移動(dòng)定位：3G時(shí)起飛
張峻峰 2005/01/14
盡管已經(jīng)有移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商推出了基于2.5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的移動(dòng)定位服務(wù)，但是，目前的服務(wù)種類(lèi)尚嫌單一，范圍仍不普及。3G WCDMA將成為移動(dòng)定位服務(wù)更大規(guī)模開(kāi)展的更理想平臺(tái)。
移動(dòng)定位與位置服務(wù)是移動(dòng)通信領(lǐng)域相當(dāng)具有吸引力的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也是最被業(yè)界看好的3G增值業(yè)務(wù)之一，對(duì)于豐富無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場(chǎng)和增加運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)收入來(lái)說(shuō)十分重要。3G
WCDMA系統(tǒng)融合了話(huà)音、多媒體等多種業(yè)務(wù)，其中的定位服務(wù)功能相當(dāng)強(qiáng)大，可通過(guò)多種定位技術(shù)，提供不同等級(jí)、不同精度的定位服務(wù)，充分滿(mǎn)足各方面的需求。人們相信，移動(dòng)定位服務(wù)將伴隨3G的上馬真正起飛。
移動(dòng)定位技術(shù)的三條路線(xiàn)
WCDMA系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位主要包括兩個(gè)步驟：信號(hào)測(cè)量和基于測(cè)量的定位估計(jì)計(jì)算。其中，信號(hào)測(cè)量可以在用戶(hù)終端(UE)、Node B和定位測(cè)量單元(LMU)中進(jìn)行，所測(cè)量的信號(hào)為通用陸地?zé)o線(xiàn)接入(UTRA)
無(wú)線(xiàn)發(fā)射信號(hào)，也可能包括其他的通用無(wú)線(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)，定位功能不局限于一種定位方法或單個(gè)信息的測(cè)量，這樣可以提高定位精度；定位估計(jì)計(jì)算可以在用戶(hù)終端(UE)或通用移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（如業(yè)務(wù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器）中進(jìn)行。
WCDMA系統(tǒng)移動(dòng)定位技術(shù)主要有三種: 基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法、OTDOA-IPDL定位法、網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法。此外，UE也可以脫離網(wǎng)絡(luò)支持，直接由機(jī)載GPS進(jìn)行定位。
無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備定位策略應(yīng)根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際定位精度需求選擇相應(yīng)的定位方式，基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法和網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位方法是比較可行的方法。OTDOA-IPDL定位法目前要進(jìn)一步解決的問(wèn)題是如何優(yōu)化定位技術(shù)的關(guān)鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無(wú)線(xiàn)因素的影響以提高定位的精度。目前第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織正在不斷完善OTDOA-IPDL定位技術(shù)。
1. 基于小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法
在基于小區(qū)標(biāo)識(shí)(或稱(chēng)小區(qū)覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據(jù)Node B的小區(qū)標(biāo)識(shí)估計(jì)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)和小區(qū)信息通過(guò)尋呼、位置更新、小區(qū)更新、用戶(hù)注冊(cè)區(qū)(URA)或路由區(qū)域更新獲得，然后將小區(qū)標(biāo)識(shí)映射為具體的地理位置。當(dāng)?shù)乩碜鴺?biāo)用做定位信息時(shí)，UE的估計(jì)位置可以是業(yè)務(wù)小區(qū)內(nèi)確定的地理位置(如服務(wù)Node
