（计算机应用技术专业论文）移动定位技术研究及其基于wap的应用.pdf

摘要 移动定位技术是指通过移动终端设备，如手机、p d a 、笔记本电脑、专用定位设 备等，和无线网络相配合，确定移动用户的实际位置信息( 经纬度坐标、速度、高度 等资料) 的一种技术。本文的主要内容是探讨基于无线网络运营商所采用的定位业务 机制，来开发移动增值应用的过程。本文的工作主要集中在： 1 详细阐述移动定位技术的原理和技术体制，以及对不同定位技术的比较。 2 详细阐述了g s m 网络所采用的先进的定位机制以及业务流程，以及在此网络 上开发移动定位应用所应该着重考虑的问题。 3 具体展示了作者在手机上实现移动定位应用的开发设计。其中主要包含以下 两个工作：首先，深入分析网络运营商采用的定位机制和向第三方软件厂商提供的定 位业务接口，了解业务开发中涉及到的各种业务机制如应用提交、验证、计费等；然 后，根据网络运营商的定位方案和软件厂商的业务特点，设计出实用的定位程序。 关键词：j 2 e ew a p 移动定位 a bs t r a c t l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e si sat e c h n o l o g yt h a td e t e c t st h eu s e r s a c t u a ll o c a t i o n s ( i n c l u d i n g l a t i t u d ea n dl o n g i t u d e ，s p e e d ，h e i g h t se t c ) t h r o u g hm o b i l ep h o n e ，p d a ，l a p t o pc o m p u t e r , s p e c i a lo r i e n t a t i o nd e v i c e se c t ，c o o r d i n a t e dw i t hw i r e l e s sn e t w o r k t h ea r t i c l eg e n e r a l l y p r e s e n t su sh o w t od e v e l o pv a l u e a d d e da p p l i c a t i o np r o c e s sb a s e do ns o m ec e r t a i nl o c a t i o n s e r v i c e ss y s t e mo f w i r e l e s sn e t w o r k t h em a i np o i n t so f t h ea r t i c l ea r e ： 1 d e t a i l st h ep r i n c i p l e sa n ds y s t e mo fl o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s ，a n dc o m p a r i s o na m o n g v a r i o u so r i e n t a t i o nt e c h n o l o g i e s 2 s p e c i f i e st h ea d v a n c e do r i e n t a t i o ns y s t e ma n db u s i n e s sp r o c e s sa d o p t e db ys o m e n e t w o r ko fg e n e r a t i o n a n da l s op r o v i d e ss o m ei m p o r t a n tp o i n t st h a tn e e dt ob et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et h i r dp a r t y 3 p r e s e n t sp r o g r a md e s i g no fh o wt or e a l i z et h ea p p l i c a t i o no fl o c a t i o no r i e n t a t i o n ，w h i c h i n c l u d e st w oa s p e c t s ：f i r s t a n a l y z e st h eo r i e n t a t i o ns y s t e ma d o p t e db yt h en e t w o r k s a l e s m e na n dt h eb u s i n e s si n t e r f a c e sp r o v i d e dt ot h es o f t w a r ei n d u s t r i e s e x p l a i n st h ew o r d s s u c ha ss u b m i t ，c o n f o r m a t i o n ，c o u n t i n g ，e t ct h a ti n v o l v e dd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o d s e c o n d ，w o r ko u tt h ef u n c t i o n a lo r i