具有位置指紋定位功能的WCDMA移動(dòng)終端設(shè)計(jì)﹡

朱時(shí)立， 鄧 平

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中眾多的增值業(yè)務(wù)都需要移動(dòng)終端的位置信息，對(duì)移動(dòng)終端的準(zhǔn)確定位越來(lái)越受到人們的重視[1-2]。由于 TDOA、GPS等定位技術(shù)在室內(nèi)、城市環(huán)境對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位存在的各種問(wèn)題和不足，迫切需要一種精度高、適用范圍廣的移動(dòng)定位技術(shù)，以滿足人們?cè)谑覂?nèi)、室外日益增長(zhǎng)的定位需要[3]。

近年來(lái)，位置指紋定位技術(shù)（Fingerprint Location）以其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗多徑和非視距（NLOS）不利影響、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注和深入研究[4]，并成為室內(nèi)WLAN移動(dòng)終端定位的主要候選技術(shù)及 2G蜂窩手機(jī)定位的重要技術(shù)。目前，Google已為GSM用戶提供了基于該技術(shù)的手機(jī)定位服務(wù)，鵬潤(rùn)科技等公司也為國(guó)內(nèi)許多大中城市以及吉隆坡、雅加達(dá)、香港等境外城市的GSM手機(jī)用戶提供了基于該技術(shù)的定位服務(wù)，復(fù)雜城市環(huán)境中定位精度可以達(dá)到 50～300 m，能滿足用戶的一遍定位需求。但是，該技術(shù)目前僅限于2G網(wǎng)絡(luò)下的應(yīng)用，還沒(méi)有見(jiàn)到3G網(wǎng)絡(luò)下該技術(shù)應(yīng)用的報(bào)道。為此，文中基于位置指紋定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于3G WCDMA網(wǎng)絡(luò)的位置指紋定位原型系統(tǒng)[5]，完成了移動(dòng)終端軟硬件的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 WCDMA位置指紋定位系統(tǒng)

1.1 位置指紋定位原理

位置指紋定位的應(yīng)用過(guò)程必須包含兩個(gè)階段：離線采樣階段與在線定位階段。離線階段的目標(biāo)是對(duì)定位區(qū)域中的樣點(diǎn)經(jīng)行采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包括樣點(diǎn)與各個(gè)基站小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度和基站小區(qū)唯一身份標(biāo)示ID。并將數(shù)據(jù)按照特定格式存儲(chǔ)到定位中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中。在線定位階段過(guò)程中，用戶在定位區(qū)域?qū)⒏浇拘^(qū)信號(hào)強(qiáng)度信息采集起來(lái)后，發(fā)送至定位中心，定位中心從離線階段采集的數(shù)據(jù)中遍歷出相鄰的樣點(diǎn)通過(guò)以下不同的算法確定用戶位置：最相鄰樣點(diǎn)位置作為定位結(jié)果（NN算法）、取鄰近樣點(diǎn)位置平均值作為定位結(jié)果（KNN算法）、取鄰近樣點(diǎn)加權(quán)平均值作為定位結(jié)果（WKNN算法）。最后將定位結(jié)果反饋給用戶[4]。

1.2 系統(tǒng)定位架構(gòu)

基于位置指紋定位原理，這里設(shè)計(jì)了3G WCDMA網(wǎng)絡(luò)位置指紋定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)和定位兩套終端組成，上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用微軟的SQLServer 2000數(shù)據(jù)庫(kù)格式，定位階段下終端ARM控制WCDMA負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)短消息、處理短消息命令、獲取基站信息、存儲(chǔ)離線數(shù)據(jù)等功能。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)與上位機(jī)軟件通過(guò)RS232協(xié)議進(jìn)行通訊，主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)定位終端請(qǐng)求短消息，處理短消息命令，通過(guò)短消息發(fā)送命令給定位終端等任務(wù)。服務(wù)器上的定位中心采用 WKNN指紋定位算法準(zhǔn)確地定位出待定位的移動(dòng)終端的位置，實(shí)時(shí)顯示在定位中心系統(tǒng)的界面上，并把位置信息返回到待定位的移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)定位[6-7]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 移動(dòng)終端硬件電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)具有位置指紋定位功能的移動(dòng)終端，用Protel DXP2004設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了嵌入式移動(dòng)終端系統(tǒng)，其中CPU采用的是三星S3C2440A，主頻400 MHz；內(nèi)存 64MB；NAND Flash 128MB，NOR Flash 4MB，兩個(gè)五線異步串行 232接口，SD卡接口[8]。WCDMA模塊采用SIMCOM生產(chǎn)的SIM5216E型號(hào)3GWCDMA工業(yè)通信模塊，可通過(guò)RS-232連接控制模塊收發(fā)短信和獲取基站信息。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

