浅析蜂窝定位技术及位置服务

摘 要：在着重分析了TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)及AGPS(AssistantGlobal Positioning System)定位技术的同时对其它几种蜂窝定位技术的特点，并进行了讨论，进一步阐述了基于蜂窝定位技术的位置服务及实现的关键问题。
关键词：定位技术；定位精度;位置服务
随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖面越来越广，移动电话普及率也越来越高，移动电话发起的紧急呼叫数量在全部紧急呼叫中所占的比例也随之上升。而现有的蜂窝网能为移动用户提供的辅助决策信息非常少，调查表明，约有25%的移动用户在发起紧急呼叫时不知道自己所处的确切位置，这对及时合理地处警带来很多限制。因此，美国联邦通信委员会规定到2001年10月1日以前，各种无线蜂窝网络必须能对拨打911报警的移动电话提供精度在125?m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67%；并在2001年以后，提供更高的定位精度及三维位置信息。位置服务正是在这一发展机遇下，作为移动通信网提供的一种增值业务而兴起的。它通过一定的技术，得到用户的位置信息，提供给该用户本人或通信系统，或者提供给其它请求得到该用户位置的机构或个人。目前，它在紧急救援、汽车导航、智能交通、蜂窝系统优化设计等方面发挥着重要作用。
1定位技术
1.1基于电波传播时间(TOA)的定位
如果移动台MS和基站BS处于可视的范围内，则其间的距离di为

其中c为光速，Δt为无线电信号在MS和BSi之间的传播时延。当MS至少与三个BS的传播时延已知时，就可计算出MS的位置(见图1)。当移动台MS与BS间不处于直视范围，则对MS位置的估计会产生误差，即图中的圆弧不能相交于一点。如此可采用MS位置与TOA圆弧间的距离为均方误差最小的方法。如果有多于3个的TOA测量结果，则精度可以提高。
1.2基于电波到达时差(TDOA)法

本方法是基于收到不同基站BS的信号的时差。
如果MS收到相邻BS1和BS2的信号的时间差为Δt，如果这时MS与BS处于可视范围内，则MS的位置在一条双曲线上(见图2)。
(d1-d2)=cΔt
其中d1为MS到BS1的距离，d2为MS到BS2的距离，c为光速，采用三个不同的基站可以测到两个TDOA(到达时差)，移动站位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。与TOA法相似，TDOA法的定位方法可以采用移动站MS到双曲线距离均方误差最小的算法，条件是有两个以上的TDOA值可以用来计算。
TDOA法与TOA法比较优点之一是：当计算TDOA值时，计算误差对所有的基站是相同的且其和为零，这些误差包括公共的多径时延和同步误差。
1.3到达角度(AOA)法
该方法是假定基站可以测量出移动台发射信号到达基站的角度。如果移动台和基站处于视距范围，则AOA方法可以采用，这时移动台位于两个到达射线的交点(见图3)。实际上，与TOA法和TDOA法相似，采用AOA方法也会产生误差，AOA的误差范围决定了移动用户定位误差的大小。由于多径传播可使测量产生很大误差，在市区采用AOA法定位，误差尤为严重，这种定位方法要求基站配备能够测量到达角大小的天线。
另外，还可采用到达角与到达时间相结合的定位法，即基站可以同时测量到用户的AOA和TOA，则AOA的角度数值所指的直线与到达时间确定的圆周，两者交点的位置就可用来确定用户的位置。此法的主要优点是基站与移动用户间只进行一次测量。缺点与AOA法相同。

