Communication 版 (精华区)

发信人: dormouse (出征 V 号带飘扬), 信区: Communication
标  题: GPS车辆监控系统移动通信协议
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月24日09:34:07 星期天), 站内信件

GPS车辆监控系统移动通信协议

The Mobile Communication Protocol of The GPS Vehicle Monitor System

胡春雨 朱明 王蔚然 李寅

Hu Chunyu Zhu Min Wang Weiran Li Yin

摘要：介绍了GPS车辆监控系统的功能与用途，着重从通信角度描述了系统的构成
。详述了在系统移动通信中采用的一套协议。这套协议保证了系统的实时性与安全
可靠性。

关键词：GPS系统 大区制专用移动通信网 OSI开放模型 时分多用 巡回检测周期 
实时性 报警反应能力

Abstract: The paper introduces the function and the usage of the GPS 
Vehicle Monitor System, and 

describes the structure of the system in stand of communication. It 
deals detailedly with a set of protocol employed in the mobile 
communication, which secures the real-timeness and security of the 
system.

Key Word: GPS system Special big-section mobile communication network 
OSI model 

Multi-usage by time disvision The overall detecting cycle 
Real-timeness Alarming response ability 

一、系统的功能与构成

GPS车辆监控系统是现代高自动化的先进综合管理系统，融多种高新技术为一体，
对各种移动车辆进行实时跟踪从而加以一定控制与管理。它从全球定位系统(GPS)
获得移动车辆的精确定位信息，通过数字移动通信网传输监控信令，并采用矢量地
理信息系统(GIS)对定位信息进行综合分析处理，向车辆管理者提供车辆详尽的实
时状态信息。同时，本监控系统提供快速可靠的报警功能。GPS车辆监控系统这些
强大的功能使其具有广泛的用途，如出租车调度系统，银行押钞车队，船只调度与
救难中心系统等等。

监控系统由一个监控中心站和多个车载台组成。监控中心站与车载台之间通过无线
信道通信。车载台彼此间无横向通信联系。

·监控中心站

监控中心站面向监控操作人员，包括智能监控平台、无线数传控制卡、无线通信设
备等三大部分。智能监控平台安装在一台486性能以上的微机，主要包括一套GIS系
统。它与无线数传控制卡以串口RS232相连。后者包括一个调制解调芯片，一块
80C51CPU，串口部分和一些外围器件。无线通信设备由数传电台、天线、通讯专用
电源组成。电台接收车载台发来的信息，送给无线数传控制卡解调，CPU对其分析
处理，再以串行通讯方式送至监控平台的GIS，实时显示车辆的行驶状况。监控平
台同时可以接受操作人员的命令，沿上述传输通道反向传送出控制信令。

·车载台

车载台装配在车辆上，包括GPS接收部分、无线数传控制卡、无线通信设备和报警
装置四部分。GPS接收部分包括一块GPS接收卡和一个专用天线。无线数传控制卡和
GPS接收卡硬件上一体化，以串口相连；此外还含调制解调芯片，80C51CPU，若干
外围器件等。无线通信设备同监控中心站。定位信息由GPS接收部分接收后交无线
数传控制卡打包、调制，发回监控中心站。车载台反过来亦可接收监控中心站的控
制信令，在其控制下打开/关闭发送，以及改变发送频率。车载台还可在报警装置
被触发情况下作出反应，向中心站发出报警信息。

二、制定统一协议的必要性

1. 主从站的信令交换

从通信角度来看，系统的监控中心站（主）与多个车载台（从）之间通过无线信道
交换数字信令，构成一个专用移动数字通信网。为成功地完成系统的监控和报警等
各项功能，此网络必须满足两点通信方面的要求：一是所有车辆的定位信息都能及
时送至中心站并迅速更新，以实现实时跟踪，称之为实时性；二是警报的触发能迅
速从车载台传递到中心站，既系统的报警快速反应能力。为在合理配置资源，充分
发挥系统性能的前提下尽可能满足用户的要求，综合考虑各种因素，我们目前组建
的系统具有如下的特点：

