基于ＧＳＭ短信網(wǎng)絡(luò)的ＣＰＳ設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：使用GSM模塊和CPS數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了一種定位方法。該方法基于短信通信和數(shù)據(jù)庫處理，可以使用現(xiàn)有設(shè)備，工程實(shí)現(xiàn)簡單，具有很強(qiáng)的可用性。但其定位精度取決于數(shù)據(jù)庫。

關(guān)鍵詞：CPS；蜂窩信息；短信模塊；基站信息數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)搜索

引言

目前主要的定位方式有兩種，一是GPS及其類似技術(shù)，如我國的“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)；二是基于蜂窩小區(qū)的定位技術(shù)(CPS)，它根據(jù)移動(dòng)臺(tái)到已知位置的差值來定位。這兩種方式都具有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。GPS定位精度較高，適用地域非常廣，但是設(shè)備價(jià)格昂貴。蜂窩定位技術(shù)可以作為蜂窩系統(tǒng)的附加方式，投入相對(duì)較低，僅限于有移動(dòng)臺(tái)的地方適用，基站密度降低精度也將大大降低，但因它的簡單和方便性有一定的價(jià)值。本文就這一定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)做相關(guān)討論。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定位方法

根據(jù)蜂窩定位原理，要獲得當(dāng)前的位置信息必須首先獲得基站和小區(qū)信息。GSM系統(tǒng)規(guī)定每個(gè)基站在接受移動(dòng)臺(tái)的接入時(shí)必須出示自己的代號(hào)以及一些特有的信息。移動(dòng)臺(tái)保存這些信息并且在一定時(shí)間一定范圍內(nèi)用這些信息和基站通信。嚴(yán)格的定位技術(shù)將根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、載波相位、信號(hào)到達(dá)角度、時(shí)間差等信息進(jìn)行定位，雖然精度高但是移動(dòng)臺(tái)需要具有相當(dāng)多的信號(hào)檢測功能。一般的手機(jī)并不具有這些監(jiān)測功能，所以用普通手機(jī)很難實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格定位。然而使用邏輯層的定位，使用固定的基站信息定位，這是一般的手機(jī)都能做到的Ⅲ。相應(yīng)的系統(tǒng)流程圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

GSM模塊使用的是西門子公司的TC35通信模塊，該模塊具有完整的功能和很高的性能，但不支持GPRS。該模塊的功能相當(dāng)于普通手機(jī)中的射頻和基帶處理部分。

2 小區(qū)和基站信息的獲取

TC35模塊使用特有的指令“AT MONI”來獲取當(dāng)前接入的小區(qū)信息，獲取鄰近小區(qū)信息的指令是：AT MONP。(不同的模塊有不同的指令，可以參考該模塊的使用方法)

其中chann指當(dāng)前和基站通信使用的信道編號(hào)，rs指移動(dòng)臺(tái)感受到的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，dBm，指信號(hào)的具體強(qiáng)度值。如果模塊暫時(shí)不能完成輸入處理，那么就返回空值。

需注意的是，由于該信息的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)而且獲取過程需要一定的時(shí)間，所以有時(shí)候模塊會(huì)返回空信息(只有格式?jīng)]有內(nèi)容)或者無返回信息。所以在這種情況下要多次嘗試才有有效信息出現(xiàn)。

返回信息中的5個(gè)參數(shù)的具體含義如下：

PLMN：運(yùn)營商的代碼，460表示中國，后面的00表示中國移動(dòng)，01表示中國聯(lián)通。

LAC：位置區(qū)碼，表示一個(gè)區(qū)域的代號(hào)，一個(gè)區(qū)中可能包含多個(gè)的Cell。

Cell：小區(qū)識(shí)別，在一個(gè)LAC中cell代號(hào)不能重復(fù)，其中LAC和cell都是16bit，以16進(jìn)制表示。

