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空軍工程大學電訊工程學院
摘 要：介紹了基于GSM和GPRS的GPS定位信息傳輸系統(tǒng)，通過各系統(tǒng)工作過程的研究對其性能進行了分析。展望了未來移動通信發(fā)展對GPS定位信息傳輸?shù)纳钸h影響。
關(guān)鍵詞：GPS；GSM；GPRS；CDMA；SMS
1 引 言
隨著移動通信的迅猛發(fā)展以及GPS在各個領(lǐng)域的廣泛應用，將GPS與移動通信相結(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，已成為目前世界上應用范圍最廣、實用性最強的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)給移動目標的導航提供了高精度的實時定位能力，基于GPS我們可以實時獲取移動目標的位置信息，從而實現(xiàn)移動目標的實時監(jiān)控。過去由于數(shù)據(jù)通信的障礙，使GPS技術(shù)的應用受到限制。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，這一技術(shù)上的瓶頸可通過采用移動通信網(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)進行了研究，同時展望了下一代移動通信發(fā)展對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)。在交通運輸行業(yè)得到廣泛的應用，這一系統(tǒng)的應用大大增加了監(jiān)控的對象和范圍，這也是移 動目標服務(wù)的必然趨勢。GSM在GPS技術(shù)中主要是通過其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道和短消息業(yè)務(wù)來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)速率可達到14．4 kB／s。同時GSM發(fā)射器能對所發(fā)送的數(shù)字比特流進行加密，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，充分利用市場所提供的相關(guān)業(yè)務(wù)進行加密數(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）；定位信息相互傳遞（移動通信系統(tǒng)GSM和PSTN）；該系統(tǒng)將GPS接收機接收到的GPS信息經(jīng)過RS232接口送至筆記本移動終端（配有系統(tǒng)處理信息所必備的軟件），計算出移動目標的經(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)拿浇閬韺崿F(xiàn)定位信息的傳遞。若在移動目標上增加了數(shù)字攝像頭，系統(tǒng)能將捕獲到的移動目標信息經(jīng)筆記本移動終端處理后送至監(jiān)控中心，這相應增加了系統(tǒng)軟件的復雜度（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)通過撥號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方式由于爭用信道而產(chǎn)生的碰撞，提高了信道的吞吐量，增強了系統(tǒng)抗干擾能力，信息傳輸有效性、可靠性較電臺方式有所提高。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進一步完善和發(fā)展，系統(tǒng)可實現(xiàn)更大范圍的監(jiān)控。但由于GSM網(wǎng)實目前際傳輸速率達不到理論值9．6 kB／s，主要為語音通信而設(shè)計，通信系統(tǒng)中信噪比低，誤碼率高，嚴重時會導致通信失敗。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，浪費了信道資源。同時系統(tǒng)用撥號方式是按時計費，加之系統(tǒng)本身傳輸速率低，若需傳輸多媒體信息會付出很大的代價。
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GSM網(wǎng)的控制信道傳輸用戶分組信息的一項增值業(yè)務(wù)，短消息可以包含文字、數(shù)字、字母。
采用拉丁字符時，長度最大為160個字符，采用非拉丁字符，其長度達70個字符。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)點是傳輸速度快，單個數(shù)據(jù)傳輸價格便宜，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接收機接收定位衛(wèi)星發(fā)來的定位數(shù)據(jù)，并且根據(jù)3顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計算出自身所處的地理位置的平面坐標，坐標數(shù)據(jù)通過符合GSM標準的無線MODEM，采用SMS形式，將移動目標的位置狀態(tài)、報警器輸入信息發(fā)送至GSM網(wǎng)。GSM網(wǎng)將接收到的移動目標定位信息通過互聯(lián)網(wǎng)、DDN專線或通信
的接收發(fā)送設(shè)備送至移動目標監(jiān)控中心，以便控制中心能及時掌握移動目標的動態(tài)位置信息。
本系統(tǒng)定位信息傳輸功能實現(xiàn)所需軟件為通信服務(wù)器軟件，主要完成移動目標和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、編碼、解碼、數(shù)據(jù)入庫和鑒權(quán)。過去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，無需尋呼接收模塊降低系統(tǒng)的費用。
