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移動(dòng)定位：3G時(shí)起飛

張峻峰 2005/01/14

　　盡管已經(jīng)有移動(dòng)運營(yíng)商推出了基于2.5G網(wǎng)絡(luò )平臺的移動(dòng)定位服務(wù)，但是，目前的服務(wù)種類(lèi)尚嫌單一，范圍仍不普及。3G WCDMA將成為移動(dòng)定位服務(wù)更大規模開(kāi)展的更理想平臺。

　　移動(dòng)定位與位置服務(wù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域相當具有吸引力的數據業(yè)務(wù)，也是最被業(yè)界看好的3G增值業(yè)務(wù)之一，對于豐富無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)市場(chǎng)和增加運營(yíng)商的運營(yíng)收入來(lái)說(shuō)十分重要。3G WCDMA系統融合了話(huà)音、多媒體等多種業(yè)務(wù)，其中的定位服務(wù)功能相當強大，可通過(guò)多種定位技術(shù)，提供不同等級、不同精度的定位服務(wù)，充分滿(mǎn)足各方面的需求。人們相信，移動(dòng)定位服務(wù)將伴隨3G的上馬真正起飛。

移動(dòng)定位技術(shù)的三條路線(xiàn)

　　WCDMA系統對移動(dòng)臺的定位主要包括兩個(gè)步驟：信號測量和基于測量的定位估計計算。其中，信號測量可以在用戶(hù)終端(UE)、Node B和定位測量單元(LMU)中進(jìn)行，所測量的信號為通用陸地無(wú)線(xiàn)接入(UTRA) 無(wú)線(xiàn)發(fā)射信號，也可能包括其他的通用無(wú)線(xiàn)導航信號，定位功能不局限于一種定位方法或單個(gè)信息的測量，這樣可以提高定位精度；定位估計計算可以在用戶(hù)終端(UE)或通用移動(dòng)通信系統無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（如業(yè)務(wù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器）中進(jìn)行。

　　WCDMA系統移動(dòng)定位技術(shù)主要有三種: 基于小區標識定位法、OTDOA-IPDL定位法、網(wǎng)絡(luò )輔助GPS定位法。此外，UE也可以脫離網(wǎng)絡(luò )支持，直接由機載GPS進(jìn)行定位。

　　無(wú)線(xiàn)通信設備定位策略應根據用戶(hù)的實(shí)際定位精度需求選擇相應的定位方式，基于小區標識定位法和網(wǎng)絡(luò )輔助的GPS定位方法是比較可行的方法。OTDOA-IPDL定位法目前要進(jìn)一步解決的問(wèn)題是如何優(yōu)化定位技術(shù)的關(guān)鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無(wú)線(xiàn)因素的影響以提高定位的精度。目前第3代移動(dòng)通信標準組織正在不斷完善OTDOA-IPDL定位技術(shù)。

1. 基于小區標識定位法

　　在基于小區標識(或稱(chēng)小區覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據Node B的小區標識估計。服務(wù)節點(diǎn)和小區信息通過(guò)尋呼、位置更新、小區更新、用戶(hù)注冊區(URA)或路由區域更新獲得，然后將小區標識映射為具體的地理位置。當地理坐標用做定位信息時(shí)，UE的估計位置可以是業(yè)務(wù)小區內確定的地理位置(如服務(wù)Node B的位置)、業(yè)務(wù)小區覆蓋區的地理中心或小區覆蓋區內其他固定位置。定位信息必須包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)估計。

　　為了提高基于小區標識(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過(guò)測量往返時(shí)間(RTT)來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。

2. OTDOA-IPDL定位法

　　觀(guān)察到達時(shí)間差(OTDOA)是通過(guò)測量電波從發(fā)射機傳播到多個(gè)接收機的傳播時(shí)間差來(lái)確定目標移動(dòng)臺的位置。初步測量通過(guò)UE接收的下行鏈路公共導頻信道的到達時(shí)間差實(shí)現。3個(gè)基站形成的平面上，一點(diǎn)到兩個(gè)固定點(diǎn)的距離差如為定值時(shí)，該點(diǎn)必定在一條雙曲線(xiàn)上，兩條這樣的雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)便可得到移動(dòng)臺的位置，如圖1 所示。通過(guò)測量得到的移動(dòng)臺到多個(gè)基站距離的延時(shí)差后，移動(dòng)臺的位置便可以由兩條雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)得到。


　　延時(shí)估計的算法可使用最大似然估計、自相關(guān)估計和周期相關(guān)估計等方法得到。不同位置估計的精度取決于時(shí)間測量的精度和基站的相對位置(基站位置的幾何關(guān)系會(huì )影響位置估計的精度，當基站等距離環(huán)繞UE時(shí)結果最佳)，同時(shí)還受到多徑傳播的影響。

