蜂窩系統移動定位技術

　　 

    作者：熊瑾煜  王巍  朱中梁

    蜂窩網絡基礎設施的完善、移動終端功能的增強、互聯網內容的豐富及無線應用的推廣正在充實人們的日常生活，也逐漸改變人們的生活方式和消費習慣。

    1  移動定位技術的發展及應用

    無線電定位技術的起源可以追溯到上世紀初，第二次世界大戰的軍事需求和80年代末開始推廣的數字蜂窩移動通信系統分別推動了該項技術在軍事和民用領域的發展。GPS和LORANC系統是典型的定位系統，它們采用無線電定位方法滿足不同的定位精度要求。隨著CDMA等原屬于軍事應用的領域的先進技術快速民用化及蜂窩網絡的迅猛發展，國外早已開始研究蜂窩移動通信系統定位技術。1996年，美國FCC制定的E911規范要求所有的移動運營商必須以67%的概率提供緊急救援服務，從而加速了該技術的進步及基于無線電定位技術的位置服務(LCS)在全球的發展。

    快速增長的中國移動通信市場為開展和普及移動定位系統在中國的建設奠定了堅實的基礎。北京移動采用摩托羅拉公司的LCS解決方案，在移動網中為個人和企業用戶提供各種位置服務，主要包括親友位置查詢、用戶位置授權及城市信息查詢。從2001年初開始，福建移動、山西和云南的移動運營商先后與諾基亞簽訂了移動定位商用合同。最近，聯通國脈與日本著名的位置服務內容解決方案提供商Navitime簽定合作協議，共同開發基于cdma20001x的位置服務。

    2  移動定位技術

    采用適當的定位技術獲得位置信息是實現位置服務的必要前提，根據不同的劃分準則，蜂窩網絡定位技術有以下幾種分類方法：

    (1)根據定位系統所處的空間位置不同，可分為空基定位系統(GPS)、地基定位系統及混合定位系統三種。GPS系統以高精度、全天候等特點在全球廣泛應用，在車輛調度管理中發揮重要作用。傳統的廣域無線電測向定位系統屬于地基定位系統。A-GPS系統是GPS與蜂窩網絡結合的產物，定位精度高，克服了GPS在建筑物內和市區存在盲區的缺點，是未來蜂窩定位技術標準最有力的競爭者。

    (2)根據定位參數測量位置不同，可分為基于網絡的定位及基于終端的定位兩種?；谛^標識的CELL_ID技術已經成熟應用。到達時間差(TDOA)與CDMA系統相結合能提供50m以內的定位，是當前發展最迅速的定位技術。增強觀測時間定位技術(E-OTD)是目前GSM系統中最有發展潛力的基于終端的蜂窩定位技術，但采用該技術需要改變終端的軟硬結構，因此目前還沒有廣泛應用。

    (3)根據定位所用參數不同，可分為場強測量法(SSOA)、增強型場強測量法/多徑指紋法(ESSOA/FingerPrint)、到達角度測量法(AOA)、到達時間/時間差測量法(TOA/TDOA)及混合參數定位法等。

    2.1CELL_ID技術

    定位系統根據用戶在網絡內所處的小區或基站，標識終端位置。終端有可能在小區內的任何位置，因此定位精度完全取決于小區的大小。目前國內GSM網基站密度很大，CELL_ID小區定位的精度可高達100-150m，這樣級別的精度足以滿足大部分應用服務的要求。郊區和農村地區的小區半徑遠大于城區的小區半徑，因此城區CELL_ID的定位精度要遠遠高于郊區和農村。CDMA系統不需要設置密集的基站，市內小區半徑一般在1-2km左右，此時CELL_ID的精度不會優于500m，這樣的精度遠遠不能滿足大部分用戶的要求。因此在CELL_ID基礎上，出現了一些改進技術，如CELL_ID+SECTOR-ID、CELL_ID+TA及CELL_ID+RTT技術，雖然這些技術可在一定程度上提高定位精度，但改善效果并不明顯。

    CELL_ID及其改進技術是實現蜂窩網終端定位最簡單的方法，所需投入的財力、人力和物力資源少，占用網絡資源少，實施方便，響應時間短，可用于所有蜂窩網絡，并得到GSM/GPRS/WCDMA/cdma2000等各種技術的定位較低，隨地理位置的不同定位精度有很大差異，一般將其作為輔助定位手段，為精確定位提供輔助信息，實現初始定位。

