基于VSAT／GSM的船載基站手機通信定位系統＊

盧紅洋 陳 偉 劉 建李 晶

（武漢理工大學信息工程學院1） 武漢 430070） （中國交通通信中心2） 北京 100011）

盡管3G網絡近幾年發展迅速，但以GSM為代表的2G網絡在網絡覆蓋和用戶數量上依舊占據絕對優勢.由于現有GSM網絡均采用地面宏蜂窩基站（BTS）實現海上無線信號的覆蓋，受GSM規范限制，只能實現距BTS站點35km左右海域的覆蓋，無法解決較遠海域的無線信號覆蓋，且現有GSM網絡的提供定位服務大多采用基于小區標識（CELL－ID）或CELL－ID＋TA的定位方式，這種定位方式隨著小區面積的擴大，定位精度急劇降低［1－2］.為了實現GSM 無線信號在較遠海域的覆蓋，提高海上手機定位精度，本文提出通過Abis over IP實現船載VSAT衛星通信系統承載GSM網絡，消除GSM網絡在海上的覆蓋盲點，可以將GSM網絡覆蓋范圍拓展到衛星信號能夠到達的任何地方，并通過船載基站和測向機的集成，實現AOA／TA的定位方式，為海上搜救提供較高精度的手機定位.

1 Abis over IP技術和AOA／TA定位法

1.1 Abis over IP技術

Abis over IP技術是將由E1鏈路承載的Abis業務通過IP網絡來承載［3］.傳統的基站采用面向連接的TDM傳輸技術和電路交換技術，一旦連接建立，用戶無論處于通話狀態還是靜音狀態，占用的帶寬資源始終固定，直至通話結束才釋放資源.Abis over IP技術通過對E1幀的內容進行分析處理，提取有效的Abis數據，去除IDLE幀信息和空閑信道信息，以IP數據格式對Abis數據進行封裝，實現基站的IP化，IP傳輸可以根據實際流量按需分配帶寬，用戶在通話和靜音時占用不同的帶寬，大大提高帶寬資源利用率［4］.在帶寬資源緊張的VSAT衛星通信系統中可以有效的節省Abis接口的帶寬占用.

通過Abis over IP技術在VSAT衛星通信系統上實現TDM over IP，能繼承衛星寬帶通信的各種優點，不僅能達到廣域范圍的無縫覆蓋，而且當如地震、洪水等能摧毀地面通信系統的自然災害發生時，建立在Abis over IP平臺上的IP化基站還能正常工作.

1.2 AOA／TA定位法

基于信號到達角（AOA）的定位是通過基站天線陣列測量手機發射電波的入射角，得到從基站到手機的徑向連線，兩條連線的交點即為目標手機的位置［5］.這種定位方法的優點是不需要對手機做任何改動，也不需要手機和基站時鐘同步，缺點是在障礙物較多的環境中，多徑效應使定位誤差增大.

TA即Timing Advance，在GSM系統中，為了補償電波傳輸延遲，提供信道編碼效率，基站利用手機信息分組中的訓練碼序列獲取基站和手機之間的信號傳播時延，并通過慢速伴隨信道（SACCH）將信號傳播時延以TA參數的形式告訴手機，手機利用TA參數就可以調整信息分組的發送時刻，以確保各移動臺的信息分組到達基站時能避免時隙重疊.TA以比特為單位，一個比特的時長為3.69μs，一個TA的距離可表示為

AOA／TA定位法是綜合AOA和TA技術的定位方法，基本思想是通過基站天線陣列獲取手機到達基站的角度和TA值，如圖1所示.

圖1 AOA／TA定位法

BTS坐標已知為（x1，y1），手機到基站的夾角表示為θ，距離表示為n＊TA，假定手機坐標為（x，y），則有以下關系式

根據以上關系式（1）～（3）可以解算出手機的位置.AOA／TA定位法最大的優點是只需要一個基站參與定位即可以知道手機的位置，適用于基站密度較低的郊區和農村.

2 系統方案

2.1 Abis over IP衛星傳輸組網

GSM系統通過VSAT衛星鏈路傳輸組網在國內外邊際網解決方案中已有成功的應用，使用Abis over IP技術通過VSAT衛星鏈路組網的示意圖如圖2所示.

