安全用户平面AGPS定位系统的设计与实现

1、01昌謬技走文在牡安全用户平面AGPS定位系统的设计与实现王孟林S肖晓丽2,吕英华11北京邮电大学通信网络综合技术研究所，北京（100876）2中国专利技术开发公司，北京（100876）Email: Menglin.w摘要：随着移动电话成为我们的生活中不可或缺的一部分，移动定位服务的重要性逐渐凸 显出来。 开通了基于位置的业务，终端用户就可以方便地获知自己或他人目前所处的位置，并用终端查询他附近各种场所的信息。本文第一部分介绍了基于位置服务的概念，业务分类；第二部分介绍了目前常见的几种定位方式，并对其定位原理及优缺点做了简要的介绍；第三部分介绍了 LBS业务平台的组网结构，模块功能以及定位流程

2、。关键字：LBS，SUPL，AGPS1.引言美国联邦通信委员会 （FCC）1996年10月颁发命令 Report and Order（Docket 94 1,02要求所有的蜂窝无线通信网运营商在手机用户发出紧急呼叫（E 一 9l1）时，向应急调度中心提供该手机的号码和位置。FCC的这项命令反映的是用户对时间和空间信息日益增长的需求。比如在发生急病时，几分钟的提前或延误意味着病人的生或死。这就是为什么在大多数国家都设有报警台，接收和显示有线电话的号码和地址。FCC的这项命令是为了弥补无线通信服务的这种缺憾，因为据统计，25%的无线手机用户在发出报警时，不能准确地描述他所在的位置，因而得不到及时的

3、帮助。事实上除了提高人身安全之外，利用蜂窝网定位还有其它许多商业应用，在许多场合可用以提高工作效率和生活质量。开通了基于位置的业务，终端用户就可以方便地获知自己或他人目前所处的位置，并用终端查询他附近各种场所的信息： 我在哪里、离我最近的医院在哪儿、我周围有哪些银行、从这里到某地怎么走、我的好朋友 现在的位置、紧急救助、老人跟踪、车队管理基于位置业务的巨大魅力在于能在正确的 时间、正确的地点、把正确的信息发送给正确的人。2定位业务的介绍2.1位置业务的概念基于位置的业务（LBS-Location Based Service ）是通过 GSM/ TD SCDMA 网络获取移 动终端用户的位置信息

4、（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的 一种增值业务。随着移动电话成为我们的生活中不可或缺的一部分，移动定位服务的重要性逐渐凸显出来。2.2位置业务的分类依据不同的标准，基于位置业务有多种分类方式，下面根据应用特征、业务请求发起 方、接入方式对 LBS业务进行分类。rn E 却 Fif :*= Si UMBIJmXL匸只口兌2.2.1按应用特征划分业务类型基于位置业务按应用特征划分，可以分为：增值服务类，社会公益类，移动网络运营管理类。1增值服务类。（1）信息类。就近服务，例如就近信息，就近银行，餐馆加油站等；移动黄页，移动黄页 业务提供给终端用户最近的业务点位置以及黄页

5、信息（如：500米之内的宾馆）；交通信息，给终端用户提供基于位置的最新交通状况。（2）游戏类。其中的位置信息可以是终端用户所处的实际地理位置，也可以是终端用户定制的虚拟社区的位置。（3）跟踪导航类。终端用户可以选择纯文本、带有文字信息的记号 （如:转弯+距离）或是以地图形式展现的记号。（4）针对行业应用：行业用户指的是公安消防，交通，地理，企业，新闻媒体等系统领域。比如分派工作的监管者需要知道雇员的位置和状态、物流管理、资产跟踪、动物跟踪等。2社会公益类业务提供商为公众提供基于位置的公共安全业务。例如110，119，120，122等紧急业务。目前中国政府还无此业务方面的具体要求。3移动网络运营

