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(jìn)行了分析，包括CELLID及其增強(qiáng)技術(shù)RTT（Round Trip Time，往返時(shí)間），OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達(dá)時(shí)間差）及其增強(qiáng)技術(shù)IPDL（Idle Period Downlink），AGPS和混合定位。

一、前言

移動(dòng)通信領(lǐng)域是近年來競爭最激烈的行業(yè)之一。運(yùn)營商越來越需要差異性的業(yè)務(wù)來提高競爭力，LCS業(yè)務(wù)（LoCation Services，位置業(yè)務(wù)）是被普遍看好的一種移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。目前2G系統(tǒng)中已經(jīng)可以提供簡單的基于位置的服務(wù)，隨著我國3G牌照的即將發(fā)放，3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和商用進(jìn)程的日益臨近，位置業(yè)務(wù)將可以依托3G網(wǎng)絡(luò)的寬帶、高速的特性，變得更加豐富多彩。3G網(wǎng)絡(luò)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(dòng)增值業(yè)務(wù)，如移動(dòng)定位業(yè)務(wù)。在WCDMA系統(tǒng)中，就有四種主要技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位，即基于CELLID（小區(qū)識(shí)別）的定位技術(shù)、OTDOA（Observed Time Difference of Ar-rival）定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)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(wù)及實(shí)現(xiàn)方法。

二、位置業(yè)務(wù)

位置業(yè)務(wù)是指利用定位技術(shù)確定移動(dòng)終端的位置，并據(jù)此提供各種基于位置相關(guān)應(yīng)用的業(yè)務(wù)。常見的位置業(yè)務(wù)有：導(dǎo)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(wù)點(diǎn)）、基于位置的計(jì)費(fèi)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(wù)；在3G系統(tǒng)中，由于3G網(wǎng)絡(luò)提供寬帶、高速分組業(yè)務(wù)以及CDMA系統(tǒng)特有的測距碼精確等特性，位置業(yè)務(wù)得到了更為廣泛的應(yīng)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(dòng)終端到位置已知的參照物的距離，再根據(jù)一定的算法，計(jì)算出它的位置坐標(biāo)。在這里，位置坐標(biāo)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(luò)側(cè)進(jìn)行計(jì)算（稱為基于網(wǎng)絡(luò)的），UE只提供測量數(shù)據(jù)；也可以在UE側(cè)進(jìn)行計(jì)算（稱為基于UE的）。

由于無線信號(hào)以恒定的速率（光速c）傳播，其傳播距離L=c·t，因此在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，實(shí)際上是通過對傳播時(shí)間的測量來實(shí)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(shí)間）；

（2）OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達(dá)時(shí)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(qiáng)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(wù)的需求。因此，雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但實(shí)際上應(yīng)用不多。

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

OTDOA技術(shù)由于其精度適中（可滿足大多數(shù)業(yè)務(wù)的需求）、響應(yīng)時(shí)間快、終端成本不高（只需軟件支持），成為WCDMA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算的情況下，結(jié)合其它方法進(jìn)行測量和計(jì)算。

表1對各種定位方法進(jìn)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(yīng)時(shí)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(dòng)終端（UE）在登記、位置更新及呼叫建立時(shí)，都會(huì)通過“RRC連接請求”消息上報(bào)所在的CELL ID，因此基于CELL ID的定位方法最為簡單，網(wǎng)絡(luò)和UE都不需作改動(dòng)；此時(shí)UE的位置，就被認(rèn)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(qiáng)技術(shù)。

在Node B側(cè)，對信號(hào)幀進(jìn)行RTT測量，即計(jì)算接收（Rx）和發(fā)射（Tx）的時(shí)間差。在UE側(cè)，對信號(hào)幀的收發(fā)時(shí)間差（UE RxTx time difference）進(jìn)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(jì)算出距離L：

L=（RTT-UE RxTx time difference）c/2

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)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(gè)基站進(jìn)行RTT定位，那么就能進(jìn)一步縮小定位誤差。例如，對如圖1所示的3個(gè)基站分別進(jìn)行RTT定位，計(jì)算出UE到各基站的距離L1、L2、L3，則UE就處于三個(gè)圓的交匯處。誤差就大大縮小了。

圖1　3個(gè)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(shí)對多個(gè)基站進(jìn)行測量，UE就必須處于切換狀態(tài)。例如，要對3個(gè)基站進(jìn)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(jìn)行類型2的收發(fā)時(shí)間差測量，如果UE不支持Type2的測量，則進(jìn)行Typel的測量，這也會(huì)影響到定位精度。

2.OTDOA+IPDL定位原理

OTDOA通過測量UE到兩個(gè)基站的無線信號(hào)傳播時(shí)間差（DTOA，Time Difference Of Arrival），來計(jì)算移動(dòng)終端到兩個(gè)基站的距離差。

