（通信与信息系统专业论文）移动定位应用系统.pdf

电子科技大学硕士论文 中文摘要 本文首先分别讨论了基于网络和基于移动台的c e l l i d 移动定位系统的实现原 理。 基于网络的c e l l _ i d 定位： 这类系统在坚宣旦终中也叫做医囱链照塞焦系统。其定位过程是由多个固定 位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位 置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。 具体实现包括基于g s mp h a s e 2 + 的c e ll _ i d 定位与基于a t i 信令的c e ll j d 定位。a t i ，既l d a pa n yt i m ei n t e r r o g a t i o n ，是一种基于网络的，与呼叫无关的 用户c e l i _ i d 提取方式。l i 基于移动台的c e l l _ i d 定位： 这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系 统。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某 种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，再根 据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。 基于移动台的定位可分m o 方式和m t 方式。在m o 方式中，用户的位置信息 ( c e l l i d ) 通过手机直接从基站台( b t s ) 取得，并以短消息的方式上发到短信 网关( s m g ) ，s m g 将包含c e l l - i d 的短消息上报到短信中心( s m s c ) ，并通过短 信中心发给定位服务器。该服务器取得c e l l j d 后通过对照数据库中的位置信息 表，将对应的经纬度和位置描述返回给定位请求者。m t 方式和m 0 方式相似，不 过是由其他用户发起定位请求。 ( 作者在深入掌握! 墅丕统枣焦原理及定位网关实现技术的基础上，参与开发 了定位服务器软件系统与基于定位服务的工程应用软件系统( 车辆管理系统) ， 其中重点完成了定位服务器的网络接口模块，定位能模块，短消息处理模块，数 据库连接模块和工程应用软件系统的访问定位信息与短信的外部接口模块。j f y 主关键字：g s m ( 全球移动通信系统) 心) ，s m p p ( 短消息协议对等同位体) 码) m s c ( 移动业务交换中心) ，s m s c ( 短信中 c e l l - i d ( 小区号即：g c i 是全球小区识别 电予辩按大擎额士论文 矗b s 零l 滚e 霉 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fr e a li z i n gm o b i l el o c a t i n gs y s t e m w i t hc e l l i dw h i c hi sb a s e do ng s mn e t w o r ko rb a s e do nm s ( m o b i l es y s t e m ) 。 l o c a t i n gw i t hc e l li db a s e do ng s mn e t w o r k ： i ng s mn e t w o r k 。t h i sk i n do fs y s t e mi sc a t l e dc o u n t e r 一1 i n k1 0 c a t i n g s y s t e m t h el o c a t i n gp r o c e s si ss e v e r a lb a s es t a t i o n sd e t e c t i n gt h em s s s i g n a la n ds e n d i n gt h ei n f o r m a t i o nt oa ni n f o r m a t i o np r o c e s sc e n t e r t h e n t h ei n f o r m a t i o np r o c e s sc e n t e rc a l c u l a t e st h em s sl o c a t i o n t h e r ea r et w om e t h o d st or e a l i z et h i sk i n do fs y s t e m ：g s m + p h a s e 2 + - b a s e d c e l l i bl o c a t i n ga n da l i s i g n a l l i n g b a s e dc e l l 一! 蛰l o c a t i n g 。 