移动通信网定位技术发展及应用.docx
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移动通信网定位技术发展及应用
移动通信网定位技术发展及应用
1
1 移动通信网定位技术综述......................................................................................1
1.1 定位基本概念....................................................................................................1
1.1.1 物理位置和抽象位置.................................................................................1
1.1.2 定位性能指标.............................................................................................2
1.2 定位技术分类....................................................................................................2
1.2.1 基于三角/双曲线关系的定位技术 ............................................................2
1.2.2 基于场景（信号指纹）分析的定位技术 .................................................3
1.2.3 基于临近关系的定位技术.........................................................................3
1.3 定位策略 ...........................................................................................................3
2 移动通信网定位技术发展研究..............................................................................4
2.1 蜂窝网络定位技术............................................................................................4
2.1.1 Cell ID 定位技术........................................................................................5
2.1.2 UTOA/UTDOA 定位技术 .........................................................................7
2.1.3 E-OTD 定位技术 .......................................................................................7
2.1.4 智能天线 AOA ...........................................................................................7
2.1.5 信号衰减（Signal Attenuation）..................................................................8
2.1.6 AGPS .........................................................................................................9
2.1.7 基于数据融合的混合定位.........................................................................9
2.1.8 模式匹配...................................................................................................10
2.2 无线局域网（WLAN）定位技术 ....................................................................10
2.2.1 基于时间/角度测量的定位......................................................................10
2.2.2 基于信号强度的定位技术.......................................................................11
3 移动通信网定位技术应用.....................................................................................14
3.1 安全方面的紧急救援和求助.........................................................................14
3.2 追踪方面的汽车导航、车辆追踪、舰队追踪 ..............................................14
3.3 计费方面的基于位置和事件的计费系统 ......................................................14
