基于移动电信的定位方法
【文章摘要】目前在基于移动电信技术的定位的典型方法有：TA(或称为TA+CELLID)；AOA、到达时间(TOA)、TDOA、TDOA、AOA：OTD、增强测量时间差(E-OTD)；多路径图型辨识；GPS、DGPS、InverseDGPS、GPS辅助(A-GPS)，等。
目前在基于移动电信技术的定位的典型方法有：TA(或称为TA+CELLID)；AOA、到达时间(TOA)、TDOA、TDOA、AOA：OTD、增强测量时间差(E-OTD)；多路径图型辨识；GPS、DGPS、InverseDGPS、GPS辅助(A-GPS)，等。
l、TA
或称CellID+TA，指小区识别号+时间提前量。时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和BTS之间的距离。如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫(如紧急呼叫)，从而使SMLC获得TA和CellID。如果MS在占用模式，SMLC向BSC发送消息获取TA和CellID。SMLC将小区天线中心半径为TA的圆环(对全向天线)或者圆环的部分(对定向天线)范围内区域确定为MS所在区域。
时间提前量通过O？63bit/s来表示，若小区的半径为35km，则定位精度约为550m。通常在小区密集的城市区域，小区的半径很小，可以达到几百米，此时定位的精度就很高了。但这种精度只能表示移动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。
2、COO(CellOfOrigin)
起源蜂窝小区定位技术(COO)是最简单的一种定位方式，它根据移动台所处的小区识别号ID来确定用户的位置。移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置(在当地地图中的位置)和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。起源蜂窝小区技术是基于网络的定位方案，它的优点是无需对网络和手机进行修改，响应时间短。但是，由此导致的缺点是精度较差。
3、AOA(AngleofArrival)
测量信号的到达角度(AngleOfArr技ive，简称AOA)也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点。首先，AOA定位要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输(LOS)的。非视线传输(NLOS)将会给AOA定位带来不可预测的误差。即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰AOA的测量。其次，由于天线设备角分辨率的限制，AOA的测量精度是随着基站与移动站之问的距离的增加而不断减小的。
由于测量AOA的定位方法具有上述的特点，所以对于处于城市地区的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物多且其到移动站的距离与小区半径可以相比，这样就会引起比较大的角测量误差。在这种情况下，基于AOA的定位方法没有实际的意义。对于宏小区，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区的半径相比，引起射频信号反射的障碍物多位于移动站附近，NLOS传输引起的角测量误差比较小。所以测量信号到达角度的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用来提高定位的精度。
4、TOA(TimeofArrival)
TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号；各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差(RTD)；根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差(TDOA)，得出精确位置，并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差(RTD)参数。
LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突发信号。此时，手机在业务信道(可能会处于跳频方式)上，以特定功率发送达70个接入脉冲(时长320ms)。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分集技术(如天线分集和跳频)，可降低多径效应的影响，提高测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差范围发送回应用。
TOA定位方式需要附加硬件(LMU)，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有多种：LMU既可集成在BTS内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。
5、TDOA(TimeDifferenceofArrival)
一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。
TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-91l呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，可以提高定位精度，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。
6、E-OTD
E-OTD定位方式是从测量时间差(OTD)发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E-OTD指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。确定了BTS到手机的信号传输时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。
手机收到各基站发来信号，得到TOA参数；LMU得到RTD参数；手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间的RTD。为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量(非同步BTS时)均需要3个BTS。获得OTD参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算(要求手机具备各种必要信息)。前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。
7、GPS
目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。
基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。
8、A-GPS(AssistGPS)
A-GPS(AssistedGPS)。A-GPS与GPS方案一样，也需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将GPS的位置信息数据传给移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照GPS的参考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从数据库中查出手机的近似位置和小区所在的位置信息传给手机，这时手机可以很快捕捉到GPS信号，这样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。不需像GPS的首次捕获时间可能要2？3分钟时间。而精度也仅为几米，高于GPS的精度。QUALCOMM公司的gpsOne即采用A-GPS方案。
该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：(1)手机辅助GPS定位方式。这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置GPS模块减少GPS信号获得时间。辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。(2)手机自主GPS定位方式。这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有(1)方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更高的精度，则必须持续(间隔约30s)向手机发差分GPS(DGPS)信号。DGPS信号在非常宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。
