无线定位技术

1、LTE无线定位技术信息学院 计算机技术 朱 引言随着无线通信技术的发展和数据处理能力的提高，基于位置的服务成为最具发展潜力的移动互联网业务之一。无论在室内还是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置信息和 提供位置服务的需求变得日益迫切。通信和定位两大系统正在相互融合、相互促进。利用无线通信和参数测量确定移动终端位置，而定位信息又可以用来支持位置业务和优化网络管 理，提高位置服务质量和网络性能。所以，在各种不同的无线网络中快速、准确、健壮地获 取移动位置信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。本文通过对传统的位置定位技术和新兴的定位技术的介绍现在一直的正在使

2、用的定位技术，同时也将探讨在现代信息化生活中，如何应对信息保护的安全的问题。2. LTE定位技术介绍然而在移动通信方面，LTE正在到来。在一些发达国家（例如美国） ，LTE已经开始商 用。虽然中国目前还处于 3G时代，但对LTE的研究和实验进行得如火如荼，可以说 LTE 已经是大势所趋。LTE对终端定位的要求也进一步提高。3GPP LTE Release 9规范定义了 3种手机定位技术：ECID、A-GNSS和OTDOA.相对来 说，OTDOA是一个比较新的技术，它不需要使用 GNSS信号，而是利用类似于 GNSS的定 位原理，通过测量两个或更多的基站参考信号（RS）的到达时间差（RSTD），

3、在已知各基站位置的情况下计算出手机所在位置。3.OTDOAOTDOA Observed Time Differe nee of Arrival （到达时间差定位法）实际上，在WCDMA中就已经有了 OTDOA，但是WCDMA并不是一个同步系统。各基 站之间的时钟误差导致部署OTDOA需要高昂的成本，因而无法商用。LTE由于是同步系统，有利于OTDOA的使用。由于 OTDOA不依赖于 GNSS信号，弥补了 GNSS在室内无法定 位的缺陷，OTDOA成为了 GNSS之外各运营商另一个强制要求的LTE定位技术。TOA是一种基于反向链路的定位方法，通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间 来确定移动用

4、户的位置。只需三个以上的基站接收到移动台的信号，就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。TOA定位精度与基站的地理位置分布关系很大，当球体之间相交角为90。时精度最高。但它对所有接收器相同的误差没有进行处理，误差较大。TDOA是另一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差 来确定移动台的位置。 移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共

5、同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-911呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大可以提高定位精度。但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。OTDOA是根据三个基站与移动终端信号传播的时间差值进行定位的技术。图1显示的是OTDOAE点定位，实际上它应该是三维的。但是由于在一般情况下垂直方向上的差别与小区半径 相比非 常小，因此通常可 以忽略不计。移动终端向网络发送SFN-SFN Observed Time

6、 Differe nee测量值。它包含了它所测得的服务小区和邻近小区的定时差值。由于网络已知服务小区到移动终端的传播迟延，因此可以将移动终端提供的 OTDOA测量值转换为 OTOA（Observed Time of Arrival）从而估算出该近基站到移动终端的距离。 图1不 同圆之间的交点就是所估算出来的终端位置。由于存在测量误差，这些交点不在同一点上。3.1基本原理OTDOA是根据3个基站与移动终端信号传播的时间差值进行定位的技术。OTDOA通过测量UE到两个基站的无线信号的传播的时间差，来计算移动终端到两个基站的距离差。从数字的观点上来看，UE的运动轨迹就是以这两个基站为焦点、以其距离差

7、为定差的 双曲线。要实现精确地定位，还必须对两个基站进行相同测量与计算，获得另一条双曲线。由于网络已知服务区到移动终端的传播延迟，因此可以从移动终端提供的 OTDOA测量值，估算出基站到移动终端的距离。三个基站不同园的交点就是估算出来的终端位置。当UE距离基站比较近时，鱼油接收机非线性而构造的远近效应，有可能导致UE解调不出较远的基站的 CPICH信号，影响到定位的效果，为了克服远近效应的影响，弓I入了称 为LPDLE的机制：基站在某个预定的随机时刻，关闭所有信号的发射，以便让UE能够有效的测量相邻基站的信号。IPDL空闲的频率是100ms（150个时隙）出现1个时隙。IPDL机制需啊哟基站侧

