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DTU产品技术白皮书
发布时间：2007/11/16 16:54:35 修改时间：2007/1/26 14:02:05 浏览次数：1684

北京嘉复欣科技有限公司研发生产的GPRS/CDMA 1X 无线数据通信产品(无线DTU 或IP Modem 产品) GF系列是以GSM/GPRS/CDMA1X网络为通信平台，采用GPRS/CDMA 1X/SMS信息承载方式，服务于各行业用户的数据传输业务，特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，尤其适用于M2M领域的应用及应用系统的开发。

M2M设备应用领域主要包括家用设备、个人电子类产品、交通工具、金融终端、机器、测量仪表、机械设备、移动终端、工业控制设备、传输设备、信息采集设备、安防系统、建筑监控、遥测设备和大量的微型嵌入式设备。通讯及通讯系统基础设施则是M2M通讯中最有效的媒介。

机器对机器（M2M）通信在网络通信领域是全球下一个最主要的发展之一。由于基于计算机的网络和移动设备已经变得非常普遍了，于是，全球硬件、软件和业务供应商已经开始将其注意力集中在了全球数十亿个本应联网但目前尚未联网的设备的改造和开发业务上来，据世界权威研究组织分析，到2010年，M2M在技术，设备，软件和网络业务提供的综合营业额会达到2500亿美元。

第一章产品简介

1.1 什么是GPRS

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。

GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP服务。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享，资源被有效利用。GPRS理论带宽171.2Kbps，实际带宽约40~100Kbps，分组交换接入时间缩短为少于1秒，能够提供快速即时的高速TCP/IP连接，可以用于数据传输、远程监控等应用。使用GPRS 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，从而降低了服务成本。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

1.2 什么是CDMA1X

CDMA是码分多址（Code Division Multiple Access）的缩写，是利用相互正交（或尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。由于利用相互正交（或尽可能正交）的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此，又称为扩展频谱通信。

扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：Spreading Sequence）调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。因此，CDMA通信具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点，正是这两大特点，使得CDMA通信具有许多优点，如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、能在低功率谱密度下工作、有很强的保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。

相对于其它无线通信技术，CDMA通信系统在安全保密方面有着与生俱来、得天独厚的优势。CDMA本身的系统特性使得它具备了 "锁不住"、"猜不着"、"听不见"的对抗窃听的三重天然屏障；同时，这三方面又环环相扣，将秘密牢牢地锁在了CDMA通信系统之内。

1.3 什么是无线数据通信产品

无线数据通信产品，包括GPRS/CDMA DTU 设备系列产品，主要应用于各行业用户的无线数据传输业务，产品包括：GPRS/CDMA DTU，内建工业级GPRS/CDMA 1X无线通信模块、工业级TCP/IP互联网控制器、中央处理器及标准的串行接口，并提供完备的电源管理系统，使用安全方便简洁。

GPRS DTU系列：GF-2008

CDMA DTU系列：GF-3008

以上产品设计内嵌了国外引进的具有完整TCP/IP协议及解释器的通用互联网控制器，该控制器已得到全球超过100家ISP和无线运营商的应用，协议采用标准的贺氏AT指令的扩展集：AT+I指令集，提供基于互联网的完备处理机制和方便标准的二次开发能力，提供标准的RS232接口，可适用于所有带串口的终端设备，为不具备TCP/IP协议处理的终端设备提供基于互联网的完善的无线通信能力。

第二章产品应用

无线数据通信产品利用最新的GPRS/CDMA 移动通信技术与GSM 移动通信网络作为传输介质，有助于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标。此系列产品功能强大，稳定性高，能够应用在电力、自来水、天然气等领域表计的计量，还可实现自动测量读取、自动计量发送、远程信息处理、远程设备监控，以及安防、车辆调度、公众流量业务、工业处理自动化等任何需要统一管理服务终端的应用方案中，可广泛用于金融、保险、证券、商业、公用事业、公安、交通、税务、气象、石油等行业和领域。无线数据通信系列产品具有使用成本低、准确性高、对环境适应性好、易于安装、易于维护等特点，能够为用户提供高速、永远在线、可靠的数据传输服务和虚拟专用数据通信网络服务，完全能够满足行业数据采集、传输和监控的需要。

