GSM手机定位技术

2011-04-08 19:31:19 来源:网络
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提出了GSM手机定位技术的重要性,并对TOA、E-OTD和A-GPS3种GsM手机定位技术解决方案进行分析和比较。

在我国,随着GSM移动通信网的迅速发展,手机成为人们通信的重要工具之一,利用手机拨打“110”、“119”和“120”等求助、告警电话日趋增多。据报道,目前美国用手机呼叫“911”(类似我国的“110“)已占全部呼叫总数的20%,移动通信在社会治安、紧急救援等突发事件中的地位已越来越重要。传统有线电话拨打告警电话时,接警系统可根据用户的主叫号码,获得用户的准确位置,快速、准确地处警。然而,由于现有移动通信网不能提供呼叫者的位置,求助时手机用户无法明确告知准确位置,以致延误时机,导致事件恶化的情况时有发生。据统计,交通事故中70%的人员死亡发生在事故后两小时内。因此,实现GSM手机自动定位业务(LCS,Location Service)有非常重要的意义。

此外,实现手机定位还有其它广泛用途,包括自动导航、网络优化和手机防盗等。

1GSM手机定位业务系统结构

GSM移动通信网可通过增加一个网络节点——移动定位中心(MLC)实现LCS业务。该系统引入的相关接口有:服务移动定位中心SMLC与BSC间接口(Lb)、移动定位中心网关GMLC与GSM网业务控制功能间接口(Lc)外部LCS用户与移动定位中心MLC间接口(Le)、移动定位中心网关与HLR间接口(Lh)、移动定位中心网关与MSC/ VLR间接口(Lg)移动定位中心与同等移动定位中心间接口(Lp)、移动定位中心与MSC/VLR间接口 Ls)以及定位测量单元LMU空中接口(Um)。

1.1定位测量单元(LMU)

通过无线测量,LMU可支持多种定位方式,测量可分为两类:(1)针对一个MS的定位测量;(2)针对特定地理区域中所有MS的辅助测量。LMU的初始值、时间指令等其它信息可预先设置,或通过移动定位中心(SMLC)提供,LMU将得到的所有定位和辅助信息提供给相关的SMLC。LMU可分为A类和B类两种。A类LMU以标准的GSM空中接口接入,经BTS、BSC与控制该LMU的SMLC保持信令连接。当连接基于NSS的SMLC时,A类LMU有为其服务的MSC和VLR,并在HLR上保留其登记的信息。A类LMU有唯一的IMSI,并支持所有GSM无线资源和移动管理功能。网络管理者可为LMU指派专门的IMSI范围,并在IMSI中指派特定的数字,表示相关SMLC。IMSI中的某几个数字可用作一个SMLC中某个LMU的本地代码。A类LMU支持连接控制管理功能,可实现与SMLC之间的LCS信令处理。

它还支持呼叫控制功能,可利用电路交换方式实现与SMLC之间的信令连接。为了确保LMU与SMLC间的互访,LMU必须位于从属于同一BSC或MSC的小区中。当 SMLC基于 NSS时,任何A类LMU在HLR中都有注册信息,其中无附加业务(点对点短信和呼入呼出限制业务除外)。HLR中的注册信息同时将有LMU功能的MS与普通的MS区分开来,所有有关LMU的数据由LMU和相关SMLC管理。B类LMU可从BSC的Abis接口访问,它可以是一个单独的网络单元,编号采用一些伪小区ID号,也可以集成在BTS内或与BTS连接。当SMLC基于 BSS方式时,B类 LMU的信令通过BSC传输;当 SMLC基于 NSS方式时,则通过BSC和MSC传输。

1.2移动定位中心网关(GMLC)

一个PLMN可有多个GML。GMLC是外部LCS用户进入GSM网的第一个节点。GMLC通过Lh接口从HLR中获得路由信息。鉴权通过后,GMLC通过Lg接口向MSC/VLR发出定位请求,并接收最终定位结果。

1.3移动定位中心(SMLC)

一个PLMN可包括多个SMLC。SMLC管理所有用于手机定位的资源,计算最终定位结果和精度。SMLC通常有两种类型:一种是基于NSS,支持Ls接口标准;另一种是基于 BSS,支持Lb接口。前者通过与MSC/VLR相连的LS接口,传输各种手机定位信令;后者则通过与BSC相连的Lb接口,传输各种手机定位信令。这两种SMLC与其它SMLC连接时采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并在同一个物理节点,也可分布在多个节点。在LCS业务中,当小区广播中心(CBC)与BSC相连时,SMLC可利用现有的广播功能,通过CBC广播辅助信息。这时 SMLC相当于CBC的用户。