8、和 UE测的同时支持。3.2适用场景该技术的定位精确度比 CELL ID方法高，但它的精度受到环境的影响，在郊区和农村 可以将移动台定位在 1020米之间的范围内；在城区由于高大建筑较多， 电波传播环境不好， 信号很难直接从基站到达移动台，一般要经过折射或者反射，定位精度会受到影响， 定位范围约为100200米。OTDOA的定位技术涉及的网络设备需要对现有的设备以及信令接口等大量改动，包括Node B、RNC等承载设备都需要做复杂的改动，改造成本较大。4. LPP定位协议3GPP R9除了定义 LTE的定位技术，同时还定义了一种全新的定位协议LPP （ LTEPositioning Proto

9、col）。LPP能够全面支持 LTE中用到的定位技术，包括 ECID , A-GNSS和 OTDOA，它还支持 A-GNSS+OTDOA 的混合（Hybrid ）定位技术（见图 2）。LPP图2 LPP通用定位协议基于4个球面确定一个点的原理，手机在定位时需要4个参考点，在LPP协议的支持下，在卫星可见性下好的如市郊地区，手机可以通过测量 4颗卫星信号进行定位， 在卫星可见性下不好的如市中心地区，手机可以通过测量2颗可见卫星信号以及 2个LTE基站信号进行定位，而在卫星不可见的室内，手机通过OTDOA实现定位。LPP的优势在于能够保证 手机终端在各种环境下都能实现定位（见图3 ）。图 3 LP

10、P 支持 A-GNSS，OTDOA 以及 A-GNSS+OTDOA 混合定位LPP作为通用定位通信协议，主要功能在于在网络与终端之间交互定位辅助数据和定位信息。实际上它既可以在控制平面(Control Plane )也可以在数据平面(User Plane)被使用。相对来说，控制平面的实现方式需要用到专用控制信道(Dedicated Control Channel )并且会显著地增加移动网络成本，因为多个网元需要在软件和硬件上升级才能支持这些定位相关的 控制平面信令。因此，用户平面的实现方式更容易被用于商业应用。LPP 在用户平面的应用是通过SUPL(Secure User Plane Loca

11、tion Protocol)实现的。LPP消息作为SUPL消息的承载(Payload)是定位信息的实际载体，如同一个形象的比喻，SUPL消息就像是信封，而LPP消息就是里面写信得信纸。在SUPL的网络架构中，网元SLP( SUPLLocation Platform )负责处理所有的 SUPL消息，这些 SUPL消息在LTE网络中通过 P-GW 和S-GW在数据链路中与终端进行交互，同时SLP与E-SMLC接口获取定位辅助数据(见图4)。图4 SUPL网络架构信息。实际上它既可以在控制平面(Control Plane )也可以在数据平面(User Plane)被使用。信息。实际上它既可以在控制平

12、面(Control Plane )也可以在数据平面(User Plane)被使用。SUPL 2.0作为SUPL的一个进阶版本，是伴随着 LTE产生的。SUPL的最初版本SUPL 1.0并不支持LTE网络，而SUPL 2.0可以支持LTE，同时也支持LPP定位协议，以及OTDOA， WIFI等新的定位技术。同时，SUPL 2.0还能够兼容现有的所有定位协议和技术，例如在LPP之外，它同样支持当前正在 2G,3G网络中广泛使用的通用定位协议，如RRLP , RRC , IS-801，因此只要SLP和SMLC可以支持其中的任一种通用定位协议，SUPL 2.0就可以在此网络中被部署，无论是 2G，3G