B的位置)、業(yè)務(wù)小區(qū)覆蓋區(qū)的地理中心或小區(qū)覆蓋區(qū)內(nèi)其他固定位置。定位信息必須包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)估計(jì)。
為了提高基于小區(qū)標(biāo)識(shí)(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過(guò)測(cè)量往返時(shí)間(RTT)來(lái)進(jìn)一步提高定位精度。
2. OTDOA-IPDL定位法
觀察到達(dá)時(shí)間差(OTDOA)是通過(guò)測(cè)量電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)的傳播時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。初步測(cè)量通過(guò)UE接收的下行鏈路公共導(dǎo)頻信道的到達(dá)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)。3個(gè)基站形成的平面上，一點(diǎn)到兩個(gè)固定點(diǎn)的距離差如為定值時(shí)，該點(diǎn)必定在一條雙曲線(xiàn)上，兩條這樣的雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)便可得到移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖1
所示。通過(guò)測(cè)量得到的移動(dòng)臺(tái)到多個(gè)基站距離的延時(shí)差后，移動(dòng)臺(tái)的位置便可以由兩條雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)得到。
延時(shí)估計(jì)的算法可使用最大似然估計(jì)、自相關(guān)估計(jì)和周期相關(guān)估計(jì)等方法得到。不同位置估計(jì)的精度取決于時(shí)間測(cè)量的精度和基站的相對(duì)位置(基站位置的幾何關(guān)系會(huì)影響位置估計(jì)的精度，當(dāng)基站等距離環(huán)繞UE時(shí)結(jié)果最佳)，同時(shí)還受到多徑傳播的影響。
CDMA無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的一個(gè)基本問(wèn)題就是當(dāng)終端距離服務(wù)基站很近時(shí)，接收其他同頻基站信號(hào)能力差。為了實(shí)現(xiàn)定位計(jì)算，UE必須接收到至少3個(gè)基站的信號(hào)。解決可聽(tīng)性問(wèn)題的方法是基站指定下行空閑周期(IPDL)，使每個(gè)基站在某一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)停止發(fā)射。在空閑周期期間，小區(qū)內(nèi)的終端可以測(cè)量其他基站的導(dǎo)頻信號(hào)，從而提高服務(wù)基站內(nèi)UE測(cè)量其他同頻基站信號(hào)的能力。IPDL時(shí)間長(zhǎng)度是可變的，但不能超過(guò)公共導(dǎo)頻信道(CPICH)的一個(gè)時(shí)隙，通常在5～10個(gè)CPICH符號(hào)之間。
定義IPDL周期有兩種類(lèi)型：
一、連續(xù)模式：每一下行幀有一個(gè)空閑周期。
小貼士：什么是移動(dòng)定位？
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們希望隨時(shí)隨地獲取所在位置信息和相關(guān)服務(wù)的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，移動(dòng)定位技術(shù)就是這樣一項(xiàng)應(yīng)運(yùn)而生的新興技術(shù)。
移動(dòng)定位是通過(guò)移動(dòng)終端和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的配合，確定移動(dòng)用戶(hù)的地理位置，從而提供用戶(hù)需要的與位置相關(guān)的服務(wù)或信息。從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，定位業(yè)務(wù)就是一種特殊的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
二、突發(fā)模式：在每一個(gè)IP間隔幀有一個(gè)空閑周期(IP間隔與業(yè)務(wù)負(fù)載和容量有關(guān)，如果IP間隔幀為10幀，那么每100 ms就有一個(gè)IPDL)。
突發(fā)模式的定時(shí)關(guān)系如圖2所示。
圖2 下行空閑周期突發(fā)模式定時(shí)關(guān)系
IPDL發(fā)生的時(shí)刻由突發(fā)幀的位置和對(duì)應(yīng)幀中的時(shí)隙位置決定。
從突發(fā)幀系統(tǒng)幀號(hào)和時(shí)隙位置的關(guān)系可知：突發(fā)模式時(shí)隙位置是0～14之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。IPDL方法的引入是對(duì)OTDOA方法的改進(jìn)，解決了檢測(cè)多個(gè)基站信號(hào)的問(wèn)題。
