（计算机应用技术专业论文）基于gprs的车载监控终端的设计与实现.pdf

摘要 车载监控终端集全球定位技术，移动通信技术和地理信息系统技术于一身， 它不但是智能交通系统的重要组成部分还能实现许多安全防范功能。 本文通过对g p s 卫星定位理论、卫星数据处理技术、g p r s 移动通信技术、 嵌入式系统设计和应用的深入研究，实现了基于g p l s 移动通信技术的车载监控 终端的设计方案。所设计的车载系统采用g p r s 技术同s m s 通信技术相结合的 方法进孑亍远程数据豹传送，从而既保证了数据传输的实时性和可靠性又具有很好 的适应性，克服了传统的车载监控终端在数据通信方面的不足。 所设计的车载终端采用a r m 7 系列微处理器作为系统的核心控制单元，以u c o s ，i i 作为嵌入式实时操作系统，并实现了 个同i n t e r n e t 中主机进行通信 的网络协议栈，用于在g p r s 方式下进行远程数据传输。 实测表明系统运行稳定、高效，以较低的成本实现了较高的性能。具有很好 的市场前景。 关键词：智能交通；g p s 系统；通用分组无线业务( g p r s ) ：kc o s i i ； 点到点协议( p p p ) ； a b s t r a c t t h ev e h i o u l a rm e n t o r i n gt e r m i n a li sc o m p o s e do fg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dg l o b a lg e o g r a p h i c a ls y s t e m i ti sn o to n l yt h ee s s e n t i a l p a r t o fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，b u ta l s op r o v i d i n gal o to fs e c u r i t y 如n o t i o n sf o rt h e 1 s e l t h r o u g hh a r dw o ko fs t u d yo ng p s ，g p r sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc m b e d e d s y s t e m ，t h ea u t h o ra c h i e v e san e wd a t at r a n s p o r t i n gs o l u t i o nw h i c hi sb a s e do nt h e u s a g eo fb o t hg p r sa n ds m sf o rt h ep r o j o c tt h en e ws o l u t i o nm a k e st h er e a l f i m e d a t at r a n s p o r t i n gr o b u s ta n dm a k e st h et e r m i n a lw o r kw e l li nd i f f e r e n tw o r k i n g e n v i r o n m e n t s t h e p r o j e c tu s e st h ea r m 7s e r i e se m b e d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n dr t m spc o s i ia st h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m an e t w o r ks t a c ki sw e l ld e s i g n e df o rd a t a t r a n s p o r t i n gb e t w e e nt h et e r m i n a la n dt h em o n i t o r i n gc e n t e rw i t ht h eh e l po fg p r s n e t w o r k ，t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t so f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n d e t a i l s t h ep r o d u c t d e s i g n e db yt h em e t h o di nt h i sp a p e rw o r k sw e l li ne x p e r i m e n t a t i o n k e yw o r d s ：i t s ；g p s ：g p r s ：c o s - i i ：p p p i i 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，我国经济的高速发展，导致城市规模迅速扩大，各种客流、物流增 多，私家车增多，使得城市公路交通变得越来越拥挤。道路堵塞、交通事故、环 境污染以及能源浪费等一系列问题显得越发的突出。此外，如何保障车主出行时 的人身和财产安全、实现智能导航等一些需求也越来越迫切。解决这些问题的一 个有效途径就是智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) ，其重要 性正被越来越多的人们所认可。 