close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Mikhailov 0A8E5DC1E3

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
СОТОВАЯ СВЯЗЬ GSM
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2015
Составитель – В. Ф. Михайлов
Рецензент – доктор технических наук, профессор Б. С. Гуревич
Содержится описание лабораторных работ по дисциплине «Сети и
системы мобильной связи».
Издание предназначено для магистров направления 11. 03.02 –
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Публикуется в авторской редакции
Компьютерная верстка М. И. Дударева.
Подписано к печати 26.11.15. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ № 480.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1. Общие сведения
GSM (от названия группы Grope Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) – глобальная
система для мобильной связи (хотя слово «Связь» не включается
в сокращение). Стандарт разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов и
является единым общеевропейским стандартом. В стандарте были использованы новейшие разработки ведущих научно-технических центров. К ним в частности относятся временное разделение
каналов по принципу TDMA (Time Division Multiple Access- множественный доступ с временным разделением каналов), новый вид
модуляции- GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying -гауссовская
манипуляция с минимальным частотным сдвигом), использование
блочного и сверточного кодирования.
GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G –
аналоговая сотовая связь, 2G – цифровая сотовая связь, 3G – широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет).
Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850
МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.
В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.
– Однодиапазонные – телефон может работать на одной из частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённой частоты в некоторых моделях
телефонов или с помощью инженерного меню телефона.
– Двухдиапазонные (Dual Band)–для Европы, Азии, Африки,
Австралии 900/1800 MГц и -850/1900 МГц для Америки и Канады.
3
– Трёхдиапазонные (Tri Band) –для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 МГц и –850/1800/1900 МГц для Америки
и Канады.
– Четырёхдиапазонные (Quad Band) – поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900 МГц.
Применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы ВТ– 0,3, где В– ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ,
Т– длительность одного бита цифрового сообщения.
GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи,
29% населения земного шара использует глобальные технологии
GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210
стран и территорий.
1.2. Этапы развития
GSM сначала означало Grope Special Mobile, по названию группы
анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как Global
System for Mobile Communications. Разработка GSM началась
в 1982 году группой из 26 Европейских национальных телефонных
компаний. Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (СЕРТ- Conference of European Postal
and Telecommunications Operators) стремилась построить единую
для всех европейских стран сотовую систему диапазона 900 МГц.
Редкое торжество Европейского союза- достижения GSM стали одними из наиболее убедительных демонстраций того, какое сотрудничество в Европейской промышленности может быть достигнуто
на глобальном рынке.
В 1989 году Европейский Телекоммуникационный Институт
Стандартов (ETSI) взял ответственность за дальнейшее развитие
GSM. В 1990 году были опубликованы первые рекомендации. Спецификация была опубликована в 1991 году.
Коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине 1991 г. GSM разработан позже, чем обычная сотовая
связь и поэтому во многих отношениях лучше был сконструирован. Северо-Американский аналог – PCS (Personal Communication
Services- Cлужба персональной связи), вырастил из своих корней
стандарты, включая TDMA и CDMA (Code Division Multiple AccessКодовое разделение каналов) цифровые технологии, но для CDMA
реально возросшие возможности обслуживания так и не были никогда подтверждены.
4
GSM Phase 1
1982г. Grope Special Mobile. 1990 г. Global System for Mobile
Communications. Первая коммерческая сеть введена в январе 1992
г. Цифровой стандарт поддерживает скорость передачи данных до
9.6 кбит/с. Стандарт полностью устарел, производство оборудования под него прекращено. В 1991 году были введены услуги стандарта GSM «ФАЗА 1».
В них входят:
– переадресация вызова (Call forwarding);
– возможность перевода входящих звонков на другой телефонный номер в тех случаях, когда номер занят или абонент не отвечает; когда телефон выключен или находится вне зоны действия сети
и т. п. Кроме того, возможна переадресация факсов и данных. Запрет вызова (Call barring);
– запрет на все входящие/исходящие звонки; запрет на исходящие международные звонки; запрет на входящие звонки, за исключением внутрисетевых;
– ожидание вызова (Call waiting). Эта услуга позволяет принять
входящий вызов во время уже продолжающегося разговора. При
этом первый абонент или по-прежнему будет находиться на связи,
или разговор с ним может быть завершён;
– удержание вызова (Call holding). Эта услуга позволяет, не разрывая связь с одним абонентом, позвонить (или ответить на входящий звонок) другому абоненту;
– глобальный роуминг (Global roaming). При посещении любой
из стран, с которой ваш оператор подписал соответствующее соглашение, вы можете пользоваться своим сотовым телефоном GSM без
изменения номера.
GSM Phase 2
Стандарт GSM Phase 2 принят в 1993 г. Цифровой стандарт поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. С 1995 г включает
диапазон 1900 МГц. Второй этап развития GSM – GSM Phase 2, который завершился в 1997 г., предусматривает такие услуги:
– антиопределитель номера (Calling Line Identification
Restriction). С помощью этой услуги можно запретить определение
собственного номера при соединении с другим абонентом;
– групповой вызов (Multi party);
– режим телеконференции или конференц-связи позволяет объединить до пяти абонентов в группу и вести переговоры между всеми членами группы одновременно;
5
– создание закрытой группы до десяти абонентов (Closed User
Group). Позволяет создавать группу пользователей, члены которой
могут связываться только между собой Чаще всего к этой услуге
прибегают компании, предоставляющие терминалы своим служащим для работы;
– информация о стоимости разговора. Сюда входят таймер, который считает время на линии, и счётчик звонков. Также благодаря этой услуге можно проверять оставшийся на счёте кредит. Возможна и другая услуга: «Совет по оплате» (Advice of Charge). По
требованию пользователя происходит проверка стоимости и длительности разговора в то время, когда аппарат находится на связи;
– обслуживание дополнительной линии (Alternative Line
Service). Пользователь может приобрести два номера, которые будут приписаны к одному модулю SIM (Subscriber Identity Moduleидентификационный модуль абонента). В этом случае связь выполняется по двум линиям, с предоставлением двух счетов, двух голосовых ящиков и т. п;
– короткие текстовые сообщения (Short Message Service). Возможность приёма и передачи коротких текстовых сообщений (до
160 знаков);
– система голосовых сообщений (Voice Mail). Услуга позволяет
автоматически переводить входящие звонки на персональный автоответчик (голосовая почта). Пользоваться этим можно только
в том случае, если у абонента активизирована услуга «переадресация вызовов».
Стандарт GSM Phase 2 считается устаревшим; но так как стандарт GSM подразумевает обратную совместимость, то старое оборудование базовых станций и телефоны могут работать (и работают)
в современных сетях.
GSM Phase 2+
Следующий этап развития сетей стандарта GSM Phase 2+ не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стандартизируются и внедряются после подготовки и утверждения их
технических описаний. Все работы по этапу Phase 2+ проводились
ETSI. Количество уже внедрённых и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:
– улучшенное программное обеспечение SIM-карты;
– повышение скорости передачи данных благодаря пакетной передаче данных GPRS (General Packet Radio Service- Базовая услуга
пакетной передачи данных) или за счёт системы передачи данных
6
по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched
Data- Высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией
каналов).
