基于第三代移動(dòng)通信系統的定位技術(shù)研究

  　1、引言

　　為了滿(mǎn)足對通信個(gè)人化及高速數據業(yè)務(wù)的迫切需要，第三代移動(dòng)通信系統的標準（IMT-2000）制定和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已成為全世界通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，實(shí)現移動(dòng)終端的無(wú)線(xiàn)定位則是IMT-2000中一個(gè)重要研究課題。

　　根據美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的計劃，到2001年10月，所有蜂窩電話(huà)、個(gè)人通信系統、專(zhuān)用移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )許可運營(yíng)商將以可定位概率67%，誤差為125 m的精度要求為請求E-911的移動(dòng)用戶(hù)提供位置信息[1]。

　　利用第三代移動(dòng)通信系統將進(jìn)一步提高定位精度。目前蜂窩網(wǎng)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)就算法來(lái)說(shuō)已經(jīng)較為完善，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：

　?。?）基于3GPP協(xié)議的定位結構的設計。在第三代移動(dòng)通信系統網(wǎng)絡(luò )全面鋪開(kāi)后，基于3GPP協(xié)議，采用何種網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行定位既能保證定位精度，又能盡可能少的改動(dòng)網(wǎng)絡(luò )結構的研究成為熱點(diǎn)。

　?。?）定位參數的提取。由于受多徑傳播、非視距傳播和多址干擾的影響，使得精確的定位參數提取比較困難。

　　目前已提出的多種算法對以上3種誤差進(jìn)行抑制，但在建筑物較多的繁華市區定位精度仍不理想。

　?。?）對移動(dòng)臺跟蹤服務(wù)研究。當移動(dòng)臺處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分次單獨定位容易出現各次定位計算結構相差較大，運動(dòng)軌跡不連續。因此對移動(dòng)臺跟蹤定位的研究顯得非常迫切。

　　本文將圍繞第3代移動(dòng)通信系統的定位結構，定位方法，重點(diǎn)是基于3GPP協(xié)議框架下的定位流程進(jìn)行分析。

　　2、3G定位業(yè)務(wù)系統的結構

　　如圖1所示，是具有定位功能的第三代移動(dòng)通信系統結構圖[1,3]。圖1簡(jiǎn)要描述了LCS客戶(hù)、服務(wù)器與核心網(wǎng)之間的關(guān)系。LCS模塊與CN之間通過(guò)Iu接口進(jìn)行通信，LCS模塊之間利用網(wǎng)絡(luò )已有的信息提供能力和信令能力進(jìn)行通信。

　　作為服務(wù)的一部分，網(wǎng)絡(luò )還應該具備對不合法用戶(hù)設備進(jìn)行定位的能力，以及對同時(shí)出現的多個(gè)LCS客戶(hù)提供服務(wù)的能力，各部分單元功能如下：GMLC（網(wǎng)關(guān)移動(dòng)定位中心）接收LCS Client。發(fā)出的對某移動(dòng)定位用戶(hù)的路由信息，將定位請求發(fā)送到MSC/SGSN，再由無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)對終端（或輔助終端自己完成）定位。SMLC（服務(wù)移動(dòng)定位中心）用于支持高精度定位業(yè)務(wù)，主要完成接入網(wǎng)側的定位流程控制、位置計算、網(wǎng)絡(luò )測量管理以及無(wú)線(xiàn)資源管理。3GPP協(xié)議規定的SMLC可以集成在RNC中，也可獨立設置。LMU（位置測量單元）是邏輯定位實(shí)體，主要完成網(wǎng)絡(luò )的下行同步校準和無(wú)線(xiàn)測量功能。LMU負責無(wú)線(xiàn)測量，把測量結果通知給 RNC。



