CDMA無線終端TCP／IP協(xié)議

CDMA是無線通信領(lǐng)域的后起之秀，采用頻分編碼技術(shù)，與基于時(shí)分復(fù)用的GSM相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。CDMA能夠?qū)崿F(xiàn)從現(xiàn)有通信系統(tǒng)到下一代通信系統(tǒng)的平滑過渡，具有較強(qiáng)的功能伸縮性；可以支持先進(jìn)的天線技術(shù)，通過增加小區(qū)覆蓋范圍減少基站數(shù)目；所有帶寬信道都能支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)頻率利用率高，設(shè)計(jì)施工和擴(kuò)容較為簡(jiǎn)便。 　　
內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議的CDMA無線終端通過CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，適合于開發(fā)基于無線應(yīng)用的產(chǎn)品，如監(jiān)控、調(diào)度、車載、遙控、遠(yuǎn)程測(cè)量、定位和導(dǎo)航等。這些系統(tǒng)開機(jī)就能自動(dòng)附著到CDMA網(wǎng)絡(luò)上，與數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)在線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、高速傳輸，可靠性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。文中提出的CDMA無線通信模塊，提供了TCP／IP協(xié)議接口的AT命令，結(jié)合命令控制模塊，適用于主機(jī)沒有TCP／TP協(xié)議，但使用串口通信的情況(如單片機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)等)。
　　
1 CDMA無線終端TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)
　　
Internet的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，它充分利用各種通信子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，通過在依賴于通信子網(wǎng)的通信模塊和應(yīng)用程序之間插入新的協(xié)議軟件來保證應(yīng)用程序之間的互操作性。因特網(wǎng)的協(xié)議族稱為“TCP／IP協(xié)議族”，其中包含了為數(shù)眾多的協(xié)議，如應(yīng)用層協(xié)議，傳輸層TCP、UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層的IP、ARP、ICMP協(xié)議以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等。無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)整合，信息包通過無線媒介無縫地傳輸至基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，在傳輸前，數(shù)據(jù)包必須根據(jù)TCP／IP協(xié)議封裝。在CDMA網(wǎng)絡(luò)中也采取了IP協(xié)議進(jìn)行傳輸。CDMA系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)自下而上分別為數(shù)據(jù)鏈路層(包括接口層和鏈接層)、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸及應(yīng)用層。
　　
1．1 數(shù)據(jù)鏈路層原理
　　
CDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈路層比較特別，涉及無線鏈路的鏈接及控制。鏈路層由RLP和PPP組成，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳遞主要由無線鏈路協(xié)議(RLP)完成。RLP子層是上層應(yīng)用與底層物理連接之間的重要接口，位于MAC層的復(fù)用子層之上。其主要作用是利用物理層的前向和反向信道為上層應(yīng)用提供面向比特流的傳輸，而并不考慮上層應(yīng)用的具體幀格式，根據(jù)復(fù)用子層的要求形成RLP幀。RLP子層中質(zhì)量保證措施的核心思想是一種盡力而為的傳輸機(jī)制(Best Effort Delivery)，即RLP子層依據(jù)協(xié)議規(guī)定的參數(shù)盡可能地保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。
　　
PPP包括串行鏈路上封裝數(shù)據(jù)報(bào)的方法；建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路鏈接的LCP協(xié)議(Link contr01 Protocol)；建立和配置網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的IPCP協(xié)議(IP ControlProtocol)；鑒權(quán)協(xié)議PAP／CHAP。為了在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上建立通信，PPP鏈路的一端必須在建立階段首先發(fā)LCP包配置數(shù)據(jù)鏈路。在鏈路建立后，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議之前，PPP提供一個(gè)可選擇的鑒權(quán)階段。默認(rèn)情況下，鑒權(quán)不是強(qiáng)制的。如果希望進(jìn)行鏈路的鑒權(quán)，則實(shí)現(xiàn)者必須在建立階段指明鑒權(quán)協(xié)議配置選項(xiàng)。
　　
1．2 應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)
　　
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程都調(diào)用Socket API函數(shù)連接低層傳輸協(xié)議。常用的網(wǎng)絡(luò)編程接口包括BSD(Berkeley Software Distributlon)Sockets和Winsock TM。為了支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，CDMA系統(tǒng)自身提供了完整的Socket API函數(shù)。建立一個(gè)TCP連接過程如圖1所示。

　　
應(yīng)用程序調(diào)用dss_open_netlib()函數(shù)打開網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，使數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Socket模式，同時(shí)定義網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)和Socket回調(diào)函數(shù)，返回應(yīng)用ID號(hào)。應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)得知低層網(wǎng)絡(luò)是否可用，Socket回調(diào)函數(shù)描述Socket事件。
　　
應(yīng)用程序調(diào)用dss_pppopen()函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，包括傳輸信道的建立和連接。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)建立后，網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)通知應(yīng)用程序當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用。
　　
圖1中省略了一個(gè)步驟，即低層協(xié)議建鏈后，調(diào)用dss_socket()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的套接字用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。返回一個(gè)描述符代表這個(gè)套接字；同時(shí)進(jìn)行SCB(SocketControl Block)及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，指定協(xié)議使用的地址族(AF_INET)、Socket類型(sock stream-TCPsockets)和協(xié)議類型(IPPROTO_TCP)。
　　
此時(shí)調(diào)用dss_connect()與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立一個(gè)活動(dòng)連接。函數(shù)立即返回DS_EWOULDBLOCK，表示操作需要暫停。應(yīng)用程序通過dss_async_select()函數(shù)，設(shè)定SCB的相應(yīng)位，指定當(dāng)前待處理事件(如DS_WRITE_EVENT)，以支持Socket庫(kù)的無阻塞函數(shù)調(diào)用，并及時(shí)得到異步事件通知。應(yīng)用程序得知異步事件發(fā)生，立即調(diào)用dss_getnextevent()函數(shù)檢查何種事件發(fā)生，并清除SCB隊(duì)列中的相應(yīng)位。
應(yīng)用Huntel Technologies推出的CDMA 800 MHz標(biāo)準(zhǔn)無線模塊HT6025-A，在CDMA操作系統(tǒng)自身提供的Socket API函數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了CDMA無線模塊的TCP／IP協(xié)議的AT命令支持。用戶只需通過模塊串口輸入／輸出相應(yīng)的AT命令即可實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的調(diào)用，以達(dá)到連接Internet的目的。系統(tǒng)采用CDMA系統(tǒng)支持的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(Packet DataSetvice)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)充分共享無線信道，采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠(yuǎn)程接入，以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，傳輸速率可達(dá)14．4 kbps，是收發(fā)隨機(jī)突發(fā)數(shù)據(jù)的最佳選擇。圖2為CDMA模塊內(nèi)部任務(wù)調(diào)用及軟件結(jié)構(gòu)功能圖。