e n t a t i o np r o g r a mb a s e do nt h ec e r t a i np r o j e c to f s a l e s m e na n ds p e c i a l i t yo fs o f t w a r ei n d u s t r y k e y w o e d s ：j 2 e ew a pm o b i l el o c a t i o n l i 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明( 4 号宋体) ( 以下正文内容用小4 号宋体) 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，填写论文题目是本人在指导教师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 上月鲤日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕十、博十学位论文版权使用规定”，同 意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系 列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年上月坦日年上月盟日 年月丝日 1 1 课题背景 第一章绪论 移动通信是当今发展最快的科技之一，各种全新的无线通信概念层出不穷，各种 新体制及其关键技术同新月异，这些重大观念的改变已经成为2 1 世纪移动通信的标 志】。第三代移动通信系统是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的，当时称为未来 公众陆地移动通信系统( e p l m t s ) ，1 9 9 6 年正式更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i t u - 2 0 0 0 ) ， 业界习惯将其称为第三代移动通信系统( 3 g ) 。它主要工作在2 g h z 频段，使用智能网 技术进行移动性管理工作和业务控制，能集成监察系统、无绳系统、卫星系统等多种 无线网络环境，提供广泛的移动电信业务【2 j 。无线定位技术是第三代移动通信的一个 重要技术。移动通信网地区范围内位置随时变动，在发生紧急时间需要救援或者在其 它一些需要其位置信息的情况下，利用无线电波测定用户的位置信息及时采取措施具 有非常重要的意义。而且准确测定移动电话的位置可以使移动通信网络对于何时进行 小区切换做出更好的判决，长春对移动电话位置的检测也有助于移动通信网的建设规 划。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 就公布了e - 9 1 l ( e m e r g e n c y - 9 1 1 ) 的定位需 求，要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各种无线监察网络系统必须能提供精度在1 2 5 m 内 的定位服务，而且满足此定位精度的概率不能低于6 7 ，并且在2 0 0 1 年以后，提供更 高的定位精度和三维位置信息1 3 j 。 准确的讲移动定位服务就是指通过无线终端( 手机、p d a 、笔记本电脑等) 和无 线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息( 经纬度坐标数据) ，从而提供用户所 需的与位置和方向相关的增值服务。定位服务又叫移动位置服务，它是通过移动运营 商的网络如g s m 网、g s m 网等获取移动终端用户的位置信息在电子地图平台的支持下， 为用户提供相应服务的一项增值业务1 4 。 根据统计，在2 0 0 4 年各种移动通信业务用户数排名中，定位业务用户已超过移 动电子商务、移动银行等增值业务，仅低于语音业务而位居第二。移动定位技术代表 着全新的商机，代表着移动技术发展的一个新的阶段【5 j 。 1 2 国外公司的研究现状 目前，国外各大主要移动设备制造商都在开展与移动定位服务相关的研发和市场 开拓工作，这些移动设备制造商主要包括爱立信、诺基亚和摩托罗拉等。 m p s 系统是由爱立信提出的一种用来确定移动用户地理位置信息的定位系统的名 称嘲。该系统主要包括基于服务器的移动定位中心( m p c ) 和用于h l r ( 归属位置寄存 器) 、m s c v l r ( 移动业务交换中心来访位置寄存器) 和b s c ( 基站控制器) 的软件扩展功 能。 其中m p c 包括网关移动定位中心( g m p c ) 和服务移动定位中心( s m p c ) 。m p s 系统 将小区i d 的时间提前量t a 等位置信息通过g s m 网络提供给m p c ，然后由m p c 计算出 坐标，这些坐标将会被移动通信网络运营商所提供的应用所使用，或者被互联网服务 提供商所提供的应用所使用。 爱立信移动定位的解决方案由三部分组成：1 、定位过程：用于找出和发送终端 的定位数据。定位过程包括需要与g m p c 进行通信的信念以及不同网元之间的信令流 程。2 、定位网关：g m p c 作为公用陆地移动网络( p l m n ) 和位置服务客户端之间的一 个网关来使用。另外，g m p c 还负责对位置服务客户端的授权处理位置服务。