移动定位技术

8.2.4　移动定位技术

移动定位技术的具体实现方案可大致分为两类:如果定位计算功能在无线网络中完成，称为基于网络的方案;如果定位计算功能在移动台完成，则称为基于移动台的方案。前一种在移动通信网中应用的定位技术主要有3种:基于网络的来源蜂窝小区(COO，cell Of origin)技术;基于到达时间(或时间差)、角度、无线信号衰减等技术;基于全球定位系统(GPS，global positioning system)、地面无线网络基站的A-GPS(Assistant-GPS，辅助GPS)技术。

1.基于网络的来源蜂窝小区(COO)定位技术

它是当今唯一在无线网络中被广泛采用的定位技术。在美国，它已经开始为第1阶段的“911”紧急服务提供支持。另外，它也能够为无线办公室、基于位置的付账和一些基于位置的信息需求提供服务。在这种系统中，移动网络基站(BTS)所在的蜂窝小区作为呼叫者的定位单位。这样，定位精度就必须取决于小区的大小。在使用微小区的一些市中心，其小区尺寸可能只有150m。而且COO不用对手机和网络进行升级就可以直接向现存用户提供基于位置的服务。目前中国电信的移动业务小灵通由于技术原因，可以使用该技术达到较好的定位效果(小灵通发射功率很低，所以基站数目远比GSM/CDMA多，能取得较好的精度要求)。

其优点是:COO技术无须对手机和网络进行修改，因此它可以被用来向当前的移动用户提供位置发现系统。响应时间快3s左右。

其缺点是:COO与其他技术相比，其精度却是最低的。有些人说在城市中，由于小区较小，因而COO的精度已经足以提供信息服务了。然而当我们需要位置发现系统提供紧急服务时，COO的精度就是一个不可忽视的问题了。

2.增强观测时间差分(E-OTD)定位技术

E-OTD(enhanced-observation time difference)是通过放置位置接收器或参考点实现的，这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上，作为位置测量单元LMU(location measurement unit)以覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源，当具有E-OTD功能手机和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达手机和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值可以被用来产生几组交叉双曲线，并由此估计出手机的位置。E-OTD技术在GSM 03.17的附件C中有详细的描述。

其优点是:E-OTD方案可以提供比COO高得多的定位精度，在50m到125m之间。

其缺点是:E-OTD会受到市区的多径效应的影响。这时，多路径将扭曲信号波形并加入延迟，导致E-OTD在决定信号观测点上比较困难。并且它的响应速度较慢，往往需要约5s的时间。另外，它需要对手机进行改进，这意味着现存的用户无法通过该技术获得基于位置的服务。

3.到达时间(TOA)定位技术

与E-OTD类似，TOA也是通过计算信号从移动设备到3个基站的传输时间差来获得位置信息的。不同的是，TOA系统中没有使用位置测量单元，而是通过与在基站上安装的GPS或原子钟的无线网络的同步来实现的。美国cdmaOne网络使用了这个功能。TOA在市区提供的定位精度会比COO好一些，但是它却需要比COO或E-OTD更长的响应时间，大约有10s。

同步GSM网络所需要的代价要比通过COO提高网络性能高得多。运营商或许不会进行这方面的投资。但是TOA无需对手机进行修改，因此可以直接向现存用户提供服务。

4.到达角交会(AOA)定位技术

AOA技术最初是由美国军方和政府机构共同开发的，它不需要对移动设备进行修改，后来被运用到了模拟无线通信中。由于数字移动通信信号短、信道共享的特点，AOA技术很难成功地应用到数字系统中。

该技术的最普通的版本被称为“小缝隙方向寻找”，它需要在每个蜂窝小区站点上放置4～12组的天线阵列，这些天线阵列一起工作，从而确定移动设备发送信号相对于蜂窝基站的角度。当若干个蜂窝基站发现了该信号源的角度时，它们将分别从基站沿着得出的角度引出射线，这些射线的交点就是移动电话的位置了。

其优点是:技术上的可行性在于，当追踪语音服务等连续的发送信号时，由于有较长的分析时间，因此该技术的性能是可以接受的。

其缺点是:当呼叫者在小区间切换时，系统必须跟踪语音信道的切换。如果AOA天线阵列的位置使得它无法解读带内语音信道的信号，则该技术的性能就会受到很大的影响。小缝隙AOA系统往往会受到由多径和其他环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响。AOA系统最大的缺点是随着通信法规的不断严格，向蜂窝基站增加天线阵列会有许多麻烦，例如不美观和不方便管理等。而现存的蜂窝基站的天线并不适合AOA技术。AOA系统另一个缺陷是:当移动电话距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位线距离的较大误差。

