USSD在工業(yè)監控系統通信過(guò)程中的應用

成都電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院(610054) 段 騫
上海中國電子科技集團公司第五十研究所(200063) 李維嘉
 
　　摘　要：介紹了USSD的背景和特點(diǎn),并與短消息、GPRS和WAP相比較,論述了其在工業(yè)應用上的可行性及優(yōu)點(diǎn),并以中電五十所成功運營(yíng)在烏魯木齊的無(wú)線(xiàn)遠程監控系統為例,講述了USSD在工業(yè)應用中的系統結構、接口協(xié)議和通信流程。
　　關(guān)鍵詞：非結構化補充數據業(yè)務(wù) 通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù) 業(yè)務(wù)提供者 中國移動(dòng)點(diǎn)對點(diǎn)

　　非結構化補充數據業(yè)務(wù)USSD(Unstructured Supplementary Service Data)是一種基于全球移動(dòng)通信系統GSM(Global System for Mobile Communications)網(wǎng)絡(luò )的、實(shí)時(shí)在線(xiàn)的新型交互會(huì )話(huà)數據業(yè)務(wù);它基于用戶(hù)識別模塊SIM(Subscriber Identity Module)卡,利用GSM網(wǎng)絡(luò )的信令通道傳送數據,是在GSM的短消息系統技術(shù)基礎上推出的新業(yè)務(wù),在業(yè)務(wù)開(kāi)拓方面的能力遠遠強于SMS系統。
　　USSD技術(shù)單獨使用或與目前的短消息技術(shù)、通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)相結合,可為客戶(hù)提供種類(lèi)繁多的增值業(yè)務(wù),如移動(dòng)銀行、金融股票交易、手機話(huà)費查詢(xún)、氣象信息預報和查詢(xún)、收發(fā)電子郵件、航班查詢(xún)、網(wǎng)上訂票、民意測驗等。采用USSD對原有系統結構影響較小,且運營(yíng)商還可以針對本地網(wǎng)的具體情況靈活地推出功能業(yè)務(wù),方便地為移動(dòng)用戶(hù)提供各類(lèi)數據業(yè)務(wù);另外USSD不僅可用于一些信息服務(wù),利用移動(dòng)運營(yíng)商提供的通信網(wǎng)絡(luò ),也可應用于工業(yè)范圍,USSD的應用可使工業(yè)監控通信的范圍大大擴展,功能增強,成本降低,所以這種業(yè)務(wù)在香港特區、新加坡等國家和地區已有廣泛的應用,在我國也有廣闊的應用前景。
1 USSD的特點(diǎn)及與其他業(yè)務(wù)的比較
　　USSD系統與短消息業(yè)務(wù)SMS(Short Message Service)、GPRS和無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議WAP(Wireless Application Protocol)的應用范圍相似,但有其自己的特點(diǎn)。
　　USSD在通話(huà)狀態(tài)下使用獨立專(zhuān)用控制信道SDCCH(Stand-alone Dedicated Control Channel),數據傳輸速率大約為600bps;而非通話(huà)狀態(tài)時(shí),USSD使用快速輔助控制信道FACCH(Fast Associated Control Channel),數據傳輸速率大約為1kbps,比SMS傳輸速率高。目前,用戶(hù)只能在非通話(huà)狀態(tài)下使用WAP,數據通過(guò)業(yè)務(wù)信道TCH(Traffic Channel)進(jìn)行交換,其傳輸速率大約為9.6kbps,目前WAP的響應時(shí)間較慢,且需專(zhuān)門(mén)的WAP手機支持。
　　USSD在會(huì )話(huà)過(guò)程中一直保持通話(huà)連接,提供透明通道,不進(jìn)行存儲轉發(fā);而SMS在物理承載層沒(méi)有會(huì )話(huà)通道,是一個(gè)存儲轉發(fā)系統,用戶(hù)完成一次查詢(xún)需要進(jìn)行多次會(huì )話(huà)過(guò)程。由于USSD與GPRS類(lèi)似,在交互中保持一個(gè)會(huì )話(huà)過(guò)程,每次數據發(fā)送不需要重新建立信道,所以USSD系統對用戶(hù)的呼叫請求是即時(shí)響應,使響應時(shí)間大大加快,主要的響應時(shí)延已轉移為應用服務(wù)器一端, 響應時(shí)間比短消息快。
　　USSD在交互式會(huì )話(huà)中可以提供直觀(guān)的菜單操作,方便用戶(hù)使用,在一次信息服務(wù)中,只需要撥打服務(wù)號碼,以后就可以按菜單提示進(jìn)行下一步操作,可以建立類(lèi)似WAP的門(mén)戶(hù)網(wǎng)站來(lái)提供電信增值服務(wù)。
　　USSD和GPRS適合不同的用戶(hù)群。在工業(yè)環(huán)境下,在通信量不大、每次通信量只有幾K數據量的情況下使用USSD的費用低廉;而GPRS傳送帶寬高,適用于信息量大的數據傳輸。
　　現在市面上的手機大多支持USSD服務(wù)。在工業(yè)應用中,大多具有SMS和GPRS功能的通信模塊或芯片也支持USSD服務(wù)。
2 USSD在工業(yè)應用中的系統結構
　　如圖1,監控中心通過(guò)Internet或專(zhuān)線(xiàn)與USSD平臺建立TCP/IP連接,USSD傳輸終端通過(guò)GSM的公用網(wǎng)絡(luò )與USSD平臺建立無(wú)線(xiàn)連接,通過(guò)USSD平臺與GSM網(wǎng)絡(luò )、監控中心和現場(chǎng)監控單元建立起一個(gè)數據通信的通道。在移動(dòng)USSD平臺中有數據庫備份數據,監控中心除應用平臺外,還可備有有線(xiàn)瀏覽器進(jìn)行監測。透過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )和USSD平臺,無(wú)線(xiàn)瀏覽器和手機也可與監控中心建立聯(lián)系。

