基于VSAT／GSM的船载基站手机通信定位系统＊

卢红洋 陈 伟 刘 建李 晶

（武汉理工大学信息工程学院1） 武汉 430070） （中国交通通信中心2） 北京 100011）

尽管3G网络近几年发展迅速，但以GSM为代表的2G网络在网络覆盖和用户数量上依旧占据绝对优势.由于现有GSM网络均采用地面宏蜂窝基站（BTS）实现海上无线信号的覆盖，受GSM规范限制，只能实现距BTS站点35km左右海域的覆盖，无法解决较远海域的无线信号覆盖，且现有GSM网络的提供定位服务大多采用基于小区标识（CELL－ID）或CELL－ID＋TA的定位方式，这种定位方式随着小区面积的扩大，定位精度急剧降低［1－2］.为了实现GSM 无线信号在较远海域的覆盖，提高海上手机定位精度，本文提出通过Abis over IP实现船载VSAT卫星通信系统承载GSM网络，消除GSM网络在海上的覆盖盲点，可以将GSM网络覆盖范围拓展到卫星信号能够到达的任何地方，并通过船载基站和测向机的集成，实现AOA／TA的定位方式，为海上搜救提供较高精度的手机定位.

1 Abis over IP技术和AOA／TA定位法

1.1 Abis over IP技术

Abis over IP技术是将由E1链路承载的Abis业务通过IP网络来承载［3］.传统的基站采用面向连接的TDM传输技术和电路交换技术，一旦连接建立，用户无论处于通话状态还是静音状态，占用的带宽资源始终固定，直至通话结束才释放资源.Abis over IP技术通过对E1帧的内容进行分析处理，提取有效的Abis数据，去除IDLE帧信息和空闲信道信息，以IP数据格式对Abis数据进行封装，实现基站的IP化，IP传输可以根据实际流量按需分配带宽，用户在通话和静音时占用不同的带宽，大大提高带宽资源利用率［4］.在带宽资源紧张的VSAT卫星通信系统中可以有效的节省Abis接口的带宽占用.

通过Abis over IP技术在VSAT卫星通信系统上实现TDM over IP，能继承卫星宽带通信的各种优点，不仅能达到广域范围的无缝覆盖，而且当如地震、洪水等能摧毁地面通信系统的自然灾害发生时，建立在Abis over IP平台上的IP化基站还能正常工作.

1.2 AOA／TA定位法

基于信号到达角（AOA）的定位是通过基站天线阵列测量手机发射电波的入射角，得到从基站到手机的径向连线，两条连线的交点即为目标手机的位置［5］.这种定位方法的优点是不需要对手机做任何改动，也不需要手机和基站时钟同步，缺点是在障碍物较多的环境中，多径效应使定位误差增大.

TA即Timing Advance，在GSM系统中，为了补偿电波传输延迟，提供信道编码效率，基站利用手机信息分组中的训练码序列获取基站和手机之间的信号传播时延，并通过慢速伴随信道（SACCH）将信号传播时延以TA参数的形式告诉手机，手机利用TA参数就可以调整信息分组的发送时刻，以确保各移动台的信息分组到达基站时能避免时隙重叠.TA以比特为单位，一个比特的时长为3.69μs，一个TA的距离可表示为

AOA／TA定位法是综合AOA和TA技术的定位方法，基本思想是通过基站天线阵列获取手机到达基站的角度和TA值，如图1所示.

图1 AOA／TA定位法

BTS坐标已知为（x1，y1），手机到基站的夹角表示为θ，距离表示为n＊TA，假定手机坐标为（x，y），则有以下关系式

根据以上关系式（1）～（3）可以解算出手机的位置.AOA／TA定位法最大的优点是只需要一个基站参与定位即可以知道手机的位置，适用于基站密度较低的郊区和农村.

2 系统方案

2.1 Abis over IP卫星传输组网

GSM系统通过VSAT卫星链路传输组网在国内外边际网解决方案中已有成功的应用，使用Abis over IP技术通过VSAT卫星链路组网的示意图如图2所示.

