青明基 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

卓安生 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

常 城 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

1 引言

隨著3G及4G的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和普及，無線網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用越來越豐富，用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬服務(wù)要求也越來越高，特別是在當(dāng)今信息大爆炸的時代，通過移動互聯(lián)網(wǎng)獲取手機(jī)視頻、網(wǎng)頁等信息已越來越重要，而承載這些信息必須依賴無線網(wǎng)絡(luò)，可見無線網(wǎng)絡(luò)帶寬速率的大小就顯得非常重要。本文就基于Android平臺的智能手機(jī)移動終端實(shí)現(xiàn)無線寬帶測速并結(jié)合手機(jī)終端定位技術(shù)LBS（Location Based Service）和GPS實(shí)現(xiàn)地理位置的無線寬帶的測速數(shù)據(jù)采集，并把采集來的測速數(shù)據(jù)共享給無線寬帶用戶和運(yùn)營商，使用戶能切實(shí)體會無線網(wǎng)絡(luò)帶寬速率情況，從而為運(yùn)營商提高和優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

2 基于Android平臺手機(jī)定位技術(shù)的研究

2.1 Android平臺智能手機(jī)定位技術(shù)

手機(jī)定位是依靠移動位置基站的服務(wù)（LBS），即用戶手機(jī)通過聯(lián)通、電信、移動運(yùn)營商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)（如GSM、CDMA網(wǎng)）或外部定位方式（如GPS網(wǎng)絡(luò)）獲取移動終端用戶的位置信息（見圖1）。移動終端通過檢測移動終端和基站之間傳播信號的特征參數(shù)來獲得其幾何位置，根據(jù)進(jìn)行定位估計位置的不同可分為兩種：基于移動終端定位和基于網(wǎng)絡(luò)定位。

圖1 定位技術(shù)架構(gòu)

（1）基于移動終端定位

基于移動終端定位是根據(jù)目標(biāo)與各通信基點(diǎn)通信時的相關(guān)位置信息來確定幾何位置，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中又叫作前向鏈路定位。移動終端定位技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、基于移動終端發(fā)送/接收信號的定時或角度的覆蓋三角技術(shù)（TOA）以及起源蜂窩小區(qū)（COO）。

●全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS是由美國國防部在20世紀(jì)70年代開始聯(lián)合研制的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，具有全球性、全天候、高精度三維定位的特點(diǎn)。GPS系統(tǒng)主要由3大部分組成：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（控制部分）和GPS信號接收機(jī)（用戶部分）。GPS的定位原理就是將高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置。

●三角定位技術(shù)

TOA（Time Of Arrival）基于測量信號從移動終端發(fā)送出去并到達(dá)消息測量單元（3個或更多基站）的時間來定位。移動臺位于以基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進(jìn)行計算，移動臺的二維位置坐標(biāo)可由3個圓的交點(diǎn)確定。與E-OTD不同的是，它沒有使用位置測量單元，因此必須通過與在基站上安裝了全球定位系統(tǒng)（GPS）或原子鐘的無線網(wǎng)絡(luò)之間的同步來實(shí)現(xiàn)。

●起源蜂窩小區(qū)COO（Cell Of Origin）

起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)是根據(jù)移動終端所處的小區(qū)標(biāo)識號ID來確定用戶位置的。移動終端在當(dāng)前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應(yīng)小區(qū)的ID號。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置（在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置）和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取位置信息。該定位方案的優(yōu)點(diǎn)是無需對網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時間短。該定位精度取決于小區(qū)的半徑。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)定位

基于網(wǎng)絡(luò)定位是多個固定的通信基點(diǎn)接收目標(biāo)發(fā)送的信號，根據(jù)其中相關(guān)的位置信息來確定目標(biāo)的定位信息，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中又叫反向鏈路定位。該技術(shù)要求定位終端發(fā)送或廣播一些特定的信號，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集這些信號并擔(dān)負(fù)起定位計算的任務(wù)。手機(jī)定位是基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，通過移動電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)固定通信基點(diǎn)獲取移動終端用戶的位置信息。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是：收集對服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個基站進(jìn)行測量的結(jié)果，算出測量數(shù)據(jù)之間的時間差，并用此計算用戶相對于基站的位置。增強(qiáng)型觀測時間差定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，是目前使用最多的技術(shù)，也是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ETSI）建議使用的主要技術(shù)。

2.2 Andriod手機(jī)定位要求

（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力

手機(jī)定位對基站的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力要求比較高，無論在室內(nèi)還是室外，從高層建筑和地下設(shè)施必須保證信號能覆蓋到每個角落，其覆蓋率的定位范圍可分為3種：在整個本地網(wǎng)覆蓋、覆蓋部分本地網(wǎng)和提供漫游網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型。除了考慮覆蓋率外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化的環(huán)境因素也可能使一個電信運(yùn)營商無法保證在本地網(wǎng)絡(luò)或漫游網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)。

（2）定位精度

手機(jī)定位應(yīng)該根據(jù)用戶服務(wù)需求的不同提供不同的精度服務(wù)，并可以提供給用戶選擇精度的權(quán)利。例如，美國FCC推出的定位精度在50m以內(nèi)的概率為67%，定位精度在150m以內(nèi)的概率為95%。定位精度一方面與采用的定位技術(shù)有關(guān)，另外還取決于提供業(yè)務(wù)的外部環(huán)境，包括無線電傳播環(huán)境、基站的密度和地理位置，以及定位所用設(shè)備等。

