3G中的AGPS移动定位技术

3G中的AGPS移动定位技术 3G中的A-GPS移动定位技术 内容摘要:文章介绍了3G中广泛使用的三种定位技术——基于网络的CELL-ID、OTDOA和A-GPS，了A-GPS的基本原理、网络结构以及SUPL A-GPS的网络通信过程，指明了A-GPS的发展前景。 位置业务(LBS，Location Based Service)是指移动网络通过特定的定位技术来获取移动终端的位置信息，从而为终端用户提供附加服务的一种增值业务，可广泛应用于紧急救援、导航追踪、运输调度、移动黄页等诸多方面。 近年来，随着用户需求的增加，移动定位技术受到越来越多的关注，特别是3G技术的日益成熟为移动定位技术的发展提供了支持。在2G或2.5G的网络里，由于受到网络传输速度的限制，高精度定位技术(A-GPS)的应用受到局限，而3G网络可以提供高速无线下载功能，这就为移动定位业务提供了更加广阔的发展空间。 1、3G中的移动定位技术 目前，在3G网络中广泛使用的移动定位技术有三种:基于网络的小区识别(CELL-ID)定位技术、OTDOA定位技术、网络与终端混合的A-GPS定位技术。 1.1 基于网络的CELL-ID定位技术 基于网络的CELL-ID定位技术是一种最简单的定位技术，适用于所有蜂窝网络，且无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的移动用户提供自动定位业务。该技术根据移动终端所处的蜂窝小区ID号来确定用户的位置，因此其定位精度完全取决于移动终端所处蜂窝小区半径的大小，从几百米到几十公里不等。与其它技术相比，该技术投资较少，定位响应时间较短，一般在3s以内，但其精度最低，误差较大。 1.2 OTDOA定位技术 OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)是一种应用于3G网络的定位方式。这种定位技术通过移动终端测量不同基站的下行导频信号的到达时刻(TOA，Time of Arrival)实现定位，其定位精度较高，定位范围约为100,200m。但对时间基准的依赖性较强，同时受多径干扰的影响也较大。OTDOA定位响应时间比CELL-ID略长，大约要10s。该技术无需对手机进行修改而只需修改网络，即可直接向现有用户提供服务。 1.3 A-GPS定位技术 A-GPS(Assisted Global Positioning System)即网络辅助的全球定位系统，这种方法需要网络和移动终端都能够接收GPS信息，是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术，可以在2G和3G网络中使用。此技术的优势主要在其定位精度上，在室外等空旷地区，正常工作环境下其精度可达5,10m，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。另一方面，利用网络传来的辅助信息可以增强TTFF(Time To First Fi x)，其首次捕获GPS信号的时间大大减小，一般仅需几秒，而不像GPS的首次捕获时间可能需要2,3min。A-GPS定位响应时间为3,10s之间。 此外，为了解决终端在室内以及在城市中被建筑物遮挡而难以接收GPS信号的缺陷，一般A-GPS技术解决还考虑了CELL-ID定位技术作为备用方案，这样就大大提升了A-GPS的定位能力。 2、A-GPS定位技术分析 2.1 A-GPS的基本原理 作为一种高精度的移动定位技术，A-GPS通过移动终端和GPS辅助定位信息(由移动网络提供)共同获取移动终端的位置信息，因而需要在移动终端内增加A-GPS接收机模块(或者外接A-GPS接收机)，同时要在移动网络上加建位置服务器等设备。 其定位流程如下: (1)移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器。 (2)位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息(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)和移动终端位置计算的辅助信息(GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等)。