2.1 应用领域

l 无线数据通信系列产品主要应用领域有：

l 工业遥信、遥测、遥控及公用事业

l  电信行业无人值守站机房监控和远程维护（如移动基站、微波、光纤中继站等）

l  城市配电网自动化系统与抄表数据传输

l  高压供电设备监测

l  自来水、煤气管道、闸门、泵站与水厂监控

l  供热系统实时监控和维护

l  环境保护系统数据采集

l  三防与水文监测

l  气象数据采集

l  油田油井远程数据监测

l  煤矿远程数据监测及生产安全监控

l  其他无人值守（如仓库、办公楼等）监控

l  城市路灯，景观灯，广告灯的遥控、遥测、遥信、遥调、遥视

l  城市防汛中的雨量检测

l 金融、零售行业

l  车载移动银行

l  POS机联网

l  自动售货机刷卡和商品信息报告

l  自动柜员机（ATM）联网

l  银行储蓄所机房监控

l  移动证券交易和信息查询

l 公安交通行业

l  公安移动性数据（身份证、犯罪档案等）查询

l  交警移动性数据（车辆、司机档案等）查询

l  交通流量监测

l  车辆违章监测

l  城市路口交通信息指示牌信息发布

l 移动车辆监控调度系统

l  公安、110、交警车辆监控调度

l  银行运钞车、邮政运输车监控调度

l  出租车刷卡与管理调度

l  公交车辆调度和指示

l  集团车辆监控调度

l  物流系统车辆调度

2.2 产品应用原理图

图1：产品应用原理图

第三章产品特点

3.1 产品特色

支持GSM双频网络和CDMA 1X 网络等2.5和2.75代无线网络

产品所有知识成果可平滑过渡3G无线应用

产品功能十分丰富，标准工业产品，适应环境能力强

易于安装、维护；使用方便、灵活、可靠，即插即用

嵌入式CPU，国外完善的嵌入式互联网控制器，具备完整的TCP/IP协议栈及功能强大的保障机制，已经全球超过100家ISP和无线网络运营商和电信运营商使用

内嵌Watchdog芯片，提供多种复位机制，可软件控制，实现完美工业保障机制

透明数据传输模式，几乎可使用户以前开发的设备及软件不许任何改动，即可实现系统基于互联网的应用

命令模式遵循贺氏AT标准指令扩展:AT+I指令集，功能十分强大，可打开多达十个TCP/UDP端口连接，同时，还可打开两个侦听端口，作为服务器模式使用。

IP自动注册机制，可实现多种服务模式，构建完整的超大规模无线应用系统

RAS（远程访问服务）功能，为用户实现系统的远程维护，提供了可靠的手段。

强大的流量控制功能，同时支持硬件流控和软件流控，满足各种复杂业务的特殊需求。

所有工作模式，均支持永久在线方式，掉线自动重新联网功能

提供实时时钟

提供仪器、终端设备的反向控制

提供图片采集及远程传输功能

提供TCP、UDP通讯协议来传输资料，并对数据传输的性能进行优化

提供短消息备份功能，保证关键数据传输的可靠性

提供基于Web的图形化配置方式

支持本地和远程升级

运营成本低

3.2 客户效益

覆盖率高、部署成本低，不需移动通信平台和互联网设施的大量投资

独有的内建系统Watchdog和互联网Watchdog双重功能，四种可设定的工作方式，保障系统正确通信，永不荡机

对于构建在串行接口的系统和TCP/IP协议的系统，用户几乎不做任何改动，即可基于无线互联网工作，即插即用。大大节省人力及开发的大量投资

标准指令扩展，功能强大，易学易用，充分利用设备内部丰富的资源，实现复杂业务的可靠实现。

GF产品系列支持多种型号，为用户提供灵活的选择

基于windows的中文产品配置软件及快速使用指南，方便客户设置需要的工作模式及参数配置，就可满足各行业数据传输业务

完备的系统构建和测试工具软件，伴您实现进一步的深入研究和开发出严格的业务系统。

第四章工作模式及典型应用

GPRS/CDMA DTU可设定成不同的工作模式，满足不同领域用户的要求。不同工作模式下，GPRS/CDMA DTU在GPRS/CDMA通信系统平台中的位置也不相同。

透明传输模式：设备不解析从串口收到的任何数据，直接将数据作为TCP 或UDP 的数据进行打包发送，而对具体数据的解析分别由后端数据采集终端设备或由数据中心的相关服务器进行处理。

