基于小基站的校園位置服務系統設計

張笑非，劉慶華，劉 鎮

(江蘇科技大學 計算機學院，江蘇 鎮江 212003)

基于小基站的校園位置服務系統設計

張笑非，劉慶華，劉 鎮

(江蘇科技大學 計算機學院，江蘇 鎮江 212003)

隨著小基站在校園無線網絡構建中的普及，研究基于小基站的位置服務是對位置服務在智慧校園中應用的一種積極探索。該系統包含接入、交換、數據、服務四個子系統，分別由Femtocell基站、軟交換設備、小基站數據庫及校園地理數據庫以及定位服務所構成。定位服務根據基站的空中接口參數將其信號覆蓋區域表示成符合OGC規范的緩沖區對象，利用空間推理技術計算出校園地理數據庫中與緩沖區對象關聯的道路、建筑等空間要素，將接入特定基站的移動站與相應的空間要素關聯，從而計算用戶所在的場所及軌跡。實驗結果表明，合理選擇小基站的放置地點以及參數設置，將信號覆蓋范圍關聯的空間要素數量控制在一個合理的范圍內，該系統就能在盡量不侵犯個人隱私的前提下，較細粒度地為校園內人員分布和個人行為統計提供支持。

小基站；位置服務；緩沖區；空間推理

0 引 言

移動互聯網的快速發展以及小基站(Small Cell)的普及，為新形態的校園位置服務框架提供了條件。2016年小基站部署市場狀態報告[1]顯示，截止到2015年10月，小基站的市場裝配量已達到1 330萬臺，其中2015年的城市裝配量增長了280%，企業裝配量也增加了一倍。從區域裝配量來看，中國的裝配總量也接近整個北美市場的1/3。小基站作為3G/4G網絡的重要組成部分，可以實現校園內的深度覆蓋，結合軟交換等技術也可為校園提供內部電話服務。因此，研究小基站在校園網中的應用，以及如何在此基礎上提供位置服務，將成為校園位置服務研究的又一個熱點。

目前，GPS、WiFi等主要的無線定位方法都已應用在校園位置服務的設計當中。文獻[2]討論了高校數字校園位置服務體系。文獻[3]基于校園網的WLAN環境，實現了一個校園無線局域網環境下的位置服務系統框架。文獻[4]介紹了幾種適合校園使用的無線定位方法及位置服務在校園和教學中的應用。文獻[5-6]均探討了室外GPS定位技術與室內WiFi定位技術在校園位置服務中的應用。

小基站具有專有頻段，不會出現WiFi密集布置時出現的干擾嚴重情況，與屬于主動定位的GPS相比不需要用戶過多的操作。在基于小基站應用在校園無線網絡構建的情況下，在提供3G/4G深度覆蓋服務的同時，利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過校園地理數據庫和空間推理技術，為校園位置服務提供較細粒度的定位功能。

1 校園LBS架構

系統架構如圖1所示，由接入子系統、交換子系統、數據子系統、服務子系統組成。

圖1 校園位置服務系統架構

每個子系統都具有較高的獨立性，彼此間又能通過定義的接口進行快速、有效的整合，這對于系統今后的功能擴展、模塊升級以及故障排查都非常有益。其中接入子系統與交換子系統通過SIP信令協議進行通信，交換子系統與接入子系統共同完成IMS/SIP的主要功能；數據子系統通過交換子系統的數據訪問接口進行基站及接入手機數據的讀??；服務子系統定位算法實現移動站與空間要素的定位關聯計算。

(1)接入子系統：由校園內部署的小基站構成，用

于將校園內用戶手機發出的語音和數據信息呼叫至校園主干IP網絡，提供移動通信與移動互聯網服務。用戶在接入某小基站時，手機用戶的IMSI、ESN、MEID等信息將被小基站記錄，小基站通過SIP信令將這些信息傳送至交換子系統。校園內采用的小基站是由Airvana生產的，該基站空中接口參數可以訪問其TCP 56001端口。因此，整個系統可以通過apache.commons.net.telnet庫實現對所有小基站的統一配置和管理。表1為其中一個小基站適配器alpha扇區的參數。

