蜂窩網無線定位技術研究及實踐

徐亞楠，蔡 超，楊立輝，馮瑜瑤（中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 100033）

0 引言

位置服務（LBS）是一種通過無線通信網絡或其他定位系統獲取終端位置信息，再結合地理信息系統為用戶提供與位置相關的各類信息的服務。從第一代移動通信技術（1G）到第5 代移動通信技術（5G），移動位置服務一直是蜂窩網絡研究的重要課題，它利用現有蜂窩網絡，通過對終端位置多種特征參數的分析處理，得到移動終端的位置信息，這方面有大量的研究。

以終端視角，定位分為“被動定位”和“主動定位”2 類，技術實現手段上也存在差異。當前，客戶對運營商定位服務需求以“被動定位”為主。表1顯示的是目前幾類經典的定位方案及其可達到精度，其中包含基站定位、衛星定位和室內定位方案，與運營商關系最為密切的為基于基站通信的定位，基中包括CELL_ID、ECID、OTDOA和指紋定位等。

表1 定位方案及可達精度表

1 蜂窩網無線定位技術需求分析

蜂窩網無線定位技術是一種具有廣闊市場前景的移動技術。早在上世紀90年代，美國聯邦局就制定了E-911 定位要求［1］，這項法令規定，各蜂窩網運營商在2001 年前實現125 m 定位精度，精度為67%。隨著通信技術的發展，這種定位能力憑借覆蓋范圍廣、精度高受到政府、公安、消防等部門的歡迎。

無線定位的應用非常廣泛，在公共服務方面，根據服務對象的位置信息和終端上報的其他信息，可以對該位置地區內實施精準的應對策略（比如基站位置的重新規劃），以提高服務質量；通過分析特定區域的人員位置信息，可以獲得該區域的人流量情況，當出現嚴重擁堵或者火災等極端災害時，將區域的人流信息共享給相關單位，可以實現人員有效的疏導；精準施救，自然災害事件發生時，尤其山區、丘陵地帶，通過對特定受災區域的人員定位，實施精準搜救。另外，對于報警、急救等事件，通過分析終端信息，準確定位，提高公安、急救工作效率。

在商業領域，無線被動定位作為移動產品的增值應用，也具有比較大的市場。澳大利亞NRAM 緊急救援公司的數據顯示，每500 輛救援車每年呼叫量就在280 萬次。中國各類救援車數量保守估計5 000 輛，按單次呼叫0.45 元計算，緊急救援市場被動定位的市場容量就高達1 260 萬元；物流運輸方面，2017 年國家統計局統計全國載貨汽車擁有量約1 400 萬輛，每輛車定位服務費用僅按照每年300 元測算，物流運輸定位市場就約為4.2 億元；車聯網-無人車方面，調查數據顯示2020 年全球無人車將達到約40 萬輛，中國市場占比超過25%即10 萬輛。無人車高精定位服務費用假設僅按照每輛每年1 500 元測算，其市場容量為1.5億元。關愛定位方面，全國學齡前兒童1.8 億，有配備兒童GPS 產品需求的家庭比例超過40%，即全國有每年有將近1 200 萬戶的市場容量，定位服務費用僅按照每戶每年10 元測算，兒童關愛定位市場容量約為1.2億元。

無線定位市場容量巨大，不同的行業應用對無線定位有著不同的精度和廣度要求。單一的定位手段無法滿足市場需求，表2 展示了不同的定位場景對定位技術的具體需求。

表2 定位應用場景精度需求分析

2 典型蜂窩網無線定位技術探索

當移動終端與鄰近基站進行通信時，其無線信息會通過主小區基站傳輸到數據中心，而定位服務會進一步處理無線信息，從而獲取當前移動終端的位置。最常用的無線信息包括主小區ID、鄰小區ID、主小區RSRP、鄰小區RSRP 值等。利用這些無線信息，可以進行基站定位（Cell_ID）、場強模型定位、到達時間定位（TOA）、到達時間差定位（TDOA）、到達角度定位（AOA）、信號指紋定位等等。

