（交通运输规划与管理专业论文）基于手机数据源的行程时间采集研究.pdf

摘要 摘要 改革开放三十年，我国经济飞速发展，城市化进程伴随着机动化进程一起出 现并逐渐加快，使得城市交通面临的压力越来越大；在城市中心区，基础设施建 设逐渐趋于饱和，人们越来越多的将目光投向智能交通系统( i t s ) 的研究与应用； 手机信息采集技术由于在采集成本、样本量以及覆盖范围等方面存在的巨大优 势，吸引着越来越多研究者的注意。 多种数据源的行程时间采集在输出结果精度、样本量、覆盖情况以及采集成 本等方面都存在着较大差异。定点检测方式在点速度采集精度、样本量采集比例 等方面具有优势，但其采集成本、覆盖范围等方面却存在不足，而f c d 采集在 初期投入成本与样本量等方面也同样存在着一些问题。基于小区切换的手机信息 采集系统使用通话状态的手机作为虚拟检测器，在保证用户隐私的前提下利用手 机所处小区的位置变化信息采集道路上的实时交通状况，在样本量、覆盖情况以 及采集成本等方面具有着较大的优势。而另一方面，对手机信息采集方式在交通 上应用的研究并不多，因此有必要对基于小区切换的手机信息采集系统展开研 究。 本文以基于小区切换定位原理的手机信息采集系统为研究对象，以控制手机 信息采集系统输出结果的质量、分析手机信息采集方式的特点及其适用性为出发 点展开研究。分别从源数据筛选、交叉口采样误差分析等两个方面，从源数据与 采样误差两个角度来实现手机系统输出结果的质量控制；并通过与线圈检测方 式、f c d 采集手段等多种数据源的定性与定量对比，分析了手机信息采集相对 于其他数据源的独特特性，明确了手机信息采集的优缺点及其适用范围。 关键字：手机数据源、小区切换、行程时间采集、交通诱导 a b s t r a c t c h i n ai sn o we n j o y i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n tt h e s ey e a r s ，t h e u r b a n i z a t i o n p r o c e s sc o m e sf o r t ht o g e t h e rw i t hm o t o r i z a t i o na n ds p e e d su p ，c a u s i n gm o r ea n d m o r ep r e s s u r et ot h em o d e m c i t y i nt h ec e n t r a lc i t y ，t h ec o n s t r u c t i o no fi n f r a s t r u c t u r e b e g i n st os a t u r a t e ，a n dp e o p l ea r en o wc o n s i d e r i n gm o r eo nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fi t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) o nt h eo t h e rh a n d ，t h eu s a g e o fc e l lp h o n ea sp r o b et oc o l l e c tt h er e a lt i m et r a f f i ca t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s m e t h o d su s e dt oc o l l e c tt h er e a lt r a v e lt i m ed i f f e rf r o me a c ho t h e ro nm a n y s u b j e c t ss u c ha sp r e c i s i o n ，s a m p l es i z e ，c o v e r a g ea r e aa n ds oo n t h ef i x e dp o i n t s e n s o rh a v et h e i ra d v a n t a g e sa st h e yc a nd e t e c tt h ep o i n ts p e e dw i t hh i g hp r e c i s i o n a n dh i g hs i z es a m p l e ，w h i l eo nt h eo t h e rh a n d ，t h e yh a v et h e i rd i s a d v a n t a g e so nt h e s u b j e c t ss u c ha st h ec o s t ，t h ec o v e r a g ea r e a ，a n ds oo n a n df c d ( f l o a t i n gc a r d a t a ) a l s oh a v es o m ep r o b l e m st ob es o l v e dc o n c e r n i n gt h ec o s ta tt h eb e g i n n i n go f t h e p r o j e c t ，a n dt h es a m p l es i z ea sw e l l w h i l et