1.3. Предоставляемые услуги
GSM обеспечивает поддержку следующих услуг.
– Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен
данными, в том числе пакетная передача данных – GPRS). Данные
услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и
обеспечивают только передачу информации к ним и от них.
– Передача речевой информации.
– Передача коротких сообщений (SMS- Short Messages Service).
– Передача факсимильных сообщений.
Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги.
– Определение вызывающего номера и ограничение такого определения.
– Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер.
– Ожидание и удержание вызова.
– Конференц-связь (одновременная речевая связь между тремя
и более подвижными станциями).
– Запрет на определенные пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.)
1.4. Преимущества и недостатки стандарта GSM
Преимущества стандарта GSM.
– Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT450 –Nordic Mobile Telephone- Мобильная телефония для северных
стран, AMPS-800 –Advanced Mobile Phone Service –Усовершенствованная система телефонной связи) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора.
Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции,
которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от
аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.
– Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций. Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.
– Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных
диапазонах.
7
– Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита
от подслушивания и нелегального использования, что достигается
путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.
– Эффективное кодирование (сжатие) речи. EFR-технология была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным
стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.
– Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор
оборудования. На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают
228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации
операторов GSM из 110 стран.
– Возможность роуминга. Это означает, что абонент одной из
сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не
только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру, переходя
из одной сети в другую, не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически,
и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора (в сетях некоторых операторов могут действовать
ограничения на предоставление роуминга своим абонентам, более
детальную информацию можно получить, обратившись непосредственно к своему GSM оператору).
Недостатки стандарта GSM.
– Искажение речи при цифровой обработке и передаче.
– Связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных
антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо
большее количество передатчиков, чем в NMT- 450 и AMPS.
1.5. Стандарты и радиоинтерфейс
Стандарты GSM создаются и публикуются Европейским институтом телекоммуникационных стандартов. Документы обозначаются GSM nn.nn. Например, широко известен стандарт на GSM SIM
карточки GSM 11.11.
В стандарте GSM определены 4 диапазона работы (ещё есть пятый) (см. табл. 1.1, 1.2).
900/1800 МГц (используется в Европе, Азии)
GSМ-900
Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890
до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от
базовой станции к телефону). Количество реальных каналов связи
гораздо больше, чем написано выше в таблице 1.1, т.к. присутству8
Таблица 1.1
Стандарты 900/1800 МГц (Европа и Азия)
Характеристики
GSM
GSM-1800
Частоты передачи MS (Mobile
Station-подвижная станция)
и приёма BTS (Base Transceiver
Station –Приемопередатчик
базовой станции), МГц
890 – 915
1710 – 1785
Частоты приёма MS и передачи
BTS, МГц
935 – 960
1805 – 1880
Дуплексный разнос частот приёма и передачи, МГц
45
95
Количество частотных каналов
связи с шириной 1 канала связи
в 200 кГц
124
374
Ширина полосы канала связи,
кГц
200
200
ет еще и временное разделение каналов TDMA, т. е. на одной и той
же частоте могут работать несколько абонентов с разделением во
времени. В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880–915 МГц (MS →BTS) и 925–960 МГц (MS←BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось
на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM –
расширенный GSM).
GSM-1800
Модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц.
Особенности.
Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов
стандарта GSM-1800 – 1 Вт, для сравнения у GSM-900 – 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и
снижение уровня радиоизлучения.
Высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов.
Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-I800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800,
переключается– вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам –
9
Таблица 1.2
Стандарты 900/1800 МГц (Канада, США, Латинская Америка, Африка)
Характеристики
GSM-850
GSM-1900
Частоты передачи MS и приёма BTS, МГц
824 – 849
1850 – 1910
Частоты приёма и передачи BTS, МГц
869 – 894
1930 – 1990
Дуплексный разнос частот приёма и передачи, МГц
45
80
экономить деньги за счёт низких тарифов. В обеих сетях абонент
пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат
одной компании, или между компаниями, работающими в разных
диапазонах, заключено соглашение о роуминге.
Сеть GSM 900/1800 – это единая сеть, с общей структурой, логикой и мониторингом, в которой телефон никуда не переключается. Вручную можно только запретить использовать один из диапазонов в тестовых или очень старых аппаратах. Проблема состоит
в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно
меньше, чем в стандартах GSM-900, AMPS/DAMPS-800, NMT-450.
Необходимо большее число базовых станций. Чем выше частота излучения, тем больше проникающая способность (характеризуется
т. н. глубиной скин-слоя) радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды. Дальность связи в GSM лимитирована задержкой сигнала (Timing advance) и составляет величину
до 35 км. При использовании режима extended cell (расширенная
ячейка)- возрастает до 75 км. Практически это достижимо только
в море, пустыне и горах.
850/1900 МГц (используется в США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки)
1.6. Структура GSM-сетей
Структура сетей GSM представлена на рис. 1.1.
Система GSM состоит из трех основных подсистем:
10
Рис. 1.1. Структура сетей GSM
– подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem),
– подсистема коммутации (NSS -Network Switching Subsystem),
– центр технического обслуживания (ОМС – Operation and
Maintenance Centre).
В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные
устройства – подвижные станции (MS – Mobile Station), также известные как мобильные (сотовые) телефоны.
На рис. 1.1 GGSN-Gateway GPRS Support Node (шлюзовой узел поддержки GPRS), SGSN-Serving GPRS Support Node (обслуживающий
узел поддержки GPRS), IP-Internet Protocol (интернет протокол).
Подсистема базовых станций
BSS состоит из собственно базовых станций BTS и контроллеров
базовых станций (BSC – Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр
11
каждой шестиугольной ячейки может быть разным – от 400 м до 50
км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120
км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации и компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной базовой станцией, при этом ячейки частично
перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания абонента при перемещении его из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS)
к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора или GPRS-сессии
называется техническим термином «Handover»). Естественно, что на
самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая
площадь в виде круга, но при пересечении получаются правильные
шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем,
что в задачи планирования размещения станций входила такая, как
минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем шесть – особых выгод не несёт. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне
перекрытия, как раз получаем шестиугольники.
Базовая станция обеспечивает приём/передачу сигнала между
MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и
строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых
станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.
Контроллер базовых станций контролирует соединения между
BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит
управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой
Handover.
Подсистема коммутации
Подсистема построена из следующих компонентов.
Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre)
MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс
между GSM и ТСОП (телефонной сети общего пользования), другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет
функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячей12
ки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные
по нему и передает их в центр расчётов для формирования счета за
предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC
также постоянно следит за положением MS, используя данные из
HLR (Home Location Registry – Домашний регистр местоположения) и VLR (Visitor Location Register –Гостевой регистр местоположения), что необходимо для быстрого нахождения и установления
соединения с MS в случае её вызова.
Домашний регистр местоположения
Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь
содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая
в случае его вызова, а также Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity),
который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC -Authentication center- Центр аутентификации). Каждый
абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все
MSC и VIR в данной GSM- сети, а в случае межсетевого роуминга –
и MSC других сетей.
