Android平台手机定位技术及无线宽带测速数据采集的系统设计

青明基 中国信息通信研究院通信标准研究所助理工程师

卓安生 中国信息通信研究院通信标准研究所助理工程师

常 城 中国信息通信研究院通信标准研究所助理工程师

1 引言

随着3G及4G的无线网络建设和普及，无线网络终端应用越来越丰富，用户对无线网络的带宽服务要求也越来越高，特别是在当今信息大爆炸的时代，通过移动互联网获取手机视频、网页等信息已越来越重要，而承载这些信息必须依赖无线网络，可见无线网络带宽速率的大小就显得非常重要。本文就基于Android平台的智能手机移动终端实现无线宽带测速并结合手机终端定位技术LBS（Location Based Service）和GPS实现地理位置的无线宽带的测速数据采集，并把采集来的测速数据共享给无线宽带用户和运营商，使用户能切实体会无线网络带宽速率情况，从而为运营商提高和优化无线网络服务质量提供了有效的数据支持。

2 基于Android平台手机定位技术的研究

2.1 Android平台智能手机定位技术

手机定位是依靠移动位置基站的服务（LBS），即用户手机通过联通、电信、移动运营商的无线电通讯网络（如GSM、CDMA网）或外部定位方式（如GPS网络）获取移动终端用户的位置信息（见图1）。移动终端通过检测移动终端和基站之间传播信号的特征参数来获得其几何位置，根据进行定位估计位置的不同可分为两种：基于移动终端定位和基于网络定位。

图1 定位技术架构

（1）基于移动终端定位

基于移动终端定位是根据目标与各通信基点通信时的相关位置信息来确定几何位置，在蜂窝网络中又叫作前向链路定位。移动终端定位技术包括全球定位系统（GPS）、基于移动终端发送/接收信号的定时或角度的覆盖三角技术（TOA）以及起源蜂窝小区（COO）。

●全球定位系统（GPS）

GPS是由美国国防部在20世纪70年代开始联合研制的新型卫星导航系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。它采纳了子午仪系统的成功经验，具有全球性、全天候、高精度三维定位的特点。GPS系统主要由3大部分组成：GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（控制部分）和GPS信号接收机（用户部分）。GPS的定位原理就是将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

●三角定位技术

TOA（Time Of Arrival）基于测量信号从移动终端发送出去并到达消息测量单元（3个或更多基站）的时间来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行计算，移动台的二维位置坐标可由3个圆的交点确定。与E-OTD不同的是，它没有使用位置测量单元，因此必须通过与在基站上安装了全球定位系统（GPS）或原子钟的无线网络之间的同步来实现。

●起源蜂窝小区COO（Cell Of Origin）

起源蜂窝小区定位技术是根据移动终端所处的小区标识号ID来确定用户位置的。移动终端在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应小区的ID号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置（在当地地图中的位置）和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。该定位方案的优点是无需对网络和手机进行修改，响应时间短。该定位精度取决于小区的半径。

（2）基于网络定位

基于网络定位是多个固定的通信基点接收目标发送的信号，根据其中相关的位置信息来确定目标的定位信息，在蜂窝网络中又叫反向链路定位。该技术要求定位终端发送或广播一些特定的信号，网络系统负责收集这些信号并担负起定位计算的任务。手机定位是基于网络的实现，通过移动电信运营商的网络固定通信基点获取移动终端用户的位置信息。该技术的实现原理是：收集对服务小区基站和周围几个基站进行测量的结果，算出测量数据之间的时间差，并用此计算用户相对于基站的位置。增强型观测时间差定位技术是基于网络的定位方案，是目前使用最多的技术，也是欧洲电信标准化组织（ETSI）建议使用的主要技术。

2.2 Andriod手机定位要求

（1）网络覆盖能力

手机定位对基站的网络覆盖能力要求比较高，无论在室内还是室外，从高层建筑和地下设施必须保证信号能覆盖到每个角落，其覆盖率的定位范围可分为3种：在整个本地网覆盖、覆盖部分本地网和提供漫游网络服务类型。除了考虑覆盖率外，网络结构和动态变化的环境因素也可能使一个电信运营商无法保证在本地网络或漫游网络中的服务。

（2）定位精度

手机定位应该根据用户服务需求的不同提供不同的精度服务，并可以提供给用户选择精度的权利。例如，美国FCC推出的定位精度在50m以内的概率为67%，定位精度在150m以内的概率为95%。定位精度一方面与采用的定位技术有关，另外还取决于提供业务的外部环境，包括无线电传播环境、基站的密度和地理位置，以及定位所用设备等。

