寬帶碼分多址定位技術(shù)研究

摘要：

文章以寬帶碼分多址標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，介紹了第3代移動(dòng)通信的3種定位方法：基于小區(qū)標(biāo)識定位法、觀察到達(dá)時(shí)間差-下行空閑周期定位法和網(wǎng)絡(luò)輔助全球定位系統(tǒng)定位法，并對3種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和分析。

關(guān)鍵詞：

定位業(yè)務(wù)；觀察到達(dá)時(shí)間差；下行空閑周期

Abstract:

Based on the WCDMA standards， three positioning methods: cell ID based positioning， OTDOA-IPDL positioning and network assistant GPS positioning， in the 3rd generation mobile communications are introduced， and the advantages and disadvantages of the three methods are compared and analyzed.

Key words:

LoCation services; Observed time difference of arrival; Idle period downlink

社會(huì)信息化進(jìn)程越來越快，人們希望能隨時(shí)隨地獲取所需信息和進(jìn)行通信，這對移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了更高的要求。人們在獲得高質(zhì)量的話音、數(shù)據(jù)、圖形、圖像等各種信息服務(wù)的同時(shí)，還希望移動(dòng)通信系統(tǒng)能給他們帶來更多的便利，蜂窩定位技術(shù)就是一項(xiàng)隨時(shí)代潮流應(yīng)運(yùn)而生的新興技術(shù)。本文主要討論定位技術(shù)在第3代移動(dòng)通信寬帶碼分多址(WCDMA)中的應(yīng)用和定位方法的實(shí)現(xiàn)。

1、 寬帶碼分多址定位技術(shù)

早在1996年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)公布了E-911(Emergency call “911”)定位需求，要求各種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須可進(jìn)行E-911緊急呼叫，這表明提供E-911定位服務(wù)將是今后蜂窩網(wǎng)絡(luò)必備的基本功能。歐洲和日本也作了相應(yīng)的要求。E-911定位需求頒布以來，由于相關(guān)政府的強(qiáng)制性要求和市場需求本身的驅(qū)動(dòng)，許多國家的通信企業(yè)針對GSM、IS-95和3G等網(wǎng)絡(luò)制訂了各自的實(shí)施方案，并取得了一定的成果。

對移動(dòng)臺的定位主要包括兩個(gè)步驟：信號測量和基于測量的定位估計(jì)計(jì)算。其中，信號測量可以在用戶終端(UE)、節(jié)點(diǎn)B和定位測量單元(LMU)中進(jìn)行。所測量的信號為通用陸地?zé)o線接入(UTRA) 無線發(fā)射信號，也可能包括其他的通用無線導(dǎo)航信號。定位功能不局限于一種定位方法或單個(gè)信息的測量，這樣可以提高定位精度。定位計(jì)算估計(jì)可以在用戶終端(UE)或通用移動(dòng)通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)(UTRAN)，如業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)控制器(SRNC)中進(jìn)行。

定位的實(shí)現(xiàn)可以提高用戶的安全保障；根據(jù)移動(dòng)用戶密度不同靈活計(jì)費(fèi)；提供諸如車輛及旅客位置、車輛的調(diào)度管理、監(jiān)測交通事故、疏導(dǎo)交通等服務(wù)；增強(qiáng)蜂窩性能，如能準(zhǔn)確地監(jiān)測移動(dòng)臺的移動(dòng)，使網(wǎng)絡(luò)方面能更好地決定什么時(shí)候進(jìn)行小區(qū)間的切換；輔助實(shí)現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)和資源管理，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備定位能力后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者能改進(jìn)他們對蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃能力；通過對呼叫移動(dòng)臺的定位，網(wǎng)絡(luò)方面可根據(jù)其位置分配相應(yīng)信道，從而提高頻譜利用率，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行更有效的管理。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，其他潛在的應(yīng)用還將不斷出現(xiàn)。

2、 主要定位方法

2.1 基于小區(qū)標(biāo)識定位法

在基于小區(qū)標(biāo)識(或稱小區(qū)覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)B(Node B)的小區(qū)標(biāo)識估計(jì)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)和小區(qū)信息通過尋呼、位置更新、小區(qū)更新、用戶注冊區(qū)(URA)或路由區(qū)域更新獲得，然后將小區(qū)標(biāo)識映射為具體的地理位置。當(dāng)?shù)乩碜鴺?biāo)用作定位信息時(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(如業(yè)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(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過測量往返時(shí)間(RTT)來進(jìn)一步提高定位精度。