Гостевой регистр местоположения
VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны
в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах,
находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах
других систем GSM – так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился
в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.
Регистр идентификации оборудования (EIR – Equipment
Identification Registry)
EIR cодержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity –
Международный идентификационный номер подвижного объекта). Формирует три списка: белый (допущен к использованию),
серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS,
запрещённые к применению). У российских операторов (и большей
части операторов стран СНГ) используются только белые списки,
что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов.
13
Центр аутентификации
В центре производится аутентификация абонента, а точнее –
SIM карты. Доступ к сети разрешается только после прохождения
SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC
на MS приходит случайное число (RAND), после чего на AUC и MS
параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для
данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и
AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики»– SRES (Signed
Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC
отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация
считается успешной.
Подсистема ОМС
ОМС соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Подсистема
обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Она обеспечивает проверку состояния сети,
возможность прохождения вызова, а также производит обновление
программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других
функций.
14
2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС RS-232
Широко используется последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом
EIA RS-232-C (рис. 2.1) и рекомендациями V.24 CCITT. Интерфейс
RS-232 изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее время используется в самых различных применениях.
Интерфейс RS-232 соединяет два устройства. Линия передачи
первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс). Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток
передаваемых данных соответствующих управляющих символов).
Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций
определения статусами управления.
Интерфейс RS-232 предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема,
мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению
с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель.
В то же время работать с ним несколько сложнее Данные в RS232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт
DCD
1
6
RX
2
TX
3
7
8
DTR
4
GND
5
9
DSR
RTS
CTS
RI
Рис. 2.1. Интерфейс-RS-232-C
(обозначения контактов расшифрованы далее)
15
Таблица 2.1
Характеристики интерфейса
Стандарт
EIA-232-C, CCITT V.24
Скорость передачи
115 Кбит/с (максимальная)
Расстояние передачи
15 м (максимальное)
Характер сигнала
несимметричный по напряжению
Количество драйверов
1
Количество приемников
1
Схема соединения
Полный дуплекс,
от точки к точке
обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).
Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный
(DB9P) разъем для подключения RS-232C. Назначение контактов
разъема приведено в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Обозначения контактов разъёма интерфейса
Контакт
(9-контактный
разъем)
Наименование
Направление
DCD
IN
RXD
IN
TXD
OUT
DTR
OUT
Data Terminal Ready
(Готовность терминала)
4
GND
-
System Ground (Корпус системы)
5
DSR
IN
Data Set Ready
(Готовность данных)
6
RTS
OUT
Request to Send
(Запрос на отправку)
7
CTS
IN
Clear to Send (Готовность приема)
8
R1
IN
Ring Indicator (Индикатор)
9
16
Описание
Carrier Detect
(Определение несущей)
Receive Data
(Принимаемые данные)
Transmit Data
(Передаваемые данные)
1
2
3
Назначение сигналов следующее. (Аббревиатура в обозначениях интерфейса).
FG – защитное заземление (экран).
TxD – Transmitter Data (данные передатчика), данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
RxD – Receiver Data (данные приемника), данные, принимаемые
компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).
RTS – Request To Send (запрос на передачу). Активен во все время передачи.
CTS – Clear TO Send (отправить),сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.
DSR – Data Set Ready (готовность данных). Используется для задания режима модема.
SG – сигнальное заземление, нулевой провод.
DCD – Data Carrier Detect (носитель данных обнаружить), (детектирование принимаемого сигнала).
DTR – Data Terminal Ready (терминал сбора данных готов).
RI – Ring Indicator (индикатор вызова). Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети.
В пятипроводном последовательном интерфейсе используются
сигналы TxD, RxD, RTS , CTS, DTR. В четырехпроводном интерфейсе- TxD, RxD, RTS , CTS, в двухпроводном- TxD, RxD.
Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная
связь (для двунаправленной передачи). Для двухпроводной линии
связи в случае только передачи из компьютера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса
задействуются только при соединении компьютера с модемом.
Формат передаваемых данных показан на рис. 2.2. Собственно
данные (5. 6, 7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом
четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты
приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение – не более 10%. Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200,
38400, 57600, 115200 бит/с.
Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными
уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи
(рис. 2.3.). Отметим, что данные передаются в инверсном коде (ло17
Отсутствие
передачи
"1"
"2"
8 бит данных
Стартовый бит
Стоповые
биты
Бит четности
Рис. 2.2. Формат передаваемых данных
TxD
TxD
RxD
RxD
RTS
RTS
CTS
CTS
DSR
DSR
DCD
DCD
DTR
DTR
RI
RI
SG
SG
FG
FG
Рис. 2.3. Интерфейс
гической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю – высокий уровень).
Для подключения произвольного устройства связи к компьютеру
через RS-232C обычно используют трех- или четырехпроводную линию связи, но можно задействовать и другие сигналы интерфейса.
18
3. ФОРМАТЫ SMS-СООБЩЕНИЙ
SMS-сообщения можно отправлять в двух форматах – текстовом
и PDU (Packet Data Unit-блок(единица) пакетных данных). Текстовый формат чрезвычайно прост и достаточно подробно описан
в описании команд GSM- модуля. Но из-за своей простоты он содержит несколько ограничений. Например, из текстового режима
нельзя отправить сообщение русскими буквами. Кроме того, в текстовом режиме нельзя управлять параметрами сообщения, такими,
например, как его тип. К тому же, некоторые телефоны/модемы
вообще не поддерживают текстовый режим.
Для обхода ограничений текстового режима, а так же там, где он
вообще не поддерживается используется режим PDU. Это достаточно сложный и запутанный режим, но зато пользователю доступен
весь потенциал SMS-сообщений.
В режиме PDU с помощью одного SMS-сообщения можно отправить максимум 140 байт информации. Для отправки используются две основные кодировки: 7-битная и UCS2. 7-битная используется только для отправки ASCII символов, т. е. символов
с кодом от 32 (20h) до 127 (7Fh). Это означает, что русских букв
там нет, зато, при отправке 7-битная кодировка упаковывается
в 8-битный вид, что позволяет упаковать в отведенные 140 байт
160 ASCII-символов.
В кодировке UCS2 (по сути тот же Unicode) каждый символ кодируется двумя байтами, поэтому становится возможна отправка
сообщений на языках отличных от английского, но длина сообщения сокращается до 70 символов (140/2 = 70).
Форматы и принципы кодировок будут описаны ниже, сейчас
же рассмотрим PDU- режим подробнее.
3.1. PDU режим
PDU это по сути просто текстовая строка, состоящая из шестнадцатеричных байтов, которая содержит в себе все параметры сообщения. Эта строка и передается модему/телефону.
Все сотовые телефоны и GSM-модемы поддерживают прием/отправку сообщений в этой форме.
Сообщение в PDU-режиме представляет собой формулу
SMS=SCA+TPDU,
где SMS– это целиком сформированное сообщение,
SCA– это Service Center Address – номер телефона SMS-центра,
через который отправляется SMS,
19
TPDU – это Transport Protocol Data Unit – единица данных
транспортного протокола.
По сути, TPDU и есть сообщение. Именно этот блок содержит номер получателя, текст сообщения и несколько служебных полей.
