蜂窩系統(tǒng)移動定位技術(shù)及解決方案

熊瑾煜 王巍 朱中梁



1移動定位技術(shù)的發(fā)展及應用


　　無線電定位技術(shù)的起源可以追溯到上世紀初，第二次世界大戰(zhàn)的軍事需求和80年代末開始推廣的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)分別推動了該項技術(shù)在軍事和民用領域的發(fā)展。GPS和LORAN C系統(tǒng)是典型的定位系統(tǒng)，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(shù)快速民用化及蜂窩網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展，國外早已開始研究蜂窩移動通信系統(tǒng)定位技術(shù)。1996年，美國FCC制定的E911規(guī)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(shù)的進步及基于無線電定位技術(shù)的位置服務(LCS)在全球的發(fā)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(tǒng)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(wǎng)中為個人和企業(yè)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(quán)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(lián)通國脈與日本著名的位置服務內(nèi)容解決方案提供商Navitime簽定合作協(xié)議，共同開發(fā)基于cdma2000 1x的位置服務。



2移動定位技術(shù)


　　采用適當?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實現(xiàn)位置服務的必要前提，根據(jù)不同的劃分準則，蜂窩網(wǎng)絡定位技術(shù)有以下幾種分類方法：


　　(1)根據(jù)定位系統(tǒng)所處的空間位置不同，可分為空基定位系統(tǒng)(GPS)、地基定位系統(tǒng)及混合定位系統(tǒng)三種。GPS系統(tǒng)以高精度、全天候等特點在全球廣泛應用，在車輛調(diào)度管理中發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的廣域無線電測向定位系統(tǒng)屬于地基定位系統(tǒng)。A-GPS系統(tǒng)是GPS與蜂窩網(wǎng)絡結(jié)合的產(chǎn)物，定位精度高，克服了GPS在建筑物內(nèi)和市區(qū)存在盲區(qū)的缺點，是未來蜂窩定位技術(shù)標準最有力的競爭者。


　　(2)根據(jù)定位參數(shù)測量位置不同，可分為基于網(wǎng)絡的定位及基于終端的定位兩種�；�于小區(qū)標識的CELL_ID技術(shù)已經(jīng)成熟應用。到達時間差(TDOA)與CDMA系統(tǒng)相結(jié)合能提供50m以內(nèi)的定位，是當前發(fā)展最迅速的定位技術(shù)。增強觀測時間定位技術(shù)(E-OTD)是目前GSM系統(tǒng)中最有發(fā)展?jié)摿Φ幕�于終端的蜂窩定位技術(shù)，但采用該技術(shù)需要改變終端的軟硬結(jié)構(gòu)，因此目前還沒有廣泛應用。


　　(3)根據(jù)定位所用參數(shù)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(shù)定位法等。


2.1 CELL_ID技術(shù)


　　定位系統(tǒng)根據(jù)用戶在網(wǎng)絡內(nèi)所處的小區(qū)或基站，標識終端位置。終端有可能在小區(qū)內(nèi)的任何位置，因此定位精度完全取決于小區(qū)的大小。目前國內(nèi)GSM網(wǎng)基站密度很大，CELL_ID小區(qū)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(qū)和農(nóng)村地區(qū)的小區(qū)半徑遠大于城區(qū)的小區(qū)半徑，因此城區(qū)CELL_ID的定位精度要遠遠高于郊區(qū)和農(nóng)村。CDMA系統(tǒng)不需要設置密集的基站，市內(nèi)小區(qū)半徑一般在1-2km左右，此時CELL_ID的精度不會優(yōu)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(xiàn)了一些改進技術(shù)，如CELL_ID+SECTOR-ID、CELL_ID+TA及CELL_ID+RTT技術(shù)，雖然這些技術(shù)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(shù)是實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)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(wǎng)絡資源少，實施方便，響應時間短，可用于所有蜂窩網(wǎng)絡，并得到GSM/GPRS/WCDMA/cdma2000等各種技術(shù)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(xiàn)初始定位。


2.2 TDOA、EOTD、OTDOA和E-FLT技術(shù)


　　TDOA技術(shù)最早應用于雷達系統(tǒng)，現(xiàn)在GPS定位系統(tǒng)也采用該技術(shù)。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(shù)可應用于各種移動通信系統(tǒng)(AMPS、GSM、寬帶和窄帶CDMA中)，尤其適用于CDMA系統(tǒng)，CDMA系統(tǒng)用擴頻方式將信號頻譜擴展到很寬的范圍，使系統(tǒng)具有較強的抗多徑能力。CDMA屬非功率敏感系統(tǒng)，信號衰減對時間測量的精度影響較小。


　　TDOA由網(wǎng)絡設備測量定位參數(shù)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(shù)由終端測量定位參數(shù)，再送回網(wǎng)絡完成定位計算，目前E-FLT僅支持CDMA體制的蜂窩系統(tǒng)。E-OTD和OTDOA由終端完成時間差參數(shù)測量，根據(jù)需要由終端或網(wǎng)絡完成定位計算，前者是針對GSM/GPRS系統(tǒng)開發(fā)的特定定位技術(shù)，后者只能用于WCDMA系統(tǒng)。


　　這四種定位技術(shù)都利于時間差參數(shù)確定位置，數(shù)字模型相同，定位精度都受系統(tǒng)定時精度的影響。無論基于終端還是基于網(wǎng)絡，基站之間都必須嚴格同步，確保系統(tǒng)本身的定時誤差不會給定位結(jié)果造成明顯影響。IS-95 CDMA和cdma2000屬于同步系統(tǒng)，通過GPS實現(xiàn)全網(wǎng)同步，能保證基站的定時精度。GSM/GPRS和WCDMA屬于異步網(wǎng)絡，必須在每個基站增加高精度和高穩(wěn)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(xiàn)時鐘統(tǒng)一。另外，在CDMA系統(tǒng)中，通過時差實現(xiàn)定位的系統(tǒng)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。


