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摘要: 随着科学技术的发展，移动定位服务已成为移动运营商的新的业务增长点, 然而目前提出的定位技术都有各自的不足。本文首先介绍了移动定位技术中的TDOA和A-GPS基本原理, 并在此基础上提出了结合TDOA和A-GPS两种定位技术优点的混合定位技术, 最后阐述了其在第三代移动网络上的具体实现。这对于基于第三代移动通信的定位服务的推广和商用具有十分重要的意义。
关键词: 移动网络；定位服务; 混合定位
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
前言
随着人们对基于位置的服务要求越来越多，全球定位系统使得无线定位技术大范围应用，精度几十米到几百米不等，且需要专门接受卫星信号的设备，不够方便。而且，市区和室内定位效果不佳，要实现更高精度的定位、更好的室内定位，需要其他的定位技术。
我们在本文中将主要介绍一种结合TDOA和A-GPS 两种定位技术优点的混合定位技术及其在第三代移动网络中的实现。
1定位相关知识
1.1CDMA 网络位置服务体系
3GPP 规定的CDMA 系统实现LBS 业务的网络结构。无线接入网侧的定位功能实体是位置测量单元LMU ( locat ion measurementunit ) , 主要根据某种或多种定位技术进行定位参数的测量, LMU 可以单独设置或置于基站内。核心网侧的定位功能实体主要有位置确定单元PDE( posit ion determinatio n ent ity ) , 主要功能是根据LMU 取得的测量参数进行位置计算。手机定位中心MPC ( mobile posit ion center) , 主要作为LBS 服务器与LBS Client 相连。LBS Cl ient 指发出查询某一目标移动台MS 位置请求的用户, 它可以是移动台MS 本身, 或者是网络中的管理系统或陆地移动通信网络( PLMN ) 之外的用户。LBS-Client 可以通过互联网等方式接入到MPC, 提出带有精度和响应时间要求的定位请求。系统要求其他核心网网元HLR, MSC/ MSC Serv er 需要具有支持位置业务的能力。
1.2TDOA 基本原理
定位信号的时间差TDOA 是一种基于网络的定位技术, 其基本原理是测量不同基站接收到同一移动站的TDOA , 并由此计算出移动站到不同基站的距离差。移动站到任何2 个基站的距离差d 可以在2 个基站之间给出一条双曲线, 移动站一定处于该曲线之上。当同时有N 个基站参与测距时( N ≥3) , 由多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计。用TDOA 定位法对移动台进行定位时, 需采用计算复杂性低、定位精度高、可靠性高和健壮性的定位算法。CHAN 氏算法是一种具有解析解的非递归算法。当有4 个以上基站能进行有效的TDOA 测量时, 该算法能利用网络提供的所有T DOA 测量值,并取得较好的定位功能。该定位技术可应用于各种移动通信系统( GSM、宽带和窄带CDMA 中) , 尤其适用于CDMA系统, CDMA 系统用扩频方式将信号频谱扩展到很宽的范围, 使系统具有较强的抗多径能力。这种技术要求所有参与测量的基站的时钟是严格同步的。与其他定位技术相比, 它的主要好处是不需要精确地求得基站和移动站的响应和处理时延。
1.3A-GPS 基本原理
A-GPS 技术是一种结合了网络基站信息和GPS 信息对移动台进行定位的技术, 可以在GSM/GPRS, WCDMA 和CDMA2000 网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS 接收机模块, 并改造手机天线, 同时要在移动网络上加建位置服务器等设备。其定位流程如下: 手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器;位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS 辅助信息和移动台位置计算的辅助信息, 手機的A-GPS 模块根据辅助信息( 以提升GPS 信号的第一锁定时间TT FF 能力) 接收GPS 原始信号; 手机在接收到GPS 原始信号后解调信号, 计算手机到卫星的伪距( 伪距为受各种GPS 误差影响的距离) ,并将有关信息通过网络传输到位置服务器;④ 位置服务器根据传来的GPS 伪距信息和来自其他定位设备( 如差分GPS 基准站等) 的辅助信息完成对GPS信息的处理, 并估算该手机的位置; ⑤位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。