移动遥测数据采集系统简介

郭有明
（江西省气象信息网络中心，江西南昌　330046）

摘　要：移动遥测数据采集系统应用第二代移动通信ＳＭＳ短消息服务技术。移动遥测数据采集系统由采集数据虚拟服务、遥测数据采集中心、移动ＳＭＳ数据通信网和移动遥测数据终端４个部分组成。多层次的安全设计以满足大容量、大区域分布以及高速采集和服务的需求。高的环境性能和低功耗性能确保移动遥测数据终端具有优良的性能价格比。
　　关键词：移动　遥测数据　采集　系统
　　中图分类号：ＴＮ929.53　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：1007－9033（2003）03－0034－03

1　移动通信系统的发展概况
　　第一代移动通信系统也叫１Ｇ　，主要采用的是模拟技术和频分多址ＦＤＭＡ　技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第二代移动通信系统２Ｇ　起源于９０年代初期，主要采用的是数字时分多址ＴＤＭＡ　技术和码分多址ＣＤＭＡ　技术。由于第二代移动通信系统技术先进，移动通信得到了巨大的发展。中国移动运营着全球最大的ＧＳＭ网，到２００２年５月，中国移动的用户已经达到了１．２亿，中国的ＧＳＭ用户已经达到１．７亿。
　　ＳＭＳＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｉｎｇＳｅｒｖｉｃｅ　短消息服务技术在ＧＳＭ移动数据通信中得到广泛应用，ＳＭＳ使得移动设备可以发送和接收文本信息，消息可以立即被发送。ＳＭＳ消息可以将信息同时传给很多人。
　　ＧＳＭ标准中定义的点—点短信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。涉及ＳＭＳ管理的协议如图１所示。
　

　　图１中各项目的具体说明如下：
　（１）ＳＭＥＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｉｎｇＥｎｔｉｔｙ　：短消息实体。本文涉及的移动遥测数据采集中心即是１个短消息实体。
　　（２）ＳＭＳＣＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｅＳｅｒｖｉｃｅＣｅｎｔｅｒ　：短消息服务中心。负责在基站和ＳＭＥ间中继，储存或转发短消息；移动台ＭＥ　到ＳＭＳＣ的协议能传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为ＳＭＴＰＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ　。
　　（３）ＳＭＣＧＷＭＳＳＭＳ＿ＧａｔｅｗａｙＭＳＣ　：ＳＭＳ网关。接收由ＳＭＳＣ发送的短消息，向ＨＬＲ查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心；ＨＬＲＨｏｍｅＬｏｃａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒ　为归属位置寄存器，用于永久储存管理用户和服务记录的数据库，由ＳＭＳＣ产生。ＳＭＳ网关与ＨＬＲ之间的协议使前者可以要求ＨＬＲ搜索可找到的用户地址。它与ＭＳＣ与ＨＬＲ之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又可以找到时加以提示。
　　（４）ＭＳＣＭｏｂｉｌｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｅｎｔｅｒ　：移动交换中心。负责系统切换管理，并控制来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。
　　（５）ＶＬＲＶｉｓｉｔｏｒＬｏｃａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒ　：访问位置寄存器。含有用户临时信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。
　　１条ＳＭＳ信息最多可达１６０个７位字节约７０个汉字　，与大约１ｓ的语音呼叫所占用的空间相当，故而其通讯费用十分低廉。ＳＭＳ是ＧＳＭ中唯一不要求建立端到端业务路径的业务，即使移动台已处于完全电路通信情况下仍可进行短消息传输。短消息通信仅限于１个消息，换言之，１个消息的传输就构成了１次通信，因此业务是非对称的。系统认为不同的短消息彼此独立，消息的传输总是由处于ＧＳＭ外部的ＳＭＳＣＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｉｎｇＳｅｒｖｉｃｅＣｅｎｔｅｒ短消息服务中心　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。
　　２　移动遥测数据采集系统的发展与构成
　　遥测数据采集经历了电报、电话、分组交换、短波、ＶＨＦ高频电话、互联网、卫星等多种通信技术的应用。以有线通信为特征的电报、电话、分组交换、互联网技术应用的遥测数据采集可以依托公用有线网的发展，具有组网方便，价格相对低的特点，是遥测数据采集的重要手段。在中心城市等发达地区，采用租公共电话网的通信资源的遥测数据采集由于费用低，得到一定程度的应用。但是有线电路交换、模拟信号传输等技术显然不能满足大容量、高频次的遥测数据采集应用需求。租用专线可以提高收集能力，解决有线电路交换连接费时费力问题，达到数据小、频次高、站点多的要求。如租用Ｘ．２５专线，并且是永久虚电路，而不是交换虚电路。租用专线是一笔不小的费用，通讯费用也很高。有线通讯以宽带高速数据通讯技术见长，尤其适合大数据量业务的需要，但是遥测数据采集大都是小数据量业务，无法获得宽带高速的利益。对于一些单纯数据采集应用，专线方式有很大的浪费，而且为了提高网络功能，在网络上也要投资。
　　以无线通信为特征的短波、ＶＨＦ高频电话、卫星通信可以克服有线通信存在受地形影响、距离限制、布线困难的缺点。但是采用无线通信技术的遥测数据采集必须自建专用网，结果势必有费用高的问题。
　　随着移动通信技术的发展，采用移动通信ＧＳＭ网的遥测数据采集开始发展起来。移动通信ＧＳＭ网的遥测数据采集本质上也是无线通信。ＧＳＭ有极强的网络功能，在容量、网络、寻址上超过有线技术，又有无线通信不受地形限制、架设方便的优点。ＧＳＭ移动网遍布全国城乡各地，遥测数据采集站的架设只受ＧＳＭ网的覆盖限制。移动通信ＧＳＭ是公用网，遥测数据采集借助公用网络的资源，可大大减少网络上的投入，而专业于采集中心和采集终端，专业化的利益就是费用低。ＳＭＳ技术移动数据通信服务的带宽窄，通信速率低的缺点对遥测数据采集并无影响，采用ＳＭＳ的短报文存储转发技术正是用其所长。
　　采用移动ＧＳＭ网的ＳＭＳ数据通信技术的遥测数据采集简称移动遥测数据采集。遥测数据采集利用ＧＳＭ移动网络先进的短报文数据通信技术，可以建立跨越全国的网状网结构的网络，可以同时承载小区域、大区域、跨区域的遥测数据采集，具有设站不受有线电路布线条件约束。ＧＳＭ移动通信的ＳＭＳ的服务能力是以每秒次数计，１次１６０个字节大约１ｓ的语音呼叫所占用的空间相当，从而决定ＳＭＳ系统具有高的承载能力。江西移动的ＳＭＳ网关的短信处理能力是３００条／ｓ。遥测数据采集利用上述技术可以大大提高采集的空间密度和时间密度。
　　大气探测系统的建设将大规模布设自动气象站，这对气象观测报告的收集将产生强烈的需要；城市建设和环境保护的发展对遥测数据采集也会产生强烈的需求。
　　移动通信的应用是近几年发展起来的，应用移动通信技术的遥测数据采集技术发展十分迅速，应用移动遥测数据采集技术的地面气象观测报告收集在国际和国内尚是空白。
　　移动遥测数据采集系统由４个部分组成(图２)。
　(１)　数据服务虚拟网。主要采用ｖｐｎ虚拟应用网和互联网的虚拟网站技术，使得移动遥测数据应用共享遥测数据采集系统的物理资源。
　(２)　遥测数据采集中心。负责遥测数据的采集、数据管理、用户管理、移动数据终端管理、移动ＳＭＳ数据通信网的接入等。
　　(３)　移动ＳＭＳ数据通信采用中国移动ＧＳＭ通信网。
　　(４)　移动数据终端由ＧＳＭ移动数据模块、接口等部分组成。
　