　　CDMA無(wú)線(xiàn)系統的一個(gè)基本問(wèn)題就是當終端距離服務(wù)基站很近時(shí)，接收其他同頻基站信號能力差。為了實(shí)現定位計算，UE必須接收到至少3個(gè)基站的信號。解決可聽(tīng)性問(wèn)題的方法是基站指定下行空閑周期(IPDL)，使每個(gè)基站在某一個(gè)很短的時(shí)間內停止發(fā)射。在空閑周期期間，小區內的終端可以測量其他基站的導頻信號，從而提高服務(wù)基站內UE測量其他同頻基站信號的能力。IPDL時(shí)間長(cháng)度是可變的，但不能超過(guò)公共導頻信道(CPICH)的一個(gè)時(shí)隙，通常在5～10個(gè)CPICH符號之間。

定義IPDL周期有兩種類(lèi)型：

一、連續模式：每一下行幀有一個(gè)空閑周期。

小貼士：什么是移動(dòng)定位？

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，人們希望隨時(shí)隨地獲取所在位置信息和相關(guān)服務(wù)的愿望越來(lái)越強烈，移動(dòng)定位技術(shù)就是這樣一項應運而生的新興技術(shù)。

　　移動(dòng)定位是通過(guò)移動(dòng)終端和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的配合，確定移動(dòng)用戶(hù)的地理位置，從而提供用戶(hù)需要的與位置相關(guān)的服務(wù)或信息。從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，定位業(yè)務(wù)就是一種特殊的移動(dòng)數據業(yè)務(wù)。

二、突發(fā)模式：在每一個(gè)IP間隔幀有一個(gè)空閑周期(IP間隔與業(yè)務(wù)負載和容量有關(guān)，如果IP間隔幀為10幀，那么每100 ms就有一個(gè)IPDL)。

突發(fā)模式的定時(shí)關(guān)系如圖2所示。


圖2 下行空閑周期突發(fā)模式定時(shí)關(guān)系

　　IPDL發(fā)生的時(shí)刻由突發(fā)幀的位置和對應幀中的時(shí)隙位置決定。

　　從突發(fā)幀系統幀號和時(shí)隙位置的關(guān)系可知：突發(fā)模式時(shí)隙位置是0～14之間的一個(gè)隨機數。IPDL方法的引入是對OTDOA方法的改進(jìn)，解決了檢測多個(gè)基站信號的問(wèn)題。

3. 網(wǎng)絡(luò )輔助GPS定位法

　　為了推動(dòng)GSM、WCDMA系統間的“無(wú)縫”定位業(yè)務(wù)，3GPP定位標準支持基于全球定位系統(GPS)的網(wǎng)絡(luò )輔助定位方法。網(wǎng)絡(luò )輔助GPS方法依靠UE GPS接收處理部分和網(wǎng)絡(luò )GPS參考接收處理部分的信令交互完成UE位置定位。GPS參考接收處理部分可以和UTRAN連接校正UE測量信息。網(wǎng)絡(luò )輔助的GPS定位法根據定位計算的位置不同，可以分為基于UE和UE輔助兩種定位類(lèi)型。基于UE的定位方法在UE內部配有功能完善的GPS接收處理部分，定位計算在UE側完成。UE輔助的定位方法是將UE側的GPS處理單元功能簡(jiǎn)化，以減小UE的復雜度，主要功能是進(jìn)行碼相位測量，然后通過(guò)高層信令發(fā)送至網(wǎng)絡(luò )側定位單元處理模塊以進(jìn)行UE的位置估計。

　　GPS定義方法依賴(lài)復雜度降低的UE GPS接收機和網(wǎng)絡(luò )GPS參考接收機間的連續信令交互運作完成，該方法能使以下一些性能得到改善：

　　降低UE GPS的啟動(dòng)和接收次數，使搜索窗口受限，測量速度大大加快；

　　增加UE GPS的靈敏度，通過(guò)UTRAN獲得的定位輔助信息使UE GPS可以在低信噪比不能解調UE GPS信息的情況下工作；

　　由于GPS可以在不用時(shí)處于待機方式，使UE比單GPS方式耗電少。

　　GPS定位方法由獨立GPS接收機來(lái)測量偽隨機相位等信息，并通過(guò)定時(shí)校正過(guò)程降低由衛星時(shí)鐘、定位模型、電離層時(shí)延、對流層時(shí)延和可選擇的有效性等帶來(lái)的定位誤差。網(wǎng)絡(luò )輔助GPS關(guān)鍵流程如圖3所示。


下面以UE輔助定位方法為例說(shuō)明定位步驟：

　　(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請求，SRNC根據UE和網(wǎng)絡(luò )的定位能力結合定位請求確定定位方法。SRNC在這里作為核心網(wǎng)和UTRAN中UE位置定位實(shí)體的接口。

