（计算机软件与理论专业论文）移动lbs系统的实现.pdf

皇堑垫垄主堡主兰堡堡圭! 堂堂望! 墨垄塑壅墨 中文摘要 基于位置信息的服务( l b s ，l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 是近两年来非常吸引人 们关注的一个课题。它是数据库技术和地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、移动定位技术、i n t e m e t 技术、无线通讯技术等相关领域交 叉融合的结果。l b s 具有十分光明的商业应用前景，许多国家和公司都将它视为 推动经济发展的下一个增长点。 位置服务是跨行业的系统集成应用，涉及多个学科的专业知识。一个l b s 系 统，需要计算机、通讯、地理信息、市场分析和策划等各个行业的专业人员的通 力合作才有可能取得成功。 作者在该项目研究中，主要实现了客户端应用程序大部分模块的开发、应用 服务器路径搜索服务效率的提高、在移动设备上应用s v g 的可能性研究。在客户 端程序的开发过程中，根据嵌入式系统软硬件开发环境的局限性，以及客户端设 备种类多种多样的特点，从提高代码的重用性和程序功能可伸缩性的角度出发， 精心设计了程序模块以及模块接口，使得大多数的代码在不同设备上都可重用， 并充分使用了设备的软硬件功能。在提高路径搜索服务效率的工作中，从问题的 实际几何意义出发，采用人工智能领域的启发式搜索算法，实现了z 搜索算法在 地图道路搜索问题上的应用，使路径搜索服务的平均效率提高了4 倍。 整个l b s 系统在联通的c d m a 网络下通过了测试，取得了令人满意的试验结 果。根据测试过程中暴露出的先天不足点，在跟踪业内最新技术进展的基础之 上，作者又提出了可行的解决措施，使得系统的体系结构更为的合理。 关键字：l b s 服务、移动定位、路径搜索、嵌入式计算 皇堑垫垄鲎堡圭兰堡堕查! 翌塑! 堕墨丝堕壅翌 a b s t r a c t l b s ，l o c a t i o nb a s e ds e r v i c ei sav e r yh o tr e s e a r c ht o p i ci nr e c e n ty e a r s i ti st h e r e s u l to ft h ei n t e r a c t i o no fc o m p u t e rd a t ab a s e ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o b i l e l o c a t i o n ，i n t e m e t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e t c l b sh a sav e r yb r i g h tb u s i n e s sf u t u r e ， m a n yc o u n t r i e sa n dc o m p a n i e sl o o ki t a st h ed r i v ef o r c ei nt h en e x tr o u n do fe c o n o m y g r o w t h s o m ea u t h o r i t a t i v eo r g a n i z a t i o nf o r e c a s tt h a tt h ea n n u a lr e v e n u eo fl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ；n2 0 0 4i nw o r l da r o u n dw i l lr e a c h3 0b i l l i o n1 j sd o l l a r s l b si sa ni n t e g r a t e da p p l i c a t i o nw h i c hi n v o l v es e v e r a ld i f f e r e n ti n d u s t r i e s ，a n du s e t h ep r o f e s s i o n a lk n o w l e d g eo fd i f f e r e n td i s c i p l i n e as u c c e s s f u ll b ss y s t e mn e e dt h e t i g h t l yc o o p e r a t i o no fp r o f e s s i o n a lp e o p l ec o m ef r o mi n d u s t r yo fc o m p u t e rs c i e n c e ， c o m m u n i c a t i o ns c i e n c e ，g e o g r a p h i ci n f o r m m i o ns y s t e m ，m a r k e t i n ga n a l y s i s i nt h ew o r ko f r e s e a r c h ，t h em a j o rw o r k i n gs c o p eo f t h ew r i t e ri st h ei m p l e m e n t i n g o f c l i e n ts o f t w a r e ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c eo f p a t hr o u t i n ga l g o r i t h m so f a p p l i c a t i o ns e r v e r ， a n dt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep o s i b i l i t yo f u s i n gs v g o nm o b i l ed e v i c e i nt h ed e v e l o p i n g o fc l i e n ts o f t w a r e ，d u et ot h el i m i t e dc p u p o w e ra n dm e m o r yc