為移動(dòng)終端配置軟件需要搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)及嵌入式軟件設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建包括Linux系統(tǒng)移植、交叉編譯環(huán)境配置、運(yùn)行環(huán)境連接等，嵌入式軟件則運(yùn)行于Linux平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)定位相關(guān)的各種具體功能。

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

2.1.1 BootLoader 與Linux移植，系統(tǒng)配置

運(yùn)行于TE2440-II ARM9開(kāi)發(fā)板中的BootLoader相當(dāng)于 PC機(jī)中的 BIOS，在啟動(dòng) Linux，Wince，Android等系統(tǒng)之前初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境配置到合適狀態(tài)，提供運(yùn)行環(huán)境。BootLoader可用sjf2440.exe通過(guò)JTAG口燒寫到裸板中。通過(guò)DWN調(diào)試軟件USB連接，BootLoader引導(dǎo)將Linux系統(tǒng)下載到目標(biāo)板，設(shè)置BootLoader的自啟動(dòng)系統(tǒng)為L(zhǎng)inux系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)移植后，系統(tǒng)很多服務(wù)進(jìn)程默認(rèn)關(guān)掉，為此如果要正常使用常見(jiàn)的進(jìn)程，必須下發(fā)命令開(kāi)啟服務(wù)進(jìn)程。為了方便開(kāi)發(fā)工作，筆者對(duì)Linux開(kāi)機(jī)文件rcS作了相應(yīng)的配置，增添控制代碼及說(shuō)明如下：

/sbin/ifconfig eth1 192.168.1.16 up，啟動(dòng)以太網(wǎng)口1；

那木偶沒(méi)多大事，只臉上被新漆過(guò)的鐵架子剮蹭了一些漆漬上去。王爺?shù)哪槄s變成了豬肝色，一邊嘴里咕咕叨叨罵起來(lái)，一邊從口袋里掏出平日里擦嘴用的手帕，沾了些唾沫，使勁在那木偶臉上擦。見(jiàn)擦不干凈，又從口袋里掏出一個(gè)小刀（不知道還能掏出啥來(lái)），把著力度輕輕地刮，竟然那漆漬就被刮掉了。

/sbin/vsftpd&，開(kāi)啟嵌入式ftp服務(wù)，供復(fù)制拷貝文件；

/sbin/telnetd，開(kāi)啟嵌入式telnet服務(wù)，可遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2.1.2 交叉編譯環(huán)境建立與Makefile編寫

作者采用在VMWave中Ubuntu 10.10系統(tǒng)下建立交叉編譯環(huán)境，采用arm-linux-gcc-3.4.1版本交叉編譯環(huán)境。解壓安裝包、添加PATH環(huán)境變量并驗(yàn)證交叉環(huán)境成功即可進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)。由于工程中存在多個(gè)按類型、功能、模塊分別放于不同目錄的源文件，為減少編譯過(guò)程中輸入多個(gè)編譯命令，作者編寫一個(gè)Makefile文件進(jìn)行自動(dòng)化編譯。在工程文件目錄下輸入make命令，即可完成自動(dòng)編譯，大大提高了軟件開(kāi)發(fā)效率。下面是編寫的Makefile中一部分與注釋；

GCC:=/usr/local/arm/3.4.1/bin/arm-linuxgcc // 指出交叉環(huán)境路徑

WCDMA.o:$(CDMA)WCDMA.c $(CDMA)WCDMA.h$(GCC) -c $(CDMA)WCDMA.c//（其中CDMA為WCDMA.c文件的路徑）編譯WCDMA.c文件，生成WCDMA.o文件。這樣，將多個(gè).O文件鏈接后即可成為L(zhǎng)inux環(huán)境下的可執(zhí)行文件。

