基于GSM網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與研究

1、成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專 業(yè) 無(wú)線電技術(shù) 班 次 11612 姓 名 劉敦峰 指導(dǎo)老師 唐挺 成都工業(yè)學(xué)院二0一四年基于GSM網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與研究摘要：自20世紀(jì)90年代以來(lái),電子信息技術(shù)越來(lái)越多地滲入人類生活的各個(gè)方面, 尤其是隨著GSM蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)在中國(guó)特別是東南沿海地區(qū)的迅速普及,這為一些基于GSM網(wǎng)絡(luò)的功能開(kāi)發(fā)提供了很大的發(fā)展空間。同時(shí)GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的民用化進(jìn)程日益加快,特別是2001年5月1日,國(guó)外宣布從午夜開(kāi)始停止SA(SEL ECTIVE AVAILABIL ITY)政策,即停止人為降低全球定位系統(tǒng)信號(hào)有效性的技術(shù)政策,民用定位精度

2、可比以前提高10倍以上,這為GPS的廣泛應(yīng)用開(kāi)拓了更廣闊的前景。如何將這兩種看似不相關(guān)的成熟技術(shù)結(jié)合起來(lái),以解決GPS在應(yīng)用中手持機(jī)中的定位數(shù)據(jù)只能留在自己手中,通過(guò)利用現(xiàn)代非常先進(jìn)的GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,讓定位信息既能在手持和系統(tǒng)中主動(dòng)顯示或傳輸,又能被有權(quán)訪問(wèn)者隨時(shí)隨地訪問(wèn),以達(dá)到移動(dòng)目標(biāo)的定位信息無(wú)論遠(yuǎn)近都可看、可訪、可存、可查的目的,這將在很大程度上擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域。本文主要針對(duì)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的理論分析,設(shè)計(jì)出實(shí)用可行的系統(tǒng)方案,建立了具體實(shí)施模型,描述了實(shí)現(xiàn)流程。關(guān)鍵詞 GSM網(wǎng)絡(luò)；定位技術(shù) II目 錄第1章 緒論1第2章 GSM通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介32.1 GSM通信系統(tǒng)

3、的發(fā)展史32.2 GSM的系統(tǒng)功能52.3 GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成5第3章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)簡(jiǎn)介83.1 定位基本概念83.2 定位性能指標(biāo)83.3 定位技術(shù)分類93.3.1 三角/雙曲線關(guān)系93.3.2 基于距離測(cè)量的定位技術(shù)93.3.3 基于角度測(cè)量的定位技術(shù)103.3.4 基于場(chǎng)景（信號(hào)指紋）分析的定位技術(shù)103.3.5 基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)103.4 定位策略113.5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)113.5.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)113.5.2 Cell ID定位技術(shù)143.5.3 UTOA/UTDOA定位技術(shù)153.5.4 E-OTD定位技術(shù)153.5.5 智能天線AOA定位技術(shù)163.5.6 T

4、OA/TDOA定位技術(shù)163.5.7 AFLT定位技術(shù)163.5.8 WA-GPS定位技術(shù)173.6 主流定位技術(shù)小結(jié)173.7 結(jié)合無(wú)線傳播模型的融合定位17第4章 GSM網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)194.1 GSM移動(dòng)定位技術(shù)194.2 系統(tǒng)原理和方案214.2.1 基于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定位技術(shù)214.2.2 系統(tǒng)方案224.2.3 算法總體框架244.2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理254.2.5 計(jì)算候選點(diǎn)與約束點(diǎn)26結(jié) 語(yǔ)30參考文獻(xiàn)31II第1章 緒論1.1 研究背景 目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋了絕大多數(shù)地區(qū)，手機(jī)用戶已經(jīng)超過(guò)3億，很多情況下，緊急救助是通過(guò)手機(jī)發(fā)出的。由于普通的手機(jī)還沒(méi)有定位功能，如果求助方本身不能說(shuō)

5、出其所在的具體位置，將會(huì)耽誤救援工作。方便快捷地向移動(dòng)目標(biāo)提供與目標(biāo)所處位置相關(guān)的信息，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，城市交通、公安指揮、物流網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，其綜合性和復(fù)雜程度也越來(lái)越高，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行高效、快捷、方便的調(diào)度，是達(dá)到高效經(jīng)營(yíng)和有效管理的必需手段。定位系統(tǒng)的綜合指標(biāo)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功能、系統(tǒng)投入成本以及運(yùn)行費(fèi)用這三個(gè)方面。GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)是：系統(tǒng)功能強(qiáng)大，定位精度高，但由于系統(tǒng)的投入大，故其應(yīng)用難以大面積推廣。如果將GPS功能集成到移動(dòng)平臺(tái)上，則需全面更改設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，增加成本；且用戶同時(shí)持有移動(dòng)電話和GPS手機(jī)很不方便。所以直接通過(guò)移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位，具有很大的

6、開(kāi)發(fā)價(jià)值，移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，也為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和系統(tǒng)成本之間的平衡提供了很好的技術(shù)支持。 為了滿足對(duì)通信通信個(gè)人化及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迫切需要，第三代移動(dòng)通信通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)（IMT-2000）制定和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已成為全世界通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的無(wú)線定位則是IMT-2000中一個(gè)重要研究課題。 根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的計(jì)劃，到2001年10月，所有蜂窩電話、個(gè)人通信系統(tǒng)、專用移動(dòng)無(wú)線電的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)許可運(yùn)營(yíng)商將以可定位概率67%，誤差為125m的精度要求為請(qǐng)求E-911的移動(dòng)用戶提供位置信息1。 利用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步提高定位精度。目前蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù)就算法來(lái)說(shuō)已經(jīng)較為完善，目前

7、的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面： （1）基于3GPP協(xié)議的定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)全面鋪開(kāi)后，基于3GPP協(xié)議，采用何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位既能保證定位精度，又能盡可能少的改動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究成為熱點(diǎn)。 （2）定位參數(shù)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(shù)提取比較困難。 目前已提出的多種算法對(duì)以上3種誤差進(jìn)行抑制，但在建筑物較多的繁華市區(qū)定位精度仍不理想。 （3）對(duì)移動(dòng)臺(tái)跟蹤服務(wù)研究。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分次單獨(dú)定位容易出現(xiàn)各次定位計(jì)算結(jié)構(gòu)相差較大，運(yùn)動(dòng)軌跡不連續(xù)。因此對(duì)移動(dòng)臺(tái)跟蹤定位的研究顯得非常迫切。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無(wú)線定位技術(shù)的研究

