移動通信基站定位系統(tǒng)

郭英龍，賽景波，樂麗琴，楊善景，曹速成

(北京工業(yè)大學 電控學院，北京 100124)

移動通信基站是組成通信網(wǎng)絡的最小單元。如何規(guī)劃移動通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，達到對基站數(shù)量與效率的最優(yōu)配置，對實現(xiàn)效率與經(jīng)濟優(yōu)化配置尤為關(guān)鍵。對某區(qū)域已建成的網(wǎng)絡進行性能評估，根據(jù)實際情況對已有的基站進行適當?shù)恼{(diào)整，可以實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的合理布局。本文介紹以GSM[1-2]和CDMA[3-5]模塊為基礎(chǔ)構(gòu)建一個基站定位系統(tǒng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與簡要工作流程

本系統(tǒng)由信號采集模塊和信號處理模塊組成。信號采集模塊分為基站信號收集模塊和GPS信號收集模塊?；拘盘柌杉K由GSM/CDMA模塊構(gòu)成；GPS信號收集模塊為串口的GPS接收機。GSM/CDMA模塊和GPS接收機通過串口服務器與應用程序進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動基站監(jiān)測系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作流程∶(1)數(shù)據(jù)收集和行車軌跡描繪部分[6]：信號采集模塊通過串口與應用程序通信。啟動應用程序，首先配置串口屬性，初始化數(shù)字電子地圖界面，應用程序通過串口向GSM和CDMA模塊發(fā)送AT指令，完成網(wǎng)絡注冊，返回基站信息。應用程序分析返回的基站信息并將信息存入數(shù)據(jù)庫，同時將基站監(jiān)測點的經(jīng)緯度信息作為基站信息存入數(shù)據(jù)庫。應用程序內(nèi)設(shè)定時器，每5 s輪流訪問1次基站；應用程序通過查詢方式讀取GPS信息，如果GPS對應串口輸入緩沖區(qū)接收字符大于100，則讀取 1次GPS信息，并將經(jīng)緯度信息以位圖的方式在數(shù)字電子地圖上顯示。(2)信號處理模塊完成基站定位計算、基站定位顯示、行車軌跡回放等功能。停止信號基站和GPS信號采集，選擇待定位對象(移動GSM基站、聯(lián)通GSM基站、聯(lián)通 CDMA基站)，讀取數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測信息，統(tǒng)計基站根據(jù)不同的定位原理計算基站實際經(jīng)緯度，最后將基站位置在數(shù)字電子地圖上顯示。

2 應用程序讀取基站信息流程

2.1 AT指令

AT指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。發(fā)送AT指令可控制移動臺，用戶可以通過AT指令進行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務、傳真等方面的控制。本系統(tǒng)使用的AT+CCED(小區(qū)環(huán)境描述指令)如下：

(1)GSM模塊AT+CCED指令。指令功能為輸出GSM基站對應小區(qū)環(huán)境信息。本設(shè)計采用AT+CCED=0，15，輸出GSM基站小區(qū)所有信息。主小區(qū)信源信息：

Main Cell∶MCC，MNC，LAC，CI，BSIC，BCCH Freq(absolute)，RxLev，RxLev Full，RxLev Sub，RxQual，RxQual Full，RxQual Sub，Idle TA

(2)CDMA模塊AT+CCED指令。功能為輸出CDMA基站對應小區(qū)環(huán)境信息。本設(shè)計采用 AT+CCED=0，9。輸出CDMA基站小區(qū)所有信息。主小區(qū)信源信息：

Main Cell∶band class，Channel#，SID，NID，Base Station P Rev，PilotPN offset，Base Station ID，Slotcycle index，Raw Ec/Io，Rx power，Txpower，TxAdj

2.2 流程

應用程序通過定時的方式輪流訪問移動GSM基站、聯(lián)通GSM基站、聯(lián)通CDMA基站。應用程序通過串口向 GSM/CDMA模塊發(fā)送 AT+CCED=X，X，GSM/CDMA模塊返回主小區(qū)及鄰小區(qū)信息，應用程序分析返回信息，抽取小區(qū)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。

基站數(shù)據(jù)讀取流程如圖2所示。

圖2 基站數(shù)據(jù)讀取流程

3 基站定位原理

3.1 GSM三點法定位原理

3.1.1 GSM基站主小區(qū)主要參數(shù)描述

CID：某區(qū)域 GSM基站所對應的小區(qū) ID；TA：時間前置量(Time Advance)，顯示手機和基站間距離，該數(shù)值乘以500可換算為米，不過因受電波反射吸收等影響，TA值僅供參考用，TA值范圍 0～63；RxL：信號接收強度，單位為 dBm，范圍從-110～0；TxPwr：顯示通話中手機的功率發(fā)射強度(Power Level)，顯示范圍為 0～19。移動監(jiān)測基站與GSM基站的距離計算公式：