h ec e l lp h o n es y s t e mu s e st h ec e l lp h o n e a sp r o b et od e t e c tt h er e a lt i m et r a f f i co nt h er o a d ，w i t ht h ep r e m i s eo f a s s u r i n gt h e p r i v a c yo ft h ec u s t o m e r s i th a ss o m eo b v i o u sa d v a n t a g e so nt h es u b j e c t ss u c ha s s a m p l es i z e ，c o v e r a g ea r e aa n dc o s t s ，w h i l eo nt h eo t h e rh a n d ，t h i sa r e ah a sn o tb e e n r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nb e f o r e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et r a v e lt i m ec o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h eh a n d o v e ro f t h ec e l l u l a rp r o b ed a t a ，a i m st oc o n t r o lt h ee r r o ro ft h er e s u l te x p o r t e db yt h es y s t e m a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i sd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d a n di t s a p p l i c a t i o nr a n g ea sw e l l t h et h i r dc h a p t e rf o c u s e so nt h er a wd a t af i l t r a t i o n ，t h e f o r t hc h a p t e rf o c u s e so nt h es a m p l i n ge r r o ri nt h ei n t e r s e c t i o n ，t h i st w oc h a p t e r sa i m t oc o n t r o lt h eq u a l i t yo ft h ef i n a lr e s u l te x p o r t e db yt h es y s t e m w h i l et h ef i f t hc h a p t e r f o c u s e so nt h ec o n t r a s tb e t w e e nc e l l u l a rp r o b ea n d l o o pd e t e c t o r , a sw e l la sf c d ，a n d t h e na n a l y z et h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e so fc e l l u l a rp r o b ed a t a ，a n dd e t e r m i n ei t s a p p l i c a t i o nr a n g e k e y w o r d s ：c e l lp h o n e p r o b e ，h a n d o v e r t r a v e lt i m ec o l l e c t i o n ，i n t e l l i g e n tt r a f f i c g u i d a n c e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：嗣显桐一 州年! 1 只l e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 棉 函 嘲日 名 ， 签 ， 掣 月作厂姗寸 纯 年 位o 靴叩 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市交通面临困境 第1 章绪论 早在1 9 3 3 年的雅典宪章中，交通就与工作、休息、居住一起被定为城 市的四大功制。而在全球经济飞速发展的今天，人们对交通问题的注意力与彼 时相比可以说依旧是有过之而无不及。 在发展中国家，城市化进程伴随着机动化进程一起出现并逐渐加快，使得交 通问题愈来愈严重。随着经济的快速发展，人们的消费能力逐渐增加，购买汽车 的意愿也逐渐强烈；科技水平的进步与激烈的竞争降低了汽车的成本，使得汽车 的价格为普通家庭所接受，人均汽车保有量逐渐增加；大量人口涌入城市，导致 其常住人口增加城市拥挤不堪；城市不停的向外扩张，导致人们难以以慢行交通 方式( 步行、非机动车等) 完成一次出行，而只能依靠机动化出行方式，与此同时 人们的出行距离也在增加【2 】。人们愈来愈依赖小汽车，城市越来越拥挤。 