a t i ( m a pa n yt i m ei n t e r r o g a t i o n ) i sap a g e i n d e p e n d e n c em e t h o dt og e t m s sc e l1i db a s e do nn e t w o r k l o c a t i n sw i t he e l li db a s e do n 瓣s ： t h i sk i n do fs y s t e mc a nb ec a l l e dm s a u t o n o m o u s - l o c a t i n gs y s t e mo r f o r w a r d l i n kl o c a t i n gs y s t e mi ng s mn e t w o r k t h el o c a t i n gp r o c e s si st h e m s w o r k i n g o u t t sg e o m e t r y l o e a t i o n c o m p a r i n g w i t bs e v e r a lb a s es t a t i o n s ( t h e i r l o c a t i o ni sf i x e d ) b a s e do nr e c e i r e d s i g n a l f r o mt h e m ，t h e n c a l c u l a t i n gt h el o c a t i o nb ys o m ek i n do fa l g o r i t h m s t h e r e f o r et h eu s e r o ft h em sc o u l dm a s t e rh i m s e l f sl o c a t i o ni n f o r m a t i o n t h e r ea r et w om e t h o d st or e a l i z el o c a t i f l gw i t hc e l li db a s e do nm s ：m o m e t h o da n dm tm e t h o d 。 i nt h em om e t h o dt h eu s e r s l o c a t i o ni n f o r m a t i o n ( c e l l i d ) i sg o tb y m sf r o mb t s ( b a s es t a t i o ns y s t e 囝a n dm ss e n d st h ei n f o r m a t i o nt os m g ( s h o r t m e s s a g eg a t e w a y ) i ns h o r tm e s s a g ef o r m 。t h e nt h es m gs e n d st h e m e s s a g e i n c l u d e i n gc e l li dt ot h es m s c ( s h o r t m e s s a g es e r v i c ec e n t e r ) f i n a l l yt h e s m s cs e n d st h e m e s s a g e t o l c s ( 1 0 c a t i n gs e r v e r ) 。t h el c sw i l lf i n d c o r r e s p o n d i n gl o n g i r u d ea n df a tir u d ef r o md a t a b a s eb yc e l ti dt h e ns e n d t h el o n g i t u d ea n dl a t i r u d et ot h el o c a t i o nd e m a n d e r 。 m tm e t h o di ss i m i l a rt om om e t h o d ，b u tt h el o c a t i n gr e q u e s ti ss t a r t e d u pb ys o m eo t h e ru s e r s o nt h eb a s i so fg s ms y s t e mp o s i t i o n p r i n c i p l ea n dp o s i t i o ng a t e w a y r e a l i z a b l e t e c h n o l o g y ，p o s i t i o n s e r v e rs o f t w a r e s y s t e ma n de n g i n e e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e m ( v e h i c l ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e m ) t h a ti sb a s e d o nt h ep o s i t i o ns e r v i c ew e r ee x p l o i t e d + t h e e m p h a s i sw a st h ec o m p l e t i o n o ft h e f o i l o w i n gm o d u l e s ：t h en e t w o r kc o n n e c t i o no fp o s i t i o ns e r v e r p o s i t i o nf u n c t i o n ，t r e a t m e n to fs h o r tm e s s a g e ，t h ed a t a b a s ec o n n e c t i o n a n dt h eo u t e rc o n n e c t i o no ft h ev i s i t i n gp o s i t i o ni n f o r m a t i o na n ds h o r t m e s s a g eo fe n g i n e e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。