（通信与信息系统专业论文）安全用户平面agps位置服务平台的设计与实现.pdf

北京邮i 乜人掌硕l 研究生学位论文 安争用户p 面a - g p s 位置j j i i 务f 台的设计0 实现 安全用户平面a g p s 位置服务平台的设计与实现 摘要 随着移动通信的飞速发展，位置服务j 下受到越来越多的关注。作为实现所有 位置服务基础的移动定位技术，自然成为移动通信领域一个重要的研究方向。 a g p s 定位技术继承了传统g p s 定位精度高的优点，并且大幅提高了定位速度， 成为移动通信网络中的主要候选定位技术之一。o m a 定义了基于用户平面的移 动定位解决方案( s u p u ，只需对移动网络作最少的改动，便可以快速的部署并 开展定位业务。s u p l 以其低成本，部署的灵活性和快速性，获得很多移动运营 商的青睐。第一章介绍了目前各种常用的移动定位技术。第二章首先介绍了g p s 的工作原理，并指出传统g p s 不适合移动定位，进而提出了a g p s 技术，着重 分析了a g p s 相对g p s 的改进，最后简述了用于定位数据传输的r r l p 协议。 第三章首先分别描述了3 g p p 和o m a 对于位置服务的解决方案，对比了二者的 差异，然后描述了s u p l 位置服务平台的结构框架，各个主要功能模块及内部业 务流程。在s u p l 中，用于定位数据传输的两个重要协议u l p 和r r l p 都是采 用i t u t a s n 1 进行描述并采用p e r 进行编码。第四章首先介绍了a s n 1 和p e r 的基本特点。然后给出了a s n 1 描述的协议以及p e r 编解码器的c + + 语言的面 向对象实现。第五章讨论了s l p 和s e t 汹的定位流程，以及事件触发、有限状 态机、s t a t e 模式等相关概念，并重点分析了i m p 接i ；3 有限状态机的s t a t e 模式的 实现。 关键词s u p la - g p s 位置服务定位技术s t a t e 模式 北京邮也大学硕j ：研究生学位论文安伞用户平面a - g p s 位置服务乎台的没汁0 实现 d e s i g na n di m p l e m e n l a r l 0 no fa g p sl o c 佃0 n s e r v i c ep i 。a t f o r mb a s e do ns e c u r eu s e rp l a n e a b s t r a c t w i c ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 1 0 c a t i o ns e r v i c e sa r eb e i n g p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e i n gt h eb a s eo fa l li o c a t i o ns e r v i c ea p p l i c a t i o n s p o s i t i o n i n gt e c h n o l o 面e sn a t u r a l l yb e c o m ea l li m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ai nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n a g p si n h e r i t ss t a n d a r dg p s s a d v a n t a g eo fh i g hp o s i t i o n i n g a c c u r a c y , a n dj n c r e a s em u c ht h ep o s i t i o n i n gs p e e d a g p sh a sb e e no n eo ft h e c o m p e t i t i v ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o 舀e s s u p lw h i c hd e f i n e db yo m a , n e e d so n l y l e a s tc h a n g e so fn e t w o r k s a n dc a nb ed e p l o y e dq u i c k l y s u p li sf a v o r e db ym a n y c a r r i e sb e c a u s eo fi i sl o wc o s t , h i g hf l e x i b i l i t ya n dq u i c kd e p l o y m e n t i nc h a p t e r1 s e v e r a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e sc u r r e n t l yu s e da r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 。