GSM手機(jī)定位技術(shù)

GSM手機(jī)定位技術(shù)（萬(wàn)德明、湯文侃）
摘要文章提出了GSM手機(jī)定位技術(shù)的重要性，并對(duì)TOA、E－OTD和A－GPS3種GsM手機(jī)定位技術(shù)解決
方案進(jìn)行分析和比較。
關(guān)鍵詞GSM  定位業(yè)務(wù)  到達(dá)時(shí)間  增強(qiáng)測(cè)量時(shí)間差  GPS輔助
    在我國(guó)，隨著GSM移動(dòng)通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，手機(jī)成為人們通信的重要工具之一，利用手機(jī)撥打
“110”、“119”和“120”等求助、告警電話日趨增多。據(jù)報(bào)道，目前美國(guó)用手機(jī)呼叫“911”
（類(lèi)似我國(guó)的“110“）已占全部呼叫總數(shù)的20％，移動(dòng)通信在社會(huì)治安、緊急救援等突發(fā)事件中
的地位已越來(lái)越重要。傳統(tǒng)有線電話撥打告警電話時(shí)，接警系統(tǒng)可根據(jù)用戶的主叫號(hào)碼，獲得用
戶的準(zhǔn)確位置，快速、準(zhǔn)確地處警。然而，由于現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)不能提供呼叫者的位置，求助時(shí)
手機(jī)用戶無(wú)法明確告知準(zhǔn)確位置，以致延誤時(shí)機(jī)，導(dǎo)致事件惡化的情況時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通
事故中70％的人員死亡發(fā)生在事故后兩小時(shí)內(nèi)。因此，實(shí)現(xiàn)GSM手機(jī)自動(dòng)定位業(yè)務(wù)（LCS，
Location
 Service）有非常重要的意義。此外，實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位還有其它廣泛用途，包括自動(dòng)導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)
化和手機(jī)防盜等。
1GSM手機(jī)定位業(yè)務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    GSM移動(dòng)通信網(wǎng)可通過(guò)增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)——移動(dòng)定位中心（MLC）實(shí)現(xiàn)LCS業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)引入
的相關(guān)接口有：服務(wù)移動(dòng)定位中心SMLC與BSC間接口（Lb）、移動(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)GMLC與GSM網(wǎng)業(yè)務(wù)
控制功能間接口（Lc）外部LCS用戶與移動(dòng)定位中心MLC間接口（Le）、移動(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)與HLR間
接口（Lh）、移動(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)與MSC／ VLR間接口（Lg）移動(dòng)定位中心與同等移動(dòng)定位中心間接
口（Lp）、移動(dòng)定位中心與MSC/VLR間接口 Ls）以及定位測(cè)量單元LMU空中接口（Um）。
1.1定位測(cè)量單元（LMU）
    通過(guò)無(wú)線測(cè)量，LMU可支持多種定位方式，測(cè)量可分為兩類(lèi)：（1）針對(duì)一個(gè)MS的定位測(cè)量；
（2）針對(duì)特定地理區(qū)域中所有MS的輔助測(cè)量。LMU的初始值、時(shí)間指令等其它信息可預(yù)先設(shè)置，
或通過(guò)移動(dòng)定位中心（SMLC）提供，LMU將得到的所有定位和輔助信息提供給相關(guān)的SMLC。
    LMU可分為A類(lèi)和B類(lèi)兩種。A類(lèi)LMU以標(biāo)準(zhǔn)的GSM空中接口接入，經(jīng)BTS、BSC與控制該LMU的
SMLC
保持信令連接。當(dāng)連接基于NSS的SMLC時(shí)，A類(lèi)LMU有為其服務(wù)的MSC和VLR，并在HLR上保留其登記
的信息。A類(lèi)LMU有唯一的IMSI，并支持所有GSM無(wú)線資源和移動(dòng)管理功能。網(wǎng)絡(luò)管理者可為L(zhǎng)MU指
