淺析蜂窩定位技術(shù)及位置服務(wù)

李蕾，于華楠，姜元清



�おふ� 要：在著重分析了TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)及A�睪PS(Assistant�睪lobal Positioning System)定位技術(shù)的同時(shí)對(duì)其它幾種蜂窩定位技術(shù)的特點(diǎn)，并進(jìn)行了討論，進(jìn)一步闡述了基于蜂窩定位技術(shù)的位置服務(wù)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。


�りP(guān)鍵詞：定位技術(shù)；定位精度;位置服務(wù)



　　隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線蜂窩網(wǎng)的覆蓋面越來(lái)越廣，移動(dòng)電話普及率也越來(lái)越高，移動(dòng)電話發(fā)起的緊急呼叫數(shù)量在全部緊急呼叫中所占的比例也隨之上升。而現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)能為移動(dòng)用戶提供的輔助決策信息非常少，調(diào)查表明，約有25%的移動(dòng)用戶在發(fā)起緊急呼叫時(shí)不知道自己所處的確切位置，這對(duì)及時(shí)合理地處警帶來(lái)很多限制。因此，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定到2001年10月1日以前，各種無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須能對(duì)撥打911報(bào)警的移動(dòng)電話提供精度在125?m內(nèi)的定位服務(wù)，而且滿足此定位精度的概率應(yīng)不低于67%；并在2001年以后，提供更高的定位精度及三維位置信息。位置服務(wù)正是在這一發(fā)展機(jī)遇下，作為移動(dòng)通信網(wǎng)提供的一種增值業(yè)務(wù)而興起的。它通過(guò)一定的技術(shù)，得到用戶的位置信息，提供給該用戶本人或通信系統(tǒng)，或者提供給其它請(qǐng)求得到該用戶位置的機(jī)構(gòu)或個(gè)人。目前，它在緊急救援、汽車導(dǎo)航、智能交通、蜂窩系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著重要作用。��



1定位技術(shù)��


1.1基于電波傳播時(shí)間(TOA)的定位


　　如果移動(dòng)臺(tái)MS和基站BS處于可視的范圍內(nèi)，則其間的距離di為







　　其中c為光速，Δt為無(wú)線電信號(hào)在MS和BSi之間的傳播時(shí)延。當(dāng)MS至少與三個(gè)BS的傳播時(shí)延已知時(shí)，就可計(jì)算出MS的位置(見(jiàn)圖1)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)MS與BS間不處于直視范圍，則對(duì)MS位置的估計(jì)會(huì)產(chǎn)生誤差，即圖中的圓弧不能相交于一點(diǎn)。如此可采用MS位置與TOA圓弧間的距離為均方誤差最小的方法。如果有多于3個(gè)的TOA測(cè)量結(jié)果，則精度可以提高。��


1.2基于電波到達(dá)時(shí)差(TDOA)法��







　　本方法是基于收到不同基站BS的信號(hào)的時(shí)差。


　　如果MS收到相鄰BS1和BS2的信號(hào)的時(shí)間差為Δt，如果這時(shí)MS與BS處于可視范圍內(nèi)，則MS的位置在一條雙曲線上(見(jiàn)圖2)。


(d1-d2)=cΔt


　　其中d1為MS到BS1的距離，d2為MS到BS2的距離，c為光速，采用三個(gè)不同的基站可以測(cè)到兩個(gè)TDOA(到達(dá)時(shí)差)，移動(dòng)站位于兩個(gè)TDOA決定的雙曲線的交點(diǎn)上。與TOA法相似，TDOA法的定位方法可以采用移動(dòng)站MS到雙曲線距離均方誤差最小的算法，條件是有兩個(gè)以上的TDOA值可以用來(lái)計(jì)算。


　　TDOA法與TOA法比較優(yōu)點(diǎn)之一是：當(dāng)計(jì)算TDOA值時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)所有的基站是相同的且其和為零，這些誤差包括公共的多徑時(shí)延和同步誤差。��


1.3到達(dá)角度(AOA)法


　　該方法是假定基站可以測(cè)量出移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)到達(dá)基站的角度。如果移動(dòng)臺(tái)和基站處于視距范圍，則AOA方法可以采用，這時(shí)移動(dòng)臺(tái)位于兩個(gè)到達(dá)射線的交點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。實(shí)際上，與TOA法和TDOA法相似，采用AOA方法也會(huì)產(chǎn)生誤差，AOA的誤差范圍決定了移動(dòng)用戶定位誤差的大小。由于多徑傳播可使測(cè)量產(chǎn)生很大誤差，在市區(qū)采用AOA法定位，誤差尤為嚴(yán)重，這種定位方法要求基站配備能夠測(cè)量到達(dá)角大小的天線。


　　另外，還可采用到達(dá)角與到達(dá)時(shí)間相結(jié)合的定位法，即基站可以同時(shí)測(cè)量到用戶的AOA和TOA，則AOA的角度數(shù)值所指的直線與到達(dá)時(shí)間確定的圓周，兩者交點(diǎn)的位置就可用來(lái)確定用戶的位置。此法的主要優(yōu)點(diǎn)是基站與移動(dòng)用戶間只進(jìn)行一次測(cè)量。缺點(diǎn)與AOA法相同。



��


1.4網(wǎng)絡(luò)輔助GPS(A�睪PS)


　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美國(guó)于上世紀(jì)70年代出于軍事目的開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也是目前最為傳統(tǒng)的定位技術(shù)。GPS系統(tǒng)由三大部分組成：GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS接收機(jī)。GPS衛(wèi)星發(fā)給用戶有關(guān)衛(wèi)星本身座標(biāo)位置的數(shù)據(jù)，GPS接收機(jī)便可根據(jù)三顆衛(wèi)星發(fā)給的數(shù)據(jù)計(jì)算出自己的位置數(shù)據(jù)，對(duì)于移動(dòng)車輛，則需要第四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以配合計(jì)算出移動(dòng)車輛的移動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)方向。盡管GPS定位精度較高，在天空晴朗時(shí)，可以獲得5～40?m的精度。但直接在移動(dòng)終端或手機(jī)上安裝GPS接收機(jī)芯片不太適宜，因?yàn)椋?br>

　　(1)縮小GPS天線安裝到移動(dòng)終端或手機(jī)中是困難的；


　　(2)首次定位需要很長(zhǎng)時(shí)間，需要30?s到幾分鐘，這對(duì)類似E��911的緊急業(yè)務(wù)是不允許的；


　　(3)GPS的信號(hào)較弱，抗遮蔽性不好；


　　(4)GPS接收機(jī)為了接收到適當(dāng)?shù)男盘?hào)，功率消耗較大。


　　利用A�睪PS技術(shù)，可以很好地解決這些問(wèn)題。其基本原理是建立一GPS參考網(wǎng)絡(luò)，參考網(wǎng)絡(luò)中的接收機(jī)可以連續(xù)很好地接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)視各種衛(wèi)星信息。該參考網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相連，在定位時(shí)將監(jiān)測(cè)到的各種衛(wèi)星信息傳送給終端GPS接收機(jī)，以加快首次定位時(shí)間、減少搜索時(shí)間、提高接收靈敏度等。由于它在精度和響應(yīng)時(shí)間方面都占有優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用很廣泛。它除了要對(duì)MS改進(jìn)外，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)做任何改動(dòng)，只需在MS與特定的應(yīng)用中心之間建立數(shù)據(jù)鏈路，就可以進(jìn)行GPS定位信息與控制信息的傳送，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能。��


1.5COO(Cell of Origin)定位


　　該技術(shù)是根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)ID號(hào)來(lái)確定用戶的位置。移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)ID號(hào)是網(wǎng)絡(luò)中已有的信息，移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)存中就會(huì)將該移動(dòng)臺(tái)與該小區(qū)ID號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)。可見(jiàn)COO定位無(wú)須網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)臺(tái)做任何調(diào)整，可以為現(xiàn)有的無(wú)線用戶提供粗定位，定位精度取決小區(qū)半徑。在城市商業(yè)區(qū)，由于常采用多層小區(qū)結(jié)構(gòu)，定位精度可以達(dá)到50m甚至更小，故COO定位基本能夠滿足要求。美國(guó)E��911無(wú)線定位呼叫的第一階段采用的就是COO定位技術(shù)。��


1.6七號(hào)信令定位


　　該技術(shù)以信令監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿?dòng)通信網(wǎng)中特定的信令過(guò)程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過(guò)程進(jìn)行過(guò)濾和分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定用戶的個(gè)性化服務(wù)。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)對(duì)信令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可定位到一個(gè)小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故適用對(duì)定位精確度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問(wèn)候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)服務(wù)、平安報(bào)信和貨物跟蹤等。目前，國(guó)內(nèi)各省和地區(qū)移動(dòng)公司的短信歡迎系統(tǒng)采用的就是此種技術(shù)。��


2位置服務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題��


2.1定位技術(shù)的選擇


　　總體上，蜂窩系統(tǒng)中的定位技術(shù)有多種，根據(jù)定位參數(shù)測(cè)量和定位計(jì)算在何設(shè)備進(jìn)行而分為基于終端的定位技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的方式以及兩者的混合方式。由此涉及如何選擇定位技術(shù)問(wèn)題。


　　如采用基于終端的定位技術(shù)(如A�睪PS),因定位功能位于終端或SIM(用戶識(shí)別模塊)卡中，用戶想要享受基于位置的業(yè)務(wù)需要更換手持終端或SIM卡。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，全網(wǎng)內(nèi)所有用戶更換終端或SIM卡的周期大約為4年到5年。


　　如采用基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)(如TOA、TDOA、AOA)，因定位功能位于網(wǎng)絡(luò)端，由網(wǎng)絡(luò)本身采集移動(dòng)終端各種參數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算，則不需要移動(dòng)用戶更換手機(jī)或SIM卡或改動(dòng)較小，在全網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)100%的業(yè)務(wù)覆蓋的時(shí)間較短。


　　而采用混合定位技術(shù)，即綜合上述定位技術(shù)中的兩種或多種方法在一個(gè)系統(tǒng)中。如綜合AOA和TDOA，因充分利用了信號(hào)的到達(dá)角和到達(dá)基站的時(shí)間差，因此具有較高的準(zhǔn)確度。��


2.2地理位置信息庫(kù)(GIS)


　　如何在200～500?m的范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確和有價(jià)值的信息是位置服務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題。這就要求有強(qiáng)大的、準(zhǔn)確的和內(nèi)容豐富的面向用戶的城市GIS地理位置信息庫(kù)做支持。��


2.3漫游問(wèn)題


　　位置服務(wù)的重要特征就是空間的變換，只有變換了空間，才會(huì)有強(qiáng)烈的查詢陌生位置信息的要求。因此查詢位置信息主要面向的用戶肯定是非本地區(qū)的用戶。解決漫游問(wèn)題，使用全網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使漫游用戶使用這項(xiàng)業(yè)務(wù)就像打電話一樣方便是推廣位置服務(wù)的關(guān)鍵。這就要求在全國(guó)范圍內(nèi)建立一套完整的定位業(yè)務(wù)平臺(tái)，以提供及時(shí)的全國(guó)性的位置信息。��


2.4其它問(wèn)題


　　在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，非視距(NLOS)傳播、多徑效應(yīng)和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無(wú)線定位研究的關(guān)鍵。再者用戶的隱私權(quán)也是用戶非常關(guān)心的問(wèn)題，因此在開(kāi)展定位服務(wù)業(yè)務(wù)時(shí)應(yīng)能確保用戶在移動(dòng)終端上通過(guò)設(shè)置，對(duì)自己的位置信息是否開(kāi)放進(jìn)行選擇，而不應(yīng)由SP或移動(dòng)公司的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。��


3位置服務(wù)業(yè)務(wù)


