（通信与信息系统专业论文）wcdma定位技术与算法的研究和基站侧信令系统的实现.pdf

查壹查堂塑主兰垡鲨壅一 摘要 随着移动定位业务的快速发展，移动台的定位已成为第三代移动通信系统的一个重要 功能。w c d m a 作为第三代移动通信系统的主流标准，对其系统中移动台定位技术的研究 具有重大的现实意义。 本文首先对w c d m a 系统的定位服务架构进行了讨论，对w c d m a 系统中的各种定 位技术进行了分析和比较，对w c d m a 系统中移动台的定位方案进行了探讨，并介绍了一 个实际应用中的定位解决方案。 接着，我们重点讨论了t d o a 定位算法。分析和比较了目前存在的各种t d o a 定位算 法，对其中的部分算法进行了改进，提出了一种适合于特定环境的有效算法，并通过计算 机仿真比较了这些算法的性能，得出了一些有益的结论。 为了配合移动通信国家重点实验室w c d m a 手机的研究和开发工作，我们进行了基站 侧仿真信令软件的研发工作。本文介绍了w c d m a 无线接口的协议结构和各协议层的功 能，给出了基站侧信令系统的设计方案，重点讨论了基站侧r r c 协议层的设计，并介绍了 该信令系统的实现过程和实现结果。 【关键字】w c d m a ，定位，t d o a ，定位算法，信令，r r c 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e s ，f i n d i n gt h el o c a t i o no ft h em o b i l e p h o n eh a sb e e no n eo ft h ei m p o r t a n tf e a t u r e so ft h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a st h e m a i n s t r e a ms t a n d a r do f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w c d m ah a sb e e n r e q u i r e d t o s u p p o r tt h el o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e sh e n c e ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ( r d ) o f p o s i t i o n i n g am o b i l e p h o n ei nw c d m as y s t e mi sa l li m p o r t a n ti s s u e i nt h i sp a p e gt h ef u n c t i o n a lm o d e la n d a r c h i t e c t u r eo fw c d m al o c a t i o ns e r v i c e sc c c s ) s y s t e ma r es p e c i f i e d t h ed i f f e r e n tp o s i t i o n l o c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d ，a n daf e a s i b l ep o s i t i o nl o c a t i o ns o l u t i o ni s p r o v i d e d t h e n ，t d o ar a d i o l o e a t i o na l g o r i t h mi sd i s c u s s e di nd e t a i l e x i s t i n ga l g o r i t h m sa r e s p e c i f i e da n da n a l y z e d ，a n dn e we f f i c i e n tm e a n sa r ep r o p o s e d s u b s e q u e n t l y , s i m u l a t i o nr e s u l t s a r ep r o v i d e da n daf e wi n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n i no r d e rt oa s s i s tt h er & d o f w c d m am o b i l ep h o n e s i g n a l i n gs o f t w a r ei nn a t i o n a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b ，t h er & d o fs i g n a l i n gs o f t w a r ei nb a s es t a t i o ns i d ei s a l s oi n p r o g r e s