　　(2)系統進(jìn)行定位測量單元(LMU)更新、往返時(shí)間(RTT)測量，然后根據UE能力，SRNC發(fā)送特定的GPS輔助定位信息至UE，包括GPS參考時(shí)間、衛星ID、多普勒頻移、搜索窗以及窗口中心、星歷表和時(shí)鐘校準等信息。

　　(3)SRNC發(fā)送測量請求給UE，要求測量GPS衛星碼相位和相關(guān)的其他信息，如SFN-SFN觀(guān)測時(shí)間差和接收-發(fā)射時(shí)間差，UE執行測量過(guò)程并將測量結果發(fā)送回網(wǎng)絡(luò )側。

　　(4)根據獲得信息，SRNC進(jìn)行UE位置計算，如果獲取的位置信息不足以進(jìn)行UE位置定位，則重復進(jìn)行步驟2。

　　(5)SRNC發(fā)送位置估計結果給核心網(wǎng)。

　　需要說(shuō)明的是，對于具體的定位流程，不同的實(shí)際系統會(huì )有一定的變化。

3G時(shí)代的移動(dòng)定位

　　從目前可能的應用來(lái)看，移動(dòng)定位服務(wù)主要包括以下幾類(lèi)：

1. 救援服務(wù)

　　救援服務(wù)是移動(dòng)定位服務(wù)最早衍生的服務(wù)項目，如美國的E-911系統，可以在用戶(hù)需要緊急求救的時(shí)候獲得精確的定位信息，以便政府公務(wù)人員施以及時(shí)援救。

2. 基于位置的信息服務(wù)

　　基于位置的信息業(yè)務(wù)允許用戶(hù)根據其當前所處的位置進(jìn)行內容裁剪的信息服務(wù),包括:自定位服務(wù)(“我在哪兒?”)、本地黃頁(yè)、導游服務(wù)、酒店查找服務(wù)(查找合適的旅館、餐館) 、路邊救援服務(wù)、交通信息服務(wù)(如駕車(chē)時(shí)實(shí)時(shí)指引前進(jìn)方向)。基于位置的信息業(yè)務(wù)承載方式主要有三種:短消息、話(huà)音、補充業(yè)務(wù)。

3. 基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)

　　基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)最典型的應用如計費業(yè)務(wù)，允許用戶(hù)的費率和用戶(hù)當前所在的位置有關(guān), 這些位置是用戶(hù)日常生活、工作所在的區域, 只要用戶(hù)簽約了這些區域, 在這些區域中就可以得到優(yōu)惠的費率。該業(yè)務(wù)可以向單個(gè)用戶(hù)開(kāi)放, 也可以向商務(wù)集團用戶(hù)開(kāi)放。

4. 跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)

　　跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)允許管理者跟蹤某個(gè)成員的位置和狀態(tài)。成員可以通過(guò)操作碼主動(dòng)向管理者通報位置信息。管理者可通過(guò)業(yè)務(wù)操作增加和刪除成員。典型的應用包括: 出租車(chē)公司跟蹤車(chē)輛的位置、父母了解子女的位置、子女了解老人的位置、雇主跟蹤他的雇員的位置等。

　　跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)承載方式有如下幾種: 短消息、話(huà)音查詢(xún)、網(wǎng)站查詢(xún)、電子地圖顯示。短消息承載方式是管理者發(fā)起短消息來(lái)查詢(xún)手機的當前狀態(tài)；話(huà)音查詢(xún)承載方式是用接入碼將呼叫接續到交互式語(yǔ)音響應系統或將呼叫接續到話(huà)務(wù)員, 查得用戶(hù)位置信息后語(yǔ)音通知管理者；網(wǎng)站查詢(xún)承載方式是業(yè)務(wù)由網(wǎng)站運營(yíng), 需要制訂網(wǎng)站到定位服務(wù)器之間的位置請求接口；電子地圖顯示承載方式是在定位服務(wù)器查詢(xún)位置信息之后, 發(fā)送到網(wǎng)站, 由網(wǎng)站和手機建立連接下載電子地圖, 該方式需要制訂網(wǎng)站和手機之間的接口。

鏈接一：

潛力巨大的移動(dòng)定位市場(chǎng)

　　全球各大移動(dòng)運營(yíng)商目前紛紛在其2G或2.5G的網(wǎng)絡(luò )中開(kāi)展相應的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，并積極籌備在3G網(wǎng)絡(luò )中提供這項極具潛力的增值業(yè)務(wù)，基于用戶(hù)位置的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)已經(jīng)得到了世人的廣泛矚目。據美國權威機構預測，2004年美國移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)的產(chǎn)值將達到40億美元，全世界則為300億美元。歐洲的研究報告指出，2005年歐洲移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)將達到43.8億歐元。