13、,或是4G网络。SUPL 2.0的这种灵活性非常重要，尤其是这LTE部署的最初阶段，因为 LTE的部署不可能一蹴而就，必然需要从现有网络平滑过渡，SUPL2.0对各种协议的兼容性保证了从各制式网络到LTE网络的平滑无缝过渡(见图5)。SUPL 2.0IP dataconnectionover any air interface图5SUPL 2.0除了技术方面的优势，它还增加了多种新的功能特性，可以在各种商业应用 或是公共服务中被使用，成为未来的新的业务增长点。在此本文列举其中的两个新功能：（1）区域事件触发功能定义一个位置区域， 比如一个小区，多个小区，或是一个自定义形状的地理区域，手机终端被

14、要求在进入，或是离开，或是处于之内，或是处于之外时报告自己的位置（见图6 ）。这个触发功能可以由网络或是手机来发起， 但是需要双方同意该触发条件。可以预计该 功能将被广泛地用于诸如基于位置的广告发布，需要按次计费的服务，财产或儿童监管服务等各种应用当中。（2）紧急呼叫定位功能当用户拨打紧急呼叫号码时，手机被强制要求计算并上报所在位置。北美地区有一项政府强制的增强911电信服务，通过拨打911这个简单的号码，不论你是何种身份，只要是在北美地区，都能够及时得到包括警察、救火、医疗等多种救援服务。这里的奥秘就在于，接 听911电话的紧急呼叫服务中心不仅可以从话音中了解到拨打者所需要的救援类型，还可以

15、通过文字或者地图的方式了解到拨打者的位置。在2G和3G网络中，这种服务是基于控制平面的方案，对于运营商来说，这个系统需要大量的基础建设成本，因为需要在网络侧部署大量的LMU （ Location Measureme nt Un it ）。当然，不少运营商也在试图通过基于终端的SUPL方案来实现，但是当时的 SUPL 1.0协议中并没有相应的网元可以联系发生在控制平面的紧 急呼叫和发生于用户平面的定位功能来支持这样的需求。因此，除了美国之外，其他国家都在这个问题上持谨慎的态度。而如今LTE和SUPL 2.0的出现让基于用户平面的紧急呼叫定位功能成为了可能，因为 SUPL 2.0引入了一个叫做 E

16、-SLP（ Emergency SLP）的功能实体， 他可以和LTE网络中的IP多媒体子层（IMS ）协作实现紧急呼叫定位。随着技术的成熟以 及部署成本的下降，可以相信越来越多的国家将会强制要求紧急呼叫定位功能，因为当人们急需政府、社会公共机构或者他人的救援时，身边触手可及的移动通信设备几乎是惟一可以依赖的工具。定位业务是当前增长最快的业务，而当LTE时代到来，在商业应用和公共安全服务方面都对定位服务提出了新的需求，无论是在室外或是室内都要求能实现全天候的精确地定 位，也需要能从现有的技术上实现无缝过渡。可以说，A-GNSS+OTDOA , LPP以及SUPL 2.0是实现这些目标的关键技术，

17、他们构成了LTE时代定位技术的新内容。5. 位置信息与个人隐私感知定位技术的发展， 人们可以更加快捷、 精确地获知自己的位置，特别是基于位置的服务（LBS ）应运而生，利用用户的位置信息，服务提供商可以提供一系列便捷的服务。但是随 着用户位置信息使用的频繁，用户的位置隐私受到侵害的隐忧也渐渐的浮出水面。位置隐私的泄漏，特别是对个人隐私信息的泄漏，可能会被不法分子利用，对用户造成生活上或者是人身安全上的威胁，因此保护好个人的位置隐私安全变得尤为重要，现在的保护手段大体上分为四类：（1）制度约束：通过法律和规章制度来规范物联网中对位置信息的使用。（2 ）隐私方针：允许用户根据自己的需要来指定相应的位置隐私方针，以此指导移动设备 与服务提供商之间的交互。（3 ）身份匿名：将位置信息中的真实身份信息替换成一个匿名的代号，以此来避免攻击者 将位置信息与用户的真实身份挂钩。（4）数据混淆：将位置信息的数据进行混淆，避免让功绩值得知用户的精确位置。 其中，前两类手段可以说是”以行政对抗技术“，而后两者手段可以说是”以技术对抗技术“，他们都有各自的优缺点。 需要注意的是，天下没有免费的午餐， 为了保护保护位置隐私， 往往