由于中国庞大的通信市场，该标准受到各大主要电信设备制造厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以生产支持TD-SCDMA标准的电信设备。

TD-SCDMA在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。

TD-SCDMA由于采用时分双工，上行和下行信道特性基本一致，因此，基站根据接收信号估计上行和下行信道特性比较容易。

此外，TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势，而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点，可以减少用户间干扰，从而提高频谱利用率。

TD-SCDMA还具有TDMA的优点，可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比例，特别适合因特网业务中上行数据少而下行数据多的场合。

但是这种上行下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。

TD-SCDMA是时分双工，不需要成对的频带。

因此，和另外两种频分双工的3G标准相比，在频率资源的划分上更加灵活。

一般认为，TD-SCDMA由于智能天线和同步CDMA技术的采用，可以大大简化系统的复杂性，适合采用软件无线电技术，因此，设备造价可望更低。

但是，由于时分双工体制自身的缺点，TD-SCDMA被认为在终端允许移动速度和小区覆盖半径等方面落后于频分双工体制。

同时，TD只可以在线500人，是个问题。

1.5WCDMAModule

W-CDMA（宽带码分多址）是从码宽带码分多址分多址（CDMA）演变来的，从官方看被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。

WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release99/Release4版本，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。

W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s（对于局域网而言）或者384Kb/s（对于宽带网而言）。

输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。

窄带CDMA使用的是200KHz宽度的载频，而W-CDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。

W-CDMA由ETSINTTDoCoMo作为无线介面为他们的3G网路FOMA开发。

后来NTTDocomo提交给ITU一个详细规范作为一个象IMT-2000一样作为一个候选的国际3G标准。

国际电信联盟（ITU）最终接受W-CDMA作为IMT-2000家族3G标准的一部分。

后来W-CDMA被选作UMTS的无线介面，作为继承GSM的3G技术或者方案。

误解尽管名字跟CDMA很相近，但是W-CDMA跟CDMA关系不大。

多大多小要看不同人的立足点。

在行动电话领域，术语CDMA可以代指码分多址扩频复用技术，也可以指美国高通（Qualcomm）开发的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000（IS-2000）的CDMA标准族。

1.6EVDOModule

其全称为：

CDMA20001xEV-DO，是CDMA20001x演进（3G）的一条路径的一个阶段。

1xEV-DO是一种针对分组数据业务进行优化的、高频谱利用率的CDMA无线通信技术，可在1.25MHz带宽内提供峰值速率达2.4Mbps的高速数据传输服务。

这一速率甚至高于WCDMA5MHz带宽内所能提供的数据速率。

为了在不影响现有网络话音通信的前提下支持高速数据业务，1xEV-DO采用了将语音信道和数据信道分离的方法。

这是因为数据和语音具有不同的特性。

如延时，数据速率对实时性要求低于语音业务；误码率，数据业务对误比特率的要求高于语音业务；前反向非对称，一般而言，前向数据业务（基站到移动台）的速率需求较反向高出数倍。

而语音业务则为严格的对称业务。

1xEV-DO与现有IS-95和CDMA20001x网络兼容，从而很好地保护了IS-95及CDMA20001x运营商的现有投资。

其中，1xEV-DO的码片速率、功率需求、信道带宽与IS-95及CDMA20001X相同；1xEV-DO可沿用现有网络规划及射频部件，基站可与IS-95或CDMA20001x合一，成本低廉。

1xEV-DO的功率控制与软切换的方式与IS-95及CDMA20001x不同，其核心思想是通过动态控制数据速率而非功率，使每个用户以可能得到的最高速率通信。

前向链路使用可变时隙的方式时分复用。

在1xEV-DO中，接入点总以最高功率发送，使处于有利位置的用户得到非常高的速率。

前向信道上,1xEV-DO采用虚拟软切换机制，移动台在同一时刻只接收来自同一接入点的数据。

根据实时的DRC（动态速率控制）信息，基站可快速地相互切换。

同时，基站测量载干比（C/I）并在DRC信道向移动台指示最佳接入点；移动台不断测量导频强度，并不断要求一个与当前信道条件相符合的数据速率。

接入点按当时移动台所能支持的最大速率进行编码。

当用户需求改变及信道条件改变时，动态地确定优化的数据速率。

在反向，1xEV-DO用与IS-95，CDMA20001X相同的软切换技术，移动台发送的信息被多个接入点接收；还有，支持高速分组数据突发。

1xEV-DO采用Turbo编码技术，反向具有连续的导频。

使解调性能得到改善。

此外，CDMA20001xEV-DO采用增强的无线链路协议（RLP），与TCP协议共同减少误帧率。

其强大的空中链路鉴权与加密算法保证了用户的安全。

二、不同生产厂家的GPRS模块比较

2.1西门子的MC39I

产品性能：

双频900/1800MGPRSMODEM模块；执行ETSIGSMPhase2+的标准；类别4（2W@900MHz）；类别1（1W@1800MHz）；外部3V/5VSIM；话音，短信息，传真及数据传输；为特定应用设计的AT命令遥控系统

