移動定位：3G時起飛
張峻峰 2005/01/14
盡管已經(jīng)有移動運營商推出了基于2.5G網(wǎng)絡平臺的移動定位服務，但是，目前的服務種類尚嫌單一，范圍仍不普及。3G WCDMA將成為移動定位服務更大規(guī)模開展的更理想平臺。
移動定位與位置服務是移動通信領域相當具有吸引力的數(shù)據(jù)業(yè)務，也是最被業(yè)界看好的3G增值業(yè)務之一，對于豐富無線數(shù)據(jù)業(yè)務市場和增加運營商的運營收入來說十分重要。3G
WCDMA系統(tǒng)融合了話音、多媒體等多種業(yè)務，其中的定位服務功能相當強大，可通過多種定位技術，提供不同等級、不同精度的定位服務，充分滿足各方面的需求。人們相信，移動定位服務將伴隨3G的上馬真正起飛。
移動定位技術的三條路線
WCDMA系統(tǒng)對移動臺的定位主要包括兩個步驟：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終端(UE)、Node B和定位測量單元(LMU)中進行，所測量的信號為通用陸地無線接入(UTRA)
無線發(fā)射信號，也可能包括其他的通用無線導航信號，定位功能不局限于一種定位方法或單個信息的測量，這樣可以提高定位精度；定位估計計算可以在用戶終端(UE)或通用移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)（如業(yè)務無線網(wǎng)絡控制器）中進行。
WCDMA系統(tǒng)移動定位技術主要有三種: 基于小區(qū)標識定位法、OTDOA-IPDL定位法、網(wǎng)絡輔助GPS定位法。此外，UE也可以脫離網(wǎng)絡支持，直接由機載GPS進行定位。
無線通信設備定位策略應根據(jù)用戶的實際定位精度需求選擇相應的定位方式，基于小區(qū)標識定位法和網(wǎng)絡輔助的GPS定位方法是比較可行的方法。OTDOA-IPDL定位法目前要進一步解決的問題是如何優(yōu)化定位技術的關鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無線因素的影響以提高定位的精度。目前第3代移動通信標準組織正在不斷完善OTDOA-IPDL定位技術。
1. 基于小區(qū)標識定位法
在基于小區(qū)標識(或稱小區(qū)覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據(jù)Node B的小區(qū)標識估計。服務節(jié)點和小區(qū)信息通過尋呼、位置更新、小區(qū)更新、用戶注冊區(qū)(URA)或路由區(qū)域更新獲得，然后將小區(qū)標識映射為具體的地理位置。當?shù)乩碜鴺擞米龆ㄎ恍畔r，UE的估計位置可以是業(yè)務小區(qū)內確定的地理位置(如服務Node
B的位置)、業(yè)務小區(qū)覆蓋區(qū)的地理中心或小區(qū)覆蓋區(qū)內其他固定位置。定位信息必須包括服務質量(QoS)估計。
為了提高基于小區(qū)標識(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過測量往返時間(RTT)來進一步提高定位精度。
2. OTDOA-IPDL定位法
觀察到達時間差(OTDOA)是通過測量電波從發(fā)射機傳播到多個接收機的傳播時間差來確定目標移動臺的位置。初步測量通過UE接收的下行鏈路公共導頻信道的到達時間差實現(xiàn)。3個基站形成的平面上，一點到兩個固定點的距離差如為定值時，該點必定在一條雙曲線上，兩條這樣的雙曲線的交點便可得到移動臺的位置，如圖1
所示。通過測量得到的移動臺到多個基站距離的延時差后，移動臺的位置便可以由兩條雙曲線的交點得到。
延時估計的算法可使用最大似然估計、自相關估計和周期相關估計等方法得到。不同位置估計的精度取決于時間測量的精度和基站的相對位置(基站位置的幾何關系會影響位置估計的精度，當基站等距離環(huán)繞UE時結果最佳)，同時還受到多徑傳播的影響。
CDMA無線系統(tǒng)的一個基本問題就是當終端距離服務基站很近時，接收其他同頻基站信號能力差。為了實現(xiàn)定位計算，UE必須接收到至少3個基站的信號。解決可聽性問題的方法是基站指定下行空閑周期(IPDL)，使每個基站在某一個很短的時間內停止發(fā)射。在空閑周期期間，小區(qū)內的終端可以測量其他基站的導頻信號，從而提高服務基站內UE測量其他同頻基站信號的能力。IPDL時間長度是可變的，但不能超過公共導頻信道(CPICH)的一個時隙，通常在5～10個CPICH符號之間。
定義IPDL周期有兩種類型：
一、連續(xù)模式：每一下行幀有一個空閑周期。
小貼士：什么是移動定位？
隨著信息技術的發(fā)展，人們希望隨時隨地獲取所在位置信息和相關服務的愿望越來越強烈，移動定位技術就是這樣一項應運而生的新興技術。