6、管理类（1）网络规划应用：网络运营商可以使用定位信息来协助进行网络规划。运营商可以通过在指定区域内定位手机位置来估计用户的分布情况以及移动用户的流动性，并将其用于网络规划的目的。这种应用可以被用于热区检测和用户行为建模。（2）网络业务质量改进应用：网络运营商可以利用定位业务来提高网络质量。定位系统还可 应用于跟踪掉线电话来确认出现问题的地方。除此之外，该系统同样可应用于识别低质量区域。2.2.2按定位请求发起方划分业务类型按定位请求发起方划分，可以分为：终端始发定位请求（MO-LR ），由移动终端通过空中接口直接发给 LSP平台的定位请求；终端终止定位请求（ MT-LR ），任何从LBS客户

7、端向LBS业务平台（LSP）发出的定位请求；网络触发定位请求（ NI-LR ）：从正在为移动 终端提供服务的 PLMN内部发出的对移动终端的定位请求，如应用于紧急呼叫。2.2.3按接入方式划分业务类型基于位置业务按接入方式划分，可以分为：消息类接入（SMS / EMS / MMS / USSD ）；因特网接入（互联网，局域网，专网等） ；语音接入（VoicePortal / 1860客服台等）；客户端 程序类接入（JAVA/WAP ），获取图形化的位置服务信息。3定位方式的介绍3.1基于网络的定位方式3.1.1 CellD定位技术基于CellD的定位技术是一种最基本的定位方法，适用于所有的蜂窝

8、网络。它不需要移动台提供任何定位测量信息，也无须对现网进行改动，只要在网络侧增加简单的定位流程处理即可，因而最容易实现。它的定位原理很简单：网络根据移动台当前服务基站的位置 和小区覆盖来定位移动台。若小区为全向小区， 则移动台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，则可以进一步确定移动台处于某扇区覆盖的范围内。显而易见，这种定位方法的精度完全取决于移动台所处小区的大小，从几百米到几十公里不等。在农村地区，小区的覆盖范围很大，所以CellD的定位精度很差。由于CellD定位不需要移动台的定位测量，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。

9、3.1.2 TOA定位技术到达时间(TOA)定位法的原理是，在手机发出紧急呼叫时，如果被附近的3个或更多的 基站接收到，而且这些基站分别测量出信号到达的时间，只要在手机发出的紧急呼叫信号中载有信号发出的时间，网络便可以由此计算出从手机发出信号到信号抵达各基站的传播时 间，再根据恒定的光速把传播时间转换成传播距离，手机便必然位于以3个基站为圆心，传播距离为半径的圆上。根据 3个圆的交点，便可求得手机的平面位置和手机的时钟误差。3.1.3 TDOA 定位技术到达时间差定位法(TDOA)的原理2是，当手机发出紧急呼叫时，如果附近有3个或更多的基站接收到，而且分别测量出信号的到达时间，网络计算出这些到

10、达时间两两之间的差值，那么手机必然位于这些时间差值所对应的以两两基站为焦点的位置双曲线上。这样，根据两条双曲线的交点便能确定出手机位置。3.1.4 AOA定位技术到达角度定位法(AOA) 2是，在各基站设立一副专门的相控阵接收天线，用以接收由手 机发出的紧急呼叫并计算出信号的到达角度。只要有两个或更多的基站能够接收到手机的信号，便能由两条角度线的交点确定出用户的位置。AOA法和TDOA法相似，对手机改装没有多少要求。不过，AOA法只需至少两个基站而不是 3个接收到紧急呼叫手机的信号，因而 这种方法可能有更好的覆盖。另外，AOA对基站同步的要求也比较低。然而 AOA法要在每个基站加装一副用于测角

11、的相控阵接收天线，而且虽然在手机距基站距离较近时定位精度较高，但是当手机距基站的距离较远时，测角法精度便较低。3.1.5基于网络的定位方法的评价蜂窝网运营商能够仅通过网络对所有发出紧急呼叫的用户定位。这样做的优点是，不 管用户使用的是哪一种手机，都可以不经过修改便能加入这种服务中。然而基于网络的定位方法缺点也是很明显的。首先，如前所述，实现TDOA法定位的前提是，各个基站之间要有精确的时间同步。用GPS授时接收机可以达到100ns或更好的同步精度。但是事情并不那么简单，这是因为用GPS只能达到在基站内部的某一个地方实现如此的同步精度，而手机定位所需要的是在基站天线处实现高精度同步。无论是从天线

