王冬海，張 海，張澤孜

（杰創智能科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

在公共安全領域，經常需要對已知電話號碼的終端（User Equipment，UE）進行定位。一般情況下，精確定位設備作用范圍都比較小，因此定位過程都是從跟蹤區（Tracking Area Code，TAC）到小區再到具體位置。所以在精確定位UE前，需要先對UE進行小區定位。理論上來說，只要通過調取運營商的后臺數據，完全可以對UE的行蹤進行跟蹤，但是該方式手續繁瑣，時效性不高。因此，通過非合作接收技術對UE進行小區定位很有必要。

文獻[1]對長期演進（Long Term Evolution，LTE）手機定位技術有很多介紹，包括全球定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位，蜂窩網定位，基于信號強度的定位，基于到達時間差以及基于到達方位角的定位方法。以上方法都是通過測量相關信號參數獲取手機的坐標，UE需要配合做定位參數測量。本文著眼點在于采用非合作接收技術確定手機所處的服務小區。所謂非合作接收指的是除了手機號碼已知，不需要手機做任何配合，也無需侵入網絡側獲取數據。僅僅通過監聽空口尋呼消息，完成對UE終端的小區定位。

尋呼消息是網絡向空閑狀態和連接狀態的UE發起尋呼（Paging）過程的載體。尋呼過程可以由核心網觸發，用于通知某個UE接收尋呼請求，或者由基站（eNodeB）觸發，用于通知系統信息更新，以及通知UE接收地震、海嘯預警系統（Earthquake and Tsunami Warning System，ETWS）或商業移動告警服務（Commercial Mobile Alert Service，CMAS）[2]。根據尋呼消息的特性，在非合作接收中，為了確定目標UE所處基站，可以通過監聽LTE基站空口尋呼信息，定位目標UE所處的基站，為進一步精確定位提供條件。

1 LTE中的尋呼消息

1.1 尋呼消息簡介

尋呼消息是無線通信網絡中，網絡尋找被叫方的手段。如果UE一直與基站保持連接狀態，系統時刻知道UE的狀態就無需尋呼，但是這樣會導致UE一直處于收發狀態，會持續消耗電量，同時數據頻繁交互會導致系統容量下降。在用戶數量非常龐大的網絡中，尋呼量也非常巨大，UE并不知道何時存在自己的尋呼消息，需要一直搜索是否有自己的尋呼，同樣不利于省電。所以，系統會根據一定的條件將屬于UE的尋呼消息置于特定的時刻發送。這樣，UE只需要在屬于自己的尋呼時刻搜索尋呼消息，其他時刻進入休眠狀態，節約電量。因此，尋呼消息具有周期性，并攜帶特定終端UE的信息。尋呼的這些特征，恰好可以被用于非合作接收的監聽。

1.2 尋呼時機

根據第三代合作伙伴計劃（3rdGeneration Partnership Project，3GPP)協議，在空口進行尋呼消息傳輸時，具有相同尋呼時機的UE的尋呼內容被eNodeB匯總成一條尋呼消息，通過尋呼信道傳輸給相關UE，UE根據尋呼位置計算監聽時間，并在相應的時間接收尋呼消息。

LTE中Paging消息所占的頻域資源是由尋呼標識（Paging Radio Network Temporary Identity，P-RNTI）加擾的下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）指定的時域上，UE會在其Paging周期內的某個特定尋呼幀（Paging Frame，PF）的特定尋呼子幀（Paging Occasion，PO）去嘗試接收Paging消息。PO是一個子幀，在該子幀上可能會有使用P-RNTI加擾，并指示Paging消息的PDCCH。當使用了非連續接收（Discontinuous Reception，DRX），UE在每個DRX周期上只需要檢測1個PO，也就是說，對應每個UE，在每個Paging周期內只有1個子幀可用于發送Paging。非連續接收周期與Paging周期是同一概念。PF是一個無線幀，該幀可能包含一個或多個PO[3]。PF和PO由式（1）和式（2）決定：

其中：SFN（System Frame Number)表示系統幀號，取值由0-1023不斷重復，滿足條件的SFN就是PF。

T表示UE的非連續接收周期，由系統消息（System Information Blocks，SIB）SIB2中 的defaultpagingcycle字段配置，取值范圍是32、64、128和256，單位是無線幀。該數值越大，則空閑（RRC_IDLE）狀態下的UE的電力消耗越少，但是尋呼消息在無線信道上的平均延遲越大。

N=min(T，nB)，其中，nB表示尋呼密度，取值范 圍 是 4T、2T、T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32，整數表示每個尋呼幀有幾個子幀用于尋呼，分數表示多少個尋呼幀才有一個尋呼子幀，該值可以決定系統的尋呼容量[4]。

UE_ID =IMSI mod 1024，IMSI（International Mobile Subscriber Identity）為UE的身份識別號，全球唯一。

Floor(·)表示取最小整數。

Ns=max(1，nB/T)，nB/T取值的可能值為4，2，1，1/2等，所以Ns取值只有3個，分別為1，2，4。

式（2）計算出的i_s與PO的對應關系為如表1和表2所示，時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）和頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD）模式下有所差別。N/A表示非法值。

表1 FDD-LTE模式i_s與PO對應關系

表2 TDD-LTE模式i_s與PO對應關系

2 下行尋呼消息的接收

尋呼消息由物理控制信道（Paging Control Channel，PCCH）承載，由尋呼信道（Paging Channel，PCH）傳輸，最終由物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）承載。但PDSCH同時承載下行共享信道（Downlink Share Channel，DLSCH）數據，因此需要先監聽PDCCH信道上是否有P-RNTI來判斷PDSCH上是否有尋呼消息。所以我們最終目標是要解PDSCH。

