移動位置服務(wù)應(yīng)用平臺研究與開發(fā)

提出了一種移動位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)、設(shè)計了其中的關(guān)鍵部件移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)和位置服務(wù)應(yīng)用平臺，給出了實現(xiàn)位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計流程。經(jīng)過實際測試表明，系統(tǒng)能夠應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供位置服務(wù)。

移動位置服務(wù)LBS(Location-based Service)是通過一定的技術(shù)從移動通信網(wǎng)絡(luò)獲取移動用戶的位置信息，并為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。提供移動位置服務(wù)要依賴于移動通信網(wǎng)絡(luò)以及移動定位技術(shù)。在第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)固有的原因，定位精度只能達(dá)到數(shù)十米，這使得網(wǎng)絡(luò)運營商無法推廣移動位置服務(wù)吸引客戶。隨著第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)在中國快速發(fā)展，結(jié)合新研究的移動定位技術(shù)，通過用戶的移動終端進(jìn)行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經(jīng)達(dá)到米數(shù)量級[1]。從而使移動定位業(yè)務(wù)能夠像短消息業(yè)務(wù)一樣成為一種具有廣闊市場前景的移動增值業(yè)務(wù)。

1 移動定位技術(shù)

無線定位技術(shù)是指用來判定移動用戶位置的測量和計算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來進(jìn)行位置計算，最常用的定位技術(shù)主要有：信號到達(dá)角度定位AOA(Anger of Arrival)、到達(dá)時間定位TOA(Time of Arrival)、到達(dá)時間差定位TDOA(Time Difference of Arrival)、cell-ID定位、輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位等。在實際應(yīng)用中，定位往往是越精確越好，例如當(dāng)用戶發(fā)生危險需要緊急定位時，傳統(tǒng)定位技術(shù)定位到某個蜂窩小區(qū)數(shù)十米范圍內(nèi)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助定位技術(shù)提高定位的準(zhǔn)確性。上述定位技術(shù)中只有TDOA定位和輔助GPS定位的定位精度可以精確到3 m~7 m[1]。在3G移動通信系統(tǒng)中得到了較好地應(yīng)用，滿足了用戶對定位精度的要求。

1.1 到達(dá)時間差(TDOA)定位技術(shù)

TDOA定位技術(shù)是根據(jù)不同基站接收到的同一移動終端信號在傳輸路徑上的時延差異實現(xiàn)終端定位。當(dāng)移動終端發(fā)出緊急呼叫時，移動網(wǎng)絡(luò)通過其附近的三個或更多個不同基站接收并測量出信號的到達(dá)時間，網(wǎng)絡(luò)計算出到達(dá)時間兩兩之間的差值，移動終端必然位于這些時間差值所對應(yīng)的以兩兩基站為焦點的雙曲線上[2]。這樣，根據(jù)兩條雙曲線的交點就能夠確定手機(jī)的位置。所以只要附近三個基站接收到移動終端發(fā)出的信號就可以達(dá)到定位目的。TDOA技術(shù)只需要移動通信網(wǎng)絡(luò)參與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測量，不需要對終端硬件上的改動。因此實現(xiàn)TDOA定位只需要在移動通信網(wǎng)中增加相應(yīng)功能模塊就可以了，并支持所有廠商生產(chǎn)的移動終端。同時它具有定位精度高、響應(yīng)時間短、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

在3G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)LBS業(yè)務(wù)需要在無線接入網(wǎng)側(cè)增加定位功能實體，即位置測量單元LMU(Location Measurement Unit)。LMU可以單獨設(shè)置或置于基站內(nèi)，而核心網(wǎng)側(cè)還須有對應(yīng)的功能實體，即位置確定單元PDE(Position Determination Entity)，根據(jù)LMU測量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的定位運算[3]。

TDOA作為主要的定位技術(shù)在第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術(shù)，即觀測到達(dá)時間差分OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)；在3GPP2的CDMA2000中，稱為高級前向鏈路三角測量法A－FLT(Advanced Forward Link Trilateration)。這些方法的原理相同，都是通過信號到達(dá)時間差值，確定不少于兩條雙曲線，再通過這些雙曲線的交點，確定移動臺的位置。到達(dá)時間差分定位原理如圖1所示。