s i nt h i sp a p e r , w c d m a s i g n a l i n gh i b e r a r c h yi sp r o v i d e da n dt h ef u n c t i o no fe a c hl a y e r i s d e s c r i b e d s u b s e q u e n t l y , af e a s i b l ea n de f f e c t i v eb l u ep r i n ti si n t r o d u c e dt oa c c o m p l i s ht h e “g n a l i n gs y s t e mi nb a s es t a t i o ns i d e e s p e c i a l l y , t h ed e s i g no f r r c s i g n a l i n gl a y e ri ss p e c i f i e d f i n a l l y , t h ep r o c e d u r eo f r e a l i z a t i o na n di t sr e s u l ta r ed r e s e n t e d 【k e y w o r d s lw c d m a ，p o s i t i o n l o c a t i o n ，t d o a ，r a d i o l o c a t i o n a l g o r i t h m ，s i g n a l i n g ，r r c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：址型奎丕日期：塑垒：乡、 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：生王塾丕导师签名：日期：矿簪专旷 丝二里丝笙 一 第一章绪论 由于本文主要探讨的是w c d m a 移动台定位的研究和基站侧信令系统的实现，所以作 为全文的绪论，本章首先介绍了第三代移动通信系统及其主要特征，然后介绍了通用移动 通信系统( u m t s ) 的网络结构，接着介绍了w c d m a 系统可能的定位业务，最后对全文 的内容做了展望。 1 1 第三代移动通信系统及其主要特征 8 0 年代末9 0 年代初，第二代移动通信系统刚刚出现，第一代移动通信系统还在大规模 地发展，当时主要的情况是第一代移动通信系统制式繁多，第二代移动通信系统也只是实 现了区域内制式的统，这时用户急切希望在短期内能够实现一种提供真正意义上的全球 覆盖，提供带宽更宽、更为灵活的业务，并且能够提供使终端在不同的网络间无缝漫游的 系统，以取代第一代和第二代移动通信系统。为此，国际电联( i t u ) 提出了未来公共陆 地移动通信系统( f p l m t s ) 的概念，由于国际电联预期该系统在2 0 0 2 年左右投入商用， 而且系统的第期主频段位于2 g h z 频段附近，所以国际电联将其命名为 m t - 2 0 0 0 ，即第 三代移动通信系统。 第三代移动通信系统区别于前两代移动通信系统的主要特点为： 1 ) 全球覆盖和无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或者国家标准，而 第三代移动通信系统是一个在垒球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频 段以及全球统一的标准。 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务的能力：现有的移动通信系 统主要以提供话音业务为主，随着发展也仅仅能够提供1 0 0 k b p s 到2 0 0 k b p s 的数据 业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b p s 。而第三代移动通信系统的业 务能力将比第二代有明显的改进，它应该能支持话音、数据以及多媒体业务，并 且能根据不同的环境提供最高达2 m b p s 的数据业务。 3 ) 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代已经具有相当的规模，所 以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐演进而成，并且能与固定网 络兼容。 4 ) 高频谱效率：高服务质量；低成本；高保密性。 1 2 通用移动通信系统的网络结构 通用移动通信系统( u m t s ) 包含很多逻辑网络元素，每个元素都有一个规定的功能。 按照功能，网络元素可以被分为无线接入网( u f r a n ) 和核心网( c n ) 。无线接人网负责 东南大学硕士学位论文 处理所有与无线通信相关的功能，核心网负责对话音及数据业务进行交换和寻找路由，以 便将业务连接至外部网络。除了网络元素，要完成整个系统，还必须定义用户设备( u e ) ， 它连接用户和无线接口。u e 和u t r a n 协议的设计基于新的w c d m a 无线技术的需要， 而c n 的定义仍源于g s m 。 