t h e p r i n c i p l eo fg p si si n t r o d u c e df i r s t w eg e tt h ec o n e l u s i o nt h a tt r a d i t i o n a lg p si sn o t s u i t a b l ef o rm o b i l ep o s i t i o n i n g , a n dp r o p o s ea g p st e c h n o l o g y , w h o s ei m p r o v e m e n t s r e l a t i v et og p sa r ea n a l y z e d i nt h el a s tp a r to fc h a p t e r2r r l pu s e df o rt r a n s m i t t i n g p o s i t i o n i n gd a t ai sd i s c u s s e db r i e f l y i nc h a p t e r3 t h es o l u t i o n sa b o u tl o c a t i o ns e r v i c e o f3 g p pa n do m aa r eb o t hd e s c r i b e d ，t h ed i f f e r e n c e so f2s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d a n dt h e nt h es t r u c t u r e ，m a i nf u n c t i o nm o d u l e sa n dj n n e ro p e r a t i o nf l o wo ft h es u l p l o c a t i o ns e r v i c ep l a t f o r i l la r ed e s c r i b e d i ns u p lu l pa n dr r l pa r eb o t hd e s c r i b e d w i t h u ta s n 1a n de n c o d e dw i t hp e r i nc h a p t e r4 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s n 1 a n dp e ra r ei n t r o d u c e df i r s t a n dt h e nt h eo b j e c t - o r i e n t e di m p l e m e n t a t i o nw i t hc + + o fa s n 1b a s e dp r o t o c o la n dt h ep e re n c o d e r d e c o d e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l s i n l - h a p e r5 p o s i t i o n i n gm e s s a g ef l o wa n dr e l a t i v ec o n c e p t ss u c ha se v e n ts p r i n g , f i n i t e s t a t em a c h i n e ，s t a t em o d ea r ed i s c u s s e d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es t a t em a c h i n e o v e rl u pi n t e r f a c ew i t hs t a t em o d ei sa n a l y z e df i n a l l y k e yw o r d ss u p la - g p sl o c a t i o ns e r v i c e p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y s t a t em o d e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：z 塑：z 二；二三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名：鞋需咻 适 北京邮电大学硕上研究生学位论文安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 1 1 移动位置服务 第一章概述 移动通信和固定通信最大的区别在于用户位置的不确定性。因而，在移动通 信中用户( 移动台) 的位置信息成为一种重要的资源。