智能交通系统是目前世界上交通运输科学技术的前沿，发达国家都投入了大 量的资金和人员加紧研究，希望在未来的市场上占据有利的地位。国际上公认的 智能运输系统的服务领域有：先进的交通管理系统、出行信息服务系统、商用车 辆运营系统、电子收费系统、公共交通运营系统、应急管理系统、先进的车辆控 制系统等。智能运输系统是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信 息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面运输的实际需求，建立起全 方位、实时准确、高效的地面运输系统，实质上就是利用高新技术对传统的运输 系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它使交通 基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高效地使用交通设施 和能源，从而获得巨大的社会经济效益。主要表现在：提高交通的安全水平；减 少阻塞，增加交通的机动性：降低汽车运输对环境的影响；提高道路网的通行能 力以及提高汽车运输生产率和经济效益。【l 】 1 2 车载监控系统 车载监控系统把定位技术、地理信息技术( g i s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) 和现代通信技术结合在一起，可以将车载的位置信息( 经度、纬度、高 度) 及时问、速度等信息，实时地通过无线通信链路传送至监控中心，而后在具 有强大地理功能的电子地图上进行车载运动轨迹的显示，并提供对车载的位置、 中国科学技术大学硕士学位论文 速度、运动方向、车载状态等用户感兴趣的参数进行查询的功能，为进一步的调 度管理提供可视化依据。 车载监控系统是i t s 系统的重要组成部分。准确地知道车载当前所在的位置 是保障其它功能得以实现的基础。如果车载监控系统不能提供i t s 所要求的精 确、可靠的位置信息，不仅会使得i t s 的大部分功能不能实现，而且也会使降低 运行成本、减少旅行时间、降低环境污染、合理运用运输资源的优越性大大丧失。 因此，研制高精度、高可靠性的车载监控系统是使i t s 充分发挥各项功能的前提。 【2 】 1 2 1 国外研究现状 近十多年来，美国、以色列、日本等发达国家先后研究、开发了各种车辆监 控与调度系统。6 0 年代末期，美国公路局提出了一种电子路径引导系统 ( e l e c t r o n i cr o m eg u i d a n c es y s t e m s ，e r g s ) 。这是一种具有无线路径引导能力 的监控系统，用于控制和疏导交通。当车辆接近主要交叉路口时，目的地编码从 车载无线收发机通过埋在路面下的环形天线传到指向标上。这些天线通常设置在 离交叉路口较近的路面下，通过同轴电缆连接到路边的控制器上。这个控制器同 中央计算机连接以便得到有关的实时交通数据和信息。 与此同时，监控与导航系统的概念和相关的研究范围也开始扩展从单一的 车辆监控和导航发展到能够进行道路和车辆双向信息交换的智能车辆道路系统， 进而演变成集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化概念为一 体的智能交通系统。日本是当今车辆监控与导航系统和智能交通系统发展最为成 功的国家之一，它的研究计划始于1 9 7 1 年的综合车辆交通控制系统 ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l et r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ，c a t c s ) ，8 0 年代，日本生产 了除了配有彩色显示器并使用c d r o m 存放数字地图和无线通信技术的自主 式引导系统。此后随着g p s 、地图匹配、语音引导等新技术的应用，各式各样 的车载监控与导航系统产品不断被推向市场。到1 9 9 5 年，这类系统在日本的销 量己经超过了1 2 0 万台。【3 】 中国科学技术大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 我国g p s 车辆跟踪系统应用走过了极其起伏而缓陧的发展道路。经历了几起 几落的艰难历程。【4 】 1 9 9 4 - 9 5 年间是第一波，当时有成十上百家公司都来抢占g p s 车辆跟踪系统 市场，其中也不泛有几家具备经济实力的公司，但真正成功者不多。不少公司只 好退出这个行业。这一阶段是g p s 车辆跟踪系统市场的整顿、巩固、充实、提 高时期，车载终端利用集群网络进行数据通信。 1 9 9 8 年一2 0 0 0 年g p s 车辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头，此时的市场 逐步趋于成熟，我国的g p s 车辆跟踪系统的技术有了较大的提高与发展，作为 系统的瓶颈问题是通信网络，通过采用g s m 公众网的短信息服务找到了新的出 路。 自2 0 0 0 年以来，随着g p r s 移动通信技术的不断成熟以及中国移动g p r s 网络建设的不断完善，利用g p r s 网络进行数据传输成为车载监控终端的最新研 究设计方向。 随着嵌入式微处理器的不断更新换代，以及用户需求不断提高，车载监控终 端正朝着功能越来越完善、性能越来越稳定、设计越来越人性化的方向发展。 1 3 本论文的工作 本论文介绍了g p s 系统的运行原理以及现代移动通信技术，实现了一套基于 g p r s 的车载监控终端的硬件和软件的详细设计方案。 