基于3G網(wǎng)絡(luò)與GNSS的多模態(tài)組合無(wú)線定位技術(shù)研究

胡新和 楊博雄

(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系, 湖北省咸寧437100；2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079)

1 引言

在 2G/2.5G的網(wǎng)絡(luò)中，由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，高精度定位技術(shù)的應(yīng)用受到局限，3G技術(shù)的日益成熟為移動(dòng)定位技術(shù)的發(fā)展提供了支持。3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定的定位技術(shù)來(lái)獲取移動(dòng)終端的位置信息，可以為移動(dòng)終端用戶提供附加服務(wù)，如應(yīng)用于緊急救援、導(dǎo)航追蹤、運(yùn)輸調(diào)度、移動(dòng)黃頁(yè)等諸多方面。

2 3G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)定位技術(shù)

目前，在 3G網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的移動(dòng)定位技術(shù)有三種：基于小區(qū)標(biāo)識(shí)（CELL-ID）定位技術(shù)、觀察到達(dá)時(shí)間差（OTDOA，Observed Time Difference of Arrival）定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與GNSS聯(lián)合定位技術(shù)。

2.1 基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)標(biāo)識(shí)定位技術(shù)是一種最簡(jiǎn)單的定位技術(shù)，適用于所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)需對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改，就可以向當(dāng)前的移動(dòng)用戶提供自動(dòng)定位業(yè)務(wù)。該技術(shù)根據(jù)移動(dòng)終端所處的蜂窩小區(qū) ID號(hào)來(lái)確定用戶的位置，因此其定位精度完全取決于移動(dòng)終端所處蜂窩小區(qū)半徑的大小，從幾百米到幾十公里不等。與其它技術(shù)相比，該技術(shù)投資較少，定位響應(yīng)時(shí)間較短，一般在3 s以內(nèi)，但其精度最低，誤差較大。

2.2 觀察到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)

觀察達(dá)到時(shí)間差OTDOA定位技術(shù)是一種應(yīng)用于 3G網(wǎng)絡(luò)的定位方式。這種定位技術(shù)通過(guò)移動(dòng)終端測(cè)量不同基站的下行導(dǎo)頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻（TOA，Time of Arrival）實(shí)現(xiàn)定位，其定位精度較高，定位范圍約為 100～200 m。但對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的依賴(lài)性較強(qiáng)，同時(shí)受多徑干擾的影響也較大。OTDOA定位響應(yīng)時(shí)間比 CELL-ID略長(zhǎng)，大約要10 s。該技術(shù)無(wú)需對(duì)手機(jī)進(jìn)行修改而只需修改網(wǎng)絡(luò)，即可直接向現(xiàn)有用戶提供服務(wù)。

2.3 多模聯(lián)合定位技術(shù)

多模聯(lián)合定位技術(shù)是指通過(guò) 3G網(wǎng)絡(luò)基站信息輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) GNSS信息（含GPS、北斗、GLONASS等）來(lái)進(jìn)行移動(dòng)終端位置解算技術(shù)。這種技術(shù)需要網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端都能夠接收 GNSS信息。此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要在其定位精度上，在室外等空曠地區(qū)，正常工作環(huán)境下其精度可達(dá)5～10 m。另一方面，利用網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的輔助信息可以增強(qiáng) TTFF（Time To First Fix），其首次捕獲 GNSS信號(hào)的時(shí)間大大減小，一般僅需幾秒。

3 多模聯(lián)合定位的基本原理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 多模聯(lián)合定位的基本原理

作為一種高精度的移動(dòng)定位技術(shù)，多模定位通過(guò)移動(dòng)終端和 GNSS輔助定位信息（由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供）共同獲取移動(dòng)終端的位置信息，因而需要在移動(dòng)終端內(nèi)增加 GNSS接收機(jī)模塊（或者外接 GNSS接收機(jī)），同時(shí)要在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上加建位置服務(wù)器等設(shè)備。

其定位流程如下：

（1）移動(dòng)終端首先將本身的基站地址通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器。

（2）位置服務(wù)器根據(jù)該終端的大概位置傳輸與該位置相關(guān)的 GNSS輔助信息（捕獲輔助信息、定位輔助信息、靈敏度輔助信息、衛(wèi)星工作狀況信息等）和移動(dòng)終端位置計(jì)算的輔助信息（如 GPS歷書(shū)以及修正數(shù)據(jù)、GPS星歷、GPS導(dǎo)航電文等）。利用這些信息，終端的輔助GNSS模塊可以很快捕獲衛(wèi)星，以提升GNSS信號(hào)的第一鎖定時(shí)間TTFF能力，并接收GNSS原始信號(hào)。

