一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)

李　林, 杜　程, 武思齊

(1.西安郵電大學(xué) 信息中心， 陜西 西安 710121；　2.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121；3.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 四川 成都 610065)

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一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)

李林1, 杜程2, 武思齊3

(1.西安郵電大學(xué) 信息中心， 陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121；3.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 四川 成都 610065)

針對(duì)高速公路上車輛位置的定位問題，以基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)為基礎(chǔ)，給出一種多基站輔助單基站計(jì)算的定位算法，并結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)位置服務(wù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的高速公路車輛位置服務(wù)模型，設(shè)計(jì)了車輛定位的位置服務(wù)流程，在安卓平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，能夠獲取位置坐標(biāo)、查詢位置坐標(biāo)以及上報(bào)位置信息。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)；位置服務(wù)；高速公路；定位技術(shù)

當(dāng)前，位置服務(wù)的研究主要集中于位置服務(wù)定位技術(shù)、隱私保護(hù)及應(yīng)用方面。定位技術(shù)分為全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)定位技術(shù)、室內(nèi)無線定位技術(shù)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication, GSM)定位技術(shù)[1]。當(dāng)GPS定位系統(tǒng)在衛(wèi)星信號(hào)受到山體隧道等遮擋時(shí)，接收衛(wèi)星數(shù)目減少，定位精度會(huì)急劇下降，無法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位。而GSM定位技術(shù)，基站定位技術(shù)響應(yīng)速度快、可直接通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位，并對(duì)移動(dòng)終端無任何要求[2-3]。時(shí)差定位(Time Difference of Arrival,TDOA)最具發(fā)展?jié)摿?，其提出基于殘差加?quán)的泰勒級(jí)數(shù)展開的TDOA定位算法，有效地抑制非視距傳播誤差的影響[4]。三維空間目標(biāo)定位，提出直接目標(biāo)位置求解算法，該算法無需迭代，且觀測(cè)站較少、實(shí)用性較高[5]。文獻(xiàn)[6]提出基于四基站的TDOA和牛頓迭代法的定位算法，該算法無需其他輔助信息，定位精度可信度高。文獻(xiàn)[7]提出一種基于射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)和多基站TDOA的車輛定位方法。

上述研究給出了多基站定位算法優(yōu)化方案，但硬件成本較高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。針對(duì)存在問題，本文根據(jù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，給出一套基于多基站輔助單基站模式定位算法，構(gòu)建相應(yīng)的高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)針對(duì)車輛應(yīng)急及車輛定位的服務(wù)方案，基于安卓平臺(tái)對(duì)該服務(wù)方案的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1模型設(shè)計(jì)

移動(dòng)位置業(yè)務(wù)(Location Based Services,LBS)[1,8]是一種在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上提出來的、基于移動(dòng)通信網(wǎng)的增值業(yè)務(wù)，在位置業(yè)務(wù)服務(wù)模型中有3種工作角色，即移動(dòng)終端、位置服務(wù)中心和服務(wù)提供商/內(nèi)容提供商(Service Provider/Content Provider, SP/CP)，如圖1所示。

其中，位置服務(wù)中心是服務(wù)模型核心。一方面，為移動(dòng)終端提供位置信息；另一方面，為SP/CP提供統(tǒng)一的信息發(fā)布接口。移動(dòng)終端通過No.7信令網(wǎng)或分組數(shù)據(jù)網(wǎng)接入位置服務(wù)中心，SP/CP也將基于位置服務(wù)的應(yīng)用發(fā)布到位置服務(wù)中心，當(dāng)移動(dòng)終端需位置定位業(yè)務(wù)時(shí)，可直接從位置服務(wù)中心獲取。

根據(jù)移動(dòng)位置業(yè)務(wù)服務(wù)模型，可將高速公路上的位置服務(wù)系統(tǒng)模型，劃分為接入層、中間層和應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2　高速公路位置服務(wù)模型

其中，接入層由各類接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方式組成，包括移動(dòng)終端接入到移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種形式。中間層主要包括移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)處理位置管理的網(wǎng)元。應(yīng)用層是針對(duì)不同的應(yīng)用而設(shè)置不同的位置服務(wù)。在高速公路中，應(yīng)用層通過監(jiān)控中心對(duì)車輛進(jìn)行管理。監(jiān)控中心作為本地坐標(biāo)系(Local Coordinate System,LCS)應(yīng)用的一個(gè)SP，通過綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)接入到移動(dòng)位置網(wǎng)絡(luò)，對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

