摘要：

文章以寬帶碼分多址標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，介紹了第3代移動通信的3種定位方法：基于小區(qū)標(biāo)識定位法、觀察到達(dá)時間差-下行空閑周期定位法和網(wǎng)絡(luò)輔助全球定位系統(tǒng)定位法，并對3種定位方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較和分析。

關(guān)鍵詞：

定位業(yè)務(wù)；觀察到達(dá)時間差；下行空閑周期

Abstract:

Based on the WCDMA standards， three positioning methods: cell ID based positioning， OTDOA-IPDL positioning and network assistant GPS positioning， in the 3rd generation mobile communications are introduced， and the advantages and disadvantages of the three methods are compared and analyzed.

Key words:

LoCation services; Observed time difference of arrival; Idle period downlink

社會信息化進(jìn)程越來越快，人們希望能隨時隨地獲取所需信息和進(jìn)行通信，這對移動通信系統(tǒng)提出了更高的要求。人們在獲得高質(zhì)量的話音、數(shù)據(jù)、圖形、圖像等各種信息服務(wù)的同時，還希望移動通信系統(tǒng)能給他們帶來更多的便利，蜂窩定位技術(shù)就是一項隨時代潮流應(yīng)運而生的新興技術(shù)。本文主要討論定位技術(shù)在第3代移動通信寬帶碼分多址(WCDMA)中的應(yīng)用和定位方法的實現(xiàn)。

1、 寬帶碼分多址定位技術(shù)

早在1996年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)公布了E-911(Emergency call “911”)定位需求，要求各種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須可進(jìn)行E-911緊急呼叫，這表明提供E-911定位服務(wù)將是今后蜂窩網(wǎng)絡(luò)必備的基本功能。歐洲和日本也作了相應(yīng)的要求。E-911定位需求頒布以來，由于相關(guān)政府的強制性要求和市場需求本身的驅(qū)動，許多國家的通信企業(yè)針對GSM、IS-95和3G等網(wǎng)絡(luò)制訂了各自的實施方案，并取得了一定的成果。

對移動臺的定位主要包括兩個步驟：信號測量和基于測量的定位估計計算。其中，信號測量可以在用戶終端(UE)、節(jié)點B和定位測量單元(LMU)中進(jìn)行。所測量的信號為通用陸地?zé)o線接入(UTRA) 無線發(fā)射信號，也可能包括其他的通用無線導(dǎo)航信號。定位功能不局限于一種定位方法或單個信息的測量，這樣可以提高定位精度。定位計算估計可以在用戶終端(UE)或通用移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)(UTRAN)，如業(yè)務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)控制器(SRNC)中進(jìn)行。

定位的實現(xiàn)可以提高用戶的安全保障；根據(jù)移動用戶密度不同靈活計費；提供諸如車輛及旅客位置、車輛的調(diào)度管理、監(jiān)測交通事故、疏導(dǎo)交通等服務(wù)；增強蜂窩性能，如能準(zhǔn)確地監(jiān)測移動臺的移動，使網(wǎng)絡(luò)方面能更好地決定什么時候進(jìn)行小區(qū)間的切換；輔助實現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)設(shè)計和資源管理，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備定位能力后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者能改進(jìn)他們對蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃能力；通過對呼叫移動臺的定位，網(wǎng)絡(luò)方面可根據(jù)其位置分配相應(yīng)信道，從而提高頻譜利用率，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行更有效的管理。隨著定位技術(shù)的發(fā)展，其他潛在的應(yīng)用還將不斷出現(xiàn)。