为了解决城市的交通问题，改善城市交通系统的性能，传统的解决方法主要 是通过改造路网系统、拓宽路面、增添交通设施以及道路建设等城市交通所必须 的硬件建设来实现。但事实上，对任何城市而言，可供修建道路基础设施的空 间都是有限的【3 1 。由于城市发展空间的限制，交通基础设施建设的速度远远比不 上交通车辆的增长速度1 4 】。与此同时，很多城市现有的交通管理技术水平相对低 下，缺乏整体的交通发展战略，交通拥堵、交通事故、空气污染和交通噪音给城 市带来的极大的困扰。 在严峻的形式下，使得如何利用信息来解决城市交通这一课题的重要性日益 凸显出来，把高新技术引入到交通管理中来，从而改善整个道路交通的管理效率， 提高道路设施的利用率，实现城市交通管理的科学性和有效性。从1 9 1 4 年美国 出现交通信号控制以来，城市的交通控制技术已经从开始的“点控”、“线控”向 “面控”过渡。进入二十世纪九十年代以来，由于城市机动车辆的急剧增加，交 通阻塞问题开始日益严重。创建新型的智能化道路交通系统，成为减少道路交通 拥挤，提高道路运行效率和安全水平的一种经济使用、行之有效的方法1 3 j 。 1 1 2it s 作用日益加强 第一章绪论 智能交通系统的发展为解决城市交通问题提供了一种新的解决方案。智能交 通系统是在关键基础理论研究的前提下，将信息、传感器、通信、控制、计算机 等高新技术有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方 位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统【5 】。 智能交通系统将从缓解城市交通拥挤、减少交通事故、降低交通环境影响以 及提高生产效率等方面产生可观的社会经济效益。据初步统计，i t s 技术的应用 可以减少1 0 的废气排量、2 0 的交通延时和3 0 的停车次数 6 1 。表l 一1 是欧洲、 美国和日本i t s 应用效益的预测指标【7 儿引。 表1 1 欧洲、美国和日本i t s 应用效益的预测指标 效益的表现欧洲( 2 0 1 7 年)美国( 2 0 1 5 年)日本( 2 0 2 0 年) 出行时间减少2 5 每车每年减少交费时间 减少阻塞出行时间减少4 1 拥挤时间减少1 0 4 0 小时 公共交通延误减少5 0 耗油减少1 5 能源节约6 c 0 2 排放减少1 5 能耗与环保空气污染减少2 5 废气减少6 氮化物排放减少 3 0 降低运输成 营运成本减少2 5 营运成本减少5 本 新增市场商 机 约4 3 0 0 亿美元约5 0 0 0 0 亿日元 智能交通系统的本质，主要是实现信息的采集、处理、加工和共享，并根据 所获得的实时信息不断地优化交通系统的控制策略，调整各类交通参与者的行为 以及通过实时发布动态交通信息促使各类交通参与者自觉调整出行行为，从而实 现交通系统的优化运行。 1 1 3 手机采集实时交通状况优势明显 如前所述，智能交通系统的本质是在实现信息的采集、处理的基础上将其提 供给交通管理者、交通参与者等不同群体，以供其充分利用信息并作出相应的调 整，从而实现交通系统的优化运行。在此过程中，数据采集是基础，也是一个关 键环节。 传统的数据采集方式主要由人工完成，如定点记录车牌法、跟车法等，这些 2 第一章绪论 方法实施起来较为方便，但工作强度较大，不能大面积的应用推广，且无法获取 实时交通状况。除此之外，较为常见的还有线圈采集、视频检测、微波( r t m s ) 检测等定点检测方式，以及f c d 采集等移动检测方式，这些检测方式都需要在 项目初期投入大量资金，且都存在着不少不足之处。 目前，利用g p s 作为数据源来采集道路上的实时交通信息已经进行了较多 尝试，而利用手机作为检测终端来估计实时交通状况的研究则相对较少。相比较 而言，应用手机进行信息采集具有较为明显的优点。目前中国已经拥有巨大的手 机保有量，手机定位等技术也在不断成熟，这些都为基于手机定位技术的交通信 息采集技术的发展提供了技术保障。 随着经济和电信事业的发展，手机的普及率正在逐年提高，尤其是在大中型 城市。以上海为例，根据上海市通信管理局的统计资料，截至2 0 0 7 年1 2 月，上 海市移动电话用户为1 7 7 6 5 万户；根据上海统计网的统计资料，截至2 0 0 7 年末 上海市常住人口为18 5 8 0 8 万人。由这两个数据我们可以得到：到2 0 0 7 年末上 海市的手机普及率已经超过9 5 。若是以1 8 岁以上，6 5 岁以下的人群为分析对 象，则上海市的手机普及率已经达到1 0 0 。对于手机蜂窝移动定位技术，这些 海量移动电话都将是潜在的数据样本。 除样本方面存在的巨大优势外，手机信息采集技术的优势还存在以下几个方 面。 首先，它仅需要在电信运行商的服务器上加装少量硬件，即可实现数据 的实时抓取，因此这种技术能充分利用移动运营商已有的通信设施，初 期投资较小； 其次，它能采集得到路段上两点之间的行程时间，出行o d 等多种数据， 并能实现对交通出行者全天不间断的动态跟踪； 最后，手机信息采集的覆盖范围较广，原则上只要在信号覆盖区都能实 现交通数据的采集，数据量丰富。 此外，除了样本量优势以及技术特性等方面的因素外，市场需求及政府政策 都直接或间接促进了手机信息采集技术的发展与进步： 政策方面：以美国为例，在美国国家安全行政要求和手机定位市场需求的双 重动力驱动下，手机定位技术迅速发展、成熟。