張笑非，劉慶華，劉 鎮(zhèn)

(江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于小基站的校園位置服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張笑非，劉慶華，劉 鎮(zhèn)

(江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著小基站在校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的普及，研究基于小基站的位置服務(wù)是對(duì)位置服務(wù)在智慧校園中應(yīng)用的一種積極探索。該系統(tǒng)包含接入、交換、數(shù)據(jù)、服務(wù)四個(gè)子系統(tǒng)，分別由Femtocell基站、軟交換設(shè)備、小基站數(shù)據(jù)庫(kù)及校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)以及定位服務(wù)所構(gòu)成。定位服務(wù)根據(jù)基站的空中接口參數(shù)將其信號(hào)覆蓋區(qū)域表示成符合OGC規(guī)范的緩沖區(qū)對(duì)象，利用空間推理技術(shù)計(jì)算出校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中與緩沖區(qū)對(duì)象關(guān)聯(lián)的道路、建筑等空間要素，將接入特定基站的移動(dòng)站與相應(yīng)的空間要素關(guān)聯(lián)，從而計(jì)算用戶所在的場(chǎng)所及軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理選擇小基站的放置地點(diǎn)以及參數(shù)設(shè)置，將信號(hào)覆蓋范圍關(guān)聯(lián)的空間要素?cái)?shù)量控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)就能在盡量不侵犯?jìng)€(gè)人隱私的前提下，較細(xì)粒度地為校園內(nèi)人員分布和個(gè)人行為統(tǒng)計(jì)提供支持。

小基站；位置服務(wù)；緩沖區(qū)；空間推理

0 引 言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及小基站(Small Cell)的普及，為新形態(tài)的校園位置服務(wù)框架提供了條件。2016年小基站部署市場(chǎng)狀態(tài)報(bào)告[1]顯示，截止到2015年10月，小基站的市場(chǎng)裝配量已達(dá)到1 330萬(wàn)臺(tái)，其中2015年的城市裝配量增長(zhǎng)了280%，企業(yè)裝配量也增加了一倍。從區(qū)域裝配量來(lái)看，中國(guó)的裝配總量也接近整個(gè)北美市場(chǎng)的1/3。小基站作為3G/4G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)的深度覆蓋，結(jié)合軟交換等技術(shù)也可為校園提供內(nèi)部電話服務(wù)。因此，研究小基站在校園網(wǎng)中的應(yīng)用，以及如何在此基礎(chǔ)上提供位置服務(wù)，將成為校園位置服務(wù)研究的又一個(gè)熱點(diǎn)。

目前，GPS、WiFi等主要的無(wú)線定位方法都已應(yīng)用在校園位置服務(wù)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。文獻(xiàn)[2]討論了高校數(shù)字校園位置服務(wù)體系。文獻(xiàn)[3]基于校園網(wǎng)的WLAN環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)校園無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境下的位置服務(wù)系統(tǒng)框架。文獻(xiàn)[4]介紹了幾種適合校園使用的無(wú)線定位方法及位置服務(wù)在校園和教學(xué)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5-6]均探討了室外GPS定位技術(shù)與室內(nèi)WiFi定位技術(shù)在校園位置服務(wù)中的應(yīng)用。

小基站具有專有頻段，不會(huì)出現(xiàn)WiFi密集布置時(shí)出現(xiàn)的干擾嚴(yán)重情況，與屬于主動(dòng)定位的GPS相比不需要用戶過(guò)多的操作。在基于小基站應(yīng)用在校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的情況下，在提供3G/4G深度覆蓋服務(wù)的同時(shí)，利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過(guò)校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)和空間推理技術(shù)，為校園位置服務(wù)提供較細(xì)粒度的定位功能。

1 校園LBS架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由接入子系統(tǒng)、交換子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、服務(wù)子系統(tǒng)組成。

圖1 校園位置服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

每個(gè)子系統(tǒng)都具有較高的獨(dú)立性，彼此間又能通過(guò)定義的接口進(jìn)行快速、有效的整合，這對(duì)于系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)展、模塊升級(jí)以及故障排查都非常有益。其中接入子系統(tǒng)與交換子系統(tǒng)通過(guò)SIP信令協(xié)議進(jìn)行通信，交換子系統(tǒng)與接入子系統(tǒng)共同完成IMS/SIP的主要功能；數(shù)據(jù)子系統(tǒng)通過(guò)交換子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口進(jìn)行基站及接入手機(jī)數(shù)據(jù)的讀??；服務(wù)子系統(tǒng)定位算法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站與空間要素的定位關(guān)聯(lián)計(jì)算。

