, 申世飞 1 , 王国栋 2 1. 清华大学 工程物理系, 北京 100084;
2. 北京辰安科技股份有限公司, 北京 100094
收稿日期: 2015-01-11
基金项目: 国家“八六三”高技术项目（2012AA041508）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAK12B03）；清华大学合肥研究院开放课题（2015QH02）
作者简介: 唐诗洋(1989-), 男, 博士研究生
通信作者: 疏学明, 高级工程师, E-mail:shuxm@tsinghua.edu.cn
摘要：在地震救灾工作中，能否在短时间内搜寻并定位被困人员是考验应急救援工作的重要问题。快速的搜索定位可以显著地提高救援效率，减少人员伤亡和财产损失。针对大范围地震灾害发生后，搜寻范围大、搜救力量不足、搜寻时效性要求高的一系列问题，该文研究提出一种基于伪基站的大范围手机搜寻定位技术及其系统架构。通过在模拟的地震废墟地形中测试手机接收信号强度指示值（receive signal strength indicator，RSSI）与手机信号发射强度，对采集的数据进行分析以验证该系统在大范围地震废墟中的搜寻能力。实验测试和数据分析结果表明：该系统可以对大范围的手机进行搜寻定位，能够满足废墟、地下室等特殊环境下应急需求，并可以有效地提高人员搜救效率。
关键词： 伪基站 手机定位 灾害搜救
Disaster relief based on Pseudo Base Stations
TANG Shiyang1, SHU Xueming1
, SHEN Shifei1, WANG Guodong21.Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Beijing Global Safety Co., Ltd., Beijing 100094, China
Abstract:The time for searching and locating victims in disaster-relief work is a key factor for the rescue efficiency. A fast search and locating operation can significantly reduce casualties and property loss. A cellphone search and locating system based on Pseudo Base Stations (PBS) is described in this paper to alleviate the problems caused by lack of rescue resources and large rescue areas. The receive signal strength indicator (RSSI) data and cellphone signal transmission power data were collected in simulated disaster areas. Then, data was analyzed to evaluate the effectiveness of searches in large disaster areas. The data analyses show that the system can search and locate cellphones in large areas for use by rescue teams in widely damaged areas.
Key words: Pseudo Base Stationcellphone locationdisaster relief
随着中国城市化进程的加快，城市人口不断增加、城市面积不断扩大，而这一趋势将还会持续发展下去。城市作为一种高人口密度、高建筑物密度的区域，在应对大规模地震灾害时，其损失将远大于非城市地区。因此，在城市区域遭受大规模灾害后，如何减少灾害损失的研究对于中国城市安全运行有着非常重要的意义。
地震灾害现场通常具有以下特点：1)?环境复杂，具有不可预知性；2)?存在多种对无线定位技术的干扰因素；3)?突发灾害及其衍生事件时刻威胁着被困人员的生命安全；4)?没有足够的时间和充足的救援人员进行拉网式搜索；5)?支撑条件缺乏，灾害现场往往缺少电力和通讯保障[1]。
因此，在城市地区发生大规模自然灾害后，救援力量非常有限的情况下，生命救助就成为应急救援的首要目标，能否快速搜寻并定位被困人员是减少人员伤亡的关键问题。