8、始于20世紀(jì)60年代的自動(dòng)車輛定位系統(tǒng)，隨后該技術(shù)在公共交通、出租車調(diào)度以及公安追蹤等范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。后來(lái)，隨著人們對(duì)基于位置的信息服務(wù)的需求增多，無(wú)線定位技術(shù)得到更多研究者的關(guān)注，近年來(lái)，隨著蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的普及，定位技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)、切換、服務(wù)區(qū)確定、交通監(jiān)控等方面。當(dāng)前的蜂窩無(wú)線定位系統(tǒng)中，為了避免對(duì)移動(dòng)終端增加額外開(kāi)銷，多采用的是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，由多個(gè)基站同時(shí)接收檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)，根據(jù)測(cè)量到的參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位估計(jì)。國(guó)外對(duì)于無(wú)線定位在移動(dòng)通信中的應(yīng)用也有所要求，例如，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）強(qiáng)制要求所有無(wú)線業(yè)務(wù)提供商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共安全

9、服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號(hào)碼，以便對(duì)用戶實(shí)施緊急救援工作。全球三大通信廠商:愛(ài)立信、摩托羅拉和諾基亞于2000年10月成立了“位置信息互操作論壇LIF（Location Interoperability Forum）”，其目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和終端上提供基于位置的服務(wù)LBS(Location Based Service)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ETSI對(duì)GSM系統(tǒng)的無(wú)線定位也提出了一系列標(biāo)準(zhǔn)。GPS已經(jīng)成為室內(nèi)環(huán)境中一項(xiàng)非常成功的定位技術(shù)，而現(xiàn)今GPS與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái)形成的LBS熱，使得移動(dòng)定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)作為最具有潛力的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)而迅速發(fā)展。無(wú)線定位系統(tǒng)的功能性體系結(jié)構(gòu)必須具備兩

10、個(gè)功能單元： 1)移動(dòng)臺(tái)(MS、也稱定位節(jié)點(diǎn))的位置估計(jì)。 2)和網(wǎng)絡(luò)共享某些屬性的此位置估計(jì)信息。定位系統(tǒng)測(cè)量來(lái)自移動(dòng)終端的無(wú)線電波的有關(guān)參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)測(cè)量某些固定接收器或者某些固定發(fā)送器發(fā)送到移動(dòng)接收器的無(wú)線電波參數(shù)。因此有兩種辦法可以獲得對(duì)MS的實(shí)際位置信息的估計(jì)：自我定位系統(tǒng)，即常被稱為基于移動(dòng)終端為中心的定位系統(tǒng)，MS通過(guò)測(cè)量自己相對(duì)某個(gè)已知位置發(fā)送器的距離或者方向來(lái)確定自己的位置(例如GPS接收器)。遠(yuǎn)距離定位系統(tǒng)，即常被叫做基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，它采用很多地理定位基站(GBS)一起來(lái)確定MS位置，可以通過(guò)分析接收信號(hào)的強(qiáng)度、信號(hào)相位以及到達(dá)時(shí)間等屬性來(lái)確定MS的距離，至于MS的方向

11、則可以通過(guò)接收信號(hào)的到達(dá)角來(lái)獲得，最終系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)接收器測(cè)量到的移動(dòng)終端的距離或者方向來(lái)聯(lián)合計(jì)算移動(dòng)終端的位置。1.3 研究目標(biāo)與內(nèi)容 研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。 研究?jī)?nèi)容包括GSM網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)簡(jiǎn)介，以及基于GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)的原理和方法。第2章 GSM通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 GSM通信系統(tǒng)的發(fā)展史從20世紀(jì)20年代開(kāi)始移動(dòng)通信技術(shù)得到了發(fā)展，20世紀(jì)40年代進(jìn)入了建設(shè)公用移動(dòng)通信系統(tǒng)的階段。隨著移動(dòng)通信的無(wú)線傳輸、信道管理及移動(dòng)交換等技術(shù)的發(fā)展成熟，無(wú)繩電話、無(wú)線尋呼、陸地蜂窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信等移動(dòng)通信系統(tǒng)相繼發(fā)展起來(lái)。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，

12、蜂窩移動(dòng)通信從第一代的模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展成第二代的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。作為歐洲一個(gè)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的GSM系統(tǒng)于1991年正式在歐洲面世，由于其公開(kāi)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和諸多優(yōu)點(diǎn)，很快就在全世界范圍內(nèi)的到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了世界范圍內(nèi)移動(dòng)用戶的聯(lián)網(wǎng)漫游。截止2001年一季度我國(guó)移動(dòng)用戶總數(shù)已達(dá)到1億戶（移動(dòng)通信發(fā)展史如圖2-1所示）。GSM全名為Global System for Mobile Communications，俗稱"全球通"，是一種起源于歐洲的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，其開(kāi)發(fā)目的是讓全球各地可以共同使用一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 。GSM系列主要有G

13、SM900、DCS1800和PCS1900三部分，三者之間的主要區(qū)別是工作頻段的差異。蜂窩移動(dòng)通信的出現(xiàn)可以說(shuō)是移動(dòng)通信的一次革命。其頻率復(fù)用大大提高了頻率利用率并增大系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡(luò)的智能化實(shí)現(xiàn)了越區(qū)轉(zhuǎn)接和漫游功能，擴(kuò)大了客戶的服務(wù)范圍，但上述模擬系統(tǒng)有四大缺點(diǎn)：各系統(tǒng)間沒(méi)有公共接口；很難開(kāi)展數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)；頻譜利用率低無(wú)法適應(yīng)大容量的需求；安全保密性差，易被竊聽(tīng)，易做“假機(jī)”。尤其是在歐洲系統(tǒng)間沒(méi)有公共接口，相互之間不能漫游，對(duì)客戶造成很大的不便。 GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)，例如北歐多國(guó)的NMT(北歐移動(dòng)電話)和英國(guó)的TACS(全接入通

14、信系統(tǒng))，西歐其它各國(guó)也提供移動(dòng)業(yè)務(wù)。當(dāng)時(shí)這些系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國(guó)外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動(dòng)電話，需要一種公共的系統(tǒng)，1982年，北歐國(guó)家向CEPT(歐洲郵電行政大會(huì))提交了一份建議書(shū)，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)規(guī)范。在這次大會(huì)上就成立了一個(gè)在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ETSI)技術(shù)委員會(huì)下的“移動(dòng)特別小組(Group Special Mobile)”，簡(jiǎn)稱“GSM”，來(lái)制定有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和建議書(shū)。 我國(guó)自從1992年在嘉興建立和開(kāi)通第一個(gè)GSM演示系統(tǒng)，并于1993年9月正式開(kāi)放業(yè)務(wù)以來(lái)，全國(guó)各地的移動(dòng)通信系統(tǒng)中大多采用GSM系統(tǒng)，使得GSM系統(tǒng)成為目前我國(guó)最成熟和市場(chǎng)占有

15、量最大得一種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。截至2002年11月，中國(guó)手機(jī)用戶2億，比2001年年底新增5509.2萬(wàn)。目前我國(guó)主要的兩大GSM系統(tǒng)為GSM900及GSM1800，由于采用了不同頻率，因此適用的手機(jī)也不盡相同。不過(guò)目前大多數(shù)手機(jī)基本是雙頻手機(jī)，可以自由在這兩個(gè)頻段間切換。歐洲國(guó)家普遍采用的系統(tǒng)除GSM900和GSM1800另外加入了GSM1900，手機(jī)為三頻手機(jī)。在我國(guó)隨著手機(jī)市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)也已出現(xiàn)了三頻手機(jī)，即可在GSM900GSM1800GSM1900三種頻段內(nèi)自由切換的手機(jī)，真正做到了一部手機(jī)可以暢游全世界。 早期來(lái)看，GSM900發(fā)展的時(shí)間較早，使用的較多，反之GSM1800發(fā)展的