（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。而且傳輸時延不可控制。對于高速移動目標實時定位，時延是不容忽視的因素。根據(jù)理論計算得到單向傳送時延為5 s的累計概率分布為92．86％，對于時速為180 km的移動目標，5 s已經(jīng)行駛了250 m，因此當GPS定位信息從移動目標傳至監(jiān)控中心時，已有了250 m的誤差，嚴重影響了GPS定位的精度。從理論計算上可以看到如果傳輸?shù)男畔⒘繙p少，相應的時延也會得到減少。對于實時性要求不高或中、低速移動環(huán)境以及數(shù)據(jù)量不大的情況下，可以采用此方案。對于高速移動目標可以考慮其他的數(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，運營商不需對短消息的傳送增加通信費用，僅收取少量的開通費或很少的維護費。
3 基于GPRS的移動定位信息傳輸
GPRS是GSMPHASE2．1規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，是由第二代的GSM系統(tǒng)過渡到第三代的CDMA系統(tǒng)的必經(jīng)之路，屬于2．5 G技術(shù)，是對目前GSM網(wǎng)絡(luò)的補充，不會取代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)速率可達到384 kB／s。
GPRS的另一個優(yōu)點是資費的合理性，用戶只需要根據(jù)數(shù)據(jù)通信量付費即可，而無需像電路交換方式那樣，對整個鏈路的占用時間付費。
（1）基于GPRS系統(tǒng)系統(tǒng)組成如圖3所示。
該系統(tǒng)的移動端是集成了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、應用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(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)點和GGSN網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點，其中SGSN主要對移動端進行定位和跟蹤，并發(fā)送和接收移動終端的分組；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)部門及時了解移動目標的信息。同時可利用GPRS的增值業(yè)務(wù)來傳輸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，很多運營商對此仍持觀望態(tài)度。該網(wǎng)絡(luò)在北京地區(qū)測試網(wǎng)速達不到理論值，建立撥號時間在1～2 s之間，平均上網(wǎng)速度只有33～36 kB／s；靜止狀態(tài)時數(shù)據(jù)完好率達到80％，數(shù)據(jù)延時比例為2．38％；運行狀態(tài)時完好率在76％～82％之間，延時比例為5％～10％（注：本次測試的數(shù)據(jù)延時比例是指服務(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，通過糾檢錯一類的控制，提高數(shù)據(jù)完好率。還可以在移動網(wǎng)絡(luò)一端直接拉專線到監(jiān)控中心，進一步提高數(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，傳輸速率高，適合對傳輸速率敏感的移動多媒體，同時分組交換接入時間短，大幅度提高遠程監(jiān)控的效率，對于傳輸GPS定位信息完全沒有問題。目前GPRS面臨的主要問題是覆蓋范圍不夠，而且由于過渡成本問題目前很少有地區(qū)采用。
4 結(jié) 語
以上是基于移動通信2G，2．5G的核心網(wǎng)對GPS定位信息傳輸做了分析，隨著移動通信的飛速發(fā)展，3G技術(shù)的日益成熟，將為GPS的發(fā)展創(chuàng)造前所未有的機遇。3G的目標就是建立一個全球統(tǒng)一的多媒體移動通信網(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、無線接入、高度保密等各方面優(yōu)勢而成為最具競爭力、最具有發(fā)展前景的無線多址技術(shù)，一般來講，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2 MB／s。
如果移動用戶需要知道離自己最近的加油站、旅游景點，訪問互聯(lián)網(wǎng)資源，3G的WAP技術(shù)和無線IP技術(shù)能使用戶實現(xiàn)這一夢想。
未來3大信息產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、個人移動通信和GPS的結(jié)合，必將對GPS的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響，相信不久具有GPS功能的3G手機將會投入商用。
參考文獻
［1］ 孫立新，等．第三代移動通信技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社，2000．
［2］ Ramjee Prasad，Werner Mohr，Walter Konhauser．第三代移動通信系統(tǒng)［M］．杜栓義譯．北京：電子工業(yè)出版社，2001．
［3］ Theodore Rappaport S．無線通信原理與應用［M］．蔡濤，李旭，等譯．北京：電子工業(yè)出版社，1999．
摘自 現(xiàn)代電子技術(shù)