1
3.4 网络性能方面的移动性管理及系统优化设计 ..............................................15
3.5 其他方面，如移动黄页查询、防止手机盗打 ..............................................15
4 结语 .......................................................................................................................15
致谢............................................................................................................................16
参考文献....................................................................................................................17
2
0 引言
移动终端的位置信息是移动互联网中的关键信息之一，利用移动定位信息开展的服务
将是移动互联网上的一种特色服务。
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。
在通信和定位两
大系统正在相互融合、相互促进的背景下，利用无线通信和参数测量来确定移动终端位置，
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。
1 移动通信网定位技术综述
美国联邦通信委员会（FCC）于 1996 年下达指示要求移动运营商为移动电话用户提供
E-911（紧急救援）服务，这就要求对所有移动电话用户实现定位功能，同时，FCC 又于
1999 年对定位精度做出新的要求。
FCC 的这些举措大大促进了关于定位技术及其服务业
务研究的发展，很多国家开始致力于研究商用定位技术并推出了各具特色的商用定位服务。
近几年，全球移动用户的数量迅猛发展，为商用位置服务提供了极其诱人的市场前景。
相
关的位置服务业务可包括：
紧急求救电话服务、物流管理、商业求助电话服务、个人问询
服务、车辆导航服务、特定跟踪服务等等。
移动定位涉及移动无线通信、数学、地理信息和计算机科学等多个学科的知识，某些
有关移动定位的基本概念比较容易混淆，因此有必要首先澄清一些基本概念。
1.1 定位基本概念
1.1.1 物理位置和抽象位置
定位系统提供的位置信息可以分为两类：
物理意义上的位置信息和抽象意义上的位置
信息。
所谓物理意义上的位置信息，就是指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数
据。
例如，GPS 可以测得一幢建筑物位于北纬，东经，海拔 50 米处。
相对而言，抽象的
位置信息可以表达为：
这栋建筑物位于公园的树林中或校园的主教学楼附近等。
从应用程
1
序的角度讲，不同的应用程序需要的位置信息抽象层次也不尽相同，有些只需要物理位置
信息；而有些则需要抽象意义上的位置信息，单纯的物理位置信息对它们来说是透明的，
或是没有意义的。
当然，物理位置信息可以在附加信息库的帮助下，转换并映射为抽象层
次的位置信息。
1.1.2 定位性能指标
定位精度和定位准确度是两个紧密联系的概念，它们之间的关系类似于数理统计学中
置信区间和置信水平之间的关系。
严格说来，如果孤立的指出某个定位系统的定位精度或
定位准确度，都是没有意义的。
典型的正确描述应该是：
A 定位系统可以在 95%的概率
（置信水平）下达到 10m 的定位精度。
其中，“95%”描述的是定位准确度。
定位精度越
高，相应的定位准确度就越低，反之亦然。
通过增加定位设备的密度或综合使用多种不同
的定位技术，可以同时提高定位系统的精度和准确度。
一般说来，室内应用所需定位精度
要比室外应用高。
1.2 定位技术分类
无线定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体
的位置。
测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。
定位精度取决
于测量的方法。
从定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：
基于三角关系
和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。
1.2.1 基于三角/双曲线关系的定位技术
这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，
它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。
基于三角或双曲线关系的定位技术可
以细分为两种：
基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。
基于距离测量的定位技术先要测量已知位置的参考点（A，B，C 三点）与被测物体之
间的距离（R1，R2，R3），然后利用三角知识计算被测物体的位置。
具体说来，距离测量的
方法有直接测量、传播时间、无线电波能量衰减三种方法。
直接测量通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。
例如，机器人移
2
端之间的距离。
例如，在理想传播环境下，无线电波的衰减与成正比（r 为传播距离）。
1/𝑟
动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离
参数。
传播时间测量法是在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间
成正比。
这种测量方法需要注意几个问题：
（a）无线电波（在非视距 NLOS 环境中）的传播
特性。
一般的解决方法是增加测量次数，求出统计意义上的测量值。
