TD_SCDMA定位技术

无线定位技术的研究始于20世纪60年代的自动车辆定位系统，随后该技术在公共交通、出租车调度以及公安追踪等范围内广泛应用。

后来，随着人们对基于位置的信息服务的需求增多，无线定位技术得到更多研究者的关注，全球定位系统（GPS）的出现更使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度的提高，可达到10 m以内。

虽然直接利用GPS可以达到一种较为理想的定位效果，但是它需要专门的接收设备，对大多数用户来说并不是很方便。

近年来，随着蜂窝移动通信系统的进一步发展和普及，可以利用信号强度、载波相位、信号到达角度和时间测量值等参数以及它们的组合进行定位估算，得出用户所需位置结果。

现阶段移动定位业务(LCS)可以分为四类：
1．增值业务的LCS业务：使用LCS支持增值业务，包括手机用户或者其它非手机用户；内部LCS业务：利用手机的位置信息用作接入网的内部操作，包括位置辅助切换、业务量和覆盖范围测量，以及将LCS用于加强和支持O&M有关的任务、补充业务或者智能网有关的业务等；
2．紧急服务的LCS业务：用作支持用户的突发请求；
3．合法截取LCS业务：将LCS用于法律有关的业务。

定位业务在紧急救援、汽车导航、智能交通、团队管理、网络规划、基于位置的信息服务等方面都将具有突出的作用。

二、定位技术介绍
定位业务对所有的手机都能实现，不管其是否拥有SIM卡，而增值业务则只对拥有SIM 卡的用户开放。

移动定位的不同方法是针对接入网而言的，在未来网络演进的过程中，GSM 的接入网和UMTS的接入网将在很长的时间内共存，对不同的接入网，3GPP定义了相应的定位方法，在UTRAN中建议采用三种定位方法：CELL ID、OTDOA和A-GPS，在GERAN 中，同样建议使用三种方法：基于蜂窝的、E-OTD和A-GPS。

在这里，我们着重介绍基于UTRAN的定位方法。

1．CELL ID的定位技术
这种技术是目前最简单的定位技术，它的原理是通过获取目标手机所在的蜂窝小区ID来确定其所在的位置，提供给定位用户。

目标手机可能处在不同的状态，当核心网发出LCS的请求后，SRNC要查询UE的状态，如果目前UE处在其它状态，SRNC对UE进行寻呼，以确定蜂窝的ID。

为了提高精度，SRNC还采用RTT(用于FDD中)或Rx时间偏差(用于TDD 中)测量方法。

当UE处于软切换状态时，它可能与附近的几个蜂窝都处在连接状态，通常由如下几种方法确定蜂窝ID：
（1）选择信号质量最好的蜂窝；
（2）选择UE和B节点连接使用的蜂窝；
（3）选择最近与UE有关的蜂窝；
（4）选择UE上一个使用的，而且还没有准备切换的蜂窝；
（5）选择到B节点距离最短的蜂窝；
（6）选择在收到SRNC请求时与UE处在连接状态的蜂窝。

对蜂窝的选择可以基于RTT的测量或者UE、B节点或LMU收到的信号的功率强度，其它如IPDL或SSDT功率控制也可能被用在蜂窝选择上。

在选定好了蜂窝的ID后，还需要将其转换成地理坐标或服务区。

简单的CELL ID实现方法可以不考虑精度，这样得到的定位误差就是一个蜂窝的大小。

这种实现的方法不需要对现有的网络作任何修改，尽管误差很大，却十分经济。

2．基于OTDOA的定位技术
OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)是一种应用于3G网络下的定位方式。

在GSM网络中也有类似的定位方法，称为E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)。

这种
定位方法的基本原理是：移动台测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival，到达时刻)，即所谓的导频相位测量。

