（应用数学专业论文）对两个数据业务的量化研究.pdf

摘要 摘要 随饕移动通信技术的发展，数据业务已经成为通信领域继话音业务之 后个新的增长点，应用前景广阔，将给移动运嚣商带来丰厚的利润。因 此，为了能够更好地开展这些业务，有必要对实现这些数据业务的技术以 及开展这些韭务对阏终资源的影嚷避霉亍对魄分橱翻量纯嫒宠。 本文对定位服务和下载类业务两个数据业务采用不同方法进行了爨化 研究。首先介绍了移动定位的应用、体系结构、寇位的般流程和实现定 位服务的各种方法并对基本服务层次的三种方法进行了定量对眈分析，论 述了定位技术的毅发袋。然悉，佟必实锲，编程实现了对中国移动开展麴 定位服务的量化分析。最后，介绍了自相似特性的理论蒸础，运用这个理 论对下载类业务在网络仿真环境下产生的流量进行了分析，总结出了在不 同环境下怎样调度分酾资源黻达到网络优化。 关键词：数据业务，量化研究，定位服务，下载类业务，不蔺方法， 中藏移动，舀相似特性，溺络傍蠹，翳络傀纯 一i 一 l t 衷瓣 毽大学硬上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya b o u tt h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ， d a t as e r v i c e so fw h i c ht h ep r o s p e c ti sp e r f e c ti n a p p l i c a t i o nh a v en e w l yb e c o m e t h e d e v e l o p i n gp o i n ti nt h ea r e ao ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nf o l l o w i n gv o i c es e r v i c e sa n d c a nb r i n gt h e o p e r a t o r sg r e a tp r o f i t s t h e r e f o r e ，c o n t r a s ta n a l y s i s a n dq u a n t i t y r e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g ys u p p o r t i n gt h e s es e r v i c e sa n dt h ee f f e & t on e t w o r k r e s o u r c ew h e nt h e s es e r v i c e sa r ea v a i l a b l ea r en e e d e di no r d e rt od e v e l o pt h e m m o r ee f f e c t i v e l y i nt h i st h e s i s ，l o c a t i o na n dd o w n l o a d ，w h i c ha r ed a t as e r v i c e s ，a r er e s e a r c h e di n q u a n t i t y w i t ht w od i f f e r e n t m e t h o d s ，r e s p e c t i v e l y t h e f i r s t p a r t d i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o n s ，a r c h i t e c t u r e ，b a s i cf l o wp r o c e d u r eo f t h el o c a t i o ns e r v i c ea n dm e t h o d s t ol o c a t i o n ，a n a l y z e st h r e el o c a t i o nt e c h n o l o g i e sc a p a b l eo fo f f e r i n gb a s i cs e r v i c e l e v e la c c u r a c yb yc o n t r a s ti nq u a n t i t ya n dt h a tt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi sr a p i d l y d e v e l o p i n gi s a l s od i s c u s s e d 。