NCC：網(wǎng)絡(luò)色碼，用于識(shí)別相鄰的不同運(yùn)營商的基站，一般相鄰的基站不能有相同的NCC。

BCC：基站色碼，表示同一個(gè)PLMN中載頻相同的不同基站。其中NCC與BCC各為3bit，并一起組成了基站識(shí)別碼。

剩下的還有：

PWR：該基站允許的最大功率；RXLev：該基站允許的最小信號(hào)門限，小于這個(gè)值將不能入網(wǎng)，即通常說的掉線。再后面的信息表示通話時(shí)使用的信道狀況。因?yàn)樵贕SM系統(tǒng)中系統(tǒng)信道和數(shù)據(jù)信道是分開的，每次通話會(huì)分配單獨(dú)的信道，所以未通話時(shí)顯示為No connection。這個(gè)數(shù)據(jù)不易獲得且意義不大，所以一般不作為定位數(shù)據(jù)。

其中c1，c2，是和基站有關(guān)的一些系數(shù)，其他和上面意義相同，表示6個(gè)鄰近區(qū)的信息。由于在蜂窩中采用了扇區(qū)定向技術(shù)或信號(hào)太弱等原因，很多鄰近小區(qū)不能檢測到有效信息，顯不為空。

獲取后的信息無效部分較多，難以用一條短信傳送，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和格式化。有意義的數(shù)據(jù)包括本小區(qū)的PLMN、LAC、cell、NCC、BCC，鄰近小區(qū)的BCC、c1、c2。注意長度不能超過70個(gè)字符。

3 信息傳輸

3．1 短信發(fā)送

GSM模塊不僅能獲取信息還能收發(fā)短信。由于短信收發(fā)功能不是很難，而且相關(guān)文章也較多，所以這里只做粗略介紹。首先是格式選擇，因?yàn)榭紤]到系統(tǒng)可升級(jí)性，可能需要支持漢字，所以應(yīng)該選擇PDU模式。需要注意的是一般的字符轉(zhuǎn)換成PDU模式的方法，如在VB下代碼可以這樣寫：

其中，Hex( )是一個(gè)將變?cè)D(zhuǎn)變成16進(jìn)制數(shù)的函數(shù)。注意變成PDU格式后還要進(jìn)行逆序操作，包括接受號(hào)碼字段。

生成好了格式后要先用“AT+CMGS=字符長度+回車”來進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，如果模塊工作正?？梢园l(fā)送，則會(huì)回顯“>”。這時(shí)把剛才生成的PDU字符輸出，用回車符結(jié)束，發(fā)送成功會(huì)返回“OK”。需要注意的是在這之前最好用“ATEO”關(guān)掉自動(dòng)回顯功能，這樣可以減小數(shù)據(jù)量，提高發(fā)送速度。

3．2 短信接收

信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端后同樣需要GSM模塊來接收。將一個(gè)正常工作的GSM模塊以及SIM卡等連接好以后可以設(shè)置自動(dòng)接收，用命令“AT+CMNI=模式選擇”來設(shè)置新消息到達(dá)的方式(具體格式請(qǐng)參見相關(guān)手冊(cè))。同樣也可以用查詢的方式：AT+CMGL=0來讀取新消息。

讀取到的消息采用的是PDU編碼，消息中有許多附加的信息，比如記錄編號(hào)、時(shí)間、發(fā)送人等。進(jìn)行格式分析的時(shí)候，注意很多字段采用交換順序的方式存放PDU碼，如果服務(wù)器性能好的話可以把這部分工作放到服務(wù)器上面做，降低設(shè)計(jì)難度。

在編程的時(shí)候要注意接收的延時(shí)問題，區(qū)分模塊的“無響應(yīng)”和“傳輸完”兩種情況。有時(shí)候模塊可能不能響應(yīng)發(fā)送的命令，需要重發(fā)，但這時(shí)服務(wù)器并不知道，它看到的卻是“正在響應(yīng)，需要等待”，如果不排除這種情況那么很容易出現(xiàn)“死機(jī)”狀態(tài)。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，比較好的方法是吸取TCP／IP的重傳形式，使用定時(shí)器，每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包就把定時(shí)器清零，給予模塊足夠的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)收到結(jié)束字符“OK”或者計(jì)數(shù)器溢出的時(shí)候程序返回。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證該方法非常有效。

具體的命令格式和字段協(xié)議請(qǐng)參照模塊的使用手冊(cè)。對(duì)GSM模塊的論述文章較多，但很多都未對(duì)穩(wěn)定性和差錯(cuò)可恢復(fù)性做周到考慮，就服務(wù)器端而言這是至關(guān)重要的，必須考慮到。

