基于三边测量原理的用户定位方法研究

2017-03-07由晓鹏陈天伟

移动通信 2016年22期

关键词：扫频

由晓鹏　陈天伟

摘要：为了找到一种能通过话务统计数据进行用户活动区域分析的方法，介绍了一种通过移动通信系统的信令和参数进行用户区域分析的方法。首先研究现有的话务统计资料，分析能够反映用户活动区域的参数。通过分析，找到了话务统计中与用户活动区域有关的参数，得出可使用此种方法分析用户区域的方法。通过查找响一声电话，证实了这种方法的可行性和实用性，可在网络优化和网络维护人员中进行推广。

关键词：时间提前量呼叫流程扫频主被叫比基站工参

1 引言

在移动网络中为了估算移动终端和基站间的距离，设置了一个叫做定时提前（Timing Advance，TA）的参数。该参数的主要作用是通过测量信号从移动终端到基站间的时间，可以估算出移动台距离基站的大致范围。

本文将利用TA参数配合三角定位法的方式，定位出某一特定用户的大致区域，再利用扫频仪确定用户的精确位置。

2 三边定位原理

三边定位法的原理是利用2台或者2台以上的探测器在不同位置探测目标方位，然后运用三角几何原理确定目标的位置和距离。

以GPS定位系统为例，该系统就是利用卫星基本三角定位原理，GPS接受装置通过量测无线电信号的传输时间来测量距离。由每颗卫星的所在位置，测量每颗卫星至接受器间的距离，即可算出接受器所在位置的三维空间坐标值。使用者只要利用接受装置接收到3个卫星信号，就可以确定使用者所在的位置。

3 三边定位原理的应用

在移动通信网络中，无数的基站既是信号的发射器，也是信号的接收器，利用这无数的探测器，通过确定用户到每个基站的距离，就可以对用户的区域进行定位。而在移动系统中，测量手机到基站的距离所使用的参数为TA参数，该参数可通过提取统计指标获得。

3.1 TA参数的作用

由于手机是时空受限系统，因此在进行数据传输时，信息接收会有延迟。为了使放置先后顺序不同的信息在接收端接收信息时不会因为顺序变换或前后信息的重叠造成误码，因此需要在发送时进行时间的规划。而进行时间规划的前提是需要知道移动终端和基站的位置。但是在业务中，由于移动终端（MS）总是处于移动的状态，因此需要在移动协议中，加入一个参数，其作用就是定时地对MS和基站间的距离进行测量。事实上无线通信的信道编解码采用的是极大似然估计法，如果基站或MS不知道对端离开自己的距离（或者说对端信号的传输时延）则基站或MS的信道编码方案必须采取更多的冗余保护（即采用更多的同步比特，包括前对位比特、中对位比特、后对位比特）。移动终端和基站间的距离示意图如图1所示：

为了补偿电波传输延迟，提高信道编解码效率，在移动协议中加入了时间提前参数TA。TA根据基站收到MS随机接入信道（RACH）上的信道请求信息进行均衡时计算出来的时间提前量。NS在RACH发起接入请求时，基站并不知道其离开自己的距离，所以RACH的同比开销就比业务信道高很多。在基站解码手机的随机接入请求时就已经计算出了该信号的传输时延，基站会在随后的接入准许信道（AGCH）上以TA值的方式告诉手机其离开自己的距离，要求MS随后在业务信道（TCH）的信号发射时提前TA所代表的时间值。TA的取值范围是0～63，代表的时间范围是0 us～233 us，相当于0 km～70 km，TA每增加1，意味着MS离开基站的距离增加约550 m。

3.2 TA的产生过程

为了对TA参数有个更直观的了解以及对其作用机理有更深入的了解，有必要仔细研究MS和BSS在进行呼叫流程前所进行的网络操作。在每次发起时，MS会通过无线信道（Um）中的RACH信道先发起一条channel request消息（8 bits）到基站子系统（BSS）的基站侧，其中包括请求信道原因及一个随机参考值。MS在发送这条信息时预留了最大的时间估计的间隔时间。因为此时MS不知道自己和基站的距離是多大，因此只能以最大的时间间隔来进行发射。