12、接收到信号到基站接收机测出信号到达时间，还是从信号在基站内产生到实际从天线上辐射出去，中间都会有各种延迟发生，从而导致同步误差。因此只利用GPS授时接收机还不能实现手机定位所需要的同步。其次是多径反射问题。在市区和室内，电波多径反射不可避免地存在，而且 可能是相当严重的。移动通信网的通信与定位两种功能受多径反射影响的情况是有很大差异 的。对于通信来说，多径带来的影响不如定位那么严重，有时通信甚至还要借用电波反射来扩展蜂窝网的覆盖范围。 比如在所谓都市峡谷中，当手机不能直接看到基站天线时，要靠电波反射以进行通信。对于定位来说影响便大了，多径反射会造成定位误差，甚至导致完全不能定位。多径对GSM和

13、CDMA定位的影响也不一样。对于 AOA方法来说，太大的多径反射 会使角测量失效。3.2基于手机的定位方式基于手机的定位方式2,8，当时实际上指的就是在手机中加入GPS,其明显的优点是定位精度较高。尤其是在乡间使用GPS的优点比较突出，那里用基于网络的方式实现定位很不 容易，即使实现了精度也很低。但是在市区，GPS卫星信号会遇到严重的遮挡问题。尤其是在室内，GPS卫星信号将遭受严重的衰减，用其直接定位是十分困难的。此外，采用基于手 机的定位方式时，手机必须经过改装，这使得要淘汰现用的手机。而且在手机中加入GPS模块会使手机的价格和功耗增加，功耗增加会使电池持续使用时间缩短，从而带来不便。再次，

14、GPS需要较长的捕获时间， 有可能需要30s到几分钟，GPS的冷启动时间也很长， 即使信号无 差错也需要12.5分钟以上以解调所有的卫星数据，当上空可见程度不理想时，会需要更长的 时间。有鉴于基于网络和手机两种方式各有优缺点，一股倾向是把基于网络和基于手机的定位方式合并起来使用，这样就出现了一种新的技术，AGPS技术。3.3 AGPS定位方式AGPS（Assisted GPS：辅助全球卫星定位系统）技术 2指移动网络获取终端的 GPS位置 信息定位技术和网络辅助终端计算GPS位置的定位技术。AGPS结合GSM / GPRS与传统卫星定位，禾U用基站代送辅助卫星信息，用以缩减GPS芯片获取卫星信

15、号的延迟时间，受遮盖的室内也能通过基站信号来弥补，减轻GPS芯片对卫星的依赖度。和传统GPS定位以及其它定位方式比较，由于业务平台传送辅助数据缩短了搜索卫星的时间，因而终端会更加省电，定位速度会更快，灵敏度更高；同时由于基站的覆盖范围很广，从室内到室外，从农 村到城市，因而AGPS理论上可以在任何有基站的位置都能够使用，而且理想误差范围在 10米以内。 AGPS技术可以在GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000 网络中使用，该技术需要 在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差 分GPS基准站等设备。如果要提高该方案在室内等GPS信号屏蔽地区的定位

16、有效性，该方案还提出需要增添类似于 EOTD方案中的位测量单元（LMU ）。虽然AGPS技术的定位精度很高、首次捕获GPS信号时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内高精度定位的问题目前仍然无法圆满解决。另外，AGPS的定位实现必须通过多次网络传输（最多可达六次单向传输），这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。AGPS最主要的问题是用户对于使用移动定位业务必须更换手机难以接受。除此之-5 -0J畐聶叢注宜在线外，就是使用有效性问题。由于GPS系统受美国政府拥有和控制，在非常时期(如海湾战争、反恐战争等)，民用GPS服务可能会受到影响， AGPS的定位业务更难以正常运作了。4 LBS