4 信息處理

信息的處理主要是信息提取和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。信息提取注意和前面的信息生成相對(duì)應(yīng)，不要錯(cuò)位；不僅要記錄下對(duì)方發(fā)送的位置信息還要記錄下對(duì)方的號(hào)碼以及定義的特殊操作等內(nèi)容，便于執(zhí)行特殊功能和消息回送。

取得需要的數(shù)據(jù)后需要在數(shù)據(jù)庫中查找對(duì)應(yīng)小區(qū)和基站代號(hào)的實(shí)際位置。理論上講每個(gè)基站都有自己的代號(hào)和地理位置，這些都記錄在運(yùn)營商的資料數(shù)據(jù)庫中。但是這些數(shù)據(jù)作為商業(yè)機(jī)密是不會(huì)公開的，所以很難取得。目前網(wǎng)上僅有的部分?jǐn)?shù)據(jù)是人為測試得出的，相當(dāng)?shù)厣?，很多時(shí)候不能實(shí)現(xiàn)定位查找。如果運(yùn)營商能開放這個(gè)數(shù)據(jù)庫接口，那樣定位精度能在1km內(nèi)(因?yàn)閱蝹€(gè)基站的覆蓋半徑一般在2km內(nèi)，如果采用多基站定位精度還能得到提高)。

為了給予查詢者足夠的參考信息，可以把相鄰的地理位置一并告知，這需要模糊查找或者相關(guān)查找。在建立數(shù)據(jù)庫的時(shí)候也可以把相應(yīng)的重要單位位置，比如酒店，車站等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，在查詢的時(shí)候一并返回，于是查詢者就知道自己的周邊環(huán)境了。

在這里使用的是微軟的ADO數(shù)據(jù)庫技術(shù)提供和數(shù)據(jù)庫無關(guān)的接口。

如果信息太多還可以在輸出前進(jìn)行二次篩選，去掉相關(guān)性弱的數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)用戶的選擇決定是否輸出相鄰數(shù)據(jù)或者特定信息。在一個(gè)具體系統(tǒng)中，也可根據(jù)需要把不同的查找要求。

5 信息回送

將服務(wù)器查到的數(shù)據(jù)回送給請(qǐng)求查詢的手機(jī)。這里要使用先前提取的手機(jī)號(hào)碼。PDU數(shù)據(jù)格式生成和GSM發(fā)送模塊一樣，在此不贅述?；厮屯瓿珊蠓?wù)器繼續(xù)監(jiān)聽請(qǐng)求。

6 信息顯示

請(qǐng)求端的GSM模塊在服務(wù)器處理完信息后將得到具體的地理位置消息，這時(shí)可以通過查詢或者新消息自動(dòng)提示的方法用AT命令讀出，送到相關(guān)的顯示模塊進(jìn)行顯示，最終完成整個(gè)定位過程。效果如圖3所示(由于數(shù)據(jù)庫信息有限所以目前位置還很寬泛)。

7 結(jié)束語

在當(dāng)前條件下實(shí)現(xiàn)蜂窩定位有兩個(gè)難點(diǎn)：一是基站數(shù)據(jù)庫信息是運(yùn)營商的商業(yè)資料，不對(duì)外公示，所以定位精度受限于數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)程度。二是一般GSM設(shè)備的物理層通信協(xié)議還沒有對(duì)當(dāng)前基站和鄰近基站的其他參數(shù)進(jìn)行監(jiān)聽和記錄，不能進(jìn)行更高級(jí)的物理信號(hào)定位，當(dāng)今后的射頻部分能檢測到的參數(shù)更多的時(shí)候這種定位方式將發(fā)生質(zhì)的變化；目前的GSM設(shè)備都是記錄了當(dāng)前基站的代號(hào)和顏色代碼以及信號(hào)強(qiáng)度等，鄰近基站只有顏色代碼和信號(hào)強(qiáng)度，缺少關(guān)鍵的基站代碼，這是不能提高定位精度的又一大障礙。

從技術(shù)角度看解決這些問題有很大的可行性，目前很多的手機(jī)生產(chǎn)商已經(jīng)就此方面技術(shù)申請(qǐng)了專利，相信不久的將來就有更加方便，廉價(jià)，靈活的蜂窩定位技術(shù)出現(xiàn)。