　　根據日本第一大移動(dòng)運營(yíng)商NTT DoCoMo公司移動(dòng)增值業(yè)務(wù)的實(shí)際發(fā)展曲線(xiàn)來(lái)看，3G時(shí)代整個(gè)移動(dòng)數據業(yè)務(wù)收入的5%將來(lái)自定位業(yè)務(wù)。我國的兩大移動(dòng)運營(yíng)商也在部署各自的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，據相關(guān)人士預計，未來(lái)幾年我國的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)規模將會(huì )很快達到10億元以上，而且還會(huì )持續加速增長(cháng)。

　　總體來(lái)看，移動(dòng)定位業(yè)務(wù)目前在全球正處于市場(chǎng)培育階段。日本的NTT　DoCoMo、韓國SK電訊和英國的和黃3G公司都基于已開(kāi)通的3G網(wǎng)絡(luò )提供定位業(yè)務(wù)，為用戶(hù)提供詳細、實(shí)時(shí)更新的數字地圖來(lái)顯示用戶(hù)的具體位置，并通過(guò)電子地圖引導用戶(hù)尋找酒店、餐廳、商店和其他一些用戶(hù)感興趣的商業(yè)設施。

　　3G網(wǎng)絡(luò )的最大特點(diǎn)是可以提供高速的無(wú)線(xiàn)數據下載，這為移動(dòng)定位業(yè)務(wù)提供了更加廣泛的發(fā)揮空間。雖然在2G或2.5G的網(wǎng)絡(luò )里也可以采用定位精度較高的定位技術(shù)，但是由于受到網(wǎng)絡(luò )傳輸速度的限制，定位業(yè)務(wù)在提供方式上也會(huì )受到局限。有了3G網(wǎng)絡(luò )的支持，向用戶(hù)提供導航信息時(shí)就可以采用實(shí)時(shí)的語(yǔ)音信息與彩色電子地圖相結合的方式來(lái)實(shí)現。高精度的定位技術(shù)與多媒體的用戶(hù)界面相結合，可以吸引更多的用戶(hù)使用定位業(yè)務(wù)。

鏈接二：

SK電訊的i-Kids兒童安全服務(wù)

　　隨著(zhù)手機用戶(hù)的增長(cháng)和移動(dòng)通信服務(wù)的普及，移動(dòng)通信市場(chǎng)的競爭日益激烈，針對用戶(hù)日常需求、發(fā)掘創(chuàng )新應用的差異化競爭，已成為全球各大移動(dòng)運營(yíng)商的制勝法寶。韓國最大的移動(dòng)運營(yíng)商SK電訊日前在全球率先推出了保障兒童安全的網(wǎng)絡(luò )定位服務(wù)——i-Kids。

　　作為SK電訊最新升級的新一代定位服務(wù)的豐富應用之一，i-Kids利用GPS定位技術(shù)和SK電訊的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)確認孩子當前的位置和活動(dòng)路徑，一旦孩子的活動(dòng)范圍超出預先設置的范圍時(shí)，手機就會(huì )自動(dòng)發(fā)出報警短信。同時(shí)，i-Kids還提供放心區域位置自動(dòng)通報、活動(dòng)路徑追蹤、位置自動(dòng)顯示等便于家長(cháng)了解兒童安全狀況的服務(wù)。

　　配合這一服務(wù)推出的還有SK電訊定制的i-Kids手機。這種形似玩具的兒童手機色彩艷麗，有兩個(gè)耳朵一樣的天線(xiàn)，內核是全球定位系統（GPS），可以讓家長(cháng)們全天候掌控孩子的行蹤。即便是關(guān)機時(shí)，兒童手機也能夠隨時(shí)向父母們報告孩子的行蹤。當遇到緊急情況時(shí)，孩子只要按動(dòng)手機上的緊急鍵，就可以同4位預設的聯(lián)絡(luò )人取得聯(lián)系，免去了孩子在危急時(shí)容易忘記親人電話(huà)號碼的困擾。為了降低成本，該手機取消了短信和手機上網(wǎng)兩項功能。

　　過(guò)去的地理位置表示方式只能提供以行政區域為單位的模糊地理位置信息，SK電訊的新一代定位服務(wù)系統經(jīng)過(guò)升級之后，通過(guò)在地鐵沿線(xiàn)和主要建筑附近增設設備，不僅可以表示地鐵周邊區域的詳細地理位置，還可以提供地區的代表性建筑物等主要地理信息，進(jìn)一步提高用戶(hù)使用服務(wù)的方便性。目前，SK電訊已與韓國警察廳合作，利用手機成功尋找到多名迷路少年兒童。

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