手机移动定位系统的设计与实现优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文 工程硕士 手机移动定位系统的设计与实现 the design and implementation of mobile phone position system 曹伟 2006 年 6 月 国内图书分类号 tp319 国际图书分类号 621 3 工程硕士学位论文 手机移动定位系统的设计与实现 硕 士 研 究 生 曹伟 导师 李斌教授 副导师 蒋纯波工程师 申请学位 工程硕士 学 科 专 业 软件工程 所在单位 软件学院 答辩日期 2006 年6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tp319 u d c 621 3 dissertation for the master s degree in engineering the design and implementation of mobile phone position system candidate supervisor associate supervisor academic degree applied for speciality affiliation date of defence degree conferring institution cao wei prof li bin sr engineer jiang chunbo master of engineering software engineering school of software june 2006 harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 随着社会的进步 人们的活动范围越来越大 越来越不确定 这种移动 性和不确定性 为手机定位创造了极大的市场需求 手机定位是指通过手机 和移动通信网络的配合 确定手机的的实际位置信息 即经度 纬度坐标 在第二代移动通信系统中手机定位应用不能满足用户的需求 随着第三代移 动通信标准的提出 基于手机精准位置的服务将有极大的发展 手机移动定 位系统具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力 多年来 人们已经在如何高精度地定位手机方面进行了大量的研究 提 出了多种定位技术 目前 国外各大跨国公司 如爱立信 诺基亚等对第二 代移动通信系统中 gsm is 95 和第三代移动通信系统中的 wcdma 和 cdma2000 等网络采用的定位技术进行了深入的研究 并制定了相应的手 机定位实施方案 但是 目前没有公司针对基于 td scdma 标准的第三代 移动通信系统 制定手机定位的实施方案 td scdma 标准本身的几个关 键特性 使其在手机定位方面有自己独特的优势 例如 基站使用智能天线 技术 使测量到达方位角 aoa angle of arrival 成为可能 可以实现单基站 定位 手机可以利用基站导频信号的码片时延来确定到基站的距离 这些特 性可以用来提高定位精度和减少定位时间 从而提供比其他第三代移动通信 网络更好的定位服务质量 本文针对基于 td scdma 标准的移动通信系统手机定位问题进行了详 尽 深入的分析和研究 介绍了基于普天信息技术研究院高可用电信级业务 应用开发平台 设计和实现手机移动定位系统的方案 通过程序设计语言来 实现系统功能 并在实际的网络环境中对手机进行定位测试以验证系统性 能 关键词 移动通信网络 移动定位 手机 i 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 abstract with the development of society the people s activity area was growing uncertain increasingly this will create tremendous market demand for mobile phone positioning positioning mobile phone is to determine handsets coordinates including longitude and latitude through mobile phone working with mobile communications network because the mobile phone positioning in the second generation mobile communications system can not meet the customers demands with the standards of the third generation mobile communications ware put forward the service base on accurately locationing mobile phone will develop enormously mobile phone positioning system has broad application prospects and great market potential people have been in the area of high precision positioning mobile