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哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 基于3 g 网络移动设备位置服务的应用 摘要 随着3 g 网络移动通信技术迅猛发展，移动通信设备功能的不断增强、 越来越智能化，手机已经不仅仅满足于用户随时随地的语音业务、短信业务、 手机炒股、手机上网等迎合市场需求的移动增值业务也已经显现出其巨大的 发展潜力。位置服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b s ) 是通过通信网络获取移动 终端用户的位置信息( 经纬度坐标) ，在电子地图平台的支持下，为用户提供 相应位置服务的一种新型业务。 本文结合研究问题的背景，指出了无线移动设备提供的位置服务对于当 代人们的生活的重要意义，对位置服务的应用现状及发展趋势进行了分析和 总结；综述了第三代网络通信平台的定位技术和位置服务涉及的一些基础理 论知识，针对于3 g 网络的定位技术中t d o a 定位算法诸多不足进行改进， 借助于j 2 m e ，x m l ，m o b i l es v g 技术，实现了移动g i s 新的3 g 框架模式。 本文首先研究了第三代无线网络w c d m a 定位的技术：基于蜂窝小区i d 的定位法，o t d o a i p d l 定位法，网络辅助g p s 定位法，w c d m a 三种定 位方法的定位过程；然后改进了t d o a 定位算法，提出了c t 结合算法和位 置穷举最小加权二乘算法，c t 算法的优点是定位精度高，肯定有解，运算 量也不大。位置穷举最小加权二乘算法的优点是在搜索区域较小的情况下， 可以通过较小的搜索步长，以达到比较满意的定位精度；根据n l o s 传播环 境下附加传播时延服从均匀分布的特性，估计附加时延的均值和方差，对 t d o a 测量值进行修正，设计了基于t d o a 的修正非视距误差算法。最后根 据3 g p p 的相关标准，设计了3 g w l c s 系统的总体框架方案、接口、功能。 按照3 g w l c s 系统的架构功能，设计了适合支持j a v a 手机移动定位终端 的系统框架，并模拟实现了客户端相应的逻辑功能。 关键词到达时间差；非视距；位置服务；移动g i s ：3 g 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 a p p l i c a t i o n so f l o c a t i o nb a s e d s e r v i c ef o rm o b i l e e q u i p m e n t sb a s e d o n3 gn e t w o r k a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s e do n3 gn e t w o r ka n dt h e f u n c t i o n so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a le q u i p m e n t sd e v e l o p i n gf a s t ，i t m a k e sag r e a tp r o g r e s so fi n t e l l e c t u a l i z e d w i t ht h es t a n d a r do fl i v i n gg r o w i n g e v e r y d a y , m o b i l ep h o n en o to n l yu s e dt op r o v i d et h ev o i c ea n ds h o r tm e s s a g e o p e r a t i o n sa n y t i m ea n da n y w h e r e ，s o m em o b i l e i n c r e m e n to p e r a t i o n sm e e t m a r k i n gn e e d sl i k em o b i l e - p h o n es t o c k - j o b b i n ga n dw a p h a v es h o w nt h e i rg r e a t d e v e l o p i n gp o t e n t i a l l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b si san e wo p e r a t i o no fg e t t i n g t h ei n f o r m a t i o no fe n d u s e r sp o s i t i o n ( c o o r d i n a t eo fl o n g i t u d ea n dl a t i t u d e ) f r o m c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n g w i t ht h es u p p o r t i n go fe l e c t r o n i cm a pp l a t f o r m ，i t p r o v i d e dc l i e n ta n e wo p e r a t i o no fl b sw h a tt h e yn e e d t h i sp a p e r p o i n t so u tt h ei m p o r t a n tm e a n i n go fl b s i nm o d e ml i f eb a s e do n t h eb a c k g r o u n do fp r o b l e ms t u d i e d ，a n da n a l y z e st h ec u r r e n ts t a t u sa n d d e v e l o p i n gt r e n do ft h ea p p l i c a t i o n so fl b s b a s e do n3 gn e t w o r k a n dt h eb a s i c p r i n c i p l e s ，f e a t u r e sa n dp r o b l e m so fm o v i n gl o c a t i o nt e c h n i q u eb a s e do n3 g n e t w o r kp l a t f o r ma n dl b si n v o l v e da r es u m m a r i z e d w em a d es o m e i m p r o v e m e n t sf o rt h ei n a d e q u a t eo ft d o aa l g o r i t h mb a s e do n3 gn e t w o r k i n t h i sp a p e lj 2 m e ，x m l ，m o b i l es v gt e c h n o l o g i e sa r eu s