u m t s 系统可被分成若干子网，它们既可以自行工作，又可以与其他子网协同工作， 并且利用唯一的标识可以将它们区分，这样的一个子网叫做通用移动通信系统公共陆地移 动网( u m t sp l m n ) 。比较典型的情况是一个p l m n 被一家运营商经营，它和其他的p l m n 网络以及其他类型的网络相连，例如i s d n ，p s t n ，i n t e m e t 等。图1 1 给出了一个p l m n 网的元素图【”。下面就对网络中的元素做个简单的介绍。 n o d eb 、i ：=梃 厂面泰 竺：， m | _ i n 。u r ： 、 世! 卜毒) 三止一一 ：二 际碟l ：一 公共通信网 图1 1u m t sp l m n 的网络结构 u m t s 用户识别模块( u s i m ) ：它是一张智能卡，记载有用户标识，可执行鉴权算法， 并存储鉴权、密钥及终端所需的一些预约信息。 移动设备( m e ) ：它是通过u u 接口进行无线通信的无线终端。 节点b ：它在i u b 接口和u u 接口之间传送数据流，同时也可能参与无线资源管理。 无线网络控制器( r n c ) ：它是u t r a n 提供给c n 的所有业务的业务接入点，它拥有 并控制辖域内的无线资源。控制一个节点b 的r n c 叫做控制r n c ( c r n c ) 。控制 r n c 负责其所属小区的负载和拥塞控制，还要为这些小区中要建立的新的无线连接进 行接纳控制和码字分配等。如果一个移动用户到u t r a n 的连接要使用多于一个r n c ， 那么涉及到的r n c 有两个独立的逻辑功能( 就连接而言) ：服务r n c ( s r n c ) 和漂 移r n c ( d r n c ) 。s r n c 负责终止传送用户数据和终止传向或来自c n 的信令的i u 连接，它也负责终止无线资源控制的信令。漂移r n c 是除服务r n c 之外的其他任何 r n c 。一个实际的r n c 通常包括所有的控制r n c ，服务r n c 和漂移r n c 的功能。 归属位置寄存器( h l r ) ：它是位于用户本地系统的一个数据库，它存储着用户_ q k 务特 征描述的主备份。这些业务的特征描述包括所允许业务的信息，禁止漫游的地区，增 值业务信息等。这个数据库在新用户向系统注册入网时创建，并且在服务期内始终存 在。 移动业务交换中心，访问位置寄存器( m s c v l r ) ：它是一个交换中心( m s c ) 汞i - - 个 数据库( v l r ) ，它们在u e 的当前位嚣为其提供电路交换( c s ) 业务。m s c 的功能 是用于处理电路交换业务，而v l r 则保存漫游用户的服务特征描述副本，以及关下 u e 在服务系统内位置的更精确的信息。通过m s c v l r 相连接的网络部分通常被称为 2 兰二皇堕笙 c s 域。c s 网络提供电路交换的连接，例如现有的电话业务。 移动业务交换中心网关( g m s c ) ：它是u m t sp l m n 与外部c s 网络的连接处的交换 设备，所有呼入和呼出的c s 连接都要经过g m s c 。 服务g p r s 支撑节点( s g s n ) ：它的功能与m s c v l r 类似，只是它用于分组交换( p s ) 业务，通过s g s n 相连接的网络部分通常被称作p s 域。p s 网络提供分组交换的连接， i n t e m e t 是p s 网络的例子。 g p r s 支撑节点网关( g g s n ) ：它的功能类似于g m s c ，但是它是与p s 业务相联系 的。 1 3w c d m a 的定位业务 移动通信领域是近年来竞争最激烈的行业之一，运营商越来越需要差异性的业务来提 高竞争力，定位业务是被普遍看好的一种移动增值业务。所谓定位业务是指利用定位技术 确定移动终端的位置，并据此提供各种基于位置的应用的业务。表1 1 归纳了3 g p p 标准 中提出的一些w c d m a 系统可能的定位业务”。 表1 1w c d m a 系统可能的定位业务 公共安全紧急业务基于公共安全考虑，国家或地区安全机构可以对 发山紧急呼叫的用户进行定位并进行实时援助。 基于位置的计费计费运营商可以根据用户的不同位置设定不同的费 率，这种资费政策可以针对单个用户，也可以针 对用户组。 跟踪业务 物流和资产管理企业或公共组织跟踪车辆和其他资产的位置，从 而实现物流和资产的管理。 交通监视通过对车辆中移动终端的监视，了解道路上的平 均流量和拥塞状况。 增强j 呼叫路由路旁援助当用户拨打特殊业务码时，援助机构可以获得用 户位置，从而提供援助。 基于位置的信息导航指引用户找到要去的目标，当用户输入目的地后， 服务 系统会返回信息和图形方式的线路图。 城市观光为观光者提供观光指导、景点介皇订等，逊h j 以介 绍景点附近的旅馆、饭店和机场等。 根据位置的内容广播向区内用户发放某种广播信息，如广告等。 移动黄页 用户可以在线查找附近业务点的联系电话。 网络增强业务网络规划应用 利用用户位置信息，辅助网络规划。 