1.2 輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位

在移動通信網(wǎng)絡(luò)中直接使用GPS定位遇到許多問題。首先，由于捕捉到GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時間相對較長(30秒到幾分鐘)，所以移動臺的首次響應(yīng)時間較長。其次，由于較長的響應(yīng)時間導(dǎo)致移動臺的功率損耗也較大。最后，處于室內(nèi)和城市低谷地帶(高樓之間等)的移動臺，甚至由于移動臺的天線相對較小等原因，導(dǎo)致接收到的GPS信號相對較弱，造成這些弱信號難以檢測到。因此為了解決這些問題，采用輔助GPS方法來改善GPS定位的性能。

A-GPS技術(shù)的基本方法是建立一個參考GPS網(wǎng)絡(luò)，以便接收天線能夠連續(xù)不斷地跟蹤GPS衛(wèi)星[2]。參考網(wǎng)絡(luò)可以和蜂窩基站連接在一起，持續(xù)實時地跟蹤GPS衛(wèi)星群，并在一定的時刻提供許多數(shù)據(jù)給每一個衛(wèi)星。這些數(shù)據(jù)包括移動臺的(或基站)位置信息、目前在役的衛(wèi)星信息、星歷表信息、時鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機(jī)噪聲信息等。當(dāng)移動臺發(fā)出移動定位請求時，GPS參考網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)信息傳送到移動臺(或GPS接收天線)以快速啟動或增加移動臺的接收靈敏度。由于參考網(wǎng)絡(luò)的作用，A-GPS較傳統(tǒng)GPS信號的搜索空間大大縮小，所以導(dǎo)航信號的捕捉時間大為減少。同時參考網(wǎng)絡(luò)允許移動臺采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動臺靈敏度，削減了移動臺的功率損耗。一旦內(nèi)嵌GPS接收天線的移動臺接收到衛(wèi)星信號，移動臺的初始定位信息便可傳送給網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步進(jìn)行計算，從而確定出移動臺的位置。

A-GPS技術(shù)克服了GPS技術(shù)直接應(yīng)用于移動通信定位服務(wù)的缺陷。并且相對于其他技術(shù)有很多優(yōu)點，主要是定位精度較高，定位距離最小可達(dá)3 m。其次是它的定位響應(yīng)時間較短，可以在幾秒內(nèi)得到響應(yīng)。但與TDOA技術(shù)相比，需要移動終端支持A-GPS定位，增加了移動終端的費用。目前美國、日本和韓國等已經(jīng)開通了A-GPS位置服務(wù)[4]，而且在較短時間內(nèi)，銷售了帶A-GPS定位服務(wù)的手機(jī)超過1 000萬臺。

2 移動位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動位置服務(wù)是移動運營商提供給移動用戶的增值服務(wù)，因此實施移動位置服務(wù)應(yīng)該充分利用運營商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)投資。根據(jù)現(xiàn)有移動通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)實體上的延伸，增加了移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)模塊和移動位置應(yīng)用平臺模塊。移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)完成相當(dāng)多的功能，如用戶管理、位置管理、應(yīng)用管理、定位等，許多有關(guān)用戶的定位信息都在服務(wù)網(wǎng)處理，并提交給位置服務(wù)應(yīng)用平臺。位置服務(wù)應(yīng)用平臺類似于一臺服務(wù)器，它與移動用戶終端進(jìn)行交互，將用戶的定位信息通過合適的數(shù)據(jù)格式傳輸給訂制了該業(yè)務(wù)的用戶。

3 移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)

移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)中開發(fā)的一個重要的部件。它一方面要為服務(wù)提供商提供各種基于XML協(xié)議的二次開發(fā)接口，提供地理信息服務(wù)、定位等功能；另一方面要為移動運營商提供各種運營維護(hù)管理功能，如定位、用戶鑒權(quán)、計費等各種服務(wù)。移動定位服務(wù)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)特性包括：

(1)支持開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口/協(xié)議、多廠家設(shè)備及定位技術(shù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口，與不同的無線網(wǎng)絡(luò)定位設(shè)備提供商；支持多種定位方式；提供標(biāo)準(zhǔn)的A接口，以XML、SOAP方式連接；支持與WAP以及SMS的連接，支持2G/3G等不同網(wǎng)絡(luò)。

(2)提供位置信息的安全控制及用戶鑒權(quán)。

(3)運營商可通過多種渠道提供服務(wù)與應(yīng)用，有些位置服務(wù)適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供了多套接口，以方便運營商提供服務(wù)。

