張笑非，劉慶華，劉 鎮(zhèn)

(江蘇科技大學(xué) 計算機學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于小基站的校園位置服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

張笑非，劉慶華，劉 鎮(zhèn)

(江蘇科技大學(xué) 計算機學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著小基站在校園無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的普及，研究基于小基站的位置服務(wù)是對位置服務(wù)在智慧校園中應(yīng)用的一種積極探索。該系統(tǒng)包含接入、交換、數(shù)據(jù)、服務(wù)四個子系統(tǒng)，分別由Femtocell基站、軟交換設(shè)備、小基站數(shù)據(jù)庫及校園地理數(shù)據(jù)庫以及定位服務(wù)所構(gòu)成。定位服務(wù)根據(jù)基站的空中接口參數(shù)將其信號覆蓋區(qū)域表示成符合OGC規(guī)范的緩沖區(qū)對象，利用空間推理技術(shù)計算出校園地理數(shù)據(jù)庫中與緩沖區(qū)對象關(guān)聯(lián)的道路、建筑等空間要素，將接入特定基站的移動站與相應(yīng)的空間要素關(guān)聯(lián)，從而計算用戶所在的場所及軌跡。實驗結(jié)果表明，合理選擇小基站的放置地點以及參數(shù)設(shè)置，將信號覆蓋范圍關(guān)聯(lián)的空間要素數(shù)量控制在一個合理的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)就能在盡量不侵犯個人隱私的前提下，較細粒度地為校園內(nèi)人員分布和個人行為統(tǒng)計提供支持。

小基站；位置服務(wù)；緩沖區(qū)；空間推理

0 引 言

移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及小基站(Small Cell)的普及，為新形態(tài)的校園位置服務(wù)框架提供了條件。2016年小基站部署市場狀態(tài)報告[1]顯示，截止到2015年10月，小基站的市場裝配量已達到1 330萬臺，其中2015年的城市裝配量增長了280%，企業(yè)裝配量也增加了一倍。從區(qū)域裝配量來看，中國的裝配總量也接近整個北美市場的1/3。小基站作為3G/4G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，可以實現(xiàn)校園內(nèi)的深度覆蓋，結(jié)合軟交換等技術(shù)也可為校園提供內(nèi)部電話服務(wù)。因此，研究小基站在校園網(wǎng)中的應(yīng)用，以及如何在此基礎(chǔ)上提供位置服務(wù)，將成為校園位置服務(wù)研究的又一個熱點。

目前，GPS、WiFi等主要的無線定位方法都已應(yīng)用在校園位置服務(wù)的設(shè)計當中。文獻[2]討論了高校數(shù)字校園位置服務(wù)體系。文獻[3]基于校園網(wǎng)的WLAN環(huán)境，實現(xiàn)了一個校園無線局域網(wǎng)環(huán)境下的位置服務(wù)系統(tǒng)框架。文獻[4]介紹了幾種適合校園使用的無線定位方法及位置服務(wù)在校園和教學(xué)中的應(yīng)用。文獻[5-6]均探討了室外GPS定位技術(shù)與室內(nèi)WiFi定位技術(shù)在校園位置服務(wù)中的應(yīng)用。

小基站具有專有頻段，不會出現(xiàn)WiFi密集布置時出現(xiàn)的干擾嚴重情況，與屬于主動定位的GPS相比不需要用戶過多的操作。在基于小基站應(yīng)用在校園無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的情況下，在提供3G/4G深度覆蓋服務(wù)的同時，利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過校園地理數(shù)據(jù)庫和空間推理技術(shù)，為校園位置服務(wù)提供較細粒度的定位功能。

1 校園LBS架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由接入子系統(tǒng)、交換子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、服務(wù)子系統(tǒng)組成。

