蜂窩系統(tǒng)移動(dòng)定位技術(shù)

　　蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善、移動(dòng)終端功能的增強(qiáng)、互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的豐富及無線應(yīng)用的推廣正在充實(shí)人們的日常生活，也逐漸改變?nèi)藗兊纳�活方式和消費(fèi)習(xí)慣。

　　1移動(dòng)定位技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

　　無線電定位技術(shù)的起源可以追溯到上世紀(jì)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(dòng)通信系統(tǒng)分別推動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)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(yīng)用的領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)快速民用化及蜂窩網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，國外早已開始研究蜂窩移動(dòng)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(dòng)運(yùn)營商必須以67%的概率提供緊急救援服務(wù)，從而加速了該技術(shù)的進(jìn)步及基于無線電定位技術(shù)的位置服務(wù)(LCS)在全球的發(fā)展。

　　快速增長的中國移動(dòng)通信市場(chǎng)為開展和普及移動(dòng)定位系統(tǒng)在中國的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。北京移動(dòng)采用摩托羅拉公司的LCS解決方案，在移動(dòng)網(wǎng)中為個(gè)人和企業(yè)用戶提供各種位置服務(wù)，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(dòng)、山西和云南的移動(dòng)運(yùn)營商先后與諾基亞簽訂了移動(dòng)定位商用合同。最近，聯(lián)通國脈與日本著名的位置服務(wù)內(nèi)容解決方案提供商N(yùn)avitime簽定合作協(xié)議，共同開發(fā)基于cdma2000 1x的位置服務(wù)。

　　2移動(dòng)定位技術(shù)

　　采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)的必要前提，根據(jù)不同的劃分準(zhǔn)則，蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)在全球廣泛應(yīng)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(cè)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(luò)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(diǎn)，是未來蜂窩定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最有力的競(jìng)爭者。

　　(2)根據(jù)定位參數(shù)測(cè)量位置不同，可分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位及基于終端的定位兩種�；�于小區(qū)標(biāo)識(shí)的CELL_ID技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用。到達(dá)時(shí)間差(TDOA)與CDMA系統(tǒng)相結(jié)合能提供50m以內(nèi)的定位，是當(dāng)前發(fā)展最迅速的定位技術(shù)。增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)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(yīng)用。

　　(3)根據(jù)定位所用參數(shù)不同，可分為場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法(SSOA)、增強(qiáng)型場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法/多徑指紋法(ESSOA/FingerPrint)、到達(dá)角度測(cè)量法(AOA)、到達(dá)時(shí)間/時(shí)間差測(cè)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(luò)內(nèi)所處的小區(qū)或基站，標(biāo)識(shí)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(dá)100-150m，這樣級(jí)別的精度足以滿足大部分應(yīng)用服務(wù)的要求。郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的小區(qū)半徑遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于郊區(qū)和農(nóng)村。CDMA系統(tǒng)不需要設(shè)置密集的基站，市內(nèi)小區(qū)半徑一般在1-2km左右，此時(shí)CELL_ID的精度不會(huì)優(yōu)于500m，這樣的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大部分用戶的要求。因此在CELL_ID基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些改進(jìn)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(jìn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)終端定位最簡單的方法，所需投入的財(cái)力、人力和物力資源少，占用網(wǎng)絡(luò)資源少，實(shí)施方便，響應(yīng)時(shí)間短，可用于所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，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(shí)現(xiàn)初始定位。

　　2.2 TDOA、EOTD、OTDOA和E-FLT技術(shù)

　　TDOA技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)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(shí)鐘同步及用戶信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間不同。用定位算法進(jìn)行位置計(jì)算。該定位技術(shù)可應(yīng)用于各種移動(dòng)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(kuò)頻方式將信號(hào)頻譜擴(kuò)展到很寬的范圍，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗多徑能力。CDMA屬非功率敏感系統(tǒng)，信號(hào)衰減對(duì)時(shí)間測(cè)量的精度影響較小。