1.4网络辅助GPS(AGPS)
全球卫星定位系统GPS是美国于上世纪70年代出于军事目的开发的卫星导航定位系统，也是目前最为传统的定位技术。GPS系统由三大部分组成：GPS卫星、地面监控系统、GPS接收机。GPS卫星发给用户有关卫星本身座标位置的数据，GPS接收机便可根据三颗卫星发给的数据计算出自己的位置数据，对于移动车辆，则需要第四颗卫星的数据，以配合计算出移动车辆的移动速度与运动方向。尽管GPS定位精度较高，在天空晴朗时，可以获得5～40?m的精度。但直接在移动终端或手机上安装GPS接收机芯片不太适宜，因为：
(1)缩小GPS天线安装到移动终端或手机中是困难的；
(2)首次定位需要很长时间，需要30?s到几分钟，这对类似E911的紧急业务是不允许的；
(3)GPS的信号较弱，抗遮蔽性不好；
(4)GPS接收机为了接收到适当的信号，功率消耗较大。
利用AGPS技术，可以很好地解决这些问题。其基本原理是建立一GPS参考网络，参考网络中的接收机可以连续很好地接收GPS卫星信号，实时监视各种卫星信息。该参考网络和蜂窝移动通信系统相连，在定位时将监测到的各种卫星信息传送给终端GPS接收机，以加快首次定位时间、减少搜索时间、提高接收灵敏度等。由于它在精度和响应时间方面都占有优势，因此应用很广泛。它除了要对MS改进外，无需对现有的蜂窝网做任何改动，只需在MS与特定的应用中心之间建立数据链路，就可以进行GPS定位信息与控制信息的传送，实现各种应用功能。
1.5COO(Cell of Origin)定位
该技术是根据移动台所处的小区ID号来确定用户的位置。移动台所处的小区ID号是网络中已有的信息，移动台在当前小区注册后，在系统的数据库存中就会将该移动台与该小区ID号对应起来。可见COO定位无须网络和移动台做任何调整，可以为现有的无线用户提供粗定位，定位精度取决小区半径。在城市商业区，由于常采用多层小区结构，定位精度可以达到50m甚至更小，故COO定位基本能够满足要求。美国E911无线定位呼叫的第一阶段采用的就是COO定位技术。
1.6七号信令定位
该技术以信令监测为基础，能够对移动通信网中特定的信令过程，如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析，并将监测结果提供给业务中心，以实现对特定用户的个性化服务。该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地区。故适用对定位精确度要求不高的业务，如漫游用户问候服务，远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。目前，国内各省和地区移动公司的短信欢迎系统采用的就是此种技术。
2位置服务的关键问题
2.1定位技术的选择
总体上，蜂窝系统中的定位技术有多种，根据定位参数测量和定位计算在何设备进行而分为基于终端的定位技术、基于网络的方式以及两者的混合方式。由此涉及如何选择定位技术问题。
如采用基于终端的定位技术(如AGPS),因定位功能位于终端或SIM(用户识别模块)卡中，用户想要享受基于位置的业务需要更换手持终端或SIM卡。据市场调查，全网内所有用户更换终端或SIM卡的周期大约为4年到5年。
如采用基于网络的定位技术(如TOA、TDOA、AOA)，因定位功能位于网络端，由网络本身采集移动终端各种参数进行定位计算，则不需要移动用户更换手机或SIM卡或改动较小，在全网内实现100%的业务覆盖的时间较短。
而采用混合定位技术，即综合上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中。如综合AOA和TDOA，因充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差，因此具有较高的准确度。
2.2地理位置信息库(GIS)
如何在200～500?m的范围内提供准确和有价值的信息是位置服务的关键问题。这就要求有强大的、准确的和内容丰富的面向用户的城市GIS地理位置信息库做支持。
2.3漫游问题
位置服务的重要特征就是空间的变换，只有变换了空间，才会有强烈的查询陌生位置信息的要求。因此查询位置信息主要面向的用户肯定是非本地区的用户。解决漫游问题，使用全网统一的标准，使漫游用户使用这项业务就像打电话一样方便是推广位置服务的关键。这就要求在全国范围内建立一套完整的定位业务平台，以提供及时的全国性的位置信息。
2.4其它问题
在蜂窝网络中，非视距(NLOS)传播、多径效应和多址干扰等因素降低了定位精度，如何克服这些因素的影响是无线定位研究的关键。再者用户的隐私权也是用户非常关心的问题，因此在开展定位服务业务时应能确保用户在移动终端上通过设置，对自己的位置信息是否开放进行选择，而不应由SP或移动公司的网络实现。
3位置服务业务
随着蜂窝移动电话定位技术的发展，为用户提供了更多、更有益的业务，同时也为移动通信运营商开辟了广大的市场，创造了无限的商机。位置服务，已经成为一种新的移动增值业务。其业务主要包括以下几个方面：
3.1应急救援系统
用户在不知道自己位置的情况下，只要其手机支持位置服务，用户在拨打救援中心的电话(如中国的110、美国的911、日本的411电话)后，移动通信网络就会在将该紧急呼叫发送到救援中心的同时，启动支持位置服务的网元，得到用户的具体位置，将该位置信息和用户的评阅信息一并传送给救援中心。救援中心接到呼叫后，根据得到的位置信息，就能快速、高效地开展救援行动，大大提高了救援的成功率。
3.2移动终端防盗打管理
移动电话的盗打，即盗取合法移动电话的特殊识别号码复制移动电话可以享有与合法移动电话同样的使用权利。据估计，世界电信运营部门每年由于移动电话盗打造成的收入流失和防止移动电话盗打所付出的开支高达数十亿美元。采用移动电话定位技术可以有效的监测和制止盗打。电信运营部门在发现盗打号码后，可以不必禁止移动电话使用，而利用无线网络自己记录盗打的准确时间和地点。为司法机关破案提供有力的证据。
3.3信息查询业务
用户可以利用互联网的黄页查询功能查询自己所在区域范围内的相关信息。包括附近有哪些饭店、商场、天气情况、附近各公司的电话号码、所在位置等等。移动网络首先定位出用户所处的位置，然后再在互联网提供的信息中节选出用户所在地的相关信息供用户查询。这种移动互联网技术与位置服务相结合的应用，大大充实了移动互联网的业务内涵，让人们更真实地感受到移动互联网带来的全新生活。
3.4车辆导航和智能交通系统
移动通信网提供的位置服务能满足山区和城市商业区的车辆导航和跟踪，只要为每一辆或每一列需要导航的汽车或列车安装一个移动车载台，并提供较好的基站覆盖。结合电子地图技术，将很容易实现车辆自动定位、调度和管理、监测交通事故和疏导交通等功能。
3.5其它业务
大宗货物的存放和管理、网络系统的优化设计、地图业务、远程通讯处理、基于位置的灵活计费等等业务也是位置服务包括的内容。
4结束语
综上所述，随着对应位置服务的需求增加，位置服务的开发和推广越来越受到人们的重视。基于蜂窝系统的无线定位技术在理论和实践中取得较大进展，但仍面临着很多新的问题。尤其在即将商用化的第三代移动通信系统中，如何实现高精度的定位，并将定位业务集成到网络中，已成为发展位置服务的一个崭新课题。