CDMA無線定位技術(shù)及其應(yīng)用

常永宇 樣寧
　　摘要 描述了CDMA系統(tǒng)的主要定位技術(shù)及其特點，對各種定位技術(shù)進行了比較和分析，提出了選擇方案，并在此基礎(chǔ)上介紹了其承載的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 CDMA 定位技術(shù)


1引言


　　無線定位服務(wù)是從美國開始啟動和發(fā)展起來的。1996年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)強制要求所有無線業(yè)務(wù)提供商，在移動用戶出發(fā)緊急呼叫時，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度達到125m。此后，日本、德國、法國、瑞典、芬蘭等國家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務(wù)。


　　隨著無線系統(tǒng)的發(fā)展和移動用戶的不斷增加，對定位業(yè)務(wù)的需求也與日俱增，例如公共安全、緊急救援服務(wù)、基于位置的計費、資產(chǎn)管理、欺詐檢測和路由向?qū)У鹊葮I(yè)務(wù)，而不同的定位業(yè)務(wù)對定位精度的要求不相同，相應(yīng)地，所需的定位技術(shù)也不同，例如基于位置的計費要求的定位精度不高，使用CELL ID(小區(qū)識別)定位技術(shù)即可實現(xiàn)；而路由向?qū)б�求比較高的定位精度，只能使用GPS(Global Positioning System)定位技術(shù)和混合定位技術(shù)才能實現(xiàn)。


　　這些需求大大推動了定位技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多年對無線定位的研究，現(xiàn)已開發(fā)出了多種定位技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上，各種各樣的定位業(yè)務(wù)和應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。



2主要的CDMA定位技術(shù)


　　無線定位技術(shù)是通過對接受到的無線電波的某些參數(shù)進行測量，根據(jù)特定的算法以判斷出北測物體的位置，測量參數(shù)一般包括傳輸時間、幅度、相位、和到達角等等。定位精度主要取決于測量的方法。


2.1基于Cell ID的技術(shù)


　　在目前CDMA網(wǎng)絡(luò)中，BSC會在移動臺的位置更新、呼叫處理、短消息傳送以及切換等過程中將用戶所在基站扇區(qū)的Cell ID傳送給MSC。這種方法實現(xiàn)簡單，終端側(cè)不需要作任何軟硬件的修改，網(wǎng)絡(luò)側(cè)不需要增加新我得網(wǎng)絡(luò)實體。但定位精度不高，定位范圍與扇區(qū)覆蓋相同，在城市基站密集區(qū)定位的半徑可達到400m左右，在基站密度較低的郊區(qū)等地，定位精度非常低，因此只能提供對定位精度要求不高的定位業(yè)務(wù)，如基于小區(qū)位置的計費，無法實現(xiàn)高級的應(yīng)用。


2.2AOA(Angle of arrival)


　　由兩個或更多基站通過測量接受信號的到達角來估計移動用戶的位置。接收機通過天線陣列測出電波的入射角，從而構(gòu)成一根從接收機到發(fā)射機的徑向連線，即測位線，移動臺的二維位置坐標可通過兩根測位線的交點獲得。


　　AOA方法需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加智能天線(SA)才可實現(xiàn)；在障礙物較多的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大，定位精度較低，尤其是當(dāng)移動臺距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差會導(dǎo)致測位線距離的較大誤差。


2.3TOA(Time of Arrival)


　　是一種基于方向鏈路的定位方法，通過測量移動臺信號到達多個基站的傳播時間來確定移動用戶的位置。只需三個以上的基站接收到移動臺的信號，就可以利用三角定位算法計算出移動臺的位置。TOA定位精度與基站的地理位置分布關(guān)系很大，當(dāng)球體之間相交角為90度時，精度最高。但它對所有接收器相同的誤差沒有進行處理，誤差較大。


2.4TDOA(Time Different of Arrival)


　　是另一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測移動臺信號到達兩個基站的時間差來確定移動臺的位置，移動臺必定位于以兩個基站為焦點的雙曲線方程上，確定移動臺的二維位置坐標需要建立兩個以上雙曲線方程，也就是說需要至少三個以上的基站接收到移動臺信號，而兩個雙曲線的交點即為移動臺的二維位置坐標。