　　TDOA由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測(cè)量定位參數(shù)并進(jìn)行定位計(jì)算，不需要終端的參與。增強(qiáng)型前向鏈路三角定位(E-FLT)技術(shù)由終端測(cè)量定位參數(shù)，再送回網(wǎng)絡(luò)完成定位計(jì)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(shí)間差參數(shù)測(cè)量，根據(jù)需要由終端或網(wǎng)絡(luò)完成定位計(jì)算，前者是針對(duì)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(shí)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(shí)精度的影響。無論基于終端還是基于網(wǎng)絡(luò)，基站之間都必須嚴(yán)格同步，確保系統(tǒng)本身的定時(shí)誤差不會(huì)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(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，能保證基站的定時(shí)精度。GSM/GPRS和WCDMA屬于異步網(wǎng)絡(luò)，必須在每個(gè)基站增加高精度和高穩(wěn)定性的定時(shí)單元(原子種或GPS時(shí)鐘)，或在基站之間增加定時(shí)單元LMU實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘統(tǒng)一。另外，在CDMA系統(tǒng)中，通過時(shí)差實(shí)現(xiàn)定位的系統(tǒng)都受"可測(cè)性"的影響，其中反向功率控制會(huì)嚴(yán)重影響TDOA的定位，前向功率控制對(duì)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(yīng)用。使用GPS設(shè)備的重要前提之一是接受機(jī)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(hào)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(kuò)大了GPS的覆蓋范圍，A-GPS可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(yīng)時(shí)間明顯快于傳統(tǒng)的GPS。GPS定位的初始捕獲時(shí)間較長，通常為30s-15min，這取決于衛(wèi)星與終端相對(duì)位置，A-GPS則可將初始捕獲時(shí)間減少到5-10s。A-GPS技術(shù)系統(tǒng)的兼容性很強(qiáng)，若在網(wǎng)絡(luò)中增加GPS功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)基本的定位功能。定位過程的實(shí)現(xiàn)與空中接口標(biāo)準(zhǔn)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(luò)提供定位服務(wù)。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(jìn)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(dòng)通信系統(tǒng)提供定位服務(wù)的主要技術(shù)手段。

　　2.4 FingerPrint(FPT)技術(shù)

　　FPT又稱射頻信號(hào)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(guān)的特定模式多徑信號(hào)�；�站天線陣列檢測(cè)信號(hào)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(yù)先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的模式進(jìn)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(yīng)(NLOS)影響，系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單。但FPT技術(shù)實(shí)施的高度復(fù)雜性是推廣應(yīng)用的最大障礙，因?yàn)樵贔PT定位系統(tǒng)投入實(shí)際使用前，必須建立龐大完整的位置指紋數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)記錄城市每個(gè)可分辯最小區(qū)域的特征，并保持與城市建設(shè)同步更新，以保證指紋樣本的有效性、可靠性和準(zhǔn)確性，所以該項(xiàng)技術(shù)尚處于試運(yùn)行階段，沒有大規(guī)模應(yīng)用。

　　2.5 到達(dá)角交匯定位(AOA)技術(shù)

　　該技術(shù)在兩個(gè)以上的位置點(diǎn)設(shè)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(hào)角度信息，然后通過交匯法估計(jì)終端的位置。它只需利用兩個(gè)天線陣列就能完成目標(biāo)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(duì)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(yù)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(yīng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜和設(shè)備成本的問題，尚未廣泛應(yīng)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(yīng)用。

　　3 移動(dòng)定位解決方案

　　要在蜂窩網(wǎng)建立能提供位置服務(wù)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(shí)現(xiàn)位置信息傳輸、管理和處理的功能實(shí)體及與服務(wù)提供商的軟硬件接口。完整的位置服務(wù)解決方案應(yīng)建立在定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，是能開展定位增值業(yè)務(wù)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(dòng)定位中心(SMLC)，CDMA規(guī)范中稱為定位實(shí)體(PDE),SMLC/PDE與多個(gè)定位單元(LMU)連接，獲得定位參數(shù)并計(jì)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(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)(GMLC),CDMA規(guī)范中稱為移動(dòng)定位中心(MPC)，通過標(biāo)準(zhǔn)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(wù)或有定位需求的實(shí)體進(jìn)行處理；(3)基于位置信息的應(yīng)用服務(wù)：即定位服務(wù)客戶機(jī)(LCS Clients)，主要與GMLC或MPC連接，提供基于位置信息的各種服務(wù)；(4)業(yè)務(wù)承載平臺(tái):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(guān)地理信息及相應(yīng)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(biāo)衡量定位方案：(1)提供完整的端到端位置服務(wù)能力；(2)對(duì)未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的升級(jí)能力，包括核心網(wǎng)的接口升級(jí)能力及空中接口標(biāo)準(zhǔn)的兼容能力；(3)對(duì)定位技術(shù)的支持能力、定位精度及定位響應(yīng)時(shí)間；(4)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺(tái)的集成能力；(5)系統(tǒng)對(duì)未來業(yè)務(wù)的適應(yīng)能力；(6)系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；(7)系統(tǒng)成本；(8)對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。

　　目前市場(chǎng)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(shè)備制造經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)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(dòng)定位解決方案。典型的定位平臺(tái)有諾基亞移動(dòng)定位平臺(tái)mCatch/mPosition、愛立信移動(dòng)定位系統(tǒng)MPS及西門子公司位置服務(wù)平臺(tái)LR2.0。

　　4 結(jié)論

　　蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善、移動(dòng)終端功能的增強(qiáng)、互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的豐富及無線應(yīng)用的推廣正在充實(shí)人們的日常生活，也逐漸改變?nèi)藗兊纳�活方式和消費(fèi)習(xí)慣。作為未來移動(dòng)數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用之一，基于位置信息的移動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用因能提供個(gè)性化服務(wù)，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(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多種空中接口標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)狀及無線電波傳播環(huán)境的復(fù)雜性都增加了實(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端影響最小的定位技術(shù)仍是蜂窩定位研究領(lǐng)域的重要課題。