m s c ( m o b i l e s e r v i c e s s w i t h i n g c e n t e r ) 。s m s c ( s h o r t m e s s a g es e r v i c ec e n t e r ) ， s m p p ( s h o r t m e s s a g e p r o t o c o l p e e r t o p e e r ) ，c e l li d ( s a m e a s g c i ： g l o b a l c e l li d ) v 附件三 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：= 鍪乏塾日期：z r e ；年2 月2 9 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：三：圣毯导师签名：蕴! 丝耋 日期：? 驴莎夕年2 月2 9 日 电子科技大学硕士论文 绪论 在穆渤电话研发领域，定使系统的研制正成为个新的热点。1 9 9 6 年美国联 邦通信委员会( f c c ) 公布了g - 9 1 1 ( e m e r g e n c yg a l l 9 1 l ) 定位需求，其中要 求在2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出卜9 1 1 紧急呼叫的移 动台提供精度在1 2 5 m 内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于6 7 ； 荠在2 0 0 1 年以嚣，提供更舞熬定位精度及三维攮溅信息。欢渊帮基本氇 擘了稿 应靛要求，裴赘提镰e - 9 l l 定袋黻务凌是今盖蹲窝蹒终必备懿基本琏黢。该需求 颁布以来，由予政府的强制性爱求和市场本身的驱动，各国公司就g s m 、i s 一9 5 和3 g 等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成果，但和e 一9 1 1 定位需求 的要求还肖一定差距。目前国内对基于蜂窝网络的无线定位技术的研究还很有 限，极少见到有关研究结果发裘，因此对这一新技术的研究应引起我们的高度重 视。 蘸不久，诺纂亚公司室奈每荚警摩托罗拉公司鞫磺典爱立信公司 共阕开发标 准化手梳怒 藏系统已取得新的滋展。有了这套功能，手机用户可阻通避手机来 查找所处饿置附近的饭馆、查询汽车时刻表和与囱融的朋友进行定位。而一旦出 现紧急情况，救援人员只要跟踪手机发出的信号，就能迅速而准确地对呼叫信号 的位置进行定位。在我国，随麓g s m 移动通信网的迅速发展，手机成为人们通信 的重要工嶷之一，剃胄l 手规拨打”l i 0 ”、”1 1 9 ”稻”1 2 0 ”等求殛、告警电话髫趋增 多。蠢摄滋，嚣喜蓼美嚣曩手撬移鹾”9 1 1 ”( 类夔冀我鬻豹”1 1 0 ”) 己砉会粒浮l l 总 数的2 0 ，移动通信在社会治安、紧急救援等突发霉件串的地位已越采越重要。 传统有线电话拨打告警电话时，接警系统可根据用户的主叫号码，获得用户的 准确位爨，快速、准确地处警。然而，由于现有移动通信网不能提供呼叫者的位 置，求助时手机用户无法明确告知准确位置，以敞延误时机，导致攀件恶化的 情况时有发生。据统计，交通攀敞中7 0 的人员死亡发生在事故居两小对内。 嚣此，实现g s m 手极塞动定使渡务( l c s ，l o c a t i o ns e r v i c e ) 有j # 鬻瀵要豹意 义。魏癸，实瑷手氍定位还有蒺它广泛用途，蔑掺蠡动导靛、网络谯纯秘手橇 防盗等。 要在蜂窝移动通信系统中实现对移动台的定位功能，首先必须选择适肖的定位系 统类型、相_ 陂的定位技术及实施方案。无线定位系统中对移动台的定位建通过检 测移动台秘多个固定位置收发糖枧之间传播信号的特征参数来估计瓣标移动台 戆耍舞挝嚣。摄箨进露定位嫠诗戆位鐾及定位数爨麓途懿不目霉将对移渤鑫戆定 位方案分为两类：基于移动台静定位方案和基予阙络的定位方案，与之对应有戳 下两类定俄系统： ( 1 ) 基于移动台的定位系统 这类系统媳称蔻移动台自定位系统，在蜂窝网络审瞧嬲擞翦淘链路定德系统。其 定位遥纛懋交移动台蔽蕹按浚蠲嚣多令已知垃譬发瓣摄发射售号穗黎瓣菜葶孛与 移动台惶爨有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，褥根据有 关算法对冀自身位置进行定位估计，由移动台用户举握其自身的位置信息。著名 的g p s 系统即属于这类系统。 电予辩援大学硕士论文 ( 2 ) 基予霹络的定位系统 这类系绞在蜂窝潮络中璁l q 皴反囱链路悫位系绞。其定缓_ ；生理是融多个圈定控嚣 接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位置有 关的特，谯信息送刹一个倍息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位鼹。自动 肇辆定搜( a v l ) 系统帮糯这类系统。 