基于VSAT／GSM的船載基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)＊

盧紅洋 陳 偉 劉 建李 晶

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院1） 武漢 430070） （中國(guó)交通通信中心2） 北京 100011）

盡管3G網(wǎng)絡(luò)近幾年發(fā)展迅速，但以GSM為代表的2G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶數(shù)量上依舊占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì).由于現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)均采用地面宏蜂窩基站（BTS）實(shí)現(xiàn)海上無(wú)線信號(hào)的覆蓋，受GSM規(guī)范限制，只能實(shí)現(xiàn)距BTS站點(diǎn)35km左右海域的覆蓋，無(wú)法解決較遠(yuǎn)海域的無(wú)線信號(hào)覆蓋，且現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的提供定位服務(wù)大多采用基于小區(qū)標(biāo)識(shí)（CELL－ID）或CELL－ID＋TA的定位方式，這種定位方式隨著小區(qū)面積的擴(kuò)大，定位精度急劇降低［1－2］.為了實(shí)現(xiàn)GSM 無(wú)線信號(hào)在較遠(yuǎn)海域的覆蓋，提高海上手機(jī)定位精度，本文提出通過(guò)Abis over IP實(shí)現(xiàn)船載VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)承載GSM網(wǎng)絡(luò)，消除GSM網(wǎng)絡(luò)在海上的覆蓋盲點(diǎn)，可以將GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍拓展到衛(wèi)星信號(hào)能夠到達(dá)的任何地方，并通過(guò)船載基站和測(cè)向機(jī)的集成，實(shí)現(xiàn)AOA／TA的定位方式，為海上搜救提供較高精度的手機(jī)定位.

1 Abis over IP技術(shù)和AOA／TA定位法

1.1 Abis over IP技術(shù)

Abis over IP技術(shù)是將由E1鏈路承載的Abis業(yè)務(wù)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載［3］.傳統(tǒng)的基站采用面向連接的TDM傳輸技術(shù)和電路交換技術(shù)，一旦連接建立，用戶無(wú)論處于通話狀態(tài)還是靜音狀態(tài)，占用的帶寬資源始終固定，直至通話結(jié)束才釋放資源.Abis over IP技術(shù)通過(guò)對(duì)E1幀的內(nèi)容進(jìn)行分析處理，提取有效的Abis數(shù)據(jù)，去除IDLE幀信息和空閑信道信息，以IP數(shù)據(jù)格式對(duì)Abis數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)基站的IP化，IP傳輸可以根據(jù)實(shí)際流量按需分配帶寬，用戶在通話和靜音時(shí)占用不同的帶寬，大大提高帶寬資源利用率［4］.在帶寬資源緊張的VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中可以有效的節(jié)省Abis接口的帶寬占用.

通過(guò)Abis over IP技術(shù)在VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)TDM over IP，能繼承衛(wèi)星寬帶通信的各種優(yōu)點(diǎn)，不僅能達(dá)到廣域范圍的無(wú)縫覆蓋，而且當(dāng)如地震、洪水等能摧毀地面通信系統(tǒng)的自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，建立在Abis over IP平臺(tái)上的IP化基站還能正常工作.

1.2 AOA／TA定位法

基于信號(hào)到達(dá)角（AOA）的定位是通過(guò)基站天線陣列測(cè)量手機(jī)發(fā)射電波的入射角，得到從基站到手機(jī)的徑向連線，兩條連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)手機(jī)的位置［5］.這種定位方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)手機(jī)做任何改動(dòng)，也不需要手機(jī)和基站時(shí)鐘同步，缺點(diǎn)是在障礙物較多的環(huán)境中，多徑效應(yīng)使定位誤差增大.

TA即Timing Advance，在GSM系統(tǒng)中，為了補(bǔ)償電波傳輸延遲，提供信道編碼效率，基站利用手機(jī)信息分組中的訓(xùn)練碼序列獲取基站和手機(jī)之間的信號(hào)傳播時(shí)延，并通過(guò)慢速伴隨信道（SACCH）將信號(hào)傳播時(shí)延以TA參數(shù)的形式告訴手機(jī)，手機(jī)利用TA參數(shù)就可以調(diào)整信息分組的發(fā)送時(shí)刻，以確保各移動(dòng)臺(tái)的信息分組到達(dá)基站時(shí)能避免時(shí)隙重疊.TA以比特為單位，一個(gè)比特的時(shí)長(zhǎng)為3.69μs，一個(gè)TA的距離可表示為

AOA／TA定位法是綜合AOA和TA技術(shù)的定位方法，基本思想是通過(guò)基站天線陣列獲取手機(jī)到達(dá)基站的角度和TA值，如圖1所示.

