蜂窝系统移动定位技术及解决方案

熊瑾煜 王巍 朱中梁

1移动定位技术的发展及应用

　　无线电定位技术的起源可以追溯到上世纪初，第二次世界大战的军事需求和80年代末开始推广的数字蜂窝移动通信系统分别推动了该项技术在军事和民用领域的发展。GPS和LORAN C系统是典型的定位系统，它们采用无线电定位方法满足不同的定位精度要求。随着CDMA等原属于军事应用的领域的先进技术快速民用化及蜂窝网络的迅猛发展，国外早已开始研究蜂窝移动通信系统定位技术。1996年，美国FCC制定的E911规范要求所有的移动运营商必须以67%的概率提供紧急救援服务，从而加速了该技术的进步及基于无线电定位技术的位置服务(LCS)在全球的发展。
　　快速增长的中国移动通信市场为开展和普及移动定位系统在中国的建设奠定了坚实的基础。北京移动采用摩托罗拉公司的LCS解决方案，在移动网中为个人和企业用户提供各种位置服务，主要包括亲友位置查询、用户位置授权及城市信息查询。从2001年初开始，福建移动、山西和云南的移动运营商先后与诺基亚签订了移动定位商用合同。最近，联通国脉与日本著名的位置服务内容解决方案提供商Navitime签定合作协议，共同开发基于cdma2000 1x的位置服务。

2移动定位技术

　　采用适当的定位技术获得位置信息是实现位置服务的必要前提，根据不同的划分准则，蜂窝网络定位技术有以下几种分类方法：

　　(1)根据定位系统所处的空间位置不同，可分为空基定位系统(GPS)、地基定位系统及混合定位系统三种。GPS系统以高精度、全天候等特点在全球广泛应用，在车辆调度管理中发挥重要作用。传统的广域无线电测向定位系统属于地基定位系统。A-GPS系统是GPS与蜂窝网络结合的产物，定位精度高，克服了GPS在建筑物内和市区存在盲区的缺点，是未来蜂窝定位技术标准最有力的竞争者。

　　(2)根据定位参数测量位置不同，可分为基于网络的定位及基于终端的定位两种。基于小区标识的CELL_ID技术已经成熟应用。到达时间差(TDOA)与CDMA系统相结合能提供50m以内的定位，是当前发展最迅速的定位技术。增强观测时间定位技术(E-OTD)是目前GSM系统中最有发展潜力的基于终端的蜂窝定位技术，但采用该技术需要改变终端的软硬结构，因此目前还没有广泛应用。

　　(3)根据定位所用参数不同，可分为场强测量法(SSOA)、增强型场强测量法/多径指纹法(ESSOA/FingerPrint)、到达角度测量法(AOA)、到达时间/时间差测量法(TOA/TDOA)及混合参数定位法等。

2.1 CELL_ID技术

　　定位系统根据用户在网络内所处的小区或基站，标识终端位置。终端有可能在小区内的任何位置，因此定位精度完全取决于小区的大小。目前国内GSM网基站密度很大，CELL_ID小区定位的精度可高达100-150m，这样级别的精度足以满足大部分应用服务的要求。郊区和农村地区的小区半径远大于城区的小区半径，因此城区CELL_ID的定位精度要远远高于郊区和农村。CDMA系统不需要设置密集的基站，市内小区半径一般在1-2km左右，此时CELL_ID的精度不会优于500m，这样的精度远远不能满足大部分用户的要求。因此在CELL_ID基础上，出现了一些改进技术，如CELL_ID+SECTOR-ID、CELL_ID+TA及CELL_ID+RTT技术，虽然这些技术可在一定程度上提高定位精度，但改善效果并不明显。

　　CELL_ID及其改进技术是实现蜂窝网终端定位最简单的方法，所需投入的财力、人力和物力资源少，占用网络资源少，实施方便，响应时间短，可用于所有蜂窝网络，并得到GSM/GPRS/WCDMA/cdma2000等各种技术的定位较低，随地理位置的不同定位精度有很大差异，一般将其作为辅助定位手段，为精确定位提供辅助信息，实现初始定位。