本人所做的工作如下： 1 ) 对车载监控终端的国内外研究现状进行了调研，分析了传统的车载监控 终端的数据传输方案，并讨论了传统方案的优点与不足。 2 ) 参与车载监控终端液晶显示模块的软硬件设计、实现和测试。 3 ) 参与系统p c b 板元件焊接和硬件测试工作，实现了系统硬件元件的驱动 程序的编写与测试，完成了系统模拟总线的软件实现部分。 4 ) 对系统进行软件总体架构设计和规划。 5 ) 实现了uc o s i i 在l p c 2 1 0 6 上的移植与裁减，参与了网络协议栈的设 中国科学技术大学硕士学位论文 计、实现和测试。 6 ) 实现了g p r s 技术与s m s 技术相结合的数据通信方案，使得系统能够根 据网络环境的变化采取相应的数据传输手段。 7 ) 实现了车辆定位、实时监控、车辆的状态数据采集、安全防范、用户交 互等功能。 8 ) 设计并实现了系统各单元测试和系统整体测试 1 4 本论文的组织 本论文共分六章，各章的主要内容安排如下： 第一章绪论。阐述了课题的研究背景，介绍了车载监控终端系统的国内外 研究现状。 第二章系统的理论基础。介绍了车载监控终端设计和实现所依赖的理论基 础( 包括g p s 系统，g p r s 移动通信系统，s m s 数据传输系统和嵌入式系统) 的知识。 第三章总体设计方案。对本文介绍的车载监控终端系统的硬件与软件的总 体设计方案做了介绍，并给出了系统要实现的需求、系统的数据传输方案、系统 的数据流程等。 第四章硬件设计。给出了系统的详细硬件设计方案，介绍了从硬件角度来 看系统的模块划分。 第五章软件设计。给出了系统的详细软件设计方案，介绍了从软件角度来 看系统的模块划分。介绍了操作系统的移植，设计并实现了一个能够运行在u c o s i i 上的网络协议栈。 第六章总结。对整篇论文做出了总结，并阐述了进一步研究的方向。 1 5 小结 本章主要介绍了课题的研究背景，指出了本课题在实际应用中的意义，并介 绍了车载监控终端系统在国内外的研究现状及本文的安排和本人所做的工作。 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章系统的理论基础 2 1 全球卫星定位系统( g p s ) 1 9 5 7 年1 0 月，前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此空间科 学技术的发展跨入了一个崭新的时代。随着太空人造地球卫星数目的不断增长和 测绘技术的不断成熟，利用卫星进行定位测量已成为现实。为了满足军事及民用 部门对连续实时三维导航的需求，1 9 7 3 年美国国防部开始研究建立新一代卫星 导航系统，即为目前的“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o ns a t e l l i t e t i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m n a v s t a r g p s ) ，通常称之为全球定 位系统( g p s ) 【5 】 g p s 全球卫星定位系统从提出到建成，经历了2 0 年，到1 9 9 4 年2 4 颗工作 卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。g p s 系统因其应用价值极高，所以得到 美国政府和军队的重视，不惜投资3 0 0 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登 月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。 美国政府在进行g p s 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务 s p a ，利用粗侧捕获码( c a 码) 定位，预计精度约为4 0 0 米，提供民间用户 使用。另一种为精密定位服务一p p s ，利用精密码( p 码) 定位，精度达到1 0 m ， 提供给军方和得到特许的用户使用。但在g p s 实验卫星应用阶段，多次实验表 明，实际定位精度远高于此值，利用c a 码定位精度可达到1 5 4 0 米，利用p 码定位精度可达3 米。为了维护美国自身利益，美国国防部在g p s 系统中加入 了s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 政策选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时 钟和卫星数据中，降低g p s 的定位精度，以防止未经许可的用户把g p s 用于军 事目的。采用s a 政策后的g p s 系统c a 码定位，水平定位精度为1 0 0 米，垂 直测量精度为1 5 7 米。s a 政策的引入，在一定程度上限制了g p s 的应用，为了 提高定位精度，人们研究和发展出差分g p s 技术一d g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 。但 是d g p s 系统需要建立相应的差分基准站和检测站，造价昂贵。随着g p s 应用 的不断发展，g p s 广大用户要求取消s a 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的 g p s 应用市场，美国政府最终于2 0 0 0 年5 月1 日取消了s a 政策，这必将促进 中国科学技术大学硕士学位论文 g p s 定位和导航的应用的进一步发展。 