Данную формулу можно сократить до SMS=TPDU, т. е. не указывать SMS-центр. Это работает в большинстве случаев, ибо номер
SMS-центра обычно уже указан в SIM- карте и не меняется, однако возможность применения такого метода не всегда применима и
описана далее.
Самое сложное в процессе формирования сообщения – правильно закодировать его в формат PDU. Если при кодировании будет допущена ошибка, модем ответит строкой вроде «ERROR: 304». Далее подробно разберем формат для отправки сообщения.
3.2. Пример отправки сообщения на русском языке
Для примера будем отправлять сообщение «Привет!!!» на номер
+79123456789. Во-первых, получать сообщения на родном языке
приятнее, а во-вторых, их проще кодировать. В этом случае, как
было отмечено, каждый символ сообщения кодируется двумя байтами (как в Unicode). Так же, для начала, отправлять сообщение
будем в полном виде, т. е. с указанием SMS-центра. Как обойтись
без этого будет сказано позже.
Итак, SMS=SCA+TPDU.
Начнем с SCA.
3.2.1. Формирование номера SMS-центра (SCA)
Формат номера SMS-центра прост и состоит из трех блоков
(см. табл. 3.1).
Длина блока SCA – это длина типа+длина номера.
Тип номера-это формат номера телефона SMS-центра.
В большинстве случаев это международный формат, например
«+79123456789». Международному формату соответствует шестТаблица 3.1
Формирование номера SMS-сообщения
20
1 байт
1 байт
От 0 до 6 байт
Длина всего блока SCA
Тип номера
SMS-центра
Номер
SMS-центра
надцатеричный байт 91h. То есть, для нашей задачи тип номера
всегда будет равен «91».
Номер SMS-центра – из номера убирается все, кроме цифр, затем, если количество символов в номере нечетное, номер дополняется в конце буквой «F» и становится четным. Затем, каждая пара цифр в номере переставляется местами. Рассмотрим процесс на
примере: пусть номер SMS-центра будет «+79107899999» (русский
провайдер МТС). Приведем его в соответствие требуемому формату:
убираем плюс перед номером, считаем количество символов – получилось 11. Нечетное число, значит, дописываем в конец букву «F».
Получается «79107899999F». Затем переставляем местами цифры
в каждой парс. Получится «9701879999F9». Вот он, искомый номер SMS- центра.
Затем объединяем все поля: берем тип номера SMS-центра,
добавляем к нему сам номер и в начало вставляем количество
получившихся байт в шестнадцатеричном виде. Т.е. для нашего случая с номером +79107899999 получим такую строку:
«07919701879999F9». Здесь «07» (длина) + «91» (тип, 1 байт) +
«970I879999F9» (номер, 6 байт). Длина равна «07», потому что 1
байт типа + 6 байт номера. Обязательно «07», а не «7»– все байты
переводятся в текстовый вид целиком, с лидирующим нулем, если
он есть.
Будьте внимательнее, поскольку в номере получателя сообщения указывается не количество байт, а количество цифр в номере.
Так что нужно быть очень внимательным.
3.2.2. Формула TPDU
Теперь рассмотрим вторую часть PDU-формата. Для нее тоже
есть формула
TPDU=«PDU-Type»+«TP-MR»+«TP-DA»+«TP-PID»^
^<TP-DCS»+«TP-VP» ‘«TP-UDL»+«TP-UD».
Ниже рассмотрены поля этой строки.
– PDU-Type – Тип сообщения. Поле флагов, о нем речь пойдет
дальше. В некоторых источниках упоминается как SMS-SUBMITPDU.
– TP- MR–TP-Message-Reference – назначение этого поля не используется и зарезервировано. По умолчанию TP-MR = «00».
– TP- DA–TP-Destination-Address – номер телефона получателя
сообщения.
– TP- PID–TP-Protocol ID – идентификатор протокола, тоже
всегда равен «00».
21
– TР- DCS–TP-Data-Coding-Scheme – схема кодирования данных. Указывает, в каком формате представлено сообщение.
– TР- VP–TP-Validity-Period– время действия сообщения (если
сообщение не будет получено абонентом в течение этого времени,
SMS-центр его удалит).
– TP-UDI–TP-User-Data-Length – длина сообщения.
– TP- UD–TP-User-Data – непосредственно текст SMS-сообщения,
закодированный согласно полю TP-DCS.
Далее значение всех полей рассмотрено подробнее.
РDU-Туре– Поле флагов. Один байт состоит из 8 бит, которые
осуществляют некоторую настройку сообщения. Посмотрим на
табл. 3.2.
Смысл некоторых полей имеет особое значение, поэтому и рассматривается. Самым главным является тип сообщения, т. е. 2 бита
TP-MTI, они должны быть 01, что указывает, что это исходящее сообщение.
Кроме того имеют некоторое значение биты TP-VPF (4-й и 3-й).
Они указывают время жизни сообщения и влияют на размер поля
TP-VP в формуле TPDU. Если оба бита равны «О», то поле TP-VP
вообще из формулы исключается. В результате чаще всего задается
значение 00, тогда SMS живет столько времени, сколько ей позволит жить SMS- центр.
В общем, для нормальной отправки сообщения достаточно в байте PDU- Турe установить в «1» только нулевой бит, таким образом,
получим байт «01». Его и подставим в формулу.
Возвращаемся к формуле TPDU.
TP- MR-значение этого поля не рассматривается, оставляем нулевым, т. е. «00».
TP- DА-Номер телефона получателя сообщения.
1 байт
1байт
От 0 до 6 байт
Длина номера получателя Тип номера получателя
Номер получателя
Тип номера остается таким же, как и для SMS-центра: международный формат записывается как «91».
Номер получателя кодируется так же, как и номер SMS-центра:
убираем все, кроме цифр, дописываем в конец «F», если количество цифр в номере нечетное, а затем переставляем местами цифры в каждой паре. Пример следующий: нужно отправить SMS на
номер +79123456789. Убираем плюс, цифр получилось 11, дописываем в конец «F» и переставляем местами цифры, получаем
«9721436587F9».
22
Таблица 3.2
Настройка сообщения
Бит
Название
7
TPRP
6
TPUDHI
5
TPSRR
4
TPVPF
3
TPVPF
2
TPRD
1
TPMTI
0
TPMTI
Значение битовых полей:
БИТ
Значение
TP-RP
Reply path
TP-UDHI
User data header indicator
TP-SRR
Status report request. Если бит равен 1 – запрашивается
отчет о состоянии
Validity Period Format – формат поля TP-VP (время
действия сообщения).
Эти 2 бита описывают, как будет выглядеть поле TP-VP
в формуле TPDU:
Бит 4
Бит 3
Формат поля
Поле TP-VP отсутствует
TP-VPF
Поле TP-VP присутствует и описывает
Относительный формат (1 байт)
Поле TP-VP присутствует и описывает
Расширенный формат (7 байт)
Поле TP-VP присутствует и описывает
Абсолютный формат (7 байт)
TP-RD
Reject duplicates
TP-MTI
Тип сообщения. Когда бит 1 равен <0>, а бит 0 равен
<1> это исходящее сообщение
А теперь тонкий момент: поле «длина номера получателя» считается не как количество байт, а как количество цифр в номере без
учета добавленною символа «F».
