基于GSM和GPRS实现GPS定位信息传输系统的应用设计
作者：段亚军;冯永浩;王兴亮;李成恩
1 引 言
随着移动通信的迅猛发展以及GPS在各个领域的广泛应用，将GPS与移动通信相结合已成为现代通信发展的主流技术之一。GPS技术以其具有精度高、速度快、成本低的特点，已成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球导航定位系统。GPS定位技术的出现给移动目标的导航提供了高精度的实时定位能力，基于GPS我们可以实时获取移动目标的位置信息，从而实现移动目标的实时监控。过去由于数据通信的障碍，使GPS技术的应用受到限制。随着现代通信技术的飞速发展，这一技术上的瓶颈可通过采用移动通信网的相关功能得以解决。本文主要就目前基于GSM和GPRS的GPS定位信息传输系统进行了研究，同时展望了下一代移动通信发展对GPS定位信息传输的影响。
2 基于GSM系统的GPS定位信息传输系统
GPS／GSM是将全球定位系统和GSM服务系统相结合的一套综合定位、监控和调度指挥系统。在交通运输行业得到广泛的应用，这一系统的应用大大增加了监控的对象和范围，这也是移动目标服务的必然趋势。GSM在GPS技术中主要是通过其数据业务信道和短消息业务来传递控制和定位信息。
2．1 基于GSM数据业务信道传输定位信息
GSM是第二代移动通信的核心技术，其数据业务主要采用电路交换方式（CSD），系统提供的数据传输速率为9．6kB／s，GSM+2业务的数据速率可达到14．4kB／s。同时GSM发射器能对所发送的数字比特流进行加密，因而GSM系统具有空中保密性。我们可以根据现有的民用资源，充分利用市场所提供的相关业务进行加密数据通信。完全可以利用GSM现有的数据业务信道传输GPS定位信息。
（1）基于GSM数据业务信道系统
系统组成图如图1所示。
系统总体结构可分为2大部分：定位信息的获取与发送（GPS接收机）；定位信息相互传递（移动通信系统GSM和PSTN）；该系统将GPS接收机接收到的GPS信息经过RS232接口送至笔记本移动终端（配有系统处理信息所必备的软件），计算出移动目标的经度、纬度、速度、方向，经加密处理后，利用现有的GSM网络和PSTN作为通信传输的媒介来实现定位信息的传递。若在移动目标上增加了数字摄像头，系统能将捕获到的移动目标信息经笔记本移动终端处理后送至监控中心，这相应增加了系统软件的复杂度（需要图像编／解码、图像显示及文件传输协议等），使系统成本增大。
（2）系统性能分析
该系统通过拨号连接完全占用信道的方式传输数据，克服了以往采用电台方式由于争用信道而产生的碰撞，提高了信道的吞吐量，增强了系统抗干扰能力，信息传输有效性、可靠性较电台方式有所提高。随着GSM网络建设的进一步完善和发展，系统可实现更大范围的监控。但由于GSM网实目前际传输速率达不到理论值9．6kB／s，主要为语音通信而设计，通信系统中信噪比低，误码率高，严重时会导致通信失败。而且由于该系统采用电路交换方式，完全占用信道，信道利用率比较低，浪费了信道资源。同时系统用拨号方式是按时计费，加之系统本身传输速率低，若需传输多媒体信息会付出很大的代价。
2．2 基于GSM短消息信令信道的传输
SMS是作为GSMPHASE 1．0阶段的一部分而诞生的。短消息业务SMS（Short Message Server）主要是通过GSM网的控制信道传输用户分组信息的一项增值业务，短消息可以包含文字、数字、字母。
采用拉丁字符时，长度最大为160个字符，采用非拉丁字符，其长度达70个字符。特别适合信息量不大的数据业务，他使用GSM网的公共控制信道，通话期间不影响短消息的传输。短消息业务的明显优点是传输速度快，单个数据传输价格便宜，不占用话音通信信道。
（1）基于GSM短消息业务
系统组成图如图2所示。
GPS接收机接收定位卫星发来的定位数据，并且根据3颗以上不同卫星发来的数据计算出自身所处的地理位置的平面坐标，坐标数据通过符合GSM标准的无线MODEM，采用SMS形式，将移动目标的位置状态、报警器输入信息发送至GSM网。GSM网将接收到的移动目标定位信息通过互联网、DDN专线或通信的接收发送设备送至移动目标监控中心，以便控制中心能及时掌握移动目标的动态位置信息。
本系统定位信息传输功能实现所需软件为通信服务器软件，主要完成移动目标和监控中心之间的数据传输与通信，实现数据收发、编码、解码、数据入库和鉴权。过去GSM不能提供广播式短消息，在GPS一些主要以话音通信为主的行业中，本系统需要增加寻呼接收模块，具体见结构图2。随着GSM短消息服务功能的完善，无需寻呼接收模块降低系统的费用。