2 0 0 0 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司 ( c s c ) 、洛克西德马丁管理与数据系统( m & d s ) 和雷声公司开始研究开发新 一代的全球定位系统一g p s i i i 。g p s i i i 的结构将给予现有的卫星导航系统，并 将开发出具有创新结构的新的g p s 系统。【6 】 2 1 1g p s 系统的组成 g p s 系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备 部分。【7 】 空间星座部分 g p s 系统的空间星座部分由2 4 ( 3 颗备用卫星) 颗卫星组成，卫星分布在6 个仰角为5 5 度的轨道面上，每个轨道上分布有4 颗卫星，各轨道平面升交点的 赤经相差6 0 度。在相邻轨道上，卫星的升交距相差3 0 度，轨道平均高度约为 2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。g p s 卫星空间星座的分布使得在地球 上任何地点、任何时刻至少有4 颗卫星被同时观测。 g p s 空间星座部分如下图所示： 图1g p s 空间星座部分 地面监控部分 g p s 的地面监控部分，目前由分布在全球的5 个地面站组成，其中包括卫星 监测站、主控站和信息注入站。其中，监测站是在主控站直接控制下的数据自动 采集中心，主控站的主要作用有负责协调和管理地面监控系统、启用备用的卫星 以代替失效的卫星、提供时间基准等，注入站的主要任务是在主控站的控制下将 9 中国科学技术大学硕士学位论文 主控站推算和编制的数据和其他控制指令注入到相应卫星的存储系统并检测注 入星系的正确性。 用户设备部分 用户设备主要由g p s 接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设 备组成。根据g p s 用户的要求不同，g p s 接收机也有许多不同的类型，一般可 分为导航型、测量型和授时型。 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大 和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和 时间。 2 1 2g p s 定位原理 g p s 地面观测点定位的方法较多，有伪距定位法、多普勒定位法、载波相位 定位法、伪距测量加多普勒定位法、干涉定位法等。常用的是前三种。多普勒定 位法和载波相位定位法定位精度比伪距测量定位法高，同时其成本造价也要高出 许多。现在，商用g p s 接收机主要采用伪距测量定位法。由于p 码只供美国军 事部门和特许的部门使用，目前的导航型接收机无法使用，因此下面只讨论c a 码的伪距观测量，并对伪距定位原理进行详细说明。 伪距定位原理是基于到达时i n ( t o a ) 的测距原理。从已知位置上的发射机卫 星发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机 的距离。接收机从多个己知位置的发射机接收多个信号用于确定接收机的位置。 由于卫星和接收时间的时钟偏差，传播时延和其它误差，不可能测出实际距离， 而是伪距( 卫星时钟和接收机时钟的读时偏差是常数) 。为了确定接收机位置，接 收机需知道跟踪卫星的伪距和卫星的位置。 伪距测量是利用相关技术获取的。在相关接收中，卫星上发射的c a 码伪随 机信号是由卫星时钟控制的，用户接收机的c a 码伪随机信号是由本地时钟控 制的。出于经济上的考虑接收机采用价格便宜的晶体振荡器，这些时钟在接收机 和g p s 时钟问引入时间偏差( 时钟偏差) ，接收机的时间偏差对每颗卫星都是相同 中国科学技术大学硕士学位论文 的。在相关接收时将这两组伪随机信号码按位对齐，即完成跟踪和延时锁定。 这一时刻相对于初始时刻的时延量，即表征了地面点到卫星间距离的函数，称为 伪距观测量，以r 表示，简称伪距。 图2 地面点与卫星的几何关系 图2 设地面点p 到卫星s 的距离矢量为r p i ，地，t ：, i g ao 到卫星s 的距离矢量 为r ，地心原点o 到地面点p 的距离矢量为r 。如果卫星时钟和地面时钟完全 同步，这时伪距观测量代表了p 点到卫星的真实距离r ；= c ( t ，。一t s 。) 一c t 。 式中t ，。为地面接收机己同步的观测时刻，t s 。为卫星己同步的发射时刻，t 。为传 播途径中的附加时延，c 为光速。 但是，用于测量信号传播时间的接收机时钟与g p s 时间不同步，均存在 一定的时钟偏差，实际侧量的是伪距4 = c ( t l p r t ；。) 。式中，t k 为含有时钟差 的地面站接收时刻，t ；。为含有时钟差的卫星发射时刻。实际接收时，地面站接 收机要同步于g p sn c f n 3 。设时钟差为a t ，。和t 。即 t k2 t p r + a t f r t ：v2 t s v + a t s v 则 咭2 c ( t p r t s v ) + c ( a t p r a t s v ) 2 r ；+ c t a + c ( a t p r a t s v ) 公式2 - 1 当接收机对卫星信号跟踪锁定后，可以得到伪距观测量和导航电文导航电文 中，包括卫星星历参数卫星钟改正数和电离层修正参数等导航计算用的改正参数 中国科学技术大学硕士学位论文 由卫星星历参数可以计算出卫星信号发射时刻此卫星在地心坐标系中的坐标 x 。y s t z ；。