phone for years base on considerable work several positioning technologies had been put forward currently the major transnational corporations such as ericsson nokia have in depth studies the positioning technologies in the second generation mobile communication system such as gsm is 95 system and 3g mobile communications systems such as wcdma and cdma2000 contrive corresponding schemes about mobile positiong system also however there is no project based on td scdma of the third generation mobile communication standards td scdma has several key characteristics and these characteristics made td scdma system has its own unique advantages on positioning mobiles for example nodeb make use of smart antenna technology nodeb could measure aoa angle of arrival it is possible to achieve single nodeb positioning mobile phone can use the code base frequency signal to determine the distance between mobile phones and nodeb these characteristics can be used to improve positioning accuracy and reduce positioning time therefore it can provide the better positioning service quality than other communication networks this paper analysis and research problems of positioning mobile phones on td scdma detailedly and deeply base on high available telecommunication ii 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 services applications development platforms of institute of putian this paper introduces how to design and realization the mobile phone positioning system design and realize the system functions by using programming languages this paper give the result of testing in the actual network environment in order to verify the system performance keywords mobile communication network mobile position mobile phone iii 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目 录 摘 要 1 abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的背景及研究目的 1 1 2 与课题相关的国内外研究综述 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 4 1 3 本论文的主要工作内容 4 第 2 章 移动定位系统及相关技术 6 2 1 移动定位系统逻辑模型 6 2 1 1 lcs客户端 6 2 1 2 lcs服务端 7 2 1 3 信息流 9 2 2 移动定位技术 10 2 2 1 cellid定位技术 10 2 2 2 aoata定位技术 10 2 2 3 otdoa定位技术 11 2 2 4 a gps定位技术 13 2 3 本章小结 13 第 3 章 手机移动定位系统的设计 14 3 1 系统需求分析 14 3 2 系统总体功能结构设计 15 3 2 1 系统开发平台 15 3 2 2 系统功能模块化分和设计 17 3 3 定位处理子系统设计 18 3 3 1 定位公共过程设计 18 3 3 2 phs cellid模块的设计 19 3 3 3 phs aoata模块的设计 20 iv 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 3 4 phs otdoa模块的设计 22 3 