5.信号衰减(signal attenuation)定位技术

信号衰减定位技术也称为场强定位技术。其基本原理是利用移动电话靠近基站或远离基站时所带来的信号衰减变化来估计移动电话的方位。由于多数移动电话的天线是多向发送的，因此信号功率会向所有方向迅速消散。如果移动电话发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出移动电话与该点的距离。

然而，由于多种原因，这项技术被认为是定位技术中最不可靠的一种。发现传送功率是一项负担，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整，这个过程可能会十分复杂。而且，信号并不只因为传输距离而产生衰减，其他的因素如穿越墙、植物、金属、玻璃、车辆等都会对信号功率产生影响。功率测量电路也无法区分多个方向接收到的功率，如直接的和反射的。移动用户可能都有这样的体会:虽然没有移动，但是手机上的“信号强弱条”却在不断变化，其实，这就是由以上原因造成的。

6.射频信号模式匹配(FPT)定位技术

FPT(FingerPrint)又称射频信号模式匹配(RF pattern match)，是美国无线公司(US Wireless)开发的专利技术，已成功用于RadioCamera系统中。由于多径干扰的模式完全取决于反射环境，所以特定地区的干扰模式具有自己的特征。终端发射的无线电波经建筑物和其他障碍物的反射和折射，产生与周围环境密切相关的特定模式多径信号。基站天线阵列检测信号的幅度和相位特性，提取多径干扰特征参数，将该参数与预先存储在数据库中的模式进行匹配，找出最相似的结果，然后结合地理信息系统，找出与该模式相匹配的地区范围，以街道和城区的图形化形式输出定位结果。

FPT技术基本不受非视距传输效应(NLOS)的影响，系统独立性强，结构简单。但FPT技术实施的高度复杂性是推广应用的最大障碍，因为在FPT定位系统投入实际使用前，必须建立庞大完整的位置指纹数据库，详细记录城市每个可分辨最小区域的特征，并保持与城市建设同步更新，以保证指纹样本的有效性、可靠性和准确性，所以该项技术尚处于试运行阶段，没有大规模应用。

7.A-GPS(Assistant-GPS，辅助GPS)定位技术

GPS技术自20世纪70年代后期投入使用以来，因其全天候、高精度的定位性能，已在世界范围内得到广泛应用。使用GPS设备的重要前提之一是接收机与卫星之间有直射路径，这又使GPS在建筑物密集的城区及建筑物内部存在信号接受盲区。新推出的A-GPS技术融合了GPS高精度定位与蜂窝网高度密集覆盖的特性，既保证了在城市范围内蜂窝定位的精度，也扩大了GPS的覆盖范围，A-GPS可以通过蜂窝网络的空中接口使终端获得卫星的有效参数。另外，A-GPS的响应时间明显快于传统的GPS。GPS定位的初始捕获时间较长，通常为30s～15min，这取决于卫星与终端的相对位置。A-GPS则可将初始捕获时间减少到5～10s。

A-GPS技术系统的兼容性很强，若在网络中增加GPS功能模块，即可实现基本的定位功能。定位过程的实现与空中接口标准没有必然联系，因此GPS定位技术能方便快捷地为所有蜂窝网络提供定位服务。高通(QUALCOMM)公司已研制开发出集成了GPS定位功能的小型化芯片组UEM5100，并用于子公司SnapTrack推出的GPSone系统中。随着芯片制造技术的进步、GPS系统本身定位精度提高及成本降低，A-GPS最终将取代各种传统无线定位技术，成为蜂窝移动通信系统提供定位服务的主要技术手段。

A-GPS定位过程如下:网络将GPS辅助信息发送到移动台，移动台得到GPS信息，计算出自身精确位置，并将信息发送到网络。A-GPS有移动台辅助和移动台自主两种方式。移动台辅助GPS定位是将传统GPS接收机的大部分功能转移到网络上实现。网络向移动台发送短的辅助信息，包括时间、卫星信号、多普勒参数等，这些信息经移动台GPS模块处理后产生辅助数据，网络处理器利用辅助数据估算出移动台的位置。自主GPS定位的移动台包含一个全功能的GPS接收器，具有移动台辅助GPS定位的所有功能，再加上卫星位置和移动台位置计算功能。

A-GPS的优点是:网络改动少，网络不需增加其他设备，网络投资少，定位精度高。由于采用了GPS系统，定位精度较高，理论上可达到5～10m。

A-GPS的缺点是:现有移动台均不能实现A-GPS定位方式，需要更换，从而使移动台成本增加。