a p a c i t yo fe m b e d d e d s y s t e m ，a n dt h ev a r i a b i l i t yo fd i f f e r e n t h a r d w a r e s o f t w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r em o d u l e s a n dd a t ai n t e r f a c e sa r ed e l i c a t e l yd e s i g n e dt oi m p r o v et h er e u s a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y ，a n d t h ef u n c t i o n so fh a r d w a r e s o f t w a r ea r ef u l l yu s e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f m a pp a t hr o u t i n gs e r v i c e ，b a s e do n t h er e a lm e a n i n go fm a p p a t hr o u t i n g ，a a l g o r i t h m ， w h i c hi sb a s e do nt h ea r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，i s i n t r o d u c e d ，t h e m e a ne f f i c i e n c yi s i m p r o v e db y f o u rt i m e s t h ew h o l el b ss y s t e mp a s s e dt h et e s t i n gw h i c hi s b a s e do nu n i c o r n sc d m a n e t w o r k t h er e s u l ti ss a t i s f y i n ge x c e p ts o m ei n b o r ni n f e c t s an e w s o l u t i o ni sa p p r o v e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h el a t e s ti m p r o v e m e n t si nr e l a t i v ei n d u s t r ya n d t h ea r c h i t e c t u r e b e c o m em o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，m o b i l el o c a t i o n ，p a t hr o u t i n g ，e m b e d d e d c o m p u t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盘建日期：泐犀年年月加 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗重导师签名：逊 日期：捌乎年年月2 7 日 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 主要符号表 c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ，码分多址 d t d ：d o c u m e n t t y p ed e f i n i t i o n ，文档类型定义 g i s ：g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统 g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球卫星定位系统 g s m ! g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统 l b s ：l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，基于位置信息的服务 m i p s ：m i l l i o no f i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，每秒执行百万指令数 m l c ：m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ，移动定位中心 p d a ：p e r s o n a l d i g i t a la s s i s t a n t ，个人数字助理 s v g ：s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，可伸缩向量图形 w 3 c ：w o r i dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，万维网联盟 x m l ：e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展标记语言 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 1 1 欣欣向荣的l b s 服务 第一章引言 基于位置信息的服务( l b s ，l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 是近两年来非常吸引人 们关注的一个课题。它是数据库技术和地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、无线定位技术、i n t e m e t 技术、无线通讯技术等相关领域交 叉融合的结果。 l b s 服务通过获取用户的经纬度信息，结合g i s 数据库，可以为用户提供包 括交通引导，地点查询，朋友位置查询、车辆跟踪、商务网点查询，小孩看护、 紧急呼叫等众多服务。