邂过对信号进行测量的缕果可以离多弛方法用来进行定能，著且这些方法可用予 露括g s m 在内的任何一释蜂窝系统。其中最重要的几稀溺藿传输对闯、到达对闻 靛( t d o a ，t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) ，到达角( a o a ，a n g l eo fa r r i v a d 以及载 波掘位( c p ，c a r r i e rp h a s e ) 。每一静测蘧均可以确定一个移动念定像予其上 的定位区，多个测量的定位区的交点则可以确定移动台的位置。肖用来谶行定位 测量的纂站的个数多于所要求的个数时，可用最小二乘法将这姥测量避行结合 黻褥到受热壤确鹣定霞。反之崮子交点不难一，戴霹导致定整数二重经。 从上述备定像系统的基本特绽可以蓉出，在蜂窝网终中采用熬于移动台的前 陶链路慧位方案必须对现有移动螽递行邋当修改，如集成g p s 接收视或麓同对接 收多个基站信号进行自慰位的处理部件，还必须粥适当方式将定位信息传送回蜂 窝网络。基于网络豹反起链路定位方寨只震对蜂窝网络设备终逶当扩充、修改， 不需要对现有移动台作馁何修改，能充分涮用现脊各种蜂窝系统的庞大资源，保 护用户已有投资，实现桶对容易，因而建e 一9 1 l 定位需求的首选。 2 电子科技大学硕士论文 第一章移动定位概述 1 。lg s i 手视定位监务系统结梅 6 5 1 6 移动通信网可通过增加一个网络节点移动定位中心( m l c ) 实现l c s 她务。该系统弓| 入豹相关接鞠有：照务移动定位中心s m l c 与b s c 阈接口( l b ) 、 移凌定往孛心瓣关g m l c 与g s m 喇盈务粒剿功能闯接翻( 乙e ) 、箨部l c s 焉户与移 动定位中心m l c 间接口( l e ) 、移动定位中心网关与h l r 间接口( l h ) 、移动定位 中心网关与m s c v l r 间接口( l g ) 、移幼定位中心与同等移动定能中心间接口 ( l p ) 、移动定位中心与v l s c v l r 间接口l s 以及定使测量单元( l m u ) 空中接口 ( 蛔) 。 1 1 1 定位溯量单元( l m u ) 通过无线测鳖，l m u 可支持多秘定位方式，测量可分为两类： ( 1 ) 针对一个m s 的定位测量 ( 2 ) 针对特定地理区域中所有m s 的辅助测量。删u 的初始僵、时间指令等 萦它绩惠毒臻爱设萋，袋遴遘移动定位串心( s m l c ) 糖供，l m u 垮褥至l 弱襞毒 定位和辅助信息提供给相关的s m l c 。l m u 可分为a 荣和b 类两种。a 类l m u 以 标准的g s m 空中接口接入，经b t s 、b s c 与控制该l m u 的s m l c 保持信令连接。 巍连接基于n s s 的s m l c 时，a 类l m u 有为淇服务的m s c 和v l r ，并梅h l r 上保留 冀援记豹痿惑。a 类l m u 鸯难的i m s i ，并支持掰蠢g s m 无线资滋稠移动管理 麓戆。瓣络警瑷者可为l 瓣籀派专门静i m s i 范豳，懿在i m s i 中搿派特定的数 字，表示相关s m l c 。i i s t 中的某几个数字可用作一个s m l c 中某个l 朋u 的本地代 粥。a 类l m u 戏持连接控制臀理功能，可实现与s m l c 之间的l c s 倍令处理。 它还支掺移湃控鼷凌戆，爵嚣矮毫魏交换方式实瑷与s m l c 之阕瓣售令连接。 为了确保l m u 与s m l c 间的嚣访，l m u 必须位于从属于问b s c 或m s c 的小区中。 当s m l c 基于n s s 时，任何a 类l m u 在h l r 中都有注册信息，其中无附加业务 ( 点对点短信和呼入呼出限制业务除外) 。h l r 中的注册信息同时将有l m u 功能 麴髓与普通豹弱区分开采，蘑赛有关l k u 筑蘩据崮l 躺窝穗关繇蟾警理。8 类l m u 霹鼠b s c 的a b i s 接翻访闻，它可戳是一个革獭的网络单元，编号采用一 些伪小区i d 号，也可以集成在b t s 内或与b t s 连接。溺s m l c 基予b s s 方式时， b 类l m u 的信令通过b s c 传输；当s m l c 熬于n s s 方式时，则通过b s c 和m s c 传 输。 1 1 2 移动定位中心网关( 6 m l c ) 一个p l m n 可有多个g m l c 。g m l c 是外部l c s 用户进入g s i d 网的第一个节点。 g 辕瞄逶过l b 接疆臻i - i l r 串获褥路鑫绩爨。鏊投逶_ 蘧鬃，g 基l e 通过魄接窭窝 m s c v l r 发出定位请求，并接收最终定位络柴。 3 电子科技大学硕士论文 1 1 3 移动定位中心( s m l c ) 一个p l i v l n 可包括多个s 1 4 1 l c 。s m l c 管理所有用于手机定位的资源，计算最终 定位结果和精度。s m l c 通常有两种类型：一种是基于n s s ，支持l s 接口标准； 另一种是基于b s s ，支持l b 接口。前者通过与m s c v l r 相连的l s 接e 1 ，传输 各种手机定位信令；后者则通过与b s c 相连的l b 接口，传输各种手机定位信令。 这两种s m l c 与其它s m l c 连接时采用l p 接1 3 。s m l c 和g m l c 功能可合并在同一 个物理节点，也可分布在多个节点。