淺析蜂窩定位技術及位置服務

2019-11-03 09:14:54

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李蕾，于華楠，姜元清

摘要：在著重分析了TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)及AGPS(AssistantGlobal Positioning System)定位技術的同時對其它幾種蜂窩定位技術的特點，并進行了討論，進一步闡述了基于蜂窩定位技術的位置服務及實現的關鍵問題。

關鍵詞：定位技術；定位精度;位置服務

　　隨著移動通信技術的發展，無線蜂窩網的覆蓋面越來越廣，移動電話普及率也越來越高，移動電話發起的緊急呼叫數量在全部緊急呼叫中所占的比例也隨之上升。而現有的蜂窩網能為移動用戶提供的輔助決策信息非常少，調查表明，約有25%的移動用戶在發起緊急呼叫時不知道自己所處的確切位置，這對及時合理地處警帶來很多限制。因此，美國聯邦通信委員會規定到2001年10月1日以前，各種無線蜂窩網絡必須能對撥打911報警的移動電話提供精度在125?m內的定位服務，而且滿足此定位精度的概率應不低于67%；并在2001年以后，提供更高的定位精度及三維位置信息。位置服務正是在這一發展機遇下，作為移動通信網提供的一種增值業務而興起的。它通過一定的技術，得到用戶的位置信息，提供給該用戶本人或通信系統，或者提供給其它請求得到該用戶位置的機構或個人。目前，它在緊急救援、汽車導航、智能交通、蜂窩系統優化設計等方面發揮著重要作用。

1定位技術

1.1基于電波傳播時間(TOA)的定位

　　如果移動臺MS和基站BS處于可視的范圍內，則其間的距離di為

　　其中c為光速，Δt為無線電信號在MS和BSi之間的傳播時延。當MS至少與三個BS的傳播時延已知時，就可計算出MS的位置(見圖1)。當移動臺MS與BS間不處于直視范圍，則對MS位置的估計會產生誤差，即圖中的圓弧不能相交于一點。如此可采用MS位置與TOA圓弧間的距離為均方誤差最小的方法。如果有多于3個的TOA測量結果，則精度可以提高。

1.2基于電波到達時差(TDOA)法

　　本方法是基于收到不同基站BS的信號的時差。

　　如果MS收到相鄰BS1和BS2的信號的時間差為Δt，如果這時MS與BS處于可視范圍內，則MS的位置在一條雙曲線上(見圖2)。

(d1-d2)=cΔt

　　其中d1為MS到BS1的距離，d2為MS到BS2的距離，c為光速，采用三個不同的基站可以測到兩個TDOA(到達時差)，移動站位于兩個TDOA決定的雙曲線的交點上。與TOA法相似，TDOA法的定位方法可以采用移動站MS到雙曲線距離均方誤差最小的算法，條件是有兩個以上的TDOA值可以用來計算。

　　TDOA法與TOA法比較優點之一是：當計算TDOA值時，計算誤差對所有的基站是相同的且其和為零，這些誤差包括公共的多徑時延和同步誤差。

1.3到達角度(AOA)法

　　該方法是假定基站可以測量出移動臺發射信號到達基站的角度。如果移動臺和基站處于視距范圍，則AOA方法可以采用，這時移動臺位于兩個到達射線的交點(見圖3)。實際上，與TOA法和TDOA法相似，采用AOA方法也會產生誤差，AOA的誤差范圍決定了移動用戶定位誤差的大小。由于多徑傳播可使測量產生很大誤差，在市區采用AOA法定位，誤差尤為嚴重，這種定位方法要求基站配備能夠測量到達角大小的天線。

　　另外，還可采用到達角與到達時間相結合的定位法，即基站可以同時測量到用戶的AOA和TOA，則AOA的角度數值所指的直線與到達時間確定的圓周，兩者交點的位置就可用來確定用戶的位置。此法的主要優點是基站與移動用戶間只進行一次測量。缺點與AOA法相同。



1.4網絡輔助GPS(AGPS)

