基于Android的基站信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈鑫，張立志，汪小雨

（國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州450000）

基于Android的基站信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈鑫，張立志，汪小雨

（國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州450000）

針對(duì)部分地區(qū)由于基站位置信息缺失，從而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)基于基站手機(jī)定位給予良好數(shù)據(jù)支撐的問(wèn)題，采用主動(dòng)采集和集中處理的方法，通過(guò)android智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)基站信息采集前端，在spring框架下完成基站信息處理平臺(tái)后端的搭建，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基站信息采集系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)地采集實(shí)驗(yàn)表明，相較于傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了工作效率，優(yōu)化了工作流程，為采集工作提供了便利。

基站信息；定位；android；GPS

近幾年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展以及智能手機(jī)的不斷普及，位置服務(wù)（LBS，Location Based Services）已與我們的日常生活密不可分。例如獲取用戶所在位置與目的地之間的路線選取，發(fā)現(xiàn)用戶周邊的公共設(shè)施及商戶分布信息，以及個(gè)性化的天氣訊息推送等等。各類手機(jī)定位技術(shù)也成了目前的研究熱點(diǎn)，其中基于基站信息的手機(jī)定位技術(shù)憑借其無(wú)需額外硬件支持、室內(nèi)外均可實(shí)現(xiàn)、功耗較低等優(yōu)勢(shì)，受到大多數(shù)移動(dòng)供應(yīng)商和開發(fā)人員的青睞[1]。目前主流的基站定位技術(shù)包括：測(cè)量信號(hào)到達(dá)角度（AOA，Angle of Arrival）的定位技術(shù)，測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間 （TOA，Time of Arrival）和到達(dá)時(shí)間差（TDOA，Time Difference of Arrival）的定位技術(shù)，以及綜合運(yùn)用多種定位技術(shù)的混合定位技術(shù)等等[2]，但從本質(zhì)上看，無(wú)論采用哪種定位技術(shù)，其核心都是通過(guò)獲取用戶所在基站位置信息，再測(cè)量計(jì)算用戶相對(duì)基站位置來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，所以要想實(shí)現(xiàn)基站定位，首先應(yīng)擁有真實(shí)準(zhǔn)確的基站信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

然而在實(shí)際情況中，有些地區(qū)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期急于布網(wǎng)，并沒(méi)有對(duì)基站信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，有些地區(qū)雖然存有基站位置信息，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，數(shù)據(jù)庫(kù)已與實(shí)際情況形成很大出入，這些問(wèn)題的存在都會(huì)給基于基站的定位服務(wù)帶來(lái)較差的用戶體驗(yàn)[3]。文中針對(duì)這一需求，利用擁有良好開放性和兼容性的android平臺(tái)[4]以及具備良好松耦合性的spring框架[5]，開發(fā)了一個(gè)基站信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基站信息的實(shí)時(shí)采集，地理位置展示以及采集數(shù)據(jù)的持久化保存，為基于基站信息的定位服務(wù)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)保障和服務(wù)接口。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際需求，解決部分移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基站分布信息缺失的難題，以主動(dòng)采集和集中處理為基本模式，獲取真實(shí)可靠的基站信息，配合移動(dòng)通信核心網(wǎng)定位系統(tǒng)，為移動(dòng)用戶提供高質(zhì)量的位置服務(wù)。具體系統(tǒng)功能包含以下幾點(diǎn)：

1）可實(shí)時(shí)采集基站特征信息；

2）可獲取基站的位置信息，并提供電子地圖的直觀顯示；

3）構(gòu)建采集區(qū)域的基站信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的持久化保存；

4）能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行方便的操作管理，并提供基站信息查詢服務(wù)接口。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的分析，并結(jié)合當(dāng)前軟件開發(fā)的主流技術(shù)特點(diǎn)，將本系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即前端數(shù)據(jù)采集終端和后端信息處理平臺(tái)。

前端數(shù)據(jù)采集終端主要通過(guò)基于android平臺(tái)的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用android 4.4操作系統(tǒng)SDK開發(fā)實(shí)現(xiàn)基站信息采集，當(dāng)前位置獲取，電子地圖顯示以及采集數(shù)據(jù)上傳等功能。本系統(tǒng)參考MVC的設(shè)計(jì)思想，將程序分為交互層，業(yè)務(wù)層，控制層[6]。交互層主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)基站信息顯示，電子地圖展示，頁(yè)面切換等；業(yè)務(wù)層則負(fù)責(zé)基站信息采集，當(dāng)前位置獲取等系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)；而控制層則負(fù)責(zé)完成采集前端向后端信息處理平臺(tái)的數(shù)據(jù)上傳等數(shù)據(jù)處理相關(guān)的工作。

為了使本系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和可移植性，后端信息處理平臺(tái)選擇無(wú)需安裝客戶端即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的瘦客戶端Web程序?yàn)榛灸Ｊ絒7]，使用目前主流的開源框架 spring，結(jié)合 Tomcat7.0服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，完成基站信息數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，并提供基站信息查詢服務(wù)接口。框架圖如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

