第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)終端定位技術(shù)簡(jiǎn)述

李學(xué)斌

（廣東省公安廳警衛(wèi)局，廣東 廣州 510080）

1 概述

LTE系統(tǒng)為了提供位置業(yè)務(wù)，引入了定位特性，且同時(shí)支持控制面定位和用戶面定位。控制面的定位由3GPP負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化，主要是通過控制信令來定位相關(guān)的信息傳輸；用戶面的定位則由OMA（Open Mobile Alliance）組織進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，是指對(duì)OMASUPL（Secure User Plane Location）協(xié)議的支持，即定位相關(guān)信息可以通過OMA SUPL協(xié)議進(jìn)行傳輸，該信息在用戶面?zhèn)鬏敗?/p>

LTE的定位架構(gòu)如圖1所示。主要涉及的實(shí)體如下：

圖1 LTE的定位架構(gòu)圖

E-SMLC:演進(jìn)的服務(wù)移動(dòng)位置中心，將客戶端請(qǐng)求的位置要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的UTRAN參數(shù)，并選擇定位方法。對(duì)返回的位置估計(jì)計(jì)算最終結(jié)果和精度。

LCS Client:定位服務(wù)客戶端。

MME：為L(zhǎng)CS業(yè)務(wù)提供移動(dòng)性管理功能，包括向ESMLC/GMLC通報(bào)UE的移動(dòng)。

SLP：SUPL Location Platform,SUPL服務(wù)器，使用SUPL協(xié)議與UE進(jìn)行定位及相關(guān)信息的交互。

該架構(gòu)同時(shí)支持控制面定位和用戶面定位?？刂泼娑ㄎ坏木W(wǎng)絡(luò)側(cè)服務(wù)器為E-SMLC，由用戶終端（UE）和/或基站（eNB）的接入層參與（提供輔助數(shù)據(jù)或者測(cè)量結(jié)果等），共同完成對(duì)終端的定位功能。UE和定位計(jì)算中心之間的定位協(xié)議是LPP（LTE Positioning Protocol）；基站和定位計(jì)算中心之間的定位協(xié)議是LPPa（LTE Position Protocol A）。用戶面定位是運(yùn)行在應(yīng)用層上的，使用用戶面定位時(shí)并不要求終端支持控制面定位。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的服務(wù)器為SLP，使用SUPL協(xié)議與UE進(jìn)行定位及相關(guān)信息的交互。

2 控制面定位方案

2.1 聯(lián)合時(shí)延及波達(dá)角估計(jì)定位技術(shù)

移動(dòng)通信基站一般采用固定架設(shè)的方法，因此一個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的地理位置。小區(qū)ID定位方法是基于小區(qū)覆蓋的定位方法，采用已知的服務(wù)小區(qū)地理信息，估計(jì)目標(biāo)UE的位置。該服務(wù)小區(qū)信息可以通過尋呼和跟蹤區(qū)（Tracking Area）更新等方式獲得。在小區(qū)ID定位方法的基礎(chǔ)上考慮定時(shí)提前量（TA）以及來波方向的因素，可以達(dá)到更精確的定位目的，此方案中稱為TA+AoA增強(qiáng)小區(qū)ID定位方法。

方案的工作原理如下：在LTE中，TA的獲得可以通過專用隨機(jī)接入過程由eNB測(cè)量得到。TA乘以光速除以2，表示了UE同eNB之間的距離，UE就處于以eNB為圓心、UE和eNB距離為半徑的圓周上。這時(shí)額外根據(jù)AoA的角度信息就可以獲得終端的位置信息，如圖2所示。

圖2TA+AoA定位原理

使用TA+AOA的方法主要涉及以下流程：獲得終端的測(cè)量能力，定位服務(wù)器決定所需的測(cè)量，基站啟動(dòng)相關(guān)測(cè)量，基站上報(bào)相關(guān)測(cè)量結(jié)果和位置信息，定位服務(wù)器進(jìn)行位置計(jì)算。

該過程如圖3包括如下步驟：

步驟1：某個(gè)定位服務(wù)的客戶端（LCS Client）向MME發(fā)起定位請(qǐng)求，請(qǐng)求獲取某個(gè)UE的位置信息，該UE可以是支持定位業(yè)務(wù)的終端也可以是不支持定位業(yè)務(wù)的終端。

步驟2：MME向E-SMLC發(fā)起定位請(qǐng)求。

步驟3a/3b:E-SMLC查詢并獲取UE的定位能力信息；如果該UE不支持定位，則該步驟省略。

步驟4a/4b/4c:E-SMLC獲取基站的相關(guān)測(cè)量結(jié)果以及服務(wù)小區(qū)的信息。

步驟5a/5b:根據(jù)E-SMLC的請(qǐng)求，基站通過PDCCH命令通知UE發(fā)起非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過程獲得TA，同時(shí)觸發(fā)物理層AoA的測(cè)量。

步驟6：E-SMLC根據(jù)基站的測(cè)量結(jié)果以及其它各方面的輸入，計(jì)算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結(jié)果（位置信息）發(fā)給MME。

