CDMA無(wú)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(diǎn)，對(duì)各種定位技術(shù)進(jìn)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(wú)線定位服務(wù)是從美國(guó)開始啟動(dòng)和發(fā)展起來(lái)的。1996年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)強(qiáng)制要求所有無(wú)線業(yè)務(wù)提供商，在移動(dòng)用戶出發(fā)緊急呼叫時(shí)，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(hào)碼，以便對(duì)用戶實(shí)施緊急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度達(dá)到125m。此后，日本、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務(wù)。


　　隨著無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)用戶的不斷增加，對(duì)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(jì)費(fèi)、資產(chǎn)管理、欺詐檢測(cè)和路由向?qū)У鹊葮I(yè)務(wù)，而不同的定位業(yè)務(wù)對(duì)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(jì)費(fèi)要求的定位精度不高，使用CELL ID(小區(qū)識(shí)別)定位技術(shù)即可實(shí)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(shí)現(xiàn)。


　　這些需求大大推動(dòng)了定位技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年對(duì)無(wú)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(lái)。



2主要的CDMA定位技術(shù)


　　無(wú)線定位技術(shù)是通過(guò)對(duì)接受到的無(wú)線電波的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法以判斷出北測(cè)物體的位置，測(cè)量參數(shù)一般包括傳輸時(shí)間、幅度、相位、和到達(dá)角等等。定位精度主要取決于測(cè)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(huì)在移動(dòng)臺(tái)的位置更新、呼叫處理、短消息傳送以及切換等過(guò)程中將用戶所在基站扇區(qū)的Cell ID傳送給MSC。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(shí)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(dá)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(duì)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(jì)費(fèi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高級(jí)的應(yīng)用。


2.2AOA(Angle of arrival)


　　由兩個(gè)或更多基站通過(guò)測(cè)量接受信號(hào)的到達(dá)角來(lái)估計(jì)移動(dòng)用戶的位置。接收機(jī)通過(guò)天線陣列測(cè)出電波的入射角，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線，即測(cè)位線，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可通過(guò)兩根測(cè)位線的交點(diǎn)獲得。


　　AOA方法需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加智能天線(SA)才可實(shí)現(xiàn)；在障礙物較多的環(huán)境中，由于無(wú)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(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，基站定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致測(cè)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(guò)測(cè)量移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)多個(gè)基站的傳播時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)用戶的位置。只需三個(gè)以上的基站接收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，就可以利用三角定位算法計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)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(shí)，精度最高。但它對(duì)所有接收器相同的誤差沒有進(jìn)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(guò)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)的位置，移動(dòng)臺(tái)必定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，也就是說(shuō)需要至少三個(gè)以上的基站接收到移動(dòng)臺(tái)信號(hào)，而兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。


　　TDOA方法不要求知道信號(hào)傳播的具體時(shí)間，還可以消除或減少在所有接收機(jī)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(dòng)臺(tái)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(cè)量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測(cè)量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來(lái)的測(cè)量誤差。目前針對(duì)這種情況已有了一些解決辦法，如在E-911呼叫時(shí)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大，可以提高定位精度，但會(huì)對(duì)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(shí)，手機(jī)同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)基站(至少三個(gè)基站)的導(dǎo)頻信息，利用碼片時(shí)延來(lái)確定手機(jī)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(shí)體，利用導(dǎo)頻信息算出移動(dòng)臺(tái)的位置，這些實(shí)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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)需要軟件升級(jí)，同時(shí)，根據(jù)PDE獲得導(dǎo)頻信息方式的不同決定移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)上或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)。其定位精度介于小區(qū)識(shí)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(dá)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(duì)高。


2.6基于GPS系統(tǒng)的定位技術(shù)


　　目前比較實(shí)用的GPS定位技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位，即定位時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，解調(diào)出GPS導(dǎo)航信號(hào)，并將這些信息傳送給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)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(hào)后，計(jì)算移動(dòng)臺(tái)位置的工作可以由網(wǎng)絡(luò)實(shí)體或移動(dòng)臺(tái)完成。