（b）时钟精度。
（c）时钟
同步。
参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同。
无线电波能量衰减测量方式
是通过已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射端距离接收
2
实际上，无线电波在空间传播时能量的衰减受多种因素影响，相比传播时间测量方法没有
优势。
基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的。
两者主要的不同
在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。
一般来说，如果要计算被测物体的平
面位置（即二维位置），那么则需要测量两个角度和一个距离。
同理，如果要计算被测物体
的立体位置（即三维位置），那么则需要测量三个角度和一个距离。
基于角度测量的定位技
术需要使用方向性天线，如智能天线阵列等。
1.2.2 基于场景（信号指纹）分析的定位技术
这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述
定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。
业界习惯上将上述形式
化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。
观察者根据待定位物体所在位置的
“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。
由此可以看出，这种
定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。
Microsoft
的 RADAR 无线局域网定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。
1.2.3 基于临近关系的定位技术
基于临近关系进行定位的技术原理是：
根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点
的临近关系来定位。
这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的
各个位置。
这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的 Cell ID。
假设待定位物体
分别位于三个 Cell 中。
由于各个 Cell 中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在 Cell
可以粗略确定其位置（即 Cell 中参考点的位置）。
除了 Cell ID 以外，其他的例子还有
Xerox PareTAB System、Carnegie Mellon Andrew、Active Badge 等。
3
1.3 定位策略
从定位策略的角度来看，定位技术/系统可以分为基于移动终端的定位和基于网络的定
位两种。
基于移动终端的定位是指，定位计算由移动终端自主完成，移动终端能够自行确
定自身当前的位置。
基于网络的定位主要由网络系统收集待定位移动终端的信息并计算移
动终端的当前位置。
如果再对以上两种定位策略进行细分，前一种定位策略又可以分为基
于移动终端的定位和网络辅助定位两种；而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位和
移动终端辅助定位两种。
2 移动通信网定位技术发展研究
不同的无线移动网络对定位有着不同的业务需求和定义，不同的网络拓扑、物理层和
MAC 层设计对定位技术也提出了不同的挑战。
按照不同的网络拓扑形式，现有定位系统可
以分为蜂窝网络、WLAN 和无线传感器网络辅助的定位系统。
2.1 蜂窝网络定位技术
目前，实现蜂窝无线定位主要有三大类解决方案：
（1）基于网络的定位技术，如基
于 CellID 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（AOA）方法，这些解决方案
需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移动终端；
（2）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 下行链路空闲
周期观测到达时间差方法（OTDOA-IPDL）等；（3）以
GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU、QZSS 等为代表的卫星定位系统，移动台和网
络侧集成了卫星定位的辅助设备。
从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易提供较为
精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需求，这
将对移动台体积、功耗、成本带来影响。
各类定位方法已经在不同蜂窝网络中被标准化。
3GPP 对于 GSM 网络选择了基于
CellID 和时间提前量、上行 TOA、E-OTD、辅助 GPS（AGPS）等方案，而为 WCDMA 网
络选择了基于 CellID、OTDOA-IPDL、AGPS 等方法。
GSM 网络中与定位相关的标准包
括 3GPPTS09.02 和 3GPPTS03.71，3G 网络中还有 3GPPTS25.331 系列规范对位置服
4
定位技术
精度水平
（m）
冷启
速度
（s）
适用网络环境
备 注
CellID
100-3000
1-3
不限
精度受制于扇区大小，鲁棒性
较差
Cell
ID+TA/RTT
550
1-5
GSM/GPRS
精度较 Cell ID 有所改进，仍
低于其他方法
20-60
UMTS（WCDMA，T
D-SCDMA）
UTDOA
50-150
5-10
GSM/WCDMA/TD-
SCDMA
GSM/TD-SCDMA 需增加
LMU，LMU 与 SMLC 之间接
口私有
E-OTD
50-300
