基于3G網絡與GNSS的多模態組合無線定位技術研究

胡新和 楊博雄

(1.咸寧職業技術學院計算機系, 湖北省咸寧437100；2. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢430079)

1 引言

在 2G/2.5G的網絡中，由于受到網絡傳輸速度的限制，高精度定位技術的應用受到局限，3G技術的日益成熟為移動定位技術的發展提供了支持。3G移動網絡通過特定的定位技術來獲取移動終端的位置信息，可以為移動終端用戶提供附加服務，如應用于緊急救援、導航追蹤、運輸調度、移動黃頁等諸多方面。

2 3G網絡移動定位技術

目前，在 3G網絡中廣泛使用的移動定位技術有三種：基于小區標識（CELL-ID）定位技術、觀察到達時間差（OTDOA，Observed Time Difference of Arrival）定位技術、網絡與GNSS聯合定位技術。

2.1 基于小區標識定位技術

基于網絡的小區標識定位技術是一種最簡單的定位技術，適用于所有蜂窩網絡，且無需對手機和網絡進行修改，就可以向當前的移動用戶提供自動定位業務。該技術根據移動終端所處的蜂窩小區 ID號來確定用戶的位置，因此其定位精度完全取決于移動終端所處蜂窩小區半徑的大小，從幾百米到幾十公里不等。與其它技術相比，該技術投資較少，定位響應時間較短，一般在3 s以內，但其精度最低，誤差較大。

2.2 觀察到達時間差定位技術

觀察達到時間差OTDOA定位技術是一種應用于 3G網絡的定位方式。這種定位技術通過移動終端測量不同基站的下行導頻信號的到達時刻（TOA，Time of Arrival）實現定位，其定位精度較高，定位范圍約為 100～200 m。但對時間基準的依賴性較強，同時受多徑干擾的影響也較大。OTDOA定位響應時間比 CELL-ID略長，大約要10 s。該技術無需對手機進行修改而只需修改網絡，即可直接向現有用戶提供服務。

2.3 多模聯合定位技術

多模聯合定位技術是指通過 3G網絡基站信息輔助全球衛星定位系統 GNSS信息（含GPS、北斗、GLONASS等）來進行移動終端位置解算技術。這種技術需要網絡和移動終端都能夠接收 GNSS信息。此技術的優勢主要在其定位精度上，在室外等空曠地區，正常工作環境下其精度可達5～10 m。另一方面，利用網絡傳來的輔助信息可以增強 TTFF（Time To First Fix），其首次捕獲 GNSS信號的時間大大減小，一般僅需幾秒。

3 多模聯合定位的基本原理與網絡結構

3.1 多模聯合定位的基本原理

作為一種高精度的移動定位技術，多模定位通過移動終端和 GNSS輔助定位信息（由移動網絡提供）共同獲取移動終端的位置信息，因而需要在移動終端內增加 GNSS接收機模塊（或者外接 GNSS接收機），同時要在移動網絡上加建位置服務器等設備。

其定位流程如下：

（1）移動終端首先將本身的基站地址通過網絡傳輸到位置服務器。

（2）位置服務器根據該終端的大概位置傳輸與該位置相關的 GNSS輔助信息（捕獲輔助信息、定位輔助信息、靈敏度輔助信息、衛星工作狀況信息等）和移動終端位置計算的輔助信息（如 GPS歷書以及修正數據、GPS星歷、GPS導航電文等）。利用這些信息，終端的輔助GNSS模塊可以很快捕獲衛星，以提升GNSS信號的第一鎖定時間TTFF能力，并接收GNSS原始信號。

（3）終端在接收到 GNSS原始信號后解調信號，計算終端到衛星的偽距（偽距即受各種GNSS誤差影響的距離）。

（4）若采用網絡側計算，終端將測量的GPS偽距信息通過網絡傳輸到位置服務器，位置服務器根據傳來的 GPS偽距信息和來自其他定位設備（如差分 GPS基準站等）的輔助信息完成對 GPS信息的計算，并估算該終端的位置；若采用終端側計算，終端根據測量的 GPS偽距信息和網絡傳來的其他定位設備的輔助信息完成對 GPS信息的計算，把估算的終端位置信息傳給定位服務器。