圖1 校園位置服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

每個子系統(tǒng)都具有較高的獨立性，彼此間又能通過定義的接口進行快速、有效的整合，這對于系統(tǒng)今后的功能擴展、模塊升級以及故障排查都非常有益。其中接入子系統(tǒng)與交換子系統(tǒng)通過SIP信令協(xié)議進行通信，交換子系統(tǒng)與接入子系統(tǒng)共同完成IMS/SIP的主要功能；數(shù)據(jù)子系統(tǒng)通過交換子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問接口進行基站及接入手機數(shù)據(jù)的讀取；服務(wù)子系統(tǒng)定位算法實現(xiàn)移動站與空間要素的定位關(guān)聯(lián)計算。

(1)接入子系統(tǒng)：由校園內(nèi)部署的小基站構(gòu)成，用

于將校園內(nèi)用戶手機發(fā)出的語音和數(shù)據(jù)信息呼叫至校園主干IP網(wǎng)絡(luò)，提供移動通信與移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。用戶在接入某小基站時，手機用戶的IMSI、ESN、MEID等信息將被小基站記錄，小基站通過SIP信令將這些信息傳送至交換子系統(tǒng)。校園內(nèi)采用的小基站是由Airvana生產(chǎn)的，該基站空中接口參數(shù)可以訪問其TCP 56001端口。因此，整個系統(tǒng)可以通過apache.commons.net.telnet庫實現(xiàn)對所有小基站的統(tǒng)一配置和管理。表1為其中一個小基站適配器alpha扇區(qū)的參數(shù)。

表1 某小基站alpha扇區(qū)參數(shù)

(2)交換子系統(tǒng)：提供基于SIP協(xié)議的呼叫控制功能，以及與接入無關(guān)的多種業(yè)務(wù)。實現(xiàn)過程中可以使用商用的IMS/SIP系統(tǒng)，如華為SoftX3000系統(tǒng)，或者使用開源的Mobicents系統(tǒng)。如圖2所示，考慮到部署的靈活性，該子系統(tǒng)在實驗過程中使用Mobicents。Mobicents是一個開源的通信平臺，能夠?qū)⒍喾N智能Web和多媒體應(yīng)用融合到一個基礎(chǔ)設(shè)施上[7]。該子系統(tǒng)將接入子系統(tǒng)中獲取的手機IMSI、ESN、MEID信息，以及小基站的發(fā)送功率、Cell ID、Network ID、System ID、Band-Class、PN-Offset等信息發(fā)送給服務(wù)子系統(tǒng)中的小基站數(shù)據(jù)庫。

圖2 基于Mobicents的交換服務(wù)

(3)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)：提供位置服務(wù)核心功能模塊所依賴的兩個數(shù)據(jù)庫，一個是小基站數(shù)據(jù)庫，另一個是校園地理信息數(shù)據(jù)庫。前者的數(shù)據(jù)由交換子系統(tǒng)提供，后者的數(shù)據(jù)通過OpenStreetMap[8]開源地理數(shù)據(jù)獲得。OpenStreetMap提供了基于RESTful規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問接口，即http://api.openstreetmap.org/，通過參數(shù)bounding box給出所需地理數(shù)據(jù)的一個經(jīng)緯度范圍。為了保證校園位置服務(wù)系統(tǒng)的用戶體驗效果，該子系統(tǒng)基于文獻[9]中的方法，通過離線的方式事先將必要的地理數(shù)據(jù)下載并存儲在本地。

(4)服務(wù)子系統(tǒng)：根據(jù)基站的空中接口參數(shù)，將其信號覆蓋區(qū)域表示成符合OGC規(guī)范[10]的緩沖區(qū)對象，利用空間推理技術(shù)計算出校園地理數(shù)據(jù)庫中與該緩沖區(qū)對象關(guān)聯(lián)的道路、建筑等空間要素，并將接入特定基站的移動站與相應(yīng)的空間要素關(guān)聯(lián)?？臻g要素的表示方式使用的是OGC定義的WKT(Well-Known Text,熟知文本)，用于在地圖和空間參考系統(tǒng)中表示向量幾何對象，作為ISO/IEC 13249-3:2011[11]標準中的內(nèi)容之一被大量使用在GIS系統(tǒng)中，在之后的空間推理運算中可以方便地調(diào)用OGC提供的9交集模型空間關(guān)系運算函數(shù)。