采集終端采集空中接口的下行導(dǎo)頻信號(hào)和GPS信號(hào)，利用時(shí)間軸將基站特征信息與采集點(diǎn)的地理位置信息相關(guān)聯(lián)。然后對(duì)原始信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)于所處同一基站覆蓋范圍的采集點(diǎn)分類劃分，并依據(jù)這些采集點(diǎn)的坐標(biāo)求取基站位置坐標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至信息處理平臺(tái)。當(dāng)采集信息傳入信息處理平臺(tái)后，首先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除重復(fù)或無(wú)效的數(shù)據(jù)，然后按照預(yù)定格式存入信息數(shù)據(jù)庫(kù)，最終為用戶提供檢索基站信息可獲取基站分布位置信息的服務(wù)接口。具體的系統(tǒng)組成及其應(yīng)用方式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)組成及其應(yīng)用方式

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前端采集終端的實(shí)現(xiàn)主要包含3個(gè)核心模塊：基站信息采集模塊、當(dāng)前位置獲取模塊、以及采集數(shù)據(jù)上傳模塊。

基站信息采集模塊主要利用android平臺(tái)電話系統(tǒng)管理器提供的API進(jìn)行開發(fā)。本系統(tǒng)定義方法getCellInfo（）用于基站信息的采集，其核心內(nèi)容為通過(guò)實(shí)例化電話系統(tǒng)管理器，利用基類提供的接口方法，獲取基站在下行導(dǎo)頻信道中廣播的基站信息。獲取的基站信息包括：MCC（移動(dòng)設(shè)備國(guó)家代碼）、MNC（移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)代碼）、LAC（位置區(qū)域編號(hào)）、CID（蜂窩編號(hào)）、網(wǎng)絡(luò)類型、運(yùn)營(yíng)商等[8]。值得注意的是，在android系統(tǒng)中獲取手機(jī)的基站信息，需要在程序清單中聲明讀取電話狀態(tài)的許可[9]。此外，由于目前我國(guó)存在多體制的網(wǎng)絡(luò)類型，因此在調(diào)用信息采集方法時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)類型判別，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)類型分別處理是該模塊的核心問(wèn)題。

在2G網(wǎng)絡(luò)中，LAC使用的是BCD編碼，所以2G的LAC范圍是十六進(jìn)制的[0×1000-0×1999]，[0× 2000-0×2999]，[0×3000-0×3999]，…，[0×9000-0× 9999]；到了3G時(shí)代，沒(méi)有了LAC必須是BCD編碼的限制，也為了避免沖突，3G網(wǎng)絡(luò)的LAC在區(qū)間[0×a000-0×ffff]進(jìn)行分配[10]；4G網(wǎng)絡(luò)中，LAC被TAC（Tracking Area Code）取代，TAC的分配方式和2G網(wǎng)絡(luò)相同，其區(qū)別主要通過(guò)CID體現(xiàn)。在2G中CID定義為16位二進(jìn)制值，范圍是[0-65535]，4G網(wǎng)絡(luò)用28位的二進(jìn)制值 ECI來(lái)代替 CID，由 20位的enodeb id和8位的cell id組成，而enodeb id是大于256的，因此可以通過(guò)判斷CID（ECI）字段的值來(lái)區(qū)分2G網(wǎng)絡(luò)基站和4G網(wǎng)絡(luò)基站?？偨Y(jié)如表1所示。

表1 基站判別規(guī)則

當(dāng)前位置獲取模塊則主要通過(guò)開啟采集終端的GPS設(shè)備，并讀取GPS的經(jīng)緯度坐標(biāo)來(lái)完成功能的實(shí)現(xiàn)。但是，隨著移動(dòng)通信網(wǎng)的發(fā)展，為滿足信號(hào)覆蓋和小區(qū)業(yè)務(wù)容量的要求，出現(xiàn)了室內(nèi)基站[11]。在對(duì)室內(nèi)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于GPS信號(hào)存在室內(nèi)無(wú)法接收的特點(diǎn)[12]，采集終端無(wú)法獲得自身的地理位置信息。為此，提出了信息關(guān)聯(lián)技術(shù)，利用相鄰點(diǎn)對(duì)采集點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。

對(duì)一次采集行為而言，獲得的采集點(diǎn)序列在時(shí)間上和空間上是連續(xù)的，即時(shí)間上相鄰的兩個(gè)采集點(diǎn)，其在空間上也是相鄰的[13]。當(dāng)序列中的某些點(diǎn)出現(xiàn)位置信息缺失時(shí)，利用時(shí)空連續(xù)性修復(fù)算法，即利用時(shí)間軸上最鄰近的信息完備點(diǎn)，填充缺失信息點(diǎn)。算法流程如圖3所示。

圖3 時(shí)空連續(xù)性修復(fù)算法流程圖

當(dāng)采集點(diǎn)密度較低時(shí)，利用時(shí)空連續(xù)性修補(bǔ)獲得的數(shù)據(jù)可靠性是值得商榷的，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)際采集測(cè)試，這里將GPS的采樣上報(bào)間隔設(shè)置為每2秒或每移動(dòng)距離超過(guò)8米一次。該技術(shù)的應(yīng)用可大大減少小區(qū)分布信息的盲區(qū)。

