CDMA无线定位技术及其应用

常永宇 样宁
　　摘要 描述了CDMA系统的主要定位技术及其特点，对各种定位技术进行了比较和分析，提出了选择方案，并在此基础上介绍了其承载的应用。
关键词 CDMA 定位技术

1引言

　　无线定位服务是从美国开始启动和发展起来的。1996年，美国联邦通信委员会(FCC)强制要求所有无线业务提供商，在移动用户出发紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度达到125m。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。

　　随着无线系统的发展和移动用户的不断增加，对定位业务的需求也与日俱增，例如公共安全、紧急救援服务、基于位置的计费、资产管理、欺诈检测和路由向导等等业务，而不同的定位业务对定位精度的要求不相同，相应地，所需的定位技术也不同，例如基于位置的计费要求的定位精度不高，使用CELL ID(小区识别)定位技术即可实现；而路由向导要求比较高的定位精度，只能使用GPS(Global Positioning System)定位技术和混合定位技术才能实现。

　　这些需求大大推动了定位技术的发展，经过多年对无线定位的研究，现已开发出了多种定位技术，并在此基础上，各种各样的定位业务和应用也蓬勃发展起来。

2主要的CDMA定位技术

　　无线定位技术是通过对接受到的无线电波的某些参数进行测量，根据特定的算法以判断出北测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位、和到达角等等。定位精度主要取决于测量的方法。

2.1基于Cell ID的技术

　　在目前CDMA网络中，BSC会在移动台的位置更新、呼叫处理、短消息传送以及切换等过程中将用户所在基站扇区的Cell ID传送给MSC。这种方法实现简单，终端侧不需要作任何软硬件的修改，网络侧不需要增加新我得网络实体。但定位精度不高，定位范围与扇区覆盖相同，在城市基站密集区定位的半径可达到400m左右，在基站密度较低的郊区等地，定位精度非常低，因此只能提供对定位精度要求不高的定位业务，如基于小区位置的计费，无法实现高级的应用。

2.2AOA(Angle of arrival)

　　由两个或更多基站通过测量接受信号的到达角来估计移动用户的位置。接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即测位线，移动台的二维位置坐标可通过两根测位线的交点获得。

　　AOA方法需要在网络侧增加智能天线(SA)才可实现；在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大，定位精度较低，尤其是当移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。

2.3TOA(Time of Arrival)

　　是一种基于方向链路的定位方法，通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动用户的位置。只需三个以上的基站接收到移动台的信号，就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。TOA定位精度与基站的地理位置分布关系很大，当球体之间相交角为90度时，精度最高。但它对所有接收器相同的误差没有进行处理，误差较大。

2.4TDOA(Time Different of Arrival)

　　是另一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。

　　TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-911呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，可以提高定位精度，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。

2.5AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)技术

　　是一种基于前向链路的定位方法，在定位操作时，手机同时监听多个基站(至少三个基站)的导频信息，利用码片时延来确定手机到附近基站的距离，最后用三角定位法算出用户的位置。

　　AFLT定位技术，需要在网络中增加新的实体，利用导频信息算出移动台的位置，这些实体包括PDE(Position Deltermining Entity)和MPC(Mobile Positioning Center)。PDE获得导频信息的方式主要有两种：

(1)按照IS-801协议定义的传送方式给MSC，再由MSC传送给PDE，这种方式需要移动台新增支持IS-801协议的功能。

(2)利用A接口的消息，将用于定位的参数传送给MSC，再由MSC传送给PDE。这种方式，不需要移动台支持IS-801协议，但需要在A接口上支持这些参数的传输，A接口的Release 版本中已经定义了传送这些参数的消息。

　　移动台需要软件升级，同时，根据PDE获得导频信息方式的不同决定移动台是否需要支持IS-801协议，网络侧需要支持IS-801协议，定位算法可以放在移动台上或者网络侧。其定位精度介于小区识别和GPS定位技术之间，定位半径一般在200至400m左右，最高可达到100m。影响精度的主要因素是基站密度和地形环境，如在大城市基站密集的地方，定位精度相对高。

2.6基于GPS系统的定位技术

　　目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。

　　基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。

2.7混合定位

　　混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中，目前CDMA系统采用的主流方法是GPS和AFLT混合定位的方式，可简称为网络辅助混合定位。它结合了基于网络的非GPS定位技术和基于GPS的网络辅助定位技术的优点。在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的优势，提供基于基站信号，或者GPS和基站信号混合的方式定位，实现在复杂环境下(如室内、城市高楼之间)的精确定位。

　　如果同时利用智能化算法可以获取更佳的定位效果。例如，当移动台只能接收到两个基站的信号时，通常无法定位移动台，但是网络可以根据过去移动台的方向和速度，结合基站信号来唯一确定移动台的位置。而且还可以利用来自无线网络的一些重要信息加快处理进程，缩短卫星数据采集时间。

3 CDMA定位技术的比较与选择

　　以上介绍的七种定位技术，所能达到的定位精度不同、适用的环境不同，对终端和网络的要求也不同。在选择定位技术时，应根据各种定位技术的特点、不同的定位业务需求及终端和网络的实际情况，选取不同的定位技术方案。表1就各种定位技术的特点作了一个简单的比较：

