移動(dòng)定位：3G時(shí)起飛

張峻峰



　　盡管已經(jīng)有移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商推出了基于2.5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的移動(dòng)定位服務(wù)，但是，目前的服務(wù)種類尚嫌單一，范圍仍不普及。3G WCDMA將成為移動(dòng)定位服務(wù)更大規(guī)模開(kāi)展的更理想平臺(tái)。



　　移動(dòng)定位與位置服務(wù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域相當(dāng)具有吸引力的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也是最被業(yè)界看好的3G增值業(yè)務(wù)之一，對(duì)于豐富無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場(chǎng)和增加運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)收入來(lái)說(shuō)十分重要。3G WCDMA系統(tǒng)融合了話音、多媒體等多種業(yè)務(wù)，其中的定位服務(wù)功能相當(dāng)強(qiáng)大，可通過(guò)多種定位技術(shù)，提供不同等級(jí)、不同精度的定位服務(wù)，充分滿足各方面的需求。人們相信，移動(dòng)定位服務(wù)將伴隨3G的上馬真正起飛。



移動(dòng)定位技術(shù)的三條路線



　　WCDMA系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位主要包括兩個(gè)步驟：信號(hào)測(cè)量和基于測(cè)量的定位估計(jì)計(jì)算。其中，信號(hào)測(cè)量可以在用戶終端(UE)、Node B和定位測(cè)量單元(LMU)中進(jìn)行，所測(cè)量的信號(hào)為通用陸地?zé)o線接入(UTRA) 無(wú)線發(fā)射信號(hào)，也可能包括其他的通用無(wú)線導(dǎo)航信號(hào)，定位功能不局限于一種定位方法或單個(gè)信息的測(cè)量，這樣可以提高定位精度；定位估計(jì)計(jì)算可以在用戶終端(UE)或通用移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)（如業(yè)務(wù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器）中進(jìn)行。



　　WCDMA系統(tǒng)移動(dòng)定位技術(shù)主要有三種: 基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法、OTDOA-IPDL定位法、網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法。此外，UE也可以脫離網(wǎng)絡(luò)支持，直接由機(jī)載GPS進(jìn)行定位。



　　無(wú)線通信設(shè)備定位策略應(yīng)根據(jù)用戶的實(shí)際定位精度需求選擇相應(yīng)的定位方式，基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法和網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位方法是比較可行的方法。OTDOA-IPDL定位法目前要進(jìn)一步解決的問(wèn)題是如何優(yōu)化定位技術(shù)的關(guān)鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無(wú)線因素的影響以提高定位的精度。目前第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織正在不斷完善OTDOA-IPDL定位技術(shù)。



1. 基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法



　　在基于小區(qū)標(biāo)識(shí)(或稱小區(qū)覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據(jù)Node B的小區(qū)標(biāo)識(shí)估計(jì)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)和小區(qū)信息通過(guò)尋呼、位置更新、小區(qū)更新、用戶注冊(cè)區(qū)(URA)或路由區(qū)域更新獲得，然后將小區(qū)標(biāo)識(shí)映射為具體的地理位置。當(dāng)?shù)乩碜鴺?biāo)用做定位信息時(shí)，UE的估計(jì)位置可以是業(yè)務(wù)小區(qū)內(nèi)確定的地理位置(如服務(wù)Node B的位置)、業(yè)務(wù)小區(qū)覆蓋區(qū)的地理中心或小區(qū)覆蓋區(qū)內(nèi)其他固定位置。定位信息必須包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)估計(jì)。



　　為了提高基于小區(qū)標(biāo)識(shí)(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過(guò)測(cè)量往返時(shí)間(RTT)來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。



2. OTDOA-IPDL定位法



　　觀察到達(dá)時(shí)間差(OTDOA)是通過(guò)測(cè)量電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)的傳播時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。初步測(cè)量通過(guò)UE接收的下行鏈路公共導(dǎo)頻信道的到達(dá)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)。3個(gè)基站形成的平面上，一點(diǎn)到兩個(gè)固定點(diǎn)的距離差如為定值時(shí)，該點(diǎn)必定在一條雙曲線上，兩條這樣的雙曲線的交點(diǎn)便可得到移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖1 所示。通過(guò)測(cè)量得到的移動(dòng)臺(tái)到多個(gè)基站距離的延時(shí)差后，移動(dòng)臺(tái)的位置便可以由兩條雙曲線的交點(diǎn)得到。






　　延時(shí)估計(jì)的算法可使用最大似然估計(jì)、自相關(guān)估計(jì)和周期相關(guān)估計(jì)等方法得到。不同位置估計(jì)的精度取決于時(shí)間測(cè)量的精度和基站的相對(duì)位置(基站位置的幾何關(guān)系會(huì)影響位置估計(jì)的精度，當(dāng)基站等距離環(huán)繞UE時(shí)結(jié)果最佳)，同時(shí)還受到多徑傳播的影響。