●移動基站定位精度

基于Andriod系統(tǒng)的智能手機(jī)移動終端，本身都提供相應(yīng)的api，只要有信號就可以獲取相關(guān)基站的信息，具體描述如下：

——MobileNetworkCode（MNC）：移動網(wǎng)號碼。

——Mobile Country Code（MCC）：移動用戶所屬國家代號。

——LocationAreaCode（LAC）：地區(qū)區(qū)域碼。

——CellTowerID（CellID）：代表一個移動基站。

Andriod平臺能通過獲取的移動基站的CellID，再通過CellID從移動運(yùn)營商那里獲取基站信息即可知道地理位置坐標(biāo)的經(jīng)緯度。表1即為移動基站定位精確誤差表。

表1 移動基站定位精確誤差表

●手機(jī)GPS定位精度

目前，大多數(shù)Android智能手機(jī)都擁有GPS硬件定位，終端開啟GPS功能，手機(jī)在查詢地圖定位的同時，也給地圖服務(wù)商提供了方向的定位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過其內(nèi)部的算法，即可獲得終端所在的經(jīng)緯度。表2即為GPS定位精度誤差表。

表2 GPS定位精度誤差表

3 基于Android平臺移動無線寬帶系統(tǒng)設(shè)計

3.1 Android手機(jī)移動無線寬帶測速的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

移動手機(jī)終端利用定位技術(shù)獲取手機(jī)所在的地理位置坐標(biāo)，客戶端通過GPRS/3G/4G連接到Internate測速節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線寬帶測速，并把測速結(jié)果上報到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，用于構(gòu)建無線寬帶測速數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖2所示。

此系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，打通了從無線寬帶測速、數(shù)據(jù)采集、再到數(shù)據(jù)分析的通道，運(yùn)營商利用分析的數(shù)據(jù)能及時了解和掌握各個區(qū)域、街道無線網(wǎng)絡(luò)速率服務(wù)的情況。

3.2 Android手機(jī)移動無線寬帶測速要求

了解無線網(wǎng)絡(luò)性能需要建立測速節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)部署器的部署至關(guān)重要，移動終端和測速節(jié)點(diǎn)服務(wù)器建立通訊時，終端根據(jù)ping命令并計算訪問的延時率以獲取最近的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器可以部署在本地ISP網(wǎng)或公共互連網(wǎng)或IDC機(jī)房。

（1）測速節(jié)點(diǎn)要求

測試節(jié)點(diǎn)必須滿足以下最低規(guī)格：

——雙核至強(qiáng)（2GHz的+）。

——4GB內(nèi)存。

——80GB硬盤。

——千兆以太網(wǎng)連接，帶千兆上行鏈路。

——操作系統(tǒng)為CentOS/RHEL5.x/6.x。

——上行1GB的數(shù)據(jù)文件。

節(jié)點(diǎn)服務(wù)器開放多個TCP和UDP端口供測試使用。測試節(jié)點(diǎn)也必須對ICMP的ping響應(yīng)請求。良好的網(wǎng)絡(luò)連接是關(guān)鍵，由于可能多個客戶端運(yùn)行同時測試，雙千兆鏈路是可取的，同時測試節(jié)點(diǎn)保留測試結(jié)果，當(dāng)開始一個測量周期，智能手機(jī)應(yīng)用程序運(yùn)行一個簡短的延遲測試。

（2）測速前提條件

在每次測速之前，客戶端的應(yīng)用程序會檢查移動寬帶使用，如果設(shè)備傳輸率超過64kbit/s，則測速將被取消，這樣做的目的是保證測速的數(shù)據(jù)盡可能的客觀、真實(shí)。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（3）測速計算方式

下面是使用3個并發(fā)連接一個多路連接的測試進(jìn)行計算的例子，在測試中使用的每個連接計數(shù)目標(biāo)的有效載荷的字節(jié)，在兩個時間點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)量，并且計算每個線程的速度傳送的字節(jié)數(shù)/時間（s）。

計算公式定義為：

S=速度（每秒字節(jié)數(shù)），B=字節(jié)（字節(jié)傳輸），C=時間（s）（測試時間），則：

S1=B1/C1（速度線程1計算）；S2=B2/C2（速度線程2計算）；S3=B3/C3（速度線程3計算）；速度=S1+S2+S3。

以3MB有效載荷值示例，則：

3.3 Android手機(jī)移動無線寬帶測速數(shù)據(jù)指標(biāo)收集項(xiàng)

收集Android手機(jī)移動無線寬帶測速數(shù)據(jù)指標(biāo)，具體情況見表3。

表3 Android手機(jī)移動無線寬帶測速數(shù)據(jù)指標(biāo)

4 結(jié)束語

本文闡述了Android智能手機(jī)基于基站和GPS地理定位的要求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合無線寬帶測速軟件制定了無線寬帶網(wǎng)絡(luò)速率的數(shù)據(jù)指標(biāo)采集，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能得出某個區(qū)域運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)速率情況，進(jìn)而便于運(yùn)營商、用戶了解和掌握無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量情況，為無線運(yùn)營商兌現(xiàn)承諾的無線網(wǎng)絡(luò)速率提供了參考依據(jù)。

1 移動寬帶測速.Samknows無線移動測速網(wǎng).http：//www.samknows.com

2 移動基站定位.硅谷動力.http：//www.enet.com.cn/article/2007/0627/A20070627691562.shtml

3 手機(jī)定位.百度網(wǎng).http：//baike.baidu.com/view/342946.htm