WCDMA网络中的位置业务

2019-11-03 09:14:57

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供稿：网友

中国电信集团北京研究院余旻晖邢燕霞

　　摘要本文主要介绍WCDMA系统中的位置业务，包括三种定位技术的原理和特点、核心网网络结构和接口以及位置业务的应用介绍。

　　关键词： LCS CELL ID OTDOA A-GPS 位置业务

1、前言

　　移动通信领域是近年来竞争最激烈的行业之一，运营商越来越需要差异性的业务来提高竞争力，LCS业务（LoCation Services，位置业务）是被普遍看好的一种移动增值业务。根据Strategics Group的预测，2004年在美国基于位置的业务的收入将达到3.6亿美元。所谓位置业务是指利用定位技术确定移动终端的位置，并据此提供各种基于位置的应用的增值业务。目前2G系统中已经可以提供简单的基于位置的服务，随着3G网络的商用进程的加快，位置业务将可以依托3G网络的宽带、高速的特性，变得更加丰富多彩。下面将具体介绍在WCDMA系统中位置业务的实现方法。

2、定位技术

　　WCDMA R99规范中定义了三种定位技术：基于CELL ID（小区识别）的定位技术、OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）定位技术和网络辅助的GPS定位技术，下面分别对几种技术进行介绍。

2．1 基于CELL ID的定位技术

　　这是一种最基本的定位方法，适用于所有的蜂窝网络。它不需要移动台提供任何定位测量信息，也无须对现网进行改动，只需要在网络侧增加简单的定位流程处理即可，因而最容易实现，目前这种定位技术已经在各移动网络中广泛使用。它的定位原理很简单：网络根据移动台当前的服务基站的位置和小区覆盖来定位移动台。若小区为全向小区，则移动台的位置是以服务基站为中心，半径为小区覆盖半径的一个圆内；若小区分扇区，则可以进一步确定移动台处于某扇区覆盖的范围内。

　　显而易见，这种定位方法的精度完全取决于移动台所处小区的大小，从几百米到几十公里不等。在农村地区，小区的覆盖范围很大，所以CELL-ID的定位精度很差。而城区环境的小区覆盖范围较小，一般小区半径在1~2km，对于繁华的城区，有可能采用微蜂窝，小区半径可能到几百米，此时CELL-ID的定位精度将相应提高为几百米。

　　由于CELL-ID定位不需要移动台的定位测量，并且空中接口的定位信令传输很少，所以定位响应时间较短，一般在3s以内。

2．2 OTDOA技术

　　OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）是一种应用于3G网络下的定位方式。在GSM网络中也有类似的定位方法，称为E-OTD（Enhanced Observed Time Difference ）。该方法的原理如图1所示。

　　这种定位方法的基本原理是：移动台测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA（Time o f Arrival，到达时刻），即所谓的导频相位测量。根据该测量结果并结合基站的坐标，采用合适的位置估计算法，就能够计算出移动台的位置。如图，假定以a基站为参考，根据移动台提供的导频相位测量结果，能够得到b基站相对于a基站的下行导频信号接收时间差，记为TDOAab，乘以光速就能够得到a基站与b基站达到移动台的传播距离差，从而能够以a基站和b基站为基准得到双曲面。同样，根据TDOAac能够得到以a基站和c基站为基准的另一双曲面。两个双曲面的交界就是移动台的位置。实际的位置估计算法需要考虑多基站（3个或3个以上）定位的情况，因此算法要复杂很多。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显。

　　使用这种方法，需要移动台索测量的基站同时发出下行导频信号。因此，网络中的所有基站必须实现时间同步。一般可通过在基站安装GPS接收机或连接到时间同步网来实现基站的同步。

　　OTDOA的定位精度相比CELL ID方法要高，但它的精度受到环境的影响，在郊区和农村可以将移动台定位在10－20米范围内；在城区由于高大建筑物较多，电波传播环境不好，信号很难直接从基站到达移动台，一般要经过折射或反射，下行导频信号的TOA也就出现了误差，因此定位精度会受到影响，定位范围约为100－200米。一般情况OTDOA定位响应时间在3~6s左右。

2．3 网络辅助的GPS定位

　　A-GPS（Assisted Global Positioning Systems）是网络辅助的GPS定位的简称，这种方法需要网络和移动台都能够接收GPS信息。它的基本原理是：网络向移动台提供辅助GPS信息，包括GPS伪距测量的辅助信息（例如GPS捕获辅助信息、GPS定位辅助信息、GPS灵敏度辅助信息、GPS 卫星工作状况信息等）和移动台位置计算的辅助信息（例如GPS 历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等），利用这些信息，移动台可以很快的捕获卫星，并接收到测量信息，然后将测量信息发送给网络中的定位服务中心，由它计算出移动台当前所处的位置。由于位置计算是在网络完成的，移动台的GPS接收实现复杂度大大降低，并能够降低功耗。

　　在开阔的环境中，如城郊或乡村，多径和遮挡是可以忽略的，A-GPS的定位精度能够达到10m左右甚至更优；如果移动台处于城区环境，无遮挡并且多径不严重，定位精度将在30~70m左右；如果移动台在室内或其他多径和遮挡严重的区域，此时移动台难以捕获到足够的卫星信号，A-GPS将无法完成定位，这是它的最大局限性。

