基于3G网络与GNSS的多模态组合无线定位技术研究

胡新和 杨博雄

(1.咸宁职业技术学院计算机系, 湖北省咸宁437100；2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉430079)

1 引言

在 2G/2.5G的网络中，由于受到网络传输速度的限制，高精度定位技术的应用受到局限，3G技术的日益成熟为移动定位技术的发展提供了支持。3G移动网络通过特定的定位技术来获取移动终端的位置信息，可以为移动终端用户提供附加服务，如应用于紧急救援、导航追踪、运输调度、移动黄页等诸多方面。

2 3G网络移动定位技术

目前，在 3G网络中广泛使用的移动定位技术有三种：基于小区标识（CELL-ID）定位技术、观察到达时间差（OTDOA，Observed Time Difference of Arrival）定位技术、网络与GNSS联合定位技术。

2.1 基于小区标识定位技术

基于网络的小区标识定位技术是一种最简单的定位技术，适用于所有蜂窝网络，且无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的移动用户提供自动定位业务。该技术根据移动终端所处的蜂窝小区 ID号来确定用户的位置，因此其定位精度完全取决于移动终端所处蜂窝小区半径的大小，从几百米到几十公里不等。与其它技术相比，该技术投资较少，定位响应时间较短，一般在3 s以内，但其精度最低，误差较大。

2.2 观察到达时间差定位技术

观察达到时间差OTDOA定位技术是一种应用于 3G网络的定位方式。这种定位技术通过移动终端测量不同基站的下行导频信号的到达时刻（TOA，Time of Arrival）实现定位，其定位精度较高，定位范围约为 100～200 m。但对时间基准的依赖性较强，同时受多径干扰的影响也较大。OTDOA定位响应时间比 CELL-ID略长，大约要10 s。该技术无需对手机进行修改而只需修改网络，即可直接向现有用户提供服务。

2.3 多模联合定位技术

多模联合定位技术是指通过 3G网络基站信息辅助全球卫星定位系统 GNSS信息（含GPS、北斗、GLONASS等）来进行移动终端位置解算技术。这种技术需要网络和移动终端都能够接收 GNSS信息。此技术的优势主要在其定位精度上，在室外等空旷地区，正常工作环境下其精度可达5～10 m。另一方面，利用网络传来的辅助信息可以增强 TTFF（Time To First Fix），其首次捕获 GNSS信号的时间大大减小，一般仅需几秒。

3 多模联合定位的基本原理与网络结构

3.1 多模联合定位的基本原理

作为一种高精度的移动定位技术，多模定位通过移动终端和 GNSS辅助定位信息（由移动网络提供）共同获取移动终端的位置信息，因而需要在移动终端内增加 GNSS接收机模块（或者外接 GNSS接收机），同时要在移动网络上加建位置服务器等设备。

其定位流程如下：

（1）移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器。

（2）位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的 GNSS辅助信息（捕获辅助信息、定位辅助信息、灵敏度辅助信息、卫星工作状况信息等）和移动终端位置计算的辅助信息（如 GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等）。利用这些信息，终端的辅助GNSS模块可以很快捕获卫星，以提升GNSS信号的第一锁定时间TTFF能力，并接收GNSS原始信号。

（3）终端在接收到 GNSS原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距（伪距即受各种GNSS误差影响的距离）。

（4）若采用网络侧计算，终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到位置服务器，位置服务器根据传来的 GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分 GPS基准站等）的辅助信息完成对 GPS信息的计算，并估算该终端的位置；若采用终端侧计算，终端根据测量的 GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对 GPS信息的计算，把估算的终端位置信息传给定位服务器。

（5）位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。

多模联合定位过程如图1所示。整个方案以3G网络为传输数据方式。辅助接收机实时地从卫星处获得参考数据（时钟、星历表、可用星座、参考位置等），通过网络提供给定位服务器。当移动终端需要定位数据时，定位服务器通过无线网络给终端提供辅助数据，以增强其TTFF，提高辅助GNSS接收模块的灵敏度。

图1 多模态联合定位的基本原理

3.2 多模联合定位的网络结构

目前，多模联合定位技术中，可以采用两种基本的网络拓扑结构：控制平面（Control Plane）和用户平面（User Plane）。

（1）控制平面

控制平面方式中，移动定位中心（SMLC，Serving Mobile Location Centre）与无线基站的无线网络控制器（RNC，Radio Network Controllet）集成，GPS辅助信息通过信令的方式来交互。移动定位网关（GMLC）位于无线网络的IP数据网上，负责外部定位请求的接入。

由于通过信令接口在核心网络内部传输辅助数据，因而该结构传输效率高且安全可靠，有利于位置服务的管理和控制。其缺点是 RNC需具有 SMLC功能，会影响到核心网络，实现和维护复杂，成本较高。

（2）用户平面

用户平面方式利用现代无线网络的 IP功能，通过 IP数据网和 SMLC交互辅助信息，移动终端的 UE（User Equipment）直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到 GMLC的传递。其相应的标准由开放式移动联盟（OMA）制定，称为安全用户层面定位（SUPL）。这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署，无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持，无需对无线核心网络进行改造，且与 2G网络兼容，易实现，成本低，因而推广迅速。

SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到 GMLC的端到端对话，实现无线定位信息传递，并通过 Le接口实现与服务提供商的互通。SUPL的典型体系结构如图2所示。

图2 多模联合定位的网络结构

从图 2中可以看出，SUPL定位平台（SLP）由 SUPL定位中心（SLC）和 SUPL位置中心（SPC）两部分组成，SUPL定位平台和SUPL终端（SET）之间的接口为 LUP（Location User Plane），接口采用 OMA的ULP（User plane Location Protocol）协议。支持 SUPL接口功能的 SET具备的功能有：私密功能、安全功能、SET预备功能、辅助信息发送功能和位置计算功能等。

4 多模态联合定位的流程与算法

（1）网络通信过程

在 SUPL中，可分为代理模式和非代理模式。在代理模式下，SPC不再直接与 SET通信，而是由SLC作为代理完成SET和SPC之间的通信；在非代理模式下，SPC将直接与 SET进行通信。另外，由于终端归属地的不同，又可分为漫游和非漫游两种情况。在这里为了便于讨论，只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析。网络端和 SET均可发起网络通信，图 3给出了由网络发起的定位通信过程：

图3 非漫游代理模式下网络发起的定位通信过程

在图 3中，（A）由 SUPL代理向 H-SLP（Home SLP）发送一个 MLP SLIR请求消息，该消息中包含 ms-id、client-id和 qop等；（B）H-SLP核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持 SUPL功能；（C）H-SLP使用WAP PUSH或 SMS向 SET发送一个 SUPL INIT消息，该消息应该包括 session-id、posmethod、SLP mode等；（D）SET收到SUPL INIT后，建立与 H-SLP通信的安全数据连接；（E）SET向H-SLP发送一个SUPL POS INIT消息来开始一个定位会话，该消息中包含有 session-id、lid、SET capabilities等，SET可能会在其中设置被请求的辅助数据；（F）HSLP根据 SUPL POS INIT提供的定位协议选取相应的通信协议（RRLP/RRC/TIA-801）与SET进行连续的定位数据交换。（G）当位置信息计算结束时，H-SLP向SET发送SUPL END消息通知 SET定位会话结束，同时 SET释放和 HSLP之间的安全 IP连接和相关会话资源；（H）H-SLP向SUPL代理通过发送MLP SLIA消息返回 SET位置信息，同时释放所有相关的会话资源。

由 SET发起的定位通信过程与图 3所示区别不大，从（E）开始的步骤与图 3相同，只是在最后发送 SUPL END消息并释放相关资源后，整个通信过程结束。不同的是SUPL代理可与 SET集成，SET首先建立与 H-SLP的安全数据连接，而后向 H-SLP发送 SUPL START消息，H-SLP在核实当前目标 SET没有处于SUPL漫游当中且支持 SUPL功能后，发送SUPL RESPONSE消息作为对 SUPL START消息的回应。由 SET发起的定位通信过程如图 4所示：

图4 非漫游代理模式下SET发起的定位通信过程

（2）计算方法

多模态联合定位计算可以分为 MS-Based方式和MS-Assisted方式。在 MS-Based方式中，计算由终端完成；而在 MS-Assisted方式中，定位计算由网络基于SET提供的测量数据完成。

两种定位计算方法各有利弊：MS-Assisted的优点是对终端的要求低，但具有时延较大、不适合高速行驶情况下的定位等缺点。相比而言，MS-Based方法的优点是网络负担小且定位时延小；适合短时间内的连续定位情况；在网络不能提供辅助的情况下，可以使用 GPS功能来定位，因而可靠性高；此方式下无需核心网络作任何改进，成本较低。总体而言，MS-Based方式是比较可取的定位方式。

5 结束语

目前，国内移动通信市场日益发展，特别是随着3G商用的临近，中国移动和中国联通都制订和推出了各自的联合定位技术方案。

多模联合定位技术的主要功能是能够为终端用户提供高精度的位置信息。移动运营商采用多模联合定位技术提供的位置服务后，终端用户可以方便快捷地获知自己或他人当前所处的位置，特别适用于车辆跟踪与导航系统以及具有特殊任务的车辆（运钞车、救护车、消防车等），能够大幅度提高车辆安全、运输效率和服务质量。

[1] Junsong Xie, etc. Comments on “Effect of system imperfections on BER performance of a CDMA receiver with multipath diversity combining”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 52, No.5, Sep. 2003, pp. 1414-1415.

[2] Junsong Xie, etc. Downlink transmission performance of WCDMA based IMT-2000 with coherent rake combing. 2001 IEEE International Conference on Third Generation Wireless and Beyond, San Francisco, USA, May 31, 2001,pp.991-994

[3] Junsong Xie, etc. Analysis and simulation of 3GPP based WCDMA multi-rate downlink data transmission. The First IEEE International Workshop on Sequence Design and Applications for CDMA Systems, Sep. 24th, 2001, pp. 271-280

[4] Junsong Xie, etc. Throughput maximization of adaptive MQAM and the effects of inaccurate feedback channel estimation. the 4th IEEE international conference on parallel and distributed computing, applications and technologies, ISBN:0-7803-7840-7, Aug. 27-29, 2003, pp. 404-407.

[5] 周建彬, 周旭, 丁岩军. 3G中的 A-GPS移动定位技术. 移动通信, 2006,(8).