16、時(shí)間較晚。物理特性方面，前者頻譜較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透力較差，但傳送的距離較遠(yuǎn)，而手機(jī)發(fā)射功率較強(qiáng)，耗電量較大，因此待機(jī)時(shí)間較短；而后者的頻譜較高，波長(zhǎng)較短，穿透力佳，但傳送的距離短，其手機(jī)的發(fā)射功率較小，待機(jī)時(shí)間則相應(yīng)地較長(zhǎng)。 緊急呼叫是GSM系統(tǒng)特有的一種話音業(yè)務(wù)功能。即使在GSM手機(jī)設(shè)置了限制呼出和沒(méi)有插入用戶識(shí)別卡（SIM）的情況下，只要在GSM網(wǎng)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，用戶僅需按一個(gè)鍵，便可將預(yù)先設(shè)定的特殊號(hào)碼（如110、119、120等）發(fā)至相應(yīng)的單位（警察局、消防隊(duì)、急救中心等）。這一簡(jiǎn)化的撥號(hào)方式是為在緊急時(shí)刻來(lái)不及進(jìn)行復(fù)雜操作而專門設(shè)計(jì)的。AMPSTACSNMT其它GSMCDMA IS9

17、5TDMAIS-136PDC第一代 80年代模擬第二代 90年代數(shù)字第三代 IMT-2000UMTSWCDMACDMA2000需求驅(qū)動(dòng)需求驅(qū)動(dòng)模擬技術(shù)數(shù)字技術(shù)語(yǔ)音業(yè)務(wù)寬帶業(yè)務(wù)TD-SCDMA圖2-1 移動(dòng)通信發(fā)展史2.2 GSM的系統(tǒng)功能GSM是一種提供話音、數(shù)據(jù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)等多種服務(wù)的系統(tǒng)。話音業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供的基本業(yè)務(wù)，允許用戶在世界范圍內(nèi)任何地點(diǎn)能同固定電話用戶、移動(dòng)電話用戶以及專用網(wǎng)用戶進(jìn)行雙向通話聯(lián)系。從電話中派生出的另一項(xiàng)業(yè)務(wù)是語(yǔ)音信箱，聲音信息被存儲(chǔ)，以備收方提取，在呼叫不能接通時(shí)，用戶可將聲音信息存入GSM的語(yǔ)音信箱；或者用戶直接接入語(yǔ)音信箱。 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供了固定用戶和ISD

18、N用戶所能享用的大部分業(yè)務(wù)，包括文字、圖象、傳真、計(jì)算機(jī)文件、訪問(wèn)Internet等服務(wù)。補(bǔ)充業(yè)務(wù)如來(lái)電顯示、呼叫追蹤、短消息業(yè)務(wù)等。GSM通信系統(tǒng)可以與各種公用通信網(wǎng)互連互通，尤其與ISDN的兼容性，可提供更多的業(yè)務(wù)，各種接口規(guī)范明確，網(wǎng)絡(luò)適合未來(lái)數(shù)字化發(fā)展的要求。GSM組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活方便，能更有效地使用無(wú)線頻率，抗干擾性強(qiáng)，通信質(zhì)量高，能提供相當(dāng)好的話音質(zhì)量。采用了鑒權(quán)、語(yǔ)音加密等技術(shù)使用戶信息安全性得到保證。在采用GSM系統(tǒng)的所有國(guó)家范圍內(nèi)，可提供穿越國(guó)界的自動(dòng)漫游功能。用戶終端更小、更輕便、功能更強(qiáng)。2.3 GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成（1）系統(tǒng)組成蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）、

19、無(wú)線基站子系統(tǒng)（BSS）和移動(dòng)臺(tái)（MS）三大部分組成，如圖2-3所示。其中NSS和BSS之間的接口為“A”接口，BSS與MS之間的接口為”Um“接口。圖2-2 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面構(gòu)成： 1）移動(dòng)臺(tái)（MS）：包括手持機(jī)和傳統(tǒng)的車載臺(tái)，它們通過(guò)無(wú)線電波與基地站系統(tǒng)（BSS）通信。 2）基地站系統(tǒng)（BSS）包括基地收發(fā)站（BTS）和基地站控制器（BSC）。通常幾個(gè)BTS處在同一地點(diǎn)，形成2-4個(gè)扇形小區(qū)，共用一套發(fā)射天線。BSC通過(guò)微波鏈路與BTS連接，BSC和BTS之間的接口稱之為A-bis接口，通常，1個(gè)BSC可以控制20-30個(gè)BTS。一群BSS將向移動(dòng)交換

20、中心（MSC）報(bào)告，由MSC控制不同小區(qū)的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。每個(gè)MSC都有1個(gè)VLR（訪問(wèn)位置寄存器），所有遠(yuǎn)離自己所屬小區(qū)的手機(jī)都被登錄到VLR中，以便網(wǎng)絡(luò)知道到哪兒去找它們。MSC同時(shí)連接著歸屬位置寄存器（HLR）、身份鑒定中心（AUC）和設(shè)備號(hào)識(shí)別寄存器（EIR），這樣系統(tǒng)就可以知道是否是合法的用戶和手機(jī)，避免了被盜用的手機(jī)和故障的手機(jī)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)中。 3）其它設(shè)備：比如操作維護(hù)中心（OMC）、網(wǎng)管中心（NMC），MSC同時(shí)也和其它的網(wǎng)絡(luò)接口，如陸地移動(dòng)通信專網(wǎng)（PLMN）、公共電話交換網(wǎng)（PSTN）和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）。 注意：BTS、BSC、MSC、和公共網(wǎng)之間是通過(guò)實(shí)線相連接的（電纜

21、、光纖鏈路或微波鏈路），只有基站和手機(jī)之間的接口是空間接口。GSM系統(tǒng)框圖如圖2-3所示，A接口往右是NSS系統(tǒng)，它包括有移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AUC）和移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR），A接口往左是BSS系統(tǒng)，它包括有基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信臺(tái)（BTS）。Um接口往左是移動(dòng)臺(tái)部分（MS），其中包括移動(dòng)終端（MS）和客戶識(shí)別卡（SIM）。圖2-3 GSM系統(tǒng)框圖（2） GSM基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)GSM基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如下圖2-4所示:圖2-4 GSM基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（3）GSM信令網(wǎng)結(jié)構(gòu)GSM網(wǎng)絡(luò)的信令結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：圖2-5 GSM