　　TDOA方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機上由于信道產(chǎn)生的共同誤差，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務(wù)基站近的移動臺發(fā)射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來的測量誤差。目前針對這種情況已有了一些解決辦法，如在E-911呼叫時將移動臺發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大，可以提高定位精度，但會對CDMA網(wǎng)絡(luò)的容量有一定程度的影響。


2.5AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)技術(shù)


　　是一種基于前向鏈路的定位方法，在定位操作時，手機同時監(jiān)聽多個基站(至少三個基站)的導(dǎo)頻信息，利用碼片時延來確定手機到附近基站的距離，最后用三角定位法算出用戶的位置。


　　AFLT定位技術(shù)，需要在網(wǎng)絡(luò)中增加新的實體，利用導(dǎo)頻信息算出移動臺的位置，這些實體包括PDE(Position Deltermining Entity)和MPC(Mobile Positioning Center)。PDE獲得導(dǎo)頻信息的方式主要有兩種：


(1)按照IS-801協(xié)議定義的傳送方式給MSC，再由MSC傳送給PDE，這種方式需要移動臺新增支持IS-801協(xié)議的功能。


(2)利用A接口的消息，將用于定位的參數(shù)傳送給MSC，再由MSC傳送給PDE。這種方式，不需要移動臺支持IS-801協(xié)議，但需要在A接口上支持這些參數(shù)的傳輸，A接口的Release 版本中已經(jīng)定義了傳送這些參數(shù)的消息。


　　移動臺需要軟件升級，同時，根據(jù)PDE獲得導(dǎo)頻信息方式的不同決定移動臺是否需要支持IS-801協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要支持IS-801協(xié)議，定位算法可以放在移動臺上或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)。其定位精度介于小區(qū)識別和GPS定位技術(shù)之間，定位半徑一般在200至400m左右，最高可達到100m。影響精度的主要因素是基站密度和地形環(huán)境，如在大城市基站密集的地方，定位精度相對高。


2.6基于GPS系統(tǒng)的定位技術(shù)


　　目前比較實用的GPS定位技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位，即定位時，網(wǎng)絡(luò)通過跟蹤GPS衛(wèi)星信號，解調(diào)出GPS導(dǎo)航信號，并將這些信息傳送給移動臺，移動臺利用這些信息可以快速的搜索到有效的GPS衛(wèi)星，接收到衛(wèi)星信號后，計算移動臺位置的工作可以由網(wǎng)絡(luò)實體或移動臺完成。


　　基于GPS系統(tǒng)的定位技術(shù)，其優(yōu)點是定位精度較高，定位半徑可達到幾米、十幾米。因此利用該重定位技術(shù)，可提供對定位精度要求較高的業(yè)務(wù)，如電子地圖顯示用戶位置等。其缺點是需要移動臺內(nèi)置GPS天線和GPS芯片等模塊，并且需要支持IS-801協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要增加PDE和MPC；定位精度受終端所處環(huán)境的影響較大，如用戶在室內(nèi)或在高大建筑物之間時，由于可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度將降低，甚至無法完成定位。


2.7混合定位


　　混合定位技術(shù)是綜合了上述定位技術(shù)中的兩種或多種方法在一個系統(tǒng)中，目前CDMA系統(tǒng)采用的主流方法是GPS和AFLT混合定位的方式，可簡稱為網(wǎng)絡(luò)輔助混合定位。它結(jié)合了基于網(wǎng)絡(luò)的非GPS定位技術(shù)和基于GPS的網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)的優(yōu)點。在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同時網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以提供輔助信息來縮短定位時間和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的優(yōu)勢，提供基于基站信號，或者GPS和基站信號混合的方式定位，實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下(如室內(nèi)、城市高樓之間)的精確定位。


　　如果同時利用智能化算法可以獲取更佳的定位效果。例如，當(dāng)移動臺只能接收到兩個基站的信號時，通常無法定位移動臺，但是網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)過去移動臺的方向和速度，結(jié)合基站信號來唯一確定移動臺的位置。而且還可以利用來自無線網(wǎng)絡(luò)的一些重要信息加快處理進程，縮短衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集時間。



