wcdma系统定位方法分析

WCDMA系统定位方法分析WCDMA系统定位方法分析一、前言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，LCS业务（LOCATIONSERVICES，位置业务）是被普遍看好的一种移动增值业务。目前2G系统中已经可以提供简单的基于位置的服务，随着我国3G牌照的即将发放，3G网络建设和商用进程的日益临近，位置业务将可以依托3G网络的宽带、高速的特性，变得更加丰富多彩。3G网络除了在带宽方面比2G有了明显的提高之外，还可以支持更加丰富的移动增值业务，如移动定位业务。在WCDMA系统中，就有四种主要技术可以实现移动定位，即基于CELLID（小区识别）的定位技术、OTDOA（OBSERVEDTIMEDIFFERENCEOFARRIVAL）定位技术、网络辅助的GPS定位技术和混合定位技术。下面将具体介绍WCDMA系统中位置业务及实现方法。二、位置业务位置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相关应用的业务。常见的位置业务有导航、跟踪（如物流管理、人员管理等）、城市黄页（如提供最近的银行的信息等）、紧急呼叫（比如接入最近的110服务点）、基于位置的计费等等。目前2G系统中已经可以提供相对简单的基于位置的服务；在3G系统中，由于3G网络提供宽带、高速分组业务以及CDMA系统特有的测距码精确等特性，位置业务得到了更为广泛的应用。三、定位方法及技术常见的定位方法都是基于测距通过测量移动终端到位置已知的参照物的距离，再根据一定的算法，计算出它的位置坐标。在这里，位置坐标可以指二维的，也可以是三维的。位置数据可以在网络侧进行计算（称为基于网络的），UE只提供测量数据；也可以在UE侧进行计算（称为基于UE的）。由于无线信号以恒定的速率（光速C）传播，其传播距离LCT，因此在移动通信系统中，实际上是通过对传播时间的测量来实现距离的测量。WCDMA系统中采用以下几种定位方法（1）CELLIDRTT（ROUNDTRIPTIME，往返时间）；（2）OTDOA（OBSERVEDTIMEDIFFERENCEOFARRIVAL，观察到达时间差）IPDL（IDLEPERIODDOWNLINK）；（3）AGPS；（4）混合定位。基于CELLID的定位技术（包括其增强技术RTT），由于定位精度（均指水平精度，下同）在几百米到几千米之间，不能满足大多数业务的需求。因此，虽然实现简单，但实际上应用不多。AGPS技术定位精度最高，可达几十米，但其有一个很大的缺点，就是终端成本太高。这也限制了它的应用。OTDOA技术由于其精度适中（可满足大多数业务的需求）、响应时间快、终端成本不高（只需软件支持），成为WCDMA系统标准必选的定位方法。混合定位方法则是在单靠某一定位方法无法完成位置计算的情况下，结合其它方法进行测量和计算。表1对各种定位方法进行了比较。表1各种定位方法的比较定位方法水平精度（M）响应时间（S）终端额外成本CELLIDRTOTDOA140280052低AGPS40200516高混合定位40200516高1CELLIDRTT定位原理由于移动终端（UE）在登记、位置更新及呼叫建立时，都会通过“RRC连接请求”消息上报所在的CELLID，因此基于CELLID的定位方法最为简单，网络和UE都不需作改动；此时UE的位置，就被认为是基站所在的位置（经纬度）。显然，这种方法获得的位置是很不精确的，其误差就是小区的覆盖半径，通常为数百米到数千米。为了提高定位精度，引入了RTT增强技术。在NODEB侧，对信号帧进行RTT测量，即计算接收（RX）和发射（TX）的时间差。在UE侧，对信号帧的收发时间差（UERXTXTIMEDIFFERENCE）进行测量。