利用这些信息，终端的A-GPS模块可以很快捕获卫星，以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力，并接收GPS原始信号。 (3)终端在接收到GPS原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距(伪距即受各种GPS误差影响的距离)。 (4)若采用网络侧计算，终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到位置服务器，位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备(如差分GPS基准站等)的辅助信息完成对GPS信息的计算，并估算该终端的位置;若采用终端侧计算，终端根据测量的GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对GPS信息的计算，把估算的终端位置信息传给定位服务器。 (5)位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。 A-GPS定位过程如图1所示。整个方案以3G网络为传输数据方式。辅助接收机实时地从卫星处获得参考数据(时钟、星历、可用星座、参考位置等)，通过网络提供给定 位服务器。当移动终端需要定位数据时，定位服务器通过无线网络给终端提供A-GPS辅助数据，以增强其TTTF，从而大大提高A-GPS接收模块的灵敏度。 图1 A-GPS工作原理图 2.2 A-GPS的网络结构 目前，基于无线网络的A-GPS技术中，可以采用两种基本的网络拓扑结构:控制平面(Control Plane)和用户平面(User Plane)。 (1)控制平面 控制平面方式中，移动定位中心(SMLC，Serving Mobile Location Centre)与无线基站的无线网络控制器(RNC，Radio Network Controllet)集成，GPS辅助信息通过信令的方式来交互。移动定位网关(GMLC)位于无线网络的IP数据网上，负责外部定位请求的接入。 由于通过信令接口在核心网络内部传输辅助数据，因而该结构传输效率高且安全可靠，有利于位置服务的管理和控制。其缺点是RNC需具有SMLC功能，会影响到核心网络，实现和维护复杂，成本较高。 (2)用户平面 用户平面方式利用现代无线网络的IP功能，通过IP数据网和SMLC交互辅助信息，移动终端的UE(User Equipment)直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到GMLC的传递。其相应的标准由开放式移动联盟(OMA)制定，称为安全用户层面定位(SUPL)。这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署，无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持，无需对无线核心网络进行改造，且与2G网络兼容，易实现，成本低，因而推广迅速。 SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到GMLC的端到端对话，实现无线定位信息传递，并通过Le接口实现与服务提供商的互通。SUPL的典型体系结构如图2所示。 图2 SUPL体系结构 从图2中可以看出，SUPL定位平台(SLP)由SUPL定位中心(SLC)和SUPL位置中心(SPC)两部分组成，SUPL定位平台和SUPL终端(SET)之间的接口为LUP(Location User Plane)，接口采用OMA的ULP(User plane Location Protocol)协 议。支持SUPL接口功能的SET具备的功能有:私密功能、安全功能、SET预备功能、辅助信息发送功能和位置计算功能等。 2.3 SUPL A-GPS的网络通信过程 (1)SUPL LUP接口定义 LUP的功能从逻辑上可分为定位服务管理接口和定位计算接口。其中，定位服务管理接口用来在SLP和SET之间建立会话并执行SLC的功能，其消息定义如表1所示。定位计算接口在SET和SLP之间传送位置计算信息，它执行SPC的功能，其消息定义如表2所示: 表1 定位服务管理接口消息定义(代理模式) 表2 定位计算接口消息定义 (2)网络通信过程 在SUPL中，可分为代理模式和非代理模式。