圖1　具有定位功能的3G網(wǎng)絡(luò )結構

　　3、定位的信令流程

　　定位信令流程如圖2所示，可簡(jiǎn)單描述定位描述如下[4]：LCS Client向GMLC發(fā)定位請求后，GMLC向HLR獲取被定位用戶(hù)目前所處的MSC/SGSN地址，然后GLMC向該MSC/SGSN發(fā)起定位請求， MSC/SGSN調用無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中的定位網(wǎng)元（包括SMLC、RNC、Node B，LMU等）執行此次定位操作，網(wǎng)絡(luò )采用合適的定位方法計算出用戶(hù)經(jīng)緯度后，返回定位報告，由LCS Client對經(jīng)緯度信息進(jìn)行處理后以合適的形式（如MMS，WAP PUSH等）返回給用戶(hù)。



圖2　定位流程

　　4、基于第三代移動(dòng)通信系統的幾種定位方法

　　定位業(yè)務(wù)和定位精度密切相關(guān)。3GPP定位功能的實(shí)現是基于控制層面的（Control Plane）。針對第三代移動(dòng)通信的不同制式有不同的定位方法：CDMA2000主要繼承了IS-95系統和CDMA 1x系統的定位技術(shù)，采用了基于CELL-ID、基于場(chǎng)強定位和EOTD等技術(shù)得到了一定程度的應用。以及CDMA 1x系統中的AGPS和基于TDOA的定位技術(shù)。TD-SCDMA系統則由于采用智能天線(xiàn)系統和上行同步CDMA技術(shù)，在定位方面具有一定的優(yōu)勢，主要技術(shù)包括：RTD+AOA、OTDOA-RTD等，WCDMA系統則主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技術(shù)等。下面著(zhù)重介紹第三代移動(dòng)通信系統使用比較成熟的3種定位方法：

　　Cell-ID/Cell-ID+RTT（Round Trip Time）、OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）和A-GPS（Assisted Global Positioning Systems）

　   4.1　基于蜂窩小區ID的定位方法

　　此定位方法依靠SRNC確定覆蓋目標MS的蜂窩小區ID，MS的位置由其服務(wù)結點(diǎn)B的有關(guān)路由信息獲得。服務(wù)結點(diǎn)B和小區的信息可以通過(guò)尋呼、定位區域更新、小區更新、URA更新或路由區域更新等來(lái)獲得[4]。Cell-ID方式可以用系統提供的測量參數來(lái)提高定位精度。FDD系統通過(guò)RTT（往返時(shí)間）測量來(lái)計算UE到基站的距離；TDD系統通過(guò)對Rx Timing D eviation（Rx定時(shí)偏差）、AOA（到達方位角）和TA（定時(shí)提前）測量來(lái)得到用戶(hù)具體位置。  

    4.2　OTDOA—IPDL定位法

　　下行（Downlink）OTDOA定位法利用在MS測得的多個(gè)結點(diǎn)B發(fā)射的電波傳播時(shí)間偏差，結合發(fā)射機地理位置坐標、LMU測出的各個(gè)下行信號發(fā)射的實(shí)際時(shí)間偏差（RTD）等信息來(lái)確定目標MS的地理位置[5]。由于在CDMA蜂窩網(wǎng)中存在遠近效應，而系統利用功率控制來(lái)克服這一影響，使得離基站較近的UE受基站強信號的干擾，移動(dòng)臺難以檢測到其它基站的信號，不能滿(mǎn)足測量到至少3個(gè)基站的要求，對測量TOA或TDOA的能力影響極大。對此，3GPP中提出了設置下行空閑周期（IPDL）的OTDOA定位法：在空閑時(shí)間內各NODEB只發(fā)射導頻信號，停止其他業(yè)務(wù)信道信號的發(fā)射，提高了MS對臨近非服務(wù)NODEB的監聽(tīng)能力，能準確的檢測出多個(gè)TDOA值。 OTDOA-IPDL的一種改進(jìn)技術(shù)是TA-IPDL技術(shù)[3]:MS周?chē)荆òǚ?wù)基站）同時(shí)停止所有信號的發(fā)送，進(jìn)入空閑周期。在空閑周期，每個(gè)基站偽隨機的選擇發(fā)送定位信號或者不發(fā)送信號（該定位信號即公共導頻信號或BCH 信號只對定位有用）。移動(dòng)臺在期間檢測所有基站信號并求得基站間信號到代時(shí)間差。

