基于三邊測量原理的用戶定位方法研究

由曉鵬　陳天偉

摘要：為了找到一種能通過話務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行用戶活動區(qū)域分析的方法，介紹了一種通過移動通信系統(tǒng)的信令和參數(shù)進行用戶區(qū)域分析的方法。首先研究現(xiàn)有的話務(wù)統(tǒng)計資料，分析能夠反映用戶活動區(qū)域的參數(shù)。通過分析，找到了話務(wù)統(tǒng)計中與用戶活動區(qū)域有關(guān)的參數(shù)，得出可使用此種方法分析用戶區(qū)域的方法。通過查找響一聲電話，證實了這種方法的可行性和實用性，可在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)維護人員中進行推廣。

關(guān)鍵詞：時間提前量 呼叫流程 掃頻 主被叫比 基站工參

1 引言

在移動網(wǎng)絡(luò)中為了估算移動終端和基站間的距離，設(shè)置了一個叫做定時提前（Timing Advance，TA）的參數(shù)。該參數(shù)的主要作用是通過測量信號從移動終端到基站間的時間，可以估算出移動臺距離基站的大致范圍。

本文將利用TA參數(shù)配合三角定位法的方式，定位出某一特定用戶的大致區(qū)域，再利用掃頻儀確定用戶的精確位置。

2 三邊定位原理

三邊定位法的原理是利用2臺或者2臺以上的探測器在不同位置探測目標(biāo)方位，然后運用三角幾何原理確定目標(biāo)的位置和距離。

以GPS定位系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)就是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，GPS接受裝置通過量測無線電信號的傳輸時間來測量距離。由每顆衛(wèi)星的所在位置，測量每顆衛(wèi)星至接受器間的距離，即可算出接受器所在位置的三維空間坐標(biāo)值。使用者只要利用接受裝置接收到3個衛(wèi)星信號，就可以確定使用者所在的位置。

3 三邊定位原理的應(yīng)用

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，無數(shù)的基站既是信號的發(fā)射器，也是信號的接收器，利用這無數(shù)的探測器，通過確定用戶到每個基站的距離，就可以對用戶的區(qū)域進行定位。而在移動系統(tǒng)中，測量手機到基站的距離所使用的參數(shù)為TA參數(shù)，該參數(shù)可通過提取統(tǒng)計指標(biāo)獲得。

3.1 TA參數(shù)的作用

由于手機是時空受限系統(tǒng)，因此在進行數(shù)據(jù)傳輸時，信息接收會有延遲。為了使放置先后順序不同的信息在接收端接收信息時不會因為順序變換或前后信息的重疊造成誤碼，因此需要在發(fā)送時進行時間的規(guī)劃。而進行時間規(guī)劃的前提是需要知道移動終端和基站的位置。但是在業(yè)務(wù)中，由于移動終端（MS）總是處于移動的狀態(tài)，因此需要在移動協(xié)議中，加入一個參數(shù)，其作用就是定時地對MS和基站間的距離進行測量。事實上無線通信的信道編解碼采用的是極大似然估計法，如果基站或MS不知道對端離開自己的距離（或者說對端信號的傳輸時延）則基站或MS的信道編碼方案必須采取更多的冗余保護（即采用更多的同步比特，包括前對位比特、中對位比特、后對位比特）。移動終端和基站間的距離示意圖如圖1所示：

為了補償電波傳輸延遲，提高信道編解碼效率，在移動協(xié)議中加入了時間提前參數(shù)TA。TA根據(jù)基站收到MS隨機接入信道（RACH）上的信道請求信息進行均衡時計算出來的時間提前量。NS在RACH發(fā)起接入請求時，基站并不知道其離開自己的距離，所以RACH的同比開銷就比業(yè)務(wù)信道高很多。在基站解碼手機的隨機接入請求時就已經(jīng)計算出了該信號的傳輸時延，基站會在隨后的接入準(zhǔn)許信道（AGCH）上以TA值的方式告訴手機其離開自己的距離，要求MS隨后在業(yè)務(wù)信道（TCH）的信號發(fā)射時提前TA所代表的時間值。TA的取值范圍是0～63，代表的時間范圍是0 us～233 us，相當(dāng)于0 km～70 km，TA每增加1，意味著MS離開基站的距離增加約550 m。

3.2 TA的產(chǎn)生過程

為了對TA參數(shù)有個更直觀的了解以及對其作用機理有更深入的了解，有必要仔細(xì)研究MS和BSS在進行呼叫流程前所進行的網(wǎng)絡(luò)操作。在每次發(fā)起時，MS會通過無線信道（Um）中的RACH信道先發(fā)起一條channel request消息（8 bits）到基站子系統(tǒng)（BSS）的基站側(cè)，其中包括請求信道原因及一個隨機參考值。MS在發(fā)送這條信息時預(yù)留了最大的時間估計的間隔時間。因為此時MS不知道自己和基站的距離是多大，因此只能以最大的時間間隔來進行發(fā)射。

基站接收到這條請求信息后，會對信息傳輸過來的時間間隔進行計算，得到TA值，并將TA紀(jì)錄在BSS的數(shù)據(jù)庫中。對于MS的信道請求信息，BSC通過查詢系統(tǒng)資源情況后，進行分配，并通過下行的AGCH信號發(fā)送回MS。

之所以每次MS和基站進行通信時，都會進行信道請求，這是由移動通信系統(tǒng)的特點所決定的。當(dāng)MS開機后，處于待機模式，這種模式下MS主要是收聽基站通過廣播信道下發(fā)的系統(tǒng)信息。而當(dāng)MS需要和基站進行業(yè)務(wù)時，就需要進行信道申請，這時就需要知道MS和基站間的距離是多少。

