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基于位置的服务在3G系统中的应用(上)
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摘要 对LBS的概念和应用进行了描述，介绍了在3G系统中实现LBS的定位技术和GIS系统。
关键词 LBS 3G GIS
一、引言
无线定位业务又称为位置业务(Location-Based Ser-vices，LBS)，是由移动通信网提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动台的位置信息(如经纬度坐标数据)，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。狭义地说，LBS业务是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下提供相应服务的一种无线增值业务。广义地说，只要是基于位置的信息服务均属于位置服务，有些业务可能与用户本身的位置无关，例如固定地点的天气、固定起始终止点之间的公交路线等。但在移动通信网中，LBS业务应用最多的应是与终端持有者本身的位置紧密相关的那些业务。
目前，电信业竞争激烈，移动运营商在不断地寻找新的途径去创造新的利润点或者利润增长点。在各种移动增值业务当中，移动位置信息服务是最具市场潜力的一种。另一方面，随着我国私人汽车市场不断增长，以汽车移动通信平台的需求也将有很大的发展潜力，其中针对汽车的导航、跟踪等位置业务是今后一个非常具有发展潜力的市场。
就无线定位服务而言，在传统第二代无线通信网络上发展位置服务，由于二代系统数据传输能力较低，因此所能提供的定位服务类型也受到限制。而3G系统的数据传输能力比2G系统有很大提高，为向用户提供更丰富的信息提供了网络带宽的保证，使一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可能，如地图显示、实时导航，甚至3D地图服务等。LBS业务的类型多种多样，可以按照如下不同的分类方式划分：
(1)按业务请求方式划分
·PULL类LBS业务：移动终端采用短消息、WAP接入等方式请求LBS；
·PUSH类LBS业务：网络根据特定的条件，主动向移动终端推送信息。
(2)按是否与用户位置相关划分
·与用户位置有关的LBS，需要进行定位；
·与用户位置无关的LBS，无需定位。
(3)按照面向的用户划分
·水平市场——大众应用；
·垂直市场——行业应用。
(4)GIS系统中对定位服务功能的划分
·地图服务，包括栅格地图和矢量地图；
·路径搜索，包括最短路径查询、公交线路查询等；
·地理编码/逆地理编码；
·测算。
二、实现LBS应用的网络架构
在3G系统中，实现LBS应用的网络模型如图1所示。从图1可以看出，实现LBS业务涉及到多个实体。
 图1 在3G系统中实现LBS应用的网络架构 (1)定位操作平台。通过各种定位技术来获取移动台的位置信息。 (2)LCS中间件。向SP提供定位服务接口，SP通过LCS中间件访问运营商的定位资源(GIS)，以及完成对LBS业务的计费、管理等功能。 (3)GIS系统。提供各种基于LBS应用的地理信息服务，包括地图服务、路径搜索、目录查询等。 (4)SP。面向最终用户提供LBS服务。 (5)CP。本文中所指的CP专指提供电子地图数据、POI(兴趣点)信息的内容提供商。 (6)终端。需要与网络交互完成定位操作(获取终端经纬度)，通过WAP/Java/BREW/SMS等方式与SP交互得到最终服务。对于矢量地图服务，终端需要内置矢量地图浏览器。 对于移动网络运营商来说，为了更好地开展LBS服务，首先需要建设定位操作平台。对于GIS系统，可以由SP/CP自己实现，但目前我国在基于LBS方式下的GIS系统的发展只是刚刚起步，因此由SP/CP自己实现GIS难度比较大。而且由SP/CP各自建立GIS对资源也是一种浪费，因此由运营商统一建设包括LCS中间件以及GIS系统，将对LBS应用的推广起到很大的推动作用。 