3. 網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法
為了推動(dòng)GSM、WCDMA系統(tǒng)間的“無(wú)縫”定位業(yè)務(wù)，3GPP定位標(biāo)準(zhǔn)支持基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的網(wǎng)絡(luò)輔助定位方法。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS方法依靠UE
GPS接收處理部分和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收處理部分的信令交互完成UE位置定位。GPS參考接收處理部分可以和UTRAN連接校正UE測(cè)量信息。網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位法根據(jù)定位計(jì)算的位置不同，可以分為基于UE和UE輔助兩種定位類(lèi)型�；赨E的定位方法在UE內(nèi)部配有功能完善的GPS接收處理部分，定位計(jì)算在UE側(cè)完成。UE輔助的定位方法是將UE側(cè)的GPS處理單元功能簡(jiǎn)化，以減小UE的復(fù)雜度，主要功能是進(jìn)行碼相位測(cè)量，然后通過(guò)高層信令發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位單元處理模塊以進(jìn)行UE的位置估計(jì)。
GPS定義方法依賴(lài)復(fù)雜度降低的UE GPS接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收機(jī)間的連續(xù)信令交互運(yùn)作完成，該方法能使以下一些性能得到改善：
降低UE GPS的啟動(dòng)和接收次數(shù)，使搜索窗口受限，測(cè)量速度大大加快；
增加UE GPS的靈敏度，通過(guò)UTRAN獲得的定位輔助信息使UE GPS可以在低信噪比不能解調(diào)UE GPS信息的情況下工作；
由于GPS可以在不用時(shí)處于待機(jī)方式，使UE比單GPS方式耗電少。
GPS定位方法由獨(dú)立GPS接收機(jī)來(lái)測(cè)量偽隨機(jī)相位等信息，并通過(guò)定時(shí)校正過(guò)程降低由衛(wèi)星時(shí)鐘、定位模型、電離層時(shí)延、對(duì)流層時(shí)延和可選擇的有效性等帶來(lái)的定位誤差。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS關(guān)鍵流程如圖3所示。
下面以UE輔助定位方法為例說(shuō)明定位步驟：
(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請(qǐng)求，SRNC根據(jù)UE和網(wǎng)絡(luò)的定位能力結(jié)合定位請(qǐng)求確定定位方法。SRNC在這里作為核心網(wǎng)和UTRAN中UE位置定位實(shí)體的接口。
(2)系統(tǒng)進(jìn)行定位測(cè)量單元(LMU)更新、往返時(shí)間(RTT)測(cè)量，然后根據(jù)UE能力，SRNC發(fā)送特定的GPS輔助定位信息至UE，包括GPS參考時(shí)間、衛(wèi)星ID、多普勒頻移、搜索窗以及窗口中心、星歷表和時(shí)鐘校準(zhǔn)等信息。
(3)SRNC發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求給UE，要求測(cè)量GPS衛(wèi)星碼相位和相關(guān)的其他信息，如SFN-SFN觀測(cè)時(shí)間差和接收-發(fā)射時(shí)間差，UE執(zhí)行測(cè)量過(guò)程并將測(cè)量結(jié)果發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)側(cè)。
(4)根據(jù)獲得信息，SRNC進(jìn)行UE位置計(jì)算，如果獲取的位置信息不足以進(jìn)行UE位置定位，則重復(fù)進(jìn)行步驟2。
(5)SRNC發(fā)送位置估計(jì)結(jié)果給核心網(wǎng)。
需要說(shuō)明的是，對(duì)于具體的定位流程，不同的實(shí)際系統(tǒng)會(huì)有一定的變化。
3G時(shí)代的移動(dòng)定位
從目前可能的應(yīng)用來(lái)看，移動(dòng)定位服務(wù)主要包括以下幾類(lèi)：
- 救援服務(wù)：緊急醫(yī)療、緊急報(bào)警服務(wù)等；
- 基于位置的信息服務(wù)：黃頁(yè)、交通信息、天氣信息、導(dǎo)航信息、導(dǎo)游服務(wù)等；
- 基于位置觸發(fā)的服務(wù)：基于位置的管理信息和計(jì)費(fèi)等；
- 跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)：車(chē)輛調(diào)度/跟蹤/監(jiān)控/防盜、物資跟蹤、老人兒童監(jiān)護(hù)服務(wù)等。
1. 救援服務(wù)
救援服務(wù)是移動(dòng)定位服務(wù)最早衍生的服務(wù)項(xiàng)目，如美國(guó)的E-911系統(tǒng)，可以在用戶(hù)需要緊急求救的時(shí)候獲得精確的定位信息，以便政府公務(wù)人員施以及時(shí)援救。