因此，每個MS在進行業(yè)務(wù)前，都會通過這種方式告知BSS，自己和基站的距離是多遠，BSS生成的數(shù)據(jù)中，會按照TA值的分布對每次的TA值進行紀(jì)錄，通過對這些TA值的分布區(qū)間進行分析，就可以知道該基站用戶主要集中的范圍了。

如表1所示，BSS中按照小區(qū)統(tǒng)計出TA由0～63范圍內(nèi)的計數(shù)次數(shù)，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出該小區(qū)的的一個大致覆蓋范圍。

雖然基站使用的是定向天線，其覆蓋范圍在理論上以60°的扇形發(fā)射出去。但是在實際環(huán)境中，特別是城市環(huán)境中，無線的傳播環(huán)境極其復(fù)雜，如果只是簡單地以60°扇形的范圍進行考慮，那么最終的結(jié)果會非常不準(zhǔn)確。因此要綜合借助多個基站的TA值進行考慮，確定其范圍。

4 案例應(yīng)用

在對全網(wǎng)進行日常指標(biāo)的統(tǒng)計中，發(fā)現(xiàn)在過去的一個星期，BSC56的無線接入性指標(biāo)掉話率惡化地較為明顯，通過對話務(wù)統(tǒng)計進行分析，確定了BSC56存在有“響一聲電話”的惡意呼叫行為。因此需要先通過分析BSC56的話務(wù)統(tǒng)計指標(biāo)，分析惡意呼叫行為所處的區(qū)域。

4.1 TA分析

通過對BSC56的問題小區(qū)，特別是TCH擁塞小區(qū)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)表2中的小區(qū)這段時間出現(xiàn)了多次的TCH擁塞現(xiàn)象。

提取這幾天，以上小區(qū)的TA值，如表3所示，可以得到TA測量報告次數(shù)。

從表3可以看出，TA值每變化1，代表手機和基站的距離變化了550 m，通過表3可以發(fā)現(xiàn)，擁塞最嚴(yán)重的43972、60293和43782這三個小區(qū)的的主要TA值均處于1～2這個區(qū)間，也就是說分別以三個小區(qū)為圓心，繪制三個圓環(huán)，圓環(huán)的交匯區(qū)域即為需要重點排查的區(qū)域，借助輔助的地圖工具，就能更直觀地顯示出來，如圖2所示：

4.2 掃頻定位

確定了大致的區(qū)域后，采用頻譜儀掃頻的方式來查找惡意呼叫源，觀察頻譜儀掃頻天線方向的上行突發(fā)脈沖情況，一般情況，如果GSM頻段（890—915 MHz）有大量上行突發(fā)脈沖就基本可以確認(rèn)此方向。

在進行掃頻時，也需要依據(jù)確定的范圍，一層一層地掃頻。首先在一個比較大的范圍內(nèi)觀察頻譜儀的脈沖變化情況，基本確認(rèn)惡意呼叫點在一個較大的圈內(nèi)，之后縮小范圍進行第二圈測試，可以確定更小的范圍，之后在一個較小的范圍內(nèi)進行定點掃頻，可以發(fā)現(xiàn)上行脈沖最強的地點就是所要尋找的惡意呼叫源。

另外惡意呼叫點的指標(biāo)變化情況：主被叫占用占比達到了峰值的80：1，恢復(fù)正常后基本達到了主被叫1：1，如圖3所示：

通過TA值分析和通過幾天的掃頻觀察分析，最終確定在該區(qū)域的某出租房附近的掃頻值最異常，可以基本確定該房間即為最大嫌疑的區(qū)域，將技術(shù)證據(jù)提交到公安機關(guān)，由公安機關(guān)進行處理。

5 結(jié)束語

話統(tǒng)指標(biāo)中TA值被大部分的優(yōu)化人員用于用戶區(qū)域的分析。但是由于城市地貌的原因，單獨基站的TA值并不能真實地反映出用戶的聚集區(qū)域。當(dāng)需要分析用戶的聚集區(qū)域時，不需要多復(fù)雜的算法，而是綜合分析多個基站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)即可。而本案例則是在TA的分析上，再配合掃頻儀的使用，對用戶的區(qū)域進行了比較精確的定位。

參考文獻：

[1] 韓斌杰. GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2009： 54-59.

[2] 趙鳴翔. 蜂窩移動通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2009.

[3] 田曉燕. 射頻通信網(wǎng)絡(luò)及其定位技術(shù)研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2013.

[4] 張建平. MIMO移動通信系統(tǒng)中的單基站定位技術(shù)研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2008.

[5] 李嶸崢. 無線蜂窩通信系統(tǒng)中移動臺定位技術(shù)研究與實現(xiàn)[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2011.

[6] 王田園. GSM無線網(wǎng)絡(luò)掉話的分析建模與研究[J]. 廣東通信技術(shù)， 2011（9）： 41-45.

[7] 李金春. 基于射頻識別技術(shù)的定位算法的研究[J]. 電氣時代， 2013（10）： 107-109.

[8] 潘鋒. GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化案例及處理方法[J]. 中國新通信， 2010（11）： 11-15.

[9] 田安紅，楊華芬. 淺談無線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)[J]. 科技視界， 2012（20）： 212.

[10] 呂娟，文紀(jì)偉. 移動定位技術(shù)研究[J]. 計算機光盤軟件與應(yīng)用， 2014（14）： 112-113.

[11] 崔弘珂，王玉林. 三機時差頻差聯(lián)合定位精度分析[J]. 無線電工程， 2011，41（7）： 21-23.

[12] 王春龍，馬傳焱，時荔蕙，等. 一種基于多點觀測的無人機目標(biāo)定位方法[J]. 無線電工程， 2016，46（2）： 48-51.★