早在1 9 9 6 年7 月，美 国联邦通信委员会( f c c ) 发布的e 9 1 1 条例中，要求所有的移动网络运营商必须 在2 0 0 1 年3 月之前，在满足一定成功概率( 6 7 ) 和定位精度( 1 2 5 m ) 的条件下， 对所有手机用户实现定位。由此可见，定位很早就被作为一项同话音业务一样的 移动通信网络的基础服务而存在。移动位置服务就是针对用户移动而导至的位置 不确定性，基于移动用户实时的地理位置信息开展的服务一利用移动通信网 络，对用户所携带的如手机、p d a 、各种专用定位设备等移动终端进行定位，并 提供相应的信息服务。基于用户的位置信息，并集成其它资源( 如g i s 系统) ， 可以开展各种各样丰富的应用服务。例如：针对个人应用的紧急援助、导航和定 位、跟踪监控、交通及周边信息查询等；针对各行业应用的物流管理、医疗救援、 公安执法等。 位置服务作为移动通信系统最具特色的服务之一，随着近年来2 5 g 、3 g 等 支持数据传输的移动网络的发展，正受到越来越多的关注，被认为是今后最具潜 力和应用前景的移动增值业务，成为移动通信市场强劲的经济增长点。目前，北 美、欧洲、亚太地区及国内的主要移动运营商都已开通了移动定位业务。2 0 0 6 年，全球移动定位业务的市场规模达到数十亿美元，此后几年将保持每年8 0 的增长率。可以预见，在未来几年，移动位置服务将演变成即话音、短信之后的 又一项移动基础服务。 1 2 移动定位技术 采用适当的定位技术获取移动终端的地理位置信息是任何位胃服务应用的 首要前提，由于移动位置服务的广阔市场前景，移动定位技术不断发展，当前的 主要技术包括：旺u l l d 、t o a 、e o t d 、o t d o a 、a g p s 。 1 2 1 c e u l 广i d 该技术根据移动台( m s ) 所处的蜂窝小区l d 号来确定用户的位置，定位精度 取决于小区的半径。目前国内g s m 网络基站密度很大，c e l l ! i d 小区定位的精 度可达到1 0 0 1 5 0 m ，这样级别的精度可以满足大部分应用服务的要求。郊区和 农村地区的小区半径远大于城区的小区半径，因此城区c e l l ! i d 的定位精度要 远远高于郊区和农村。c d m a 系统不需要设置密集的基站，市内小区半径一般 在1 - 2 k m 左右，此时c e u ，l d 的精度不会优于5 0 0 m ，这样的精度远远不能满足 大部分用户的要求。因此在c e l l ! i d 基础上，出现了一些改进技术，如 c e iir l d + s e c t o r i d 、c e l l i d + 1 a 及c e u ，l d + i r 兀。技术，虽然这些技术可 在一定程度上提高定位精度，但改善效果并不明显。 c e l l i d 及其改进技术是实现蜂窝网终端定位最简单的方法，无需对手机和 网络进行修改，实施方便，占用网络资源少，响应时间短，可用于所有蜂窝网络。 北京邮电大学硕上研究生学位论文 安全用户平面a - c p s 位置服务平台的 殳计与实现 c e l l - i d 定位精度较低，并且随地理位置的不同定位精度有很大差异，一般将 其作为辅助定位手段，为精确定位提供辅助信息，实现仞始定位。 1 2 2 到达时间( t o a ) t o a 方法可以应用在任何手机上，手机无需作任何改动；但需要在网络中添 加额外的硬件位置测量单元( u 小j ) 。其主要工作原理是：手机发出一个己知 信号，三个或多于三个l m u 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。并测量信号到达的时i a ( t o a ) ；服务移动定位中心( s m l c l 通过 t o a 值两两相减计算出信号到达时间差( t d o a ) 。然后通过双曲三角测量计算出 手机的位置。计算还需要已知两个参数：l m u 的地理位置和各l m u 之日j 的时 间偏移量。例如l m u 使用绝对g p s 时间，或者在已知位置放置参考l m u 测定 实际时白j 差( r t d ) 。 1 2 ，3 增强观测时间差( e o t d ) & 观测到达时间差( o t d o a ) e - o t d 和o t d o a 定位方法都是由手机测量几个b t s 信号的相对到达时间， 进而确定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( 在网络或 者终端上进行) ，最终确定手机的位置。前者用于g s m g p r s 系统，后者用于 w c d m a 系统。 两种方法需要在网络或手机中添加位置计算功能模块，实现位置计算。 t o a 、e o t d 、o t d o a 三种定位技术原理相似，都是测量信号到达的时间 差，定位精度受系统定时精度的影响。基站之间必须严格同步，确保系统本身的 定时误差不会给定位结果造成明显影响。i s 9 5c d m a 和c d m a 2 0 0 0 属于同步系 统，通过g p s 实现全网同步，能保证基站问的定时精度。