　　全球衛星定位系統GPS是美國于上世紀70年代出于軍事目的開發的衛星導航定位系統，也是目前最為傳統的定位技術。GPS系統由三大部分組成：GPS衛星、地面監控系統、GPS接收機。GPS衛星發給用戶有關衛星本身座標位置的數據，GPS接收機便可根據三顆衛星發給的數據計算出自己的位置數據，對于移動車輛，則需要第四顆衛星的數據，以配合計算出移動車輛的移動速度與運動方向。盡管GPS定位精度較高，在天空晴朗時，可以獲得5～40?m的精度。但直接在移動終端或手機上安裝GPS接收機芯片不太適宜，因為：

　　(1)縮小GPS天線安裝到移動終端或手機中是困難的；

　　(2)首次定位需要很長時間，需要30?s到幾分鐘，這對類似E911的緊急業務是不允許的；

　　(3)GPS的信號較弱，抗遮蔽性不好；

　　(4)GPS接收機為了接收到適當的信號，功率消耗較大。

　　利用AGPS技術，可以很好地解決這些問題。其基本原理是建立一GPS參考網絡，參考網絡中的接收機可以連續很好地接收GPS衛星信號，實時監視各種衛星信息。該參考網絡和蜂窩移動通信系統相連，在定位時將監測到的各種衛星信息傳送給終端GPS接收機，以加快首次定位時間、減少搜索時間、提高接收靈敏度等。由于它在精度和響應時間方面都占有優勢，因此應用很廣泛。它除了要對MS改進外，無需對現有的蜂窩網做任何改動，只需在MS與特定的應用中心之間建立數據鏈路，就可以進行GPS定位信息與控制信息的傳送，實現各種應用功能。

1.5COO(Cell of Origin)定位

　　該技術是根據移動臺所處的小區ID號來確定用戶的位置。移動臺所處的小區ID號是網絡中已有的信息，移動臺在當前小區注冊后，在系統的數據庫存中就會將該移動臺與該小區ID號對應起來。可見COO定位無須網絡和移動臺做任何調整，可以為現有的無線用戶提供粗定位，定位精度取決小區半徑。在城市商業區，由于常采用多層小區結構，定位精度可以達到50m甚至更小，故COO定位基本能夠滿足要求。美國E911無線定位呼叫的第一階段采用的就是COO定位技術。

1.6七號信令定位

　　該技術以信令監測為基礎，能夠對移動通信網中特定的信令過程，如漫游、切換以及與電路相關的信令過程進行過濾和分析，并將監測結果提供給業務中心，以實現對特定用戶的個性化服務。該項技術通過對信令進行實時監測，可定位到一個小區，也可定位到地區。故適用對定位精確度要求不高的業務，如漫游用戶問候服務，遠程設計服務、平安報信和貨物跟蹤等。目前，國內各省和地區移動公司的短信歡迎系統采用的就是此種技術。

2位置服務的關鍵問題

2.1定位技術的選擇

　　總體上，蜂窩系統中的定位技術有多種，根據定位參數測量和定位計算在何設備進行而分為基于終端的定位技術、基于網絡的方式以及兩者的混合方式。由此涉及如何選擇定位技術問題。

　　如采用基于終端的定位技術(如AGPS),因定位功能位于終端或SIM(用戶識別模塊)卡中，用戶想要享受基于位置的業務需要更換手持終端或SIM卡。據市場調查，全網內所有用戶更換終端或SIM卡的周期大約為4年到5年。

　　如采用基于網絡的定位技術(如TOA、TDOA、AOA)，因定位功能位于網絡端，由網絡本身采集移動終端各種參數進行定位計算，則不需要移動用戶更換手機或SIM卡或改動較小，在全網內實現100%的業務覆蓋的時間較短。

　　而采用混合定位技術，即綜合上述定位技術中的兩種或多種方法在一個系統中。如綜合AOA和TDOA，因充分利用了信號的到達角和到達基站的時間差，因此具有較高的準確度。

2.2地理位置信息庫(GIS)