3 CDMA定位技術(shù)的比較與選擇


　　以上介紹的七種定位技術(shù)，所能達到的定位精度不同、適用的環(huán)境不同，對終端和網(wǎng)絡(luò)的要求也不同。在選擇定位技術(shù)時，應(yīng)根據(jù)各種定位技術(shù)的特點、不同的定位業(yè)務(wù)需求及終端和網(wǎng)絡(luò)的實際情況，選取不同的定位技術(shù)方案。表1就各種定位技術(shù)的特點作了一個簡單的比較：


表1　CDMA定位技術(shù)的比較


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　

定位技術(shù)	優(yōu)點	弱點	可以提供的位置服務(wù)
CELL ID	終端和網(wǎng)絡(luò)不需要修改，實現(xiàn)簡單	定位精度高	LBS、LCS
AOA	終端不需要修改	網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要增加智能天線；定位精度不高	LBS、LCS、LBIS
TOA	終端不需要修改	需要增加網(wǎng)絡(luò)實體和軟件修改；定位精度受環(huán)境影響大	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
TDOA	終端不需要修改	需要增加網(wǎng)絡(luò)實體和軟件修改；定位精度受環(huán)境影響大	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
AFLT	城市定位精度較高	需要增加網(wǎng)絡(luò)實體，終端需要軟件升級；郊區(qū)定位精度較低	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM
GPS	定位精度高	需要對終端和網(wǎng)絡(luò)實體進行修改；適用范圍小，不能在室內(nèi)或障礙嚴重的地方工作	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM、電子地圖、ECR
混合定位 　　　　(AFLT+GPS)	適用范圍廣，在各種環(huán)境下，均有很高的定位精度；利用智能化算法可獲得更好的定位效果	需要對終端和網(wǎng)絡(luò)實體進行修改	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM、電子地圖、ECR

　　通過上述分析可見：如果不對終端和網(wǎng)絡(luò)實體進行修改，則只能選擇基于小區(qū)標識的定位技術(shù)，但該種定位技術(shù)由于定位精度較低，開展業(yè)務(wù)受限，因此僅可以作為一種最基本的技術(shù)采納。雖然基于GPS的定位技術(shù)定位精度高，但對終端的要求比較高，同時該技術(shù)不能在所有的環(huán)境中都能使用(如室內(nèi))，因此，為了提高CDMA網(wǎng)絡(luò)的競爭力，提供比其他網(wǎng)絡(luò)更豐富的定位業(yè)務(wù)，建議應(yīng)采用混合定位技術(shù)作為現(xiàn)在的主要候選技術(shù)，即AFLT和GPS混合定位技術(shù)。目前美國高通公司已推出了內(nèi)嵌混合定位技術(shù)的支持IS-95網(wǎng)絡(luò)的MSM3300芯片和支持1X網(wǎng)絡(luò)的MSM5100芯片，定位精度室外達到10m，室內(nèi)達到25m。



4 承載的多種應(yīng)用


4.1緊急救援


　　用戶在不知道自己位置的情況下，撥打救援中心的電話(如中國的110、美國的911電話)后，移動通信網(wǎng)絡(luò)就會將獲得的用戶位置信息和用戶的語音信息一并傳送到救援中心。報警用戶位置信息對于救援人員迅速到達現(xiàn)場很重要，救援中心接到呼叫后，根據(jù)得到的用戶位置信息，就能采取迅速、高效地救援活動，大大提高了救援的成功率。


4.2LCS(Location Services)


　　LCS指網(wǎng)絡(luò)可以將用戶位置信息提供給其它應(yīng)用實體的服務(wù)。請求用戶位置的實體可以是：無線用戶本身；增值業(yè)務(wù)實體，如商業(yè)網(wǎng)站、完全部門等；無線網(wǎng)絡(luò)本身，用于計費、客戶服務(wù)系統(tǒng)等。該業(yè)務(wù)是其它定位服務(wù)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上LCS客戶端可以派生出許多不同的應(yīng)用。