根据该测量结果并结合基站的坐标，采用合适的位置估计算法，就能够计算出移动台的位置。

实际的位置估计算法需要考虑多基站(3个或3个以上)定位的情况，因此算法要复杂很多。

一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显。

使用这种方法，需要移动台所测量的基站同时发出下行导频信号。

因此，网络中的所有基站必须实现时间同步。

一般可通过在基站安装GPS接收机或连接到时间同步网来实现基站的同步。

自从N频点小区引进后，由于Dw-PTS、P-CCPCH只在主频点上发送，而各个相邻小区的主频点相互错开，因此相对于单频点小区（Dw-PTS、P-CCPCH在所有频点发送）来讲，不论是Dw-PTS还是P-CCPCH，信号都纯净了许多，便于UE检测。

再加上各个小区之间同步，OTDOA的定位方法：UE观测至少3个小区广播信道（P-CCPCH/Dw-PTS）的到达UE的时间差，将时间差反馈给网络。

网络采用双曲面/线算法来对UE进行定位。

如果我们默认为UE同各个基站在同一水平面上，就可以采用双曲线算法进行定位，不对UE的高度进行定位；如果UE的高度不能被默认为基站的高度，那么就要采取双曲面算法进行定位。

OTDOA的定位精度相比CELLID方法要高，但它的精度受到环境的影响，在郊区和农村可以将移动台定位在10～20米范围内；在城区由于高大建筑物较多，电波传播环境不好，信号很难直接从基站到达移动台，一般要经过折射或反射，下行导频信号的TOA也就出现了误差，因此定位精度会受到影响，定位范围为100～200米。

一般情况OTDOA定位响应时间在3～6s之间。

另外，OTDOA的方法存在局限：UE必须观察到最少3个基站信号，这个条件在基站密度稀疏的区域很难得到满足，同时当UE位于某个基站附近时，可能接收不到邻近基站的导频信号，这些对定位都有影响。

3．A-GPS
GPS辅助定位方式实现步骤如下：网络收到GPS辅助信息；网络将辅助信息发送到手机；手机得到GPS信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置信息发送到核心网。

该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：
（1）手机辅助GPS定位方式
这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。

该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。

网络向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。

这些参数有助于内置GPS模块减少GPS信号获得时间。

辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。

收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。

网络增加必要的修正后，可提高定位精度。

（2）手机自主GPS定位方式
这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有（1）方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。

运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。

如果某些应用需要更高的精度，则必须持续向手机发差分GPS（DGPS）信号。

DGPS 信号在非常宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。

最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。

以上介绍的是3GPP中规定的三种基本定位技术，它们可以在不同情况下使用，基于CELLID 的定位方法可以在定位精度要求较低时使用；OTDOA方法可以在定位精度要求较高并且终端和网络无GPS接收装置时使用；而网络辅助GPS定位方法则适宜定位精度要求高且终端和网络有GPS接收装置时使用。

另外，这几种方法可以同时混合使用，以弥补彼此的不足。

例如同时使用CELLID和OTDOA技术，就可以在农村和密集城区获得较好的定位效果。

网络同时使用多种定位技术在不同情况下为不同的应用和不同的用户提供定位服务。

三、TD-SCDMA系统特有的定位技术
作为TD-SCDMA系统，除了具备上述建议的三种定位技术，根据其自身的技术特点，还可采用其特有的定位方法：
方案1：AOA+TA技术
TD-SCDMA系统使用了智能天线，所以可以根据信号到达角定位AOA和时间提前量TA 方法来实现单基站的移动定位业务。

在终端侧测量到的时间提前量TA放在测量报告中上报给网络侧，而基站则使用智能天线根据信号到达角AOA来确定来波方向，基站自身也会去测量TA的偏差，从而将AOA和TA偏差信息也上报给RNC（RNC通过Iub接口协议NBAP 获知此AOA的值，TA偏差量通过Iub接口上报）。

在RNC侧的SMLC模块负责位置信息的计算和转换。

根据在OMC-R或LMT-R设置的基站经纬度和上述的测量值，RNC就可以确定用户终端的位置信息了。

消息流程：
单基站智能天线定位方法可以克服OTDOA基站密度稀疏的区域多基站很难得到满足的困难，但也存在问题：TD-SCDMA使用了智能天线，当用户处于直射波条件下：由于在市区环境下多径效应，虽然有直射波到达用户终端但其它的多径会影响这种技术定位的准确性，另外当用户处于非直射波并且处于距离基站较近的地方时，那么这种AOA+TA技术实现起来可能会有更大的困难，相比上一种情况定位精度则会有更大的偏差，如下图所示：
终端在侧量TA并计算距离的时候会认为距离S=a+b+c+d，并且基站在测量信号到达角度的时候会认为来波的方向为a，但实际的方向应该是e。