g s m g p r s 和w c d m a 属于异步网络，必须在每个基站增加高精度和高稳定性的定时单元( 原子种或 g p s 时钟) ，或在基站之间增加参考l m u 实现时钟统一。 第二章a - g p s 移动定位技术 2 1 全球定位系统( g p s ) g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是一种空基无线电导航定位系统，它不仅能够 实现全天候、全天时和全球性的连续三维空间定位，还能够对运动载体的速度、 姿态进行实时测定以及精确授时【l 】ag p s 由3 部分组成：空间部分、地面监控部 分、用户接收设备部分( 如图1 - 1 ) 。 1 ) 空间部分 空间部分即g p s 卫星星座，由2 4 颗卫星组成，均匀的分布在6 个地心轨道 平面内；轨道平均高度2 0 2 0 0 k i n 。在地球上的任何地点，在任何时刻均至少可以 同时观测到4 颗卫星。 g p s 卫星向用户广播导航电文，提供导航和定位信息；并且通过卫星上的原 子钟，向用户提供精密的时间标准。 2 ) 地面监控部分 地面监控部分包括5 个监控站( 其中一个为主控站) ，3 个天线站。监控站的 北京邮电大学硕j r 研究生学位论文安全用户平面a g p s 位置服务平台的设计与实现 主要任务是为主控站编算导航定位参数提供观测数据。主控站( m c s ) 负责协调所 有地面监控网的工作，主要包括： 1 、根据监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、钟差，大气层修 正参数等，并把这些数据传送到注入站： 2 、提供g p s 的时间基准。各监测站和g p s 卫星的原子钟均应与主控站的原 子钟同步或测出其间的钟差，并将钟差信息编入导航电文送入到注入站。 3 、调整卫星轨道 4 、启用备用卫星。 天线站( 注入站) 在主控站的控制下，将由主控站推算和编制的卫星星历、 钟差、导航电文和其他控制指令注入到相应的卫星。 3 ) 用户设备部分 用户设备部分由g p s 接收机硬件、相应的数据处理软件、处理器及其终端设 备组成。g p s 接收机接收g p s 卫星发射的信号，解析出导航电文，测量天线到 卫星的距离，并经过简单的数据处理实现实时定位和导航。 2 1 。1 g p s 卫星信号 图2 1 g p s 系统组成 用户设备接收g p s 卫星发射的信号来测定测站的位置。g p s 卫星信号主要 包括测距码信号( c a 码和p 码) 、导航电文和载波信号。 2 1 1 1 测距码信号 g p s 卫星发射两种测距码信号c a 码和p 码，两者都是伪随机噪声序列 码。 1 ) c a 码 a r a 码是由两个1 0 级反馈移位寄存器相组合产生的g o l d 序列码。码长n u = 2 1 0 1 = 1 0 2 3 b i t ，码元宽度t u 0 9 7 7 5 2 us ，周期t u = n u t u = l m s ，码率b p s = 1 0 2 3 m b i 魄。各颗g p s 卫星所使用的c a 码上述指标相同但结构相异，这样既 便于复制又容易区分。 北京郎电大学硕上研究生学位论文安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 c a 码的码长很短，容易捕获。在g p s 导航和定位中，为了捕获c a 码以 测定卫星信号传播的时延，通常需要对c a 码逐个进行搜索。c a 码总共有1 0 2 3 个码元，若以每秒5 0 个码元( 5 0 b p s ) 的速度搜索，需要1 0 2 3 5 0 ：2 0 4 6 s 完成。 c a 码的码元宽度较大，所以其测量误差较大，精度较低，称为粗捕获码( c o a r s e a c q u i s i t i o nc o d e ) 2 1p 码 p 码基本原理与c a 码相似，码元宽度是c a 码的1 1 0 ，码率为c a 码的 1 0 倍。所以p 码的测量误差只有c a 码的1 1 0 ，精度较高，称为精码( p r e c i s i o n c o d 0 ：但由于美国政府的a s 政策，对p 码进行加密，一般民用用户只能接收 到a a 码。 2 1 2 导航电文( n a v i g a t i o nm e s s a g e ) g p s 卫星的导航电文主要包括：时钟修正参数、卫星星历、历书。导航电文 以。帧”作为基本单位，一帧帧长1 5 0 0 b i t 。电文的传播速率为每秒5 0 b i t 。 1 ) g p s 卫星时b j 修正参数 g p s 卫星时间修正参数是指g p s 卫星时钟相对于g p s 标准时的差异。 g p s 卫星星历 星历向用户提供有关计算卫星运行位置的信息，包括：6 个开普勒轨道参数、 9 个轨道摄动参数、2 个时间参数，共1 7 个星历参数。星历数据每小时更新一次。 3 ) g p s 卫星历书 历书包括g p s 卫星的概略星历、卫星钟概略修改参数、码分地址和卫星工作 状态信息。