　　◇SIO：串口輸入／輸出。
　　◇Call Mgmt：其他呼叫處理和用戶接口。
　　◇TX：CDMA數(shù)據(jù)發(fā)送。
　　◇RX：CDMA數(shù)據(jù)接收。
　　◇DS：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)控制，數(shù)據(jù)模式控制及AT命令執(zhí)行任務(wù)塊。
　　◇PS：協(xié)議服務(wù)任務(wù)塊(EIA-617／TCP／IP／PPP)。
　　
用戶通過串口輸入AT命令，如AT$TCPOPEN=ip，pott(用于發(fā)起TCP連接)，DS任務(wù)塊對(duì)命令進(jìn)行處理，包括命令解析、排列等待、查找AT命令表、函數(shù)執(zhí)行和響應(yīng)返回等過程。DS任務(wù)塊中函數(shù)執(zhí)行將調(diào)用PS任務(wù)塊，真正實(shí)現(xiàn)鏈路的連接、數(shù)據(jù)打包、路由及可靠傳輸。
　　
2 測(cè)試及應(yīng)用
　　
將CDMA無線模塊通過串口與PC機(jī)相連，PC機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試程序，向模塊發(fā)送AT命令，與聯(lián)通給定的服務(wù)器IP地址建立連接，應(yīng)用其測(cè)試端口，發(fā)送數(shù)據(jù)并接收回顯數(shù)據(jù)。
　　
測(cè)試命令包括：設(shè)置TCP／IP用戶賬號(hào)AT$TCPUID=account；設(shè)置TCP／IP用戶密碼AT$TCP-PASSWD=password；TCP／IP撥號(hào)ATD=dial；建立TCP／IP連接AT$TCPOPEN=ip，port；發(fā)送數(shù)據(jù)AT$TCPDATA=data(允許一次最多發(fā)送512個(gè)字符)；關(guān)閉TCP／IP Socket AT$TCPCLOSE；退出TCP／IP應(yīng)用AT$TCPEXIT。各命令返回正常，數(shù)據(jù)收發(fā)正確無誤，有數(shù)據(jù)流量情況下永不斷線，沒有數(shù)據(jù)流量一定時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)端關(guān)閉該連接。數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

　　
在這一實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以證實(shí)其可靠性。應(yīng)用系統(tǒng)由單片機(jī)、CDMA無線模塊、電源部分和外部接口部分構(gòu)成，如圖4所示。
　　
電源部分為單片機(jī)和CDMA模塊提供合適的電源。外部接口部分包括天線接口和UIM(User Identity Module)卡座接口。
　　
單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、格式化、CDMA無線模塊初始化，發(fā)送AT命令建立TCP連接并發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。單片機(jī)提供多種傳感器接口，如TTL電平串口、RS232標(biāo)準(zhǔn)串口以及自定義輸入電壓范圍的多路模擬輸入通道，可接入多種類型的模擬或數(shù)字傳感器?？紤]到移動(dòng)設(shè)備的低功耗要求，選用TI公司的MSP430單片機(jī)。MSP430單片機(jī)是一種性能優(yōu)良的Flash超低功耗單片機(jī)，燒寫調(diào)試方便，工作電壓3．3V，支持超低功耗工作模式，非常適合置于野外。其內(nèi)置的多路A／D轉(zhuǎn)換模塊提供了方便的模擬傳感器接口；內(nèi)置的兩路UART模塊提供了數(shù)字傳感器接口。MSP430通過UARTl直接與CDMA無線模塊相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)CDMA無線模塊的初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)功能；同時(shí)UART2擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口與其他嵌入式系統(tǒng)或PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
　　
CDMA無線模塊將數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡(luò)無線傳送到基站。基站的互通功能單元IWF(Inter Working Function)完成無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IP接入網(wǎng)的互通，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的Interrlet接入。Internet另一端的服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，可對(duì)來自傳感器的物理量進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、過程判斷和數(shù)據(jù)顯示等。
　　
結(jié)論
　　
互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的交叉呈現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，已成為當(dāng)今全球信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，它將引發(fā)人們工作和生活的巨大變革，有廣闊的發(fā)展前景。本文完成了CDMA無線終端TCP/IP應(yīng)用層的Socket編程，實(shí)現(xiàn)了CDMA移動(dòng)終端的Internet接入，給出了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的CDMA無線終端的其他應(yīng)用有重要的參考價(jià)值。