Android平臺手機定位技術及無線寬帶測速數據采集的系統設計

青明基 中國信息通信研究院通信標準研究所助理工程師

卓安生 中國信息通信研究院通信標準研究所助理工程師

常 城 中國信息通信研究院通信標準研究所助理工程師

1 引言

隨著3G及4G的無線網絡建設和普及，無線網絡終端應用越來越豐富，用戶對無線網絡的帶寬服務要求也越來越高，特別是在當今信息大爆炸的時代，通過移動互聯網獲取手機視頻、網頁等信息已越來越重要，而承載這些信息必須依賴無線網絡，可見無線網絡帶寬速率的大小就顯得非常重要。本文就基于Android平臺的智能手機移動終端實現無線寬帶測速并結合手機終端定位技術LBS（Location Based Service）和GPS實現地理位置的無線寬帶的測速數據采集，并把采集來的測速數據共享給無線寬帶用戶和運營商，使用戶能切實體會無線網絡帶寬速率情況，從而為運營商提高和優化無線網絡服務質量提供了有效的數據支持。

2 基于Android平臺手機定位技術的研究

2.1 Android平臺智能手機定位技術

手機定位是依靠移動位置基站的服務（LBS），即用戶手機通過聯通、電信、移動運營商的無線電通訊網絡（如GSM、CDMA網）或外部定位方式（如GPS網絡）獲取移動終端用戶的位置信息（見圖1）。移動終端通過檢測移動終端和基站之間傳播信號的特征參數來獲得其幾何位置，根據進行定位估計位置的不同可分為兩種：基于移動終端定位和基于網絡定位。

圖1 定位技術架構

（1）基于移動終端定位

基于移動終端定位是根據目標與各通信基點通信時的相關位置信息來確定幾何位置，在蜂窩網絡中又叫作前向鏈路定位。移動終端定位技術包括全球定位系統（GPS）、基于移動終端發送/接收信號的定時或角度的覆蓋三角技術（TOA）以及起源蜂窩小區（COO）。

●全球定位系統（GPS）

GPS是由美國國防部在20世紀70年代開始聯合研制的新型衛星導航系統，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。它采納了子午儀系統的成功經驗，具有全球性、全天候、高精度三維定位的特點。GPS系統主要由3大部分組成：GPS衛星星座（空間部分）、地面監控系統（控制部分）和GPS信號接收機（用戶部分）。GPS的定位原理就是將高速運動的衛星瞬間位置作為已知的數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。

●三角定位技術

TOA（Time Of Arrival）基于測量信號從移動終端發送出去并到達消息測量單元（3個或更多基站）的時間來定位。移動臺位于以基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進行計算，移動臺的二維位置坐標可由3個圓的交點確定。與E-OTD不同的是，它沒有使用位置測量單元，因此必須通過與在基站上安裝了全球定位系統（GPS）或原子鐘的無線網絡之間的同步來實現。

●起源蜂窩小區COO（Cell Of Origin）

起源蜂窩小區定位技術是根據移動終端所處的小區標識號ID來確定用戶位置的。移動終端在當前小區注冊后，在系統的數據庫中就會有相對應小區的ID號。只要系統能夠把該小區基站設置的中心位置（在當地地圖中的位置）和小區的覆蓋半徑廣播給小區范圍內的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數據庫即可獲取位置信息。該定位方案的優點是無需對網絡和手機進行修改，響應時間短。該定位精度取決于小區的半徑。

（2）基于網絡定位

基于網絡定位是多個固定的通信基點接收目標發送的信號，根據其中相關的位置信息來確定目標的定位信息，在蜂窩網絡中又叫反向鏈路定位。該技術要求定位終端發送或廣播一些特定的信號，網絡系統負責收集這些信號并擔負起定位計算的任務。手機定位是基于網絡的實現，通過移動電信運營商的網絡固定通信基點獲取移動終端用戶的位置信息。該技術的實現原理是：收集對服務小區基站和周圍幾個基站進行測量的結果，算出測量數據之間的時間差，并用此計算用戶相對于基站的位置。增強型觀測時間差定位技術是基于網絡的定位方案，是目前使用最多的技術，也是歐洲電信標準化組織（ETSI）建議使用的主要技術。

2.2 Andriod手機定位要求

（1）網絡覆蓋能力

手機定位對基站的網絡覆蓋能力要求比較高，無論在室內還是室外，從高層建筑和地下設施必須保證信號能覆蓋到每個角落，其覆蓋率的定位范圍可分為3種：在整個本地網覆蓋、覆蓋部分本地網和提供漫游網絡服務類型。除了考慮覆蓋率外，網絡結構和動態變化的環境因素也可能使一個電信運營商無法保證在本地網絡或漫游網絡中的服務。