(1)接入子系統(tǒng)：由校園內(nèi)部署的小基站構(gòu)成，用

于將校園內(nèi)用戶手機(jī)發(fā)出的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息呼叫至校園主干IP網(wǎng)絡(luò)，提供移動(dòng)通信與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。用戶在接入某小基站時(shí)，手機(jī)用戶的IMSI、ESN、MEID等信息將被小基站記錄，小基站通過(guò)SIP信令將這些信息傳送至交換子系統(tǒng)。校園內(nèi)采用的小基站是由Airvana生產(chǎn)的，該基站空中接口參數(shù)可以訪問(wèn)其TCP 56001端口。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)apache.commons.net.telnet庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有小基站的統(tǒng)一配置和管理。表1為其中一個(gè)小基站適配器alpha扇區(qū)的參數(shù)。

表1 某小基站alpha扇區(qū)參數(shù)

(2)交換子系統(tǒng)：提供基于SIP協(xié)議的呼叫控制功能，以及與接入無(wú)關(guān)的多種業(yè)務(wù)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以使用商用的IMS/SIP系統(tǒng)，如華為SoftX3000系統(tǒng)，或者使用開(kāi)源的Mobicents系統(tǒng)。如圖2所示，考慮到部署的靈活性，該子系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用Mobicents。Mobicents是一個(gè)開(kāi)源的通信平臺(tái)，能夠?qū)⒍喾N智能Web和多媒體應(yīng)用融合到一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施上[7]。該子系統(tǒng)將接入子系統(tǒng)中獲取的手機(jī)IMSI、ESN、MEID信息，以及小基站的發(fā)送功率、Cell ID、Network ID、System ID、Band-Class、PN-Offset等信息發(fā)送給服務(wù)子系統(tǒng)中的小基站數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 基于Mobicents的交換服務(wù)

(3)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)：提供位置服務(wù)核心功能模塊所依賴的兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)是小基站數(shù)據(jù)庫(kù)，另一個(gè)是校園地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。前者的數(shù)據(jù)由交換子系統(tǒng)提供，后者的數(shù)據(jù)通過(guò)OpenStreetMap[8]開(kāi)源地理數(shù)據(jù)獲得。OpenStreetMap提供了基于RESTful規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，即http://api.openstreetmap.org/，通過(guò)參數(shù)bounding box給出所需地理數(shù)據(jù)的一個(gè)經(jīng)緯度范圍。為了保證校園位置服務(wù)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)效果，該子系統(tǒng)基于文獻(xiàn)[9]中的方法，通過(guò)離線的方式事先將必要的地理數(shù)據(jù)下載并存儲(chǔ)在本地。

(4)服務(wù)子系統(tǒng)：根據(jù)基站的空中接口參數(shù)，將其信號(hào)覆蓋區(qū)域表示成符合OGC規(guī)范[10]的緩沖區(qū)對(duì)象，利用空間推理技術(shù)計(jì)算出校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中與該緩沖區(qū)對(duì)象關(guān)聯(lián)的道路、建筑等空間要素，并將接入特定基站的移動(dòng)站與相應(yīng)的空間要素關(guān)聯(lián)。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(tǒng)中表示向量幾何對(duì)象，作為ISO/IEC 13249-3:2011[11]標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容之一被大量使用在GIS系統(tǒng)中，在之后的空間推理運(yùn)算中可以方便地調(diào)用OGC提供的9交集模型空間關(guān)系運(yùn)算函數(shù)。

9交集模型[12]是一個(gè)描述兩個(gè)二維區(qū)域空間關(guān)系的拓?fù)淠Ｐ?，它將一個(gè)空間幾何對(duì)象A分成內(nèi)部Ao、邊界?A、外部Ae。當(dāng)需要表達(dá)兩個(gè)幾何對(duì)象A和B的空間關(guān)系時(shí)，可以用該模型對(duì)應(yīng)的3*3矩陣進(jìn)行表示。9交集模型能夠表示的空間關(guān)系包含Intersects、Touches、Crosses、Covers/CoveredBy、Contains/Within、Overlaps、Disjoint、Equals。每種關(guān)系對(duì)應(yīng)的矩陣模式不同，其中一些關(guān)系是存在包含關(guān)系的，比如A與B存在關(guān)系Touches，則兩者也必然存在關(guān)系Intersects。

2 定位方法

該系統(tǒng)最核心的功能是服務(wù)子系統(tǒng)中的定位功能，所采用的定位方法流程為：根據(jù)用戶移動(dòng)設(shè)備所接入小基站的ID，從小基站數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢到最新的基站坐標(biāo)及信號(hào)功率，并以此計(jì)算小基站信號(hào)覆蓋范圍，確定用戶可能在一個(gè)區(qū)域，如圖3(a)所示。這個(gè)區(qū)域用WKT表示的緩沖區(qū)來(lái)表示，緩沖區(qū)被廣泛應(yīng)用于GIS研究中[13-14]；將小基站信號(hào)覆蓋區(qū)域與校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間要素進(jìn)行9交集模型運(yùn)算，判斷覆蓋區(qū)域與哪些空間要素關(guān)聯(lián)，如圖3(b)所示。當(dāng)用戶同時(shí)連接上多個(gè)基站時(shí)，返回這些空間要素及其信息，并對(duì)關(guān)聯(lián)的空間要素集合進(jìn)一步過(guò)濾出可能的空間要素，從而更加精確地確定用戶所在場(chǎng)所。

