第三代移動通信系統(tǒng)的定位技術研究

1、引言

為了滿足對通信個人化及高速數(shù)據(jù)業(yè)務的迫切需要，第三代移動通信系統(tǒng)的標準(IMT-2000)制定和產品開發(fā)已成為全世界通信領域的熱點，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絡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)將進一步提高定位精度。目前蜂窩網無線定位技術就算法來說已經較為完善，目前的研究熱點主要集中在以下幾個方面：

(1)基于3GPP協(xié)議的定位結構的設計。在第三代移動通信系統(tǒng)網絡全面鋪開后，基于3GPP協(xié)議，采用何種網絡結構進行定位既能保證定位精度，又能盡可能少的改動網絡結構的研究成為熱點。

(2)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種誤差進行抑制，但在建筑物較多的繁華市區(qū)定位精度仍不理想。

(3)對移動臺跟蹤服務研究。當移動臺處于移動狀態(tài)時，分次單獨定位容易出現(xiàn)各次定位計算結構相差較大，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)的定位結構，定位方法，重點是基于3GPP協(xié)議框架下的定位流程進行分析。

2、3G定位業(yè)務系統(tǒng)的結構

如圖1所示，是具有定位功能的第三代移動通信系統(tǒng)結構圖[1,3]。圖1簡要描述了LCS客戶、服務器與核心網之間的關系。LCS模塊與CN之間通過Iu接口進行通信，LCS模塊之間利用網絡已有的信息提供能力和信令能力進行通信。作為服務的一部分，網絡還應該具備對不合法用戶設備進行定位的能力，以及對同時出現(xiàn)的多個LCS客戶提供服務的能力，各部分單元功能如下：GMLC(網關移動定位中心)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，再由無線接入網對終端(或輔助終端自己完成)定位。SMLC(服務移動定位中心)用于支持高精度定位業(yè)務，主要完成接入網側的定位流程控制、位置計算、網絡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，也可獨立設置。LMU(位置測量單元)是邏輯定位實體，主要完成網絡的下行同步校準和無線測量功能。LMU負責無線測量，把測量結果通知給 RNC。

圖1　具有定位功能的3G網絡結構

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調用無線接入網中的定位網元(包括SMLC、RNC、Node B，LMU等)執(zhí)行此次定位操作，網絡采用合適的定位方法計算出用戶經緯度后，返回定位報告，由LCS Client對經緯度信息進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)務和定位精度密切相關。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，采用了基于CELL-ID、基于場強定位和EOTD等技術得到了一定程度的應用。以及CDMA 1x系統(tǒng)中的AGPS和基于TDOA的定位技術。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，在定位方面具有一定的優(yōu)勢，主要技術包括：RTD+AOA、OTDOA-RTD等，WCDMA系統(tǒng)則主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技術等。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MS的蜂窩小區(qū)ID，MS的位置由其服務結點B的有關路由信息獲得。服務結點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測得的多個結點B發(fā)射的電波傳播時間偏差，結合發(fā)射機地理位置坐標、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MS的地理位置[5]。由于在CDMA蜂窩網中存在遠近效應，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中提出了設置下行空閑周期(IPDL)的OTDOA定位法：在空閑時間內各NODEB只發(fā)射導頻信號，停止其他業(yè)務信道信號的發(fā)射，提高了MS對臨近非服務NODEB的監(jiān)聽能力，能準確的檢測出多個TDOA值。 OTDOA-IPDL的一種改進技術是TA-IPDL技術[3]:MS周圍基站(包括服務基站)同時停止所有信號的發(fā)送，進入空閑周期。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　網絡輔助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到5～40 m的精度，能夠滿足大多數(shù)的定位業(yè)務要求。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，達不到商用的要求，為此在傳統(tǒng)的GPS的基礎上，這種將GPS與蜂窩通信網結合的定位方法A-GPS技術：建立能夠持續(xù)對GPS衛(wèi)星信號進行監(jiān)測的GPS參考接收網絡，該網絡把獲得的原始信息處理后成為GPS輔助信息，通過UMTS網絡發(fā)送給終端GPS接收設備，確定手機的位置。