　　CDMA無(wú)線系統(tǒng)的一個(gè)基本問(wèn)題就是當(dāng)終端距離服務(wù)基站很近時(shí)，接收其他同頻基站信號(hào)能力差。為了實(shí)現(xiàn)定位計(jì)算，UE必須接收到至少3個(gè)基站的信號(hào)。解決可聽(tīng)性問(wèn)題的方法是基站指定下行空閑周期(IPDL)，使每個(gè)基站在某一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)停止發(fā)射。在空閑周期期間，小區(qū)內(nèi)的終端可以測(cè)量其他基站的導(dǎo)頻信號(hào)，從而提高服務(wù)基站內(nèi)UE測(cè)量其他同頻基站信號(hào)的能力。IPDL時(shí)間長(zhǎng)度是可變的，但不能超過(guò)公共導(dǎo)頻信道(CPICH)的一個(gè)時(shí)隙，通常在5～10個(gè)CPICH符號(hào)之間。



定義IPDL周期有兩種類型：



一、連續(xù)模式：每一下行幀有一個(gè)空閑周期。



小貼士：什么是移動(dòng)定位？



　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們希望隨時(shí)隨地獲取所在位置信息和相關(guān)服務(wù)的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，移動(dòng)定位技術(shù)就是這樣一項(xiàng)應(yīng)運(yùn)而生的新興技術(shù)。



　　移動(dòng)定位是通過(guò)移動(dòng)終端和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的配合，確定移動(dòng)用戶的地理位置，從而提供用戶需要的與位置相關(guān)的服務(wù)或信息。從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，定位業(yè)務(wù)就是一種特殊的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。



二、突發(fā)模式：在每一個(gè)IP間隔幀有一個(gè)空閑周期(IP間隔與業(yè)務(wù)負(fù)載和容量有關(guān)，如果IP間隔幀為10幀，那么每100 ms就有一個(gè)IPDL)。



突發(fā)模式的定時(shí)關(guān)系如圖2所示。






圖2 下行空閑周期突發(fā)模式定時(shí)關(guān)系


IPDL發(fā)生的時(shí)刻由突發(fā)幀的位置和對(duì)應(yīng)幀中的時(shí)隙位置決定。



　　從突發(fā)幀系統(tǒng)幀號(hào)和時(shí)隙位置的關(guān)系可知：突發(fā)模式時(shí)隙位置是0～14之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。IPDL方法的引入是對(duì)OTDOA方法的改進(jìn)，解決了檢測(cè)多個(gè)基站信號(hào)的問(wèn)題。



3. 網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法



　　為了推動(dòng)GSM、WCDMA系統(tǒng)間的“無(wú)縫”定位業(yè)務(wù)，3GPP定位標(biāo)準(zhǔn)支持基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的網(wǎng)絡(luò)輔助定位方法。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS方法依靠UE GPS接收處理部分和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收處理部分的信令交互完成UE位置定位。GPS參考接收處理部分可以和UTRAN連接校正UE測(cè)量信息。網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位法根據(jù)定位計(jì)算的位置不同，可以分為基于UE和UE輔助兩種定位類型�；�于UE的定位方法在UE內(nèi)部配有功能完善的GPS接收處理部分，定位計(jì)算在UE側(cè)完成。UE輔助的定位方法是將UE側(cè)的GPS處理單元功能簡(jiǎn)化，以減小UE的復(fù)雜度，主要功能是進(jìn)行碼相位測(cè)量，然后通過(guò)高層信令發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位單元處理模塊以進(jìn)行UE的位置估計(jì)。



　　GPS定義方法依賴復(fù)雜度降低的UE GPS接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收機(jī)間的連續(xù)信令交互運(yùn)作完成，該方法能使以下一些性能得到改善：



　　降低UE GPS的啟動(dòng)和接收次數(shù)，使搜索窗口受限，測(cè)量速度大大加快；



　　增加UE GPS的靈敏度，通過(guò)UTRAN獲得的定位輔助信息使UE GPS可以在低信噪比不能解調(diào)UE GPS信息的情況下工作；



　　由于GPS可以在不用時(shí)處于待機(jī)方式，使UE比單GPS方式耗電少。



　　GPS定位方法由獨(dú)立GPS接收機(jī)來(lái)測(cè)量偽隨機(jī)相位等信息，并通過(guò)定時(shí)校正過(guò)程降低由衛(wèi)星時(shí)鐘、定位模型、電離層時(shí)延、對(duì)流層時(shí)延和可選擇的有效性等帶來(lái)的定位誤差。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS關(guān)鍵流程如圖3所示。






下面以UE輔助定位方法為例說(shuō)明定位步驟：



　　(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請(qǐng)求，SRNC根據(jù)UE和網(wǎng)絡(luò)的定位能力結(jié)合定位請(qǐng)求確定定位方法。SRNC在這里作為核心網(wǎng)和UTRAN中UE位置定位實(shí)體的接口。