2.3种手机定位技术

GSM手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术上可分为到达时间(TOA)、增强测量时间差(E-OTD)和GPS辅助(A-GPS)3种方式。

2.1TOA定位技术

TOA定位方式可在现有的任何手机上实现,手机无需作任何改动。具体实现步骤:(1)要定位的手机发出一已知信号,三个或多于三个LMU同时接收该信号,已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号;(2)各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后,可得到相对时间差(RTD);(3)根据前两步的信息, SMLC进行两两比较,计算突发信号到达时间差(TDOA),得出精确位置,并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置,必须知道另外两个参数:LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间,或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差(RTD)参数。LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时,LMU被选定,且配置正确的频率,以便接收接入突发信号。此时,手机在业务信道(可能会处于跳频方式)上,以特定功率发送达70个接入脉冲(时长320ms)。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分集技术(如天线分集和跳频),可降低多径效应的影响,提高测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时,该应用向SMLC发出请求,同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC,根据该数据,SMLC可计算出应用所需要的手机位置,再将位置信息和误差范围发送回应用。

TOA定位方式需要附加硬件(LMU),以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有多种:LMU既可集成在BTS内,也可作为单独设备。LMU作为单独设备时,既可有单独的天线,也可与BTS共享天线,通过空中接口实现网络间通信。

2.2 E-OTD定位技术

E-OTD定位方式是从测量时间差(OTD)发展而来的,OTD指测量所得的时间量,E-OTD指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网,手机测量几个BTS信号的相对到达时间;对于非同步网,信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。确定了BTS到手机的信号传输时间,则可确定BTS与手机之间的几何距离,然后再根据此距离进行计算,最终确定手机的位置。实现步骤如下:手机收到各基站发来信号,得到TOA参数;LMU得到RTD参数;手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。

OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时,网络需要测量BTS之间的RTD。为了进行精确的三角测量,OTD测量和RTD测量(非同步BTS时)均需要3个BTS。获得OTD参数后,手机位置既可在网络中计算,也可在终端计算(要求手机具备各种必要信息)。前者称为手机辅助方式,后者称为手机自主方式。通过手机或网络中的位置计算功能模块,实现位置计算。在网络结构、手机功能以及LMU功能与测量输入参数等均一样的情况下,位置计算可基于两种 E-OTD定位方式实现。

(1)双曲线方式

与E-OTD计算相关的基本时间量有3个:

•OTD:即手机得到GSM网络上两个不同BTS发来脉冲的时间间隔。t1时得到BTS1的脉冲,t2时得到BTS2的脉冲,则OTD=t2-t1。两个脉冲同时得到,则OTD=0。

•RTD:即GSM网上两个BTS的相对同步时间差。若BTS1在t3时刻发送脉冲,BTS2在t4时刻发送脉冲,则RTD=t4-t3。若GSM网同步,则BTS在同一时刻发送,RTD不需要计算,此时RTD=0。

• GTD(几何时间差):几何距离不等,导致手机接收两个不同BTS发来的脉冲存在时间差。如果手机到BTS1的传播距离为d1,BTS2到手机的距离为d2,则GTD=(d2-d1)/C(C为电磁波传播速度)。若两个BTS到手机的距离相等,GTD=0。上述参数之间的关系为:OTD= RTD+GTD。位置信息从GTD计算出来,由OTD和RTD可用前面的公式推导。手机 GTD中的d2-d1值为恒量,这时可能的位置信息为双曲线。手机位置则位于由三个基站和两个GTD得到的两条双曲线交界处。测量结果存在误差,灰色区域为OTD测量结果可能的位置。双曲线交叉得到的黑色区域为手机的位置。

(2)圆弧方式

圆弧方式不测量手机和 LMU接收不同 BTS信号的时间差值,只测量那些信号各自到达的时间。以下参数与E-OTD圆弧方式相关:

•MOT:BTS信号到达手机的时间,以手机内部时钟为准;

•LOT:BTS信号到达 LMU的时间,以 LMU内部时钟为准。通常手机与LMU的内部时钟之间有一个偏移量ε;

•DMB:手机与 BTS之间的几何距离;
 

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