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空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院
摘 要：介紹了基于GSM和GPRS的GPS定位信息傳輸系統(tǒng)，通過(guò)各系統(tǒng)工作過(guò)程的研究對(duì)其性能進(jìn)行了分析。展望了未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展對(duì)GPS定位信息傳輸?shù)纳钸h(yuǎn)影響。
關(guān)鍵詞：GPS；GSM；GPRS；CDMA；SMS
1 引 言
隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展以及GPS在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將GPS與移動(dòng)通信相結(jié)合已成為現(xiàn)代通信發(fā)展的主流技術(shù)之一。GPS技術(shù)以其具有精度高、速度快、成本低的特點(diǎn)，已成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)給移動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航提供了高精度的實(shí)時(shí)定位能力，基于GPS我們可以實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。過(guò)去由于數(shù)據(jù)通信的障礙，使GPS技術(shù)的應(yīng)用受到限制。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，這一技術(shù)上的瓶頸可通過(guò)采用移動(dòng)通信網(wǎng)的相關(guān)功能得以解決。本文主要就目前基于GSM和GPRS的GPS定位信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，同時(shí)展望了下一代移動(dòng)通信發(fā)展對(duì)GPS定位信息傳輸?shù)挠绊憽?br>
2 基于GSM系統(tǒng)的GPS定位信息傳輸系統(tǒng)
GPS／GSM是將全球定位系統(tǒng)和GSM服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合的一套綜合定位、監(jiān)控和調(diào)度指揮系統(tǒng)。在交通運(yùn)輸行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，這一系統(tǒng)的應(yīng)用大大增加了監(jiān)控的對(duì)象和范圍，這也是移 動(dòng)目標(biāo)服務(wù)的必然趨勢(shì)。GSM在GPS技術(shù)中主要是通過(guò)其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道和短消息業(yè)務(wù)來(lái)傳遞控制和定位信息。
2．1 基于GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道傳輸定位信息
GSM是第二代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要采用電路交換方式（CSD），系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為9．6 kB／s，GSM＋2業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到14．4 kB／s。同時(shí)GSM發(fā)射器能對(duì)所發(fā)送的數(shù)字比特流進(jìn)行加密，因而GSM系統(tǒng)具有空中保密性。我們可以根據(jù)現(xiàn)有的民用資源，充分利用市場(chǎng)所提供的相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行加密數(shù)據(jù)通信。完全可以利用GSM現(xiàn)有的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道傳輸GPS定位信息。
（1）基于GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道系統(tǒng)系統(tǒng)組成圖如圖1所示。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為2大部分：定位信息的獲取與發(fā)送（GPS接收機(jī)）；定位信息相互傳遞（移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM和PSTN）；該系統(tǒng)將GPS接收機(jī)接收到的GPS信息經(jīng)過(guò)RS232接口送至筆記本移動(dòng)終端（配有系統(tǒng)處理信息所必備的軟件），計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、速度、方向，經(jīng)加密處理后，利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)和PSTN作為通信傳輸?shù)拿浇閬?lái)實(shí)現(xiàn)定位信息的傳遞。若在移動(dòng)目標(biāo)上增加了數(shù)字?jǐn)z像頭，系統(tǒng)能將捕獲到的移動(dòng)目標(biāo)信息經(jīng)筆記本移動(dòng)終端處理后送至監(jiān)控中心，這相應(yīng)增加了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度（需要圖像編／解碼、圖像顯示及文件傳輸協(xié)議等），使系統(tǒng)成本增大。
（2）系統(tǒng)性能分析
