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在各個領域的廣泛應用,將GPS與移動通信相結合已成為現(xiàn)代通信發(fā)展的主流技術之一。GPS技術以其具有精度高、速度快、成本低的特點,已成為目前世界上應用范圍最廣、實用性最強的全球導航定位系統(tǒng)。GPS定位技術的出現(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技術的應用受到限制。隨著現(xiàn)代通信技術的飛速發(fā)展,這一技術上的瓶頸可通過采用移動通信網(wǎng)的相關功能得以解決。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服務系統(tǒng)相結合的一套綜合定位、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 動目標服務的必然趨勢。GSM在GPS技術中主要是通過其數(shù)據(jù)業(yè)務信道和短消息業(yè)務來傳遞控制和定位信息。
2.1 基于GSM數(shù)據(jù)業(yè)務信道傳輸定位信息
GSM是第二代移動通信的核心技術,其數(shù)據(jù)業(yè)務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業(yè)務進行加密數(shù)據(jù)通信。完全可以利用GSM現(xiàn)有的數(shù)據(jù)業(yè)務信道傳輸GPS定位信息。
(1)基于GSM數(shù)據(jù)業(yè)務信道系統(tǒng)系統(tǒng)組成圖如圖1所示。
系統(tǒng)總體結構可分為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)絡建設的進一步完善和發(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,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,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。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,具體見結構圖2。隨著GSM短消息服務功能的完善,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)絡覆蓋范圍廣,技術成熟,利用目前的網(wǎng)絡成本低,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,是對目前GSM網(wǎng)絡的補充,不會取代GSM網(wǎng)絡目前所支持的電路交換和短消息數(shù)據(jù)業(yè)務。
GPRS采用高速分組數(shù)據(jù)技術,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器,完成了接入服務器、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器的所有功能。我們完全可以利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)提供GPRS業(yè)務,只需在GSM網(wǎng)基礎上增加SGSN服務支持節(jié)點和GGSN網(wǎng)關支持節(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。
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)延時比例是指服務器接收到的偏離了設定周期在1 s到最大設定值之間的完整、有效的總數(shù)據(jù)量。占服務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 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,提供高質(zhì)量的服務和安全保密性能。
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,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技術和無線IP技術能使用戶實現(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
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摘自 現(xiàn)代電子技術