Применительно к примеру ТР- DA будет выглядеть как
«0В919721436587F9», т е. «0В» (длина, 11 цифр) + «91» (тип) +
«9721436587F9» (номер, длина 6 байт, но 11 цифр!!!)
Длина «0В» в шестнадцатеричной системе это 11 в десятичной,
т. е. ту букву «F», которую мы добавили для четности мы не учитываем. Тип номера в длине тоже не учитывается.
23
TР- PID – значение этого поля не рассматривается, оставляем
нулевым, т. е. «00».
TР- DCS – TP-Data-Coding-Scheme – схема кодирования данных.
Она описывает, как будет закодировано отсылаемое сообщение.
Тут достаточно знать только несколько значений:
00h: кодировка 7-бит (160 знаков, но не кириллическая, только
латинские символы).
08h: кодировка UCS2 (тот же Unicode), 70 знаков, 2 байта на
символ.
Если первым полубайтом указать не «0», а «1», то сообщение
получится типа Flash, т. е. не осядет в мобильнике получателя, а
сразу же выведется ему на экран. Это может быть полезной возможностью:
10h: Flash-сообщение, кодировка 7-бит.
18h: Flash-сообщение, кодировка UCS2.
О кодировке речь пойдет далее.
TP- VP–TP-Validity-Period – время действия сообщения. Значение зависит от битов 4 и 3 поля PDU-Type. Поскольку для простоты
в поле PDU-Type указаны биты 4 и 3 равными «0», это означает, что
поля ТР-VP не будут указаны вообще.
TP- UDI –длина сообщения, указывается в байтах. Для сообщений на русском языке используется кодировка UCS2 (тот же
Unicode), т. е. каждая буква кодируется двумя байтами. Соответственно сообщение из 9 букв «Привет!!!» будет иметь длину 18 байт,
т. е. «12» в шестнадцатеричной системе счисления. (Для сообщений
в 7-битной кодировке указывается количество символов в сообщении, т. е. для фразы «Hello!!!» длина будет равна «08» несмотря на
то, что перекодированная в 8-битное представление эта фраза занимает
не 8, а 7 байт, но о кодировках ниже.)
TP- UD – TP-User-Data – непосредственно текст SMS-сообщения,
закодированный согласно полю TP-DCS, т. е. либо используется
кодировка 7-бит, либо UCS2. Для примера сообщение «Привет!!!»
в кодировке UCS2 будет выглядеть так: «041F044004380432043
50442002100210021».
Подведем небольшой итог.
Исходя из формулы,
TPDU= «PDU-Type» + «TР-MR» + «ТР-DA» + «ТР-PID» +
+«ТР-DCS» + «ТР-VP» + «ТР-UDL» + «ТР-UD».
Получаем подстановкой наш текст в сообщение
TPDU= «01» + «00» + «0В919721436587Г9» + «00» + «08» + «12»
+ «0411-04400438043204350442002100210021».
24
Помня, что SMS=SCA+TPDU, добавим в начато адрес SMSцентра и получим полноформатное PDU-сообщение «Привет!!!» на
номер +79123456789 через SMS-центр +79107899999.
«07919701879999F901000B919721436587F9000812041F04400
4380432043504420021002100 21».
Именно такую последовательность цифр и нужно отправить телефону/модему, чтобы он отправил сообщение. Но об отправке поговорим позже. Сейчас рассмотрим краткий формат отправки.
3.3. Краткий формат сообщений
Рассмотрим более краткий формат отправки SMS. А именно,
из формулы SMS=SCA+TPDU исключается SCA. То есть не будем
указывать телефону/модему номер SMS-центра, так как в 99,9%
случаев он уже настроен в SIM-карте. Для того чтобы телефон/модем брал номер SMS-центра из настроек SIM-карты, нужно вместо
SCA подставить «00». Остальные параметры не меняются и подставляются точно так же. Следовательно, наше сообщение в кратком формате будет иметь вид
«0001000В919721436587F900081204
1F04400438043204350442002100210021».
Начинается с «00» а затем сразу идет поле « PDU-Type » и т.д.
О кодировках
UCS2 (Unicode)
Рассмотрим кодировку UCS2, поскольку именно она позволяет
отправлять сообщения на русском языке. По аналогии с Unicode,
каждый символ имеет двухбайтовое представление. Т.е. для английских символов однобайтовой кодировке в начало добавляется байт ООН. Для русских символов (те, что начинаются с СОН
в Windows-кодировке) можно создать такое правило: из байта вычитается C0h и прибавляется 41 Oh (кроме букв «ё» и «Ё», которые
в Unicode имеют коды 0451 h и 0401 h соответственно).
Таким образом, получается таблица кодировок (см. табл. 3.3).
Таблица 3.3
Таблица кодировок
А
Б
В
Windows
UCS2
C0
C1
C2
04 10
04 11
04 12
К
Л
М
Windows
UCS2
CA
CB
CC
04 1A
04 1B
04 1C
Х
Ц
Ч
Windows
UCS2
D5
D6
D7
04 25
04 26
04 27
25
Продолжение таблицы 3.3
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
Windows
UCS2
C3
C4
C5
А8
С6
С7
С8
С9
04 13
04 14
04 15
04 01
04 16
04 17
04 18
04 19
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Windows
UCS2
CD
CE
CF
D0
D1
D2
D3
D4
04 1D
04 1E
04 1F
04 20
04 21
04 22
04 23
04 24
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
Windows
UCS2
D8
D9
DA
DB
DC
DD
DE
DF
04 28
04 29
04 2A
04 2B
04 2C
04 2D
04 2E
04 2F
Таким образом, написание русских сообщений в колировке
UCS2 не представляет никакой сложности – берется буква, перекодируется в двухбайтовое представление и отправляется.
Однако в UCS2 можно отправить только 70 символов в одном
SMS-сообщении. Если необходимо отправить больше – придется
пожертвовать русским языком и отправлять латинскими символами. Они обычно кодируются одним байтом, от 0 до 7Eh. Точнее, не
байтом, а 7 битами байта. Чтобы не передавать бесполезные незначащие нули, применяется несложный алгоритм упаковки данных.
Поскольку для кодирования символа ASCII используется 7 бит
(биты от 0 до 6), значит старший, 7-й бит всегда равен 0. Вот он-то и
используется для упаковки, т. е. последовательность такая.
1. Получаем первый байт: берется семь бит первого символа (биты 7-0); из семи бит второго символа самый младший (0-й) бит переносится в старший разряд первого байта, получается так: (0-й бит
второго символа) (7 бит первого символа).
2. Далее получаем второй байт: от второго символа у нас теперь
осталось 6 бит, дополняем их до целого байта, а именно берем из
третьего символа уже два младших бита (1-й и 0-й) и переносим их
в старшие разряды второго байта. Получается так: (1-й и 0-й биты
третьего символа)(6 бит второго символа).
3. Получаем третий байт: от третьего символа забрали 2 бита,
осталось 5. Значит, чтобы получить полный третий байт, надо из
четвертого символа забрать 3 младших бита.