該系統(tǒng)通過(guò)撥號(hào)連接完全占用信道的方式傳輸數(shù)據(jù)，克服了以往采用電臺(tái)方式由于爭(zhēng)用信道而產(chǎn)生的碰撞，提高了信道的吞吐量，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，信息傳輸有效性、可靠性較電臺(tái)方式有所提高。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更大范圍的監(jiān)控。但由于GSM網(wǎng)實(shí)目前際傳輸速率達(dá)不到理論值9．6 kB／s，主要為語(yǔ)音通信而設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)中信噪比低，誤碼率高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信失敗。而且由于該系統(tǒng)采用電路交換方式，完全占用信道，信道利用率比較低，浪費(fèi)了信道資源。同時(shí)系統(tǒng)用撥號(hào)方式是按時(shí)計(jì)費(fèi)，加之系統(tǒng)本身傳輸速率低，若需傳輸多媒體信息會(huì)付出很大的代價(jià)。
2．2 基于GSM短消息信令信道的傳輸
SMS是作為GSMPHASE1．0階段的一部分而誕生的。短消息業(yè)務(wù)SMS（Short Message Server）主要是通過(guò)GSM網(wǎng)的控制信道傳輸用戶分組信息的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)，短消息可以包含文字、數(shù)字、字母。
采用拉丁字符時(shí)，長(zhǎng)度最大為160個(gè)字符，采用非拉丁字符，其長(zhǎng)度達(dá)70個(gè)字符。特別適合信息量不大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，他使用GSM網(wǎng)的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業(yè)務(wù)的明顯優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸價(jià)格便宜，不占用話音通信信道。
（1）基于GSM短消息業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成圖如圖2所示。
GPS接收機(jī)接收定位衛(wèi)星發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)，并且根據(jù)3顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算出自身所處的地理位置的平面坐標(biāo)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)符合GSM標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線MODEM，采用SMS形式，將移動(dòng)目標(biāo)的位置狀態(tài)、報(bào)警器輸入信息發(fā)送至GSM網(wǎng)。GSM網(wǎng)將接收到的移動(dòng)目標(biāo)定位信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、DDN專線或通信
的接收發(fā)送設(shè)備送至移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控中心，以便控制中心能及時(shí)掌握移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位置信息。
本系統(tǒng)定位信息傳輸功能實(shí)現(xiàn)所需軟件為通信服務(wù)器軟件，主要完成移動(dòng)目標(biāo)和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、編碼、解碼、數(shù)據(jù)入庫(kù)和鑒權(quán)。過(guò)去GSM不能提供廣播式短消息，在GPS一些主要以話音通信為主的行業(yè)中，本系統(tǒng)需要增加尋呼接收模塊，具體見結(jié)構(gòu)圖2。隨著GSM短消息服務(wù)功能的完善，無(wú)需尋呼接收模塊降低系統(tǒng)的費(fèi)用。
（2）系統(tǒng)性能分析
由于GSM網(wǎng)本身傳輸數(shù)據(jù)速率低，因而不適合傳輸大數(shù)據(jù)量，更談不上傳送多媒體信息。而且傳輸時(shí)延不可控制。對(duì)于高速移動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)定位，時(shí)延是不容忽視的因素。根據(jù)理論計(jì)算得到單向傳送時(shí)延為5 s的累計(jì)概率分布為92．86％，對(duì)于時(shí)速為180 km的移動(dòng)目標(biāo)，5 s已經(jīng)行駛了250 m，因此當(dāng)GPS定位信息從移動(dòng)目標(biāo)傳至監(jiān)控中心時(shí)，已有了250 m的誤差，嚴(yán)重影響了GPS定位的精度。從理論計(jì)算上可以看到如果傳輸?shù)男畔⒘繙p少，相應(yīng)的時(shí)延也會(huì)得到減少。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高或中、低速移動(dòng)環(huán)境以及數(shù)據(jù)量不大的情況下，可以采用此方案。對(duì)于高速移動(dòng)目標(biāo)可以考慮其他的數(shù)據(jù)傳遞方法和手段。
該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要是GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，技術(shù)成熟，利用目前的網(wǎng)絡(luò)成本低，運(yùn)營(yíng)商不需對(duì)短消息的傳送增加通信費(fèi)用，僅收取少量的開通費(fèi)或很少的維護(hù)費(fèi)。
3 基于GPRS的移動(dòng)定位信息傳輸
GPRS是GSMPHASE2．1規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，是由第二代的GSM系統(tǒng)過(guò)渡到第三代的CDMA系統(tǒng)的必經(jīng)之路，屬于2．5 G技術(shù)，是對(duì)目前GSM網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，不會(huì)取代GSM網(wǎng)絡(luò)目前所支持的電路交換和短消息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