大区制组网方式

单信道数字通信

异频半双工传输方式

最小移频键控（MSK）调制方式

2. 协议的建立

要组织管理好这个移动通信网，达到要求性能，必须解决好三个方面的问题：单信
道的管理、使用，数字信令的有效性与可靠性，定位信息的实时更新。下面分述之
：

2.1单信道的管理、使用

在一条信道上若有两个或两个以上的用户同时使用时，信号就会发生干扰，不能正
确被接收到，信道发生堵塞。现在系统中的中心站和各个车载台都要使用此信道，
如无一定秩序使用，必将使整个通信网陷入瘫痪。最常用的解决方案是采用主从式
（又称查询式）通信协议，即由监控中心站按一定顺序与通信网内各个车载台建立
联接，交换信息。所有的车载台都遍历过后，中心站就获得了所有车载台的定位信
息，然后再开始重复下一轮查询。在一般工作情况下，中心站首先发出“寻呼”信
息，对特定车辆进行查询。车载台收到后，判别自身是否为被呼对象，若是则紧接
着反馈定位信息，否则不应。发生报警时，车载台则自动回发报警标志与实时定位
信息。在一般正常工作情况下，这种查询方式保证了单信道上任一时刻最多只有一
台电台发射信号，从而保证了信号的可靠传送。但是，监控中心站每要获得一次定
位信息就必须发出一次查询信令。这种信令完全可能是不必要的，而且信令本身还
含同步字等冗余信息。这就大大降低了信道的利用率，即通信的有效性，并极大地
限制了系统容量扩充，成为系统发展和性能提高的“瓶颈”。更为重要的是，在这
种方式下报警功能不能可靠实现。当一辆车发生报警时，有两种情形极可能发生：
（1）中心站正发送控制信令，或一车载台正发送定位信息；（2）其它车辆（一或
多辆）亦同时发生报警。此时，信道必然发生堵塞，不仅报警信息无法被中心站正
确收到，整个系统的通信工作也被干扰而陷入瘫痪。显然，这种主从式协议无法有
效、可靠帮助完成系统的监控、报警功能。

2.2 数字信令的有效性与可靠性

数字信令的有效性与可靠性主要指消息传输的速率与质量问题。提高有效性一方面
是要提高波特率，另一方面是要减少冗余信息量。提高通信质量必须降低误码率（
 = 错误码元数/总码元数）。问题主要从预防与纠正两方面解决。预防即减少通信
信道上的各种干扰，限制波特率。纠正则是对有用信息进行差错控制编码，以降低
信息传输速率为代价而提高传输可靠性。两者是矛盾的。为在不过多增加软硬件上
的复杂度和冗余信息的前提下保证良好的纠错能力，选用恰当的编码方式是十分必
要的。

另外，定位信息本身也含有大量冗余位，进行有效的压缩对于大幅度提高信令的有
效性也是十分关键的问题。

2.3 定位信息的实时更新

全球定位系统的接收卡以自身固定频率（如1帧/1秒钟）提供定位信息。这一频率
并不一定契合车载台的发送频率。若车载台须发送时，定位信息尚未整理准备好，
时延等待的话会浪费很多时间，并可能扰乱中心站与车载台之间的正常通信秩序。


综上，三个主要方面构成了通信中的主要问题。为解决好它们及其一些系统扩展等
问题，我们提出并实施了下面要介绍的GPS车辆监控系统移动通信协议。

三、移动通信协议

采用OSI开放系统层次模型。标准模型自下而上分为七层：物理层、数据链路层、
网络层、运输层、会话层、表示层和应用层（如图1所示）。根据本系统规模大小
，将模型简化为四层：物理层、数据链路层、网络层和高级管理层。

应用层（Application）
 
表示层（Presentation）
 
会话层（Session）
 
运输层（Transport）
 
网络层（Network）
 
数据链路层（Data Link）
 
物理层（Physical）
 

图1. 开放系统层次模型

3.1 物理层

物理层为中心站和车载台之间的数据通信提供了传输媒体及互连设备，具体包括：
中心站和车载台的无线通信设备，各自的无线数传控制卡，无线信道。它们为数据
传输提供可靠的环境，并保持尽可能高的传输性能。

3.2 数据链路层

这层负责将被传送的数据按帧结构格式化，差错控制化，介质访问控制，以及物理
层的管理。为在波特率一定的情况下提高有效信息的传输速率，在这层采用面向位
的协议：借鉴HDLC（High Level Data Link Control）协议，以帧作为基本的传送
信息的单位，格式如下：

8位 >= 0位 3位 >= 0位 16位 8位

起始标志F 
 站地址 
 类型 
 信 息 
 校验 
 结束标志F 
 

图2. 帧结构

各段结构含义如下：

标志F： 指明一帧的开始和结束，也兼作同步字符，由8位序列0111 1110组成。其
它段为了避免出现标志位序列，采用了发送端“零位插入”和发送端“零位删除”
技术。

