GSM网络通信在车载定位系统中的应用

　
　前言
　
　　GSM（全球移动通信系统）是ETSI（欧洲无线电通信标准委员会）制定的欧洲蜂窝移动通信标准。GSM最重要的业务是语音通信，语音被数字编码并作为数据流，以电路交换的模式被GSM网络传输。但是它使用的电路交换信道在空气界面上允许的最大传输率为14.4kbit/s，因此GSM受到限制。
　
　　GPRS是在GSM标准基础上基于分组交换技术的主要发展，它提供给无线用户高得多的传输速率以满足爆炸性的数据传输的需要。在理论上GPRS用户可以同时使用几个时隙（分组数据信道）以达到最高为170kbit/s的传输速率。由于信道仅仅在数据包被传送或接收时被分配给用户，这使得基于流量收费成为可能。大量的数据业务使得在用户间有效平衡网络资源，因为业务供应商可以使用传输时隙用于其他用户活动。通用分组无线业务（GPRS）,作为移动电话标准GSM的数据延伸，正被看作是第一种真正的分组转换结构，它使得移动用户能够从高速传输数率中得益，而且可以通过他们的移动终端完成各种数据业务应用。GPRS业务被划分为类:PTP（点对点）和PTM（点对多点）业务。
　
　　全球定位系统（GPS）是美国国防部经20多年的试验研究，耗资100多亿美元，于1993年12月正式全面投入运行的新一代星际无线电导航系统。它的出现和发展已带动起一个潜力巨大、竞争日趋激烈的新兴市场，据最新统计数字表明，目前GPS的全球用户逾400万，相关产品和服务市场正在迅速扩大，GPS已发展成为一个重要的产业。
　　
　　随着汽车工业的发展和交通管理的智能化，车辆GPS导航定位将成为全球卫星定位系统应用的最大潜力市场之一。就我国国情来说，车辆GPS导航定位在专用车辆调度监控、公交车智能管理、出租车运营管理等领域具有广阔的市场前景。通信分系统是车辆GPS导航定位的关键分系统之一。过去，通信分系统通过无线电台等相关方式来实现，存在频率资源紧张、覆盖范围小等问题。近年来，随着GSM通信技术的成熟，把GSM网络通信与GPS系统结合起来，将很好地解决GPS数据传输的瓶颈问题，本文在此将对车载GPS定位管理系统的架构、GSM通信实现方式及优缺点进行详述。
　
　一、车载定位系统概述
　
　　应用GSM通信技术的车载定位系统一般由三部分构成：①车载单元；②监控中心；③GSM通信服务系统
　
　　（一）车载单元
　
　　车载终端设备包括：控制单元（CPU）、显示单元（可选）、GPS接收机、GSM手机（或其他通信模块：如西门子TC35或MC35，不过要基于手机模块接口重新设计外围电路）、防盗报警器（可选）。
　
　　主要功能为：
　
　（1）防盗报警功能：当有紧急情况发生时，用户可以触发隐蔽的报警按钮，车载单元会自动将GPS接收机中的位置数据通过GSM手机的短消息功能传送给监控中心。防盗激活功能，当车辆遭遇非法入侵时自动发送报警信息至控制中心；
　
　（2）导航功能：GPS提供移动目标的准确位置、速度和方向等数据，无差分的定位精度在10m左右，差分精度为3-5m。系统可以通过调度中心进行导航，也可以在终端上存储电子地图。
　
　（3）通话功能：车载GSM手机可进行通话，当用户离车时还可将手机取下正常使用。
　
　（4）服务：提供一组服务按钮，当车主需要服务时按下相应按钮，由服务中心提供服务。
　
　　（二）监控中心
　
　　监控中心中GPS差分基准模块用以产生差分修正信息，送往中央处理机；中央处理机将管理数据库，并将各种调度、指令信息、差分修正信息通过GSM通信模块发往各车载单元，同时将收到的各车载单元发来的信息送往电子地图或数据库储存；地理信息系统GIS模块的电子地图将准确地显示所监控的所有车辆的实时位置；GSM通信模块的功能是将中央处理机送出的命令和差分修正信号发往各车载单元，同时接收由各车载单元发出的车辆的GPS信息和传感器信息。
　
　　（三）GSM通信服务系统
　　　
　　GSM通信服务系统由GSM通信模块和GSM通信网络组成，其功能主要是在车载单元与监控中心之间进行数据传输，确保各车载单元发出的车辆GPS信息、传感器信息和中央处理机送出的指令和差分修正信号在车载单元与监控中心之间进行稳定传送。通信软件采用VC++实现：COMM_SEVER与COMM_CLIENT 的通信采用WINSOCK组件。
　
　　二、GSM通信服务系统详析
　　
　　GSM通信服务系统根据数据传输方式的不同，可采用短信和GPRS两种方式。就短信服务来说，由于短信服务是GSM中唯一不要求建立端—端路径的业务，这为利用短信服务传输GPS信息提供了良好的条件。短信服务一般可采用两种方式：①“点对点”工作方式；②“点对中心”工作方式。就GPRS服务来说，由于GPRS（General Packet Radio Service）与GSM电路交换方式不同，属于分组交换方式的数据通信系统，具有“永远在线、高速传输、快速登录、流量计费”等优点，特别适用于像车载定位系统那样突发性数据的应用。
　
　　（一） “点对中心”服务模式
　