t h e n ，f o ri n s t a n c e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h el o c a t i o n s e r v i c ei n q u a n t i t y o f f e r e d b yc m c cb ym a k i n gp r o g r a m ，f i n a l l y , t h i s t h e s i s i n t r o d u c e st h eb a s et h e o r ya b o u tt h es e l f - s i m i l a rq u a l i t ya p p l i e dt oa n a l y z et h eq u a l i t y o ft h es t r e a mt h a td o w n l o a ds e r v i c e sp r o d u c e dd u r i n gs i m u l a t i n gt h en e t w o r ka n d d r a w st h ec o n c l u s i o no nw h i c hh o w t oa r r a n g er e s o u r c et om a k et h en e t w o r kp e r f e c t i nd i f f e r e n tk i n d so fc i r c u m s t a n c e s 。 k e y w o r d s ：d a t as e r v i c e s ，q u a n t i t y r e s e a r c h s e r v i c e s ，d i f f e r e n tm e t h o d s ，c m c c ， t h en e t w o r k 。n e t w o r kp e 两c 耄。 l o c a t i o ns e r v i c e d o w n l o a d s e l f - s i m i l a rq u a l i t y , s i m u l a t i n g 北京邮屯人学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景 在通讯技术突飞猛进的今天，随着移动通信和数字通信技术的发展，人们已不在仅 满足于语音通话的要求，对通信需求的面越来越宽。尤其是随着移动终端传输速率的提 高，数据业务取得了前所未有的发展，大有赶超话音业务的趋势。事实上，现在数据业 务的发展速度已经超过了话音业务。以短信业务为例，几年前在中国还是一个新名词， 短短的两三年时问里以比几何级数更快的速度爆炸式增长，现在每年仅中国的短信发送 量就超过千亿条，实现利润上百亿元。可见数据业务潜力之巨大! 而现在3 g 在继续被 大肆宣扬，仍未大规模商用。作为2 g 以及2 5 g 的运营商就必须抓住机遇，扩展新业 务。这样既可以满足用户多方面的需求，减少用户流失，又能够提高来自每位用户的平 均收入( 即a r p u 值) 。 作为运营商，为了能够大规模正式开展各种数据业务，就需要对这些业务进行前期 的分析和研究，以及对试商用的情况进行量化分析，包括用户的使用行为和对网络资源 的影响。这样才能使新开展的业务既符合用户的需求，又能够为网络的规划设计提供客 观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期。 在为中国移动量化研究的业务中，定位服务和下载类业务就是其中两个重要的数据 业务。 随着移动通信的发展，移动定位服务的需求和使用量也日益增加。定位服务使用户 能够在其当前位罱通过移动电话接收信息。从消费者角度讲，这些信息可能是附近饭店 的列表、最近电影院的放映时间表或者是朋友或同事的位置。而对企业来说，这些信息 可能是现场代表或车队的确切位置，或者出差人员所在城市的天气预报。 目前，欧洲多家运营商正在部署定位服务，并向用户推出多种新型服务。根据最近 公布的行业数字，目前西欧有8 0 多家移动运营商，用户总数超过2 7 亿，这些运营商 正在提供或测试多种形式的定位服务。o v u m 的调研表明，西欧的定位服务总收入将从 2 0 0 1 年的5 5 0 0 万美元( 6 3 6 0 万欧元) 增加到2 0 0 6 年的6 6 0 7 亿美元( 7 6 3 8 2 亿欧 元) 。在东欧，定位服务收入预计到2 0 0 6 年将增长到7 7 3 亿美元( 8 9 3 6 亿欧元) 。移 动运营商、硬件提供商和应用开发商将有很大一部分收入来自定位服务。 定位服务进入中国市场已有近两年时间。通过制造商和服务提供商的不懈努力，定 位服务已经从最初的概念转化为可投入使用的系统和应用。同时，中国多个城市已经推 1 一 北家邮电夫学磷二学位论文 第1 章绪论 崮试验毪菔务，包括西矮、j 京、广4 翊、福建秘l b 瑟，霖虽许多城市已经完成了裔潼部 署。 o v u m 在标题为移动定位服务：市场战略的报告中预计到2 0 0 6 年，中国定位 服务婚占歇有移动服务内容的1 5 。2 2 。因此，位爨服务在无线移动的领域内具有广泛 的应用前景。 对于下载类业务，基翦都已经嚣褥楣巍普遍了。真铃声、图片、f l a s h 、骜乐和褫频 等各种内容的下载。而且，象铃声下载等业务已经成为广大移动用户使用颇率很高的数 据业务之一了。在2 + 5 g 黻及未来豁3 g 露络中，f 载类照务氇必将是一秘重要戆数撼 业务。由于下载类业务自身的特点，一般较其他数据业务流量大，占用网络资源相对较 多，不同下载业务对时延、裤动和误褥率等服务质麓要求的不同。因此，寄必要对下载 类业务进行量化研究。 