提供位置業(yè)務(wù)（LBS）的需要相應(yīng)的定位技術(shù)。定位技術(shù)主要有3類，即基于終端的定位技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)、基于終端-網(wǎng)絡(luò)混合的定位技術(shù)。基于終端的定位技術(shù)又稱移動(dòng)臺(tái)自主定位技術(shù)，是指移動(dòng)終端利用接收到的信號進(jìn)行位置估算來進(jìn)行終端定位，以GPS、GLONASS等技術(shù)為代表。基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)端測算移動(dòng)終端發(fā)送的信號，并進(jìn)行相應(yīng)的位置估算，這種定位方式可以基于現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。此外，還可以對兩種方案綜合實(shí)施，即基于終端和網(wǎng)絡(luò)的混合定位技術(shù)，如：網(wǎng)絡(luò)輔助的定位、終端輔助的定位、GPS輔助定位(Assist-GPS)等等。
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針對現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如果采用基于終端的定位方案或GPS輔助定位方案（混合定位方案），必須對現(xiàn)有的移動(dòng)終端進(jìn)行改動(dòng)，增加必要的軟硬件設(shè)備，如集成GPS接收機(jī)，還必須通過空中接口將定位信息傳送回移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。而基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案只需對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作適當(dāng)擴(kuò)充、改動(dòng)，不需要對現(xiàn)有移動(dòng)終端作任何改動(dòng)，適用于現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。
不同的移動(dòng)定位技術(shù)原理都大致相同：即對信號的某種特征測量值的檢測，并采用一定的位置估計(jì)算法來確定位置。下面對基于終端、基于網(wǎng)絡(luò)、基于終端和網(wǎng)絡(luò)混合的常見定位技術(shù)進(jìn)行介紹。
一、基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)
1、基于小區(qū)識(shí)別號（CELL-ID）的定位技術(shù)
在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，用戶所屬的小區(qū)是被網(wǎng)絡(luò)所實(shí)時(shí)監(jiān)控的。在移動(dòng)終端的位置更新、呼叫處理、短消息傳送以及切換等過程中，BSC會(huì)將用戶所在基站扇區(qū)的CELL-ID傳送給MSC，用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)可以確定手機(jī)終端的位置。通常，以此扇區(qū)中心的經(jīng)緯度來代表移動(dòng)終端的位置。由于是利用基站的位置代表移動(dòng)終端的位置，故其精確度與地面蜂窩基站的密度成正比。若是小區(qū)足夠小，則CELL-ID定位技術(shù)的精度就比較高。在城市中，由于基站比較密集，CELL-ID定位技術(shù)能夠滿足對精度要求較低位置服務(wù)的需求。在我國，移動(dòng)運(yùn)營商已基于CELL-ID定位技術(shù)開展了部分低精度位置業(yè)務(wù)。和其他定位技術(shù)相比，CELL-ID技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如下表1-1所示。
表1-1：CELL-ID技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
2、基于電波到達(dá)時(shí)間（TOA，Time Of Arrival）的定位技術(shù)
TOA定位技術(shù)的基本原理是：通過測出電波從移動(dòng)終端傳播到多個(gè)基站的時(shí)間來確定移動(dòng)終端的位置。若電波從移動(dòng)終端到第i個(gè)基站的傳播時(shí)間為T，電波傳播速度為C，終端的位置坐標(biāo)為Xo，Yo，基站位置坐標(biāo)為Xi，Yi，則終端必定處在以Xi，Yi為圓心，以CT為半徑的圓上。在多個(gè)基站上進(jìn)行上述計(jì)算，則移動(dòng)終端的二維位置坐標(biāo)可由3個(gè)以上圓的相交點(diǎn)確定，從而確定Xo，Yo，其定位原理如圖1-2所示。利用TOA技術(shù)進(jìn)行定位需要移動(dòng)終端和參與定位基站之間的時(shí)間精確同步，并且在其發(fā)射信號中要包含發(fā)射時(shí)間標(biāo)記以便接收基站信號到達(dá)時(shí)間，從而確定信號所傳播的距離。一般來說，必須通過與在基站上安裝了GPS或原子鐘的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的同步來實(shí)現(xiàn)。利用TOA技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)無需對終端進(jìn)行改動(dòng)，相對于CELL-ID技術(shù)，其定位精度較高，但其實(shí)現(xiàn)需要對網(wǎng)元做一定修改。
圖1-2：TOA定位技術(shù)原理