    2.2TDOA、EOTD、OTDOA和E-FLT技術

    TDOA技術最早應用于雷達系統，現在GPS定位系統也采用該技術。它利用基站之間的時鐘同步及用戶信號到達不同基站的時間不同。用定位算法進行位置計算。該定位技術可應用于各種移動通信系統(AMPS、GSM、寬帶和窄帶CDMA中)，尤其適用于CDMA系統，CDMA系統用擴頻方式將信號頻譜擴展到很寬的范圍，使系統具有較強的抗多徑能力。CDMA屬非功率敏感系統，信號衰減對時間測量的精度影響較小。

    TDOA由網絡設備測量定位參數并進行定位計算，不需要終端的參與。增強型前向鏈路三角定位(E-FLT)技術由終端測量定位參數，再送回網絡完成定位計算，目前E-FLT僅支持CDMA體制的蜂窩系統。E-OTD和OTDOA由終端完成時間差參數測量，根據需要由終端或網絡完成定位計算，前者是針對GSM/GPRS系統開發的特定定位技術，后者只能用于WCDMA系統。

    這四種定位技術都利于時間差參數確定位置，數字模型相同，定位精度都受系統定時精度的影響。無論基于終端還是基于網絡，基站之間都必須嚴格同步，確保系統本身的定時誤差不會給定位結果造成明顯影響。IS-95CDMA和cdma2000屬于同步系統，通過GPS實現全網同步，能保證基站的定時精度。GSM/GPRS和WCDMA屬于異步網絡，必須在每個基站增加高精度和高穩定性的定時單元(原子種或GPS時鐘)，或在基站之間增加定時單元LMU實現時鐘統一。另外，在CDMA系統中，通過時差實現定位的系統都受"可測性"的影響，其中反向功率控制會嚴重影響TDOA的定位，前向功率控制對OTDOA的影響也較大。

    2.3A-GPS技術

    GPS技術自七十年代后期投入使用以來，因其全天候、高精度的定位性能，已在世界范圍內得到廣泛應用。使用GPS設備的重要前提之一是接受機與衛星之間有直射路徑，這又使GPS在建筑物密集的城區及建筑物內部存在信號接受盲區。新推出的A-GPS技術融合了GPS高精度定位與蜂窩網高度密集覆蓋的特性，即保證了在城市范圍內蜂窩定位的精度，也擴大了GPS的覆蓋范圍，A-GPS可以通過蜂窩網絡的空中接口使終端獲得衛星的有效參數。另外，A-GPS的響應時間明顯快于傳統的GPS。GPS定位的初始捕獲時間較長，通常為30s-15min，這取決于衛星與終端相對位置，A-GPS則可將初始捕獲時間減少到5-10s。A-GPS技術系統的兼容性很強，若在網絡中增加GPS功能模塊，即可實現基本的定位功能。定位過程的實現與空中接口標準沒有必然聯系，因此GPS定位技術能方便快捷地為所有蜂窩網絡提供定位服務。高通公司已研制開發出集成了GPS定位功能的小型化芯片組UEM5100，并已用于子公司SnapTrack推出的GPSone系統中。隨著芯片制造技術的進步、GPS系統本身定位精度提高及成本降低，A-GPS最終將取代各種傳統無線定位技術，成為蜂窩移動通信系統提供定位服務的主要技術手段。

    2.4FingerPrint(FPT)技術

    FPT又稱射頻信號模式匹配(RFpatternmatch)，是美國無線公司(USWireless)開發的專利技術，已成功用于RadioCamera系統中。由于多徑干擾的模式完全取決于反射環境，所以特定地區的干擾模式具有自己的特征。終端發射的無線電波經建筑物和其它障礙物的反射和折射，產生與周圍環境密切相關的特定模式多徑信號?；咎炀€陣列檢測信號的幅度和相位特性，提取多徑干擾特征參數，將該參數與預先存儲在數據庫中的模式進行匹配，找出最相似的結果，然后結合地理信息系統，找出與該模式相匹配的地區范圍，以街道和城區的圖形化形式輸出定位結果。FPT技術基本不受非視距傳輸效應(NLOS)影響，系統獨立性強，結構簡單。但FPT技術實施的高度復雜性是推廣應用的最大障礙，因為在FPT定位系統投入實際使用前，必須建立龐大完整的位置指紋數據庫，詳細記錄城市每個可分辯最小區域的特征，并保持與城市建設同步更新，以保證指紋樣本的有效性、可靠性和準確性，所以該項技術尚處于試運行階段，沒有大規模應用。