5-10
GSM
需添加 LMU（/3BTS），建设成
本高
AOA
50-500
1-5
不限
MSC 支持 Lg 接口，定向天线
支持 AOA 测量，受环境影响
较大，用于配合其他方法
指纹（NMR、
模式匹配）
50-300
5-10
不限
控制平面需支持 Lupc 接口，
需要大量离线训练数据，或使
用路径模型计算距离
智能天线
逊于
AGPS，
优于传统
三角定位
5-10
不限
网络侧需 MIMO 支持，只需单
个基站，T（D）OA/AOA 测量，
或统计学习多径信号参数与用
户位置间关系
数据融合
优于传统
测时、
测角定位
5-10
测量数据
（TOA/TDOA/AOA
）
或系统级
（GPS+CDMA）融
合
需结合多种定位技术和设备，
以提供 T（D）OA/AOA 等测量支
持
AGPS
信号好：
5-
200
5-20
不限
开阔区域定位精度/
室内、密集地区定位情况较差
务系统的架构和相关定位流程进行了规定。
这类主要介绍几种主要蜂窝网络定位方法和其
性能的比较，见表 1。
表 1 几种主要蜂窝网络定位方法及其性能比较
准确度最高，
2.1.1 Cell ID 定位技术
Cell ID 技术是蜂窝网络中最简单的一种定位方法，由于其对终端定位的结果是终端服
务小区基站的位置，所以定位精度随扇区大小而变化，特点是速度快，应用简单，精度较
5
差，通常与其他定位结合使用，统称为基于 Cell ID 的定位技术。
这类定位技术是 Cell ID
技术的补充和改进。
在移动蜂窝通信网络中，每个蜂窝小区都有一个惟一的，利用移动终
端所在 Cell 对应的 Cell ID 就可以粗略确定移动终端的位置。
如图 1 所示。
。
GSM/GPRS 系统中可以用作定位的另一个参数是时间提前量（TA），UMTS 系统中与
之对应的是回路测量时间（RoundTripTime，RTT）。
TA 和 RTT 两者皆是利用基站传送
到手机的时间补偿（Time Offset）来测量 BTS 与手机之间的距离，分析移动台所在的区
域。
TA 以比特为单位，1bit 相当于 550 米的距离；RTT 以比特为单位，WCDMA 3.84M
码片速率下 1bit 相当于 20 米的距离；TD-SCDMA 1.28M 码片速率下 1bit 相当于 60 米的
距离。
把 Cell ID 和 TA/RTT 结合在一起是一种简单又经济的方法。
所有终端都可使用这种
方法定位，这是其一大优点。
但这种技术的定位精度取决于小区大小和周围的环境，通常
只能用于粗略定位。
NMR（Network Measurement Report）也称 E-CGI（Enhanced Cell Global
Identification），从本质讲是一种具有自主和指纹定位两种模式的技术。
这种技术是对
CellID 以及 CellID+ TA/RTT 的增强。
NMR 指纹定位离线学习阶段，终端在确定位置的样
本点处对各相邻小区的信号强度进行采集和记录，并将样本点处服务小区 Cell ID、各相邻
小区信号强度和对应精确位置归档；进入在线定位阶段，终端实时测量和收集相邻小区的
NMR 数据并上报网络侧数据库，查询与所检测信号强度最为接近的样本点的位置，作为最
终定位结果。
如图 2 所示。
图 1 Cell 定位技术原理
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图 2 NMR 邻小区测量定位原理
2.1.2 UTOA/UTDOA 定位技术
上行链路到达时间（UTOA）定位方法是由基站测量移动终端信号到达的时间。
该方法要
求至少有三个基站参与测量，每个基站增加一个位置测量单元 LMU，LMU 测量终端发出
的接入突发脉冲或常规突发脉冲的到达时刻。
LMU 可以和 BTS 结合在一起，也可分开放
置。
由于每个 BTS 的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移动终端的位置。
TDOA 测量的是移动终端发射的信号到达不同 BTS 的传输时间差，而不是单纯的传输时间。
UTOA 定位需要终端和参与定位的 LMU 之间精确同步，而 TDOA 通常只需参与定位
的 BTS 间同步即可。
另外，这两种定位还要求在所有基站上安装 LMU，因此成本较高。
2.1.3 E-OTD 定位技术
增强型观察时间差（Enhanced Observed Time Difference， E-OTD）只能用于
GSM/GPRS 网络，使用这种技术需要在网络中的多个基站上放置位置测量单元（Location
Measuremnet Unit，LMU）作为参考点。
如图表 3 所示。
每个参考点都有一个精确的定
时源。
E-OTD 的运作方式是以移动终端测量来自至少 3 个 LMU 的信号，根据各 LMU 到
达移动终端的时间差值所产生的交叉双曲线可以计算出移动台的位置。
7
图 3 E-OTD 系统原理
E-OTD 方案可以提供比 CellID 高得多的定位精度——在 50 米到 125 米之间。
但是它
的定位响应速度较慢，往往需要约 5 秒的时间。
另外，它需要对移动终端软件进行更新，
这意味着现存的移动用户无法通过该技术获得基于位置的服务。
2.1.4 智能天线 AOA
基站通过阵列天线测出移动台到达无线电波信号的入射角，从而构成基站到移动台的
径向连线，两条连线的交点即为待定位移动台的位置。
这种方法不会产生二义性，因为两
条直线只能相交于一点。
这种信号到达角（Angle of Arrival， AOA）定位方法需要在每个小
区基站处放置 4~12 组天线阵列，这些天线一起工作，从而确定移动台发送信号相对于基
站的角度。
AOA 通常用来确定一个二维位置。
移动终端发，BTS1 收，测量可得一条 BTS1 到移
动终端的连线；移动终端发，BTS2 收，测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。
BTS1 和 BTS2 坐标位置已知，以正北为参考方向，顺时针为 0~360 度，逆时针为-
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