基于移動電信的定位方法

 目前在基于移動電信技術(shù)的定位的典型方法有：TA(或稱為TA+CELLID)；AOA、到達(dá)時間(TOA)、TDOA、TDOA、AOA：OTD、增強(qiáng)測量時間差(E-OTD)；多路徑圖型辨識；GPS、DGPS、InverseDGPS、GPS輔助(A-GPS)，等。

    l、TA

    或稱CellID+TA，指小區(qū)識別號+時間提前量。時間提前量TA由基站測量后通知MS提前這段TA時間發(fā)送數(shù)據(jù)，目的是為了扣除基站與MS之間的傳輸時延。因此，TA方法就是用現(xiàn)有的參數(shù)TA估計MS和BTS之間的距離。如果MS在空閑模式，MS可能被尋呼或者主動發(fā)起呼叫(如緊急呼叫)，從而使SMLC獲得TA和CellID。如果MS在占用模式，SMLC向BSC發(fā)送消息獲取TA和CellID。SMLC將小區(qū)天線中心半徑為TA的圓環(huán)(對全向天線)或者圓環(huán)的部分(對定向天線)范圍內(nèi)區(qū)域確定為MS所在區(qū)域。

    時間提前量通過O？63bit/s來表示，若小區(qū)的半徑為35km，則定位精度約為550m。通常在小區(qū)密集的城市區(qū)域，小區(qū)的半徑很小，可以達(dá)到幾百米，此時定位的精度就很高了。但這種精度只能表示移動用戶和小區(qū)中心之間的距離，而不是精確的位置。

    2、COO(CellOfOrigin)

    起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)(COO)是最簡單的一種定位方式，它根據(jù)移動臺所處的小區(qū)識別號ID來確定用戶的位置。移動臺在當(dāng)前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應(yīng)的小區(qū)ID號。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置(在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置)和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取位置信息。起源蜂窩小區(qū)技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，它的優(yōu)點(diǎn)是無需對網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時間短。但是，由此導(dǎo)致的缺點(diǎn)是精度較差。

    3、AOA(AngleofArrival)

    測量信號的到達(dá)角度(AngleOfArr技ive，簡稱AOA)也是一種在蜂窩網(wǎng)中常用的定位技術(shù)。這種方法需要在基站采用專門的天線陣列來測量特定信號的來源方向。對于一個基站來講，AOA測量可以得出特定移動站所在方向，當(dāng)兩個基站同時測量同一移動站所發(fā)出的信號時，兩個基站各自測量AOA所得的方向直線的焦點(diǎn)就是移動站所在的位置。盡管這種定位方法的原理非常簡單，但在實(shí)際的應(yīng)用中存在一些難以克服的缺點(diǎn)。首先，AOA定位要求被測量的移動站與參與測量的所有基站之間，射頻信號是視線傳輸(LOS)的。非視線傳輸(NLOS)將會給AOA定位帶來不可預(yù)測的誤差。即使是在以LOS傳輸為主的情況下，射頻信號的多徑效應(yīng)依然會干擾AOA的測量。其次，由于天線設(shè)備角分辨率的限制，AOA的測量精度是隨著基站與移動站之問的距離的增加而不斷減小的。

    由于測量AOA的定位方法具有上述的特點(diǎn)，所以對于處于城市地區(qū)的微小區(qū)來講，引起射頻信號反射的障礙物多且其到移動站的距離與小區(qū)半徑可以相比，這樣就會引起比較大的角測量誤差。在這種情況下，基于AOA的定位方法沒有實(shí)際的意義。對于宏小區(qū)，因?yàn)槠浠疽话闾幱诒容^高的位置，與小區(qū)的半徑相比，引起射頻信號反射的障礙物多位于移動站附近，NLOS傳輸引起的角測量誤差比較小。所以測量信號到達(dá)角度的定位方法多用于宏小區(qū)，或者與其他定位技術(shù)混合使用來提高定位的精度。

    4、TOA(TimeofArrival)

