基于GSM和GPRS實現GPS定位信息傳輸系統的應用設計

作者：段亞軍;馮永浩;王興亮;李成恩

1 引 言

隨著移動通信的迅猛發展以及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代通信發展的主流技術之一。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。GPS定位技術的出現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，從而實現移動目標的實時監控。過去由于數據通信的障礙，使GPS技術的應用受到限制。隨著現代通信技術的飛速發展，這一技術上的瓶頸可通過采用移動通信網的相關功能得以解決。本文主要就目前基于GSM和GPRS的GPS定位信息傳輸系統進行了研究，同時展望了下一代移動通信發展對GPS定位信息傳輸的影響。

2 基于GSM系統的GPS定位信息傳輸系統

GPS／GSM是將全球定位系統和GSM服務系統相結合的一套綜合定位、監控和調度指揮系統。在交通運輸行業得到廣泛的應用，這一系統的應用大大增加了監控的對象和范圍，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據業務信道和短消息業務來傳遞控制和定位信息。

2．1 基于GSM數據業務信道傳輸定位信息

GSM是第二代移動通信的核心技術，其數據業務主要采用電路交換方式（CSD），系統提供的數據傳輸速率為9．6kB／s，GSM+2業務的數據速率可達到14．4kB／s。同時GSM發射器能對所發送的數字比特流進行加密，因而GSM系統具有空中保密性。我們可以根據現有的民用資源，充分利用市場所提供的相關業務進行加密數據通信。完全可以利用GSM現有的數據業務信道傳輸GPS定位信息。

（1）基于GSM數據業務信道系統

系統組成圖如圖1所示。

系統總體結構可分為2大部分：定位信息的獲取與發送（GPS接收機）；定位信息相互傳遞（移動通信系統GSM和PSTN）；該系統將GPS接收機接收到的GPS信息經過RS232接口送至筆記本移動終端（配有系統處理信息所必備的軟件），計算出移動目標的經度、緯度、速度、方向，經加密處理后，利用現有的GSM網絡和PSTN作為通信傳輸的媒介來實現定位信息的傳遞。若在移動目標上增加了數字攝像頭，系統能將捕獲到的移動目標信息經筆記本移動終端處理后送至監控中心，這相應增加了系統軟件的復雜度（需要圖像編／解碼、圖像顯示及文件傳輸協議等），使系統成本增大。

（2）系統性能分析

該系統通過撥號連接完全占用信道的方式傳輸數據，克服了以往采用電臺方式由于爭用信道而產生的碰撞，提高了信道的吞吐量，增強了系統抗干擾能力，信息傳輸有效性、可靠性較電臺方式有所提高。隨著GSM網絡建設的進一步完善和發展，系統可實現更大范圍的監控。但由于GSM網實目前際傳輸速率達不到理論值9．6kB／s，主要為語音通信而設計，通信系統中信噪比低，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。同時系統用撥號方式是按時計費，加之系統本身傳輸速率低，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GSMPHASE 1．0階段的一部分而誕生的。短消息業務SMS（Short Message Server）主要是通過GSM網的控制信道傳輸用戶分組信息的一項增值業務，短消息可以包含文字、數字、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據業務，他使用GSM網的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業務的明顯優點是傳輸速度快，單個數據傳輸價格便宜，不占用話音通信信道。

（1）基于GSM短消息業務

系統組成圖如圖2所示。

GPS接收機接收定位衛星發來的定位數據，并且根據3顆以上不同衛星發來的數據計算出自身所處的地理位置的平面坐標，坐標數據通過符合GSM標準的無線MODEM，采用SMS形式，將移動目標的位置狀態、報警器輸入信息發送至GSM網。GSM網將接收到的移動目標定位信息通過互聯網、DDN專線或通信的接收發送設備送至移動目標監控中心，以便控制中心能及時掌握移動目標的動態位置信息。

本系統定位信息傳輸功能實現所需軟件為通信服務器軟件，主要完成移動目標和監控中心之間的數據傳輸與通信，實現數據收發、編碼、解碼、數據入庫和鑒權。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中，本系統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的費用。

