蜂窩網絡單基站定位技術的研究與實現

秦艷珊 寧彬 徐凱 谷瓊

摘 ?要： 基站定位已成為手機軟件研發的熱點。研究了手機蜂窩網絡通信原理、基站信息的獲取、單基站定位技術以及地圖標示的基本原理與實現方法。通過創建Json串、激活手機GPRS、訪問google服務器等獲取單基站的主要信息，進而獲得基站的經緯度，實現了手機定位技術。

關鍵詞： 蜂窩網絡; 單基站定位; 基站信息; 地圖標示

中圖分類號：TN965 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2015）07-20-03

Research and implementation of cellular network single base station positioning technology

Qin Yanshan1，2， Ning Bin 1， Xu Kai 2， Gu Qiong1，3

（1. School of Mathematics and Computer Science， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China;

2. School of Computing， China University of Geosciences; 3. Center for the Study of Logic and Intelligence）

Abstract： Base station positioning has become a hotspot of mobile software development， this paper studies the mobile cellular network communication principle， acquisition of base station information， single base station positioning technology， and the basic principle and realization method for map marking. By creating a Json string， activating mobile phone GPRS， accessing Google servers，the main information of single base station is obtained， then the latitude and longitude of the base station is obtained， and mobile phone positioning technology is realized.

Key words： cellular network; single base station positioning; base station information; map marking

0 引言

隨著第三代移動通信技術的飛速發展，基于蜂窩網絡的移動端定位技術成為了目前研究和應用的熱點，手機作為目前日常生活中的通信工具，被廣泛應用于其中。基站定位技術不僅應用于消費者自身的定位，而且用于緊急救援、汽車導航、智能交通、蜂窩系統優化設計等方面，實現對安全事故的及時反應，從而保障人民的生命和財產安全[1]。手機基站定位作為無需手機額外硬件只需軟件支持的功能軟件，其優點明顯，受到移動供應商及開發人員的親睞。

基站定位技術主要有：①COO（單基站定位），即根據設備當前連接的蜂窩基站的位置來確定設備的位置;②TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）都是基于電波傳播時間的定位方法，同時也都是三基站定位方法，二者的定位需要同時有三個已知位置的基站合作才能進行;③AOA（Angle of Arrival，到達角度）定位是一種兩基站定位方法，基于信號的入射角度進行定位;④基于場強的定位，該方法是通過測出接收到的信號場強和已知的信道衰落模型及發射信號的場強值估計收發信短的距離，根據多個三個距離值就可以得到設備的位置;⑤混合定位，就是同時使用兩種以上的定位方法來進行定位。本文采用COO（Cell of Origin，單基站定位）方法，通過連接Google服務器獲得單基站的主要信息，進而獲得基站地址和經緯度，并利用該信息在手機地圖上標出當前經緯度以及坐標，實現手機定位。

1 單基站定位技術原理

1.1 GSM蜂窩通信

GSM網絡包括移動業務交換中心MSC，基站系統BSS，以及移動臺MS[2]。蜂窩網絡中的移動臺處在“小區”中，每個BSS能提供一個或多個小區，這取決于廠商的設備。小區一般被畫作六邊形，但實際上小區是不規則形狀，這主要是受周圍地形干擾的影響或是取決于網絡規劃者的設計。小區全球識別碼（Cell Global Identity）主要由MCC、MNC、LAC、CELL_ID幾部分構成[3]。其中，LAC與CELL_ID之間的關系如圖1所示。

[

LAC＼&][CELL_ID

… …＼&]

圖1 ?LAC與CELL-ID關系

每個LAC包含多個基站小區，它們均為二字節編碼，共同確定一個基站位置信息。為了在同一地理區域內獲得更大的容量，可以采用一種稱為“扇區化”的技術，扇區化即是將一個基站分成多個小區，每個小區都有自己的發射和接收天線。扇區化的小區使用特制的定向天線，使該小區發射的無線電波集中在一個特定的方向上[4]。這樣做可以使小區發射的無線電波能量集中到了一個更小的區域如60度，120度，而不是以360度全向發射，便于獲得更強的信號，有利于“室內覆蓋”等。基站小區扇區化幾種方式如圖2所示。

