基于移動(dòng)電信的定位方法

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

    l、TA

    或稱CellID+TA，指小區(qū)識(shí)別號(hào)+時(shí)間提前量。時(shí)間提前量TA由基站測(cè)量后通知MS提前這段TA時(shí)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(shí)延。因此，TA方法就是用現(xiàn)有的參數(shù)TA估計(jì)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(dòng)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T(mén)A的圓環(huán)(對(duì)全向天線)或者圓環(huán)的部分(對(duì)定向天線)范圍內(nèi)區(qū)域確定為MS所在區(qū)域。

    時(shí)間提前量通過(guò)O？63bit/s來(lái)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(shí)定位的精度就很高了。但這種精度只能表示移動(dòng)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(jiǎn)單的一種定位方式，它根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)識(shí)別號(hào)ID來(lái)確定用戶的位置。移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中就會(huì)有相對(duì)應(yīng)的小區(qū)ID號(hào)。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(dòng)臺(tái)，這些移動(dòng)臺(tái)就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時(shí)間短。但是，由此導(dǎo)致的缺點(diǎn)是精度較差。

    3、AOA(AngleofArrival)

    測(cè)量信號(hào)的到達(dá)角度(AngleOfArr技ive，簡(jiǎn)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(zhuān)門(mén)的天線陣列來(lái)測(cè)量特定信號(hào)的來(lái)源方向。對(duì)于一個(gè)基站來(lái)講，AOA測(cè)量可以得出特定移動(dòng)站所在方向，當(dāng)兩個(gè)基站同時(shí)測(cè)量同一移動(dòng)站所發(fā)出的信號(hào)時(shí)，兩個(gè)基站各自測(cè)量AOA所得的方向直線的焦點(diǎn)就是移動(dòng)站所在的位置。盡管這種定位方法的原理非常簡(jiǎn)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(cè)量的移動(dòng)站與參與測(cè)量的所有基站之間，射頻信號(hào)是視線傳輸(LOS)的。非視線傳輸(NLOS)將會(huì)給AOA定位帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的誤差。即使是在以LOS傳輸為主的情況下，射頻信號(hào)的多徑效應(yīng)依然會(huì)干擾AOA的測(cè)量。其次，由于天線設(shè)備角分辨率的限制，AOA的測(cè)量精度是隨著基站與移動(dòng)站之問(wèn)的距離的增加而不斷減小的。

    由于測(cè)量AOA的定位方法具有上述的特點(diǎn)，所以對(duì)于處于城市地區(qū)的微小區(qū)來(lái)講，引起射頻信號(hào)反射的障礙物多且其到移動(dòng)站的距離與小區(qū)半徑可以相比，這樣就會(huì)引起比較大的角測(cè)量誤差。在這種情況下，基于AOA的定位方法沒(méi)有實(shí)際的意義。對(duì)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(hào)反射的障礙物多位于移動(dòng)站附近，NLOS傳輸引起的角測(cè)量誤差比較小。所以測(cè)量信號(hào)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(lái)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(wú)需作任何改動(dòng)。要定位的手機(jī)發(fā)出一已知信號(hào)，三個(gè)或多于三個(gè)LMU同時(shí)接收該信號(hào)，已知信號(hào)是手機(jī)執(zhí)行異步切換時(shí)發(fā)出的接入突發(fā)信號(hào)；各LMU得到信號(hào)到達(dá)時(shí)的絕對(duì)GPS時(shí)間后，可得到相對(duì)時(shí)間差(RTD)；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(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)，得出精確位置，并回到應(yīng)用中。要通過(guò)三角計(jì)算得出手機(jī)精確位置，必須知道另外兩個(gè)參數(shù)：LMU的地理位置和各LMU之間的時(shí)間偏移量。例如各LMU必須提供的絕對(duì)GPS時(shí)間，或在已知位置的地點(diǎn)放置參考LMU可得到實(shí)際時(shí)間差(RTD)參數(shù)。