e dt or e a l i z ean e w f r a m e w o r ko fm o b i l eg i s f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e d n e wl o c a t i o n t e c h n o l o g i e s b a s e do n3 g w i r e l e s sn e t w o r k i n g ：c e l l c e l l - i d ，o t d o a i p d l ，a - g p s ；a n dt h e i rp r o c e s s t h e n ，i ti m p r o v e dt h et d o al o c a t i o na l g o r i t h m ，d e s i g n e dc ta n dl e w l s a l g o r i t h m c ta l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h l yp o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，t h e r e s u l t sc a nb eg i v e nd e f i n i t e l y ，a n dl e s sc o m p u t a t i o n ；t h ea d v a n t a g eo fl e w l s a l g o r i t h mi st h a tw i t hl e s ss e a r c h i n gs t e p si tc a ng e tah i g hl e v e lo fp o s i t i o n i n g a c c u r a c yi nt h ec o n d i t i o no fs m a l ls e a r c ha r e a a c c o r d i n gt oa d d t r a n s m i td e l a y o b e yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n i f o r md i s t r i b u t i o n ，i te s t i m a t e dt h em e a na n ds q u a r e i i 哈尔滨理下大学1 二学硕上学位论文 e r r o ro fa d d - t r a n s m i td e l a ya n da m e n d e dt h em e a s u r e dv a l u eo ft d o ai nn l o s t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t d e s i g nt h ea l g o r i t h mo fa m e n d i n gn o n - l i n eo fs i g h t e r r o rb a s e do nt d o a i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no f3 g p et h e d e s i g n i n go fo v e r a l lf r a m e w o r kp r o g r a m m e ，i n t e r f a c ea n df u n c t i o n sa r ep r o v i d e d i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ef r a m e w o r kf u n c t i o n o f3 g w l c ss y s t e m ，i t d e s i g n e dt h es y s t e mf r a m e w o r kf o rj a v as u p p o r t e dm o b i l e p h o n ep o s i t i o n i n g t e r m i n a l ，s i m u l a t e da n da c h i e v e dt h ec l i e n to fc o r r e s p o n d i n gl o g i cf u n c t i o n s k e y w o r d s t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ( t d o a ) ，n o nl i n eo fs i g h t ( n l o s ) ， l o c a t i o ns e r v i c e ( l c s ) ，m o b i l eg i s ，3 g i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于3 g 网络移动设备位置服 务的应用，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 驯礼 l f 1 期：沙箩年；月i 口同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于3 g 网络移动设备位置服务的应用系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本：论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，。本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密 厂 ， 在年解密后适用授权书。 不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 纠址 i 环惑 - 日期：加g 年多月驴日 日期： 加) ； 年 ；月驴日 日期：a z 内矿年弓月，乡日 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，它是为特定应用 目标建立的空间信息系统，是在计算机硬件、软件及网络支持下，对有关空间 数据进行预处理、输入、存储、查询、检索处理、分析、显示、更新和提供应 用的技术体系。g i s 自诞生以来，随着计算机技术的飞速发展，地理信息的处 理、分析手段日趋先进，g i s 技术日渐成熟，现已广泛地应用于环境、资源、石 油、电力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市规划、经济咨询、 灾害损失预测、投资评价、政府管理和军事等与地理位置相关的几乎所有领域。 上世纪9 0 年代中后期以来，计算机硬件技术、无线网络通信技术及互联网技术 得到了飞速发展，人们急切要求走出固定网络、有线互联的束缚，于是移动蜂 窝通信技术( 以g s m 为代表) 、全球定位系统( g p s ) ，w a p 技术、蓝牙技术等相继 出现，在各方面和不同程度上满足了人们的种种需求与之相应的g i s 技术也由 基于单机的g i s 向固定的网络互联w e b g i s 方面转变。