3 、客户 端：位置服务客户端装有使用定位信息的各个应用，它通过应用编程接口与g m p c 进 行通信。基本上有两类的位置服务客户端：由系统厂商、运营商和第三方应用开发商 向系统提供的外部应用，这些应用通过标准t c p i p 和h t t p 协议与m p c 进行通信；内 部应用，如紧急呼叫，这些应用利用基于s s 7 的协议或通过t c p i p 来与m p c 进行通 f 酬7 】 i 口 。 诺基亚m p o s i t i o n 把用户的位置信息、依赖于位置信息的应用程序、中间件和服 务结合在一起，为最终用户提供新的应用空间【8 】。诺基亚承诺通过m p o s i t i o n 的定位 解决方案，移动通信运营商能够建立完整的端到端的移动定位服务；并且在移动通信 网从目前的2 g 系统向未来的3 g 系统过渡和全i p 网络升级的同时，诺基亚都将开发 相应的定位技术，以满足移动通信运营商在不同阶段的需求。诺基亚公司己于2 0 0 1 年第1 季度使用了基于c e l 卜i d 、t i m i n ga d v a n c e 和r x - l e v e l s 的定位技术为所有的 g s m 手持设备提供定位服务，该定位系统简称为m c a t c h ，m c a t c h 系统基于g s m 技术和 3 g 定位规范，是诺基亚m p o s i t i o n 解决方案的一部分，该系统己在我国福建移动的 g s m 网上试运行。 摩托罗拉的解决方案也是端到端的定位服务解决方案，目前所提供的定位服务解 决方案是基于s t kc e l li d 方式的1 9 】。该系统的组成主要包括：具备s t k ( s i m a p p l i c a t i o nt o o l k i t ) 功能的手机( 含s t k 卡) ；短信中心：定位服务器，包括定位服 务应用平台( 中间件) 、定位服务引擎：地图应用服务提供商。摩托罗拉将联合s t k 厂 商、短信平台厂商、地图应用服务提供商共同提供解决方案；与此同时，摩托罗拉 公司还将根据市场及用户需求，提供基于g p r s 网络的定位系统解决方案。 1 3 国内的研究现状 由于我国电信行业在2 g 标准即g s m 标准制定上的空白，长期以来，我国国内的 制造企业、科研单位和运营企业，在研发通信设备的时候，几乎都是从学习消化g s m 标准开始的。目前我国的一部分较大的通信设备公司如华为、大唐虽然已经具备了独 立研制大部分g s m 设备的能力，但是却都没有提出g s m 系统下的完整的移动定位解决 2 方案【1 0 】。 可喜的是2 0 0 1 年1 1 月5 日在芬兰首都赫尔辛基落下帷幕的国际电联 i t u r t g 8 l 第1 8 次会议上，由我国信息产业部电信科学技术研究院代表我国提交， 由该研究院旗下的大唐电信科技产业集团( c a t t ) 提出的第三代移动通信t d - w c d m a 建 议标准被国际电联正式采纳，成为i m t 一2 0 0 0 标准系列中的重要标准之一，这是我国 百年电信史上首次完整地提出自己的标准，并且成为国际标准【l l 】。 目前国内的公司普遍采用g p s 作为当前g s m 系统下的移动定位解决方案，在这一 解决方案中g s m 系统主要是作为一种信息传输介质来使用。 这一解决方案的具体思想是首先由g p s ( 或者差分g p s ) 技术得到移动台的地理位 置信息，然后利用g s m 的短消息功能将地理位置信息用一定的协议传递给相应的位置 应用服务器，位置应用服务器则利用这些地理位置信息来提供有关的应用服务【1 2 】。 1 4 移动定位的应用 目前无线定位技术( 主要是手机定位服务) 有着极为广泛的应用前景： 1 人身安全和紧急求助 遇到紧急情况时，移动定位功能可及时有效地提供求救人员的位置，随着活动范 围的扩大，这种威胁也越来越大。因此，危险情况下的紧急救援显得尤为重要【1 3 1 。只 要用户的手机支持移动定位业务，用户在紧急时刻就可以拨打紧急救援电话，比如中 国的1 1 0 、日本的4 1 1 ，美国的9 1 1 电话。移动通信网络在将该紧急呼叫发送到救援 中心的同时，会启动相应的移动定位流程将用户的位置信息一起传送给救援中心，救 援中心在收到了位置和呼救信息后，就可以根据具体的情况，快速高效的开展救援活 动大提高了救援成功的几率。特别是在美国“9 1 1 ”事件以来，移动定位业务迅速得 到了发展，呈现出快速上升的趋势i l 制。 2 汽车防盗 可将移动定位系统放在汽车某个不易发现的部位，甚至集成到汽车发动机内，一 旦汽车被盗，利用定位功能可很快定出被盗汽车的位置，从而擒获盗车者。 3 车辆导航和智能交通 在提供移动定位业务之前，车辆一般都是使用专用的g p s 设备来导航。这种专门 的定位系统的优点是定位精度高，可达到1 0 - 2 0 米，但是缺点就是造价比较贵，而且 在建筑物遮挡或山洞半隧道等地方无法正常工作。移动定位业务造价比较低，只需要 在每个跟踪目标上安放一个移动端，在需要的地方设置好移动基站就可解决覆盖问 题。这样，交通管理的调度中心就可以及时掌握车辆的移动状况，对车辆进行调度和 管理工作- re 1 5 】。 4 信息查询服务 移动定位可提供相关的位置信息服务。若需要查询离自己最近的旅馆、饭店、医 院、银行等地时，网络首先定位移动用户位置，然后给出相应的信息只需数秒钟就会 在手机显示屏上给出所需位置信息。