22、網(wǎng)信令結(jié)構(gòu)第3章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)簡(jiǎn)介 無(wú)線定位服務(wù)是從美國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)和發(fā)展起來(lái)的。1996年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)強(qiáng)制要求所有無(wú)線業(yè)務(wù)提供商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號(hào)碼，以便對(duì)用戶實(shí)施緊急救援工作，并要求到2010年10月，67%的呼叫定位精度達(dá)到125m。此后，日本、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家紛紛推出各具特色的商用定位服務(wù)。隨著無(wú)線系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)用戶的不斷增加，對(duì)定位業(yè)務(wù)的需求也與日俱增，例如公共安全、緊急救援服務(wù)、基于位置的計(jì)費(fèi)、資產(chǎn)管理、欺詐檢測(cè)和路由向?qū)У葮I(yè)務(wù)，而不同的定位業(yè)務(wù)對(duì)定位精度的要求不相同，相應(yīng)地，所需的定位技術(shù)也

23、不同，例如基于位置的計(jì)費(fèi)，要求的定位精度不高，使用CELL-ID定位技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)；而路由向?qū)б蟊容^高的定位精度，只能使用GPS(Global Position System)定位技術(shù)和混合定位技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。這些需求大大推動(dòng)了定位技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年對(duì)無(wú)線定位的研究，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了多種定位技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上，各種各樣的定位業(yè)務(wù)和應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來(lái)。3.1 定位基本概念移動(dòng)定位涉及移動(dòng)無(wú)線通信、數(shù)學(xué)、地理信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，某些有關(guān)移動(dòng)定位的基本概念比較容易混淆，因此有必要首先澄清一些基概念。定位系統(tǒng)提供的位置信息可以分為兩類：物理意義上的位置信息和抽象意義上的位置信息。所謂物理意義

24、上的位置信息，就是指被定位物體具體的物理或數(shù)學(xué)層面上的位置數(shù)據(jù)。例如，GPS可以測(cè)得一幢建筑物位于北緯35°，東經(jīng)104°，海拔50米處。相對(duì)而言，抽象的位置信息可以表達(dá)為：這棟建筑物位于公園的樹(shù)林中或校園的主教學(xué)樓附近等。從應(yīng)用程序的角度講，不同的應(yīng)用程序需要的位置信息抽象層次也不盡相同有些只需要物理位置信息；而有些則需要抽象意義上的位置信息，單純的物理位置信息對(duì)它們來(lái)說(shuō)是透明的，或是沒(méi)有意義的。當(dāng)然，物理位置信息可以在附加信息庫(kù)的幫助下，轉(zhuǎn)換并映射為抽象層次的位置信息。3.2 定位性能指標(biāo) 定位精度和定位準(zhǔn)確度是兩個(gè)緊密聯(lián)系的概念，它們之間的關(guān)系類似于數(shù)學(xué)區(qū)間和置信水平

25、之間的關(guān)系。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，如果孤立的指出某個(gè)定位系統(tǒng)的定位精度或定位準(zhǔn)確度，都是沒(méi)有意義的。典型的正確描述應(yīng)該是：A定位系統(tǒng)可以在95%的概率（置信水平）下達(dá)到10m的定位精度。其中，“95%”描述的是定位準(zhǔn)確度。定位精度越高，相應(yīng)的定位準(zhǔn)確度就越低，反之亦然。通過(guò)增加定位設(shè)備的密度或綜合使用多種不同的定位技術(shù)，可以同時(shí)提高定位系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。一般說(shuō)來(lái)，室內(nèi)應(yīng)用所需定位精度要比室外應(yīng)用高。3.3 定位技術(shù)分類 無(wú)線定位技術(shù)通過(guò)對(duì)無(wú)線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法來(lái)判斷被測(cè)物體的位置。測(cè)量參數(shù)一般包括無(wú)線電波的傳輸時(shí)間、幅度、相位和到達(dá)角等。定位精度取決于測(cè)量的方法。從定位原理的角度來(lái)看

26、，定位技術(shù)大致可以分為三種類型：基于三角關(guān)系和運(yùn)算的定位技術(shù)、基于場(chǎng)景分析的定位技術(shù)和基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)。目前階段，CDMA系統(tǒng)主流的定位技術(shù)包括CELL-ID, TOA/TDOA(time deference of arrival)，AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)，WA-GPS(Wireless Assisted Global Position System)定位技術(shù)以及融合定位技術(shù)。3.3.1 三角/雙曲線關(guān)系 這種定位技術(shù)根據(jù)測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，利用幾何三角或雙曲線關(guān)系計(jì)算被測(cè)物體的位置，它是最主要的、也是應(yīng)用最為廣泛的一種定位技術(shù)?；?/p>

27、于三角或雙曲線關(guān)系的定位技術(shù)可以細(xì)分為兩種：基于距離測(cè)量的定位技術(shù)和基于角度測(cè)量的定位技術(shù)。3.3.2 基于距離測(cè)量的定位技術(shù)這種定位技術(shù)先要測(cè)量已知位置的參考點(diǎn)（A,B,C三點(diǎn)）與被測(cè)物體之間1,R2,R3)，然后利用三角知識(shí)計(jì)算被測(cè)物體的位置。具體說(shuō)來(lái)，距離測(cè)量的法有三種：(1)直接測(cè)量 這種方法通過(guò)物理動(dòng)作和移動(dòng)來(lái)測(cè)量參考點(diǎn)與被測(cè)物體之間的距離。例如，機(jī)器人移動(dòng)自己的探針，直到觸到障礙物，并把探針移動(dòng)的距離作為自己與障礙物之間的一個(gè)距離參數(shù)。(2)傳播時(shí)間 在已知傳播速度的情況下，無(wú)線電波傳播的距離與它傳播的時(shí)間成正比。這種測(cè)量方法需要注意的問(wèn)題有如下幾個(gè)：(a)無(wú)線電波（在非視距NLO

28、S環(huán)境中）的傳播特性。一般的解決方法是增加測(cè)量次數(shù)，求出統(tǒng)計(jì)意義上的測(cè)量值。(b)時(shí)鐘精度。(c)時(shí)鐘同步。參與同一個(gè)定位過(guò)程的參考點(diǎn)之間必須保證時(shí)鐘的同。(3)無(wú)線電波能量衰減 已知發(fā)射電波的強(qiáng)度，在接收方測(cè)量收到的電波強(qiáng)度，以此估計(jì)出發(fā)射端距離接收端之間的距離。例如，在理想傳播環(huán)境下，無(wú)線電波的衰減與1/r2成正比（r為傳播距離）。 實(shí)際上，無(wú)線電波在空間傳播時(shí)能量的衰減受多種因素影響，相比傳播時(shí)間測(cè)量方法沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。3.3.3 基于角度測(cè)量的定位技術(shù) 基于角度的定位技術(shù)與基于距離測(cè)量的定位技術(shù)在原理上是相似。兩者主同在于前者測(cè)量的主要是角度，而后者測(cè)量的是距離。一般來(lái)說(shuō)，如果要計(jì)算被測(cè)物體

