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集群通信技術在GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
摘要：介紹了GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的方式，基于集群系統(tǒng)的介紹，著重闡明了集群通信技術在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，包括系統(tǒng)組成、信道利用方式、呼叫方式、同步方式、數(shù)據(jù)傳輸格式等內容。關鍵詞：GPS，集群通信，車輛監(jiān)控系統(tǒng)
1. 概述
GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)是利用GPS接收機、無線通信、信息技術對移動用戶進行監(jiān)控、調度、指揮的新型車輛系統(tǒng)。按照子功能劃分，車輛監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成：定位部分、通信部分、顯示部分。其中，比較常用的通信方式為常規(guī)通信、集群通信、GSM的短信息業(yè)務三種。
基于常規(guī)通信的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，其設計、組網(wǎng)及使用相對簡單，但其作用范圍較小；GSM的短信息業(yè)務用于定位數(shù)據(jù)傳輸目前較為流行，其覆蓋范圍大，可以全國漫游，但是其時延問題是制約其發(fā)展的瓶頸，且其呼叫功能無法與集群系統(tǒng)相比；集群系統(tǒng)是專用的調度指揮系統(tǒng)，對某些特殊單位而言具有不可比擬的優(yōu)勢。本文就集群方式下GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設計及信道利用等方面進行介紹。
2． 集群系統(tǒng)
無線集群實際上就是多信道中繼（轉發(fā)）系統(tǒng)中自動共享若干個信道，并在此基礎上集小群（組）為大群（組），加上諸多呼叫、故障處理等功能而形成的無線通信系統(tǒng)。
和常規(guī)通信方式相比，集群通信系統(tǒng)具有信道利用率高、服務質量好、通話阻塞率低、通話具有私密性、系統(tǒng)智能化程度高、具有交換功能、可與PABX或PSTN互連等優(yōu)點。
集群通信系統(tǒng)的分類方法有多種，按照信令類型分有模擬信令、數(shù)字信令及混合信令系統(tǒng)；按照信令方式分有共路信令方式和隨路信令方式；按照話音分有數(shù)字集群、模擬集群；按控制方式分有集中控制、分散控制等等。目前較為廣泛使用的為集中控制方式的模擬集群系統(tǒng)，信令有MPT1327標準的，也有非公開標準的�；贛PT1327標準信令的系統(tǒng)，傳輸車輛定位數(shù)據(jù)可以在信令信道中進行；而非公開信令標準，車輛定位數(shù)據(jù)只能在話音信道中進行。相應地，對車輛的數(shù)字信息必須進行調制才能在話音信道中傳輸。
3．基于集群通信方式的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)
3．1 系統(tǒng)組成
基于集群的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。其中，集群網(wǎng)為系統(tǒng)提供無線通信鏈路以進行話音和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸可以利用話音的多種呼叫方法實現(xiàn)。
圖1 GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)組成
監(jiān)控中心以矢量化地圖為背景，監(jiān)控軟件具有實時顯示移動用戶的所有信息以及信息查詢功能。同時，監(jiān)控中心兼有差分基準站的功能，為整個監(jiān)控范圍內的移動用戶提供差分GPS修正信息，使車輛定位精度提高到10米以內。各移動用戶設備由集群電臺和GPS接收機及控制電路組成，控制電路不僅形成系統(tǒng)需要的邏輯時序，還具有數(shù)據(jù)處理功能，包括調制解調器。
3．2 信道利用方式
在集中控制方式的集群系統(tǒng)中，各個信道的管理在一個控制信道上實現(xiàn)。移動用戶守候在控制信道上，發(fā)起呼叫或接收呼叫均在該信道上進行。一旦到信道，則主呼方和被呼方在申請到的信道上完成話音聯(lián)絡，之后轉換到控制信道上守候。
利用話音信道傳輸車輛定位數(shù)據(jù)，每傳輸一次定位信息，電臺都需要申請一次信道，而申請時間不傳輸任何數(shù)據(jù)，時間利用率較低；且申請不到空閑信道時，該車輛的信息就會丟失。所以傳輸數(shù)據(jù)的用戶應該設置優(yōu)先級，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
