GSM移动位置定位系统(上)

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  可能每一个人都有在陌生的地方迷失方向的经历。在紧急的条件下,尤其是在连你自己也无法向他人描述你所在的方位的时候,你会渴望前来帮助你的人能够顺利地找到你。某些时候,你可能会想知道你的某位亲朋好友,尤其是你放心不下的孩子现在在哪儿。
  在不久的将来,人们就可以随时随地方便地查找移动终端用户的地理位置。当你在陌生地域内的公路上驱车行驶时,只要一按某个按钮,就能知道哪儿有离你最近的加油站。
  在移动通信领域,我们把这项服务称作移动定位服务(LoCation Service),其英文简称为LCS。
  无疑,这项移动定位服务将为人们开创出众多令人称奇的新应用和新业务。这些应用与业务包括了与个人安全、紧急救助、电子商务以及娱乐等等各项服务相关的业务。
  在为移动用户提供诸多便利的同时,LCS服务也就顺理成章地为移动通信运营商和移动通信设备制造商开拓出了新的经济增长点。
  目前,全球各大主要移动设备制造商都在开展与LCS服务相关的研发工作和市场开拓工作。因此我们有理由预见其广阔的应用前景。
  
  一、LCS服务产生的背景
  
  首先,LCS服务的出现,在很大程度上,是因为受到了来自北美官方应用服务需求的压力。这些需求包括了旨在通过移动用户紧急呼叫手段,为确保移动用户个人安全而提供紧急救助服务,和实现官方的电子追踪和监视等的需求。因为移动用户具备位置不固定的特点,若要为用户提供上述的安全保障服务就不可避免地要用到移动位置定位服务。
  近年来,FCC针对在紧急呼叫情况下,提出了对移动位置定位系统的服务需求。
  例如,根据FCC于1999年9月所作的规定,在与公共安全应答点(PSAP)请求无关的情况下,采用第二阶段无线定位技术的运营商应该:
  1.在2001年3月1日之前,开始销售并启用具备自动定位信息能力的手持设备;
  2.确保在2001年10月1日之前,在新启用的手持设备中,至少有50%具备自动定位信息能力。
  3.2002年10月1日之前,在新启用的手持设备中,至少有95%具备自动定位信息能力。
  而针对在接收到PSAP请求的情况下,运营商们应该在六个月内,或在2001年10月1日之前,在PSAP区域内:
  1.确保100%的新启用手持设备具备自动定位信息能力;
  2.实现网络升级或其它必要的步骤来对手持设备进行定位;
  3.开始向PSAP发布定位信息以满足第二阶段的无线定位的需求。
  在两年内,或在2004年12月31日之前,在其所有的用户服务区域内,运营商们应该为其具备自动定位信息能力的手持设备开通定位服务。
  对于“具备自动定位信息能力(ALI)的手持设备”,我们应该理解为自身具备或在网络的帮助下具备定位能力的手持设备。
  事实上,FCC采纳了以下的标准来保障第二阶段定位系统的精度和可靠性:
  * 基于网络的解决方案:对于67%的呼叫,定位精度应该小于100米,对于95%的呼叫,定位精度应该在300米之内;
  * 基于手持设备解决方案:对于67%的呼叫,定位精度应该小于50米,对于95%的呼叫,定位精度应该在150米之内;
  在这种情况下,为用户提供移动位置定位服务,就成为移动通信服务运营商和移动通信设备制造商为保持和扩大其在北美市场份额的唯一选择。
  其次,由此而引发的移动定位服务并不仅仅限定于以上用途。它还能为不论是移动终端用户,还是移动通信网络运营商和设备制造商,带来诸多的好处。
  对于移动通信网络运营商来说,移动位置定位可以帮助他们更好地监测网络运行状况,了解话务量的分布,优化网络规划,协助移动用户的越区切换。更为重要的是,移动位置服务本身构成了一个业务平台,它能帮助移动用户定制各类与位置相关的服务,如查询与自己位置相近的服务设施,旅馆,商场,加油站等信息服务。这无疑会为移动通信网络运营商找到更多的经济增长点,增强了移动通信网络运营商的竞争力。
  对于移动用户来说,好处自是不言而喻。应为用户们可以在原有的话音服务之外,获得与个人安全、紧急救助、电子商务以及娱乐等各项服务相关的业务。他们不仅可以方便地在手机的显示屏所显示的地图上看到自己的位置和所要查找服务设施的位置,也可以授权他人查询自己的位置信息,保障自己的人身安全。
  
  二、服务类型 v
  1.止于移动台的LCS请求
  LCS服务可以由陆地移动通信网外部的某个客户发起,查找指定的目标移动台MS。当然,为了避免侵犯移动台MS用户的隐私权,该LCS客户必需具备查询这一目标移动台MS的权限。LCS系统提供这种服务并采用可靠的鉴权机制。
  2.移动台发起的LCS请求
  移动用户自身可以是LCS客户。移动用户可查询自己所在位置,同时还可以把自己的位置信息转发给他人。
  3.由网络引入的LCS请求
  在移动通信网络接收到移动台MS的紧急呼叫的情况下,网络应自动发起对该移动台MS的LCS请求。
  网络内部的LCS客户,如网络管理中心也可以发起LCS请求。
  