29、的平面位置（即二維位置），那么則需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)角度和一個(gè)距離。同理，如果要計(jì)算被測(cè)物體的立體位置（即三維位置），那么則需要測(cè)量三個(gè)角度和一個(gè)距離?；诮嵌葴y(cè)量的定位技術(shù)需要使用方向性天線，如智能天線陣列等。3.3.4 基于場(chǎng)景（信號(hào)指紋）分析的定位技術(shù) 這種定位技術(shù)對(duì)定位的特定環(huán)境進(jìn)行抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數(shù)描述定位環(huán)境中的各個(gè)位置，并用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)把這些信息集成在一起。業(yè)界習(xí)慣上將上述形式化和量化后的位置特征信息形象地稱為信號(hào)“指紋”。觀察者根據(jù)待定位物體所在位置的“指紋”特征查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)特定的匹配規(guī)則確定物體的位置。由此可以看出，這種定位技術(shù)的核心是位置特征數(shù)據(jù)庫(kù)和匹配規(guī)則

30、，它本質(zhì)上是一種模式識(shí)別方法。Microsoft的RADAR無(wú)線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)就是一個(gè)典型的基于場(chǎng)景分析的定位系統(tǒng)。3.3.5 基于臨近關(guān)系的定位技術(shù) 基于臨近關(guān)系進(jìn)行定位的技術(shù)原理是：根據(jù)待定位物體與一個(gè)或多個(gè)已知位置參考點(diǎn)的臨近關(guān)系來(lái)定位。這種定位技術(shù)通常需要標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的輔助，以唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)確定已知的各個(gè)位置。這種定位技術(shù)最常見(jiàn)的例子是移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的Cell ID。假設(shè)待定位物體分別位于三個(gè)Cell中。由于各個(gè)Cell中參考點(diǎn)的位置已知，所以根據(jù)待定位物體所在Cell可以粗略確定其位置（即Cell中參考點(diǎn)的位置）。除了Cell ID以外，其他的例子還有Xerox PareTAB Sys

31、tem、Carnegie Mellon Andrew、Active Badge等。3.4 定位策略 從定位策略的角度來(lái)看，定位技術(shù)/系統(tǒng)可以分為基于移動(dòng)終端的定位和基于與定位兩種?；谝苿?dòng)終端的定位是指定位計(jì)算由移動(dòng)終端自主完成，移動(dòng)終 能夠自行確定自身當(dāng)前的位置。基于網(wǎng)絡(luò)的定位主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集待定位移動(dòng)終端的信息并計(jì)算移動(dòng)終端的當(dāng)前位置。如果再對(duì)以上兩種定位策略進(jìn)行細(xì)分，前一種定位策略又可以分為基于移動(dòng)終端的定位和網(wǎng)絡(luò)輔助定位兩種；而后一種定位策略又可以分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位和移動(dòng)終端輔助定位兩種。3.5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 不同的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)定位有著不同的業(yè)務(wù)需求和定義，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮锢砗?/p>

32、MAC層設(shè)計(jì)對(duì)定位技術(shù)也提出了不同的挑戰(zhàn)。按照不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，定位系統(tǒng)可以分為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)輔助的定位系統(tǒng)。3.5.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)目前，實(shí)現(xiàn)蜂窩無(wú)線定位主要有三大類解決方案：1） 基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，如基于CellID和時(shí)間提前量（TA）的方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）方法以及上行鏈路信號(hào)到達(dá)角度（AOA）方法，這些解決方案需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)做部分改進(jìn)，但卻可以兼容現(xiàn)有移動(dòng)終端。 1、抵達(dá)時(shí)間TOA（time of Arrival）定位技術(shù) 它是基于測(cè)量信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)發(fā)送出去并到達(dá)消息測(cè)量單元（3個(gè)或更多基站）的時(shí)間來(lái)定位。

33、移動(dòng)臺(tái)位于基站為圓心、移動(dòng)臺(tái)到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過(guò)多個(gè)基站進(jìn)行計(jì)算，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可由3個(gè)圓的焦點(diǎn)確定。但是，與下面要介紹的增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位技術(shù)E-OTD不同的是，它沒(méi)有使用位置測(cè)量單元，因此，必須通過(guò)與在基站上安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）或原子鐘的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2、角度到達(dá)AOA（Arrival of Angle）定位技術(shù)該技術(shù)根據(jù)信號(hào)到達(dá)的角度，確定移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于基站的角度關(guān)系，只要測(cè)量一個(gè)移動(dòng)臺(tái)距兩個(gè)基站的信號(hào)到達(dá)角度，就可以確定出移動(dòng)臺(tái)的的位置。信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量需要定向天線，雖然理論上這種測(cè)量在基站和移動(dòng)臺(tái)都可以進(jìn)行，但為了保證輕便性，并不適宜

34、在移動(dòng)終端上使用。角度到達(dá)定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點(diǎn)是可以在語(yǔ)音信道上工作，不需要高精度的定時(shí)。但確定是需要復(fù)雜的天線，易出現(xiàn)定位忙點(diǎn)，實(shí)施成本較高。 3、抵達(dá)時(shí)間差異TDOA（Time difference of Arrival)定位技術(shù) 該定位技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置的，降低了對(duì)時(shí)間的同步要求。移動(dòng)臺(tái)定位以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上。確定移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。由于這種定位技術(shù)不要求移動(dòng)臺(tái)和基站之間的同步。因此在誤差環(huán)境下性能相對(duì)優(yōu)越，在蜂窩通信系統(tǒng)的定位技術(shù)中備受關(guān)注

35、。它也是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，實(shí)現(xiàn)容易。確定是為了保證定時(shí)精度，需要改造基站設(shè)備。 4、增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差E-OTD定位技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是：手機(jī)對(duì)服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個(gè)基站進(jìn)行測(cè)量，算出測(cè)量數(shù)據(jù)之間的時(shí)間差，并用此計(jì)算用戶相對(duì)于基站的位置。增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，是目前使用最多的技術(shù)，也是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ETSE）建議使用的主要技術(shù)。 2）基于移動(dòng)臺(tái)的定位方法。用于GSM中的下行鏈路增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)差定位方法（E-OTD）、用于WCDMA下行鏈路空閑周期觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差方法（OTDOA-IPDL）等； 3）以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDO

36、U、QZSS等為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)集成了衛(wèi)星定位的輔助設(shè)備。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，第二類和第三類方法更容易提供較為精確的用戶定位信息，但這些技術(shù)需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，也存在對(duì)移動(dòng)臺(tái)改動(dòng)的需求，這將對(duì)移動(dòng)臺(tái)體積、功耗、成本帶來(lái)影響。 各類定位方法已經(jīng)在不同蜂窩網(wǎng)絡(luò)中被標(biāo)準(zhǔn)化。3GPP對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)選擇了基于CellID和時(shí)間提前量、上行TOA、E-OTD、輔助GPS(AGPS)等方案，而為WCDMA網(wǎng)絡(luò)選擇了基于CellID、OTDOA-IPDL、AGPS等方法。GS網(wǎng)絡(luò)中與定位相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括3GPPTS09.02和3GPPTS03.71，3G網(wǎng)絡(luò)中還有3GPPTS25.331系列規(guī)范對(duì)