移動定位是通過移動終端和移動網(wǎng)絡的配合，確定移動用戶的地理位置，從而提供用戶需要的與位置相關的服務或信息。從業(yè)務角度出發(fā)，定位業(yè)務就是一種特殊的移動數(shù)據(jù)業(yè)務。
二、突發(fā)模式：在每一個IP間隔幀有一個空閑周期(IP間隔與業(yè)務負載和容量有關，如果IP間隔幀為10幀，那么每100 ms就有一個IPDL)。
突發(fā)模式的定時關系如圖2所示。
圖2 下行空閑周期突發(fā)模式定時關系
IPDL發(fā)生的時刻由突發(fā)幀的位置和對應幀中的時隙位置決定。
從突發(fā)幀系統(tǒng)幀號和時隙位置的關系可知：突發(fā)模式時隙位置是0～14之間的一個隨機數(shù)。IPDL方法的引入是對OTDOA方法的改進，解決了檢測多個基站信號的問題。
3. 網(wǎng)絡輔助GPS定位法
為了推動GSM、WCDMA系統(tǒng)間的“無縫”定位業(yè)務，3GPP定位標準支持基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的網(wǎng)絡輔助定位方法。網(wǎng)絡輔助GPS方法依靠UE
GPS接收處理部分和網(wǎng)絡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)絡輔助的GPS定位法根據(jù)定位計算的位置不同，可以分為基于UE和UE輔助兩種定位類型�；赨E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處理單元功能簡化，以減小UE的復雜度，主要功能是進行碼相位測量，然后通過高層信令發(fā)送至網(wǎng)絡側定位單元處理模塊以進行UE的位置估計。
GPS定義方法依賴復雜度降低的UE GPS接收機和網(wǎng)絡GPS參考接收機間的連續(xù)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的啟動和接收次數(shù)，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接收機來測量偽隨機相位等信息，并通過定時校正過程降低由衛(wèi)星時鐘、定位模型、電離層時延、對流層時延和可選擇的有效性等帶來的定位誤差。網(wǎng)絡輔助GPS關鍵流程如圖3所示。
下面以UE輔助定位方法為例說明定位步驟：
(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請求，SRNC根據(jù)UE和網(wǎng)絡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位置定位實體的接口。
(2)系統(tǒng)進行定位測量單元(LMU)更新、往返時間(RTT)測量，然后根據(jù)UE能力，SRNC發(fā)送特定的GPS輔助定位信息至UE，包括GPS參考時間、衛(wèi)星ID、多普勒頻移、搜索窗以及窗口中心、星歷表和時鐘校準等信息。
(3)SRNC發(fā)送測量請求給UE，要求測量GPS衛(wèi)星碼相位和相關的其他信息，如SFN-SFN觀測時間差和接收-發(fā)射時間差，UE執(zhí)行測量過程并將測量結果發(fā)送回網(wǎng)絡側。
(4)根據(jù)獲得信息，SRNC進行UE位置計算，如果獲取的位置信息不足以進行UE位置定位，則重復進行步驟2。
(5)SRNC發(fā)送位置估計結果給核心網(wǎng)。
需要說明的是，對于具體的定位流程，不同的實際系統(tǒng)會有一定的變化。
3G時代的移動定位
從目前可能的應用來看，移動定位服務主要包括以下幾類：
- 救援服務：緊急醫(yī)療、緊急報警服務等；
- 基于位置的信息服務：黃頁、交通信息、天氣信息、導航信息、導游服務等；
- 基于位置觸發(fā)的服務：基于位置的管理信息和計費等；
- 跟蹤及資產(chǎn)管理服務：車輛調度/跟蹤/監(jiān)控/防盜、物資跟蹤、老人兒童監(jiān)護服務等。
1. 救援服務
救援服務是移動定位服務最早衍生的服務項目，如美國的E-911系統(tǒng)，可以在用戶需要緊急求救的時候獲得精確的定位信息，以便政府公務人員施以及時援救。
2. 基于位置的信息服務
基于位置的信息業(yè)務允許用戶根據(jù)其當前所處的位置進行內容裁剪的信息服務,包括:自定位服務(“我在哪兒?”)、本地黃頁、導游服務、酒店查找服務(查找合適的旅館、餐館)
、路邊救援服務、交通信息服務(如駕車時實時指引前進方向)�；谖恢玫男畔I(yè)務承載方式主要有三種:短消息、話音、補充業(yè)務。
3. 基于位置觸發(fā)的業(yè)務
基于位置觸發(fā)的業(yè)務最典型的應用如計費業(yè)務，允許用戶的費率和用戶當前所在的位置有關, 這些位置是用戶日常生活、工作所在的區(qū)域, 只要用戶簽約了這些區(qū)域,
在這些區(qū)域中就可以得到優(yōu)惠的費率。該業(yè)務可以向單個用戶開放, 也可以向商務集團用戶開放。
4. 跟蹤及資產(chǎn)管理服務