圖3 緩沖區(qū)與空間要素的關(guān)聯(lián)計(jì)算

該系統(tǒng)的定義如下：

定義1：LBS系統(tǒng)L=(C,B,F,R)是一個(gè)4元組。

定義2：C={c1,c2,…,cn}是校園位置服務(wù)系統(tǒng)中基站的集合，元素ci表示一個(gè)基站。

定義3：B={b1,b2,…,bn}是基站覆蓋區(qū)域的集合，bi是用WKT格式表示的一個(gè)圓圈，表示基站ci所覆蓋的范圍。元素bi對(duì)應(yīng)C中的元素ci，基站ci的覆蓋半徑可由其發(fā)射功率計(jì)算得到，并將半徑作為OGC標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)ci.Buffer(radius)的輸入?yún)?shù)，得到bi所對(duì)應(yīng)的WKT格式數(shù)據(jù)。

定義4：F={f1,f2,…,fm}是地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中空間要素的集合，元素fi通過(guò)WKT格式進(jìn)行表示。

定義5：R={r1,r2,…,rn}是一個(gè)集合的集合，元素ri是F中所有與元素bi空間關(guān)聯(lián)的元素所構(gòu)成的集合，即ri={fi1,fi2,…,fij}，且ri?F。

定義6：fi與bj空間關(guān)聯(lián)，當(dāng)且僅當(dāng)fi.Intersects(bj)=true。函數(shù)Intersects是基于DE9IM模型的OGC標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

定位功能中，緩沖區(qū)與校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間要素進(jìn)行的空間關(guān)聯(lián)算法設(shè)計(jì)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(shí) 驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)收集并計(jì)算了校園內(nèi)部署的小基站、在不同發(fā)射功率下關(guān)聯(lián)的空間要素?cái)?shù)據(jù)。將基站部署在校園的四個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)，基站使用的是800 MHz的Band Class 0頻段，初始發(fā)送功率為10 dBm。中國(guó)國(guó)內(nèi)電信行業(yè)一般規(guī)定手機(jī)的城市信號(hào)最低標(biāo)準(zhǔn)邊緣為-90 dBm、鄉(xiāng)村信號(hào)最低標(biāo)準(zhǔn)邊緣為-94 dBm。通過(guò)發(fā)送功率、最低接收標(biāo)準(zhǔn)邊緣、自由空間損耗計(jì)算公式，以及信號(hào)的頻率，結(jié)合路測(cè)工具估算出基站信號(hào)的近似覆蓋半徑?；镜淖鴺?biāo)和覆蓋半徑參數(shù)被記錄到小基站數(shù)據(jù)庫(kù)中用于定位分析。

圖4 基站部署與測(cè)試

3.2結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)小基站的功率進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合自由空間損耗計(jì)算公式與路測(cè)結(jié)果估算其近似覆蓋半徑，與校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位服務(wù)計(jì)算，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 關(guān)聯(lián)空間要素的分析結(jié)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(wù)中可能關(guān)聯(lián)的空間要素?cái)?shù)量也在增加。具體的數(shù)值會(huì)由基站的部署地點(diǎn)，以及周邊道路、建筑數(shù)量和分布決定。

因此，綜合校園內(nèi)小基站通信服務(wù)需求和定位服務(wù)需求，合理選擇小基站的放置地點(diǎn)以及參數(shù)設(shè)置，將小基站信號(hào)覆蓋范圍關(guān)聯(lián)的空間要素?cái)?shù)量控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，就可以在較細(xì)粒度上對(duì)移動(dòng)站進(jìn)行定位。一個(gè)小基站特定時(shí)段接入的移動(dòng)站數(shù)量，可以統(tǒng)計(jì)出附近場(chǎng)所的人員分布；一個(gè)移動(dòng)站不同時(shí)段接入的小基站序列，可以統(tǒng)計(jì)出該移動(dòng)站用戶的行為特征。

4 結(jié)束語(yǔ)

探索小基站定位技術(shù)在校園位置服務(wù)中的應(yīng)用，是對(duì)GPS和WiFi定位技術(shù)的一種補(bǔ)充和拓展。該系統(tǒng)利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過(guò)將校園地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間要素和基站覆蓋區(qū)域進(jìn)行抽象表達(dá)，利用空間推理技術(shù)將接入特定基站的移動(dòng)站與相應(yīng)的空間要素相關(guān)聯(lián)，為特定場(chǎng)所用戶分布及軌跡分析提供必要支撐，從而提供較細(xì)粒度的校園內(nèi)位置服務(wù)，為智慧校園的建設(shè)提供了高附加值內(nèi)涵要素。

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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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-08-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008143)

張笑非(1980-)，男，講師，碩士，從事通信技術(shù)和位置服務(wù)科研與教學(xué)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