37、位置服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)和相關(guān)定位流程進(jìn)行了規(guī)定。下面重點(diǎn)介紹幾種主要蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位方法和其性能的比較，見(jiàn)表格3-1。表格3-1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)小結(jié)定位技術(shù)精度水平（m）冷啟速度（s）適用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境備 注CellID100-30001-3不限精度受制于扇區(qū)大小，魯棒性較差Cell ID+TA5501-5GSM/GPRS精度較Cell ID有所改進(jìn)，但需要添加LMU(/3BTS)，建設(shè)成本高Cell ID+RTT20-60UMTS(WCDMA,TD-SCDMA)精度較Cell ID有較大改進(jìn)，但需要添加LMU(/3BTS)，建設(shè)成本高UTDOA50-1505-10GSM/WCDMA/TD-SCDMAGS

38、M/TD-SCDMA需增加LMU，LMU與SMLC之間接口私有E-OTD50-3005-10GSM需添加LMU(/3BTS)，建設(shè)成本高AOA50-5001-5不限MSC支持Lg接口，定向天線支持AOA測(cè)量，受環(huán)境影響較大，用于配合其他方法 指紋(NMR、模 式匹配)50-3005-10不限控制平面需支持Lupc接口，需要大量離線訓(xùn)練數(shù)據(jù),或使用路徑模型計(jì)算距離智能天線遜于AGPS優(yōu)于傳統(tǒng)三角定位5-10不限網(wǎng)絡(luò)側(cè)需MIMO支持,只需單個(gè)基站，T(D)OA/AOA測(cè)量，或統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)多徑信號(hào)參數(shù)與用戶位置間關(guān)系數(shù)據(jù)融合優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)時(shí)、測(cè)角定位5-10測(cè)量數(shù)據(jù)(TOA/TDOA/AOA）或系統(tǒng)級(jí)(GP

39、S+CDMA）融合需結(jié)合多種定位技術(shù)和設(shè)備，以提供T(D)OA/AOA等測(cè)量支持AGPS信號(hào)好：5-2005-20不限開(kāi)闊區(qū)域定位精度/準(zhǔn)確度最高，室內(nèi)、密集地區(qū)定位情況較差3.5.2 Cell ID定位技術(shù) Cell ID技術(shù)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的一種定位方法，它主要通過(guò)尋呼、定位區(qū)域更新、小區(qū)更新等事件來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的主要服務(wù)蜂窩小區(qū)ID號(hào)2，從而確定用戶的位置，因此它的定位精度取決于蜂窩小區(qū)的半徑，一般其精度在100m2km不等。由于其對(duì)終端定位的結(jié)果是終端服務(wù)小區(qū)基站的位置，所以定位精度隨扇區(qū)大小而變化，特點(diǎn)是速度快，應(yīng)用簡(jiǎn)單，精度較差，通常與其他定位結(jié)合使用，統(tǒng)稱為基于Cell ID

40、的定位技術(shù)。這類定位技術(shù)是Cell ID技術(shù)的補(bǔ)充和改進(jìn),已經(jīng)在許多國(guó)家(包括我國(guó))的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中采用。在美國(guó)，它已經(jīng)開(kāi)始為第一階段的“E911”緊急服務(wù)提供支持。另外，它也開(kāi)始為一些精度要求不高的定位業(yè)務(wù)提供服務(wù)。在移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)蜂窩小區(qū)都有一個(gè)惟一的，利用移動(dòng)終端所在Cell對(duì)應(yīng)的Cell ID就可以粗略確定移動(dòng)終端的位置。CELL-ID+RTT是在CELL-ID定位技術(shù)的基礎(chǔ)上的改進(jìn)技術(shù), 增加了時(shí)間量的計(jì)算處理，其時(shí)間精度最多只能控制到100287s，改善的效果并不明顯。因此CELL-ID定位技術(shù)一般作為輔助的定位方式,為精確定位提供輔助資訊。此類技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)

41、進(jìn)行修改，就可以向當(dāng)前的移動(dòng)用戶提供自動(dòng)定位業(yè)務(wù)。但是，CELL-ID與其他技術(shù)相比，其精度卻是最低的,當(dāng)需要精度較高的緊急定位服務(wù)時(shí)，CELL-ID就無(wú)法滿足要求了。 NMR（Network Measurement Report）也稱E-CGI（Enhanced Cell Global Identification），從本質(zhì)講是一種具有自主和指紋定位兩種模式的技術(shù)。這種技術(shù)是對(duì)CellID以及CellID+ TA/RTT的增強(qiáng)。NMR指紋定位離線學(xué)習(xí)階段，終端在確定位置的樣本點(diǎn)處對(duì)各相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采集和記錄，并將樣本點(diǎn)處服務(wù)小區(qū)Cell ID、各相鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)精確位置歸檔；進(jìn)

42、入在線定位階段，終端實(shí)時(shí)測(cè)量和收集相鄰小區(qū)的NMR數(shù)據(jù)并上報(bào)網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢與所檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最為接近的樣本點(diǎn)的位置，作為最終定位結(jié)果，如圖3-1所示。圖 3-1 NMR鄰小區(qū)測(cè)量定位原理3.5.3 UTOA/UTDOA定位技術(shù)上行鏈路到達(dá)時(shí)間(UTOA)定位方法是由基站測(cè)量移動(dòng)終端信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。該方法要求至少有三個(gè)基站參與測(cè)量，每個(gè)基站增加一個(gè)位置測(cè)量單元LMU，LMU測(cè)量終端發(fā)出的接入突發(fā)脈沖或常規(guī)突發(fā)脈沖的到達(dá)時(shí)刻。LMU可以和BTS結(jié)合在一起，也可分開(kāi)放置。由于每個(gè)BTS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移動(dòng)終端的位置。TDOA測(cè)量的是移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)到達(dá)不同BTS的傳輸

43、時(shí)間差，而不是單純的傳輸時(shí)間。UTOA定位需要終端和參與定位的LMU之間精確同步，而TDOA通常只需參與定位的BTS間同步即可。另外，這兩種定位還要求在所有基站上安裝LMU，因此成本較高。3.5.4 E-OTD定位技術(shù) 增強(qiáng)型觀察時(shí)間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)只能用于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，使用這種技術(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)基站上放置位置測(cè)量單元（Location Measuremnet Unit,LMU）作為參考點(diǎn)。如圖表3所示。每個(gè)參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源。E-OTD的運(yùn)作方式是以移動(dòng)終端測(cè)量來(lái)自至少3個(gè)LMU的信號(hào)，根據(jù)各LMU到達(dá)