移动互联网技术与移动定位业务相结合，就可以 轻易的实现移动环境信息查询。定位程序首先定位出用户所处的位置，然后再根据互 联网提供的信息给出用户相关的信息【1 6 1 。 5 社会治安 利用移动定位功能，公安机关可对怀疑人员进行实时跟踪以加强社会治安。例如 对犯罪嫌疑人进行定位，为公安机关迅速抓获罪犯提供有力的情报。 6 国防军事应用 对于绝大多数的军兵种，移动定位技术都有着非常巨大的应用发展前景如我方的 车辆定位、指挥所定位、机动部队定位等等，同样我们也要大力发展通过对短文信息 源的分析从而实现对敌方相关目标的定位技术，比如说一旦掌握了敌方通信频率我们 就可以对其移动指挥所或者其它移动目标进行准确的定位打击。目前这种技术美军在 两次海湾战争和恐怖打击活动中都已运用过了，并取得了较好的效果【i | 7 1 。 1 5 本文的研究工作 本文的研究不仅对于我国目i ； 的g s m 系统中提供移动定位服务具有很重要的意 义，而且对于在未来的第三代蜂窝移动通信系统中提供移动定位服务也具有很重要的 参考价值。本人参与了移动定位的g i s 系统的需求分析，设计开发和后期测试的全过 程，因此本文针对g s m 系统中的移动定位问题进行了详尽、深入的研究，其内容安排 如下： 第一章绪论。首先阐述了课题背景，其次国内外的研究现状及移动定位的应用， 最后本文的研究工作。 第二章移动定位技术。阐述了移动定位技术的背景、原理、w a p 技术的框架结构。 第三章移动定位的g i s 系统设计。详细描述了运用j 2 e e 与w a p 技术相结合的方 式，在g s m 网络上开发定位应用的方式。之后应用开发实例显示了在实践中如何开发 移动定位的手机端与服务端程序。 第四章移动定位的g i s 系统的实现。移动定位的实现是文章讨论的重点。首先介 绍了g s m 网络所采用的技术体制和原理，移动定位业务的开发背景，接下来说明了开 发环境以及开发的各种要求。总体结构通过几张结构图和流程图详细地表现出来，之 后采用直观的图片形式介绍了用户使用的各种界面。通过逐一解释各个类的功能以及 使用的参数和重要的方法使读者对整个开发过程有了完整的了解。 第五章结论。对在应用过程中的重要问题进行了详细的分析，同时对进一步的深 入研究进行展望。 4 2 1 概述 第二章移动定位技术 移动定位需要解决的根本问题就是获得移动终端当前的地理位置。由于移动终端 和蜂窝移动通信系统的固定设施之间采用无线通信，所以解决这一问题普遍采用的方 法为无线定位，即通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，然后根据特定的算 法来判断出移动终端当前的位置：测量的参数一般包括传输时间、幅度、相位和到达 角度等。 根据定位方式的不同，蜂窝移动通信系统中的定位技术一般可以分为基于终端的 定位技术和基于网络的定位技术。基于终端的定位技术是指由移动终端计算出自己所 处的位置，基于网络的定位技术是指网络根据测量数据计算出移动终端所处的位置。 根据定位手段的不同，蜂窝移动通信系统中的定位技术又可分为c 0 0 定位法、t a 定位法、t o a 定位法、t d o a 定位法、m d 定位法、a o a 定位法、t o a a o a 定位法、 g p s 定位法、辅助g p s 定位法、场强定位法和位置“指纹 法等。下面我们就按定位 手段的分类来分析每种定位技术的基本原理。值得说明的是，我们在分析这些定位技 术的时候，往往假设基站和移动台处于同一水平面内，即当地地理水平面内，基站和 移动台的高度可以忽略不计，这种假设在大多数情况下是符合实际的u 酊。 2 2 基于移动终端的定位和基于网络的定位 从定位策略的角度来看，定位系统可以分为基于移动终端的定位和基于网络的定 位两种。基于移动终端的定位是指定位计算是由移动终端自己完成的，移动终端可以 自行确定自己当前的位置，这种定位策略也称为移动终端的自定位，在蜂窝网络中又 叫做前向链路定位。基于移动终端的定位系统便于保护移动终端用户的隐私( 这里的 隐私是指用户当前的位置信息) 不受侵犯，但是要求移动终端有较强的计算能力和持 久的供电能力。基于网络的定位主要由网络系统收集待定移动终端的信息并计算移动 终端的当前位置。这类定位策略在蜂窝网络中又叫做反向链路定位。前一种定位策略 需要在用户终端中植入智能模块，而后者则需要在网络设备中植入智能模块并计算获 得位置信息。基于网络的定位系统要求待定位移动终端发送或广播一些特定的信号， 网络系统负责收集这些信号，并担负起定位计算的任务。在实际应用中，通过一些策 略控制，基于网络的定位系统也可以有效的保护用户的隐私。如果再对以上的两种定 位策略进行细分，前一处定位策略又可分为基于移动终端的定位和网络辅助定位两 种；而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位和移动终端辅助定位两种。其中网 络辅助定位是由网络端辅助移动终端进行定位测量并由移动终端进行定位计算的定 位；移动终端辅助定位是指由移动终端辅助网络端进行定位测量并由网络端进行定位 计算的定位【19 1 。 2 3 移动定位技术的分类 定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术，基于场景分 析的定位技术和基于临近关系的定位技术。 