从投入与应用看GSM-UMTS无线定位技术

　　各种新型增值业务正在逐渐成为移动通信市场强劲的经济增长点，其中移动定位业务也越来越受到人们的关注。据预测，基于位置的业务在移动通信业务中将仅次于语音的增值业务，成为今后的"杀手级"业务。


　　基于不同网络和不同技术的定位方法层出不穷，如果简单地从定位效果来分析，可能并不全面。如果能对于不同网络运营情况，并根据细分的市场应用需求，实施不同的方案，则能够最大程度地利用现有网络资源，满足不同用户层的需求，并节约投资。

　　目前，实现无线定位主要有三大类解决方案：第一类是基于网络的定位技术，如基于Cell-ID和时间提前量(TA)的方法、上行链路信号到达时间(TOA)方法，上行链路信号到达时间差(TDOA)方法以及上行链路信号到达角度(A0A)方法，这些解决方案需要对现有网络作部分的改进，但却可以兼容现有的移动终端。

　　第二类是基于移动台的定位方法。用于GSM中的下行链路增强观测时差定位方法(E-OTD)、用于WCDMA中的下行链路空闲周期观测到达时间差方法(OTDOA-IPDL)；

　　第三类是GPS辅助定位系统，移动台和网络集成了GPS的辅助设备。从技术角度来说，第二类和第三类的技术更容易提供比较精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，对移动台也需要改动，这将对移动台的体积和成本带来影响。

　　接下来，我们看一下几种主要的无线定位技术和其性能的比较以及相关的应用：

　　Cell ID

　　每个蜂窝小区有惟一的小区识别码，通过移动台所在小区的识别号，可以知道其所在的区域。而GSM系统中则还可利用时间提前量（TA）。TA是由基站根据测量到的结果，为了扣除基站与移动台之间的传播时延，通知移动台提前一段时间发送数据，因此利用TA可以估计移动台和基站之间的距离。由于无线环境中存在多径效应和各种噪声干扰，利用TA定位的精度会比较低。在WCDMA中，同样可利用Cell ID技术，移动台的位置可依据3G基站（Node B）的小区标识进行估计。而NodeB和小区信息则可通过寻呼、小区重选、用户注册区域的更新等方式获得，然后将小区标识映射为具体的地理位置。

　　Cell ID的优点是它确定位置信息的响应时间很快（3秒左右），而且不用对手机和网络进行升级就可直接向用户提供定位的服务。这种方法的定位精度不高，是因为它取决于小区的大小。但是在用户密集的市区，特别是使用微蜂窝小区的某些区域，其小区大小可能只有一两百米（甚至更小），具有一定应用空间。另外，它可实现本地黄页与导游查询等业务，例如显示移动用户所在区域内的最近的餐馆等信息。而在此类业务中定位精度并非显得十分重要，它可以用来满足目前大部分基于个人和一部分行业用户的要求。

　　由于获取现有的这些参数非常容易，因此，这是一种简单而且经济的定位方法，很多运营商通常首先引入这样的方法作为定位业务的展开。例如，韩国的三大运营商都是先从Cell-ID开始，然后随着精度要求的提高和相应的应用开发，逐渐升级到GPS方案。目前，国内某省移动公司已推出的基于此项技术的手机定位服务，可满足市区精度范围大致在200米左右，郊区精度范围大致在1000--2000米左右，而用户出省则可以定位到具体的地区名（按照区号来区别）。

　　基于方位测量的定位技术

　　信号到达角度(AOA)定位技术是利用由两个或更多基站通过测量移动台发射电波入射角，从而形成的方位线的交点来估计移动台的位置。它在郊区可以得到较高的精度，但是，在障碍物较多的城市环境中，由于多径效应严重，则误差较大。

　　另外，AOA技术需要在高精度的智能天线阵列的基础上才能实现。这样在硬件上的投资相比得到的精度则显得不经济。目前，这一方法很少被运营商采用。

　　基于测量时间的定位技术

　　上行链路信号到达时间(TOA)方法要求至少有三个基站参与测量，如果基站与移动台的距离估计值为r，移动台可以被定位在以基站为中心，半径为r的圆上。因此可利用三圆相交计算出移动台位置。如采用上行链路信号到达时间差(TDOA),则是利用移动台与服务基站以及邻近不同基站之间的距离差构成的双曲线对形成的交点来定位的。

　　该技术定位的响应时间比Cell-ID技术略长，大约要10秒钟。但是该技术也无需对移动台进行改造。不过，这方法要求为基站增加位置测量单元LMU，LMU用于测量终端发送的突发脉冲到达时刻。LMU上的投入将会是运营商看重的关键因素。目前部分美国移动运营商使用此种方法来满足FCC对E911第二阶段的要求。

　　下行链路增强观测时差定位方法(E-OTD)主要针对GSM系统，它与TDOA较为类似，差别在于E-OTD是基于移动台的，测量在下行链路中移动台对于相邻基站的触发信号到达时间差。但是正如前面所说，这种方法对移动台需要改进，须配合精度较高的到达时间差的测量，内置复杂定位算法的软件，要求必须有足够的处理能力和存储容量，同时也要为没有同步的网络配置LMU用于测量BTS之间的时间差，或者采用GPS时钟接收方式。而此种方法获得的精度可达50米至125米，相对于Cell ID要好一些，能够满足FCC E911要求，响应速度需要约5秒的时间。

　　此技术适用的应用有交通拥堵指示，城市紧急救援，信息查询服务等等。

　　目前欧洲有许多运营商采用这种技术。但就国内来看，如果考虑到，相比较十分有限的改善而对整个无线网络所需的LMU或用于同步设备的投资以及终端市场的投入，采纳这一方案的不会很多。

　　用于WCDMA的OTDOA-IPDL（下行空闲周期的观测到达时间差）定位法 ：通过移动台在下行链路公共导频信道上测量多个Node B发射的电波传播时间差，结合LMU测出的下行信号发射的实际时间偏差(RTD)来确定目标位置的。为了减少CDMA的远近效应及多址干扰，提高移动台对于非服务Node B的监听能力，指定在下行空闲周期(IPDL)，使每个Node B在某一个很短的时间内停止发射，小区内的移动台从而可以测量附近Node B的导频信号。IPDL时间长度是可变的，但不能超过公共导频信道(CPICH)的一个时隙。

　　由原理可知，由于引入了空闲周期，对于系统容量有一定的影响，从而涉及到网络设备投入的考虑。所以，运营商对于部署此方案时，需兼顾考虑网络容量与定位效果。