用户根据这些信息，可以选择工作正常和位置适当的卫星，构成最佳 的观测空间几何图形，以提高定位精度。用户并可根据已知的码分地址，较快的 捕获所选择的观测卫星。历书的内容只在地面天线站给卫星注入新的导航数据后 才德以更新。 2 1 1 3 载波信号 g p s 卫星发射两种频率的载波信号，分别称为l 1 载波和l 2 载波。其中， l 1 载波的频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，上面调制a a 码和p 码；l 2 载波频率为 1 2 2 7 6 m h z ，上面仅调制p 码。 测距码是一个位随机噪声序列码，每颗g p s 卫星的测距码结构是不一样的， 所以测距码也可以被看作是一种标识卫星的“地址码”。g p s 卫星在信号调制时 采用码分多址( c d m a ) 技术：首先将5 0 b p s 的导航电文以直接扩频的方式调制到 测距码( a a 码和p 码) 序列上再将该直接序列扩频( d s s s ) 信号调制到载波上， 最后将己调波信号发射到地面。 2 1 2 伪距测量原理 利用测距码测距是通过调整自相关函数r ( t ) 的值，测定测距码信号由卫星到 达测站的传播时间实现的。自相关函数的数学表达式为： 1 r r ( t ) p o 一f ) 。( ，一f i 打 1 奄 拭2 - 1 】 其中，a t 为测距码信号的传播时间；t 为测站接收机复制码延迟；u “a 0 北京邮电大学硕e 研究生学位论文安全用户平面a g p s 位置服务平台的设计与实现 为测距码信号：u ( t - t 1 为接收机复制码信号；t 为测距码信号周期；t u 为码元 宽度。 对自相关函数r ( t ) 的求解分3 种情况讨论： 1 ) 当t = at 时，即测距码序列与复制码序列完全对其，r ( t ) - i 。 2 ) 当at - t t u 时，即两个码序列错开相差一个码元以上，r ( t ) - - 1 t 。 3 ) 当at t t u 时，即两个码序列错开不足一个码元。 r ( o 。 i 。弋一 | 1 叠 图2 2 自相关函数r ( t ) 当卫星发射的测距码经过t 到达接收机时，接收机产生一个结构完全相同 的复制码序列，并不断调整t 值，直到r ( t ) = l ( 实际操作时体现为r ( t ) 超过预先 设置的一个门限值1 为止。这时，有f = t ，信号的传播时间a t 一旦测定，再 乘以光速c ，即可得到测站距卫星的距离，但是由于其中包含卫星时钟和接收机 时钟的同步误差，因而称为伪距( p s e u d o r a n g e ) 。 2 1 3 g p s 伪距定位原理 g p s 伪距定位基于三球交汇原理，以3 颗卫星的已知坐标为圆心，分别以观 测点a 到卫星的距离为半径，形成3 个球面，3 个球面必然交汇于2 个点排除 其中一个不合理的点，另一个点便是观测点的位置，便可以得到a 点的三维坐 标( 如图2 3 ) 。其中卫星的坐标位置可以通过导航电文中的星历数据获得。 图2 - 3 伪距定位原理 s - 北京郎电大学硕 研究生学位论文安全用户平面a 1 g p s 位置服务平台的设计与实现 伪距观测方程 t i 表示卫星s 发出信号瞬间的g p s 标准时问，r 是相应的卫星时钟的钟面 时刻；t o ”p s 表示观测点a 收到卫星s 的信号瞬白j 的g p s 标准时间，f “表示相应 的接收机时钟的钟面时刻；盘表示卫星时钟相对于g p s 标准实现的钟差；盘。表 示接收机时钟相对g p s 标准时间的钟差；c 表示光速。 。- + 詹( 式2 2 ) ，i t u + 矿( 式2 3 ) 卫星信号由s 到达观测点的钟面传播时延： l _ ，一，f 一t + & 。一& 7 ( 式2 4 ) 忽略大气层折射的影响，钟面传播时延乘以光速，即得到卫星s i 到观测点的 伪距： p i c 呱一f ) + c 仁4 一詹) ( 式2 5 ) 设卫星s ，到观测点的几何距离为，显然一c ( f 一f ) ；又由几何知识 得： p j 厄一) 2 + 咄) 2 + 阮_ ) 2 ( 式2 6 ) 其中k ，咒，乞) 为已知的卫星的位置，x a , y a , z a ) 为观测点a 的坐标。代入 式孝，得到伪距观测方程，如下： 方- 6 ：- ：历百i 二i f 了而+ c b 。一盘) ( 式2 7 ) p 为利用测距码测量得到的伪距，盘从导航电文中获得。 在式2 - 7 中，有，y a 以，a 。四个未知数，因此接收机至少需要观测4 颗卫 星。组成4 个伪距方程，进而求得观测点的三维位置坐标。 2 2 网络辅助g p s ( n e t w o r k a s s i s t e dg p s ，a g p s ) 目前，g p s 的定位精度足以满足绝大多数商业应用的要求，但它也存在3 个不适合移动定位要求的缺陷，包括： l 、定位时间过长，不适于紧急业务。 2 、对g p s 信号质量非常敏感，在室内、楼群间等信号较弱的地区难以应用。