    LMU用接入突發(fā)信號(hào)確定TOA。當(dāng)定位請(qǐng)求發(fā)出時(shí)，LMU被選定，且配置正確的頻率，以便接收接入突發(fā)信號(hào)。此時(shí)，手機(jī)在業(yè)務(wù)信道(可能會(huì)處于跳頻方式)上，以特定功率發(fā)送達(dá)70個(gè)接入脈沖(時(shí)長(zhǎng)320ms)。各LMU通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)和改善TOA的測(cè)量結(jié)果。利用收到的突發(fā)信號(hào)可提高測(cè)量成功概率和測(cè)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(cè)量精度。當(dāng)某個(gè)應(yīng)用需要知曉手機(jī)位置時(shí)，該應(yīng)用向SMLC發(fā)出請(qǐng)求，同時(shí)告知手機(jī)號(hào)碼和定位精度要求。被測(cè)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(hào)到達(dá)時(shí)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(shí)，既可有單獨(dú)的天線，也可與BTS共享天線，通過(guò)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(guò)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)的位置，移動(dòng)臺(tái)必定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，也就是說(shuō)需要至少三個(gè)以上的基站接收到移動(dòng)臺(tái)信號(hào)，而兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。

    TDOA方法不要求知道信號(hào)傳播的具體時(shí)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(dòng)臺(tái)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(cè)量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測(cè)量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來(lái)的測(cè)量誤差。目前針對(duì)這種情況已有了一些解決辦法，如在E-91l呼叫時(shí)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大，可以提高定位精度，但會(huì)對(duì)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(cè)量時(shí)間差(OTD)發(fā)展而來(lái)的，OTD指測(cè)量所得的時(shí)間量，E-OTD指測(cè)量的方式。手機(jī)無(wú)需附加任何硬件便可得到測(cè)量結(jié)果。對(duì)于同步網(wǎng)，手機(jī)測(cè)量幾個(gè)BTS信號(hào)的相對(duì)到達(dá)時(shí)間；對(duì)于非同步網(wǎng)，信號(hào)同時(shí)還需要被一個(gè)位置已知的LMU接收。確定了BTS到手機(jī)的信號(hào)傳輸時(shí)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。

    手機(jī)收到各基站發(fā)來(lái)信號(hào)，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(cè)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要測(cè)量BTS之間的RTD。為了進(jìn)行精確的三角測(cè)量，OTD測(cè)量和RTD測(cè)量(非同步BTS時(shí))均需要3個(gè)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(guò)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。

    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(shí)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，解調(diào)出GPS導(dǎo)航信號(hào)，并將這些信息傳送給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)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(hào)后，計(jì)算移動(dòng)臺(tái)位置的工作可以由網(wǎng)絡(luò)實(shí)體或移動(dòng)臺(tái)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(duì)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(dòng)臺(tái)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(shí)，由于可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度將降低，甚至無(wú)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(duì)位置信息進(jìn)行計(jì)算，而是將GPS的位置信息數(shù)據(jù)傳給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)器進(jìn)行位置計(jì)算，同時(shí)移動(dòng)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(kù)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(shí)手機(jī)可以很快捕捉到GPS信號(hào)，這樣的首次捕獲時(shí)間將大大減小，一般僅需幾秒的時(shí)間。不需像GPS的首次捕獲時(shí)間可能要2？3分鐘時(shí)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(shí)間、可視衛(wèi)星清單、衛(wèi)星信號(hào)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(hào)獲得時(shí)間。輔助數(shù)據(jù)來(lái)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(gè)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(jì)算功能。運(yùn)算開(kāi)始時(shí)，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(shí)以上或根據(jù)需要進(jìn)行更新，通常包括時(shí)間、參考位置、衛(wèi)星星歷和時(shí)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(hào)。DGPS信號(hào)在非常寬的地域范圍有效，以一個(gè)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(jì)算得到，若需要，此定位信息可發(fā)送到其它任何應(yīng)用中。