对于卫星钟差可以利用钟改正数按下列公式修正： a t s v = a o + a l ( t t 。) + a i ( t - t 。) 2 t 2 t s v a t s v 式中t o c 为卫星钟基准时间，t 为观测时间。 设p 点的地心坐标为x 。，y p ，z 。，则p 点至卫星s ，的真实距离为 胖2 ( x r x p ) 2 + ( y 5 - l ) 2 + ( z 。一z 。) 2 将上式带入公式2 1 中，得： 砧= ( x 。一x p ) 2 + ( k y ；) 2 + ( z 。一z p ) 2 + c t a + c ( a t p r a t s v ) 公式2 2 式中，t 。为大气改正，可根据大气模型改正。上式只有4 个未知量x 。，y p ， z 。，t p r 一t 。，同时观测到4 颗卫星就可得到的4 个方程，从而解p 点的坐 标( x 。，y p ，z ，) ，实现定位。 2 1 3g p s 的特点和用途 g p s 的主要特点有：定位精度高、观测时间短、全天候作业、高效率、多功 能、操作简便、应用广泛等。 目前，g p s 系统的应用已将十分广泛，利用g p s 信号可以进行大地测量和 工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量。g p s 卫星定位技术已经用于建 立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立 陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘：用于监测 地球板块运动状态和地壳形变；g p s 卫星定位技术还已经用于测定航空航天摄影 瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致 地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。 g p s 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天 地，g p s 将改变我们的生活方式。它将像移动电话、传真机、计算机互联网对我 中国科学技术大学硕士学位论文 们生活的影响一样，人f 1 日常生活将离不开它。 2 1 4g p s 系统与车载监控系统 在车辆导航方面，g p s 技术显示出强大的生命力和广阔的应用前景，已成为 当今国际社会一个新的技术产业和经济增长点。以2 0 0 0 年为例，车辆监控和导 航产品的产值为2 9 亿美元，约占g p s 产品总值的3 5 左右，由此可见，这将是 一个极具潜力的市场。 车辆跟踪和导航的研究工作开始于本世纪7 0 年代，近年来，许多汽车生产 公司为了提高本公司产品在市场的竞争能力，投资研究和开发车辆导航设备，极 大推进了g p s 在车辆导航领域的应用和发展。在日本，本田、东芝、索尼等很 多大公司于导航系统供应商协作，在轿车导航系统方面的研究处于世界领先地 位。另外，许多大公司，如奔驰日本公司、丰田、本田等，都在积极开发自己的 导航信息系统，拓展导航信息服务市场。在美国，有多个公司已研制或正在研制 轿车导航系统。在欧洲，1 9 9 5 年，法国巴黎的公共汽车率先使用车辆调度和导 航系统。【3 5 】 同许多发达国家相比，我国在g p s 应用领域的研究和发展还处于起步阶段。 同大陆相比，台湾省在g p s 车载系统方面的研究起步较早，g p s 技术的应用较 广泛。近年来，我国不少城市引进国外先进设备，装备在公安、军队、金融、消 防等部门，发挥了一定的效益。另外，考虑到卫星定位导航系统在军事和国家安 全等方面的战略地位，我国正在研发自己的卫星定位系统北斗导航系统。 国内g p s 应用最大的利好来自2 0 0 8 年的北京奥运会。奥运智能交通信息综 合服务系统对电子地图的迫切需求，也将带动系统技术、中心软件、终端产品、 信息服务、增值服务等产业链中各环节的发展。北京市计划在2 0 0 8 年之前给全 市的公共汽车安装g p s 监控系统。全市的公共汽车约有7 0 0 多条线路，车辆数 万台，预计g p s 系统的装置费用约1 9 2 亿元人民币。北京市的出租车也将于2 0 0 8 年之前完成g p s 监控系统的安装，以便通过出租车监控中心监控每一辆出租车 的位置，保障乘客和司机的生命财产安全，这部分预算约为人民币6 8 亿元。据 悉，全国物流业的运输车辆将会陆续安装g p s 导航及安全系统，近两年之内将 有1 0 0 ，0 0 0 辆，- - n 四年内将有1 0 0 万辆运输车安装g p s 安全监控系统。这一 中国科学技术大学硕士学位论文 项预算费用约在1 9 1 8 亿元人民币左右。业内人士普遍认为中国的g p s 应用市场 已经到了呼之欲出的关键阶段。【8 】 2 2 短消息业务( s m s ) s m s ( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ) 短消息业务，是属于第一代的无线数据服务。通过它 移动电话之间可以互相收发短信，内容以文本、数字或二进制非文本数据为主。 2 2 1 短消息业务的分类 根据服务对象的不同，短消息业务可分为两大类，一类是服务于个体对象 的点到点短消息业务；另一类是服务于某一群体对象的小区广播短消息业务。点 到点短消息业务即通过m o ( 起始于移动台的短消息) 和m t ( 终止于移动台的短消 息) 将一条短消息从一个实体发送到另一个实体的业务。最大长度为1 4 0 个八位 组，可以承载1 6 0 个英文字符或7 0 个汉字。