被困人员生命搜寻定位方式可以分为基于人体生命特征定位和基于携带的信标定位2大类。其中，基于人体生命特征定位是指利用各种仪器设备直接搜索人体特征或者人体发出的某种信号，主要有声学定位方法、光学定位方法、红外线定位方法、生命雷达定位方法。由于人体自身发出的信号强度较小，定位难度大，加上灾害现场环境复杂，难以实现大范围快速搜寻定位的需求，而基于信标的定位方法，可以根据被困人员随身携带的信标去搜寻定位，效率高、范围大，从而可以间接寻找出被困人员的数量及其位置。综合对比不同定位方法，基于手机搜索的间接定位是大范围快速搜索的最佳方案[2]。
随着智能手机的发展，新兴的定位技术在手机上得到了更多的应用。目前，手机定位技术有卫星定位、蜂窝定位[3]、Wi-Fi定位[4]、射频识别(radio frequency indentification, RFID)定位[5]等。但移动定位技术大多是以基于位置的服务(location-based service, LBS)应用为目标而出现和发展，其中很少有面向灾害场景的手机定位技术。灾害场景下，基础设施被破坏、手机用户无法操作手机等问题使手机的定位极为困难。
目前，针对灾害场景的手机定位研究主要集中在硬件设计、体系设计等方面。刘懿等[6]提出一种基于到达时间差/到达角混合定位算法的地震灾害搜救系统，该系统由一辆中心控制车、4辆配备有智能天线的车载移动基站、若干手持式移动定位端组成，该系统对硬件的要求非常高；江汇等[7]提出了基于信号屏蔽的搜救方法。在德国I-LOV项目中，Zorn等[8-11]提出了一种基于到达时间差(time difference of arrival, TDOA)算法的救灾系统并对其干扰系统、功率传感器单元等方面做了非常深入的研究，但并没有推出完整的定位系统。Hatorangan等[12]提出一种基于伪基站的灾害搜救系统，但该系统仅将伪基站用于检测周边是否存在手机，没有结合定位算法。概括来说，当前的手机定位技术还存在硬件条件要求高、定位理论研究欠缺等不足之处，如何实现大范围搜寻定位需求，是本文研究的重点内容。
本文研究提出一种基于软件无线电(software defined radio, SDR)的大规模灾害环境下手机搜寻定位系统，通过实验测试，可以实现快速的受灾人员统计和手机定位的应急救援需求。
1 系统架构设计在城市地区发生大规模地震灾害后，大量生存者亟待救助，在缺乏电力供应和手机通讯网络的支持保障的情况下，为了最大程度提高救援人员和救援工具的工作效率，需要让他们能够针对被救助人准确地实施救援。为此，伪基站系统的工作任务有2个方面：1)?快速统计周围被困人员的人数信息，以方便救援人员对救援资源的统筹安排；2)?准确定位每一个被救助人的具体位置，为救援人员提供技术支撑。
该系统主要功能分为通讯信号分析处理、无线电发射接收2个方面。前者需要由运行SDR的计算机和通用软件无线电外设(universal software radio peripheral, USRP)完成，后者由功率放大器、低噪声放大器、双工器、天线组成。图 1为该系统的硬件结构图。
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| 图 1 硬件结构图 |
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如图 1所示，USRP为全球移动通信系统(global system for mobile communication, GSM)信号处理的核心设备。USRP通过其现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array, FPGA)和发射/接受子板完成GSM信号的快速发射、接受以及其信号的处理，并通过通用串行总线(universal serial bus, USB)与计算机完成数据传送；计算机驱动USRP工作并保存收集到的数据；功率放大器放大USRP的信号输出，增加天线发射的电磁波强度；低噪声放大器将接受的GSM信号放大，与功率放大器结合可以与更远距离手机保持通信；双工器将信号发射和信号接收组合成一个接口，避免发射信号和接收信号间的干扰。
计算机上的驱动程序基于GNU Radio，控制伪基站系统的工作频段、网络名称、发射功率等参数，并收集接受的参数信息，运行定位算法，如图 2所示。
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| 图 2 伪基站硬件图 |
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考虑到该系统需要对灾区进行人数统计和定位2种不同的功能，且探测过程必须最大程度缩短工作时间。因此，在本研究中考虑使用3类不同的天线以满足不同目的的需求。
1)?全向天线：用于向伪基站周围360°区域发射电磁波，可以同时搜索周围各方向的手机。
2)?扇区天线：带有定向性的天线，可以将电磁波能量集中于一定的扇区范围之内，与全向天线方案相比可以检测到更远的手机。