　　4.3　網(wǎng)絡(luò )輔助GPS定位

　　GPS全球定位系統基本原理是根據高速運動(dòng)的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會(huì )的方法，確定待測點(diǎn)的位置[3]。這種方法在氣候條件良好時(shí)可以達到5～40 m的精度，能夠滿(mǎn)足大多數的定位業(yè)務(wù)要求。但是，這種方法用于對手機定位的初次定位時(shí)間通常需要10多分鐘以上，定位的速度太慢，達不到商用的要求，為此在傳統的GPS的基礎上，這種將GPS與蜂窩通信網(wǎng)結合的定位方法A-GPS技術(shù)：建立能夠持續對GPS衛星信號進(jìn)行監測的GPS參考接收網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )把獲得的原始信息處理后成為GPS輔助信息，通過(guò)UMTS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給終端GPS接收設備，確定手機的位置。

　　A-GPS定位有兩種方式：UE（用戶(hù)設備）輔助的A-GPS方法，UE只提供衛星的偽距測量，位置計算由網(wǎng)絡(luò )完成；基于終端的A-GPS方法，終端要完成測量及位置計算?；诮K端的A-GPS方法要提供GPS測量的輔助信息和與位置計算有關(guān)的輔助信息。

　　5、3GPP標準關(guān)于無(wú)線(xiàn)資源控制子層定位的描述。

　　3GPP對第三代移動(dòng)通信系統技術(shù)中的定位標準作了較為詳盡的規定。在空中接口的無(wú)線(xiàn)資源控制層協(xié)議中規定了基于UE（用戶(hù)設備）端的定位測量，報告標準，定位報告量，以及基于UE/UE輔助定位的OTDOA方法或者GPS輔助數據定位數據等參數。無(wú)線(xiàn)資源控制層處理用戶(hù)終端和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)之間在第3層控制面的信令以及和更高層（非接入層）之間的關(guān)系，如圖3所示[2]。 

 

圖3　Uu接口的RRC與低層的交互動(dòng)作

　　由圖3可知，RRC層和低層（L1物理層，L2數據鏈路層）所有協(xié)議實(shí)體間存在控制接口，RRC通過(guò)這些接口和相應原語(yǔ)對低層進(jìn)行配置和傳輸一些控制命令，同時(shí)低層通過(guò)這些接口報告相應的測量報告和狀態(tài)，供RRC決策采用。其中，RRC層將根據來(lái)自物理層的信息（方位和距離）進(jìn)行UE定位。具體定位流程如下所述[6,7]。

　　5.1　定位業(yè)務(wù)的測量過(guò)程。

　　測量是移動(dòng)通信系統必備的功能。UE的測量和報告程序受UTRAN（通用陸地無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò )控制。通過(guò)測量命令和測量報告，網(wǎng)絡(luò )可以指示UE 要進(jìn)行哪些方面的測量。UE定位測量依據于所選的定位方法和方式類(lèi)型（在信息單元“UE定位報告參量”中獲得），有3種可選的測量方式：幀間觀(guān)測時(shí)間差類(lèi)型2測量、收發(fā)時(shí)間差類(lèi)型2測量、GPS蜂窩幀定時(shí)類(lèi)型2測量等3類(lèi)（其余的GPS測量方法不在標準范圍內）。

　　其中類(lèi)型2的定義為從小區i所接收到的P_CPICH時(shí)刻和從小區j接收到P_CPICH時(shí)刻的時(shí)間差，主要作用于手機定位，它包含了活動(dòng)小區里每一個(gè)無(wú)線(xiàn)連接的時(shí)間差（以碼片為計算單位）。參考路徑以最早到達手機的路徑為準。