4 系统开发环境配置 23 3 5 本章小结 24 第 4 章 手机移动定位系统的实现 25 4 1 定位控制子系统的实现 25 4 1 1 定位控制子系统正常运行的实现 25 4 1 2 定位控制子系统消息处理的实现 26 4 2 定位处理子系统的实现 27 4 2 1 phs cellid模块的实现 28 4 2 2 phs aoata模块的实现 33 4 3 本章小结 41 第 5 章 系统测试及结果分析 42 5 1 测试环境 42 5 2 测试目标 42 5 3 测试方案 43 5 4 实际测试结果与分析 43 5 4 1 郊区测试结果及分析 43 5 4 2 市内开阔地区测试结果及分析 45 5 4 3 建筑物密集地区测试结果及分析 47 5 5 本章小结 48 结 论 49 参考文献 50 攻读学位期间发表的学术论文 53 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 54 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 54 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 54 致 谢 55 个人简历 56 v 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 1 课题的背景及研究目的 随着社会的进步 人们的活动范围越来越大 越来越不确定 这种移动性 和不确定性 为手机定位创造了极大的市场需求 1 在第二代移动通信系统中 手机定位效果不能满足用户的需求 2 随着第三代移动通信标准 3 4 的提出 基 于手机精准位置的服务 5 将有极大的发展 为用户提供手机定位服务将成为移 动通信系统必备的基本功能 6 1996 年美国联邦通信委员会制定了e911 7 8 实施计划 要求移动运营商为 用户提供e 911 紧急求援 服务 必须能对发出e 911 紧急呼叫的手机提供精度 在 125 米内的定位服务 而且满足此定位精度的概率应不低于 67 用来为呼 叫者提供即时救援 欧洲委员会也于 2003 年制定了类似位置服务的法规 手 机移动定位技术的迅速发展 一方面得益于上述一些国家和地区强制性法令的 推动和影响 另一方面是由于手机移动定位所蕴涵的巨大市场潜力得到了广泛 认同 据估计 到 2007 年底美国将占踞全球将近 50 的高精确度的手机定位 市场 日本则占踞第二的位置 占大约 1 3 的市场 欧洲的运营商占有 1 7 的 市场份额 9 现在的商业利益与市场需求成为手机定位的两大动力 为手机用 户提供手机定位服务将是第三代移动通信系统必备的基本功能 10 目前 国外各大跨国公司 如爱立信 诺基亚等对第三代移动通信系统中 的wcdma 11 和cdma2000 12 等网络采用的定位技术进行了深入的研究 并制 定了相应的手机定位系统的解决方案 但是 一方面 这些手机定位系统只能 提供较低精度的手机定位服务 另一方面 这些手机定位系统不能应用在基于 td scdma标准 13 的通信系统上 因此 设计和实现基于td scdma标准的 手机定位系统也愈发显得重要 而且具有非常重要的实现意义 14 本课题研究的目的是通过对移动定位系统逻辑模型分析研究 结合手机定 位相关技术的应用 设计基于普天信息技术研究院高可用电信级业务应用开发 平台的手机移动定位系统的解决方案 在此基础上采用定位控制与定位处理相 分离的方法 实现手机移动定位系统 并通过在实际的网络环境中对手机进行 定位测试来验证系统性能 1 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 2 与课题相关的国内外研究综述 1 2 1 国外研究现状 众所周知 手机定位是一项最能体现移动特征的服务 15 全世界范围内的 运营商和增值服务提供商都对手机定位的前景充满了信心 在日本 韩国 欧 洲 北美市场 在用户自身需求和政府公共服务的驱动下 手机定位已经逐步 渗入到日常生活中 16 目前 国外各大跨国公司 如爱立信 诺基亚 摩托罗拉和三星等对第二 代移动通信系统中gsm 17 is 95 18 和第三代移动通信系统中的wcdma和 cdma2000 等网络采用的定位技术进行了深入的研究 并制定了相应的定位 实施方案 爱立信的手机移动定位系统 19 是一种网络集成的手机定位系统 可以估计 手机所在位置的经度和纬度 其核心是移动定位中心 mpc mobile position centre 这是在网络中部署的定位网关 是gsm标准的一部分 移动定位中心 与gsm网络中的移动交换中心 msc mobile switch centre 访问位置寄存器 vlr visitor location register 和归属位置寄存器 hlr home location register 相连接 其中 mpc 包括网关移动定位中心 gmpc gateway mobile position centre 和服务移动定位中心 smpc service mobile position centre 移动定位系统将 小区 id 和时间提前量 ta 等信息通过 gsm 网络提供给 mpc 然后由 mpc 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 爱立信手机移动定位的解决方案由三部分组成 定位过程 定位网关和位 置服务客户端 其中 定位过程位于smpc中 用于找出和发送终端的定位数 据 