小區(qū)號(hào)的位置定位技術(shù)?；咀鳛橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不可缺少的網(wǎng)元，是移動(dòng)終端與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間交互的重要組成部分，它以移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格為單位而建立?；镜亩ㄎ患夹g(shù)精度，受基站覆蓋范圍影響，為克服基站覆蓋區(qū)域太大，導(dǎo)致定位精度不高的缺點(diǎn)，在系統(tǒng)中采用了多基站輔助單基站計(jì)算的定位，分別通過多個(gè)基站和單個(gè)基站的信息，判斷車輛的行駛方向和位置，如圖3所示。

圖3　基站軌跡定位技術(shù)

圖3中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為3個(gè)基站，當(dāng)用戶位置從Ⅰ區(qū)切換到Ⅱ區(qū)，再從Ⅱ區(qū)切換到Ⅲ區(qū)時(shí)，可根據(jù)用戶所處的基站號(hào)，確定用戶的行動(dòng)軌跡和方向。

車輛行駛軌跡和方向確定后，通過單個(gè)基站計(jì)算實(shí)現(xiàn)車輛的定位，如圖4所示，O為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基站，A、B、C分別為高速公路上移動(dòng)臺(tái)的位置。

圖4　單個(gè)基站公路定位技術(shù)

根據(jù)高速公路的線性特征，穿過當(dāng)前基站的覆蓋范圍，確定移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離后，結(jié)合公路與基站覆蓋范圍內(nèi)所相交的弦，以及車輛的行駛方向，即可獲取移動(dòng)臺(tái)的位置信息。

定義1車輛與基站之間距離為

Ri=cti(1 ≤i≤n)。

(1)

其中，Ri為第i時(shí)刻所測(cè)得車輛與基站之間的距離，c為電磁波的傳播速度，ti為第i時(shí)刻所測(cè)得電磁波在車載終端到基站之間的傳輸時(shí)間。

定義2以基站為圓心，以車輛與基站之間的距離為半徑的圓，可表示為

(2)

其中，(xi, yi)為車輛在不同時(shí)刻的坐標(biāo)，(x, y)為基站坐標(biāo)。

定義3高速公路線性表達(dá)公式為

(3)

其中，(xa, ya),(xb, yb)為基站覆蓋范圍內(nèi)，高速公路上任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)。由于高速公路和基站的位置已知并固定，因此，事先可測(cè)得任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)信息，得到公式(3)。

具體算法如下：

實(shí)時(shí)測(cè)得第i時(shí)刻電磁波在車載終端到基站之間的傳輸時(shí)間ti，根據(jù)公式(1)可求得車輛與基站之間的距離

Ri= cti，

根據(jù)公式(3)可得

將上式代入式(2)可得

通過計(jì)算求得xi1和xi2。將xi1、xi2代入公式(3)中，分別求出yi1和yi2。

當(dāng)xi1=xi2，并且yi1=yi2時(shí)，單點(diǎn)的坐標(biāo)即為車輛的具體位置；當(dāng)xi1≠xi2，或者yi1≠yi2時(shí)，根據(jù)車輛運(yùn)行的方向，和相同結(jié)果出現(xiàn)的頻次，即可確定移動(dòng)終端的位置。如該結(jié)果首次出現(xiàn)，則移動(dòng)終端的位置為靠近出發(fā)方向的點(diǎn)的坐標(biāo)；當(dāng)該結(jié)果再次出現(xiàn)時(shí)，移動(dòng)終端的位置則為靠近目的方向的點(diǎn)的坐標(biāo)。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1應(yīng)急服務(wù)功能設(shè)計(jì)

高速公路車輛應(yīng)急服務(wù)設(shè)計(jì)總體方案，如圖5所示。

圖5　應(yīng)急服務(wù)總體方案

圖5中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)位置業(yè)務(wù)在高速公路上應(yīng)急服務(wù)分為兩部分。一部分，終端用戶通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)發(fā)生事故車輛的當(dāng)前位置信息，該信息通過位置業(yè)務(wù)開放系統(tǒng)報(bào)告給監(jiān)控中心；另一部分，監(jiān)控中心利用接收到的位置信息，對(duì)所有進(jìn)入高速公路，以及在該基站范圍內(nèi)的用戶發(fā)放消息，通知減速避讓等措施。