2. 基于位置的信息服務(wù)
基于位置的信息業(yè)務(wù)允許用戶(hù)根據(jù)其當(dāng)前所處的位置進(jìn)行內(nèi)容裁剪的信息服務(wù),包括:自定位服務(wù)(“我在哪兒?”)、本地黃頁(yè)、導(dǎo)游服務(wù)、酒店查找服務(wù)(查找合適的旅館、餐館)
、路邊救援服務(wù)、交通信息服務(wù)(如駕車(chē)時(shí)實(shí)時(shí)指引前進(jìn)方向)�；谖恢玫男畔I(yè)務(wù)承載方式主要有三種:短消息、話(huà)音、補(bǔ)充業(yè)務(wù)。
3. 基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)
基于位置觸發(fā)的業(yè)務(wù)最典型的應(yīng)用如計(jì)費(fèi)業(yè)務(wù)，允許用戶(hù)的費(fèi)率和用戶(hù)當(dāng)前所在的位置有關(guān), 這些位置是用戶(hù)日常生活、工作所在的區(qū)域, 只要用戶(hù)簽約了這些區(qū)域,
在這些區(qū)域中就可以得到優(yōu)惠的費(fèi)率。該業(yè)務(wù)可以向單個(gè)用戶(hù)開(kāi)放, 也可以向商務(wù)集團(tuán)用戶(hù)開(kāi)放。
4. 跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)
跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)允許管理者跟蹤某個(gè)成員的位置和狀態(tài)。成員可以通過(guò)操作碼主動(dòng)向管理者通報(bào)位置信息。管理者可通過(guò)業(yè)務(wù)操作增加和刪除成員。典型的應(yīng)用包括:
出租車(chē)公司跟蹤車(chē)輛的位置、父母了解子女的位置、子女了解老人的位置、雇主跟蹤他的雇員的位置等。
跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù)承載方式有如下幾種: 短消息、話(huà)音查詢(xún)、網(wǎng)站查詢(xún)、電子地圖顯示。短消息承載方式是管理者發(fā)起短消息來(lái)查詢(xún)手機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)；話(huà)音查詢(xún)承載方式是用接入碼將呼叫接續(xù)到交互式語(yǔ)音響應(yīng)系統(tǒng)或?qū)⒑艚薪永m(xù)到話(huà)務(wù)員,
查得用戶(hù)位置信息后語(yǔ)音通知管理者；網(wǎng)站查詢(xún)承載方式是業(yè)務(wù)由網(wǎng)站運(yùn)營(yíng), 需要制訂網(wǎng)站到定位服務(wù)器之間的位置請(qǐng)求接口；電子地圖顯示承載方式是在定位服務(wù)器查詢(xún)位置信息之后,
發(fā)送到網(wǎng)站, 由網(wǎng)站和手機(jī)建立連接下載電子地圖, 該方式需要制訂網(wǎng)站和手機(jī)之間的接口。
鏈接一：
潛力巨大的移動(dòng)定位市場(chǎng)
全球各大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商目前紛紛在其2G或2.5G的網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)展相應(yīng)的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，并積極籌備在3G網(wǎng)絡(luò)中提供這項(xiàng)極具潛力的增值業(yè)務(wù)，基于用戶(hù)位置的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)已經(jīng)得到了世人的廣泛矚目。據(jù)美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2004年美國(guó)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)的產(chǎn)值將達(dá)到40億美元，全世界則為300億美元。歐洲的研究報(bào)告指出，2005年歐洲移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)將達(dá)到43.8億歐元。
根據(jù)日本第一大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT DoCoMo公司移動(dòng)增值業(yè)務(wù)的實(shí)際發(fā)展曲線(xiàn)來(lái)看，3G時(shí)代整個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收入的5%將來(lái)自定位業(yè)務(wù)。我國(guó)的兩大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也在部署各自的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，據(jù)相關(guān)人士預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年我國(guó)的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)很快達(dá)到10億元以上，而且還會(huì)持續(xù)加速增長(zhǎng)。
