郭英龍，賽景波，樂(lè)麗琴，楊善景，曹速成

(北京工業(yè)大學(xué) 電控學(xué)院，北京 100124)

移動(dòng)通信基站是組成通信網(wǎng)絡(luò)的最小單元。如何規(guī)劃移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到對(duì)基站數(shù)量與效率的最優(yōu)配置，對(duì)實(shí)現(xiàn)效率與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置尤為關(guān)鍵。對(duì)某區(qū)域已建成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能評(píng)估，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)已有的基站進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的合理布局。本文介紹以GSM[1-2]和CDMA[3-5]模塊為基礎(chǔ)構(gòu)建一個(gè)基站定位系統(tǒng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與簡(jiǎn)要工作流程

本系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊組成。信號(hào)采集模塊分為基站信號(hào)收集模塊和GPS信號(hào)收集模塊?；拘盘?hào)采集模塊由GSM/CDMA模塊構(gòu)成；GPS信號(hào)收集模塊為串口的GPS接收機(jī)。GSM/CDMA模塊和GPS接收機(jī)通過(guò)串口服務(wù)器與應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)基站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作流程∶(1)數(shù)據(jù)收集和行車(chē)軌跡描繪部分[6]：信號(hào)采集模塊通過(guò)串口與應(yīng)用程序通信。啟動(dòng)應(yīng)用程序，首先配置串口屬性，初始化數(shù)字電子地圖界面，應(yīng)用程序通過(guò)串口向GSM和CDMA模塊發(fā)送AT指令，完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，返回基站信息。應(yīng)用程序分析返回的基站信息并將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將基站監(jiān)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息作為基站信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用程序內(nèi)設(shè)定時(shí)器，每5 s輪流訪問(wèn)1次基站；應(yīng)用程序通過(guò)查詢方式讀取GPS信息，如果GPS對(duì)應(yīng)串口輸入緩沖區(qū)接收字符大于100，則讀取 1次GPS信息，并將經(jīng)緯度信息以位圖的方式在數(shù)字電子地圖上顯示。(2)信號(hào)處理模塊完成基站定位計(jì)算、基站定位顯示、行車(chē)軌跡回放等功能。停止信號(hào)基站和GPS信號(hào)采集，選擇待定位對(duì)象(移動(dòng)GSM基站、聯(lián)通GSM基站、聯(lián)通 CDMA基站)，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)測(cè)信息，統(tǒng)計(jì)基站根據(jù)不同的定位原理計(jì)算基站實(shí)際經(jīng)緯度，最后將基站位置在數(shù)字電子地圖上顯示。

2 應(yīng)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(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。發(fā)送AT指令可控制移動(dòng)臺(tái)，用戶可以通過(guò)AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。本系統(tǒng)使用的AT+CCED(小區(qū)環(huán)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(duì)應(yīng)小區(qū)環(huán)境信息。本設(shè)計(jì)采用AT+CCED=0，15，輸出GSM基站小區(qū)所有信息。主小區(qū)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(duì)應(yīng)小區(qū)環(huán)境信息。本設(shè)計(jì)采用 AT+CCED=0，9。輸出CDMA基站小區(qū)所有信息。主小區(qū)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(yīng)用程序通過(guò)定時(shí)的方式輪流訪問(wèn)移動(dòng)GSM基站、聯(lián)通GSM基站、聯(lián)通CDMA基站。應(yīng)用程序通過(guò)串口向 GSM/CDMA模塊發(fā)送 AT+CCED=X，X，GSM/CDMA模塊返回主小區(qū)及鄰小區(qū)信息，應(yīng)用程序分析返回信息，抽取小區(qū)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

基站數(shù)據(jù)讀取流程如圖2所示。

圖2 基站數(shù)據(jù)讀取流程

3 基站定位原理

3.1 GSM三點(diǎn)法定位原理

3.1.1 GSM基站主小區(qū)主要參數(shù)描述

CID：某區(qū)域 GSM基站所對(duì)應(yīng)的小區(qū) ID；TA：時(shí)間前置量(Time Advance)，顯示手機(jī)和基站間距離，該數(shù)值乘以500可換算為米，不過(guò)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(hào)接收強(qiáng)度，單位為 dBm，范圍從-110～0；TxPwr：顯示通話中手機(jī)的功率發(fā)射強(qiáng)度(Power Level)，顯示范圍為 0～19。移動(dòng)監(jiān)測(cè)基站與GSM基站的距離計(jì)算公式：