2 3 1 基于感触关系和运算的定位技术 这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角关系计算被测物体的位置，它 是最主要的，也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系的定位技术可以细分 为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术 2 0 1 。 2 3 1 1 基于距离测量的定位技术 如图2 1 所示，这种定位技术先要测量已知位置的参考点( a ，b ，c 三点) 与被 测物体之间的距离，然后利用三角知识计算被测物体的位置。一般来说，如果要计算 被测物体的平面位置( 即二维位置) ，那么需要测量三个非线性的距离数据；同理， 如果要计算被测物体的立体位置( 即三维位置) ，那么需要测量四个非线性的距离数 据。在具体的应用环境下，需要测量的距离数据数目可能要少一些。例如在某些定位 系统中，参考点总是位于被测物体之上，所以只需要测量三个距离数据就可以确定被 测物体的三维位置。具体说来，距离测量的方法有三种： 1 直接测量 - 一， | 、 、 一一 _ 图2 1 基于距离测量的定位技术 6 一 ， ，、， 、 这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。例如，机器 人移动自己的控针，直到触到障碍物，并把控针移动的距离作为自己与障碍物之间的 一个距离参数。 2 传播时间测量方法 在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。这种测 量方法需要注意的问题有如下几个： 无线电波的传播特性 因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射，而测量端无法区分直接到达的无 线电波和经过反射到达的无线电波，所以容易造成测量的误差。一般的解决方法是多 测几次，求出统计意义上的测量值。 时钟精度 因为无线电波的传播速度很快，所以为了减小测量误差必须使用高精度的时钟。 时钟同步 参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同步，这样才能保证测量结果 的正确性和精度。如果由被测物体自己进行测量，那么被测物体和参与同一个定位过 程的参考点必须保证时钟的同步；如果由被测物体自己进行测量，那么被测物体和参 与同一个定位过程的参考点必须保证时钟的同步；如果采用测量往返时间的方法那么 只要测量端保证足够的时钟精度即可。 3 无线电波能量衰减测量方法 已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射电波物体 距离接收方之间的距离。例如，在理想的传播环境下，无线电波的衰减与传播距离具 有比例关系。实际上，无线电波在空间传播时能量的误差是多种因素共同作用的结果， 而不单单与传播距离有关。具体说来，在一个地形地物较为复杂的环境中，无线电波 信号传播时的衰减会受到反射、折射、多径效应等多种因素的影响，所以这种利用能 量误差测量距离的方法不如传播时间测量方法精度高。 2 3 1 2 基于角度测量的定位技术 基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的，两者主要的 不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。一般来说，如果要计算被测 物体的平面位置( 即二维位置) ，那么需要测量两个角度和一个距离( 虚线表示) ，如 图2 2 所示。同理，如果要计算被测物体的立体位置( 即三维位置) ，那么需要测量 三个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线陈 列。 敞嗣l 物体 图2 2 基于角度测量的定位技术 2 3 2 基于场景分析的定位技术 这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数 描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。观察者根据待 定位物体所在位置的查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。由此可以 看出，这种定位技术的核心是位置数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。 2 3 3 基于临近关系的定位技术 基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定物体与一个或多个已知位置的临 近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的 各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的“c e l li d ，如图 2 3 所示。图中黑点表示的是三个待定位物体的位置也就可以确定了，基于临近关系 定位技术的应用非常广泛。 图2 3 基于邻近关系的定位技术 2 4 移动通信中的定位技术 根据定位过程中移动台和通信网络执行功能的不同，移动通信中的定位技术可分 为三类：基于网络的定位技术、基于移动台的定位技术和移动台辅助的定位技术。 