为提高9 1 1 紧急电话的处理效率， 迸一步加强国家安全监控，美国联邦委员会f c c 对网络运营商提出要求在2 0 0 5 年年底之前，对9 1 1 电话的呼叫位置必须达到一定的定位要求，如下表【9 】【1 0 】： 表1 2 联邦委员会对手机定位精度的要求 定位方式6 7 的定位精度必须9 5 的定位精度必须 基于手机终端 5 0 m 1 5 0 m ( h a n d s e tb a s e d ) 3 第一章绪论 i 基于网络( n e t w o r kb a s e d ) l 1 0 0 mi 3 0 0 mi 市场需求方面：无线定位服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 有着较大的市场利润 和商业空间，据相关统计数据，目前的无线定位服务( l b s ) 的市场价值在5 亿美 元，预计在未来几十年里将增加到3 6 0 亿美元，市场潜力较大，这也推动了各大 无线运营商积极开发研究手机定位技术【1 1 1 。手机定位技术的快速发展也为其应用 于交通数据采集提供了可能、奠定了基础。 综上所述，无论是由于手机信息采集技术的典型特性及样本量优势，还是市 场利益与政府政策的驱动，在移动通信公司和交通信息提供部门的共同协作努力 下，该技术将是解决中国交通信息采集难这一问题最具潜力的方法之一。 1 2 研究对象与内容 研究对象： 本论文的研究对象是基于小区切换的手机信息采集系统。 在多种不同的手机定位方式中，基于小区切换的定位方式由于不需要在手机 上添加额外的硬件、采集成本低廉等诸多优势日益为人们所关注。本文将围绕着 手机系统的质量控制、采集方式的特点及其适用性等主要方面对基于小区切换的 手机信息采集方式进行较为深入的剖析。 主要研究内容： 如前所述，本文将对基于小区切换的手机信息采集系统，围绕着手机系统的 质量控制、采集办式的特点及其适用性等方而，就以下三个方面展开研究： 1 、源数据质墨控制：基于交通的视角，通过对无线通信网络原理的研究， 结合所采集到的无线通信信令源数据，分析原始信令中可以应用的有效 数据，过滤掉不能反应实时交通状况的无效数据；并实现对源数据的进 一步筛选，以提高手机信息采集系统输出结果的可靠性及其精度； 2 、交叉口误差分析：通过对路测过程的分析，提出其中可能存在的交叉口 转向采样问题，讨论并估计在各种不同情况下由此导致的误差范围，并 提出相应的解决对策，在样本采样环节控制系统输出结果的质量； 3 、多源数据的比较分析：采用定性与定量分析的方式比较各种不同数据源 在估计实时交通状况方面的优缺点及各自的适用范围：分析了手机信息 采集方式相对于其他数据源的独特特性，并采用行程时间、样本量、时 空覆盖度等参数进行量化比较，进一步明确了手机信息采集方式的特性 及其适用范围。 4 第一章绪论 1 3 研究目的与意义 本文的研究目的与意义主要表现在三个方面： l 、利用手机终端作为检测数据源的有益尝试：目前实时交通领域主要 利用g p s 、地面检测线圈等方式作为数据采集的来源，针对手机信 息采集系统的研究相对较少，本文的研究是对应用手机终端、采用 小区切换定位技术作为实时交通状况采集的有效尝试； 2 、手机系统质量控制与改进：分别从源数据过滤与交叉口误差等角度 出发，分析基于手机定位的手机信息采集系统可能存在的一些问题， 并提出改善对策。提高了手机信息采集系统估计行程时间的可靠性 和精度，有助于改善交通信息服务和交通流诱导服务的质量； 3 、 与线圈及g p s 系统的比较分析：分别采用定性与定量的方式分析比 较了不同数据源之间的各种差异。分析了手机信息采集方式相对于 其他数据源的优缺点及其适用范围，从行程时间、样本量、时空覆 盖度等方面进行对比，并结合各自的定位原理对各种方式的表达手 段方面进行了分析；进一步明确了手机信息采集方式的特性及其适 用范围； 综上所述，无论是在理论上对基于小区切换的手机信息采集系统探索性 研究、对实时交通状况采集技术的补充，还是在实际应用中对手机系统的数 据质量控制以及对其适用性等方面的分析，本文均具有一定的研究意义。 1 4 论文内容与组织 1 4 1 技术路线 根据上述的三个主要研究内容，论文的技术路线如下： 5 第一章绪论 l 一j 图1 1 论文技术路线 在绪论交代论文研究的背景及研究目的与意义后，黄色虚线表示文献综述模 块，分别从多种手机定位原理、基于小区切换的信息采集技术以及手机信息采集 的研究与实例应用进展三个方面展开综述研究。红色模块为正文展开研究内容， 上面红色虚线框架主要基于系统质罩控制目的出发，分别从数据过滤与交叉口采 样误差控制两个角度展开分析；下面的褐色虚线框架主要通过多源数据的定性与 定量比较，阐述手机信息采集的特性与适用性。 1 4 2 论文组织 论文由六章组成。第一章是绪论，交代论文的研究背景、研究对象、研究目 的与意义以及研究内容等；第二章是文献综述，分别从各种手机定位原理、基于 小区切换的手机信息采集技术以及手机信息采集的研究与应用进展等三个方面 进行了综述研究；第三章基于交通的视角，通过对无线网络通信原理的分析，进 行手机系统所采集数据的清洗；第四章通过对路测过程的分析，提出系统在交叉 口转向采样方面可能存在的一些问题，估计可能由此带来的误差并提出解决措 施；第五章对不同的信息采集手段进行了对比，包括线圈检测方式、f c d 数据 采集以及手机信息采集，分别从定性与定量两个角度进行对比研究。第六章是结 论与展望。