WCDMA系統(tǒng)定位方法分析

摘要　本文對WCDMA系統(tǒng)的定位方法進行了分析，包括CELLID及其增強技術(shù)RTT（Round Trip Time，往返時間），OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達時間差）及其增強技術(shù)IPDL（Idle Period Downlink），AGPS和混合定位。

一、前言

移動通信領域是近年來競爭最激烈的行業(yè)之一。運營商越來越需要差異性的業(yè)務來提高競爭力，LCS業(yè)務（LoCation Services，位置業(yè)務）是被普遍看好的一種移動增值業(yè)務。目前2G系統(tǒng)中已經(jīng)可以提供簡單的基于位置的服務，隨著我國3G牌照的即將發(fā)放，3G網(wǎng)絡建設和商用進程的日益臨近，位置業(yè)務將可以依托3G網(wǎng)絡的寬帶、高速的特性，變得更加豐富多彩。3G網(wǎng)絡除了在帶寬方面比2G有了明顯的提高之外，還可以支持更加豐富的移動增值業(yè)務，如移動定位業(yè)務。在WCDMA系統(tǒng)中，就有四種主要技術(shù)可以實現(xiàn)移動定位，即基于CELLID（小區(qū)識別）的定位技術(shù)、OTDOA（Observed Time Difference of Ar-rival）定位技術(shù)、網(wǎng)絡輔助的GPS定位技術(shù)和混合定位技術(shù)。下面將具體介紹WCDMA系統(tǒng)中位置業(yè)務及實現(xiàn)方法。

二、位置業(yè)務

位置業(yè)務是指利用定位技術(shù)確定移動終端的位置，并據(jù)此提供各種基于位置相關(guān)應用的業(yè)務。常見的位置業(yè)務有：導航、跟蹤（如物流管理、人員管理等）、城市黃頁（如提供最近的銀行的信息等）、緊急呼叫（比如接入最近的110服務點）、基于位置的計費等等。

目前2G系統(tǒng)中已經(jīng)可以提供相對簡單的基于位置的服務；在3G系統(tǒng)中，由于3G網(wǎng)絡提供寬帶、高速分組業(yè)務以及CDMA系統(tǒng)特有的測距碼精確等特性，位置業(yè)務得到了更為廣泛的應用。

三、定位方法及技術(shù)

常見的定位方法都是基于測距：通過測量移動終端到位置已知的參照物的距離，再根據(jù)一定的算法，計算出它的位置坐標。在這里，位置坐標可以指二維的，也可以是三維的。位置數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡側(cè)進行計算（稱為基于網(wǎng)絡的），UE只提供測量數(shù)據(jù)；也可以在UE側(cè)進行計算（稱為基于UE的）。

由于無線信號以恒定的速率（光速c）傳播，其傳播距離L=c·t，因此在移動通信系統(tǒng)中，實際上是通過對傳播時間的測量來實現(xiàn)距離的測量。

WCDMA系統(tǒng)中采用以下幾種定位方法：

（1）CELL ID+RTT（Round Trip Time，往返時間）；

（2）OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達時間差）+IPDL（Idle Period Downlink）；

（3）AGPS；

（4）混合定位。

基于CELLID的定位技術(shù)（包括其增強技術(shù)RTT），由于定位精度（均指水平精度，下同）在幾百米到幾千米之間，不能滿足大多數(shù)業(yè)務的需求。因此，雖然實現(xiàn)簡單，但實際上應用不多。

AGPS技術(shù)定位精度最高，可達幾十米，但其有一個很大的缺點，就是終端成本太高。這也限制了它的應用。

OTDOA技術(shù)由于其精度適中（可滿足大多數(shù)業(yè)務的需求）、響應時間快、終端成本不高（只需軟件支持），成為WCDMA系統(tǒng)標準必選的定位方法。

混合定位方法則是在單靠某一定位方法無法完成位置計算的情況下，結(jié)合其它方法進行測量和計算。

表1對各種定位方法進行了比較。

表1　各種定位方法的比較

定位方法水平精度（m）響應時間（s）終端額外成本
　　CELLID+RTT180～10000.1～0.5無
　　OTDOA140～2800.5～2低
　　AGPS40～2005～16高
　　混合定位40～2005～16高

1.CELL ID+RTT定位原理

由于移動終端（UE）在登記、位置更新及呼叫建立時，都會通過“RRC連接請求”消息上報所在的CELL ID，因此基于CELL ID的定位方法最為簡單，網(wǎng)絡和UE都不需作改動；此時UE的位置，就被認為是基站所在的位置（經(jīng)緯度）。顯然，這種方法獲得的位置是很不精確的，其誤差就是小區(qū)的覆蓋半徑，通常為數(shù)百米到數(shù)千米。

為了提高定位精度，引入了RTT增強技術(shù)。

在Node B側(cè)，對信號幀進行RTT測量，即計算接收（Rx）和發(fā)射（Tx）的時間差。在UE側(cè)，對信號幀的收發(fā)時間差（UE RxTx time difference）進行測量。顯然，RTT=2L/c+UE RxTx time difference，式中，L為UE到基站的距離；c為光速。