网络q o s 改善 通过了解终端的掉话率等信息发现q o s 较差的地 区，从而有针对地进行改善。 无线资源管理改善 位霞信息可以作为更有效，更智能的切换和信道 分配的参考信息。 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容和意义 自从1 9 9 6 年芰国联邦通信主管部门( f c c ) 对无线定位提出明确的要求以来，定位业 务已经得到了突飞猛进的发展。从最初的e 9 1 1 公共安全服务，目前已经推广到了交通、 旅游、收费、系统资源管理等许多领域。基于位置信息的定位业务有着非常广阔的应用前 景。而w c d m a 系统作为第三代移动通信系统的主流标准之一，其商用化迫在眉睫，提供 定位服务势在必行。加强对w c d m a 移动台定位的研究和开发，具有重大的现实意义。本 文将在第二章对w c d m a 移动台的定位进行全面的介绍和分析，并在第三章对蜂窝移动定 位中的一种极具潜力的定位技术t d o a 定位技术的定位算法进行了分析和研究。 当前，我国对第三代移动通信系统的研究和开发已经进入了产业化的阶段。东南大学 移动通信国家重点实验室一直关注w c d m a 的标准化进程，并承担了w c d m a 手机的研 究和开发工作。为了辅助移动台信令系统的研发，我们同步地进行了基站侧信令系统的研 发。本文将在第四章对w c d m a 基站侧信令系统，尤其是r r c 层的设计和实现进行详细 的描述和分析。 本文共分五章： 第一章为绪论。首先扼要地介绍了第三代移动通信系统及其主要特征，然后介绍了通 用移动通信系统的网络结构，最后介绍了w c d m a 系统可能的定位业务。 第二章重点讨论了u m t s 定位系统和相关的定位技术。首先介绍了一种u m t s 中定位 服务的架构，然后对w c d m a 系统中的各种定位技术进行了分析和比较，并且对w c d m a 移动台的定位方案进行了探讨，最后给出了定位应用的一个实例。 第三章重点讨论了t d o a 定位算法。首先对目前存在的各种定位算法进行了扼要的介 绍，然后对各种算法进行了数学上的推导和分析，并在此基础上，尝试着对已有的算法进 行改进，最后在给定的仿真环境下进行了算法的性能仿真和比较，并给出了一些有益的结 论。 第四章重点讨论了w c d m a 基站侧信令系统的设计与实现。首先介绍了w c d m a 无 线接| _ | 的协议结构和各协议层的功能，然后给出了基站侧信令系统的一个设计方案，并重 点讨论了基站侧r r c 层信令系统的设计，最后介绍了该信令系统的实现过程和实现结果。 第五章为全文的总结。首先对全文的内容和所作的贡献进行了回顾，然后对目前存在 的闷题和可能的研究方向进行了探讨。 4 第二章w c d m a 系统中定位技术的研究 第二章w c d m a 系统中定位技术的研究 随着移动定位业务的快速发展，移动通信系统中移动台的定位已成为一个热门的话题。 作为第三代移动通信系统的主流标准之一的w c d m a 系统，已经将移动台的定位功能写入 了相应的技术标准。 本章首先分析了u m t s 中的定位服务架构。接着，我们着重分析和比较了3 g p p 提出 的几种定位技术，并对w c d m a 系统中可行的定位方案进行了探讨。最后，我们介绍了一 种目前已被广泛采用的定位解决方案q u a l c o m m 公司的g p s o n e 定位解决方案。 2 1u m t s 中的定位服务架构 2 1 1 定位服务逻辑参考模型 图2 ，lu m t s 中定位服务的逻辑参考模型 u m t s 中定位服务( l c s ) 的逻辑参考模型如图2 1 所示4 1 。该模型采明了代理朋务 器模型。l c s 代理首先向l c s 服务器发起一个或多个目标u e 的定位服务请求，然后从 l c s 服务器获得相应u e 的位置信息，从而完成一次完整的定位服务过程。 查塑查兰堡圭堂垡堕塞 2 1 2 定位服务架构 基于上述定位服务参考模型，u m t s 中的定位服务架构主要由如下几个定位服务单元 构成：代理处理单元、系统处理单元、用户处理单元和定位单元。代理处理单元负责处理 l c s 代理和l c s 服务器之间的所有接口，因此它在l c s 代理和l c s 服务器中均存在。而 其他三个定位服务单元只存在l c s 服务器中。 每个定位服务单元由多个功能相对独立的例程实现。表2 1 给出了它们之间的对应关 系。 表2 1u m t s 中定位服务单元包含的例程 女黻磷艨鬻熙藏巍麓 例程 濑鞠鳞黼辫麓鬻麟外部l c s 代理例程( l c f ) 、内部l c s 代理侧程( u - l c f ) 代理处理例程( 。l c c f ) j 代理鉴权例程( l c a f ) 、 鍪壁羹骥霎 坐标转换例程( l c c t f ) 系统控制例程( l s c f ) , 接入网系统控制例程( u - l s c f ) 、 纂鬻繁i 系统耀毒霸藿囊l 缀 系统操作例程( l s o f ) 蔓i 蓦嚣嚣用舄；友e 湖! 