3．3 呼叫方式
在集群通信系統(tǒng)中，用戶的呼叫方式有：單呼、組呼、群呼、私密呼叫等�；贕PS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)定位精度采用差分方式，差分信息由監(jiān)控中心以組呼的方式下發(fā)，分配在同一組內的用戶均可接收。
為使各移動用戶的數(shù)據(jù)都能夠實時采集，采用時分多址（TDMA）的方法，即各車輛按照圖2所示的時序依次發(fā)起呼叫。其中兩相鄰用戶之間的時間間隔包括數(shù)據(jù)發(fā)送時間和保護時間（防止數(shù)據(jù)相互影響）。一個采樣周期內可容納的用戶數(shù)為，其中，為采樣周期。
為了避免監(jiān)控中心對某用戶的話音調度影響其它用戶的數(shù)據(jù)傳輸，話音呼叫和數(shù)據(jù)呼叫分別在不同的組進行。移動用戶傳輸數(shù)據(jù)時工作在數(shù)據(jù)組，利用專用信道完成。當監(jiān)控中心需要對某用戶進行話音呼叫時，首先發(fā)送一個切換命令將該用戶的組號設置為話音組，而后再進行話音呼叫。在規(guī)定的時限內完成通話，由用戶自動切換到數(shù)據(jù)組再傳輸數(shù)據(jù)。
在監(jiān)控中心，話音呼叫和數(shù)據(jù)呼叫分別利用不同的無線集群電臺完成。
3．4 同步方式
在GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用異步的數(shù)據(jù)傳輸，接收端和發(fā)送端不需要同步。但是，各移動用戶的數(shù)據(jù)采集為時分多址方式，相互之間的時序關系不能混疊，也就是說，移動用戶之間必須同步。
各移動用戶的同步方式有兩種：①利用GPS接收機的秒脈沖進行同步；②利用監(jiān)控中心發(fā)送廣播同步碼進行同步。秒脈沖和同步碼均提供給各移動用戶統(tǒng)一的時間起點，不同車輛的發(fā)送時隙由不同的延遲來產(chǎn)生。利用監(jiān)控中心發(fā)送同步碼，可以在一個采樣周期內發(fā)送1個同步碼，也可以周期性地發(fā)送多個同步碼。
3．5 數(shù)據(jù)傳輸格式
監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸分上行和下行兩部分。上行數(shù)據(jù)主要為被監(jiān)控車輛的實時位置、速度、時間、狀態(tài)（包括報警、故障等）；下行數(shù)據(jù)主要為GPS差分修正信息，采用RTCM－104格式的通用電文，如果是監(jiān)控中心同步的方式，還包括廣播同步碼。
A．上行數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)報頭 用戶地址 緯度 經(jīng)度 速度 時間 車輛狀態(tài)
B．下行數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)報頭 廣播同步碼 RTCM電文 調度命令 用戶地址
上行和下行的數(shù)據(jù)報頭不同，用于對上、下行數(shù)據(jù)的解碼。用戶地址指是各監(jiān)控車輛的識別號碼，調度命令為監(jiān)控中心對相應地址車輛的操作，如緊急救援、去某地、關閉汽車引擎等，廣播同步碼在利用秒脈沖同步的系統(tǒng)中不用。車輛狀態(tài)由駕駛員根據(jù)實際情況輸入，如遇劫報警、車輛故障等。
4．結束語
利用專用信令格式的模擬集群實現(xiàn)GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，在目前只能利用話音信道進行。由于話音信道的帶寬較窄，且集群系統(tǒng)中可能會伴隨有亞音頻信令，所以，在選擇調制解調器時應該特別注意其波特率、調制方式和數(shù)據(jù)帶寬等指標。一般地，調制方式為FSK、波特率為1200、2400bps，數(shù)據(jù)帶寬限制在3KHz以內的調制解調器都可以選用。
集群通信技術在GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的應用包括其系統(tǒng)組成、集群信道利用方式、呼叫方式、同步方式、數(shù)據(jù)傳輸格式等。但是，基于專用信令的集群系統(tǒng)，其信道申請、維持、釋放等過程及其占用的時間無法確切知道，僅通過試驗的手段獲取粗略的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的擴容是一個較大的障礙。隨著數(shù)字化時代的來臨，數(shù)字集群系統(tǒng)也應運而生，基于數(shù)字集群系統(tǒng)的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)也將問世。由于數(shù)字集群的信道利用率高，系統(tǒng)擴容就相對簡單一些。
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