 
 
圖1 USSD系統結構圖

　　其中,USSD服務(wù)器有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口分別對應于歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)和局域網(wǎng):一方面,它通過(guò)七號信令SS7(Signaling System No.7)的移動(dòng)應用部分Map(Mobile Application Part)與GSM系統的HLR連接;另一方面,它通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)以傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)與應用監控中心連接。應用監控中心與USSD服務(wù)器的接口協(xié)議可為短消息點(diǎn)對點(diǎn)SMPP(Short Message Peer to Peer)或中國移動(dòng)點(diǎn)對點(diǎn)CMPP(China Mobile Peer to Peer)。GSM系統及USSD均起透明通道的作用,監控中心可以發(fā)出指令,對終端或手機進(jìn)行通信控制或發(fā)送短消息,手機或終端也可通過(guò)USSD服務(wù)來(lái)對監控中心發(fā)出請求以得到相應的服務(wù)。通信通道建立之后,就可以象一般的工業(yè)總線(xiàn)一樣,監控中心對遠程終端進(jìn)行三遙操作,終端也可以主動(dòng)上報報警、開(kāi)機等信息。
3 USSD的接口協(xié)議
　　USSD的接口協(xié)議與短消息類(lèi)似,采用SMPP或CMPP。SMPP是國際通用的協(xié)議,CMPP是中國移動(dòng)根據我國情況在SMPP基礎上自己制定的協(xié)議,二者體系結構大體相同,應用范圍也相同,但數據包的格式及內容有一定的差異。CMPP在2003年6月30日版本已升到了3.0。
　　兩者的消息均分為消息頭和消息體,其中消息頭長(cháng)度是固定的。主要信息為消息總長(cháng)度、命令類(lèi)型和消息流水號。命令類(lèi)型用來(lái)說(shuō)明消息的類(lèi)型是連接,還是由USSD中心到業(yè)務(wù)提供者SP(Service Provider)的消息或由SP到USSD中心的消息,斷開(kāi)連接及其回應等。消息流水號順序累加,步長(cháng)為1,循環(huán)使用,一對請求和應答消息的流水號必須相同。在SMPP中還有一個(gè)請求消息的回應是否成功的狀態(tài)信息,而在CMPP中相應信息放到了消息體中。消息體則根據消息的類(lèi)型和內容來(lái)決定長(cháng)度和數據,但其所攜帶的自定義信息長(cháng)度不超過(guò)160個(gè)字節,自定義信息即平時(shí)通過(guò)手機輸入或接收的短消息內容或工業(yè)通信中的自定義通信規約部分。相對于SMPP而言,CMPP增加了許多信息,尤其是計費和號碼的信息。
　　以下是采用CMPP的USSD消息在VB中的結構定義:
Type UssdCmppMsgStruct
　　´------------Message Header
　　Total_Length As Long             ´消息總長(cháng)度(含消息頭和消息體)
　　Command_Id As Long               ´命令類(lèi)型
　　Sequence_Id As Long              ´消息流水號
　　´---------------Message Body
　　Msg_Id(7) As Byte                ´信息標識
　　Pk_Total As Byte                 ´相同Msg_Id的信息總條數
　　Pk_number As Byte                ´相同Msg_Id的信息序號