1 2 对移动定位和下载类业务的量化分析方法 对于移魂定佼驻务，交子定位方法多耪多撵，实现懿环凌差剩缀大，要对套秘方法 在不同网络系统、物理环境下都通过采集真实数据进行定嫩研究几乎不可能，因为有些 定位方法校本就没有实现商雳纯。因诧，本文只慧对中国移动綦予c e l l t d 酶方法开震 的定位服务试商用情况采用真实数据进行了分析。利用的数据是在移动定位中心 ( m p c ) 采集的定位话单，主要通过手机号来区分用户源。由于定位韭务话单中只有 数务的对阉信息，嚣没毒渡务鲍分缀大小傣息，嬲以本文只在时悯特性上进行了分析， 包括系统对定位服务响应时间的分析和用户使用行为特征的分析。在对数据进行统计分 橱瓣露嫉，采焉数篷攘合德鬟了稳疲豹业务模型鹣参数。熬合豹方法裁是裂爱统诗 莛毂 概率分布函数c d f 与已知的概率分布函数进行拟含，通道最小均方误差准则得到分布 的簸佳遥配，这些酃在m a t l 如软件上编耧得蔽实黼。在爨亿分撰瓣对侯，还摇定位疆 务按调度类业务和非调度类业务分类进行，分析了闲时、忙时和全天所有的用户和单个 用户的情况。 为了对基本的定位方法进行横向比较，本文通过查阅文献 1 】，对基本服务层次的 三种定位方法对比分析了在市中心和郊区环境下的定位误差和相对定位误差。 对于蔟翅豹定位方法以及毅邀发震起来豹定镜技术，本文通过查阅姿科，在定位技 术的新发展一节进行了一般性的分析比较。 对予下载类渡务，本文主要分据在2 ，5 g 瑷及寒寒的3 g 网络中将开鼹数部分业务。 北京邮也人学硕士学位论文 第f 章绪论 由于没有实际数据源，本文借助了仿真的方法，通过o p n e tu m t s 网络仿真平台模拟 网络结构。仿真采用的业务数据源借鉴了部分文献中的理论模型。通过仿真，收集 n o d eb 在单一业务和混合业务环境下低、中和高负荷时的业务流量，再进行后续的统 计特性分析。由于下载类业务具有流量突发的特点，为确保业务对时延、抖动和误码率 等服务质量的要求，同时避免占用过多的网络资源对其他业务造成影响，本文进一步量 化分析了下载类业务的白相似特性，这对于网络资源的优化具有重要意义。 1 3 本文的体系结构 本文在后续章节中主要量化分析了定位服务和下载类业务，并介绍了下载类业务分 析中用到的自相似理论基础。具体的体系结构安排如下： 第二章首先介绍了移动定位业务的广泛应用、实现基于网络子系统和基于基站子系 统的定位服务结构图，示例了基于网络子系统和基站子系统方式的基本信号协议。然后 描述了在基于网络子系统情况下实现定位的一般流程。最后，介绍了实现定位服务三个 层次的各种方法及其数学描述，并量化比较了在特定环境条件下采用基本服务层次的三 种方法实现定位的定位精度和相对定位精度。由于定位方法很多，实现定位服务的系统 差别很大而且新的技术也不断出现，因此在本章末介绍了新技术的发展并对它们的定位 精度和发展作了一般性的分析。 第三章主要是对中国移动基于c e l l i d 的方法开展的试商用定位服务进行了分析， 并给出了相应分析的拟合结果。 第四章介绍了下载类业务分析中用到的自相似理论基础。包括自相似特性的发现、 定义、统计分析方法、产生的原因和对网络的影响。其中最主要的统计分析方法是方差 一时间分析法和r s 图分析法。 第五章对没有实际数据源的下载类业务在o p n e t u m t s 网络仿真平台上进行了仿 真。利用从n o d eb ( 基站) 收集到的流量对下载类业务进行了统计特性和自相似特性 的分析，并给出了结论。 第六章总结了本文完成的主要工作及其意义，并对数据业务的发展前景进行了展 望。 在全文的最后，给出了本文所用到的主要英文缩写和参考文献。 三虫型坐皇堡型! 燮 笙! 主竺垄塞竺 第2 章移动定位 位置服务( l c s ，l o c a t i o ns e r v i c e ) 又称定位服务，是通过移动通信网，获墩移 动用户的位置信息( 经纬度坐标数据) ，然后提供相应服务的种增值业务，是无线 运营公司为用户提供的一种与位置有关的服务。移动网络向用户提供的位置信息能够 满足一定的服务质量、安全性和私密性要求。位置服务的巨大魅力f 是在于能在f 确 的时间，正确的地点把正确的信息发送给正确的人。同时它还可以对被允许的定位对 象进行实时监测和跟踪，使被定位对象显示在电子地图上，一目了然。 2 1 定位业务的应用 定位业务最初的应用为美国“9 11 ”( e 9 11 ) 紧急呼叫。近几年，美国、同本和 韩国的许多运营商，如s p r i n t 、v e r i s o n 、k d d i 、s k t 、k t f 等在2 0 0 1 年已经开 始启动该业务。其中，韩国、日本目前已经开始商用定位精度较高的业务，欧洲也已 经丌展了基于小区的定位业务。在中国，定位业务受到了业界的普遍关注，运营商和 设各制造商以及服务提供商都在积极推动定位业务的应用。中国移动刚刚在全国f 式 推出了一个命名为“晓位星”的专门针对小孩和老人服务的业务。中国联通也f 在一 些地方试验性推出c d m a 网络平台上的基于g p s 技术的高精度定位服务。 定位业务有广泛的应用，这里描述的只是潜在应用中的一小部分。这些应用通常 分为三个不同的服务层次( 不是绝对分开的) 。定位协作论坛( l i f ) 所描述的三种服 务层次是：基本服务，增强服务和扩展服务。