VSAT小站天線選用6006RAZ C波段天線，該天線通過三軸穩定系統保證天線接收穩定，不管天氣和海況如何惡劣，船舶符合晃動，天線系統最快能以90°／s的速率隨船的晃動進行反應.

圖2 Abis over IP衛星傳輸組網示意圖

AbisoverIP網關采用CX－U1010，該設備能夠提供基于IP優化平臺的Abis接口，實現E1幀中空時隙的卸出和插入，從而實現信令和話音信號的帶寬壓縮，壓縮比例能夠達到2∶1到3∶1.衛星 Modem采用CDM－570L，該設備具備有效負荷壓縮、頭壓縮和服務質量（QoS）管理等特性，可顯著節省帶寬、提高傳輸質量并增強對帶寬分配的控制.CX－U1010和CDM－570L的組合主要用于基于衛星的蜂窩回程通信，并具備高性價比擴展、高級性能和高效連接的特點.

2.2 AOA／TA定位系統

AOA／TA定位系統由測向天線、測向處理機、定位處理機、顯控單元組成，本文采用的AOA／TA定位系統結構如圖3所示.

圖3 AOA／TA定位系統結構圖

測向天線采用均勻圓天線陣列，各陣元為無源型非全向天線，由于均勻圓陣具有圓對稱特性，可以實現360°全方位覆蓋，其方向特性在各方位角上不會有太大的變化，均勻圓陣具有優越的結構特點和良好的測向性能［6］.

測向處理機由多通道接收機和測向處理器組成.測向處理機通過開關按順序將測向天線陣列的多個陣元連接到多通道接收機的輸入端，多通道接收機對接收到的信號進行去噪和放大，在去噪和放大的過程中，保持各陣元信號的相位和幅度的相對關系.測向處理器通過對多通道接收機輸出信號的相位和幅度相關性進行分析比對，根據各陣元的相位差來判斷信號的方向角.

定位處理機通過偵聽BTS的下行信號得到目標手機到BTS的TA值以及目標手機的載頻信息，根據TA值確定目標手機距離BTS的距離，根據載頻信息和測向處理機的輸出數據的匹配確定目標手機到BTS的方向角，實現AOA／TA定位法對目標手機的定位.定位處理機接收到顯控單元的定位請求時開始對目標手機進行定位，并將定位處理結果返回給顯控單元.

顯控單元通過后臺控制指令控制定位處理機對目標手機進行定位，定位結果以圖形化的界面顯示，顯示內容包括目標手機的相對方向角信心和TA距離信息.

2.3 基于船載基站手機通信定位系統

在實際應用中，通過在CDM－570L上對手機通信業務的QoS進行高優先級配置，同時在陸地端和船端的CX－U1010上做靜態路由配置，實現GSM網絡Abis接口的IP化傳輸，保證手機通信定位系統能夠正常穩定的運行.系統實際組網如圖4所示.

圖4 基于VAST／GSM船載移動基站手機通信定位系統

船載基站手機通信定位系統由船載設備和陸地設備組成，船載設備和陸地設備之間的無線鏈路通過VSAT衛星通信系統承載.船載設備包括VSAT衛星小站、衛星 Modem、Abis over IP網關、測向定位系統和BTS系統，BTS天線和測向天線掛高在30m左右，用于保證船載基站的覆蓋服務范圍.陸地設備包括VSAT衛星主站、衛星 Modem、Abis over IP網關、BSC、MSC等設備，并通過MSC連接到公共交換電話網（PSTN）和公共陸地移動網絡（PLMN）.

3 測試方案和結果

3.1 測試方案

在基于船載基站手機通信定位系統安裝調試完成后，針對實際應用場景，制定了功能測試和性能測試方案.功能測試包括語音、短信、TA值獲取、AOA定向；性能測試包括呼叫成功率、尋呼成功率，時延抖動、帶寬占用率、AOA／TA定位精度測試.測試工具包括愛立信路測工具TEMS，Memotec網管軟件CXMON，測試點信號電平高于－100dBm，實際測試過程中選用多點進行測試.

