一种基于蜂窝网络的高速公路位置服务系统

李　林, 杜　程, 武思齐

(1.西安邮电大学 信息中心， 陕西 西安 710121；　2.西安邮电大学 计算机学院, 陕西 西安 710121；3.四川大学 计算机学院, 四川 成都 610065)



一种基于蜂窝网络的高速公路位置服务系统

李林1, 杜程2, 武思齐3

(1.西安邮电大学 信息中心， 陕西 西安 710121；2.西安邮电大学 计算机学院, 陕西 西安 710121；3.四川大学 计算机学院, 四川 成都 610065)

针对高速公路上车辆位置的定位问题，以基于蜂窝网络的定位技术为基础，给出一种多基站辅助单基站计算的定位算法，并结合移动网络位置服务业务的网络结构，构建了基于蜂窝网络定位技术的高速公路车辆位置服务模型，设计了车辆定位的位置服务流程，在安卓平台上对系统进行了模拟仿真实验，结果表明，能够获取位置坐标、查询位置坐标以及上报位置信息。

蜂窝网络；位置服务；高速公路；定位技术

当前，位置服务的研究主要集中于位置服务定位技术、隐私保护及应用方面。定位技术分为全球定位系统(Global Position System, GPS)定位技术、室内无线定位技术和全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication, GSM)定位技术[1]。当GPS定位系统在卫星信号受到山体隧道等遮挡时，接收卫星数目减少，定位精度会急剧下降，无法实现卫星定位。而GSM定位技术，基站定位技术响应速度快、可直接通过通信网络进行定位，并对移动终端无任何要求[2-3]。时差定位(Time Difference of Arrival,TDOA)最具发展潜力，其提出基于残差加权的泰勒级数展开的TDOA定位算法，有效地抑制非视距传播误差的影响[4]。三维空间目标定位，提出直接目标位置求解算法，该算法无需迭代，且观测站较少、实用性较高[5]。文献[6]提出基于四基站的TDOA和牛顿迭代法的定位算法，该算法无需其他辅助信息，定位精度可信度高。文献[7]提出一种基于射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)和多基站TDOA的车辆定位方法。

上述研究给出了多基站定位算法优化方案，但硬件成本较高，实现较为复杂。针对存在问题，本文根据蜂窝网络定位技术，给出一套基于多基站辅助单基站模式定位算法，构建相应的高速公路位置服务系统模型，设计针对车辆应急及车辆定位的服务方案，基于安卓平台对该服务方案的实现进行模拟仿真实验。

1　系统总体设计

1.1模型设计

移动位置业务(Location Based Services,LBS)[1,8]是一种在移动网络定位业务基础上提出来的、基于移动通信网的增值业务，在位置业务服务模型中有3种工作角色，即移动终端、位置服务中心和服务提供商/内容提供商(Service Provider/Content Provider, SP/CP)，如图1所示。

其中，位置服务中心是服务模型核心。一方面，为移动终端提供位置信息；另一方面，为SP/CP提供统一的信息发布接口。移动终端通过No.7信令网或分组数据网接入位置服务中心，SP/CP也将基于位置服务的应用发布到位置服务中心，当移动终端需位置定位业务时，可直接从位置服务中心获取。

根据移动位置业务服务模型，可将高速公路上的位置服务系统模型，划分为接入层、中间层和应用层，如图2所示。

图2　高速公路位置服务模型

其中，接入层由各类接入移动网络方式组成，包括移动终端接入到移动蜂窝网络的各种形式。中间层主要包括移动蜂窝网络处理位置管理的网元。应用层是针对不同的应用而设置不同的位置服务。在高速公路中，应用层通过监控中心对车辆进行管理。监控中心作为本地坐标系(Local Coordinate System,LCS)应用的一个SP，通过综合业务接入网关接入到移动位置网络，对车辆进行监控。

1.2关键技术

小区号的位置定位技术。基站作为移动通信网络不可缺少的网元，是移动终端与移动网络之间交互的重要组成部分，它以移动蜂窝网络的网格为单位而建立。基站的定位技术精度，受基站覆盖范围影响，为克服基站覆盖区域太大，导致定位精度不高的缺点，在系统中采用了多基站辅助单基站计算的定位，分别通过多个基站和单个基站的信息，判断车辆的行驶方向和位置，如图3所示。

图3　基站轨迹定位技术

图3中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为3个基站，当用户位置从Ⅰ区切换到Ⅱ区，再从Ⅱ区切换到Ⅲ区时，可根据用户所处的基站号，确定用户的行动轨迹和方向。

