GSM手機(jī)定位技術(shù)

摘要 文章提出了GSM手機(jī)定位技術(shù)的重要性，并對TOA、E－OTD和A－GPS3種GsM手機(jī)定位技術(shù)解決方案進(jìn)行分析和比較。
關(guān)鍵詞 GSM 定位業(yè)務(wù) 到達(dá)時間 增強(qiáng)測量時間差 GPS輔助
在我國，隨著GSM移動通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，手機(jī)成為人們通信的重要工具之一，利用手機(jī)撥打
“110”、“119”和“120”等求助、告警電話日趨增多。據(jù)報(bào)道，目前美國用手機(jī)呼叫“911”
（類似我國的“110“）已占全部呼叫總數(shù)的20％，移動通信在社會治安、緊急救援等突發(fā)事件中
的地位已越來越重要。傳統(tǒng)有線電話撥打告警電話時，接警系統(tǒng)可根據(jù)用戶的主叫號碼，獲得用
戶的準(zhǔn)確位置，快速、準(zhǔn)確地處警。然而，由于現(xiàn)有移動通信網(wǎng)不能提供呼叫者的位置，求助時
手機(jī)用戶無法明確告知準(zhǔn)確位置，以致延誤時機(jī)，導(dǎo)致事件惡化的情況時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通
事故中70％的人員死亡發(fā)生在事故后兩小時內(nèi)。因此，實(shí)現(xiàn)GSM手機(jī)自動定位業(yè)務(wù)（LCS，
Location
Service）有非常重要的意義。此外，實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位還有其它廣泛用途，包括自動導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)
化和手機(jī)防盜等。
1GSM手機(jī)定位業(yè)務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GSM移動通信網(wǎng)可通過增加一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)——移動定位中心（MLC）實(shí)現(xiàn)LCS業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)引入
的相關(guān)接口有：服務(wù)移動定位中心SMLC與BSC間接口（Lb）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)GMLC與GSM網(wǎng)業(yè)務(wù)
控制功能間接口（Lc）外部LCS用戶與移動定位中心MLC間接口（Le）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)與HLR間
接口（Lh）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)與MSC／ VLR間接口（Lg）移動定位中心與同等移動定位中心間接
口（Lp）、移動定位中心與MSC/VLR間接口 Ls）以及定位測量單元LMU空中接口（Um）。
1.1定位測量單元（LMU）
通過無線測量，LMU可支持多種定位方式，測量可分為兩類：（1）針對一個MS的定位測量；
（2）針對特定地理區(qū)域中所有MS的輔助測量。LMU的初始值、時間指令等其它信息可預(yù)先設(shè)置，
或通過移動定位中心（SMLC）提供，LMU將得到的所有定位和輔助信息提供給相關(guān)的SMLC。
LMU可分為A類和B類兩種。A類LMU以標(biāo)準(zhǔn)的GSM空中接口接入，經(jīng)BTS、BSC與控制該LMU的
SMLC
保持信令連接。當(dāng)連接基于NSS的SMLC時，A類LMU有為其服務(wù)的MSC和VLR，并在HLR上保留其登記
的信息。A類LMU有唯一的IMSI，并支持所有GSM無線資源和移動管理功能。網(wǎng)絡(luò)管理者可為LMU指
派專門的IMSI范圍，并在IMSI中指派特定的數(shù)字，表示相關(guān)SMLC。IMSI中的某幾個數(shù)字可用作一
個SMLC中某個LMU的本地代碼。A類LMU支持連接控制管理功能，可實(shí)現(xiàn)與SMLC之間的LCS信令處
理。
它還支持呼叫控制功能，可利用電路交換方式實(shí)現(xiàn)與SMLC之間的信令連接。為了確保LMU與SMLC間
的互訪，LMU必須位于從屬于同一BSC或MSC的小區(qū)中。當(dāng) SMLC基于 NSS時，任何A類LMU在HLR中
都
有注冊信息，其中無附加業(yè)務(wù)（點(diǎn)對點(diǎn)短信和呼入呼出限制業(yè)務(wù)除外）。HLR中的注冊信息同時將
有LMU功能的MS與普通的MS區(qū)分開來，所有有關(guān)LMU的數(shù)據(jù)由LMU和相關(guān)SMLC管理。B類LMU可從BSC
的
Abis接口訪問，它可以是一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)單元，編號采用一些偽小區(qū)ID號，也可以集成在BTS內(nèi)或
與BTS連接。當(dāng)SMLC基于 BSS方式時，B類 LMU的信令通過BSC傳輸；當(dāng) SMLC基于 NSS方式時，則
通
過BSC和MSC傳輸。
1.2移動定位中心網(wǎng)關(guān)（GMLC）
一個PLMN可有多個GML。GMLC是外部LCS用戶進(jìn)入GSM網(wǎng)的第一個節(jié)點(diǎn)。GMLC通過Lh接口從
HLR中
獲得路由信息。鑒權(quán)通過后，GMLC通過Lg接口向MSC/VLR發(fā)出定位請求，并接收最終定位結(jié)果。
1.3移動定位中心（SMLC）
一個PLMN可包括多個SMLC。SMLC管理所有用于手機(jī)定位的資源，計(jì)算最終定位結(jié)果和精度。
SMLC通常有兩種類型：一種是基于NSS，支持Ls接口標(biāo)準(zhǔn)；另一種是基于 BSS，支持Lb接口。前者
通過與MSC／VLR相連的LS接口，傳輸各種手機(jī)定位信令；后者則通過與BSC相連的Lb接口，傳輸各
種手機(jī)定位信令。這兩種SMLC與其它SMLC連接時采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并在同一個物
理
節(jié)點(diǎn)，也可分布在多個節(jié)點(diǎn)。在LCS業(yè)務(wù)中，當(dāng)小區(qū)廣播中心（CBC）與BSC相連時，SMLC可利用現(xiàn)
有的廣播功能，通過CBC廣播輔助信息。這時 SMLC相當(dāng)于CBC的用戶。
2.3種手機(jī)定位技術(shù)
GSM手機(jī)定位方式通常可分為基于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。從技術(shù)上可分為到達(dá)時間
（TOA）、增強(qiáng)測量時間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）3種方式。
2.1TOA定位技術(shù)
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。具體實(shí)現(xiàn)步驟：（1）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；（2）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）；
（3）根據(jù)前兩步的信息， SMLC進(jìn)行兩兩比較，計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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。
2.2 E－OTD定位技術(shù)
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(jì)算，最終確定手機(jī)的位置。
實(shí)現(xiàn)步驟如下：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(jì)算，也可在終端計(jì)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(jì)算功能模塊，實(shí)現(xiàn)位置計(jì)算。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、手機(jī)功能以及LMU功能
與測量輸入?yún)?shù)等均一樣的情況下，位置計(jì)算可基于兩種 E－OTD定位方式實(shí)現(xiàn)。