在l c s 业务中，当小区广播中心( c b c ) 与b s c 相连时，s m l c 可利用现有的广播功能，通过c b c 广播辅助信息。这时s m l c 相当于c b c 的用户。 1 2 3 种手机定位技术 g s m 手机定位方式从技术上可分为获取c e l l j d 、测量到达时间( t o a ) 、增强测 量时间差( e o t d ) 和g p s 辅助( a g p s ) 4 种方式。 1 2 1c e l li d 方式 c e l li d 即g c i 是全球小区识别码，每个基站有一个唯一的小区识别码。g c i 由位置区识别码( l a i ) 和小区识别码( c i ) 构成，即：g c i = l a i + c i = m c c + l a c + c l 。知 道了e e l l _ i d 即知道手机在以基站为中心的基站信号覆盖范围内。 具体实现可分为基于网络和基于移动台的两种方式 1 2 2 t o a 定位技术 t o a 定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。具体实现 步骤： ( 2 ) 要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个l m u 同时接收该信 号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号； ( 2 ) 各l m u 得到信号到达时的绝对g p s 时间后，可得到相对时间差( r t d ) ； ( 3 ) 根据前两步的信息，s m l c 进行两两比较，计算突发信号到达时间差 ( t d o a ，得出精确位置，并回至h 应用中。要通过三角计算得出手机精确位置， 必须知道另外两个参数：l m u 的地理位置和各l m u 之间的时间偏移量。例如各 l m u 必须提供的绝对g p s 时间，或在已知位置的地点放置参考l m u 可得到实际时 间差( r t d ) 参数。 l m l l 用接入突发信号确定t o a 。当定位请求发出时，l m u 被选定，且配置正 确的频率，以便接收接入突发信号。此时，手机在业务信道( 可能会处于跳频 方式) 上，以特定功率发送达7 0 个接入脉冲( 时长3 2 0 m s ) 。各l m u 通过多种 方式实现和改善t o a 的测量结果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和 测量精度。采用分集技术( 如天线分集和跳频) ，可降低多径效应的影响，提高 测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向s m l c 发出请求，同时告 知手机号码和定位精度要求。被测量的t o a 参数及其误差值一同被采集并发送 4 电子科技大学硕士论文 到s m l c ，根据该数据，s m l c 可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和 误差范围发送回应用。 f o a 定位方式需要附加硬件( l m u ) ，以达到精确计算突发信号到达时间的目 的。实现方式有多种：l m u 既可集成在b t s 内，也可作为单独设备。l m u 作为 单独设备时，既可有单独的天线，也可与b t s 共享天线，通过空中接口实现网 络间通信。 1 2 3e 一0 t d 定位技术 e o t d 定位方式是从测量时间差( o t d ) 发展而来的，o t d 指测量所得的时 间量，e - - o t d 指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对 于同步网，手机测量几个b t s 信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时 还需要被一个位置已知的l m u 接收。确定了b t s 到手机的信号传输时间，则可确 定b t s 与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。实现步骤如下： 1 ) 手机收到各基站发来信号，得到t o a 参数；l m u 得到r t d 参数； 2 ) 手机将t o a 和r t d 参数传送到g s m 网。 3 ) o t d 测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当b t s 发送的帧未被同步时， 网络需要测量b t s 之间的r t d 。为了进行精确的三角测量，o t d 测量和r t d 测量 ( 非同步b t s 时) 均需要3 个b t s 。获得o t d 参数后，手机位置既可在网络中 计算，也可在终端计算( 要求手机具备各种必要信息) 。前者称为手机辅助方式， 后者称为手机自主方式。 通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。在网络结构、手机 功能以及l m u 功能与测量输入参数等均一样的情况下，位置计算可基于两种e - - o t d 定位方式实现。 ( 1 ) 双曲线方式与e o t d 计算相关的基本时间量有3 个 o t d ：即手机得到g s m 网络上两个不同b t s 发来脉冲的时间间隔。t 1 时得 到b t s l 的脉冲，t 2 时到b t s 2 的脉冲，则o t d = t 2 - - t l 。