第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的定位技術(shù)研究

1、引言

為了滿足對通信個(gè)人化及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迫切需要，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)(IMT-2000)制定和產(chǎn)品開發(fā)已成為全世界通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的無線定位則是IMT-2000中一個(gè)重要研究課題。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的計(jì)劃，到2001年10月，所有蜂窩電話、個(gè)人通信系統(tǒng)、專用移動(dòng)無線電的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)許可運(yùn)營商將以可定位概率67%，誤差為125 m的精度要求為請求E-911的移動(dòng)用戶提供位置信息[1]。

利用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步提高定位精度。目前蜂窩網(wǎng)無線定位技術(shù)就算法來說已經(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：

(1)基于3GPP協(xié)議的定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)全面鋪開后，基于3GPP協(xié)議，采用何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的研究成為熱點(diǎn)。

(2)定位參數(shù)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(shù)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(qū)定位精度仍不理想。

(3)對移動(dòng)臺(tái)跟蹤服務(wù)研究。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分次單獨(dú)定位容易出現(xiàn)各次定位計(jì)算結(jié)構(gòu)相差較大，運(yùn)動(dòng)軌跡不連續(xù)。因此對移動(dòng)臺(tái)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(tǒng)的定位結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，是具有定位功能的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[1,3]。圖1簡要描述了LCS客戶、服務(wù)器與核心網(wǎng)之間的關(guān)系。LCS模塊與CN之間通過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(yīng)該具備對不合法用戶設(shè)備進(jìn)行定位的能力，以及對同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)LCS客戶提供服務(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)定位用戶的路由信息，將定位請求發(fā)送到MSC/SGSN，再由無線接入網(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(cè)的定位流程控制、位置計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)測量管理以及無線資源管理。3GPP協(xié)議規(guī)定的SMLC可以集成在RNC中，也可獨(dú)立設(shè)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(zhǔn)和無線測量功能。LMU負(fù)責(zé)無線測量，把測量結(jié)果通知給 RNC。

圖1　具有定位功能的3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3、定位的信令流程

定位信令流程如圖2所示，可簡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(diào)用無線接入網(wǎng)中的定位網(wǎng)元(包括SMLC、RNC、Node B，LMU等)執(zhí)行此次定位操作，網(wǎng)絡(luò)采用合適的定位方法計(jì)算出用戶經(jīng)緯度后，返回定位報(bào)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。

圖2　定位流程

4、基于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)和CDMA 1x系統(tǒng)的定位技術(shù)，采用了基于CELL-ID、基于場強(qiáng)定位和EOTD等技術(shù)得到了一定程度的應(yīng)用。以及CDMA 1x系統(tǒng)中的AGPS和基于TDOA的定位技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)則由于采用智能天線系統(tǒng)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(tǒng)則主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技術(shù)等。下面著重介紹第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)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(qū)ID的定位方法

此定位方法依靠SRNC確定覆蓋目標(biāo)MS的蜂窩小區(qū)ID，MS的位置由其服務(wù)結(jié)點(diǎn)B的有關(guān)路由信息獲得。服務(wù)結(jié)點(diǎn)B和小區(qū)的信息可以通過尋呼、定位區(qū)域更新、小區(qū)更新、URA更新或路由區(qū)域更新等來獲得[4]。Cell-ID方式可以用系統(tǒng)提供的測量參數(shù)來提高定位精度。FDD系統(tǒng)通過RTT(往返時(shí)間)測量來計(jì)算UE到基站的距離;TDD系統(tǒng)通過對Rx Timing D eviation(Rx定時(shí)偏差)、AOA(到達(dá)方位角)和TA(定時(shí)提前)測量來得到用戶具體位置。

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(jié)點(diǎn)B發(fā)射的電波傳播時(shí)間偏差，結(jié)合發(fā)射機(jī)地理位置坐標(biāo)、LMU測出的各個(gè)下行信號(hào)發(fā)射的實(shí)際時(shí)間偏差(RTD)等信息來確定目標(biāo)MS的地理位置[5]。由于在CDMA蜂窩網(wǎng)中存在遠(yuǎn)近效應(yīng)，而系統(tǒng)利用功率控制來克服這一影響，使得離基站較近的UE受基站強(qiáng)信號(hào)的干擾，移動(dòng)臺(tái)難以檢測到其它基站的信號(hào)，不能滿足測量到至少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(shè)置下行空閑周期(IPDL)的OTDOA定位法：在空閑時(shí)間內(nèi)各NODEB只發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)，停止其他業(yè)務(wù)信道信號(hào)的發(fā)射，提高了MS對臨近非服務(wù)NODEB的監(jiān)聽能力，能準(zhǔn)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周圍基站(包括服務(wù)基站)同時(shí)停止所有信號(hào)的發(fā)送，進(jìn)入空閑周期。在空閑周期，每個(gè)基站偽隨機(jī)的選擇發(fā)送定位信號(hào)或者不發(fā)送信號(hào)(該定位信號(hào)即公共導(dǎo)頻信號(hào)或BCH信號(hào)只對定位有用)。移動(dòng)臺(tái)在期間檢測所有基站信號(hào)并求得基站間信號(hào)到代時(shí)間差。

4.3　網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位

GPS全球定位系統(tǒng)基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，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(dá)到5～40 m的精度，能夠滿足大多數(shù)的定位業(yè)務(wù)要求。但是，這種方法用于對手機(jī)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(dá)不到商用的要求，為此在傳統(tǒng)的GPS的基礎(chǔ)上，這種將GPS與蜂窩通信網(wǎng)結(jié)合的定位方法A-GPS技術(shù)：建立能夠持續(xù)對GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行監(jiān)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UMTS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端GPS接收設(shè)備，確定手機(jī)的位置。