4.3LIR(Location Information Restriction)


　　LIR定義了定位業(yè)務(wù)和保密業(yè)務(wù)，提供用戶四種位置信息限制級別：


(1)無條件禁止：只允許運營商的LCS客戶端(如為智能網(wǎng)服務(wù)的LCS)或者特殊的LCS客戶端(如安全部門等)獲取位置信息；


(2)預(yù)先授權(quán)的LCS客戶端：除第一級以外，還允許用戶半永久性地授權(quán)LCS客戶端獲取自己的位置信息；


(3)預(yù)先授權(quán)的LCS客戶端和用戶批準的客戶端：除第二級以外，還允許用戶暫時授權(quán)LCS客戶端獲取自己的位置信息，此批準只在一段時間內(nèi)有效；


(4)無限制。


4.4LBC(Location Based Charging)


　　LBC業(yè)務(wù)是根據(jù)用戶所處的區(qū)域不同，采用不同等級的費率進行計費。對于用戶日常生活、工作所在的區(qū)域可以采取優(yōu)惠費率進行計費，當(dāng)用戶簽約了這些區(qū)域，在這些區(qū)域中就可以得到優(yōu)惠的費率。


　　LBS不僅可以提供基于不同區(qū)域的計費，還可以為用戶提供在不同區(qū)域基于每天不同的時段或每周不同的天進行的計費。當(dāng)用戶跨越不同的計費區(qū)域或計費時段時，網(wǎng)絡(luò)會自動通知用戶所在的計費區(qū)域和所享受的費率。


4.5FAM(Fleet and Asset Mannagement)


　　FAM允許FAM管理者跟蹤FAM成員的位置和狀態(tài)，F(xiàn)AM成員使用業(yè)務(wù)碼向FAM管理者反向報告其狀態(tài)的信息。FAM管理者還能向其成員傳遞電話呼叫、郵件、短消息等信息。典型的應(yīng)用包括：銷售商跟蹤他的雇員或者自動售貨機的位置和狀態(tài)，父母了解子女的位置等。


4.6ECR(Enhanced Call Routing)


　　ECR業(yè)務(wù)屬于呼叫中的語音業(yè)務(wù)，其目的是得到基于用戶當(dāng)前位置最近的路由，如尋找最近的加油站、餐館等。SCP得到來自MPC的位置信息之后，通過外部接口查詢與位置信息相關(guān)的路由信息，并返回給MSC進行呼叫連接。


4.7LBIS(Location Based Information Service)


　　LBIS容許用戶訪問根據(jù)其當(dāng)前所處位置進行內(nèi)容裁剪的信息服務(wù)。包括：旅館餐館服務(wù)、旅游信息服務(wù)、路邊援救服務(wù)、黃頁號簿服務(wù)、自我定位服務(wù)、交通信息服務(wù)。LBIS業(yè)務(wù)的承載方式有三種：話音、電子地圖、短消息。



5結(jié)束語


　　定位業(yè)務(wù)作為CDMA系統(tǒng)的特色業(yè)務(wù)，具有自己獨特的優(yōu)勢，它利用CDMA無線系統(tǒng)本身獨有的特性來實現(xiàn)用戶的定位，如終端與網(wǎng)絡(luò)嚴格的時鐘同步、基站可以提供GPS導(dǎo)航信息以及手機可以利用基站導(dǎo)頻信號的碼片時延來確定距離等特性，從而簡化了定位精度；此外，現(xiàn)有的CDMA網(wǎng)絡(luò)可以比較容易地升級成為支持定位業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，而且CDMA的定位過程對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)的影響也比較小�；�于這些特性，現(xiàn)有的CDMA系統(tǒng)更容易實現(xiàn)比較精確的定位功能，并可以提供優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)的定位業(yè)務(wù)。隨著CDMA無線系統(tǒng)的不斷演進和定位技術(shù)研究的進一步深化，必將會提供更多、更豐富的定位業(yè)務(wù)和應(yīng)用。




摘自《通信技術(shù)》