下面的表格说明了这种层次。 服务层次定位精度，体系结构应用 基本服务 4 0 0 15 0 0 米n s s 寻找朋友，基于位置的计费 增强服务4 0 15 0 米n s s b s s紧急呼叫，跟踪服务 扩展服务 5 0 米b s s m s精确导航，紧急呼叫，安全服务 表2 1l c s 服务层次( 体系结构见后面专门描述的部分) 这些服务分类主要依据定位的精度。基本服务通常采用基于c e l l - i d 的方法，但是 也有其他的定位方法。其他的服务层次要用到更加精确的方法，比如增强服务通常采 用增强的观测时间差分( e o t d ) 定位技术，扩展服务则要用到辅助g p s ( a g p s ) 定位。但更为重要的是这些不同服务层次的定位方法所能支持的各种不同应用。部分 的这些应用如图2 1 。 - - - 4 - - 北京邮电大学硕：l 学位论文 第2 章移动定位 图2 ，1 移动定位服务分类举例 随着定位精度的提高，会有更多的应用，但同时意味着实现定位的费用将更高。 为了使得通信网络具有更强的定位能力，定位系统也将从基于网络子系统( n s s ) 为 基础的体系结构演化为基于基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 为基础的体系结构。 所有的应用都通过标准接口接入系统，比如说通过定位协作论坛( l i f ) 定义的应用编 程接口( a p i ) 。这些应用编程接口使得不同的应用提供者可以更加容易地接入系统劳 提供他们的服务。 2 2 定位体系结构 这一节将介绍定位服务的相关体系结构。最先实现的满足基本服务的定位方法通 常是基于c e l l i d 的，成本较低。在这种方法中，定位体系结构通常是基于网络子系统 ( n s s ) 的，因而提供的服务质量一般。n s s 结构建立在标准的接口基础之上，可以收 集到计算位置估计所需要的信息。n s s 结构利用如c e l l - i d 或者t a ( t i m i n ga d v a n c e ， 预先定时即无线帧起始到数据突发之间的时间) 等信息，在某些情况下也利用测量到 的手机接收信号的强度( r x l e v ) 进行定位。通常，获得的信息越多定位精度越高。 n s s 结构的基本描述如图2 2 中所示，移动定位服务中心( s m l c ) 与移动定位网关 中心( g m l c ) 都与移动交换中心( m s c ) 相连接。 北京邮电人学硕l 学位论文 第2 章移动定位 图2 2 通常的基于网络子系统( n s s ) 的l c s 结构框图 定位接口是指对应于s m l c 的l s 和对应于g m l c 的l g 。这些接口都是标准化的， 因此对于所有基于蜂窝网络提供定位服务的运营商来说都是样的。这对于由多厂商 提供的设备组建的网络大有好处。 在图2 2 中，对于定位特有的第一个功能实体是位置测量单元( l m u ) 。有两种 l m u ，分别是与基站相连的l m u b 和独立的l m u a 。与基站相连的l m u b 可以使用 基站的无线电设备和天线，独立的l m u a 通过u m 接口和b t s 相互通讯。 l m u b 测量基站收发器( b t s ) 的时间并将这些值报告给移动定位服务中心 ( s m l c ) ，再利用移动台发送来的时间报告一起计算出位置估计值。移动定位服务中 心( s m l c ) 然后把( x 。y ) 坐标值发送给移动定位网关中心( g m l c ) ，而g m l c 同 时负责收发来自外部l c s 客户的信息，是外部l c s 客户进入p l m n 的第一个节点， g m l c 通过l h 从归属位置寄存器( h l r ) 请求路由信息，h l r 含有用户数据和路由 信息。移动交换中心，访问位置寄存器( m s c ，v l r ) 管理呼叫有关和呼叫无关的定位请 求，通过l g 接口和g m l c 相连，负责计费、协调、位置请求、授权和操作等服务。 l s 和l b 接1 3 分别在s m l c 和m s c 与基站控制器( b s c ) 之间，而l g 接口在g m l c 和m s c 之间。这些是l c s 特定的7 号信令系统( s s 7 ) 接口。l b 和l s 在本质上具有相 似的堆栈结构，只是承载的信息内容稍微有点不同。对于l b ，由于一个s m l c 只服务 一个b s c ，所以网络数据库的内容比较少并且使得s m l c 具有更强的定位计算能力。 图23 示例了基于网络子系统( n s s ) 方式的基本信令协议。 6 北京邮i u 大学硕上学位论文 第2 章移动定位 l m nsssig1 1a11ing a b is als ( 0 4 71 ) ( 04 71 ) l l p l l p 、尽e i 皂少7 、堀e a 多，7 0 8 5 8 、nj h 。