移動(dòng)位置服務(wù)應用平臺研究與開(kāi)發(fā)

提出了一種移動(dòng)位置服務(wù)的體系結構，開(kāi)發(fā)、設計了其中的關(guān)鍵部件移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)和位置服務(wù)應用平臺，給出了實(shí)現位置服務(wù)的應用程序設計流程。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試表明，系統能夠應用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )為用戶(hù)提供位置服務(wù)。

移動(dòng)位置服務(wù)LBS(Location-based Service)是通過(guò)一定的技術(shù)從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )獲取移動(dòng)用戶(hù)的位置信息，并為用戶(hù)提供相應服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。提供移動(dòng)位置服務(wù)要依賴(lài)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )以及移動(dòng)定位技術(shù)。在第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中，由于網(wǎng)絡(luò )固有的原因，定位精度只能達到數十米，這使得網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商無(wú)法推廣移動(dòng)位置服務(wù)吸引客戶(hù)。隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )在中國快速發(fā)展，結合新研究的移動(dòng)定位技術(shù)，通過(guò)用戶(hù)的移動(dòng)終端進(jìn)行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經(jīng)達到米數量級[1]。從而使移動(dòng)定位業(yè)務(wù)能夠像短消息業(yè)務(wù)一樣成為一種具有廣闊市場(chǎng)前景的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。

1 移動(dòng)定位技術(shù)

無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)是指用來(lái)判定移動(dòng)用戶(hù)位置的測量和計算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來(lái)進(jìn)行位置計算，最常用的定位技術(shù)主要有：信號到達角度定位AOA(Anger of Arrival)、到達時(shí)間定位TOA(Time of Arrival)、到達時(shí)間差定位TDOA(Time Difference of Arrival)、cell-ID定位、輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位等。在實(shí)際應用中，定位往往是越精確越好，例如當用戶(hù)發(fā)生危險需要緊急定位時(shí)，傳統定位技術(shù)定位到某個(gè)蜂窩小區數十米范圍內是遠遠不夠的，需要借助定位技術(shù)提高定位的準確性。上述定位技術(shù)中只有TDOA定位和輔助GPS定位的定位精度可以精確到3 m~7 m[1]。在3G移動(dòng)通信系統中得到了較好地應用，滿(mǎn)足了用戶(hù)對定位精度的要求。

1.1 到達時(shí)間差(TDOA)定位技術(shù)

TDOA定位技術(shù)是根據不同基站接收到的同一移動(dòng)終端信號在傳輸路徑上的時(shí)延差異實(shí)現終端定位。當移動(dòng)終端發(fā)出緊急呼叫時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)其附近的三個(gè)或更多個(gè)不同基站接收并測量出信號的到達時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )計算出到達時(shí)間兩兩之間的差值，移動(dòng)終端必然位于這些時(shí)間差值所對應的以?xún)蓛苫緸榻裹c(diǎn)的雙曲線(xiàn)上[2]。這樣，根據兩條雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)就能夠確定手機的位置。所以只要附近三個(gè)基站接收到移動(dòng)終端發(fā)出的信號就可以達到定位目的。TDOA技術(shù)只需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )參與網(wǎng)絡(luò )參數的測量，不需要對終端硬件上的改動(dòng)。因此實(shí)現TDOA定位只需要在移動(dòng)通信網(wǎng)中增加相應功能模塊就可以了，并支持所有廠(chǎng)商生產(chǎn)的移動(dòng)終端。同時(shí)它具有定位精度高、響應時(shí)間短、實(shí)現簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現LBS業(yè)務(wù)需要在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)側增加定位功能實(shí)體，即位置測量單元LMU(Location Measurement Unit)。LMU可以單獨設置或置于基站內，而核心網(wǎng)側還須有對應的功能實(shí)體，即位置確定單元PDE(Position Determination Entity)，根據LMU測量的網(wǎng)絡(luò )參數進(jìn)行相應的定位運算[3]。

TDOA作為主要的定位技術(shù)在第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中得到了廣泛的應用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術(shù)，即觀(guān)測到達時(shí)間差分OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)；在3GPP2的CDMA2000中，稱(chēng)為高級前向鏈路三角測量法A－FLT(Advanced Forward Link Trilateration)。這些方法的原理相同，都是通過(guò)信號到達時(shí)間差值，確定不少于兩條雙曲線(xiàn)，再通過(guò)這些雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)，確定移動(dòng)臺的位置。到達時(shí)間差分定位原理如圖1所示。

