3G中的A-GPS移动定位技术

3G中的A-GPS移动定位技术

http://www.c114.net ( 2007/3/26 11:20 )

摘要　文章介绍了 3G中广泛使用的三种定位技术——基于 网络的 CELL-ID、OTDOA和A- GPS，分析了A-GPS的基本原理、网络结构以及SUPL A-GPS的网络通信过程，指明了A-GPS的发展前景。 

　　位置业务（ LBS，Location Based Service）是指 移动网络通过特定的定位技术来获取移动终端的位置信息，从而为终端用户提供附加服务的一种 增值业务，可广泛应用于紧急救援、导航追踪、运输调度、移动黄页等诸多方面。 

　　近年来，随着用户需求的增加，移动定位技术受到越来越多的关注，特别是3G技术的日益成熟为移动定位技术的发展提供了支持。在2G或2.5G的网络里，由于受到网络传输速度的限制，高精度定位技术（A-GPS）的应用受到局限，而3G网络可以提供高速无线下载功能，这就为移动定位业务提供了更加广阔的发展空间。 

1、3G中的移动定位技术 

　　目前，在3G网络中广泛使用的移动定位技术有三种：基于网络的小区识别（CELL-ID）定位技术、OTDOA定位技术、网络与终端混合的A-GPS定位技术。 

　　1.1　基于网络的CELL-ID定位技术 

　　基于网络的CELL-ID定位技术是一种最简单的定位技术，适用于所有蜂窝网络，且无需对 手机和网络进行修改，就可以向当前的移动用户提供自动定位业务。该技术根据移动终端所处的蜂窝小区ID号来确定用户的位置，因此其定位精度完全取决于移动终端所处蜂窝小区半径的大小，从几百米到几十公里不等。与其它技术相比，该技术投资较少，定位响应时间较短，一般在3s以内，但其精度最低，误差较大。 

　　1.2　OTDOA定位技术 

　　OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）是一种应用于3G网络的定位方式。这种定位技术通过移动终端测量不同 基站的下行导频信号的到达时刻（TOA，Time of Arrival）实现定位，其定位精度较高，定位范围约为100～200m。但对时间基准的依赖性较强，同时受多径干扰的影响也较大。OTDOA定位响应时间比CELL-ID略长，大约要10s。该技术无需对手机进行修改而只需修改网络，即可直接向现有用户提供服务。 

　　1.3　A-GPS定位技术 

　　A-GPS（Assisted Global Positioning System）即网络辅助的全球定位系统，这种方法需要网络和移动终端都能够接收GPS信息，是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术，可以在2G和3G网络中使用。此技术的优势主要在其定位精度上，在室外等空旷地区，正常工作环境下其精度可达5～10m，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。另一方面，利用网络传来的辅助信息可以增强TTFF（Time To First Fix），其首次捕获GPS信号的时间大大减小，一般仅需几秒，而不像GPS的首次捕获时间可能需要2～3min。A-GPS定位响应时间为3～10s之间。 

　　此外，为了解决终端在室内以及在城市中被建筑物遮挡而难以接收GPS信号的缺陷，一般A-GPS技术解决方案还考虑了CELL-ID定位技术作为备用方案，这样就大大提升了A-GPS的定位能力。 

2、A-GPS定位技术分析 

　　2.1　A-GPS的基本原理 

　　作为一种高精度的移动定位技术，A-GPS通过移动终端和GPS辅助定位信息（由移动网络提供）共同获取移动终端的位置信息，因而需要在移动终端内增加A-GPS接收机模块（或者外接A-GPS接收机），同时要在移动网络上加建位置 服务器等设备。 

　　其定位流程如下： 

　　（1）移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器。 

　　（2）位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息（GPS捕获辅助信息、GPS定位辅助信息、GPS灵敏度辅助信息、GPS卫星工作状况信息等）和移动终端位置计算的辅助信息（GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等）。利用这些信息，终端的A-GPS模块可以很快捕获卫星，以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力，并接收GPS原始信号。 

　　（3）终端在接收到GPS原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距（伪距即受各种GPS误差影响的距离）。

　　（4）若采用网络侧计算，终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到位置服务器，位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息完成对GPS信息的计算，并估算该终端的位置；若采用终端侧计算，终端根据测量的GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对GPS信息的计算，把估算的终端位置信息传给定位服务器。 

　　（5）位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。 

　　A-GPS定位过程如图1所示。整个方案以3G网络为传输数据方式。辅助接收机实时地从卫星处获得参考数据（时钟、星历表、可用星座、参考位置等），通过网络提供给定位服务器。当移动终端需要定位数据时，定位服务器通过无线网络给终端提供A-GPS辅助数据，以增强其TTTF，从而大大提高A-GPS接收模块的灵敏度。 


图1　A-GPS工作原理图

　　2.2　A-GPS的网络结构 

　　目前，基于无线网络的A-GPS技术中，可以采用两种基本的网络拓扑结构：控制平面（Control Plane）和用户平面（User Plane）。 

　　（1）控制平面 

　　控制平面方式中，移动定位中心（SMLC，Serving Mobile Location Centre）与无线基站的无线网络控制器（RNC，Radio Network Controllet）集成，GPS辅助信息通过 信令的方式来交互。移动定位 网关（GMLC）位于无线网络的 IP数据网上，负责外部定位请求的接入。 

　　由于通过信令接口在核心网络内部传输辅助数据，因而该结构传输效率高且安全可靠，有利于位置服务的管理和控制。其缺点是RNC需具有SMLC功能，会影响到核心网络，实现和维护复杂，成本较高。 