　　所谓“点对中心”服务模式,即车载单元和监控中心的通信方式。有三种通信方式：
　　　
　　1. 短信服务中心直接转发：
　　　
　　GSM短消息技术简介及其特点:短消息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(MSC)用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。
　　　
　　短消息业务是GSM/DCS1800系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(SDCCH)，信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道(SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)， 无论话音或数据通信是否正在进行。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。
  　
　　车载单元和监控中心都采用类手机的短信收发通信模块，车载单元短信收发通信模块将短信和要发往的目的站一同发给短信服务中心（SMSC），再由SMSC转发给监控中心短信收发通信模块；同理监控中心短信收发通信模块也将包括中央处理机送出短信和要发往的目的站一同发给SMSC，再由SMSC转发给车载单元。　
　　　
　　短信服务系统中SME 服务器负责建立与短信服务中心，各个监控中心和远程数据库的数据通信连接; 对SMSC发来的数据帧进行数据格式转换后, 根据帧类型录入中心数据库; 然后将数据发送到所属的监控平台, 并对各监控平台发来的指令帧进行格式转换, 把转换后的消息帧发送到SMSC。将需要计费的消息的数目录入数据库, 作为用户计费依据; 如需要加解密则进行数据加解密工作。
　
　　这种短信服务模式最大的优点是短信收发通信模块价格低廉，无额外的网络开销，通信成本较低；但该短信服务模式有时时延会相当长，并且监控中心短信收发通信模块数据处理能力较低，仅适用于车辆较少的情况。
　
　　2.DDN专用数字电路或Internet转发：
　
　　短信上行时，车载单元短信模块将包括GPS信息在内的短信和要发往的目的站信息一同发给通信服务中心中的SMSC，再由通信服务中心转发，最后经DDN专用数字电路或Internet路由至监控中心进行处理；短信下行时，监控中心将包括中央处理机送出的命令和差分修正信号在内的短信和要发往的目的站信息经DDN专用数字电路或Internet路由至通信服务中心，再发给SMSC，最后由SMSC转发给车载单元短信模块。
　　　
　　通信服务中心是这部分系统的核心，通常设在离移动电话交换机较近的机房内，通过高速数据专线与其他部分连接。它是一个单独的计算机网络（Novell网），由GSM交换机、SMSC 短消息服务中心（或专用7号信令协议处理单元）、路由器、广域网端口、工作站等组成。它要完成4项基本功能：
　
　　（1）通过短消息方式实现与车载单元的双向数据通信。
　　
　　（2）具有与广域网联结端口，可实现无线移动通信网与有线计算机网的连接。
　
　　（3）能够按指挥监控中心或用户的要求，使系统完成某些功能，如静音、显示话费等。
 
　　（4）车辆信息数库及维护功能。
　
　　这种短信服务模式优点是数据处理能力强，时延小（一般在2~10s范围内），适用于车辆较多的情况。但该短信服务模式网络开销较大，需自建路由器，申请IP地址；若从安全性考虑采用DDN专线方式，还存在租用电路开销。
　
　　3. GPRS服务模式：
　
　　GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。它是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。GPRS 移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业POS 机、INTERNET 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。
　　
　　GPRS服务模式的实现方法为：车载单元的GPRS通信模块将包括GPS信息在内的GPRS分组和专用APN信息经基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再经DDN专用数字电路或Internet路由至监控中心；来自监控中心标识有车载单元地址的分组数据包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到车载单元。
　　　
　　GPRS服务模式的优点是数据传输速率可高达115kbit/s，而其链路建立时间非常短，可小于1s；按流量进行计费，通信成本低；从车载单元到GGSN有服务质量的保证；此外数据处理能力强，安全性高。但该服务模式网络开销较大，需自建路由器，申请专用APN和IP地址，安装RADIUS Server用作认证GPRS接入；若从安全性考虑采用DDN专线方式，还存在租用电路开销。