显然，RTT2L/CUERXTXTIMEDIFFERENCE，式中，L为UE到基站的距离；C为光速。由于RTT、UERXTXTIMEDIFFERENCE可经测量获得，C是常数，因此可根据上式计算出距离LL（RTTUERXTXTIMEDIFFERENCE）C/2从数学的观点看，UE就位于以基站为中心，L为半径的圆上，这样定位误差就由小区覆盖半径缩小到L。如果我们能对多个基站进行RTT定位，那么就能进一步缩小定位误差。例如，对如图1所示的3个基站分别进行RTT定位，计算出UE到各基站的距离L1、L2、L3，则UE就处于三个圆的交汇处。误差就大大缩小了。图13个基站RTT定位测量示意图由于RTT和UERXTXTIMEDIFFERENCE测量的对象都是专用信道（DCH），因此要同时对多个基站进行测量，UE就必须处于切换状态。例如，要对3个基站进行RTT定位，UE必须处于3方切换状态，而且参与切换的小区必须在不同的NODEB。这在绝大多数情况下是不可能的。CELLIDRTT定位精度取决于小区覆盖半径，因此在城区微蜂窝的场景下，可以满足一般的定位要求。另外，在UE侧需要进行类型2的收发时间差测量，如果UE不支持TYPE2的测量，则进行TYPEL的测量，这也会影响到定位精度。2OTDOAIPDL定位原理OTDOA通过测量UE到两个基站的无线信号传播时间差（DTOA，TIMEDIFFERENCEOFARRIVAL），来计算移动终端到两个基站的距离差。从数学的观点来看，UE的运动轨迹，就是以这两个基站为焦点、以其距离差为定差的双曲线。要实现精确定位，还必须对另外两个基站进行相同的测量与计算，获得另外一条双曲线。这两条双曲线的交点就是UE的位置。因此要实现OTDOA定位，至少需要3个基站，如图2所示。图23个基站实现OTDOA定位示意图DTOA值由UE通过测量不同基站的两个小区的CPICH信号到达的时间而获得。但与CDMA2000不同，WCDMA系统是异步的，各基站时间可以不同步，因此其距离差（L）不能直接通过DTOA乘以光速C来获得，即LCDTOA为此引入ODTOA，对各基站的时间差进行修正，使得LCODTOA假设移动台到CELL1（NODEB1）、CELL2（NODEB2）的距离分别为L1和L2。假定CELL1的CPICH信号最先到达移动终端，则CELL1、CELL2和UE发射/接收CPICH的时刻如图3所示。图3CELL1、CELL2和UE发射/校收CPICH时刻由上图可见，CELL1的CPICH信号到达UE的时刻T1相对于SFN1延迟L1/C，即T1SFN1L1/C；CELL2的CPICH信号到达UE的时刻T2相对于SFN2延迟L2/C，即T2SFN2L2/C，因此在E测量到的到达时间差TDOAT2T1（SFN2SFN1）（L2L1）/C设LL2L1，则有LC（TDOA（SFN1SFN2）（1）或LC（TDOARTD）（2）其中，RTDSFN1SFN2，称为相对时间差，由专门的设备LMU（定位测量单元）进行测量。因此距离差L可由式（2）算出。其中TDOA由UE测量，RTD由LMU测量，而（TDOARTD）即为OTDOA。在计算出距离差L后，就可通过求解双曲线方程式，来获得UE的位置坐标。由于OTDOA测量对象是CPICH信道，因此在进行OTDOA定位时，无需像CELLIDRTT定位那样先进入到CELLDCH状态；在利用多个基站进行定位时，UE在空闲状态就可完成测量，因此很容易实现。OTDOA定位有着比CELLIDRTT更高的精度，但需要至少3个基站才能进行定位；另外网络侧需要增加额外的设备（LMU），UE则需要软件支持，因此增加了成本。当UE距离基站较近时，由于接收机非线性而造成的远近效应，有可能导致UE解调不出较远基站的CPICH信号，影响到定位的效果。