1.2 輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中直接使用GPS定位遇到許多問(wèn)題。首先，由于捕捉到GPS衛星導航信號的時(shí)間相對較長(cháng)(30秒到幾分鐘)，所以移動(dòng)臺的首次響應時(shí)間較長(cháng)。其次，由于較長(cháng)的響應時(shí)間導致移動(dòng)臺的功率損耗也較大。最后，處于室內和城市低谷地帶(高樓之間等)的移動(dòng)臺，甚至由于移動(dòng)臺的天線(xiàn)相對較小等原因，導致接收到的GPS信號相對較弱，造成這些弱信號難以檢測到。因此為了解決這些問(wèn)題，采用輔助GPS方法來(lái)改善GPS定位的性能。

A-GPS技術(shù)的基本方法是建立一個(gè)參考GPS網(wǎng)絡(luò )，以便接收天線(xiàn)能夠連續不斷地跟蹤GPS衛星[2]。參考網(wǎng)絡(luò )可以和蜂窩基站連接在一起，持續實(shí)時(shí)地跟蹤GPS衛星群，并在一定的時(shí)刻提供許多數據給每一個(gè)衛星。這些數據包括移動(dòng)臺的(或基站)位置信息、目前在役的衛星信息、星歷表信息、時(shí)鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機噪聲信息等。當移動(dòng)臺發(fā)出移動(dòng)定位請求時(shí)，GPS參考網(wǎng)絡(luò )把這些數據信息傳送到移動(dòng)臺(或GPS接收天線(xiàn))以快速啟動(dòng)或增加移動(dòng)臺的接收靈敏度。由于參考網(wǎng)絡(luò )的作用，A-GPS較傳統GPS信號的搜索空間大大縮小，所以導航信號的捕捉時(shí)間大為減少。同時(shí)參考網(wǎng)絡(luò )允許移動(dòng)臺采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動(dòng)臺靈敏度，削減了移動(dòng)臺的功率損耗。一旦內嵌GPS接收天線(xiàn)的移動(dòng)臺接收到衛星信號，移動(dòng)臺的初始定位信息便可傳送給網(wǎng)絡(luò )，并在網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)一步進(jìn)行計算，從而確定出移動(dòng)臺的位置。

A-GPS技術(shù)克服了GPS技術(shù)直接應用于移動(dòng)通信定位服務(wù)的缺陷。并且相對于其他技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要是定位精度較高，定位距離最小可達3 m。其次是它的定位響應時(shí)間較短，可以在幾秒內得到響應。但與TDOA技術(shù)相比，需要移動(dòng)終端支持A-GPS定位，增加了移動(dòng)終端的費用。目前美國、日本和韓國等已經(jīng)開(kāi)通了A-GPS位置服務(wù)[4]，而且在較短時(shí)間內，銷(xiāo)售了帶A-GPS定位服務(wù)的手機超過(guò)1 000萬(wàn)臺。

2 移動(dòng)位置服務(wù)的體系結構設計

移動(dòng)位置服務(wù)是移動(dòng)運營(yíng)商提供給移動(dòng)用戶(hù)的增值服務(wù)，因此實(shí)施移動(dòng)位置服務(wù)應該充分利用運營(yíng)商的現有網(wǎng)絡(luò )投資。根據現有移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò )結構，提出了如圖2所示的系統結構。這種結構是在現有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)體上的延伸，增加了移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)模塊和移動(dòng)位置應用平臺模塊。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)完成相當多的功能，如用戶(hù)管理、位置管理、應用管理、定位等，許多有關(guān)用戶(hù)的定位信息都在服務(wù)網(wǎng)處理，并提交給位置服務(wù)應用平臺。位置服務(wù)應用平臺類(lèi)似于一臺服務(wù)器，它與移動(dòng)用戶(hù)終端進(jìn)行交互，將用戶(hù)的定位信息通過(guò)合適的數據格式傳輸給訂制了該業(yè)務(wù)的用戶(hù)。

3 移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)

移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)是本系統中開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要的部件。它一方面要為服務(wù)提供商提供各種基于XML協(xié)議的二次開(kāi)發(fā)接口，提供地理信息服務(wù)、定位等功能；另一方面要為移動(dòng)運營(yíng)商提供各種運營(yíng)維護管理功能，如定位、用戶(hù)鑒權、計費等各種服務(wù)。移動(dòng)定位服務(wù)網(wǎng)關(guān)系統特性包括：

(1)支持開(kāi)放標準的應用程序接口/協(xié)議、多廠(chǎng)家設備及定位技術(shù)。通過(guò)標準化的接口，與不同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )定位設備提供商；支持多種定位方式；提供標準的A接口，以XML、SOAP方式連接；支持與WAP以及SMS的連接，支持2G/3G等不同網(wǎng)絡(luò )。

