GSM手机定位技术

发布: 2010-10-20 00:50 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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GSM手机定位技术（万德明、汤文侃）
摘要文章提出了GSM手机定位技术的重要性，并对TOA、E－OTD和A－GPS3种GsM手机定位技术解决
方案进行分析和比较。
关键词GSM  定位业务  到达时间  增强测量时间差  GPS辅助
    在我国，随着GSM移动通信网的迅速发展，手机成为人们通信的重要工具之一，利用手机拨打
“110”、“119”和“120”等求助、告警电话日趋增多。据报道，目前美国用手机呼叫“911”
（类似我国的“110“）已占全部呼叫总数的20％，移动通信在社会治安、紧急救援等突发事件中
的地位已越来越重要。传统有线电话拨打告警电话时，接警系统可根据用户的主叫号码，获得用
户的准确位置，快速、准确地处警。然而，由于现有移动通信网不能提供呼叫者的位置，求助时
手机用户无法明确告知准确位置，以致延误时机，导致事件恶化的情况时有发生。据统计，交通
事故中70％的人员死亡发生在事故后两小时内。因此，实现GSM手机自动定位业务（LCS，
Location
 Service）有非常重要的意义。此外，实现手机定位还有其它广泛用途，包括自动导航、网络优
化和手机防盗等。
1GSM手机定位业务系统结构
    GSM移动通信网可通过增加一个网络节点——移动定位中心（MLC）实现LCS业务。该系统引入
的相关接口有：服务移动定位中心SMLC与BSC间接口（Lb）、移动定位中心网关GMLC与GSM网业务
控制功能间接口（Lc）外部LCS用户与移动定位中心MLC间接口（Le）、移动定位中心网关与HLR间
接口（Lh）、移动定位中心网关与MSC／ VLR间接口（Lg）移动定位中心与同等移动定位中心间接
口（Lp）、移动定位中心与MSC/VLR间接口 Ls）以及定位测量单元LMU空中接口（Um）。
1.1定位测量单元（LMU）
    通过无线测量，LMU可支持多种定位方式，测量可分为两类：（1）针对一个MS的定位测量；
（2）针对特定地理区域中所有MS的辅助测量。LMU的初始值、时间指令等其它信息可预先设置，
或通过移动定位中心（SMLC）提供，LMU将得到的所有定位和辅助信息提供给相关的SMLC。
    LMU可分为A类和B类两种。A类LMU以标准的GSM空中接口接入，经BTS、BSC与控制该LMU的
SMLC
保持信令连接。当连接基于NSS的SMLC时，A类LMU有为其服务的MSC和VLR，并在HLR上保留其登记
的信息。A类LMU有唯一的IMSI，并支持所有GSM无线资源和移动管理功能。网络管理者可为LMU指
派专门的IMSI范围，并在IMSI中指派特定的数字，表示相关SMLC。IMSI中的某几个数字可用作一
个SMLC中某个LMU的本地代码。A类LMU支持连接控制管理功能，可实现与SMLC之间的LCS信令处
理。
它还支持呼叫控制功能，可利用电路交换方式实现与SMLC之间的信令连接。为了确保LMU与SMLC间
的互访，LMU必须位于从属于同一BSC或MSC的小区中。当 SMLC基于 NSS时，任何A类LMU在HLR中
都
有注册信息，其中无附加业务（点对点短信和呼入呼出限制业务除外）。HLR中的注册信息同时将
有LMU功能的MS与普通的MS区分开来，所有有关LMU的数据由LMU和相关SMLC管理。B类LMU可从BSC
的
Abis接口访问，它可以是一个单独的网络单元，编号采用一些伪小区ID号，也可以集成在BTS内或
与BTS连接。当SMLC基于 BSS方式时，B类 LMU的信令通过BSC传输；当 SMLC基于 NSS方式时，则
通
过BSC和MSC传输。
1.2移动定位中心网关（GMLC）
    一个PLMN可有多个GML。GMLC是外部LCS用户进入GSM网的第一个节点。GMLC通过Lh接口从
HLR中
获得路由信息。鉴权通过后，GMLC通过Lg接口向MSC/VLR发出定位请求，并接收最终定位结果。
1.3移动定位中心（SMLC）
    一个PLMN可包括多个SMLC。SMLC管理所有用于手机定位的资源，计算最终定位结果和精度。
SMLC通常有两种类型：一种是基于NSS，支持Ls接口标准；另一种是基于 BSS，支持Lb接口。前者
通过与MSC／VLR相连的LS接口，传输各种手机定位信令；后者则通过与BSC相连的Lb接口，传输各
种手机定位信令。这两种SMLC与其它SMLC连接时采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并在同一个物
理
节点，也可分布在多个节点。在LCS业务中，当小区广播中心（CBC）与BSC相连时，SMLC可利用现
有的广播功能，通过CBC广播辅助信息。这时 SMLC相当于CBC的用户。
2.3种手机定位技术
    GSM手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术上可分为到达时间
（TOA）、增强测量时间差（E－OTD）和GPS辅助（A－GPS）3种方式。
2.1TOA定位技术
    TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。具体实现步骤：（1）要定
位
的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发
出的接入突发信号；（2）各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差（RTD）；
（3）根据前两步的信息， SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差（TDOA），得出精确位
置，
并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：LMU的地理位置和各
LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可
得
到实际时间差（RTD）参数。
    LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收
接入突发信号。此时，手机在业务信道（可能会处于跳频方式）上，以特定功率发送达70个接入脉
冲（时长320ms）。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测
量成功概率和测量精度。采用分集技术（如天线分集和跳频），可降低多径效应的影响，提高测量
精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度
要
求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需
要的手机位置，再将位置信息和误差范围发送回应用。
    TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有
多
种：LMU既可集成在BTS内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与
BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。
2.2 E－OTD定位技术
    E－OTD定位方式是从测量时间差（OTD）发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E－OTD指测
量
的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到
达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。确定了BTS到手机的信号传
输
时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。
实现步骤如下：手机收到各基站发来信号，得到TOA参数；LMU得到RTD参数；手机将TOA和RTD参数
传送到GSM网。
    OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间
的RTD。为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量（非同步BTS时）均需要3个BTS。获得OTD
参
数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算（要求手机具备各种必要信息）。前者称为手
机辅助方式，后者称为手机自主方式。
    通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。在网络结构、手机功能以及LMU功能
与测量输入参数等均一样的情况下，位置计算可基于两种   E－OTD定位方式实现。
    （1）双曲线方式
    与E－OTD计算相关的基本时间量有3个：
    ·OTD：即手机得到GSM网络上两个不同BTS发来脉冲的时间间隔。t1时得到BTS1的脉冲，t2
时
得到BTS2的脉冲，则OTD＝t2－t1。两个脉冲同时得到，则OTD＝0。
    ·RTD：即GSM网上两个BTS的相对同步时间差。若BTS1在t3时刻发送脉冲，BTS2在t4时刻发
送
脉冲，则RTD=t4-t3。若GSM网同步，则BTS在同一时刻发送，RTD不需要计算，此时RTD＝0。
    · GTD（几何时间差）：几何距离不等，导致手机接收两个不同BTS发来的脉冲存在时间差。
如果手机到BTS1的传播距离为d1，BTS2到手机的距离为d2，则GTD＝（d2－d1）／C（C为电磁波
传
播速度）。若两个BTS到手机的距离相等，GTD=0。
    上述参数之间的关系为：OTD＝ RTD＋GTD。
    位置信息从GTD计算出来，由OTD和RTD可用前面的公式推导。手机  GTD中的d2－d1值为恒
量，
这时可能的位置信息为双曲线。手机位置则位于由三个基站和两个GTD得到的两条双曲线交界处。
测量结果存在误差，灰色区域为OTD测量结果可能的位置。双曲线交叉得到的黑色区域为手机的位
置。
    （2）圆弧方式
    圆弧方式不测量手机和  LMU接收不同  BTS信号的时间差值，只测量那些信号各自到达的时
间。以下参数与E－OTD圆弧方式相关：
    ·MOT：BTS信号到达手机的时间，以手机内部时钟为准；