在代理模式下，SPC不再直接与SET通信，而是由SLC作为代理完成SET和SPC之间的通信;在非代理模式下，SPC将直接与SET进行通信。另外，由于终端归属地的不同，又可分为漫游和非漫游两种情况。在这里为了便于讨论，只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析。网络端和SET均可发起网络通信，图3给出了由网络发起的定位通信过程: 图3 非漫游代理模式下网络发起的定位通信过程 在图3中，(A)由SUPL代理向H-SLP(Home SLP)发送一个MLP SLIR请求消息，该消息中包含ms-id、client-id和qop等;(B)H-SLP核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能;(C)H-SLP使用WAP PUSH或SMS向SET发送一个SUPL INIT消息，该消息应该包括session-id、posmethod、SLP mode等;(D)SET收到SUPL INIT后，建立与H-SLP通信的安全数据连接;(E)SET向H-SLP发送一个SUPL POS INIT消息来开始一个定位会话，该消息中包含有session-id、lid、SET capabilities等，SET可能会在其中设置被请求的辅助数据;(F)H-SLP根据SUPL POS INIT提供的定位协议选取相应的通信协议(RRLP/RRC/TIA-801)与SET进行连续的定位数据交换。(G)当位置信息计算结束时，H-SLP向SET发送SUPL END消息通知SET定 位会话结束，同时SET释放和H-SLP之间的安全IP连接和相关会话资源;(H)H-SLP向SUPL代理通过发送MLP SLIA消息返回SET位置信息，同时释放所有相关的会话资源。 由SET发起的定位通信过程与图3所示区别不大，从(E)开始的步骤与图3相同，只是在最后发送SUPL END消息并释放相关资源后，整个通信过程结束。不同的是SUPL代理可与SET集成，SET首先建立与H-SLP的安全数据连接，而后向H-SLP发送SUPL START消息，H-SLP在核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能后，发送SUPL RESPONSE消息作为对SUPL START消息的回应。由SET发起的定位通信过程如图4所示: 图4 非漫游代理模式下SET发起的定位通信过程 2.4 A-GPS的定位计算方法 A-GPS的定位计算可以分为MS-Based方式和MS-Assisted方式。在MS-Based方式中，计算由终端完成;而在MS-Assisted方式中，定位计算由网络基于SET提供的测量数据完成。 两种定位计算方法各有利弊:MS-Assisted的优点是对终端的要求低，但具有时延较大、不适合高速行驶情况下的定位等缺点。相比而言，MS-Based方法的优点是网络负担小且定位时延小;适合短时间内的连续定位情况;在网络不能提供辅助的情况下，可以使用自治的GPS功能来定位，因而可靠性高;此方式下无需核心网络作任何改进，成本较低。总体而言，MS-Based方式是比较可取的定位方式。 3、A-GPS的应用 A-GPS定位技术的主要功能是能够为终端用户提供高精度的位置信息。移动运营商采用基于A-GPS定位技术的位置服务后，终端用户可以方便快捷地获知自己或他人当前所处的位置，特别适用于车辆跟踪与导航系统以及具有特殊任务的车辆(运钞车、救护车、消防车等)，能够大幅度提高车辆安全、运输效率和服务质量。 目前，国内移动通信市场日益发展，特别是随着3G商用的临近，中国移动和中国联通都制订和推出了各自的A-GPS方案。中国移动正在制订的A-GPS方案基于OMA的SUPL，是一种用户平面的解决方案;中国联通提供的gpsOne是MS-Assisted方式的A-GPS定位方案，也基于用户平面方式， 目前只用于CDMA网络。 4、结束语 随着位置业务的发展，定位精度日益被重视。作为目前定位精度最高的移动定位技术，A-GPS的应用空间更加广阔。基于A-GPS的位置业务必然会成为继语音、数据之后的又一大业务增长亮点。 目前基于GSM网获取用户位置信息，亦称LBS，的技术主要有以下3种: 1, COO，Cell of Origin， COO定位技术即基于Cell-ID的定位技术,是美国E911无线定位呼叫的第一阶段采用的技术,也是定业务平台首先采用的定位方式。