在此平台基础上，结合特定的数据库，可以进一步衍生出 餐馆指南、火车时刻表、天气预报和广告发布等特色信息服务。 随着近几年来商用g i s 软件的日趋成熟，特别是伴随着个人移动网络和 i n t e m e t 的蓬勃发展，l b s 应用出现了一个新的突破口，那就是移动l b s 。美国权 威机构预测：2 0 0 4 年“移动定位业务”的产值在美国将达到4 0 亿美元，而全世界 为3 0 0 亿美元。欧洲研究报告指出：2 0 0 5 年定位业务市场将为4 3 8 亿欧元。按照 日本n t td o c o m o 无线增值业务的发展曲线，数据业务的5 将与定位业务有 关。预计在未来几年内，我国的移动定位业务市场规模很快会达到1 0 亿元人民币 以上，而且还会加速度的持续增长。 i 2 国内外动态 正是因为l b s 具有十分光明的商业应用前景，许多国家和公司都将它视为推 动经济发展的下一个增长点，投入了大量的人力和物力进行相关的研究。 美国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 于1 9 9 6 年 6 月采用了一条规定，要求所有的移动网络运营商必需对一切9 1 1 呼叫紧急服务提 供位置信息。f c c 还要求在2 0 0 1 年1 0 月1 号以前，所有的9 1 1 呼叫定位服务需要 精确到1 2 5 米，准确率要达到6 7 。1 9 9 8 年1 2 月2 4 号，f c c 对它的规定进行了 补充，允许网络运营商采用基于终端或基于网络的定位技术。 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 韩国信息通信部1 月2 1 日向两届政府的交接委进行业务汇报时重点提及了 定位服务产业培育计划，并把手机定位服务称为下属政府的十大未来新产业 培育对象之一。为培育定位服务产业，韩国信息通信部决定成立一个有s k 电讯、 三星电子、l g 电子、三星s d s 等相关企业参加的“定位服务产业协议会”。 2 0 0 0 年1 月，日本最大的无线运营商n t td ok om o 公司率先在全球开通了 基于p d c 网络和个人数字助理( p d a ，p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 的l b s 应用。 此外，美国的斯普林特公司( s p r i n tp c s ) ，韩国的k t f 等世界著名的电信运营商从 2 0 0 1 年底开始，也陆续推出了基于手机的l b s 应用。 在国内，l b s 也引起了移动通讯运营商的重视，纷纷将其视为短信息服务之 后的又一杀手锏。福建移动、上海联通等公司在2 0 0 2 年先后开始了l b s 的试验和 商用过程。 1 3 论文研究主题 电信增值业务一直是各大移动通讯运营商和内容提供商争夺的焦点。电信增 值业务具有利润高，发展速度快的特点，以国内短消息服务( s m s ， s m a l l m e s s a g es e r v i c e ) 为例，2 0 0 2 年中国移动s m s 为8 0 0 亿条，中国联通为1 0 0 亿 条，而2 0 0 3 年上半年共计已将近8 0 0 亿条。不少知名网站更是依赖每月从提供短 消息服务获取的数千万元利润而得以度过了网络泡沫经济的严冬。 那么谁将是短消息服务之后的下一个电信增值服务亮点呢? 不少业内人士不 约而同的将目光投向了移动位置服务。为了在市场竞争中站得先机，移动和联通 都已经开始为未来的争夺做准备，纷纷和内容提供商一起，推出了各有特色的移 动位置服务。 本文正是在这样的应用背景下，结合作者的实际工作写出来的。然而l b s 服 务是一项跨行业的系统集成应用，涉及多个学科的专业知识。一个l b s 系统，需 要计算机、通讯、地理信息、市场分析和策划等各个行业的专业人员的通力合作 才有可能取得成功。作为一篇计算机软件与理论专业的硕士学位论文，本文不可 能详细的分析系统所涉及的每个环节，而是在概要的介绍系统的组成原理的基础 上，结合本人的实际工作，较为详细的论述了系统的客户端嵌入式程序的开发， 2 - 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 以及基于人工智能领域的启发式搜索算法在应用服务器路径搜索中的实现。并且 在最后，针对系统的一些先天性不足，提出了作者的一些思考和改进意见。 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 2 1 系统结构图 第二章系统的结构和原理 图1系统结构图 整个系统的结构如图1 所示。 2 2l b s 系统原理 从上图可以看出，系统采用了三层结构。通过引入三层结构，可以将更多的 精力放到第一层客户端和第二层应用服务器的功能开发上，而对于第三层地图服 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 务器则可以采用成熟的商用解决方案。这样的系统结构缩短了项目开发的周期， 在扩展性方面留有充分的余地，维护起来也很方便，同时使得系统在更加灵活的 同时也更加强壮。 用户在实际使用时可以通过三种方式访问系统。最通常的情况下，用户将通 过移动电话上运行的客户端程序，在具有定位能力的无线网络支持下访问系统； 当用户使用自带定位能力的p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 时，根据p d a 功能 的差异，可以直接通过i n t e m e t 访问系统或者通过无线网络间接访问系统；此外， 为了增加系统的适用范围，还允许用户用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 通过i n t e m e t 直 接访问系统。 虽然随着技术的进步，目前的p d a 和移动电话都具有了一定的嵌入式计算能 力和存储能力，以目前市场上常见的中高端手机为例，其计算能力一般为1 m m i p s ，存储能力一般为数兆数十兆。显而易见，这样的硬件条件是不足以处理 庞大的地理数据的。因此，系统将主要的计算任务交由后台服务器完成，如地图 的产生、移动和缩放；地图目标的查询：最短路径搜索等。