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集群通信技術在GPS車輛監控系統中的應用
摘要：介紹了GPS車輛監控系統的方式，基于集群系統的介紹，著重闡明了集群通信技術在車輛監控系統中的應用，包括系統組成、信道利用方式、呼叫方式、同步方式、數據傳輸格式等內容。關鍵詞：GPS，集群通信，車輛監控系統
1. 概述
GPS車輛監控系統是利用GPS接收機、無線通信、信息技術對移動用戶進行監控、調度、指揮的新型車輛系統。按照子功能劃分，車輛監控系統由三部分組成：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通信、集群通信、GSM的短信息業務三種。
基于常規通信的車輛監控系統，其設計、組網及使用相對簡單，但其作用范圍較小；GSM的短信息業務用于定位數據傳輸目前較為流行，其覆蓋范圍大，可以全國漫游，但是其時延問題是制約其發展的瓶頸，且其呼叫功能無法與集群系統相比；集群系統是專用的調度指揮系統，對某些特殊單位而言具有不可比擬的優勢。本文就集群方式下GPS車輛監控系統的設計及信道利用等方面進行介紹。
2． 集群系統
無線集群實際上就是多信道中繼（轉發）系統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。
和常規通信方式相比，集群通信系統具有信道利用率高、服務質量好、通話阻塞率低、通話具有私密性、系統智能化程度高、具有交換功能、可與PABX或PSTN互連等優點。
集群通信系統的分類方法有多種，按照信令類型分有模擬信令、數字信令及混合信令系統；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，信令有MPT1327標準的，也有非公開標準的�；贛PT1327標準信令的系統，傳輸車輛定位數據可以在信令信道中進行；而非公開信令標準，車輛定位數據只能在話音信道中進行。相應地，對車輛的數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車輛監控系統
3．1 系統組成
基于集群的GPS車輛監控系統如圖1所示。其中，集群網為系統提供無線通信鏈路以進行話音和數據傳輸，數據傳輸可以利用話音的多種呼叫方法實現。
圖1 GPS車輛監控系統組成
監控中心以矢量化地圖為背景，監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，監控中心兼有差分基準站的功能，為整個監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需要的邏輯時序，還具有數據處理功能，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中，各個信道的管理在一個控制信道上實現。移動用戶守候在控制信道上，發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據，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據，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。所以傳輸數據的用戶應該設置優先級，以保證數據的可靠傳輸。
3．3 呼叫方式
在集群通信系統中，用戶的呼叫方式有：單呼、組呼、群呼、私密呼叫等�；贕PS的車輛監控系統，為提高系統定位精度采用差分方式，差分信息由監控中心以組呼的方式下發，分配在同一組內的用戶均可接收。
為使各移動用戶的數據都能夠實時采集，采用時分多址（TDMA）的方法，即各車輛按照圖2所示的時序依次發起呼叫。其中兩相鄰用戶之間的時間間隔包括數據發送時間和保護時間（防止數據相互影響）。一個采樣周期內可容納的用戶數為，其中，為采樣周期。
為了避免監控中心對某用戶的話音調度影響其它用戶的數據傳輸，話音呼叫和數據呼叫分別在不同的組進行。移動用戶傳輸數據時工作在數據組，利用專用信道完成。當監控中心需要對某用戶進行話音呼叫時，首先發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。在規定的時限內完成通話，由用戶自動切換到數據組再傳輸數據。
在監控中心，話音呼叫和數據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車輛監控系統中，通常采用異步的數據傳輸，接收端和發送端不需要同步。但是，各移動用戶的數據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利用監控中心發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一的時間起點，不同車輛的發送時隙由不同的延遲來產生。利用監控中心發送同步碼，可以在一個采樣周期內發送1個同步碼，也可以周期性地發送多個同步碼。
3．5 數據傳輸格式
監控系統中的數據傳輸分上行和下行兩部分。上行數據主要為被監控車輛的實時位置、速度、時間、狀態（包括報警、故障等）；下行數據主要為GPS差分修正信息，采用RTCM－104格式的通用電文，如果是監控中心同步的方式，還包括廣播同步碼。
A．上行數據格式
數據報頭 用戶地址 緯度 經度 速度 時間 車輛狀態
B．下行數據格式
數據報頭 廣播同步碼 RTCM電文 調度命令 用戶地址
上行和下行的數據報頭不同，用于對上、下行數據的解碼。用戶地址指是各監控車輛的識別號碼，調度命令為監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中不用。車輛狀態由駕駛員根據實際情況輸入，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GPS車輛監控系統的數據傳輸，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、調制方式和數據帶寬等指標。一般地，調制方式為FSK、波特率為1200、2400bps，數據帶寬限制在3KHz以內的調制解調器都可以選用。
集群通信技術在GPS車輛監控系統中的應用包括其系統組成、集群信道利用方式、呼叫方式、同步方式、數據傳輸格式等。但是，基于專用信令的集群系統，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據，對系統的擴容是一個較大的障礙。隨著數字化時代的來臨，數字集群系統也應運而生，基于數字集群系統的GPS車輛監控系統也將問世。由于數字集群的信道利用率高，系統擴容就相對簡單一些。
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