淺析蜂窩定位技術(shù)及位置服務(wù)

李蕾，于華楠，姜元清



�おふ� 要：在著重分析了TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)及A�睪PS(Assistant�睪lobal Positioning System)定位技術(shù)的同時對其它幾種蜂窩定位技術(shù)的特點，并進(jìn)行了討論，進(jìn)一步闡述了基于蜂窩定位技術(shù)的位置服務(wù)及實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。


�りP(guān)鍵詞：定位技術(shù)；定位精度;位置服務(wù)



　　隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，無線蜂窩網(wǎng)的覆蓋面越來越廣，移動電話普及率也越來越高，移動電話發(fā)起的緊急呼叫數(shù)量在全部緊急呼叫中所占的比例也隨之上升。而現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)能為移動用戶提供的輔助決策信息非常少，調(diào)查表明，約有25%的移動用戶在發(fā)起緊急呼叫時不知道自己所處的確切位置，這對及時合理地處警帶來很多限制。因此，美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)定到2001年10月1日以前，各種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須能對撥打911報警的移動電話提供精度在125?m內(nèi)的定位服務(wù)，而且滿足此定位精度的概率應(yīng)不低于67%；并在2001年以后，提供更高的定位精度及三維位置信息。位置服務(wù)正是在這一發(fā)展機(jī)遇下，作為移動通信網(wǎng)提供的一種增值業(yè)務(wù)而興起的。它通過一定的技術(shù)，得到用戶的位置信息，提供給該用戶本人或通信系統(tǒng)，或者提供給其它請求得到該用戶位置的機(jī)構(gòu)或個人。目前，它在緊急救援、汽車導(dǎo)航、智能交通、蜂窩系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等方面發(fā)揮著重要作用。��



1定位技術(shù)��


1.1基于電波傳播時間(TOA)的定位


　　如果移動臺MS和基站BS處于可視的范圍內(nèi)，則其間的距離di為







　　其中c為光速，Δt為無線電信號在MS和BSi之間的傳播時延。當(dāng)MS至少與三個BS的傳播時延已知時，就可計算出MS的位置(見圖1)。當(dāng)移動臺MS與BS間不處于直視范圍，則對MS位置的估計會產(chǎn)生誤差，即圖中的圓弧不能相交于一點。如此可采用MS位置與TOA圓弧間的距離為均方誤差最小的方法。如果有多于3個的TOA測量結(jié)果，則精度可以提高。��


1.2基于電波到達(dá)時差(TDOA)法��







　　本方法是基于收到不同基站BS的信號的時差。


　　如果MS收到相鄰BS1和BS2的信號的時間差為Δt，如果這時MS與BS處于可視范圍內(nèi)，則MS的位置在一條雙曲線上(見圖2)。


(d1-d2)=cΔt


　　其中d1為MS到BS1的距離，d2為MS到BS2的距離，c為光速，采用三個不同的基站可以測到兩個TDOA(到達(dá)時差)，移動站位于兩個TDOA決定的雙曲線的交點上。與TOA法相似，TDOA法的定位方法可以采用移動站MS到雙曲線距離均方誤差最小的算法，條件是有兩個以上的TDOA值可以用來計算。


　　TDOA法與TOA法比較優(yōu)點之一是：當(dāng)計算TDOA值時，計算誤差對所有的基站是相同的且其和為零，這些誤差包括公共的多徑時延和同步誤差。��


1.3到達(dá)角度(AOA)法


　　該方法是假定基站可以測量出移動臺發(fā)射信號到達(dá)基站的角度。如果移動臺和基站處于視距范圍，則AOA方法可以采用，這時移動臺位于兩個到達(dá)射線的交點(見圖3)。實際上，與TOA法和TDOA法相似，采用AOA方法也會產(chǎn)生誤差，AOA的誤差范圍決定了移動用戶定位誤差的大小。由于多徑傳播可使測量產(chǎn)生很大誤差，在市區(qū)采用AOA法定位，誤差尤為嚴(yán)重，這種定位方法要求基站配備能夠測量到達(dá)角大小的天線。


　　另外，還可采用到達(dá)角與到達(dá)時間相結(jié)合的定位法，即基站可以同時測量到用戶的AOA和TOA，則AOA的角度數(shù)值所指的直線與到達(dá)時間確定的圓周，兩者交點的位置就可用來確定用戶的位置。此法的主要優(yōu)點是基站與移動用戶間只進(jìn)行一次測量。缺點與AOA法相同。



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1.4網(wǎng)絡(luò)輔助GPS(A�睪PS)