應(yīng)急服務(wù)總體方案業(yè)務(wù)流程，如圖6所示。

圖6　應(yīng)急服務(wù)的業(yè)務(wù)流程

應(yīng)急服務(wù)總體方案流程分別為：

A流程表示事故終端向位置服務(wù)中心的認(rèn)證服務(wù)器發(fā)送事故請(qǐng)求；

B流程表示位置服務(wù)中心對(duì)事故發(fā)起者認(rèn)證授權(quán)；

C流程表示位置服務(wù)中心向綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)發(fā)起認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

D流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)處理認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

E流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)返回認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

F流程表示位置服務(wù)中心向定位操作平臺(tái)發(fā)起定位請(qǐng)求；

G流程表示定位操作平臺(tái)將查到的位置信息返回給位置服務(wù)中心；

H流程表示位置服務(wù)中心根據(jù)返回的位置信息通知監(jiān)控中心；

I流程表示監(jiān)控中心向位置服務(wù)中心請(qǐng)求，查詢事故所在基站號(hào)內(nèi)的、并在駛?cè)敫咚俟窌r(shí)，查詢登記過的所有終端用戶；

J流程表示位置服務(wù)中心應(yīng)監(jiān)控中心的要求，通知所在區(qū)域的所有終端用戶；

K流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)向綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)發(fā)起認(rèn)證計(jì)費(fèi)確認(rèn)請(qǐng)求；

L流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)向移動(dòng)定位平臺(tái)返回認(rèn)證計(jì)費(fèi)確認(rèn)應(yīng)答；

M流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)產(chǎn)生計(jì)費(fèi)單。

2.2車輛定位功能設(shè)計(jì)

車輛定位功能的設(shè)計(jì)，其車輛定位位置服務(wù)方案，如圖7所示。

圖7中，監(jiān)控中心作為本地坐標(biāo)系應(yīng)用的一個(gè)SP通過綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控中心人員向車輛發(fā)起位置服務(wù)申請(qǐng)；位置服務(wù)中心通過綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行鑒權(quán)，若鑒權(quán)通過，則對(duì)所要檢測(cè)的用戶同意開放本地坐標(biāo)系，向移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起被定位用戶的位置請(qǐng)求；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過定位操作平臺(tái),將用戶位置信息發(fā)送給位置服務(wù)中心，反饋回監(jiān)控中心。

圖7車輛定位具體的位置服務(wù)方案

監(jiān)控中心中基于小區(qū)號(hào)實(shí)現(xiàn)定位業(yè)務(wù)流程，如圖8所示。

圖8　監(jiān)控中心中基于小區(qū)號(hào)實(shí)現(xiàn)定位

監(jiān)控中心中基于小區(qū)號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的業(yè)務(wù)流程分別為:

a流程表示監(jiān)控中心向綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送對(duì)某一車輛的定位請(qǐng)求；

b流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)對(duì)所要定位的車輛進(jìn)行認(rèn)證授權(quán)；

c流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)向位置服務(wù)中心發(fā)布所要開放的移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用；

d流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)向綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)發(fā)起認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

e流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)處理認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

f流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)返回認(rèn)證計(jì)費(fèi)請(qǐng)求；

g流程表示位置服務(wù)中心向定位操作平臺(tái)的移動(dòng)定位平臺(tái)，發(fā)起定位請(qǐng)求；

h流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)向位置服務(wù)中心檢查發(fā)起定位的監(jiān)控中心，是否有權(quán)獲取目標(biāo)移動(dòng)終端的位置信息；

i流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)發(fā)送SMSREQ給目標(biāo)用戶的原籍位置寄存器，檢測(cè)移動(dòng)車輛終端漫游地的服務(wù)移動(dòng)交換中心地址；

j流程表示原籍位置寄存器判定移動(dòng)車輛終端是否處于激活狀態(tài)，并返回SMSREQ給移動(dòng)定位平臺(tái)，這時(shí)移動(dòng)定位平臺(tái)獲得移動(dòng)車輛終端漫游地服務(wù)移動(dòng)交換中心地址；

k流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)發(fā)送ISPOSREQ消息給服務(wù)移動(dòng)交換中心，用于獲取被定位移動(dòng)車輛終端當(dāng)前所在的服務(wù)扇區(qū)的信息；

l流程表示服務(wù)移動(dòng)交換中心返回ISPOSREQ消息給移動(dòng)定位平臺(tái)，該消息封裝了移動(dòng)車輛終端的無線環(huán)境信息；

