移動通信基站定位系統

郭英龍，賽景波，樂麗琴，楊善景，曹速成

(北京工業大學 電控學院，北京 100124)

移動通信基站是組成通信網絡的最小單元。如何規劃移動通信網絡的拓撲結構，達到對基站數量與效率的最優配置，對實現效率與經濟優化配置尤為關鍵。對某區域已建成的網絡進行性能評估，根據實際情況對已有的基站進行適當的調整，可以實現通信網絡的合理布局。本文介紹以GSM[1-2]和CDMA[3-5]模塊為基礎構建一個基站定位系統系統。

1 系統組成與簡要工作流程

本系統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據交換。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 移動基站監測系統框圖

系統工作流程∶(1)數據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，初始化數字電子地圖界面，應用程序通過串口向GSM和CDMA模塊發送AT指令，完成網絡注冊，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據庫，同時將基站監測點的經緯度信息作為基站信息存入數據庫。應用程序內設定時器，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接收字符大于100，則讀取 1次GPS信息，并將經緯度信息以位圖的方式在數字電子地圖上顯示。(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、聯通GSM基站、聯通 CDMA基站)，讀取數據庫中監測信息，統計基站根據不同的定位原理計算基站實際經緯度，最后將基站位置在數字電子地圖上顯示。

2 應用程序讀取基站信息流程

2.1 AT指令

AT指令集是從終端設備或數據終端設備向終端適配器或數據電路終端設備發送的。發送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、數據業務、傳真等方面的控制。本系統使用的AT+CCED(小區環境描述指令)如下：

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

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基站對應小區環境信息。本設計采用 AT+CCED=0，9。輸出CDMA基站小區所有信息。主小區信源信息：

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、聯通GSM基站、聯通CDMA基站。應用程序通過串口向 GSM/CDMA模塊發送 AT+CCED=X，X，GSM/CDMA模塊返回主小區及鄰小區信息，應用程序分析返回信息，抽取小區參數存入數據庫。

基站數據讀取流程如圖2所示。

圖2 基站數據讀取流程

3 基站定位原理

3.1 GSM三點法定位原理

3.1.1 GSM基站主小區主要參數描述

CID：某區域 GSM基站所對應的小區 ID；TA：時間前置量(Time Advance)，顯示手機和基站間距離，該數值乘以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射強度(Power Level)，顯示范圍為 0～19。移動監測基站與GSM基站的距離計算公式：

式中，M為射頻信號衰減系數；N為發射功率衰減系數。

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基站任意小區內的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；A、B、C為小區內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 緯 度 (LonX，LatX)為可知量。 由公式(1)、(2)得：

坐標變換如圖4所示，經緯度坐標與平面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；

根據三角關系列出方程：

由公式(3)、(4)、(5)解出：

因此，得到：

圖3 GSM定位示意圖

圖4 坐標轉換

3.2 CDMA基站四點定位原理

CDMA定位區別于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，從監測得到的數據中，取兩組強度相同的同一基站的4個監測點，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。

基站數據庫中保存了基站的有用信息，如基站身份識別SID、監測點信號強度、經緯度等數據。通過查詢數據庫找到同一基站下強度兩兩相等的兩組經緯度信息，然后經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)將得到的經緯度信息投影到平面坐標上，將經緯度坐標轉換為平面坐標，然后計算出基站的實際位置的平面坐標，再將平面坐標轉換為經緯度，最后將基站的經緯度描繪在電子地圖上。

(2)將經緯度坐標近似為平面坐標。因為在很小的范圍內，可以視經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緯度。理論上應將高斯-克呂格投影坐標轉換為高斯平面投影坐標，然后通過坐標轉換，旋轉、縮放，轉換為電子地圖平面直角坐標。最后，將平面直角坐標轉換成計算機所需顯示的像素點坐標。但是經過實際編程測試，由高斯正變換轉化完成的坐標點，再由高斯反變換轉化回去，與實際值誤差相距太大。由于監測面積占全世界地圖的比例很小，本系統把監測點所覆蓋的面近似為XY直角坐標平面，將經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緯度如圖5所示。由2G1C模塊收到的數據，經過數據處理，將與基站相關的數據存入到數據庫B中，經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緯度數據。

圖5 CDMA基站定位原理示意圖

通過加載不同數字電子地圖，本基站監測系統可對全國各地的基站進行定位，通過注冊外網可以監測邊境基站。采用多組數據定位計算求取均值可減小定位誤差。

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