表1 某小基站alpha扇區參數

(2)交換子系統：提供基于SIP協議的呼叫控制功能，以及與接入無關的多種業務。實現過程中可以使用商用的IMS/SIP系統，如華為SoftX3000系統，或者使用開源的Mobicents系統。如圖2所示，考慮到部署的靈活性，該子系統在實驗過程中使用Mobicents。Mobicents是一個開源的通信平臺，能夠將多種智能Web和多媒體應用融合到一個基礎設施上[7]。該子系統將接入子系統中獲取的手機IMSI、ESN、MEID信息，以及小基站的發送功率、Cell ID、Network ID、System ID、Band-Class、PN-Offset等信息發送給服務子系統中的小基站數據庫。

圖2 基于Mobicents的交換服務

(3)數據子系統：提供位置服務核心功能模塊所依賴的兩個數據庫，一個是小基站數據庫，另一個是校園地理信息數據庫。前者的數據由交換子系統提供，后者的數據通過OpenStreetMap[8]開源地理數據獲得。OpenStreetMap提供了基于RESTful規范的數據訪問接口，即http://api.openstreetmap.org/，通過參數bounding box給出所需地理數據的一個經緯度范圍。為了保證校園位置服務系統的用戶體驗效果，該子系統基于文獻[9]中的方法，通過離線的方式事先將必要的地理數據下載并存儲在本地。

(4)服務子系統：根據基站的空中接口參數，將其信號覆蓋區域表示成符合OGC規范[10]的緩沖區對象，利用空間推理技術計算出校園地理數據庫中與該緩沖區對象關聯的道路、建筑等空間要素，并將接入特定基站的移動站與相應的空間要素關聯。空間要素的表示方式使用的是OGC定義的WKT(Well-Known Text,熟知文本)，用于在地圖和空間參考系統中表示向量幾何對象，作為ISO/IEC 13249-3:2011[11]標準中的內容之一被大量使用在GIS系統中，在之后的空間推理運算中可以方便地調用OGC提供的9交集模型空間關系運算函數。

9交集模型[12]是一個描述兩個二維區域空間關系的拓撲模型，它將一個空間幾何對象A分成內部Ao、邊界?A、外部Ae。當需要表達兩個幾何對象A和B的空間關系時，可以用該模型對應的3*3矩陣進行表示。9交集模型能夠表示的空間關系包含Intersects、Touches、Crosses、Covers/CoveredBy、Contains/Within、Overlaps、Disjoint、Equals。每種關系對應的矩陣模式不同，其中一些關系是存在包含關系的，比如A與B存在關系Touches，則兩者也必然存在關系Intersects。

2 定位方法

該系統最核心的功能是服務子系統中的定位功能，所采用的定位方法流程為：根據用戶移動設備所接入小基站的ID，從小基站數據庫中查詢到最新的基站坐標及信號功率，并以此計算小基站信號覆蓋范圍，確定用戶可能在一個區域，如圖3(a)所示。這個區域用WKT表示的緩沖區來表示，緩沖區被廣泛應用于GIS研究中[13-14]；將小基站信號覆蓋區域與校園地理數據庫中的空間要素進行9交集模型運算，判斷覆蓋區域與哪些空間要素關聯，如圖3(b)所示。當用戶同時連接上多個基站時，返回這些空間要素及其信息，并對關聯的空間要素集合進一步過濾出可能的空間要素，從而更加精確地確定用戶所在場所。

圖3 緩沖區與空間要素的關聯計算

該系統的定義如下：

定義1：LBS系統L=(C,B,F,R)是一個4元組。

定義2：C={c1,c2,…,cn}是校園位置服務系統中基站的集合，元素ci表示一個基站。

定義3：B={b1,b2,…,bn}是基站覆蓋區域的集合，bi是用WKT格式表示的一個圓圈，表示基站ci所覆蓋的范圍。元素bi對應C中的元素ci，基站ci的覆蓋半徑可由其發射功率計算得到，并將半徑作為OGC標準函數ci.Buffer(radius)的輸入參數，得到bi所對應的WKT格式數據。

定義4：F={f1,f2,…,fm}是地理信息數據庫中空間要素的集合，元素fi通過WKT格式進行表示。

定義5：R={r1,r2,…,rn}是一個集合的集合，元素ri是F中所有與元素bi空間關聯的元素所構成的集合，即ri={fi1,fi2,…,fij}，且ri?F。