    TOA定位方式可在現(xiàn)有的任何手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，手機(jī)無需作任何改動。要定位的手機(jī)發(fā)出一已知信號，三個或多于三個LMU同時接收該信號，已知信號是手機(jī)執(zhí)行異步切換時發(fā)出的接入突發(fā)信號；各LMU得到信號到達(dá)時的絕對GPS時間后，可得到相對時間差(RTD)；根據(jù)前兩步的信息，SMLC進(jìn)行兩兩比較，計算突發(fā)信號到達(dá)時間差(TDOA)，得出精確位置，并回到應(yīng)用中。要通過三角計算得出手機(jī)精確位置，必須知道另外兩個參數(shù)：LMU的地理位置和各LMU之間的時間偏移量。例如各LMU必須提供的絕對GPS時間，或在已知位置的地點(diǎn)放置參考LMU可得到實(shí)際時間差(RTD)參數(shù)。

    LMU用接入突發(fā)信號確定TOA。當(dāng)定位請求發(fā)出時，LMU被選定，且配置正確的頻率，以便接收接入突發(fā)信號。此時，手機(jī)在業(yè)務(wù)信道(可能會處于跳頻方式)上，以特定功率發(fā)送達(dá)70個接入脈沖(時長320ms)。各LMU通過多種方式實(shí)現(xiàn)和改善TOA的測量結(jié)果。利用收到的突發(fā)信號可提高測量成功概率和測量精度。采用分集技術(shù)(如天線分集和跳頻)，可降低多徑效應(yīng)的影響，提高測量精度。當(dāng)某個應(yīng)用需要知曉手機(jī)位置時，該應(yīng)用向SMLC發(fā)出請求，同時告知手機(jī)號碼和定位精度要求。被測量的TOA參數(shù)及其誤差值一同被采集并發(fā)送到SMLC，根據(jù)該數(shù)據(jù)，SMLC可計算出應(yīng)用所需要的手機(jī)位置，再將位置信息和誤差范圍發(fā)送回應(yīng)用。

    TOA定位方式需要附加硬件(LMU)，以達(dá)到精確計算突發(fā)信號到達(dá)時間的目的。實(shí)現(xiàn)方式有多種：LMU既可集成在BTS內(nèi)，也可作為單獨(dú)設(shè)備。LMU作為單獨(dú)設(shè)備時，既可有單獨(dú)的天線，也可與BTS共享天線，通過空中接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間通信。

    5、TDOA(TimeDifferenceofArrival)

    一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測移動臺信號到達(dá)兩個基站的時間差來確定移動臺的位置，移動臺必定位于以兩個基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定移動臺的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個以上雙曲線方程，也就是說需要至少三個以上的基站接收到移動臺信號，而兩個雙曲線的交點(diǎn)即為移動臺的二維位置坐標(biāo)。

    TDOA方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機(jī)上由于信道產(chǎn)生的共同誤差，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務(wù)基站近的移動臺發(fā)射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來的測量誤差。目前針對這種情況已有了一些解決辦法，如在E-91l呼叫時將移動臺發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大，可以提高定位精度，但會對CDMA網(wǎng)絡(luò)的容量有一定程度的影響。

    6、E-OTD

    E-OTD定位方式是從測量時間差(OTD)發(fā)展而來的，OTD指測量所得的時間量，E-OTD指測量的方式。手機(jī)無需附加任何硬件便可得到測量結(jié)果。對于同步網(wǎng)，手機(jī)測量幾個BTS信號的相對到達(dá)時間；對于非同步網(wǎng)，信號同時還需要被一個位置已知的LMU接收。確定了BTS到手機(jī)的信號傳輸時間，則可確定BTS與手機(jī)之間的幾何距離，然后再根據(jù)此距離進(jìn)行計算，最終確定手機(jī)的位置。

    手機(jī)收到各基站發(fā)來信號，得到TOA參數(shù)；LMU得到RTD參數(shù)；手機(jī)將TOA和RTD參數(shù)傳送到GSM網(wǎng)。OTD測量需要用同步、標(biāo)準(zhǔn)且模擬的脈沖。當(dāng)BTS發(fā)送的幀未被同步時，網(wǎng)絡(luò)需要測量BTS之間的RTD。為了進(jìn)行精確的三角測量，OTD測量和RTD測量(非同步BTS時)均需要3個BTS。獲得OTD參數(shù)后，手機(jī)位置既可在網(wǎng)絡(luò)中計算，也可在終端計算(要求手機(jī)具備各種必要信息)。前者稱為手機(jī)輔助方式，后者稱為手機(jī)自主方式。通過手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中的位置計算功能模塊，實(shí)現(xiàn)位置計算。