定位过程包括需要与gmpc进行通信的信令以及不同网元之间的信令流 程 gmpc作为公共陆地移动网络 plmn public land mobile network 和位置 服务客户端之间的一个网关来使用 另外 gmpc还负责对位置服务客户端的 授权 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 gmpc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tcp ip标准 20 和http 协议 21 与mpc进行通信 内部应用 如紧急呼叫 这些应用利用基于ss7 22 的 2 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 协议或通过tcp ip来与mpc进行通信 爱立信还开发了由手机移动定位系统提供的位置信息并将其转化为实际应 用 爱立信的本地化互联网是一种网络应用 可以作为位置业务的代理 爱立 信的手机定位系统是一种使gsm电话 wap 23 24 或掌上电脑 pda 用户与gsm 网络连接 随时确定朋友或同事的移动电话的位置和状态的应用 实际上 它 成为了 现场 移动电话簿 mposition 定位系统是由诺基亚提出的完全的端到端的手机定位服务解决 方案 如图 1 1 所示 图 1 1 诺基亚 mposition 移动定位系统 诺基亚mposition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 为用户提供新的应用空间 诺基亚承诺通过mposition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 2g系统向未来的 3g系统过渡和全ip网络 25 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 2001 年第 1 季度使用了基于cell id iming advance和rx levels的定位技术为所有的gsm手机提供定位服务 该定位系统简称为 mcatch mcatch系统基于gsm技术和 3g定位规范 是诺基亚mposition解决方 案的一部分 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stk cellid方式的 该系统的组成主要包括 具备stk sim application toolkit 功能的手机 短信中心 定位服务器 地图 应用服务 提供商 此外 摩托罗拉公司提供基于gprs网络 26 27 的手机移动定位系统解 3 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 决方案 1 2 2 国内研究现状 相比较国外手机定位的开展情况 鉴于我国电信行业在 2g标准即gsm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gsm标准开始的 所以我国自主研 发手机定位系统较晚 可喜的是目前我国的一部分较大的通信设备公司如华 为 中兴等具备了独立研制完整的移动定位解决方案的能力 华为定位系统组 网结构图如图 1 2 所示 图 1 2 华为定位系统组网结构图 该系统的特点是 支持多网络解决方案 提供gsm gprs wcdma的定位 解决方案 为终端用户提供丰富接入方式 sms mms ussd wap web 28 语音 kjava 支持按次 包月等多种灵活计费模式 基本满足运 营商和用户的需求 1 3 本论文的主要工作内容 本课题来源于普天信息技术研究院无线网络项目部手机移动定位系统项 目 在移动通信网络中 实现对手机进行不同精度的定位 提供面向手机的高 精度的定位解决方案是这个项目的主要目的 本课题针对在移动通信系统中对手机进行定位的特征 基于普天信息技术 4 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 研究院高可用电信级业务应用开发平台 应用移动定位技术实现对手机的定 位 不仅能够实现对手机的定位 而且还能减少定位的时间以及提高定位的精 度 本论文的内容包括以下几个部分 第 1 章绪论 简要描述课题的来源 背景及研究目的 以及与手机移动定 位系统相关的国内外研究现状 第 2 章介绍了移动定位系统及相关技术 分别是 cellid 定位技术 aoata 定位技术 otdoa 定位技术和 a gps 定位技术 为手机移动定位系 统的实现奠定了基础 第 3 章通过对需求进行分析 设计系统的总体功能结构 基于普天信息技 术研究院高可用电信级业务应用开发平台 将手机移动定位系统分为定位控制 子系统和定位处理子系统 并分别对定位控制子系统和定位处理子系统进行了 设计 为系统的实现打下了良好的基础 第 4 章详细描述了定位控制子系统和定位处理子系统的实现 其中定位处 理子系统分为四个模块来实现 以 phs cellid 模块和 phs aoata 模块为例 详细描述了定位处理子系统四个模块的实现方法 第 5 章结合实际测试的结果对系统进行性能评估 对于系统的实现技术以 及结果进行验证 并给出了系统的测试数据及系统性能分析 论文最后一章结论 总结了论文的研究方法和成果 展望了今后的改进方 向 5 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 2 章 移动定位系统及相关技术 2 1 移动定位系统逻辑模型 移动定位系统 lcs location system 逻辑模型 