支援TCP/IP協議的新一代GSM/GPRS模組及應用

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支援TCP/IP協議的新一代GSM/GPRS模組及應用

基於GSM/GPRS的IP協議提供了與網際網路‘永遠連線’的可能性，使之成為一種節約成本的選擇。為了開發基於IP協議的應用，系統設計師需要同時通曉無線網路和TCP/IP協議。本文將詳細介紹支援TCP/IP協議和嵌入式應用的新力易利信模組及其應用實例。

各種各樣的接取技術被用於無線網路。在FDMA技術中，每個用戶被分配一個頻率，而TDMA技術則透過時間分隔用戶。在CDMA技術中，所有用戶在同一時間使用同一頻段發送訊號，分隔用戶透過各自被分配到的唯一程式碼來實現。在2G系統中，數據傳輸主要是透過電路交換，即一個被分配給用戶的傳輸訊息通道，當一個用戶完成傳輸任務、讓出訊息通道後，該傳輸訊息通道才被提供給其他用戶使用。由於猝發性是數據業務的基本特徵，當一個用戶不再有數據傳輸時，寬頻就處於荒廢狀態中。在分組交換系統中，所有用戶分享同一個訊息通道，用戶則可以實現多工的功能。當一個用戶沒有需要傳輸的數據時，訊息通道就會被其他用戶所使用。資訊包的傳輸方法可透過媒體存取控制(MAC)協議被編排。

在網際網路上的資訊包傳輸全部基於IP協議。無線網路將與網際網路整合，資訊包透過無線媒介無縫地傳輸至基於IP協議的網路，在傳輸前，為了能直接到達指定目的地，數據包必須根據TCP/IP協議封裝。在GPRS網路中也採取了IP協議進行傳輸。

就服務的靈活性來說，幾乎所有的GSM模組都可以連接到GPRS網路。通常情況下，根據TCP/IP協議棧的資訊打包功能並不是模組特徵的一部份。在透過模組發送數據前，TCP/IP協議棧必須事先被開發，然而，只有很少的模組具有內嵌式的TCP/IP協議棧，數據可以透過模組直接被發送。如此一來，應用開發周期被縮短，其執行能力也在很大程度上得到提高。

本文將簡要介紹TCP/IP協議及在GPRS網路中實現TCP/IP的必要條件，詳細敘述支援TCP/IP協議和嵌入式應用的新力易利信模組及其應用實例。

基於GPRS的TCP/IP協議

TCP/IP是為協同作業電腦、分享網路資源的一套協議。該協議成員包括IP、TCP、UDP等。TCP確保數據的正確傳送，如果對於一個資訊包來說，數據量太大，TCP則可將其分成若干組。IP被用來為資訊包到達另一端尋找通道，每一個與網路相連接的工作站都有一個唯一IP地址，該IP地址為一個32位元數，它通常被寫成四個十進制數位，每一個代表8位元，例如，165.21.32.70是新力易利信網站伺服器的一個IP地址。

TCP/IP是一個無連接協議，資訊以分組方式進行傳輸，資訊包的最大容量在初始化過程中得以商定。如果資訊超出其最大容量，則將被分成若干組分別傳送。資訊包未得以按順序傳送甚至丟失及再次轉發的可能性是存在的，因此，TCP必須將序號、資訊來源和目的地通道數，以及其他資訊添加進數據包中，被稱為TCP包頭。接收器端將利用該資訊來檢測數據包是否被正確地接收，因而加以整理。要直接將資訊包發送至正確的工作站，僅有TCP包頭，是不充分的。一個IP報頭必須被加在TCP包頭之上，源地址和目的地址被包括在IP包頭堙C發送資訊包至目的地，電腦將首先核對其自身的路由列表，如果目的地在自己的網路內，它將直接發送資訊包。否則，它將發送資訊包至網路閘道，每一個網路閘道都有一個路由列表，資訊包將透過幾個單獨的路由節點到達目的地址。

GPRS網提供網路功能將IP資訊包從行動用戶點傳送至外部網路。GPRS可以為IP地址提供多重選擇，包括公共地址、專用地址以及客戶代理地址。指定IP地址選擇權的GPRS機制被稱為接取點域名(APN)。

圖1顯示了基於GSM/GPRS的TCP/IP系統結構。因為IP地址的整體供應受到限制，一個GPRS網路供應商通常使用專用的、可動態分配地址，然而，公共網址選擇可由專門的客戶提供，專用網址則無法越過公共網進行作業。為連接公共網路，專用網址被轉換成公共網址。該轉換透過一個節點產生，該節點是專用的網路地址轉換(NAT)。多重專用地址可被映射成一個公共地址，對於基於IP協議的應用，和有線網路一樣，在無線網路中它們以相同的方式工作。當GPRS對話啟動時，大多數服務供應商也將監控數據的傳輸流量，如果在特定的一段時間內沒有數據傳輸，其連接將被斷開。

因為TCP/IP資訊包是透過GSM網傳輸的，所以，必須考慮TCP/IP協議棧的一些參數配置。基於GPRS的TCP應當支援適當的窗口尺寸以利於最佳化端對端連接的頻寬延遲，默認接收和發送緩衝器比例應當增加到容納足夠大的窗口，被銜接層支援的IP數據包的最大值是最大傳輸單元(MTU)。在高誤碼率的鏈路上，較小的MTU尺寸增加了成功傳輸的機會，默認IP最大傳輸單元值為576位元組。依據鏈路條件和ARQ的配置，它有可能增加MTU大小到一個較大的值，一個較大的MTU允許TCP更快地增加擁擠窗口。對於基於GPRS的TCP/IP協議的設計，設計師必須考慮到這些問題。