　　基于GPS系統(tǒng)的定位技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度較高，定位半徑可達(dá)到幾米、十幾米。因此利用該重定位技術(shù)，可提供對(duì)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(diǎn)是需要移動(dòng)臺(tái)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(shí)，由于可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度將降低，甚至無(wú)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(gè)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(jiǎn)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(diǎn)。在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以提供輔助信息來(lái)縮短定位時(shí)間和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的優(yōu)勢(shì)，提供基于基站信號(hào)，或者GPS和基站信號(hào)混合的方式定位，實(shí)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(shí)利用智能化算法可以獲取更佳的定位效果。例如，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)只能接收到兩個(gè)基站的信號(hào)時(shí)，通常無(wú)法定位移動(dòng)臺(tái)，但是網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)過(guò)去移動(dòng)臺(tái)的方向和速度，結(jié)合基站信號(hào)來(lái)唯一確定移動(dòng)臺(tái)的位置。而且還可以利用來(lái)自無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一些重要信息加快處理進(jìn)程，縮短衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集時(shí)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(dá)到的定位精度不同、適用的環(huán)境不同，對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)的要求也不同。在選擇定位技術(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種定位技術(shù)的特點(diǎn)、不同的定位業(yè)務(wù)需求及終端和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(diǎn)作了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較：


表1　CDMA定位技術(shù)的比較


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　


　　
　　
　　
　　

定位技術(shù)	優(yōu)點(diǎn)	弱點(diǎn)	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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(shí)體，終端需要軟件升級(jí)；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(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體進(jìn)行修改；適用范圍小，不能在室內(nèi)或障礙嚴(yán)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(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體進(jìn)行修改	緊急救援、LBS、LCS、LBIS、FAM、電子地圖、ECR

　　通過(guò)上述分析可見：如果不對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體進(jìn)行修改，則只能選擇基于小區(qū)標(biāo)識(shí)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(duì)終端的要求比較高，同時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(dá)到10m，室內(nèi)達(dá)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(guó)的110、美國(guó)的911電話)后，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就會(huì)將獲得的用戶位置信息和用戶的語(yǔ)音信息一并傳送到救援中心。報(bào)警用戶位置信息對(duì)于救援人員迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)，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(shí)體的服務(wù)。請(qǐng)求用戶位置的實(shí)體可以是：無(wú)線用戶本身；增值業(yè)務(wù)實(shí)體，如商業(yè)網(wǎng)站、完全部門等；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身，用于計(jì)費(fèi)、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(jí)別：


(1)無(wú)條件禁止：只允許運(yùn)營(yíng)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(jí)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(zhǔn)的客戶端：除第二級(jí)以外，還允許用戶暫時(shí)授權(quán)LCS客戶端獲取自己的位置信息，此批準(zhǔn)只在一段時(shí)間內(nèi)有效；


(4)無(wú)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(jí)的費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi)。對(duì)于用戶日常生活、工作所在的區(qū)域可以采取優(yōu)惠費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi)，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(fèi)率。


　　LBS不僅可以提供基于不同區(qū)域的計(jì)費(fèi)，還可以為用戶提供在不同區(qū)域基于每天不同的時(shí)段或每周不同的天進(jìn)行的計(jì)費(fèi)。當(dāng)用戶跨越不同的計(jì)費(fèi)區(qū)域或計(jì)費(fèi)時(shí)段時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)通知用戶所在的計(jì)費(fèi)區(qū)域和所享受的費(fèi)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(bào)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(dòng)售貨機(jī)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(yǔ)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(lái)自MPC的位置信息之后，通過(guò)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(jìn)行呼叫連接。


4.7LBIS(Location Based Information Service)


　　LBIS容許用戶訪問(wèn)根據(jù)其當(dāng)前所處位置進(jìn)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(yè)號(hào)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(yǔ)


　　定位業(yè)務(wù)作為CDMA系統(tǒng)的特色業(yè)務(wù)，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它利用CDMA無(wú)線系統(tǒng)本身獨(dú)有的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的定位，如終端與網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的時(shí)鐘同步、基站可以提供GPS導(dǎo)航信息以及手機(jī)可以利用基站導(dǎo)頻信號(hào)的碼片時(shí)延來(lái)確定距離等特性，從而簡(jiǎn)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(jí)成為支持定位業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，而且CDMA的定位過(guò)程對(duì)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(shí)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(wú)線系統(tǒng)的不斷演進(jìn)和定位技術(shù)研究的進(jìn)一步深化，必將會(huì)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)》