從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，UE的運(yùn)動(dòng)軌跡，就是以這兩個(gè)基站為焦點(diǎn)、以其距離差為定差的雙曲線。要實(shí)現(xiàn)精確定位，還必須對另外兩個(gè)基站進(jìn)行相同的測量與計(jì)算，獲得另外一條雙曲線。這兩條雙曲線的交點(diǎn)就是UE的位置。因此要實(shí)現(xiàn)OTDOA定位，至少需要3個(gè)基站，如圖2所示。

圖2　3個(gè)基站實(shí)現(xiàn)OTDOA定位示意圖

DTOA值由UE通過測量不同基站的兩個(gè)小區(qū)的CPICH信號(hào)到達(dá)的時(shí)間而獲得。但與cdma2000不同，WCDMA系統(tǒng)是異步的，各基站時(shí)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(shí)間差進(jìn)行修正，使得

△L=c·ODTOA

假設(shè)移動(dòng)臺(tái)到Cell1（Node B1）、Cell2（Node B2）的距離分別為L1和L2。假定Cell1的CPICH信號(hào)最先到達(dá)移動(dòng)終端，則Cell1、Cell2和UE發(fā)射/接收CPICH的時(shí)刻如圖3所示。

圖3　Cell1、Cell2和UE發(fā)射/校收CPICH時(shí)刻

由上圖可見，Cell1的CPICH信號(hào)到達(dá)UE的時(shí)刻t1相對于SFN1延遲L1/c，即t1=SFN1+L1/c；Cell2的CPICH信號(hào)到達(dá)UE的時(shí)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(dá)時(shí)間差：

TDOA=t2-t1=（SFN2-SFN1）+（L2-L1）/c

設(shè)△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(shí)間差，由專門的設(shè)備LMU（定位測量單元）進(jìn)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(jì)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(biāo)。

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

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

當(dāng)UE距離基站較近時(shí)，由于接收機(jī)非線性而造成的遠(yuǎn)近效應(yīng)，有可能導(dǎo)致UE解調(diào)不出較遠(yuǎn)基站的CPICH信號(hào)，影響到定位的效果。為了克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響，引入了稱為IPDL的機(jī)制：基站在某個(gè)預(yù)定的隨機(jī)時(shí)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(hào)。IPDL空閑期的頻率是每100 ms（150個(gè)時(shí)隙）出現(xiàn)1個(gè)時(shí)隙。IPDL機(jī)制需要基站側(cè)與UE側(cè)同時(shí)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(hào)和報(bào)文，測算終端到GPS衛(wèi)星的偽距（到達(dá)時(shí)間），最后計(jì)算出終端的三維坐標(biāo)。其坐標(biāo)方程式如下：

式中，（x，y，z）是待定位GPS終端的WGS84三維坐標(biāo)，是方程中的未知數(shù)；為待定位GPS終端的本地時(shí)鐘與GPS衛(wèi)星時(shí)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(biāo)，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(gè)變量（x，y，z，），因此在方程組中至少有4個(gè)方程式才能求解，換言之，至少需要4顆衛(wèi)星才能實(shí)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(luò)輔助的，網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)收集GPS衛(wèi)星相關(guān)的信息，并在需要進(jìn)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(shí)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(shí)測量值等，下發(fā)給被定位UE。

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)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(hào)，從而加快GPS偽距測量的時(shí)間、降低UE電源的消耗、以及提高UE的接收靈敏度。

位置坐標(biāo)的計(jì)算可以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行（稱為基于網(wǎng)絡(luò)的），也可以在UE側(cè)進(jìn)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(wù)的需要。但由于UE在硬件上要支持接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，成本很昂貴，從而限制了AGPS定位的應(yīng)用。另一個(gè)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(hào)，就無法實(shí)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(shí)現(xiàn)較為精確的定位，但其應(yīng)用場景也受到限制。

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

例如，UE在進(jìn)行AGPS定位時(shí)，如果只搜索到3顆衛(wèi)星信號(hào)，則在其方程組里，只能獲得3個(gè)方程式，這樣是無法準(zhǔn)確解出位置變量（x，y）的。但如果同時(shí)進(jìn)行CELLID或OTDOA定位測量，獲得第4個(gè)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(jìn)行OTDOA定位時(shí)，需要接收到至少3個(gè)基站的信號(hào)。如果只接收到2個(gè)基站的信號(hào)，那么就只能獲得一個(gè)雙曲線方程式。如果利用這2個(gè)基站分別進(jìn)行CELLID+RTT定位測量，就可獲得1個(gè)或2個(gè)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(shí)，都是應(yīng)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(shí)值。

四、總結(jié)

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

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

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

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

OTDOA同時(shí)具有定位精度高、終端成本低、響應(yīng)時(shí)間快、可應(yīng)用于室內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)，成為WCDMA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)必選的定位方法，應(yīng)用最為廣泛。為了解決UE接收機(jī)的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，引入了IPDL增強(qiáng)技術(shù)。

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