基于网络的定位技术由一个或多个基站执行测量，该技术可以支持现有的移动 台，然而定位测量一般只能对激活态下的移动台进行，对处于空闲态的移动台几乎不 可能实现。 基于移动台的定位技术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( 如场强、传播时间、时间差等) 确定其与各发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能( p c f ) ， 根据有关定位算法计算出移动台的估计位置此系统将轨迹测量功能( l o c u sf u n c t i o n ) 和信息事例功能( f u s i o nf u n c t i o n ) 都设置在移动台中。基于移动台的定位技术一 般不支持现有的移动台。 由移动台辅助实现的定位技术一般由移动台执行测量，测量结果发送到网络侧进 行计算。相对其它类型的定位技术，它会增加信令时延和网络的信令负载( 特别当移 动台是位置信息的需求者时) 。由移动台辅助实现的定位技术一般不支持现有的移动 厶 口。 目前主要有以下几种基本移动定位技术可供选择。 2 4 1 小区i d 获取移动台当前所在小区的工d ，从而得到其位置信息，这是最简单的一种定位方 法也是当今无线网络中广泛采用的定位技术。另外，它也能为基于位置的计费和信息 需求提供服务。由于小区是任何无线蜂窝系统的固有特性，只需对当前系统作很少改 动就可适用这种技术。小区i d 定位技术可以发展为基于网络或基于移动台的实现方 式。前者由网络获取移动台所处于小区的i d ，无需对移动台作任何改动。后者需要在 每个小区广播本小区基站的地理坐标，移动台根据所在小区的广播信息，获知自己的 位置信息。 基于小区i d 的定位方法的最大优势是响应十分快，而且如果采用基于网络的实 现方式，无需对手机升级。它的缺点是难以保证精度。由于以蜂窝小区为定位单位， 定位精度必然取决于小区的大小。在使用微小区的城市中心地区，小区直径可能只有 1 5 0 m 左右，而在业务量稀少的偏远地区，小区直径可能从几千米到几十千米不等。基 于小区i d 的定位很难满足较高精度定位的需求【2 引。 9 2 4 2 信号强度 基于信号强度定位的理论依据是无线信号的大尺度传播模型。在大尺度传播模型 中，如果基站采用全向天线，则基站信号功率的衰减为信号距离的函数。因此根据基 站发射功率和移动台接收功率，便可计算出信号的传播距离，移动台则位于以基站为 圆心，两者距离为半径的圆上。对不在同一直线上的3 个基站进行测量，由此确定的 3 个圆的交战即为移动台的位置。 然而这项技术是定位技术中最不可靠的一种。事先匹敌基站发射功率是一种负 担，而且由于小区的扇形特性、天线和无线系统不断调整，这个过程可能十分复杂。 信号通常不是自由传输的，多径和阴影效应是无线传播无法避免的问题，穿越不同障 碍物也会引起不同程度的功率衰减，这些因素在很大程度上影响定位精度。在应用基 于测量信号强度的定位技术时，必须建立一个基于环境的信号传播模型。 基于信号强度的定位技术适用于那些已有标准信号强度测量报告的系统。在g s m 系统中，当移动台牌激活态时，能够对基站的信号强度进行测量，并把测量结果报告 给网络。因此，无需定义专门的测量流程，直接利用标准测量报告就可满足定位需求。 此系统升级简单且能支持现有的移动台。 2 4 3 信号到达角度 信号到达角度( a o a ) 技术最初由军方和政府机构共同研发，后来被运用到模拟 无线通信中。由于数字移动通信具有信号短和信道共享的特点，该技术很难成功用于 数字系统。该技术的一般版本叫“小缝隙方向寻找。它需要在每个蜂窝小区的基站 放置4 1 2 组天线阵列，这些天线阵列共同工作，由此确定移动设备发送信号相对基 站的角度。当有不少于两个基站都发现了该信号源的角度时，分别从这些基站沿所得 角度引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。 a o a 定位技术往往受由多种环境因素引起的无线信号波阵面扭曲的影响。当追踪 语音服务等连续的发送信号时，由于存在较长的分析时间，该技术的性能是可以接受 的。当呼叫者在小区间切换时，系统必须跟踪话音信道的切换。现有蜂窝基站的天线 并不适合a o a 技术。向基站增加天线阵列不仅投资大，而且随着通信法规的不断严格， 增加天线阵列会带来许多麻烦如规划、管理等等。a o a 技术能支持现有的移动台。 2 4 4 上行链路信号到达时间 上行信号到达时间( t o a ) 定位技术与基于信号强度定位技术的定位原理相类似， 也是首先获得移动台到三个基站的距离，由此确定的3 个圆的交点唯一确定了移动台 l o 的位置。不同之处在于t o a 技术中测量的是移动台上行信号到达基站的传播时间。电 波的传播速率是已知的，将传播时间与速率相乘可直接计算出移动台与基站的间距。 为了精确地测量信号的传播时间，t o a 技术要求移动台和基站的时间精确同步。 t o a 定位技术不适用于没有时钟同步的系统( 如g s m 和u m t st d d ) 。但只要网络 能为基站提供统一的时间参考，还是可以应用t o a 技术的一个变种：信号到达时间差 ( t d o a ) 技术。t d o a 技术需要测量的是移动台上行信号到达不同基站的传播时间差。 根据移动台信号经过不同路径到达两个基站的时间差，可以确定一个双曲线，因此至 少需要3 个基站进行4 次测量，以便确定两条双曲线，根据双曲线的交点，可以确定 移动台的位置。