WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的位置業(yè)務

中國電信集團北京研究院 余旻暉 邢燕霞



　　摘要 本文主要介紹WCDMA系統(tǒng)中的位置業(yè)務，包括三種定位技術(shù)的原理和特點、核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接口以及位置業(yè)務的應用介紹。



　　關(guān)鍵詞： LCS CELL ID OTDOA A-GPS 位置業(yè)務



1、前言



　　移動通信領(lǐng)域是近年來競爭最激烈的行業(yè)之一，運營商越來越需要差異性的業(yè)務來提高競爭力，LCS業(yè)務（LoCation Services，位置業(yè)務）是被普遍看好的一種移動增值業(yè)務。根據(jù)Strategics Group的預測，2004年在美國基于位置的業(yè)務的收入將達到3.6億美元。所謂位置業(yè)務是指利用定位技術(shù)確定移動終端的位置，并據(jù)此提供各種基于位置的應用的增值業(yè)務。目前2G系統(tǒng)中已經(jīng)可以提供簡單的基于位置的服務，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的商用進程的加快，位置業(yè)務將可以依托3G網(wǎng)絡(luò)的寬帶、高速的特性，變得更加豐富多彩。下面將具體介紹在WCDMA系統(tǒng)中位置業(yè)務的實現(xiàn)方法。



2、定位技術(shù)



　　WCDMA R99規(guī)范中定義了三種定位技術(shù)：基于CELL ID（小區(qū)識別）的定位技術(shù)、OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位技術(shù)，下面分別對幾種技術(shù)進行介紹。



2．1 基于CELL ID的定位技術(shù)



　　這是一種最基本的定位方法，適用于所有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。它不需要移動臺提供任何定位測量信息，也無須對現(xiàn)網(wǎng)進行改動，只需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加簡單的定位流程處理即可，因而最容易實現(xiàn)，目前這種定位技術(shù)已經(jīng)在各移動網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。它的定位原理很簡單：網(wǎng)絡(luò)根據(jù)移動臺當前的服務基站的位置和小區(qū)覆蓋來定位移動臺。若小區(qū)為全向小區(qū)，則移動臺的位置是以服務基站為中心，半徑為小區(qū)覆蓋半徑的一個圓內(nèi)；若小區(qū)分扇區(qū)，則可以進一步確定移動臺處于某扇區(qū)覆蓋的范圍內(nèi)。



　　顯而易見，這種定位方法的精度完全取決于移動臺所處小區(qū)的大小，從幾百米到幾十公里不等。在農(nóng)村地區(qū)，小區(qū)的覆蓋范圍很大，所以CELL-ID的定位精度很差。而城區(qū)環(huán)境的小區(qū)覆蓋范圍較小，一般小區(qū)半徑在1~2km，對于繁華的城區(qū)，有可能采用微蜂窩，小區(qū)半徑可能到幾百米，此時CELL-ID的定位精度將相應提高為幾百米。



　　由于CELL-ID定位不需要移動臺的定位測量，并且空中接口的定位信令傳輸很少，所以定位響應時間較短，一般在3s以內(nèi)。



2．2 OTDOA技術(shù)



　　OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）是一種應用于3G網(wǎng)絡(luò)下的定位方式。在GSM網(wǎng)絡(luò)中也有類似的定位方法，稱為E-OTD（Enhanced Observed Time Difference ）。該方法的原理如圖1所示。







　　這種定位方法的基本原理是：移動臺測量不同基站的下行導頻信號，得到不同基站下行導頻的TOA（Time o f Arrival，到達時刻），即所謂的導頻相位測量。根據(jù)該測量結(jié)果并結(jié)合基站的坐標，采用合適的位置估計算法，就能夠計算出移動臺的位置。如圖，假定以a基站為參考，根據(jù)移動臺提供的導頻相位測量結(jié)果，能夠得到b基站相對于a基站的下行導頻信號接收時間差，記為TDOAab，乘以光速就能夠得到a基站與b基站達到移動臺的傳播距離差，從而能夠以a基站和b基站為基準得到雙曲面。同樣，根據(jù)TDOAac能夠得到以a基站和c基站為基準的另一雙曲面。兩個雙曲面的交界就是移動臺的位置。實際的位置估計算法需要考慮多基站（3個或3個以上）定位的情況，因此算法要復雜很多。一般而言，移動臺測量的基站數(shù)目越多，測量精度越高，定位性能改善越明顯。