定義6：fi與bj空間關聯，當且僅當fi.Intersects(bj)=true。函數Intersects是基于DE9IM模型的OGC標準函數。

定位功能中，緩沖區與校園地理數據庫中的空間要素進行的空間關聯算法設計如下：

function CALCULATERELATEDFEATURES(ci,F)

ri=?

bi=ci.buffer(RADIUS(ci.TXpower))

forj=0→mdo

iffi.intersects(bi) then

insertfiintori

else

continue

end if

end for

returnri

end function

3 實 驗

3.1實驗數據獲取

如圖4所示，實驗收集并計算了校園內部署的小基站、在不同發射功率下關聯的空間要素數據。將基站部署在校園的四個不同測試點，基站使用的是800 MHz的Band Class 0頻段，初始發送功率為10 dBm。中國國內電信行業一般規定手機的城市信號最低標準邊緣為-90 dBm、鄉村信號最低標準邊緣為-94 dBm。通過發送功率、最低接收標準邊緣、自由空間損耗計算公式，以及信號的頻率，結合路測工具估算出基站信號的近似覆蓋半徑?；镜淖鴺撕透采w半徑參數被記錄到小基站數據庫中用于定位分析。

圖4 基站部署與測試

3.2結果分析

通過對小基站的功率進行調整，結合自由空間損耗計算公式與路測結果估算其近似覆蓋半徑，與校園地理數據庫中的數據進行定位服務計算，得到的結果如圖5所示。

圖5 關聯空間要素的分析結果

可以看到，隨著基站功率的增加，其覆蓋半徑也不斷增加，定位服務中可能關聯的空間要素數量也在增加。具體的數值會由基站的部署地點，以及周邊道路、建筑數量和分布決定。

因此，綜合校園內小基站通信服務需求和定位服務需求，合理選擇小基站的放置地點以及參數設置，將小基站信號覆蓋范圍關聯的空間要素數量控制在一個合理的范圍內，就可以在較細粒度上對移動站進行定位。一個小基站特定時段接入的移動站數量，可以統計出附近場所的人員分布；一個移動站不同時段接入的小基站序列，可以統計出該移動站用戶的行為特征。

4 結束語

探索小基站定位技術在校園位置服務中的應用，是對GPS和WiFi定位技術的一種補充和拓展。該系統利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過將校園地理數據庫中的空間要素和基站覆蓋區域進行抽象表達，利用空間推理技術將接入特定基站的移動站與相應的空間要素相關聯，為特定場所用戶分布及軌跡分析提供必要支撐，從而提供較細粒度的校園內位置服務，為智慧校園的建設提供了高附加值內涵要素。

[1] SmallCellForum.org.Market status report 2016[R/OL].2016-03-10.http://www.smallcellforum.org/site/wp-content/uploads/2016/03/050_Market_Status_Report_2016.pdf.

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DesignofCampusLocationServiceSystemBasedonSmallCellStations

ZHANG Xiao-fei，LIU Qing-hua，LIU Zhen

(School of Computer，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

With the popularity of small cells in the campus network construction,the research about location service based on small cell is a kind of active exploration for the application of location service on the smart campus.The system contains four subsystems,including access,switching,data and service,which are implemented by Femtocells,soft-switching devices,small cells and campus geospatial databases,and location service.The location service represents signal covering area as open geospatial consortium specified buffer object based on the parameters of cells’ air interface.It calculates the related spatial features from campus geospatial database with spatial reasoning technology,builds the relationships between small cells and mobile stations and computes the place and trajectory of users.The experimental results indicate that personnel distribution and individual behavior can be investigated at some accepted fine granular level,at the ground of rational siting of small cell stations and parameters setting within reasonable scopes,without the privacy violation at best effort.

small cell；location service；buffer；spatial reasoning

2016-07-01

2016-10-19 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-08-01

國家自然科學基金資助項目(51008143)

張笑非(1980-)，男，講師，碩士，從事通信技術和位置服務科研與教學工作。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170801.1549.010.html

TP302

A

1673-629X(2017)11-0201-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.043