第三代移动通信系统的定位技术研究

1、引言

为了满足对通信个人化及高速数据业务的迫切需要，第三代移动通信系统的标准(IMT-2000)制定和产品开发已成为全世界通信领域的热点，实现移动终端的无线定位则是IMT-2000中一个重要研究课题。根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，到2001年10月，所有蜂窝电话、个人通信系统、专用移动无线电的移动网络许可运营商将以可定位概率67%，误差为125 m的精度要求为请求E-911的移动用户提供位置信息[1]。

利用第三代移动通信系统将进一步提高定位精度。目前蜂窝网无线定位技术就算法来说已经较为完善，目前的研究热点主要集中在以下几个方面：

(1)基于3GPP协议的定位结构的设计。在第三代移动通信系统网络全面铺开后，基于3GPP协议，采用何种网络结构进行定位既能保证定位精度，又能尽可能少的改动网络结构的研究成为热点。

(2)定位参数的提取。由于受多径传播、非视距传播和多址干扰的影响，使得精确的定位参数提取比较困难。

目前已提出的多种算法对以上3种误差进行抑制，但在建筑物较多的繁华市区定位精度仍不理想。

(3)对移动台跟踪服务研究。当移动台处于移动状态时，分次单独定位容易出现各次定位计算结构相差较大，运动轨迹不连续。因此对移动台跟踪定位的研究显得非常迫切。

本文将围绕第3代移动通信系统的定位结构，定位方法，重点是基于3GPP协议框架下的定位流程进行分析。

2、3G定位业务系统的结构

如图1所示，是具有定位功能的第三代移动通信系统结构图[1,3]。图1简要描述了LCS客户、服务器与核心网之间的关系。LCS模块与CN之间通过Iu接口进行通信，LCS模块之间利用网络已有的信息提供能力和信令能力进行通信。作为服务的一部分，网络还应该具备对不合法用户设备进行定位的能力，以及对同时出现的多个LCS客户提供服务的能力，各部分单元功能如下：GMLC(网关移动定位中心)接收LCS Client。发出的对某移动定位用户的路由信息，将定位请求发送到MSC/SGSN，再由无线接入网对终端(或辅助终端自己完成)定位。SMLC(服务移动定位中心)用于支持高精度定位业务，主要完成接入网侧的定位流程控制、位置计算、网络测量管理以及无线资源管理。3GPP协议规定的SMLC可以集成在RNC中，也可独立设置。LMU(位置测量单元)是逻辑定位实体，主要完成网络的下行同步校准和无线测量功能。LMU负责无线测量，把测量结果通知给 RNC。

图1　具有定位功能的3G网络结构

3、定位的信令流程

定位信令流程如图2所示，可简单描述定位描述如下[4]：LCS Client向GMLC发定位请求后，GMLC向HLR获取被定位用户目前所处的MSC/SGSN地址，然后GLMC向该MSC/SGSN发起定位请求， MSC/SGSN调用无线接入网中的定位网元(包括SMLC、RNC、Node B，LMU等)执行此次定位操作，网络采用合适的定位方法计算出用户经纬度后，返回定位报告，由LCS Client对经纬度信息进行处理后以合适的形式(如MMS，WAP PUSH等)返回给用户。

图2　定位流程

4、基于第三代移动通信系统的几种定位方法

定位业务和定位精度密切相关。3GPP定位功能的实现是基于控制层面的(Control Plane)。针对第三代移动通信的不同制式有不同的定位方法：CDMA2000主要继承了IS-95系统和CDMA 1x系统的定位技术，采用了基于CELL-ID、基于场强定位和EOTD等技术得到了一定程度的应用。以及CDMA 1x系统中的AGPS和基于TDOA的定位技术。TD-SCDMA系统则由于采用智能天线系统和上行同步CDMA技术，在定位方面具有一定的优势，主要技术包括：RTD+AOA、OTDOA-RTD等，WCDMA系统则主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技术等。下面着重介绍第三代移动通信系统使用比较成熟的3种定位方法：

Cell-ID/Cell-ID+RTT(Round Trip Time)、OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)和A-GPS(Assisted Global Positioning Systems)

4.1　基于蜂窝小区ID的定位方法

此定位方法依靠SRNC确定覆盖目标MS的蜂窝小区ID，MS的位置由其服务结点B的有关路由信息获得。服务结点B和小区的信息可以通过寻呼、定位区域更新、小区更新、URA更新或路由区域更新等来获得[4]。Cell-ID方式可以用系统提供的测量参数来提高定位精度。FDD系统通过RTT(往返时间)测量来计算UE到基站的距离;TDD系统通过对Rx Timing D eviation(Rx定时偏差)、AOA(到达方位角)和TA(定时提前)测量来得到用户具体位置。

4.2　OTDOA—IPDL定位法

下行(Downlink)OTDOA定位法利用在MS测得的多个结点B发射的电波传播时间偏差，结合发射机地理位置坐标、LMU测出的各个下行信号发射的实际时间偏差(RTD)等信息来确定目标MS的地理位置[5]。由于在CDMA蜂窝网中存在远近效应，而系统利用功率控制来克服这一影响，使得离基站较近的UE受基站强信号的干扰，移动台难以检测到其它基站的信号，不能满足测量到至少3个基站的要求，对测量TOA或TDOA的能力影响极大。对此，3GPP中提出了设置下行空闲周期(IPDL)的OTDOA定位法：在空闲时间内各NODEB只发射导频信号，停止其他业务信道信号的发射，提高了MS对临近非服务NODEB的监听能力，能准确的检测出多个TDOA值。 OTDOA-IPDL的一种改进技术是TA-IPDL技术[3]:MS周围基站(包括服务基站)同时停止所有信号的发送，进入空闲周期。在空闲周期，每个基站伪随机的选择发送定位信号或者不发送信号(该定位信号即公共导频信号或BCH信号只对定位有用)。移动台在期间检测所有基站信号并求得基站间信号到代时间差。

4.3　网络辅助GPS定位

GPS全球定位系统基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置[3]。这种方法在气候条件良好时可以达到5～40 m的精度，能够满足大多数的定位业务要求。但是，这种方法用于对手机定位的初次定位时间通常需要10多分钟以上，定位的速度太慢，达不到商用的要求，为此在传统的GPS的基础上，这种将GPS与蜂窝通信网结合的定位方法A-GPS技术：建立能够持续对GPS卫星信号进行监测的GPS参考接收网络，该网络把获得的原始信息处理后成为GPS辅助信息，通过UMTS网络发送给终端GPS接收设备，确定手机的位置。