圖2 ?基站小區扇區化

1.2 獲取基站信息的數據結構介紹

為了方便獲取基站信息，定義一個數據結構PS_BASIC_T如表1所示。

表1 ?基站信息數據結構

移動國家碼（MCC），中國的編碼為460;移動網碼（MNC），中國移動公司為00，而中國聯通公司為01;位置區域碼（LAC）和基站小區編碼（CELL-ID）可以共同確定惟一一個基站的位置信息;時間前置量（TA），顯示手機和基站間距離。該數值乘以500可換算為米，TA值范圍0～63。定義獲取當前基站信息的API函數為：MNPHONE_GetCurrentPLMNInfoEx （MN_DUAL_SYS_E）。通過此函數可以獲得數據結構PS_BASIC_T中結構體成員變量的值，其中MN_DUAL_SYS_E為一枚舉類型，取值范圍為MN_DUAL_SYS_1和MN_DUAL_SYS_2，分別表示SIM卡1和SIM卡2。

1.3 單基站定位技術流程

單基站定位技術的基本流程如圖3所示。

[開始][手機搜索進入GSM網][開啟定位][獲取基站cell-id][獲取基站經緯度][地圖顯示當前位置][結束并返回]

圖3 ?單基站定位基本流程

基站定位技術是基于蜂窩網絡的無線定位技術。由于每個基站都有其惟一的CELL-ID，手機每次開機入網時工程模式中的信息被儲存在手機內存的特定區域。通過基站定位得到工程模式中的CELL-ID、LAC（位置區編碼）、TA（經緯度）等一些參數，并將CELL-ID與基站所在的地區相對應，其中還需要一個數據庫的支持，這個數據庫是CELL-ID、LAC與具體的基站位置間的對應，通過CELL-ID、LAC可以在這個數據庫中查處相應的基站位置[5]，它可以是本地創建的數據庫，也可以同網上服務器鏈接，訪問數據庫得到基站位置的詳細信息。本研究選擇的是google服務器（http：//www.google.com/loc/json）。

基站的位置確定后，通過TA換算得到移動臺距離基站的大概距離。根據移動臺與基站的大概距離就可得到移動臺所處的軌跡如圖4所示。

[酒店][大樓] [商店] [cell-id] [TA×500] [市場][Phone] [某某大道]

圖4 ?移動臺位置確定原理圖

2 基站定位軟件的實現

2.1 獲取基站地址及經緯度

基站地址及經緯度信息的獲取是通過訪問google服務器獲得的，其流程如下。

⑴ 創建Json串

Json的全稱是JavaScript Object Notation，是一種輕量級的數據交換格式。Json易于人編寫和閱讀，易于機器生成和解析，它完全獨立于編程語言，使用文本格式保存[6]。本文采用C語言組合創建Json串，創建Json串默認的為中國移動的基站信息。

⑵ 激活手機GPRS

MNGPRS_SetAndActivePdpContextEx（）為激活手機GPRS的API函數，激活GPRS，需要開通相關業務。

⑶ 連接google服務器

連接到google服務器并不是直接和其連接，而是通過代理服務器連接（中國移動為“cmwap”）。同代理服務器連接成功后，向其發送http請求，代理服務器將代為訪問目的服務器，再將收到的信息發送到手機客服端。

⑷ POST發送請求報文

向http服務器發送請求報文有多種方式，常見的有三種方式，定義枚舉類型HTTP_METHOD，如表2所示。

表2 ?http請求方式

[成員變量＼&成員變量說明＼&GET＼&請求讀取由URL標志的信息＼&HEAD＼&請求方式請求讀取由URL所標志的信息的首部＼&POST＼&給服務器添加信息＼&]

URL是用來表示從因特網上得到的資源位置和訪問這些資源的方法。HTTP的URL的一般形式是：http：//<主機>：<端口>/<路徑>。HTTP的默認端口號為80，通常可省略。本研究訪問的URL為：http：//www.google.com/loc/json。HTTP的報文結構有：請求報文和響應報文。它們都由開始行、首部行、實體主體三部分組成。開始行用于區分這兩種報文，首部行用來說明瀏覽器、服務器或報文主體的一些信息，實體主體在請求報文中一般不使用這個字段，而在響應報文中也可能沒有這個字段[7]，本研究的基站信息Json串就位于此字段。

