浅析蜂窝定位技术及位置服务

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第 23 卷第 4 期 2003 年 8 月
北 电





V ol. 23, No. 4 A pr. , 2003
Journal Of Northeast China Insti tute Of Electric Power Engineering
文章编号 : 1005 - 2992( 2003) 04 - 0025 - 04
1源自文库
1. 1
定位技术
基于电波传播时间( TOA) 的定位 如果移动台 M S 和基站 BS 处于可视的范围内 , 则其间
的距离 d i 为 di = c t i 其中 c 为光速 , t 为无线电信号在 M S 和 BS i 之间的传 播时延。 当 M S 至少与三个 BS 的传播时延已知时, 就可计 算出 M S 的位置( 见图 1) 。 当移动台 M S 与 BS 间不处于直视 范围, 则对 M S 位置的估计会产生误差 , 即图中的圆弧不能 相交于一点。 如此可采用 MS 位置与 T OA 圆弧间的距离为均方误差最小的方法。 如果有多于 3 个的 T OA 测量结果 , 则精度可以提高。
2
2. 1
位置服务的关键问题
定位技术的选择 总体上, 蜂窝系统中的定位技术有多种, 根据定位参数测量和定位计算在何设备进行而分为基于终 如采用基于终端的定位技术( 如 A GPS) , 因定位功能位于终端或 SIM( 用户识别模块 ) 卡中 , 用户
端的定位技术、 基于网络的方式以及两者的混合方式。 由此涉及如何选择定位技术问题。 想要享受基于位置的业务需要更换手持终端或 SIM 卡。 据市场调查 , 全网内所有用户更换终端或 SIM 卡的周期大约为 4 年到 5 年。 如采用基于网络的定位技术( 如 T OA、 T DOA、 AOA) , 因定位功能位于网络端, 由网络本身采集移 动终端各种参数进行定位计算 , 则不需要移动用户更换手机或 SIM 卡或改动较小, 在全网内实现 100% 的业务覆盖的时间较短。 而采用混合定位技术, 即综合上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中。 如综合 AOA 和 T DOA, 因充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差 , 因此具有较高的准确度。 2. 2 地理位置信息库 ( GIS) 如何在 200 ~ 500 m 的范围内提供准确和有价值的信息是位置服务的关键问题。 这就要求有强大 的、 准确的和内容丰富的面向用户的城市 GIS 地理位置信息库做支持。 2. 3 漫游问题 位置服务的重要特征就是空间的变换, 只有变换了空间, 才会有强烈的查询陌生位置信息的要求。 因此查询位置信息主要面向的用户肯定是非本地区的用户。 解决漫游问题, 使用全网统一的标准 , 使漫 游用户使用这项业务就像打电话一样方便是推广位置服务的关键。 这就要求在全国范围内建立一套完 整的定位业务平台, 以提供及时的全国性的位置信息。 2. 4 其它问题 在蜂窝网络中, 非视距( NL OS) 传播、 多径效应和多址干扰等因素降低了定位精度 , 如何克服这些 因素的影响是无线定位研究的关键。 再者用户的隐私权也是用户非常关心的问题, 因此在开展定位服务 业务时应能确保用户在移动终端上通过设置 , 对自己的位置信息是否开放进行选择 , 而不应由 SP 或移 动公司的网络实现。
浅析蜂窝定位技术及位置服务


蕾1 , 于华楠2 , 姜元清1
( 1. 东北电力学院 信息系 , 吉林 吉林 132012; 2. 吉林大学 通信工程学院 , 吉林 长春 130012)
要 : 在 着 重分 析 了 T OA( T ime of Arr ival) 、 T DOA( T ime Difference of Arrival) 、 A OA( A ngle of
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位置服务业务
随着蜂窝移动电话定位技术的发展 , 为用户提供了更多、 更有益的业务 , 同时也为移动通信运营商
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东北电力学院学报
第 23 卷
开辟了广大的市场, 创造了无限的商机。 位置服务 , 已经成为一种新的移动增值业务。 其业务主要包括以 下几个方面: 3. 1 应急救援系统 用户在不知道自己位置的情况下, 只要其手机支持位置服务, 用户在拨打救援中心的电话 ( 如中国 的 110、 美国的 911 、 日本的 411 电话) 后 , 移动通信网络就会在将该紧急呼叫发送到救援中心的同时, 启 动支持位置服务的网元, 得到用户的具体位置 , 将该位置信息和用户的评阅信息一并传送给救援中心。 救援中心接到呼叫后 , 根据得到的位置信息 , 就能快速、 高效地开展救援行动, 大大提高了救援的成功 率。 3. 2 移动终端防盗打管理 移动电话的盗打 , 即盗取合法移动电话的特殊识别号码复制移动电话可以享有与合法移动电话同
收稿日期 : 2003 06 05 作者简介 : 李 蕾 ( 1970 - ) , 女 , 东北电力学院信息工程系讲师 .