为了克服远近效应的影响，引入了称为IPDL的机制基站在某个预定的随机时刻，关闭所有信道的发射，以便让UE能够有效地测量相邻基站的信号。IPDL空闲期的频率是每100MS（150个时隙）出现1个时隙。IPDL机制需要基站侧与UE侧同时支持。3AGPS定位原理GPS的定位方法，就是通过接收GPS卫星的信号和报文，测算终端到GPS卫星的伪距（到达时间），最后计算出终端的三维坐标。其坐标方程式如下式中，（X，Y，Z）是待定位GPS终端的WGS84三维坐标，是方程中的未知数；为待定位GPS终端的本地时钟与GPS卫星时钟的偏差，也是方程中的未知数；C为光速，是常数；（XI，YI，ZI）为第I颗卫星的WGS84三维坐标，是方程中的已知数；PRI为待定位GPS终端测量得到的第I颗卫星的伪距，是方程中的已知数；CI为第I颗GPS卫星的伪距校正值，是方程中的已知数。由于方程式中有4个变量（X，Y，Z，），因此在方程组中至少有4个方程式才能求解，换言之，至少需要4颗卫星才能实现精确定位。AGPS定位的原理与普通GPS是一样的，不同的是，AGPS定位是网络辅助的，网络负责收集GPS卫星相关的信息，并在需要进行定位的情况下，将所获得的GPS辅助数据，包括GPS参考时间、GPS卫星ID、GPS捕获辅助数据（多普勒频移搜索窗、伪距搜索窗等）、GPS星历以及参考小区的UTRANGPS小区帧定时测量值等，下发给被定位UE。应用网络下发的GPS辅助数据，UE能够更容易的搜索到GPS卫星的信号，从而加快GPS伪距测量的时间、降低UE电源的消耗、以及提高UE的接收灵敏度。位置坐标的计算可以在网络侧进行（称为基于网络的），也可以在UE侧进行（称为基于UE的）。显然，基于UE的AGPS定位方法，对UE的要求更高。AGPS（或GPS）是目前已知精度最高的定位方法。能够满足绝大多数位置业务的需要。但由于UE在硬件上要支持接收GPS卫星信号，成本很昂贵，从而限制了AGPS定位的应用。另一个限制就是，在室内和非开阔地带，由于搜索不到足够的卫星信号，就无法实现AGPS定位。在这种情况下就需要使用混合定位的方法。4混合定位原理AGPS和OTDOA虽然能实现较为精确的定位，但其应用场景也受到限制。AGPS定位需要接收到4颗卫星的信号；OTDOA定位则需要接收到3个基站的信号。当这些条件不能满足时，就不能准确定位。这时就需要同时使用两种以上的定位方法，称为混合定位。例如，UE在进行AGPS定位时，如果只搜索到3颗卫星信号，则在其方程组里，只能获得3个方程式，这样是无法准确解出位置变量（X，Y）的。但如果同时进行CELLID或OTDOA定位测量，获得第4个方程式（圆或双曲线），就能利用特定的优化算法，解出位置变量。又如，UE在进行OTDOA定位时，需要接收到至少3个基站的信号。如果只接收到2个基站的信号，那么就只能获得一个双曲线方程式。如果利用这2个基站分别进行CELLIDRTT定位测量，就可获得1个或2个方程式。这样就可以解出位置变量。需要指出的是，在求解多次多元方程组时，都是应用优化算法，因此解出的变量只是满足一定条件（置信度）的最优值，而非真实值。四、总结前面对WCDMA系统常用的定位方法进行了分析，包括CELLIDRTT、OTDOAIPDL、AGPS和混合定位。CELLIDRTT实现最为简单，网络侧和UE侧几乎不做任何变化，而且只有一个基站时也能完成定位，但其精度是最低的，因此只能应用于对精度要求不高的位置业务，以及作为其它定位方法的补充。AGPS定位精度最高，能满足绝大多数位置业务的需求，但UE成本很高，因此其应用受到很大的限制。要实现AGPS定位，至少需要搜索到4颗卫星，因此只能应用于野外等开阔的环境，在非开阔地或室内，就无法进行AGPS定位了。在这种情况下有两种解决方案在进行AGPS定位的同时，进行OTDOA（或CEL