基于第三代移動通信系統(tǒng)的定位技術(shù)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(wù)的迫切需要，第三代移動通信系統(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，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(luò)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(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，目前的研究熱點主要集中在以下幾個方面：

　?。?）基于3GPP協(xié)議的定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在第三代移動通信系統(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網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究成為熱點。

　?。?）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(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。

　?。?）對移動臺跟蹤服務(wù)研究。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，定位方法，重點是基于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通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[1,3]。圖1簡要描述了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)該具備對不合法用戶設(shè)備進(jìn)行定位的能力，以及對同時出現(xiàn)的多個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(wù)移動定位中心）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、位置計算、網(wǎng)絡(luò)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(shè)置。LMU（位置測量單元）是邏輯定位實體，主要完成網(wǎng)絡(luò)的下行同步校準(zhǔn)和無線測量功能。LMU負(fù)責(zé)無線測量，把測量結(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(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(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(shù)，采用了基于CELL-ID、基于場強定位和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，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B的有關(guān)路由信息獲得。服務(wù)結(jié)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(dá)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(jié)點B發(fā)射的電波傳播時間偏差，結(jié)合發(fā)射機地理位置坐標(biāo)、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(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(shè)置下行空閑周期（IPDL）的OTDOA定位法：在空閑時間內(nèi)各NODEB只發(fā)射導(dǎo)頻信號，停止其他業(yè)務(wù)信道信號的發(fā)射，提高了MS對臨近非服務(wù)NODEB的監(jiān)聽能力，能準(zhǔn)確的檢測出多個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）同時停止所有信號的發(fā)送，進(jìn)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(dǎo)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(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(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(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GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行監(jiān)測的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)星的偽距測量，位置計算由網(wǎng)絡(luò)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(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對第三代移動通信系統(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）端的定位測量，報告標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)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(yīng)原語對低層進(jìn)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(yīng)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(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?zé)o線接入網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)控制。通過測量命令和測量報告，網(wǎng)絡(luò)可以指示UE 要進(jìn)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(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(dá)手機的路徑為準(zhǔn)。

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

　　5.2　UE定位報告標(biāo)準(zhǔn)及參量

　　如果IE（信息單元）包括“UE定位報告標(biāo)準(zhǔn)”，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(dá)到請求水平。

　　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：

　?、倩赨E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(xì)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(dāng)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(dāng)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：

　　①如果IE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(guān)系。

　　②如果IE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(wù)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(dāng)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(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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(shè)置IE“Positioning Methods”為OTDOA方式

　　當(dāng)接收不到相鄰小區(qū)OTDOA值的時候，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，設(shè)置IE“Error reason”為“Not Enough GPS Satellites”；

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

　　當(dāng)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(jié)束語

　　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)，其缺點是需要對3G移動通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元，包括對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，適用于對定位時延要求較高的業(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LCS業(yè)務(wù)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(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)將是一項非常有前景的無線增值業(yè)務(wù)，這項業(yè)務(wù)必將成為第三代移動通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一個亮點。

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