（2）定位精度

手機定位應該根據用戶服務需求的不同提供不同的精度服務，并可以提供給用戶選擇精度的權利。例如，美國FCC推出的定位精度在50m以內的概率為67%，定位精度在150m以內的概率為95%。定位精度一方面與采用的定位技術有關，另外還取決于提供業務的外部環境，包括無線電傳播環境、基站的密度和地理位置，以及定位所用設備等。

●移動基站定位精度

基于Andriod系統的智能手機移動終端，本身都提供相應的api，只要有信號就可以獲取相關基站的信息，具體描述如下：

——MobileNetworkCode（MNC）：移動網號碼。

——Mobile Country Code（MCC）：移動用戶所屬國家代號。

——LocationAreaCode（LAC）：地區區域碼。

——CellTowerID（CellID）：代表一個移動基站。

Andriod平臺能通過獲取的移動基站的CellID，再通過CellID從移動運營商那里獲取基站信息即可知道地理位置坐標的經緯度。表1即為移動基站定位精確誤差表。

表1 移動基站定位精確誤差表

●手機GPS定位精度

目前，大多數Android智能手機都擁有GPS硬件定位，終端開啟GPS功能，手機在查詢地圖定位的同時，也給地圖服務商提供了方向的定位數據，這些數據通過其內部的算法，即可獲得終端所在的經緯度。表2即為GPS定位精度誤差表。

表2 GPS定位精度誤差表

3 基于Android平臺移動無線寬帶系統設計

3.1 Android手機移動無線寬帶測速的系統架構實現

移動手機終端利用定位技術獲取手機所在的地理位置坐標，客戶端通過GPRS/3G/4G連接到Internate測速節點服務器，客戶端通過無線網絡實現無線寬帶測速，并把測速結果上報到數據采集服務器，用于構建無線寬帶測速數據庫，數據采集系統具體架構如圖2所示。

此系統架構的實現，打通了從無線寬帶測速、數據采集、再到數據分析的通道，運營商利用分析的數據能及時了解和掌握各個區域、街道無線網絡速率服務的情況。

3.2 Android手機移動無線寬帶測速要求

了解無線網絡性能需要建立測速節點的服務器，節點部署器的部署至關重要，移動終端和測速節點服務器建立通訊時，終端根據ping命令并計算訪問的延時率以獲取最近的節點服務器，節點服務器可以部署在本地ISP網或公共互連網或IDC機房。

（1）測速節點要求

測試節點必須滿足以下最低規格：

——雙核至強（2GHz的+）。

——4GB內存。

——80GB硬盤。

——千兆以太網連接，帶千兆上行鏈路。

——操作系統為CentOS/RHEL5.x/6.x。

——上行1GB的數據文件。

節點服務器開放多個TCP和UDP端口供測試使用。測試節點也必須對ICMP的ping響應請求。良好的網絡連接是關鍵，由于可能多個客戶端運行同時測試，雙千兆鏈路是可取的，同時測試節點保留測試結果，當開始一個測量周期，智能手機應用程序運行一個簡短的延遲測試。

（2）測速前提條件

在每次測速之前，客戶端的應用程序會檢查移動寬帶使用，如果設備傳輸率超過64kbit/s，則測速將被取消，這樣做的目的是保證測速的數據盡可能的客觀、真實。

圖2 數據采集系統結構

（3）測速計算方式

下面是使用3個并發連接一個多路連接的測試進行計算的例子，在測試中使用的每個連接計數目標的有效載荷的字節，在兩個時間點之間傳輸的數量，并且計算每個線程的速度傳送的字節數/時間（s）。

計算公式定義為：

S=速度（每秒字節數），B=字節（字節傳輸），C=時間（s）（測試時間），則：

S1=B1/C1（速度線程1計算）；S2=B2/C2（速度線程2計算）；S3=B3/C3（速度線程3計算）；速度=S1+S2+S3。

以3MB有效載荷值示例，則：

3.3 Android手機移動無線寬帶測速數據指標收集項

收集Android手機移動無線寬帶測速數據指標，具體情況見表3。

表3 Android手機移動無線寬帶測速數據指標

4 結束語

本文闡述了Android智能手機基于基站和GPS地理定位的要求和技術實現，結合無線寬帶測速軟件制定了無線寬帶網絡速率的數據指標采集，通過對采集的數據進行分析能得出某個區域運營商的無線網絡速率情況，進而便于運營商、用戶了解和掌握無線網絡服務質量情況，為無線運營商兌現承諾的無線網絡速率提供了參考依據。

1 移動寬帶測速.Samknows無線移動測速網.http：//www.samknows.com

2 移動基站定位.硅谷動力.http：//www.enet.com.cn/article/2007/0627/A20070627691562.shtml

3 手機定位.百度網.http：//baike.baidu.com/view/342946.htm