　　（2）用户平面 

　　用户平面方式利用现代无线网络的IP功能，通过IP数据网和SMLC交互辅助信息，移动终端的UE（User Equipment）直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到GMLC的传递。其相应的标准由开放式移动联盟（ OMA）制定，称为安全用户层面定位（SUPL）。这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署，无需 无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持，无需对无线核心网络进行改造，且与2G网络兼容，易实现，成本低，因而推广迅速。 

　　SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到GMLC的端到端对话，实现无线定位信息传递，并通过Le接口实现与服务提供商的互通。SUPL的典型体系结构如图2所示。 


图2　SUPL体系结构

　　从图2中可以看出，SUPL定位平台（SLP）由SUPL定位中心（SLC）和SUPL位置中心（SPC）两部分组成，SUPL定位平台和SUPL终端（SET）之间的接口为LUP（Location User Plane），接口采用OMA的ULP（User plane Location Protocol）协议。支持SUPL接口功能的SET具备的功能有：私密功能、安全功能、SET预备功能、辅助信息发送功能和位置计算功能等。 

　　2.3　SUPL A-GPS的网络通信过程 

　　（1）SUPL LUP接口定义 

　　LUP的功能从逻辑上可分为定位服务管理接口和定位计算接口。其中，定位服务管理接口用来在SLP和SET之间建立会话并执行SLC的功能，其消息定义如表1所示。定位计算接口在SET和SLP之间传送位置计算信息，它执行SPC的功能，其消息定义如表2所示： 

表1　定位服务管理接口消息定义（代理模式）


表2　定位计算接口消息定义


　　（2）网络通信过程 

　　在SUPL中，可分为代理模式和非代理模式。在代理模式下，SPC不再直接与SET通信，而是由SLC作为代理完成SET和SPC之间的通信；在非代理模式下，SPC将直接与SET进行通信。另外，由于终端归属地的不同，又可分为 漫游和非漫游两种情况。在这里为了便于讨论，只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析。网络端和SET均可发起网络通信，图3给出了由网络发起的定位通信过程： 


图3　非漫游代理模式下网络发起的定位通信过程

　　在图3中，（A）由SUPL代理向H-SLP（Home SLP）发送一个MLP SLIR请求消息，该消息中包含ms-id、client-id和qop等；（B）H-SLP核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能；（C）H-SLP使用 WAP PUSH或SMS向SET发送一个SUPL INIT消息，该消息应该包括session-id、posmethod、SLP mode等；（D）SET收到SUPL INIT后，建立与H-SLP通信的安全数据连接；（E）SET向H-SLP发送一个SUPL POS INIT消息来开始一个定位会话，该消息中包含有session-id、lid、SET capabilities等，SET可能会在其中设置被请求的辅助数据；（F）H-SLP根据SUPL POS INIT提供的定位协议选取相应的通信协议（RRLP/RRC/TIA-801）与SET进行连续的定位数据交换。（G）当位置信息计算结束时，H-SLP向SET发送SUPL END消息通知SET定位会话结束，同时SET释放和H-SLP之间的安全IP连接和相关会话资源；（H）H-SLP向SUPL代理通过发送MLP SLIA消息返回SET位置信息，同时释放所有相关的会话资源。 

　　由SET发起的定位通信过程与图3所示区别不大，从（E）开始的步骤与图3相同，只是在最后发送SUPL END消息并释放相关资源后，整个通信过程结束。不同的是SUPL代理可与SET集成，SET首先建立与H-SLP的安全数据连接，而后向H-SLP发送SUPL START消息，H-SLP在核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能后，发送SUPL RESPONSE消息作为对SUPL START消息的回应。由SET发起的定位通信过程如图4所示： 


图4　非漫游代理模式下SET发起的定位通信过程

　　2.4　A-GPS的定位计算方法 

　　A-GPS的定位计算可以分为MS-Based方式和MS-Assisted方式。在MS-Based方式中，计算由终端完成；而在MS-Assisted方式中，定位计算由网络基于SET提供的测量数据完成。 

　　两种定位计算方法各有利弊：MS-Assisted的优点是对终端的要求低，但具有时延较大、不适合高速行驶情况下的定位等缺点。相比而言，MS-Based方法的优点是网络负担小且定位时延小；适合短时间内的连续定位情况；在网络不能提供辅助的情况下，可以使用自治的GPS功能来定位，因而可靠性高；此方式下无需核心网络作任何改进，成本较低。总体而言，MS-Based方式是比较可取的定位方式。 

3、A-GPS的应用 

　　A-GPS定位技术的主要功能是能够为终端用户提供高精度的位置信息。移动 运营商采用基于A-GPS定位技术的位置服务后，终端用户可以方便快捷地获知自己或他人当前所处的位置，特别适用于车辆跟踪与导航系统以及具有特殊任务的车辆（运钞车、救护车、消防车等），能够大幅度提高车辆安全、运输效率和服务质量。 

　　目前，国内 移动通信市场日益发展，特别是随着3G商用的临近， 中国移动和 中国联通都制订和推出了各自的A-GPS方案。中国移动正在制订的A-GPS方案基于OMA的SUPL规范，是一种用户平面的解决方案；中国 联通提供的gpsOne是MS-Assisted方式的A-GPS定位方案，也基于用户平面方式，　目前只用于 CDMA网络。 

4、结束语 

　　随着位置业务的发展，定位精度日益被重视。作为目前定位精度最高的移动定位技术，A-GPS的应用空间更加广阔。基于A-GPS的位置业务必然会成为继语音、数据之后的又一大业务增长亮点。