　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美國于上世紀(jì)70年代出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也是目前最為傳統(tǒng)的定位技術(shù)。GPS系統(tǒng)由三大部分組成：GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS接收機(jī)。GPS衛(wèi)星發(fā)給用戶有關(guān)衛(wèi)星本身座標(biāo)位置的數(shù)據(jù)，GPS接收機(jī)便可根據(jù)三顆衛(wèi)星發(fā)給的數(shù)據(jù)計算出自己的位置數(shù)據(jù)，對于移動車輛，則需要第四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以配合計算出移動車輛的移動速度與運動方向。盡管GPS定位精度較高，在天空晴朗時，可以獲得5～40?m的精度。但直接在移動終端或手機(jī)上安裝GPS接收機(jī)芯片不太適宜，因為：


　　(1)縮小GPS天線安裝到移動終端或手機(jī)中是困難的；


　　(2)首次定位需要很長時間，需要30?s到幾分鐘，這對類似E��911的緊急業(yè)務(wù)是不允許的；


　　(3)GPS的信號較弱，抗遮蔽性不好；


　　(4)GPS接收機(jī)為了接收到適當(dāng)?shù)男盘�，功率消耗較大。


　　利用A�睪PS技術(shù)，可以很好地解決這些問題。其基本原理是建立一GPS參考網(wǎng)絡(luò)，參考網(wǎng)絡(luò)中的接收機(jī)可以連續(xù)很好地接收GPS衛(wèi)星信號，實時監(jiān)視各種衛(wèi)星信息。該參考網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動通信系統(tǒng)相連，在定位時將監(jiān)測到的各種衛(wèi)星信息傳送給終端GPS接收機(jī)，以加快首次定位時間、減少搜索時間、提高接收靈敏度等。由于它在精度和響應(yīng)時間方面都占有優(yōu)勢，因此應(yīng)用很廣泛。它除了要對MS改進(jìn)外，無需對現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)做任何改動，只需在MS與特定的應(yīng)用中心之間建立數(shù)據(jù)鏈路，就可以進(jìn)行GPS定位信息與控制信息的傳送，實現(xiàn)各種應(yīng)用功能。��


1.5COO(Cell of Origin)定位


　　該技術(shù)是根據(jù)移動臺所處的小區(qū)ID號來確定用戶的位置。移動臺所處的小區(qū)ID號是網(wǎng)絡(luò)中已有的信息，移動臺在當(dāng)前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存中就會將該移動臺與該小區(qū)ID號對應(yīng)起來�？梢奀OO定位無須網(wǎng)絡(luò)和移動臺做任何調(diào)整，可以為現(xiàn)有的無線用戶提供粗定位，定位精度取決小區(qū)半徑。在城市商業(yè)區(qū)，由于常采用多層小區(qū)結(jié)構(gòu)，定位精度可以達(dá)到50m甚至更小，故COO定位基本能夠滿足要求。美國E��911無線定位呼叫的第一階段采用的就是COO定位技術(shù)。��


1.6七號信令定位


　　該技術(shù)以信令監(jiān)測為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)中特定的信令過程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過程進(jìn)行過濾和分析，并將監(jiān)測結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實現(xiàn)對特定用戶的個性化服務(wù)。該項技術(shù)通過對信令進(jìn)行實時監(jiān)測，可定位到一個小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故適用對定位精確度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計服務(wù)、平安報信和貨物跟蹤等。目前，國內(nèi)各省和地區(qū)移動公司的短信歡迎系統(tǒng)采用的就是此種技術(shù)。��


2位置服務(wù)的關(guān)鍵問題��


2.1定位技術(shù)的選擇


　　總體上，蜂窩系統(tǒng)中的定位技術(shù)有多種，根據(jù)定位參數(shù)測量和定位計算在何設(shè)備進(jìn)行而分為基于終端的定位技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的方式以及兩者的混合方式。由此涉及如何選擇定位技術(shù)問題。


　　如采用基于終端的定位技術(shù)(如A�睪PS),因定位功能位于終端或SIM(用戶識別模塊)卡中，用戶想要享受基于位置的業(yè)務(wù)需要更換手持終端或SIM卡。據(jù)市場調(diào)查，全網(wǎng)內(nèi)所有用戶更換終端或SIM卡的周期大約為4年到5年。


　　如采用基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)(如TOA、TDOA、AOA)，因定位功能位于網(wǎng)絡(luò)端，由網(wǎng)絡(luò)本身采集移動終端各種參數(shù)進(jìn)行定位計算，則不需要移動用戶更換手機(jī)或SIM卡或改動較小，在全網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)100%的業(yè)務(wù)覆蓋的時間較短。


　　而采用混合定位技術(shù)，即綜合上述定位技術(shù)中的兩種或多種方法在一個系統(tǒng)中。如綜合AOA和TDOA，因充分利用了信號的到達(dá)角和到達(dá)基站的時間差，因此具有較高的準(zhǔn)確度。��


2.2地理位置信息庫(GIS)


　　如何在200～500?m的范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確和有價值的信息是位置服務(wù)的關(guān)鍵問題。這就要求有強(qiáng)大的、準(zhǔn)確的和內(nèi)容豐富的面向用戶的城市GIS地理位置信息庫做支持。��


2.3漫游問題


　　位置服務(wù)的重要特征就是空間的變換，只有變換了空間，才會有強(qiáng)烈的查詢陌生位置信息的要求。因此查詢位置信息主要面向的用戶肯定是非本地區(qū)的用戶。解決漫游問題，使用全網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使漫游用戶使用這項業(yè)務(wù)就像打電話一樣方便是推廣位置服務(wù)的關(guān)鍵。這就要求在全國范圍內(nèi)建立一套完整的定位業(yè)務(wù)平臺，以提供及時的全國性的位置信息。��


2.4其它問題


　　在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，非視距(NLOS)傳播、多徑效應(yīng)和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無線定位研究的關(guān)鍵。再者用戶的隱私權(quán)也是用戶非常關(guān)心的問題，因此在開展定位服務(wù)業(yè)務(wù)時應(yīng)能確保用戶在移動終端上通過設(shè)置，對自己的位置信息是否開放進(jìn)行選擇，而不應(yīng)由SP或移動公司的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。��


3位置服務(wù)業(yè)務(wù)


　　隨著蜂窩移動電話定位技術(shù)的發(fā)展，為用戶提供了更多、更有益的業(yè)務(wù)，同時也為移動通信運營商開辟了廣大的市場，創(chuàng)造了無限的商機(jī)。位置服務(wù)，已經(jīng)成為一種新的移動增值業(yè)務(wù)。其業(yè)務(wù)主要包括以下幾個方面：��


3.1應(yīng)急救援系統(tǒng)


　　用戶在不知道自己位置的情況下，只要其手機(jī)支持位置服務(wù)，用戶在撥打救援中心的電話(如中國的110、美國的911、日本的411電話)后，移動通信網(wǎng)絡(luò)就會在將該緊急呼叫發(fā)送到救援中心的同時，啟動支持位置服務(wù)的網(wǎng)元，得到用戶的具體位置，將該位置信息和用戶的評閱信息一并傳送給救援中心。救援中心接到呼叫后，根據(jù)得到的位置信息，就能快速、高效地開展救援行動，大大提高了救援的成功率。��


3.2移動終端防盜打管理


　　移動電話的盜打，即盜取合法移動電話的特殊識別號碼復(fù)制移動電話可以享有與合法移動電話同樣的使用權(quán)利。據(jù)估計，世界電信運營部門每年由于移動電話盜打造成的收入流失和防止移動電話盜打所付出的開支高達(dá)數(shù)十億美元。采用移動電話定位技術(shù)可以有效的監(jiān)測和制止盜打。電信運營部門在發(fā)現(xiàn)盜打號碼后，可以不必禁止移動電話使用，而利用無線網(wǎng)絡(luò)自己記錄盜打的準(zhǔn)確時間和地點。為司法機(jī)關(guān)破案提供有力的證據(jù)。��


3.3信息查詢業(yè)務(wù)


　　用戶可以利用互聯(lián)網(wǎng)的黃頁查詢功能查詢自己所在區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)信息。包括附近有哪些飯店、商場、天氣情況、附近各公司的電話號碼、所在位置等等。移動網(wǎng)絡(luò)首先定位出用戶所處的位置，然后再在互聯(lián)網(wǎng)提供的信息中節(jié)選出用戶所在地的相關(guān)信息供用戶查詢。這種移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與位置服務(wù)相結(jié)合的應(yīng)用，大大充實了移動互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)內(nèi)涵，讓人們更真實地感受到移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的全新生活。


3.4車輛導(dǎo)航和智能交通系統(tǒng)


　　移動通信網(wǎng)提供的位置服務(wù)能滿足山區(qū)和城市商業(yè)區(qū)的車輛導(dǎo)航和跟蹤，只要為每一輛或每一列需要導(dǎo)航的汽車或列車安裝一個移動車載臺，并提供較好的基站覆蓋。結(jié)合電子地圖技術(shù)，將很容易實現(xiàn)車輛自動定位、調(diào)度和管理、監(jiān)測交通事故和疏導(dǎo)交通等功能。


3.5其它業(yè)務(wù)


　　大宗貨物的存放和管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、地圖業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程通訊處理、基于位置的靈活計費等等業(yè)務(wù)也是位置服務(wù)包括的內(nèi)容。��


4結(jié)束語


　　綜上所述，隨著對應(yīng)位置服務(wù)的需求增加，位置服務(wù)的開發(fā)和推廣越來越受到人們的重視�；�于蜂窩系統(tǒng)的無線定位技術(shù)在理論和實踐中取得較大進(jìn)展，但仍面臨著很多新的問題。尤其在即將商用化的第三代移動通信系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)高精度的定位，并將定位業(yè)務(wù)集成到網(wǎng)絡(luò)中，已成為發(fā)展位置服務(wù)的一個嶄新課題。��



摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)