44、移動(dòng)終端的時(shí)間差值所產(chǎn)生的交叉雙曲線可以計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖3-2所示。圖 3-2 E-OTD系統(tǒng)原理 E-OTD方案可以提供比CellID高得多的定位精度在50米到125米之間。但是它的定位響應(yīng)速度較慢，往往需要約5秒的時(shí)間。另外，它需要對(duì)移動(dòng)終端軟件進(jìn)行更新，這意味著現(xiàn)存的移動(dòng)用戶無(wú)法通過(guò)該技術(shù)獲得基于位置的服務(wù)。3.5.5 智能天線AOA定位技術(shù)基站通過(guò)陣列天線測(cè)出移動(dòng)臺(tái)到達(dá)無(wú)線電波信號(hào)的入射角，從而構(gòu)成基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，兩條連線的交點(diǎn)即為待定位移動(dòng)臺(tái)的位置。這種方法不會(huì)產(chǎn)生二義性，因?yàn)閮蓷l直線只能相交于一點(diǎn)。這種信號(hào)到達(dá)角(Angle of Arrival, AOA)定位方法

45、需要在每個(gè)小區(qū)基站處放置412組天線陣列，這些天線一起工作，從而確定移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)相對(duì)于基站的角度。AOA通常用來(lái)確定一個(gè)二維位置。移動(dòng)終端發(fā)，BTS1收，測(cè)量可得一條BTS1到移動(dòng)終端的連線；移動(dòng)終端發(fā)，BTS2收，測(cè)量得到另一直線，兩直線相交產(chǎn)生定位角。BTS1和BTS2坐標(biāo)位置已知，以正北為參考方向，順時(shí)針為0360度，逆時(shí)針為-0-360度，由此可獲得以移動(dòng)終端、BTS1和BTS2為三點(diǎn)的三角關(guān)系。AOA方法在障礙物較少的地區(qū)可以獲得較高的定位精度，但在障礙物較多的環(huán)境中，由于無(wú)線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大。移動(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致定位距離的較大誤差。另外，AO

46、A技術(shù)必需使用智能方向天線。3.5.6 TOA/TDOA定位技術(shù) TOA/TDOA都是基于反向鏈路的定位方法，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)多個(gè)基站的傳播時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)用戶的位置。只需三個(gè)以上的基站接收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，就可以利用三角定位算法計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置。TOA與TDOA不同在于TDOA方法不要求知道信號(hào)傳播的具體時(shí)間，還可以消除或減少在所有接收機(jī)上由于信道產(chǎn)生的共同誤差。在CDMA系統(tǒng)中采用此類技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)在于定位精度較高，且無(wú)需對(duì)終端升級(jí)，但需要在網(wǎng)絡(luò)測(cè)增加新的位置測(cè)量元LMU(Location MeasurementUnit).3.5.7 AFLT定位技術(shù) AFLT定位技術(shù)是一種基于前向鏈路的

47、定位方法，在定位操作時(shí)，手機(jī)同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)基站(至少三個(gè)基站)的導(dǎo)頻信息，利用碼片時(shí)延來(lái)確定手機(jī)到附近基站的距離，最后用三角定位法算出用戶的位置。AFLT技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需增加LMU、定位精度較高、定位快，但需要在網(wǎng)絡(luò)中增加新的實(shí)體，利用導(dǎo)頻信息算出移動(dòng)臺(tái)的的位置，這些實(shí)體包括PDE(PositionDeltermining Entity)和MPC(Mobile PositioningCenter)，同時(shí)移動(dòng)臺(tái)需要軟件升級(jí)。3.5.8 WA-GPS定位技術(shù) WA-GPS技術(shù)融合了GPS高精度定位與蜂窩網(wǎng)高度密集覆蓋的特性，既保證了在城市范圍內(nèi)蜂窩定位的精度，也擴(kuò)大了GPS的覆蓋范圍，WA-GPS可

48、以通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空中接口使終端獲得衛(wèi)星的有效參數(shù)。另外，WA-GPS的響應(yīng)時(shí)間明顯快于傳統(tǒng)的GPS。WAGPS技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)在于定位精度高，其缺點(diǎn)是成本太高，且需終端支持。3.6 主流定位技術(shù)小結(jié) 分析上述方法，我們不難發(fā)現(xiàn)，定位技術(shù)大范圍應(yīng)用的瓶頸在于方案實(shí)施的方便性、成本以及定位精度。CELL-ID定位技術(shù)方案能幫助運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中以最小的投入開(kāi)展定位服務(wù)并能達(dá)到100的用戶覆蓋率，這在所有的定位技術(shù)中是獨(dú)一無(wú)二的。從實(shí)際應(yīng)用情況上看，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了最為廣泛的應(yīng)用，例如國(guó)內(nèi)許多運(yùn)營(yíng)商，包括移動(dòng)、聯(lián)通、電信所開(kāi)展的小區(qū)短信業(yè)務(wù)，就是基于CELL-ID定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。但受其定位精度的限制

49、，所以就目前應(yīng)用而言大多為基于位置的廣告信息服務(wù)以及公共信息服務(wù)等，對(duì)于許多對(duì)定位精度要求更高的業(yè)務(wù)，如110、119等無(wú)線報(bào)警緊急定位，CELL-ID的定位精度就無(wú)法滿足要求。除CELL-ID以外的其它定位方案相對(duì)CELL-ID技術(shù)而言定位精度相對(duì)較高，但實(shí)施起來(lái)都存在一定的困難，要么需要在網(wǎng)絡(luò)測(cè)增加硬件實(shí)體，要么需要終端的支持，很難得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，如何開(kāi)拓一種實(shí)施簡(jiǎn)單、成本低廉、具備100的用戶覆蓋率，又能提高定位精度的方法也是急需研究的一個(gè)方向。3.7 結(jié)合無(wú)線傳播模型的融合定位綜合考慮到定位方案實(shí)施的方便性和經(jīng)濟(jì)性，本文提出一種新的融合定位思路，在充分利用CELL-ID定位思

50、路的方便性和可操作性的同時(shí)，引入無(wú)線傳播模型修正處理的方法，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的日常路測(cè)數(shù)據(jù)反饋至無(wú)線傳播模型進(jìn)行模型修正，使無(wú)線傳播模型最大限度接近真實(shí)的情況，進(jìn)而結(jié)合測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行三角定位，在基于CELL-ID+RTT的基礎(chǔ)上，大大提高定位的精度。結(jié)合無(wú)線傳播模型融合定位方法的詳細(xì)步驟如下。第一步：需要確定所定位區(qū)域的無(wú)線傳播模型。如前所述，需要對(duì)COST231-Hata模型做進(jìn)一步校正。第二步：通過(guò)信令監(jiān)測(cè)獲取用戶測(cè)量報(bào)告以及小區(qū)，場(chǎng)強(qiáng)等信息。 通過(guò)信令獲取相關(guān)信息的步驟如下： 1) 通過(guò)采集CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中的BTS與BSC之間的鏈路，及分析BTS定期給BSC發(fā)送的測(cè)量報(bào)告，可獲取需定