VSAT小站天线选用6006RAZ C波段天线，该天线通过三轴稳定系统保证天线接收稳定，不管天气和海况如何恶劣，船舶符合晃动，天线系统最快能以90°／s的速率随船的晃动进行反应.

图2 Abis over IP卫星传输组网示意图

AbisoverIP网关采用CX－U1010，该设备能够提供基于IP优化平台的Abis接口，实现E1帧中空时隙的卸出和插入，从而实现信令和话音信号的带宽压缩，压缩比例能够达到2∶1到3∶1.卫星 Modem采用CDM－570L，该设备具备有效负荷压缩、头压缩和服务质量（QoS）管理等特性，可显著节省带宽、提高传输质量并增强对带宽分配的控制.CX－U1010和CDM－570L的组合主要用于基于卫星的蜂窝回程通信，并具备高性价比扩展、高级性能和高效连接的特点.

2.2 AOA／TA定位系统

AOA／TA定位系统由测向天线、测向处理机、定位处理机、显控单元组成，本文采用的AOA／TA定位系统结构如图3所示.

图3 AOA／TA定位系统结构图

测向天线采用均匀圆天线阵列，各阵元为无源型非全向天线，由于均匀圆阵具有圆对称特性，可以实现360°全方位覆盖，其方向特性在各方位角上不会有太大的变化，均匀圆阵具有优越的结构特点和良好的测向性能［6］.

测向处理机由多通道接收机和测向处理器组成.测向处理机通过开关按顺序将测向天线阵列的多个阵元连接到多通道接收机的输入端，多通道接收机对接收到的信号进行去噪和放大，在去噪和放大的过程中，保持各阵元信号的相位和幅度的相对关系.测向处理器通过对多通道接收机输出信号的相位和幅度相关性进行分析比对，根据各阵元的相位差来判断信号的方向角.

定位处理机通过侦听BTS的下行信号得到目标手机到BTS的TA值以及目标手机的载频信息，根据TA值确定目标手机距离BTS的距离，根据载频信息和测向处理机的输出数据的匹配确定目标手机到BTS的方向角，实现AOA／TA定位法对目标手机的定位.定位处理机接收到显控单元的定位请求时开始对目标手机进行定位，并将定位处理结果返回给显控单元.

显控单元通过后台控制指令控制定位处理机对目标手机进行定位，定位结果以图形化的界面显示，显示内容包括目标手机的相对方向角信心和TA距离信息.

2.3 基于船载基站手机通信定位系统

在实际应用中，通过在CDM－570L上对手机通信业务的QoS进行高优先级配置，同时在陆地端和船端的CX－U1010上做静态路由配置，实现GSM网络Abis接口的IP化传输，保证手机通信定位系统能够正常稳定的运行.系统实际组网如图4所示.

图4 基于VAST／GSM船载移动基站手机通信定位系统

船载基站手机通信定位系统由船载设备和陆地设备组成，船载设备和陆地设备之间的无线链路通过VSAT卫星通信系统承载.船载设备包括VSAT卫星小站、卫星 Modem、Abis over IP网关、测向定位系统和BTS系统，BTS天线和测向天线挂高在30m左右，用于保证船载基站的覆盖服务范围.陆地设备包括VSAT卫星主站、卫星 Modem、Abis over IP网关、BSC、MSC等设备，并通过MSC连接到公共交换电话网（PSTN）和公共陆地移动网络（PLMN）.

3 测试方案和结果

3.1 测试方案

在基于船载基站手机通信定位系统安装调试完成后，针对实际应用场景，制定了功能测试和性能测试方案.功能测试包括语音、短信、TA值获取、AOA定向；性能测试包括呼叫成功率、寻呼成功率，时延抖动、带宽占用率、AOA／TA定位精度测试.测试工具包括爱立信路测工具TEMS，Memotec网管软件CXMON，测试点信号电平高于－100dBm，实际测试过程中选用多点进行测试.