派專(zhuān)門(mén)的IMSI范圍，并在IMSI中指派特定的數(shù)字，表示相關(guān)SMLC。IMSI中的某幾個(gè)數(shù)字可用作一
個(gè)SMLC中某個(gè)LMU的本地代碼。A類(lèi)LMU支持連接控制管理功能，可實(shí)現(xiàn)與SMLC之間的LCS信令處
理。
它還支持呼叫控制功能，可利用電路交換方式實(shí)現(xiàn)與SMLC之間的信令連接。為了確保LMU與SMLC間
的互訪，LMU必須位于從屬于同一BSC或MSC的小區(qū)中。當(dāng) SMLC基于 NSS時(shí)，任何A類(lèi)LMU在HLR中
都
有注冊(cè)信息，其中無(wú)附加業(yè)務(wù)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信和呼入呼出限制業(yè)務(wù)除外）。HLR中的注冊(cè)信息同時(shí)將
有LMU功能的MS與普通的MS區(qū)分開(kāi)來(lái)，所有有關(guān)LMU的數(shù)據(jù)由LMU和相關(guān)SMLC管理。B類(lèi)LMU可從BSC
的
Abis接口訪問(wèn)，它可以是一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)單元，編號(hào)采用一些偽小區(qū)ID號(hào)，也可以集成在BTS內(nèi)或
與BTS連接。當(dāng)SMLC基于 BSS方式時(shí)，B類(lèi) LMU的信令通過(guò)BSC傳輸；當(dāng) SMLC基于 NSS方式時(shí)，則
通
過(guò)BSC和MSC傳輸。
1.2移動(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)（GMLC）
    一個(gè)PLMN可有多個(gè)GML。GMLC是外部LCS用戶進(jìn)入GSM網(wǎng)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。GMLC通過(guò)Lh接口從
HLR中
獲得路由信息。鑒權(quán)通過(guò)后，GMLC通過(guò)Lg接口向MSC/VLR發(fā)出定位請(qǐng)求，并接收最終定位結(jié)果。
1.3移動(dòng)定位中心（SMLC）
    一個(gè)PLMN可包括多個(gè)SMLC。SMLC管理所有用于手機(jī)定位的資源，計(jì)算最終定位結(jié)果和精度。
SMLC通常有兩種類(lèi)型：一種是基于NSS，支持Ls接口標(biāo)準(zhǔn)；另一種是基于 BSS，支持Lb接口。前者
通過(guò)與MSC／VLR相連的LS接口，傳輸各種手機(jī)定位信令；后者則通過(guò)與BSC相連的Lb接口，傳輸各
種手機(jī)定位信令。這兩種SMLC與其它SMLC連接時(shí)采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并在同一個(gè)物
理
節(jié)點(diǎn)，也可分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)。在LCS業(yè)務(wù)中，當(dāng)小區(qū)廣播中心（CBC）與BSC相連時(shí)，SMLC可利用現(xiàn)
有的廣播功能，通過(guò)CBC廣播輔助信息。這時(shí) SMLC相當(dāng)于CBC的用戶。
2.3種手機(jī)定位技術(shù)
    GSM手機(jī)定位方式通�？煞譃榛�于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。從技術(shù)上可分為到達(dá)時(shí)間
（TOA）、增強(qiáng)測(cè)量時(shí)間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）3種方式。
2.1TOA定位技術(shù)
    TOA定位方式可在現(xiàn)有的任何手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，手機(jī)無(wú)需作任何改動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)步驟：（1）要定
位
的手機(jī)發(fā)出一已知信號(hào)，三個(gè)或多于三個(gè)LMU同時(shí)接收該信號(hào)，已知信號(hào)是手機(jī)執(zhí)行異步切換時(shí)發(fā)
出的接入突發(fā)信號(hào)；（2）各LMU得到信號(hào)到達(dá)時(shí)的絕對(duì)GPS時(shí)間后，可得到相對(duì)時(shí)間差（RTD）；
（3）根據(jù)前兩步的信息， SMLC進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算突發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA），得出精確位