　　隨著蜂窩移動(dòng)電話定位技術(shù)的發(fā)展，為用戶提供了更多、更有益的業(yè)務(wù)，同時(shí)也為移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)辟了廣大的市場(chǎng)，創(chuàng)造了無(wú)限的商機(jī)。位置服務(wù)，已經(jīng)成為一種新的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。其業(yè)務(wù)主要包括以下幾個(gè)方面：��


3.1應(yīng)急救援系統(tǒng)


　　用戶在不知道自己位置的情況下，只要其手機(jī)支持位置服務(wù)，用戶在撥打救援中心的電話(如中國(guó)的110、美國(guó)的911、日本的411電話)后，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就會(huì)在將該緊急呼叫發(fā)送到救援中心的同時(shí)，啟動(dòng)支持位置服務(wù)的網(wǎng)元，得到用戶的具體位置，將該位置信息和用戶的評(píng)閱信息一并傳送給救援中心。救援中心接到呼叫后，根據(jù)得到的位置信息，就能快速、高效地開(kāi)展救援行動(dòng)，大大提高了救援的成功率。��


3.2移動(dòng)終端防盜打管理


　　移動(dòng)電話的盜打，即盜取合法移動(dòng)電話的特殊識(shí)別號(hào)碼復(fù)制移動(dòng)電話可以享有與合法移動(dòng)電話同樣的使用權(quán)利。據(jù)估計(jì)，世界電信運(yùn)營(yíng)部門每年由于移動(dòng)電話盜打造成的收入流失和防止移動(dòng)電話盜打所付出的開(kāi)支高達(dá)數(shù)十億美元。采用移動(dòng)電話定位技術(shù)可以有效的監(jiān)測(cè)和制止盜打。電信運(yùn)營(yíng)部門在發(fā)現(xiàn)盜打號(hào)碼后，可以不必禁止移動(dòng)電話使用，而利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自己記錄盜打的準(zhǔn)確時(shí)間和地點(diǎn)。為司法機(jī)關(guān)破案提供有力的證據(jù)。��


3.3信息查詢業(yè)務(wù)


　　用戶可以利用互聯(lián)網(wǎng)的黃頁(yè)查詢功能查詢自己所在區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)信息。包括附近有哪些飯店、商場(chǎng)、天氣情況、附近各公司的電話號(hào)碼、所在位置等等。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)首先定位出用戶所處的位置，然后再在互聯(lián)網(wǎng)提供的信息中節(jié)選出用戶所在地的相關(guān)信息供用戶查詢。這種移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與位置服務(wù)相結(jié)合的應(yīng)用，大大充實(shí)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)內(nèi)涵，讓人們更真實(shí)地感受到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的全新生活。


3.4車輛導(dǎo)航和智能交通系統(tǒng)


　　移動(dòng)通信網(wǎng)提供的位置服務(wù)能滿足山區(qū)和城市商業(yè)區(qū)的車輛導(dǎo)航和跟蹤，只要為每一輛或每一列需要導(dǎo)航的汽車或列車安裝一個(gè)移動(dòng)車載臺(tái)，并提供較好的基站覆蓋。結(jié)合電子地圖技術(shù)，將很容易實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)定位、調(diào)度和管理、監(jiān)測(cè)交通事故和疏導(dǎo)交通等功能。


3.5其它業(yè)務(wù)


　　大宗貨物的存放和管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、地圖業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程通訊處理、基于位置的靈活計(jì)費(fèi)等等業(yè)務(wù)也是位置服務(wù)包括的內(nèi)容。��


4結(jié)束語(yǔ)


　　綜上所述，隨著對(duì)應(yīng)位置服務(wù)的需求增加，位置服務(wù)的開(kāi)發(fā)和推廣越來(lái)越受到人們的重視�；�于蜂窩系統(tǒng)的無(wú)線定位技術(shù)在理論和實(shí)踐中取得較大進(jìn)展，但仍面臨著很多新的問(wèn)題。尤其在即將商用化的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)高精度的定位，并將定位業(yè)務(wù)集成到網(wǎng)絡(luò)中，已成為發(fā)展位置服務(wù)的一個(gè)嶄新課題。��



摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)