    2.5到達角交匯定位(AOA)技術

    該技術在兩個以上的位置點設置方向性天線或陣列天線，獲取終端發射的無線電波信號角度信息，然后通過交匯法估計終端的位置。它只需利用兩個天線陣列就能完成目標的初始定位，與TDOA等技術的定位體制相比，系統結構簡單，但要求天線陣具有高度靈敏度和高空間分辨率。建筑物分別密集、高度和地形地貌對AOA的定位精度影響較大，在室內、城區及鄉村地區，AOA的典型值分別為360度、20度和1度。隨著基站與終端之間的距離增加，AOA的定位精度逐漸降低。AOA定位誤差主要由城市的多徑傳播及系統誤差造成，可通過預先校正來抵消系統誤差的影響，而建筑物密集地區的多徑效應一直是困擾天線通信的難題，智能天線可在一定程度上減小多徑干擾的影響，但由于實現復雜和設備成本的問題，尚未廣泛應用。因此，AOA技術雖然結構簡單，但是在城市蜂窩定位系統中并未得到應用。

    3  移動定位解決方案

    要在蜂窩網建立能提供位置服務的全套定位系統，不僅需要可獲取用戶位置信息的定位技術，還需要包括實現位置信息傳輸、管理和處理的功能實體及與服務提供商的軟硬件接口。完整的位置服務解決方案應建立在定位技術的基礎上，是能開展定位增值業務的一整套軟硬件系統，主要功能模塊包括：(1)位置獲取和確定單元：GSM規范中稱為移動定位中心(SMLC)，CDMA規范中稱為定位實體(PDE),SMLC/PDE與多個定位單元(LMU)連接，獲得定位參數并計算定位結果；(2)位置信息傳輸和接口單元：GSM規范中稱為移動定位中心網關(GMLC),CDMA規范中稱為移動定位中心(MPC)，通過標準的軟硬件接口，將SMLC/PDE收到的定位數據傳送到提供定位服務或有定位需求的實體進行處理；(3)基于位置信息的應用服務：即定位服務客戶機(LCSClients)，主要與GMLC或MPC連接，提供基于位置信息的各種服務；(4)業務承載平臺:例如地理信息系統集成，定位結果通常以圖形化方式顯示，這部分功能由本地電子地圖、相關地理信息及相應軟件完成。

    不同的定位解決方案需要不同的系統軟硬件提供支持，通常采用以下指標衡量定位方案：(1)提供完整的端到端位置服務能力；(2)對未來移動通信系統的升級能力，包括核心網的接口升級能力及空中接口標準的兼容能力；(3)對定位技術的支持能力、定位精度及定位響應時間；(4)與現有業務平臺的集成能力；(5)系統對未來業務的適應能力；(6)系統軟硬件實現的復雜度；(7)系統成本；(8)對網絡負載的影響。

    目前市場上主要的定位系統提供商(包括諾基亞、愛立信、西門子等國際通信巨頭)都利用自己豐富的設備制造經驗、強大的系統集成能力、深厚的科研力量和雄厚的資金支持，分別推出了各具特色的移動定位解決方案。典型的定位平臺有諾基亞移動定位平臺mCatch/mPosition、愛立信移動定位系統MPS及西門子公司位置服務平臺LR2.0。

    4  結論

    蜂窩網絡基礎設施的完善、移動終端功能的增強、互聯網內容的豐富及無線應用的推廣正在充實人們的日常生活，也逐漸改變人們的生活方式和消費習慣。作為未來移動數據的主要應用之一，基于位置信息的移動數據應用因能提供個性化服務，在世界范圍內迅速發展，各種定位技術和定位解決方案不斷涌現，但移動通信系統網絡結構的復雜性、多種空中接口標準并存的現狀及無線電波傳播環境的復雜性都增加了實現高精度定位的難度。目前，各種定位技術都有不足，如何尋找精度更高、對網絡和終端影響最小的定位技術仍是蜂窩定位研究領域的重要課題。

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