4. И так далее, по аналогии.
Рис. 3.1 иллюстрирует данный процесс.
Вот как выглядит последовательность байт фразы «Hello!!!»
в 7-битной кодировке
48 65 6С 6С 6F 21 21 21.
26
H
(48 h)
e
(65 h )
I
(6Ch )
I
(6Ch )
00
1001000
1100101
1
I
(21 h )
o
(6Fh )
1101100
100
I
(21 h )
0100001
0100001
100001
1111
1101100
I
(21 h )
1101111
0100001
00001
0100001
Рис. 3.1. Схема кодировки
А вот та же фраза, но уже перекодированная в 8-битную
С8 32 9В FD ОЕ 85 42.
Как видно, получилось на целый байт меньше! Поэтому кодирование каждых 8 символов дает выигрыш в один байт. Так и получается, что в 140 байт влезает 160 символов.
Отметим, что при отправке сообщений в 7-битной кодировке
в поле TР- UDL (длина сообщения) указывается количество символов в сообщении, а не количество байт, получившихся после упаковки. То есть для «Hello!!!» TP-UDL будет равно «08», хотя байт
получилось семь.
3.4. Отправка сообщений
После того как сообщение закодировано, его еще нужно правильно
отправить. Для этого необходимо проделать следующие действия.
1. Переводим модем в PDU-режим. Для этого отсылаем ему команду «AT+CMGF=0». Если получаем в ответ «ОК»– значит все
в порядке, режим поддерживается и включен.
2. Даем команду «АТ+СМ05=<длина сообщения>». Эта команда требует пояснения: <длина сообщения> в данном случае подразумевает не длину всего сообщения, а длину блока TPDU, то есть
длину без учета номера SMS-центра. Длина считается в байтах.
Вернемся к первому примеру (полноформатное PDUсообщение «Привет!!!» на номер +79123456789 через SMS-центр
+79107899999), где сообщение выглядело так:
07919701879999F901000В919721436587F9000812041F044004
38043204350442002100210021.
Для его отправки необходимо дать команду «AT+CMGS=31»,
т. е. начало «07919701879999F9» в длину не входит, ибо это номер
SMS-центра.
27
Если номер SMS-центpa не указывается и вместо него подставляется «00», то этот байт тоже не учитывается. Т е. для нашего примера
0001ОООВ9197214365 8 7F900081204
1F04400438043204350442002100210021.
Длина всё равно будет 31. В данном случае, в команде телефону/
модему длина сообщения указывается десятичной цифрой.
3. После команды «AT+CMGS=<длина сообщения>», если все
нормально, телефон/модем ответит приглашающей кавычкой «>».
Теперь передаем ему непосредственно все сформированное сообщение вместе с номером SMS-центра или «00» вместо него. Заканчивается ввод спецсимволом «Ctrl+Z», имеющим ASCII-код 26.
4. Если всё нормально, если нигде не допущено ошибок – модем
ответит «+CMGS: <номер>».
5. Если где-то допущена ошибка, то модем ответит «ERROR: 304».
28
4. КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
4.1. Состав комплекса
Комплекс предназначен для проведения лабораторно-практических работ с целью получения базовых знаний и практических навыков в программировании и настройке контроллера GSM, являющегося базовой частью любого GSM-телефона. Также комплекс позволяет
изучать основы мобильных сетей передачи данных, а также энергопотребление модуля в зависимости от различных факторов. Модуль
интегрируется с другими стендами, содержащими микроконтроллер,
позволяя изучать основы построения современных телефонов, трекеров и других устройств, использующих мобильные сети передачи
данных. Комплекс состоит из модуля «Сотовая связь GSM», трех различных антенн и комплекта проводов.
Модуль «Сотовая связь GSM»
1. GSM-модем WISMO228, обладающий следующими характеристиками:
– процессорное ядро ARM 946, 32 разряда, тактовая частота
104 МГц;
– встроенная память Flash/PSRAM;
– четыре частотных диапазона GSM/GPRS 850/900/1800/1900
МГц;
– GSM-стандарт SMS, Fax, CSD, GPRS класс 10;
– промышленный рабочий диапазон температур: -40...+85 °С;
– напряжение питания 3,6 В;
– периферия: 11 GPIO, I2C, SPI, UART, АЦП, ЦАП, 1 аналоговый.
– Аудиоинтерфейс:
– звуковые кодеки: FR/HR/EFR/AMR;
– SIM-интерфейс 3В/1,8В;
– встроенный TCP/IP-стек; дисплей состояния модема, который
может работать в режимах:
– измерение потребляемой мощности GSM-модемом;
– отображение информации, передаваемой модулем.
Кнопочные переключатели, управляющие состоянием GSMмодема:
– кнопка «Power,
– кнопка «Reset»,
– слот для SIM-карты.
– SMA-F разъем для подключения внешней антенны.
29
– Встроенный преобразователь интерфейса USB в интерфейс RS232 с уровнями ТТЛ.
– Максимальная скорость передачи 115200 Кбит/с.
– Возможность управления как вручную, так и с помощью
внешнего микроконтроллера.
– Энергопотребление не более 10 ватт.
– Габариты (ШхВхД): 189х55х134 мм.
– Материал корпуса блока: пластик.
– Диапазон рабочих температур 0 .. +40 °С.
2. GSM-антенна (3 штуки различных типов).
SMA-M разъем для подключения.
3. Блок питания сетевой:
– входное напряжение 220 вольт ± 20%;
– потребляемая мощность не более 20 ватт;
– выходное напряжение 5 В;
– выходной ток не менее 2 А.
4. USB-кабель тип A->B (1 шт.), длина не менее 1 метра.
5. Провода приборные 10 штук, длина не менее 20 см.
6. Компакт-диск с программным обеспечением.
7. Наушники с разъемом 3,5 мм.
4.2. Описание комплекса
Комплексом можно управлять при помощи персонального компьютера, а также при помощи внешних микроконтроллеров.
Основу комплекса составляет модуль «Сотовая связь GSM»,
внешний вид которого приведен на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Внешний вид модуля «Сотовая связь GSM»
30
Модуль содержит в себе GSM/GPRS модем WISMO228 с характеристиками, изложенными в разделе 4.1.
В модуле находится всё необходимое для работы GSM-модема:
обвязка, держатель SIM-карты, а также измеритель потребляемой
мощности. Все интерфейсные контакты модуля выведены на лицевую панель и снабжены защитой от электростатических разрядов. Предусмотрена возможность управления модулем с помощью
внешнего модуля микроконтроллера.
4.2.1. Описание модуля
Схематичное изображение лицевой панели модуля приведено на
рис. 4.2.
