GSM手機(jī)定位技術(shù)

摘要 文章提出了GSM手機(jī)定位技術(shù)的重要性，并對TOA、E－OTD和A－GPS3種GsM手機(jī)定位技術(shù)解決方案進(jìn)行分析和比較。
關(guān)鍵詞 GSM 定位業(yè)務(wù) 到達(dá)時間 增強(qiáng)測量時間差 GPS輔助
在我國，隨著GSM移動通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，手機(jī)成為人們通信的重要工具之一，利用手機(jī)撥打
“110”、“119”和“120”等求助、告警電話日趨增多。據(jù)報道，目前美國用手機(jī)呼叫“911”
（類似我國的“110“）已占全部呼叫總數(shù)的20％，移動通信在社會治安、緊急救援等突發(fā)事件中
的地位已越來越重要。傳統(tǒng)有線電話撥打告警電話時，接警系統(tǒng)可根據(jù)用戶的主叫號碼，獲得用
戶的準(zhǔn)確位置，快速、準(zhǔn)確地處警。然而，由于現(xiàn)有移動通信網(wǎng)不能提供呼叫者的位置，求助時
手機(jī)用戶無法明確告知準(zhǔn)確位置，以致延誤時機(jī)，導(dǎo)致事件惡化的情況時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，交通
事故中70％的人員死亡發(fā)生在事故后兩小時內(nèi)。因此，實現(xiàn)GSM手機(jī)自動定位業(yè)務(wù)（LCS，
Location
Service）有非常重要的意義。此外，實現(xiàn)手機(jī)定位還有其它廣泛用途，包括自動導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)
化和手機(jī)防盜等。
1GSM手機(jī)定位業(yè)務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GSM移動通信網(wǎng)可通過增加一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點——移動定位中心（MLC）實現(xiàn)LCS業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)引入
的相關(guān)接口有：服務(wù)移動定位中心SMLC與BSC間接口（Lb）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)GMLC與GSM網(wǎng)業(yè)務(wù)
控制功能間接口（Lc）外部LCS用戶與移動定位中心MLC間接口（Le）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)與HLR間
接口（Lh）、移動定位中心網(wǎng)關(guān)與MSC／ VLR間接口（Lg）移動定位中心與同等移動定位中心間接
口（Lp）、移動定位中心與MSC/VLR間接口 Ls）以及定位測量單元LMU空中接口（Um）。
1.1定位測量單元（LMU）
通過無線測量，LMU可支持多種定位方式，測量可分為兩類：（1）針對一個MS的定位測量；
（2）針對特定地理區(qū)域中所有MS的輔助測量。LMU的初始值、時間指令等其它信息可預(yù)先設(shè)置，
或通過移動定位中心（SMLC）提供，LMU將得到的所有定位和輔助信息提供給相關(guān)的SMLC。
LMU可分為A類和B類兩種。A類LMU以標(biāo)準(zhǔn)的GSM空中接口接入，經(jīng)BTS、BSC與控制該LMU的
SMLC
保持信令連接。當(dāng)連接基于NSS的SMLC時，A類LMU有為其服務(wù)的MSC和VLR，并在HLR上保留其登記
的信息。A類LMU有唯一的IMSI，并支持所有GSM無線資源和移動管理功能。網(wǎng)絡(luò)管理者可為LMU指
派專門的IMSI范圍，并在IMSI中指派特定的數(shù)字，表示相關(guān)SMLC。IMSI中的某幾個數(shù)字可用作一
個SMLC中某個LMU的本地代碼。A類LMU支持連接控制管理功能，可實現(xiàn)與SMLC之間的LCS信令處
理。
它還支持呼叫控制功能，可利用電路交換方式實現(xiàn)與SMLC之間的信令連接。為了確保LMU與SMLC間
的互訪，LMU必須位于從屬于同一BSC或MSC的小區(qū)中。當(dāng) SMLC基于 NSS時，任何A類LMU在HLR中
都
有注冊信息，其中無附加業(yè)務(wù)（點對點短信和呼入呼出限制業(yè)務(wù)除外）。HLR中的注冊信息同時將
有LMU功能的MS與普通的MS區(qū)分開來，所有有關(guān)LMU的數(shù)據(jù)由LMU和相關(guān)SMLC管理。B類LMU可從BSC
的