29 如图 2 1 所示 该模型 采用了客户 服务器模式 分为目标用户 lcs服务端 lcs客户端三部 分 考虑到位置计算功能的单一性和手机定位的多样性 将服务器分为定位 计算服务器 手机定位提供服务器 图 2 1 移动系统定位逻辑模型 2 1 1 lcs 客户端 lcs客户端是个逻辑的功能实体 可以向在公共陆地移动通信网络内的 lcs服务端请求关于一个或者多个手机的位置信息 请求信息可以包含一些 参数 如 qos 30 31 lcs客户端可以是手机本身或者其它手机 也可以是 移动通信网络中的管理者 还可以是该公共陆地移动通信网之外的用户 即 external lcs client 每个 lcs 客户端都包含一个客户端处理组件 客户端处理组件由很多 定位客户端功能 lcf location client functions 组成 如图 2 2 所示 图 2 2 lcs 客户端 6 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 lcf 提供 lcs 客户端和 lcs 服务端逻辑接口 lcf 负责向 lcs 服务 端发送位置信息请求和接收从 lcs 服务端返回的位置信息 2 1 2 lcs 服务端 lcs 服务端功能组包括客户端处理组件 client handling component 系 统处理组件 system handling component 签约用户处理组件 subcriber handling component 和定位组件 position component 四大部分 如图2 3所示 图 2 3 lcs 服务端 2 1 2 1 签约用户处理组件 签约用户处理组件由定位签约者授权功能 lsaf location subscriber authorization function 和定位签约者隐私功能 lspf location subscriber privacy function 两部分组成 定位签约者授权功能 lsaf 对移动用户进行认证 决定该移动用户 是否可以被定位 当 lcf 处于移动用户端时 它还负责检查用户是否签约 了申请的 lcs 服务 定位签约者隐私功能 lsaf 负责执行用户的保密性要求 比如对一 目标手机 如果要对其定位 需要执行一系列的保密操作 如回答问题 校 验密码等 2 1 2 2 系统处理组件 系统处理功能组件由位置测量单元移动功能 lmmf location measure unit mobile function 定位系统控制功能 lscf location system control function 定位系统计费功能 lsbf location system billing 7 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 function 定位操作功能 lsof location system operation function 和定位 系统广播功能 lsbcf location system broadcast function 五部分组成 位置测量单元移动功能 lmmf 是可选的 当位置测量单元作为网元 单独存在于 lcs 系统中时 它才存在 lmmf 负责该 lmu 的操作维护和 对该 lmu 在手机移动定位系统中进行注册 lmmf 是独立于其他 lcs 功 能组件的 它的输出提供给定位功能组件中的 prcf 定位系统控制功能 lscf 负责管理位置服务请求 并分配网络资源 进行定位处理 lscf 与 lccf lsbf 和 prcf 都有接口 通过这些接口 把定位请求发往 prcf 把定位数据转发给 lccf 把计费信息传给 lsbf 定位系统计费功能 lsbf 负责 lcs 服务的计费工作 包括对 lcs 客 户和目标手机的计费 定位操作功能 lsof 负责对 lcs 操作的维护工作 包括提供数据 测试定位服务容量 提供 lcs 客户数据 目标手机数据 有效性 错误管 理和性能管理 定位系统广播功能 lsbcf 是可选的 lsbcf 提供广播功能 lsbcf 利用广播功能来发送一些辅助数据 应用在 otdoa a gps 等需要广播数 据的定位技术中 2 1 2 3 客户端处理组件 客户端处理功能组件由定位客户端控制功能 lccf location client control function 定位客户端授权功能 lcaf location client authorization function 和定位客户端坐标转换功能 lcctf location client co ordinate transformation function 三部分组成 定位客户端控制功能 lccf 管理面向 lcf 的外部接口 通过与 lcaf 交互 识别 lcs 客户并确定当前服务请求是否合法 为定位服务处 理移动性管理 确定最终的定位估计是否满足 qos 对于同时发起的多个 定位请求进行流程控制 控制 lcctf 执行坐标的转换 向 lsbf 提供 lcs 计费相关的信息 定位客户端授权功能 lcaf 负责向 lcs 客户端的服务请求进行访问 认证和签约认证 尤其需要指出 lcaf 提供对 lcs 客户端的请求访问网 络的授权以及批准客户端的订阅 lcap 提供 lcs 客户端请求特定手机位 置信息的授权功能 定位客户端坐标转换功能 lcctf 主要负责把地球经纬度信息转化 为能被 lcf 理解的本地地理位置信息 本地地理系统由一个特殊的 lcf 获 8 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 