簡述蜂窩網(wǎng)工作的基本原理

蜂窩網(wǎng)絡基本原理淺析位置服務已經(jīng)成為越來越熱的一門技術(shù)，也將成為以后所有移動設備（智能手機、掌上電腦等）的標配。隨著人們對BLS(BasedLocationSerices，基于位置的服務)需求的飛速增長，無線定位技術(shù)也越來越得到重視。GSM蜂窩基站定位，以其定位速度快、成本低（不需要移動終端上添加額外的硬件）、耗電少、室內(nèi)可用等優(yōu)勢，作為一種輕量級的定位方法，也越來越常用。本文簡單介紹一下各種基于GSM蜂窩基站的定位方法及基本原理，給開發(fā)人員作為參考。我將盡量嘗試用開發(fā)人員熟悉的方式來描述問題。預備知識：GSM蜂窩網(wǎng)絡基礎結(jié)構(gòu)我們知道，GSM網(wǎng)絡的基礎結(jié)構(gòu)是由一系列的蜂窩基站構(gòu)成的，這些蜂窩基站把整個通信區(qū)域劃分成如圖所示的一個個蜂窩小區(qū)（當然實際上，一個基站往往不并不只是對應一個小區(qū)，但是這個與我們討論的主題關(guān)系不大，我們不做深究）。這些小區(qū)小則幾十米，大則幾千米。如下圖所示，我們用移動設備在GSM網(wǎng)絡中通信，實際上就是通過某一個蜂窩基站接入GSM網(wǎng)絡，然后通過GSM網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)（語音數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等）傳輸?shù)?。也就是說我們在GSM中通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區(qū)中的。那么GSM定位，就是借助這些蜂窩基站進行定位。

1.COO（CellofOrigin）定位COO定位是一種單基站定位，即根據(jù)設備當前連接的蜂窩基站的位置來確定設備的位置。那么很顯然，定位的精度就取決于蜂窩小區(qū)的半徑。在基站密集的城市中心地區(qū)，通常會采用多層小區(qū)，小區(qū)劃分的很小，這時定位精度可以達到50M以內(nèi)；而在其他地區(qū)，可能基站分布相對分散，小區(qū)半徑較大，可能達到幾千米，也就意味著定位精度只能粗略到幾千米。目前Google地圖移動版中，通過蜂窩基站確定“我的位置”，基本上用的就是這種方法。從原理上我們可以看出，COO定位其精度是不太確定的。但是這卻是GSM網(wǎng)絡中的移動設備最快捷、最方便的定位方法，因為GSM網(wǎng)絡端以及設備端都不需要任何的額外硬件投入。只要運營商支持，GSM網(wǎng)絡中的設備都可以以編程方式獲取到當前基站的一個唯一代碼，我們可以稱之為基站ID，或CellID。在一般的設備中，可能都存在一個類似如下的GetCurrentCellID()方法的接口來提供當前GSM蜂窩基站ID：CellID=GetCurrentCellID();通過這個接口獲取到CellID后，我們還需要根據(jù)這個CellID查出該蜂窩基站所在的具體地理坐標。這時，我們可能就需要調(diào)用一些包含[CellID，地理坐標]對應關(guān)系的外部數(shù)據(jù)以確定相應的地理坐標。這個外部數(shù)據(jù)，通?？梢杂梢恍┑谌絎eb服務來提供。這些Web服務的接口可能類似于如下形式：Position=GetPosition(CellID);當然，再次說明，上面的GetCurrentCellID方法、GetPosition方法都是我虛構(gòu)的，只是為了說明邏輯關(guān)系，并不一定實際存在。關(guān)于COO方法在WindowsMobile環(huán)境下的具體編程方法，請參考《為WindowsMobile設備創(chuàng)建位置感知的應用程序》。

2.七號信令定位該技術(shù)以信令監(jiān)測為基礎，能夠?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)中特定的信令過程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過程進行過濾和分析，并將監(jiān)測結(jié)果提供給業(yè)務中心，以實現(xiàn)對特定用戶的個性化服務。該項技術(shù)通過對信令進行實時監(jiān)測，可定位到一個小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故適用對定位精確度要求不高的業(yè)務，如漫游用戶問候服務，遠程設計服務、平安報信和貨物跟蹤等。目前，國內(nèi)各省和地區(qū)移動公司的短信歡迎系統(tǒng)采用的就是此種技術(shù)。