17、定位系统结构的设计LBS位置服务系统包括三个层次的支持。首先是网络支持层，定位使用的各种技术(Cell_ID, AGPS)都基于该层提供，对于基于 GSM/TD-SCDMA网络的小区定位方式，需要移 动网络网元的支持，对于基于 SUPL的AGPS定位，则需要应用GPS全球定位系统的支持，并 且依托现有的GPRS网络承载信息的交互；其次是定位平台层，定位平台层主要负责根据移 动网络网元提供的支持配合终端的定位能力，计算出终端的经纬度， 这些位置信息传送给SP等直接和间接用户； 最后是位置应用层，该层根据定位平台层提供的位置信息来提供各种各 样的位置信息服务，如交通信息，移动黄页，游戏，跟踪导航类

18、。LBS业务组网结构包括 AGPS 系统和LSP系统，其中AGPS系统主要负责高精度定位，LSP系统主要负责低精度的定位。£：MHE¥图1 LBS系统的组网方案4.1 LSP网络结构组成LSP平台是实现LBS业务的核心设备。其一方面与 DSMP联合对定位主被叫用户与SP进行认证和鉴权，另一方面把通过运营商网络得到的用户位置信息（绝对位置信息经纬度信息或相对位置信息地图信息）传送给网关设备或SP。为保证用户在漫游情况下依然可以使用归属地SP或拜访地SP提供的LBS业务，每个LSP平台之间需通过IP网络进行互联。 LSP平台还需与BOSS系统相连，将符合规定的话单定时定量传送给

19、BOSS系统，以及相应的业务统计信息传送到BOSS系统；LSP平台需和网管系统相连，接受网管系统对其进行设备管理和监控。LSP平台与SP、LBAP/LBMP 及LSP平台间互通接口要求同时支持相关接 口 Le1.0 和 Le2.0 接口要求。根据逻辑功能划分，LSP平台包括5个逻辑模块：1 LBS业务管理模块。负责管理用户与某个LBS应用相关的权限信息和隐私信息，并向用户提供设置LBS相关特性数据的 Portal功能；与DSMP协同负责管理 SP与LBS业务相关 的数据信息。此外，为了实现上述功能LSP还支持与DSMP平台的接口。2核心网络接入模块。主要完成基于MSISDN的位置请求的处理，根

20、据请求的精度要求，结合网络具有的定位技术能力，采取特定的定位技术，并将定位消息转发到核心网络的相应 网元，核心网定位结束后，获得用户的位置信息或计算位置信息所需的Cell ID信息等。3 SMLC模块。对于CellD定位精度，其主要功能是将用户的Cell_ID信息转换为用户的经纬度信息。此模块同时也支持小区数据更新管理功能。当AGPS定位平台根据LID未查-7 -询到对应小区经纬度信息，或者LSP平台进行CellD定位时未查询到小区经纬度，都要求 LSP平台实时生成补充配置请求文件，小区数据管理系统并据此增加缺失的CellD数据。4定位逻辑处理模块。LSP定位请求中QoP定位精度分为三段：第一

21、段（定位精度值=50m）, 第二段（50m定位精度=150m），第三段（150m定位精度值=1800km），当业务平台设置 期望的QoP定位精度处于第一段时，表示需要高精度定位；处于第二段时，LSP将作A-GPS定位，等待A-GPS定位失败，则回退至 CellD定位；当业务平台设置期望的QoP定位精度处于第三段时，表示期望得到低精度定位，不需要高精度的定位结果。5 SP Proxy模块。将用户通过短信方式提交的LBS业务提交传送至 SP；对外提供统一接口，为SP接入运营商的网络提供能力；通过LSP平台之间的互联接口协议完成LBS业务漫游；对SP的本次定位请求，产生SP调用用户位置信息话单， 用

22、于与SP合作方进行结算； SP鉴权包括对SP的用户名、密码的鉴权。定位日志即定位时的系统日志。4.2 AGPS网络结构组成AGPS系统由GPS参考网、AGPS定位平台组成，GPS参考网提供定位所需的辅助数 据，AGPS定位平台与GPS参考网、LSP、应用平台、终端交互定位消息、辅助数据并完成 定位。GPS参考网络包括 GPS接收机和GPS接收机管理平台。AGPS定位技术基于 SUPL技术。SUPL （安全用户层定位技术）是使用用户层数据承 载来传送位置信息（如GPS辅助数据），并在承载网络与移动终端之间传送与定位技术相关 协议的技术。此方案对网络的改造比较小，只需提供具有SUPL能力的定位平台