主要包括： 第一章：交代论文的研究背景，从城市交通所面临的困境出发，引出现在智 能交通如火如荼的迅猛发展，继而得出论文的研究目的与研究意义；简要介绍论 文的主要研究内容与技术路线； 第二章：进行文献综述。首先分别对几种不同的手机定位原理进行综述，包 括时间到达差、辅助卫星定位技术、结合时间提前量的定位技术等；然后介绍了 基于小区切换的手机信息采集技术包括其定位原理，实现构想等；最后简要归纳 6 第一章绪论 了国内外对于手机信息采集系统的理论研究与实例应用进展。 第三章：基于交通的视角，通过对无线通信原理的分析，筛选出能反应实时 交通状况的信令数据，并实现对手机采集原始数据的清洗。首先，对小区切换原 理进行分析，根据切换原因不同区分不同的小区切换种类，从中选出适宜于应用 的切换类型：其次，根据无线电波传播理论，重点分析了乒乓切换的产生原因及 其特点；最后，以历史数据为参考完成对异常数据的进一步清洗； 第四章：通过对路测流程的简要介绍，提出手机信息采集系统在交叉口的不 同转向车辆中可能存在采样问题，进一步分析可能由此带来的误差，以及一些相 关参数取值对误差的影响，如信号配时方案、转向流量比、路段长度等，并对系 统提出改进意见； 第五章：综合对比多种不同的检测技术( 手机信息采集、线圈检测、浮动车 数据采集等) ，分析他们在定位原理、行程时间、样本量、时空覆盖度等方面的 差异，以明确手机信息采集系统相对于其他数据源的独特特性及其适用范围。 第六章：总结本文所做的工作及研究成果，并提出进一步研究的方向。 7 第二章研究综述 第2 章研究综述 本章分别从多种手机定位原理、基于小区切换的信息采集技术以及手机信息 采集的研究与实例应用进展等三个方面展开综述研究。通过对多种手机定位原理 的介绍明确各种手机定位的特点及其不同的适用范围，突出小区切换定位方式在 应用方面的优势。然后，对基于小区切换的手机信息采集系统展开综述研究，明 确小区切换信息采集系统的基本原理及系统架构。最后，对手机信息采集方式的 研究及实例应用做了一个汇总，以明确国内外在此领域现有的研究即应用进展。 2 1 手机定位原理与介绍 g s m 手机定位方式从原理上通常可以分为基于网络方式和基于终端方式两 种。 基于网络定位也称为远距离定位系统或反向链路定位系统，采用的是基于网 络的定位方案。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信 号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到网络中的移动定 位中心( m l c ) 进行处理，由集成在m l c 中的p c f ( p o s i t i o nc o m p u t i n gf u n c t i o n ) 计算出移动台的估计位置； 基于终端定位也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统，采用的是基于 移动台的定位方案。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发 射信号携带的某种与移动位置有关的特征信息( 如场强、传播时间、时间差) 确 定其与发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能p c f , 再根据有关定位算法计算出移动台的估计位置。 g s m 手机定位方式从技术上区分主要有时间到达差( t - d o a ) 、辅助卫星定位 技术( a g p s ) 、基于小区切换的定位技术和结合时间提前量的小区定位技术( t a ) 等四种。 2 1 1 时间到达差( t - d o a ) 时间到达差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，t - d o a ) 定位的基本思想是，通过在每 个基站上加装一个测试单元( l o c a t i o nm e a s u r eu n i t ) ，来测量手机移动台发射信号 到达不同基站的时间差，计算出移动台到不同基站的距离差，然后，根据几何原 理，由平面上一个动点到两个定点的距离为一个常数的轨迹，是一条双曲线，如 果距离的正负己知，那么该轨迹为双曲线的一支。为了确定手机的位置，必须有 两条相交的双曲线。因此，t - d o a 定位方法至少需要三个基站，而且各个基站 8 第二章研究综述 的时间必须同步1 2 1 【1 3 1 。 麓站2 图2 1t - d o a 定位示意图 如图所示，设t 1 ，t 2 分别为基站1 和基站2 发射信号的时刻，t 3 ，t 4 分别为手 机接收到基站1 、基站2 信号的时刻， 则d l = ( t 3 t 1 ) * c ，d 2 = ( t 4 t 2 ) * c ，其中c 为光速 ( d 1 d 2 ) 为一常数，同理可以计算出( d 3 d 4 ) 也为一常数。因此通过联立求解两 条双曲线方程组就可以获得手机的位置坐标。 时间到达差定位方法是一种基于网络的定位技术，无需手机与基站时间同 步，定位精度在3 0 5 0 m 范围内。 2 1 2 结合时间提前量的小区定位技术 手机在通话过程中会跟临近的基站保持通信联系，基站的覆盖范围一般在几 百米至1 0 0 0 米。因此，通过判定手机通信的当前服务基站，就可确定手机位置 在基站的覆盖区域范围内，如图所示。