7.TOA/TDOA定位TOA(TimeofArrival，到達時間)、TDOA(TimeDifferenceofArrival,到達時間差)都是基于電波傳播時間的定位方法。同時也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同時有三個位置已知的基站合作才能進行。如上圖所示,TOA/DTOA定位方法都是通過三對[Positioni,Ti]（i=1,2,3）來確定設備的位置Location。二者的不同只是GetLocation（）函數(shù)的具體算法上的不同。TOA電波到達時間定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到設備到基站i之間的距離Ri，然后根據(jù)幾何只是建立方程組并求解，從而求得Location值。如下圖所示。由于圖中距離的計算完全依賴于時間，因此TOA算法對系統(tǒng)的時間同步要求很高，任何很小的時間誤差都會被放大很多倍，同時由于多徑效應的影響又會帶來很大的誤差，因而單純的TOA在實際中應用很少。DTOA電波到達時間差定位是對TOA定位的改進，與TOA的不同之處在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距離Ri，而是先對T1,T2,T3兩兩求差，然后通過一些巧妙的數(shù)學算法建立方程組并求解，從而得到Location值。如下圖所示。DTOA由于其中巧妙設計的求差過程會抵消其中很大一部分的時間誤差和多徑效應帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。由于DTOA對網(wǎng)絡要求相對較低，并且精度較高，因而目前已經(jīng)成為研究的熱點。

4.AOA定位AOA(AngleofArrival，到達角度)定位是一種兩基站定位方法，基于信號的入射角度進行定位。如上圖所示，知道了基站1到設備之間連線與基準方向的夾角α1，就可以畫出一條射線L1；同樣知道了知道了基站2到設備之間連線與基準方向的夾角α2，就可以畫出一條射線L2。那么L1月L2的交點就是設備的位置。這就是AOA定位的基本數(shù)學原理。用函數(shù)調(diào)用表達如下。Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);AOA定位通過兩直線相交確定位置，不可能有多個交點，避免了定位的模糊性。但是為了測量電磁波的入射角度，接收機必須配備方向性強的天線陣列。5.基于場強的定位該方法是通過測出接收到的信號場強和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號的場強值估計收發(fā)信短的距離，根據(jù)多個三個距離值就可以得到設備的位置。從數(shù)學模型上看，和TOA算法類似，只是獲取距離的方式不同。場強算法雖然簡單，但是由于多徑效應的影響，定位精度較差。6.混合定位混合定位就是同時使用兩種以上的定位方法來進行定位。通過各種定位方法之間結(jié)合使用，互補短長，以達到更高的定位精度。A-GPS定位（輔助GPS定位）就是一種混合定位，是GPS定位技術(shù)與GSM網(wǎng)絡的結(jié)合。A-GPS具有很高的定位精度，目前正被越來越廣泛的使用。

GPS定位作為一種傳統(tǒng)的定位方法，仍是目前應用最廣泛、定位精度最高的定位技術(shù)。但是相對而言，GPS定位成本高（需要終端配備GPS硬件）、定位慢（GPS硬件初始化通常需要3~5分鐘甚至10分鐘以上的時間）、耗電多（需要額外硬件自然耗電多），因此在一些定位精度要求不高，但是定位速度要求較高的場景下，并不是特別適合；同時因為GPS衛(wèi)星信號穿透能力弱，因此在室內(nèi)無法使用（關(guān)于GPS的定位原理可參考GPS定位基本原理淺析）。相比之下，GSM蜂窩基站定位快速、省電、低成本、應用范圍限制小，因此在一些精度要求不高的輕型場景下，也大有用武之地。關(guān)于在WindowsMobile環(huán)境下GPS定位和GSM蜂窩基站定位的相關(guān)開發(fā)技術(shù)，可參考HYPERLINK"/post/2010/03/16/MSDN-Windows-Mobilee5bc80e58f91e69687