新闻中心Information announcement.

ca88 > 新闻中心 >

基于第三代移动通信系统的定位技术研究

作者:ca88  来源:ca88游戏官网  时间:2020-11-25 17:58  点击:

  根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划,到2001年10月,所有蜂窝电话、个人通信系统、专用电的移动网络许可运营商将以可概率67%,误差为125m的精度要求为请求E-911的移动用户提供位置信息[1]。

  利用第三代移动通信系统将进一步提高定位精度。目前蜂窝网无线定位技术就算法来说已经较为完善,目前的研究热点主要集中在以下几个方面:

  (1)基于3GPP协议的定位结构的设计。在第三代移动通信系统网络全面铺开后,基于3GPP协议,采用何种网络结构进行定位既能保证定位精度,又能尽可能少的改动网络结构的研究成为热点。

  (2)定位参数的提取。由于受多径传播、非视距传播和多址干扰的影响,使得精确的定位参数提取比较困难。

  目前已提出的多种算法对以上3种误差进行抑制,但在建筑物较多的繁华市区定位精度仍不理想。

  (3)对移动台跟踪服务研究。当移动台处于移动状态时,分次单独定位容易出现各次定位计算结构相差较大,运动轨迹不连续。因此对移动台跟踪定位的研究显得非常迫切。

  本文将围绕第3代移动通信系统的定位结构,定位方法,重点是基于3GPP协议框架下的定位流程进行分析。

  如图1所示,是具有定位功能的第三代移动通信系统结构图[1,3]。图1简要描述了LCS客户、服务器与核心网之间的关系。LCS模块与CN之间通过Iu接口进行通信,LCS模块之间利用网络已有的信息提供能力和信令能力进行通信。

  作为服务的一部分,网络还应该具备对不合法用户设备进行定位的能力,以及对同时出现的多个LCS客户提供服务的能力,各部分单元功能如下:GMLC(网关移动定位中心)接收LCSClient。发出的对某移动定位用户的路由信息,将定位请求发送到MSC/SGSN,再由无线接入网对终端(或辅助终端自己完成)定位。SMLC(服务移动定位中心)用于支持高精度定位业务,主要完成接入网侧的定位流程控制、位置计算、网络测量管理以及无线GPP协议规定的SMLC可以集成在RNC中,也可独立设置。LMU(位置测量单元)是逻辑定位实体,主要完成网络的下行同步校准和无线测量功能。LMU负责无线测量,把测量结果通知给RNC。

  定位信令流程如图2所示,可简单描述定位描述如下[4]:LCSClient向GMLC发定位请求后,GMLC向HLR获取被定位用户目前所处的MSC/SGSN地址,然后GLMC向该MSC/SGSN发起定位请求,MSC/SGSN调用无线接入网中的定位网元(包括SMLC、RNC、NodeB,LMU等)执行此次定位操作,网络采用合适的定位方法计算出用户经纬度后,返回定位报告,由LCSClient对经纬度信息进行处理后以合适的形式(如MMS,WAPPUSH等)返回给用户。

  定位业务和定位精度密切相关。3GPP定位功能的实现是基于控制层面的(ControlPlane)。针对第三代移动通信的不同制式有不同的定位方法:CDMA2000主要继承了IS-95系统和CDMA1x系统的定位技术,采用了基于CELL-ID、基于场强定位和EOTD等技术得到了一定程度的应用。以及CDMA1x系统中的AGPS和基于TDOA的定位技术。TD-SCDMA系统则由于采用智能天线系统和上行同步CDMA技术,在定位方面具有一定的优势,主要技术包括:RTD+AOA、OTDOA-RTD等,WCDMA系统则主要采用Cell-ID、OTDOA-IPDL和GPS技术等。下面着重介绍第三代移动通信系统使用比较成熟的3种定位方法:

  此定位方法依靠SRNC确定覆盖目标MS的蜂窝小区ID,MS的位置由其服务结点B的有关路由信息获得。服务结点B和小区的信息可以通过寻呼、定位区域更新、小区更新、URA更新或路由区域更新等来获得[4]。Cell-ID方式可以用系统提供的测量参数来提高定位精度。FDD系统通过RTT(往返时间)测量来计算UE到基站的距离;TDD系统通过对RxTimingDeviation(Rx定时偏差)、AOA(到达方位角)和TA(定时提前)测量来得到用户具体位置。

  下行(Downlink)OTDOA定位法利用在MS测得的多个结点B发射的电波传播时间偏差,结合发射机地理位置坐标、LMU测出的各个下行信号发射的实际时间偏差(RTD)等信息来确定目标MS的地理位置[5]。由于在CDMA蜂窝网中存在远近效应,而系统利用功率控制来克服这一影响,使得离基站较近的UE受基站强信号的干扰,移动台难以检测到其它基站的信号,不能满足测量到至少3个基站的要求,对测量TOA或TDOA的能力影响极大。对此,3GPP中提出了设置下行空闲周期(IPDL)的OTDOA定位法:在空闲时间内各NODEB只发射导频信号,停止其他业务信道信号的发射,提高了MS对临近非服务NODEB的监听能力,能准确的检测出多个TDOA值。OTDOA-IPDL的一种改进技术是TA-IPDL技术[3]:MS周围基站(包括服务基站)同时停止所有信号的发送,进入空闲周期。在空闲周期,每个基站伪随机的选择发送定位信号或者不发送信号(该定位信号即公共导频信号或BCH信号只对定位有用)。移动台在期间检测所有基站信号并求得基站间信号到代时间差。