圖1 AOA／TA定位法

BTS坐標(biāo)已知為（x1，y1），手機(jī)到基站的夾角表示為θ，距離表示為n＊TA，假定手機(jī)坐標(biāo)為（x，y），則有以下關(guān)系式

根據(jù)以上關(guān)系式（1）～（3）可以解算出手機(jī)的位置.AOA／TA定位法最大的優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)基站參與定位即可以知道手機(jī)的位置，適用于基站密度較低的郊區(qū)和農(nóng)村.

2 系統(tǒng)方案

2.1 Abis over IP衛(wèi)星傳輸組網(wǎng)

GSM系統(tǒng)通過(guò)VSAT衛(wèi)星鏈路傳輸組網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外邊際網(wǎng)解決方案中已有成功的應(yīng)用，使用Abis over IP技術(shù)通過(guò)VSAT衛(wèi)星鏈路組網(wǎng)的示意圖如圖2所示.

VSAT小站天線選用6006RAZ C波段天線，該天線通過(guò)三軸穩(wěn)定系統(tǒng)保證天線接收穩(wěn)定，不管天氣和海況如何惡劣，船舶符合晃動(dòng)，天線系統(tǒng)最快能以90°／s的速率隨船的晃動(dòng)進(jìn)行反應(yīng).

圖2 Abis over IP衛(wèi)星傳輸組網(wǎng)示意圖

AbisoverIP網(wǎng)關(guān)采用CX－U1010，該設(shè)備能夠提供基于IP優(yōu)化平臺(tái)的Abis接口，實(shí)現(xiàn)E1幀中空時(shí)隙的卸出和插入，從而實(shí)現(xiàn)信令和話音信號(hào)的帶寬壓縮，壓縮比例能夠達(dá)到2∶1到3∶1.衛(wèi)星 Modem采用CDM－570L，該設(shè)備具備有效負(fù)荷壓縮、頭壓縮和服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理等特性，可顯著節(jié)省帶寬、提高傳輸質(zhì)量并增強(qiáng)對(duì)帶寬分配的控制.CX－U1010和CDM－570L的組合主要用于基于衛(wèi)星的蜂窩回程通信，并具備高性價(jià)比擴(kuò)展、高級(jí)性能和高效連接的特點(diǎn).

2.2 AOA／TA定位系統(tǒng)

AOA／TA定位系統(tǒng)由測(cè)向天線、測(cè)向處理機(jī)、定位處理機(jī)、顯控單元組成，本文采用的AOA／TA定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 AOA／TA定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測(cè)向天線采用均勻圓天線陣列，各陣元為無(wú)源型非全向天線，由于均勻圓陣具有圓對(duì)稱特性，可以實(shí)現(xiàn)360°全方位覆蓋，其方向特性在各方位角上不會(huì)有太大的變化，均勻圓陣具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和良好的測(cè)向性能［6］.

測(cè)向處理機(jī)由多通道接收機(jī)和測(cè)向處理器組成.測(cè)向處理機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)按順序?qū)y(cè)向天線陣列的多個(gè)陣元連接到多通道接收機(jī)的輸入端，多通道接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行去噪和放大，在去噪和放大的過(guò)程中，保持各陣元信號(hào)的相位和幅度的相對(duì)關(guān)系.測(cè)向處理器通過(guò)對(duì)多通道接收機(jī)輸出信號(hào)的相位和幅度相關(guān)性進(jìn)行分析比對(duì)，根據(jù)各陣元的相位差來(lái)判斷信號(hào)的方向角.

定位處理機(jī)通過(guò)偵聽(tīng)BTS的下行信號(hào)得到目標(biāo)手機(jī)到BTS的TA值以及目標(biāo)手機(jī)的載頻信息，根據(jù)TA值確定目標(biāo)手機(jī)距離BTS的距離，根據(jù)載頻信息和測(cè)向處理機(jī)的輸出數(shù)據(jù)的匹配確定目標(biāo)手機(jī)到BTS的方向角，實(shí)現(xiàn)AOA／TA定位法對(duì)目標(biāo)手機(jī)的定位.定位處理機(jī)接收到顯控單元的定位請(qǐng)求時(shí)開(kāi)始對(duì)目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行定位，并將定位處理結(jié)果返回給顯控單元.