　
　　（二） “点对点”服务模式
　
　　所谓点对点服务模式，即车载定位系统中车辆间不经监控中心直接的通信。系统运用了GSM的短消息（SMS）功能来实现服务中心与受控目标之间的数据传输。在GSM 体系结构中，有一个通信管理层（CM），其功能是：应用户的要求，在用户之间建立连接，并能维持和释放这些呼叫。SMS就是属于CM层的附加功能。点对点的短消息业务是由短消息业务中心完成存储和转发功能的。短消息业务中心是在功能上与GSM网完全分离的实体。
　
　　与点对中心服务模式对应，点对点服务模式也有三种通信方式：
　
　　在第一种方式中，车载单元短信收发通信模块将包括GPS信息在内的短信和要发往的目的站一同发给短信服务中心SMSC，而SMSC直接把短信转发给另一个车载单元。
　
　　在第二种方式中，车载单元短信通信模块将包括GPS信息在内的短信和要发往的目的站信息一同发给SMSC，再由通信服务中心转发，最后经DDN专用数字电路或Internet路由至相应的SMSC，最后由SMSC转发给目的车载单元短信通信模块。
　　　
　　在第三种方式中，车载单元的GPRS通信模块将包括GPS信息在内的GPRS分组和专用APN信息经基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再经DDN专用数字电路或Internet路由至目的GPRS服务支持节点（SGSN），继而传送到车载单元。
　　
　　点对点服务模式可以使车辆之间不经过监控中心直接通信，减少了监控中心的数据运算量，使监控中心不用负担车辆间的数据通信，从而更好的服务于点对中心的服务模式。
　
　　三、与集群系统的比较
　
　　传统的集群系统在移动通信中占有相当大的份量，最初由几部普通步话机就可以组成一个无线电调度网，这种网在厂、矿等部门仍被大量采用，但网的功能过于简单。
　
　　（一）采用集群系统的车辆监控系统存在的问题：
　　　
　　（1）占用有限的频率资源，尤其对集群通信的FDMA体制而言其占用的频率点与监控容量成正比，而普通用户申请较多的频率点不仅困难而且消费很高。
　
　　（2）通信误码率较高集群系统采用大区制，单中心，这样在大城市中由于地形和建筑物等原因，通信盲区较多，多径效应严重，使监控的可信度大大降低。
　
　　（3）系统容量有限。对于集群系统而言，有限的频率资源是限制系统容量提高的瓶颈。
　　　
　　（4）系统覆盖范围有限。集群通信系统属于专用移动通信网，某一部门独立建造和使用，覆盖范围较小。
　
　　然而对于一个实际的车辆监控系统，优良的通信质量，较大的系统容量及充足的容量扩大冗余度和较大的系统覆盖范围是往往是系统必须的指标。而通过GSM数字蜂窝移动通信系统传输车辆定位信息则较好地解决了上述问题，是目前较有前景的一种设计方案。
　
　　（二）GSM相对于集群的优点
　
　　GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是依据欧洲通信标准化委员会制定的技术规范而设计研究的。它具有下列主要特点 ：可提供国内和国际的自动漫游服务，覆盖范围广；具有加密和鉴权功能，保证信息的安全；具有灵活的组网结构，频率重复利用率高；系统的抗干扰能力强，通信质量高；随着大规模集成电路技术的发展和用户量的增加，用户终端（手持机，车载台）将会越来越小巧，功能越来越强而价格越来越低。
　
　　GSM通信网用于GPS车载监控系统可以较好地解决以前所遇到的大部分问题：首先，GSM采用蜂窝式小区结构，在用户密集的地区采用小区制，提高了频率的利用效率，容量问题可以得到解决。其次就是通信盲区较少，多径效应也较小；而且由于GSM系统是数字通信体制，其通信质量远远好于模拟体制的集群通信系统。其应用于车载定位系统中时，通信误码率低，车辆监控的可信度大大提高；另外，随着GSM应用的不断扩展，其业务种类也越来越多，用户所得到的服务将越来越完善，服务费用也会越来越容易接受。
　
　　结论：
　
　　GSM网络通信在车载GPS定位管理系统中的应用将进一步解决车载GPS定位管理系统的数据传输“瓶颈”问题，有力推动车载GPS定位管理系统的市场应用和发展。许多公司互联技术公司的兴起及一些高校重点实验室的开发和研究为车载定位系统的发展和普及也起到了重要作用。例如东南大学移动通信国家重点实验室研究出了车载定位系统的相关配套软件，南京东大移动互联移动技术有限公司也已批量生产了定位系统中的车载系统模块，该模块在不同驱动程序初始化后可以应用于多种车辆，根据车载系统的不同要求通过软件程序灵活设置，与移动运营商联系申请入网后即可使用，而移动运营商通过GSM网络通信在车载定位系统中的应用将有效促进短信和GPRS数据增值业务的发展，适时地推出相应的GPS行业应用套餐，将培育出新的利润增长点，打造出短信和GPRS数据增值业务行业应用的精品工程。