2、 主要定位方法

2.1 基于小區(qū)標(biāo)識定位法

在基于小區(qū)標(biāo)識(或稱小區(qū)覆蓋) 定位方法中，UE的位置依據(jù)服務(wù)節(jié)點B(Node B)的小區(qū)標(biāo)識估計。服務(wù)節(jié)點和小區(qū)信息通過尋呼、位置更新、小區(qū)更新、用戶注冊區(qū)(URA)或路由區(qū)域更新獲得，然后將小區(qū)標(biāo)識映射為具體的地理位置。當(dāng)?shù)乩碜鴺?biāo)用作定位信息時，UE的估計位置可以是業(yè)務(wù)小區(qū)內(nèi)確定的地理位置(如業(yè)務(wù)Node B的位置)、業(yè)務(wù)小區(qū)覆蓋區(qū)的地理中心或小區(qū)覆蓋區(qū)內(nèi)其他固定位置。定位信息必須包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)估計。

為了提高基于小區(qū)標(biāo)識(ID)定位方法的定位精度，在頻分雙工(FDD)模式下，還可以通過測量往返時間(RTT)來進(jìn)一步提高定位精度。

2.2 OTDOA-IPDL定位法

觀察到達(dá)時間差(OTDOA)是通過測量電波從發(fā)射機傳播到多個接收機的傳播時間差來確定目標(biāo)移動臺的位置。初步測量通過UE接收的下行鏈路公共導(dǎo)頻信道的到達(dá)時間差實現(xiàn)。3個基站形成的平面上，一點到兩個固定點的距離差如為定值時，該點必定在一條雙曲線上，兩條這樣的雙曲線的交點便可得到移動臺的位置，如圖1 所示。通過測量得到的移動臺到多個基站距離的延時差后，移動臺的位置便可以由兩條雙曲線的交點得到。

延時估計的算法可使用最大似然估計、自相關(guān)估計和周期相關(guān)估計等方法得到。不同位置估計的精度取決于時間測量的精度和基站的相對位置(基站位置的幾何關(guān)系會影響位置估計的精度，當(dāng)基站等距離環(huán)繞UE時結(jié)果最佳)，同時還受到多徑傳播的影響。

CDMA無線系統(tǒng)的一個基本問題就是當(dāng)終端距離服務(wù)基站很近時，接收其他同頻基站信號能力差。為了實現(xiàn)定位計算，UE必須接收到至少3個基站的信號。解決可聽性問題的方法是基站指定下行空閑周期(IPDL)，使每個基站在某一個很短的時間內(nèi)停止發(fā)射。在空閑周期期間，小區(qū)內(nèi)的終端可以測量其他基站的導(dǎo)頻信號，從而提高服務(wù)基站內(nèi)UE測量其他同頻基站信號的能力。IPDL時間長度是可變的，但不能超過公共導(dǎo)頻信道(CPICH)的一個時隙，通常在5～10個CPICH符號之間。

定義IPDL周期有兩種類型：

連續(xù)模式：每一下行幀有一個空閑周期。

突發(fā)模式：在每一個IP間隔幀有一個空閑周期(IP間隔與業(yè)務(wù)負(fù)載和容量有關(guān)，如果IP間隔幀為10幀，那么每100 ms就有一個IPDL)。

突發(fā)模式的定時關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出IPDL發(fā)生的時刻由突發(fā)幀的位置和對應(yīng)幀中的時隙位置決定。

從突發(fā)幀系統(tǒng)幀號和時隙位置的關(guān)系可知：突發(fā)模式時隙位置是0～14之間的一個隨機數(shù)。IPDL方法的引入是對OTDOA方法的改進(jìn)，解決了檢測多個基站信號的問題。

2.3 網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位法

為了推動GSM、WCDMA系統(tǒng)間的“無縫”定位業(yè)務(wù)，3GPP定位標(biāo)準(zhǔn)支持基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的網(wǎng)絡(luò)輔助定位方法。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS方法依靠UE GPS接收處理部分和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收處理部分的信令交互完成UE位置定位。GPS參考接收處理部分可以和UTRAN連接校正UE測量信息。網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位法根據(jù)定位計算的位置不同可以分為基于UE和UE輔助兩種定位類型。基于UE的定位方法在UE內(nèi)部配有功能完善的GPS接收處理部分，定位計算在UE側(cè)完成。UE輔助的定位方法是將UE側(cè)的GPS處理單元功能簡化，以減小UE的復(fù)雜度，主要功能是進(jìn)行碼相位測量，然后通過高層信令發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位單元處理模塊以進(jìn)行UE的位置估計。