3.2 功能测试结果

本局用户和中国移动、联通、电信用户语音和短信的测试结果见表1.用户在小区相同载频不同时隙间切换、小区内不同载频间切换均正常.

表1 语音短信测试结果

在显控单元输入小区内目标手机号码，能够正常获取手机的TA值，并显示该TA值对应的距离，测距结果如图5所示，同时测向处理机经过多次AOA测向获取目标手机的相对位置，当测向结果达到100%时完成测向工作，此时的方向角即为最终测向的相对角度.图6所示经过4次测向得到最终测向结果为正西方向.

图5 目标手机TA值获取结果

3.3 性能测试结果

图6 目标手机测向结果

使用爱立信路测工具TEMS对小区的呼叫、寻呼各进行100次测试，成功率均在95%以上，且连续通话30min无掉话现象，通话时延拨测局点的不同略有不同，双向时延在700～850ms之间，其中由VSAT卫星通信引起的双向时延在534ms左右，时延抖动在10ms以内.通话效果在Abis over IP卫星模式下和普通TDM模式下没有明显区别，时延感觉不明显，通话质量完全满足日常通话需要.

通过网管软件CXMON可以测得无通话状态下带宽占用22kbit／s左右，叠加一路通话带宽占用增加13kbit／s左右，低于TDM分配的16 kbit／s的带宽占用，并且在静音模式下，带宽占用下降较明显，说明通过IP传输实现了Abis口的优化，节省了卫星带宽资源.

测试结果显示AOA／TA对目标手机的一次定位时间在10s以内，AOA对目标手机方向角的定位精度在1°以内，TA的定位精度取决于GSM网络，误差在1个TA左右，在目标手机位置固定的情况下，通过多次搜索定位，AOA／TA的定位精度能够达到300m左右，能够满足海上搜救的需要.

通过AOA／TA对目标手机的一次定位时间在10s以内，AOA对目标手机方向角的定位精度在1°以内，TA的定位精度取决于GSM网络，误差在1个TA左右，目标手机估计位置通过AOA／TA方式5次定位取平均值，目标手机真实位置通过差分GPS终端获得，位置信息均映射到以测向天线为中心的直角坐标系，定位测试结果如表2所列，从表中可知AOA／TA的定位精度能够达到300m左右，满足海上搜救的需要.

4 结 论

基于VSAT／GSM船载移动基站手机通信定位系统成功的应用了Abis over IP技术和AOA／TA手机定位技术，在解决海上GSM移动通信网络盲点的同时，为海事救捞部门提供海上辅助定位手段.通过Abis over IP技术使VSAT卫星链路承载GSM网络成为现实，较好的解决了Abis接口带宽占用过高的问题，并将AOA／TA手机定位技术应用到海上搜救，解决了现阶段陆地基站CELL－ID和CELL－ID＋TA定位精度过低的问题.该系统已经成功的安装在北海救捞局北海救113号搜救船舶上，在系统运行的几个月时间里表现良好.

表2 定位测试结果

随着人们对海上通信的要求越来越高，国家对海上人命财产安全越来越重视，下一阶段考虑通过VSAT卫星链路来承载3G网络，实现整网的IP化传输，并开展多船多基站组合定位的理论验证和实际组网测试，进一步提高手机定位精度.

［1］王红海，朱联祥，陈 仁.利用GSM为信号源的无源定位系统［J］.信息技术，2009（3）：1－3.

［2］Sayed A H，Tarighat A，Khajehnouri N.Networkbased wireless location［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2005（7）：24－40.

［3］王 兰，段晓东，王小奇.Abis接口IP化方案及应用［J］.电信技术，2008（8）：14－16.

［4］滕 刚.卫星与GSM网络的集成应用［J］.卫星与网络，2008（9）：52－58.

［5］邓 平，刘 林，范平志.一种改进的TOA／AOA混合定位算法［J］.电路与系统学报，2003，8（4）：54－57.

［6］张 扬，邹 洲，吕泽均.基于均匀圆阵的相干信号波束形成方法［J］.电子科技大学学报，2007，36（1）：20－23.