l、TA
或称CellID+TA，指小区识别号+时间提前量。时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和BTS之间的距离。如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫(如紧急呼叫)，从而使SMLC获得TA和CellID。如果MS在占用模式，SMLC向BSC发送消息获取TA和CellID。SMLC将小区天线中心半径为TA的圆环(对全向天线)或者圆环的部分(对定向天线)范围内区域确定为MS所在区域。
时间提前量通过O？63bit/s来表示，若小区的半径为35km，则定位精度约为550m。通常在小区密集的城市区域，小区的半径很小，可以达到几百米，此时定位的精度就很高了。但这种精度只能表示移动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。
2、COO(CellOfOrigin)
起源蜂窝小区定位技术(COO)是最简单的一种定位方式，它根据移动台所处的小区识别号ID来确定用户的位置。移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置(在当地地图中的位置)和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。起源蜂窝小区技术是基于网络的定位方案，它的优点是无需对网络和手机进行修改，响应时间短。但是，由此导致的缺点是精度较差。
3、AOA(AngleofArrival)
测量信号的到达角度(AngleOfArr技ive，简称AOA)也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点。首先，AOA定位要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输(LOS)的。非视线传输(NLOS)将会给AOA定位带来不可预测的误差。即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰AOA的测量。其次，由于天线设备角分辨率的限制，AOA的测量精度是随着基站与移动站之问的距离的增加而不断减小的。
由于测量AOA的定位方法具有上述的特点，所以对于处于城市地区的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物多且其到移动站的距离与小区半径可以相比，这样就会引起比较大的角测量误差。在这种情况下，基于AOA的定位方法没有实际的意义。对于宏小区，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区的半径相比，引起射频信号反射的障碍物多位于移动站附近，NLOS传输引起的角测量误差比较小。所以测量信号到达角度的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用来提高定位的精度。
4、TOA(TimeofArrival)
TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号；各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差(RTD)；根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差(TDOA)，得出精确位置，并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差(RTD)参数。
LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突发信号。此时，手机在业务信道(可能会处于跳频方式)上，以特定功率发送达70个接入脉冲(时长320ms)。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分集技术(如天线分集和跳频)，可降低多径效应的影响，提高测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差范围发送回应用。
TOA定位方式需要附加硬件(LMU)，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有多种：LMU既可集成在BTS内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。
5、TDOA(TimeDifferenceofArrival)
一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。
TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-91l呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，可以提高定位精度，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。
6、E-OTD
E-OTD定位方式是从测量时间差(OTD)发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E-OTD指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。确定了BTS到手机的信号传输时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。
手机收到各基站发来信号，得到TOA参数；LMU得到RTD参数；手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间的RTD。为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量(非同步BTS时)均需要3个BTS。获得OTD参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算(要求手机具备各种必要信息)。前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。
7、GPS
目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。
基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。
8、A-GPS(AssistGPS)
A-GPS(AssistedGPS)。A-GPS与GPS方案一样，也需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将GPS的位置信息数据传给移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照GPS的参考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从数据库中查出手机的近似位置和小区所在的位置信息传给手机，这时手机可以很快捕捉到GPS信号，这样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。不需像GPS的首次捕获时间可能要2？3分钟时间。而精度也仅为几米，高于GPS的精度。QUALCOMM公司的gpsOne即采用A-GPS方案。
该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：(1)手机辅助GPS定位方式。这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置GPS模块减少GPS信号获得时间。辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。(2)手机自主GPS定位方式。这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有(1)方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更高的精度，则必须持续(间隔约30s)向手机发差分GPS(DGPS)信号。DGPS信号在非常宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。
责任编辑：李哲
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