基于第三代移動通信系統(tǒng)的定位技術研究

　　1、引言

　　為了滿足對通信個人化及高速數(shù)據(jù)業(yè)務的迫切需要，第三代移動通信系統(tǒng)的標準(IMT-2000)制定和產品開發(fā)已成為全世界通信領域的熱點，實現(xiàn)移動終端的無線定位則是IMT-2000中一個重要研究課題。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的計劃，到2001年10月，所有蜂窩電話、個人通信系統(tǒng)、專用移動無線電的移動網(wǎng)絡許可運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的移動用戶提供位置信息[1]。

　　利用第三代移動通信系統(tǒng)將進一步提高定位精度。目前蜂窩網(wǎng)無線定位技術就算法來說已經(jīng)較為完善，目前的研究熱點主要集中在以下幾個方面：

　　(1)基于3GPP協(xié)議的定位結構的設計。在第三代移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡全面鋪開后，基于3GPP協(xié)議，采用何種網(wǎng)絡結構進行定位既能保證定位精度，又能盡可能少的改動網(wǎng)絡結構的研究成為熱點。

　　(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)對移動臺跟蹤服務研究。當移動臺處

　　于移動狀態(tài)時，分次單獨定位容易出現(xiàn)各次定位計算結構相差較大，運動軌跡不連續(xù)。因此對移動臺跟蹤定位的研究顯得非常迫切。

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

　　2、3G定位業(yè)務系統(tǒng)的結構

　　如圖1所示，是具有定位功能的第三代移動通信系統(tǒng)結構圖[1,3]。圖1簡要描述了LCS客戶、服務器與核心網(wǎng)之間的關系。LCS模塊與CN之間通過Iu接口進行通信，LCS模塊之間利用網(wǎng)絡已有的信息提供能力和信令能力進行通信。作為服務的一部分，網(wǎng)絡還應該具備對不合法用戶設備進行定位的能力，以及對同時出現(xiàn)的多個LCS客戶提供服務的能力，各部分單元功能如下：GMLC(網(wǎng)關移動定位中心)接收LCS Client。發(fā)出的對某移動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(服務移動定位中心)用于支持高精度定位業(yè)務，主要完成接入網(wǎng)側的定位流程控制、位置計算、網(wǎng)絡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，也可獨立設置。LMU(位置測量單元)是邏輯定位實體，主要完成網(wǎng)絡的下行同步校準和無線測量功能。LMU負責無線測量，把測量結果通知給 RNC。

　　圖1　具有定位功能的3G網(wǎng)絡結構

　　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)絡采用合適的定位方法計算出用戶經(jīng)緯度后，返回定位報告，由LCS Client對經(jīng)緯度信息進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、基于第三代移動通信系統(tǒng)的幾種定位方法

　　定位業(yè)務和定位精度密切相關。3GPP定位功能的實現(xiàn)是基于控制層面的(Control Plane)。針對第三代移動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，采用了基于CELL-ID、基于場強定位和EOTD等技術得到了一定程度的應用。以及CDMA 1x系統(tǒng)中的AGPS和基于TDOA的定位技術。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，在定位方面具有一定的優(yōu)勢，主要技術包括：RTD+AOA、OTDOA-RTD等，WCDMA系統(tǒng)則主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技術等。下面著重介紹第三代移動通信系統(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MS的蜂窩小區(qū)ID，MS的位置由其服務結點B的有關路由信息獲得。服務結點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(往返時間)測量來計算UE到基站的距離;TDD系統(tǒng)通過對Rx Timing D eviation(Rx定時偏差)、AOA(到達方位角)和TA(定時提前)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測得的多個結點B發(fā)射的電波傳播時間偏差，結合發(fā)射機地理位置坐標、LMU測出的各個下行信號發(fā)射的實際時間偏差(RTD)等信息來確定目標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(tǒng)利用功率控制來克服這一影響，使得離基站較近的UE受基站強信號的干擾，移動臺難以檢測到其它基站的信號，不能滿足測量到至少3個基站的要求，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：在空閑時間內各NODEB只發(fā)射導頻信號，停止其他業(yè)務信道信號的發(fā)射，提高了MS對臨近非服務NODEB的監(jiān)聽能力，能準確的檢測出多個TDOA值。 OTDOA-IPDL的一種改進技術是TA-IPDL技術[3]:MS周圍基站(包括服務基站)同時停止所有信號的發(fā)送，進入空閑周期。在空閑周期，每個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)。移動臺在期間檢測所有基站信號并求得基站間信號到代時間差。

　　4.3　網(wǎng)絡輔助GPS定位

　　GPS全球定位系統(tǒng)基本原理是根據(jù)高速運動的衛(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的方法，確定待測點的位置[3]。這種方法在氣候條件良好時可以達到5～40 m的精度，能夠滿足大多數(shù)的定位業(yè)務要求。但是，這種方法用于對手機定位的初次定位時間通常需要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(tǒng)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：建立能夠持續(xù)對GPS衛(wèi)星信號進行監(jiān)測的GPS參考接收網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡把獲得的原始信息處理后成為GPS輔助信息，通過UMTS網(wǎng)絡發(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(用戶設備)輔助的A-GPS方法，UE只提供衛(wèi)星的偽距測量，位置計算由網(wǎng)絡完成;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的輔助信息。

