GPRS公网终端拨号原理及常见故障判别方法

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电力系统通信》2012年04期。

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【作者】 池智伟; 陈晰; 夏桃芳;

【作者简介】池智伟（1981—），男，福建闽清人，工程师，从事电能计量与用电信息采集等方面的研究工作。

陈晰（1980—），男，浙江奉化人，工程师，从事智能电网、电力物联网、非线性系统控制、复杂网络及其应用等方面的研究工作。

夏桃芳（1982—），男，福建宁化人，助理工程师，从事电能计量与用电信息采集等方面的研究工作。

【作者单位】 福建省电力有限公司电能计量中心; 国网信息通信有限公司;

【关键词】 点到点协议; 用电信息采集; 通用分组无线业务;

【摘要】 在用电信息采集系统中,GPRS公网终端通过拨号方式与用电信息采集主站建立通信连接,在对新投运的GPRS公网终端进行现场调试时,由于多方面的原因导致了GPRS公网终端的拨号失败,对现场调试工作的进度造成时间上的延误,影响用电信息数据的正常采集。文章对福建省用电信息采集系统中GPRS公网终端的拨号流程和拨号原理进行介绍,并对GPRS公网终端拨号过程中的常见故障进行分析,提出相应的解决方法和防范措施。

0 引言

用电信息采集的远程通信方式主要包括230 MHz无线专网、GPRS无线公网及光纤接入。GPRS无线公网通信的通信速率、稳定性要逊于光纤通信，安全性能也不如PCL、230MHz专网和光纤通信可靠，但由于GPRS无线公网通信具有覆盖面广、网络技术成熟、系统设备选择广泛、网络建设费用合理等优点，因此，在用电信息采集的建设中GPRS公网终端占有较大比例。

在GPRS公网终端（以下简称终端）新安装时，需要对终端进行现场调试。调试是为了使终端通过拨号的方式与用电信息采集主站（以下简称主站）建立通信连接，登录主站，接收并响应主站下发的各种参数设置和数据召测命令，并将所采集的电能量等数据传回主站。但在现场对终端进行调试的过程中，由于各种原因导致终端拨号失败，无法与主站建立连接，造成调试工作的停滞，影响电能量数据的正常采集。

1 终端拨号流程

GPRS公网终端的拨号流程，如图1所示。

1）硬件检测与网络注册。终端上电后首先进行硬件初始化，随即开始检测通信模块是否正常工作，以及通信模块中的通信卡是否工作正常。通信模块与通信卡的检测结果正常，则通信模块开始查找运营商网络信号，并注册到相应的GSM网络。

2）建立点到点（Point-to-Point，PPP）连接。硬件检测与网络注册完成后，终端开始建立PPP连接。终端建立PPP连接时，首先需要设置接入点（Access Network Point，APN），并附着到GPRS网络，终端注册GPRS网络成功，并与正确的网络运营商的网关进行链路控制协议（Link Control Protocol，LCP）协商，通过协商认证获取IP地址。

3）登录主站。终端已经与GSM网络运营商的网关建立起PPP连接，并获取到网关分配的IP地址。然后终端与主站建立传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）连接，并登录主站，开始数据传输。

2 终端拨号原理

终端通过GPRS通信模块与主站建立通信连接，进行数据的发送与接收。由于利用网络运营商提供的无线网络通道完成终端与主站之间的数据通信传输，因此，终端在拨号过程中，与无线网络中的不同网络单元发生信息交互。GPRS终端拨号过程中涉及到的网络单元以及每个拨号阶段发生的通信交互过程，如图2所示。

2.1 硬件检测与网络注册

1）硬件检测。终端与通信模块之间通过串口的方式进行通信，终端使用AT指令对通信模块进行拨号操作。在硬件检测时，终端判断通信模块与通信卡是否正常工作的依据是通信模块是否正常响应其发出的AT指令。如在通信模块检测中，如果模块响应“ok”，则表示模块正常工作，相反如果终端没有接收到正常的返回值，则判断通信模块工作异常。同理，在通信卡的检测中，终端判断通信卡是否正常工作的依据是模块返回的通信卡的国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）。