23、和终端，及接收卫星信号的参考网络。AGPS定位平台模块功能如下：1 SLC的功能。提供与LSP的Lp接口，负责接收从 LSP传送的定位请求，并将位置结果 发送给LSP;提供与LSP的Lr接口，负责根据LID从LSP平台获得终端的粗精度位置信息； 提供与终端的接口 Lup，负责接收从终端传送的定位请求， 并将辅助数据提供给终端供终端 计算位置信息；提供与应用平台的 Le接口，负责应用平台的接入鉴权，并接收应用平台的定位请求，作 AGPS定位，返回定位结果；提供计费功能，能够提供AGPS平台的计费话单；提供统计功能，负责提供分省统计定位次数、成功次数、失败次数、回退CellID平台定位次数。2 S

24、PC具体功能。从 GPS参考网获取辅助数据，如星历数据、标准时间等；传送辅助数据到终端供终端进行定位计算；获得辅助数据在MSA模式下计算位置。3终端能力判断模块终端能力判断模块记录终端是否为 AGPS终端，支持SUPL协议版本号。当AGPS平台接收 到混合定位请求时， 查询终端能力判断模块， 如果终端为A-GPS终端，则进行AGPS定位； 否则返回给LSP终端不支持 A-GPS定位能力的错误，由 LSP进行Cell ID定位。4 GPS Receiver :是GPS信号参考接收机，提供本地 GPS参考信号；GPS Receiver管理平台：该平台负责存放全国 /全球GPS Receiver的G

25、PS辅助数据，并存 在GPS辅助数据同地理位置的对应该系列表， 当LSP到该平台请求相应位置的 GPS辅助数-# -E国附技论文在牡据时，该平台可以根据请求的粗略位置，提供GPS辅助数据。4.3定位处理过程4.3.1高精度单次定位返凹给业务平口-# -E国附技论文在牡-# -E国附技论文在牡高精度单次定位处理流程图高精度单次定位流程如图示,LSP收到业务平台的定位请求，作用户隐私查询,若定位-# -E国附技论文在牡-# -E国附技论文在牡请求QoP定位精度为高精度定位请求，则作AGPS定位，之后判断 AGPS定位结果：如果AGPS返回GPS定位结果，则LSP返回给业务平台期望的 GPS定位结果

26、；如果 AGPS返回 LID位置，则LSP返回给业务平台 LID的定位结果；如果 AGPS返回定位失败，且无 LID 位置（终端可能不是 A-GPS终端，或者终端未能建立 AGPS连接），则LSP作Cell_ID定 位，返回给业务平台 CellD定位结果；如果 AGPS返回定位失败，且 LID数据缺失，则LSP返回给业务平台定位失败结果。LSP不需再作CellD定位。4.3.2混合定位(W'I1n' "iir1 -! It(e丄混合定位处理流程图匹可辭w务吧士期混合定位流程如图示，LSP收到业务平台的定位请求，作用户隐私查询，若定位请求QoP定位精度为混合定位请求，将

27、定位请求转发给AGPS平台，并启动 AGPS定位定时器（时间值可配置，默认为 30秒），作AGPS定位。如果在定时器超时前， AGPS平台未返回任何定位结果，则 LSP发起Cell ID定位。返-11 -« bui 耳i* jrl« mLUfflEWlWXttH回给业务平台CELLID的定位结果；如果AGPS在定时器超时前返回定位结果，LSP对AGPS 平台返回结果的处理同高精度单次定位流程。AGPS平台接收到定位请求时，判断终端是否为AGPS终端，如果不是，则返回给LSP终端非AGPS终端的错误，否则做 AGPS定位；如果AGPS平台在定位超时后返回定位结果，则记录为该用