两个脉冲同时得到，则 o t d = 0 。 r t d ：即g s m 网上两个b t s 的相对同步时间差。若b t s l 在t 3 时刻发送脉 冲，b t s 2 在t 4 时刻发送脉冲，则r t d = t 4 一t 3 。若g s m 网同步，则b t s 在同一时 刻发送，r t d 不需要计算，此时r t d = o 。 g t d ( 几何时间差) ：几何距离不等，导致手机接收两个不同b t s 发来的 脉冲存在时间差。如果手机到b t s l 的传播距离为d l ，b t s 2 到手机的距离为d 2 ， 则g t d = ( d 2 一d 1 ) c ( c 为电磁波传播速度) 。若两个b t s 到手机的距离相 等，g t d = o ， 上述参数之间的关系为：o t d = r t d + g t d 。位置信息从g t d 计算出来，由 5 电子科技大学硕士论文 o t d 和r t d 可用前面的公式推导。手机g t d 中的d 2 - - d l 值为恒量，这时可能的 位置信息为双曲线。手机位嚣则位于由三个基站和两个g t d 得到的两条双曲线交 界处。测量结果存在误差，灰色区域为o t d 测量结果可能的位置。双曲线交叉得 到的黑色区域为手机的位置。 ( 2 ) 圆弧方式 圆弧方式不测量手机和l m u 接收不同b t s 信号的时间差值，只测量那些信 号各自到达的时间。以下参数与e o t d 圆弧方式相关： m o t ：b t s 信号到达手机的时间，以手机内部时钟为准 l o t ：b t s 信号到达l m u 的时间，以l m u 内部时钟为准。通常手机与l m u 的 内部时钟之间有一个偏移量e ； d m b ：手机与b t s 之间的几何距离 - d l b ：l m u 与b t s 之间的几何距离。 参数之问的关系：d m b - - d l b = c ，( m o t l o t + e ) ( c 为电磁波传播速度) 。 以手机和l m u 同时观察的b t s 为圆心画圆，交叉就可得到手机的位置。由于 存在3 个未知量，即手机位置的x 、y 坐标和偏移量e ，所以与双曲线方式相同， 至少需要3 个b t s ，才能得到手机的位置和偏移量e 值。圆弧方式与双睦线方 式的主要区别在于手机测量误差区和手机相对于b t s 的几何位置，其它实现方 式一致。e - - o t d 计算与手机能收到足够多的b t s 信息密切相关。通常说来，g s m 网覆盖性能越好，定位精度越高。手机在空闲和业务模式( 通话时) 下均可实 现定位，且可选择持续定位或单个定位。持续定位更适合于手机自主方式，该方 式不需要上行信令。若b t s 能采用类似于短消息小区广播( s m s - - c b ) 的功能来 发送位置坐标和r t d 信息，在空闲模式时手机就有足够的信息计算自己的位置。 采用e o t d 定位方式时，l m u 和b t s 的比例为1 ：3 到1 ：5 之间。 1 2 4a g p s 原理 g p s 辅助定位方式实现步骤如下：g s m 网收到g p s 辅助信息；c - s m 网将辅助 信息发送到手机：手机得到g p s 信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置信 息发送到g s m 网。 该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种 ( 1 ) 手机辅助g p s 定位方式 这种解决方案是将传统g p s 接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。 该方式需要天线、r f 单元和数据处理器等设各。g s t , i 网向手机发送一串极短的 6 电子科技大学硕士论文 辏魏蕊纛，题螽霹耀、霉援翌基潦擎、卫星穰蟹多骜赣参数窝弱辍像攘素塞西。 这些参数肖助于内蚤g ps 模块减少g p s 信号获褥时闻。辅助数摄浓自经手机 g p s 模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪躐离数据后， 相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。g s m 网增加必要的修 正后，可提高定位精度。 ( 2 ) 手税自主g p s 定搜方式 这种手机包含一个全功能的g p s 接收器，暴露( 1 ) 方式中手辊的所有功能， 再加上卫艟位置和手机位殿计算功能。运算于f 始时，需要的数据比学机辅助方 式要多，这些数据能够持续4 小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、 参考位鼹、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更高的精度，则必 须持续( 润隔约3 0 s ) 向手机发差分g p s ( d g p s ) 信号。d g p s 信号农非鬻宽的 建域蕊潮蠢效，班一令参考接浚器爻中心可羧务予较宠懿建蠛范鬟。菠终位置售 怠壹手较l 零囊计算褥臻，装霈要，诧定位麓惑可发送盈其它经褥威用中。 1 33 种定位方式比较 l 。3 。lc e l li d ( 1 ) 优点 l o o 兼容现有手机。 初始投资小，可利用现有的g s m 网络，不需要增加大量设备。