2.2 OTDOA-IPDL定位法

觀察到達(dá)時(shí)間差(OTDOA)是通過測量電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)的傳播時(shí)間差來確定目標(biāo)移動(dòng)臺的位置。初步測量通過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)必定在一條雙曲線上，兩條這樣的雙曲線的交點(diǎn)便可得到移動(dòng)臺的位置，如圖1 所示。通過測量得到的移動(dòng)臺到多個(gè)基站距離的延時(shí)差后，移動(dòng)臺的位置便可以由兩條雙曲線的交點(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)間測量的精度和基站的相對位置(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無線系統(tǒng)的一個(gè)基本問題就是當(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。解決可聽性問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)的終端可以測量其他基站的導(dǎo)頻信號，從而提高服務(wù)基站內(nèi)UE測量其他同頻基站信號的能力。IPDL時(shí)間長度是可變的，但不能超過公共導(dǎo)頻信道(CPICH)的一個(gè)時(shí)隙，通常在5～10個(gè)CPICH符號之間。

定義IPDL周期有兩種類型：

連續(xù)模式：每一下行幀有一個(gè)空閑周期。

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。

從圖2可以看出IPDL發(fā)生的時(shí)刻由突發(fā)幀的位置和對應(yīng)幀中的時(shí)隙位置決定。

從突發(fā)幀系統(tǒng)幀號和時(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OTDOA方法的改進(jìn)，解決了檢測多個(gè)基站信號的問題。

2.3 網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法

為了推動(dòng)GSM、WCDMA系統(tǒng)間的“無縫”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輔助兩種定位類型。基于UE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處理單元功能簡化，以減小UE的復(fù)雜度，主要功能是進(jìn)行碼相位測量，然后通過高層信令發(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定義方法依賴于復(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，測量速度大大加快。

增加UE GPS的靈敏度，通過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定位方法有獨(dú)立GPS接收機(jī)來測量偽隨機(jī)相位等信息，并通過定時(shí)校正過程降低由衛(wèi)星時(shí)鐘、定位模型、電離層時(shí)延、對流層時(shí)延和可選擇的有效性等帶來的定位誤差。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明定位步驟：

(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請求，SRNC根據(jù)UE和網(wǎng)絡(luò)的定位能力結(jié)合定位請求確定定位方法。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)行定位測量單元(LMU)更新、往返時(shí)間(RTT)測量，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)送測量請求給UE，要求測量GPS衛(wèi)星碼相位和相關(guān)的其他信息，如SFN-SFN觀測時(shí)間差和接收-發(fā)射時(shí)間差，UE執(zhí)行測量過程并將測量結(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)。

需要說明的是，對于具體的定位流程，不同的實(shí)際系統(tǒng)會(huì)有一定的變化。

3、 結(jié)束語

比較3種定位方法，基于小區(qū)ID定位法最容易實(shí)現(xiàn)，不需要另外添加專門的定位單元模塊即可實(shí)現(xiàn)UE定位，但定位精度較低，大約在幾十米到幾百米不等；OTDOA-IPDL定位法能消除對時(shí)間基準(zhǔn)的依賴性，并仍保證一定的定位精度；網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位方法目前較OTDOA-IPDL定位法精度稍高，定位精度可以達(dá)到5～10 m，已經(jīng)在實(shí)際的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但這一定位方法需要用到GPS定位系統(tǒng)，所以該方法具有一定的依賴性。

總的來說，無線通信設(shè)備定位策略應(yīng)根據(jù)客戶實(shí)際定位精度需求提供相應(yīng)的定位方式。目前要進(jìn)一步解決的問題是如何優(yōu)化定位技術(shù)的關(guān)鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無線因素的影響以提高定位的精度。隨著第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，定位技術(shù)的設(shè)計(jì)和使用也將不斷走向成熟。□

參考文獻(xiàn)：

[1] Caffery J， Stuber L. Overview of Radiolocation in CDMA Cellular Systems [J]. IEEE Commun Mag， 36(4)， 1998: 38—45.

[2] Rappaport T S， Reed J H， Woerner B D. Position Location Using Wireless Communications on Highways of the Future [J]. IEEE Commun Mag， 34(10)， 1996:33—41.

[3] 3GPP TS 25.305， Stage 2 Specification of UE Positioning in UTRAN [S].

[4] 3GPP TS 23.171， Functional Stage 2 Description of Location

Services in UMTS [S].

[5] 3GPP TS 24.008， Mobile Radio Interface Layer 3 Specification Core Network Protocols — Stage 3 [S].

收稿日期：2003-04-09

作者簡介：

王燕云， 深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部高級工程師。西安電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)。目前從事WCDMA通信系統(tǒng)測試工作和與測試相關(guān)的WCDMA關(guān)鍵技術(shù)研究工作。