m流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)根據(jù)其數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的用戶漫游地的位置，計(jì)算實(shí)體信息，選擇合適的位置，計(jì)算實(shí)體，向其發(fā)送GPOSREQ消息，該消息中，封裝了相關(guān)的扇區(qū)信息和無線環(huán)境信息；

n流程表示位置計(jì)算實(shí)體將服務(wù)扇區(qū)信息、無線環(huán)境信息等轉(zhuǎn)化為粗精度位置信息，通過GPOSREQ消息返回給移動(dòng)定位平臺(tái)，該消息包括所要測(cè)定的位置結(jié)果；

o流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)將位置結(jié)果返回給位置服務(wù)中心，并在數(shù)據(jù)服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)終端跟蹤的需重復(fù)g到o；

p流程表示位置服務(wù)中心向監(jiān)控中心返回定位結(jié)果；

q流程表示移動(dòng)定位平臺(tái)向綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)發(fā)起認(rèn)證計(jì)費(fèi)確認(rèn)請(qǐng)求；

r流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)向移動(dòng)定位平臺(tái)返回認(rèn)證計(jì)費(fèi)確認(rèn)應(yīng)答；

s流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺(tái)產(chǎn)生計(jì)費(fèi)單。

3　系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)有的位置軟件開發(fā)包(Software Development Kit,SDK)和應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)，在基于安卓系統(tǒng)的移動(dòng)終端上對(duì)以上功能進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多基站輔助單基站計(jì)算定位技術(shù)，完成車載移動(dòng)終端用戶對(duì)自身的定位服務(wù)、查詢服務(wù)和上報(bào)位置信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急服務(wù)中的報(bào)警系統(tǒng)，如下所示。

(1) 系統(tǒng)登錄及注冊(cè)

系統(tǒng)安裝成功后，點(diǎn)擊進(jìn)入主界面進(jìn)行用戶登錄，用戶首次使用可在注冊(cè)界面設(shè)置用戶名、密碼、確認(rèn)密碼等信息，用戶名必須是駛?cè)敫咚俟分械能嚺铺?hào)。系統(tǒng)將這些注冊(cè)信息通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)杰囕v監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)這些信息進(jìn)行管理與監(jiān)控。

(2) 主界面

點(diǎn)擊“登錄”或者完成“注冊(cè)”進(jìn)入高速公路位置服務(wù)中心的主界面，系統(tǒng)功能主要包括：定位服務(wù)、查詢服務(wù)和上報(bào)位置信息。

(3) 定位服務(wù)

用戶通過定位服務(wù)，測(cè)量自己的位置信息，包括定位的“經(jīng)度”、“緯度”和“地址”等信息。如需要查看地圖信息，可通過調(diào)用地圖的API來顯示當(dāng)前的地圖位置信息。如圖9所示，通過點(diǎn)擊定位，可在地圖上看到定位的“我的位置”。

圖9　定位服務(wù)

(4) 查詢服務(wù)

用戶根據(jù)自身需求輸入所要提供的“經(jīng)度”、“緯度”或者“地址”等位置信息，點(diǎn)擊“查詢”按鈕就可實(shí)現(xiàn)位置查詢服務(wù)，利用地圖查看大致的位置，如圖10所示。

圖10　查詢服務(wù)

(5) 上報(bào)位置信息

在發(fā)生緊急事故時(shí)，車載終端用戶可以直接點(diǎn)擊“位置信息上報(bào)”來反應(yīng)事故出發(fā)的“經(jīng)度”、“緯度”或者“地址”信息，在此過程中，系統(tǒng)可通過移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，并將定位信息以xml文件發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器中，監(jiān)控中心根據(jù)地圖和經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換查找事故發(fā)生的地點(diǎn)，如圖11所示。

圖11　上報(bào)位置信息

4　結(jié)語

針對(duì)目前位置服務(wù)業(yè)務(wù)的廣泛使用，采用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多基站輔助單基站計(jì)算定位技術(shù)，進(jìn)行高速公路車輛的位置管理，結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)業(yè)務(wù)開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)模型。同時(shí)，設(shè)計(jì)了高速公路車輛應(yīng)急方案和車輛定位的位置服務(wù)方案，并通過安卓平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，蜂窩網(wǎng)絡(luò)多基站輔助單基站計(jì)算定位技術(shù)有效。

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[責(zé)任編輯: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，碩士，工程師，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。E-mail:lilin@xupt.edu.cn

杜程(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樵朴?jì)算理論與應(yīng)用。E-mail:781534706@qq.com

TP393

A

2095-6533(2016)04-0102-07