规格：

54.5x36x3.6mm

重量：

9g

基本特征：

通话或紧急呼叫；最高速率，升级最高速率和半速率；双音多频功能（DTMF）；A5/1&A5/5加密算法

数据特征：

数据线路异步传输和同步可达14,400bits/s；自动传真group3（class1&2）；通话和传真转换；IrDA1.2A协议

供电指标：

3,6VDC1A；通信中平均300mA（0%DTX，Pmax）；空闲时3.5mA

短消息服务：

点对点的MT&MO；短消息区域广播；回复呼叫信息；附加服务/呼叫转移/多方通话/呼叫限制/电话簿/固定号码呼叫；呼叫等待或保持/呼叫线路认证/记费；

红外线SIM数据传输/回声取消/SIM工具包/SIM锁/USSD；Xmodem协议作软件升级；支持文字档UCS2

参考价格：

230元

2.2Wavecom的Q2403A

产品特征：

双频GSM/GPRSMODEM模块；执行ETSIGSMPhase2+的标准；类别4（2W@900MHz）；类别1（1W@1800/1900MHz）；外部3V/5VSIM

供电：

3,6VDC1A；通信中平均300mA（0%DTX，Pmax）；空闲时3,5mA

外部尺寸：

58×32×6mm

重量：

20g（包括屏蔽的）

短消息服务：

点对点的MT&MO；短消息区域广播；回复呼叫信息；附加服务；呼叫转移；多方通话；呼叫限制；电话簿；固定号码呼叫；呼叫等待或保持；呼叫线路认证记费；红外线SIM数据传输；回声取消；SIM工具包SIM锁；USSD

基本特征：

通话或紧急呼叫；最高速率，升级最高速率和半速率；双音多频功能（DTMF）；A5/1&A5/5加密算法

数据特征：

Q2403A（支持class2），下载26.8kbits/s，上传13.4kbits/s；Q2406A（支持class10），下载53.6.8kbits/s，上传26.8kbits/s；数据线路异步传输和同步可达14,400bits/s；自动传真group3（class1&2）；通话和传真转换；IrDA1.2A协议；GPRSWAP

接口：

单一天线接口（for900/1800）；SIM3V/5V和SIM检测

电源接口：

为数据操作；RS232C串口线；通过AT指令控制；波特率从300到115,200bits/s；自动速率从2,400到19,200bits/s

参考价格：

180

2.3华为的GTM900C模块

兼容GTM900B模块，更低功耗:

支持EGSM900/GSM1800MHz双频；

尺寸：

56.5x36x3mm；

重量：

10g；

工作温度：

-30-+75℃；

电源电压：

3.4-4.7V；

平均待机电流：

3.5mA（DRX=5）；

关机漏电流：

50uA；

支持GSMPhase2+及华为GT800协议；

指令：

GSM标准AT命令、V.25AT命令、华为扩展的AT命令；

提供电源接口、模拟音频接口、标准SIM卡接口和UART接口；

支持语音业务、短消息业务、GPRS数据业务和电路型数据业务；

具有来电显示、呼叫转移、保持、等待、三方通话功能；

具有集群功能和STK功能；

符合ROHS环保认证要求。

参考价格：

140

2.4摩托罗拉的G24

功能描述：

MotorolaG24是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块,支持四频850/900/1800/1900MHZ,以先进的技术,稳定的性能实现了M2M的高速无缝连接,内置TCP/IP协议线,支持JAVA,加速和方便了客户的开发过程。

硬件配置：

支持USB2.0全速/UART,自动BRfrom300-115kbps,两个UARTs用于AT命令和数据。

电源电压：

3.3-4.2V

尺寸：

24.4×45.2×6.0mm

重量：

10.1g

参考价格450

2.5SIMCOM的SIM300S

双频GSM900/1800MHz或四频GSM850/900/1800/1900MHz，GPRSmulti-slot（Class10/8）标准，GPRSmobilestation（ClassB）标准，满足GSM2/2+标准Class4（2W@850/900MHz）、Class1（1W@1800/1900MHz）