Abis接口訪問，它可以是一個單獨的網(wǎng)絡(luò)單元，編號采用一些偽小區(qū)ID號，也可以集成在BTS內(nèi)或
與BTS連接。當(dāng)SMLC基于 BSS方式時，B類 LMU的信令通過BSC傳輸；當(dāng) SMLC基于 NSS方式時，則
通
過BSC和MSC傳輸。
1.2移動定位中心網(wǎng)關(guān)（GMLC）
一個PLMN可有多個GML。GMLC是外部LCS用戶進(jìn)入GSM網(wǎng)的第一個節(jié)點。GMLC通過Lh接口從
HLR中
獲得路由信息。鑒權(quán)通過后，GMLC通過Lg接口向MSC/VLR發(fā)出定位請求，并接收最終定位結(jié)果。
1.3移動定位中心（SMLC）
一個PLMN可包括多個SMLC。SMLC管理所有用于手機(jī)定位的資源，計算最終定位結(jié)果和精度。
SMLC通常有兩種類型：一種是基于NSS，支持Ls接口標(biāo)準(zhǔn)；另一種是基于 BSS，支持Lb接口。前者
通過與MSC／VLR相連的LS接口，傳輸各種手機(jī)定位信令；后者則通過與BSC相連的Lb接口，傳輸各
種手機(jī)定位信令。這兩種SMLC與其它SMLC連接時采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并在同一個物
理
節(jié)點，也可分布在多個節(jié)點。在LCS業(yè)務(wù)中，當(dāng)小區(qū)廣播中心（CBC）與BSC相連時，SMLC可利用現(xiàn)
有的廣播功能，通過CBC廣播輔助信息。這時 SMLC相當(dāng)于CBC的用戶。
2.3種手機(jī)定位技術(shù)
GSM手機(jī)定位方式通常可分為基于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。從技術(shù)上可分為到達(dá)時間
（TOA）、增強(qiáng)測量時間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）3種方式。
2.1TOA定位技術(shù)
TOA定位方式可在現(xiàn)有的任何手機(jī)上實現(xiàn)，手機(jī)無需作任何改動。具體實現(xiàn)步驟：（1）要定
位
的手機(jī)發(fā)出一已知信號，三個或多于三個LMU同時接收該信號，已知信號是手機(jī)執(zhí)行異步切換時發(fā)
出的接入突發(fā)信號；（2）各LMU得到信號到達(dá)時的絕對GPS時間后，可得到相對時間差（RTD）；
（3）根據(jù)前兩步的信息， SMLC進(jìn)行兩兩比較，計算突發(fā)信號到達(dá)時間差（TDOA），得出精確位
置，
并回到應(yīng)用中。要通過三角計算得出手機(jī)精確位置，必須知道另外兩個參數(shù)：LMU的地理位置和各
LMU之間的時間偏移量。例如各LMU必須提供的絕對GPS時間，或在已知位置的地點放置參考LMU可
得
到實際時間差（RTD）參數(shù)。
LMU用接入突發(fā)信號確定TOA。當(dāng)定位請求發(fā)出時，LMU被選定，且配置正確的頻率，以便接收
接入突發(fā)信號。此時，手機(jī)在業(yè)務(wù)信道（可能會處于跳頻方式）上，以特定功率發(fā)送達(dá)70個接入脈
沖（時長320ms）。各LMU通過多種方式實現(xiàn)和改善TOA的測量結(jié)果。利用收到的突發(fā)信號可提高測
量成功概率和測量精度。采用分集技術(shù)（如天線分集和跳頻），可降低多徑效應(yīng)的影響，提高測量
精度。當(dāng)某個應(yīng)用需要知曉手機(jī)位置時，該應(yīng)用向SMLC發(fā)出請求，同時告知手機(jī)號碼和定位精度
要
求。被測量的TOA參數(shù)及其誤差值一同被采集并發(fā)送到SMLC，根據(jù)該數(shù)據(jù)，SMLC可計算出應(yīng)用所需
要的手機(jī)位置，再將位置信息和誤差范圍發(fā)送回應(yīng)用。
TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以達(dá)到精確計算突發(fā)信號到達(dá)時間的目的。實現(xiàn)方式有
多
種：LMU既可集成在BTS內(nèi)，也可作為單獨設(shè)備。LMU作為單獨設(shè)備時，既可有單獨的天線，也可與
BTS共享天線，通過空中接口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間通信。
2.2 E－OTD定位技術(shù)
E－OTD定位方式是從測量時間差（OTD）發(fā)展而來的，OTD指測量所得的時間量，E－OTD指測
量
的方式。手機(jī)無需附加任何硬件便可得到測量結(jié)果。對于同步網(wǎng)，手機(jī)測量幾個BTS信號的相對到