蕊葡毳篓i 蠹甏黧用户鉴权例程( l s a f ) 、用户保密例程( l s p f ) 霾黧麓 定位协调例程( u p r c f ) 、定位计算例程( u c f ) 、 ：j：j 一量墨* 础 定位测量例程( u - p s m f ) 、无线资源管理例程( u - p r r m ) 一个l c s 代理中的代理处理单元可以由多个代理处理例程实现，每个例程利用接收到 的位置信息向用户提供一种特定的基于位置的服务。根据服务应用的范围，我们可以将这 些例程分为两类：l c f 和u l c f 。u l c f 向网络内部提供位置服务，辅助网络内的一些 基于位置的操作，例如软切换等，它只存在接入网中。而l c f 则向用户提供除网络内部服 务之外的所有位置服务。l c f 和u l c f 发起定位请求后的处理过程是不同的，这里我们先 讨论l c f 发起定位请求后的处理。l c c f 接收到来自l c f 的定位请求后，首先调用l c a f ， 完成对该l c s 代理的鉴权，以验证它的合法性，通过验证之后，l c c f 向系统处理单元中 的l s c f 发出定位请求。随后，l s c f 与用户处理单元中的l s a f 和l s p f 交互，确定目标 移动台的位置信息是否被授权提供给相应的代理。如果得到授权，l s c f 为该定位请求分 配无线资源，并可能根据需要发起相应的信令过程，然后向u l s c f 发送定位请求。u l s c f 根据定位请求中的服务质量要求( q o s ) 、当时可用的网络和终端资源以及相应的无线传播 环境选择合适的定位方法，并告知u - p r c f 。u - p r c f 首先调用u p r r m 进行相应无线资 源的管理，以减小可能的定位操作对整个无线网络性能的影响。在极端的情况下，u p r r m 甚至可以拒绝定位服务的请求。然后，u p r c f 调用u - p s m f 完成相应定位方法所需参数 的测量，并将测量结果提交给u p c f 。u - p c f 根据测量结果完成移动台地理位置的估算， 并将结果返同给u p r c f ，由u p r c f 通过u 。l s c f 传送给l s c f ，继而再由l s c f 传送给 l c c f 。虽后，由l c c f 调用l c c t f 将此结果转化为l c f 能够理解的本地坐标，并作为定 位响应传送给l c f ，从而完成一一次比较典型的定位服务。图2 2 给出了一个l c f 发起的简 6 第二章w c d m a 系统中定位技术的研究 化的定位服务信令过程，更为详细的信令过程可以参见相关文献”。 图2 2l c f 发起的定位服务信令过程 和l c f 发起的定位请求相比，u l c f 发起定位请求无需验证和鉴权，这是由于它是网 络内部发起的定位请求，已经被默认通过了相关的验证和授权。两者其他的处理过程是相 同的。 除了上述信令过程涉及到的例程之外，l s o f 是一个非常重要的例程。它可能和所有的 例程的具体操作有关联，可以为这些例程提供必要的数据，提供出错管理或性能管理等等。 虽然，在上述定位服务信令过程中未提及l s o f ，但是它在整个信令过程中都发挥非常重 要的作用的。 图2 3u m t s 中的定位服务架构 查堕奎兰堕主兰竺堡奎 上述功能单元和相应例程的实现必须依赖于具体的u m t s 网络单元，也就是说，这些 功能单元和相应例程晟终会分布到u m t $ 相应的网络单元中。图23 给出了u m t s 中的定 位服务架构【“。和图1 1 相比，网络结构基本上是相同的，所不同的是：1 ) 添加了一些 原本没有的只有定位功能的网络单元，如a 类l m u 、网若移动位置中心( g m l c ) ；2 ) 对些已有的网络单元，添加了一些和定位相关的功能，如节点b ( b 类l m u ) 、r n c 等。 由图可见，核心网主要完成l c s 代理和用户的鉴权与验迁，以及定位请求、定位结果 利辅助数据的传输。接入网主要完成定位方法的选择、定位参数的测量和u e 位置信息的 计算。由此可见，核心网和接入网的定位功能是相互独立的。这样做的好处在于可以保证 不同类型的接入网与核心网的互联互通，同时，为将来新的定位技术的采用提供最大可能 的空问，保护运营商已有的投瓷。 定位代理例程可以位于移动台、接入网( u - l c f ) 和核心网的内部或者p l m n 的外部， 也就是说，这些地方都可以接入定位应用，从而拓宽了定位服务的应用范围。当p l m n 外 部的l c s 代理接入p l m b l 时，它首先向g m l c 发起定位请求，然后g m l c 通过l h 接i s i 获得来自于h l r 的路由信息。执行注册授权之屙，它通过l g 接口( l g 接口) 发送定位 请求给3 g m s c ( 3 g s g s n ) ，并从3 g m s c ( 3 g 。s g s n ) 获得最终的位置估计。在对于 大多数定位技术而言，为了得到比较精确的位置估计结果，通常需要尽可能多的定位测最 值。定位测量例程( p s m f ) 分布在三个网络单元中：u e 、节点b ( b 类l m u ) 和a 类 l m u 。