A-GPS 解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外空旷地区, 其精度在正常的GPS 工作环境下, 可达10 m 左右, 堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为: 首次捕获GPS 信号的时间一般仅需几秒, 不像GPS 的首次捕获时间可能要2～3 min。
2、TDOA/A-GPS 混合定位及实现
2.1混合定位技术
TDOA 虽然有不需要对手机终端进行改造, 而且相对于CELL-ID 等定位技术其精度较高的优点,但也避免不了由于射频信号的非视线传输和多径效应带来的定位误差。尤其当定位用户在高速公路行驶时, 由于基站沿直线放置, 很难同时获得3 个基站的信号, 对定位精度有较大影响。同样, 虽然A-GPS 技术的定位精度很高、首次捕获GPS 信号时间短, 但是该技术也存在着一些缺点。首先, 室内定位的问题目前仍然无法圆满解决,另外, A-GPS 的定位实现必须通过多次网络传输( 最多可达次单向传输) , 这对运营商来说, 认为占用了大量的空中资源。考虑结合这2 种算法的优点, 采用T DOA/ AGPS混合定位的算法。具体来说就是在网络覆盖比较差( 如野外) 手机接收不到T DOA 准确定位所需的3 至4 个基站的信号时, 或者基站位置不能与手机构成位置测量所需的最佳角度( 如高速公路上) 时,即影响到准确测量的所需精度时, 可以利用GPS 定位提供高精度的位置信息, 同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度; 在城市, 可以利用基站密集的优势, 提供基于基站信号, 或者GPS 和基站信号混合的方式定位, 实现在复杂环境下的精确定位, 见图2。如果在室内接收不到GPS 定位所需的至少3 颗卫星的信号, 这时便可以完全利用TDOA 技术来实现精确定位。这样既利用了T DOA 覆盖范围广, 测量时间短, 又利用了A-GPS测量精度高的优点, 可以实现在各种复杂环境下精确的定位需求。
2.2混合定位技术的实现
混合定位技术与CDMA 位置服务体系相比, 该技术要求手机端内置GPS 信号接收芯片, 并且修改手机软件, 使之具有一定的位置计算功能。而网络端只需增加一台带GPS 接收机的服务器( T S)来完成捕获当前可见卫星序号、坐标转换、精度校正等功能。这种实现无需LMU 来进行位置信号的测量( 相关测量可以直接在手机与基站上完成) , 也无需增加PDE 来进行相关的位置计算( 这部分由手机和TS 共同完成) 。故而可以降低运营商的投资成本,减轻维护人员工作量。
混合定位技术的定位处理流程如下:①手机首先向相邻的3 个基站发送测距信号, 基站收到后, 回送相关信号( Cell-Id, 信号到达时间等) 至手机; ②手机收到从各基站发回的测距返回信号后, 计算对应的时间差, 并启动基于T DOA 的位置计算过程,同时通过移动通信网络向TS 请求卫星序号, 多普勒传输值、与该位置相关的GPS 辅助信息; ③手机的相应模块根据收到的GPS 辅助信息接收GPS 原始信号;④手机接收到GPS 原始信号后解调信号, 计算伪距, 最后得到该用户目前所在的经纬度; ⑤ 在手机综合计算基于TDOA 和A-GPS 所得位置值, 并将更为精确的位置数据发送到TS。
3、结束语
各种定位技术的产生，弥补了GPS定位的劣势，在定位精度、首次定位时长、终端耗电方面都有了极大的改善，将这些不同的定位方式统一在定位平台上，实现混合定位，满足各行业的定位需求。而T DOA/A-GPS 混合定位技术及文中所述实现策略则具有上述的优点, 是一种可行的实用定位解决方案。
参考文献
[1] 瞿明明.移动定位服务的现状与发展趋势[J].信息通信技术,2009.2（27）
[2] 中国邮电高校学报( 英文版) , 2004, 11( 1) : 68-72.