2.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

終端軟件的功能包括：在線監(jiān)聽(tīng)和處理、離線采集數(shù)據(jù)、后臺(tái)操作WCDMA模塊。為了使離線采集數(shù)據(jù)或者后臺(tái)操作WCDMA模塊的過(guò)程中不遺漏網(wǎng)關(guān)發(fā)送過(guò)來(lái)的任何一條請(qǐng)求命令，軟件采用多線程處理。在線監(jiān)聽(tīng)作為單獨(dú)線程實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，讀取新短信，解析短信內(nèi)容命令，根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)處理操作。離線采集數(shù)據(jù)和后臺(tái)操作 WCDMA模塊并用一個(gè)線程，兩個(gè)進(jìn)程是互斥關(guān)系。離線采集數(shù)據(jù)可以選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)立即發(fā)送兩種方案，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是將離線采集到的數(shù)據(jù)保存在NAND Flash中，再?gòu)暮笈_(tái)文件中復(fù)制出來(lái)，導(dǎo)入至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)立即發(fā)送則是每采集一個(gè)指紋特征點(diǎn)就通過(guò)短信直接發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，上位機(jī)自動(dòng)解析保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。后臺(tái)操作WCDMA則是通過(guò)軟件下發(fā)一些簡(jiǎn)單的對(duì)WCDMA模塊操作控制的AT指令。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2.3 通訊幀格式

圖3 軟件流程

圖4 兩個(gè)典型幀格式

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為離線和在線兩個(gè)階段。

離線階段主要進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立以及數(shù)據(jù)維護(hù)更新，在選定的實(shí)驗(yàn)區(qū)域快速采集、提取 WCDMA網(wǎng)絡(luò)中位置指紋信息，供定位中心建立位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。建立典型實(shí)驗(yàn)區(qū)域，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究單個(gè)位置指紋覆蓋區(qū)域大小對(duì)定位精度的影響，得到對(duì)應(yīng)的推薦值。確定單個(gè)位置指紋覆蓋區(qū)域的大小，兼顧定位精度和算法計(jì)算復(fù)雜性兩個(gè)方面的要求。利用所設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并根據(jù)傳播模型校正，做進(jìn)一步的分析和改進(jìn)。

圖5為系統(tǒng)在線定位流程。在被動(dòng)請(qǐng)求定位階段，上位機(jī)軟件通過(guò)RS232下發(fā)命令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析并將命令封裝通過(guò)SMS轉(zhuǎn)發(fā)至終端。終端獲取短信中命令，采集包含下行信號(hào)強(qiáng)度和基站ID的指紋特征信息原路返回到上位機(jī)，定位中心調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中指紋庫(kù)運(yùn)用 WKNN指紋定位算法計(jì)算出定位結(jié)果并反饋給終端，實(shí)現(xiàn)終端被動(dòng)定位。主動(dòng)定位則是終端直接將指紋特征信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

圖5 定位流程

測(cè)試過(guò)程中，離線階段采集密度間隔為 10 m，每個(gè)采樣點(diǎn)采集 5次，采集到的數(shù)據(jù)按照幀格式如圖6所示。采集到的離線數(shù)據(jù)采用TXT文本格式存儲(chǔ)到終端SD卡，再導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，這樣可以減少離線數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)生的費(fèi)用，提高離線采集效率。數(shù)據(jù)采集經(jīng)過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)融合處理后，每個(gè)指紋間距為50 m。

圖6 離線采集數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)分別用主動(dòng)定位與被動(dòng)定位方式對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行定位驗(yàn)證，各抽取10個(gè)定位結(jié)果如圖7所示。主動(dòng)定位相比被動(dòng)定位只少了被動(dòng)觸發(fā)階段，后面流程是一致的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了此點(diǎn)。除去異常點(diǎn),定位誤差在20 m到70 m之間，滿足了定位需求。

圖7 定位誤差

4 結(jié)語(yǔ)

文中基于位置指紋定位原理設(shè)計(jì)了一套基于3G WCDMA網(wǎng)絡(luò)的位置指紋定位演示系統(tǒng)，并完成了移動(dòng)終端軟硬件的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。基于該技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有3G移動(dòng)終端只需提供一應(yīng)用程序、無(wú)需做軟硬件修改，即能在3G蜂窩網(wǎng)覆蓋的任何環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端的準(zhǔn)確有效定位。

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