　　在測量控制信息中的IE“UE定位報告標準”中，UTRAN將通知UE應該觸發(fā)哪一個(gè)測量報告事件，測量報告的內容同樣依據定位依據于所選的定位方法和方式類(lèi)型（在信息單元“UE定位報告參量”中獲得）。

　　5.2　UE定位報告標準及參量

　　如果IE（信息單元）包括“UE定位報告標準”，UE將執行如上所述的測量并在時(shí)間間隔估計定位事件并指示在信息單元“測量間隔”中。而執行定位的報告參量將由如下部分組成：

　　5.2.1　如果IE包括的：“水平精度”和/或“垂直精度”

　　要求在67%的概率下定位精度達到請求水平。

　　5.2.2　IE中“定位方法”和“方式種類(lèi)”的設置

　　IE“定位方法”的設置可選的有：

　?、貱ell ID
       ② OTDOA 

       ③A-GPS.

　　IE“方式種類(lèi)”的設置可選的有：

　?、倩赨E定位

　?、赨E輔助定位

　?、踀E輔助定位首選允許基于UE定位或基于UE定位首選允許UE輔助定位（其中③的選擇將依據UE的選擇為準）。

　　5.2.3　檢查“定位方法”和“方式種類(lèi)”設置并設置變量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”

　　變量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”?。ㄔO置不完善）將在一些設置錯誤的情況下被置為“TRUE”。如根據UE的功能，如果UE不支持“基于UE”的OTDOA方式，而又將IE“定位方法”和“方法類(lèi)型”分別置為“OTDOA”和“基于UE”的情況下，上述變量將被置為 “TRUE”。

　　5.3　UE定位的報告數據

　　3GPP在RRC層協(xié)議中對幾種定位方式的數據做了規定，主要有基于UE定位的OTDOA輔助數據，基于UE輔助定位的OTDOA輔助數據，GPS輔助數據定位等，下面以GPS輔助定位為例，詳細闡述其定位數據的報告。

　　5.3.1　GPS輔助的手機定位

　　手機可能在系統消息塊（type 15，15.1，15.2  ，15.3）、ASSISTANCE DATA DELIVERY信息或者測量控制信息中接收到GPS輔助數據。如果IE中包括“GPS輔助的手機定位”，UE將對變量 UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：刪除所有當前存儲在變量中的信息并重新存儲接收到的信息，然后將IE“GPS TOW msec”存儲在變量中。

　　當IE中包括 “SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”時(shí)，同樣將這些IE置入變量UE_POSITIONING_GPS_DATA，并執行如下判斷：

　?、偃绻鸌E中包括“Primary CPICH Info”（針對FDD模式）或者“cell parameters id”（針對TDD模式），將利用IE“SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”去估計GPS時(shí)間和由“Primary CPICH info”or“cell parameters id”指示的小區的NODE B傳送的空中接口時(shí)間二者的關(guān)系。

　?、谌绻鸌E中不包括“Primary CPICH Info”（針對FDD模式）或者“cell parameters id”（針對TDD模式），且UE不處于CELL_DCH狀態(tài)，將利用IE“SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”去估計GPS時(shí)間和服務(wù)小區的NODE B傳送的空中接口時(shí)間二者的聯(lián)系。

　　5.3.2　UE定位的GPS歷書(shū)

　　如果IE中包含“UE positioning GPS Almanac”，UE將根據IE“Sat ID”指示的位置將GPS歷書(shū)信息存儲到IE“UE Positioning GPS Almanac”中UEPOSITIONING_GPS_DATA變量。