楚当前情况 下实现g s m 手规定位豹秘蛙徐魄最毫实现方式； 支撩漫游，各萃争搂霹繇漆绞一； ( 2 ) 缺点 定位精度不高而且与小区密度相关( 在大中城市能达到1 5 0 2 0 0 m 的定位 精度，在城市中心地区可达到5 0 m 内的定位精度) 。 l 。3 。2t o a ( 1 ) 优点 1 0 0 兼容现有手机； 支掩漫游，各种羧疆标准统一； 定像精度哥鼙独饶彼。遴遵提衰l 翻蠖缝，越嚣提意定攮精度。 ( 2 ) 姣点 初始投资高。整个网需要建立大量l m u ，投滏较大。现有g s m 网攒实现同 7 电子科技大学硕士论文 步还需进行改造； 业务量大时网络负担增加。当定位需求增多时，手机需频繁强制执行切换 命令，使g s m 网的信令传输量增加。 1 3 3e o t d ( 1 ) 优点 l m u 数量远少于t o a 方式，可减少网络初始投资； 不需要增加手机的额外费用。现有手机无需增加硬件模块和附件，只需要 进行软件更新。 ( 2 ) 缺点 现有手机不能适用于e 一0 t d 定位方式，需要更新软件或全部替换； 精度低。由于同时受r t d 和几何距离参数的影响，定位精度较低。此外 多径效应将影响定位精度( 尤其是城市区域) 。 1 3 4a g p s ( 1 ) 优点 网络改动少。g s m 网基本不用增加其它设备，无需建立l m u 。网络投资少， 将受g s m 网运营商的青睐； 定位精度高。由于采用了g p s 系统，定位精度较高，理论上可达到5 l o r e 。 ( 2 ) 缺点 需更换手机。现有手机均不能实现a g p s 定位方式，必须更换； 手机成本、体积和功率增加。手机中增加o p s 定位功能，则必须增加相应 的硬件，致使手机成本增加。增加g p s 的功能后，必然会增加功耗和体积。 安全风险。由于g p s 受美国政府控制，存在一定的安全风险。某些领域( 如 军事、国家安全等) 的定位应用应避免选用a g p s 定位方式。 1 4 小结 通过上述比较我们在工程应用中选取了基于c e l l - i d 的移动定位方式，这种定位 方式实现较为容易又可充分利用现有的g s m 网络和移动台，初始投入成本较低。 虽然着种定位方式的定位精度最差，但是由于目前对移动定位的主要需求也集中 在小区密度较高的大中城市，以及这种定位方式具有定位精度与小区密度成正比 特性，在这些地区这种移动定位所取得的定位精度也能满足多数应用的需要。 8 邀子羁技大学鞭论文 第二章g s m 系统简介 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球穆动通信系统) 是由欧洲 主疆奄信运营密蠢裁造厂家缀残豹标壤能委员会奁童荽霞设诗，著予1 9 9 2 年奁 欧洲各国投入遗行的。 g s m 最初是做为欧洲数字移动台的标凇发展起来的，现今已在世界备地广泛使 用。g s m 可分为g s m 9 0 0 、g s m p c s l 9 0 0 ( 北荚g s m ) 及g s m d c s l 8 0 0 ( 数字通信系统 1 8 0 0 ) 。鼓定霞瓣建疫看，这三耪系统弱特憋是褪 攮麴，骥一瓣主要不阉点裁是载 波瓣频率不同。疆此在本章中对这三种系统将统称为g s m 。 2 。1g s m 的基本结构 全球移动通信系统主要是南交换网路予系统( n s s ) 、秃线基站子系统( b s s ) 和移 动台( m s ) 三大部分组成，如图2 1 1 示： 其中n s s 与b s s 之间的接口为“a ”接口，b s s 与m s 之间的接口为“u m ”接口。 2 。1 。1 交换耀爨子系统 图2 1 1g s m 系统结构 交换网路予系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据与移动髋管理、安全 性管理所需的数据库功能。n s s 由一系列功能实体所构成，各功能灾体介绍如 下： m s c ：是g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完 成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可 完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成b s s 、m s c 之间的切 换粒壤劲缝斡纛绫整漂管理、移凌蛙管理笛。舅蛰，秀了建立至移动鑫豹疆列路 由，每个赫s 、还应能完成入口m s c ( g m s c ) 的功能，鄄套询位置信惑的功能。 9 电子科技大学硕士论文 v l r ：是一个数据库，是存储m s c 为了处理所管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向 客户提供的服务等参数。 h l r ：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移 动客户都应在其归属位置寄存器( h l r ) 注册登记，它主要存储两类信息：一是 有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫 路由，例如m s c 、v l r 地址等。 a u c ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参 数( 随机号码r a n d ，符合响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。 