命令模式：GPRS/CDMA DTU 作为一个带TCP/IP 功能的扩展MODEM，从串口接收数据终端发来的AT+i 命令，并执行相应的操作。

短信模式：GPRS/CDMA DTU工作在用户服务器一方，串口直接与短信服务器相连。设备利用GSM 网络收发短消息，完成对短消息的编解码，并与短信服务器通过串口传输短消息的内容。

远程连接（RAS）模式：RAS是Remote Access Server的缩写，即远程连接服务，在这种模式下，远端拨号设备通过拨号的方式与该设备建立PPP连接，通过用户名、密码认证后，远端拨号设备与本地DTU设备就可以成功地建立PPP连接，此时所有的IP协议都支持，通过这个连接，DTU设备就可响应由远端设备发起的所有AT+I命令，即可实现由远端对设备参数的修改等操作。

4.1 透明传输模式

透明传输模式是适用范围最广、通用性最强的一种工作模式。在透明传输模式下，设备不解析从串口收到的任何数据，直接将数据作为TCP 或UDP 的数据进行打包发送，而对具体数据的解析分别由后端数据采集终端设备和前端数据中心的相关服务器进行处理。图2是设备应用于《GPRS/CDMA 三表集中抄表系统解决方案》的实例，在该应用实例中，设备即工作在透明传输模式下，设备与监控中心的数据传输采用TCP 连接方式，被传输的数据格式是由后端的各类工业仪表与监控中心应用服务程序约定好的，是设备所不关心的。因此，对于不同的应用系统来说，设备具有即插即用的特性，如果系统中其他设备没有特殊约定，建议采用该工作模式。

为了满足SCADA 系统要求，该模式也提供一系列通信保障措施：配置命令串反向控制终端采集设备，按用户所需改变终端采集设备的工作方式；定义数据成帧的方式，即设备直接将数据按要求的格式封装成规定的帧，然后通过TCP/UDP传送到上位机。设置各个环节的波特率；IP地址注册；定时重起；缓冲区大小的设定；基于硬件的流量控制等。

在透明传输模式下，通过TCP协议建立的数据链路可以为长连接也可以为短连接。当为长连接时，数传终端将一直保持与数据中心的连接，一旦链路断开，数传终端自动与中心重新建立连接，此时设备始终保持在线状态；当为短连接时，数传终端在一个时间周期（如：5分钟）内自动监测数据通信的数据流，当在这个时间范围内没有数据流量时，数传设备将断开这个连接并退出GPRS/CDMA网络，要想使数传设备再次激活，可通过电话拨号（此时数传设备的SIM/UIM卡需支持语音呼叫功能）、下位机主动向串口写数据这两种方式，使设备再次上线，与中心建立连接实现数据通信。

利用透明传输模式组建网络非常简单，只需设置几个基本参数，同时数据采集设备具有RS232/485接口即可；一旦进入透明传输模式，数据采集设备此时已具备了在IP网络上双向传输数据的功能，使得串口数据采集设备转换成以太网上的设备。

图2 无线DTU 用于 GPRS/CDMA 1X 三表集中抄表系统解决方案

4.2 命令模式

在标准MODEM 指令集中所有的指令均以AT 为前缀，简称AT 命令。有很多工控、金融领域的数据终端产品直接输出AT 命令，控制外接设备。GPRS/CDMA DTU 作为一个带TCP/IP 功能的扩展MODEM，从串口接收数据终端发来的AT 命令的扩展集，即：AT+i命令，并执行相应的操作。GPRS/CDMA DTU支持所有标准的AT命令，主要用于控制GPRS/CDMA模块；同时DTU还根据应用扩展实现了一系列AT+i命令：如：设置GPRS/CDMA 通信参数、激活/断开GPRS 连接、发送/接收短消息、激活/终止TCP连接、发送/接收TCP报文、发送/接收UDP报文等。AT+i命令还可根据用户的需求进行增加并可下载到本产品的互联网控制器内，完成二次开发中更为复杂的控制过程。