　　Registered_Delivery As Byte      ´是否要求返回狀態(tài)確認報告
　　Msg_level As Byte                ´信息級別
　　Service_Id(9) As Byte            ´業(yè)務(wù)類(lèi)型
　　Fee_UserType As Byte             ´計費用戶(hù)類(lèi)型
　　TP_pId As Byte                   ´GSM協(xié)議類(lèi)型
　　TP_udhi As Byte                  ´GSM協(xié)議類(lèi)型
　　Msg_Fmt As Byte                  ´信息格式
　　Msg_src(5) As Byte               ´信息內容來(lái)源
　　FeeType(1) As Byte               ´資費類(lèi)別
　　FeeCode(5) As Byte               ´資費代碼
　　ValId_Time(16) As Byte           ´存活有效期
　　At_Time(16) As Byte              ´定時(shí)發(fā)送時(shí)間
　　Src_Id(20) As Byte               ´源號碼
　　DestUsr_tl As Byte               ´接收信息的用戶(hù)數量
　　Dest_terminal_Id() As Byte       ´接收USSD信息的MSIS-DN號碼,length=21*DestUsr_tl
　　Msg_Length As Byte               ´信息長(cháng)度 <160 byte
　　Msg_Content() As Byte            ´信息內容
　　USSD_TYPE(7) As Byte             ´USSD會(huì )話(huà)類(lèi)型
End Type
4 USSD的通信過(guò)程
　　在工業(yè)應用的監控中心和USSD服務(wù)器接口的兩種協(xié)議中,盡管SMPP和CMPP的數據包格式不大相同,但二者的流程大體相同。在目前USSD的應用中,大部分是應用在信息資訊等電信增值服務(wù)中,在工業(yè)的應用中還不多,但由于USSD業(yè)務(wù)的方便快捷、費用低廉等優(yōu)勢,在工業(yè)應用中的前景大有可為。
　　在USSD的通信會(huì )話(huà)過(guò)程中有兩種方式,由手機或終端發(fā)起的會(huì )話(huà)連接和由應用平臺或監控中心發(fā)起的對話(huà)連接,以下介紹兩種流程。
　　首先,在兩種連接流程中,監控中心都要與USSDC(USSD Center)先建立一個(gè)連接,一般采用長(cháng)連接。所謂長(cháng)連接,指在一個(gè)TCP連接上可以連續發(fā)送多個(gè)數據包。監控中心發(fā)出連接請求,USSDC收到后給予回應,監控中心收到回應后,就表明USSDC到監控中心的通路已經(jīng)搭建好了,這個(gè)通路在平時(shí)一直保持連接,在線(xiàn)路空閑時(shí)要發(fā)送鏈路檢測包及其回應以維持此連接。當信道上沒(méi)有數據傳輸時(shí),通信雙方應每隔時(shí)間C發(fā)送鏈路檢測包以維持此連接,當鏈路檢測包發(fā)出后超過(guò)時(shí)間T未收到響應,應立即再發(fā)送鏈路檢測包,再連續發(fā)送N-1次后仍未得到響應則斷開(kāi)此連接。參數C、T、N原則上可配置,現階段中國移動(dòng)的建議取值為:C=3min,T=60s,N=3。數據包采用并發(fā)方式發(fā)送,加以滑動(dòng)窗口流量控制,窗口大小參數W可配置,現階段中國移動(dòng)的建議值為16,即接收方在應答前一次收到的數據包最多不超過(guò)16條。