表1　CDMA定位技术的比较


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　

定位技术	优点	弱点	可以提供的位置服务
CELL ID	终端和网络不需要修改，实现简单	定位精度高	LBS、LCS
AOA	终端不需要修改	网络侧需要增加智能天线；定位精度不高	LBS、LCS、LBIS
TOA	终端不需要修改	需要增加网络实体和软件修改；定位精度受环境影响大	紧急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
TDOA	终端不需要修改	需要增加网络实体和软件修改；定位精度受环境影响大	紧急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
AFLT	城市定位精度较高	需要增加网络实体，终端需要软件升级；郊区定位精度较低	紧急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
GPS	定位精度高	需要对终端和网络实体进行修改；适用范围小，不能在室内或障碍严重的地方工作	紧急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM、电子地图、ECR
混合定位 　　　　(AFLT+GPS)	适用范围广，在各种环境下，均有很高的定位精度；利用智能化算法可获得更好的定位效果	需要对终端和网络实体进行修改	紧急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM、电子地图、ECR

　　通过上述分析可见：如果不对终端和网络实体进行修改，则只能选择基于小区标识的定位技术，但该种定位技术由于定位精度较低，开展业务受限，因此仅可以作为一种最基本的技术采纳。虽然基于GPS的定位技术定位精度高，但对终端的要求比较高，同时该技术不能在所有的环境中都能使用(如室内)，因此，为了提高CDMA网络的竞争力，提供比其他网络更丰富的定位业务，建议应采用混合定位技术作为现在的主要候选技术，即AFLT和GPS混合定位技术。目前美国高通公司已推出了内嵌混合定位技术的支持IS-95网络的MSM3300芯片和支持1X网络的MSM5100芯片，定位精度室外达到10m，室内达到25m。

4 承载的多种应用

4.1紧急救援

　　用户在不知道自己位置的情况下，拨打救援中心的电话(如中国的110、美国的911电话)后，移动通信网络就会将获得的用户位置信息和用户的语音信息一并传送到救援中心。报警用户位置信息对于救援人员迅速到达现场很重要，救援中心接到呼叫后，根据得到的用户位置信息，就能采取迅速、高效地救援活动，大大提高了救援的成功率。

4.2LCS(Location Services)

　　LCS指网络可以将用户位置信息提供给其它应用实体的服务。请求用户位置的实体可以是：无线用户本身；增值业务实体，如商业网站、完全部门等；无线网络本身，用于计费、客户服务系统等。该业务是其它定位服务的基础，在此基础上LCS客户端可以派生出许多不同的应用。

4.3LIR(Location Information Restriction)

　　LIR定义了定位业务和保密业务，提供用户四种位置信息限制级别：

(1)无条件禁止：只允许运营商的LCS客户端(如为智能网服务的LCS)或者特殊的LCS客户端(如安全部门等)获取位置信息；

(2)预先授权的LCS客户端：除第一级以外，还允许用户半永久性地授权LCS客户端获取自己的位置信息；

(3)预先授权的LCS客户端和用户批准的客户端：除第二级以外，还允许用户暂时授权LCS客户端获取自己的位置信息，此批准只在一段时间内有效；

(4)无限制。

4.4LBC(Location Based Charging)

　　LBC业务是根据用户所处的区域不同，采用不同等级的费率进行计费。对于用户日常生活、工作所在的区域可以采取优惠费率进行计费，当用户签约了这些区域，在这些区域中就可以得到优惠的费率。

　　LBS不仅可以提供基于不同区域的计费，还可以为用户提供在不同区域基于每天不同的时段或每周不同的天进行的计费。当用户跨越不同的计费区域或计费时段时，网络会自动通知用户所在的计费区域和所享受的费率。

4.5FAM(Fleet and Asset Mannagement)

　　FAM允许FAM管理者跟踪FAM成员的位置和状态，FAM成员使用业务码向FAM管理者反向报告其状态的信息。FAM管理者还能向其成员传递电话呼叫、邮件、短消息等信息。典型的应用包括：销售商跟踪他的雇员或者自动售货机的位置和状态，父母了解子女的位置等。

4.6ECR(Enhanced Call Routing)

　　ECR业务属于呼叫中的语音业务，其目的是得到基于用户当前位置最近的路由，如寻找最近的加油站、餐馆等。SCP得到来自MPC的位置信息之后，通过外部接口查询与位置信息相关的路由信息，并返回给MSC进行呼叫连接。

4.7LBIS(Location Based Information Service)

　　LBIS容许用户访问根据其当前所处位置进行内容裁剪的信息服务。包括：旅馆餐馆服务、旅游信息服务、路边援救服务、黄页号簿服务、自我定位服务、交通信息服务。LBIS业务的承载方式有三种：话音、电子地图、短消息。

5结束语

　　定位业务作为CDMA系统的特色业务，具有自己独特的优势，它利用CDMA无线系统本身独有的特性来实现用户的定位，如终端与网络严格的时钟同步、基站可以提供GPS导航信息以及手机可以利用基站导频信号的码片时延来确定距离等特性，从而简化了定位精度；此外，现有的CDMA网络可以比较容易地升级成为支持定位业务的网络，而且CDMA的定位过程对现有的业务的影响也比较小。基于这些特性，现有的CDMA系统更容易实现比较精确的定位功能，并可以提供优于其他网络的定位业务。随着CDMA无线系统的不断演进和定位技术研究的进一步深化，必将会提供更多、更丰富的定位业务和应用。

摘自《通信技术》