这种影响在终端与基站距离较远的时候不太明显，但是在市区内，终端与基站距离较近时定位则成问题。

方案2：CELL ID +TA+OTDOA技术
时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。

因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和基站之间的距离。

如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫（如紧急呼叫），从而使SMLC获得TA和Cell ID。

如果MS在占用模式，SMLC向RNC发送消息获取TA和Cell ID。

SMLC 将小区天线中心半径为TA的圆环（对全向天线）或者圆环的部分（对定向天线）范围内区域确定为MS所在区域。

但这种精度只能表示移动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。

在CELL ID+TA技术上引入OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）技术则可获得准确的用户位置信息。

在确定了用户到基站的距离后可以根据UE测量到的UTRA系统帧号间（SFN-SFN）时间的不同进行计算得到UE位置信息，计算实体(PCF)一般位于SRNC中，有时根据情况也可以位于UE侧。

在计算中，OTDOA的定位原理是，根据UE从两个不同基站发射机接收到的信号到达时间的不同，去除两个发射机下行信号实际发送时间的不同，可以确定UE在一个双曲面上(如下图中用双曲线表示)，再测量一对信号，确定一个双曲面，两个双曲面的交汇处就是UE所在的位置。

OTDOA定位方法有个缺点，就是当目标用户靠近某一发射机时，由于该发射机的信号强度要远远高于其它发射机的信号强度，目标用户将无法对其它发射机的信号进行测量，从而无法获取不同发射机间的信号到达时间差，这时OTDOA定位方法将失效。

解决这个问题的方法是采用IPDL(Idle Period DownLink)，就是让每个发射机在
各自的某一短暂时间内停止下行发射。

这样，目标用户就可以在这一短暂时间内对其它发射机进行测量，从而获取发射机间的信号到达时间差。

这种CELL ID+TA+OTDOA的定位方案需要增加服务位置移动中心(SMLC用于位置的计算和转换，此功能实体可设置在RNC。

方案3：基于多基站入射角度的定位算法AOA
AOA算法是在接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度，形成一根从接收机到发射机的方向线，即测位线，由2个基站得到的2个测位线的交点就是移动台的位置。

因此，AOA 算法只需要2个基站就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象，即定位的模糊性。

但为了测量电磁波的入射角度，接收机的天线需要改进，必须配备方向性强的天线阵列。

AOA定位技术一般利用由两个或更多基站通过测量接收信号的到达方向来估计MS的位置，如图5所示AOA定位方法可惟一确定一个二维定位点。

MS发，BS1收，测量可得一条BS1到MS连线；同理可测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。

采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度，但在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大。

另外，AOA技术要建立在智能天线的基础上才能实现。

接收器利用定向天线或者天线阵来测量接收器收到的目标发送器的信号的方向。

如果方向测量的精度为±s，则接收器处的AOA测量可以把发送器位置限定在大约角度为2 s的视线信号路径，两个这样的AOA测量将能锁定目标位置。

位置估计的精度依赖于发送器相对于接收器的位置。

如果发送器恰好处在两个接收器之间的直线上，则AOA测量将无法锁定目标位置。

因此通常采用多于两个的接收器来提供定位精度。

四、小结
移动定位服务市场正处在关键时刻，用于移动定位服务的移动连接已开始从2001年的200万增加到2006年的5亿6千万。

运营商、定位技术商和内容提供商必须为客户提供个性化的服务，而且要更加方便使用，以赢得最大的价值。

从上面的介绍，我们可以看出在不增加网络和终端要求的情况下，TD-SCDMA系统利用其自身的特有的参数和特点，提高定位精度，从而提高服务质量，为运营商的业务拓展提供了更广阔的选择空间。