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1、【标题】嵌入式 GSM 通信模块的设计与实现 【作者】邹抗 【关键词】短消息 TC35I SIM 卡 AT 指令 PDU 模式 【指导老师】朱斌 【专业】物理学 【正文】 1 绪论 1.1 课题背景 GSM 模块是继 GSM 手机外又一种非常重要的 GSM 移动通信系统终端设备。GSM 模块 在短信方面的应用最具优势，具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广 等特点，特别适用于需频繁传送小流量数据的应用，实现无线数据的双向传送、 无线远程检测和控制等，SMS(Short Message Service)短信息服务是 GSM(Global System for Mobile Communic
2、ation)系统中提供的一种 GSM 终端(手机)之间，通 过服务中心（Service Center）进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完 成信息的存储和转发功能1。GSM 模块是传统调制解调器与 GSM 无线移动通信系统相结合的一种数据终端设 备，因此也叫无线调制解调器。它的出现给 GSM 的发展注入了新的活力，改变了 传统的以话音为主的通信手段，打开了 GSM 网络数据通信及其应用的大门。所以 在应用上，凡是使用调制解调器的地方大多数可以用 GSM 模块代替。随着 GSM 移 动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，GSM 模块作为一种主要的 GSM 网络接入 设备，已得到越来越多的系
3、统制造商和系统开发商的重视，基于它的各种应用也 蓬勃发展起来。同时，由于调制解调器必须通过 PSTN 或者其他专用通讯网进行通 信，因而受地域、线路等影响，在应用上有很大的局限性，而 GSM 模块则无此限 制。以此为基础，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用，如数据采集系统、 GPS/GSM(SMS)移动车辆监控定位系统、移动 POS 机、移动收费系统、移动性数据 和 Internet 接入、机房监控、远程维护系统、移动性数据查询证券交易和信息查 询系统等。在此基础上，对软件和硬件加以改动还可以实现许多其他功能，信息 内容不一定是文字内容，也可是地图、图画或其他视频内容2。 由于 GSM 网络
4、在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无 需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护 费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本 大，维护费用高，而且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。因此，比起 传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势。利用 GSM 短信息系统进 行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的 通信提供了一个强大的支持平台。 1.2 国内外研究现状随着移动通信技术的发展，移动终端普及应用程度越来越高，而基于短消息 的增值服务的前景越来越光明：第一，手机、PDA(个人
5、数字助理)等移动终端越来 越智能化，其性能不断提高，价格不断降低。第二，一个标准化的环境正在完善，跨平台的通信方式令移动电话和互联网的联系愈加紧密，基于互联网的大量信息 资源可以很方便地被引入移动通信终端：短消息基于移动通信网络，使得移动网 络不仅可以传送音频，也可以传送数据，它的特点是建立在移动通信网络上的随 时随地无线化、智能化的交换信息。所以短消息得到了广泛的应用。 虽然 SMS 以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数 据服务，在内容和应用方面存在技术标准的限制。但是由于短消息的增值业务实 施相对简单、费用低和移动通信网络设施优点，随着 GPRS 网络的完善，MM
6、S 多媒 体短消息服务的开展和国际 3G 标准的施行，必将促使短消息在其他行业的应用得 到更广泛的发展。 GPRS 是通用无线分组业务(General Packet Radio System)的英文缩写。GPRS 可 以充分的利用现有的移动通讯网络，即在现有的 GSM 网络上增加一些硬件设备和 软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，相当于在现有的 GSM 网络基础上叠加 了一个新的网络。它是以分组交换技术为基础，采用 IP 数据网络协议，使现在 GSM 网的数据业务突破了最高速率为 9.6Kbit/S 的限制，最高的数据传输可以达到 171.2Kbit/s，实际的传输速率为 30Kbps 到
7、50Kbps 左右。巨大的吞吐量改变了单 一的面向文本的无线应用，使得包括图片、话音和视频的多媒体业务成为现实。 GPRS 开通入网后处于常在线，通信速率和畅通率很高，且费用按照信息流量计算， 费用较 GSM 更低。 1.3 论文结构我们知道 GSM 通信模块被应用在许多的领域中，因此，本设计将使用单片机 控制 GSM 模块收发短信这一应用完成车载 GPS 定位数据的传输，全文详细阐述了 它的硬件与软件设计，在第二章中详细的介绍 GSM 通信原理以及 GSM 短消息介绍， 第三章讲了嵌入式 GSM 通信模块的硬件设计方案，第四章介绍了它的软件设计部 分。 1.4 本章小结 由于有线 Modem
8、 的通信方式的局限性，以及随着 GSM 移动通信网络的迅速普 及，利用 GSM 模块实现基于短消息的数据传输成为重要的远程数据传输解决方案。 本系统设计使用手机模块代替手机来实现与短消息中心的联系，从而实现短消息 的发送与接收。使用手机模块利于系统集成，成本较低，而使用手机虽然也可以 实现相应功能，但是需要外加数据线，成本相当高。 2 GSM 通信原理概述 2.1 GSM 网络体系结构GSM 移动通信系统是基于 TDMA 的数字蜂窝移动通信系统。GSM 是世界上第一个 对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。GSM 是为了解决欧洲第一代 蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在 GSM