点对点短消息的发送或接收即可在 m s 处于呼叫状态( 话音或数据) 时进行，也可在空闲状态下进行。 小区广播短消息业务即通过基站( b s c ) n 指定区域中所有短消息用户发送短 消息的业务。如道路交通信息、天气预报等。移动台连续不断地监视广播消息， 并在移动台上向客户显示广播短消息。此种短消息也是在控制信道上发送，移 动台只有在空闲状态时才可接收，其最大长度为8 2 个八位组( 7 比特编码，9 2 个字符) 。 2 2 2 短消息业务的数据接口及控制协议 在g s m 系统中，短消息的收发是通过数据终端设备( d t e ) 数据电路端接 设备( d c e ) 之间的终端接口来实现的，该接口是一个符合c c i t v 2 2 4 ( 与e i a r s 2 3 2 c 兼容) 异步串行接口，g s m 规范对通过该接口进行短消息传输定义了 三种控制协议，即二进制协议( 通常称为块模式) 、基于字符的使用a t 命令接 口协议( 3 c 本模式) 和基于字符的使用十六进制编码的二进制传输消息块接1 2 1 协 议( p d u 模式) 。 在上面介绍的三种模式中，对短消息的各种处理始终处于移动终端的控制之 下，块模式是一种依赖于自身功能的自我包含模式。一旦进入块模式，该模式将 中国科学技术大学硕士掌位论文 一直保持到执行退出命令为止。退出块模式后，控制将回到v 2 3 t e r 命令行状态 或在线命令行状态。文本模式和p d u 模式本身并不处于v 2 3 t e r 状态，而是分别 处于各自暂态。这两种暂态是由一些命令构成的简单命令集，它们运行在v 2 3 t e r 命令行状态或在线命令行状态。每当执行文本模式和p d u 模式命令时自动进入 各自暂态，执行完后自动回到v 2 3 t e r 命令行状态或在线命令行状态。在v 2 3 t e r 状态，移动台可以处理各种有关数据和传真的入局和出局呼叫，这三种模式与 v 2 3 t e r 状态的关系如下图所示 图3 短消息的3 种模式和v 2 3 t e r 的关系 块模式( b l o c km o d e ) 是一种使用二进制编码来传输用户数据的接口协议， 为了提高可靠性它还带有差错保护，因而适合于链接不完全可靠地区，尤其是 那些要求控制远程设备情况。 文本模式( t e x tm o d e ) 是一种使用a t 命令传输文本数据的接口协议，该 模式适合于非智能终端，终端仿真器和一些基于v 2 5 t e r 自动呼n q 自动应答的 应用软件。 p d u 模式( p r o t o c o ld a t au n i tm o d e ) 是一种使用a t 命令传送十六进制编码 的二进制用户数据的接口协议，这种传送方式类似于计算机网络中的分组交换， 每一条短消息的全部用户数据作为一个数据块加上目的地址和控制信息一次性 发送出去，有些a t 命令结构无需理解消息块的内容，仅在移动终端和终端设备 的上层驻留程序之间传输数据块。 为了利用s m s 技术进行数据通信，需要利用g s m 0 7 0 5 定义的a t 指令集控 制相应的g s m 模块实现短信息的收发。在实现中，为了传送中文短信息或中英 文混合的短信息，需要采用p d u 模式进行数据传送。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 3s m s 与车载监控系统 如前所述第二代车载监控终端的数据通信方案大多采用s m s 方式。其通信 方案如下所述：【3 8 】 1 车载监控终端对g p s 设备实时采集的汽车的位置信息进行收集和运算 处理。 2 车载监控终端将处理后的信息定时以短信发送给运管监控中心相应的 s p 或者指定手机号码。 3 运管监控中心通过s p 或指定手机号码接收相应的车载信息。 4 运管监控中心可以通过s p 或指定手机号码直接发送短信控制车载监控 终端执行必要的操作，如强制熄火等。 采用s m s 技术进行数据传输的车载终端的运行原理如下图所示： 餐澄 卫星卫星 # 修桫信 ；= 孤 、天，_ ”a 6 一 配有车载终端的车辆 息服舯。孙 国： 图4 采用s m s 技术的车载监控终端运行原理图 使用s m s 方式进行数据通信具有便捷、不影响语音通信等优点，但是由于 其自身的限制也使得采用该方案具有如下一些不足从而限制了其应用。 1 实时性差：因为短信采用信道命令时隙来传送，没有专门的数据通道， 所以在命令时隙出现繁忙时候就容易出现数据传送延迟或丢失的情况。 2 信道容量有限：一条短信最多能传送1 4 0 个有效字节，不能全面及时地 反映车辆的实时信息。 3 通信费用昂贵：基本按照收发的总条数来计算。 4 可扩展性差：以s m s 为主要通信链路，受链路带宽的影响，无法进一步 扩展将来的其它数据传输业务。如车辆运行中的图像监控等。 馨 中国科学技术大学硕士学位论文 2 3g p r s 移动通信系统 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 称为通用分组无线业务，是g s m 的重要 发展。通过包交换和传输速率的提高，使移动通信平滑过渡到第三代。 9 1 2 3 1g p r s 网络总体结构 g r p s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的。在现有的g s m 网络中需要增 加一些节点，如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg s n ，服务g p r s 支持节点) 。