達(dá)時間；對于非同步網(wǎng)，信號同時還需要被一個位置已知的LMU接收。確定了BTS到手機(jī)的信號傳
輸
時間，則可確定BTS與手機(jī)之間的幾何距離，然后再根據(jù)此距離進(jìn)行計算，最終確定手機(jī)的位置。
實現(xiàn)步驟如下：手機(jī)收到各基站發(fā)來信號，得到TOA參數(shù)；LMU得到RTD參數(shù)；手機(jī)將TOA和RTD參數(shù)
傳送到GSM網(wǎng)。
OTD測量需要用同步、標(biāo)準(zhǔn)且模擬的脈沖。當(dāng)BTS發(fā)送的幀未被同步時，網(wǎng)絡(luò)需要測量BTS之間
的RTD。為了進(jìn)行精確的三角測量，OTD測量和RTD測量（非同步BTS時）均需要3個BTS。獲得OTD
參
數(shù)后，手機(jī)位置既可在網(wǎng)絡(luò)中計算，也可在終端計算（要求手機(jī)具備各種必要信息）。前者稱為手
機(jī)輔助方式，后者稱為手機(jī)自主方式。
通過手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中的位置計算功能模塊，實現(xiàn)位置計算。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、手機(jī)功能以及LMU功能
與測量輸入?yún)?shù)等均一樣的情況下，位置計算可基于兩種 E－OTD定位方式實現(xiàn)。
（1）雙曲線方式
與E－OTD計算相關(guān)的基本時間量有3個：
?OTD：即手機(jī)得到GSM網(wǎng)絡(luò)上兩個不同BTS發(fā)來脈沖的時間間隔。t1時得到BTS1的脈沖，t2
時
得到BTS2的脈沖，則OTD＝t2－t1。兩個脈沖同時得到，則OTD＝0。
?RTD：即GSM網(wǎng)上兩個BTS的相對同步時間差。若BTS1在t3時刻發(fā)送脈沖，BTS2在t4時刻發(fā)
送
脈沖，則RTD=t4-t3。若GSM網(wǎng)同步，則BTS在同一時刻發(fā)送，RTD不需要計算，此時RTD＝0。
? GTD（幾何時間差）：幾何距離不等，導(dǎo)致手機(jī)接收兩個不同BTS發(fā)來的脈沖存在時間差。
如果手機(jī)到BTS1的傳播距離為d1，BTS2到手機(jī)的距離為d2，則GTD＝（d2－d1）／C（C為電磁波
傳
播速度）。若兩個BTS到手機(jī)的距離相等，GTD=0。
上述參數(shù)之間的關(guān)系為：OTD＝ RTD＋GTD。
位置信息從GTD計算出來，由OTD和RTD可用前面的公式推導(dǎo)。手機(jī) GTD中的d2－d1值為恒
量，
這時可能的位置信息為雙曲線。手機(jī)位置則位于由三個基站和兩個GTD得到的兩條雙曲線交界處。
測量結(jié)果存在誤差，灰色區(qū)域為OTD測量結(jié)果可能的位置。雙曲線交叉得到的黑色區(qū)域為手機(jī)的位
置。
（2）圓弧方式
圓弧方式不測量手機(jī)和 LMU接收不同 BTS信號的時間差值，只測量那些信號各自到達(dá)的時
間。以下參數(shù)與E－OTD圓弧方式相關(guān)：
?MOT：BTS信號到達(dá)手機(jī)的時間，以手機(jī)內(nèi)部時鐘為準(zhǔn)；
?LOT：BTS信號到達(dá) LMU的時間，以 LMU內(nèi)部時鐘為準(zhǔn)。通常手機(jī)與LMU的內(nèi)部時鐘之間有
一
個偏移量ε；
?DMB：手機(jī)與 BTS之間的幾何距離；
?DLB：LMU與BTS之間的幾何距離。
參數(shù)之間的關(guān)系：DMB－DLB=c，（MOT－LOT＋ε）（c為電磁波傳播速度）。
以手機(jī)和LMU同時觀察的BTS為圓心畫圓，交叉就可得到手機(jī)的位置。由于存在3個未知量，即
手機(jī)位置的X、Y坐標(biāo)和偏移量ε，所以與雙曲線方式相同，至少需要3個BTS，才能得到手機(jī)的位
置和偏移量ε值。圓弧方式與雙曲線方式的主要區(qū)別在于手機(jī)測量誤差區(qū)和手機(jī)相對于BTS的幾何
位置，其它實現(xiàn)方式一致。
E－OTD計算與手機(jī)能收到足夠多的BTS信息密切相關(guān)。通常說來，GSM網(wǎng)覆蓋性能越好，定位
精度越高。手機(jī)在空閑和業(yè)務(wù)模式（通話時）下均可實現(xiàn)定位，且可選擇持續(xù)定位或單個定位。
持續(xù)定位更適合于手機(jī)自主方式，該方式不需要上行信令。若BTS能采用類似于短消息小區(qū)廣播
（SMS－CB）的功能來發(fā)送位置坐標(biāo)和RTD信息，在空閑模式時手機(jī)就有足夠的信息計算自己的位
置。采用E－OTD定位方式時，LMU和BTS的比例為1：3到1：5之間。
2.3 A－GPS原理