图2 移动遥测数据采集系统构成图

３　移动遥测数据采集系统的安全策略
　　移动遥测数据采集系统的安全策略必须是布置在所有的层面或模块上，主要是在系统平台和移动遥测数据采集２个方面。在系统平台方面是ＶＰＮ、ＷＥＢ、ＦＴＰ应用安全，数据库系统、操作系统、ｔｃｐ通信等安全考虑。在移动遥测数据采集方面是虚拟服务、高承载能力、优先级处理、多级存储转发、多进程冗余、网络冗余分布、密钥系统、高环境性能、低功耗性能方面的安全设计考虑。
　虚拟服务的设计目的是移动遥测数据应用达到共享移动遥测数据采集系统的物理资源、数据资源，移动遥测数据应用又逻辑上独立，具有独立的遥测数据采集、轮询、管理等功能，达到安全保护的目的。
　　每一个数据通信包是１４０个８位字节，遥测数据采集中心的下行群发命令达到２００个数据包／ｓ，遥测数据采集上行２０个数据包／ｓ。依据上述指标，１ｍｉｎ可以收集１２００个数据采集终端站的数据。
　　遥测数据采集中心是和气象移动互联网移动１２１共用移动ＳＭＳ数据通信网接入，为了保障遥测数据采集业务的实时性，可把移动遥测数据采集业务定为最高优先级。
　　多级存储转发、多进程冗余、网络冗余分布３项主要用在移动ＳＭＳ数据通信网的接入，配合起来增强系统的可靠性。设计的上行和下行接入可以多个进程同时运行，可以在网络上多处冗余分布，每个进程都设计存储转发机制，以确保遥测数据的可靠。
　　密钥技术应用在移动ＳＭＳ数据通信网接入，主要使用ＭＤ５加密算法。
　　高环境性能、低功耗性能方面的安全设计考虑主要应用在移动遥测数据终端。选用的移动数据模块的温度范围为：工作状态２０～５５ ℃，保存状态－２５～７０ ℃输入电压为５～３２Ｖ输入电流为：待机状态５ｍＡ；产品重量为：５９～１３０ｇ。

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收稿日期：2003年05月12日
第一作者简介：郭有明（1946－），男，正研级高级工程师，主要从事计算机网络与通讯研究。