蜂窝移动电话定位技术与应用

　　随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖面越来越广，移动电话／移动台(MS)普及率也越来越高，移动电话发起的紧急呼叫数量在全部紧急呼叫中所占的比例也随之上升。现有的蜂窝网能为移动电话紧急呼叫提供的辅助决策信息非常少，调查表明，约有25%的移动用户在发起紧急呼叫时不知道所处的确切位置，这对极时合理的处警带来很多限制。因此，美国FCC要求在2001年10月1日之前，移动通信网要能为发起紧急呼叫的移动用户提供准确的定位信息。

　　蜂窝移动电话定位技术分类、原理和特点

　　根据进行定位计算并获得定位结果的位置以及在何处应用该定位结果，可以将蜂窝电话定位系统分为：自主定位系统、远程定位系统、间接自主定位系统和间接远程定位系统。在自主定位系统中，MS可以接收周围基站(BTS)的信息并进行适当的信号参数测量，并利用这些测量值算出MS的位置。在远程定位系统中，MS发出的信号被一个或多个接收机接收、测量，测量值被送往定位中心(LC)进行运算求出该MS的定位值，这些定位信息可以在LC应用，也可以传给其它系统应用，如计算机辅助调度决策系统等。在实际应用中，经常需要将主定位信息传给远端的应用中心(称作间接远程定位)或将远程定位中心算出的定位数据传给有关的MS(间接自主定位)应用，这就是所谓的间接定位。

　　定位系统可以利用信号强度(SS)、载波相位(CP)、信号到达角度(AOA)和时间测量值(包括信号到达时间TOA、信号到达时间差TDOA)以及它们的组合进行定位估算。每个参数测量值可以确定目标所在的一条轨迹，多个测量值可以确定目标所处的多条轨迹，通过求解轨迹交点便可以确定移动目标的位置。在某些情况下(如无法获得足够多的参数测量值)，轨迹交点可能并非唯一，即出现定位点的模糊性(如TOA或TDOA二维定位，两轨迹相交时可能有2个交点，如图1(a)、(b)，可以通过一系列方法加以解决。例如利用与移动目标运动轨迹连续性有关的先验信息或者额外的测量值(如SS、AOA、TOA、TDOA)来确定真实的定位点，更多的测量值将有助于提高定位精度和可靠性。

　　在一个具体的蜂窝定位系统中可以采用同类型的测量值或不同类型的测量值来确定MS所处的不同轨迹，求解其交点进行定位。如图1(a)、(b)、(c)分别是利用多个TOA、TDOA、AOA测量值进行定位的同类测量值定位方法。TOA测量要求MS的发射与所有BTS的接收精确同步(1μs的定位误差将导致300m的定位误差)，并且在其发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离。TDOA测量的是MS发射的信号到达不同BTS的传播时间差而不是确切的传播时间，因此不需要MS与BTS间的精确同步，也不需要在其发射信号中加上发射时间标记，即不需增加上行链路的数据量。所以对于公用蜂窝网MS的准确定位而言，进行TDOA测量更具有实际意义。AOA定位只需要2个BTS进行AOA测量便可唯一确定一个二维定位点，不存在定位点的模糊性，但需要更换所有的BTS天线。不同类测量值定位的典型例子是利用AOA与TOA或TDOA组合进行定位。
蜂窝电话定位系统的实现方案

　　蜂窝电话定位系统的实现方案可以有三种：基于MS、基于网络和混合方式的定位系统。它们各有特点，请见表1。

表1　基于MS、基于网络和混合方式的定位系统比较

	基于MS	基于网络	混合方式
系统要求	同步	同步、LC(置于MSC)、定位接收器(改进的BTS)	同步、LC
定位现有MS	不可以	可以	不可以
参数测量位置	MS	定位接收器(BTS)	MS
自主定位	可以	通过SMS间接定位	通过SMS间接定位
远程定位	通过SMS间接定位	可以	可以
同时定位 的容量	无限制(与蜂窝网MS容量同)	取决于蜂窝网的数据传输能力和LC的信息处理能力	较大，主要决定于从MS采集TOA测量值的能力
连续定位	可以	可以，但有很大局限性	可以，但对定位容量有影响
对跳频和功率控制的敏感性	不敏感	敏感	不敏感
附加于蜂窝网的数据信息量	少	多	多

　　基于MS的定位系统属于自主定位系统，有两类：一是将GPS或GLONASS接收机集成于MS中。其最大优点是系统实现简单，除了要对MS改进外，无需对现有的蜂窝网做任何改动，只需在MS与特定的应用中心之间建立数据链路(如SMS)，就可以进行GPS／GLONASS定位信息与控制信息的传送，实现各种应用功能。另一类是MS接收不同BTS的信号，通过测量TDOA进行运算定位。这种系统要求对现有蜂窝网作必要的改进，除了要在MS中采用抗多径算法和定位算法来精确测量TDOA之外，还应在网络同步方面采取适当措施，如通过发射设备广播GSP时间并在每个BTS中进行校时接收，也可以用专门的接收机监测不同BTS间的时钟差并通过数据链路(如短消息业务SMS)传给MS。可以用于TDOA测量的最简单的逻辑信道是广播控制信道BCCH，因其突发不受跳频和功率控制的影响并且重复频度也比同步信道SCH要高。另外，可以通过SMS将MS的定位数据传往远端的应用中心，构成间接远程定位系统。