●移动基站定位精度

基于Andriod系统的智能手机移动终端，本身都提供相应的api，只要有信号就可以获取相关基站的信息，具体描述如下：

——MobileNetworkCode（MNC）：移动网号码。

——Mobile Country Code（MCC）：移动用户所属国家代号。

——LocationAreaCode（LAC）：地区区域码。

——CellTowerID（CellID）：代表一个移动基站。

Andriod平台能通过获取的移动基站的CellID，再通过CellID从移动运营商那里获取基站信息即可知道地理位置坐标的经纬度。表1即为移动基站定位精确误差表。

表1 移动基站定位精确误差表

●手机GPS定位精度

目前，大多数Android智能手机都拥有GPS硬件定位，终端开启GPS功能，手机在查询地图定位的同时，也给地图服务商提供了方向的定位数据，这些数据通过其内部的算法，即可获得终端所在的经纬度。表2即为GPS定位精度误差表。

表2 GPS定位精度误差表

3 基于Android平台移动无线宽带系统设计

3.1 Android手机移动无线宽带测速的系统架构实现

移动手机终端利用定位技术获取手机所在的地理位置坐标，客户端通过GPRS/3G/4G连接到Internate测速节点服务器，客户端通过无线网络实现无线宽带测速，并把测速结果上报到数据采集服务器，用于构建无线宽带测速数据库，数据采集系统具体架构如图2所示。

此系统架构的实现，打通了从无线宽带测速、数据采集、再到数据分析的通道，运营商利用分析的数据能及时了解和掌握各个区域、街道无线网络速率服务的情况。

3.2 Android手机移动无线宽带测速要求

了解无线网络性能需要建立测速节点的服务器，节点部署器的部署至关重要，移动终端和测速节点服务器建立通讯时，终端根据ping命令并计算访问的延时率以获取最近的节点服务器，节点服务器可以部署在本地ISP网或公共互连网或IDC机房。

（1）测速节点要求

测试节点必须满足以下最低规格：

——双核至强（2GHz的+）。

——4GB内存。

——80GB硬盘。

——千兆以太网连接，带千兆上行链路。

——操作系统为CentOS/RHEL5.x/6.x。

——上行1GB的数据文件。

节点服务器开放多个TCP和UDP端口供测试使用。测试节点也必须对ICMP的ping响应请求。良好的网络连接是关键，由于可能多个客户端运行同时测试，双千兆链路是可取的，同时测试节点保留测试结果，当开始一个测量周期，智能手机应用程序运行一个简短的延迟测试。

（2）测速前提条件

在每次测速之前，客户端的应用程序会检查移动宽带使用，如果设备传输率超过64kbit/s，则测速将被取消，这样做的目的是保证测速的数据尽可能的客观、真实。

图2 数据采集系统结构

（3）测速计算方式

下面是使用3个并发连接一个多路连接的测试进行计算的例子，在测试中使用的每个连接计数目标的有效载荷的字节，在两个时间点之间传输的数量，并且计算每个线程的速度传送的字节数/时间（s）。

计算公式定义为：

S=速度（每秒字节数），B=字节（字节传输），C=时间（s）（测试时间），则：

S1=B1/C1（速度线程1计算）；S2=B2/C2（速度线程2计算）；S3=B3/C3（速度线程3计算）；速度=S1+S2+S3。

以3MB有效载荷值示例，则：

3.3 Android手机移动无线宽带测速数据指标收集项

收集Android手机移动无线宽带测速数据指标，具体情况见表3。

表3 Android手机移动无线宽带测速数据指标

4 结束语

本文阐述了Android智能手机基于基站和GPS地理定位的要求和技术实现，结合无线宽带测速软件制定了无线宽带网络速率的数据指标采集，通过对采集的数据进行分析能得出某个区域运营商的无线网络速率情况，进而便于运营商、用户了解和掌握无线网络服务质量情况，为无线运营商兑现承诺的无线网络速率提供了参考依据。

1 移动宽带测速.Samknows无线移动测速网.http：//www.samknows.com

2 移动基站定位.硅谷动力.http：//www.enet.com.cn/article/2007/0627/A20070627691562.shtml

3 手机定位.百度网.http：//baike.baidu.com/view/342946.htm