a 类l m u 是一个专用于测量的网络单元，它通过u u 接口接入u t r a n ，并通过一 个服务节点b ，和相应的c r n c 通信。b 娄l m u 包含在一个节点b 中，它通过i u b 接口 和r n c 通信。l m u 测量得到的数据可以为一个用户专用，也可以为多个用户共用。而u e 根据定位的需要，测量卫星信号或者无线网络中的下行信号它得到的测量数据一般廷单 个用户专用的。除了上述三个网络单元得到的测量信息外，接入网和核心网也可队提供一一 些辅助定位测量信息。得到了测量值之后，需要进行位置信息的计算，这个过程由定位计 算例程( p c f ) 完成。p c f 可以位于u e 中，也可以位于r n c 中。当采用前者时，移动台 接收来自网络的测量值和辅助定位信息，计算移动台的位置。相应的定位技术被称作基于 移动台的定位技术；当采用后者时，r n c 收集包括可能来自移动台的所有测量信息和辅助 定位信息，完成移动台位置的计算，相应的定位技术被称作移动台辅助的定位技术。 在上述定位服务架构中，有时为了实现的需要，可以将某些定位例程提取出来，构成 个专用于定位的网络单元。例如可以在无线接入网中添加一个独立位置服务中心( 6 ( s a s ) ，它相当于将r n c 中的部分定位功能提取出来作为一个独立的移动台位置服务器， 负责对测量信息进行处理，并完成相应的u e 位置的计算。 2 。2w c d m a 定位技术的分析与比较 所有的位置业务都基于位置信息，而何置信息的获取取决于所采用的定位技术。当前， 3 g p p 在其技术标准中描述了二种定位方法【s ) ：1 、基于小区】d 的定位方法：2 、观察到达 时间差一空闲周期下行链路( o t d o a i p d l ) 定位方法；3 、无线辅助g p s ( a g p s ) 定 第二童w c d m a 系统中定位技术的研究 位方法。下面，我们就对这三种方法做个简要的介绍。 1 、基于小区i d 的定位方法 该方法利用u e 对应的服务基站的覆盖范围来确定u e 的位置。而小区的覆盖范围和小 区i d 号是一一对应的，所以知道了小区的i d 号，也就知道了其覆盖范围信息。这也是我 们称之为基于小区i d 的定位方法的原因。 该定位方法一般分为两个主要的步骤：首先获得小区d 号，然后将小区d 号映射到 相应的地理坐标或服务区域。具体定位过程如下：服务无线网络控制器获得来自核心嗣的 定位服务请求后，首先判断目标u e 的状态。如果此时可以获得小区i d ，同时无需进行软 切换，则将该小区i d 作为u e 所在的小区i d ；如果u e 处于软切换的状态，这时将会有 多个小区i d 和该u e 相关联，这时我们将根据一定的准则进行小区i d 的选择：如果无法 获得小区i d 时，服务无线网络控制器将寻呼目标u e ，以便获得与该u e 相关联的小区i d 。 由此可见，无论在什么情况下，我们均可以获得目标u e 相关的小区i d 。也就是说这种方 法在任何情况下，均是可行的。得到了小区i d 后，为了与核心网中的表示格式相匹配， 在向核心网发送定位服务响应之前，服务无线网络控制器需要将得到的小区i d 号映射到 个相应的服务区域标志( s a i ) 或者相应的地理坐标。由此可见，该方法全部过程是在 u t r a n 中完成的。 虽然这种方法实现简单，成本较低，而且支持现有的g s m 和g p r s 网络，但是它的定 位精度受小区覆盖范围的影响较大。一般小区直径在几公里到几十公里的范围之内，而城 市中的微小区的直径可能只有几百米。可见，在农村或山区等基站分布比较稀疏的地方， 这种方法的定位精度是很不理想的，但是在城市环境下，几百米的定位精度有时还是可以 忍受的。为了提高定位精度，我们可以将移动台所在的小区范围缩小到某个扇区。同时， 服务无线网络控制器在得到小区i d 后，可以向该小区i d 对应的基站或位置测量单元发出 测量请求，以得到诸如往返时间( r t t ) 等测量信息，利用这些测量信息可以进一步地缩 小定位范围。图2 4 给出了结合小区扇区和r t t 测量值的小区d 定位方法的示意图。 图2 ，4 结合小区扇区和r t t 的小区i d 定位 2 、o t d o a i p d l 定位方法 该方法是基于到达时间差( t d o a ) 定位技术的。在二维空间，得到相对丁- 两个基站 的到达时间差以及相应基站的位置信息后，根据它们之间的关系，我们可以得到u e 的一 9 奎查查兰堡主堂垡堡奎一 条位置轨迹双曲线。利用两条或多条这样的位置轨迹双曲线，我们可以估计出u e 位置 这就是到达时间差定位方法。图2 5 给山了o t d o a 定位的原理图。 图2 5o t d o a 定位方法原理围 该方法一般分为两个步骤：首先测量到达时间差，然后利用到达时间差计算u e 位置。 在w c d m a 系统中，u e 通过测量多个小区之间的系统帧号一系统帧号( s f n s f n ) 观测时间差得到到达时间差。得到到达时间差之后，根据位置计算功能所在的系统单元的 不同，可以分为两种模式：u e 辅助模式和基于u e 模式。前者，u e 将测得的到达时间差 发往服务无线网络控制器，然厉在服务无线网络控制器中完成u e 位置的计算；而后者， u e 测得到达时间差值后，并不发往服务无线网络控制器，而是连同从服务无线网络控制 器得到的诸如基站位置的信息，在u e 本地完成u e 位置的计算。无论哪种模式，在进行 计算u e 位置之前，f 面三类参数是必须知道的：l 、到达时间差：2 、相关基站的位置；3 、 相关基站的相对时间差( r t d ) 。其中第三个参数用于纠正到达时间差，以弥补w c d m a 网络的异步特性引起的不确定性。对于同步的基站，相对时间差是一个常数。我们可以将 它存储在数据库中，以便计算位置时调用。但在f d d 模式下，基站之间将不再是同步的， 这时相对时间差将随时间而缓慢变化，所以我们必须不断的进行测量，以便更新相对时间 著。此时为了测量r t d ，我们需要在网络中的某些固定点安置一些专门的定位单元l m u ， 用于进行所有临近基站的定时测量，这就需要对现有网络结构做较大的改动。 得到上述参数后，采用合适的到达时间差定位算法，就可以计算出u e 的位置。目前 存在的t d o a 定位算法主要有c h a r t 算法、s i 算法、泰勒序列展开算法、f a n g 算法等，这 些算法具有不同的定位精度和适用条件，我们应根据实际测得的到达时间差进行选择。 山此可见，参数测量的精度和所选的到达时间差定位算法的性能共同决定了到达时间 著定位方法的精度。为了提高定位精度，一方面我们可以采用更加有效的测量技术，以提 高定位参数的测量精度，同时提供尽可能多的测量参数以提高统计定位的精度；另一方面 我们应当根据测得的到达时间茬，根据不同的信道环境选用最优的定位算法，以提高u e 1 0 第二章w c d m a 系统中定位技术的研究 位置的计算精度。 由于c d m a 本身的特点，w c d m a 系统中可能出现这样的情况：当u e 离服务基站很 近的时候，来自其它的基站的信号可能被阻塞。遇到这种情况后，u e 将无法测得米自其 它基站的信号，蛆致无法得到所需的o t d o a 。为了解决这个问题，w c d m a 中采用了空 闲周期下行链路( i p d l ) 技术1 7 1 。简单地说，基站在空闲周期内停止发送所有信道上的信 号，以便提高了u e 监听其他非服务基站信号的能力，从而减小了信号阻塞的可能性。 这种方法的定位精度依赖于到达对闻差的测量、r t d 的测量、相邻基站的地理位置和 信号传输的环境。一般情况下，它具有比小区i d 定位技术更好的定位性能。但是，它必 须在现有的网络中添加诸如l m u 之类的设备，从而增加了网络运营商的投资。而且由于 w c d m a 系统运用了功率控制技术，在基站发射功率非常低的情况下，限制了移动台的“可 见性”，这也为移动台的o t d o a 定位制造了麻烦。 3 、辅助g p s 定位方法 传统的g p s 定位系统可以在全球范围内提供比较精确的位置、速度和时间信息。它的 定能精度可以达到2 0 米以内。但是，传统的g p s 接收器存在如下一些缺点：l 、启动时间 较长。传统的g p s 接收器在打开之后，它就开始捕获卫星发来的空中消息，以获得一些必 要的信息，如信号到达时间( t o a ) 等，但是这个过程一般需耍好几分钟，这就导致接收 器从开肩到确定其初始位置的时间( 启动时问) 较长。2 、很难检测到微弱信号。g p s 接 收器要求其空中可见度比较女，从而能够接收到比较强的卫星信号，但是在城市或者室内 等环境下均有可能产生微弱信号，导致g p s 接收器无法检测到卫星信号，使g p s 定位失 败a3 、功率消耗较大。较长的卫星信号捕获时间使g p s 接收器的功率消耗较大。 图2 6a - b p s 定位原理图 为了利用传统的g p s 定位精度高的优势克服存在的上述缺点，人们提出了辅助g p s 定位方法。图2 6 为辅助g p s 定位方法的原理图。辅助g p s 定位方法的基本思想是建立一 个g p s 参考网络。该网络中所有的g p s 参考接收机都能够清楚地观察到空中的卫星并且 保持连续1 作，整个网络可以与无线通信网络相连。当处于移动台内部的g p s 接收器开始 定位时，它首先向g p s 参考网络发出辅助信息的请求。然后g p s 参考网络根据移动台大 东南大学硕士学位论文 致的位置将定位辅助信息( 例如可见卫星的列表、移动台大致的位置、时钟校正数据、差 分g p s 校正数据、卫星信号的多普勒频率及其相应的搜索窗大小等) 通过无线接入网传送 给移动台，以协助移动台中的g p s 接收器的定位。移动台根据这些辅助信息可以大致知道 自己的位置以及所需要搜索的卫星的范围，从而可以大大减小位置搜索的范围和搜索窗的 宽度，减少卫星信号的捕获时间，提高定位的启动速度，继而降低了移动台g p s 接收器的 功耗。而且移动台在两次定位的间歇可以让g p s 接收机保持在睡眠状态，从而可以进一步 减少移动台的功耗。由此可见，和传统的g p s 接收器相比，辅助g p s 接收器在如v j l 个 方面改进了传统g p s 接收器的性能：1 、减少了g p s 接收器的启动和捕获时间；2 、测量 速度明显加快；3 、提高了g p s 接收器的灵敏度：4 、大大降低了功耗。 