车辆行驶轨迹和方向确定后，通过单个基站计算实现车辆的定位，如图4所示，O为蜂窝网络中的一个基站，A、B、C分别为高速公路上移动台的位置。

图4　单个基站公路定位技术

根据高速公路的线性特征，穿过当前基站的覆盖范围，确定移动台与基站之间的距离后，结合公路与基站覆盖范围内所相交的弦，以及车辆的行驶方向，即可获取移动台的位置信息。

定义1车辆与基站之间距离为

Ri=cti(1 ≤i≤n)。

(1)

其中，Ri为第i时刻所测得车辆与基站之间的距离，c为电磁波的传播速度，ti为第i时刻所测得电磁波在车载终端到基站之间的传输时间。

定义2以基站为圆心，以车辆与基站之间的距离为半径的圆，可表示为

(2)

其中，(xi, yi)为车辆在不同时刻的坐标，(x, y)为基站坐标。

定义3高速公路线性表达公式为

(3)

其中，(xa, ya),(xb, yb)为基站覆盖范围内，高速公路上任意两点的坐标。由于高速公路和基站的位置已知并固定，因此，事先可测得任意两点的坐标信息，得到公式(3)。

具体算法如下：

实时测得第i时刻电磁波在车载终端到基站之间的传输时间ti，根据公式(1)可求得车辆与基站之间的距离

Ri= cti，

根据公式(3)可得

将上式代入式(2)可得

通过计算求得xi1和xi2。将xi1、xi2代入公式(3)中，分别求出yi1和yi2。

当xi1=xi2，并且yi1=yi2时，单点的坐标即为车辆的具体位置；当xi1≠xi2，或者yi1≠yi2时，根据车辆运行的方向，和相同结果出现的频次，即可确定移动终端的位置。如该结果首次出现，则移动终端的位置为靠近出发方向的点的坐标；当该结果再次出现时，移动终端的位置则为靠近目的方向的点的坐标。

2　系统功能设计

2.1应急服务功能设计

高速公路车辆应急服务设计总体方案，如图5所示。

图5　应急服务总体方案

图5中，移动网络位置业务在高速公路上应急服务分为两部分。一部分，终端用户通过移动网络统计发生事故车辆的当前位置信息，该信息通过位置业务开放系统报告给监控中心；另一部分，监控中心利用接收到的位置信息，对所有进入高速公路，以及在该基站范围内的用户发放消息，通知减速避让等措施。

应急服务总体方案业务流程，如图6所示。

图6　应急服务的业务流程

应急服务总体方案流程分别为：

A流程表示事故终端向位置服务中心的认证服务器发送事故请求；

B流程表示位置服务中心对事故发起者认证授权；

C流程表示位置服务中心向综合业务管理平台发起认证计费请求；

D流程表示综合业务管理平台处理认证计费请求；

E流程表示综合业务管理平台返回认证计费请求；

F流程表示位置服务中心向定位操作平台发起定位请求；

G流程表示定位操作平台将查到的位置信息返回给位置服务中心；

H流程表示位置服务中心根据返回的位置信息通知监控中心；

I流程表示监控中心向位置服务中心请求，查询事故所在基站号内的、并在驶入高速公路时，查询登记过的所有终端用户；

J流程表示位置服务中心应监控中心的要求，通知所在区域的所有终端用户；

K流程表示移动定位平台向综合业务管理平台发起认证计费确认请求；

L流程表示综合业务管理平台向移动定位平台返回认证计费确认应答；

M流程表示综合业务管理平台产生计费单。

2.2车辆定位功能设计

车辆定位功能的设计，其车辆定位位置服务方案，如图7所示。

图7中，监控中心作为本地坐标系应用的一个SP通过综合业务接入网关接入到移动网络中，监控中心人员向车辆发起位置服务申请；位置服务中心通过综合业务管理平台，对该请求进行鉴权，若鉴权通过，则对所要检测的用户同意开放本地坐标系，向移动网络发起被定位用户的位置请求；移动网络通过定位操作平台,将用户位置信息发送给位置服务中心，反馈回监控中心。

图7车辆定位具体的位置服务方案

监控中心中基于小区号实现定位业务流程，如图8所示。

图8　监控中心中基于小区号实现定位

监控中心中基于小区号实现定位的业务流程分别为:

a流程表示监控中心向综合业务接入网关发送对某一车辆的定位请求；

b流程表示综合业务接入网关对所要定位的车辆进行认证授权；

c流程表示综合业务接入网关向位置服务中心发布所要开放的移动位置服务应用；

d流程表示综合业务接入网关向综合业务管理平台发起认证计费请求；

e流程表示综合业务管理平台处理认证计费请求；

f流程表示综合业务管理平台返回认证计费请求；

g流程表示位置服务中心向定位操作平台的移动定位平台，发起定位请求；

h流程表示移动定位平台向位置服务中心检查发起定位的监控中心，是否有权获取目标移动终端的位置信息；

i流程表示移动定位平台发送SMSREQ给目标用户的原籍位置寄存器，检测移动车辆终端漫游地的服务移动交换中心地址；

j流程表示原籍位置寄存器判定移动车辆终端是否处于激活状态，并返回SMSREQ给移动定位平台，这时移动定位平台获得移动车辆终端漫游地服务移动交换中心地址；

k流程表示移动定位平台发送ISPOSREQ消息给服务移动交换中心，用于获取被定位移动车辆终端当前所在的服务扇区的信息；

l流程表示服务移动交换中心返回ISPOSREQ消息给移动定位平台，该消息封装了移动车辆终端的无线环境信息；

m流程表示移动定位平台根据其数据库中存储的用户漫游地的位置，计算实体信息，选择合适的位置，计算实体，向其发送GPOSREQ消息，该消息中，封装了相关的扇区信息和无线环境信息；

n流程表示位置计算实体将服务扇区信息、无线环境信息等转化为粗精度位置信息，通过GPOSREQ消息返回给移动定位平台，该消息包括所要测定的位置结果；

o流程表示移动定位平台将位置结果返回给位置服务中心，并在数据服务器中进行存储，对需要实现目标终端跟踪的需重复g到o；

p流程表示位置服务中心向监控中心返回定位结果；

q流程表示移动定位平台向综合业务管理平台发起认证计费确认请求；

r流程表示综合业务管理平台向移动定位平台返回认证计费确认应答；

s流程表示综合业务管理平台产生计费单。

3　系统仿真实现

根据现有的位置软件开发包(Software Development Kit,SDK)和应用程序接口(Application Programming Interface，API)，在基于安卓系统的移动终端上对以上功能进行模拟仿真实验，通过基于移动蜂窝网络的多基站辅助单基站计算定位技术，完成车载移动终端用户对自身的定位服务、查询服务和上报位置信息服务，实现应急服务中的报警系统，如下所示。

(1) 系统登录及注册

系统安装成功后，点击进入主界面进行用户登录，用户首次使用可在注册界面设置用户名、密码、确认密码等信息，用户名必须是驶入高速公路中的车牌号。系统将这些注册信息通过HTTP协议传输到车辆监控中心，监控中心对这些信息进行管理与监控。

(2) 主界面

点击“登录”或者完成“注册”进入高速公路位置服务中心的主界面，系统功能主要包括：定位服务、查询服务和上报位置信息。

(3) 定位服务

用户通过定位服务，测量自己的位置信息，包括定位的“经度”、“纬度”和“地址”等信息。如需要查看地图信息，可通过调用地图的API来显示当前的地图位置信息。如图9所示，通过点击定位，可在地图上看到定位的“我的位置”。

图9　定位服务

(4) 查询服务

用户根据自身需求输入所要提供的“经度”、“纬度”或者“地址”等位置信息，点击“查询”按钮就可实现位置查询服务，利用地图查看大致的位置，如图10所示。

图10　查询服务

(5) 上报位置信息

在发生紧急事故时，车载终端用户可以直接点击“位置信息上报”来反应事故出发的“经度”、“纬度”或者“地址”信息，在此过程中，系统可通过移动蜂窝网络实现自动定位，并将定位信息以xml文件发送到监控中心服务器中，监控中心根据地图和经纬度转换查找事故发生的地点，如图11所示。

图11　上报位置信息

4　结语

针对目前位置服务业务的广泛使用，采用基于蜂窝网络的多基站辅助单基站计算定位技术，进行高速公路车辆的位置管理，结合蜂窝网络移动业务开放的系统结构，构建出高速公路位置服务系统模型。同时，设计了高速公路车辆应急方案和车辆定位的位置服务方案，并通过安卓平台进行仿真实验，实验表明，蜂窝网络多基站辅助单基站计算定位技术有效。

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[8]曹红杰,陈应东,刘丹.位置服务理论、技术与实践[M].北京:科学出版社,2015:1-21.

[责任编辑:汪湘]

A location service system of expressway based on cellular network

LI Lin1,DU Cheng2,WU Siqi3

(1.Information Center, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China; 2.School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China; 3. College of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to solve the problem of expressway vehicle location, based on cellular network positioning technology, a localization algorithm of single base station assisted with multi base station is presented. Combined with network structure of service model in mobile networks, a expressway vehicle location service system model based on cellular network positioning technology is proposed, and the location management process is further designed. The system functions are finalized on the Android platform, and the services of vehicle emergency and location can be provided through the simulation experiment.

cellular network, location service, expressway, positioning technology.

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.020

2016-02-30

李林(1982-)，女，硕士，工程师，从事计算机应用研究。E-mail:lilin@xupt.edu.cn

杜程(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为云计算理论与应用。E-mail:781534706@qq.com

TP393

A

2095-6533(2016)04-0102-07