（2）系統性能分析

由于GSM網本身傳輸數據速率低，因而不適合傳輸大數據量，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。根據理論計算得到單向傳送時延為5s的累計概率分布為92．86％，對于時速為180km的移動目標，5s已經行駛了250m，因此當GPS定位信息從移動目標傳至監控中心時，已有了250m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的信息量減少，相應的時延也會得到減少。對于實時性要求不高或中、低速移動環境以及數據量不大的情況下，可以采用此方案。對于高速移動目標可以考慮其他的數據傳遞方法和手段。

該系統優點主要是GSM網絡覆蓋范圍廣，技術成熟，利用目前的網絡成本低，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GSMPHASE 2．1規范實現的內容之一，是由第二代的GSM系統過渡到第三代的CDMA系統的必經之路，屬于2．5G技術，是對目前GSM網絡的補充，不會取代GSM網絡目前所支持的電路交換和短消息數據業務。

GPRS采用高速分組數據技術，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171．2kB／s。發展到EDGE（Enhancd Data GSM Revolution）階段數據速率可達到384kB／s。

GPRS的另一個優點是資費的合理性，用戶只需要根據數據通信量付費即可，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

系統組成如圖3所示。

該系統的移動端是集成了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，完成了接人服務器、應用服務器、數據庫服務器的所有功能。我們完全可以利用現有的GSM網提供GPRS業務，只需在GSM網基礎上增加SGSN服務支持節點和GGSN網關支持節點，其中SGSN主要對移動端進行定位和跟蹤，并發送和接收移動終端的分組；GGSN將SGSN發送和接收的GSM分組依據其他分組協議發送到其他網絡。

在圖3中可以利用GPRS的GGSN將GPS定位信息送至互聯網或者其他部門專網，以便有關部門及時了解移動目標的信息。同時可利用GPRS的增值業務來傳輸GPS定位信息，且數據速率高于GSM-SMS。

（2）系統性能的分析

GPRS目前還處于發展之中，很多運營商對此仍持觀望態度。該網絡在北京地區測試網速達不到理論值，建立撥號時間在1～2s之間，平均上網速度只有33～36kB／s；靜止狀態時數據完好率達到80％，數據延時比例為2．38％；運行狀態時完好率在76％一82％之間，延時比例為5％～10％（注：本次測試的數據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、有效的總數據量。占服務器接收到的所有完整有效數據的比例）?？梢钥闯鯣PRS網絡的上、下行總體延遲時間在1s以內，較GSM系統延遲不明顯。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，提高數據完好率。還可以在移動網絡一端直接拉專線到監控中心，進一步提高數據完好率，并且減小延遲。

總之，GPRS是面向第三代，較GSM網有明顯的優勢，傳輸速率高，適合對傳輸速率敏感的移動多媒體，同時分組交換接人時間短，大幅度提高遠程監控的效率，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采用。

4 結 語

以上是基于移動通信2G，2．5G的核心網對GPS定位信息傳輸做了分析，隨著移動通信的飛速發展，3G技術的日益成熟，將為GPS的發展創造前所未有的機遇。3G的目標就是建立一個全球統一的多媒體移動通信網，支持寬帶多媒體綜合業務，提供高質量的服務和安全保密性能。

在3G系統中，CDMA憑借其在系統容量、速率、無線接人、高度保密等各方面優勢而成為最具競爭力、最具有發展前景的無線多址技術，一般來講，在同樣條件下，采用CDMA方式的系統容量大約是采用GSM系統容量的4～6倍，是模擬系統容量的20倍。數據傳輸速率最高達2MB／s。

如果移動用戶需要知道離自己最近的加油站、旅游景點，訪問互聯網資源，3G的WAP技術和無線IP技術能使用戶實現這一夢想。

未來3大信息產業互聯網、個人移動通信和GPS的結合，必將對GPS的發展產生深遠的影響，相信不久具有GPS功能的3G手機將會投入商用。

責任編輯：gt