На рис. 4.2. 1 – микрофон, соединенный с GSM-модулем; 2 – GSMмодем; 3 – дисплей, отображающий потребляемую мощность GSMмодуля, а также информацию, передаваемую модулем в компьютер по
последовательному порту; 4 – держатель SIM-карты; 5 – кнопка выбора режима отображения: измерение мощности или терминал; 6 – светодиод для индикации готовности модуля и гнездо для подключения
к модулю внешнего микроконтроллера; 7 – светодиод для индикации
передачи информации модулем и гнездо для подключения к модулю
внешнего микроконтроллера; 8, 10 – гнезда для подачи сигнала с помощью модуля внешнего микроконтроллера; 9, 11 – кнопки для подачи сигнала вручную; 12 – сигналы последовательного асинхронного
порта стандарта RS-232, ТТЛ-уровня от GSM модема; 13 – сигналы последовательного асинхронного порта стандарта RS-232, ТТЛ-уровня
от компьютера (встроенный USB->COM адаптер).
Рис. 4. 2. Лицевая панель модуля
31
Рис. 4. 3. Вид задней панели модуля
На рис. 4.3 приведено изображение задней панели модуля.
На рис. 4.3 1-разъем USB для подключения к компьютеру; 2разъем питания модуля; 3- аудиоразъем 3,5 мм для подключения
наушников; 4- SMA-разъем для подключения антенны.
4.2.2. Установка SIM-карты
SIM-карта не входит в состав комплекса. SIM-карта необходима для регистрации модуля в сети оператора сотовой связи. Если
карта не установлена, модуль не сможет полноценно функционировать. Для установки SIM-карты выполните следующие действия:
1. Дотроньтесь рукой до разъема антенны модуля для выравнивания потенциала тела и модуля.
2. Аккуратно сдвиньте держатель карты 4 (см. рис. 4.2) в направлении «Open» и отодвиньте держатель, как показано на рис. 4.4.
3. Ориентируясь на скос на угле карты, установите ее в держатель,
стараясь не касаться электрических контактов модуля и SIM-карты,
как показано на рис. 4.5.
4. Зафиксируйте SIM-карту, сдвинув держатель в положение
«Close», как показано на рис. 4.6.
При выполнении данной операции не допускайте образования
статических разрядов, воздействующих на контакты модуля, так
как это может привести к выходу модуля из строя.
4.2.3. Включение и сброс модуля
Для включения модуля соединить блок питания с разъемом питания на задней панели модуля (разъем 2 на рис. 4. 3). Далее вставить
шнур блока питания в бытовую розетку 220 В переменного тока. Ин32
Рис. 4.4. Установка SIM-карты.
Шаг 1
Рис. 4.5. Установка SIM-карты.
Шаг 2
Рис. 4.6. Установка SIM-карты.
Шаг 3
дикатор высветит приветствие. После подачи питания GSM-модуль
находится в выключенном состоянии. Для того чтобы включить его,
нажать на кнопку (11 на рис. 4. 2). Через некоторое время зажжется
светодиод RDY (6 на рис. 4.2), показывая, что GSM-модуль перешел
в рабочее состояние. Все внешние сигналы должны быть неактивны,
когда модуль выключен, чтобы избежать повреждения при запуске
модуля. Для того чтобы выполнить полный программный сброс модуля, коротко нажать на кнопку (9 на рис. 4. 2).
Если модуль управляется внешним микроконтроллером, то сигналы сброса и включения питания можно подавать через специальные разъемы на лицевой панели (8 и 10 на рис. 4. 2 соответственно).
33
Высокий логический уровень на этих контактах соответствует нажатой кнопке.
4.2.4. Способы управления модулем
Для управления GSM-модемом используется стандартный интерфейс RS-232, но с ТТЛ-уровнями. Модуль содержит в себе полноценный интерфейс USB/RS-232, что позволяет использовать все возможные способы управления GSM-модемом, в том числе с аппаратным
управлением потоком. Модуль допускает множество различных соединений, некоторые из которых приведены на рис. 4.7 –4.10.
При настройках по-умолчанию будут работать все 4 вышеуказанных способа соединения. При работе с внешним микроконтроллером следует учитывать, что уровни сигналов на контактах модуля 3,3 В. Сначала соединить контакты «GND» модуля GSM-сетей и
микроконтроллера, а затем все остальные.
4.2.5. Измерение потребляемой мощности
При помощи кнопки «Выбор вида» (5 на рис. 4.2), может быть
выбран режим «Потребляемая мощность». В этом режиме дисплей
11 отображает данные о напряжении питания GSM-модема, а также о потребляемом им токе и мощности. Учитывается только мощность, потребляемая модемом, остальные узлы (дисплей, переходник USB/COM) не учитываются. На рис. 4.11 приведен пример работы этого режима.
Рис. 4.7. Соединение без управления потоком
Рис. 4.8. Соединение с неиспользуемым
аппаратным управлением потоком
34
Рис. 4.9. Соединение с аппаратным управлением потоком
Рис. 4.10. Физически-полное соединение
Рис. 4.11. Работа дисплея в режиме «Измерение мощности»
Измеряется напряжение питания модуля с погрешностью до десятков милливольт, ток потребления с погрешностью 1 мА. Мощность получается перемножением этих величин. Следует помнить,
что модем потребляет мощность не постоянно, а импульсами, в момент приема и передачи данных в сеть.
4.2.6. Использование режима «Терминал» дисплея
При помощи кнопки «Выбор вида» (5 на рис. 4. 2), может быть
выбран режим «Терминал», как показано на рис. 4.9. В этом режиме
дисплей отображает информацию, передаваемую GSM-модулем.
Фактически, дисплей считывает информацию с контакта TXD
с блока «сигналы модуля» (12 на рис. 4.2).
35
Рис. 4. 12. Работа дисплея в режиме «Терминал»
Для корректного отображения информации параметры интерфейса должны быть следующие:
скорость 115 200 бод; 1 стоп-бит; без проверки на четность/нечетность; размер блока данных – 8 бит; управление потоком отсутствует.
Этот режим может использоваться в отладочных целях для считывания информации, передаваемой модулем. Включение этого
режима отображения никак не влияет на работу GSM-модема.
4.3. Работа с программным обеспечением
4.3.1. Общее описание работы
Для начала работы нужно соединить модуль с компьютером через интерфейс USB. Если операционная система требует драйвера
для устройства, их можно найти на прилагаемом диске или скачать
последнюю версию на сайте www.ftdichip.com. В системе появится
виртуальный СОМ-порт, который, в случае операционной системы
Windows, можно найти в диспетчере устройств (Пуск -> Панель
управления -> Диспетчер устройств), как показано на рис. 4.13.
Для работы в терминальной программе нужно указать номер
этого СОМ-порта. В большинстве команд используется язык контроля модема, схожий с производственным стандартом Hayes.
Каждой команде должен предшествовать префикс “AT” или
“at”. Для обозначения конца команды используется управляющий
символы <CR><LF>. Любые данные, не соответствующие указанному шаблону, не будут приняты модулем, либо вызовут сообщение об ошибке.
Команды, за которыми возможна передача ответной информации, включают в себя <CR><LF><ответ_модуля><CR><LF> и/
или строка <CR><LF><строка><CR><LF>, где строка также может быть и сообщением об ошибке.
36
Рис. 4.13. Виртуальный СОМ-порт в ОС Windows
Например,
AT<CR><LF>
<CR><LF>OK<CR><LF>.
Перед отправкой следующей команды рекомендуется дождаться “OK” или “ERROR:XX”.
Любая информация, выдаваемая без запроса пользователя, передается в виде <CR><LF><строка><CR><LF>.