3.2 功能測試結果

本局用戶和中國移動、聯通、電信用戶語音和短信的測試結果見表1.用戶在小區相同載頻不同時隙間切換、小區內不同載頻間切換均正常.

表1 語音短信測試結果

在顯控單元輸入小區內目標手機號碼，能夠正常獲取手機的TA值，并顯示該TA值對應的距離，測距結果如圖5所示，同時測向處理機經過多次AOA測向獲取目標手機的相對位置，當測向結果達到100%時完成測向工作，此時的方向角即為最終測向的相對角度.圖6所示經過4次測向得到最終測向結果為正西方向.

圖5 目標手機TA值獲取結果

3.3 性能測試結果

圖6 目標手機測向結果

使用愛立信路測工具TEMS對小區的呼叫、尋呼各進行100次測試，成功率均在95%以上，且連續通話30min無掉話現象，通話時延撥測局點的不同略有不同，雙向時延在700～850ms之間，其中由VSAT衛星通信引起的雙向時延在534ms左右，時延抖動在10ms以內.通話效果在Abis over IP衛星模式下和普通TDM模式下沒有明顯區別，時延感覺不明顯，通話質量完全滿足日常通話需要.

通過網管軟件CXMON可以測得無通話狀態下帶寬占用22kbit／s左右，疊加一路通話帶寬占用增加13kbit／s左右，低于TDM分配的16 kbit／s的帶寬占用，并且在靜音模式下，帶寬占用下降較明顯，說明通過IP傳輸實現了Abis口的優化，節省了衛星帶寬資源.

測試結果顯示AOA／TA對目標手機的一次定位時間在10s以內，AOA對目標手機方向角的定位精度在1°以內，TA的定位精度取決于GSM網絡，誤差在1個TA左右，在目標手機位置固定的情況下，通過多次搜索定位，AOA／TA的定位精度能夠達到300m左右，能夠滿足海上搜救的需要.

通過AOA／TA對目標手機的一次定位時間在10s以內，AOA對目標手機方向角的定位精度在1°以內，TA的定位精度取決于GSM網絡，誤差在1個TA左右，目標手機估計位置通過AOA／TA方式5次定位取平均值，目標手機真實位置通過差分GPS終端獲得，位置信息均映射到以測向天線為中心的直角坐標系，定位測試結果如表2所列，從表中可知AOA／TA的定位精度能夠達到300m左右，滿足海上搜救的需要.

4 結 論

基于VSAT／GSM船載移動基站手機通信定位系統成功的應用了Abis over IP技術和AOA／TA手機定位技術，在解決海上GSM移動通信網絡盲點的同時，為海事救撈部門提供海上輔助定位手段.通過Abis over IP技術使VSAT衛星鏈路承載GSM網絡成為現實，較好的解決了Abis接口帶寬占用過高的問題，并將AOA／TA手機定位技術應用到海上搜救，解決了現階段陸地基站CELL－ID和CELL－ID＋TA定位精度過低的問題.該系統已經成功的安裝在北海救撈局北海救113號搜救船舶上，在系統運行的幾個月時間里表現良好.

表2 定位測試結果

隨著人們對海上通信的要求越來越高，國家對海上人命財產安全越來越重視，下一階段考慮通過VSAT衛星鏈路來承載3G網絡，實現整網的IP化傳輸，并開展多船多基站組合定位的理論驗證和實際組網測試，進一步提高手機定位精度.

［1］王紅海，朱聯祥，陳 仁.利用GSM為信號源的無源定位系統［J］.信息技術，2009（3）：1－3.

［2］Sayed A H，Tarighat A，Khajehnouri N.Networkbased wireless location［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2005（7）：24－40.

［3］王 蘭，段曉東，王小奇.Abis接口IP化方案及應用［J］.電信技術，2008（8）：14－16.

［4］滕 剛.衛星與GSM網絡的集成應用［J］.衛星與網絡，2008（9）：52－58.

［5］鄧 平，劉 林，范平志.一種改進的TOA／AOA混合定位算法［J］.電路與系統學報，2003，8（4）：54－57.

［6］張 揚，鄒 洲，呂澤均.基于均勻圓陣的相干信號波束形成方法［J］.電子科技大學學報，2007，36（1）：20－23.