28、户的最后可知位置。AGPS定位定时器时间可根据业务平台在 Le接口请求中的参数确定， 如果Le接口中指 定的时间值未确定，则取系统默认值。4.4定位过程4.4.1 CellD 定位过程下图为采用MAP-ATI定位方式，定为本地非漫游用户的流程图。I恤P Subs 耙 li-MAP Subs(ibc_lltlUlTlogatian ReqMAPPrzifk Mwai 4删;贏gl I ilidion RcspInibrmation ReqInfonnation KCSPation Req ation RcspJj.MLPSLIAt，图5 MAP_ATI方式定位过程流程说明： SP向LSP发送ML

29、P SLIR 消息；(2) LSP 决定采用 MAP-ATI 方式进行定位。向 HLR 发送 MAP_Any_Time_lnterrogation 请求来获取用户的 cellid信息；(3-4) HLR 向用户所在 MSC 发送 MAP Provide_subscribe_information 请求，并接收响 应；(5) HLR 向 LSP 返回 MAP Any_Time_Interrogation 响应；若LSP判断用户位置信息未超时，则直接跳到第15步；若LSP判断用户位置信息超时贝U进行614步；(6-7) LSP 向 HLR 发送 MAP Subscribe_Routing_lnfo

30、_For_SM 请求，并接收响应；(8-10) LSP向用户发送不含内容的消息并接收响应；(11-14)同2-5步，获取用户最新的位置信息；(15)向SP返回定位结果。442 SUPL定位过程我们描述网络发起的典型的 SUPL定位流程3,4下图为采用基于 SUPL的A-GPS定位方式，用户非漫游情况下，网络发起定位请求的 流程图。JI：图6 网络发起SUPL定位过程1-MLPSLIR-rUJIIITTIT：占跚lpqs町$脚制严5脚眦i说明： 业务平台向其接入的LSP发送MLP SLIR定位消息。(2) LSP对SP及主被叫用户进行鉴权，如果需要高精度定位，LSP向A-GPS转发定位请求；(3

31、) SET发送SUPL INIT消息，来发起与SET的定位会话，该消息采用 WAP PUSH方 式；(4) 当SET收到SUPL INIT消息后，使用预置在终端的LSP Proxy的地址，自动连接分组网络，建立与 LSP Proxy的数据连接；(5) SET经过LSP Proxy向A-GPS发送SUPL POS INIT消息，开始与A-GPS的定位会 话。该消息至少包含 session-id，SET能力和位置标识(lid )。(6) A-GPS平台判断lid的归属LSP，访问LSP以获取lid对应的位置；(7) LSP平台返回 A-GPS平台lid对应位置；(8) A-GPS平台根据lid对应

32、位置，采用终端支持的定位协议，将有效的GPS数据通过SUPL POS消息传给终端。LSP根据收到的定位测量进行位置估算( SET-Assisted) 或SET根据从LSP获得的辅助数据进行位置估算(SET-Based)。(9) 一旦定位计算完成，A-GPS便向SET发送SUPL END消息，通知SET不再开始新的定位过程，定位会话结束。SET应该释放安全IP连接和所有与会话相关的资源。(10) A-GPS平台将定位结果返回给 LSP ；(11) H-LSP通过MLP SLIA消息向SP发回位置估计，然后LSP释放所有与会话相关的 资源。4结束语LBS业务发展经过多年的发展，国外的LBS产业链已

33、经成熟，在中国，由于市场尚未发育，存在较多的机会。推动手机定位技术发展的有三种力量9。首先是广大用户对时间和空间信息要求的日益增长。 手机定位的潜在用途将是巨大的，随着手机定位技术的发展，会出现 用了它才知道需要它”的情况。另一种推动力来自移动通信运营商，由于现在从每部手机获得的回报有下降的趋势， 手机运营商需要加入增值服务，手机定位便是增值服务中一种。第三种推动力来自GPS接收机制造商。如果在手机内嵌入GPS，会带动GPS接收机销售数量以几何数字增长。参考文献1 杨瑾，赵成林，周正一种在 NLOS环境下提高TOA定位算法精度的改进方法EB/OL 2 丁海玲，位置服务业务发展介绍J.电信网技术,2005.(8):39-41.3 Secure User