GPS定義方法依賴于復(fù)雜度降低的UE GPS接收機和網(wǎng)絡(luò)GPS參考接收機間的連續(xù)信令交互運作完成，該方法能使以下一些性能得到改善：

降低UE GPS的啟動和接收次數(shù)，使搜索窗口受限，測量速度大大加快。

增加UE GPS的靈敏度，通過UTRAN獲得的定位輔助信息使UE GPS可以在低信噪比不能解調(diào)UE GPS信息的情況下工作。

由于GPS可以在不用時處于待機方式，使UE比單GPS方式耗電少。

GPS定位方法有獨立GPS接收機來測量偽隨機相位等信息，并通過定時校正過程降低由衛(wèi)星時鐘、定位模型、電離層時延、對流層時延和可選擇的有效性等帶來的定位誤差。網(wǎng)絡(luò)輔助GPS關(guān)鍵流程如圖3所示。下面以UE輔助定位方法為例說明定位步驟：

(1)首先核心網(wǎng)發(fā)送UE的定位請求，SRNC根據(jù)UE和網(wǎng)絡(luò)的定位能力結(jié)合定位請求確定定位方法。SRNC在這里作為核心網(wǎng)和UTRAN中UE位置定位實體的接口。

(2)系統(tǒng)進(jìn)行定位測量單元(LMU)更新、往返時間(RTT)測量，然后根據(jù)UE能力，SRNC發(fā)送特定的GPS輔助定位信息至UE，包括GPS參考時間，衛(wèi)星ID，多普勒頻移、搜索窗以及窗口中心、星歷表和時鐘校準(zhǔn)等信息。

(3)SRNC發(fā)送測量請求給UE，要求測量GPS衛(wèi)星碼相位和相關(guān)的其他信息，如SFN-SFN觀測時間差和接收-發(fā)射時間差，UE執(zhí)行測量過程并將測量結(jié)果發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)側(cè)。

(4)根據(jù)獲得信息，SRNC進(jìn)行UE位置計算，如果獲取的位置信息不足以進(jìn)行UE位置定位，則重復(fù)進(jìn)行步驟2。

(5)SRNC發(fā)送位置估計結(jié)果給核心網(wǎng)。

需要說明的是，對于具體的定位流程，不同的實際系統(tǒng)會有一定的變化。

3、 結(jié)束語

比較3種定位方法，基于小區(qū)ID定位法最容易實現(xiàn)，不需要另外添加專門的定位單元模塊即可實現(xiàn)UE定位，但定位精度較低，大約在幾十米到幾百米不等；OTDOA-IPDL定位法能消除對時間基準(zhǔn)的依賴性，并仍保證一定的定位精度；網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位方法目前較OTDOA-IPDL定位法精度稍高，定位精度可以達(dá)到5～10 m，已經(jīng)在實際的無線移動通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但這一定位方法需要用到GPS定位系統(tǒng)，所以該方法具有一定的依賴性。

總的來說，無線通信設(shè)備定位策略應(yīng)根據(jù)客戶實際定位精度需求提供相應(yīng)的定位方式。目前要進(jìn)一步解決的問題是如何優(yōu)化定位技術(shù)的關(guān)鍵算法，克服噪聲、多徑、非視距傳播等無線因素的影響以提高定位的精度。隨著第3代移動通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，定位技術(shù)的設(shè)計和使用也將不斷走向成熟?！?/p>

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收稿日期：2003-04-09

作者簡介：

王燕云， 深圳市中興通訊股份有限公司移動事業(yè)部高級工程師。西安電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)。目前從事WCDMA通信系統(tǒng)測試工作和與測試相關(guān)的WCDMA關(guān)鍵技術(shù)研究工作。