2）网络注册。与手机开机原理相同，通信模块上电后，会查找附近的基站，读取可用的信道信息，包括可用信道的信号强度。如果信号强度满足要求，则通信模块开始网络注册。网络注册过程实际是GSM通信中“IMSI附着”的过程。通信模块将附着请求通过基站收发信台（Base Transceiver Station，BTS）、基站控制器（Base Station Controller，BSC）发送给移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC），MSC收到请求后，查询访问者位置寄存器（Visitor Location Register，VLR），查看是否有该通信卡用户的相关信息。如果是未使用的通信卡，则MSC向归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）请求该通信卡的信息。HLR通过鉴权中心（Authentication Center，AUC）对通信卡进行验证，如果验证通过，则HLR将该通信卡的信息返回给MSC，并更新该用户的位置信息。MSC收到HLR返回的信息后，在VLR中创建相关记录，包括通信卡用户的位置信息。同时，MSC将确认信息返回给通信模块，完成网络注册。

“IMIS附着”相当于通信模块对GSM网路的一种状态告知，使GSM网络获取到通信模块与通信卡的有关信息，并能够处理通信模块的呼出请求及在有呼入请求时告知通信模块。

2.2 建立PPP连接

GPRS通信模块进行首次数据的发送和接收前，要经过“GPRS附着”和“分组数据协议（Packet Data Protocol，PDP）上下文激活”。而“PDP上下文激活”是通过建立终端与网络运营商的网关，即网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）的PPP连接来实现。“PDP上下文激活”成功后，终端与GGSN建立PPP数据链路的连接，并且获取到IP地址，从而使得主站与终端能够在网络上相互访问。

1）APN的设置。网络运营商通常配置多台GGSN，每台GGSN连接不同的网络。由于终端必须与电力专网相连的GGSN建立PPP连接，因此在通信模块进行“GPRS附着”前，终端需要进行接入点名称APN的设置，在进行“PDP上下文激活”时，通信模块的相关连接请求才能够被发送到指定的GGSN。2）“GPRS附着”。与“IMSI附着”过程类似，“GPRS附着”的目的是将通信卡的信息登记到GPRS网络中，使GPRS网络能够对通信卡用户的位置进行记录与跟踪；同时，“GPRS附着”也是告知GPRS网络，用户已经做好发送与接收数据的准备。

当通信模块进行“GPRS附着”时，首先向GPRS网络中的GPRS服务支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）发送“附着请求”。SGSN检查是否为新的通信卡用户，并对用户进行鉴别，同时将用户的相关信息反馈给HLR。HLR收到信息后对用户的位置信息进行更新，并将结果返回给SGSN，由SGSN发送确认信息给通信模块。

3）“PDP上下文激活”。“GPRS附着”完成后，GPRS通信模块还需要通过“PDP上下文激活”获取IP地址，使主站与终端能够进行相互通信。而“PDP上下文激活”是通过终端与GPRS网关GGSN建立PPP连接实现。

建立PPP连接包括3个阶段。

①终端与GGSN进行LCP协商，协商的目的包括确定终端与GGSN之间数据链路的配置（数据包的封装格式、数据包大小、数据的压缩方式等）；用户验证时使用的验证协议种类；网络层协议的选择与配置以及IP地址的分配方式。

②GGSN将根据LCP协商确定的用户验证协议，将终端提交的用户名、密码以及通信卡号发送给电力专网的3A服务器进行身份验证，3A服务器将验证结果返回给GGSN。

③GGSN根据LCP协商确定的网路层协议，如IP控制协议（IP Control Protocol，IPCP），对终端进行IP地址的配置。

2.3 登录主站

终端在获取到分配的IP地址后，开始与主站建立连接并登录主站。终端与主站服务器的指定端口建立TCP连接，然后向主站发起登录请求，主站收到终端的登录请求后返回确认，终端与主站的通信连接建立成功。主站可以下发数据召测与参数设置等命令对终端作调试。