26 1. 2 基于电波到达时差( TDOA) 法
东北电力学院学报
第 23 卷
本方法是基于收到不同基站 BS 的信号的时差。 如果 M S 收到相邻 BS1 和 BS2 的信号的时间差为 ( 见图 2) 。 ( d 1 - d 2) = c t 其中 d 1 为 M S 到 BS1 的距离, d 2 为 M S 到 BS2 的距离, c 为 光速 , 采用三个不同的基站可以测到两个 T DOA( 到达时差) , 移 动站位于两个 T DOA 决定的双曲线的交点上。 与 T OA 法相似, T DOA 法的定位方法可以采用移动站 MS 到双曲线距离均方误 差最小的算法, 条件是有两个以上的 T DOA 值可以用来计算。 T DOA 法与 T OA 法比较优点之一是 : 当计算 T DOA 值时 , 计算误差对所有的基站是相同的且其和 为零 , 这些误差包括公共的多径时延和同步误差。 1. 3 到达角度( AOA) 法 该方法是假定基站可以测量出移动台发射信号到达基
随着移动通信技术的发展 , 无线蜂窝网的覆盖面越来越广 , 移动电话普及率也越来越高, 移动电话 发起的紧急呼叫数量在全部紧急呼叫中所占的比例也随之上升。 而现有的蜂窝网能为移动用户提供的 辅助决策信息非常少 , 调查表明, 约有 25% 的移动用户在发起紧急呼叫时不知道自己所处的确切位置, 这对及时合理地处警带来很多限制。 因此, 美国联邦通信委员会规定到 2001 年 10 月 1 日以前 , 各种无线 蜂窝网络必须能对拨打 911 报警的移动电话提供精度在 125 m 内的定位服务, 而且满足此定位精度的概 率应不低于 67% ; 并在 2001 年以后 , 提供更高的定位精度及三维位置信息。 位置服务正是在这一发展机 遇下 , 作为移动通信网提供的一种增值业务而兴起的。 它通过一定的技术, 得到用户的位置信息, 提供给 该用户本人或通信系统, 或者提供给其它请求得到该用户位置的机构或个人。 目前, 它在紧急救援、 汽车 导航、 智能交通、 蜂窝系统优化设计等方面发挥着重要作用。
最为传统的定位技术。 GPS 系统由三大部分组成: GPS 卫星、 地面监控系统、 GP S 接收机。 GPS 卫星发给 用户有关卫星本身座标位置的数据 , GP S 接收机便可根据三颗卫星发给的数据计算出自己的位置数据, 对于移动车辆, 则需要第四颗卫星的数据 , 以配合计算出移动车辆的移动速度与运动方向。 尽管 GPS 定 位精度较高 , 在天空晴朗时 , 可以获得 5 ~ 40 m 的精度。 但直接在移动终端或手机上安装 GPS 接收机芯 片不太适宜, 因为: ( 1) 缩小 GPS 天线安装到移动终端或手机中是困难的; ( 2) 首次定位需要很长时间 , 需要 30 s 到几分钟, 这对类似 E 911 的紧急业务是不允许的; ( 3) GPS 的信号较弱 , 抗遮蔽性不好 ; ( 4) GPS 接收机为了接收到适当的信号, 功率消耗较大。 利用 A GPS 技术 , 可以很好地解决这些问题。 其基本原理是建立一 GP S 参考网络, 参考网络中的接 收机可以连续很好地接收 GPS 卫星信号, 实时监视各种卫星信息。 该参考网络和蜂窝移动通信系统相 连, 在定位时将监测到的各种卫星信息传送给终端 GPS 接收机 , 以加快首次定位时间、 减少搜索时间、 提高接收灵敏度等。 由于它在精度和响应时间方面都占有优势, 因此应用很广泛。 它除了要对 M S 改进 外, 无需对现有的蜂窝网做任何改动 , 只需在 M S 与特定的应用中心之间建立数据链路 , 就可以进行 GPS 定位信息与控制信息的传送, 实现各种应用功能。
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蕾 , 等 : 浅析蜂窝定位技术及位置服务