图3是GF产品系列应用于《金融卡交易GPRS/CDMA 1X 网络系统方案》的实例，在该应用实例中，设备工作在命令模式下。终端采用POS 机、ATM 柜员机或圈存机等，终端与数据中心完成一次交易，对应一系列命令，GPRS/CDMA DTU 设备需要执行一系列操作，如：网络配置、建立TCP连接、发送数据、接收数据等。GPRS/CDMA DTU按照约定执行相关操作，按照规定的格式封装的业务数据，并进行相应的传输。命令模式需要设备对接收到的终端数据进行解析，并根据固定的命令与操作的映射关系执行相应的程序，完成相关的操作，专用性较强。但会十分精确的完成客户需求。

图3 无线 DTU 用于GPRS/CDMA 1X金融卡交易网络系统方案

4.3 短信模式

要进入短信模式，首先是以命令模式为前提，通过模式转换命令切换到短信模式，此时DTU就像Modem一样，可接收所有的AT命令，执行相应的功能。

该模式下，GPRS/CDMA DTU工作在用户服务器一方，串口直接与短信服务器相连。设备利用GSM 网络收发短消息，完成对短消息的编解码，并与短信服务器通过串口传输短消息的内容。

短消息收发存在两种编码方式，分别是文本方式和PDU编码方式，在以PC为硬件平台的服务器如果直接从GPRS/CDMA模块上接收的短消息，需自己完成短消息的编解码工作。

第五章重要功能和增值功能

5.1 自动IP注册

通常在无线拨号调制解调器环境中，一旦DTU上线，通常在PPP连接的过程中就会被分配一个动态的IP地址。由于系统对每一个会话连接中所分配的IP地址是不同的，就不能在实际使用中将无线DTU作为一个服务端来使用，因为客户端不知道其当前的IP地址。由于存在这样的限制，就没有办法知道某一个特定的系统是否在线。为了克服这个难题，嘉复欣的无线DTU设备内嵌入了一个程序，这个设计使DTU在每次上线时就向一个服务器系统来注册它的IP地址。

无线DTU可以被指示自动上线，创建PPP连接，注册它的IP地址，并保持在线的状态。一旦注册成功，客户系统就会询问指定的服务器以验证一个特定的系统是否在线，并得到当前它被分配的IP地址。无线DTU可以通过（a）对一个指定的注册服务器打开一个socket连接，（b）向注册网页服务器( web server ) 的URL 提交包含ID信息和IP地址的AT+i命令这两种方法来注册它自己的识别信息。这一特性降低了客户购买固定IP地址的成本。无线DTU自动将它的主机名称，端口号和当前被分配的IP地址传送到注册页面。

一旦注册，客户端系统会向指定的服务器查询，以便能够验证一个特定的系统是否在线并得到它当前被分配的IP地址。IP注册过程是被若干个AT+i命令所控制的。一旦这些参数被配置后，无线DTU在上线时将自动注册它的IP地址和一系列注册信息。

5.2 永久在线和自动重连工作模式

无线DTU包括了一个“链路监控看门狗”，一旦网络连接断线，它被用来监控网络的连接。它还定期的“ping” 一个远程的设备来验证互联网的连接是否正常。在发生无线DTU离线的事件时，或它被ISP（业务供应商）断开连接时，它将连续的尝试重新上线。在这个工作模式中，无线DTU在完成一个设备加电过程和唤起IP注册程序后（如果事先配置它这样做的话），就会立即上线。在上线后，无线DTU的网页服务器（web server）可以被配置去自动的激活。

5.3 状态报告和结果码

无线DTU提供了丰富的反映互联网连接和参数设置的状态信息。这些报告对故障检查和通报当前的配置状态是十分方便的。

5.4 附加的增值功能

无线DTU包括了许多增值功能，这些功能可以用来精确调整互联网的接入和为互联网的连接提供灵活和可靠的保证。这些功能是：

l 硬件和软件流量控制。对主机到因特网控制器以及因特网控制器到无线modem的数据流量的分别加以硬件及软件控制，这可以保证在每一个会话过程中的数据不丢包。

l 振铃响应服务器。用来连接两个具有动态IP地址的设备。可使一个无线DTU在接收到一个呼叫时被唤醒，拨叫一个预先设置好的号码，注册他的IP地址。

l ping 一个远程服务器。这对保证一个永久在线的连接是十分重要的，可以知道一个远程的IP地址是否是活动的。无线DTU有一个可调节的“ping” 超时参数可以调整。