尋呼消息接收的流程圖可以用圖1表示。空口的射頻信號要經過射頻前端處理，經過AD采樣轉變為數字信號，IQ數字信號經過下行同步，物理廣播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）解調解碼確定基站主廣播參數，解調物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）確定控制信道占用資源數，搜索PDCCH中是否有P-RNTI加擾的尋呼消息，最終確定PDSCH的資源起始位置及調制方式，最后通過解碼PDSCH提取Paging尋呼信息[5]。

其中，下行同步包括主同步信號（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號 （Secondary Synchronization Signal，SSS）。PSS每 5 ms一次，周期發送，而且占據最小帶寬。SSS信號根據TDD或FDD不同于PSS相隔固定符號。通過下行同步，可以獲得小區PCI（Physical Cell Identities），CP（Cyclic Prefix）類型，符號起點，幀起始位置，以及TDD或者FDD模式。同時PSS/SSS與天線無關。

圖1 LTE尋呼消息接收流程

通過同步模塊已經確認的信息，可以在固定符號位上提取參考信號，根據參考信號完成信道估計及下行信號測量，并為后續信道解調解碼提供信道補償。

根據3GPP協議，PBCH每40 ms發送一次，攜帶主系統信息塊（Master Information Block，MIB）信息，包括下行帶寬信息，幀號信息等。24 bit有效信息通過CRC16循環校驗變成40 bit，再根據天線模式對CRC16施加掩碼MASK，然后信道編碼再經過速率匹配，根據小區PCI加擾，最后采用QPSK調制映射。從PBCH過程可以看出，在未知信息情況下，除了PBCH符號位置是已知的，天線MASK，擾碼都是未知的，所以需要經過3×4=12輪嘗試才能解出PBCH，最終獲得廣播MIB信息，獲得幀號，帶寬信息。同時可以獲知下行天線傳輸模式。

由同步模塊中獲得的PCI可知PCFICH占用的符號位置，解調PCFICH可以獲取標準格式指示位（Canonical Format Indicator，CFI），用來指示PDCCH占用的符號數。

最終通過PCFICH的CFI指示的信息，以及參考信號的信道估計，解調PDCCH，獲取DCI信息，該信息指示PDSCH的調制方式及資源起始位置。而且，檢測是否有P-RNTI，得到PDSCH上是否有尋呼消息。

然后根據下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）指示資源分配位置及調制方式，提取PDSCH相應數據，結合參考信號做信道補償，解調并解碼PDSCH，獲取Paging消息。Paging消息攜帶有國際移動用戶識別碼（Temporary Mobile Subscriber Identity，TMSI）信息，以表示該尋呼消息擬通知的UE，同一條尋呼消息最大攜帶TMSI數量為16。

TMSI是網絡空口中傳輸的臨時UE識別標志，每一個TMSI對應一個UE設備，而且在一定時間內不變，這就為后面大數據分析定位奠定了基礎。

3 尋呼定位

根據上一節的描述，按照DRX休眠規則，如果按照滿足式（1）的PF無線幀來接收Paging，則只有屬于當前IMSI的分組尋呼消息可以接收，該情形下，需要知道目標UE的IMSI。但實際應用中，大部分情形是IMSI未知，只知道是手機號碼，這時候，為了接收全部下行尋呼消息，可不必理會DRX周期，在每一個無線幀的PO進行搜索。對于FDD模式，每一個無線幀的子幀0，4，5，9子幀；對于TDD模式，每一個無線幀的0，1，5，6子幀都有可能出現尋呼消息。把從每一個尋呼幀的尋呼子幀上提取到的TMSI按照一定時間統計出現的次數，再配合其他設備，進行大數據分析，就可以設計出一個UE小區定位系統。

圖2 尋呼定位系統示意圖

圖2 為一個尋呼定位系統示意圖，包括若干尋呼監聽設備和一個控制臺。La和Lb1、Lb2表示LTE基站,其中La的TAC和Lb1、Lb2不一致，Lb1和Lb2的TAC相同。尋呼監聽設備靠近基站La、Lb1、Lb2布設，通過無線或有線接入互聯網與控制臺通信。控制臺作為后臺服務器，管理控制整個尋呼定位系統，其中控制臺還包括一個尋呼觸發設備，觸發設備無論是給UE發一條短信，或者是撥一通電話，網絡中會在La及Lb1和Lb2的下行信號中發送針對UE的尋呼消息，這時候，某個監聽設備就可以提取到對應UE的TMSI，當目標UE響應尋呼消息后，只有Lb2基站下行空口中存在尋呼過程，其他基站為了節約資源就不再發送針對該UE的尋呼消息。所有尋呼監聽設備將監聽的尋呼消息中提取的TMSI信息傳回控制臺，控制臺通過對比觸發次數與接收基站下TMSI次數做大數據統計分析，超過某個門限并與觸發次數最接近的基站即為當前UE所處的基站。

4 結 語

UE尋呼定位屬于小區粗略定位，該方法基于非合作接收技術，僅需知道手機號碼，無需通過運營商后臺數據即可確定當前目標UE所處的基站，具有機動靈活性，能快速定位UE所處小區，為進一步確定UE坐標打下基礎。一臺尋呼監聽設備可以同時監聽周圍若干基站的下行信號，實際使用中無需在每個基站下配備一臺，布點密度遠小于LTE基站站點密度。不足的是，UE如果一直處于連接狀態，空口無需通過尋呼過程找到UE，則無法通過空口獲取到Paging消息，也就無法獲取TMSI。但UE長時間處于連接狀態的情形畢竟比較少，所以，該尋呼定位系統在公共安全領域還是具有很大的應用價值。