　　使用這種方法，需要移動臺索測量的基站同時發(fā)出下行導頻信號。因此，網(wǎng)絡(luò)中的所有基站必須實現(xiàn)時間同步。一般可通過在基站安裝GPS接收機或連接到時間同步網(wǎng)來實現(xiàn)基站的同步。



　　OTDOA的定位精度相比CELL ID方法要高，但它的精度受到環(huán)境的影響，在郊區(qū)和農(nóng)村可以將移動臺定位在10－20米范圍內(nèi)；在城區(qū)由于高大建筑物較多，電波傳播環(huán)境不好，信號很難直接從基站到達移動臺，一般要經(jīng)過折射或反射，下行導頻信號的TOA也就出現(xiàn)了誤差，因此定位精度會受到影響，定位范圍約為100－200米。一般情況OTDOA定位響應時間在3~6s左右。



2．3 網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位



　　A-GPS（Assisted Global Positioning Systems）是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位的簡稱，這種方法需要網(wǎng)絡(luò)和移動臺都能夠接收GPS信息。它的基本原理是：網(wǎng)絡(luò)向移動臺提供輔助GPS信息，包括GPS偽距測量的輔助信息（例如GPS捕獲輔助信息、GPS定位輔助信息、GPS靈敏度輔助信息、GPS 衛(wèi)星工作狀況信息等）和移動臺位置計算的輔助信息（例如GPS 歷書以及修正數(shù)據(jù)、GPS星歷、GPS導航電文等），利用這些信息，移動臺可以很快的捕獲衛(wèi)星，并接收到測量信息，然后將測量信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的定位服務中心，由它計算出移動臺當前所處的位置。由于位置計算是在網(wǎng)絡(luò)完成的，移動臺的GPS接收實現(xiàn)復雜度大大降低，并能夠降低功耗。





　　在開闊的環(huán)境中，如城郊或鄉(xiāng)村，多徑和遮擋是可以忽略的，A-GPS的定位精度能夠達到10m左右甚至更優(yōu)；如果移動臺處于城區(qū)環(huán)境，無遮擋并且多徑不嚴重，定位精度將在30~70m左右；如果移動臺在室內(nèi)或其他多徑和遮擋嚴重的區(qū)域，此時移動臺難以捕獲到足夠的衛(wèi)星信號，A-GPS將無法完成定位，這是它的最大局限性。



　　與前兩種定位技術(shù)相比，A-GPS定位方法的響應時間稍長，在冷啟動情況下，A-GPS的定位響應時間為10s～30s；正常工作狀態(tài)下，響應時間為3～10s左右。



　　以上介紹的是R99中規(guī)定的三種基本定位技術(shù)，它們可以在不同情況下使用，基于CELL ID的定位方法可以在定位精度要求較低時使用；OTDOA方法可以在定位精度要求較高并且終端和網(wǎng)絡(luò)無GPS接收裝置時使用；而網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位方法則適宜定位精度要求高且終端和網(wǎng)絡(luò)有GPS接收裝置時使用。另外，這幾種方法可以同時混合使用，以彌補彼此的不足。例如同時使用CELL-ID和OTDOA技術(shù)，就可以在農(nóng)村和密集城區(qū)多獲得較好的定位效果。在WCDMA網(wǎng)絡(luò)商用初期，多數(shù)終端沒有GPS設(shè)備，而且LCS業(yè)務種類不豐富，網(wǎng)絡(luò)將主要利用前兩種方法提供定位業(yè)務；隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和成熟，網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位技術(shù)的應用將會有所增加，網(wǎng)絡(luò)將同時使用多種定位技術(shù)在不同情況下為不同的應用和不同的用戶提供LCS服務。



3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)



　　下圖是3GPP規(guī)定的實現(xiàn)LCS業(yè)務的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線接入網(wǎng)側(cè)的LCS功能實體是LMU（Location Measurement Unit，位置測量單元）和SMLC（Serving Mobile Location Center，服務移動位置中心），其中LMU可以單獨設(shè)置或與在Node B合設(shè)，SMLC可以是單獨設(shè)備或作為RNC的一個功能塊和RNC在一起，取決于廠家的實現(xiàn)方式。核心網(wǎng)側(cè)的LCS功能實體主要是GMLC（Gateway Mobile Location Center，網(wǎng)關(guān)移動位置中心），作為LCS服務器它與LCS客戶（LCS Client）相連；其他核心網(wǎng)網(wǎng)元HLR、MSC/MSC Sever、SCP和SGSN需要具有支持位置業(yè)務的能力。