时间提前量( t i m ea d v a n c e ，t a ) 是指通信 信号在手机和基站之间来回传输一次的时间，通过( t a 木c ) 2 可以估算出手机到 基站的直线半径距离。n 止t - ，通过t a 可以进步计算出手机的位置坐标( 见图 b 、。 9 第二章研究综述 小医标识定位方法 西可麓的定位区域 培台时间提前量的 小区标识定位方法 b 1 争计算得到的位置 图2 2 结合时间提前量的小区标识定位方法 如不用时间提前最，则定位只能到小区层面。如上左图所示。 结合时间提前量的小区定位( e n h a n c e dc e l li dw i t ht a ) 技术不需要在基站上 加装设备，其定位精度较低，取决于基站的覆盖半径。在农村、城市郊区，基站 覆盖半径较大一般在l 2 k m ：在市中心话务量较高，基站覆盖半径最小可达 1 0 0 米。 21 3 辅助卫星定位技术( a - g p s ) 辅助卫星定位( a s 函s k dg p s ，a g p s ) 的定位原理跟g p s 定位原理类似，在手 机内加装g p s 定位芯片，通过卫星信号计算位置。不同的是，a g p s 方式通过 传输砦辅助常数，可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗1 2 1 ，使得定位时间 从1 0 分钟缩短到几秒钟。实际上，服务器就是静止的g p s 接收器，通过具有辅 助功能的服务器将卫星的微弱信号传送至手机来增强移动g p s 接收器的能力。 a - g p s 定位技术精度一般在1 0 - 2 0 m ，有时候受g p s 信号的影响定位精度略有下 降9 i i ”。 b 。品 点 1 m i c ： 4 i c 馒 ， 争 第二章研究综述 图2 3a g p s 定位示意图 其定位流程如下： ( 1 ) 移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器。 ( 2 ) 位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的g p s 辅助信息 ( g p s 捕获辅助信息、g p s 定位辅助信息、g p s 灵敏度辅助信息、g p s 卫星工作 状况信息等) 和移动终端位置计算的辅助信息( g p s 历书以及修正数据、g p s 星历、 g p s 导航电文等) 。利用这些信息，终端的a g p s 模块可以很快捕获卫星，以提 升g p s 信号的第一锁定时间t t f f 能力，并接收g p s 原始信号。 ( 3 ) 终端在接收到g p s 原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距( 伪 距即受各种g p s 误差影响的距离) 。 ( 4 ) 若采用网络侧计算，终端将测量的g p s 伪距信息通过网络传输到位置 服务器，位置服务器根据传来的g p s 伪距信息和来自其他定位设备( 如差分g p s 基准站等) 的辅助信息完成对g p s 信息的计算，并估算该终端的位置；若采用 终端侧计算，终端根据测量的g p s 伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助 信息完成对g p s 信息的计算，把估算的终端位置信息传给定位服务器。 ( 5 ) 位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。 a g p s 技术是一种结合了网络基站信息和g p s 信息对移动台进行定位的 技术，可以在g s m g p r s 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 网络中使用。a g p s 解 决方案的优势主要在其定位精度上。此外，为了解决终端在室内以及在城市中被 建筑物遮挡而难以接收g p s 信号的缺陷，一般a g p s 技术解决方案还考虑了 c e l l i d 定位技术作为备用方案，这样就大大提升了a g p s 的定位能力。 作为一种高精度的移动定位技术，a g p s 通过移动终端和g p s 辅助定位信 息( 由移动网络提供) 共同获取移动终端的位置信息，因而需要在移动终端内增 加a g p s 接收机模块( 或者外接a g p s 接收机) ，同时要在移动网络上加建位 置服务器等设备。 2 1 4 基于小区切换的交通数据采集方法 切换( h a n d o v e r ) 是指在通话过程中，为了保持通话的连续性，当手机的当前 服务基站信号强度衰减到一定程度时，手机选择新的基站作为当前服务基站的过 程。利用车上手机的沿道路行驶时沿路基站发生切换的信息来估算出路段的行程 车速【1 5 】【1 7 】。 基于小区切换的手机信息采集方式主要依靠运动过程中、通话状态的手机在 道路上依次经历的小区变换序列来完成地图匹配。一般而言，每条道路均对应特 定的基站小区变动序列，通过对手机所处的基站小区变换序列进行跟踪，就能经 过逻辑定位方式定位手机所处的道路及其实时运动速度等信息。 第二章研究综述 基于手机切换的交通数据采集定位的基本原理及示意图如下： 图2 - 4 基于手机切换的交通数据采集技术基本原理 在得到手机切换的原始信令后，需要依次经过切换路网标定、路径匹配、路 段速度计算等几个步骤才能计算得到道路上的行程车速【1 6 】。 