pl1 一? b s s a p l e j d b 已廿3 b a j h 一 j o 0db3 3 r o9 3l l a p dl a p ds c c p+s c c ps c c p s c c p l 1 l1m t p+m t pm t pm t p in teg r a te dl m u 图2 3 基于网络予系统( n s s ) 方式的基本信令结构 下一步对体系结构的改进就是基于基站子系统( b s s ) 结构，它使得系统能够更 加有效地利用来自无线接口的信息，没有必要传送测量信息给m s c 。b s s 体系结构也 能更加有效地利用象e - o t d 这样的增强型方法所特有的测量数据。图2 4 描述了基于 基站子系统( b s s ) 的体系结构。 图2 4 基于基站子系统( b s s ) 的l c s 结构框图 北京邮l 乜大学硕上学位论文 第2 章移动定位 可以看出，系统大部分都利用标准接口。然而支持g p r s 的接口是独有的( 从 s g s n 到g m l c 的虚线) 。 图2 5 示例了基于基站子系统( b s s ) 方式的基本信令协议。 l m bs ssig1 3al1i1 3g a b isl 8 ( 0 4 71 ) ( 0 4 71 ) l l p l l p 一 a ￥， b s s a p l e 0 8 5 80 8 5 8b s s a p 0 9 3 1 l a p ds c c ps c c ps c c p l 1m t pm t pm t p i n t e g r a t e d l m u 图2 5 基于基站子系统( b s s ) 方式的基本信令结构 另一种结构是基于移动台( m s ) 的。它利用蜂窝网络中产生的辅助数据和移动台 定位测量的能力。在这种系统结构中，s m l c 计算辅助数据，网络通过标准信息发送 预先计算好的辅助信息给移动终端。定位计算在移动终端进行。移动台辅助e o t d 和 a g p s 定位方法都属于这种类型。 2 3 定位流程 定位业务采用客户服务模型，由l c s 客户、l c s 服务提供方和目标移动用户构成 ( 如图2 6 所示) 。l c s 客户可以是第三方定位业务提供商、网络运营商、移动用户或 安全部门。l c s 客户向l c s 服务方发出定位请求，l c s 服务方对l c s 客户进行鉴权，鉴 权通过后，l c s 服务方发起定位操作( 获得用户的经度、纬度、高度和速度的过程) ， 并根据定位客户要求向l c s 客户返回定位结果。在定位操作过程中，为了保证信息的 安全和保护用户的隐私，系统可以对定位信息进行加密，并且移动用户有权拒绝系统 发起的定位请求( 紧急业务或合法监听除外) 。 些墨型燮燮生堡塞 笙! 翌壁垫塞些 定位请求一 定位 定位响应 定位 一定位操作一 目标 业务业务移动 客户服务 丑密保护一 用户 业务提供一 图2 6 定位业务的参考模型 由于采用不同的定位体系结构实现定位的流程不尽相同，下面以图2 2 中所描述的基 于n s s 的l c s 结构为例说明实现上述定位业务参考模型的具体定位流程。其流程图 如下 ce n t ll g m ! c l i h l r i i m s c v l r ll 氨固回 1l c ss e r v i c er e q u：s t 2 a ps e n dr o u t i n gl n f) f o rl c s 一 1 3m 一ps e n d r o u t i n gi n f ob r l c s a c k 4m a pp r o v i d cs u b s c5 b e rl o c a t i o n 5 m s p a g i n g ，a u t h e n t i c a t i o n ，c i p h e r i n g 7 r 【6 l c sl o c mo nn o t i f i c a t i o ni n v o k e ? 1 【7 l c sl o c m i o nn o t i f i c a t i o nr e t u r nr e s u l t ? 8 r a n apl o c m i o n r e p o r t i jt gc o n t r o l 9 m e s s a g e sf o ri n d i v i d u a lp o s i t i o n i n gm e t h o d s l o 】a n a pl o c a t i o nr：p o r t 1 i im a pp r o v i d es u b s t i b e rl o c a t i o n 砒 l! l c ss e r v i c er p o n s e 图2 7 基于n s s 实现定位的定位流程 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章移动定位 流程描述： 1 、外部的l c s 客户通过g m l c 请求某个m s 的位置信息，g m l c 校验该l c s 客户身份及其用户使用权限。并获得m s i s d n 或i m s i 以及q o s 。如果定位过程需要 不止一个m s ，重复2 1 2 步骤。 2 、如果g m l c 知道了m s c n l r 的位置和l m s l ，第3 步可以跳过去。否则g m l c 发送m a p s e n d r o u t i n g i n f o f o r l c s 给h l r 。 