类型：指明本帧的功能和目的，给对方站发命令或对命令的响应等。分为如下几类
（从中心站发向车载台方向的称为下行，反之称为上行）：

同步帧（下行）── 发送同步码元，提供系统同步基准时间；同时可附含GPS接收
卡初始化信息。（Synchronizer—S）

命令帧（下行）── 中心站的控制信令。(Command—C )

报警帧（上行）── 车载台的报警信息。（Alarm— A）

数据帧（上行）── 车辆的定位信息。（Data—D）

查询帧（上行）── 暂未用，留作系统功能扩展使用。（ Query— Q）

站地址：上行帧的站地址为各车载台自身辩识编号，7位。下行帧中命令帧的此段
指明命令对象范围，有14位：起始车编号（7位）+终止车编号（7位）。同步帧此
段长度为0。

信息：传送各帧的内容，长度随帧类型不同而变。

校验CRC：它是站地址段、控制段和信息段的函数，采用16位的循环冗余校验码，
其生成多项式为：G(x) = X16 +X12 +X5 +1

3.3 网络层

建立网络连接并为上层提供服务。为了解决前文所述的单信道使用和管理问题，我
们采用了同步时基协议。

3.3.1 统一时基, 分时使用 

为充分利用信道资源，并保证信道畅通， 将系统所用的单信道也即物理信道在时
基统一的基础上划分为多个逻辑信道。如图3所示：



每个逻辑信道称为一个时间帧，其时间宽度都相同。N个时间帧组成一个时间行。
时间帧和时间行的宽度直接影响系统的实时性与报警反应能力。时间帧的宽度和三
方面因素有关：数据包(有用信息+编码信息等冗余信息)的大小，波特率，硬件的
时延时间（例如，好的数传电台可有效地减小时间帧宽度）。一个时间行中时间帧
个数的确定考虑三方面因素：一是由于软硬件而造成的时间误差的积累（这可能引
起失步)，二是系统的监控及报警功能的最优实现； 三是系统的规模。

3.3.2 逻辑信道的功能划分及使用

物理信道划分为逻辑信道后，按功能分别装载上文中几类信息帧：同步帧、命令帧
、报警帧、数据帧和查询帧。它们在信道中的安排如图4所示：

　 设系统容量为K，即有K个车载台。这K个车载台各自所专用的数据帧分散或顺序
排放在 

编号从D1至DN×M的数据帧内。N×M略大于K，这样可以在不影响实时性的情况下留
有一定的容量扩充余地。各时间行内报警帧为所有车载台共用。采用了这种时分多
用的方法后，每个车载台都有专用信道，传送定位信息，因而可以确保正常的工作
秩序。发生警报时，车载台选择报警帧所在的逻辑信道，开始连续发出报警信息。
由于每个时间行都有一个报警帧，所以报警信息最快可在一个时间行内发出，并由
中心站接收到。但如果没有其它措施，而如有若干辆车同时发生报警时，报警帧可
能会发生堵塞。虑及此种情形，车载台在报警被触发后，不仅在公用的报警帧上发
出报警信息，同时在私有专用的数据帧上自动进入连续发送报警信息的工作状态。
并且，中心站监控平台收到报警后可下令报警的车载台关闭对公用报警帧的占用，
以减小信道堵塞的可能。如果我们定义报警反应时间为车载台触发报警至中心站无
误收到报警的一段时间，则此时间最长不超过中心站的一个巡回检测周期，而最短
时间（也是大多数情况下）不超过一个时间行的宽度。这样，系统的报警功能也有
了可靠的保证。

3.4 高级应用层

这层综合了OSI七层模型的会话层、表示层和应用层的功能，负责各帧数据的发送
、接收。在这层协议中，为特别解决GPS定位信息的接收、压缩和装载之间可能的
不同步，采用双缓冲区技术，既保证了GPS定位信息的及时刷新，又不影响定位信
息的压缩与装载。

四、移动通信协议的实施

这套通信协议实施于GPS车辆监控系统，应用于一出租车调度系统。系统规模为
100辆左右。

协议采用M51汇编语言在单片机上实现。硬件上，性能优良的数字电台，精心设计
的具独特风格的无线数传控制卡等保证了有效可靠的通讯质量。软件上，程序模块
化、结构化，并为系统的配置提供了柔性设置。系统的实时性与报警反应能力可充
分满足用户需要，远远超出了同类GPS车辆监控系统的性能。在此系统规模下，采
用1200波特率通讯，巡回检测周期为33.6秒，报警反应时间最长在3.36秒—33.6秒
。

参考文献：

《移动通信工程》 中国通信学会主编 （人民邮电出版社1988年4月 第一版）

《过程计算机控制》 王锦标 方崇智 （清华大学出版社）

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