 
圖2 終端發(fā)起的會(huì )話(huà)示意圖

4．1 終端發(fā)起的會(huì )話(huà)
　　如圖2,RTU為手機或帶GSM通信功能的終端,SP為監控中心。RTU通過(guò)USSDC發(fā)給SP的命令都是DELIVER命令,SP用SUBMIT命令通過(guò)USSDC把消息傳給RTU。DELIVER和SUMBIT都是 SMPP與CMPP中的命令類(lèi)型,具體數據格式可參見(jiàn)SMPP或CMPP協(xié)議。在USSD應用中有一個(gè)字段的數據是短消息應用中沒(méi)有用到的,用來(lái)說(shuō)明DELIVER和SUBMIT的命令參數,在CMPP中是Service_Id,在SMPP中是Servid_Type,在本文中稱(chēng)為USSD_TYPE,易于理解。不同的交換機使用的USSD_TYPE內容可能不一樣,這里以新疆移動(dòng)使用的USSD服務(wù)器為例說(shuō)明。
　　(1)終端或手機撥打運營(yíng)商提供的服務(wù)號(例:*139*1＃),通過(guò)USSDC發(fā)送給SP一條請求連接命令DELIVER(REQUEST_CONNECT),USSD_TYPE參數的內容為“PSSRR”,傳送一個(gè)移動(dòng)到應用的會(huì )話(huà)請求。
　　(2) SP收到后發(fā)送SUBMIT(REPLY),USSD_TYPE的內容為“USSRR”,RTU收到信息后即與SP建立起一次會(huì )話(huà)連接,SP在此命令中把消息發(fā)送到手機上,可以提供直觀(guān)的菜單方式讓用戶(hù)決定下一步的操作,如在新疆烏魯木齊運行的監控系統中,把某些相關(guān)人員的手機設定后,這些手機就可以通過(guò)撥打專(zhuān)用服務(wù)號,與監控中心建立起一次會(huì )話(huà)連接。手機上馬上會(huì )顯示“歡迎進(jìn)入本系統:1.系統介紹;2.數據查詢(xún);3.故障查詢(xún);4.退出”。
　　(3) 用戶(hù)可通過(guò)菜單提示按鍵來(lái)獲得想要的服務(wù),USSDC收到請求后向SP發(fā)送 DELIVER(SERVICE_REQUEST),USSD_TYPE為“USSRC”,傳送從移動(dòng)到應用的一個(gè)USSR相應,用戶(hù)的回復信息可在此命令中傳給SP。如第(2)步驟,手機可按“1“鍵向SP發(fā)送進(jìn)入系統介紹界面的請求。
　　(4) SP收到請求后,與第(2)步驟一樣,發(fā)送SUBMIT(REPLY)命令,將系統介紹文字菜單發(fā)送到手機上,用戶(hù)可重復在第(3)和第(4)步驟間多次交互,獲取想要的信息。
　　(5) 最后完成手機發(fā)出斷開(kāi)請求,如在主菜單上按“4”選擇退出,USSDC發(fā)送DELIVER(RELC)命令給SP,USSD_TYPE為“RELC”,傳送結束會(huì )話(huà)命令給SP。
　　(6) SP發(fā)送SUBMIT(FINISH)命令,USSD_TYPE為“USSNR”,在該命令中附帶“歡迎再次使用”等結束語(yǔ)的消息,手機收到后與SP結束一次會(huì )話(huà)過(guò)程。也可以由SP發(fā)送SUBMIT(RELR),USSD_TYPE為“RELR”,主動(dòng)斷開(kāi)會(huì )話(huà)。
　　在整個(gè)通信過(guò)程中,RTU與SP保持連接,直接對話(huà),速度比短消息快得多。用戶(hù)只需撥打專(zhuān)用號碼,就可以根據菜單進(jìn)行下一步操作,進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)并查詢(xún)各個(gè)遠程監控終端的數據和故障,及時(shí)掌握第一手資料。當然也可根據用戶(hù)要求,在SP的程序中加入遠程遙控或其它擴展功能。
4．2 SP發(fā)起的連接
　　在工業(yè)應用中,大部分的通信過(guò)程是由監控中心發(fā)起的,下面終端發(fā)起的會(huì )話(huà)主要是一些突發(fā)事件(開(kāi)機申請、主動(dòng)報警等)。一些平時(shí)主要的通信任務(wù)(遙測、遙控等)都是由監控中心發(fā)起的,終端收到后給予回應,尤其是一些應急處理更需要由監控中心主動(dòng)發(fā)起。這種會(huì )話(huà)方式的實(shí)現需詢(xún)問(wèn)當地移動(dòng)運行商是否支持。
　　如圖3,結合一次遙測數據來(lái)說(shuō)明SP發(fā)起的會(huì )話(huà)通信流程。