p d a 或移动电话只负 责完成发起查询和显示查询结果，而不保存地理数据和进行复杂的地图相关的运 算。 这样的系统设计带来的弊端是系统交互次数增加；数据传输量大，占用运营 商过多的带宽；后台服务器负担重等。但是硬件设备的发展数度是很快的，当用 户端的掌上设备达到一定的要求后，可以将系统的计算任务从后台服务器向用户 端转移，从而改善系统的性能。 无论用户采用何种访问方式，系统都必须根据用户终端的显示能力和运算能 力提供适当的响应。同时为了适应不同的访问方式和提高系统的可扩展性，系统 在客户端和应用服务器之间、应用服务器和地图服务器之间都定义了统一的x m l 接口。x m l 接口提供了与平台无关的数据传输，只要遵循了这套接口，就可以从 不同的平台上来访问服务器。 应用服务器提供了客户端和地图服务器间的接口，它负责翻译和转换用户的 输入以及地图服务器的响应，同时它还负责完成用户信息的管理和计费。 地图服务器采用了e s r i 公司的产品a r c i m s ，a r c l m s 地图服务器适用于 无线互联网、i n t e m e t 、i n t r a n e t 的地图应用的开发，能以多种图形格式发布地图， 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 很容易建立基于p d a 或手机的可扩充的移动定位服务应用。对于l b s 应用，核心 问题是解决大用户量的并发访问问题，a r c i m s 采用了先进的负载平衡和流量控制 技术，当需要扩大系统容量时，只需简单的增加地图服务器的数量就可以满足用 户的要求。至于地理数据则可以从特定的基础地理数据生产商处购买，并且根据 实际需要，还要对g i s 地理数据进行一些自己感兴趣的加工，比如采集并添加宾 馆酒店、自动取款机、公共汽车站等数据信息。 2 3 定位原理 2 3 1g p s 定位 2 3 1 1g p s 系统组成 全球卫星定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 由美国政府从上世纪 7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有全方 位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。整个系统由三个部份组成。 2 3 1 2g p s 卫星星座 g p s 工作卫星及其星座由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星 座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，各个轨道平 面之间相距6 0 度。 在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运 行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。对于地面观测者来说，位于地平线以 上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗， 最多可见到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。这4 颗 卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚 至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做”间隙段”。但这种时间间隙段是很短 暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的定位工作。 6 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 2 3 1 3 地面监控系统 对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射 的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历， 是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直 沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作 用是保持各颗卫星处于同一时间标准g p s 时间系统。这就需要地面站监测各 颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给 用户设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监 测站。 2 3 1 4g p s 信号接收机 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫 星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号 从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计 算出三维位置，甚至三维速度和时间。 2 3 1 5g p s 定位原理 在地面上，只要用一部g p s 接收机测出3 4 颗卫星信号到达本接收机的时 间，就可准确推算出接收机所在地( 可以是地面或天上任何位置) 的经纬度、海 拔高度、时间、运动速度等数据。g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬 间位置作为已知的起算数据，确定待测点的位置。 2 3 1 6 定位精度 g p s 定位在不同的设备和技术条件下可达到从1 0 0 m 到小于l c m 的定位精度。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就 是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测 量，精度可以达到几十至一百米，可用于车船等的导航定位。