3 、h l r 校验呼叫方的s c c p 地址，该地址对应于一个已知的u m t s 网络元素， 这个元素被授权请求m s 的位置信息。h l r 返回当前的m s c n l r 地址、i m s i 、 m s i s d n 。 4 、g m l c 发送m a pp r o v i d es u b s c r l b e rl o c a t i o n 消息给m s c ，该消 息包括位置请求的类型、m s 的i m s i 、l c s 的q o s 。 5 、如果g m l c 在另外一个p l m n 或是其他国家，m s c ，v l r 首先要获得位置请 求的获准，如果没有获准，返回出错响应。 6 、如果定位请求来自于商用( v a l u ea d d e d ) l c s 客户，并且m s 必须被通知或需要 隐私验证，l o c a t i o nn o t i f i c a t i o ni n v o k e 消息被发送给目标m s 指示定位请求的类型、 l c s 客户以及是否需要隐私校验。 7 、m s 通知m s 使用者有位置请求，如果要求隐私校验，m s 用户将决定定位请 求是否被允许。然后m s 返回l o c a t i o nn o t i f i c a t i o nr e t u r nr e s u l t 给m s c v l r 。 8 、m s c 发送r a n a pr e p o r t i n gc o n t r o l 消息给s m l c ，该消息包括定位服务类 型，m s 的定位能力和需要的q o s 。 9 、如果在给定的q o s 下，请求的定位信息和位置精度可以满足，s m l c 发送 r a n a pl o c a t i o nr e p o r t 。否则由s m l c 决定定位方法。如果返回了定位测量，s m l c 就利用它进行位置估计。如果没有返回测量数据，s m l c 就利用当前小区信息。 1 0 、当在给定的q o s 下，请求的定位信息和位置精度可以满足，s m l c 得出位置 估计并在l o c a t i o nr e p o r t 消息中将位置估计返回给m s c n l r 。否则，l o c a t i o nr e p o r t 将包含失败原因。 11 、如果m s c n l r 没有在第6 步启动隐私校验，m s c n l r 返回位置信息给 g m l c 。如果m s c n l r 在第6 步启动了隐私校验，只有当m s c n l r 收到l c s l o c a t i o n n o t i f i c a t i o nr e t u r nr e s u l t 表明允许接收时，m s c n l r 才会返回位置信息。如果s m l c 些堡! ! ! ! 查堂! ! ! ：堂些笙兰 笙! 至竺苎室垡 没有返回成功的位置估计，但6 、7 两步都完成了，m s c n l r 返回目标m s 的最新位 置( 如果知道) 。v l r 释放m o b i l i t ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ，m s c 完成计费信息。 1 2 、g m l c 返回m s 的位置信息给l c s 客户，如果需要将地理信息转换为当地位 置信息，同时对l c s 客户计费。 2 4 定位方法 在移动通信网络中有许多针对应用设计的定位技术。这些技术中的大部分都是通 过利用多边技术处理移动台和多个基站之间的绝对距离和，或相关距离来估计移动台的 坐标位鼍。对这些多边技术的一般性分析与对比可以参考文献 2 ，3 】。这一节先描述基 本服务层次和增强服务层次的定位方法，最后介绍应用于扩展服务的a g p s 方法，有 基于m s 的g p s 定位和以m s 为辅助的g p s 定位，本章在论述到恰当方法的同时也 涉及一些辅助规则。 2 4 1 基本服务层次 要对所有的包括以前入网的移动台都能及时开展定位服务，蜂窝网络必须实现具 有基本服务精度水平的定位技术。从商业角度来说，这些技术是至关重要的。实际上， 很多设备和服务提供商已经开始使用这些技术以最小的投资为顾客提供基本的定位服 务，同时也在试验支持增强服务和扩展服务层次的定位技术，使其能够尽快商用化。 从技术角度来说，即使当更加精确的技术能够充分实现时，基本服务层次的定位方法 仍然是需要的；举个例子，当用户要求获得的定位精度或者在整个网络中更加精确的 定位技术不被支持的时候，就需要采用基本服务层次的定位方法。而且，基本服务定 位技术也可以用作备份的方法，因为增强和扩展服务层次的定位技术可能失败，比方 说，测量的时候没有足够多的基站或者卫星。 在g s m 网络中，实现基本定位服务比较可行的方法有基于c e l l i d ，t a 和移动台 所接收信号强度( r x l e v ) 的。利用估计的位置坐标，所有方法确定了一个置信区域， 即定义了一个地理区域，目标终端的实际位置以某一给定的概率( 可靠，胃信系数) 落 在这个区域里。 