基于GSM系統(tǒng)的精確定位技術(shù)研究

吳呈海

(中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司福建分公司 福州 350007)

基于GSM系統(tǒng)的精確定位技術(shù)研究

吳呈海

(中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司福建分公司 福州 350007)

GSM系統(tǒng)定位技術(shù)最常用的是CELL ID的定位技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用TA、鄰區(qū)關(guān)系和服務(wù)小區(qū)及鄰區(qū)電平來修正定位區(qū)域，可以大大提高定位的精確度甚至直接定位到用戶。

GSM；CI；TA；鄰區(qū)；精確；定位

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷升級(jí)，各種增值業(yè)務(wù)得到了長足的發(fā)展，包括移動(dòng)定位技術(shù)。通過移動(dòng)定位技術(shù)與GIS的應(yīng)用，可以為用戶提供較多的服務(wù)，主要有：安全服務(wù)，如定位學(xué)生和老人的位置；信息服務(wù)，如在外地可以定位所在的位置，周圍有哪些餐館、銀行等；導(dǎo)航服務(wù)，如為汽車提供導(dǎo)航服務(wù)；追蹤服務(wù)，如定位長途車汽車的位置等。GSM系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的是小區(qū)CI定位，精確度低。

1 查找小區(qū)

要查MS所處位置，首先要知道MS所處的小區(qū)。VLR就存儲(chǔ)著MS的相關(guān)信息，VLR動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)著位于其管轄區(qū)內(nèi)的拜訪用戶信息的數(shù)據(jù)庫。在MSC服務(wù)器里，通過MML，使用命令DSP USRINF可以顯示用戶在本地VLR的基本數(shù)據(jù)，如使用DSP USRINF:UNT=MSISDN,D=K'8615605917618；可以得到用戶的動(dòng)態(tài)信息，如圖1所示，其中小區(qū)號(hào)＝46001－3822－3327，包含了 MCC、MNC、LAC 和 CI。

2 CELL ID定位

CELL ID簡(jiǎn)稱CI，由16位組成，換算成十進(jìn)制最大是65535，現(xiàn)使用的ID號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于這個(gè)數(shù)，CI是由運(yùn)營商分配的，一般一個(gè)地市CI的最左1位是固定的，如最左是1或 2開頭的 5位；一般 GSM900最右用 1～3，如 15033，而DCS1800則用4以上，如15036。同一地市的不同地方，它的CI是惟一的，因此通過CI就可以定位到具體的服務(wù)小區(qū)。

知道CI，只能定位手機(jī)在小區(qū)的覆蓋區(qū)域內(nèi)。在定位覆蓋區(qū)域的時(shí)候，需要考慮信號(hào)的覆蓋不是完全按理論計(jì)算的區(qū)域，而是與天線型號(hào)、天線掛高、天線的垂直半功率角、天線的水平半功率角、天線的下傾角等息息相關(guān)，同時(shí)要考慮下傾角過大導(dǎo)致信號(hào)覆蓋變形。真實(shí)的無線環(huán)境要比理論復(fù)雜得多，在城區(qū)，小區(qū)對(duì)MS的服務(wù)范圍，正常情況下不可能像單小區(qū)的覆蓋區(qū)域一樣大。同時(shí)，也要考慮切換參數(shù)設(shè)置不合理和周圍環(huán)境影響，導(dǎo)致手機(jī)越區(qū)覆蓋的情況，如圖2所示。

在室內(nèi)分布的情況下，利用CI的定位方法校準(zhǔn)，可以將用戶定位在覆蓋區(qū)域，一般能精確到所覆蓋的樓層。

為了將手機(jī)定位到更小的區(qū)域，可以用CELL ID+TA的方法將用戶定位在一個(gè)更小的扇形或圓環(huán)區(qū)域內(nèi)。

3 TA定位

所謂 TA（timing advance）就是時(shí)間提前量，是指移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)基站的實(shí)際時(shí)間和假設(shè)該移動(dòng)臺(tái)與基站距離為0時(shí)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間差值。在華為的LMT配置中，正常情況下，TA最大值可以設(shè)置為63，也就是時(shí)間提前的編碼為0～63 bit，在使用二時(shí)隙擴(kuò)展小區(qū)技術(shù)，TA最大值可以設(shè)置為219，也就是63＋156 bit。TA與時(shí)間同步有直接關(guān)系。