　　如何在200～500?m的范圍內提供準確和有價值的信息是位置服務的關鍵問題。這就要求有強大的、準確的和內容豐富的面向用戶的城市GIS地理位置信息庫做支持。

2.3漫游問題

　　位置服務的重要特征就是空間的變換，只有變換了空間，才會有強烈的查詢陌生位置信息的要求。因此查詢位置信息主要面向的用戶肯定是非本地區的用戶。解決漫游問題，使用全網統一的標準，使漫游用戶使用這項業務就像打電話一樣方便是推廣位置服務的關鍵。這就要求在全國范圍內建立一套完整的定位業務平臺，以提供及時的全國性的位置信息。

2.4其它問題

　　在蜂窩網絡中，非視距(NLOS)傳播、多徑效應和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無線定位研究的關鍵。再者用戶的隱私權也是用戶非常關心的問題，因此在開展定位服務業務時應能確保用戶在移動終端上通過設置，對自己的位置信息是否開放進行選擇，而不應由SP或移動公司的網絡實現。

3位置服務業務

　　隨著蜂窩移動電話定位技術的發展，為用戶提供了更多、更有益的業務，同時也為移動通信運營商開辟了廣大的市場，創造了無限的商機。位置服務，已經成為一種新的移動增值業務。其業務主要包括以下幾個方面：

3.1應急救援系統

　　用戶在不知道自己位置的情況下，只要其手機支持位置服務，用戶在撥打救援中心的電話(如中國的110、美國的911、日本的411電話)后，移動通信網絡就會在將該緊急呼叫發送到救援中心的同時，啟動支持位置服務的網元，得到用戶的具體位置，將該位置信息和用戶的評閱信息一并傳送給救援中心。救援中心接到呼叫后，根據得到的位置信息，就能快速、高效地開展救援行動，大大提高了救援的成功率。

3.2移動終端防盜打管理

　　移動電話的盜打，即盜取合法移動電話的特殊識別號碼復制移動電話可以享有與合法移動電話同樣的使用權利。據估計，世界電信運營部門每年由于移動電話盜打造成的收入流失和防止移動電話盜打所付出的開支高達數十億美元。采用移動電話定位技術可以有效的監測和制止盜打。電信運營部門在發現盜打號碼后，可以不必禁止移動電話使用，而利用無線網絡自己記錄盜打的準確時間和地點。為司法機關破案提供有力的證據。

3.3信息查詢業務

　　用戶可以利用互聯網的黃頁查詢功能查詢自己所在區域范圍內的相關信息。包括附近有哪些飯店、商場、天氣情況、附近各公司的電話號碼、所在位置等等。移動網絡首先定位出用戶所處的位置，然后再在互聯網提供的信息中節選出用戶所在地的相關信息供用戶查詢。這種移動互聯網技術與位置服務相結合的應用，大大充實了移動互聯網的業務內涵，讓人們更真實地感受到移動互聯網帶來的全新生活。

3.4車輛導航和智能交通系統

　　移動通信網提供的位置服務能滿足山區和城市商業區的車輛導航和跟蹤，只要為每一輛或每一列需要導航的汽車或列車安裝一個移動車載臺，并提供較好的基站覆蓋。結合電子地圖技術，將很容易實現車輛自動定位、調度和管理、監測交通事故和疏導交通等功能。

3.5其它業務

　　大宗貨物的存放和管理、網絡系統的優化設計、地圖業務、遠程通訊處理、基于位置的靈活計費等等業務也是位置服務包括的內容。

4結束語

　　綜上所述，隨著對應位置服務的需求增加，位置服務的開發和推廣越來越受到人們的重視。基于蜂窩系統的無線定位技術在理論和實踐中取得較大進展，但仍面臨著很多新的問題。尤其在即將商用化的第三代移動通信系統中，如何實現高精度的定位，并將定位業務集成到網絡中，已成為發展位置服務的一個嶄新課題。

摘自　北極星電技術網

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