三、定位技术 定位操作平台主要负责通过各种定位技术来获得终端的经纬度信息。目前，可供移动网络使用的定位技术多种多样，下面将以cdma2000系统上实现的定位技术为例，介绍各种定位技术的实现方式。 1 基于网络的定位技术 在CDMA系统中，为了实现软切换，移动台在接收当前服务基站的信号的同时，需要不停地寻找来自其它基站的信号。如果发现来自其它基站的信号足够强，移动台需要确定来自不同基站信号的时间差，为合并两个信号做准备。移动台的这种能力为实现定位奠定了技术基础。定位操作平台可以通过CDMA网络获取到终端的这些信息(导频强度信息)进行定位。其它一些基于网络的技术能够提供更高的定位精度，例如测量移动台的环路时延、信号到达角度等，但这些技术都需要在基站上增加相应的测量设备，代价较高。 2 辅助GPS技术(AGPS) 辅助GPS技术主要依靠GPS卫星完成定位操作。移动台需要接收至少4个GPS卫星的信号，根据这些信息完成定位计算，并将计算结果报告给网络。对一般的GPS定位技术来说，需要GPS接收机在全空域范围内搜索可以使用的GPS卫星。通常这种搜索需要很长的时间，所以不能满足快速移动定位的需要。在辅助GPS技术中，网络可以根据移动台当前所在的小区，确定所在小区上空的GPS卫星，将这些信息提供给移动台。移动台根据这些信息，缩小搜索范围、缩短搜索时间，更快地完成可用卫星的搜索过程。搜索完成之后，移动台需要通过和网络的交互，将用于计算移动台位置的信息传送给网络，由网络计算移动台的位置。 3 混合定位技术 CDMA系统中使用的混合定位技术主要使用了前面提到的两种基于移动台的技术。一般来说，GPS技术能够提供很高的定位精度，但在很多情况下，移动台不能够捕获足够多的GPS卫星。这时候，移动台可以利用基站的信号补充卫星的不足。这样在降低一定精度的条件下，提高可用性，实现室内定位。 4 基于移动台的GPS定位 对于一些需要快速连续定位的LBS业务来说(例如实时动态汽车导航)，可能要求每隔几秒钟刷新终端位置信息。在这种情况下，AGPS方式就很难满足时间上的要求。因此，为了提高连续定位情况下的定位间隔时间，提出了基于移动台的GPS定位。与AGPS不同的是，基于移动台定位方式下，位置的计算全部由终端自己完成，终端始终处于GPS跟踪状态，减少了与网络的交互时间。但是初次定位时间(TTFF)基本上与AGPS方式下的相同，与AGPS一样，需要从网络侧获取GPS卫星的信息。 四、GIS系统 LBS服务中关键的核心是位置与地理信息，两者相辅相成，缺一不可。一个经纬度位置对于正常的使用来说，并不代表任何意义，必须将其置于一个地理信息中来，才能代表为某个地点、标志、方位等，才能被人们所理解。因此，除了通过定位操作平台获取到终端的位置之外，必须通过GIS系统将经纬度转换成用户真正关心的地理信息，如地图、路径搜索结果等。 对于无线运营商而言，如何发展面向最终用户的SP是任何增值服务发展的关键。而对于广大的SP而言，对于涉及位置信息服务的关键技术——地理信息系统(GIS)不太了解。单从技术上来说，SP独立提供位置信息服务的难度就很大。因为需要考虑如何和无线运营商的各种厂商的定位网关接口，考虑采用什么样的地理信息系统，考虑采用什么样的地图数据库，考虑如何去维护地图数据库，考虑如何开发，考虑如何推动市场的发展使得更多的用户加入他们的运营网络等。对于以上考虑来说，每个CP需要投入相当一大笔费用去建设一个提供地理信息服务的平台，并且不断地对地理信息数据进行维护。 在这种情况下，非常不利于移动位置信息服务的推广，也不利于移动互联网的增值业务的发展。因此，SP在整个增值业务的价值链上的主要任务是加入自己有特色的服务，做市场推动，发展尽可能多的最终用户。 对于无线运营商仅有一个定位操作平台是远远不够的，它必须要将位置信息服务中的核心部件——地理信息服务平台建设起来。让CP减少投入，专注于自己的服务。 位置信息服务中的地理信息服务平台是一个关键部件。从无线运营商管理和开通位置信息服务的角度来看，能够使得无线运营商提供较为全面的位置信息服务，同时也集中地管理并维护了地图数据库，使得各个想要进入位置信息服务行业的CP门槛大大降低，从而促使位置信息服务的发展。 