采集數(shù)據(jù)上傳模塊其主要目的是為了數(shù)據(jù)的持久化保存，以及為基站查詢提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。首先利用android平臺(tái)提供用于信息傳遞的控件 Broadcast Recevier獲取其他模塊采集到信息，利用時(shí)間軸將基站信息和位置信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而求取同一基站所屬采集點(diǎn)位置的中心點(diǎn)（經(jīng)緯度坐標(biāo)均值），最后把封裝好的基站信息結(jié)構(gòu)體以json的格式發(fā)送給后端信息處理平臺(tái)[14]。

2.2 信息處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信息處理平臺(tái)以B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)基站信息的展示和管理，服務(wù)器（這里我們選用tomcat7.0）接收到來(lái)自采集終端的json格式基站信息結(jié)構(gòu)體并完成json數(shù)據(jù)解析，然后將預(yù)定格式的基站信息傳入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

信息處理平臺(tái)的用戶交互頁(yè)面主要包括3部分：用戶登錄，信息管理以及信息查詢，頁(yè)面如圖4所示。用戶登錄主要是為了確保采集數(shù)據(jù)的安全性[15]，保證只有授權(quán)的用戶可以使用該系統(tǒng)。用戶通過(guò)注冊(cè)的形式獲得授權(quán)，使用對(duì)應(yīng)的賬號(hào)密碼完成后端信息處理平臺(tái)的登錄?；拘畔⒐芾眄?yè)面提供通過(guò)JDBC實(shí)現(xiàn)基站信息數(shù)據(jù)的管理功能，如添加、糾偏、刪除等。基站信息查詢頁(yè)面則提供了基站位置查詢服務(wù)接口，即輸入基站信息，顯示對(duì)應(yīng)的基站地理位置?？紤]到在實(shí)際采集中必然存在一些無(wú)效或明顯偏離實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)入庫(kù)之前還應(yīng)實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的有效性檢測(cè)。

圖4 信息處理平臺(tái)

3 結(jié)束語(yǔ)

與已有的基站信息采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)利用android智能手機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，無(wú)需額外的硬件設(shè)計(jì)，節(jié)省了大量開發(fā)成本。同時(shí)，相較于以往采集基站信息時(shí)，工作人員需要攜帶繁重的專用采集設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)基站信息的采集存儲(chǔ)，本系統(tǒng)將信息采集與信息處理進(jìn)行分離，即有助于基站信息的精細(xì)化管理，也優(yōu)化了采集的工作流程，提高了工作效率，為工作人員提供了便利。

[1]劉長(zhǎng)征，李偉.多種定位技術(shù)融合構(gòu)建LBS體系[J].地理信息世界，2013，1（3）:24-27.

[2]趙鳴翔.蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2012.

[3]王婷.多模基站信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué)，2013.

[4]公磊，周聰.基于Android的移動(dòng)終端應(yīng)用程序開發(fā)與研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014，3（8）:86-89.

[5]張宇，王映輝，張翔南.基于Spring的MVC框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，36（4）:59-62.

[6]劉引濤.基于Spring的MVC模式網(wǎng)上銀行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（7）:169-171.

[7]查修齊，吳榮泉，高元鈞.C/S到B/S模式轉(zhuǎn)換的技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2014，40（1）:263-267.

[8]張怡.基于J2EE的基站管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[9]姚嘉健.基于Android的LBS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].南京:南京郵電大學(xué)，2013.

[10]韋崢.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃（桂林）[D].北京:北京郵電大學(xué)，2012.

[11]劉峰.移動(dòng)通信基站設(shè)備信息管理系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[D].吉林:吉林大學(xué)，2015.

[12]肖宇翔.GPS定位與干擾技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2013.

[13]王敏，吳中博，徐德剛.基于預(yù)測(cè)模型的傳感器網(wǎng)絡(luò)近似數(shù)據(jù)采集算法 [J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（11）:2148-2152.

[14]劉偉江，李振漢，唐余亮，等.基于Android的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（9）:4-6.

[15]劉靖桐.面向Web2.0的web應(yīng)用前端開發(fā)框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué)，2014.

Design and implementation of base station information collection system based on Android

JIA Xin，ZHANG Li-zhi，WANG Xiao-yu
（National Digital Switching System Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450000，China）

Owing to the lack of base station location information in some areas，the mobile phone positioning based on the base stations unable to offer a good data to support.So we use an active acquisition and centralized processing method，realizing the acquisition front end of base station through the Android smart phone，and building the back-end of the base station information processing platform under the spring framework，therefore a set of base station information collection system was designed and implemented.The field-collected experiments showed that，this system has a higher efficiency and optimize the work processes compared with the traditional system，which provides the convenience for the acquisition.

base station information；location；android；GPS

TN92

：A

：1674－6236（2017）01-0009-04

2016-04-27稿件編號(hào)：201604268

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題支持（2014BAH30B01）

賈 鑫（1991—），男，河南平頂山人，碩士。研究方向：移動(dòng)通信系統(tǒng)。