基于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。

　　A-GPS定位有两种方式：UE(用户设备)辅助的A-GPS方法，UE只提供卫星的伪距测量，位置计算由网络完成;基于终端的A-GPS方法，终端要完成测量及位置计算。基于终端的A-GPS方法要提供GPS测量的辅助信息和与位置计算有关的辅助信息。

　　5、3GPP标准关于无线资源控制子层定位的描述。

　　3GPP对第三代移动通信系统技术中的定位标准作了较为详尽的规定。在空中接口的无线资源控制层协议中规定了基于UE(用户设备)端的定位测量，报告标准，定位报告量，以及基于UE/UE辅助定位的OTDOA方法或者GPS辅助数据定位数据等参数。无线资源控制层处理用户终端和无线接入网之间在第3层控制面的信令以及和更高层(非接入层)之间的关系，如图3所示[2]。

　　图3　Uu接口的RRC与低层的交互动作

　　由图3可知，RRC层和低层(L1物理层，L2数据链路层)所有协议实体间存在控制接口，RRC通过这些接口和相应原语对低层进行配置和传输一些控制命令，同时低层通过这些接口报告相应的测量报告和状态，供RRC决策采用。其中，RRC层将根据来自物理层的信息(方位和距离)进行UE定位。具体定位流程如下所述[6,7]。

　　5.1　定位业务的测量过程。

　　测量是移动通信系统必备的功能。UE的测量和报告程序受UTRAN(通用陆地无线接入网)网络控制。通过测量命令和测量报告，网络可以指示UE 要进行哪些方面的测量。UE定位测量依据于所选的定位方法和方式类型(在信息单元“UE定位报告参量”中获得)，有3种可选的测量方式：帧间观测时间差类型2测量、收发时间差类型2测量、GPS蜂窝帧定时类型2测量等3类(其余的GPS测量方法不在标准范围内)。

　　其中类型2的定义为从小区i所接收到的P_CPICH时刻和从小区j接收到P_CPICH时刻的时间差，主要作用于手机定位，它包含了活动小区里每一个无线连接的时间差(以码片为计算单位)。参考路径以最早到达手机的路径为准。

　　在测量控制信息中的IE“UE定位报告标准”中，UTRAN将通知UE应该触发哪一个测量报告事件，测量报告的内容同样依据定位依据于所选的定位方法和方式类型(在信息单元“UE定位报告参量”中获得)。

　　5.2　UE定位报告标准及参量

　　如果IE(信息单元)包括“UE定位报告标准”，UE将执行如上所述的测量并在时间间隔估计定位事件并指示在信息单元“测量间隔”中。而执行定位的报告参量将由如下部分组成：

　　5.2.1　如果IE包括的：“水平精度”和/或“垂直精度”

　　要求在67%的概率下定位精度达到请求水平。

　　5.2.2　IE中“定位方法”和“方式种类”的设置

　　IE“定位方法”的设置可选的有：

　　①Cell ID

　　② OTDOA

　　③A-GPS.

　　IE“方式种类”的设置可选的有：

　　①基于UE定位

　　②UE辅助定位

　　③UE辅助定位首选允许基于UE定位或基于UE定位首选允许UE辅助定位(其中③的选择将依据UE的选择为准)。

　　5.2.3　检查“定位方法”和“方式种类”设置并设置变量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”

　　变量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”　(设置不完善)将在一些设置错误的情况下被置为“TRUE”。如根据UE的功能，如果UE不支持“基于UE”的OTDOA方式，而又将IE“定位方法”和“方法类型”分别置为“OTDOA”和“基于UE”的情况下，上述变量将被置为 “TRUE”。

　　5.3　UE定位的报告数据

　　3GPP在RRC层协议中对几种定位方式的数据做了规定，主要有基于UE定位的OTDOA辅助数据，基于UE辅助定位的OTDOA辅助数据，GPS辅助数据定位等，下面以GPS辅助定位为例，详细阐述其定位数据的报告。

　　5.3.1　GPS辅助的手机定位

　　手机可能在系统消息块(type 15，15.1，15.2

　　，15.3)、ASSISTANCE DATA DELIVERY信息或者测量控制信息中接收到GPS辅助数据。如果IE中包括“GPS辅助的手机定位”，UE将对变量 UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：删除所有当前存储在变量中的信息并重新存储接收到的信息，然后将IE“GPS TOW msec”存储在变量中。