e i r ：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的 识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 2 1 2 无线基站子系统 b s s 系统是在一定的无线覆盖区中由m s c 控制，与m s 进行通信的系统设备， 它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制 器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。 b s c ：具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的 管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 b t s ：无线接口设备，它完全由b s c 控制，主要负责无线传输，完成无线与 有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 2 1 3 移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端( m s ) 和客户识别 卡( s i m ) 。 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调 制和解调、信息发射和接收。 s i m 卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的i c 卡，因此也称作智能卡， 存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息， 以防止非法客户进入网路。s i m 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插 入s i m 后移动终端才能接入进网，但s i m 卡本身不是代金卡。 2 2 g s k l 通讯系统的地理层次 g s m 通讯系统是由许多子系统( s u b s y s t e m ) 共同组成，当建设g s m 通讯系统 时，必须将各个子系统安置在通讯区域内。如何依照子系统的不同功能将通讯区 域切割成许多大小不同的地域，每个地域安装子系统的通讯元件，各个地域的子 蹩量型塾查兰堡圭整塞 系统搜懿麓疑互秘配台来宠藏g 骚逶谖系统豹各矮葫戆，这耱嚣蠛分瓤赘溪念裁 称舞g s m 邋讯系统的照理层次( h i e r a r c h y ) 。层次( h i e r a r c h y ) 将地臻饺瀑由小到 大切分为若干区域，从最小的微蜂窝( c e l l ) ，到整个g g m 网络的服务区域 ( s e r v i c ea r e a ) ，如图2 2 ，l 。了解g s m 系统的地理层次后，就能清楚在g s m 通 讯系统的备个区域内的信号健输与交换程序。 2 2 。1 酶窝( c e l l ) 图2 ，2 ，1 ：g s m 道谴系统的地理屡次( h i e r a r c h y ) g s m 通讯系统又称为蜂巢式( c e l l u l a r ) 移动通讯，代表整佃通讯系统都是由蜂窝 ( c e l l ) 所组成，蜂窝可就是屡次内的最小区域单位。每一倜蜂窝只含肖一佃b t s ， 由b t s 负资接收与该蜂窝内的手机信号。 蜂窝豹含麓范露与周圈基站懿德菱与售号强弱、以及售号豹于抗有关，当一箍蜂 窝蠹豹蒸潦髑国浚奏奁嚣瓣纂瓣涛，蜂窝懿落围为港音髂号强度蠢予攀梳最低灵 敏度的送域，也就是信号强度岛噪声盼沈铡( c i ) 商于手梳最低可撩受数值的区 域，当一个蜂窝内的基站周围逑有其他基站畴，蜂窝的边界为两个揍站信号强度 的交汇点，如图2 2 2 示，乎机通过交会点时将进行通话交接( h a n d o v e r ) 或是位 置更新( l o c a t i o nu p d a t i n g ) 。 阁2 、2 2 ：蜂窝的边界范圈 电子科技大学硕士论文 根据蜂窝的覆盖区域大小可分分为： o m n i d i r e c t i o n a lc e l l ：基站的天线在四周各个发射方向的发射强度都相 同，因此称为全方向性( o m n i d i r e c t i o n a l ) ，这种蜂窝通常用于乡村地区，一个 全方向性蜂窝的区域内只有包含一个基站。 s e c t o r e dc e l l ：基站的天线具有方向性( d i r e c t i o n a l ) ，通常将信号的发射 分为3 个方向，每个方向的电波发射角度为1 2 0 度，因此一个基站的周围包括 三个扇形( s e c t o r e d ) 微蜂窝， m a c r o c e l l 通常架设在高塔或是大楼的顶端。 m i c r o c e l l 安装在特定小区域内，如机场隧道以及地铁内。 p i c o c e l l 更小的区域，安装在大楼内的一个楼层。 出$ 图2 2 3 ：o m n i d i r e c t i o n a l 与s e c t o r 形成的蜂窝 2 2 2l a 区域( l o c a t i o na r e a ) 许多蜂窝共同组成一个l a 区域( l o c a t i o na r e a ) ，每个