4.3.2. Программа Bray’s Terminal
Для управления модулем в операционной системе Windows может использоваться программа Bray’s Terminal, интерфейс которой приведен на рис. 4.14.
37
Рис. 4.14. Интерфейс программы Bray’s Terminal
Для начала работы нужно выбрать СОМ-порт, задать скорость
работы и другие служебные параметры, которые были указаны
в подразделе 4.2.4 «Способы управления модулем». Затем нужно
нажать на кнопку «Connect», и программа соединится с модулем.
GSM-модем должен быть включен!
Символы <CR> и <LF> в программе обозначаются с помощью
последовательностей #013 и #010 соответственно. На рисунке 4.11
приведена команда тестирования соединения с модулем «АТ».
4.3.3. Использование другого программного обеспечения
Для управления модулем может использоваться любое программное обеспечение, способное работать в режиме терминала.
При работе в ОС Linux, может использоваться утилита screen.
38
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
5.1. Лабораторная работа №1
Базовое управление модулем: интерфейс, основные команды
Цель работы: изучение стандартного асинхронного интерфейса
RS-232, назначения сигналов, скорости работы, режимов работы.
Изучение особенностей работы модуля: включение, сброс, выключение. Изучение базовых стандартных АТ-команд управления. Дозвон на номер, прием вызовов.
Порядок выполнения работы
1. Изучить пункт методических основ «Последовательный интерфейс RS-232». Изучить, в каких сферах применяются такие интерфейсы.
2. Изучить способы аппаратного подключения модема к управляющему устройству.
3. Прочитать раздел 4, особое внимание уделить пункту 4.2.3
«Способы управления модулем».
4. Включить комплекс, подключить модем одним из способов,
описанным выше.
5. Включить GSM-модуль при помощи кнопки согласно описанию лабораторной работы.
6. Произвести аппаратный сброс модуля, включение, затем выключение модуля. Обратить внимание на необходимость соблюдения временных задержек, описанных в документации.
7. Соединить модуль с компьютером, запустить программу
Bray’s Terminal, соединиться с модулем, как это описано в руководстве по эксплуатации стенда.
8. Ввести тестовую команду АТ (обратите внимание, что в программе Bray’s Terminal ее необходимо вводить как “АТ//013//010”),
убедиться, что модуль отвечает на нее. Если это не так, проверить,
включен ли модуль, а также правильность настроек программы.
9. Провести дозвон на номер, сброс вызова, ответ на вызов.
Внимание, если SIM-карта требует ввода PIN-кода, введите требуемый PIN -код.
5.2. Лабораторная работа №2
Управление модемом: SIM-карта, качество
принимаемого сигнала, наборы команд управлении
Цель работы: изучение назначения и управления SIM-картой,
особенностей подключения, считывание и запись данных на SIM39
карту. Качество принимаемого сигнала: влияние различных антенн на качество приема сигналов базовой станции. Стандартные
наборы команды управления GSM модемами.
Порядок выполнения работы
1. Произвести считывание данных с SIM-карты, запись телефонного номера и SMS- сообщения на карту, произвести контрольное
считывание.
2. Произвести замеры уровня сигнала при
а) ждущем состоянии;
б) голосовом вызове.
Повторить пункт 4 для всех трех антенн из комплекта комплекса, а также произвести аналогичные замеры при полностью отключенной внешней антенне (если удастся).
3. Сделать вывод о влиянии антенны на качество сигнала.
5.3. Лабораторная работа №3
SMS-сообщения: режимы отправки, кодирование
Цель работы: изучение режимов и способов отправки SMSсообщений: текстовый режим, PDU-режим, прием и передача сообщений. Центр обработки сообщений: считывание и установка.
USSD-запросы: режимы работы, прием и отправка информации.
Порядок выполнения работы
1. Прочитать пункт 3 «Форматы СМС-сообщений» теоретических основ методического пособия.
2. Включить комплекс, запустить необходимое ПО.
3. Отправить СМС на какой-либо номер в текстовом режиме.
Принять СМС, получить список принятых сообщений, после чего
удалить новое сообщение из списка.
4. Отправить SMS в PDU режиме (по желанию в русской раскладке или в упрощенной кодировке, как расписано в главе 3 теоретической части методического пособия).
3. Отправить и расшифровать принятые данные от какого-либо USSD-запроса (список доступных для Вашего оператора USSDзапросов ищите в документации, прилагаемой к SIM-карте).
6. Сделать вывод о сложности и эффективности различных способов передачи текстовой информации сотовыми телефонами.
5.4. Лабораторная работа №4
Проприетарные команды управления модулем
Цель работы: изучение проприетарных команд управления модулем: изучение особенностей, генерация звуков.
40
Порядок выполнения работы работы
1. Включить модуль и выполнить несколько команд (считать IMEI,
версию встроенного ПО, информацию о сети, GPRS-статус и др.).
1. Считать значение с входа АЦП модуля (ADC).
3. Проиграть мелодию на встроенном пьезоизлучателе (пользуясь командами AT+CRMP, AT+WMPWM).
4. Используя проприетарные команды, изменить механизмы
управления асинхронным интерфейсом модуля, посмотреть, как
влияет аппаратное управление потоком на скорость передачи.
5. Сделать вывод о функциях проприетарных команд и их необходимости.
5.5. Лабораторная работа №5
Энергопотребление и энергосбережение модуля
Цель работы: изучение режимов энергопотребления модуля:
выключенный режим, спящий режим, режим передачи данных,
режим разговора. Зависимость энергопотребления от качества сигнала базовой станции и типа антенны.
Порядок выполнения работы
1. Включить различные режимы энергосбережения, посмотреть
потребление модуля в различных режимах энергосбережения (используя встроенный измеритель мощности).
2. Измерить потребляемую мощность при
а) передаче SMS;
б) приеме SMS;
в) исходящем голосовом вызове;
г) входящем голосовом вызове (при неснятой трубке).
2. Посчитать, как сильно влияет качество сигнала на потребляемую модулем мощность (переключая антенны и делая голосовые
вызовы).
3. Сделать вывод о потреблении мощности модулем и о мерах
к ее уменьшению.
41
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Схемы соединений.
2. Результаты исследований.
3. Выводы по работе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Андрианов В. И. Средства мобильной связи/ В. И. Андрианов,
В. А. Соколов, СПб.: ВНY.1998. 256 с.
2. Никитин Г. И. Наземные системы мобильной связи/Г.И. Никитин, СПб.: ГУАП. 2007. 81 с.
3. Кузнецов М. А. Современные технологии и стандарты подвижной связи/М.А. Кузнецов, А.Е.Рыжков, СПб.: Линк. 2006. 128 с.
42
СОДЕРЖАНИЕ
1. Теоретические основы........................................................... 3
2. Последовательный интерфейс RS-232.................................... 15
3. Форматы SMS-сообщений.................................................... 19
4. Комплекс лабораторного оборудования.................................. 29
5. Порядок выполнения лабораторных работ............................. 39
6. Содержание отчета.............................................................. 42
Библиографический список .................................................... 42
43
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
2 118 Кб
Теги
0a8e5dc1e3, mikhailov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа