高小能，郭志飛

（浙江萬里學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 寧波 315100）

移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)研究與開發(fā)*

高小能，郭志飛

（浙江萬里學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 寧波 315100）

提出了一種移動(dòng)位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)、設(shè)計(jì)了其中的關(guān)鍵部件移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)和位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，給出了實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠應(yīng)用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供位置服務(wù)。

移動(dòng)位置服務(wù)；時(shí)間差分定位；輔助GPS定位；位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)；LBS應(yīng)用平臺(tái)

移動(dòng)位置服務(wù)LBS（Location-based Service）是通過一定的技術(shù)從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)用戶的位置信息，并為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。提供移動(dòng)位置服務(wù)要依賴于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)定位技術(shù)。在第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)固有的原因，定位精度只能達(dá)到數(shù)十米，這使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商無法推廣移動(dòng)位置服務(wù)吸引客戶。隨著第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在中國(guó)快速發(fā)展，結(jié)合新研究的移動(dòng)定位技術(shù)，通過用戶的移動(dòng)終端進(jìn)行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經(jīng)達(dá)到米數(shù)量級(jí)[1]。從而使移動(dòng)定位業(yè)務(wù)能夠像短消息業(yè)務(wù)一樣成為一種具有廣闊市場(chǎng)前景的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。

1 移動(dòng)定位技術(shù)

無線定位技術(shù)是指用來判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量和計(jì)算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來進(jìn)行位置計(jì)算，最常用的定位技術(shù)主要有：信號(hào)到達(dá)角度定位AOA（Anger of Arrival）、到達(dá)時(shí)間定位TOA（Time of Arrival）、 到達(dá)時(shí)間差定位TDOA （Time Difference of Arrival）、cell-ID 定位、輔助 GPS（A-GPS，assisted GPS）定位等。在實(shí)際應(yīng)用中，定位往往是越精確越好，例如當(dāng)用戶發(fā)生危險(xiǎn)需要緊急定位時(shí)，傳統(tǒng)定位技術(shù)定位到某個(gè)蜂窩小區(qū)數(shù)十米范圍內(nèi)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助定位技術(shù)提高定位的準(zhǔn)確性。上述定位技術(shù)中只有TDOA定位和輔助GPS定位的定位精度可以精確到3 m～7 m[1]。在3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了較好地應(yīng)用，滿足了用戶對(duì)定位精度的要求。

1.1 到達(dá)時(shí)間差（TDOA）定位技術(shù)

TDOA定位技術(shù)是根據(jù)不同基站接收到的同一移動(dòng)終端信號(hào)在傳輸路徑上的時(shí)延差異實(shí)現(xiàn)終端定位。當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)出緊急呼叫時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過其附近的三個(gè)或更多個(gè)不同基站接收并測(cè)量出信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出到達(dá)時(shí)間兩兩之間的差值，移動(dòng)終端必然位于這些時(shí)間差值所對(duì)應(yīng)的以兩兩基站為焦點(diǎn)的雙曲線上[2]。這樣，根據(jù)兩條雙曲線的交點(diǎn)就能夠確定手機(jī)的位置。所以只要附近三個(gè)基站接收到移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)就可以達(dá)到定位目的。TDOA技術(shù)只需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)參與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量，不需要對(duì)終端硬件上的改動(dòng)。因此實(shí)現(xiàn)TDOA定位只需要在移動(dòng)通信網(wǎng)中增加相應(yīng)功能模塊就可以了，并支持所有廠商生產(chǎn)的移動(dòng)終端。同時(shí)它具有定位精度高、響應(yīng)時(shí)間短、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)LBS業(yè)務(wù)需要在無線接入網(wǎng)側(cè)增加定位功能實(shí)體，即位置測(cè)量單元LMU（Location Measurement Unit）。LMU可以單獨(dú)設(shè)置或置于基站內(nèi)，而核心網(wǎng)側(cè)還須有對(duì)應(yīng)的功能實(shí)體，即位置確定單元 PDE（Position Determination Entity），根據(jù) LMU測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的定位運(yùn)算[3]。

TDOA作為主要的定位技術(shù)在第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術(shù)，即觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差分OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）；在3GPP2的CDMA2000中，稱為高級(jí)前向鏈路三角測(cè)量法A－FLT（Advanced Forward Link Trilateration）。這些方法的原理相同，都是通過信號(hào)到達(dá)時(shí)間差值，確定不少于兩條雙曲線，再通過這些雙曲線的交點(diǎn)，確定移動(dòng)臺(tái)的位置。到達(dá)時(shí)間差分定位原理如圖1所示。

1.2 輔助 GPS（A-GPS，assisted GPS）定位

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中直接使用GPS定位遇到許多問題。首先，由于捕捉到GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（30秒到幾分鐘），所以移動(dòng)臺(tái)的首次響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。其次，由于較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致移動(dòng)臺(tái)的功率損耗也較大。最后，處于室內(nèi)和城市低谷地帶（高樓之間等）的移動(dòng)臺(tái)，甚至由于移動(dòng)臺(tái)的天線相對(duì)較小等原因，導(dǎo)致接收到的GPS信號(hào)相對(duì)較弱，造成這些弱信號(hào)難以檢測(cè)到。因此為了解決這些問題，采用輔助GPS方法來改善GPS定位的性能。

A-GPS技術(shù)的基本方法是建立一個(gè)參考GPS網(wǎng)絡(luò)，以便接收天線能夠連續(xù)不斷地跟蹤GPS衛(wèi)星[2]。參考網(wǎng)絡(luò)可以和蜂窩基站連接在一起，持續(xù)實(shí)時(shí)地跟蹤GPS衛(wèi)星群，并在一定的時(shí)刻提供許多數(shù)據(jù)給每一個(gè)衛(wèi)星。這些數(shù)據(jù)包括移動(dòng)臺(tái)的（或基站）位置信息、目前在役的衛(wèi)星信息、星歷表信息、時(shí)鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機(jī)噪聲信息等。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出移動(dòng)定位請(qǐng)求時(shí)，GPS參考網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)信息傳送到移動(dòng)臺(tái)（或GPS接收天線）以快速啟動(dòng)或增加移動(dòng)臺(tái)的接收靈敏度。由于參考網(wǎng)絡(luò)的作用，A-GPS較傳統(tǒng)GPS信號(hào)的搜索空間大大縮小，所以導(dǎo)航信號(hào)的捕捉時(shí)間大為減少。同時(shí)參考網(wǎng)絡(luò)允許移動(dòng)臺(tái)采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動(dòng)臺(tái)靈敏度，削減了移動(dòng)臺(tái)的功率損耗。一旦內(nèi)嵌GPS接收天線的移動(dòng)臺(tái)接收到衛(wèi)星信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)的初始定位信息便可傳送給網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，從而確定出移動(dòng)臺(tái)的位置。

A-GPS技術(shù)克服了GPS技術(shù)直接應(yīng)用于移動(dòng)通信定位服務(wù)的缺陷。并且相對(duì)于其他技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要是定位精度較高，定位距離最小可達(dá)3 m。其次是它的定位響應(yīng)時(shí)間較短，可以在幾秒內(nèi)得到響應(yīng)。但與TDOA技術(shù)相比，需要移動(dòng)終端支持A-GPS定位，增加了移動(dòng)終端的費(fèi)用。目前美國(guó)、日本和韓國(guó)等已經(jīng)開通了A-GPS位置服務(wù)[4]，而且在較短時(shí)間內(nèi)，銷售了帶A-GPS定位服務(wù)的手機(jī)超過1 000萬臺(tái)。

2 移動(dòng)位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)位置服務(wù)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供給移動(dòng)用戶的增值服務(wù)，因此實(shí)施移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)該充分利用運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)投資。根據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)體上的延伸，增加了移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)模塊和移動(dòng)位置應(yīng)用平臺(tái)模塊。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)完成相當(dāng)多的功能，如用戶管理、位置管理、應(yīng)用管理、定位等，許多有關(guān)用戶的定位信息都在服務(wù)網(wǎng)處理，并提交給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)類似于一臺(tái)服務(wù)器，它與移動(dòng)用戶終端進(jìn)行交互，將用戶的定位信息通過合適的數(shù)據(jù)格式傳輸給訂制了該業(yè)務(wù)的用戶。

3 移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)

移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)中開發(fā)的一個(gè)重要的部件。它一方面要為服務(wù)提供商提供各種基于XML協(xié)議的二次開發(fā)接口，提供地理信息服務(wù)、定位等功能；另一方面要為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供各種運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理功能，如定位、用戶鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)等各種服務(wù)。移動(dòng)定位服務(wù)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)特性包括：

（1）支持開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口/協(xié)議、多廠家設(shè)備及定位技術(shù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口，與不同的無線網(wǎng)絡(luò)定位設(shè)備提供商；支持多種定位方式；提供標(biāo)準(zhǔn)的A接口，以 XML、SOAP方式連接；支持與 WAP以及 SMS的連接，支持2G/3G等不同網(wǎng)絡(luò)。

（2）提供位置信息的安全控制及用戶鑒權(quán)。

（3）運(yùn)營(yíng)商可通過多種渠道提供服務(wù)與應(yīng)用，有些位置服務(wù)適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供了多套接口，以方便運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)。

（4）應(yīng)對(duì)大規(guī)模并發(fā)用戶訪問能力。

4 移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)

4.1 移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)開發(fā)

移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)相當(dāng)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的定位服務(wù)器，它接收來自于移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過處理的定位信息，并在位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)中經(jīng)過再處理。由于移動(dòng)用戶終端機(jī)的生產(chǎn)廠商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)器能夠?yàn)椴煌慕K端用戶提供服務(wù)。系統(tǒng)可以配合短消息服務(wù)確定手機(jī)用戶所在的地理位置，也能夠以Web形式響應(yīng)用戶的需求[5]。移動(dòng)位置服務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

地圖服務(wù)器引擎是移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案的核心，該模塊的性能好壞將影響定位效果，可以直接選用商用化設(shè)備。開發(fā)定位服務(wù)器選用的地圖服務(wù)器是ESRI的ArcIMS地圖服務(wù)器，它包含以下幾個(gè)部分：地理信息發(fā)布平臺(tái)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務(wù)器提供二次開發(fā)接口，只需開發(fā)程序?qū)⒁苿?dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)計(jì)算出的位置傳送給地圖服務(wù)器，從而確定出移動(dòng)終端所在的準(zhǔn)確位置。ArcIMS地圖服務(wù)器適用于無線互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)Intranet的地圖應(yīng)用，能以多種圖像格式發(fā)布地圖，很容易建立基于無線手持設(shè)備（手機(jī)或PDA）可擴(kuò)充的移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用。對(duì)于電信級(jí)的定位應(yīng)用，核心問題是解決大用戶量的并發(fā)訪問的問題，ArcIMS采用了先進(jìn)的負(fù)載平衡和流量控制技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)容量擴(kuò)大時(shí)，只需增加地圖服務(wù)器就可以滿足用戶的需求。

4.2 位置服務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程

移動(dòng)位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

整個(gè)過程為：

（1）移動(dòng)終端通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問位置應(yīng)用服務(wù)，發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求代碼給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，然后位置服務(wù)應(yīng)用判斷該用戶申請(qǐng)的服務(wù)類型后，由位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)向位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提交該用戶的位置服務(wù)請(qǐng)求。

（2）位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)對(duì)該用戶進(jìn)行認(rèn)證和安全處理，如通過，設(shè)置為成功；如未通過，設(shè)置則為失敗。

（3）在通過認(rèn)證的情況下，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)根據(jù)請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送給運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，一般是移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC（Mobile Switching Center）和歸屬位置寄存器 HLR（Home Location Register），由 MSC進(jìn)行定位運(yùn)算，計(jì)算完畢后將參數(shù)返回給位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)再將接收到的參數(shù)處理后返回該用戶的最新位置信息給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。

（4）如果位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)收到正確的位置信息，將根據(jù)位置和地圖服務(wù)器進(jìn)行綜合處理，生成相應(yīng)的圖片和文字信息。最后位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)生成結(jié)果（成功或失?。┬畔⒋虬ㄟ^移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)返回給移動(dòng)用戶終端，移動(dòng)用戶在便攜式移動(dòng)終端（如PDA、Pocket PC等）上可以接收到顯示的位置信息。

移動(dòng)位置服務(wù)具有極好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。對(duì)移動(dòng)用戶而言，位置服務(wù)不僅是了解自己和他人位置的個(gè)性服務(wù)，更重要的是關(guān)系到移動(dòng)用戶的自身和財(cái)產(chǎn)安全。本文提出的移動(dòng)位置服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的試商用中得到了良好的應(yīng)用，隨著未來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，位置服務(wù)將提供給用戶更高的定位精度、更便捷的操作方式、更全面的位置信息。移動(dòng)位置服務(wù)必將成為繼短消息業(yè)務(wù)之后又一廣受用戶歡迎的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。

[1]3GPP TS 25.305[R].Stage 2 Functional Specification of UE Positioning，New York，USA，Mar，2006.

[2]YANG T，DONG Y，ZHANG Y.Practical approaches for supporting micro mobility[C].International Conference on Telecommunications 2007（ICT 2007），Beijing，China，June 2007.

[3]LIU Z.A java-based wireless framework for location-based services applications[J].Calqary：The University of Calqary，2006（5）：48-55.

[4]VOZL S，BOFINGER J M.Integration of spatial data within a generic platform for Iocation based applications[R].ISPRS，Ottawa，2005.

[5]ROZA T D，BILCHEV G.An overview of location-based services[J].BT Technology Journal，2006，21（1）：20-27.

Research and development of mobile location-based services and its application platform

Gao Xiaoneng，Guo Zhifei

（Faculty of Electronics and Information，Zhejiang Wanli University，Ningbo 315100，China）

It puts forward a kind of the architecture of LBS.The two key parts of LBS，which include mobile location serving gateway and application platform，are designed and developed.The application programs for LBS are implemented.The real testing in the mobile communications network indicates that the system can provide LBS for the mobile users.

LBS；TDOA；A-GPS；LBS-serving gateway；LBS-application platform

TP393

A

1674-7720（2011）03-0061-03

浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201016287）

2010-08-09）

高小能，男，1971年生，講師，主要研究方向：無線 TCP/IP協(xié)議優(yōu)化、嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)開發(fā)。