步驟8：MME將定位結(jié)果發(fā)給MME。

步驟9：MME將定位結(jié)果發(fā)給LCS Client,不排除LCS Client就是被定位的用戶本身的可能性。

圖3TA+AoA定位流程圖

2.2 到達(dá)時(shí)間差定位法

到達(dá)時(shí)間差定位法（OTDOA）通過檢測(cè)3個(gè)不同基站信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來確定UE位置。確定UE位置需要基站發(fā)送的時(shí)間差及各基站的位置坐標(biāo)作為輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由OAM直接配置給E-SMLC，若需要?jiǎng)討B(tài)更新，E-SMLC可以通過LPPa獲得這些輔助數(shù)據(jù)信息。為了獲得精確定位，OTDOA方法要求同時(shí)有三個(gè)以上的基站參與定位參數(shù)RSTD（Reference Signal Time Difference）的測(cè)量?？紤]到UE使用公共參考信號(hào)下行檢測(cè)鄰基站信號(hào)性能不一定好，LTE系統(tǒng)中引入了定位參考信號(hào)（PRS,Positioning Reference Signalling），專用于OTDOA定位方法中UE測(cè)量基站信號(hào)。

E-SMLC獲得各測(cè)量小區(qū)的PRS子幀配置的方式同其它輔助數(shù)據(jù)一樣，一般通過OAM直接進(jìn)行配置。而UE在OTDOA定位過程中，可以通過LPP的輔助數(shù)據(jù)傳輸功能，從E-SMLC獲得測(cè)量小區(qū)集的PRS子幀配置。

現(xiàn)有的OTDOA定位只支持UE輔助的OTDOA的定位方法，即最終的位置計(jì)算是在定位計(jì)算中心進(jìn)行的。定位過程的基本流程是：網(wǎng)絡(luò)獲取UE的定位能力，網(wǎng)絡(luò)提供輔助數(shù)據(jù)，UE提供定位測(cè)量結(jié)果，定位結(jié)果計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)觸發(fā)定位請(qǐng)求的流程圖如圖4所示：

圖4 網(wǎng)絡(luò)側(cè)觸發(fā)定位請(qǐng)求的定位流程圖

步驟1：定位需求方（LCS Client）向MME發(fā)起一個(gè)定位請(qǐng)求，希望獲取UE的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發(fā)起定位請(qǐng)求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢并獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請(qǐng)求并獲得E-SMLC提供輔助數(shù)據(jù)。

步驟5a/5b：E-SMLC請(qǐng)求并獲得UE的位置信息，主要包括相關(guān)的測(cè)量結(jié)果。

步驟6：E-SMLC根據(jù)UE的測(cè)量結(jié)果以及其它的各方面輸入，計(jì)算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結(jié)果（位置信息）發(fā)給MME。步驟8：MME將定位結(jié)果（位置信息）發(fā)給UE。

3 用戶面定位

OMA基于用戶層面的定位標(biāo)準(zhǔn)中定位的相關(guān)信息被封裝成IP包在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是無需改動(dòng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元，并且OMA的移動(dòng)定位網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)為2G/2.5G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)部署比較靈活。但它的缺點(diǎn)是定位實(shí)現(xiàn)的可靠性依賴于IP網(wǎng)絡(luò)，時(shí)延較大，適用于對(duì)定位時(shí)延要求不高的業(yè)務(wù)中。

OMA基于用戶面的定位過程可以簡(jiǎn)單描述為：當(dāng)LCS Client向定位系統(tǒng)中的LCS Manager發(fā)定位請(qǐng)求，LCS Manager隨后向被定位UE所處的Positioning Server發(fā)起定位請(qǐng)求，LCS Manager收到響應(yīng)后向UE發(fā)送目前為該UE服務(wù)的定位服務(wù)器地址，以供UE與定位服務(wù)器之間建立IP連接傳輸定位消息，定位服務(wù)器計(jì)算出用戶的經(jīng)緯度信息后返回定位報(bào)告，最后由LCS Client對(duì)經(jīng)緯度信息進(jìn)行處理后以合適的形式（如MMS、WAP PUSH等）返回給用戶。

4 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

LTE控制面的定位方案的優(yōu)勢(shì)是定位消息交互通過網(wǎng)絡(luò)的信令交互完成，定位可靠、安全，速度快。OTDOA定位方法的精度取決于基站部署的密度，以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線位置以及它們傳輸時(shí)刻準(zhǔn)確性的掌握程度。小區(qū)ID的定位方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)UE位置較好的估計(jì)，特別在密集基站部署的都市環(huán)境中。如果使用適當(dāng)?shù)奶炀€陣列以及對(duì)無線環(huán)境中UE進(jìn)行測(cè)量，能夠進(jìn)一步提高對(duì)UE位置估計(jì)的準(zhǔn)確性。

用戶面的定位方案的優(yōu)勢(shì)是定位消息交互通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)域完成，定位與承載網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，對(duì)網(wǎng)元、接口、協(xié)議等改造要求不大。不足之處是定位速度沒有控制面快，定位實(shí)現(xiàn)的可靠性依賴于IP網(wǎng)絡(luò)，時(shí)延較大，僅適用于對(duì)定位時(shí)延要求不高的業(yè)務(wù)。

[1]SPIRENT，“An overview of LTE positioning”，White paper，F(xiàn)eb.，2012.

[2]劉吉雯，李露文.LTE終端定位技術(shù)及測(cè)試方法探討[J].移動(dòng)通信，2014，(11)：37-41.