利用GSM短消息业务实现GPS车辆监控

　  摘 要： 分析了目前车辆监控系统常用的VHF／UHF单信道呼叫网、集群移动通信网的特点，以及GSM提供的几种业务，进而提出利用GSM的短消息业务来实现车辆监控系统的方案，设计了系统的结构和组网方式，并指出系统的容量由短消息服务中心的处理能力和无线信令信道的承载能力决定。

    关键词： 全球卫星定位技术（GPS） GSM短消息业务 车辆监控系统

    1 车辆监控系统

    现代车辆监控系统是一种集全球卫星定位技术（GPS）、地理信息技术（GIS）和现代通信技术于一体的高科技系统。它将移动目标的动态位置（经度、纬度）、时间、状态等信息，实时地通过无线通信链路传送至监控中心站，而后在具有地理信息查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询。为调度管理提供可视化依据，特别适合公安、银行、保安、机场等单位对某些特种车辆的监控和调度管理。

    车辆监控系统的拓扑结构如图1所示，各移动车辆的组成与功能完全相同。

    移动车辆配备的GPS接收机用以获取自己当前的位置、时间等信息，然后通过通信链路向监控中心站发送状态和位置等信息；在监控中心站，无线接收机接收各子站的位置信息，并通过通信控制器送往电子地图，显示各移动车辆的运行轨迹。系统由监控软件实现对各移动车辆的状态监控，并可利用无线通信对各移动车辆进行调度指挥，这样就实现了对各移动车辆的监控管理。

    根据目前我国移动通信的现状，组建车辆监控系统一般利用现有的具有数据传输功能的通信系统，以降低成本，或利用不具备数据传输功能的模拟通信系统，对系统进行一定的改造，开发接口与控制电路，采用音频调制解调器（MODEM），把数据调制在模拟通信所能够传输的音频带宽内，使之能够用以传输数据。目前GPS车辆监控系统常用的通信方案主要有：VHF／UHF单信道呼叫网、集群移动通信网。VHF／UHF单信道呼叫网属于早期的移动通信方式，用这种通信网实现的车辆监控系统各移动车台可采用时分多路（TDMA）方式来避免不同车辆之间的相互干扰，保证移动车台与监控中心站之间的正常通信，各移动车台按照事先规定好的时隙向监控中心站发送定位信息，监控中心站可以将调度命令在某一固定的时隙发送给移动台。监控系统的容量由每台车发送信息占用的时间和发送定位信息的频度来决定，目前一个频率点可以监控约120台车。集群通信系统（Trunk Mobile Radio System)是专用调度通信系统，是共享频率资源、分担费用、共享信道资源、改善服务的多用途、高效能的无线调度系统。集群移动通信系统多样化的呼叫方式如群呼、组呼等加强了控制中心对车辆的调度能力。基于集群系统的车辆监控系统也有与单信道呼叫网相似的缺点。由于集群系统属于专用移动通信网，因此集群网的覆盖范围一般不大，容量也不可能太大，这就限制了车辆监控的范围，不能满足大范围车辆监控系统的需要；而且由于集群系统一般采用大区制，通信受多径干扰以及通信盲区的问题依然不能改善，数据通信质量较差。

    若出租汽车管理局建立了这样的车辆监控系统，就可以根据电子地图上动态显示的出租车的位置，准确地指挥、调度，以响应用户的服务。同样，此系统也非常适用于公安部门110指挥中心、银行押款车等。

    2 基于GSM短消息业务的车辆监控系统设计

    GSM（Global System for Mobile communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式。它提供多种业务，主要有话音业务、短消息业务、数据业务等，选择那一种业务传送GPS车辆定位数据对整个系统的性能有很大的关系。

    2.1 车辆监控系统通信组网的GSM业务选择

    GSM的最基本的业务是话音业务，根据以前在集群电台传输GPS数据的经验，GPS数据通过音频调制解调器转换成3.1kHz音频信号，加到移动台的音频输入来实现数据传输。但由于GSM是数字移动通信系统，这样既不需要也不可行，首先是GSM本来就具有数据传输能力，提供数据业务；再者，音频调制解调器输出的高端频率一般都在2.0kHz以上，若这样的信号加在GSM移动终端的音频接口上，大于1300Hz的信号将有较大的失真从而导致接收端音频调制解调器不能够正确解调出音频信号所携带的数据。测试表明，在话音通带上用符合CCITT V.23建议的1200bit／s的调制解调器传输数据，其工作是不能令人满意的。而根据CCITT V.21建议（300bit／s）的话音通带数据，传输性能不会严重下降，但这样的速率是不能为车辆监控系统用户所接受的。因此，音频调制解调的方式不可用。