顯控單元通過(guò)后臺(tái)控制指令控制定位處理機(jī)對(duì)目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行定位，定位結(jié)果以圖形化的界面顯示，顯示內(nèi)容包括目標(biāo)手機(jī)的相對(duì)方向角信心和TA距離信息.

2.3 基于船載基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在CDM－570L上對(duì)手機(jī)通信業(yè)務(wù)的QoS進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)配置，同時(shí)在陸地端和船端的CX－U1010上做靜態(tài)路由配置，實(shí)現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)Abis接口的IP化傳輸，保證手機(jī)通信定位系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行.系統(tǒng)實(shí)際組網(wǎng)如圖4所示.

圖4 基于VAST／GSM船載移動(dòng)基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)

船載基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)由船載設(shè)備和陸地設(shè)備組成，船載設(shè)備和陸地設(shè)備之間的無(wú)線鏈路通過(guò)VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)承載.船載設(shè)備包括VSAT衛(wèi)星小站、衛(wèi)星 Modem、Abis over IP網(wǎng)關(guān)、測(cè)向定位系統(tǒng)和BTS系統(tǒng)，BTS天線和測(cè)向天線掛高在30m左右，用于保證船載基站的覆蓋服務(wù)范圍.陸地設(shè)備包括VSAT衛(wèi)星主站、衛(wèi)星 Modem、Abis over IP網(wǎng)關(guān)、BSC、MSC等設(shè)備，并通過(guò)MSC連接到公共交換電話網(wǎng)（PSTN）和公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（PLMN）.

3 測(cè)試方案和結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

在基于船載基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，制定了功能測(cè)試和性能測(cè)試方案.功能測(cè)試包括語(yǔ)音、短信、TA值獲取、AOA定向；性能測(cè)試包括呼叫成功率、尋呼成功率，時(shí)延抖動(dòng)、帶寬占用率、AOA／TA定位精度測(cè)試.測(cè)試工具包括愛(ài)立信路測(cè)工具TEMS，Memotec網(wǎng)管軟件CXMON，測(cè)試點(diǎn)信號(hào)電平高于－100dBm，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中選用多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試.

3.2 功能測(cè)試結(jié)果

本局用戶和中國(guó)移動(dòng)、聯(lián)通、電信用戶語(yǔ)音和短信的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.用戶在小區(qū)相同載頻不同時(shí)隙間切換、小區(qū)內(nèi)不同載頻間切換均正常.

表1 語(yǔ)音短信測(cè)試結(jié)果

在顯控單元輸入小區(qū)內(nèi)目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼，能夠正常獲取手機(jī)的TA值，并顯示該TA值對(duì)應(yīng)的距離，測(cè)距結(jié)果如圖5所示，同時(shí)測(cè)向處理機(jī)經(jīng)過(guò)多次AOA測(cè)向獲取目標(biāo)手機(jī)的相對(duì)位置，當(dāng)測(cè)向結(jié)果達(dá)到100%時(shí)完成測(cè)向工作，此時(shí)的方向角即為最終測(cè)向的相對(duì)角度.圖6所示經(jīng)過(guò)4次測(cè)向得到最終測(cè)向結(jié)果為正西方向.

圖5 目標(biāo)手機(jī)TA值獲取結(jié)果

3.3 性能測(cè)試結(jié)果

圖6 目標(biāo)手機(jī)測(cè)向結(jié)果

使用愛(ài)立信路測(cè)工具TEMS對(duì)小區(qū)的呼叫、尋呼各進(jìn)行100次測(cè)試，成功率均在95%以上，且連續(xù)通話30min無(wú)掉話現(xiàn)象，通話時(shí)延撥測(cè)局點(diǎn)的不同略有不同，雙向時(shí)延在700～850ms之間，其中由VSAT衛(wèi)星通信引起的雙向時(shí)延在534ms左右，時(shí)延抖動(dòng)在10ms以內(nèi).通話效果在Abis over IP衛(wèi)星模式下和普通TDM模式下沒(méi)有明顯區(qū)別，時(shí)延感覺(jué)不明顯，通話質(zhì)量完全滿足日常通話需要.