基站的时间参考点，可以通过安装g p s 设备或在网络中设置时间参考 点来实现。 t o a 和t d o a 都是基于网络的定位技术，都可以支持现有的移动台。由于集资定位 过程需要的基站和测量次数较多，因此需要较长的响应时间( 一般为l o s ) ，定位业务 繁忙时会对网络产生较大的信令负担。 2 4 5 下行链路信号到达时间差 由移动台执行测量，观察不同基站信号到达时间差的定位技术称为下行链路信号 到达时间差技术。一般可以选择对基站的控制信道信号进行测量，所以空闲状态下的 移动台也可执行测量。 下行链路到达时间差技术在不同系统的标准中的名称各不相同，但是它们的定位 原理是相同的：都是通过信号到达时间差值，确定不少于两条的双曲线，再通过这些 双曲线的交点，确定移动台的位置。 下行链路观察时间差技术都不支持现有的移动台，至少需要移动台进行软件升 级。由于e o t d 和o t d o a 技术所基于的通信系统没有同步能力，还需要在网络中增加 辅助单元，为基站提供统一的时间参考，并辅助定位测量。辅助单元和基站的比例只 要保证每个基站都能“看到 一个辅助单元。 到达时间差定位技术( 包括上行和下行) 的定位精度取决于以下因素：首先，信 号宽度决定了时间差的测量精度，从而也决定了定位精度的下限。其次，多径传输是 影响定位精度的另一重要因素。特别是在城市地区，严重的多径传输会影响探测信号 的首次到达时间。相对于偏僻地区或开放地区，城市地区定位的误差区域要大的多。 另外，可提供的测量次数也会影响定位精度，测量次数多一般都能获得较好的定位精 度。 2 4 6 相关数据库定位技术 相关数据库定位技术( d c m ) 的基本原理是：建立一个位置信息相关数据库，存 储定位系统覆盖范围内每个位置所观察到无线信号的特征信息；当需要定位时，移动 台测量周围环境的无线信号信息并把测量结果发送到位置服务器；位置服务器将测量 结果与数据库中内容进行比较匹配，与测量结果一致的信号特征信息所对应的位置区 域就是移动台当前的位置。针对不同的通信系统，信号特征信息( 或称信号指纹( 可 以包含信号强度、信号延时和信道脉冲响应，以及其他任何移动台可观测的与位置相 关的无线信号信息( 如g p s 卫星信号) 。 相关数据库定位技术是一种通用技术，可以用于任何无线蜂窝网络中。它一般不 能支持现有的移动台，其最终性能很大程度上取决于匹配算法的优劣和位置服务器的 计算和存储能力，建立信号指纹数据库并对其进行持续的扩充和维护，是提高定位系 统性能必不可少的开销。 2 4 7 辅助g p s ( a g p s ) 定位 全球卫星定位系统g p s 是7 0 年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统， 该系统于8 0 年代初投入使用。天空晴朗时，g p s 可获得5 - 4 0 m 的定位精度。但采用直 接对移动台定位，首次定位耗时较长，对于e 一9 1 1 之类的业务是无法接受的，为此， 需要将通信网络与g p s 结合起来，实现一种精度高、响应快的定位方式：辅助g p s 定 位。 a g p s 用固定位置的g p s 接收机持续跟踪g p s 卫星，将定位过程必需的辅助信息( 如 差分校正数据和卫星运行状态等) 传送给移动台。移动台获得这些信息后，根据自身 所处的近似位置和当前卫星状态，可以很快捕获到卫星信号。未采用辅助信息时，首 次捕获目标时间( t t f f ) 需要2 0 4 5 s ，采用辅助信息时，t t f f 降到卜8 s 。固定g p s 接收机一般距离间隔为2 0 0 4 0 0 k m ，形成一个辅助网络。移动台与g p s 辅助网络之间 的定位辅助信息可以通过s m s 业务流程传送。 a g p s 定位技术相对其它定位技术有很多优点，应用前景很广阔。首先它的精度是 所有定位技术中最好的，而且响应时间适宜；另外，除了要求建立g p s 辅助网络外， 无需对现有网络中的设备进行任何新的部署应用。不足之处是它需要新型手机的支 持。 2 4 8 组合定位 应该讲上面提出的这些方法各有利弊，在实际操作运营中也存在各种问题，所以 现在有相当多的研究机构已经开始将上面各种方法组合起来使用并已在理论上得到 了认证。包括g p s c e l l i d 、g p s o n e 、t d o a - a g p s 等，其中最成熟的就是g p s o n e 。 g p s o n e 定位技术结合了高级前向链路三角测量法和辅助全球卫星定位，把移动终 端定位技术与网络定位技术结合起来，发球混合定位方案定位过程首先使用定位确保 定位精度、灵敏度和速度。接着在g p s 卫星视野被部分或全部阻挡时使用g s ma f l t 技术定位，确保定位灵敏度。在上述定位手段均告失败时使用起源蜂窝小区定位确保 定位成功率。该定位技术避免了a f l t 技术在基站稀少区域定位效果差的问题，克服 和g p s 技术室内效果不佳的缺点。定位精度、灵敏度较高，终端耗电低，首次定位启 动时间短。 2 5 w a p 技术体系结构 因特网和移动通信是近年来发展迅速的两种技术。它们的出现，极大地影响和改 变了人们的生活、工作方式。但在较长一段时间内，通过移动设备访问因特网还只是 人们的一个梦想。w a p ( w i r e l e s sa p p li c a t i o np r o t o c o l ：无线应用协议) 就是在这 样一种背景下产生并发展的。