由于RTT、UE Rx Tx time difference可經(jīng)測量獲得，c是常數(shù)，因此可根據(jù)上式計算出距離L：

L=（RTT-UE RxTx time difference）c/2

從數(shù)學的觀點看，UE就位于以基站為中心，L為半徑的圓上，這樣定位誤差就由小區(qū)覆蓋半徑縮小到L。

如果我們能對多個基站進行RTT定位，那么就能進一步縮小定位誤差。例如，對如圖1所示的3個基站分別進行RTT定位，計算出UE到各基站的距離L1、L2、L3，則UE就處于三個圓的交匯處。誤差就大大縮小了。

圖1　3個基站RTT定位測量示意圖

由于RTT和UE RxTx time difference測量的對象都是專用信道（DCH），因此要同時對多個基站進行測量，UE就必須處于切換狀態(tài)。例如，要對3個基站進行RTT定位，UE必須處于3方切換狀態(tài)，而且參與切換的小區(qū)必須在不同的Node B。這在絕大多數(shù)情況下是不可能的。

CELLID+RTT定位精度取決于小區(qū)覆蓋半徑，因此在城區(qū)微蜂窩的場景下，可以滿足一般的定位要求。另外，在UE側(cè)需要進行類型2的收發(fā)時間差測量，如果UE不支持Type2的測量，則進行Typel的測量，這也會影響到定位精度。

2.OTDOA+IPDL定位原理

OTDOA通過測量UE到兩個基站的無線信號傳播時間差（DTOA，Time Difference Of Arrival），來計算移動終端到兩個基站的距離差。

從數(shù)學的觀點來看，UE的運動軌跡，就是以這兩個基站為焦點、以其距離差為定差的雙曲線。要實現(xiàn)精確定位，還必須對另外兩個基站進行相同的測量與計算，獲得另外一條雙曲線。這兩條雙曲線的交點就是UE的位置。因此要實現(xiàn)OTDOA定位，至少需要3個基站，如圖2所示。

圖2　3個基站實現(xiàn)OTDOA定位示意圖

DTOA值由UE通過測量不同基站的兩個小區(qū)的CPICH信號到達的時間而獲得。但與cdma2000不同，WCDMA系統(tǒng)是異步的，各基站時間可以不同步，因此其距離差（△L）不能直接通過DTOA乘以光速c來獲得，即

△L≠c·DTOA

為此引入ODTOA，對各基站的時間差進行修正，使得

△L=c·ODTOA

假設移動臺到Cell1（Node B1）、Cell2（Node B2）的距離分別為L1和L2。假定Cell1的CPICH信號最先到達移動終端，則Cell1、Cell2和UE發(fā)射/接收CPICH的時刻如圖3所示。

圖3　Cell1、Cell2和UE發(fā)射/校收CPICH時刻

由上圖可見，Cell1的CPICH信號到達UE的時刻t1相對于SFN1延遲L1/c，即t1=SFN1+L1/c；Cell2的CPICH信號到達UE的時刻t2相對于SFN2延遲L2/c，即t2=SFN2+L2/c，因此在E測量到的到達時間差：

TDOA=t2-t1=（SFN2-SFN1）+（L2-L1）/c

設△L=L2-L1，則有：

△L=c·（TDOA+（SFN1-SFN2））�。�1）

或

△L=c·（TDOA+RTD）�。�2）

其中，RTD=SFN1-SFN2，稱為相對時間差，由專門的設備LMU（定位測量單元）進行測量。

因此距離差△L可由式（2）算出。其中TDOA由UE測量，RTD由LMU測量，而（TDOA+RTD）即為OTDOA。

在計算出距離差△L后，就可通過求解雙曲線方程式，來獲得UE的位置坐標。

由于OTDOA測量對象是CPICH信道，因此在進行OTDOA定位時，無需像CELLID+RTT定位那樣先進入到CELL-DCH狀態(tài)；在利用多個基站進行定位時，UE在空閑狀態(tài)就可完成測量，因此很容易實現(xiàn)。

OTDOA定位有著比CELLID+RTT更高的精度，但需要至少3個基站才能進行定位；另外網(wǎng)絡側(cè)需要增加額外的設備（LMU），UE則需要軟件支持，因此增加了成本。

當UE距離基站較近時，由于接收機非線性而造成的遠近效應，有可能導致UE解調(diào)不出較遠基站的CPICH信號，影響到定位的效果。為了克服遠近效應的影響，引入了稱為IPDL的機制：基站在某個預定的隨機時刻，關(guān)閉所有信道的發(fā)射，以便讓UE能夠有效地測量相鄰基站的信號。IPDL空閑期的頻率是每100 ms（150個時隙）出現(xiàn)1個時隙。IPDL機制需要基站側(cè)與UE側(cè)同時支持。

