集群通信技术在GPS车辆监控系统中的应用
摘要：介绍了GPS车辆监控系统的方式，基于集群系统的介绍，着重阐明了集群通信技术在车辆监控系统中的应用，包括系统组成、信道利用方式、呼叫方式、同步方式、数据传输格式等内容。关键词：GPS，集群通信，车辆监控系统
1. 概述
GPS车辆监控系统是利用GPS接收机、无线通信、信息技术对移动用户进行监控、调度、指挥的新型车辆系统。按照子功能划分，车辆监控系统由三部分组成：定位部分、通信部分、显示部分。其中，比较常用的通信方式为常规通信、集群通信、GSM的短信息业务三种。
基于常规通信的车辆监控系统，其设计、组网及使用相对简单，但其作用范围较小；GSM的短信息业务用于定位数据传输目前较为流行，其覆盖范围大，可以全国漫游，但是其时延问题是制约其发展的瓶颈，且其呼叫功能无法与集群系统相比；集群系统是专用的调度指挥系统，对某些特殊单位而言具有不可比拟的优势。本文就集群方式下GPS车辆监控系统的设计及信道利用等方面进行介绍。
2． 集群系统
无线集群实际上就是多信道中继（转发）系统中自动共享若干个信道，并在此基础上集小群（组）为大群（组），加上诸多呼叫、故障处理等功能而形成的无线通信系统。
和常规通信方式相比，集群通信系统具有信道利用率高、服务质量好、通话阻塞率低、通话具有私密性、系统智能化程度高、具有交换功能、可与PABX或PSTN互连等优点。
集群通信系统的分类方法有多种，按照信令类型分有模拟信令、数字信令及混合信令系统；按照信令方式分有共路信令方式和随路信令方式；按照话音分有数字集群、模拟集群；按控制方式分有集中控制、分散控制等等。目前较为广泛使用的为集中控制方式的模拟集群系统，信令有MPT1327标准的，也有非公开标准的。基于MPT1327标准信令的系统，传输车辆定位数据可以在信令信道中进行；而非公开信令标准，车辆定位数据只能在话音信道中进行。相应地，对车辆的数字信息必须进行调制才能在话音信道中传输。
3．基于集群通信方式的GPS车辆监控系统
3．1 系统组成
基于集群的GPS车辆监控系统如图1所示。其中，集群网为系统提供无线通信链路以进行话音和数据传输，数据传输可以利用话音的多种呼叫方法实现。
图1 GPS车辆监控系统组成
监控中心以矢量化地图为背景，监控软件具有实时显示移动用户的所有信息以及信息查询功能。同时，监控中心兼有差分基准站的功能，为整个监控范围内的移动用户提供差分GPS修正信息，使车辆定位精度提高到10米以内。各移动用户设备由集群电台和GPS接收机及控制电路组成，控制电路不仅形成系统需要的逻辑时序，还具有数据处理功能，包括调制解调器。
3．2 信道利用方式
在集中控制方式的集群系统中，各个信道的管理在一个控制信道上实现。移动用户守候在控制信道上，发起呼叫或接收呼叫均在该信道上进行。一旦到信道，则主呼方和被呼方在申请到的信道上完成话音联络，之后转换到控制信道上守候。
利用话音信道传输车辆定位数据，每传输一次定位信息，电台都需要申请一次信道，而申请时间不传输任何数据，时间利用率较低；且申请不到空闲信道时，该车辆的信息就会丢失。所以传输数据的用户应该设置优先级，以保证数据的可靠传输。
3．3 呼叫方式
在集群通信系统中，用户的呼叫方式有：单呼、组呼、群呼、私密呼叫等。基于GPS的车辆监控系统，为提高系统定位精度采用差分方式，差分信息由监控中心以组呼的方式下发，分配在同一组内的用户均可接收。
为使各移动用户的数据都能够实时采集，采用时分多址（TDMA）的方法，即各车辆按照图2所示的时序依次发起呼叫。其中两相邻用户之间的时间间隔包括数据发送时间和保护时间（防止数据相互影响）。一个采样周期内可容纳的用户数为，其中，为采样周期。
为了避免监控中心对某用户的`话音调度影响其它用户的数据传输，话音呼叫和数据呼叫分别在不同的组进行。移动用户传输数据时工作在数据组，利用专用信道完成。当监控中心需要对某用户进行话音呼叫时，首先发送一个切换命令将该用户的组号设置为话音组，而后再进行话音呼叫。在规定的时限内完成通话，由用户自动切换到数据组再传输数据。
在监控中心，话音呼叫和数据呼叫分别利用不同的无线集群电台完成。
3．4 同步方式
在GPS车辆监控系统中，通常采用异步的数据传输，接收端和发送端不需要同步。但是，各移动用户的数据采集为时分多址方式，相互之间的时序关系不能混叠，也就是说，移动用户之间必须同步。
各移动用户的同步方式有两种：①利用GPS接收机的秒脉冲进行同步；②利用监控中心发送广播同步码进行同步。秒脉冲和同步码均提供给各移动用户统一的时间起点，不同车辆的发送时隙由不同的延迟来产生。利用监控中心发送同步码，可以在一个采样周期内发送1个同步码，也可以周期性地发送多个同步码。
3．5 数据传输格式
监控系统中的数据传输分上行和下行两部分。上行数据主要为被监控车辆的实时位置、速度、时间、状态（包括报警、故障等）；下行数据主要为GPS差分修正信息，采用RTCM－104格式的通用电文，如果是监控中心同步的方式，还包括广播同步码。
A．上行数据格式
数据报头 用户地址 纬度 经度 速度 时间 车辆状态
B．下行数据格式
数据报头 广播同步码 RTCM电文 调度命令 用户地址
上行和下行的数据报头不同，用于对上、下行数据的解码。用户地址指是各监控车辆的识别号码，调度命令为监控中心对相应地址车辆的操作，如紧急救援、去某地、关闭汽车引擎等，广播同步码在利用秒脉冲同步的系统中不用。车辆状态由驾驶员根据实际情况输入，如遇劫报警、车辆故障等。
4．结束语
利用专用信令格式的模拟集群实现GPS车辆监控系统的数据传输，在目前只能利用话音信道进行。由于话音信道的带宽较窄，且集群系统中可能会伴随有亚音频信令，所以，在选择调制解调器时应该特别注意其波特率、调制方式和数据带宽等指标。一般地，调制方式为FSK、波特率为1200、2400bps，数据带宽限制在3KHz以内的调制解调器都可以选用。
集群通信技术在GPS车辆监控系统中的应用包括其系统组成、集群信道利用方式、呼叫方式、同步方式、数据传输格式等。但是，基于专用信令的集群系统，其信道申请、维持、释放等过程及其占用的时间无法确切知道，仅通过试验的手段获取粗略的数据，对系统的扩容是一个较大的障碍。随着数字化时代的来临，数字集群系统也应运而生，基于数字集群系统的GPS车辆监控系统也将问世。由于数字集群的信道利用率高，系统扩容就相对简单一些。
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