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1. 5 COO( Cell of Origin) 定位 该技术是根据移动台所处的小区 ID 号来确定用户的位置。 移动台所处的小区 ID 号是网络中已有 的信息, 移动台在当前小区注册后 , 在系统的数据库存中就会将该移动台与该小区 ID 号对应起来。 可见 COO 定位无须网络和移动台做任何调整 , 可以为现有的无线用户提供粗定位, 定位精度取决小区半径。 在城市商业区, 由于常采用多层小区结构, 定位精度可以达到 50 m 甚至更小, 故 COO 定位基本能够满 足要求。 美国 E 911 无线定位呼叫的第一阶段采用的就是 COO 定位技术。 1. 6 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过程 , 如漫游、 切换以及与电路相关的 信令过程进行过滤和分析 , 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服务。 该项技术 通过对信令进行实时监测 , 可定位到一个小区 , 也可定位到地区。 故适用对定位精确度要求不高的业务, 如漫游用户问候服务 , 远程设计服务、 平安报信和货物跟踪等。 目前, 国内各省和地区移动公司的短信欢 迎系统采用的就是此种技术。
图2 据 TD OA 定位估计 M S 位置
t , 如果
这时 M S 与 BS 处于可视范围内 , 则 MS 的位置在一条双曲线上
站的角度。 如果移动台和基站处于视距范围, 则 AOA 方法可 以采用 , 这时移动台位于两个到达射线的交点 ( 见图 3) 。 实 际上, 与 T OA 法和 T DOA 法相似, 采用 AOA 方法也会产生 误差, AOA 的误差范围决定了移动用户定位误差的大小。 由 于多径传播可使测量产生很大误差 , 在市区采用 AOA 法定 位, 误差尤为严重 , 这种定位方法要求基站配备能够测量到 达角大小的天线。 另外, 还可采用到达角与到达时间相结合的定位法 , 即基站可以同时测量到用户的 AOA 和 T OA, 则 AOA 的角度数值所指的直线与到达时间确定的圆周, 两者交点的位置就可用来确定用户的位置。 此 法的主要优点是基站与移动用户间只进行一次测量。 缺点与 AOA 法相同。 1. 4 网络辅助 GPS( A GPS) 全球卫星定位系统 GPS 是美国于上世纪 70 年代出于军事目的开发的卫星导航定位系统 , 也是目前
Arr ival) 及 A GPS( Assistant Global Positioning System) 定位 技术 的同 时对 其它 几种 蜂窝 定位 技术 的特 点 , 并进行了讨论 , 进一步阐述了基于蜂窝定位技术的位 置服务及实现的关键问题。 关 键 词 : 定位技术 ; 定位精度 ; 位置服务 文献标识码 : A 中图分类号 : T P 929. 53
样的使用权利。 据估计, 世界电信运营部门每年由于移动电话盗打造成的收入流失和防止移动电话盗打 所付出的开支高达数十亿美元。 采用移动电话定位技术可以有效的监测和制止盗打。 电信运营部门在发 现盗打号码后, 可以不必禁止移动电话使用, 而利用无线网络自己记录盗打的准确时间和地点。 为司法 机关破案提供有力的证据。 3. 3 信息查询业务 用户可以利用互联网的黄页查询功能查询自己所在区域范围内的相关信息。 包括附近有哪些饭店、 商场、 天气情况、 附近各公司的电话号码、 所在位置等等。 移动网络首先定位出用户所处的位置 , 然后再 在互联网提供的信息中节选出用户所在地的相关信息供用户查询。 这种移动互联网技术与位置服务相 结合的应用, 大大充实了移动互联网的业务内涵, 让人们更真实地感受到移动互联网带来的全新生活。 3. 4 车辆导航和智能交通系统 移动通信网提供的位置服务能满足山区和城市商业区的车辆导航和跟踪 , 只要为每一辆或每一列 需要导航的汽车或列车安装一个移动车载台 , 并提供较好的基站覆盖。 结合电子地图技术, 将很容易实 现车辆自动定位、 调度和管理、 监测交通事故和疏导交通等功能。 3. 5 其它业务 大宗货物的存放和管理、 网络系统的优化设计、 地图业务、 远程通讯处理、 基于位置的灵活计费等等 业务也是位置服务包括的内容。
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