3)?八木天线：有很强的方向性，将电磁波能量集中在非常狭窄的范围内，不适合于大范围的搜索。但是，在针对小范围、且遮挡严重的区域可以发挥较好的作用。
2 定位算法定位计算方式可以分为基于RSSI的定位算法、基于到达角(angle of arrival, AOA)的定位算法、基于到达时间(time of arrival, TOA)的定位算法、基于TDOA的定位算法, 基于到达信号强度差(signal strength difference of arrival, SSDOA)的定位算法等。
2.1 三角质心算法伪基站系统可以在接收信号的同时检测接收到的信号的强度和手机发射信号强度，也就是从数据上提供了进行基于RSSI定位算法的数据。一种比较常用的基于RSSI的算法是三角质心算法。
如图 3所示，P1、P2、P3分别为3个伪基站，采用全向天线搜索周围手机。根据获取的传输损耗数据结合传输损耗模型可以计算手机与各伪基站之间的距离R1、R2、R3，由于被掩埋手机在传播过程的损耗往往大于以上模型的理论数值，3个圆两两相交可得3个交点。取3个交点的质心为定位目标坐标值。
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| 图 3 三角质心定位示意图 |
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2.2 基于AOA的定位算法如图 4所示，P1、P2分别表示伪基站自身坐标，θ1、θ2分别表示目标手机的信号来源角度。从P1、P2两点出发，沿信号来源方向的射线的交点为目标手机的理论坐标值。基于扇区天线的伪基站系统可以结合传输损耗的变化获得手机的信号来源方向，以用于完成基于AOA的定位算法。
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| 图 4 AOA定位算法示意图 |
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3 可行性实验测试伪基站系统的目的在于对大规模区域的手机快速搜索与定位, 对此进行了以下的实验判断其性能参数。主要目的为确认伪基站系统的电磁波信号传播范围、定向天线的方向与传波损耗的关系，对于定位算法的支持程度。
3.1 三角质心定位能力验证实验基于传播损耗的三角质心算法需要伪基站系统能够对周围360°方向同时搜索手机并获取信号传输损耗数据，并根据Okumura-Hata模型确定手机与伪基站间的距离。本实验主要目的为确定伪基站系统在使用全向天线的情况下，能够要求手机加入伪基站网络的范围。
实验地点：北京市北清路西侧路段。
实验内容：
1)?于北清路中央隔离带架设伪基站系统，使用全向天线，天线通过支架支起，高度约7 m；
2)?搜索周围已经使用的GSM频段；
3)?选择与周围无线电波不冲突的频段，以最大功率分发射功率启动伪基站系统，构建伪基站网络；
4)?在隔离带不同距离位置尝试用手机加入伪基站网络，使用激光测距仪测量手机可以加入伪基站系统的最远距离，此距离为手机加入的半径。
实验结果：传播范围如图 5所示。
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| 图 5 全向传播范围示意图 |
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结果与讨论：
1)?本次测试中，系统放置点东边300 m处为最远手机加入点，两点之间不存在遮挡物。由于伪基站系统采用了全向天线，可以认为在空旷地带可以支持半径300 m以内手机加入伪基站网络。
2)?如果实际灾害环境比较复杂，存在大量高层建筑遮挡信号传播，该实验采用的信号发射方案可以支持的工作范围可能会缩小。
3)?实验测试区域存在高强度手机信号，并没有能够完全模拟灾后无手机信号的情况，在不存在运营商基站信号干扰、灾后高层建筑减少的情况下，全向天线搜索的范围可能进一步扩展。
4)?进一步加强发射信号强度并提高天线高度也可以使伪基站系统增加手机加入距离，但这将减少伪基站系统的便携性。
5)?进行三角质心定位计算时，可以将3台伪基站系统放置在固定地点采集手机数据，也可以移动伪基站系统并多次采集同一手机数据，结合其他数学方法减少三角质心定位算法的误差。
3.2 AOA定位能力验证实验为了满足快速搜索定位的需求，使用定向天线使伪基站系统可以朝某一特定方向以更强的功率进行搜索。此时由于该天线具有方向性，在发射信号恒定的情况下，信号的传播损耗与天线方向存在一定变化关系，因此难以准确判断距离与传波损耗之间的关系，但可以根据此性质判断信号来源方向，进行基于AOA的定位算法。
实验地点：北京市北清路。
实验内容：
1)?于北清路中央隔离带架设伪基站系统，使用扇区天线，天线通过支架支起，高度约3 m；
2)?搜索周围已经使用的GSM频段；