1 地理信息系统的发展 地理信息目前已经渗透到各行各业的信息系统中。从需求角度看，无论是宏观上的决策支持，综合经营分析，还是具体业务层面的一个目标的定位、一条线路的规划，都离不开地理信息的支持。从技术角度看，随着计算机信息技术的发展，尤其是近年来移动计算领域和空间数据库领域技术的不断更新，地理信息技术(GIS)也在很多方面融入了新的特征。 在我国，地理信息系统的建设也越来越得到政府的重视，尤其是在一些特殊情况下，如类似"非典"的情况，对于一些受关注人群和移动物品的跟踪，以及与地理位置相关的分析和研究，它对政府应对突发事件是非常重要的。 2 技术的发展 (1)从GIS到Web-GIS。早期的地理信息系统专业性色彩较强，需要引入复杂的数学模型，对最终使用者的要求较高，系统独立设计，不对外开放接口。这类系统比较常见于地质、气象、水利、交通等行业的专业分析。在这种需求的驱动下，按照Client/Server模式设计的应用系统居多，其最大的优点是开发模型相对简单，开发成本较低。但随着这些C/S模式的信息系统的不断投入使用，其缺点也逐渐暴露出来。C/S模式下的应用系统由于其专业性使得只有少量的专业用户可以使用，导致大量信息孤岛的存在。而且其大规模部署及后期维护的成本相当高昂，这就使得应用系统的用户数量和覆盖范围都受到很大的局限，在一定程度上已经严重制约了地理信息系统的继续发展。而另一方面，由于多数系统采用了独立的设计，不同系统之间无法共享数据和功能，功能类似的模块被重复建设的问题也越来越突出，造成投资的极大浪费。 近年来，地理信息系统的建设要求能够满足更多非专业用户的需求。随着Internet的逐渐普及，广大用户对浏览器这种通用类型、无须培训的客户端应用程序越来越认同，因此奠定了Web-GIS发展的基础。另外，在技术层面上，用户要求地理信息系统采用开放式设计，对其他信息系统开放可调用的接口以便集成。只有这样地理信息系统的应用面才有可能从有限的传统应用领域扩展开来，同时覆盖更多的用户群。与Client/Server模式相比，Browser/Server模式在处理这些问题上有明显的技术优势。因此在一些特定的领域，B/S模式已经取代了C/S模式而成为了地理信息系统的首选开发模式。 (2)从Web-GIS到网络地理信息系统。进入21世纪，人们已经不再满足于坐在办公室或家中的电脑桌前获得信息，而是提出了"随时随地获取信息"(Anytime，Any-where，Anything)的更高要求。强烈的需求推动了移动计算领域技术的飞速发展，信息系统的客户端从传统的PC，工作站等桌面型设备扩展到了PDA，WAP/SMS/kJava/Brew手机等移动终端上。由于所有的移动终端首先强调的是易于携带的特征，在硬件设计上受到体积、重量、功耗等方面的限制，因而采用了完全不同于PC的操作系统和不同于IP网络的通信协议。另一方面，地理信息系统的底层开始与数据库技术相结合而发展为空间数据库。空间数据库技术在管理海量数据、分布式数据存储、解决属性与空间数据一致性等问题上比传统的文件存储方式有很大的优势，因而越来越受到大家的关注。 近年来，一些新建的地理信息系统开始逐渐引入这两方面的技术。这些系统要求应用层满足对各类终端设备的兼容，数据层提供对异构或分布数据的良好支持，我们把包括这些类型在内的所有基于网络的地理信息系统通称为网络地理信息系统。 由于网络地理信息系统的复杂性已经远远超出了传统的C/S或B/S体系结构所能描述的范畴，开发工作量也变得越来越庞大，所以需要找到一种有别于C/S或B/S的多层模型来描述这些系统的共性。同时，在此基础上提供产品级的解决方案，尽可能地为应用开发人员提供良好的底层支持，以减少开发系统的难度，提高系统的质量。 从GIS到Web-GIS，再到网络地理信息系统，应用上是从传统领域向所有领域的发展，用户群上是从少数专业用户向大量普通用户的发展，技术上是从简单架构向多层模型的发展。
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