相对定位是根据两 台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位罨的方法，它既可采用伪距 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 观测量也可采用相位观测量，精度可以达到几米甚至几毫米，通常应用于大地测 量或工程测量。 2 3 1 7 局限r 性 由于卫星是处在相当高的运行轨道上 不像一般手机等可在室内、车内收到信号 爿。能使用。 其传送的信号是相当微弱的，因此它 比需在室外及天空开阔度较佳的地方 另一方面，g p s 系统是由美国政府投资开发、维护的，出于国家安全的考 虑，美国政府在非常时期( 如海湾战争、反恐战争等) 会关闭民用g p s 服务。 2 3 2 移动定位 随着无线通讯技术的发展，我们又获得了另一种更加经济、更加可行的定位 方法一一移动通信网络定位。目前，全球范围内普遍使用的移动定位技术主要有 四种：分别是基于网络的c e l l i d 、t o t d o a 技术：基于终端的e o t d 技术； 网络与终端混合的a g p s 技术。定位的精度，根据采用的不同技术，从几十米到 二百米，基本可以满足普通用户的要求。在这方面，移动设备生产商已经做了大 量的工作，通过在现有的移动通信网络中增加一个网络节点一一移动定位中心 ( m l c ，m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) ，就可以实现基于手机的定位业务。 2 3 2 1c e l l i d 这是最简单的一种定位技术，无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的 移动用户提供自动定位业务。该技术是根据移动台所处的蜂窝小区i d 号来确定用 户的位置，因此它的定位精度取决于蜂窝小区的半径。与其它技术相比，其精度 是最低的，当需要精度较高的紧急定位服务时，c e l l i d 就无法满足要求了。但是 由于该技术投资较低，因此可以让移动运营商迅速进入定位市场。 2 3 2 2t o a t d o a 该技术是采用信号到达时间测量或信号到达时间差测量的定位方式。它是通 过测量从发射机传到多个接收机的信号传播时间或时间差来确定移动用户的位 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 置。是一种基于电波传输时间的定位技术。在a m p s 、g s m 、w c d m a 、窄带 c d m a 和c d m a 2 0 0 0 网络中均可采用这种技术。它的定位精度较高，但对时间基 准的依赖性也较高。t d o a 受多径干扰的影响也较大，在c d m a 网络中使用的精 度较高，因为c d m a 网络本身具有抗多径干拢能力，实测结果可达5 5 米，有望进 一步提高到1 0 2 0 米左右。如果g s m 网络采用t d o a 方法定位，关键在于良好的 参数设计和技术保证。t o a t d o a 确定位鼍信息的响应时间比c e l l i d 技术略 长，大约要1 0 秒。同步g s m 网络所需要的代价也要比通过c e l l i d 提高网络性 能高得多。但是该技术也无需对手机进行修改，因此可以直接向现存用户提供服 务。 2 3 2 3 e o t d 定位技术 e o t d 定位方式是从测量时间差( o t d ) 发展而来的，o t d 指测量所得的时 问量，e o t d 指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同 步网，手机测量几个b t s 信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要 被一个位置己知的位测量单元( l m u ) 接收。确定了b t s 到手机的信号传输时 f 司，则可确定b t s 与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确 定手机的位置。 2 3 2 4a g p s 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。该技术需要在手机 内增加g p s 接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务 器、差分g p s 基准站等设备。如果要提高该方案在室内等o p s 信号屏蔽地区的定 位有效性，该方案还提出需要增添类似于e o t d 方案中的l m u 。 a g p s 的具体工作原理如下：a g p s 手机首先将本身的基站地址通过网络传输 到位置服务器；位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的g p s 辅助 信息( 包含g p s 的星历和方位俯仰角等) 到手机；该手机的a g p s 模块根据辅助 信息( 以提升g p s 信号的第一锁定时间t t f f 能力) 接收g p s 原始信号；手机在 接收到g p s 原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距( 伪距为受各种g p s 误 差影响的距离) ，并将有关信息通过网络传输到位置服务器；位置服务器根据传 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 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 信息的处理，并估算该手机的位置；位置服务器将该手机的位置通过网络 传输到定位网关或应用平台。 a g p s 解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在正 常的g p s 工作环境下，可达1 0 米左右，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。 该技术的另一优点为：首次捕获g p s 信号的时间一般仅需几秒，不像g p s 的首次 捕获时间可能要2 3 分钟。虽然a g p s 技术的定位精度很高、首次捕获g p s 信号 时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前仍然无法圆 满解决。