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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)