2 4 1 1 基于c e l l i d 的定位方法 基于小区标识( c e l l i d ) 定位是一种最简单的定位方法，它根据手机所在的c e l l i d 北京邮电人学硕士学位论文 笫2 章移动定位 来确定手机的位置。c e l l i d 是g s m 系统中的个固有参数，当手机注册或漫游到 个新的小区时，就会在相关的访问位置寄存器( v l r ) 数据库中保存手机当前所在小 区的c e l l i d 。因此，如果系统利用小区广播定期向该小区内的手机广播位置信息，则 小区内的手机都可以确定自己的位置。而如果系统想确定某部手机的位置，只需根据 该手机的i m s i 来查询v l r 就行了。c e l l i d 是一个数字，对用户而言没有意义的。为 此，运营商需要构建个c e l l i d 和小区基站位置、小区半径相对应的数据库。 基于c e l l i d 的定位方法利用了无线网络本身的特性，利用现有的网络和手机就可 以轻松实现，不需要改变手机和网络设施，是一种投资最少的方式。但是它只能定位 到某个基站所覆盖的整个区域或者覆盖区域下的某个扇区。当定位到某个扇区时，为 了计算估计位置，除了获得服务基站的坐标以外，还必须知道服务小区的大小、服务 基站天线的方位和发射的基本属性。因此基于c e l l i d 定位的精度低，它的误差是小区 半径，一般来说大于2 0 0 米，无法实现高级的定位增值业务。不过，现在城市繁华区 域中广泛使用的微小区技术可以使其误差降低到2 0 0 米左右。图2 8 描述了c i 定位方 法的基本原理。 扇形 图2 8 基于c e l l i d 的定位方法 2 4 1 2c i + r a 定位方法 g s m 是时分复用系统，要求信号在严格的时间到达基站。由于手机与基站间的距 离不同，因此基站要告诉手机应该提前发送信号的时间即t a ( t i m ea d v a n c e ) 值。使 手机发送的信号可以到达正确的时隙。在现有移动系统中，为了保证信息帧中各时隙 一1 2 北京邮电大学硕士学位论文第2 章移确定位 豹嗣步，綦潞盛颓翻焉移穗终端蘼发信惫分缓中韵调练鹳序甍获褥该基站毅移动终端 之间的信号传播时延信息，并通过慢速伴随信道( $ a c c h ) 以1 - a 参数的形式告知移 动终端。这祥移动终端就获季霉了相对予服务基菇的t a 值。移动终编利用1 l a 参数调整 信息分组的发送时刻以确保各移动终端的信息分组划达基站时能避免时隙羹叠。 c i + 1 a 定位方法就是猩获得c i 的同时利用t a 值提高定位精度。t a 表示手机和 联务基站牧发弦台之阐豹黪延，在g s m 标凇中以比特为单位，用比特的整数倍来表示。 根据g s m 的规范，1 _ a 是一个0 到6 3 之间的整数。t a 参数值的个简单测量方式可 以表示为：t a ：r o u n d 翻b t s i ( c t b t 2 ) ，其中r o u n d 楚嚣会蔓入取整涵数，在g s m 中 b = 3 。6 9 u s 。o 是兹线电波的速度，d b t s 装示的怒手机到基站距离的系统估计值。在 c i + t a 定位方法中对于手机和服务基站的之间的距离估计假d t a 悬通过。r a 得到的： 屯= 球1 4 * 嬲( c t b 簇zi 三 当小区是扇形的，可以估计手机的位鬻在以服务基站的坐标为圆心，半径相当于 d t a ( 从t a 估计来的距离) 的圆弧上。服务基站的天线方位和发射模式分羽决定了这 令弧靛方僚耩弧惫瓣跨褒蕊围，t a 溅量误差辍疆( 等予c t b 2 = 5 5 4 m 静一半) 决定了 弧半径方向上的宽度( 等于c t b 2 = 5 5 4 m ) 。图2 9 表示丁c i + t a 定位的工作原理a 扇形 滋2 9c e l l i d + 1 - a 定键方法 北京邮电大学硕士学位论文 第2 _ 蕞移动定位 由于考虑了用d t a 作为移动终端和服务基站之间距离的估计值，最终使得c i + t a 的定位方法性能得以提高。但由于t _ a 值使用以比特为单位，而每一比特的精度是5 5 4 米，所以定位的精度只是比单纯基于c e l l i d 的定位方法有所提高，不会太好。不过， 这种方法也无需对网络和终端做任何改变，实现成本较低。 2 4 1 3c i + t a + r x l e v 定位方法 cj + t a + r x l e v 定位方法通过结合c i ，t a ( 用于估计手机和服务基站之间的距离) 和r x l e v 信息来估计手机的坐标位置。r x l e v 是移动终端从服务小区和多达6 个信 号最强的邻小区接收到的信号强度( 比如说功率) 的测量值，在g s m 系统中用来支持 移动性管理程序。 移动终端接收到的信号水平，或者更准确地说信号所经历的衰减依赖于终端和转 送信号基站的位置。通过运用适当的传输模式就可以估计出手机和每一个发射基站的 距离。用每一个估计的距离都可以定义一个手机所在的圆。当至少可以得到三个不同 的圆的时候，就可以估计出手机的位置在他们的交叉扇区内。图2 1 0 描述了 c i + a + r x l e v 定位方法的工作原理。 图2 10c i + t a + r x l e v 定位方法 站 塑塑坠生苎型! 兰些堡苎 塑! 主堡垫塞竺 2 。