基站接收到这条请求信息后，会对信息传输过来的时间间隔进行计算，得到TA值，并将TA纪录在BSS的数据库中。对于MS的信道请求信息，BSC通过查询系统资源情况后，进行分配，并通过下行的AGCH信号发送回MS。

之所以每次MS和基站进行通信时，都会进行信道请求，这是由移动通信系统的特点所决定的。当MS开机后，处于待机模式，这种模式下MS主要是收听基站通过广播信道下发的系统信息。而当MS需要和基站进行业务时，就需要进行信道申请，这时就需要知道MS和基站间的距离是多少。

因此，每个MS在进行业务前，都会通过这种方式告知BSS，自己和基站的距离是多远，BSS生成的数据中，会按照TA值的分布对每次的TA值进行纪录，通过对这些TA值的分布区间进行分析，就可以知道该基站用户主要集中的范围了。

如表1所示，BSS中按照小区统计出TA由0～63范围内的计数次数，基于统计数据，可以看出该小区的的一个大致覆盖范围。

虽然基站使用的是定向天线，其覆盖范围在理论上以60°的扇形发射出去。但是在实际环境中，特别是城市环境中，无线的传播环境极其复杂，如果只是简单地以60°扇形的范围进行考虑，那么最终的结果会非常不准确。因此要综合借助多个基站的TA值进行考虑，确定其范围。

4 案例应用

在对全网进行日常指标的统计中，发现在过去的一个星期，BSC56的无线接入性指标掉话率恶化地较为明显，通过对话务统计进行分析，确定了BSC56存在有“响一声电话”的恶意呼叫行为。因此需要先通过分析BSC56的话务统计指标，分析恶意呼叫行为所处的区域。

4.1 TA分析

通过对BSC56的问题小区，特别是TCH拥塞小区进行统计，发现表2中的小区这段时间出现了多次的TCH拥塞现象。

提取这几天，以上小区的TA值，如表3所示，可以得到TA测量报告次数。

從表3可以看出，TA值每变化1，代表手机和基站的距离变化了550 m，通过表3可以发现，拥塞最严重的43972、60293和43782这三个小区的的主要TA值均处于1～2这个区间，也就是说分别以三个小区为圆心，绘制三个圆环，圆环的交汇区域即为需要重点排查的区域，借助辅助的地图工具，就能更直观地显示出来，如图2所示：

4.2 扫频定位

确定了大致的区域后，采用频谱仪扫频的方式来查找恶意呼叫源，观察频谱仪扫频天线方向的上行突发脉冲情况，一般情况，如果GSM频段（890—915 MHz）有大量上行突发脉冲就基本可以确认此方向。

在进行扫频时，也需要依据确定的范围，一层一层地扫频。首先在一个比较大的范围内观察频谱仪的脉冲变化情况，基本确认恶意呼叫点在一个较大的圈内，之后缩小范围进行第二圈测试，可以确定更小的范围，之后在一个较小的范围内进行定点扫频，可以发现上行脉冲最强的地点就是所要寻找的恶意呼叫源。

另外恶意呼叫点的指标变化情况：主被叫占用占比达到了峰值的80：1，恢复正常后基本达到了主被叫1：1，如图3所示：

通过TA值分析和通过几天的扫频观察分析，最终确定在该区域的某出租房附近的扫频值最异常，可以基本确定该房间即为最大嫌疑的区域，将技术证据提交到公安机关，由公安机关进行处理。

5 结束语

话统指标中TA值被大部分的优化人员用于用户区域的分析。但是由于城市地貌的原因，单独基站的TA值并不能真实地反映出用户的聚集区域。当需要分析用户的聚集区域时，不需要多复杂的算法，而是综合分析多个基站的统计数据即可。而本案例则是在TA的分析上，再配合扫频仪的使用，对用户的区域进行了比较精确的定位。

参考文献：

[1] 韩斌杰. GSM原理及其网络优化[M]. 北京：机械工业出版社， 2009： 54-59.

[2] 赵鸣翔. 蜂窝移动通信系统单基站定位技术研究[D]. 成都：西南交通大学， 2009.

[3] 田晓燕. 射频通信网络及其定位技术研究[D]. 成都：电子科技大学， 2013.

[4] 张建平. MIMO移动通信系统中的单基站定位技术研究[D]. 成都：电子科技大学， 2008.