(2)提供位置信息的安全控制及用戶(hù)鑒權。

(3)運營(yíng)商可通過(guò)多種渠道提供服務(wù)與應用，有些位置服務(wù)適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供了多套接口，以方便運營(yíng)商提供服務(wù)。

(4)應對大規模并發(fā)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)能力。

4 移動(dòng)位置服務(wù)應用平臺

4.1 移動(dòng)位置服務(wù)應用平臺開(kāi)發(fā)

移動(dòng)位置服務(wù)應用平臺相當于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中的定位服務(wù)器，它接收來(lái)自于移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過(guò)處理的定位信息，并在位置服務(wù)應用平臺中經(jīng)過(guò)再處理。由于移動(dòng)用戶(hù)終端機的生產(chǎn)廠(chǎng)商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務(wù)應用平臺服務(wù)器能夠為不同的終端用戶(hù)提供服務(wù)。系統可以配合短消息服務(wù)確定手機用戶(hù)所在的地理位置，也能夠以Web形式響應用戶(hù)的需求[5]。移動(dòng)位置服務(wù)的應用平臺結構如圖3所示。

地圖服務(wù)器引擎是移動(dòng)位置服務(wù)應用平臺實(shí)現方案的核心，該模塊的性能好壞將影響定位效果，可以直接選用商用化設備。開(kāi)發(fā)定位服務(wù)器選用的地圖服務(wù)器是ESRI的ArcIMS地圖服務(wù)器，它包含以下幾個(gè)部分：地理信息發(fā)布平臺、空間數據庫、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務(wù)器提供二次開(kāi)發(fā)接口，只需開(kāi)發(fā)程序將移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)計算出的位置傳送給地圖服務(wù)器，從而確定出移動(dòng)終端所在的準確位置。ArcIMS地圖服務(wù)器適用于無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)Intranet的地圖應用，能以多種圖像格式發(fā)布地圖，很容易建立基于無(wú)線(xiàn)手持設備(手機或PDA)可擴充的移動(dòng)位置服務(wù)應用。對于電信級的定位應用，核心問(wèn)題是解決大用戶(hù)量的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題，ArcIMS采用了先進(jìn)的負載平衡和流量控制技術(shù)。當系統容量擴大時(shí)，只需增加地圖服務(wù)器就可以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

4.2 位置服務(wù)應用程序設計流程

移動(dòng)位置服務(wù)的應用程序設計流程如圖4所示。

整個(gè)過(guò)程為：

(1)移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)位置應用服務(wù)，發(fā)送服務(wù)請求代碼給位置服務(wù)應用平臺，然后位置服務(wù)應用判斷該用戶(hù)申請的服務(wù)類(lèi)型后，由位置服務(wù)應用平臺向位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提交該用戶(hù)的位置服務(wù)請求。

(2)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)對該用戶(hù)進(jìn)行認證和安全處理，如通過(guò)，設置為成功；如未通過(guò)，設置則為失敗。

(3)在通過(guò)認證的情況下，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)根據請求參數發(fā)送給運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò )實(shí)體，一般是移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC(Mobile Switching Center)和歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)，由MSC進(jìn)行定位運算，計算完畢后將參數返回給位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)再將接收到的參數處理后返回該用戶(hù)的最新位置信息給位置服務(wù)應用平臺。

(4)如果位置服務(wù)應用平臺收到正確的位置信息，將根據位置和地圖服務(wù)器進(jìn)行綜合處理，生成相應的圖片和文字信息。最后位置服務(wù)應用平臺對生成結果(成功或失敗)信息打包，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )返回給移動(dòng)用戶(hù)終端，移動(dòng)用戶(hù)在便攜式移動(dòng)終端(如PDA、Pocket　PC等)上可以接收到顯示的位置信息。

移動(dòng)位置服務(wù)具有極好的市場(chǎng)應用前景。對移動(dòng)用戶(hù)而言，位置服務(wù)不僅是了解自己和他人位置的個(gè)性服務(wù)，更重要的是關(guān)系到移動(dòng)用戶(hù)的自身和財產(chǎn)安全。本文提出的移動(dòng)位置服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )架構在移動(dòng)運營(yíng)商的試商用中得到了良好的應用，隨著(zhù)未來(lái)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，位置服務(wù)將提供給用戶(hù)更高的定位精度、更便捷的操作方式、更全面的位置信息。移動(dòng)位置服務(wù)必將成為繼短消息業(yè)務(wù)之后又一廣受用戶(hù)歡迎的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。