  三、LCS算法
  
  围绕LCS服务,人们已经研究出了许多可实现的算法。我们先介绍几种LCS算法,它们在目前的GSM系统中也许并不实用,但它们对我们或许有些启发。然后,我们在稍后的篇幅中着重介绍当前GSM协议中支持的GPS,TOA和E-OTD算法以及在未来的UMTS系统中可能会用到的OTDOA-IPDL算法。
  * 小区覆盖(cell coverage)
  这种方法使用小区的ID号来表示移动终端的地理位置。这一方法只需在网络中对小部分软件略作修改即可实现。由于不同小区的地理范围不同,大则几十公里,小则几公里,因此这种算法精度偏差较大,单独使用是无法满足上述FCC对定位精度和可靠性的要求的(参见第0章)。对于将来的微蜂窝和微微蜂窝系统,这一算法或许不失为一种简便易行的方法。小区ID号可以作为定位的重要参数参与其它实用算法(如下面将提到的TOA算法)的执行。
  * 接收信号强度(received signal levels)
  这一方法根据信号传递衰减模型和接收到的信号强度来计算距离。信号传递环境的改变导致其精度偏差较大。
  * 信号到达角度AOA(angle of arrival)
  这一算法根据多个基站的定向天线所收到的发自手机信号的角度来计算手机的位置。至少需要两个以上基站参与这一算法的实现。信号反射会影响其精度。
  AOA需要对基站的硬件和软件作相应修改。
  * TA(Time Advanced)
   在GSM中,TA是一个已知的参数。它代表了移动台MS和与之正在通信的基站BTS之间的时延。由于TA的精度只有550米,因此这一算法精度不高。由于一个BTS只能确定该MS到它的距离d,因此MS可能分布在一个圆周上。因为三个圆周才能确定一个唯一的交点,故要确定MS所在的点,需要至少三个BTS参与测量和计算。这一算法如果单独使用,是无法满足上述FCC对定位精度和可靠性的要求的(参见第0章)。但是TA可以作为定位的重要参数参与其它实用算法(如下面将提到的TOA算法)的执行。
  1.GPS
  GPS是一种基于卫星的全球定位系统。它并不是一项新技术。它的优点是精度高。但是其缺点是:
  * 依赖于美国的GPS全球卫星定位系统
  * 城市环境和室内环境下可能会产生卫星信号无法到达等问题
  * 须将GPS系统集成于MS中,提高了移动终端的造价,提高了功耗。集成GPS天线也可能带来一些问题。
  2.TOA
  使用TOA(Time of Arrival,到达时间)算法时,移动台MS将利用异步切换机制向多个定位信号测量单元(LMU)发送信号。这些定位信号测量单元分别记录该信号到达的时间戳。根据距离两个定点距离差值为常数的点轨迹在一条双曲线上的几何定理,每两个LMU接收信号的时间戳的差值可以确定一条双曲线,它表示了我们所要定位的目标移动台MS位于这一条双曲线上。我们的目标是要定位移动台所在的点,因此我们需要得到至少两条相交的双曲线,在此,需要至少3个定位测量单元参与测量和计算移动台MS的位置。
  在TOA算法中,定位测量单元接收并测量信号。参与该算法的定位测量单元之间需要占用额外的信令通路进行通信和协调。该算法的优点是:
  (1)较为精确;
  (2)在GSM手机中,无须作任何改动。
  TOA需要对网络硬件和软件进行相应改动。如增加定位测量单元LMU。
  3.E-OTD
  E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference)算法中,移动台MS接收来自多个BTS的信号并计算其时间差值。该算法的优点是更为精确,且移动台MS毋须向多个基站发送测量信号,因此可大大节省移动台MS的功耗。
  E-OTD算法是一种基于移动台MS的算法,由移动台MS来接收并测量多个BTS来的信号。移动台MS可以利用目前手机技术中已有的硬件设备来完成这些功能。尽管采用E-OTD算法对现有移动台MS的软件部分需要作相应的修改,如增加RRLP等LCS协议,功能更强的MS还可以增加一些软件算法,但是由于其硬件结构不必作改动,其成本并不会比现有的移动台MS高。除此之外,E-OTD要求在网络中增加一些硬件设备,如LMU。
  E-OTD算法的实现方式也是较为灵活的。对移动台MS和网络来说,这种算法可以支持:
  * 网络SMLC提供辅助参数(如:RTD),由移动台MS终端设备完成定位计算;
  * 移动台MS终端设备提供辅助参数(如:OTD),由网络SMLC完成定位计算等多种方式。
  正是由于E-OTD算法在高精度、手持终端设备的低成本和实现方式的灵活性等方面有着明显优势,E-OTD算法被业界认为是目前GSM网络条件中较好的算法。
  4.OTDOA-IPDL
  OTDOA-IPDL(Observed Time Difference Of Arrival-Idle Period Down Link)并不是在当前GSM系统中将要运用的LCS算法。但是,它将很可能会应用于第三代移动通信系统UMTS中。因此,我们在此也对它略以介绍。
  OTDOA-IPDL算法与E-OTD算法有着相似之处。它也是一种基于移动台MS的算法。移动台MS负责接收并测量来自基站的信号。该信号在W-CDMA系统中下行信道的空闲期内进行传输。
  
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