　　当IE中包括 “SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”时，同样将这些IE置入变量UE_POSITIONING_GPS_DATA，并执行如下判断：

　　①如果IE中包括“Primary CPICH Info”(针对FDD模式)或者“cell parameters id”(针对TDD模式)，将利用IE“SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”去估计GPS时间和由“Primary CPICH info”or“cell parameters id”指示的小区的NODE B传送的空中接口时间二者的关系。

　　②如果IE中不包括“Primary CPICH Info”(针对FDD模式)或者“cell parameters id”(针对TDD模式)，且UE不处于CELL_DCH状态，将利用IE“SFN”和“UTRAN GPS timing of cell frames”去估计GPS时间和服务小区的NODE B传送的空中接口时间二者的联系。

　　5.3.2　UE定位的GPS历书

　　如果IE中包含“UE positioning GPS Almanac”，UE将根据IE“Sat ID”指示的位置将GPS历书信息存储到IE“UE Positioning GPS Almanac”中UEPOSITIONING_GPS_DATA变量。

　　5.3.3　UE定位的D-GPS修正

　　如果IE中包含“UE Positioning GPS DGPS corrections”，(UE定位的差分GPS修正，UE将对变量UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新：删除所有当前存储在变量中的信息并重新存储接收到的信息，然后使用IE“GPS TOW sec”去确定计算差分修正的计算时刻和利用IE“Status/Health”去确定差分修正的状态。

　　5.3.4　UE定位的GPS导航模型

　　使用IE“Satellite Status”确定是否有IE“UE positioning GPS Ephemeris and Clock Correction parameters”的更新提供给有IE“SAT ID”指示的卫星，如果有相应的信息，将存储GPS历书和时钟修正参数。

　　5.3.5　UE定位的GPS参考时间

　　如果IE中包含“UE positioning GPS reference time”，UE将存储“GPS Week”在“UE positioning GPS reference time”中的变量UE_POSITIONING_GPS_DATA并将其作为GPS当前的周时。

　　5.3.6　UE定位的计算信息

　　如果UE接收到在系统消息中广播的从更高层传来的GPS辅助数据的解密信息，　将当前解密钥存储在IE“Current deciphering key”的变量UE _POSITIONING_GPS_DATA中，将下一个解密钥存储在IE“Next deciphering key”的变量UE_POSITIONING_GPS_DATA并且将解密钥标志位 也存入变量UE_POSITIONING_GPS_DATA中。按如下方式选择两个解密信息的一个存入变量UE_POSITIONING_GPS_DATA：若接收到的IE“Ciphering Key Flag”值与以前存储在变量UE_POSITIONING_GPS_DATA中的IE“Ciphering Key Flag”值相等，则选择解密钥，反之则选择下一个解密钥。

　　5.4　UE定位错误

　　UE定位过程中会出现一些错误情况，错误原因由IE“UE positioning Error”指示，可能的错误原因有：

　　5.4.1　设置IE“Positioning Methods”为OTDOA方式

　　当接收不到相邻小区OTDOA值的时候，IE将被设置为“Not Enough OTDOA Cells”

　　5.4.2　设置IE“Positioning Methods”为GPS方式

　　当没有接收到足够多的卫星时，设置IE“Error reason”为“Not Enough GPS Satellites”;

　　当GPS辅助数据丢失时，置IE“Error reason”为“Assis

　　tance Data Missing”。

　　当UE不能测量出被请求的GPS蜂窝帧定时，将置IE“Error reason”为“Not Accomplished GPS Timing Of Cell Frames”

　　6、结束语

　　定位业务在3GPP中被看成是3G网络的附加功能，可以通过在已有的网络信令中添加必要的指令来实现。定位的相关消息采用无线信令来承载，与协议栈有关，其缺点是需要对3G移动通信网络中的网元，包括对NODE B、RNC、HLR等相关设备和接口进行较大的修改。但它的优点是定位消息采用信令来承载，响应速度快，可靠性高，适用于对定位时延要求较高的业务中，如基于位置的公共安全业务等。

　　目前，3GPP组织仍然在对LCS业务的各项规范作不断的制定和完善，各个运营商也对位置服务的开展表现出了浓厚的兴趣，积极的参与到标准的制定与产品的开发中位置业务将是一项非常有前景的无线增值业务，这项业务必将成为第三代移动通信系统应用中的一个亮点。