9、之前，欧洲各国在整个欧洲大陆 上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲 进行通信。另外由于模拟网本身的弱点，使得它的容量也受到了限制。为此欧洲 电信联盟在 1980 初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即现在被人们 称为 GSM 的系统3。如今 GSM 移动通信系统已经遍及全世界，即所谓“全球通”， 目前我国的移动通信网就是以 GSM 系统为基础的移动网络系统。GSM 移动通信系统是一种典型的基于 TDMA 的数字蜂窝移动通信系统，GSM 系 统总体结构由以下功能单元组成： 1移动台(MS)：它包括移动设备(ME)和用户识别模块(SIM)。根据业务的状况，
10、 移动设备可包括移动终端(MT)，终端适配功能(TAF)和终端设备(TE)等功能部件。2基站子系统(BSS) 基站(BTS)：为一个小区服务的无线收发信设备。1) 基站控制器(BSC)：具有对一个或多个 BTS 进行控制以及相应呼叫控制的 功能，BSC 以及相应的 BTS 组成了 BSS(基站子系统)。BSS 是在一定的无线覆盖区 中，由移动业务交换中心(MSC)控制，与 MS 进行通信的系统设备。功能如下：a. 接口管理。b. BTSBSC 之间的地面信道管理。c. 无线参数及无线资源管理。d. 测量和统计。e. 切换。2) 基站发信台(BTS)：受控于基站控制器(BSC)，属于基站子系统(
11、BSS)的无 线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现 BTS 与移动台(MS)空中接口的功 能。BTS 主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。基带单元主要用于话音 和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机 间的耦合；控制单元则用于 BTS 的操作与维护。BTS 中存储编码算法 A5 和密钥 Kc，用于解密接收到的密文形式的用户数据和信令数据(包括解密)。 3网络子系统(NSS) 网络子系统主要包含 GSM 系统的交换功能和用户数据系统新管理、安全性管 理所需的数据库功能，它对 GSM 移动用户之间的通信和 GSM 移动用户与其他通信 网用户之间的通信起
12、着管理作用。NSS 由一系列功能实体构成，整个 GSM 系统内部， 即 NSS 的各功能实体之间和 NSS 与 NSS 之间都通过符合源 CCITT 信令系统 No.7 协 议和 GSM 规范的 7 号信令网络互相通信。1) 移动业务交换中心(MSC)：对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、交 换的功能实体。2) 拜访位置寄存器(VLR)：MSC 为所管辖区域中 MS 的呼叫接续，所需检索信 息的数据库。VLR 存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处位置区 的识别，向用户提供的服务等参数。3) 归属位置寄存器(HLR)：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动 用户都应在其归属位
13、置寄存器注册登记。HLR 主要存储两类信息，有关用户的参数 和有关用户目前所处位置的信息。4) 设备识别寄存器(EIR)：存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对 移动设备的识别、监视、闭锁等功能。5) 鉴权中心(AUC)：认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数(随机数 RAND， 符号响应 SRES，密钥 Kc 的功能实体。4操作支持子系统(OSS) 操作维护系统中的各功能实体。依据厂家的实现方式可分为无线子系统的操 作维护中心(OMC-R)和交换子系统的操作维护中心(OMC-S)4。 2.2 GSM 短消息简介 2.2.1 短消息定义短消息业务分为两种：一种是点对点短消息(SMS-PP)，
14、在用户之间传送信息； 另一种是小区广播短消息(SMS-CB)，类似于现在的寻呼，定期在一定的区域内重 复广播交通流量、天气状况等信息。不同于寻呼机的是短消息是一种双向通信， GSM 系统提供的短消息业务可以让网络端知道被叫方是否收到所发的消息；如果传 送失败，被叫方没有回答确认消息，网络会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能够被叫通时，就可以重发消息以确保被叫方能够收到，而且主叫方还能够知 道发送是否成功。由于这些特点以及费用低廉，短消息业务获得了广大用户的青 睐，同时也成为了现代个人通信中一种不可缺少的方式。 短消息通信仅限于一个消息，换言之，一个消息的传输就构成了一次通信。因此， 业务是非
15、对称的，一般认为移动起始短消息传输与移动终接短报文传输是两回事。 这并不阻碍实时对话，但系统认为不同的消息彼此独立，消息的传输总是由处于 GSM 外部的短消息服务中心(SMSC)进行中继，消息有目的地或起源地，但只与用户 和 SMSC 有关，而与其他 GSM 基础设施无关。 短消息提供了一种小数据量(不大于 140 个 GSM 短消息功能字节十六进制数)低成 本、高可靠性的方便快捷通信方式。它是利用 GSM 系统通信令信道的空闲带宽， 在电话拨号的同时，把消息发送到 GSM 的基站，再由短信中心处理存储发送到接 收方。发送方不须等待接收方准备就绪，只要和基站联络好即可发送短信，基站 收到后会自
16、动与发送方确认，再发送给接收方确认，发送短消息的费用很低。 正常情况下完成一次短信的发送时间大约 20 秒，但短信中心在向下发送时如遇基 站忙，将把短信推后发送，头一次是几分钟，越往后推迟时间越长，因此在利用 GSM 发信时，要考虑畅通率与移动网业务是否繁忙有关，不过在大多数情况下畅通 率可达 98%，短消息能否成功发送还与终端所在地信号场强有关。 GSM 通过话路在需要传输大量数据时十分适用，通过申请数据传输功能，可采用终 端接 GSM 手机，中心可用普通电话机，一半是无线一半是有线的方式。 2.2.2 GSM 短消息体系结构 GSM 标准中定义的点一点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之间 传递。这些服务中心是通过称为 SMS-GMSC 的特定 MSC 同 GSM 网络联系的。涉及 SMS 管理的协议如图 2.1 所示。图 2.1 SMS 管理协议示意图SME：Short Messaging Entity，短消息实体。它可以接收或改善短消息，位于固 话系统、移动基站或其他服务中心内。 SMSC：Short Message Servic