3.AGPS定位原理

GPS的定位方法，就是通過接收GPS衛(wèi)星的信號和報文，測算終端到GPS衛(wèi)星的偽距（到達時間），最后計算出終端的三維坐標。其坐標方程式如下：

式中，（x，y，z）是待定位GPS終端的WGS84三維坐標，是方程中的未知數(shù)；為待定位GPS終端的本地時鐘與GPS衛(wèi)星時鐘的偏差，也是方程中的未知數(shù)；c為光速，是常數(shù)；（xi，yi，zi）為第i顆衛(wèi)星的WGS84三維坐標，是方程中的已知數(shù)；PRi為待定位GPS終端測量得到的第i顆衛(wèi)星的偽距，是方程中的已知數(shù)；C·ξi為第i顆GPS衛(wèi)星的偽距校正值，是方程中的已知數(shù)。

由于方程式中有4個變量（x，y，z，），因此在方程組中至少有4個方程式才能求解，換言之，至少需要4顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)精確定位。

AGPS定位的原理與普通GPS是一樣的，不同的是，AGPS定位是網(wǎng)絡輔助的，網(wǎng)絡負責收集GPS衛(wèi)星相關(guān)的信息，并在需要進行定位的情況下，將所獲得的GPS輔助數(shù)據(jù)，包括GPS參考時間、GPS衛(wèi)星ID、GPS捕獲輔助數(shù)據(jù)（多普勒頻移搜索窗、偽距搜索窗等）、GPS星歷以及參考小區(qū)的UTRAN GPS小區(qū)幀定時測量值等，下發(fā)給被定位UE。

應用網(wǎng)絡下發(fā)的GPS輔助數(shù)據(jù)，UE能夠更容易的搜索到GPS衛(wèi)星的信號，從而加快GPS偽距測量的時間、降低UE電源的消耗、以及提高UE的接收靈敏度。

位置坐標的計算可以在網(wǎng)絡側(cè)進行（稱為基于網(wǎng)絡的），也可以在UE側(cè)進行（稱為基于UE的）。顯然，基于UE的AGPS定位方法，對UE的要求更高。

AGPS（或GPS）是目前已知精度最高的定位方法。能夠滿足絕大多數(shù)位置業(yè)務的需要。但由于UE在硬件上要支持接收GPS衛(wèi)星信號，成本很昂貴，從而限制了AGPS定位的應用。另一個限制就是，在室內(nèi)和非開闊地帶，由于搜索不到足夠的衛(wèi)星信號，就無法實現(xiàn)AGPS定位。在這種情況下就需要使用混合定位的方法。

4.混合定位原理

AGPS和OTDOA雖然能實現(xiàn)較為精確的定位，但其應用場景也受到限制。

AGPS定位需要接收到4顆衛(wèi)星的信號；OTDOA定位則需要接收到3個基站的信號。當這些條件不能滿足時，就不能準確定位。這時就需要同時使用兩種以上的定位方法，稱為混合定位。

例如，UE在進行AGPS定位時，如果只搜索到3顆衛(wèi)星信號，則在其方程組里，只能獲得3個方程式，這樣是無法準確解出位置變量（x，y）的。但如果同時進行CELLID或OTDOA定位測量，獲得第4個方程式（圓或雙曲線），就能利用特定的優(yōu)化算法，解出位置變量。

又如，UE在進行OTDOA定位時，需要接收到至少3個基站的信號。如果只接收到2個基站的信號，那么就只能獲得一個雙曲線方程式。如果利用這2個基站分別進行CELLID+RTT定位測量，就可獲得1個或2個方程式。這樣就可以解出位置變量。

需要指出的是，在求解多次多元方程組時，都是應用優(yōu)化算法，因此解出的變量只是滿足一定條件（置信度）的最優(yōu)值，而非真實值。

四、總結(jié)

前面對WCDMA系統(tǒng)常用的定位方法進行了分析，包括CELL ID+RTT、OTDOA+IPDL、AGPS和混合定位。

CELL ID+RTT實現(xiàn)最為簡單，網(wǎng)絡側(cè)和UE側(cè)幾乎不做任何變化，而且只有一個基站時也能完成定位，但其精度是最低的，因此只能應用于對精度要求不高的位置業(yè)務，以及作為其它定位方法的補充。

AGPS定位精度最高，能滿足絕大多數(shù)位置業(yè)務的需求，但UE成本很高，因此其應用受到很大的限制。

要實現(xiàn)AGPS定位，至少需要搜索到4顆衛(wèi)星，因此只能應用于野外等開闊的環(huán)境，在非開闊地或室內(nèi)，就無法進行AGPS定位了。在這種情況下有兩種解決方案：在進行AGPS定位的同時，進行OTDOA（或CELLID+RTT）定位，這種方案稱為混合定位；不再進行AGPS定位，依次進行OTDOA定位和CELL ID+RTT定位嘗試，這種方案稱為自適應定位。

OTDOA同時具有定位精度高、終端成本低、響應時間快、可應用于室內(nèi)的優(yōu)點，成為WCDMA系統(tǒng)標準必選的定位方法，應用最為廣泛。為了解決UE接收機的遠近效應問題，引入了IPDL增強技術(shù)。

要實現(xiàn)OTDOA精確定位，至少需要接收到3個基站的信號，這是OTDOA定位的缺點。在基站數(shù)量少于3時，可以結(jié)合CELLID+RTT進行混合定位或直接改用CELLID+RTT進行定位。