    第二种选择是数据业务，GSM提供2400bps、4800bps、9600bps的异步数据传输能力，可用于传输GPS定位数据。但GSM是公众网，其业务的使用需要通过拨号建立连接，一旦建立连接即需要计费。目前中国电信GSM的最小计费时间是1分钟，GPS每次的定位数据不到20字节，采用效率为50％的编码方式也不到40个字节，若按9600bps的速率，传输一次GPS位置数据的时间大约0.04s。而计费按1分钟计，加上拨号处理时延，用数据业务传输GPS定位数据是极不经济的，若把一段时间的位置数据存储起来，当调度中心需要时一起发送到中心站则是可行的。可以选用GSM的数据业务作为查询模式时的通信方案。

    第三种是短消息业务，GSM的短消息业务分为两种：点对点短消息业务和短消息小区广播业务，但目前短消息小区广播业务还没有开放。点对点短消息业务能够使GSM数字移动通信网的用户可以发出或接收长度有限（不超过140个字节）的数字或文字消息，并且短消息的收发不影响通话；短消息业务可以使网络端知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重发以确保被叫方能收到。

    GSM的短消息业务利用信令信道传输，是GSM通信网所特有的，它不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发送给最终的信宿，短消息每次限制在140个字节以内，这对GPS定位数据来讲足够了。短消息业务用于GPS车辆监控最大的优点在于其无需建立连接，服务费用低（以北京电信目前的收费标准，短消息每月收费15元），这适于把每次定位数据随时发送到监控中心。

    综上所述，我们选用GSM的短消息业务来实现GPS车辆监控。

    2.2 通信组网方案设计

    监控中心站通过GSM通信网与移动中的车辆进行通话、短消息传输。接收短消息可用GSM用户终端（如手机，车载台），也可以用ISDN方式直接连接到移动通信局的短消息服务中心，这样接收短消息更迅捷，系统容量可以更大。

    用GSM实现自动车辆监控系统中心站的原理框图如图2。

    移动站由GSM移动终端（手机或车载台）、GPS接收机和控制处理单元组成。其框图如图3所示。

    控制单元功能包括接收GPS定位数据、与GSM移动台接口、控制移动台自动拨号和自动收发数据、收发短消息、显示车辆位置、自动／人工报警、遥控制动汽车等。报警主要用于车辆故障或特殊情况下使用。报警时可报告车辆编号、状况、位置等信息，监控中心收到报警信息后可遥控该车熄火，致使报警车辆不能离开出事地点。

    GPS接收机用来接收GPS卫星发来的信号并解算出定位信息，由控制单元读取、显示、并通过GSM送达监控中心。

    移动终端提供话音、短消息业务，控制单元可以向移动终端发送拨号等控制命令以沟通话音、收发短消息。车上控制单元把接收到的GPS定位数据通过GSM的短消息业务发送到中心站。GSM的短消息可与通话同时进行而互不影响。对一些特殊车辆需要实时监控的，可以用GSM的数据通信业务，GSM提供高达9600bps的数据传输速率，但费用比短消息要高。本系统采用短消息业务进行定位数据传送，同时还可以通话。

    2.3 性能分析

    移动用户通过GSM网将短消息输入至SC（短消息服务中心），由SC通过MSC（移动交换中心）将短消息发送至指定的移动用户。移动台发送短消息至SC和SC将短消息发送至指定移动用户是两个相同的信令过程，只是方向相反。其中影响流量的接口主要有两个：MS（移动台）与BSS（基站）之间的接口--Um接口（无线接口）、BSS与MSC之间的接口--A接口。A接口采用7号信令的信号接续控制部分，其物理层连接采用PCM一次群（2.048Mb／s），而Um接口的信道速率是270.83kb／s，每时隙信道比特率是22.8kb／s。

    以上分析，基于GSM短消息业务的车辆监控系统的容量主要由短消息服务中心的处理能力和无线信令信道的承载能力决定。短消息处理中心的忙时处理能力一般在每秒120条信息以上（以大唐电信的SMC30短消息中心为例），容量支持150万用户以上，消息存储时延小于1s（95％的概率）。

    总之，基于已进行的跑车实验，可以得出结论：GSM作为公用陆地移动通信网，具有其他通信方式所不可比拟的优越性，它通信范围广、容量大、提供数据业务，短消息业务经济实惠，是车辆监控系统比较好的一种数据传输方式。但它的调度管理功能比较弱，可以通过监控中心站的管理软件来加强。