通過(guò)網(wǎng)管軟件CXMON可以測(cè)得無(wú)通話狀態(tài)下帶寬占用22kbit／s左右，疊加一路通話帶寬占用增加13kbit／s左右，低于TDM分配的16 kbit／s的帶寬占用，并且在靜音模式下，帶寬占用下降較明顯，說(shuō)明通過(guò)IP傳輸實(shí)現(xiàn)了Abis口的優(yōu)化，節(jié)省了衛(wèi)星帶寬資源.

測(cè)試結(jié)果顯示AOA／TA對(duì)目標(biāo)手機(jī)的一次定位時(shí)間在10s以內(nèi)，AOA對(duì)目標(biāo)手機(jī)方向角的定位精度在1°以內(nèi)，TA的定位精度取決于GSM網(wǎng)絡(luò)，誤差在1個(gè)TA左右，在目標(biāo)手機(jī)位置固定的情況下，通過(guò)多次搜索定位，AOA／TA的定位精度能夠達(dá)到300m左右，能夠滿足海上搜救的需要.

通過(guò)AOA／TA對(duì)目標(biāo)手機(jī)的一次定位時(shí)間在10s以內(nèi)，AOA對(duì)目標(biāo)手機(jī)方向角的定位精度在1°以內(nèi)，TA的定位精度取決于GSM網(wǎng)絡(luò)，誤差在1個(gè)TA左右，目標(biāo)手機(jī)估計(jì)位置通過(guò)AOA／TA方式5次定位取平均值，目標(biāo)手機(jī)真實(shí)位置通過(guò)差分GPS終端獲得，位置信息均映射到以測(cè)向天線為中心的直角坐標(biāo)系，定位測(cè)試結(jié)果如表2所列，從表中可知AOA／TA的定位精度能夠達(dá)到300m左右，滿足海上搜救的需要.

4 結(jié) 論

基于VSAT／GSM船載移動(dòng)基站手機(jī)通信定位系統(tǒng)成功的應(yīng)用了Abis over IP技術(shù)和AOA／TA手機(jī)定位技術(shù)，在解決海上GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)的同時(shí)，為海事救撈部門提供海上輔助定位手段.通過(guò)Abis over IP技術(shù)使VSAT衛(wèi)星鏈路承載GSM網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)，較好的解決了Abis接口帶寬占用過(guò)高的問(wèn)題，并將AOA／TA手機(jī)定位技術(shù)應(yīng)用到海上搜救，解決了現(xiàn)階段陸地基站CELL－ID和CELL－ID＋TA定位精度過(guò)低的問(wèn)題.該系統(tǒng)已經(jīng)成功的安裝在北海救撈局北海救113號(hào)搜救船舶上，在系統(tǒng)運(yùn)行的幾個(gè)月時(shí)間里表現(xiàn)良好.

表2 定位測(cè)試結(jié)果

隨著人們對(duì)海上通信的要求越來(lái)越高，國(guó)家對(duì)海上人命財(cái)產(chǎn)安全越來(lái)越重視，下一階段考慮通過(guò)VSAT衛(wèi)星鏈路來(lái)承載3G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)的IP化傳輸，并開(kāi)展多船多基站組合定位的理論驗(yàn)證和實(shí)際組網(wǎng)測(cè)試，進(jìn)一步提高手機(jī)定位精度.

［1］王紅海，朱聯(lián)祥，陳 仁.利用GSM為信號(hào)源的無(wú)源定位系統(tǒng)［J］.信息技術(shù)，2009（3）：1－3.

［2］Sayed A H，Tarighat A，Khajehnouri N.Networkbased wireless location［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2005（7）：24－40.

［3］王 蘭，段曉東，王小奇.Abis接口IP化方案及應(yīng)用［J］.電信技術(shù)，2008（8）：14－16.

［4］滕 剛.衛(wèi)星與GSM網(wǎng)絡(luò)的集成應(yīng)用［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008（9）：52－58.

［5］鄧 平，劉 林，范平志.一種改進(jìn)的TOA／AOA混合定位算法［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2003，8（4）：54－57.

［6］張 揚(yáng)，鄒 洲，呂澤均.基于均勻圓陣的相干信號(hào)波束形成方法［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（1）：20－23.