2.2 TDOA、EOTD、OTDOA和E-FLT技术

　　TDOA技术最早应用于雷达系统，现在GPS定位系统也采用该技术。它利用基站之间的时钟同步及用户信号到达不同基站的时间不同。用定位算法进行位置计算。该定位技术可应用于各种移动通信系统(AMPS、GSM、宽带和窄带CDMA中)，尤其适用于CDMA系统，CDMA系统用扩频方式将信号频谱扩展到很宽的范围，使系统具有较强的抗多径能力。CDMA属非功率敏感系统，信号衰减对时间测量的精度影响较小。

　　TDOA由网络设备测量定位参数并进行定位计算，不需要终端的参与。增强型前向链路三角定位(E-FLT)技术由终端测量定位参数，再送回网络完成定位计算，目前E-FLT仅支持CDMA体制的蜂窝系统。E-OTD和OTDOA由终端完成时间差参数测量，根据需要由终端或网络完成定位计算，前者是针对GSM/GPRS系统开发的特定定位技术，后者只能用于WCDMA系统。

　　这四种定位技术都利于时间差参数确定位置，数字模型相同，定位精度都受系统定时精度的影响。无论基于终端还是基于网络，基站之间都必须严格同步，确保系统本身的定时误差不会给定位结果造成明显影响。IS-95 CDMA和cdma2000属于同步系统，通过GPS实现全网同步，能保证基站的定时精度。GSM/GPRS和WCDMA属于异步网络，必须在每个基站增加高精度和高稳定性的定时单元(原子种或GPS时钟)，或在基站之间增加定时单元LMU实现时钟统一。另外，在CDMA系统中，通过时差实现定位的系统都受"可测性"的影响，其中反向功率控制会严重影响TDOA的定位，前向功率控制对OTDOA的影响也较大。

2.3 A-GPS技术

　　GPS技术自七十年代后期投入使用以来，因其全天候、高精度的定位性能，已在世界范围内得到广泛应用。使用GPS设备的重要前提之一是接受机与卫星之间有直射路径，这又使GPS在建筑物密集的城区及建筑物内部存在信号接受盲区。新推出的A-GPS技术融合了GPS高精度定位与蜂窝网高度密集覆盖的特性，即保证了在城市范围内蜂窝定位的精度，也扩大了GPS的覆盖范围，A-GPS可以通过蜂窝网络的空中接口使终端获得卫星的有效参数。另外，A-GPS的响应时间明显快于传统的GPS。GPS定位的初始捕获时间较长，通常为30s-15min，这取决于卫星与终端相对位置，A-GPS则可将初始捕获时间减少到5-10s。A-GPS技术系统的兼容性很强，若在网络中增加GPS功能模块，即可实现基本的定位功能。定位过程的实现与空中接口标准没有必然联系，因此GPS定位技术能方便快捷地为所有蜂窝网络提供定位服务。高通公司已研制开发出集成了GPS定位功能的小型化芯片组UEM5100，并已用于子公司SnapTrack推出的GPSone系统中。随着芯片制造技术的进步、GPS系统本身定位精度提高及成本降低，A-GPS最终将取代各种传统无线定位技术，成为蜂窝移动通信系统提供定位服务的主要技术手段。

2.4 FingerPrint(FPT)技术

　　FPT又称射频信号模式匹配(RF pattern match)，是美国无线公司(US Wireless)开发的专利技术，已成功用于RadioCamera系统中。由于多径干扰的模式完全取决于反射环境，所以特定地区的干扰模式具有自己的特征。终端发射的无线电波经建筑物和其它障碍物的反射和折射，产生与周围环境密切相关的特定模式多径信号。基站天线阵列检测信号的幅度和相位特性，提取多径干扰特征参数，将该参数与预先存储在数据库中的模式进行匹配，找出最相似的结果，然后结合地理信息系统，找出与该模式相匹配的地区范围，以街道和城区的图形化形式输出定位结果。FPT技术基本不受非视距传输效应(NLOS)影响，系统独立性强，结构简单。但FPT技术实施的高度复杂性是推广应用的最大障碍，因为在FPT定位系统投入实际使用前，必须建立庞大完整的位置指纹数据库，详细记录城市每个可分辩最小区域的特征，并保持与城市建设同步更新，以保证指纹样本的有效性、可靠性和准确性，所以该项技术尚处于试运行阶段，没有大规模应用。