置，
并回到應(yīng)用中。要通過(guò)三角計(jì)算得出手機(jī)精確位置，必須知道另外兩個(gè)參數(shù)：LMU的地理位置和各
LMU之間的時(shí)間偏移量。例如各LMU必須提供的絕對(duì)GPS時(shí)間，或在已知位置的地點(diǎn)放置參考LMU可
得
到實(shí)際時(shí)間差（RTD）參數(shù)。
    LMU用接入突發(fā)信號(hào)確定TOA。當(dāng)定位請(qǐng)求發(fā)出時(shí)，LMU被選定，且配置正確的頻率，以便接收
接入突發(fā)信號(hào)。此時(shí)，手機(jī)在業(yè)務(wù)信道（可能會(huì)處于跳頻方式）上，以特定功率發(fā)送達(dá)70個(gè)接入脈
沖（時(shí)長(zhǎng)320ms）。各LMU通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)和改善TOA的測(cè)量結(jié)果。利用收到的突發(fā)信號(hào)可提高測(cè)
量成功概率和測(cè)量精度。采用分集技術(shù)（如天線分集和跳頻），可降低多徑效應(yīng)的影響，提高測(cè)量
精度。當(dāng)某個(gè)應(yīng)用需要知曉手機(jī)位置時(shí)，該應(yīng)用向SMLC發(fā)出請(qǐng)求，同時(shí)告知手機(jī)號(hào)碼和定位精度
要
求。被測(cè)量的TOA參數(shù)及其誤差值一同被采集并發(fā)送到SMLC，根據(jù)該數(shù)據(jù)，SMLC可計(jì)算出應(yīng)用所需
要的手機(jī)位置，再將位置信息和誤差范圍發(fā)送回應(yīng)用。
    TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以達(dá)到精確計(jì)算突發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的目的。實(shí)現(xiàn)方式有
多
種：LMU既可集成在BTS內(nèi)，也可作為單獨(dú)設(shè)備。LMU作為單獨(dú)設(shè)備時(shí)，既可有單獨(dú)的天線，也可與
BTS共享天線，通過(guò)空中接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間通信。
2.2 E－OTD定位技術(shù)
    E－OTD定位方式是從測(cè)量時(shí)間差（OTD）發(fā)展而來(lái)的，OTD指測(cè)量所得的時(shí)間量，E－OTD指測(cè)
量
的方式。手機(jī)無(wú)需附加任何硬件便可得到測(cè)量結(jié)果。對(duì)于同步網(wǎng)，手機(jī)測(cè)量幾個(gè)BTS信號(hào)的相對(duì)到
達(dá)時(shí)間；對(duì)于非同步網(wǎng)，信號(hào)同時(shí)還需要被一個(gè)位置已知的LMU接收。確定了BTS到手機(jī)的信號(hào)傳
輸
時(shí)間，則可確定BTS與手機(jī)之間的幾何距離，然后再根據(jù)此距離進(jìn)行計(jì)算，最終確定手機(jī)的位置。
實(shí)現(xiàn)步驟如下：手機(jī)收到各基站發(fā)來(lái)信號(hào)，得到TOA參數(shù)；LMU得到RTD參數(shù)；手機(jī)將TOA和RTD參數(shù)
傳送到GSM網(wǎng)。
    OTD測(cè)量需要用同步、標(biāo)準(zhǔn)且模擬的脈沖。當(dāng)BTS發(fā)送的幀未被同步時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要測(cè)量BTS之間
的RTD。為了進(jìn)行精確的三角測(cè)量，OTD測(cè)量和RTD測(cè)量（非同步BTS時(shí)）均需要3個(gè)BTS。獲得OTD
參
數(shù)后，手機(jī)位置既可在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算，也可在終端計(jì)算（要求手機(jī)具備各種必要信息）。前者稱為手
機(jī)輔助方式，后者稱為手機(jī)自主方式。
    通過(guò)手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中的位置計(jì)算功能模塊，實(shí)現(xiàn)位置計(jì)算。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、手機(jī)功能以及LMU功能
與測(cè)量輸入?yún)��?shù)等均一樣的情況下，位置計(jì)算可基于兩種   E－OTD定位方式實(shí)現(xiàn)。
    （1）雙曲線方式
    與E－OTD計(jì)算相關(guān)的基本時(shí)間量有3個(gè)：