GPRS采用高速分組數(shù)據(jù)技術(shù)，主要特點(diǎn)是基于分組交換方式，理論上的最大傳輸速率可大5171．2 kB／s。發(fā)展到EDGE（Enhancd Data GSMRevolution）階段數(shù)據(jù)速率可達(dá)到384 kB／s。
GPRS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是資費(fèi)的合理性，用戶只需要根據(jù)數(shù)據(jù)通信量付費(fèi)即可，而無(wú)需像電路交換方式那樣，對(duì)整個(gè)鏈路的占用時(shí)間付費(fèi)。
（1）基于GPRS系統(tǒng)系統(tǒng)組成如圖3所示。
該系統(tǒng)的移動(dòng)端是集成了GPS芯片、PDA主板、GPRS模塊的手持信息終端。監(jiān)控中心由安裝了所有軟件的高性能筆記本電腦模擬服務(wù)器，完成了接入服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的所有功能。我們完全可以利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)提供GPRS業(yè)務(wù)，只需在GSM網(wǎng)基礎(chǔ)上增加SGSN服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和GGSN網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)，其中SGSN主要對(duì)移動(dòng)端進(jìn)行定位和跟蹤，并發(fā)送和接收移動(dòng)終端的分組；GGSN將SGSN發(fā)送和接收的GSM分組依據(jù)其他分組協(xié)議發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)。
在圖3中可以利用GPRS的GGSN將GPS定位信息送至互聯(lián)網(wǎng)或者其他部門專網(wǎng)，以便有關(guān)部門及時(shí)了解移動(dòng)目標(biāo)的信息。同時(shí)可利用GPRS的增值業(yè)務(wù)來(lái)傳輸GPS定位信息，且數(shù)據(jù)速率高于GSM-SMS。
（2）系統(tǒng)性能的分析
GPRS目前還處于發(fā)展之中，很多運(yùn)營(yíng)商對(duì)此仍持觀望態(tài)度。該網(wǎng)絡(luò)在北京地區(qū)測(cè)試網(wǎng)速達(dá)不到理論值，建立撥號(hào)時(shí)間在1～2 s之間，平均上網(wǎng)速度只有33～36 kB／s；靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)數(shù)據(jù)完好率達(dá)到80％，數(shù)據(jù)延時(shí)比例為2．38％；運(yùn)行狀態(tài)時(shí)完好率在76％～82％之間，延時(shí)比例為5％～10％（注：本次測(cè)試的數(shù)據(jù)延時(shí)比例是指服務(wù)器接收到的偏離了設(shè)定周期在1 s到最大設(shè)定值之間的完整、有效的總數(shù)據(jù)量。占服務(wù)器接收到的所有完整有效數(shù)據(jù)的比例）�？梢钥闯鯣PRS網(wǎng)絡(luò)的上、下行總體延遲時(shí)間在1 s以內(nèi)，較GSM系 統(tǒng)延遲不明顯。我們可以在不增大額外開銷的情況下，通過(guò)糾檢錯(cuò)一類的控制，提高數(shù)據(jù)完好率。還可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一端直接拉專線到監(jiān)控中心，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)完好率，并且減小延遲。
總之，GPRS是面向第三代，較GSM網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢(shì)，傳輸速率高，適合對(duì)傳輸速率敏感的移動(dòng)多媒體，同時(shí)分組交換接入時(shí)間短，大幅度提高遠(yuǎn)程監(jiān)控的效率，對(duì)于傳輸GPS定位信息完全沒有問(wèn)題。目前GPRS面臨的主要問(wèn)題是覆蓋范圍不夠，而且由于過(guò)渡成本問(wèn)題目前很少有地區(qū)采用。
4 結(jié) 語(yǔ)
以上是基于移動(dòng)通信2G，2．5G的核心網(wǎng)對(duì)GPS定位信息傳輸做了分析，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，3G技術(shù)的日益成熟，將為GPS的發(fā)展創(chuàng)造前所未有的機(jī)遇。3G的目標(biāo)就是建立一個(gè)全球統(tǒng)一的多媒體移動(dòng)通信網(wǎng)，支持寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)，提供高質(zhì)量的服務(wù)和安全保密性能。
在3G系統(tǒng)中，CDMA憑借其在系統(tǒng)容量、速率、無(wú)線接入、高度保密等各方面優(yōu)勢(shì)而成為最具競(jìng)爭(zhēng)力、最具有發(fā)展前景的無(wú)線多址技術(shù)，一般來(lái)講，在同樣條件下，采用CDMA方式的系統(tǒng)容量大約是采用GSM系統(tǒng)容量的4～6倍，是模擬系統(tǒng)容量的20倍。數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)2 MB／s。
如果移動(dòng)用戶需要知道離自己最近的加油站、旅游景點(diǎn)，訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)資源，3G的WAP技術(shù)和無(wú)線IP技術(shù)能使用戶實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。
未來(lái)3大信息產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人移動(dòng)通信和GPS的結(jié)合，必將對(duì)GPS的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，相信不久具有GPS功能的3G手機(jī)將會(huì)投入商用。
參考文獻(xiàn)
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摘自 現(xiàn)代電子技術(shù)
