徐亞楠，蔡 超，楊立輝，馮瑜瑤（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京 100033）

0 引言

位置服務(wù)（LBS）是一種通過無線通信網(wǎng)絡(luò)或其他定位系統(tǒng)獲取終端位置信息，再結(jié)合地理信息系統(tǒng)為用戶提供與位置相關(guān)的各類信息的服務(wù)。從第一代移動通信技術(shù)（1G）到第5 代移動通信技術(shù)（5G），移動位置服務(wù)一直是蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題，它利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過對終端位置多種特征參數(shù)的分析處理，得到移動終端的位置信息，這方面有大量的研究。

以終端視角，定位分為“被動定位”和“主動定位”2 類，技術(shù)實現(xiàn)手段上也存在差異。當前，客戶對運營商定位服務(wù)需求以“被動定位”為主。表1顯示的是目前幾類經(jīng)典的定位方案及其可達到精度，其中包含基站定位、衛(wèi)星定位和室內(nèi)定位方案，與運營商關(guān)系最為密切的為基于基站通信的定位，基中包括CELL_ID、ECID、OTDOA和指紋定位等。

表1 定位方案及可達精度表

1 蜂窩網(wǎng)無線定位技術(shù)需求分析

蜂窩網(wǎng)無線定位技術(shù)是一種具有廣闊市場前景的移動技術(shù)。早在上世紀90年代，美國聯(lián)邦局就制定了E-911 定位要求［1］，這項法令規(guī)定，各蜂窩網(wǎng)運營商在2001 年前實現(xiàn)125 m 定位精度，精度為67%。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這種定位能力憑借覆蓋范圍廣、精度高受到政府、公安、消防等部門的歡迎。

無線定位的應(yīng)用非常廣泛，在公共服務(wù)方面，根據(jù)服務(wù)對象的位置信息和終端上報的其他信息，可以對該位置地區(qū)內(nèi)實施精準的應(yīng)對策略（比如基站位置的重新規(guī)劃），以提高服務(wù)質(zhì)量；通過分析特定區(qū)域的人員位置信息，可以獲得該區(qū)域的人流量情況，當出現(xiàn)嚴重擁堵或者火災(zāi)等極端災(zāi)害時，將區(qū)域的人流信息共享給相關(guān)單位，可以實現(xiàn)人員有效的疏導(dǎo)；精準施救，自然災(zāi)害事件發(fā)生時，尤其山區(qū)、丘陵地帶，通過對特定受災(zāi)區(qū)域的人員定位，實施精準搜救。另外，對于報警、急救等事件，通過分析終端信息，準確定位，提高公安、急救工作效率。

在商業(yè)領(lǐng)域，無線被動定位作為移動產(chǎn)品的增值應(yīng)用，也具有比較大的市場。澳大利亞NRAM 緊急救援公司的數(shù)據(jù)顯示，每500 輛救援車每年呼叫量就在280 萬次。中國各類救援車數(shù)量保守估計5 000 輛，按單次呼叫0.45 元計算，緊急救援市場被動定位的市場容量就高達1 260 萬元；物流運輸方面，2017 年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計全國載貨汽車擁有量約1 400 萬輛，每輛車定位服務(wù)費用僅按照每年300 元測算，物流運輸定位市場就約為4.2 億元；車聯(lián)網(wǎng)-無人車方面，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示2020 年全球無人車將達到約40 萬輛，中國市場占比超過25%即10 萬輛。無人車高精定位服務(wù)費用假設(shè)僅按照每輛每年1 500 元測算，其市場容量為1.5億元。關(guān)愛定位方面，全國學(xué)齡前兒童1.8 億，有配備兒童GPS 產(chǎn)品需求的家庭比例超過40%，即全國有每年有將近1 200 萬戶的市場容量，定位服務(wù)費用僅按照每戶每年10 元測算，兒童關(guān)愛定位市場容量約為1.2億元。

無線定位市場容量巨大，不同的行業(yè)應(yīng)用對無線定位有著不同的精度和廣度要求。單一的定位手段無法滿足市場需求，表2 展示了不同的定位場景對定位技術(shù)的具體需求。

表2 定位應(yīng)用場景精度需求分析

2 典型蜂窩網(wǎng)無線定位技術(shù)探索

當移動終端與鄰近基站進行通信時，其無線信息會通過主小區(qū)基站傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，而定位服務(wù)會進一步處理無線信息，從而獲取當前移動終端的位置。最常用的無線信息包括主小區(qū)ID、鄰小區(qū)ID、主小區(qū)RSRP、鄰小區(qū)RSRP 值等。利用這些無線信息，可以進行基站定位（Cell_ID）、場強模型定位、到達時間定位（TOA）、到達時間差定位（TDOA）、到達角度定位（AOA）、信號指紋定位等等。