總體來(lái)看，移動(dòng)定位業(yè)務(wù)目前在全球正處于市場(chǎng)培育階段。日本的NTT DoCoMo、韓國(guó)SK電訊和英國(guó)的和黃3G公司都基于已開(kāi)通的3G網(wǎng)絡(luò)提供定位業(yè)務(wù)，為用戶(hù)提供詳細(xì)、實(shí)時(shí)更新的數(shù)字地圖來(lái)顯示用戶(hù)的具體位置，并通過(guò)電子地圖引導(dǎo)用戶(hù)尋找酒店、餐廳、商店和其他一些用戶(hù)感興趣的商業(yè)設(shè)施。
3G網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)是可以提供高速的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)下載，這為移動(dòng)定位業(yè)務(wù)提供了更加廣泛的發(fā)揮空間。雖然在2G或2.5G的網(wǎng)絡(luò)里也可以采用定位精度較高的定位技術(shù)，但是由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，定位業(yè)務(wù)在提供方式上也會(huì)受到局限。有了3G網(wǎng)絡(luò)的支持，向用戶(hù)提供導(dǎo)航信息時(shí)就可以采用實(shí)時(shí)的語(yǔ)音信息與彩色電子地圖相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。高精度的定位技術(shù)與多媒體的用戶(hù)界面相結(jié)合，可以吸引更多的用戶(hù)使用定位業(yè)務(wù)。
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SK電訊的i-Kids兒童安全服務(wù)
隨著手機(jī)用戶(hù)的增長(zhǎng)和移動(dòng)通信服務(wù)的普及，移動(dòng)通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，針對(duì)用戶(hù)日常需求、發(fā)掘創(chuàng)新應(yīng)用的差異化競(jìng)爭(zhēng)，已成為全球各大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的制勝法寶。韓國(guó)最大的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商SK電訊日前在全球率先推出了保障兒童安全的網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)——i-Kids。
作為SK電訊最新升級(jí)的新一代定位服務(wù)的豐富應(yīng)用之一，i-Kids利用GPS定位技術(shù)和SK電訊的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)確認(rèn)孩子當(dāng)前的位置和活動(dòng)路徑，一旦孩子的活動(dòng)范圍超出預(yù)先設(shè)置的范圍時(shí)，手機(jī)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警短信。同時(shí)，i-Kids還提供放心區(qū)域位置自動(dòng)通報(bào)、活動(dòng)路徑追蹤、位置自動(dòng)顯示等便于家長(zhǎng)了解兒童安全狀況的服務(wù)。
配合這一服務(wù)推出的還有SK電訊定制的i-Kids手機(jī)。這種形似玩具的兒童手機(jī)色彩艷麗，有兩個(gè)耳朵一樣的天線(xiàn)，內(nèi)核是全球定位系統(tǒng)（GPS），可以讓家長(zhǎng)們?nèi)旌蛘瓶睾⒆拥男雄�。即便是關(guān)機(jī)時(shí)，兒童手機(jī)也能夠隨時(shí)向父母?jìng)儓?bào)告孩子的行蹤。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，孩子只要按動(dòng)手機(jī)上的緊急鍵，就可以同4位預(yù)設(shè)的聯(lián)絡(luò)人取得聯(lián)系，免去了孩子在危急時(shí)容易忘記親人電話(huà)號(hào)碼的困擾。為了降低成本，該手機(jī)取消了短信和手機(jī)上網(wǎng)兩項(xiàng)功能。
過(guò)去的地理位置表示方式只能提供以行政區(qū)域?yàn)閱挝坏哪：乩砦恢眯畔�，SK電訊的新一代定位服務(wù)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)升級(jí)之后，通過(guò)在地鐵沿線(xiàn)和主要建筑附近增設(shè)設(shè)備，不僅可以表示地鐵周邊區(qū)域的詳細(xì)地理位置，還可以提供地區(qū)的代表性建筑物等主要地理信息，進(jìn)一步提高用戶(hù)使用服務(wù)的方便性。目前，SK電訊已與韓國(guó)警察廳合作，利用手機(jī)成功尋找到多名迷路少年兒童。
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