（3）終端在接收到 GNSS原始信號(hào)后解調(diào)信號(hào)，計(jì)算終端到衛(wèi)星的偽距（偽距即受各種GNSS誤差影響的距離）。

（4）若采用網(wǎng)絡(luò)側(cè)計(jì)算，終端將測(cè)量的GPS偽距信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器，位置服務(wù)器根據(jù)傳來(lái)的 GPS偽距信息和來(lái)自其他定位設(shè)備（如差分 GPS基準(zhǔn)站等）的輔助信息完成對(duì) GPS信息的計(jì)算，并估算該終端的位置；若采用終端側(cè)計(jì)算，終端根據(jù)測(cè)量的 GPS偽距信息和網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的其他定位設(shè)備的輔助信息完成對(duì) GPS信息的計(jì)算，把估算的終端位置信息傳給定位服務(wù)器。

（5）位置服務(wù)器將該終端的位置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用平臺(tái)。

多模聯(lián)合定位過(guò)程如圖1所示。整個(gè)方案以3G網(wǎng)絡(luò)為傳輸數(shù)據(jù)方式。輔助接收機(jī)實(shí)時(shí)地從衛(wèi)星處獲得參考數(shù)據(jù)（時(shí)鐘、星歷表、可用星座、參考位置等），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給定位服務(wù)器。當(dāng)移動(dòng)終端需要定位數(shù)據(jù)時(shí)，定位服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)給終端提供輔助數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)其TTFF，提高輔助GNSS接收模塊的靈敏度。

圖1 多模態(tài)聯(lián)合定位的基本原理

3.2 多模聯(lián)合定位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，多模聯(lián)合定位技術(shù)中，可以采用兩種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：控制平面（Control Plane）和用戶平面（User Plane）。

（1）控制平面

控制平面方式中，移動(dòng)定位中心（SMLC，Serving Mobile Location Centre）與無(wú)線基站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC，Radio Network Controllet）集成，GPS輔助信息通過(guò)信令的方式來(lái)交互。移動(dòng)定位網(wǎng)關(guān)（GMLC）位于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)上，負(fù)責(zé)外部定位請(qǐng)求的接入。

由于通過(guò)信令接口在核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸輔助數(shù)據(jù)，因而該結(jié)構(gòu)傳輸效率高且安全可靠，有利于位置服務(wù)的管理和控制。其缺點(diǎn)是 RNC需具有 SMLC功能，會(huì)影響到核心網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)復(fù)雜，成本較高。

（2）用戶平面

用戶平面方式利用現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的 IP功能，通過(guò) IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和 SMLC交互輔助信息，移動(dòng)終端的 UE（User Equipment）直接通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)定位信息從終端到 GMLC的傳遞。其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)由開(kāi)放式移動(dòng)聯(lián)盟（OMA）制定，稱(chēng)為安全用戶層面定位（SUPL）。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以獨(dú)立于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署，無(wú)需無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信令支持，無(wú)需對(duì)無(wú)線核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，且與 2G網(wǎng)絡(luò)兼容，易實(shí)現(xiàn)，成本低，因而推廣迅速。

SUPL定位方式使移動(dòng)終端直接建立從終端到 GMLC的端到端對(duì)話，實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位信息傳遞，并通過(guò) Le接口實(shí)現(xiàn)與服務(wù)提供商的互通。SUPL的典型體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多模聯(lián)合定位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖 2中可以看出，SUPL定位平臺(tái)（SLP）由 SUPL定位中心（SLC）和 SUPL位置中心（SPC）兩部分組成，SUPL定位平臺(tái)和SUPL終端（SET）之間的接口為 LUP（Location User Plane），接口采用 OMA的ULP（User plane Location Protocol）協(xié)議。支持 SUPL接口功能的 SET具備的功能有：私密功能、安全功能、SET預(yù)備功能、輔助信息發(fā)送功能和位置計(jì)算功能等。

4 多模態(tài)聯(lián)合定位的流程與算法

（1）網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程

在 SUPL中，可分為代理模式和非代理模式。在代理模式下，SPC不再直接與 SET通信，而是由SLC作為代理完成SET和SPC之間的通信；在非代理模式下，SPC將直接與 SET進(jìn)行通信。另外，由于終端歸屬地的不同，又可分為漫游和非漫游兩種情況。在這里為了便于討論，只針對(duì)非漫游代理模式的通信過(guò)程做出分析。網(wǎng)絡(luò)端和 SET均可發(fā)起網(wǎng)絡(luò)通信，圖 3給出了由網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的定位通信過(guò)程：