2.1 CELL_ID定位技術

運營商在落地實踐中發現CELL_ID 定位技術定位精度低、準確率低，主要是因為在運營基站過程中，基站維修、搬遷、停站、新建等過程不能及時統一的上報，導致后臺CELL_ID 經緯度碼表不能及時更新，進而造成定位失敗。如何實現全國各省分統一的基站位置云化管理，使基站維護與云端基站位置碼表實現線上聯動，同時做好敏感數據的保密措施，是當前運營商需要思考的問題。

2.2 三角定位（TOA/TDOA）技術

TOA 技術：通過接收到的信號來求解終端位置的幾何方法。以基站為圓心，L=tc（t為從基站到達終端的時間，c為光速）為半徑構成的圓形，需要至少3個基站的信息，即至少需要3個圓形交叉，獲得的交叉區域為此終端的位置。

TOA 技術需要發射端與接收端有嚴格的時間同步機制，限制較多。為了改善這一情況，利用終端信號到達不同基站的絕對時間差獲取距離差，并以基站為焦點，距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是終端的位置，即TDOA技術，如圖1所示。

圖1 TDOA定位技術原理

以上2種簡單的三角測量方式均是建立在直達路徑假設條件下，然而在城市實際落地的過程中發現，無線信號在復雜的環境下通常會沿著多條散射路徑傳播，導致定位準確率降低。此外，三角定位通常需要多個基站協作，帶來了額外的基站信令開銷，加重基站的負荷。因此，運營商并不常用此方法進行大規模的定位服務落地。

2.3 指紋定位技術

指紋定位技術主要利用終端的信號特征，使用大數據技術進行指紋庫匹配，進而得出終端位置信息。

在蜂窩網系統中，基站側大規模天線陣列通常被安裝于空曠的高處，而移動終端通常被所處位置附近的散射體所包圍，從移動終端到基站的無線信道由移動終端周圍的散射體環境唯一確定［7］。基于此，蜂窩網的位置指紋信息應是從通信環境中唯一確定的重要參數中提取出來的。指紋定位基本分為3 個階段，分別是指紋信息提取、構建指紋庫、指紋信息匹配。

指紋信息提取流程：將基站覆蓋扇區劃分為多個柵格，而落在此柵格內所有的經緯度樣本數據全部上收處理。本文中將上收MR∕MDT 數據作為指紋庫的數據源。

構建指紋庫流程：離線流程，將基站上收的數據進行清洗、篩選，經過一定的大數據算法處理后，為每一個柵格配備相應的特征值，構建位置指紋數據庫。本文采用MR∕MDT 采集數據，使用移動終端的RSRP進行指紋庫建設，由通信原理可知，某基站某扇區的柵格內RSRP值可以是唯一的（見圖2）。

銷售商品贈送同類商品，在用友U8 V10.1財務軟件中，對于正常銷售的商品應根據銷售普通業務核算流程處理，對于免費贈送的商品，不需要確認銷售收入，但要根據稅法的規定確認“銷項稅額”，根據會計準則的要求，結轉銷售成本，且將該部分成本計入“銷售費用”賬戶。

圖2 指紋庫構建流程

指紋信息匹配流程：在線流程，將新采集到的RSRP 值輸入到算法模型中進行匹配分類運算，得到位置信息。常用的分類算法有KNN 算法、基于概率的樸素貝葉斯算法（Naive Bayes）、支持向量機（support vector machine，SVM）等［11］（見圖3）。

圖3 指紋信息匹配流程

采用中國聯通某地（市）2021 年3 月4 日MR∕MDT離線數據構建指紋庫，并于2021年3月12日進行基于蜂窩網的指紋定位測試，使用中國聯通定位能力API工具對抽查數據進行定位，再與抽查數據的標準經緯度進行比對。測試結果如表3所示。

本次測試中將上收的數據按照8∶2的比例進行劃分，其中80%的數據作為訓練數據，20%的數據作為測試數據，表3 中數據表示經過指紋定位得出的經緯度與實際用戶上報的經緯度距離小于50 m、100 m 等的占比。圖4給出了指紋定位精度概率分布。