新力易利信機對機通訊模組

很多GSM模組可以透過GSM/GPRS直接接取網際網路，如果模組上沒有TCP/IP協議棧，它則必須在其應用或周邊的微處理器中體現。新力易利信GR47/48模組正是一種內建TCP/IP協議棧的模組之一。為開發基於GSM/GPRS網的TCP/IP應用，新力易利信提供了一套完整工具，其機對機通訊商業解決方案(M2mpower Business Solution)是一個強有力的支援環境，專為促進提高成本效益比率的無線機對機應用的研發而設計。M2mpower使開發者透過運用特定的開發工具，能夠更容易地將無線應用直接嵌入相容的新力易利信機對機產品中。M2mpower與可程式無線元件GR47/48一同被導入，其腳本語言是設立在產業級ANSI C語言的基礎之上，使開發者將現有的應用可以平滑地轉換到M2mpower。

圖2顯示了GR47即時作業系統的結構。新款可程式無線模組GR47/48提供了完整全面的功能。該模組包括一個內建TCP/TP協議棧，以便更有效地使用GPRS。它允許一個TCP/UDP傳輸機制以最小的前期配置和作業來被使用。其內嵌控制器方便整合客戶的應用，減少外部控制器的需求，例如在警報、儀表抄送和自動售貨等應用上。GR47和GR48分別支援雙頻GSM寬頻900MHz/1800MHz和850MHz/1900MHz，它們都可透過SMS短消息服務、CSD、HSCSD或GPRS來發送或接收數據，並可處理語音及傳真。其TCP/IP協議棧亦可透過AT命令或嵌入式應用進行存取。

GR47/48模組具有很多強大的特徵。其TCP/UDP會話可以透過一個命令啟動；它還提供為統一資源定位器(URL)查詢IP地址的功能；最有用的特點之一是IP伺服器偵聽功能，該功能允許通訊模組啟動與網路的對話，例如，一個被分配的IP地址無需連接任何部份，只要等待該單元接收一個基於IP的連接導入請求，即可實現。

應用實例

在這一部份，我們將列出一些使用新力易利信GR47模組的應用實例以供參考。第一個例子顯示了使用AT命令設立一個TCP會話的步驟，第二個則是嵌入式應用的範例。

1.使用AT命令接取GPRS網

GR47提供一系列AT命令來完成TCP/IP協議的功能，以簡化應用整合的流程。相關的命令可以讓應用設計者設立和取消UDP和TCP協議，控制GPRS PDP context的設立，傳送數據，檢查IP的狀態資訊等。

啟動TCP會話功能的步驟如下所示：
1. at+cgdcont=1,"IP","CMNET" \*write PDP context information, connect to China Mobile GPRS network*\
2. at*e2ipa=1,1 \*active IP session using stored PDP context*\
3. at*e2ipi=0 \*return currently assigned IP address*\
4. at*e2ipo=1,"166.111.8.238",23 \*initiate a TCP connection to the module*\
5. at*e2ipc \*close a currently opened IP connection*\

當模組處於數據傳輸狀態中時，需要啟動DTR來轉換回線上命令模式，ATO則被用於再次轉換回數據模式。

2.嵌入式應用接取GPRS網

以下描述示範怎樣啟動PDP文本、開始TCP對話以及接收數據。這只是整個程式的一部份，不能單獨執行。

/* Reset the IP error flag by reading it */
gtf( APPS_IP_ERROR_TRIGGER );
Err = pdpa( 1, 1 );
prtf( "\n PDP activate result = %d\n", Err );
if ( Err == 0 )
{ Val = ipi( 0 );
prtf( " IP Address = %x", Val );}
else
{ prtf( "\n PDP activation failed!\n" );
return;}
Err = ipo( 1, &SckNum );
if( Err != 0 )
{ prtf( " \n TCP Socket open failed!\n" );}
else
{ prtf( "\n TCP Socket Opened!\n" );
Err = tcpc( SckNum, Port, Address );
if( (Err == 0) || (Err == TCP_CONNECTING) || (Err == TCP_CONNECTED) )
{ while( !Complete && (gtb( APPS_IP_ERROR_STATUSBYTE ) == 0) )
{ int len;
/* Receive some data */
if( gtf( APPS_IP_DATA_RECVD ) )
{ prtf( "\n IP DATA RECVD" );
len = RXTX_SIZE;
Err = tcpr( SckNum, RxTxBuf, &len);
if( Err != 0 )
{ prtf( "\n *** Error in TCP Receive (%d). ***\n\n", Err );}
else
{ if( gtb( APPS_IP_TCPSTATUS_BYTE ) == TCP_CONNECTING )
{ prtf( "\n Delaying while TCP Connect occurs...\n\n" );}
else
{ prtf( "\n Received %d bytes of data.\n\n", len ); }
}
}
}
}
Err = ipc( SckNum );
if ( Err != 0 )
{ prtf( "\n Socket close failed!\n" );} }
Err = pdpa( 0, 1 );
prtf( "\n PDP deactivate result = %d\n", Err );

本文小結

基於GSM/GPRS的TCP/IP協議為很多應用提供了更高級的解決方案，例如，車輛定位、遠端抄表和遠端銀行等。它具有無線通訊的靈活性和行動性，TCP/IP協議提供對網際網路‘永遠連線’的通訊方式，以及相對於SMS、CSD等更為經濟的解決方案。新力易利信GSM模組，支援TCP/IP協議及嵌入式應用，是很完善的無線通訊解決方案之一。

作者：黃威
數通通訊技術有限公司