第三代移動通信系統的定位技術研究

1、引言

為了滿足對通信個人化及高速數據業務的迫切需要，第三代移動通信系統的標準(IMT-2000)制定和產品開發已成為全世界通信領域的熱點，實現移動終端的無線定位則是IMT-2000中一個重要研究課題。根據美國聯邦通信委員會(FCC)的計劃，到2001年10月，所有蜂窩電話、個人通信系統、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協議的定位結構的設計。在第三代移動通信系統網絡全面鋪開后，基于3GPP協議，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時，分次單獨定位容易出現各次定位計算結構相差較大，運動軌跡不連續。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代移動通信系統的定位結構，定位方法，重點是基于3GPP協議框架下的定位流程進行分析。

2、3G定位業務系統的結構

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。發出的對某移動定位用戶的路由信息，將定位請求發送到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協議規定的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的幾種定位方法

定位業務和定位精度密切相關。3GPP定位功能的實現是基于控制層面的(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系統和CDMA 1x系統的定位技術，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系統中的AGPS和基于TDOA的定位技術。TD-SCDMA系統則由于采用智能天線系統和上行同步CDMA技術，在定位方面具有一定的優勢，主要技術包括：RTD+AOA、OTDOA-RTD等，WCDMA系統則主要采用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和小區的信息可以通過尋呼、定位區域更新、小區更新、URA更新或路由區域更新等來獲得[4]。Cell-ID方式可以用系統提供的測量參數來提高定位精度。FDD系統通過RTT(往返時間)測量來計算UE到基站的距離;TDD系統通過對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發射的電波傳播時間偏差，結合發射機地理位置坐標、LMU測出的各個下行信號發射的實際時間偏差(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只發射導頻信號，停止其他業務信道信號的發射，提高了MS對臨近非服務NODEB的監聽能力，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送，進入空閑周期。在空閑周期，每個基站偽隨機的選擇發送定位信號或者不發送信號(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全球定位系統基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，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，能夠滿足大多數的定位業務要求。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：建立能夠持續對GPS衛星信號進行監測的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網絡發送給終端GPS接收設備，確定手機的位置。