跟蹤及資產(chǎn)管理服務允許管理者跟蹤某個成員的位置和狀態(tài)。成員可以通過操作碼主動向管理者通報位置信息。管理者可通過業(yè)務操作增加和刪除成員。典型的應用包括:
出租車公司跟蹤車輛的位置、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)管理服務承載方式有如下幾種: 短消息、話音查詢、網(wǎng)站查詢、電子地圖顯示。短消息承載方式是管理者發(fā)起短消息來查詢手機的當前狀態(tài)；話音查詢承載方式是用接入碼將呼叫接續(xù)到交互式語音響應系統(tǒng)或將呼叫接續(xù)到話務員,
查得用戶位置信息后語音通知管理者；網(wǎng)站查詢承載方式是業(yè)務由網(wǎng)站運營, 需要制訂網(wǎng)站到定位服務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器查詢位置信息之后,
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：
潛力巨大的移動定位市場
全球各大移動運營商目前紛紛在其2G或2.5G的網(wǎng)絡中開展相應的移動定位業(yè)務，并積極籌備在3G網(wǎng)絡中提供這項極具潛力的增值業(yè)務，基于用戶位置的移動定位業(yè)務已經(jīng)得到了世人的廣泛矚目。據(jù)美國權威機構預測，2004年美國移動定位業(yè)務市場的產(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年歐洲移動定位業(yè)務市場將達到43.8億歐元。
根據(jù)日本第一大移動運營商NTT DoCoMo公司移動增值業(yè)務的實際發(fā)展曲線來看，3G時代整個移動數(shù)據(jù)業(yè)務收入的5%將來自定位業(yè)務。我國的兩大移動運營商也在部署各自的移動定位業(yè)務，據(jù)相關人士預計，未來幾年我國的移動定位業(yè)務市場規(guī)模將會很快達到10億元以上，而且還會持續(xù)加速增長。
總體來看，移動定位業(yè)務目前在全球正處于市場培育階段。日本的NTT DoCoMo、韓國SK電訊和英國的和黃3G公司都基于已開通的3G網(wǎng)絡提供定位業(yè)務，為用戶提供詳細、實時更新的數(shù)字地圖來顯示用戶的具體位置，并通過電子地圖引導用戶尋找酒店、餐廳、商店和其他一些用戶感興趣的商業(yè)設施。
3G網(wǎng)絡的最大特點是可以提供高速的無線數(shù)據(jù)下載，這為移動定位業(yè)務提供了更加廣泛的發(fā)揮空間。雖然在2G或2.5G的網(wǎng)絡里也可以采用定位精度較高的定位技術，但是由于受到網(wǎng)絡傳輸速度的限制，定位業(yè)務在提供方式上也會受到局限。有了3G網(wǎng)絡的支持，向用戶提供導航信息時就可以采用實時的語音信息與彩色電子地圖相結合的方式來實現(xiàn)。高精度的定位技術與多媒體的用戶界面相結合，可以吸引更多的用戶使用定位業(yè)務。
鏈接二：
SK電訊的i-Kids兒童安全服務
隨著手機用戶的增長和移動通信服務的普及，移動通信市場的競爭日益激烈，針對用戶日常需求、發(fā)掘創(chuàng)新應用的差異化競爭，已成為全球各大移動運營商的制勝法寶。韓國最大的移動運營商SK電訊日前在全球率先推出了保障兒童安全的網(wǎng)絡定位服務——i-Kids。
作為SK電訊最新升級的新一代定位服務的豐富應用之一，i-Kids利用GPS定位技術和SK電訊的移動通信網(wǎng)絡來確認孩子當前的位置和活動路徑，一旦孩子的活動范圍超出預先設置的范圍時，手機就會自動發(fā)出報警短信。同時，i-Kids還提供放心區(qū)域位置自動通報、活動路徑追蹤、位置自動顯示等便于家長了解兒童安全狀況的服務。
配合這一服務推出的還有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，有兩個耳朵一樣的天線，內核是全球定位系統(tǒng)（GPS），可以讓家長們全天候掌控孩子的行蹤。即便是關機時，兒童手機也能夠隨時向父母們報告孩子的行蹤。當遇到緊急情況時，孩子只要按動手機上的緊急鍵，就可以同4位預設的聯(lián)絡人取得聯(lián)系，免去了孩子在危急時容易忘記親人電話號碼的困擾。為了降低成本，該手機取消了短信和手機上網(wǎng)兩項功能。
過去的地理位置表示方式只能提供以行政區(qū)域為單位的模糊地理位置信息，SK電訊的新一代定位服務系統(tǒng)經(jīng)過升級之后，通過在地鐵沿線和主要建筑附近增設設備，不僅可以表示地鐵周邊區(qū)域的詳細地理位置，還可以提供地區(qū)的代表性建筑物等主要地理信息，進一步提高用戶使用服務的方便性。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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