3、基于電波到達(dá)時(shí)間差的TDOA (Time Difference Of Arrival)定位技術(shù)
TDOA定位技術(shù)的原理是通過檢測電波到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，而不是由到達(dá)的絕對時(shí)間來確定移動(dòng)終端的位置，因而降低了對時(shí)間的同步要求。移動(dòng)終端位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定移動(dòng)終端的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，雙曲線的交點(diǎn)即為終端的二維位置坐標(biāo)，其定位原理如圖1-3所示。由于這種定位技術(shù)不要求移動(dòng)終端和基站之間的同步，故在誤差環(huán)境下性能相對優(yōu)越。它也是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，實(shí)現(xiàn)容易，但是，為了保證定時(shí)精度，也需要改造基站設(shè)備。
圖1-3：TDOA定位技術(shù)原理
二、基于終端的定位技術(shù)
基于終端的定位技術(shù)以GPS為代表，通過在終端中集成GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線，從而實(shí)現(xiàn)終端定位。GPS利用了離地面約2萬千米高的軌道上運(yùn)行的24顆人造衛(wèi)星所發(fā)出的信號，通過三角測量的方法進(jìn)行定位。在進(jìn)行定位時(shí)，由于衛(wèi)星的位置精確可知，根據(jù)三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，組成3個(gè)方程式，解出GPS接收機(jī)的位置(X，Y，Z)。考慮到衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘間的誤差，實(shí)際上存在4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要GPS接收機(jī)搜索空域中可用的4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到GPS接收機(jī)的經(jīng)緯度和高程。如圖2-1所示。其算法如下,2-2所示，其中Xi，Yi，Zi是第i顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，dTi是第i顆衛(wèi)星已知的相對于標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)鐘的偏差，pi是測量出的第i顆衛(wèi)星到GPS接收機(jī)的距離，dt是未知的GPS接收機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)間的鐘差。
圖2-1：3顆衛(wèi)星決定二維位置，4顆衛(wèi)星決定三維位置
圖2-2：GPS算法
GPS定位精度可達(dá)到5~15m。其主要特點(diǎn)是定位精度高，各項(xiàng)參數(shù)能夠完全滿足系統(tǒng)需求，能夠滿足導(dǎo)航等高精度業(yè)務(wù)的需求。但在GPS接收機(jī)不知道自己的大概位置時(shí)，就必須搜索整個(gè)碼相位和頻率空間來尋找可用的衛(wèi)星。因而，對于獨(dú)立的GPS接收機(jī)，初始捕獲衛(wèi)星時(shí)間較長，不能滿足一些緊急應(yīng)用；另外，由于在室內(nèi)和有高層建筑遮擋的城市中無法搜索到有用衛(wèi)星，故在這些遮擋物下不能提供有效的定位服務(wù)。
三、基于終端和網(wǎng)絡(luò)混合的A-GPS技術(shù)
1、GPS的定位技術(shù)的不足
基于GPS的定位技術(shù)存在大量問題，下表3-1給出了3個(gè)較為突出的問題，這些問題的根本原因在于：GPS要對全球所有的GPS衛(wèi)星進(jìn)行搜索，自然會(huì)出現(xiàn)時(shí)間長、耗電等問題。
表3-1：GPS定位技術(shù)的突出問題
2、A-GPS技術(shù)介紹
為解決GPS定位技術(shù)的這些弱點(diǎn)，采用A-GPS技術(shù)能滿足對即時(shí)定位要求較高的高精度位置業(yè)務(wù)（如緊急呼叫等）的需求。A-GPS技術(shù)是一種結(jié)合了基站信息和GPS信息對移動(dòng)終端進(jìn)行定位的技術(shù)。該技術(shù)的原理是：利用了移動(dòng)網(wǎng)本身的粗定位功能，在有限的范圍內(nèi)根據(jù)GPS網(wǎng)絡(luò)尋找衛(wèi)星進(jìn)行同步，從而達(dá)到快速的、高精度的定位。要實(shí)現(xiàn)A-GPS定位技術(shù)一般需要建立一個(gè)GPS參考網(wǎng)絡(luò)(廣域差分GPS網(wǎng)絡(luò))，該參考網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)時(shí)提供相關(guān)的衛(wèi)星信息。GPS參考網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般由3部分組成：GPS參考接收站、網(wǎng)關(guān)、管理平臺(tái)等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般如圖3-2所示。
圖3-2：參考網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