关键词: 移动网络；定位服务; 混合定位
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
前言
随着人们对基于位置的服务要求越来越多，全球定位系统使得无线定位技术大范围应用，精度几十米到几百米不等，且需要专门接受卫星信号的设备，不够方便。而且，市区和室内定位效果不佳，要实现更高精度的定位、更好的室内定位，需要其他的定位技术。
我们在本文中将主要介绍一种结合TDOA和A-GPS 两种定位技术优点的混合定位技术及其在第三代移动网络中的实现。
1定位相关知识
1.1CDMA 网络位置服务体系
3GPP 规定的CDMA 系统实现LBS 业务的网络结构。无线接入网侧的定位功能实体是位置测量单元LMU ( locat ion measurementunit ) , 主要根据某种或多种定位技术进行定位参数的测量, LMU 可以单独设置或置于基站内。核心网侧的定位功能实体主要有位置确定单元PDE( posit ion determinatio n ent ity ) , 主要功能是根据LMU 取得的测量参数进行位置计算。手机定位中心MPC ( mobile posit ion center) , 主要作为LBS 服务器与LBS Client 相连。LBS Cl ient 指发出查询某一目标移动台MS 位置请求的用户, 它可以是移动台MS 本身, 或者是网络中的管理系统或陆地移动通信网络( PLMN ) 之外的用户。LBS-Client 可以通过互联网等方式接入到MPC, 提出带有精度和响应时间要求的定位请求。系统要求其他核心网网元HLR, MSC/ MSC Serv er 需要具有支持位置业务的能力。
1.2TDOA 基本原理
定位信号的时间差TDOA 是一种基于网络的定位技术, 其基本原理是测量不同基站接收到同一移动站的TDOA , 并由此计算出移动站到不同基站的距离差。移动站到任何2 个基站的距离差d 可以在2 个基站之间给出一条双曲线, 移动站一定处于该曲线之上。当同时有N 个基站参与测距时( N ≥3) , 由多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计。用TDOA 定位法对移动台进行定位时, 需采用计算复杂性低、定位精度高、可靠性高和健壮性的定位算法。CHAN 氏算法是一种具有解析解的非递归算法。当有4 个以上基站能进行有效的TDOA 测量时, 该算法能利用网络提供的所有T DOA 测量值,并取得较好的定位功能。该定位技术可应用于各种移动通信系统( GSM、宽带和窄带CDMA 中) , 尤其适用于CDMA系统, CDMA 系统用扩频方式将信号频谱扩展到很宽的范围, 使系统具有较强的抗多径能力。这种技术要求所有参与测量的基站的时钟是严格同步的。与其他定位技术相比, 它的主要好处是不需要精确地求得基站和移动站的响应和处理时延。
1.3A-GPS 基本原理
A-GPS 技术是一种结合了网络基站信息和GPS 信息对移动台进行定位的技术, 可以在GSM/GPRS, WCDMA 和CDMA2000 网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS 接收机模块, 并改造手机天线, 同时要在移动网络上加建位置服务器等设备。其定位流程如下: 手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器;位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS 辅助信息和移动台位置计算的辅助信息, 手機的A-GPS 模块根据辅助信息( 以提升GPS 信号的第一锁定时间TT FF 能力) 接收GPS 原始信号; 手机在接收到GPS 原始信号后解调信号, 计算手机到卫星的伪距( 伪距为受各种GPS 误差影响的距离) ,并将有关信息通过网络传输到位置服务器;④ 位置服务器根据传来的GPS 伪距信息和来自其他定位设备( 如差分GPS 基准站等) 的辅助信息完成对GPS信息的处理, 并估算该手机的位置; ⑤位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。