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 3 、终端耗电量过大。 为了克服g p s 技术的这些缺陷，使其满足移动网络中定位业务的需求，网路 辅助g p s 技术( a - g p s ) 应运而生，它能够在减少定位时间的同时，提高终端g p s 接收机的灵敏度。 传统g p s 接收机接收g p s 卫星信号包括两个过程，信号捕获和信号跟踪。 传统自主g p s 的一个缺点是直接从卫星解调卫星轨道参数( 星历) 和时钟修正 参数，需要耗费很长的时间。假设一个g p s 接收机可以立刻捕获到卫星，对每 颗卫星解调5 0 b p s 的导航电文，从中获取所需的卫星轨道参数和时钟校正因子， 这个过程需要花费1 5 0 0 5 0 = 3 0 秒。为了捕获卫星信号，接收机必须将所有相关 的c a 码的码元逐个查找。如2 1 2 节所述，c a 码作为一种g p s 卫星信号的伪 随机扩频码，接收端对其进行相关解调，当本地码与接收到的c a 码相位一致 时( 相关系数r ( t ) 超过某一门限) 我们就说卫星被捕获。每个c a 码包括1 0 2 3 个码元，假设有4 0 个典型的需要搜索的码，这样就构成了一个4 0 x 1 0 2 3 个码元 的搜索空间。每个码元的延迟时间至少1 m s ，因此搜索整个搜索空间的捕获时间 至少4 0 s 。在一个紧急应用中，3 0 + 4 0 秒钟的等待显然是不可接受的。因此，避 免终端接收机解调导航电文以及压缩搜索空间成为缩短定位时间的关键。 a g p s 有两种工作模式：基于手机的方式( m s b ) 和手机辅助的方式( m s a ) 。 这两种模式具有较大差异，对手机的处理能力和功耗要求都不一样，但都需要在 手机中集成一个( 完整或部分的) g p s 接收机单元。 1 ) m s a 在m s a 方式中，终端的位置由网络负责计算。m s a 手机终端将传统g p s 接收机的部分功能转移到了网络中的位置服务器上。网络传输一个很短的辅助消 息到手机，包括时间、可见卫星列表、预测卫星多普勒、码相位和其它信息。可 见卫星列表可以帮助终端大大减少捕获卫星的时间：此外，其它参数可以大大减 少搜索可见卫星的搜索区域。m s a 手机接收卫星信号，然后向网络返回测量的 到所有探测到的卫星的伪距数据；网络中的位置服务器计算该手机的位置。 m s b 在m s b 方式中，位置计算由终端自身完成。相比于m s a ，m s b 中网络需 要将星历、大致的位置和时间传送到终端( 此时便无须多普勒和码相位等信息) 。 星历的有效期为几个小时，一旦星历数据传送到手机，就不需要或只需要很少的 额外数据来进行周期修正。在实时导航业务中，需要频繁的定位，这时采用m s a 就比较困难，因为终端每一次位置的更新都需要和网络进行数据交互；而m s b 就不需要同网络进行交互，直接利用先前获得的辅助数据就可再次定位。如果网 络将d g p s 修正参数传递给终端，终端可以对定位结果进行差分修正。从而提高 定位精度。 表2 - 1m s a 与m s b 两种定位方式的比较 m s bm s a 网络向终端星历、参考时间、参s v i d 、多普勒、码相位、 传递的数据考位置、历书、角度相位搜索窗 d g p s 口 终端向网络 位置、速度、时间 测量的码相位、测量的 返回的数据多普勒、c n o 位置计算终端 网络 m s a 方式中，位置计算由网络完成，终端不需要星历数据；m s b 方式中， 北京邮电大学硕t 研究生学位论文安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 星历数据由网络直接传给终端。两者都避免了终端直接解调码率只有5 0 b p s 的导 航电文，不仅大大减少了定位时间，而且降低了耗电量，提高了终端的待机时间。 由于辅助数据中的多普勒和码相位等信息，终端g p s 接收机的多普勒和相位的 搜索空间大大减少，加快了搜星的速度。搜索空日j 较少。使得接收机更加集中的 去搜索那些可能的信号，降低了搜索带宽，从而提高了接收机的灵敏度。通过辅 ，广一、 助信息可以使接收机的灵敏度提高2 0 l g i 1 0 j 。1 0 d b m l 2 1 。 综上所述，a - g p s 有效的克服了传统g p s 定位耗时长、对信号质量敏感、 终端耗电大的缺陷，使其成为一种能够满足各种移动位置服务应用要求的优秀定 位技术。 a g p s 的主要思想是建立一个g p s 参考网络，该网络由部署在各个地理位 置的g p s 接收机组成，每个接收机都被置于开阔的可见天空下，连续的观测实 时的卫星星座状况，接收g p s 卫星信号，提供辅助数据。参考网络与移动通信 网络相连。参考网的辅助数据和终端的测量数据通过移动网络的空中接口进行交 互。如图2 2 。 