3.1 主叫TA測(cè)量

為了徹底理解TA測(cè)量值，必須了解TA值是如何測(cè)量出來的。TA值的測(cè)量與呼叫息息相關(guān)，以下以主叫為例，如圖3所示，說明TA的測(cè)量。

手機(jī)主叫時(shí)發(fā)起的第一條消息是Channel request消息，承載該信息的是RACH信道，目的是發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求，第一次RACH上傳的信息里包含TA為0的信息，通過 CCCH信道下發(fā)給MS，MS再以RACH幀上傳消息至BTS。當(dāng)BTS再次接收到突發(fā)脈沖序列信息，比較前后兩次突發(fā)脈沖序列得到交錯(cuò)偏移量（以bit為單位），偏移量即是TA值。

這之后，TA信息主要在SACCH信道中進(jìn)行傳遞 （如果沒有切換），也就是在Measurement Result的 actualtiming-advance的信息中。

3.2 TA的計(jì)算

在TCH信道被分配后，在上行的SACCH信道上可以查到TA值，因?yàn)?個(gè)SACCH復(fù)幀組成一個(gè)測(cè)量報(bào)告，因此在CS域單用戶跟蹤上行的Measurement Result消息中的actual-timing-advance:0x0(n)中知道TA值為n。對(duì)應(yīng)的MS與基站的距離如式（1）。

其中n的單位是bit,c的單位是m,如果n=1，則L＝555 m。如果測(cè)量報(bào)告準(zhǔn)確的話，MS與基站天線的距離為555～1 110 m。正常情況下，TA最大值可以設(shè)置為63，也就是MS與基站最大距離約為35 km，如果使用二時(shí)隙擴(kuò)展小區(qū)技術(shù)，TA最大值可以設(shè)置為219，這時(shí)MS與基站最大距離大約為120 km[1]。

當(dāng)采用CELL+TA位置定位方式時(shí)，MS的位置在一個(gè)圓環(huán)內(nèi)。實(shí)際用戶與基站的水平距離D通過式（2）得到：

如果H比較高，L－H＜550 m的話，用戶可能在基站底下。如果n>0，而基站不是高站，則，如式（1）的 n=2，站高40 m，D＝1109 m，與L基本相等，對(duì)精確定位沒有影響。

4 修正

采用CELL+TA位置定位方式只能將用戶定位在一個(gè)圓弧中，如果TA比較大的話，范圍是相當(dāng)大的，有兩種方法可以有效地減少范圍。

4.1 鄰區(qū)修正

采用鄰區(qū)修正辦法，可以減少用戶活動(dòng)區(qū)域的范圍。在用戶的呼叫消息中，有大量的Measurement Result,如圖4所示。

該消息中有大量的用戶與周邊基站的測(cè)量報(bào)告，鄰區(qū)的相關(guān)信息就在其中。

表1 measurement result內(nèi)容

如：索引號(hào)為580的測(cè)量報(bào)告消息measurement result中的6個(gè)鄰區(qū)信息為：到小區(qū)索引號(hào)，再通過載頻號(hào)可以得到當(dāng)前小區(qū)為福州鼓樓五洲大廈1800-2，小區(qū)索引號(hào)為21。從現(xiàn)網(wǎng)中導(dǎo)出該小區(qū)的鄰區(qū)關(guān)系及鄰區(qū)BCCH和BSIC信息見表2。

