基于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的定位技術(shù)研究

  　1、引言

　　為了滿足對(duì)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(guó)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(yíng)商將以可定位概率67%，誤差為125 m的精度要求為請(qǐng)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：

　?。?）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(duì)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。

　?。?）對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)不合法用戶設(shè)備進(jìn)行定位的能力，以及對(duì)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(duì)某移動(dòng)定位用戶的路由信息，將定位請(qǐng)求發(fā)送到MSC/SGSN，再由無線接入網(wǎng)對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量功能。LMU負(fù)責(zé)無線測(cè)量，把測(cè)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(jiǎn)單描述定位描述如下[4]：LCS Client向GMLC發(fā)定位請(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(shì)，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(cè)量參數(shù)來提高定位精度。FDD系統(tǒng)通過RTT（往返時(shí)間）測(cè)量來計(jì)算UE到基站的距離；TDD系統(tǒng)通過對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到其它基站的信號(hào)，不能滿足測(cè)量到至少3個(gè)基站的要求，對(duì)測(cè)量TOA或TDOA的能力影響極大。對(duì)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(duì)臨近非服務(wù)NODEB的監(jiān)聽能力，能準(zhǔn)確的檢測(cè)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(duì)定位有用）。移動(dòng)臺(tái)在期間檢測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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。

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

　　5、3GPP標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于無線資源控制子層定位的描述。

　　3GPP對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)中的定位標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備）端的定位測(cè)量，報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，定位報(bào)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(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(shù)據(jù)鏈路層）所有協(xié)議實(shí)體間存在控制接口，RRC通過這些接口和相應(yīng)原語(yǔ)對(duì)低層進(jìn)行配置和傳輸一些控制命令，同時(shí)低層通過這些接口報(bào)告相應(yīng)的測(cè)量報(bào)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(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(cè)量過程。

　　測(cè)量是移動(dòng)通信系統(tǒng)必備的功能。UE的測(cè)量和報(bào)告程序受UTRAN（通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)控制。通過測(cè)量命令和測(cè)量報(bào)告，網(wǎng)絡(luò)可以指示UE 要進(jìn)行哪些方面的測(cè)量。UE定位測(cè)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(bào)告參量”中獲得），有3種可選的測(cè)量方式：幀間觀測(cè)時(shí)間差類型2測(cè)量、收發(fā)時(shí)間差類型2測(cè)量、GPS蜂窩幀定時(shí)類型2測(cè)量等3類（其余的GPS測(cè)量方法不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)）。

　　其中類型2的定義為從小區(qū)i所接收到的P_CPICH時(shí)刻和從小區(qū)j接收到P_CPICH時(shí)刻的時(shí)間差，主要作用于手機(jī)定位，它包含了活動(dòng)小區(qū)里每一個(gè)無線連接的時(shí)間差（以碼片為計(jì)算單位）。參考路徑以最早到達(dá)手機(jī)的路徑為準(zhǔn)。

　　在測(cè)量控制信息中的IE“UE定位報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)”中，UTRAN將通知UE應(yīng)該觸發(fā)哪一個(gè)測(cè)量報(bào)告事件，測(cè)量報(bào)告的內(nèi)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(bào)告參量”中獲得）。

　　5.2　UE定位報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)及參量

　　如果IE（信息單元）包括“UE定位報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)”，UE將執(zhí)行如上所述的測(cè)量并在時(shí)間間隔估計(jì)定位事件并指示在信息單元“測(cè)量間隔”中。而執(zhí)行定位的報(bào)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(dá)到請(qǐng)求水平。

　　5.2.2　IE中“定位方法”和“方式種類”的設(shè)置

　　IE“定位方法”的設(shè)置可選的有：

　?、貱ell ID
       ② OTDOA 

       ③A-GPS.

　　IE“方式種類”的設(shè)置可選的有：

　　①基于UE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(jù)UE的選擇為準(zhǔn)）。

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

　　變量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”?。ㄔO(shè)置不完善）將在一些設(shè)置錯(cuò)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(bào)告數(shù)據(jù)

　　3GPP在RRC層協(xié)議中對(duì)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(xì)闡述其定位數(shù)據(jù)的報(bào)告。

　　5.3.1　GPS輔助的手機(jī)定位

　　手機(jī)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(cè)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(jī)定位”，UE將對(duì)變量 UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：刪除所有當(dāng)前存儲(chǔ)在變量中的信息并重新存儲(chǔ)接收到的信息，然后將IE“GPS TOW msec”存儲(chǔ)在變量中。

　　當(dāng)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(zhí)行如下判斷：

　　①如果IE中包括“Primary CPICH Info”（針對(duì)FDD模式）或者“cell parameters id”（針對(duì)TDD模式），將利用IE“SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”去估計(jì)GPS時(shí)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(shí)間二者的關(guān)系。

　　②如果IE中不包括“Primary CPICH Info”（針對(duì)FDD模式）或者“cell parameters id”（針對(duì)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(jì)GPS時(shí)間和服務(wù)小區(qū)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

　　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(chǔ)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(duì)變量UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：刪除所有當(dāng)前存儲(chǔ)在變量中的信息并重新存儲(chǔ)接收到的信息，然后使用IE“GPS TOW sec”去確定計(jì)算差分修正的計(jì)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(dǎo)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(yīng)的信息，將存儲(chǔ)GPS歷書和時(shí)鐘修正參數(shù)。

　　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(chǔ)“GPS Week”在“UE positioning GPS reference time”中的變量UE_POSITIONING_GPS_DATA并將其作為GPS當(dāng)前的周時(shí)。

        5.3.6　UE定位的計(jì)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(dāng)前解密鑰存儲(chǔ)在IE“Current deciphering key”的變量UE _POSITIONING_GPS_DATA中，將下一個(gè)解密鑰存儲(chǔ)在IE“Next deciphering key”的變量UE_POSITIONING_GPS_DATA并且將解密鑰標(biāo)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(chǔ)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(cuò)誤

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

　　5.4.1　設(shè)置IE“Positioning Methods”為OTDOA方式

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

　　5.4.2　設(shè)置IE“Positioning Methods”為GPS方式

　　當(dāng)沒有接收到足夠多的衛(wèi)星時(shí)，設(shè)置IE“Error reason”為“Not Enough GPS Satellites”；

　　當(dāng)GPS輔助數(shù)據(jù)丟失時(shí)，置IE“Error reason”為“Assis  tance Data Missing”。

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

　　6、結(jié)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，可以通過在已有的網(wǎng)絡(luò)信令中添加必要的指令來實(shí)現(xiàn)。定位的相關(guān)消息采用無線信令來承載，與協(xié)議棧有關(guān)，其缺點(diǎn)是需要對(duì)3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元，包括對(duì)NODE B、RNC、HLR等相關(guān)設(shè)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承載，響應(yīng)速度快，可靠性高，適用于對(duì)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(duì)LCS業(yè)務(wù)的各項(xiàng)規(guī)范作不斷的制定和完善，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商也對(duì)位置服務(wù)的開展表現(xiàn)出了濃厚的興趣，積極的參與到標(biāo)準(zhǔn)的制定與產(chǎn)品的開發(fā)中位置業(yè)務(wù)將是一項(xiàng)非常有前景的無線增值業(yè)務(wù)，這項(xiàng)業(yè)務(wù)必將成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)亮點(diǎn)。

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