2.3 A-GPS技術(shù)


　　GPS技術(shù)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(nèi)得到廣泛應用。使用GPS設備的重要前提之一是接受機與衛(wèi)星之間有直射路徑，這又使GPS在建筑物密集的城區(qū)及建筑物內(nèi)部存在信號接受盲區(qū)。新推出的A-GPS技術(shù)融合了GPS高精度定位與蜂窩網(wǎng)高度密集覆蓋的特性，即保證了在城市范圍內(nèi)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(wǎng)絡的空中接口使終端獲得衛(wèi)星的有效參數(shù)。另外，A-GPS的響應時間明顯快于傳統(tǒng)的GPS。GPS定位的初始捕獲時間較長，通常為30s-15min，這取決于衛(wèi)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(shù)系統(tǒng)的兼容性很強，若在網(wǎng)絡中增加GPS功能模塊，即可實現(xiàn)基本的定位功能。定位過程的實現(xiàn)與空中接口標準沒有必然聯(lián)系，因此GPS定位技術(shù)能方便快捷地為所有蜂窩網(wǎng)絡提供定位服務。高通公司已研制開發(fā)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(tǒng)中。隨著芯片制造技術(shù)的進步、GPS系統(tǒng)本身定位精度提高及成本降低，A-GPS最終將取代各種傳統(tǒng)無線定位技術(shù)，成為蜂窩移動通信系統(tǒng)提供定位服務的主要技術(shù)手段。


2.4 FingerPrint(FPT)技術(shù)


　　FPT又稱射頻信號模式匹配(RF pattern match)，是美國無線公司(US Wireless)開發(fā)的專利技術(shù)，已成功用于RadioCamera系統(tǒng)中。由于多徑干擾的模式完全取決于反射環(huán)境，所以特定地區(qū)的干擾模式具有自己的特征。終端發(fā)射的無線電波經(jīng)建筑物和其它障礙物的反射和折射，產(chǎn)生與周圍環(huán)境密切相關的特定模式多徑信號。基站天線陣列檢測信號的幅度和相位特性，提取多徑干擾特征參數(shù)，將該參數(shù)與預先存儲在數(shù)據(jù)庫中的模式進行匹配，找出最相似的結(jié)果，然后結(jié)合地理信息系統(tǒng)，找出與該模式相匹配的地區(qū)范圍，以街道和城區(qū)的圖形化形式輸出定位結(jié)果。FPT技術(shù)基本不受非視距傳輸效應(NLOS)影響，系統(tǒng)獨立性強，結(jié)構(gòu)簡單。但FPT技術(shù)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(tǒng)投入實際使用前，必須建立龐大完整的位置指紋數(shù)據(jù)庫，詳細記錄城市每個可分辯最小區(qū)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(shù)尚處于試運行階段，沒有大規(guī)模應用。


2.5 到達角交匯定位(AOA)技術(shù)


　　該技術(shù)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(fā)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(shù)的定位體制相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)、城區(qū)及鄉(xiāng)村地區(qū)，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(tǒng)誤差造成，可通過預先校正來抵消系統(tǒng)誤差的影響，而建筑物密集地區(qū)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(xiàn)復雜和設備成本的問題，尚未廣泛應用。因此，AOA技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是在城市蜂窩定位系統(tǒng)中并未得到應用。



3 移動定位解決方案


　　要在蜂窩網(wǎng)建立能提供位置服務的全套定位系統(tǒng)，不僅需要可獲取用戶位置信息的定位技術(shù)，還需要包括實現(xiàn)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(shù)的基礎上，是能開展定位增值業(yè)務的一整套軟硬件系統(tǒng)，主要功能模塊包括：(1)位置獲取和確定單元：GSM規(guī)范中稱為移動定位中心(SMLC)，CDMA規(guī)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(shù)并計算定位結(jié)果；(2)位置信息傳輸和接口單元：GSM規(guī)范中稱為移動定位中心網(wǎng)關(GMLC),CDMA規(guī)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(shù)據(jù)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(LCS Clients)，主要與GMLC或MPC連接，提供基于位置信息的各種服務；(4)業(yè)務承載平臺:例如地理信息系統(tǒng)集成，定位結(jié)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(tǒng)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(tǒng)的升級能力，包括核心網(wǎng)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(shù)的支持能力、定位精度及定位響應時間；(4)與現(xiàn)有業(yè)務平臺的集成能力；(5)系統(tǒng)對未來業(yè)務的適應能力；(6)系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)的復雜度；(7)系統(tǒng)成本；(8)對網(wǎng)絡負載的影響。


　　目前市場上主要的定位系統(tǒng)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(jīng)驗、強大的系統(tǒng)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(tǒng)MPS及西門子公司位置服務平臺LR2.0。



4 結(jié)論


　　蜂窩網(wǎng)絡基礎設施的完善、移動終端功能的增強、互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)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?nèi)藗兊纳�活方式和消費習慣。作為未來移動數(shù)據(jù)的主要應用之一，基于位置信息的移動數(shù)據(jù)應用因能提供個性化服務，在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，各種定位技術(shù)和定位解決方案不斷涌現(xiàn)，但移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的復雜性、多種空中接口標準并存的現(xiàn)狀及無線電波傳播環(huán)境的復雜性都增加了實現(xiàn)高精度定位的難度。目前，各種定位技術(shù)都有不足，如何尋找精度更高、對網(wǎng)絡和終端影響最小的定位技術(shù)仍是蜂窩定位研究領域的重要課題。




摘自《電信快報》