2.5 到达角交汇定位(AOA)技术

　　该技术在两个以上的位置点设置方向性天线或阵列天线，获取终端发射的无线电波信号角度信息，然后通过交汇法估计终端的位置。它只需利用两个天线阵列就能完成目标的初始定位，与TDOA等技术的定位体制相比，系统结构简单，但要求天线阵具有高度灵敏度和高空间分辨率。建筑物分别密集、高度和地形地貌对AOA的定位精度影响较大，在室内、城区及乡村地区，AOA的典型值分别为360度、20度和1度。随着基站与终端之间的距离增加，AOA的定位精度逐渐降低。AOA定位误差主要由城市的多径传播及系统误差造成，可通过预先校正来抵消系统误差的影响，而建筑物密集地区的多径效应一直是困扰天线通信的难题，智能天线可在一定程度上减小多径干扰的影响，但由于实现复杂和设备成本的问题，尚未广泛应用。因此，AOA技术虽然结构简单，但是在城市蜂窝定位系统中并未得到应用。

3 移动定位解决方案

　　要在蜂窝网建立能提供位置服务的全套定位系统，不仅需要可获取用户位置信息的定位技术，还需要包括实现位置信息传输、管理和处理的功能实体及与服务提供商的软硬件接口。完整的位置服务解决方案应建立在定位技术的基础上，是能开展定位增值业务的一整套软硬件系统，主要功能模块包括：(1)位置获取和确定单元：GSM规范中称为移动定位中心(SMLC)，CDMA规范中称为定位实体(PDE),SMLC/PDE与多个定位单元(LMU)连接，获得定位参数并计算定位结果；(2)位置信息传输和接口单元：GSM规范中称为移动定位中心网关(GMLC),CDMA规范中称为移动定位中心(MPC)，通过标准的软硬件接口，将SMLC/PDE收到的定位数据传送到提供定位服务或有定位需求的实体进行处理；(3)基于位置信息的应用服务：即定位服务客户机(LCS Clients)，主要与GMLC或MPC连接，提供基于位置信息的各种服务；(4)业务承载平台:例如地理信息系统集成，定位结果通常以图形化方式显示，这部分功能由本地电子地图、相关地理信息及相应软件完成。

　　不同的定位解决方案需要不同的系统软硬件提供支持，通常采用以下指标衡量定位方案：(1)提供完整的端到端位置服务能力；(2)对未来移动通信系统的升级能力，包括核心网的接口升级能力及空中接口标准的兼容能力；(3)对定位技术的支持能力、定位精度及定位响应时间；(4)与现有业务平台的集成能力；(5)系统对未来业务的适应能力；(6)系统软硬件实现的复杂度；(7)系统成本；(8)对网络负载的影响。

　　目前市场上主要的定位系统提供商(包括诺基亚、爱立信、西门子等国际通信巨头)都利用自己丰富的设备制造经验、强大的系统集成能力、深厚的科研力量和雄厚的资金支持，分别推出了各具特色的移动定位解决方案。典型的定位平台有诺基亚移动定位平台mCatch/mPosition、爱立信移动定位系统MPS及西门子公司位置服务平台LR2.0。

4 结论

　　蜂窝网络基础设施的完善、移动终端功能的增强、互联网内容的丰富及无线应用的推广正在充实人们的日常生活，也逐渐改变人们的生活方式和消费习惯。作为未来移动数据的主要应用之一，基于位置信息的移动数据应用因能提供个性化服务，在世界范围内迅速发展，各种定位技术和定位解决方案不断涌现，但移动通信系统网络结构的复杂性、多种空中接口标准并存的现状及无线电波传播环境的复杂性都增加了实现高精度定位的难度。目前，各种定位技术都有不足，如何寻找精度更高、对网络和终端影响最小的定位技术仍是蜂窝定位研究领域的重要课题。

摘自《电信快报》