A-GPS 解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外空旷地区, 其精度在正常的GPS 工作环境下, 可达10 m 左右, 堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为: 首次捕获GPS 信号的时间一般仅需几秒, 不像GPS 的首次捕获时间可能要2～3 min。
2、TDOA/A-GPS 混合定位及实现
2.1混合定位技术
TDOA 虽然有不需要对手机终端进行改造, 而且相对于CELL-ID 等定位技术其精度较高的优点,但也避免不了由于射频信号的非视线传输和多径效应带来的定位误差。尤其当定位用户在高速公路行驶时, 由于基站沿直线放置, 很难同时获得3 个基站的信号, 对定位精度有较大影响。同样, 虽然A-GPS 技术的定位精度很高、首次捕获GPS 信号时间短, 但是该技术也存在着一些缺点。首先, 室内定位的问题目前仍然无法圆满解决,另外, A-GPS 的定位实现必须通过多次网络传输( 最多可达次单向传输) , 这对运营商来说, 认为占用了大量的空中资源。考虑结合这2 种算法的优点, 采用T DOA/ AGPS混合定位的算法。具体来说就是在网络覆盖比较差( 如野外) 手机接收不到T DOA 准确定位所需的3 至4 个基站的信号时, 或者基站位置不能与手机构成位置测量所需的最佳角度( 如高速公路上) 时,即影响到准确测量的所需精度时, 可以利用GPS 定位提供高精度的位置信息, 同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度; 在城市, 可以利用基站密集的优势, 提供基于基站信号, 或者GPS 和基站信号混合的方式定位, 实现在复杂环境下的精确定位, 见图2。如果在室内接收不到GPS 定位所需的至少3 颗卫星的信号, 这时便可以完全利用TDOA 技术来实现精确定位。这样既利用了T DOA 覆盖范围广, 测量时间短, 又利用了A-GPS测量精度高的优点, 可以实现在各种复杂环境下精确的定位需求。
2.2混合定位技术的实现
混合定位技术与CDMA 位置服务体系相比, 该技术要求手机端内置GPS 信号接收芯片, 并且修改手机软件, 使之具有一定的位置计算功能。而网络端只需增加一台带GPS 接收机的服务器( T S)来完成捕获当前可见卫星序号、坐标转换、精度校正等功能。这种实现无需LMU 来进行位置信号的测量( 相关测量可以直接在手机与基站上完成) , 也无需增加PDE 来进行相关的位置计算( 这部分由手机和TS 共同完成) 。故而可以降低运营商的投资成本,减轻维护人员工作量。
混合定位技术的定位处理流程如下:①手机首先向相邻的3 个基站发送测距信号, 基站收到后, 回送相关信号( Cell-Id, 信号到达时间等) 至手机; ②手机收到从各基站发回的测距返回信号后, 计算对应的时间差, 并启动基于T DOA 的位置计算过程,同时通过移动通信网络向TS 请求卫星序号, 多普勒传输值、与该位置相关的GPS 辅助信息; ③手机的相应模块根据收到的GPS 辅助信息接收GPS 原始信号;④手机接收到GPS 原始信号后解调信号, 计算伪距, 最后得到该用户目前所在的经纬度; ⑤ 在手机综合计算基于TDOA 和A-GPS 所得位置值, 并将更为精确的位置数据发送到TS。
3、结束语
各种定位技术的产生，弥补了GPS定位的劣势，在定位精度、首次定位时长、终端耗电方面都有了极大的改善，将这些不同的定位方式统一在定位平台上，实现混合定位，满足各行业的定位需求。而T DOA/A-GPS 混合定位技术及文中所述实现策略则具有上述的优点, 是一种可行的实用定位解决方案。
参考文献
[1] 瞿明明.移动定位服务的现状与发展趋势[J].信息通信技术,2009.2（27）
[2] 中国邮电高校学报( 英文版) , 2004, 11( 1) : 68-72.