无线DDN承载方式、网络结构简介与分析

  1. 引言
  在国家信息化战略的推动下,许多行业(集团)都已认识到信息化建设的重要性。目前,金融、教育、医疗、交通、电力、烟草、物流等行业都根据行业特点和需求,建立了自己的信息化系统。为推进行业信息化的发展,中国移动充分发挥自身的业务优势,将移动数据业务与话音、固定数据业务紧密结合,推出了行业移动信息化整体解决方案,在满足客户需求的同时,也为客户创造了新的价值,实现了移动运营商与行业客户的双赢。
  
  无线DDN(Digital Data Network,数字数据网)是移动信息化整体解决方案的关键应用之一,它主要是利用移动的GSM/GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)网络, 采用GPRS 、SMS(Short Message Service,短消息业务)、USSD(Unstructured Supplementary Service Data,非结构化补充数据业务)、CSD(Circuit Switched Data ,电路交换数据)等承载方式,为行业客户提供的机器到机器无线数据传输业务,可为水利、电力、采油、采矿、环保、气象、交通、税务、医疗、公安、教育、金融、烟草、海关等行业用户提供数据无线实时传输和采集服务。
  
  2. 无线DDN的特点和优势
  相对于电路拨号、固定数据专线等传统传输方式,无线DDN具有灵活便捷、节省投资等优势。除此之外,无线DDN还具有以下主要特点:
  
  (1) 数据传输方式多样:无线DDN主要的承载方式包括GPRS、CSD、SMS、USSD等,根据行业客户的需求以及其设备配置情况,可以选择其中的一种或者几种方式进行数据的传输和交互。
  
  (2) 比较适用于小流量、高频率的数据传输:利用无线DDN进行数据传输的行业客户的外围终端基本上都具有分散性的特点,从这些终端采集或者传送的数据一般为小流量的数据,并且传送频率较高。例如GPS车辆监控系统中传送的定位数据主要是车辆的经/纬度、速度、方向、时间等基本信息,无线POS机传送的数据包括用户帐号、密码以及交易金额等。
  
  (3) 主要应用于行业客户,并采用特种行业终端:无线DDN主要的功能是利用各种承载方式帮助行业客户采集或者传送分散性的数据,大大提高行业客户的效率,同时降低投入成本。根据各种行业自身的特点,行业终端的外观、容量等都有很大的差别,包括普通手机终端、车载终端、ATM机以及路灯监控器等都是行业客户的数据采集设备。
  
  (4) 主要实现外围设备与行业内部数据中心之间的数据传输与通信:由于外围设备的分散性、移动性、危险性等特点,利用无线DDN 可以将外围设备采集到的数据传到行业内部的数据中心进行处理,并实现其相应的功能。
  
  按照无线DDN终端的特性,可将无线DDN分为两大类。一类是移动性应用,适用于终端设备位置不固定,移动性强,需要与中心节点实时通信的应用,如交通、公安、海关、税务、医疗、物流等行业从业人员手持终端或车载、船载终端等。另一类是固定性应用,适用于终端设备位置固定,但地理分布广泛、有线接入方式部署困难或成本高昂的应用,可利用机器到机器实现无人值守,如电力、水利、采油、采矿、环保、气象、烟草、金融等行业信息采集或交易系统等。
  
  3. 无线DDN的承载方式
  无线DDN的承载方式主要有GPRS、SMS、USSD、CSD四种,这四种方式各有特点,具体分析如下。
  
  (1)GPRS
  
  GPRS,通用分组无线业务,具有永远在线、按量计费、快速登录、自如切换等优点,是无线DDN中最主要的承载方式。GPRS提供按流量收费的计费方式,并且资费套餐比较灵活,相对SMS和USSD来说,虽然费用较高,但是因为其速率以及安全性方面的特点,并且针对行业应用有成熟的解决方案,目前大部分行业客户都采用GPRS作为主要的承载方式。例如银行系统的无线POS应用,油井的数据采集和监控应用等。
  
  (2)SMS
  
  SMS可以传送160个字节的信息,大约为70个汉字,通讯费用较为低廉,同时由于其存储转发、适合于群体通信的特点,深受用户的喜爱。在无线DDN中SMS的承载方式经常作为GPRS最为主要的补充,在没有GPRS信号的地方就可以利用SMS将信息发送到行业客户的数据中心,如车辆卫星定位(GPS)应用等。
  
  (3)USSD
  
  USSD,非结构化补充数据业务,是一种基于GSM网络的、面向连接的、实时在线的交互会话数据业务。USSD与SMS有很多的相似之处,但是相对于SMS来说,USSD具有交互性强、面向连接、响应速度快,交互式菜单操作等优势,只是在各省份USSD系统建设的普及率以及互连互通方面,USSD与GPRS、SMS和CSD相比还存在较大的差距。但凭借其强大的无线传输和信息交互能力,一旦USSD系统的建设以及互连互通问题得以解决,USSD在行业应用中必将有着广阔的用武之地。USSD方式尤其适合交互性要求高、数据量小而且传送频繁的数据传输业务。如银行业的无线交易、电力行业的无线抄表、水利行业的水文监控、交通行业的路况监控等。
  