將BCCH從小到大排序，并從0起始由小到大排序（如BCCH相同則序號(hào)不變），具體見表2。

以表1中的BCCH（十進(jìn)制）為序號(hào)，在表2的排序表中依次找到，其所對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)即為相應(yīng)的頻點(diǎn)，即在Abis口信令的測(cè)量報(bào)告消息中顯示的十進(jìn)制鄰區(qū)頻點(diǎn)應(yīng)是BA2表BCCH排序后的索引號(hào)序號(hào)，即就是BA2表頻點(diǎn)按照從小到大的排序后對(duì)應(yīng)的從0開始的索引表序號(hào)。如果同頻，在measurement result消息中顯示的十進(jìn)制BSIC與“福州鼓樓五洲大廈1800-2”的鄰區(qū)信息表的BSIC（十進(jìn)制）一致的就是其鄰區(qū)。序號(hào)23的BISC為34，但測(cè)量的是36，可能是工參有變或是測(cè)量有誤。

于是可以得到MS的服務(wù)小區(qū)是“福州鼓樓五洲大廈1800-2”，最強(qiáng)的鄰小區(qū)信息見表3。

從鄰區(qū)關(guān)系來看，該用戶應(yīng)該在新華都百貨附近，尤其可能在路上，Cell+TA范圍的南邊，如圖5所示。

4.2 電平修正

根據(jù)measuremnet result可以知道服務(wù)區(qū)“福州鼓樓五洲大廈1800-2”的電平值在－61dBm。通過6個(gè)鄰區(qū)信息，可以知道“福州鼓樓五洲大廈1800-2”鄰區(qū)的電平值，見表4。

表2 “福州鼓樓五洲大廈1800-2”的鄰區(qū)信息表及BA2排序表

表3 MS最強(qiáng)的鄰小區(qū)

表4 MS最強(qiáng)的鄰小區(qū)電平值

通過華為U-NET仿真，如圖6所示，可以知道“福州鼓樓五洲大廈1800-2”及鄰區(qū)的電平分布仿真。

通過仿真圖可以看出，鄰區(qū)中福州鼓樓五洲大廈1800-2的電平為－61 dBm，在仿真圖上找不到，這是由于仿真圖沒有考慮建筑物損耗所造成。

不過通過 [福州鼓樓雙拋橋1800-1]的電平值－47 dBm和[福州鼓樓五洲大廈900-2]的電平值－47 dBm，可以知道用戶在這兩個(gè)小區(qū)的中間位置；通過 [福州鼓樓閩輝大廈1800-3]的電平值－51 dBm和 [福州鼓樓富興賓館900-2]的電平值-53 dBm可以推出用戶與該站可視，而且距離比較近，從這些條件可以看出，用戶在雙拋橋上的概率比較大。

通過各鄰區(qū)電平，可以大體知道用戶的相對(duì)位置，要完全定位用戶的精確位置，定位的工程師必須十分清楚該地GSM工參和周圍的環(huán)境。如果是Indoor的室內(nèi)分布，電平在－50 dBm以上，可以定位用戶就在室內(nèi)分布天線旁邊；電平在－70 dBm左右，可以定位用戶就在室內(nèi)分布的同層；電平小于－80dBm，可以定位用戶在拐角處或在不同層，也可能在門口。

5 結(jié)束語

GSM系統(tǒng)的定位是一個(gè)系統(tǒng)的工程，其精確定位更是一個(gè)需要多個(gè)參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)的課題。在定位中，可以查找用戶的CELL ID以確定用戶的大體位置，位置范圍視天線的覆蓋范圍而定。利用CELL ID＋TA，可以使精確度提高到一個(gè)圓弧或扇形的區(qū)域，較大范圍地縮小定位區(qū)域。通過跟蹤用戶的呼叫消息，可以方便地知道用戶的服務(wù)小區(qū)及其鄰區(qū)關(guān)系，通過鄰區(qū)可以將定位區(qū)域更進(jìn)一步縮小，使定位區(qū)域在TA范圍的某一方向。再通過電平修正，可以將鄰區(qū)修正的區(qū)域進(jìn)一步縮小，甚至定位到用戶所在的地點(diǎn)。

2010－07－05）