　　5.3.3　UE定位的D-GPS修正

　　如果IE中包含“UE Positioning GPS DGPS corrections”，（UE定位的差分GPS修正，UE將對變量UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：刪除所有當前存儲在變量中的信息并重新存儲接收到的信息，然后使用IE“GPS TOW sec”去確定計算差分修正的計算時(shí)刻和利用IE“Status/Health”去確定差分修正的狀態(tài)。

　　5.3.4　UE定位的GPS導航模型

　　使用IE“Satellite Status”確定是否有IE“UE positioning GPS Ephemeris and Clock Correction parameters”的更新提供給有IE“SAT ID”指示的衛星，如果有相應的信息，將存儲GPS歷書(shū)和時(shí)鐘修正參數。

　　5.3.5　UE定位的GPS參考時(shí)間

　　如果IE中包含“UE positioning GPS reference time”，UE將存儲“GPS Week”在“UE positioning GPS reference time”中的變量UE_POSITIONING_GPS_DATA并將其作為GPS當前的周時(shí)。

        5.3.6　UE定位的計算信息

　　如果UE接收到在系統消息中廣播的從更高層傳來(lái)的GPS輔助數據的解密信息，　將當前解密鑰存儲在IE“Current deciphering key”的變量UE _POSITIONING_GPS_DATA中，將下一個(gè)解密鑰存儲在IE“Next deciphering key”的變量UE_POSITIONING_GPS_DATA并且將解密鑰標志位 也存入變量UE_POSITIONING_GPS_DATA中。按如下方式選擇兩個(gè)解密信息的一個(gè)存入變量UE_POSITIONING_GPS_DATA：若接收到的IE“Ciphering Key Flag”值與以前存儲在變量UE_POSITIONING_GPS_DATA中的IE“Ciphering Key Flag”值相等，則選擇解密鑰，反之則選擇下一個(gè)解密鑰。 

       5.4　UE定位錯誤

　　UE定位過(guò)程中會(huì )出現一些錯誤情況，錯誤原因由IE“UE positioning Error”指示，可能的錯誤原因有：

　　5.4.1　設置IE“Positioning Methods”為OTDOA方式

　　當接收不到相鄰小區OTDOA值的時(shí)候，IE將被設置為“Not Enough OTDOA Cells”

　　5.4.2　設置IE“Positioning Methods”為GPS方式

　　當沒(méi)有接收到足夠多的衛星時(shí)，設置IE“Error reason”為“Not Enough GPS Satellites”；

　　當GPS輔助數據丟失時(shí)，置IE“Error reason”為“Assis  tance Data Missing”。

　　當UE不能測量出被請求的GPS蜂窩幀定時(shí)，將置IE“Error reason”為“Not Accomplished GPS Timing Of Cell Frames”

　　6、結束語(yǔ)

　　定位業(yè)務(wù)在3GPP中被看成是3G網(wǎng)絡(luò )的附加功能，可以通過(guò)在已有的網(wǎng)絡(luò )信令中添加必要的指令來(lái)實(shí)現。定位的相關(guān)消息采用無(wú)線(xiàn)信令來(lái)承載，與協(xié)議棧有關(guān)，其缺點(diǎn)是需要對3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)元，包括對NODE B、RNC、HLR等相關(guān)設備和接口進(jìn)行較大的修改。但它的優(yōu)點(diǎn)是定位消息采用信令來(lái)承載，響應速度快，可靠性高，適用于對定位時(shí)延要求較高的業(yè)務(wù)中，如基于位置的公共安全業(yè)務(wù)等。

　　目前，3GPP組織仍然在對LCS業(yè)務(wù)的各項規范作不斷的制定和完善，各個(gè)運營(yíng)商也對位置服務(wù)的開(kāi)展表現出了濃厚的興趣，積極的參與到標準的制定與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中位置業(yè)務(wù)將是一項非常有前景的無(wú)線(xiàn)增值業(yè)務(wù)，這項業(yè)務(wù)必將成為第三代移動(dòng)通信系統應用中的一個(gè)亮點(diǎn)。

　　參考文獻

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