　　与前两种定位技术相比，A-GPS定位方法的响应时间稍长，在冷启动情况下，A-GPS的定位响应时间为10s～30s；正常工作状态下，响应时间为3～10s左右。

　　以上介绍的是R99中规定的三种基本定位技术，它们可以在不同情况下使用，基于CELL ID的定位方法可以在定位精度要求较低时使用；OTDOA方法可以在定位精度要求较高并且终端和网络无GPS接收装置时使用；而网络辅助GPS定位方法则适宜定位精度要求高且终端和网络有GPS接收装置时使用。另外，这几种方法可以同时混合使用，以弥补彼此的不足。例如同时使用CELL-ID和OTDOA技术，就可以在农村和密集城区多获得较好的定位效果。在WCDMA网络商用初期，多数终端没有GPS设备，而且LCS业务种类不丰富，网络将主要利用前两种方法提供定位业务；随着网络的发展和成熟，网络辅助的GPS定位技术的应用将会有所增加，网络将同时使用多种定位技术在不同情况下为不同的应用和不同的用户提供LCS服务。

3、网络结构

　　下图是3GPP规定的实现LCS业务的网络结构，无线接入网侧的LCS功能实体是LMU（Location Measurement Unit，位置测量单元）和SMLC（Serving Mobile Location Center，服务移动位置中心），其中LMU可以单独设置或与在Node B合设，SMLC可以是单独设备或作为RNC的一个功能块和RNC在一起，取决于厂家的实现方式。核心网侧的LCS功能实体主要是GMLC（Gateway Mobile Location Center，网关移动位置中心），作为LCS服务器它与LCS客户（LCS Client）相连；其他核心网网元HLR、MSC/MSC Sever、SCP和SGSN需要具有支持位置业务的能力。

　　上述功能实体各负其责，LMU负责无线信号测量，其结果供SMLC计算位置信息使用；SMLC根据业务的QOS选择适当的定位技术，并将UE的位置信息以经纬度的形式通过电路域的MSC或分组域的SGSN送到GMLC；GMLC是外部应用获取UE位置信息的网关，其功能包括对用户以及客户端的鉴权、授权，将SMLC送来的经纬度的位置信息转换为地理坐标，对客户端和用户的计费，接受客户端的请求并作出相应的响应等。

　　LCS客户端是为了获取移动台位置信息而与LCS服务器进行交互的功能实体，它可以在移动网内实体上，也可以在移动网络外部，一般情况LCS客户是网络运营商或其他第三方提供的位置相关应用，它可以通过两种方式接入到GMLC，一种是通过采用MLP（Mobile Location PRotocol）协议的Le接口接入，MLP是开放移动联盟OMA（Open Mobile Alliance）推荐的GMLC和具体应用之间的协议；另一种接入方式是通过OSA（Open Service access）提供的标准的API（application Program Interface）接口接入，这种方式是分层次网络发展的趋势，但目前统一业务平台建设还有一定难度，OSA API协议也有待完善，因此这种方式不如前一种方法易于实现。

　　根据不同应用的需要，LCS客户端可以向GMLC发出两种位置请求，即时位置请求LIR（Location Immediate Request）和延时位置请求LDR(Location Deferred Request),其中包括目标UE的信息、客户端的信息、业务类型以及QOS等业务相关信息。相应的GMLC将回复即时响应（Immediate Response）、延时响应（Deferred Response）消息，其中包含目标UE的地理坐标，LCS客户端根据这个结果提供不同应用。

　　WCDMA系统支持对漫游用户的位置业务，它是通过GMLC和HLR之间的接口Lh以及GMLC之间的Lr接口来实现的，简单来说，当客户端向R-GMLC（接受请求的GMLC）提出请求后，R-GMLC通过Lh和Lr接口找到H-GMLC（归属GMLC）和V-GMLC（拜访GMLC），并将位置请求转到V-GMLC，由拜访网络对漫游用户进行定位，然后将返回结果经R-GMLC送到客户端。

4 应用

表1是3GPP规定的几类标准的位置业务。

　　在以上标准化的应用中，基于位置的信息服务是比较典型的位置业务，也是比较容易实现的业务，目前这类业务的业务请求和响应都是以短消息的方式实现的，在2.5G网络中，已经有一些简单的应用，例如查找某个终端的位置，附近的饭店、银行、加油站等。在WCDMA系统中，由于网络的承载能力的提高、终端显示的改进，位置业务信息将不局限于文本形式，图像、文本、声音以及媒体流等都可能成为信息载体，这不仅使信息提供更准确，也将吸引更多的用户使用位置业务。

5 结束语

　　LCS业务能否如人们的期待的那样成为运营商的业务增长点，关键在于运营商能否推出有吸引力的LCS应用，LCS应用的种类绝非仅限于上面所提到的几类应用，它还潜在着许多有价值的应用。对于运营商来说，应尽量提供多层次的LCS业务以满足不同的需求，并注重整个业务价值链的各个环节的统一和协调，加强和业务开发商、网络设备制造商以及终端生产商的和作和沟通，保证端到端的业务实现。

摘自　中国电信

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