    ·OTD：即手機(jī)得到GSM網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)不同BTS發(fā)來(lái)脈沖的時(shí)間間隔。t1時(shí)得到BTS1的脈沖，t2
時(shí)
得到BTS2的脈沖，則OTD＝t2－t1。兩個(gè)脈沖同時(shí)得到，則OTD＝0。
    ·RTD：即GSM網(wǎng)上兩個(gè)BTS的相對(duì)同步時(shí)間差。若BTS1在t3時(shí)刻發(fā)送脈沖，BTS2在t4時(shí)刻發(fā)
送
脈沖，則RTD=t4-t3。若GSM網(wǎng)同步，則BTS在同一時(shí)刻發(fā)送，RTD不需要計(jì)算，此時(shí)RTD＝0。
    · GTD（幾何時(shí)間差）：幾何距離不等，導(dǎo)致手機(jī)接收兩個(gè)不同BTS發(fā)來(lái)的脈沖存在時(shí)間差。
如果手機(jī)到BTS1的傳播距離為d1，BTS2到手機(jī)的距離為d2，則GTD＝（d2－d1）／C（C為電磁波
傳
播速度）。若兩個(gè)BTS到手機(jī)的距離相等，GTD=0。
    上述參數(shù)之間的關(guān)系為：OTD＝ RTD＋GTD。
    位置信息從GTD計(jì)算出來(lái)，由OTD和RTD可用前面的公式推導(dǎo)。手機(jī)  GTD中的d2－d1值為恒
量，
這時(shí)可能的位置信息為雙曲線。手機(jī)位置則位于由三個(gè)基站和兩個(gè)GTD得到的兩條雙曲線交界處。
測(cè)量結(jié)果存在誤差，灰色區(qū)域?yàn)镺TD測(cè)量結(jié)果可能的位置。雙曲線交叉得到的黑色區(qū)域?yàn)槭謾C(jī)的位
置。
    （2）圓弧方式
    圓弧方式不測(cè)量手機(jī)和  LMU接收不同  BTS信號(hào)的時(shí)間差值，只測(cè)量那些信號(hào)各自到達(dá)的時(shí)
間。以下參數(shù)與E－OTD圓弧方式相關(guān)：
    ·MOT：BTS信號(hào)到達(dá)手機(jī)的時(shí)間，以手機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘為準(zhǔn)；
    ·LOT：BTS信號(hào)到達(dá) LMU的時(shí)間，以 LMU內(nèi)部時(shí)鐘為準(zhǔn)。通常手機(jī)與LMU的內(nèi)部時(shí)鐘之間有
一
個(gè)偏移量ε；
    ·DMB：手機(jī)與 BTS之間的幾何距離；
    ·DLB：LMU與BTS之間的幾何距離。
    參數(shù)之間的關(guān)系：DMB－DLB=c，（MOT－LOT＋ε）（c為電磁波傳播速度）。
    以手機(jī)和LMU同時(shí)觀察的BTS為圓心畫(huà)圓，交叉就可得到手機(jī)的位置。由于存在3個(gè)未知量，即
手機(jī)位置的X、Y坐標(biāo)和偏移量ε，所以與雙曲線方式相同，至少需要3個(gè)BTS，才能得到手機(jī)的位
置和偏移量ε值。圓弧方式與雙曲線方式的主要區(qū)別在于手機(jī)測(cè)量誤差區(qū)和手機(jī)相對(duì)于BTS的幾何
位置，其它實(shí)現(xiàn)方式一致。
    E－OTD計(jì)算與手機(jī)能收到足夠多的BTS信息密切相關(guān)。通常說(shuō)來(lái)，GSM網(wǎng)覆蓋性能越好，定位
精度越高。手機(jī)在空閑和業(yè)務(wù)模式（通話時(shí)）下均可實(shí)現(xiàn)定位，且可選擇持續(xù)定位或單個(gè)定位。
持續(xù)定位更適合于手機(jī)自主方式，該方式不需要上行信令。若BTS能采用類(lèi)似于短消息小區(qū)廣播
（SMS－CB）的功能來(lái)發(fā)送位置坐標(biāo)和RTD信息，在空閑模式時(shí)手機(jī)就有足夠的信息計(jì)算自己的位
置。采用E－OTD定位方式時(shí)，LMU和BTS的比例為1：3到1：5之間。
2.3 A－GPS原理
    GPS輔助定位方式實(shí)現(xiàn)步驟如下：GSM網(wǎng)收到GPS輔助信息；GSM網(wǎng)將輔助信息發(fā)送到手機(jī)；手
機(jī)得到GPS信息，計(jì)算并得出自身精確位置；手機(jī)將位置信息發(fā)送到GSM網(wǎng)。
    該方式有手機(jī)輔助方式和手機(jī)自主方式兩種：
    （1）手機(jī)輔助GPS定位方式
    這種解決方案是將傳統(tǒng)GPS接收器的大部分功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)處理器上實(shí)現(xiàn)。該方式需要天線、
RF單元和數(shù)據(jù)處理器等設(shè)備。GSM網(wǎng)向手機(jī)發(fā)送一串極短的輔助信息，包括時(shí)間、可視衛(wèi)星清單、