圖3 非漫游代理模式下網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的定位通信過(guò)程

在圖 3中，（A）由 SUPL代理向 H-SLP（Home SLP）發(fā)送一個(gè) MLP SLIR請(qǐng)求消息，該消息中包含 ms-id、client-id和 qop等；（B）H-SLP核實(shí)當(dāng)前目標(biāo)SET沒(méi)有處于SUPL漫游當(dāng)中且支持 SUPL功能；（C）H-SLP使用WAP PUSH或 SMS向 SET發(fā)送一個(gè) SUPL INIT消息，該消息應(yīng)該包括 session-id、posmethod、SLP mode等；（D）SET收到SUPL INIT后，建立與 H-SLP通信的安全數(shù)據(jù)連接；（E）SET向H-SLP發(fā)送一個(gè)SUPL POS INIT消息來(lái)開(kāi)始一個(gè)定位會(huì)話，該消息中包含有 session-id、lid、SET capabilities等，SET可能會(huì)在其中設(shè)置被請(qǐng)求的輔助數(shù)據(jù)；（F）HSLP根據(jù) SUPL POS INIT提供的定位協(xié)議選取相應(yīng)的通信協(xié)議（RRLP/RRC/TIA-801）與SET進(jìn)行連續(xù)的定位數(shù)據(jù)交換。（G）當(dāng)位置信息計(jì)算結(jié)束時(shí)，H-SLP向SET發(fā)送SUPL END消息通知 SET定位會(huì)話結(jié)束，同時(shí) SET釋放和 HSLP之間的安全 IP連接和相關(guān)會(huì)話資源；（H）H-SLP向SUPL代理通過(guò)發(fā)送MLP SLIA消息返回 SET位置信息，同時(shí)釋放所有相關(guān)的會(huì)話資源。

由 SET發(fā)起的定位通信過(guò)程與圖 3所示區(qū)別不大，從（E）開(kāi)始的步驟與圖 3相同，只是在最后發(fā)送 SUPL END消息并釋放相關(guān)資源后，整個(gè)通信過(guò)程結(jié)束。不同的是SUPL代理可與 SET集成，SET首先建立與 H-SLP的安全數(shù)據(jù)連接，而后向 H-SLP發(fā)送 SUPL START消息，H-SLP在核實(shí)當(dāng)前目標(biāo) SET沒(méi)有處于SUPL漫游當(dāng)中且支持 SUPL功能后，發(fā)送SUPL RESPONSE消息作為對(duì) SUPL START消息的回應(yīng)。由 SET發(fā)起的定位通信過(guò)程如圖 4所示：

圖4 非漫游代理模式下SET發(fā)起的定位通信過(guò)程

（2）計(jì)算方法

多模態(tài)聯(lián)合定位計(jì)算可以分為 MS-Based方式和MS-Assisted方式。在 MS-Based方式中，計(jì)算由終端完成；而在 MS-Assisted方式中，定位計(jì)算由網(wǎng)絡(luò)基于SET提供的測(cè)量數(shù)據(jù)完成。

兩種定位計(jì)算方法各有利弊：MS-Assisted的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)終端的要求低，但具有時(shí)延較大、不適合高速行駛情況下的定位等缺點(diǎn)。相比而言，MS-Based方法的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)小且定位時(shí)延?。贿m合短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)定位情況；在網(wǎng)絡(luò)不能提供輔助的情況下，可以使用 GPS功能來(lái)定位，因而可靠性高；此方式下無(wú)需核心網(wǎng)絡(luò)作任何改進(jìn)，成本較低?？傮w而言，MS-Based方式是比較可取的定位方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信市場(chǎng)日益發(fā)展，特別是隨著3G商用的臨近，中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通都制訂和推出了各自的聯(lián)合定位技術(shù)方案。

多模聯(lián)合定位技術(shù)的主要功能是能夠?yàn)榻K端用戶提供高精度的位置信息。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商采用多模聯(lián)合定位技術(shù)提供的位置服務(wù)后，終端用戶可以方便快捷地獲知自己或他人當(dāng)前所處的位置，特別適用于車(chē)輛跟蹤與導(dǎo)航系統(tǒng)以及具有特殊任務(wù)的車(chē)輛（運(yùn)鈔車(chē)、救護(hù)車(chē)、消防車(chē)等），能夠大幅度提高車(chē)輛安全、運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。

[1] Junsong Xie, etc. Comments on “Effect of system imperfections on BER performance of a CDMA receiver with multipath diversity combining”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 52, No.5, Sep. 2003, pp. 1414-1415.

[2] Junsong Xie, etc. Downlink transmission performance of WCDMA based IMT-2000 with coherent rake combing. 2001 IEEE International Conference on Third Generation Wireless and Beyond, San Francisco, USA, May 31, 2001,pp.991-994

[3] Junsong Xie, etc. Analysis and simulation of 3GPP based WCDMA multi-rate downlink data transmission. The First IEEE International Workshop on Sequence Design and Applications for CDMA Systems, Sep. 24th, 2001, pp. 271-280

[4] Junsong Xie, etc. Throughput maximization of adaptive MQAM and the effects of inaccurate feedback channel estimation. the 4th IEEE international conference on parallel and distributed computing, applications and technologies, ISBN:0-7803-7840-7, Aug. 27-29, 2003, pp. 404-407.

[5] 周建彬, 周旭, 丁巖軍. 3G中的 A-GPS移動(dòng)定位技術(shù). 移動(dòng)通信, 2006,(8).