尺寸：

40mmx33mmx2.9mm

重量：

8克

AT命令控制（GSM07.07,07.05和SIMCom增强型AT命令集），支持STK

支持电压范围：

3.4-4.5V，支持低功耗模式

正常工作温度：

-20°C至+60°C

限制工作温度：

-30°C至-20°C和+60°C至+80°C

存储温度：

-40°C至+85°C

传真指标：

Group3,class1

数据传输指标：

支持PBCCH；GPRSClass10：

最大85.6Kbps（下行速率）；PPP-stack；CodingschemesCS1,2,3,4；CSD达14.4Kbps；USSD；非透传。

GSM短信指标：

点对点MO和MT；短信广播；文本和PDU模式

语音指标：

Tricodec：

半速速率（HR）；全速速率（FR）；增强型全速速率（EFR）；免提功能（回音抑制）

AMR：

半速速率（HR）；全速速率（FR）

接口：

支持SIM3V/1.8V接口；二个模拟音频接口；支持RTC；全功能UART接口和debug接口；LCD接口；键盘接口；天线连接器和天线焊盘

参考价格：

150

比较分析以上数据，容易看出华为的GTM900C模块的性价比较高。

三、移动数据通信组网方式

组网技术中需要解决的五个方面的问题：

（1）对于给定的频率资源，大家如何来共享。

（2）覆盖技术的问题

（3）移动通信采用什么样的网络结构

（4）如何解决移动性管理的问题

（5）在移动通信网中应采用什么样的信令系统。

常规的多址方式有三种：

频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。

空闲信道的选取方式主要可以分为两类：

一类是专用呼叫信道方式；另一类是标明空闲信道方式。

专用呼叫信道方式适用于大容量的移动通信网，是公用移动电话网所用的主要方式。

我国规定900MHz蜂窝移动电话网采用专用呼叫信道方式。

标明空闲信道方式可分为：

循环定位、循环不定位、标明多个空闲信道的循环分散定位、标明多个空闲信道的循环不定位。

时分多址：

是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时系。

在频分双工（FDD）方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率山。

在时分双工（TDD）方式中，上、下行帧都在相同的频率上。

TDMA系统既可以采用频分双工（FDD）方式，也可以采用时分双工（TDD）方式。

在TDMA系统中，每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要问题：

一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。

码分多址是以扩频信号为基础的，利用不同码型实现不同用户的信息传输。

常用的扩频信号有两类：

跳频信号和直接序列扩频信号。

对应的多址方式为跳频码分多址（FH－CDMA）和直扩码分多址（DS－CDMA）。

基站的两种激励方式：

中心激励、顶点激励。

信道分配的方式主要有两种：

一是分区分组配置法；二是等频距配置法。

分区分组配置法的缺点：

主要出发点是避免三阶互调，但是未考虑同一信道组中的频率间隔，可能会出现较大的邻道干扰。

为了进一步提高频率利用率，使信道的配置能随移动通信业务量的地理分布的变化而变化，有两种办法：

一是“动态配置法”、二是“柔性配置法”。

HLR中存储的用户信息分为两类：

一类是有关用户的参数信息、另一类是有关于用户当前位置的信息。

信令：

和通信有关的一系列控制信号的统称。

信令的作用：

保证用户信息有效且可靠地传输。

信令的分类：

一种是用户到网络节点间的信令（称为接入信令）；另一类是网络节点之间的信令（称为网络信令）。

越区（过区）切换：

是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。

越区切换包括三方面的问题：

（1）越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换。

（2）越区切换如何控制。

（3）越区切换时的信道分配

越区切换分为两类：

硬切换、软切换。

越区切换的准则：

（1）相对信号强度准则

（2）具有门限规定的相对信号强度准则

（3）具有滞后余量的相对信号强度准则。

位置管理包括两个主要的任务：

位置等级、呼叫传递。

动态位置更新策略有三种：

基于时间的位置更新策略、基于运动的位置更新策略、基于距离的位置更新策略。

以GPRS模块为基础的移动通信数据组网方式：

（1）中心采用主副GPRS-DTU，采用移动APN专网固定IP

此种方案客户先与移动申请APN专网业务。

移动为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。

用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。

得到APN后，给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。

此种方案中心也像方案二一样采用主副两个GPRS-DTU作接收端，冗余备份。

但此种无需DNS解析，本身具有移动内网固定IP，稳定性增强；且所有数据都在移动GPRS的APN内网传输，无需经过公网，安全性增强。

此种方案无需负担宽度专线月租费用，性价比合理。

（2）中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP

此种方案客户中心通过一条2MAPN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。

为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。

用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。

得到APN后，给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。

移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。

双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

此种方案有较高的时时性，安全性和稳定性较，适合于安全性要求较高、数据点比较多、时时性要求较高的应用环境。

四、移动通信模块在电力系统中的应