(4)應(yīng)對大規(guī)模并發(fā)用戶訪問能力。

4 移動位置服務(wù)應(yīng)用平臺

4.1 移動位置服務(wù)應(yīng)用平臺開發(fā)

移動位置服務(wù)應(yīng)用平臺相當(dāng)于移動通信網(wǎng)絡(luò)中的定位服務(wù)器，它接收來自于移動位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過處理的定位信息，并在位置服務(wù)應(yīng)用平臺中經(jīng)過再處理。由于移動用戶終端機(jī)的生產(chǎn)廠商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務(wù)應(yīng)用平臺服務(wù)器能夠為不同的終端用戶提供服務(wù)。系統(tǒng)可以配合短消息服務(wù)確定手機(jī)用戶所在的地理位置，也能夠以Web形式響應(yīng)用戶的需求[5]。移動位置服務(wù)的應(yīng)用平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

地圖服務(wù)器引擎是移動位置服務(wù)應(yīng)用平臺實現(xiàn)方案的核心，該模塊的性能好壞將影響定位效果，可以直接選用商用化設(shè)備。開發(fā)定位服務(wù)器選用的地圖服務(wù)器是ESRI的ArcIMS地圖服務(wù)器，它包含以下幾個部分：地理信息發(fā)布平臺、空間數(shù)據(jù)庫、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務(wù)器提供二次開發(fā)接口，只需開發(fā)程序?qū)⒁苿游恢梅?wù)網(wǎng)關(guān)計算出的位置傳送給地圖服務(wù)器，從而確定出移動終端所在的準(zhǔn)確位置。ArcIMS地圖服務(wù)器適用于無線互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)Intranet的地圖應(yīng)用，能以多種圖像格式發(fā)布地圖，很容易建立基于無線手持設(shè)備(手機(jī)或PDA)可擴(kuò)充的移動位置服務(wù)應(yīng)用。對于電信級的定位應(yīng)用，核心問題是解決大用戶量的并發(fā)訪問的問題，ArcIMS采用了先進(jìn)的負(fù)載平衡和流量控制技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)容量擴(kuò)大時，只需增加地圖服務(wù)器就可以滿足用戶的需求。

4.2 位置服務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計流程

移動位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計流程如圖4所示。

整個過程為：

(1)移動終端通過移動網(wǎng)絡(luò)訪問位置應(yīng)用服務(wù)，發(fā)送服務(wù)請求代碼給位置服務(wù)應(yīng)用平臺，然后位置服務(wù)應(yīng)用判斷該用戶申請的服務(wù)類型后，由位置服務(wù)應(yīng)用平臺向位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提交該用戶的位置服務(wù)請求。

(2)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)對該用戶進(jìn)行認(rèn)證和安全處理，如通過，設(shè)置為成功；如未通過，設(shè)置則為失敗。

(3)在通過認(rèn)證的情況下，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)根據(jù)請求參數(shù)發(fā)送給運營商網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實體，一般是移動業(yè)務(wù)交換中心MSC(Mobile Switching Center)和歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)，由MSC進(jìn)行定位運算，計算完畢后將參數(shù)返回給位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)再將接收到的參數(shù)處理后返回該用戶的最新位置信息給位置服務(wù)應(yīng)用平臺。

(4)如果位置服務(wù)應(yīng)用平臺收到正確的位置信息，將根據(jù)位置和地圖服務(wù)器進(jìn)行綜合處理，生成相應(yīng)的圖片和文字信息。最后位置服務(wù)應(yīng)用平臺對生成結(jié)果(成功或失敗)信息打包，通過移動網(wǎng)絡(luò)返回給移動用戶終端，移動用戶在便攜式移動終端(如PDA、Pocket　PC等)上可以接收到顯示的位置信息。

移動位置服務(wù)具有極好的市場應(yīng)用前景。對移動用戶而言，位置服務(wù)不僅是了解自己和他人位置的個性服務(wù)，更重要的是關(guān)系到移動用戶的自身和財產(chǎn)安全。本文提出的移動位置服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在移動運營商的試商用中得到了良好的應(yīng)用，隨著未來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，位置服務(wù)將提供給用戶更高的定位精度、更便捷的操作方式、更全面的位置信息。移動位置服務(wù)必將成為繼短消息業(yè)務(wù)之后又一廣受用戶歡迎的移動增值業(yè)務(wù)。