51、位的終端的所在位置所接收到的引導(dǎo)頻率的頻點(diǎn)值以及場(chǎng)強(qiáng)大小； 2) 分析其它相關(guān)信令如尋呼響應(yīng)，業(yè)務(wù)請(qǐng)求等可獲取需定位終端的主服CELL-ID+RTT； 3) 通過(guò)小區(qū)的相關(guān)的配置信息如CELLID配置、頻點(diǎn)配置、地理位置信息等.要求經(jīng)緯度不同的信息組除主服小區(qū)外至少兩組以上。第三步：融合無(wú)線傳播模型進(jìn)行定位。 在經(jīng)過(guò)第二步后，我們得到了式(7)的信息組，選取交叉的兩個(gè)信息組,相對(duì)每個(gè)信息組求得一個(gè)終端到基站的距離，即可得到終端距離軌跡曲線，再結(jié)合CELL-ID+RTT的軌跡區(qū)間，三組軌跡曲線即可求得終端的最終位置。如圖1所示。圖3-3 融合無(wú)線傳播定位示意圖 在圖3-3中，根據(jù)小區(qū)所在的經(jīng)緯度

52、信息，加上測(cè)試終端到基站的距離，可求得相交區(qū)域，圖1中所示的兩條曲線與主服小區(qū)根據(jù)CELL-ID+RTT所求得的綠色軌跡條相交的綠色軌跡區(qū)域即為所定位終端的位置區(qū)域。 第4章 GSM網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 無(wú)線定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位業(yè)務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)，因此，在蜂窩移動(dòng)通信中的無(wú)線定位業(yè)務(wù)都要用到無(wú)線定位技術(shù)。 從用戶角度來(lái)看，由于移動(dòng)定位業(yè)務(wù)使得移動(dòng)用戶在外出行更加方便，遇到緊急情況可以得到更快的救援，因此，可以預(yù)見(jiàn)用戶在不久的將來(lái)會(huì)離不開(kāi)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)。 從運(yùn)營(yíng)商角度來(lái)看，利用無(wú)線定位技術(shù)可以給用戶提供新的具有吸引力的業(yè)務(wù)，使自己處于有利的競(jìng)爭(zhēng)地位；利用移動(dòng)定位可以根據(jù)話務(wù)模型優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低成本；結(jié)合移動(dòng)

53、定位的潛在業(yè)務(wù)很多，這樣運(yùn)行商可以從中獲得更多的收益。從生產(chǎn)廠家來(lái)看，提供移動(dòng)定位的產(chǎn)品會(huì)更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 GSM網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)始引入無(wú)線定位技術(shù)，2000年6月，愛(ài)立信宣布其移動(dòng)定位系統(tǒng)首次投入商用，該系統(tǒng)為一系列全新的基于位置的業(yè)務(wù)敞開(kāi)了大門。愛(ài)立信的移動(dòng)定位系統(tǒng)(MPS)是一種基于服務(wù)器的解決方案，為標(biāo)準(zhǔn)的GSM網(wǎng)絡(luò)引入定位業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)基于高容錯(cuò)功能的平臺(tái)，能夠使用諸如輔助全球定位系統(tǒng)及其它多種不同的定位技術(shù)。該移動(dòng)定位系統(tǒng)不需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的GSM電話進(jìn)行修改。4.1 GSM移動(dòng)定位技術(shù)移動(dòng)定位是指通過(guò)采集網(wǎng)絡(luò)中與移動(dòng)臺(tái)（MS）位置相關(guān)的參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到定位中心，在電子地圖的支持下，通過(guò)

54、一定的算法，來(lái)確定用戶的實(shí)際位置(經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù))，據(jù)此，即可向用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。比如: 目標(biāo)監(jiān)控、智能調(diào)度、緊急救援、信息導(dǎo)航等。 GSM中常用的移動(dòng)定位技術(shù)是: 增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差（E-OTD）技術(shù)，上行鏈路到達(dá)時(shí)間（UL-TOA）技術(shù)，到達(dá)時(shí)間差異TDOA(Time Difference Of Arrival)技術(shù)，到達(dá)角度（AOA）技術(shù)，GPS輔助定位(A-GPS)技術(shù)。E-OTD（Enhanced Observed Time Difference）通過(guò)MS檢測(cè)多個(gè)相鄰BTS的傳輸突發(fā)，并測(cè)出這些從各個(gè)不同的基站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)該終端時(shí)所用的時(shí)間差，利用該時(shí)間差，終端設(shè)備通過(guò)調(diào)用E-OT

55、D算法計(jì)算出該移動(dòng)終端用戶相對(duì)于這些基站所處的位置，位置計(jì)算可基于雙曲線方式或圓弧方式實(shí)現(xiàn)。E-OTD需要在GSM網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置位置接收器作為位置測(cè)量單元，并且要分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的許多站點(diǎn)上。每個(gè)參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和位置測(cè)量單元接收到來(lái)自至少3個(gè)基站信號(hào)時(shí)，從每個(gè)基站到達(dá)移動(dòng)臺(tái)和位置測(cè)量單元的時(shí)間差將被計(jì)算出來(lái)，這些差值被用來(lái)產(chǎn)生幾組交叉雙曲線，由此估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)位置。移動(dòng)臺(tái)對(duì)鄰近的多個(gè)基站發(fā)送的無(wú)線脈沖到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量計(jì)算時(shí)，所有的基站都需要精確測(cè)量時(shí)間的間隔RTD（Real Time Differences），這樣才能對(duì)脈沖到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行精密計(jì)算。對(duì)各個(gè)基站的時(shí)間差的測(cè)量一般通過(guò)

56、移動(dòng)臺(tái)完成，因此普通手機(jī)中的相關(guān)硬件需要更新。UL-TOA是基于測(cè)量信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)發(fā)送出去并到達(dá)消息測(cè)量單元(3個(gè)或更多基站)所用的時(shí)間t 來(lái)定位。移動(dòng)臺(tái)位于以基站為圓心、移動(dòng)臺(tái)到基站的電波傳播距離ct為半徑的圓上。3個(gè)基站確定3個(gè)圓，這3個(gè)圓的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)，如圖4-1所示。但是，TOA要求知道移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)和基站接受信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)刻，由于GSM網(wǎng)絡(luò)不是同步網(wǎng)絡(luò)，基站為了得到精確的時(shí)鐘，則必須通過(guò)GPS或原子鐘的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。圖4-1 UL-TOA定位原理 TDOA定位技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，由此得到以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程。為確定移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)，需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩條雙曲線交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。由于是利用信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差（而不是絕對(duì)時(shí)間）來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置，因而降低了對(duì)時(shí)間的同步要求。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，實(shí)現(xiàn)容易; 缺點(diǎn)是為了保證定時(shí)精度，需要改造基站設(shè)備。AOA技術(shù)通過(guò)基站的陣列天線測(cè)出移動(dòng)臺(tái)來(lái)波信號(hào)的入射角，得出從基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，兩個(gè)不同基站與MS確定兩條射線，這兩條射線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。它需要在每個(gè)小區(qū)基站上放置412組