衛(wèi)星信號(hào)多普勒參數(shù)和碼相位搜索窗口。這些參數(shù)有助于內(nèi)置GP S模塊減少GPS信號(hào)獲得時(shí)間。輔
助數(shù)據(jù)來(lái)自經(jīng)手機(jī)GPS模塊處理后產(chǎn)生的偽距離數(shù)據(jù)，且可持續(xù)數(shù)分鐘。收到這些偽距離數(shù)據(jù)后，
相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)處理器或定位服務(wù)器能大致估算出手機(jī)的位置。GSM網(wǎng)增加必要的修正后，可提高定位
精度。
    （2）手機(jī)自主GPS定位方式
    這種手機(jī)包含一個(gè)全功能的GPS接收器，具有（1）方式中手機(jī)的所有功能，再加上衛(wèi)星位置
和手機(jī)位置計(jì)算功能。運(yùn)算開(kāi)始時(shí)，需要的數(shù)據(jù)比手機(jī)輔助方式要多，這些數(shù)據(jù)能夠持續(xù)4小時(shí)以
上或根據(jù)需要進(jìn)行更新，通常包括時(shí)間、參考位置、衛(wèi)星星歷和時(shí)間校驗(yàn)參數(shù)等。如果某些應(yīng)用
需要更高的精度，則必須持續(xù)（間隔約30s）向手機(jī)發(fā)差分GPS（DGPS）信號(hào)。DGPS信號(hào)在非常寬
的地域范圍有效，以一個(gè)參考接收器為中心可服務(wù)于較寬的地域范圍。最終位置信息由手機(jī)本身
計(jì)算得到，若需要，此定位信息可發(fā)送到其它任何應(yīng)用中。
3 3種定位方式比較
3.1TOA
    （1）優(yōu)點(diǎn)
    ·100％兼容現(xiàn)有手機(jī)。全球在用的數(shù)億個(gè)手機(jī)不必作任何改動(dòng)就可一步到位實(shí)現(xiàn)定位，最大
限度保護(hù)現(xiàn)有手機(jī)用戶的利益，是當(dāng)前情況下實(shí)現(xiàn)GSM手機(jī)定位的一種理想實(shí)現(xiàn)方式；
    ·支持漫游，各種接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；
    ·定位精度可單獨(dú)優(yōu)化。通過(guò)提高LMU性能，可局部提高定位精度。
    （2）缺點(diǎn)
    初始投資高。整個(gè)網(wǎng)需要建立大量LMU，投資較大。現(xiàn)有GSM網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)同步還需進(jìn)行改造；
    ·業(yè)務(wù)量大時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)增加。當(dāng)定位需求增多時(shí)，手機(jī)需頻繁強(qiáng)制執(zhí)行切換命令，使GSM網(wǎng)的
信令傳輸量增加。
3.2 E-OTD
    （1）優(yōu)點(diǎn)
    ·LMU數(shù)量遠(yuǎn)少于 TOA方式，可減少網(wǎng)絡(luò)初始投資；
    ·不需要增加手機(jī)的額外費(fèi)用�，F(xiàn)有手機(jī)無(wú)需增加硬件模塊和附件，只需要進(jìn)行軟件更新。
    （2）缺點(diǎn)
    ·現(xiàn)有手機(jī)不能適用于E－OTD定位方式，需要更新軟件或全部替換；
    ·精度低。由于同時(shí)受RTD和幾何距離參數(shù)的影響，定位精度較低。此外，多徑效應(yīng)將影響
定位精度（尤其是城市區(qū)域）。
3.3 A-GPS
    （1）優(yōu)點(diǎn)
    ·網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)少。GSM網(wǎng)基本不用增加其它設(shè)備，無(wú)需建立LMU。網(wǎng)絡(luò)投資少，將受 GSM網(wǎng)運(yùn)營(yíng)
商的青睞；
    ·定位精度高。由于采用了GPS系統(tǒng)，定位精度較高，理論上可達(dá)到5～10m。
    （2）缺點(diǎn)
    ·需更換手機(jī)�，F(xiàn)有手機(jī)均不能實(shí)現(xiàn)A－GPS定位方式，必須更換；
    ·手機(jī)成本、體積和功率增加。手機(jī)中增加GP S定位功能，則必須增加相應(yīng)的硬件，致使手
機(jī)成本增加。增加GPS的功能后，必然會(huì)增加功耗和體積。
    ·安全風(fēng)險(xiǎn)。由于GPS受美國(guó)政府控制，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。某些領(lǐng)域（如軍事、國(guó)家安
全等）的定位應(yīng)用應(yīng)避免選用A－GPS定位方式。