另外，a g p s 的定位实现必须通过多次网络传输( 最多可达六次单向传 输) ，这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。目前，a g p s 的方案提供 商主要是美国高通公司和其子公司s r m p t r a c k 公司，现在还只能用于c d m a 和 i d e n 网络的市场，在不久的将来该定位技术还会用于g s m 网络( 参见高通公司 2 0 0 2 年3 月出版的g s ma g p s 手机测试移动定位业务报告) 。 2 3 3 各种定位方式的比较 各种定位方式的比较见表4 。 表1各种定位方式的比较 技术方案 g p s c e l l 一) t o a 佃o a e o t d a g p s 网络依赖 g p s 网 移动通信网( 无需改造) 移动通信网( 需改造) 移动通信网( 需改造) 移动通信网( 需改造) ，g p s 网 1 0 定位精度 l c m 1 0 0 m 1 0 0 m 一3 0 k i n 6 0 1 5 0 m 6 0 1 5 0 m 1 0 5 0 m 室内覆盖 受限制 可以 可以 可以 受限制 终端要求 g p s 接收机 普通手机 普通手机 特定手机 特定手机 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 第三章客户端程序 系统中的客户端是指具有一定运算能力和存储能力、支持第三方软件的手机 和p d a ，比如支持j a v a 或b r e w 的手机，运行w i n c e 或p a l m 的p d a 等掌上 设备。对于特定的设备，需要根据其操作系统的不同以及显示区域大小等硬件差 异，为用户定制客户端程序。然而无论这些设备有多大的差异，客户端程序要完 成的功能应该是相同的，其用户界面也应该是统一的，当用户更换设备后，应该 能很快的适应而不需要花很大的精力来从新学习。 3 1 嵌入式系统 随着i n t e r n a t 技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日 趋丰富、应用项目多种多样，像p d a 、电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等 嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升 级，方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位i u 8 c 芯片或信号处理器 d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制 功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 为适应嵌入式分布处理结构和上网应用需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求 配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报 警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支 持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览 器，如h t m l 、w m l 等。 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用c p u 的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体 积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合 | 乜越来越紧密。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能 要求，限制内存容量和复用芯片接口。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器 性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如 j a v a 、w e b 和w a p 等。 嵌入式设备之所以为亿万用户乐予接受，重要因素之一是它们与使用者之问 的亲和力，自然的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的 多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像 已取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语 音发布，但距离掌上式语言同声翻译还有很大距离。 嵌入式系统通常要求一个轻量级的嵌入式操作系统，常见的嵌入式操作系统 包括商用w i n c e ，p a l m ，v x w o r k s ，l i n u x 等，也有用户自己定制的专用嵌入式操 作系统，如智能手机广泛采用的s y m b i a no s 等。嵌入式操作系统具有内核小，开 销小，满足实时性要求或其它用户特定要求。 3 2 基本设计思想 客户端程序运行在用户掌上设备平台上，为了提高程序的模块化设计和重用 性，并同时满足特定平台的要求，程序的设计采用了层模式和代理模式的软件体 系结构思想。 3 2 1层模式 客户端程序采用层模式主要是考虑到系统涉及到一个关键问题h t t p 通 信，h t t p 通信问题在客户端程序中属于低层操作，而客户端程序的高层业务操作 完全依赖与底层的h t t p 通信操作。同时考虑客户端程序请求数据的流动：用户 发起业务请求专构造请求包数据专发送请求；响应数据的流动：接收响应数据包专 解析业务数据专展现业务数据。对于每个环节，为完成上层发出的功能请求必须 调用下一层的相关接口为上层提供服务。同时考虑服务器程序，对于客户端的每 一层服务端都有对应的实体层。 