（5）位置服務器將該終端的位置通過網絡傳輸到應用平臺。

多模聯合定位過程如圖1所示。整個方案以3G網絡為傳輸數據方式。輔助接收機實時地從衛星處獲得參考數據（時鐘、星歷表、可用星座、參考位置等），通過網絡提供給定位服務器。當移動終端需要定位數據時，定位服務器通過無線網絡給終端提供輔助數據，以增強其TTFF，提高輔助GNSS接收模塊的靈敏度。

圖1 多模態聯合定位的基本原理

3.2 多模聯合定位的網絡結構

目前，多模聯合定位技術中，可以采用兩種基本的網絡拓撲結構：控制平面（Control Plane）和用戶平面（User Plane）。

（1）控制平面

控制平面方式中，移動定位中心（SMLC，Serving Mobile Location Centre）與無線基站的無線網絡控制器（RNC，Radio Network Controllet）集成，GPS輔助信息通過信令的方式來交互。移動定位網關（GMLC）位于無線網絡的IP數據網上，負責外部定位請求的接入。

由于通過信令接口在核心網絡內部傳輸輔助數據，因而該結構傳輸效率高且安全可靠，有利于位置服務的管理和控制。其缺點是 RNC需具有 SMLC功能，會影響到核心網絡，實現和維護復雜，成本較高。

（2）用戶平面

用戶平面方式利用現代無線網絡的 IP功能，通過 IP數據網和 SMLC交互輔助信息，移動終端的 UE（User Equipment）直接通過相應的標準接口實現定位信息從終端到 GMLC的傳遞。其相應的標準由開放式移動聯盟（OMA）制定，稱為安全用戶層面定位（SUPL）。這種方式的優點在于可以獨立于無線網絡部署，無需無線接入網和核心網中各節點的網絡信令支持，無需對無線核心網絡進行改造，且與 2G網絡兼容，易實現，成本低，因而推廣迅速。

SUPL定位方式使移動終端直接建立從終端到 GMLC的端到端對話，實現無線定位信息傳遞，并通過 Le接口實現與服務提供商的互通。SUPL的典型體系結構如圖2所示。

圖2 多模聯合定位的網絡結構

從圖 2中可以看出，SUPL定位平臺（SLP）由 SUPL定位中心（SLC）和 SUPL位置中心（SPC）兩部分組成，SUPL定位平臺和SUPL終端（SET）之間的接口為 LUP（Location User Plane），接口采用 OMA的ULP（User plane Location Protocol）協議。支持 SUPL接口功能的 SET具備的功能有：私密功能、安全功能、SET預備功能、輔助信息發送功能和位置計算功能等。

4 多模態聯合定位的流程與算法

（1）網絡通信過程

在 SUPL中，可分為代理模式和非代理模式。在代理模式下，SPC不再直接與 SET通信，而是由SLC作為代理完成SET和SPC之間的通信；在非代理模式下，SPC將直接與 SET進行通信。另外，由于終端歸屬地的不同，又可分為漫游和非漫游兩種情況。在這里為了便于討論，只針對非漫游代理模式的通信過程做出分析。網絡端和 SET均可發起網絡通信，圖 3給出了由網絡發起的定位通信過程：