其体系结构如下图所示。 j 多 i 1 ， 口_ 。 图5g p r s 网络体系结构图 图中，g p r s 蜂窝电话与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同， g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中 心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信； g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。 来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而 传送到移动台上。 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的同一层。 s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与移动台之间的接口。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移 动分组数据的发送和接收。 g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和 外部分组交换n ( ! z n 因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用，也有将 g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协 议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实 中国科学技术大学硕士学位论文 现二者之间的数据传输。 下图给出了g p r s 网络结构的接入与参考点的简图。 图6g p r s 网络总体结构及接入接口和参考点 2 3 2g p r s 网络的逻辑体系结构 从逻辑上来说，g p r s 通过在g s m 网络结构中增添s g s n 和g g s n 两个新 的网络节点来实现。由于增加了这两个网络节点，需要命名新的接口。g p r s 网 络的逻辑结构如下图所示。 图7g p r s 的逻辑体系结构 下表显示了上图中的接口及参考点 接口或参考点说明 r 非i s d n 终端与移动终端之间的参考点 g b s g s n 与b s s 之间的接口 g c g g s n 与h l r 之间的接口 g d s m s g m s c 之间的接口，s m s i w m s c 与s g s n 之间的接口 g i g p r s 与外部分组数据之间的参考点 g n 同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口 中国科学技术大学硕士学位论文 g p 不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口 g r s g s n 与h l r 之间的接口 g s s g s n 与m s c v l r 之间的接口 g f s g s n 与e i r 之间的接口 u mm s 与g p r s 固定网部分之间的无线接口 表格1g p r s 逻辑体系图中的接口和参考点 除了这些接1 3 和参考点之外，g p r s 还新增加了分组控制单元( p c u ，p a c k e t c o n t r o lu n i t ) $ 1 ：lg b 接口单元；( g b i u ，g bi n t e r f a c eu n i t ) 。其中p c u 使b s s 提供数 据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无线资源。g b i u 提供从b s s 到 s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理实体中。 2 3 3g p r s 网络的主要实体 g p r s 网络主要实体包括g p r s 支持节点、g p r s 骨干网、本地位置寄存器 h l r 、短消息业务网关移动交换中一i 二, ( s m s g m s c ) $ 1 短消息业务互通移动交换中 一t , ( s m s i w m s c ) 、移动台、移动交换中，i 二, ( m s c ) 拜访位置寄存器( v l r ) 、分组 数据网络( p d n ) 等。 g p r s 支持节点( g s n ) g p r s 的支持节点g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点，包含了支持g p r s 所需的功能。g s n 具有移动路由管理功能，可以连接各种类型的数据网络，并 可以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送 和格式转换。g s n 有两种类型：s g s n 和g g s n 。 s g s n 是为移动终端( m s ) 提供业务的节点( 即g b 接1 3 由s g s n 支持) ，其主 要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和s g s n 之间完成移动分组 数据的发送和接收。 