    ·LOT：BTS信号到达 LMU的时间，以 LMU内部时钟为准。通常手机与LMU的内部时钟之间有
一
个偏移量ε；
    ·DMB：手机与 BTS之间的几何距离；
    ·DLB：LMU与BTS之间的几何距离。
    参数之间的关系：DMB－DLB=c，（MOT－LOT＋ε）（c为电磁波传播速度）。
    以手机和LMU同时观察的BTS为圆心画圆，交叉就可得到手机的位置。由于存在3个未知量，即
手机位置的X、Y坐标和偏移量ε，所以与双曲线方式相同，至少需要3个BTS，才能得到手机的位
置和偏移量ε值。圆弧方式与双曲线方式的主要区别在于手机测量误差区和手机相对于BTS的几何
位置，其它实现方式一致。
    E－OTD计算与手机能收到足够多的BTS信息密切相关。通常说来，GSM网覆盖性能越好，定位
精度越高。手机在空闲和业务模式（通话时）下均可实现定位，且可选择持续定位或单个定位。
持续定位更适合于手机自主方式，该方式不需要上行信令。若BTS能采用类似于短消息小区广播
（SMS－CB）的功能来发送位置坐标和RTD信息，在空闲模式时手机就有足够的信息计算自己的位
置。采用E－OTD定位方式时，LMU和BTS的比例为1：3到1：5之间。
2.3 A－GPS原理
    GPS辅助定位方式实现步骤如下：GSM网收到GPS辅助信息；GSM网将辅助信息发送到手机；手
机得到GPS信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置信息发送到GSM网。
    该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：
    （1）手机辅助GPS定位方式
    这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、
RF单元和数据处理器等设备。GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、
卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置GP S模块减少GPS信号获得时间。辅
助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，
相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。GSM网增加必要的修正后，可提高定位
精度。
    （2）手机自主GPS定位方式
    这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有（1）方式中手机的所有功能，再加上卫星位置
和手机位置计算功能。运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以
上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用
需要更高的精度，则必须持续（间隔约30s）向手机发差分GPS（DGPS）信号。DGPS信号在非常宽
的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息由手机本身
计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。
3 3种定位方式比较
3.1TOA
    （1）优点
    ·100％兼容现有手机。全球在用的数亿个手机不必作任何改动就可一步到位实现定位，最大
限度保护现有手机用户的利益，是当前情况下实现GSM手机定位的一种理想实现方式；
    ·支持漫游，各种接口标准统一；
    ·定位精度可单独优化。通过提高LMU性能，可局部提高定位精度。
    （2）缺点
    初始投资高。整个网需要建立大量LMU，投资较大。现有GSM网要实现同步还需进行改造；
    ·业务量大时网络负担增加。当定位需求增多时，手机需频繁强制执行切换命令，使GSM网的
信令传输量增加。
3.2 E-OTD
    （1）优点
    ·LMU数量远少于 TOA方式，可减少网络初始投资；
    ·不需要增加手机的额外费用。现有手机无需增加硬件模块和附件，只需要进行软件更新。
    （2）缺点
    ·现有手机不能适用于E－OTD定位方式，需要更新软件或全部替换；
    ·精度低。由于同时受RTD和几何距离参数的影响，定位精度较低。此外，多径效应将影响
定位精度（尤其是城市区域）。
3.3 A-GPS
    （1）优点
    ·网络改动少。GSM网基本不用增加其它设备，无需建立LMU。网络投资少，将受 GSM网运营
商的青睐；
    ·定位精度高。由于采用了GPS系统，定位精度较高，理论上可达到5～10m。
    （2）缺点
    ·需更换手机。现有手机均不能实现A－GPS定位方式，必须更换；
    ·手机成本、体积和功率增加。手机中增加GP S定位功能，则必须增加相应的硬件，致使手
机成本增加。增加GPS的功能后，必然会增加功耗和体积。
    ·安全风险。由于GPS受美国政府控制，存在一定的安全风险。某些领域（如军事、国家安
全等）的定位应用应避免选用A－GPS定位方式。