圖3 非漫游代理模式下網絡發起的定位通信過程

在圖 3中，（A）由 SUPL代理向 H-SLP（Home SLP）發送一個 MLP SLIR請求消息，該消息中包含 ms-id、client-id和 qop等；（B）H-SLP核實當前目標SET沒有處于SUPL漫游當中且支持 SUPL功能；（C）H-SLP使用WAP PUSH或 SMS向 SET發送一個 SUPL INIT消息，該消息應該包括 session-id、posmethod、SLP mode等；（D）SET收到SUPL INIT后，建立與 H-SLP通信的安全數據連接；（E）SET向H-SLP發送一個SUPL POS INIT消息來開始一個定位會話，該消息中包含有 session-id、lid、SET capabilities等，SET可能會在其中設置被請求的輔助數據；（F）HSLP根據 SUPL POS INIT提供的定位協議選取相應的通信協議（RRLP/RRC/TIA-801）與SET進行連續的定位數據交換。（G）當位置信息計算結束時，H-SLP向SET發送SUPL END消息通知 SET定位會話結束，同時 SET釋放和 HSLP之間的安全 IP連接和相關會話資源；（H）H-SLP向SUPL代理通過發送MLP SLIA消息返回 SET位置信息，同時釋放所有相關的會話資源。

由 SET發起的定位通信過程與圖 3所示區別不大，從（E）開始的步驟與圖 3相同，只是在最后發送 SUPL END消息并釋放相關資源后，整個通信過程結束。不同的是SUPL代理可與 SET集成，SET首先建立與 H-SLP的安全數據連接，而后向 H-SLP發送 SUPL START消息，H-SLP在核實當前目標 SET沒有處于SUPL漫游當中且支持 SUPL功能后，發送SUPL RESPONSE消息作為對 SUPL START消息的回應。由 SET發起的定位通信過程如圖 4所示：

圖4 非漫游代理模式下SET發起的定位通信過程

（2）計算方法

多模態聯合定位計算可以分為 MS-Based方式和MS-Assisted方式。在 MS-Based方式中，計算由終端完成；而在 MS-Assisted方式中，定位計算由網絡基于SET提供的測量數據完成。

兩種定位計算方法各有利弊：MS-Assisted的優點是對終端的要求低，但具有時延較大、不適合高速行駛情況下的定位等缺點。相比而言，MS-Based方法的優點是網絡負擔小且定位時延小；適合短時間內的連續定位情況；在網絡不能提供輔助的情況下，可以使用 GPS功能來定位，因而可靠性高；此方式下無需核心網絡作任何改進，成本較低?？傮w而言，MS-Based方式是比較可取的定位方式。

5 結束語

目前，國內移動通信市場日益發展，特別是隨著3G商用的臨近，中國移動和中國聯通都制訂和推出了各自的聯合定位技術方案。

多模聯合定位技術的主要功能是能夠為終端用戶提供高精度的位置信息。移動運營商采用多模聯合定位技術提供的位置服務后，終端用戶可以方便快捷地獲知自己或他人當前所處的位置，特別適用于車輛跟蹤與導航系統以及具有特殊任務的車輛（運鈔車、救護車、消防車等），能夠大幅度提高車輛安全、運輸效率和服務質量。

[1] Junsong Xie, etc. Comments on “Effect of system imperfections on BER performance of a CDMA receiver with multipath diversity combining”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 52, No.5, Sep. 2003, pp. 1414-1415.

[2] Junsong Xie, etc. Downlink transmission performance of WCDMA based IMT-2000 with coherent rake combing. 2001 IEEE International Conference on Third Generation Wireless and Beyond, San Francisco, USA, May 31, 2001,pp.991-994

[3] Junsong Xie, etc. Analysis and simulation of 3GPP based WCDMA multi-rate downlink data transmission. The First IEEE International Workshop on Sequence Design and Applications for CDMA Systems, Sep. 24th, 2001, pp. 271-280

[4] Junsong Xie, etc. Throughput maximization of adaptive MQAM and the effects of inaccurate feedback channel estimation. the 4th IEEE international conference on parallel and distributed computing, applications and technologies, ISBN:0-7803-7840-7, Aug. 27-29, 2003, pp. 404-407.

[5] 周建彬, 周旭, 丁巖軍. 3G中的 A-GPS移動定位技術. 移動通信, 2006,(8).