得 lcf 可以直接或者从预约信息中获得本地地理系统 2 1 2 4 定位组件 定位组件由无线定位控制功能 prcf positioning radio coordination function 无线定位辅助功能 praf positioning radio assistant function 定位计算功能 pcf power calculation function 和定位信号测量 单元 psmf positioning signal measurement function 四部分组成 无线定位控制功能 prcf 负责定位任务执行的整体组织工作 即调 整和规划网络资源 它将与 psmf 和 pcf 单元进行交互 至少和一个 praf 交互 prcf 根据 qos 网络的能力 手机的能力来决定定位技术 从而决定哪个 psmf 参与测量 并从 psmf 获得数据 将其打包后以一定 的格式传给 pcf 无线定位辅助功能 praf 负责分布在多个网络实体中的无线资源的 管理 对 prcf 提供额外的支持 praf 的特殊功能是 在基于网络的定位 技术中引发目标手机发出位置测量信号 在基于手机和手机辅助的定位技术 中引发网络或者其他源发出位置测量信号 定位计算功能 pcf 负责位置信息的计算 pcf 将获得基站的地理坐 标信息 并将其保存 pcf 将根据获得的测量数据 使用特定的算法估计 出目标手机的位置和精度 pcf 还支持位置信息在不同的地理位置参考系 统间的转换 定位信号测量功能 psmf 负责对上行或下行的无线测量信号的测 量 这些测量数据有的是与定位直接联系的 有的是一些辅助数据 2 1 3 信息流 lcs 客户端和 lcs 服务端之间存在位置服务请求和位置服务响应两种 信息流 位置服务请求信息包括两种类型 lir location immediate request 和 ldr location deferred request lir 请求是指位置信息在指定的时间内 立即得到响应 它与任何其他事件是无关的 ldr 请求是指位置信息在 lcs 客户指定的某个事件出现后得到响应 它可以是周期性的 位置服务 请求信息包含以下的属性 目标手机 lcs 标识 状态 空闲 专用 事件 仅应用于 ldr 服务质量 qos 当地坐标系 地理区域 位置服务响应信 息相应的也包括两种类型 immediate response 和 deferred response 9 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 2 移动定位技术 2 2 1 cellid 定位技术 cellid cell identifier 定位技术是最简单 应用广泛的一种定位技术 在 2g 3g通信网络中都有将广泛的应用 这种定位技术的优点是无需对手 机和现有的网络进行升级 仅需在现有网络中增加一些定位软件即可直接向 现有的移动用户提供最基本的定位服务 32 它的定位原理很简单 网络根据手机当前服务基站的位置和小区覆盖来 定位手机 若小区为全向小区 则手机的位置是以服务基站为中心 半径为 小区覆盖半径的一个圆内 若小区分扇区 则可以进一步确定手机处于某扇 区覆盖的范围内 显而易见 这种定位技术的精度完全取决于手机所处小区 的大小 从几百米到几十公里不等 cellid定位可以为一些精度要求不高的手机定位提供服务 也可以为 基于位置的计费和信息需求提供服务 cellid定位的最大优点是定位快 速 由于cellid 定位不需要手机的定位测量 并且空中接口的定位信令 传输很少 所以定位响应时间较短 一般在 3s以内 与其他技术相比 cellid的缺点是其精度最低 误差一般大于 125m 33 2 2 2 aoata 定位技术 aoata定位技术是一种综合ta定位技术和aoa定位技术的新的定位技 术 34 该技术的基本思想是由手机的服务基站测量手机发射信号到达手机 的时间和角度 与ta定位技术相同 发射信号中也要包含发射时间标记 但是该技术不要求网络的基站时间同步 而只要求手机时间和服务基站的时 间同步 这可以通过基站的同步信道来实现 aoata定位技术只需要一个 基站参与测量即可以知道手机的位置 如图 2 4 所示 图中 为基站测出的手机信号到达的角度 t为测出的手机的信号到 达基站的时间 手机发射信号的时间为 己知基站的坐标为 s t 11 x y 假设 手机的坐标为 则有位置关系表达式如公式 2 1 2 2 所示 x y 11 sin cosyyxx 2 1 222 11 s 2 xxyyctt 2 2 10 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 图 2 4 aoata 定位法 aoata 定位技术是一种基于网络的定位技术 该技术最大的优点在于 只需一个基站就可以定出手机的位置 该技术同时具有 ta 定位法和 aoa 定位法的一些缺点 这里就不详述了 2 2 3 otdoa 定位技术 otdoa observed time difference of arrival 是一种应用于 3g网络的多 基 站 定 位 技 术 35 在 gsm 网 络 中 也 有 类 似 的 定 位 技 术 称 为 eotd enhanced observed time difference otdoa定位技术的基本原理 是 当手机到两个基站位置固定时 它就一定在一条双曲线上 要确定一个 手机的位置 就至少需要三个基站 otdoa需要三个测量数据 观察时间 差otd 