 
圖3 SP發(fā)起的會(huì )話(huà)示意圖

　　(1)在監控中心發(fā)起的會(huì )話(huà)連接過(guò)程中,監控中心先把連接請求發(fā)送到USSDC,發(fā)送SUBMIT(REQUEST_CONNECT),USSD_TYPE為“OPENR”, 表示SP希望打開(kāi)一個(gè)與RTU的新對話(huà)。
　　(2)USSDC收到后回復DELIVER(REPLY_CONNECT),USSD_TYPE為“OPENC”,表示USSDC接受SP打開(kāi)一個(gè)與移動(dòng)用戶(hù)的新對話(huà)的請求,此時(shí)并不表示已經(jīng)成功地與移動(dòng)用戶(hù)建立起該對話(huà)。
　　(3)SP收到USSDC的會(huì )話(huà)請求回應后發(fā)送SUBMIT(COMMAND),USSD_TYPE為“USSRR”,在該命令的消息體中帶著(zhù)自定義通信規約的數據,即向終端發(fā)送遙測命令。
　　(4)終端在收到遙測命令后,一次會(huì )話(huà)已經(jīng)成功建立,終端采集數據后,用與短消息類(lèi)似的方式將數據發(fā)送到USSDC,USSDC將數據放到DELIVER的消息體中,以DELIVER(REPLY)命令發(fā)送給SP,USSD_TYPE是“USSRC”。
　　(5)監控中心收到數據后處理數據,發(fā)送SUBMIT(RELR),USSD_TYPE為“RELR”,斷開(kāi)這次會(huì )話(huà),完成一次遙測操作。
　　在某些工業(yè)應用中,如在集中監控中,有時(shí)需要在短時(shí)間對一組監控終端進(jìn)行同一操作, 由于每次會(huì )話(huà)中包含一定的等待回應的時(shí)間,如果對每一個(gè)終端都一個(gè)個(gè)單獨操作,那么所有終端操作下來(lái)將需要耗費不少的時(shí)間,這樣就不能保證操作響應的及時(shí)性。鑒于USSDC具有可以同時(shí)建立多個(gè)連接的功能以及在一次會(huì )話(huà)中,如在時(shí)間T內監控中心與終端之間無(wú)通信量(T可以由服務(wù)器廠(chǎng)商或移動(dòng)設置,如新疆移動(dòng)設為10s),USSDC可以將全部終端分為若干組,同一組終端都先全部建立好連接,再一個(gè)個(gè)發(fā)送數據,這樣就可以減少等待回應的時(shí)間,提高操作的效率。
　　在我國,USSD在工業(yè)上的應用剛剛興起,由中國電子科技集團公司第五十研究所開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)遠程監控系統采用了USSD為主、短消息為輔的通信方式,已經(jīng)在新疆烏魯木齊市成功運營(yíng)。該系統USSD協(xié)議采用SMPP 3.4。另外,在其它幾個(gè)城市的遠程監控系統中,也采用了USSD為主的通信方式,在有些地方采用CMPP 2.0協(xié)議,協(xié)議的采用主要是與當地的運營(yíng)商配合協(xié)商而定。
參考文獻
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