2.1 CELL_ID定位技術(shù)

運營商在落地實踐中發(fā)現(xiàn)CELL_ID 定位技術(shù)定位精度低、準確率低，主要是因為在運營基站過程中，基站維修、搬遷、停站、新建等過程不能及時統(tǒng)一的上報，導(dǎo)致后臺CELL_ID 經(jīng)緯度碼表不能及時更新，進而造成定位失敗。如何實現(xiàn)全國各省分統(tǒng)一的基站位置云化管理，使基站維護與云端基站位置碼表實現(xiàn)線上聯(lián)動，同時做好敏感數(shù)據(jù)的保密措施，是當前運營商需要思考的問題。

2.2 三角定位（TOA/TDOA）技術(shù)

TOA 技術(shù)：通過接收到的信號來求解終端位置的幾何方法。以基站為圓心，L=tc（t為從基站到達終端的時間，c為光速）為半徑構(gòu)成的圓形，需要至少3個基站的信息，即至少需要3個圓形交叉，獲得的交叉區(qū)域為此終端的位置。

TOA 技術(shù)需要發(fā)射端與接收端有嚴格的時間同步機制，限制較多。為了改善這一情況，利用終端信號到達不同基站的絕對時間差獲取距離差，并以基站為焦點，距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是終端的位置，即TDOA技術(shù)，如圖1所示。

圖1 TDOA定位技術(shù)原理

以上2種簡單的三角測量方式均是建立在直達路徑假設(shè)條件下，然而在城市實際落地的過程中發(fā)現(xiàn)，無線信號在復(fù)雜的環(huán)境下通常會沿著多條散射路徑傳播，導(dǎo)致定位準確率降低。此外，三角定位通常需要多個基站協(xié)作，帶來了額外的基站信令開銷，加重基站的負荷。因此，運營商并不常用此方法進行大規(guī)模的定位服務(wù)落地。

2.3 指紋定位技術(shù)

指紋定位技術(shù)主要利用終端的信號特征，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行指紋庫匹配，進而得出終端位置信息。

在蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)中，基站側(cè)大規(guī)模天線陣列通常被安裝于空曠的高處，而移動終端通常被所處位置附近的散射體所包圍，從移動終端到基站的無線信道由移動終端周圍的散射體環(huán)境唯一確定［7］?；诖?，蜂窩網(wǎng)的位置指紋信息應(yīng)是從通信環(huán)境中唯一確定的重要參數(shù)中提取出來的。指紋定位基本分為3 個階段，分別是指紋信息提取、構(gòu)建指紋庫、指紋信息匹配。

指紋信息提取流程：將基站覆蓋扇區(qū)劃分為多個柵格，而落在此柵格內(nèi)所有的經(jīng)緯度樣本數(shù)據(jù)全部上收處理。本文中將上收MR∕MDT 數(shù)據(jù)作為指紋庫的數(shù)據(jù)源。

構(gòu)建指紋庫流程：離線流程，將基站上收的數(shù)據(jù)進行清洗、篩選，經(jīng)過一定的大數(shù)據(jù)算法處理后，為每一個柵格配備相應(yīng)的特征值，構(gòu)建位置指紋數(shù)據(jù)庫。本文采用MR∕MDT 采集數(shù)據(jù)，使用移動終端的RSRP進行指紋庫建設(shè)，由通信原理可知，某基站某扇區(qū)的柵格內(nèi)RSRP值可以是唯一的（見圖2）。

銷售商品贈送同類商品，在用友U8 V10.1財務(wù)軟件中，對于正常銷售的商品應(yīng)根據(jù)銷售普通業(yè)務(wù)核算流程處理，對于免費贈送的商品，不需要確認銷售收入，但要根據(jù)稅法的規(guī)定確認“銷項稅額”，根據(jù)會計準則的要求，結(jié)轉(zhuǎn)銷售成本，且將該部分成本計入“銷售費用”賬戶。

圖2 指紋庫構(gòu)建流程

指紋信息匹配流程：在線流程，將新采集到的RSRP 值輸入到算法模型中進行匹配分類運算，得到位置信息。常用的分類算法有KNN 算法、基于概率的樸素貝葉斯算法（Naive Bayes）、支持向量機（support vector machine，SVM）等［11］（見圖3）。

圖3 指紋信息匹配流程

采用中國聯(lián)通某地（市）2021 年3 月4 日MR∕MDT離線數(shù)據(jù)構(gòu)建指紋庫，并于2021年3月12日進行基于蜂窩網(wǎng)的指紋定位測試，使用中國聯(lián)通定位能力API工具對抽查數(shù)據(jù)進行定位，再與抽查數(shù)據(jù)的標準經(jīng)緯度進行比對。測試結(jié)果如表3所示。

本次測試中將上收的數(shù)據(jù)按照8∶2的比例進行劃分，其中80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20%的數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，表3 中數(shù)據(jù)表示經(jīng)過指紋定位得出的經(jīng)緯度與實際用戶上報的經(jīng)緯度距離小于50 m、100 m 等的占比。圖4給出了指紋定位精度概率分布。

表3 指紋定位測試結(jié)果

由圖4 可知，定位精度在100 m 范圍內(nèi)的概率將近80%，滿足大多數(shù)被動定位場景需求。

圖4 指紋定位精度概率分布圖

2.4 Multi-RTT定位技術(shù)

3GPP R16 版本引入了5G 定位技術(shù)方案，主要包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA 和Multi-RTT 技術(shù)。本模塊將詳細闡述Multi-RTT（Multi Round Trip Time）定位技術(shù)原理。