3)?选择与周围无线电波不冲突的频段，以最大功率分发射功率启动伪基站系统，构建伪基站网络，天线面向东；
4)?在伪基站系统以东的隔离带不同距离位置用手机尝试加入伪基站网络，使用激光测距仪测量手机可以加入伪基站系统的最远距离，此距离为手机加入单方向的最远距离。
实验结果：传播距离如图 6所示。
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| 图 6 定向天线传播距离示意图 |
| 图选项 |
结果讨论：
1)?激光测距仪检测的1 020 m是在单方向的测量距离，对周边进行全方向的搜索需要通过旋转扇区天线的方式完成；
2)?根据扇区天线的方向图可以判断，提高天线高度并不一定能够很好地增加手机加入范围，而进一步加大发射信号强度可以增加手机加入范围；
3)?由于手机加入伪基站网络需要一定的时间，手机也有其自身的搜索网络的策略，在通过旋转扇区天线进行手机扫描时，旋转速度过快将导致手机没有足够的时间加入网络，最佳旋转速度需要进一步研究；
4)?在不存在运营商基站信号干扰、灾后高层建筑减少的情况下，扇区天线搜索的范围可能进一步延长；
5)?基于旋转扇区天线的方法进行手机检测，伪基站系统可以一次性搜索超过3 km2范围的地面上的手机。
3.3 手机信号来源方向获取实验定向天线实验确认了伪基站系统在某一方向的最大搜索能力，但该实验没有验证定向天线角度变化与信号传播损耗变化的关系，而该变化关系则是获取信号来源方向的最重要因素。
定向天线角度改变实验通过使用八木天线，检验能否通过改变定向天线方向的方法，通过伪基站系统获取手机信号来源的方向。
实验地点：清华大学校园。
实验内容：
1)?架设伪基站系统，手持八木天线以便改变方向；
2)?启动伪基站系统，架设伪基站通讯网络；
3)?手机加入伪基站系统；
4)?手机与伪基站系统建立语音通话，伪基站系统连续记录手机RSSI并提取手机信号发射强度信息；
5)?固定手机位置，改变八木天线方向，记录变化数据。
实验结果：图 7为伪基站接收手机信号的变化值，在天线方向不断改变的过程中RSSI发生较大的波动，但均值并没有改变很多；而从图 8手机信号发射强度变化图可以看出，手机发射信号强度在整个过程中发生较大的规律性变化；从图 9传播损耗变化图可以清晰地分辨出，天线正对手机与不正对手机的2种情况的传播损耗差。
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| 图 7 RSSI变化图 |
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| 图 8 手机信号发射强度变化图 |
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| 图 9 传播损耗变化图 |
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由此可以分析得出以下结论：
1)?RSSI在改变天线方向的过程中发生变化较大的波动，但平均值并没有发生大的变化，仅根据RSSI的变化无法判断手机信号来源方向；
2)?手机信号发射强度在实验过程中发生的改变较大。在路径改变、传播损耗增加时，手机可以改变信号发射功率保证伪基站有足够的RSSI强度；在传播损耗减少时，手机将减小信号发射强度，减少手机能量消耗；
3)?由于手机存在发射信号强度的控制策略，伪基站的RSSI与天线角度、传播距离没有必然的关系，仅依靠RSSI无法进行定位；
4)?传播损耗变化非常明显并且比较稳定，该参数可以很好地体现天线方向变化的情况，可以通过基于传播损耗的变化获取手机信号来源方向，而不是RSSI；
5)?八木天线的方向性很强，并不适合于大范围的手机搜索，但适合于视距范围内的手机直接搜索。
4 结论本文针对大规模灾害后大范围受灾区域的受灾者快速搜索，设计出基于伪基站系统的手机定位系统，并根据灾害现场定位需求，采用三角质心算法和AOA算法，进行伪基站系统的实验测试，得出以下结论：
1)?设计的伪基站系统可以通过建立手机通讯网络的方法使手机加入伪基站通讯网络，并获取RSSI、手机信号发射强度，为大范围的手机搜寻定位提供了技术手段；
2)?基于全向天线的伪基站系统可以基于传播损耗变化数据完成三角质心算法，以定位周边手机；
3)?基于扇区天线的伪基站系统可以快速搜索大范围的周边手机；
4)?可以通过方向天线改变方向并观察传播损耗变化的方法获得手机信号来源方向，进行基于AOA的定位运算。
上述实验证明伪基站系统可以基于传波损耗进行三角质心定位算法或AOA定位计算。下一步工作，则是根据上述通用定位算法结合灾区环境特征提出灾区电磁波远距离传播模型，并提出适应于灾区环境的高精度定位算法。
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