　　上述功能實體各負其責，LMU負責無線信號測量，其結(jié)果供SMLC計算位置信息使用；SMLC根據(jù)業(yè)務的QOS選擇適當?shù)亩ㄎ患夹g(shù)，并將UE的位置信息以經(jīng)緯度的形式通過電路域的MSC或分組域的SGSN送到GMLC；GMLC是外部應用獲取UE位置信息的網(wǎng)關(guān)，其功能包括對用戶以及客戶端的鑒權(quán)、授權(quán)，將SMLC送來的經(jīng)緯度的位置信息轉(zhuǎn)換為地理坐標，對客戶端和用戶的計費，接受客戶端的請求并作出相應的響應等。



　　LCS客戶端是為了獲取移動臺位置信息而與LCS服務器進行交互的功能實體，它可以在移動網(wǎng)內(nèi)實體上，也可以在移動網(wǎng)絡(luò)外部，一般情況LCS客戶是網(wǎng)絡(luò)運營商或其他第三方提供的位置相關(guān)應用，它可以通過兩種方式接入到GMLC，一種是通過采用MLP（Mobile Location Protocol）協(xié)議的Le接口接入，MLP是開放移動聯(lián)盟OMA（Open Mobile Alliance）推薦的GMLC和具體應用之間的協(xié)議；另一種接入方式是通過OSA（Open Service Access）提供的標準的API（Application Program Interface）接口接入，這種方式是分層次網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，但目前統(tǒng)一業(yè)務平臺建設(shè)還有一定難度，OSA API協(xié)議也有待完善，因此這種方式不如前一種方法易于實現(xiàn)。



　　根據(jù)不同應用的需要，LCS客戶端可以向GMLC發(fā)出兩種位置請求，即時位置請求LIR（Location Immediate Request）和延時位置請求LDR(Location Deferred Request),其中包括目標UE的信息、客戶端的信息、業(yè)務類型以及QOS等業(yè)務相關(guān)信息。相應的GMLC將回復即時響應（Immediate Response）、延時響應（Deferred Response）消息，其中包含目標UE的地理坐標，LCS客戶端根據(jù)這個結(jié)果提供不同應用。



　　WCDMA系統(tǒng)支持對漫游用戶的位置業(yè)務，它是通過GMLC和HLR之間的接口Lh以及GMLC之間的Lr接口來實現(xiàn)的，簡單來說，當客戶端向R-GMLC（接受請求的GMLC）提出請求后，R-GMLC通過Lh和Lr接口找到H-GMLC（歸屬GMLC）和V-GMLC（拜訪GMLC），并將位置請求轉(zhuǎn)到V-GMLC，由拜訪網(wǎng)絡(luò)對漫游用戶進行定位，然后將返回結(jié)果經(jīng)R-GMLC送到客戶端。



4 應用



表1是3GPP規(guī)定的幾類標準的位置業(yè)務。





　　在以上標準化的應用中，基于位置的信息服務是比較典型的位置業(yè)務，也是比較容易實現(xiàn)的業(yè)務，目前這類業(yè)務的業(yè)務請求和響應都是以短消息的方式實現(xiàn)的，在2.5G網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)有一些簡單的應用，例如查找某個終端的位置，附近的飯店、銀行、加油站等。在WCDMA系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)的承載能力的提高、終端顯示的改進，位置業(yè)務信息將不局限于文本形式，圖像、文本、聲音以及媒體流等都可能成為信息載體，這不僅使信息提供更準確，也將吸引更多的用戶使用位置業(yè)務。



5 結(jié)束語



　　LCS業(yè)務能否如人們的期待的那樣成為運營商的業(yè)務增長點，關(guān)鍵在于運營商能否推出有吸引力的LCS應用，LCS應用的種類絕非僅限于上面所提到的幾類應用，它還潛在著許多有價值的應用。對于運營商來說，應盡量提供多層次的LCS業(yè)務以滿足不同的需求，并注重整個業(yè)務價值鏈的各個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，加強和業(yè)務開發(fā)商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商以及終端生產(chǎn)商的和作和溝通，保證端到端的業(yè)務實現(xiàn)。




摘自　中國電信