Multi-RTT 技術(shù)是利用終端與多個基站之間的相對位置來計算終端物理位置的技術(shù)方法，為了解決時鐘同步的難點，技術(shù)采用上下行定位結(jié)合的方式獲取RTT值，具有較高精度。

具體原理為：在下行信號發(fā)送時，基站利用本地時鐘記錄其發(fā)射信號時間t0，終端接收到下行信號時利用本地時鐘記錄接收時間t1；在上行信號發(fā)送時，終端利用本地時鐘記錄其信號發(fā)射時間t2，基站接收到上行信號后，利用本地時鐘記錄接收時間為t3。此時，RTT=（t3-t2）-（t1-t0），終端則位于以基站為圓心，半徑為c×RTT（c為光速）的圓上，多個（至少3 個）圓的交匯處便是終端的物理位置。由于基站與終端均是利用本地時鐘記錄時刻，記錄的信號發(fā)射與接收時間差為相對時間差，因此Multi-RTT 技術(shù)并不要求終端與基站的時鐘同步。

3 中國聯(lián)通定位能力產(chǎn)品規(guī)劃

被動定位在市場上存在很多剛性的場景需求，如疫情防控、110 刑偵辦案、檢查機關(guān)對犯人進行管教監(jiān)管等，傳統(tǒng)的定位技術(shù)（如GPS、北斗等主動定位手段）無法滿足這些場景需求。而依托于運營商網(wǎng)絡(luò)能力及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的定位方案，如基站定位、三角定位、指紋定位，能夠解決這些問題。

中國聯(lián)通以升級現(xiàn)有LBS 產(chǎn)品為目標，進行定位能力中心產(chǎn)品架構(gòu)的搭建，實現(xiàn)了對指紋定位、三角定位、CELL_ID定位等多種定位能力的研發(fā)，并可以根據(jù)需求場景對之進行融合編排、統(tǒng)一輸出；完成了定位業(yè)務(wù)運營管理平臺的設(shè)計與開發(fā)，實現(xiàn)了對定位能力的管理及調(diào)用情況的分析；增加客戶自服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)、增加基于定位能力的原子應(yīng)用，從而提升中國聯(lián)通定位能力水平，提高中國聯(lián)通在定位市場的競爭力。

搭建中國聯(lián)通定位能力產(chǎn)品架構(gòu)，完成“定位基礎(chǔ)設(shè)施層”“定位能力層”“定位中臺層”及“服務(wù)層”4層服務(wù)體系（見圖5），以實現(xiàn)中國聯(lián)通定位能力產(chǎn)品的商業(yè)化輸出。其中“定位基礎(chǔ)設(shè)施層”實現(xiàn)全國范圍內(nèi)4G∕5G、CORS 基站的統(tǒng)一納管；“定位能力層”實現(xiàn)了在定位基礎(chǔ)設(shè)施之上的定位能力建設(shè)，包括三角定位、基站定位、指紋定位等等；“定位能力中臺層”實現(xiàn)了中國聯(lián)通定位能力的集約化管理與編排，將中國聯(lián)通定位能力包裝為商業(yè)化可售賣的標準“API 商品”；“服務(wù)層”針對中國聯(lián)通定位運營團隊及客戶兩大角色，設(shè)計出“運營服務(wù)子系統(tǒng)”及“客戶服務(wù)子系統(tǒng)”，兩大系統(tǒng)互相聯(lián)動，滿足對定位業(yè)務(wù)的運營需求，其主要實現(xiàn)的功能包括：

圖5 中國聯(lián)通定位產(chǎn)品架構(gòu)圖

a）“管”，對定位業(yè)務(wù)進行管理，包括訂單的審核處理、賬單處理、對業(yè)務(wù)的啟停控制等。

b）“查”，輔助運營及運維人員，對業(yè)務(wù)開展過程中的問題進行定位、排查，包括異常分析、工單處理等。

c）“算”，為產(chǎn)品運營提供多維度的報表，通過按客戶、地區(qū)、應(yīng)用類型、時間等不同維度的組合，結(jié)合接口調(diào)用情況、賬單情況等在經(jīng)營分析方面提供數(shù)據(jù)及圖表支持。

4 總結(jié)

蜂窩網(wǎng)無線定位技術(shù)是蜂窩網(wǎng)無線技術(shù)研究的重要方面，它具有很大的學(xué)術(shù)研究價值和市場價值，由于它具有先天的可以主動定位移動終端優(yōu)勢，在公安、消防、醫(yī)療等公共安全健康領(lǐng)域具有一定程度的不可替代性。中國聯(lián)通建設(shè)了不同精度、不同準確度的多種定位能力，并實現(xiàn)了定位能力的產(chǎn)品化、商品化，以滿足多樣化的場景需求，助力國家公共安全事業(yè)的發(fā)展升級。