⑸ 接收google響應報文（圖5）

[創建定時器][定時器監聽socket][是否有數據] [調用回調函數接收][是否都接收] [關閉socket][關閉定時器][結束] [是][是] [否][否]

圖5 ?接收響應報文

圖6 ?google返回Json串格式

接收響應報文需要時刻監聽socket中是否有數據到來，如果有則接收，直到將響應報文中的所有內容接收完畢。如果接收數據較多則需不停調用回調函數，回調函數中標識HTTP事件狀態的成員變量應包括連接事件、發送數據事件、接收頭部事件、接收報文實體事件、緩存區溢出事件、報文接收完事件以及關閉連接。接收報文時，首先接收報文頭部，必須先對報文首部字段的“content-type”和“content-length”進行解析。“content-type”判斷報文實體部分的文本類型，便于對其進行解碼;“content-length”判斷報文實體部分所占空間大小，便于分配內存接收數據。其流程如圖7。

⑹ 解析返回Json串

解析google返回的Json串實際是從報文實體文本類型中提取有用信息，google返回的Json串格式如圖8所示，在解析時通過編程提取有用信息并連接起來組成基站地址。

2.2 地圖標示

2.2.1 地圖標示的基本原理

地圖是由許多的相同大小的圖片按照一定的規律拼湊起來的。在地圖上顯示位置，實際上是在圖片上畫出所在地方的點。這個點的位置是根據圖片的經緯度信息和基站所在經緯度的值計算出來的。地圖共分“四層”，可以放大縮小，越往下一層，圖片給出的地址信息越詳細。每點擊放大，便調出下一層中對應的圖片，將其顯示出來，反之，縮小則調出上一層中對應的圖片。每點擊上下左右鍵，地圖便相應的移動，所在位置的點也會隨之移動。因為每張圖片的大小確定，所以在移動時如若到達圖片的邊緣，則會調用對應相鄰的圖片顯示。

2.2.2 地圖標示的實現方法

定義一個結構體IMAGE_INFO_T用來描述每張圖片的信息。結構體應包含每張圖片的橫向縱向序號、寬度、高度、經緯度等。在調用每張圖片時，必須對其顯示區域初始化。變量image_rect為結構體類型GUI_RECT_T，四個成員變量left、right、top、bottom分別表示區域左、右、頂端和底部坐標。當坐標點不在圖片上時，便做相應的調整。display_point為顯示位置的點，當顯示區域變化時，顯示點也要做相應的變化。對地圖進行放大縮小，實際上是對層數和圖片的更換。讓地圖上下左右移動，實際是每點擊一次移動鍵，立馬更新圖片的顯示區域，如果到達一張圖片的邊緣，則換相鄰圖片。

2.3 實驗結果

將程序拷入手機中，安裝SIM卡并開通GPRS業務，進入基站定位主界面，點擊“查詢”出現界面如圖7所示，點擊“刷新”鍵，手機重新對當前位置進行定位。如果要用地圖顯示當前位置，則點擊“地圖”鍵，地圖顯示效果如圖8所示，通過放大/縮小鍵更進一步定位。

圖7 ?基站定位結果 ? ? ? ? ?圖8 ?地圖顯示效果

3 結束語

本文研究了單基站定位技術的實現原理以及技術流程，通過單基站定位技術獲取手機當前地址以及經緯度信息，并進一步介紹了將當前地址標示在地圖上的基本原理和實現方法，最終實現對移動端的定位。通過實驗手機定位和地圖標示驗證了本技術的有效性，可為手機定位提供一定程度上的幫助，但該方法只能用于手機基站定位的粗定位，對于精確定位技術有待進一步探索與研究。

參考文獻：

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[5] Robert Berezdivin， Robert Breinig， and Randy Topp，Raytheon.

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[6] 李德賢，陸歌皓，姚紹文.JSON-RPC協議分析、擴展及其應用[J].中

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