9交集模型[12]是一個描述兩個二維區(qū)域空間關(guān)系的拓撲模型，它將一個空間幾何對象A分成內(nèi)部Ao、邊界?A、外部Ae。當需要表達兩個幾何對象A和B的空間關(guān)系時，可以用該模型對應(yīng)的3*3矩陣進行表示。9交集模型能夠表示的空間關(guān)系包含Intersects、Touches、Crosses、Covers/CoveredBy、Contains/Within、Overlaps、Disjoint、Equals。每種關(guān)系對應(yīng)的矩陣模式不同，其中一些關(guān)系是存在包含關(guān)系的，比如A與B存在關(guān)系Touches，則兩者也必然存在關(guān)系Intersects。

2 定位方法

該系統(tǒng)最核心的功能是服務(wù)子系統(tǒng)中的定位功能，所采用的定位方法流程為：根據(jù)用戶移動設(shè)備所接入小基站的ID，從小基站數(shù)據(jù)庫中查詢到最新的基站坐標及信號功率，并以此計算小基站信號覆蓋范圍，確定用戶可能在一個區(qū)域，如圖3(a)所示。這個區(qū)域用WKT表示的緩沖區(qū)來表示，緩沖區(qū)被廣泛應(yīng)用于GIS研究中[13-14]；將小基站信號覆蓋區(qū)域與校園地理數(shù)據(jù)庫中的空間要素進行9交集模型運算，判斷覆蓋區(qū)域與哪些空間要素關(guān)聯(lián)，如圖3(b)所示。當用戶同時連接上多個基站時，返回這些空間要素及其信息，并對關(guān)聯(lián)的空間要素集合進一步過濾出可能的空間要素，從而更加精確地確定用戶所在場所。

圖3 緩沖區(qū)與空間要素的關(guān)聯(lián)計算

該系統(tǒng)的定義如下：

定義1：LBS系統(tǒng)L=(C,B,F,R)是一個4元組。

定義2：C={c1,c2,…,cn}是校園位置服務(wù)系統(tǒng)中基站的集合，元素ci表示一個基站。

定義3：B={b1,b2,…,bn}是基站覆蓋區(qū)域的集合，bi是用WKT格式表示的一個圓圈，表示基站ci所覆蓋的范圍。元素bi對應(yīng)C中的元素ci，基站ci的覆蓋半徑可由其發(fā)射功率計算得到，并將半徑作為OGC標準函數(shù)ci.Buffer(radius)的輸入?yún)?shù)，得到bi所對應(yīng)的WKT格式數(shù)據(jù)。

定義4：F={f1,f2,…,fm}是地理信息數(shù)據(jù)庫中空間要素的集合，元素fi通過WKT格式進行表示。

定義5：R={r1,r2,…,rn}是一個集合的集合，元素ri是F中所有與元素bi空間關(guān)聯(lián)的元素所構(gòu)成的集合，即ri={fi1,fi2,…,fij}，且ri?F。

定義6：fi與bj空間關(guān)聯(lián)，當且僅當fi.Intersects(bj)=true。函數(shù)Intersects是基于DE9IM模型的OGC標準函數(shù)。

定位功能中，緩沖區(qū)與校園地理數(shù)據(jù)庫中的空間要素進行的空間關(guān)聯(lián)算法設(shè)計如下：

function CALCULATERELATEDFEATURES(ci,F)

ri=?