臼 图2 4a g p s 系统组成 2 3 r r l p 协议 r r l p ( r a d i or e s o u r c el c sp r o t o c o l ，无线资源i e s 协议) 用于m s 和s m l c ( s e r v i n gm o b i l el o c a t i o nc e n t r c ，服务移动位置中心) 之间传送位置服务 ( l o c a t i o ns e r v i c e s ，l c s ) 相关信息【3 j 。r r l p 可以支持e - o t d 和a g p s 两种定位 技术。 每条r r l p 消息都包含一个参考数字( r e f e r e n c en u m b e r ) ，并分为测量位置 请求、测量位置响应、辅助数据、辅助数据确认、协议错误5 种类型。如图2 - 5 ： b - 北京邮电大学硕士研究生学位论文 安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 2 3 1 r r l p 协议流程 图2 5r r l p 消息组成 图2 6r r l p 协议流程 简单来讲，r r l p 的协议流程就是一个请求和一个响应，外加传递辅助数据 的过程。如2 2 节所述，a g p s 的定位方式包括m s a 和m s b 两种方式，二者 终端所需的辅助数据和位置计算流程上完全不一样，这也直接反映到采用两种方 式的r r l p 消息内容上的差异。 在s m l c 向m s 发送测量定位请求前，s m l c 可能先向m s 传送一次辅助 数据。 - s m l c 向m s 发送测量定位请求消息，该消息中包括定位质量要求( o o p ) 和 其它指示信息，通常还附带m s 测量所需的辅助数据( 这样步骤1 就可以省略) 如果m s 接收请求失败，则返回s m l c 一个错误消息。当s m l c 收到错误 消息，可能从新发送请求消息，或者中断当前过程，或者从新发起一个新的测量 定位过程。 在m s a 方式中，m s 进行测量，然后发送测量定位响应消息，将测量数据 返回给s m i c 。在m s b 方式中，m s 进行行定测量后，计算自身的位置，然后 发送测量定位响应消息，将计算结果返回给s m l c 。 北京邮电大学硕t 研究生学位论文安拿用户平面a - g p s 位置服务平台的i 殳计与实现 2 3 2 辅助数据传送过程 图2 7 辅助数据传送过程 s m l c 向m s 传送辅助数据；m s 收到后返回给s m l c 确认消息，如果出错， 则返回错误消息。辅助数据可以通过a s s i s t a n c ed a t a 消息或者m e 勰u r cp o s i t i o n r e q u e s t 消息迸行传递。 r r l p 中g p s 辅助数据的消息元素的主要构成如图2 8 和表2 2 。 图2 - 8g p s 辅助数据组成 表2 - 2 辅助数据参数 参数参数 r e f c r e n c et i m es v i d g p s t i m e d o p p l e r 0 g p s t o wa d d i t i o n a ld o p p l e r g p s w e e k d o p p l e r l g s m t i m c d o p p l e ru n c e r t a i n t y b c c hc a f f i e rc o d e p h 蹴 b s l c i n t e g e rc o d ep h a s e f r a m en u m b e r g p sb i tn u m b e r n m e s l o tc o d ep h a s es e a r c h w i n d o w b i tn u m b e ra d d i t i o n a la n i g l e 北京邮电大学硕士研究生学位论文 安全用户平面a - g p s 位置服务平台的设计与实现 ! i g - i 安全用户平面定位( s u p l ) 技术 3 1 3 g p p 的位置服务 3 g p p 在【3 】和【4 j 中对于位置服务( l c s ，l o c a t i o ns e r v i c e s ) 进行了详细描述。 在网络中引入了网关移动位置中心( g m l c ，g a t e w a y m o b i l e l o c a t i o n c e n t e r ) 和 服务移动位置中心( s m l c ，s e r v i c em o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 两个网元实体。网络 结构如图3 - 1 所示。 址 j ? j g 口需要添加的网元口需要修改的罔元 图3 13 g p p 的u 笃网络结构 在3 g p p 定义的一次定位过程中，l c sc l i e n t 通过k 接口向g m l c 发出定 位请求；g m l c 通过l h 接口从h l r 获取目标用户的路由信息，然后把定位请求 通过l g 接口转发给目标用户当前所在的m s c 或者s g s n ，m s c 或s g s n 向目 标用户所在的b t s r n c ( s m l c ) 发送定位请求。