3 2 2 代理模式 代理模式主要是考虑到l b s 应用的核心之一是g i s ，客户端程序要完成的业 务功能绝大部分都要涉及地图相关操作，而在客户端本地不存在与g i s 相关的任 兰! 塑垫查芏婴主兰堡垒圭! 壁塑望! 墨丝塑壅翌 何概念，只有服务端才具有真实的地图服务器。所以为完成相关的业务功能，客 户端必须向服务端发出请求，服务端根据请求操作地图后将结果返回给客户端。 为屏蔽网络通信、服务器、地图等细节，增加程序设计的透明性，在客户端设计 一个地图代理类( 模块) ，该类具有和后台地图业务处理类相一致的接口，该接 口提供所有与地图操作相关的方法。这样当程序员需要操作地图的时候，只需要 向本地地图代理类发出请求，而不再需要关心底层如何完成通信、服务器在什么 地方等问题，类的使用者就好像感觉本地存在一个真实的地图服务器一样。 3 3 客户端程序体系结构 客户端程序具有如图2 的三层结构 表示层 业务逻辑层 通信层 3 3 1 层划分 界面处理模块l _ _ 一 地图显示模块 i li l 地图代理模块 k- i 皿解析模块i t i h 1 t r p 通信模块 图2 客户端程序结构 至应用服务器 表示层提供了客户端的人机界面，它负责引导用户输入并将用户的输入传给 业务逻辑层处理，同时表示层还负责地图的显示；业务逻辑层是核心层，它调用 通信层提供的相关接口将x m l 请求流提交给服务器，同时从通信层获取x m l 响应 流并解析出业务数据为表示层提供服务；通信层负责维护客户端和应用服务器之 间的h t t p 通信。 层名 表2 客户端程序层划分 功能描述 电子科技大学硕士学位论文：移动l b s 系统的实现 表示层 处理用户界面、显示图片、交互控制等 业务逻辑层 解析、构建儿流、格式化业务数据 h t t p 通信层负责h t t p 通信，发送请求流，接收响应流 3 3 - 2 模块划分 各个主要模块的功能如下表所示。其中，除了界面处理模块和图片显示模块 需要根据具体设备定制以外，其它的模块都具有很好的重用性。 表3 模块名 界面处理模块 图片显示模块 地圈代理模块 x m l 解析模块 g p s 定位模块 h t f p 通信模块 3 3 2 1 图片显示模块接口 客户端程序模块划分 功能描述 处理基本控件元素与用户的交互 显示不同的图片格式，漫游效果处理 提供系统相关地图业务服务功能 提供x m l 流的构建、修改、解析功能 提供g p s 定位相关功能 提供r r r r p 通信功能，发送、接收x m l 流 从文件或者从网络流中加载图片数据 在指定窗口、指定位置显示图片 获取图片尺寸( 宽度、高度) 判断是否已经加载了一幅图片、判断图片格式 在指定窗口、指定位置以漫游效果显示图片 地图代理模块接口 地图代理模块提供所有与业务功能一致的接口，如生成地图、放大缩小地 图、移动地图、设置可见图层、查询地图对象、查询位置、查询最优路径 x m l 解析模块接口 夺建立应用层x m l 请求框架 夺在指定元素下添加子节点 夺修改指定节点的值、给指定节点添加属性、修改指定节点的某个属性值 - 1 4 - 夺夺夺夺夺 勉 夺 ” 3 3 3 3 皇! 至燮垄兰堡主兰堡垒圭!壁塑! 塑墨竺箜壅墨 夺取得指定单个节点的值、取得指定节点值( 多个值) 夺取得指定节点指定属性的值、取得指定节点所有属性的值列表 4 - 取得指定节点( 出现多次) 下所有子节点值列表( 结果是二维自定义结构 体数组) 夺取得指定节点( 出现多次) 下所有属性值列表( 结果是二维自定义结构体 数组) 夺从文件或者内存流中加载x m l 数据并判断合法性 夺判断所加载的x m l 数据流是否是应用层定义的异常响应格式流 夺获取所加载的x m l 字符流 夺能解码b i n b a s e 6 4 数据类型 夺清除加载的x m l 流数据 3 3 2 4 定位模块接口 夺获取经纬度数据、获取高度数据 夺获取运动速度、获取运动方向 夺获取定位误差 夺能配置g p s g p s o n e 相关参数 3 3 2 5 通信模块提供的接口 夺设置应用服务器地址、端口 令设置通信方式( 同步或者异步) 夺设置回调处理函数( 异步发送完成后调用回调函数) 夺将指定的数据流发同步送到服务器地址 夺将指定数据流异步发送到服务器地址 夺获取服务器响应数据 3 3 3 模块归属 表3 描述了模块划分和层划分的关系。 表4客户端程序模块归属 表示层业务逻辑层h t t p 通信层 1 5 量兰翌垫垄兰翌主兰堡堡圭!壁型兰坚至丝塑壅望 界面处理模块 图片显示模块 地图代理模块 x m l 解析模块 g p s 定位模块 h t t p 通信模块 3 4 其它设计原则 3 4 1 数据输入原则 夺 夺 夺 夺 尽量减少用户输入动作的数量 维护信息显示和数据输入的一致性 在当前动作的语境中使不合适的命令不起作用 让用户控制交互流，用户可以跳过不必要的动作、改变所需动作的顺序 ( 如果允许的话) 以及在不退出程序的情况下从错误状态中恢复 冷消除冗余输入，尽可能提供缺省值 3 4 2 出错信息和警告信息 用户在使用系统的过程中，可能出现各种异常情况，系统应该以友好的方式 将异常消息报告给用户。程序对于出错信息和警告应该遵循以下原则： 夺信息以用户可以理解的术语描述 冷信息应提供如何从错误中恢复的建设性意见 夺信息应指出错误可能导致那些不量后果，以便用户检查是否出现了这些情 况或帮助用户进行改正 夺信息应伴随着视觉上的提示，如特殊的图像、颜色或信息闪烁 令信息不能带有判断色彩，即任何情况下不能指责用户 3 4 3交互原则 夺一致性原则：菜单选择、数据显示以及其它功能都应使用一致的格式 夺执行有较大破坏性的动作前要求确认 夺允许用户非恶意错误，程序应保护自己不受致命作物的破坏 令充分利用系统的事件驱动机制 1 6 电子科技大学硕士学住论文：移动l b s 系统的实现 3 5 关键数据结构 客户端程序中使用了一些关键的全局数据结构。 耷系统参数 t y p e d e f s t r u c tj a g s y s p a r a m s c h a r u s e r i d 2 0 ； f f 凫产m c h a r d e v i c e l d 2 0 ； 设备标识( 保留) c h a r p w d 2 0 ； 用户登陆口令 u n s i g n e di n i a r e a c o