式中，M為射頻信號(hào)衰減系數(shù)；N為發(fā)射功率衰減系數(shù)。

地球表面任意兩點(diǎn)(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(diǎn)的經(jīng)緯度。

3.1.2 基于移動(dòng)基站的三點(diǎn)法定位的原理

應(yīng)用三點(diǎn)定位法對(duì)GSM基站定位。如圖3所示，取GSM基站任意小區(qū)內(nèi)的3個(gè)點(diǎn) A、B、C(3個(gè)點(diǎn)要求不在一條直線上)，可知：3個(gè)點(diǎn)的位置信息(經(jīng)緯度和TA值)；3個(gè)點(diǎn)到基站的距離 OA、OB、OC；3個(gè)點(diǎn)之間的距離AB、AC、BC，通過(guò)XY坐標(biāo)系可以求解基站的坐標(biāo)。O為基站(BS)所在的位置；C1、C2、C3為基站(BS)的 3個(gè)小區(qū)；A、B、C為小區(qū)內(nèi)的任意不在一條直線上的 3個(gè)點(diǎn)；A、B、C 三 點(diǎn) 處 TA、RxL、Txpower以 及 經(jīng) 緯 度 (LonX，LatX)為可知量。 由公式(1)、(2)得：

坐標(biāo)變換如圖4所示，經(jīng)緯度坐標(biāo)與平面XY坐標(biāo)進(jìn)行變換。將A點(diǎn)投影到平面直角坐標(biāo)原點(diǎn)，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(jù)三角關(guān)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(biāo)轉(zhuǎn)換

3.2 CDMA基站四點(diǎn)定位原理

CDMA定位區(qū)別于GSM定位。以CDMA基站為圓心，認(rèn)為在該圓心的等圓面上接收信號(hào)的強(qiáng)度是相同的，從監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)中，取兩組強(qiáng)度相同的同一基站的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則基站必然在兩組點(diǎn)的中垂線的交點(diǎn)上。對(duì)于二維平面上的2條直線，交點(diǎn)處的坐標(biāo)可以通過(guò)解線性方程的方法來(lái)得到交點(diǎn)的坐標(biāo)。

基站數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了基站的有用信息，如基站身份識(shí)別SID、監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)找到同一基站下強(qiáng)度兩兩相等的兩組經(jīng)緯度信息，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到基站的位置。對(duì)這兩組信息的處理有2種方式：

(1)將得到的經(jīng)緯度信息投影到平面坐標(biāo)上，將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，然后計(jì)算出基站的實(shí)際位置的平面坐標(biāo)，再將平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度，最后將基站的經(jīng)緯度描繪在電子地圖上。

(2)將經(jīng)緯度坐標(biāo)近似為平面坐標(biāo)。因?yàn)樵诤苄〉姆秶鷥?nèi)，可以視經(jīng)緯度的變化是線性的，然后直接應(yīng)用公式進(jìn)行計(jì)算得到基站的經(jīng)緯度。理論上應(yīng)將高斯-克呂格投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面投影坐標(biāo)，然后通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，旋轉(zhuǎn)、縮放，轉(zhuǎn)換為電子地圖平面直角坐標(biāo)。最后，將平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所需顯示的像素點(diǎn)坐標(biāo)。但是經(jīng)過(guò)實(shí)際編程測(cè)試，由高斯正變換轉(zhuǎn)化完成的坐標(biāo)點(diǎn)，再由高斯反變換轉(zhuǎn)化回去，與實(shí)際值誤差相距太大。由于監(jiān)測(cè)面積占全世界地圖的比例很小，本系統(tǒng)把監(jiān)測(cè)點(diǎn)所覆蓋的面近似為XY直角坐標(biāo)平面，將經(jīng)緯度信息認(rèn)為是該平面上的坐標(biāo)，通過(guò)解線性方程解出基站的坐標(biāo)。由X-Y坐標(biāo)系上4個(gè)點(diǎn)的列坐標(biāo)方程，解出基站的位置坐標(biāo)，這里直接給出結(jié)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(qiáng)度相同的經(jīng)緯度如圖5所示。由2G1C模塊收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將與基站相關(guān)的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)B中，經(jīng)過(guò)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(gè)基站的位置，必須是同一個(gè)基站的兩兩強(qiáng)度相同的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

圖5 CDMA基站定位原理示意圖

通過(guò)加載不同數(shù)字電子地圖，本基站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)全國(guó)各地的基站進(jìn)行定位，通過(guò)注冊(cè)外網(wǎng)可以監(jiān)測(cè)邊境基站。采用多組數(shù)據(jù)定位計(jì)算求取均值可減小定位誤差。

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