w a p 的出现，将大大加快移动通信与因特网结合的步伐。 2 5 1w a p 的定义 w a p 协议是一个应用环境和无线设备的通信协议集。其设计目标是用一种与制造 商、销售商无关以及与技术无关的方式实现无线设备对因特网和高级电话服务的访 问。事实上，我们可以将w a p 看作一个简单的协议，定义了无线移动设备与网络中的 固定服务器进行通信的标准方式。 2 5 2w a p 的设计思想 w a p 协议定义了一种移动通信终端连接因特网的标准方式，提供了一套统一、开 放的技术平台，使移动设备可以方便地访问以统一的内容格式表示的因特网以及因特 网的信息。w a p 协议采用客户机服务器模式。它在移动通信终端中嵌入一个与p c 机 上运行的浏览器( 比如i e ，n e t s c a p e ) 类似的微型浏览器，从而减少对移动终端的资 源要求。w a p 把更多的事务和智能化处理交给w a p 网关( w a pg a t e w a y ) 。同时，基于 微浏览器的服务和应用临时性地驻留在服务器中，而不是永久性地存储在移动终端 中。这样做是因为大多数的移动通信终端c p u 的处理能力较弱，内在较小，无线环境 下电力供应有限。这些限制因素决定了必须把更多的任务交给w a p 网关，减少终端的 负担。正如p o n e t o m 公司所言：w a p 的设计思想就是要尽可能少地使用移动设备资源， 并通过丰富其网络功能来弥补设备资源的限制。 正是基于这个思想，w a p 协议设想应该支持各种移动通信设备( 从只能够显示一 行信息的设备到智能电话) ，应该可以运行于现有或计划中的服务( 比如s m s 、u s s d 、 g p r s 、c s d 等) ，应该适合任何移动网络标准，应该支持多种输入终端( 比如键盘、触 摸屏等) 。 1 3 2 5 3w a p 体系结构 传统的w w w 采用客户机服务器( c s ) 结构。客户端的w e b 浏览器向网络服务器 发出服务请求，服务器用标准的数据模式进行响应。与传统的w w w 通信相比，w a p 也 采用客户机n 务器方式。但二者之间最大的差别在于：客户机与服务器之间，w a p 模式多了一个w a p 网关。客户机通过w a p 网关然后再与资源服务器( o r i g i ns e r v e r ) 通信。同时，在客户机与w a p 网关之间传递的信息也有别于传统方式下客户机与服务 器间交换的信息。w a p 通信模型如图所示。 图2 4w a p 通信模型 w a p 内容与应用采用与w w w 类似的模式定义，内容的传输也采用一套与w w w 通信 协议类似的标准通信协议。移动终端的微型浏览器与标准的w e b 浏览器类似，负责协 调与用户的接口。 考虑到无线网络的带宽限制，需要把客户方的用户代理与w a p 网关间传递的信息 ( 包括请求和响应) 进行压缩编码，以减少网络数据流量，最大限度地利用无线网络 缓慢的数据传输率。 w a p 网关是一个w a p 代理。w a p 使用代理技术连接无线域和w w w 。典型的w a p 代理 主要包括两个功能： 协议转换一负责把w a p 协议栈( w s p 、w t p 、w t l s 和w d p ) 的请求转换为w w w 协议 栈( h t t p 和t c p i p ) 的请求。 内容编码和解码内容编码器负责把w a p 内容转换成压缩编码格式，从而减少 无线网络上传输的数据量。通过使用代理技术，移动终端用户可以浏览大量的w a p 内 容，应用开发者也能开发出大量与其具体终端无关的应用服务。同时，w a p 代理允许 内容和应用驻留在固定的w w w 服务器上，并且采用成熟的w w w 技术来开发应用。 标准的模型包括w a p 客户机、w a p 代理以及w a p 服务器。但w a p 体系结构可以支 1 4 持其他的配置。比如把w a p 代理的功能包含在w a p 服务器中，这样就可以实现客户与 服务器安全的端到端连接。 2 5 4w a p 体系结构的组成 w a p 体系结构为移动通信设备的应用开发提供了一种可伸缩、可扩展的环境。它 采用类似于t c p i p 协议栈的分层设计思想，但进行了修改和优化，以适合无线通信 环境。其中的每一层协议均定义有标准的接口，可被上层协议调用，亦可被其他的服 务和应用直接访问。w a p 分层协议栈如图2 5 所示 图2 5w a p 分层协议栈 下面分别对w a p 体系结构的各层进行简要介绍。 1 w a e ：无线应用环境 w a e 是一种普遍意义上的应用开发环境，支持在不同无线通信网络上方便高效地 开发和运行应用服务。一个典型的w a p 应用系统包括三类实体：具有用户代理功能的 移动终端、实现协议转换的w a p 代理和提供应用服务的源服务器。 2 w s p ：无线会话协议 w s p 采用统一的接口给应用层的w a e 提供两种类型的服务：基于w t p 的面向连接 服务和基于w d p 的无连接服务。目前，w s p 包含适合浏览器应用的服务( w s p b ) ，w s p b 提供的功能包括： 用压缩编码方式表示的h t t p 请求语义。 长时间的会话状态 会话暂停和恢复以及协议功能协商 w s p b 允许通过w a p 代理实现w a p 客户机与标准h t t p 服务器的连接。 3 w t p ：无线事务协议 w