參考網(wǎng)絡(luò)中的GPS接收器連續(xù)運(yùn)行，時(shí)刻搜索本空域中的GPS衛(wèi)星，接收并向網(wǎng)絡(luò)提供以下數(shù)據(jù)：衛(wèi)星可見性、衛(wèi)星初始段的星歷、當(dāng)前衛(wèi)星星歷、多普勒參數(shù)、偽距、載波相位及導(dǎo)航信息等。GPS參考接收站中的GPS天線及接收器用于接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，GPS參考接收站的路由器將相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)封裝成IP包；網(wǎng)關(guān)用于接收GPS參考接收站傳來的IP包，并從中分離出單個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)包，再廣播到管理平臺(tái)的相關(guān)數(shù)據(jù)管理部分；管理平臺(tái)獲取移動(dòng)終端服務(wù)區(qū)上空所有可見衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，并提供給位置業(yè)務(wù)平臺(tái)，位置業(yè)務(wù)平臺(tái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，根據(jù)目前移動(dòng)終端的大概位置(在A-GPS定位中，終端的粗精度位置一般是通過CELL-ID定位方式來確定)，提供天文歷書和GPS星歷數(shù)據(jù)給移動(dòng)終端，并為非同步系統(tǒng)提供時(shí)間恢復(fù)計(jì)算(CDMA系統(tǒng)不需要該計(jì)算)，確定時(shí)間偏置，觀察衛(wèi)星的運(yùn)行狀況等。此外，支持A-GPS定位技術(shù)的終端需增加GPS天線、無線射頻變頻電路、數(shù)字信號處理器及相應(yīng)的軟件來完成接收到的GPS信號的相關(guān)運(yùn)算與邏輯。其具體流程如下表3-2所示。
表3-2：參考網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流程
3、A-GPS技術(shù)的分類
根據(jù)最終位置信息是由終端計(jì)算出還是由網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出，A-GPS技術(shù)又分為以終端為主(MSB，MS-BASED)、以終端為輔(MSA，MS-ASSISTED)的兩種方式，MSB方式是終端計(jì)算位置信息，并傳送給位置業(yè)務(wù)平臺(tái)，此方式和GPS技術(shù)相比，僅在初始搜星時(shí)用到網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供的GPS輔助信息，加快手機(jī)搜星過程，故這種方式對終端的要求較高，需要終端具有較強(qiáng)大的A-GPS功能模塊。MSA方式是手機(jī)完成定位相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)的測量，并交于位置業(yè)務(wù)平臺(tái)處理來完成最后的位置信息計(jì)算，由于位置信息的計(jì)算不在終端內(nèi)完成，這種方式對終端A-GPS功能模塊的要求較低。在導(dǎo)航等需實(shí)時(shí)計(jì)算位置信息的應(yīng)用中，通常采用MSB方式。A-GPS又有控制平面(Control-plane)和用戶平面(User-plane)兩種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制平面方式是指衛(wèi)星信號信息在GSM網(wǎng)絡(luò)上傳送，此時(shí)，位置業(yè)務(wù)平臺(tái)、核心網(wǎng)設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端等需進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件升級；用戶平面方式是衛(wèi)星信號信息在分組網(wǎng)絡(luò)上傳送，只需位置業(yè)務(wù)平臺(tái)、終端做相應(yīng)的軟硬件升級，相比控制平面方式較節(jié)省投資。OMA的SUPL (Secured User Plane Location) A-GPS定位標(biāo)準(zhǔn)即采用這種方式，并且，SUPL協(xié)議較好地集成了CELL-ID技術(shù)，在GPS信號強(qiáng)度較弱時(shí)，可自動(dòng)切換到CELL-ID定位方式。
四、小結(jié)
表4-1是我們對上述的各項(xiàng)定位技術(shù)進(jìn)行的優(yōu)缺點(diǎn)匯總。由表4-1可以看出，隨著定位精度的逐漸提高，對網(wǎng)絡(luò)和終端所進(jìn)行的改動(dòng)量也逐漸變大，針對當(dāng)前所要求的應(yīng)用，需要在付出代價(jià)與獲得價(jià)值之間作出權(quán)衡。從精度角度而言，沒有最好的技術(shù)，只有最合適的技術(shù)。
表4-1：幾種定位方法的比較
其實(shí)，上述幾種定位方法是基本的方法，結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)，可以組成更多的定位方法。基于陸地移動(dòng)無線通信系統(tǒng)，尤其是2G、3G和4G的各種移動(dòng)通信系統(tǒng)所支持的更多定位技術(shù)詳見下表4-2；表4-3給出了有關(guān)定位技術(shù)的中英文對照。
表4-2：各種移動(dòng)通信系統(tǒng)所支持的各種定位技術(shù)
表4-3：有關(guān)定位技術(shù)的中英文對照
欲進(jìn)一步了解3GPP定義的移動(dòng)位置業(yè)務(wù)架構(gòu)的請進(jìn)入。