这种技术不需要更改手机或者网络,因此能够在现存的手机的基础上构造位置查找系统。它通过采集移劢台所处的小区识别号，Cell-ID号，来确定用户的位置。只要系统能够采集到移劢台所在小区基站在地图上的地理位置,以及小区的覆盖半径,则当移劢台在所处小区注册后,系统就会知道移劢台处于哪一小区,当然小区的定位精度取决于其半径。在城市商业区,COO定位完全能够满足要求。 COO技术具体实现又分为两种: ，1，基于网络的实现方法:服务器从网元，如MSC/VLR和SGSN，获得Cell-ID,再由服务器把Cell-ID翻译成可以直接应用的经纬度数据。这种方法的好处是手机不需任何改变,只需对现网稍做改劢，仅升级交换机软件，就可支持定位服务。 ，2，基于手机的实现方法:手机把它的Cell-ID通过WAP或SMS发给服务器;服务器把Cell-ID翻译成可以直接应用的经纬度数据。这种方法的好处是不需对现网做任何改劢,只需手机增加相应功能，如使用STK卡，就可支持定位功能。 2. E-OTD 增强观测时差技术 E-OTD定位技术是从测量时间差，OTD，发展而来的,OTD指测量时间差,E-OTD指测量的方式。具体实现方式如下: ?手机需要测量至少三个基站的到达测量时间量，OTD值，; ?然后手机把上述OTD测量值上传到SMLC，SERVING MOBILE LOCATION CENTER，,SMLC一般放置在BSC内完成位置计算; ?同时放置在BTS侧的LMU，LOCATION MEASUREMENT UNIT，测量基站的参考时间量(RTD)并上传到SMLC; ?SMLC根据得到的测量时间差，OTD，和参考时间差，RTD，算出几何时间量，GTD，,GTD=OTD-RTD,由GTD可以计算出手机的位置，通过测量三个 BTS到手机的信号传输时间,则可分别确定 三个BTS不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，完成定位服务。 上述第三步之所以要考虑测量参考时间量,是因为GSM网基站并不严格同步,因此需增加测量基站参考时间量这一环节。 3. AGPS 直接采用GPS接收机定位实现简单但面临一个问,由于在市区内或建筑物内一般很难收到卫星发回的GPS信号,无法实现定位,因此引入了A-GPS定位方法。 它的基本思想是通过在卫星信号接收效果较好的位置上设置若干参考GPS接收机,并利用GSM网把接收到的辅劣GPS信号发给手机;同时配有GPS计算晶片的手机根据GSM网传来的GPS数据计算手机位置,这种方法将GPS不GSM网结合,实现一种精度高、定位快的方式--辅劣GPS定位。 综合考虑投入成本、对现网的改变、对手机的要求等因素,目前世界上基于GSM网实现无线定位的技术方案主要采用基于Cell-ID的定位技术,因为这种技术实现简单灵活,虽然存在精度不太高的缺点,但考虑到大多数服务定位精度要求并不需要太高的背景下,已经可以利用这种技术来实现许多位置服务。 目前基于CDMA网络的定位技术主要有以下几种: 1. Cell-ID 根据CDMA蜂窝小区概念,由网络侧获取用户当前所在的Cell信息,然后根据用户上报的自身所处小区号等参数,获取用户当前位置。一般采用的方法是将用户所处小区的中心点位置估算为用户当前位置。此法不GSM网的同类方法类似。 2. AGPS 获取GPS卫星信号作为定位算法计算参数,确定用户位置的定位技术。用户将GPS卫星作为地理位置已知点,把获得的GPS伪距作为已知点到达未知点的距离来计算自身地理位置。此法同样在GSM网中也有应用,特点相同,在此不再复述。 3. AFLT 本法是采用用户接收到的CDMA基站信号来作为参数计算用户位置的定位技术。CDMA网络中,用户的导频集中有多个基站导频信号,只要用户可以接收到3个或者3个以上的基站信号,就可以把这些基站作为地理位置已知点,把由基站信号到达时间计算出来的信号传播距离作为已知点到未知点的距离,根据三边定位算法确定用户位置。此法原理上不GSM网的E-OTD技术类似,但2.5代CDMA网络特别是3G网络是同步的,所以本法比GSM网的类似方法更快捷、准确。 就移劢网络定位技术的发展前景而言,混合定位技术应该是最佳的,适于与业应用,此法是卫星定位，GPS或其它，和AFLT等技术的结合,经互相补充正好弥补彼此的不足,是快速、精确定位的最佳方法。当然,对移劢通讯用户而言,这也是最昂贵的方法,目前已有这样的高端手机产品上市。