后续三章中，将着重对基于小区切换定位技术的手机信息采集方式进行分 析。 2 1 5g s m 与c d m a 3 g 定位技术特征比较 c d m a 网络与3 g 网络相对于g s m 网络而言，它们的定位技术有一定的优 势。主要包括三方面。 ( 1 ) c d m a 3 g 网络能支持其大容量、高速率网络传输为越来越多的移动运营 商所关注，由于定位需要占用一定的网络资源，网络容量越大，定位对于网络运 营的影响就越d , t 1 6 1 ( 2 ) c d m a 3 g 可增加g p s 信号作为辅助定位，提高了定位精度 ( 3 ) a g p s 定位技术是3 g 网络里三种广泛使用的移动定位技术之一，此外前 文提到过的t - d o a 与基于网络的小区识别( c e l l i d ) 也是3 g 里的常用定位 技术。因此3 g 并不等于a g p s ，但其推广有利于a g p s 定位技术进程的加快。 2 1 6 对比分析 对四种定位方式的定位方式、定位误差与所需的额外硬件分析如下： 表2 1 多种手机定位方式对比 定位方式定位方式定位误差所需硬件 基站加装测试单 t - d o a 基于网络 3 0 - 5 0 m 元 较差，与基站半径 弱基于网络无 有关 a g p s混合定位 1 0 2 0 m手机加装g p s 定 1 2 第二章研究综述 位芯片 逻辑匹配，与算法 h a n d o v e r逻辑匹配 无 有关 t d o a 与a g p s 均需在现有系统上添加硬件，对技术应用的普及造成 了较大阻碍； t a 的定位误差与基站半径有关，受定位原理所限，精度较低； h o ( 小区切换) 是逻辑匹配，定位误差与具体算法及城市路刚等情况 相关。它无需在服务器与客户端上安装多余的硬件，因此较易实现 数据的采集与应用； 随着3 g 进程的加快，a - g p s 定位技术应用可能会更为普遍； 2 2 基于小区切换的手机信息采集系统研究 本节分别从g s m 无限通信系统网络结构、g s m 系统接口与数据采集、小区切 换信息采集的基本原理以及手机系统架构四个方面出发，对基于小区切换的手机 信息采集系统展开综述研究。 2 2 16 8 m 无线通信系统网络结构 g s m 系统由一系列功能单元组成，其具体组成如下图所示，分为m s ( 移动台) 、 n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 、o s s ( 操作维护子系统) 等几个主要部分。 基站子系统、网络与交换子系统和移动台组成了g s m 系统的实体部分，操作子系 统( o s s ) 是提供给运营商进行控制和维护这些实体部分的手段【1 6 】【1 8 】【1 9 】【2 0 】。 凌移动终端 移动终端( m s ) ：是整个系统中直接由用户使用的设备，可分为车载型、便携 型和手持型三种。在g s m 系统中，物理设备和移动用户是相互独立的，也就是说 用户的所有信息都存储在s i m 卡( 用户识别卡) 上，系统中的任何一个移动台都可 以利用s i m 卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认证，保证使用移动网的是 合法用户。移动台有自己的识别码i m e i ，称为国际移动台设备识别号。每个移 动台的i m e i 都是唯一的，网络对i m e i 进行检查，可以保证移动台的合法性。s i m 卡中存储着用户的所有信息，包括国际移动用户识别码i m s i 等。 1 3 第二章研究综述 图2 5g s m 无线通信系统总体结构 珞基站子系统 广义来说，基站子系统包含了g s m 数字移动通信系统中无线通信部分的所有 基础设备，它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交 换机，为移动台和交换子系统提供传输通路。因此b s s 可以看做移动台与交换机 之间的桥梁。它是在一定的无线覆盖区中由移动业务交换中心( m s c ) 控制，并与 移动终端( m s ) 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接受和无线资源管 理等功能。功能实体可以分为基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 等。 基站控制器( b s c ) 具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、 小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点； 基站收发台( b t s ) 无线接口设备，它完全由b b c 控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的 转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 一个b t s 由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。b t s 位置通常在小区中心。b t s 的发射功率决定小区的尺寸。一个典型的b t s 通常具 有1 到2 4 个收发信机( t r x ) ，每个t r x 代表一个单独的r f 信道。 