真实时间差rtd和地理位置时间差gtd otd是手机测量到的两 个位置不同的基站的信号的接收时间差 rtd是两个基站之间的系统时间 差 rtd的值可以由td scdma网络提供 gtd是两个基站到手机由于距 离差而引起的时间差 这三个量之间的关系为 otd rtd gtd otdoa 定位技术如图 2 5 所示 设 d1为手机到基站 1 的距离 d2为手机到基站 2 的距离 d3为手机 到基站 3 的距离基站 1 和基站 2 之间的距离 gtd 为 gtd12 基站 1 和基站 3 之间的距离 gtd 为 gtd13 网络提供的基站 1 和基站 2 之间的 rtd 为 rtd12 网络提供的基站 1 和基站 3 之间的 rtd 为 rtd13 则基站间的距 离如公式 2 3 2 4 所示 11 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12121212 ddgtdotdrtdc 2 3 13131313 ddgtdotdrtdc 2 4 已知基站基站 1 基站 2 基站 3 的坐标为 11 x y 22 x y 33 x y 手机的坐标为 则有位置关系表达式如公式 2 5 2 6 所示 x y 2222 1122 12 xxyyxxyyc t 2 5 2222 1133 13 xxyyxxyyc t 2 6 式中c为无线电波速度 t12 otd12 rtd12 t13 otd13 rtd13 图 2 5 otdoa 定位技术 实际的位置估计算法需要考虑多基站 3 个或 3 个以上 定位的情况 因 此算法要复杂很多 一般而言 手机测量的基站数目越多 测量精度越高 定位性能改善越明显 使用这种技术 需要手机所测量的基站同时发出下行 导频信号 因此 网络中的所有基站必须实现时间同步 一般可通过在基站 安装 gps 接收机或连接到时间同步网来实现基站的同步 otdoa的定位精度相比cellid技术要高 但它的精度受到环境的影 响 在郊区和农村可以将手机定位在 10 20 米范围内 在城区由于高大建 筑物较多 电波传播环境不好 信号很难直接从基站到达手机 一般要经过 12 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 折射或反射 下行导频信号的toa也就出现了误差 因此定位精度会受到 影响 定位范围为 100 200 米 一般情况otdoa定位响应时间在 3 6s之 间 36 2 2 4 a gps 定位技术 a gps assisted global positioning systems 37 是网络辅助的gps定位的 简称 这种技术需要网络和手机都能够接收gps信息 它的基本原理是 网 络向手机提供辅助gps信息 包括gps伪距测量的辅助信息 例如gps捕获辅 助信息 gps定位辅助信息 gps灵敏度辅助信息 gps卫星工作状况信息 等 和手机位置计算的辅助信息 例如gps历书以及修正数据 gps星历 gps导航电文等 利用这些信息 手机可以很快捕获卫星并接收到测量信 息 然后将测量信息发送给网络中的定位服务中心 由它计算出手机当前所 处的位置 由于位置计算是在网络上完成的 手机的gps接收实现复杂度大 大降低 并能够降低功耗 在开阔的环境中 如城郊或乡村 多径和遮挡是可以忽略的 a gps 的定位精度能够达到 10m 左右甚至更优 如果手机处于城区环境 无遮挡 并且多径不严重 定位精度将在 30 70m 之间 如果手机在室内或其他多 径和遮挡严重的区域 此时手机难以捕获到足够的卫星信号 a gps 将无 法完成定位 这是它的最大局限性 与其他定位技术相比 a gps定位技术的响应时间稍长 在冷启动情况 下 a gps的定位响应时间为 10s 30s 在正常工作状态下 响应时间为 3 10s之间 38 2 3 本章小结 本章首先介绍了提供移动定位服务的移动定位系统的逻辑模型 针对逻 辑模型中的各个功能组件做了简要的介绍 这部分理论是实现手机移动定位 系统的基础 明确指出为了在定位系统中实现手机定位 网络实体应实现的 功能 然后介绍了应用于第二代和第三代移动通信系统中的移动定位技术 这部分理论是实现手机定位的理论依据 在本文的第三章系统设计 第四章 系统实现都有所涉及 以上的内容为整个系统的设计做好了前期铺垫 13 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 3 章 手机移动定位系统的设计 3 1 系统需求分析 近几年全球移动电话用户突飞猛进 为手机定位创造了极大的市场需 求 欧洲研究报告指出 2005 年手机定位服务市场为 43 8 亿欧元 39 在中 国 手机定位服务尚未普及 手机定位蕴含了巨大的商机 中国移动和中国 联通正积极部署手机移动定位系统 推进手机定位服务 40 预计在未来几 年内 我国的移动手机定位市场规模很快会达到 10 亿元以上 而且还会加 速度地持续增长 因此手机移动定位系统有极大的市场需求和广阔的应用前 景 1 功能需求分析 根据手机定位的特点 移动定位系统需要实现以下几 个方面的功能 具有多精度定位功能 根据用户的不同需要 系统能够提供不同精 度的手机定位服务 以满足用户 具有高精度定位功能 能够提供定位定位误差小于几十米的精准定 位 具有实时定位的功能 实时处理手机用户发出的定位请求 同时定位多个手机的功能 该系统能够同时接收 处理多个手机的 定位请求 2 性能需求分析 按照实际应用的需求 手机移动定位系统需要能够同 时定位多个手机 在此基础上的定义了手机移动定位系统的处理能力指标 