式中，M為射頻信號衰減系數(shù)；N為發(fā)射功率衰減系數(shù)。

地球表面任意兩點(A，B)間的距離近似為：

式中，K 為地球半徑，(LonA，LatA)、(LonB，LatB)分別為A、B兩點的經(jīng)緯度。

3.1.2 基于移動基站的三點法定位的原理

應用三點定位法對GSM基站定位。如圖3所示，取GSM基站任意小區(qū)內(nèi)的3個點 A、B、C(3個點要求不在一條直線上)，可知：3個點的位置信息(經(jīng)緯度和TA值)；3個點到基站的距離 OA、OB、OC；3個點之間的距離AB、AC、BC，通過XY坐標系可以求解基站的坐標。O為基站(BS)所在的位置；C1、C2、C3為基站(BS)的 3個小區(qū)；A、B、C為小區(qū)內(nèi)的任意不在一條直線上的 3個點；A、B、C 三 點 處 TA、RxL、Txpower以 及 經(jīng) 緯 度 (LonX，LatX)為可知量。 由公式(1)、(2)得：

坐標變換如圖4所示，經(jīng)緯度坐標與平面XY坐標進行變換。將A點投影到平面直角坐標原點，有，x2=(LonB-LonA)k；y2=(LatB-LatA)k；x3=(LonC-LonA)k；y3=(LatC-LatA)k；x0=(Lon-LonA)k；y0=(Lat-LatA)k；

根據(jù)三角關(guān)系列出方程：

由公式(3)、(4)、(5)解出：

因此，得到：

圖3 GSM定位示意圖

圖4 坐標轉(zhuǎn)換

3.2 CDMA基站四點定位原理

CDMA定位區(qū)別于GSM定位。以CDMA基站為圓心，認為在該圓心的等圓面上接收信號的強度是相同的，從監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)中，取兩組強度相同的同一基站的4個監(jiān)測點，則基站必然在兩組點的中垂線的交點上。對于二維平面上的2條直線，交點處的坐標可以通過解線性方程的方法來得到交點的坐標。

基站數(shù)據(jù)庫中保存了基站的有用信息，如基站身份識別SID、監(jiān)測點信號強度、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。通過查詢數(shù)據(jù)庫找到同一基站下強度兩兩相等的兩組經(jīng)緯度信息，然后經(jīng)過計算得到基站的位置。對這兩組信息的處理有2種方式：

(1)將得到的經(jīng)緯度信息投影到平面坐標上，將經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標，然后計算出基站的實際位置的平面坐標，再將平面坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度，最后將基站的經(jīng)緯度描繪在電子地圖上。

(2)將經(jīng)緯度坐標近似為平面坐標。因為在很小的范圍內(nèi)，可以視經(jīng)緯度的變化是線性的，然后直接應用公式進行計算得到基站的經(jīng)緯度。理論上應將高斯-克呂格投影坐標轉(zhuǎn)換為高斯平面投影坐標，然后通過坐標轉(zhuǎn)換，旋轉(zhuǎn)、縮放，轉(zhuǎn)換為電子地圖平面直角坐標。最后，將平面直角坐標轉(zhuǎn)換成計算機所需顯示的像素點坐標。但是經(jīng)過實際編程測試，由高斯正變換轉(zhuǎn)化完成的坐標點，再由高斯反變換轉(zhuǎn)化回去，與實際值誤差相距太大。由于監(jiān)測面積占全世界地圖的比例很小，本系統(tǒng)把監(jiān)測點所覆蓋的面近似為XY直角坐標平面，將經(jīng)緯度信息認為是該平面上的坐標，通過解線性方程解出基站的坐標。由X-Y坐標系上4個點的列坐標方程，解出基站的位置坐標，這里直接給出結(jié)果：

式(10)、式(11)中，l0、l1、l2、l3以及 b0、b1、b2、b3分別為同一基站兩兩強度相同的經(jīng)緯度如圖5所示。由2G1C模塊收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將與基站相關(guān)的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫B中，經(jīng)過線性方程組解出基站的位置，并將基站位置顯示在電子地圖的永久圖層上。因此要確定一個基站的位置，必須是同一個基站的兩兩強度相同的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

圖5 CDMA基站定位原理示意圖

通過加載不同數(shù)字電子地圖，本基站監(jiān)測系統(tǒng)可對全國各地的基站進行定位，通過注冊外網(wǎng)可以監(jiān)測邊境基站。采用多組數(shù)據(jù)定位計算求取均值可減小定位誤差。

[1]張鶴高.基于GPS/GSM雙模移動定位技術(shù)的研究和實現(xiàn)[D].貴州：貴州大學，2006.

[2]徐鵬，鄧平.基于蜂窩網(wǎng)的車載定位導航系統(tǒng)設(shè)計[J].ICE’06，2006(9)∶487-491.

[3]于南.基于CDMA1X網(wǎng)絡的車載定位終端的設(shè)計[J].應用科技 2007，34(17)∶26-30.

[4]楊大成.CDMA2000技術(shù)[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.

[5]周國順，姚玉斌.基于CDMA模塊實時無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè) 計[J].嵌 入 式 系 統(tǒng) 應 用，2009(1)∶4-6.

[6]俞侃.GPS車載定位中斷的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2005.