bi=ci.buffer(RADIUS(ci.TXpower))

forj=0→mdo

iffi.intersects(bi) then

insertfiintori

else

continue

end if

end for

returnri

end function

3 實 驗

3.1實驗數(shù)據(jù)獲取

如圖4所示，實驗收集并計算了校園內(nèi)部署的小基站、在不同發(fā)射功率下關(guān)聯(lián)的空間要素數(shù)據(jù)。將基站部署在校園的四個不同測試點，基站使用的是800 MHz的Band Class 0頻段，初始發(fā)送功率為10 dBm。中國國內(nèi)電信行業(yè)一般規(guī)定手機的城市信號最低標準邊緣為-90 dBm、鄉(xiāng)村信號最低標準邊緣為-94 dBm。通過發(fā)送功率、最低接收標準邊緣、自由空間損耗計算公式，以及信號的頻率，結(jié)合路測工具估算出基站信號的近似覆蓋半徑?；镜淖鴺撕透采w半徑參數(shù)被記錄到小基站數(shù)據(jù)庫中用于定位分析。

圖4 基站部署與測試

3.2結(jié)果分析

通過對小基站的功率進行調(diào)整，結(jié)合自由空間損耗計算公式與路測結(jié)果估算其近似覆蓋半徑，與校園地理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行定位服務(wù)計算，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 關(guān)聯(lián)空間要素的分析結(jié)果

可以看到，隨著基站功率的增加，其覆蓋半徑也不斷增加，定位服務(wù)中可能關(guān)聯(lián)的空間要素數(shù)量也在增加。具體的數(shù)值會由基站的部署地點，以及周邊道路、建筑數(shù)量和分布決定。

因此，綜合校園內(nèi)小基站通信服務(wù)需求和定位服務(wù)需求，合理選擇小基站的放置地點以及參數(shù)設(shè)置，將小基站信號覆蓋范圍關(guān)聯(lián)的空間要素數(shù)量控制在一個合理的范圍內(nèi)，就可以在較細粒度上對移動站進行定位。一個小基站特定時段接入的移動站數(shù)量，可以統(tǒng)計出附近場所的人員分布；一個移動站不同時段接入的小基站序列，可以統(tǒng)計出該移動站用戶的行為特征。

4 結(jié)束語

探索小基站定位技術(shù)在校園位置服務(wù)中的應(yīng)用，是對GPS和WiFi定位技術(shù)的一種補充和拓展。該系統(tǒng)利用小基站覆蓋范圍從10 m到2 km的伸縮性，通過將校園地理數(shù)據(jù)庫中的空間要素和基站覆蓋區(qū)域進行抽象表達，利用空間推理技術(shù)將接入特定基站的移動站與相應(yīng)的空間要素相關(guān)聯(lián)，為特定場所用戶分布及軌跡分析提供必要支撐，從而提供較細粒度的校園內(nèi)位置服務(wù)，為智慧校園的建設(shè)提供了高附加值內(nèi)涵要素。

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DesignofCampusLocationServiceSystemBasedonSmallCellStations

ZHANG Xiao-fei，LIU Qing-hua，LIU Zhen

(School of Computer，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

With the popularity of small cells in the campus network construction,the research about location service based on small cell is a kind of active exploration for the application of location service on the smart campus.The system contains four subsystems,including access,switching,data and service,which are implemented by Femtocells,soft-switching devices,small cells and campus geospatial databases,and location service.The location service represents signal covering area as open geospatial consortium specified buffer object based on the parameters of cells’ air interface.It calculates the related spatial features from campus geospatial database with spatial reasoning technology,builds the relationships between small cells and mobile stations and computes the place and trajectory of users.The experimental results indicate that personnel distribution and individual behavior can be investigated at some accepted fine granular level,at the ground of rational siting of small cell stations and parameters setting within reasonable scopes,without the privacy violation at best effort.

small cell；location service；buffer；spatial reasoning

2016-07-01

2016-10-19 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-08-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51008143)

張笑非(1980-)，男，講師，碩士，從事通信技術(shù)和位置服務(wù)科研與教學(xué)工作。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170801.1549.010.html

TP302

A

1673-629X(2017)11-0201-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.043