该系统能够同时定位 50 个手机 定位手机所在小区的执行定位时间小于 3 秒 定位误差小于 200 米 成功率高于 95 定位手机所在服务区的执行定位时间小于 3 秒 定位误差小于 5 公 里 定位成功率高于 95 定位系统应用 aoata 定位技术执行定位的时间小于 6 秒 定位误差 小于 80 米 定位成功率高于 85 定位系统应用 otdoa 定位技术执行定位的时间小于 7 秒 定位误 差小于 60 米 定位成功率高于 70 14 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 2 系统总体功能结构设计 3 2 1 系统开发平台 该系统基于普天信息技术研究院高可用电信级业务应用开发平台 简称 为 ui 设计实现 ui 采用了面向对象和软件分层的设计思想 ui 的下层是 硬件和操作系统 上层是业务应用的实现 ui 在系统中的位置如图 3 1 所 示 图 3 1 ui 在系统中的位置 ui 的详细系统结构如图 3 2 所示 ui 作为业务运行的框架 业务代码 需要根据具体的业务插件与 ui 一起形成整体运行 业务代码按照 ui 所提 供的规范要求进行编写完成业务处理逻辑 业务代码本身没有运行能力 即 没有进程和线程 完全由 ui 平台驱动运行 图 3 2 ui 系统结构图 15 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ui 内部同样按照模块划分和软件分层的思想 划分成 ssc signalling server component ms marshal server wh warehouse 三个模块 以及它 们之间相互进行通信的 interface 模块和底层通用组件 g infra 模块 这些模 块各自实现相应的功能 按照分布式软件构架方式灵活组合和部署 形成 ui 整体 ui 提供的仅仅是业务代码开发和运行的框架 用户如果需要完成功能 完整的电信级产品还应该配合相应的通信协议处理中间件高性能信令服务器 和网管系统 高可用电信级业务应用开发平台作为一种中间件产品 为电信级业务的 开发和运行提供一种通用框架 它基于面向对象的设计 对通信业务过程中 的许多共同特性进行了抽象和实现 按照协议分发 逻辑处理和存储分别形 成 了signalling server component ssc marshal server ms warehouse wh 三个模块 各个模块所要完成的功能和特性简述如下 ssc signalling server component ssc是ui中进行协议解析分发的 部件 它负责接收来自信令网关 41 42 的信令消息 根据协议实体的类型以 及消息类型 选择相应应用开发者提供的插件来解释这个消息 确定是初始 消息还是后继消息 并把它分发到相应的marshal server上 从业务角度来看 ssc 是一个终止具体信令和消息格式的部件 使业 务应用无需了解协议的具体实现 业务应用只需从语义的角度来理解具体的 协议消息即可 利用它来实现业务和具体信令协议的适配 ms marshal server marshal server 是用来完成某种特定业务过程 的 如呼叫建立 位置更新 路由区域更新 连接请求等 ms 从 ssc 接收 到初始或后继消息 调用上层业务应用提供的插件模块进行业务逻辑处理或 状态转移 实现实际的业务过程 ms 采用分布式负载分担的高可用性策 略 同一个业务过程总是由同一个 ms 进行处理 而不同的业务过程则可能 由不同的 ms 来处理 负载分担过程是由 ssc 来完成的 ms 支持应用的动 态载入与更新 wh warehouse warehouse 是一个可以进行实时数据存储的高性能 的内存数据库 是整个业务应用的存储系统 用来存储业务过程处理过程中 需要保存的中间结果和状态 wh对整个系统的稳定性和可靠性是非常关键 的 业务应用可以通过xml 43 44 文件来定义warehouse中数据表的存储结 构 使ui可以适应多种业务应用需要 wh支持分布式 45 以及高可用性 目 前实现的是 1 1 主备的高可用性策略 可以保证在发生软件升级 硬件失 16 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 败的情况下实时进行主 备间的切换 warehouse支持的可伸缩性使得 warehouse板卡数目可以根据应用需要动态改变 3 2 2 系统功能模块化分和设计 系统共划分为两个子系统 定位控制子系统 pcs position control subsystem 和定位处理子系统 phs position handling subsystem 其中定位 控制子系统为 ssc 插件 定位处理子系统为 marshal serve 插件 定位控制子系统 发送请求到无线网络控制器 rnc radio network controller 和接收来自 rnc 的消息 从消息中获取请求使用的定位技术和 精度 选择合适的定位技术 定位处理子系统 按照具体的定位技术进行手机定位 并将结果返回给 定位控制子系统 根据选择定位技术的不同 定位处理子系统被划分为五个 模块 定位处理子系统 sai 模块 简称 phs sai 模块 定位处理子系统 cellid 模块 简称 phs cellid 模块 定位处理子系统 otdoa 模块 简 称 phs otdoa 模块 定位处理子系统 aoata 模块 简称 phs aoata 模 块 定位处理子系统 a gps 模块 简称 phs agps 模块 依据