4 2 增强服务层次 增强服务层次定位方法提供的定位服务比那些属于基本服务层次定位方法更加精 确。然而，这些更好的性能需要更加复杂的系统，当然这些系统需要更多的附加设备。 2 4 2 1 增强的观测时间差分( e o t d ) 定位方法 为了改善g s m 中切换的效率，g s m 标准制定了伪同步机制，即每个移动台要监 听它附近基站间的脉冲时间差，也称观测时间差( o t d ) 以确定它要切换时提前，推迟 的时间，l v , 女h 当移动台在时刻t d r 和t “n 分别接收到从参考基站和一个相邻基站发送的 信号，观测时间差o t d ：t n n 一- t r x r ( 图2 1 1 ) 。通常参考基站是移动台的服务基站， 因为他们之间有最好的无线连接。为了收集一系列定位估计所需的o t d 测量值，o t d 测量需要在参考基站和其他相邻基站之间重复多次。 移动台收到从参考 基站发送的信号 移动台收到从相邻 基站发送的信号 o td 1r1r trxn移动台时间 图2 11 通过移动台的基本e o t d 测量 因为g s m 规范在以前的定位支持上已经包括观测时间差分的特性所以把这种方 法叫e o t d 。e - o l d 定位的基本等式是o t d = r t d + g t d 。观测时间差( o t d ) 由两 部分组成。第一部分叫着实际时间差分( r t d ) ，它是参考基站和相邻基站之间的同 步差分，也就是他们脉冲发送时间的相对差分。如果参考基站在时刻t t x r 发送脉冲，相 邻基站在时刻t t x n 发送脉冲，那么r t d = 搬n 舨r 。如果基站在同一时刻同步传送，r t d 等于0 。第二部分是几何时间差分( g t d ) ，它刻画了移动台和两个基站之间不同传播时 间( 因为距离不同) 对o t d 的贡献。 g t d 是一个重要的变量，因为它包括关于位置的实际信息：g t d = d m n - - d m a c ( 图 2 1 2 ) 。这里d m n 是移动台到相邻基站的距离，d m r 是移动台到参考基站的距离，c 是 无线电波的速度。 北京邮电大学硕j 二学位论文 第2 章移动定位 相 dm n c 卜参考基站 dmr c 卜 gtd + 斗 图2 1 2 几何时间差分 移动台用e o t d 方法测量观测时间差分( o t d ) ，并且假设实际时间差分( r t d ) 是已知的，就可以求出几何时间差分( g t d ) 。 几何上g t d 定义了平面上的一系列点，这些点具有这样的特性：从这样的点分别 到邻基站和参考基站的距离之差等于常数g t d c 。这样就定义了一对双曲线，两个基 站在双曲线的两个焦点上。所以，g t d 的值就确定了与处于双曲线的两个焦点上的基 站观测到0 t d 为常值的移动台的可能位置。 当至少可以得到两对双曲线的时候，估计位置就在他们的交叉点。在有些情况下， 两个双曲线有两个交点。所以要得到唯一的答案还需要一条双曲线，或者其他的附加 信息( 比如说参考小区覆盖的面积) ，这在确定唯一的一个交点时是必需的，图21 3 中进行了示例。如果只得到两对双曲线1 ，2 ，那么有两个可能的交点a ，b 。在图中加 上双曲线3 就可以确定交点b 是正确答案了。如果没有双曲线3 ，可以利用参考基站 的覆盖区域( 灰色区域) 这个信息来选择交点b 。 北京l i | | 5 电大学硕士学位论文 始2 章移动定位 双曲 相邻基站收发器1 州邻 ， ， 区域 图2 1 3 基于双曲线的定位估计 移动台采用标准化的无线资源定位服务协议( r r l p ) 报告o t d 测量结果以及关 于每个结果的特征数字，这些特征数字是一些对于某一对基站的o t d 测量次数和这些 测量值的标准偏差。在位置计算的时候，可以用它们来估计出每条双曲线的可靠性并 确定可置信区域。典型的e o t d 定位的可信区域是一个椭圆，它描述了以一个可能的 概率( 比如9 0 ) 位于这个区域内。 e 。o t d 需要已知r t d 的值。一种可能性是整个网络是同步的，因此r t d 的值总 是为0 。一种更实际的方法是测量r t d 的值。根据g s m 的标准，r t d 的值能够用l m u 来测量。r t d 的值可以通过等式r t d = o t d g t d 来计算，这里的o t d 由l m u 来测 量，g t d 通过已知的l m u 和基站的坐标来计算。 从o t d 测量值来定义双曲线进行位置估计的方法叫着双曲线e o t d 定位。在 g s m 规范中还定义了两个e o t d 定位的变化形式：移动台辅助e o t d 定位和基于移 动台的e o t d 定位。在移动台辅助e o t d 定位中，移动定位服务中心( s m l c ) 发 送o t d 的测量请求给移动台，请求包括移动台应该测量的一些基站信息，同时发送 o t d 预期值给移动台，这个值只是相对于参考基站的o t d 估计值。目的是使得移动 一1 7 北京邮电大学硕j ：学位论文 第2 章移动定位 台在相邻基站发送的信号到达时能够进行测量。一旦移动台完成了o t d 的测量，移动 台就将测量结果报告给s m l c ，然后计算出位置估计值。 在基于移动台的