GSM蜂窝基站定位原理浅析

位置效劳已经成为愈来愈热的一门技术，也将成为以后所有移动设备（智能电话、掌上电脑等）的标配。随着人们对BLS(Based Location Serices，基于位置的效劳)需求的飞速增加，无线定位技术也愈来愈取得重视。，以其定位速度快、本钱低（不需要移动终端上添加额外的硬件）、耗电少、室内可用等优势，作为一种轻量级的定位方式，也愈来愈经常使用。本文简单介绍一下各类基于GSM蜂窝基站的定位方式及大体原理，给开发人员作为参考。我将尽可能尝试用开发人员熟悉的方式来描述问题。

预备知识：GSM蜂窝网络基础结构

咱们明白，GSM网络的基础结构是由一系列的蜂窝基站组成的，这些蜂窝基站把整个通信区域划分成如下图的一个个蜂窝小区（固然事实上，一个基站往往不并非只是对应一个小区，可是那个与咱们讨论的主题关系不大，咱们不做深究）。这些小区小那么几十米，大那么几千米。如以下图所示，咱们用移动设备在GSM网络中通信，事实上确实是通过某一个蜂窝基站接入GSM网络，然后通过GSM网络进行数据（语音数据、文本数据、多媒体数据等）传输的。也确实是说咱们在GSM中通信时，老是需要和某一个蜂窝基站连接的，或说是处于某一个蜂窝小区中的。那么GSM定位，确实是借助这些蜂窝基站进行定位。

1.COO（Cell of Origin）定位

COO定位是一种单基站定位，即依照设备当前连接的蜂窝基站的位置来确信设备的位置。那么很显然，定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。在基站密集的城市中心地域，通常会采纳多层小区，小区划分的很小，这时定位精度能够达到50M之内；而在其他地域，可能基站散布相对分散，小区半径较大，可能达到几千米，也就意味着定位精度只能粗略到几千米。目前Google地图移动版中，通过蜂窝基站确信“我的位置”，大体上用的确实是这种方式。

从原理上咱们能够看出，COO定位其精度是不太确信的。可是这却是GSM网络中的移动设备最快捷、最方便的定位方式，因为GSM网络端和设备端都不需要任何的额外硬件投入。只要运营商支持，GSM

网络中的设备都能够以编程方式获取到当前基站的一个唯一代码，咱们能够称之为基站ID，或CellID。在一样的设备中，可能都存在一个类似如下的GetCurrentCellID()方式的接口来提供当前GSM蜂窝基站ID：

CellID = GetCurrentCellID();

通过那个接口获取到CellID后，咱们还需要依照那个CellID查出该蜂窝基站所在的具体地理坐标。这时，咱们可能就需要挪用一些包括[CellID，地理坐标]对应关系的外部数据以确信相应的地理坐标。那个外部数据，通常能够由一些第三方Web效劳来提供。这些Web

效劳的接口可能类似于如下形式：

Position=GetPosition(CellID);

固然，再次说明，上面的GetCurrentCellID方式、GetPosition方式都是我虚构的，只是为了说明逻辑关系，并非必然实际存在。关于COO方式在Windows Mobile环境下的具体编程方式，请参考《》。

2.七号信令定位

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进程，如漫游、切换和与电路相关的信令进程进行过滤和分析，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效劳。该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地域。故适用对定位精准度要求不高的业务，如漫游用户问候效劳，远程设计效劳、平安报信和货物跟踪等。目前，国内各省和地域移动公司的短信欢迎系统采纳的确实是此种技术。

7.TOA/TDOA定位

TOA(Time of Arrival，抵达时刻)、TDOA(Time Difference of Arrival,抵达时刻差)都是基于电波传播时刻的定位方式。同时也都是三基站定位方式，二者的定位都需要同时有三个位置已知的基站合作才能进行。

如上图所示,TOA/DTOA定位方式都是通过三对[Positioni,Ti]（i=1,2,3）来确信设备的位置Location。二者的不同只是GetLocation（）函数的具体算法上的不同。

TOA电波抵达时刻定位大体原理是取得Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c取得设备到基站i之间的距离Ri，然后依照几何只是成立方程组并求解，从而求得Location值。如以下图所示。

由于图中距离的计算完全依托于时刻，因此TOA算法对系统的时刻同步要求很高，任何很小的时刻误差都会被放大很多倍，同时由于多径效应的阻碍又会带来专门大的误差，因此单纯的TOA在实际中应用很少。

DTOA电波抵达时刻差定位是对TOA定位的改良，与TOA的不同的地方在于，取得Ti后不是当即用Ti去求距离Ri，而是先对T1,T2,T3两两求差，然后通过一些巧妙的数学算法成立方程组并求解，从而取得Location值。如以下图所示。

DTOA由于其中巧妙设计的求差进程会抵消其中专门大一部份的时刻误差和多径效应带来的误差，因此能够大大提高定位的精准度。

由于DTOA对网络要求相对较低，而且精度较高，因此目前已经成为研究的热点。

4.AOA定位

AOA(Angle of Arrival，抵达角度)定位是一种两基站定位方式，基于信号的入射角度进行定位。

如上图所示，明白了基站1到设备之间连线与基准方向的夹角α1，就能够够画出一条射线L1；一样明白了明白了基站2到设备之间连线与基准方向的夹角α2，就能够够画出一条射线L2。那么L1月L2的交点确实是设备的位置。这确实是AOA定位的大体数学原理。用函数挪用表达如下。

Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);

AOA定位通过两直线相交确信位置，不可能有多个交点，幸免了定位的模糊性。可是为了测量电磁波的入射角度，接收机必需配备方向性强的天线阵列。

5.基于场强的定位

该方式是通过测出接收到的信号场强和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估量收发信短的距离，依照多个三个距离值就能够够取得设备的位置。从数学模型上看，和TOA算法类似，只是获取距离的方式不同。场强算法尽管简单，可是由于多径效应的阻碍，定位精度较差。