（2）系统性能分析
由于GSM网本身传输数据速率低，因而不适合传输大数据量，更谈不上传送多媒体信息。而且传输时延不可控制。对于高速移动目标实时定位，时延是不容忽视的因素。根据理论计算得到单向传送时延为5s的累计概率分布为92．86％，对于时速为180km的移动目标，5s已经行驶了250m，因此当GPS定位信息从移动目标传至监控中心时，已有了250m的误差，严重影响了GPS定位的精度。从理论计算上可以看到如果传输的信息量减少，相应的时延也会得到减少。对于实时性要求不高或中、低速移动环境以及数据量不大的情况下，可以采用此方案。对于高速移动目标可以考虑其他的数据传递方法和手段。
该系统优点主要是GSM网络覆盖范围广，技术成熟，利用目前的网络成本低，运营商不需对短消息的传送增加通信费用，仅收取少量的开通费或很少的维护费。
3 基于GPRS的移动定位信息传输
GPRS是GSMPHASE 2．1规范实现的内容之一，是由第二代的GSM系统过渡到第三代的CDMA系统的必经之路，属于2．5G技术，是对目前GSM网络的补充，不会取代GSM网络目前所支持的电路交换和短消息数据业务。
GPRS采用高速分组数据技术，主要特点是基于分组交换方式，理论上的最大传输速率可大171．2kB／s。发展到EDGE（Enhancd Data GSM Revolution）阶段数据速率可达到384kB／s。
GPRS的另一个优点是资费的合理性，用户只需要根据数据通信量付费即可，而无需像电路交换方式那样，对整个链路的占用时间付费。
（1）基于GPRS系统
系统组成如图3所示。
该系统的移动端是集成了GPS芯片、PDA主板、GPRS模块的手持信息终端。监控中心由安装了所有软件的高性能笔记本电脑模拟服务器，完成了接人服务器、应用服务器、数据库服务器的所有功能。我们完全可以利用现有的GSM网提供GPRS业务，只需在GSM网基础上增加SGSN服务支持节点和GGSN网关支持节点，其中SGSN主要对移动端进行定位和跟踪，并发送和接收移动终端的分组；GGSN将SGSN发送和接收的GSM分组依据其他分组协议发送到其他网络。
在图3中可以利用GPRS的GGSN将GPS定位信息送至互联网或者其他部门专网，以便有关部门及时了解移动目标的信息。同时可利用GPRS的增值业务来传输GPS定位信息，且数据速率高于GSM-SMS。
（2）系统性能的分析
GPRS目前还处于发展之中，很多运营商对此仍持观望态度。该网络在北京地区测试网速达不到理论值，建立拨号时间在1～2s之间，平均上网速度只有33～36kB／s；静止状态时数据完好率达到80％，数据延时比例为2．38％；运行状态时完好率在76％一82％之间，延时比例为5％～10％（注：本次测试的数据延时比例是指服务器接收到的偏离了设定周期在1 s到最大设定值之间的完整、有效的总数据量。占服务器接收到的所有完整有效数据的比例）。可以看出GPRS网络的上、下行总体延迟时间在1s以内，较GSM系统延迟不明显。我们可以在不增大额外开销的情况下，通过纠检错一类的控制，提高数据完好率。还可以在移动网络一端直接拉专线到监控中心，进一步提高数据完好率，并且减小延迟。
总之，GPRS是面向第三代，较GSM网有明显的优势，传输速率高，适合对传输速率敏感的移动多媒体，同时分组交换接人时间短，大幅度提高远程监控的效率，对于传输GPS定位信息完全没有问题。目前GPRS面临的主要问题是覆盖范围不够，而且由于过渡成本问题目前很少有地区采用。
4 结 语
以上是基于移动通信2G，2．5G的核心网对GPS定位信息传输做了分析，随着移动通信的飞速发展，3G技术的日益成熟，将为GPS的发展创造前所未有的机遇。3G的目标就是建立一个全球统一的多媒体移动通信网，支持宽带多媒体综合业务，提供高质量的服务和安全保密性能。
在3G系统中，CDMA凭借其在系统容量、速率、无线接人、高度保密等各方面优势而成为最具竞争力、最具有发展前景的无线多址技术，一般来讲，在同样条件下，采用CDMA方式的系统容量大约是采用GSM系统容量的4～6倍，是模拟系统容量的20倍。数据传输速率最高达2MB／s。
如果移动用户需要知道离自己最近的加油站、旅游景点，访问互联网资源，3G的WAP技术和无线IP技术能使用户实现这一梦想。
未来3大信息产业互联网、个人移动通信和GPS的结合，必将对GPS的发展产生深远的影响，相信不久具有GPS功能的3G手机将会投入商用。