和o t d o a 定位方式类似，辅助g p s 定位方法也分为两种模式：u e 辅助模式和基于 u e 模式。前者将传统的g p s 接收器的大部分功能转移到了无线接入网中，在u e 中仅使 用了一一个简化的g p s 接收器，进行伪距测量，并通过信令的形式传递给服务无线网络控制 器或移动台位置服务中心进行位置的计算。后者需要在u e 中嵌入一个完整的g p s 接收器， 并接收来自网络的辅助信息，晟终在u e 中完成u e 位置的计算。 在目前的定位技术中，a g p s 定位技术可以提供最佳的定位精度，一般可以达到几 一 米的定位精度，而且对网络的改动不大。但是，它必须在移动台嵌入一个g p s 接收器，因 此需要对原有的手机进行改造，增加了手机的成本。 除了上述三种已写入3 g p p 标准的定位方法外，还有其他的些定位技术和方法 8 1 ，如 信号强度定位方法、到达时间( t o a ) 定位方法和到达角( a o a ) 定位方法等。在表2 , 2 中，我们对这些定位技术的优缺点进行了分析和比较。 表2 2 各种定位技术的优缺点比较 除此之外，为了更好地利用更多的测量值提高定位的精度，最近出现了一种被称作“复 1 2 第二章w c d m a 系统中定位技术的研究 合定位”的技术。例如t d o a a o a 复合定位技术吲，它将得到的多个到达时间差测量值 ( t d o a ) 与来自与服务基站的到达角( a o a ) 测量值进行融合，利用特定的算法进行位 置估计。 2 3w c d m a 移动台定位方案的探讨 通过对w c d m a 系统中定位方法的分析和比较，我们可以知道，不同的定位技术具有 不同的定位性能，对u e 和u t r a n 的现有结构可能产生程度不同的影响。所以，在研究 定位解决方案时，应当综合考虑定位服务的性能需求和实现的成本需求。表2 3 从定位性 能和系统实现的角度，对3 g p p 中的三种定位技术进行了比较。在评估时。我们按照四个 等级( 很好、好、一般、差) 进行评价。其中适用的地域范丽表明了定位技术可以应用的 地理环境( 农村、郊区、城市等) 。定位的稳定性是指定位精度变化的范围，如果定位精度 变化的范围较小，我们认为它是稳定的。初始估计的时间是指从发起定位请求直至第一次 得到位置估计的时间间隔。 表2 3 3 ( 3 p p 中三种定位技术的比较 由于a g p s 定位的定位精度是各种方法中最高的，而且g p s 定位技术已经比较成熟， 并且对网络的改动较小，有助于减少运营商的投资，所以它般是移动台定位实现时的首 选。不过它需要在移动台中添加g p s 接收模块，从而增加了手机的成本，但从摧个性价比 米看，它还是最有诱惑力的。由于a g p s 在室内环境或建筑物高密度分布的环境下，很可 能无法工作，这时就需要其他的定位方法作为补充。由于o t d o a 定位有比较高的定位精 度，并且在上述a g p s 无法定位的环境下仍可能继续工作。所以可以作为a g p s 定位的 补充。但是o t d o a 定位依赖于测量得到的到达时间差的个数，如果少于两个到达时间差， 它将无法t 作。这时，可以利用小区i d 定位方法提供的位置信息。虽然小区i d 定位方法 的定位精度受小区的覆盖范围影响较大，但是，由于它实现简单，无需修改现有u e 和网 络结构，并爿在任何时候都可以提供定位信息，所以建议将小区i d 定位力法作为默认的 备用方法，当其他具有更高定位精度的方法无法使用时，作为补充。况且，a - g p s 定位和 o t d o a 定位一般只在城市或室内环境失效，此时相应小区的覆盖范围较小，小区i d 得到 的定位精度也是可以容忍的。可见上述三种定位方法可以互为补充，以达到定位的目的。 1 3 奎壹查堂堡圭兰垡丝苎 此外，在某些定位情形下，我们应当充分利用来自于网络的辅助信息，例如r 盯，以辅助 移动台的定位，提高定位精度。 除了上述三种定位方法外，我们也可以使用其他非标准的定位方法进行定位。比如， 在a g p s 定位和o t d o a 定位都无法工作的情况下，用信号强度定位方法一般可以得至优 于小区i d 定位方法的定位精度。虽然这些方法并没有写入3 g p p 的标准中，但是，在实现 时可以根据需要作为补充使用。 2 4 定位应用的实例：g p s o n e 多模式定位解决方案 经过前一小节对定位方案的探讨，接下来我们将介绍实际应用中的一种定位解决方案 g p s o n e 多模式定位解决方案。它是由美固q u a l c o m m 公司及其下属约定位技术子 公司s n a p t r a c k 共同研制开发的一种多模式定位解决方案。该方案可以支持g s m 、g r p s 和w c d m a 网络。它的应用始于2 0 0 1 年4 月臼本推出的个人安全设备，随后日本、韩国 和美国相继于2 0 0 1 年年底推出了支持g p s o n e 定位功能的商用手机。目前，它已经成为世 界上部署最为广泛的一种定位解决方案。2 0 0 3 年上半年，中国联通在该解决方案的支持下， 已经开始提供定位服务。 g p s o