    7、GPS

    目前比較實(shí)用的GPS定位技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位，即定位時，網(wǎng)絡(luò)通過跟蹤GPS衛(wèi)星信號，解調(diào)出GPS導(dǎo)航信號，并將這些信息傳送給移動臺，移動臺利用這些信息可以快速的搜索到有效的GPS衛(wèi)星，接收到衛(wèi)星信號后，計算移動臺位置的工作可以由網(wǎng)絡(luò)實(shí)體或移動臺完成。

    基于GPS系統(tǒng)的定位技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度較高，定位半徑可達(dá)到幾米、十幾米。因此利用該重定位技術(shù)，可提供對定位精度要求較高的業(yè)務(wù)，如電子地圖顯示用戶位置等。其缺點(diǎn)是需要移動臺內(nèi)置GPS天線和GPS芯片等模塊，并且需要支持IS-801協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要增加PDE和MPC；定位精度受終端所處環(huán)境的影響較大，如用戶在室內(nèi)或在高大建筑物之間時，由于可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度將降低，甚至無法完成定位。

    8、A-GPS(AssistGPS)

    A-GPS(AssistedGPS)。A-GPS與GPS方案一樣，也需要在手機(jī)內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線，但手機(jī)本身并不對位置信息進(jìn)行計算，而是將GPS的位置信息數(shù)據(jù)傳給移動通信網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)器進(jìn)行位置計算，同時移動網(wǎng)絡(luò)按照GPS的參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)，如差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)等傳遞給手機(jī)，并從數(shù)據(jù)庫中查出手機(jī)的近似位置和小區(qū)所在的位置信息傳給手機(jī)，這時手機(jī)可以很快捕捉到GPS信號，這樣的首次捕獲時間將大大減小，一般僅需幾秒的時間。不需像GPS的首次捕獲時間可能要2？3分鐘時間。而精度也僅為幾米，高于GPS的精度。QUALCOMM公司的gpsOne即采用A-GPS方案。

    該方式有手機(jī)輔助方式和手機(jī)自主方式兩種：(1)手機(jī)輔助GPS定位方式。這種解決方案是將傳統(tǒng)GPS接收器的大部分功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)處理器上實(shí)現(xiàn)。該方式需要天線、RF單元和數(shù)據(jù)處理器等設(shè)備。GSM網(wǎng)向手機(jī)發(fā)送一串極短的輔助信息，包括時間、可視衛(wèi)星清單、衛(wèi)星信號多普勒參數(shù)和碼相位搜索窗口。這些參數(shù)有助于內(nèi)置GPS模塊減少GPS信號獲得時間。輔助數(shù)據(jù)來自經(jīng)手機(jī)GPS模塊處理后產(chǎn)生的偽距離數(shù)據(jù)，且可持續(xù)數(shù)分鐘。收到這些偽距離數(shù)據(jù)后，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)處理器或定位服務(wù)器能大致估算出手機(jī)的位置。GSM網(wǎng)增加必要的修正后，可提高定位精度。(2)手機(jī)自主GPS定位方式。這種手機(jī)包含一個全功能的GPS接收器，具有(1)方式中手機(jī)的所有功能，再加上衛(wèi)星位置和手機(jī)位置計算功能。運(yùn)算開始時，需要的數(shù)據(jù)比手機(jī)輔助方式要多，這些數(shù)據(jù)能夠持續(xù)4小時以上或根據(jù)需要進(jìn)行更新，通常包括時間、參考位置、衛(wèi)星星歷和時間校驗(yàn)參數(shù)等。如果某些應(yīng)用需要更高的精度，則必須持續(xù)(間隔約30s)向手機(jī)發(fā)差分GPS(DGPS)信號。DGPS信號在非常寬的地域范圍有效，以一個參考接收器為中心可服務(wù)于較寬的地域范圍。最終位置信息由手機(jī)本身計算得到，若需要，此定位信息可發(fā)送到其它任何應(yīng)用中。