  GPS全球定位系统基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置[3]。这种方法在气候条件良好时可以达到5~40m的精度,能够满足大多数的定位业务要求。但是,这种方法用于对手机定位的初次定位时间通常需要10多分钟以上,定位的速度太慢,达不到商用的要求,为此在传统的GPS的基础上,这种将GPS与蜂窝通信网结合的定位方法A-GPS技术:建立能够持续对GPS卫星信号进行监测的GPS参考接收网络,该网络把获得的原始信息处理后成为GPS辅助信息,通过UMTS网络发送给终端GPS接收设备,确定手机的位置。

  A-GPS定位有两种方式:UE(用户设备)辅助的A-GPS方法,UE只提供卫星的伪距测量,位置计算由网络完成;基于终端的A-GPS方法,终端要完成测量及位置计算。基于终端的A-GPS方法要提供GPS测量的辅助信息和与位置计算有关的辅助信息。

  3GPP对第三代移动通信系统技术中的定位标准作了较为详尽的规定。在空中接口的无线资源控制层协议中规定了基于UE(用户设备)端的定位测量,报告标准,定位报告量,以及基于UE/UE辅助定位的OTDOA方法或者GPS辅助数据定位数据等参数。无线资源控制层处理用户终端和无线层控制面的信令以及和更高层(非接入层)之间的关系,如图3所示[2]。

  由图3可知,RRC层和低层(L1物理层,L2数据链路层)所有协议实体间存在控制接口,RRC通过这些接口和相应原语对低层进行配置和传输一些控制命令,同时低层通过这些接口报告相应的测量报告和状态,供RRC决策采用。其中,RRC层将根据来自物理层的信息(方位和距离)进行UE定位。具体定位流程如下所述[6,7]。

  测量是移动通信系统必备的功能。UE的测量和报告程序受UTRAN(通用陆地无线接入网)网络控制。通过测量命令和测量报告,网络可以指示UE要进行哪些方面的测量。UE定位测量依据于所选的定位方法和方式类型(在信息单元“UE定位报告参量”中获得),有3种可选的测量方式:帧间观测时间差类型2测量、收发时间差类型2测量、GPS蜂窝帧定时类型2测量等3类(其余的GPS测量方法不在标准范围内)。

  其中类型2的定义为从小区i所接收到的P_CPICH时刻和从小区j接收到P_CPICH时刻的时间差,主要作用于手机定位,它包含了活动小区里每一个无线连接的时间差(以码片为计算单位)。参考路径以最早到达手机的路径为准。

  在测量控制信息中的IE“UE定位报告标准”中,UTRAN将通知UE应该触发哪一个测量报告事件,测量报告的内容同样依据定位依据于所选的定位方法和方式类型(在信息单元“UE定位报告参量”中获得)。

  如果IE(信息单元)包括“UE定位报告标准”,UE将执行如上所述的测量并在时间间隔估计定位事件并指示在信息单元“测量间隔”中。而执行定位的报告参量将由如下部分组成:

  ③UE辅助定位首选允许基于UE定位或基于UE定位首选允许UE辅助定位(其中③的选择将依据UE的选择为准)。

  变量“CONFIGURATION_INCOMPLETE”(设置不完善)将在一些设置错误的情况下被置为“TRUE”。如根据UE的功能,如果UE不支持“基于UE”的OTDOA方式,而又将IE“定位方法”和“方法类型”分别置为“OTDOA”和“基于UE”的情况下,上述变量将被置为“TRUE”。

  3GPP在RRC层协议中对几种定位方式的数据做了规定,主要有基于UE定位的OTDOA辅助数据,基于UE辅助定位的OTDOA辅助数据,GPS辅助数据定位等,下面以GPS辅助定位为例,详细阐述其定位数据的报告。

  手机可能在系统消息块(type15,15.1,15.2,15.3)、ASSISTANCEDATADELIVERY信息或者测量控制信息中接收到GPS辅助数据。如果IE中包括“GPS辅助的手机定位”,UE将对变量UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新:删除所有当前存储在变量中的信息并重新存储接收到的信息,然后将IE“GPSTOWmsec”存储在变量中。

  如果IE中包含“UEPositioningGPSDGPScorrections”,(UE定位的差分GPS修正,UE将对变量UE_POSITIONING_GPS_DATA作如下更新:删除所有当前存储在变量中的信息并重新存储接收到的信息,然后使用IE“GPSTOWsec”去确定计算差分修正的计算时刻和利用IE“Status/Health”去确定差分修正的状态。

  UE定位过程中会出现一些错误情况,错误原因由IE“UEpositioningError”指示,可能的错误原因有:

  定位业务在3GPP中被看成是3G网络的附加功能,可以通过在已有的网络信令中添加必要的指令来实现。定位的相关消息采用无线信令来承载,与协议栈有关,其缺点是需要对3G移动通信网络中的网元,包括对NODEB、RNC、HLR等相关设备和接口进行较大的修改。但它的优点是定位消息采用信令来承载,响应速度快,可靠性高,适用于对定位时延要求较高的业务中,如基于位置的公共安全业务等。

  目前,3GPP组织仍然在对LCS业务的各项规范作不断的制定和完善,各个运营商也对位置服务的开展表现出了浓厚的兴趣,积极的参与到标准的制定与产品的开发中位置业务将是一项非常有前景的无线增值业务,这项业务必将成为第三代移动通信系统应用中的一个亮点。

  1范平志,邓平,刘林.蜂窝网无线定位[M].北京:电子工业出版社,2002。

  2谢显中.TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现[M].北京:电子工业出版社,2004.

  3华云,龚耀寰,胡小川.第三代移动通信系统中的无线定位服务的实现[J].系统工程与电子技术:2003,(4)

  4崔专城等.3G定位业务的研究及在TD-SCDMA系统中的初步实现[J].数据通信,2004,(4)

  5宋宇恒,林金朝.TD-SCDMA系统定位算法研究与仿真[J].重庆邮电学院学报,2003,(1)

ca88