　　5、3GPP標準關于無線資源控制子層定位的描述。

　　3GPP對第三代移動通信系統(tǒng)技術中的定位標準作了較為詳盡的規(guī)定。在空中接口的無線資源控制層協(xié)議中規(guī)定了基于UE(用戶設備)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(shù)據(jù)定位數(shù)據(jù)等參數(shù)。無線資源控制層處理用戶終端和無線接入網(wǎng)之間在第3層控制面的信令以及和更高層(非接入層)之間的關系，如圖3所示[2]。

　　圖3　Uu接口的RRC與低層的交互動作

　　由圖3可知，RRC層和低層(L1物理層，L2數(shù)據(jù)鏈路層)所有協(xié)議實體間存在控制接口，RRC通過這些接口和相應原語對低層進行配置和傳輸一些控制命令，同時低層通過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(jù)來自物理層的信息(方位和距離)進行UE定位。具體定位流程如下所述[6,7]。

　　5.1　定位業(yè)務的測量過程。

　　測量是移動通信系統(tǒng)必備的功能。UE的測量和報告程序受UTRAN(通用陸地無線接入網(wǎng))網(wǎng)絡控制。通過測量命令和測量報告，網(wǎng)絡可以指示UE 要進行哪些方面的測量。UE定位測量依據(jù)于所選的定位方法和方式類型(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：幀間觀測時間差類型2測量、收發(fā)時間差類型2測量、GPS蜂窩幀定時類型2測量等3類(其余的GPS測量方法不在標準范圍內)。

　　其中類型2的定義為從小區(qū)i所接收到的P_CPICH時刻和從小區(qū)j接收到P_CPICH時刻的時間差，主要作用于手機定位，它包含了活動小區(qū)里每一個無線連接的時間差(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)哪一個測量報告事件，測量報告的內容同樣依據(jù)定位依據(jù)于所選的定位方法和方式類型(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(zhí)行如上所述的測量并在時間間隔估計定位事件并指示在信息單元“測量間隔”中。而執(zhí)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”的設置

　　IE“定位方法”的設置可選的有：

　?、貱ell ID

　　② OTDOA

　?、跘-GPS.

　　IE“方式種類”的設置可選的有：

　?、倩赨E定位

　　②UE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(jù)UE的選擇為準)。

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

　　變量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”　(設置不完善)將在一些設置錯誤的情況下被置為“TRUE”。如根據(jù)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(shù)據(jù)

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

　　5.3.1　GPS輔助的手機定位

　　手機可能在系統(tǒng)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(shù)據(jù)。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，同樣將這些IE置入變量UE_POSITIONING_GPS_DATA，并執(zhí)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時間和由“Primary CPICH info”or“cell parameters id”指示的小區(qū)的NODE B傳送的空中接口時間二者的關系。

　?、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時間和服務小區(qū)的NODE B傳送的空中接口時間二者的聯(lián)系。

　　5.3.2　UE定位的GPS歷書

　　如果IE中包含“UE positioning GPS Almanac”，UE將根據(jù)IE“Sat ID”指示的位置將GPS歷書信息存儲到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(wèi)星，如果有相應的信息，將存儲GPS歷書和時鐘修正參數(shù)。

　　5.3.5　UE定位的GPS參考時間

　　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。

　　5.3.6　UE定位的計算信息

　　如果UE接收到在系統(tǒng)消息中廣播的從更高層傳來的GPS輔助數(shù)據(jù)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解密信息的一個存入變量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，反之則選擇下一個解密鑰。

　　5.4　UE定位錯誤

　　UE定位過程中會出現(xiàn)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(qū)OTDOA值的時候，IE將被設置為“Not Enough OTDOA Cells”

　　5.4.2　設置IE“Positioning Methods”為GPS方式

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

　　當GPS輔助數(shù)據(jù)丟失時，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，將置IE“Error reason”為“Not Accomplished GPS Timing Of Cell Frames”

　　6、結束語

　　定位業(yè)務在3GPP中被看成是3G網(wǎng)絡的附加功能，可以通過在已有的網(wǎng)絡信令中添加必要的指令來實現(xiàn)。定位的相關消息采用無線信令來承載，與協(xié)議棧有關，其缺點是需要對3G移動通信網(wǎng)絡中的網(wǎng)元，包括對NODE B、RNC、HLR等相關設備和接口進行較大的修改。但它的優(yōu)點是定位消息采用信令來承載，響應速度快，可靠性高，適用于對定位時延要求較高的業(yè)務中，如基于位置的公共安全業(yè)務等。

　　目前，3GPP組織仍然在對LCS業(yè)務的各項規(guī)范作不斷的制定和完善，各個運營商也對位置服務的開展表現(xiàn)出了濃厚的興趣，積極的參與到標準的制定與產品的開發(fā)中位置業(yè)務將是一項非常有前景的無線增值業(yè)務，這項業(yè)務必將成為第三代移動通信系統(tǒng)應用中的一個亮點。