b t s 功能的具体功能是：在朝b s c 侧，b t s 区分与移动台有关的话音和控制 信令，并通过各自信道传给b s c 。在朝m s 侧，b t s 将信令和语音合在一个载波上。 旌网络与交换子系统 网络与交换子系统( n s s ) ：包括实现g s m 的主要交换功能的交换中心以及管 理用户数据和移动性的所需的数据库，有时也称之为交换子系统。它由一系列功 能实体所构成，各功能实体间以及n s s 与b s s 之间通过符合c c i t t 信令系统n o 7 协议规范的7 号信令网络互相通信。各功能实体如下： 移动业务交换中心( m s c ) 1 4 第二章研究综述 g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交 换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。它可以完成基 站子系统、m s c 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。 它具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管 理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 归属用户位置寄存器( h l r ) h l r 也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动 客户都应在其归属位置寄存器( h l r ) 注册登记。 h l r 所存储的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类 别，业务限制，所提供的业务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数 等。另一类是有关用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、v l r 地址等，用 于建立至移动台的呼叫路由。 移动设备识别寄存器( e i r ) e i r 是一个数据库，它的功能只要在于两个方面： 一存储g s m 移动站和用户的权利； 一偷窃或伪造的移动站可被锁死，而且有时甚至能被定位。 鉴权中心( a u c ) 用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数( 随 机号码，符合响应，密钥) 的功能实体，它的功能主要有两个： 一基于v l r 的申请生成用户的特定鉴权参数； 一鉴权参数用于g s m 系统内移动终端的鉴权和空中接口用户数据加 密。 来访用户位置寄存器( v l r ) v l r 是一个数据库，是存储m s c 为了处理所管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码、所处位置区域的识别、向 客户提供的服务等参数 2 2 2 系统接口与数据采集 g s m 系统接口主要包括a 接口、a b i s 接口与u m 接口；此外还有b 接口、 c 接口、d 接口、e 接口、f 接口、g 接口以及g s m 和其他网络的接口等。在 系统架构中，前三个接口经常被提及。 1 5 第二章研究综述 表2 - 2g s m 系统接口介绍 u m 接口：u m 接口( 空中接口或无线接口) 定 爹鬻甏孵亲一掣”r 痢络翻交接孚紊驾 义为m s 与b s s 之间的通信接口，用于移动台 与g s m 系统的固定部分之间的互通，物理链路 霪 是无线链路。此接口传递的信息主要包括无线资妻圈圆l ， ，；麓 源管理、移动性管理和接续管理等。 霎一彩m u m a b i s 接口：a b i s 接口是b t s 与b s c 之间的接口， 厕，f 遵循g s m 规范0 8 5 x 系列的要求。a b i s 接口只 。厣西p 删 唑型 ，能算是一种内部接口，不同设备供应商的b s c 设备和b t s 设备还不能实现互通。a b i s 接口中 地面业务信道和u m 接口的无线业务信道之间 、i ! ! ! ! ! i 一一对应。 回图怛掣， a 接口：a 接口是b s c 与m s c 之间的接口，它 是g s m 规范中一个标准的接口，采用七号信令 系统。交通分析的基础数据主要来源与此，通过 对a 接口数据的捕获，实现交通分析。 、b 一s s ，7 铭撬嬲黪锈耘群张钨争唯 7 拙目鼎卿自 铭始辫期自躲蝴缈耍曩戮i 蚴舅! 彩# a 接口定义为网路子系统( n s s ) 与基站子系统( b s s ) 间的通信接口，就是移动 业务交换中心( m s c ) 与基站控制器( b s c ) 之间的接口，物理链路采用标准的 2 0 4 8 m b s 的数字传输链路实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、 移动性管理、接续管理等。由于涉及到多方通过此接口抓取数据，因此此接口统 一采用七号信令系统。从此接口捕获的信令包括各移动终端的切换、位置更新等 多种原始信令信息，因此交通分析的基础数据主要来源于此接口【”】。 2 2 3 采集实时交通的基本原理 基于手机切换的路段行程车速的获取方法的主要思想是利用手机切换位置 的连续变化信息进行逻