移动通信基站定位系统

郭英龙，赛景波，乐丽琴，杨善景，曹速成

(北京工业大学 电控学院，北京 100124)

移动通信基站是组成通信网络的最小单元。如何规划移动通信网络的拓扑结构，达到对基站数量与效率的最优配置，对实现效率与经济优化配置尤为关键。对某区域已建成的网络进行性能评估，根据实际情况对已有的基站进行适当的调整，可以实现通信网络的合理布局。本文介绍以GSM[1-2]和CDMA[3-5]模块为基础构建一个基站定位系统系统。

1 系统组成与简要工作流程

本系统由信号采集模块和信号处理模块组成。信号采集模块分为基站信号收集模块和GPS信号收集模块。基站信号采集模块由GSM/CDMA模块构成；GPS信号收集模块为串口的GPS接收机。GSM/CDMA模块和GPS接收机通过串口服务器与应用程序进行数据交换。系统硬件结构如图1所示。

图1 移动基站监测系统框图

系统工作流程∶(1)数据收集和行车轨迹描绘部分[6]：信号采集模块通过串口与应用程序通信。启动应用程序，首先配置串口属性，初始化数字电子地图界面，应用程序通过串口向GSM和CDMA模块发送AT指令，完成网络注册，返回基站信息。应用程序分析返回的基站信息并将信息存入数据库，同时将基站监测点的经纬度信息作为基站信息存入数据库。应用程序内设定时器，每5 s轮流访问1次基站；应用程序通过查询方式读取GPS信息，如果GPS对应串口输入缓冲区接收字符大于100，则读取 1次GPS信息，并将经纬度信息以位图的方式在数字电子地图上显示。(2)信号处理模块完成基站定位计算、基站定位显示、行车轨迹回放等功能。停止信号基站和GPS信号采集，选择待定位对象(移动GSM基站、联通GSM基站、联通 CDMA基站)，读取数据库中监测信息，统计基站根据不同的定位原理计算基站实际经纬度，最后将基站位置在数字电子地图上显示。

2 应用程序读取基站信息流程

2.1 AT指令

AT指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。发送AT指令可控制移动台，用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。本系统使用的AT+CCED(小区环境描述指令)如下：

(1)GSM模块AT+CCED指令。指令功能为输出GSM基站对应小区环境信息。本设计采用AT+CCED=0，15，输出GSM基站小区所有信息。主小区信源信息：

Main Cell∶MCC，MNC，LAC，CI，BSIC，BCCH Freq(absolute)，RxLev，RxLev Full，RxLev Sub，RxQual，RxQual Full，RxQual Sub，Idle TA

(2)CDMA模块AT+CCED指令。功能为输出CDMA基站对应小区环境信息。本设计采用 AT+CCED=0，9。输出CDMA基站小区所有信息。主小区信源信息：

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

应用程序通过定时的方式轮流访问移动GSM基站、联通GSM基站、联通CDMA基站。应用程序通过串口向 GSM/CDMA模块发送 AT+CCED=X，X，GSM/CDMA模块返回主小区及邻小区信息，应用程序分析返回信息，抽取小区参数存入数据库。

基站数据读取流程如图2所示。

图2 基站数据读取流程

3 基站定位原理

3.1 GSM三点法定位原理

3.1.1 GSM基站主小区主要参数描述

CID：某区域 GSM基站所对应的小区 ID；TA：时间前置量(Time Advance)，显示手机和基站间距离，该数值乘以500可换算为米，不过因受电波反射吸收等影响，TA值仅供参考用，TA值范围 0～63；RxL：信号接收强度，单位为 dBm，范围从-110～0；TxPwr：显示通话中手机的功率发射强度(Power Level)，显示范围为 0～19。移动监测基站与GSM基站的距离计算公式：

式中，M为射频信号衰减系数；N为发射功率衰减系数。

地球表面任意两点(A，B)间的距离近似为：

式中，K 为地球半径，(LonA，LatA)、(LonB，LatB)分别为A、B两点的经纬度。

3.1.2 基于移动基站的三点法定位的原理

应用三点定位法对GSM基站定位。如图3所示，取GSM基站任意小区内的3个点 A、B、C(3个点要求不在一条直线上)，可知：3个点的位置信息(经纬度和TA值)；3个点到基站的距离 OA、OB、OC；3个点之间的距离AB、AC、BC，通过XY坐标系可以求解基站的坐标。O为基站(BS)所在的位置；C1、C2、C3为基站(BS)的 3个小区；A、B、C为小区内的任意不在一条直线上的 3个点；A、B、C 三 点 处 TA、RxL、Txpower以 及 经 纬 度 (LonX，LatX)为可知量。 由公式(1)、(2)得：

坐标变换如图4所示，经纬度坐标与平面XY坐标进行变换。将A点投影到平面直角坐标原点，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；

根据三角关系列出方程：

由公式(3)、(4)、(5)解出：

因此，得到：

图3 GSM定位示意图

图4 坐标转换

3.2 CDMA基站四点定位原理

CDMA定位区别于GSM定位。以CDMA基站为圆心，认为在该圆心的等圆面上接收信号的强度是相同的，从监测得到的数据中，取两组强度相同的同一基站的4个监测点，则基站必然在两组点的中垂线的交点上。对于二维平面上的2条直线，交点处的坐标可以通过解线性方程的方法来得到交点的坐标。

基站数据库中保存了基站的有用信息，如基站身份识别SID、监测点信号强度、经纬度等数据。通过查询数据库找到同一基站下强度两两相等的两组经纬度信息，然后经过计算得到基站的位置。对这两组信息的处理有2种方式：

(1)将得到的经纬度信息投影到平面坐标上，将经纬度坐标转换为平面坐标，然后计算出基站的实际位置的平面坐标，再将平面坐标转换为经纬度，最后将基站的经纬度描绘在电子地图上。

(2)将经纬度坐标近似为平面坐标。因为在很小的范围内，可以视经纬度的变化是线性的，然后直接应用公式进行计算得到基站的经纬度。理论上应将高斯-克吕格投影坐标转换为高斯平面投影坐标，然后通过坐标转换，旋转、缩放，转换为电子地图平面直角坐标。最后，将平面直角坐标转换成计算机所需显示的像素点坐标。但是经过实际编程测试，由高斯正变换转化完成的坐标点，再由高斯反变换转化回去，与实际值误差相距太大。由于监测面积占全世界地图的比例很小，本系统把监测点所覆盖的面近似为XY直角坐标平面，将经纬度信息认为是该平面上的坐标，通过解线性方程解出基站的坐标。由X-Y坐标系上4个点的列坐标方程，解出基站的位置坐标，这里直接给出结果：

式(10)、式(11)中，l0、l1、l2、l3以及 b0、b1、b2、b3分别为同一基站两两强度相同的经纬度如图5所示。由2G1C模块收到的数据，经过数据处理，将与基站相关的数据存入到数据库B中，经过线性方程组解出基站的位置，并将基站位置显示在电子地图的永久图层上。因此要确定一个基站的位置，必须是同一个基站的两两强度相同的经纬度数据。

图5 CDMA基站定位原理示意图

通过加载不同数字电子地图，本基站监测系统可对全国各地的基站进行定位，通过注册外网可以监测边境基站。采用多组数据定位计算求取均值可减小定位误差。

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