基于网络的蜂窝电话定位方案

　　基于网络的定位系统属于远程定位系统，是由不同的BTS接收MS发射的信号，进行参数测量，实现对MS的定位，如图2(c)。实际的实现方案有两种。一种是在BTS中增加定位接收单元处理来自MS的给定频道的业务信道TCH中的突发信息，以进行TOA测量并送往定位中心LC(可以设于MSC)，计算TDOA值、求解定位点。要进行精确的TDOA测量和定位，基站网络必须同步或者各BTS间的时钟差在LC中已知(这可以通过多种方法做到)。另外，有些蜂窝网的TCH具有跳频和功率控制功能，BTS中的定位接收单元要能够适应。

　　另一种实现方案是利用现有GSM系统中用于移动用户突发定时控制的时隙超前信息。只要对给定的MS实施两次强制切换就可以得到三个时隙超前量，从而为该MS的定位提供足够的信息，更多的切换有利于提高定位精度。基于网络的定位系统的突出优点是无需对现有的MS进行任何改进而只需在BTS和MSC中增加有关定位的硬件和软件功能便可提供有关MS定位的诸多服务，因而对开发现有蜂窝网的定位服务功能更具有吸引力。

　　混合方式蜂窝定位系统方案

　　混合方式定位系统是上述两种系统结构的组合。一种解决方案是在MS中增加TOA测量功能对来自不同BTS的突发进行TOA测量，并将其送往LC(可利用SMS)，LC利用MS送来的不同的TOA值产生TDOA通过定位算法求得MS的定位值。MS可以利用广播控制信道BCCH或同步信道SCH进行TOA测量，它们都不受跳频和功率控制因素的影响。

　　蜂窝移动电话定位系统的应用

　　蜂窝移动通信网的覆盖面和用户量都已具有相当的规模，并正在快速增长。除了提供现有的各种移动通信业务外，还可以充分利用现有蜂窝网资源为移动用户和有关的社会安全、公众服务及商业运营部门等提供关于MS定位的增值服务。

紧急呼叫定位服务

　　移动用户的流动性使得很多情况下用户对周围环境并不熟悉，因此紧急呼叫时很难准确描述其所处的地理位置，这对处警十分不利甚至贻误时机。如果移动用户发出紧急呼叫(如110、119、120、122等)的同时，能自动地将MS的确切定位值提供给有关部门，并与GIS及其它的调度管理应用系统配合构成高度智能化的计算机辅助决策(CAD)系统，将为快速、准确、科学合理地接警处警打下坚实的基础，极大地提高社会联动公众紧急服务的现代化水平。

　　个人定位服务

　　在旅行时，可以通过有关的服务中心获得就近的宾馆信息等；可以利用特制的MS对需要限制活动范围的移动目标进行定位跟踪监视，如某些老年病患者或处于假释期的犯人等。

　　打击针对蜂窝电话的犯罪活动

　　对失窃电话或逃避巨额话费的蜂窝电话进行定位追踪，可以有效地打击针对蜂窝电话的犯罪。

　　智能交通系统(ITS)

　　自动车辆定位系统(AVLS)是ITS的核心，如ITS交通控制系统中的动态交通流分配、集成信息服务系统中的定位导航、安全保障系统中的事故应急／安全防范／车辆追踪、运输管理系统中的车辆调度管理等都离不开它。利用蜂窝定位系统实现的AVLS将定位、通信、计算机信息处理与控制等构成一个有机整体，更有利于多种信息的融合。并且，与其它的AVLS相比具有更好的城市覆盖和灵活方便的漫游管理功能等。

　　蜂窝系统设计与资源管理

　　对蜂窝电话进行准确定位有利于蜂窝系统资源和移动性管理；从长远来说，通过对MS的长期定位观察可以为系统蜂窝的合理布局与构建以及系统资源配置等提供重要的实践数据，促进蜂窝系统的逐步完善和高效运行。

　　实行位置差别费率计费

　　根据通信时MS所处的不同位置(如家里、办公室或路上)实行不同的费率标准，有利于提高蜂窝系统的运营竞争力、吸引更多的新用户、鼓励用户按其需要在适合的场所(家里、办公室或路上)使用移动业务、刺激用户的移动业务消费。

　　蜂窝电话定位技术的开发和推广应用具有广泛的社会和经济效益，越来越受到人们的重视，但是还存在着一系列问题有待解决。除了某些方案需要对现有移动台和／或网络进行必要的改进外，还需要对蜂窝系统的定位性能，尤其是如何获得满意的定位精度等进行深入的研究，因为有些应用需要较精确的定位，如定位到楼层。除了技术因素外，蜂窝电话定位技术的开发应用涉及的用户个人的行踪，还应考虑个人隐私权利的保护等方面。

摘自《中国通信标准研究组》