  (4)、CSD
  
  CSD是电路交换数据业务的简称,传送速率可达到9.6kb/s。目前语音通信采用CSD技术,语音通话和其他的数据传送不能同时进行。如:打电话就不能上网,上网就不能打电话。CSD主要是采取按时长收费的计费方式,它适合少量的、速度较慢的数据传输业务。在行业应用中,CSD的应用相对较少。
  
  无线DDN几种承载方式的具体对比请见下表。
  
  
  表1:无线DDN承载方式对比表
  

 

  4. 无线DDN的网络结构
  在无线DDN的几种承载方式中,GPRS虽然资费相对较高,但是由于其永远在线、按量计费、快速登录等特点,行业客户一般选用GPRS为主要传输方式,辅以SMS、 CSD或者USSD实现提醒、交互或者备用等功能。下面以GPRS为例对无线DDN的网络结构进行描述。
  
 

  
图1:基于GPRS的无线DDN应用的网络结构图

  
  如图所示:基于GPRS的无线DDN系统主要包括特种行业终端、移动运营商GPRS网络以及行业数据中心三部分。其中特种行业终端负责采集以及收发数据。移动运营商GPRS网络主要是指GPRS核心网,包括GGSN(Gateway GPRS Support Node ,GPRS网关支持节点)、SGSN(Serving GPRS Support Node,GPRS服务支持节点)、PCU(Packet Control Units,分组控制单元)和CG(Charging Gateway,计费网关)等,一方面负责接收用户发送过来的数据,并进行用户身份的验证,然后将数据通过专线传送给行业数据中心,另一方面接收行业数据中心的指令或者数据,将其发送给行业终端。行业数据中心通过专线与GPRS核心网络中的GGSN相连,负责接收从GPRS网络传输过来的数据,鉴权后,根据自己行业的实际特点,对数据进行处理和存储;或者向行业终端发送各种信息或者指令,通过专线和GPRS网络进行传输。
  
  对于行业客户较为关注的完全性问题,GPRS无线接入方式提供了较好的解决方案。
  
  (1)无线部分:GPRS是在GSM系统上发展而来的分组交换业务,该业务继承了GSM系统安全的特点,其在空中传递的数据都是经过加密的。因此可以有效防止用户数据在无线部分被非法截获。
  
  (2)有线部分:从上图可以看出,由于行业客户的内部网是通过专线方式与GPRS核心网相连的,可以从根本上杜绝恶意入侵者从互联网截获行业客户相关数据的可能。
  
  (3)用户身份认证方面:
  
  由于GPRS行业类应用的特点,移动运营商会为每个GPRS行业应用提供一个特定的接入代码(APN,Access Point Name),终端用户或设备只有通过此接入代码才能经由GPRS访问到行业的内部网。移动运营商可以通过HLR(归属位置寄存器,Home Location Register)将终端用户/设备的移动电话号码和该接入代码进行绑定,即只有经过行业认可的移动电话号码才可以通过GPRS网络访问行业的内部网,当未经行业认可的移动电话号码试图接入行业内部网络时,该电话号码的数据将在无线部分被截断,从而有效防止了非法用户对行业内部系统进行的试探性攻击。
  
  由于行业内部系统本身也可以通过自己管理的Radius服务器对用户身份(包括用户名和密码)进行管理,也即具备用户认证的功能,因此进一步保证了行业客户内部系统的安全。
  
  通过以上几种安全机制,基于GPRS的无线DDN应用的安全性可以得到有效的保证。
  
  5. 无线DDN的典型应用
  GPRS承载方式的最大优点是速度快且安全可靠、方案成熟,目前对流量以及安全性要求较高的行业都采取这种接入方式。下面以行业应用中的路灯监控、无线POS为例,对基于GPRS的无线DDN应用作简单介绍。
  
  (1)路灯监控系统
  
  该系统是将基于GPRS的无线DDN应用和电力线载波通信技术结合起来,为城市路灯监控中心提供随时掌握路灯的工作状态和故障情况,并可随心所欲的打开或关闭路灯的功能。
  

  
图2:路灯监控系统

  
  路灯监控系统主要是在线路终端配置了GPRS传输模块,根据实际情况的不同,GPRS模块的安装位置不同。方案一是一个GPRS通信模块通过低压电力线管理连接在统一配电变压器网络内的多个监控器,从而实现一个GPRS通信模块负责多个路灯或照明设备的监控和管理数据的传输;方案二是每个路灯都装有一个监控器和GPRS模块,可以做到监控与管理每一个路灯。通过监控器,系统能自动监测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件,并通过GPRS通信模块及时将告警数据上传到监控中心,以供监控中心值班人员及时了解情况,做出处理。
  
  对于路灯管理部门来说,基于无