表3 指紋定位測試結果

由圖4 可知，定位精度在100 m 范圍內的概率將近80%，滿足大多數被動定位場景需求。

圖4 指紋定位精度概率分布圖

2.4 Multi-RTT定位技術

3GPP R16 版本引入了5G 定位技術方案，主要包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA 和Multi-RTT 技術。本模塊將詳細闡述Multi-RTT（Multi Round Trip Time）定位技術原理。

Multi-RTT 技術是利用終端與多個基站之間的相對位置來計算終端物理位置的技術方法，為了解決時鐘同步的難點，技術采用上下行定位結合的方式獲取RTT值，具有較高精度。

具體原理為：在下行信號發送時，基站利用本地時鐘記錄其發射信號時間t0，終端接收到下行信號時利用本地時鐘記錄接收時間t1；在上行信號發送時，終端利用本地時鐘記錄其信號發射時間t2，基站接收到上行信號后，利用本地時鐘記錄接收時間為t3。此時，RTT=（t3-t2）-（t1-t0），終端則位于以基站為圓心，半徑為c×RTT（c為光速）的圓上，多個（至少3 個）圓的交匯處便是終端的物理位置。由于基站與終端均是利用本地時鐘記錄時刻，記錄的信號發射與接收時間差為相對時間差，因此Multi-RTT 技術并不要求終端與基站的時鐘同步。

3 中國聯通定位能力產品規劃

被動定位在市場上存在很多剛性的場景需求，如疫情防控、110 刑偵辦案、檢查機關對犯人進行管教監管等，傳統的定位技術（如GPS、北斗等主動定位手段）無法滿足這些場景需求。而依托于運營商網絡能力及網絡數據的定位方案，如基站定位、三角定位、指紋定位，能夠解決這些問題。

中國聯通以升級現有LBS 產品為目標，進行定位能力中心產品架構的搭建，實現了對指紋定位、三角定位、CELL_ID定位等多種定位能力的研發，并可以根據需求場景對之進行融合編排、統一輸出；完成了定位業務運營管理平臺的設計與開發，實現了對定位能力的管理及調用情況的分析；增加客戶自服務系統的設計研發、增加基于定位能力的原子應用，從而提升中國聯通定位能力水平，提高中國聯通在定位市場的競爭力。

搭建中國聯通定位能力產品架構，完成“定位基礎設施層”“定位能力層”“定位中臺層”及“服務層”4層服務體系（見圖5），以實現中國聯通定位能力產品的商業化輸出。其中“定位基礎設施層”實現全國范圍內4G∕5G、CORS 基站的統一納管；“定位能力層”實現了在定位基礎設施之上的定位能力建設，包括三角定位、基站定位、指紋定位等等；“定位能力中臺層”實現了中國聯通定位能力的集約化管理與編排，將中國聯通定位能力包裝為商業化可售賣的標準“API 商品”；“服務層”針對中國聯通定位運營團隊及客戶兩大角色，設計出“運營服務子系統”及“客戶服務子系統”，兩大系統互相聯動，滿足對定位業務的運營需求，其主要實現的功能包括：

圖5 中國聯通定位產品架構圖

a）“管”，對定位業務進行管理，包括訂單的審核處理、賬單處理、對業務的啟停控制等。

b）“查”，輔助運營及運維人員，對業務開展過程中的問題進行定位、排查，包括異常分析、工單處理等。

c）“算”，為產品運營提供多維度的報表，通過按客戶、地區、應用類型、時間等不同維度的組合，結合接口調用情況、賬單情況等在經營分析方面提供數據及圖表支持。

4 總結

蜂窩網無線定位技術是蜂窩網無線技術研究的重要方面，它具有很大的學術研究價值和市場價值，由于它具有先天的可以主動定位移動終端優勢，在公安、消防、醫療等公共安全健康領域具有一定程度的不可替代性。中國聯通建設了不同精度、不同準確度的多種定位能力，并實現了定位能力的產品化、商品化，以滿足多樣化的場景需求，助力國家公共安全事業的發展升級。