后者选择选择合适的测量方法， 分配测量资源，启动定位测量和计算过程；最后向l c s c l i e n t 返回目标用户的定 位结果。 3 g p p 定位功能的实现是基于控制平面的，定位信息通过信令传送，需要在 网络添加s m l c 和g m l c ，还要对原有的h l r 、m s c 、s g s n 、b s c r n c 、 b t s n o d eb 等相关设备进行改造( 如图3 1 ) 。对于已有移动网络( 尤其是2 g 网络) 的运营商来讲这样做不但成本很高，而且十分复杂。针对3 g p p 的这一 缺点，开放移动联盟( o m a ) 提出了一种基于用户层面的位置服务实现技术一 - - s u p l ( s e c u r eu s e rp l a n el o c a t i o n , 安全用户平面定位) p j 。 3 2 s u p l s u p l 不是利用信令，而是采用用户数据来封装定位信息，移动网络只提供 用户数据的i p 承载。因此，s u p l 与具体的网络技术无关，对于网络中的网元没 有影响( 对比图3 1 和图3 2 ) 。s u p l 可以应用于2 g 2 5 3 g 网络，只需对网络 作最少的修改，部署灵活，扩展性强，成本低，易于运营商快速的开展业务。目 前，s u p l 支持c e l l 1 d 和a - g p s 两种定位方法。 甲回 岛靴 北京邮电丈学硕士研究生学位论文安全用户平面m g p s 位置服务平台的设计与实现 净巨 ，：= = 、 ll c s c l i e n t 匿：盈需要添加的周元 不受影响的网元 图3 2s u p l 网络结构 s u p l 向移动网络中加入了两个网元实体：s e t 和s l p 。s e t ( s u p le n a b l e d t e r m i n a l ) 是支持s u p l 规范的移动终端。s l p ( s u p l l o c a t i o np l a t f o r m ) 逻辑上 分为业务中心( s l c ) 和定位中心( s p c ) 在功能上，s l c 相当于g m l c ，s p c 相当于s m l c 。s e t 与s i p 之间的接e l 称为l u p 接口，承载着u l p ( u s e rl o c a t i o n p l a n e ) 协议，用于在平台和终端之间传送s u p l 相关的服务管理和定位信息。 图3 3 描述了一个网络端发起对本地终端定位的基本通信流程。l c sc l i e n t 通过k 接口向s l p 发送定位请求，s l p 完成鉴权认证，安全检察，漫游确认等 操作后，向h l r 请求目标终端当前所在的小区号，h l r 向s i p 返回小区号，如 果该小区在s l p 的控制范围内，s i p 向s e t 发送定位初始化请求，s e t 接到请 求后，接入分组域，与s i p 建立t c p i p 连接，双方进行定位过程，最后s i p 向 u c sc l i e n t 返回定位结果。 图3 3s u p l 网络端发起对本地终端定位的基本流程 1 2 莳5 | 北京邮电大学硕士研究生学位论文安全用户平面a - g p s 位置服务乎台的设计与实现 3 3 s u p l 位置服务平台的设计与实现 s u p l 位置服务平台( s u p l l o c a t i o np l a t f o r m ，l s p ) 通过各种标准接口与移 动网络中的其它设备相连，如图3 4 。 g p s 接收机 位置请求服务 位置响应服务 3 3 2 k 模块 k 模块的功能是：1 、接收来自“位置服务应用”的以m l p 协议承载的定 位请求消息，对消息解码后，转换为平台内部消息p o s r e q 格式，放入消息发 送队列；2 、从消息接收队列中取出p o s c k 消息，将定位响应用m l p 编码后 返回给相应的位置服务应用。 3 3 3 消息队列 消息队列是一种应用程序( 进程) 问的通信方法。应用程序将消息( 数据 放入消息队列，队列存储消息直到它被其它应用程序取走。不同于程序调用的同 步关系，消息队列是一种异步通信方式。应用程序可以独立地执行，在发出消息 后可以继续执行而不需要等待接收程序接收此消息。 在模块化的软件系统中使用消息队列，实现了功能模块间的松耦合，保证整 个系统灵活、可靠、高效的运行。 在平台的实现过程中，消息队列采用了m m w e b s p h e r e m q 中间件。m q 屏 蔽了复杂的底层通信机制，提供了简洁而又功能强大的a p i ，应用程序通过调用 这些a p i 就可以使用基于队列的消息服务。 m q 的编程原理简单描述为( 以c 语言为例) ：应用程序首先调用m q c o n n ( 1 函数与队列管理器建立连接，然后调用m o o p e n ( ) 打开一个队列，下一步调用 北京邮电大学硕士研究生学位论文安全用户平面