　　(2)系統(tǒng)進(jìn)行定位測(cè)量單元(LMU)更新、往返時(shí)間(RTT)測(cè)量，然后根據(jù)UE能力，SRNC發(fā)送特定的GPS輔助定位信息至UE，包括GPS參考時(shí)間、衛(wèi)星ID、多普勒頻移、搜索窗以及窗口中心、星歷表和時(shí)鐘校準(zhǔn)等信息。



　　(3)SRNC發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求給UE，要求測(cè)量GPS衛(wèi)星碼相位和相關(guān)的其他信息，如SFN-SFN觀測(cè)時(shí)間差和接收-發(fā)射時(shí)間差，UE執(zhí)行測(cè)量過(guò)程并將測(cè)量結(jié)果發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)側(cè)。



　　(4)根據(jù)獲得信息，SRNC進(jìn)行UE位置計(jì)算，如果獲取的位置信息不足以進(jìn)行UE位置定位，則重復(fù)進(jìn)行步驟2。



　　(5)SRNC發(fā)送位置估計(jì)結(jié)果給核心網(wǎng)。



　　需要說(shuō)明的是，對(duì)于具體的定位流程，不同的實(shí)際系統(tǒng)會(huì)有一定的變化。



3G時(shí)代的移動(dòng)定位



　　從目前可能的應(yīng)用來(lái)看，移動(dòng)定位服務(wù)主要包括以下幾類：



● 救援服務(wù)：緊急醫(yī)療、緊急報(bào)警服務(wù)等；



● 基于位置的信息服務(wù)：黃頁(yè)、交通信息、天氣信息、導(dǎo)航信息、導(dǎo)游服務(wù)等；



● 基于位置觸發(fā)的服務(wù)：基于位置的管理信息和計(jì)費(fèi)等；



● 跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)：車輛調(diào)度/跟蹤/監(jiān)控/防盜、物資跟蹤、老人兒童監(jiān)護(hù)服務(wù)等。



1. 救援服務(wù)



　　救援服務(wù)是移動(dòng)定位服務(wù)最早衍生的服務(wù)項(xiàng)目，如美國(guó)的E-911系統(tǒng)，可以在用戶需要緊急求救的時(shí)候獲得精確的定位信息，以便政府公務(wù)人員施以及時(shí)援救。



2. 基于位置的信息服務(wù)



　　基于位置的信息業(yè)務(wù)允許用戶根據(jù)其當(dāng)前所處的位置進(jìn)行內(nèi)容裁剪的信息服務(wù),包括:自定位服務(wù)(“我在哪兒?”)、本地黃頁(yè)、導(dǎo)游服務(wù)、酒店查找服務(wù)(查找合適的旅館、餐館) 、路邊救援服務(wù)、交通信息服務(wù)(如駕車時(shí)實(shí)時(shí)指引前進(jìn)方向)�；�于位置的信息業(yè)務(wù)承載方式主要有三種:短消息、話音、補(bǔ)充業(yè)務(wù)。



3. 基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)



　　基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)最典型的應(yīng)用如計(jì)費(fèi)業(yè)務(wù)，允許用戶的費(fèi)率和用戶當(dāng)前所在的位置有關(guān), 這些位置是用戶日常生活、工作所在的區(qū)域, 只要用戶簽約了這些區(qū)域, 在這些區(qū)域中就可以得到優(yōu)惠的費(fèi)率。該業(yè)務(wù)可以向單個(gè)用戶開(kāi)放, 也可以向商務(wù)集團(tuán)用戶開(kāi)放。



4. 跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)



　　跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)允許管理者跟蹤某個(gè)成員的位置和狀態(tài)。成員可以通過(guò)操作碼主動(dòng)向管理者通報(bào)位置信息。管理者可通過(guò)業(yè)務(wù)操作增加和刪除成員。典型的應(yīng)用包括: 出租車公司跟蹤車輛的位置、父母了解子女的位置、子女了解老人的位置、雇主跟蹤他的雇員的位置等。



　　跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)承載方式有如下幾種: 短消息、話音查詢、網(wǎng)站查詢、電子地圖顯示。短消息承載方式是管理者發(fā)起短消息來(lái)查詢手機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)；話音查詢承載方式是用接入碼將呼叫接續(xù)到交互式語(yǔ)音響應(yīng)系統(tǒng)或?qū)⒑艚薪永m(xù)到話務(wù)員, 查得用戶位置信息后語(yǔ)音通知管理者；網(wǎng)站查詢承載方式是業(yè)務(wù)由網(wǎng)站運(yùn)營(yíng), 需要制訂網(wǎng)站到定位服務(wù)器之間的位置請(qǐng)求接口；電子地圖顯示承載方式是在定位服務(wù)器查詢位置信息之后, 發(fā)送到網(wǎng)站, 由網(wǎng)站和手機(jī)建立連接下載電子地圖, 該方式需要制訂網(wǎng)站和手機(jī)之間的接口。




摘自　計(jì)算機(jī)世界報(bào)