l 设定拨叫ISP的重试时间。在一个成功的连接尝试过程中，无线DTU将按照事先设定好的次数和每次尝试拨号的时间间隔来进行。

5.5 无线DTU的关键功能的汇总

TCP/UDP Sockets

功能	优点
TCP/UDP Sockets	10个同时活动的TCP或UDP sockets 来完成许多并发的任务。
侦听Sockets	2个同时的TCP侦听sockets使得DTU可以作为一个服务器端，多达十个活动的sockets作为备用。
透明传输模式	无需修改任何主机应用软件和硬件设计，就可使任何RS232设备具有即插即用的互联网IP通信能力。
文本Email 发送	发送标准的ASCII文本Email。
二进制Email发送	发送标准的MIME编码的附件，对二进制附件的大小和数量没有限制。
Email 接收	接收全部带有和不带有字头的消息，在服务器上留消息和删除服务器上的消息。
网页服务器	包括两个网站：一个用于应用程序另一个用来配置和更新DTU的程序固件。Web/Wap站点可由标准的Web创建工具来创建，可经过DTU的网站打包工具下载给DTU。网站有MD-5加密来进行保护。
RAS 服务器	通过拨号到DTU来使远程客户端通过ppp连接，浏览DTU的网站并打开socket与DTU交换数据。
拨号程序	重拨次数的程序设定和每次重拨的时间间隔设定。
状态报告	DTU提供详细的状态报告。
PING	保证“永久在线”连接并通报一个远程设备是否在线。
硬件和软件流量控制	在主机到因特网控制器和因特网控制器到无线调制解调器间平衡数据流量。
振铃应答服务器	使带有动态IP地址的DTU在收到一个拨叫时被唤醒，并拨叫一个事先确定的号码来通知其IP地址。
网络时间	从标准时间服务器上获得网络时间。对即将发出的邮件印记时间和按照当前时间的计划运行十分重要。可以通过互联网为主机时钟进行同步。
自动IP注册	克服动态IP地址的难题。DTU在上线时，自动向socket服务器，注册网页报告其主机名称，端口号和动态IP地址。一旦注册，客户端可以查询这些服务器以便得到无线DTU的当前IP地址。
永久在线模式	无线DTU包含一个“链路监控看门狗”来监控蜂窝网络的连接状态，如果必要便自动重连。
自动重连	一旦载波丢失，无线DTU就会建立新的PPP链路。在一个上电过程完成后，DTU会立即上线并能够注册其IP地址。上线后，无线DTU的网页服务器可以被配置为自动激活。
远程AT+i命令集	从一个远程设备通过互联网发送AT+i命令到DTU。可以支持远程配置。

第六章技术比较

6.1 几种移动数据通信设备的比较

设备	GPRS DTU	GPRS Modem	GPRS 手机	CDMA DTU
TCP/IP、PPP协议	支持	不支持	支持	支持
传输速率	20-40Kbit/s	20-40Kbit/s	20-40Kbit/s	80-100Kbit/s
网络覆盖	覆盖范围基本上同GSM网络	覆盖范围基本上同GSM网络	覆盖范围基本上同GSM网络	覆盖范围基本上同CDMA网络
透明数据传输	支持	不支持	不支持	支持
点对点对等传输	支持	取决于网络	取决于网络	支持
中心对多点传输	支持	不支持	不支持	支持
应用领域	城市电网自动化、交通管理、POS机联网、金融证券、工业控制、市政管理、物流管理、出租车管理、车辆调度、电子商务、移动上网	移动计算机上网	手机上网或移动计算机上网	城市电网自动化、交通管理、POS机联网、金融证券、工业控制、物流管理、出租车管理、车辆调度、电子商务、移动上网

6.2 有线与无线数据通信方式的比较

传输技术	施工难度	施工周期	使用价格	维护成本	可靠性
电力载波	极易	短	低	较高	差
无线电	易（需特别审批）	短	低	较高	较差
DDN	比较难	长	极高	高	较差
ISDN	比较难	长	高	高	较高
PSTN	比较难	长	一般	高	一般
SMS/GSM	易	短	低	低	一般
CSD/GSM	易	短	高	低	较差
GPRS	易	短	低	低	较高
CDMA	易	短	低	低	较高

第七章几种重要的组网方案

根据用户数据中心接入Internet的不同方式，形成以下四种应用组网方案。