GPS輔助定位方式實現(xiàn)步驟如下：GSM網(wǎng)收到GPS輔助信息；GSM網(wǎng)將輔助信息發(fā)送到手機(jī)；手
機(jī)得到GPS信息，計算并得出自身精確位置；手機(jī)將位置信息發(fā)送到GSM網(wǎng)。
該方式有手機(jī)輔助方式和手機(jī)自主方式兩種：
（1）手機(jī)輔助GPS定位方式
這種解決方案是將傳統(tǒng)GPS接收器的大部分功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)處理器上實現(xiàn)。該方式需要天線、
RF單元和數(shù)據(jù)處理器等設(shè)備。GSM網(wǎng)向手機(jī)發(fā)送一串極短的輔助信息，包括時間、可視衛(wèi)星清單、
衛(wèi)星信號多普勒參數(shù)和碼相位搜索窗口。這些參數(shù)有助于內(nèi)置GP S模塊減少GPS信號獲得時間。輔
助數(shù)據(jù)來自經(jīng)手機(jī)GPS模塊處理后產(chǎn)生的偽距離數(shù)據(jù)，且可持續(xù)數(shù)分鐘。收到這些偽距離數(shù)據(jù)后，
相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)處理器或定位服務(wù)器能大致估算出手機(jī)的位置。GSM網(wǎng)增加必要的修正后，可提高定位
精度。
（2）手機(jī)自主GPS定位方式
這種手機(jī)包含一個全功能的GPS接收器，具有（1）方式中手機(jī)的所有功能，再加上衛(wèi)星位置
和手機(jī)位置計算功能。運算開始時，需要的數(shù)據(jù)比手機(jī)輔助方式要多，這些數(shù)據(jù)能夠持續(xù)4小時以
上或根據(jù)需要進(jìn)行更新，通常包括時間、參考位置、衛(wèi)星星歷和時間校驗參數(shù)等。如果某些應(yīng)用
需要更高的精度，則必須持續(xù)（間隔約30s）向手機(jī)發(fā)差分GPS（DGPS）信號。DGPS信號在非常寬
的地域范圍有效，以一個參考接收器為中心可服務(wù)于較寬的地域范圍。最終位置信息由手機(jī)本身
計算得到，若需要，此定位信息可發(fā)送到其它任何應(yīng)用中。
3 3種定位方式比較
3.1TOA
（1）優(yōu)點
?100％兼容現(xiàn)有手機(jī)。全球在用的數(shù)億個手機(jī)不必作任何改動就可一步到位實現(xiàn)定位，最大
限度保護(hù)現(xiàn)有手機(jī)用戶的利益，是當(dāng)前情況下實現(xiàn)GSM手機(jī)定位的一種理想實現(xiàn)方式；
?支持漫游，各種接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；
?定位精度可單獨優(yōu)化。通過提高LMU性能，可局部提高定位精度。
（2）缺點
初始投資高。整個網(wǎng)需要建立大量LMU，投資較大。現(xiàn)有GSM網(wǎng)要實現(xiàn)同步還需進(jìn)行改造；
?業(yè)務(wù)量大時網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)增加。當(dāng)定位需求增多時，手機(jī)需頻繁強(qiáng)制執(zhí)行切換命令，使GSM網(wǎng)的
信令傳輸量增加。
3.2 E-OTD
（1）優(yōu)點
?LMU數(shù)量遠(yuǎn)少于 TOA方式，可減少網(wǎng)絡(luò)初始投資；
?不需要增加手機(jī)的額外費用。現(xiàn)有手機(jī)無需增加硬件模塊和附件，只需要進(jìn)行軟件更新。
（2）缺點
?現(xiàn)有手機(jī)不能適用于E－OTD定位方式，需要更新軟件或全部替換；
?精度低。由于同時受RTD和幾何距離參數(shù)的影響，定位精度較低。此外，多徑效應(yīng)將影響
定位精度（尤其是城市區(qū)域）。
3.3 A-GPS
（1）優(yōu)點
?網(wǎng)絡(luò)改動少。GSM網(wǎng)基本不用增加其它設(shè)備，無需建立LMU。網(wǎng)絡(luò)投資少，將受 GSM網(wǎng)運營
商的青睞；
?定位精度高。由于采用了GPS系統(tǒng)，定位精度較高，理論上可達(dá)到5～10m。
（2）缺點
?需更換手機(jī)。現(xiàn)有手機(jī)均不能實現(xiàn)A－GPS定位方式，必須更換；
?手機(jī)成本、體積和功率增加。手機(jī)中增加GP S定位功能，則必須增加相應(yīng)的硬件，致使手
機(jī)成本增加。增加GPS的功能后，必然會增加功耗和體積。
?安全風(fēng)險。由于GPS受美國政府控制，存在一定的安全風(fēng)險。某些領(lǐng)域（如軍事、國家安
全等）的定位應(yīng)用應(yīng)避免選用A－GPS定位方式。