3 终端拨号失败常见原因分析

通过对终端拨号流程的分析可见，终端的拨号需要经过硬件检测、网络注册、建立PPP连接与登录主站等不同阶段，在每个阶段中可能遇到如下问题。

1）硬件检测：如果通信模块检测未通过，则可能存在2种情况。①通信模块与终端的接触不良，需要重新拔插通信模块；②通信模块硬件故障，只能更换通信模块。如果通信卡检测未通过，首先要确认通信模块中是否已经安装通信卡，其次可能因为通信卡与通信模块的卡槽接触不良或通信卡损坏，需要重新安装通信卡或更换通信卡。

2）检测信号与网络注册：如果现场信号太弱，则通信模块无法注册网络。GSM规定的移动手机接收灵敏度为–102dBm，但是在现场实际测试中，如果信号强度<–90dBm，则通信模块无法正常注册网络。因此如果终端安装现场的信号条件不好，则可以通过改用高增益天线、更换外置天线或增设信号放大器等方式解决信号问题。

另外，如果天线制作工艺不良或损坏也将导致通信模块在网络注册时发生失败，需要更换天线。

3）设置APN：接入点名称必须设置正确，如果APN没有设置或设置错误，将导致终端在拨号的LCP协商阶段，运营商GPRS网络中的SGSN无法解析出GGSN的地址，使终端无法与电力专网相连的GGSN建立PPP连接，造成拨号失败。

4）LCP协商：终端拨号流程中的LCP协商对应建立PPP连接中的LCP协商阶段和AAA认证阶段。常见的LCP协商失败是由于AAA认证未通过而导致的。AAA认证未通过主要包括：

①终端上的用户名与密码设置不正确；

②AAA系统中没有建立终端用户名与通信卡的档案信息；

③AAA系统中终端用户名和通信卡之间的绑定关系不正确。

GPRS终端与通信卡不同的AAA绑定关系所对应的认证结果，如图3所示。

如果现场安装的是终端A与通信卡A，但是在AAA系统中终端A已经与通信卡B绑定或终端B与通信卡A已经绑定的情况下，都将导致终端A在进行AAA认证时发生失败。只有在AAA系统中终端A已经与通信卡A绑定或终端A与通信卡A都尚未绑定的情况下，终端A才可能顺利通过AAA认证。

5）获取IP地址：如果终端通过了AAA认证，正常情况下GGSN会将IP地址分配给终端，但是当运营商设备调整时也将导致终端获取IP地址失败，需要联系网络运营商协助解决问题。

6）登录主站：终端进入这一步骤时，已经获取IP地址，但是如果终端上设置的主站IP地址或者端口号不正确，将导致终端无法与主站建立连接，也就无法登录主站。因此，当终端登陆主站失败时，需要检查终端主站IP地址以及端口号是否设置正确。

总之，造成终端拨号失败的原因来自多方面，但只要熟悉终端拨号流程、了解终端拨号原理，就可以减少拨号失败。同时拨号失败时，也能够较快定位出现问题的环节，排除故障，避免由于拨号失败而影响调试工作的进度，提高现场调试的工作效率。

4 结语

通过对GPRS公网终端拨号流程的介绍，对拨号流程中涉及到每个网络单元以及每个拨号步骤所发生的具体通信交互过程进行说明，并对在进行现场调试时GPRS公网终端拨号过程中常见的失败现象进行归纳总结，分析产生失败的原因，提出解决的方法，对福建省用电信息采集终端的现场调试工作具有一定的指导意义。

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行业应用的我们也碰到过一起案例，拨号都正常了能拨上，PING外网也能PING通，但是用户的终端就是联系不上自己的服务器，后来发现是由于客户的服务器防火墙导致的