g g s n 通过配置一个p d p 地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的 g p r s 业务用户的路由信息，并根据该信息将p d u 利用隧道技术发送到s g s n 。 g g s n 主要是起网关作用可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。 另外，g g s n 也又被称作g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组 数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 1 9 中国科学技术大学硕士学位论文 网络。 g p r s 骨干网 g p r s 中有内部p l m n 骨干网和外部p l m n 骨干网两种。内部门p l m n 骨 干网是指位于同一个p l m n 上的并与多个g s n 互联的i p 网。外部p l m n 骨干 网是指位于不同的p l m n 上的并与g s n 和内部p l m n 骨干网互联的i p 网。 本地位置寄存器( h l r ) ：在h l r 中有g p r s 用户数据和路由信息。从s g s n 经 g n 接口或g g s n 经g c 接口均都可访问h l r 。 s m s - g m s c 和s m s iw m s c ：s m s g m s c ( 消息业务网关移动交换中心) 和 s m s i w m s c ( 短消息业务互通移动交换中心) 经g d 接口连接到s g s n 上，这 样就能让g p r sm s 通过g p r s 无线信道收发短消息( s m ) 。 g p r s 移动台：g p r sm s 能以三个运行模式中的一个进行操作，其操作模式的选 定由m s 所申请的服务所决定：即仅有g p r s 服务，同时具有g p r s 和其他g s m 服务，或依据m s 的实际性能同时运行g p r s 和其他g s m 服务。 移动交换中心( m s c ) 和拜访位置寄存器( v l r ) ：在需要g p r s 网络与其他g s m 业 务进行配合时选用g s 接口，如利用g p r s 网络实现电路交换业务的寻呼，g p r s 网络与g s m 网络联合进行位置更新，以及g p r s 网络的s g s n 节点接收 m s c v l r 发来的寻呼请求等。同时m s c v l r 存储m s ( 此m s 同时接入g p r s 业务和g s m 电路业务) 的i m s i 以及m s 相连接的s g s n 号码。 分组数据网络( p d n ) ：p d n 提供分组数据业务的外部网络。移动终端通过g p r s 接入不同的p d n 时，采用不同的分组数据协议地址。 2 3 4g p r s 的主要特点 与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力。利 用g p r s 进行数据传输具有如下特点。【1 0 】 接入范围广：g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的 电信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署； 高速传输：传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，是当前 g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代c p r s 业务的速度甚至可 以达到3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求； 2 0 中国科学技术大学硕士学位论文 永远在线：提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与 网络保持联系，即使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务 变得非常简单、快速； 按流量计费：用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式 是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上 也不收费的： 切换自如：用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语 音业务的切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 g p r s 的核心网络层采用lp 技术，底层款可使用多种传输技术，很方便地实 现与高速发展的i p 网无缝连接。 2 3 5g p r s 系统提供的业务 g p r s 网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，g p r s 能提供承载业 务、用户终端业务、补充业务以及其他业务。【1 l 】 承载业务 g p r s 提供的承载业务又叫g p r s 网络业务。g p r s 支持两种类型的承载业 务：点对点( p t p ) 业务和点对多点( p t m ) 业务。点对点业务是在两个用户之 间提供一个或多个分组传送的业务；点对多点的业务是将单一消息传送给多个用 户的一类业务。 用户终端业务 用户终端业务可以分为基于p t p 的用户终端业务和基于p t m 的用户终端 业务。基于p t p 的用户终端业务包括信息点播类业务、