大量移动设备的迅猛发展 促使g i s 由室内工作站和桌面系统向户外移动计算终端发展。 m o b l i eg i s b i 移动式地理信息系统，一般认为移动式g i s ，是在移动的环境 下，通过g i s 服务于普通大众。移动g i s 集地理信息科学、计算机科学、移动通 信技术和网络技术于一体，是g i s 发展的主要方向之一。设计移动g i s 系统满足 移动用户的需求已经成为一个新的研究课题。 移动式g i s 的实现使g i s 真正跳出“g ”，融入i t 主流技术。从定义可以看 出移动式g i s 的实现至少需要由地理信息服务器，移动接收设备，移动定位设 备，数据通信这四个部分组成。目前m l s 心1 ( m o b i l el o c a t i o ns e r v i c e ) 移动位 置服务和l b s 口1 ( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 基于位置服务为m o b i l eg i s 的两个应 用名词。正是m l s 和l b s 的出现才使地理信息能更好地服务于4 a 1 ， g e o i n f o r m a t i o nf o ra n y o n e ，a n y t h i n g ，a n y w h e r e ，a n y t i m e 。 目前，随着移动通信的高速发展，运营商不断推出各种新业务，以满足用 户需求并获得更大利润。由于很多应用都和用户位置有关，无线定位技术的引 入将会极大地丰富移动通信系统的业务，由此便产生了一个新兴的移动增值业 务位置服务业务( l c s ) 【5 f6 。随着3 g 技术的不断发展，l c s 业务被业界 普遍看好，成为众多移动增值业务中一个被广泛关注的亮点。预计在未来l c s 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 业务将成为仅次于语音业务的第二大业务，对人们的生活习惯产生革命性的影 响 8 9 1 0 1 。 尽管已经有移动运营商推出了基于2 5 g 网络平台的移动定位服务，但是， 目前的服务种类尚嫌单一，范围仍不普及。3 gw c d m a 1 2 1 3 h ，临1 将成为移动定位服 务更大规模开展的更理想平台。移动定位与位置服务是移动通信领域相当具有 吸引力的数据业务，也是最被业界看好的3 g 增值业务之一，对于丰富无线数据 业务市场和增加运营商的运营收入来说十分重要。3 gw c d m a 系统融合了话音、 多媒体等多种业务，其中的定位服务功能相当强大，可通过多种定位技术，提 供不同等级、不同精度的定位服务，充分满足各方面的需求。 1 2 国内外研究情况综述 移动通信技术是当今发展最迅速的科技之一，各种全新的无线通信概念层 出不穷，各种新的体制及其关键技术更新换代，通信设备日新月异，一些重大 的观念的改变已经成为2 1 世纪移动通信的标志。在国际电信联盟( i t u ， i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 发出关于征求i m t - 2 0 0 0 各种规格要求解 决方案的征稿通知后，有许多标准团体( 组织) 提出了许多种可用技术。其中 包括了时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和码分多址( c d m a ， c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的解决方法，以及频分双工( f d d ，f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x ) 和时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 的解决方法。欧洲 电信标准协会( e t s i ，e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 达成一 致，提出了采用f d d 方式的w c d m a 方案；日本则提出了t d d 和f d d 方式 可选的w c d m a 方案；韩国提出了两种不同类型的c d m a 方案：其中一种类 似于欧洲和日本提出的方案，而另一种则类似于北美提出的一种c d i v i a 方案 d m a 2 0 0 0 ( 它是i s 9 5 c d m a d 的发展) 。 上面这许多标准团体正在致力研究的那些技术都是十分相似的。提出这些 方案后的下一步工作就是如何实现“资源共享”( p o o lr e s o u r c e ) ，这样就产生了 两个组织第三代无线通信伙伴项目组织( 3 g p p ，t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 和第三代无线通信伙伴项目2 组织( 3 g p p 2 ，t h et h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t 2 ) 其中3 g p p 组织致力于基于w c d m a 的通用移动电信业务 系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ) 的研究，而3 g p p 2 组织则致力于c d m a 2 0 0 0 的研究。 用于u m t s 的无线接入被称为通用陆地无线接入( u t r a ，u n i v e r s a l 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 t e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ) ，这是一种基于w c d m a 的无线解决方法，其中包括了 f d d 和t d d 模式。而u m t s 的无线接入网( r a n ，r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 则 被称为u m t s 地面无线接入网n 6 1 ( u t r a n ，u m tt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 。u t r a n 是一个完整的系统，它不是只由一个空中接口( a i ri n t e r f a c e ) 或一个接入网络构成的系统，它还包括了核心网。u m t s 具有的最引人瞩目的 性能是能达到很高的数据速率高达2 m b i t s 。但是衡量一项给定业务不能只 是看它所能提供的数据速率，必须依据最终用户想做什么来对多方面进行考虑， 数据速率只是一个方面。 u m t s 规范定义了4 种业务类别，其中同一业务类别内包含的各项业务采 用了公共特征集合( s e to fc h a r a c t e r i s t i c s ) 。 1 会话业务种类这种类别的特征是具有较低的延迟容限、较低的抖动延迟 变化容限以及较低的误差容限。这一业务种类对数据的大小不作特别的要求， 而通常只是要求数据速率对称，换句话说就是在一个方向上的数据速率必须近 似等于另一个方向上的数据速率。 话音业务是一种典型的会话类应用，它不需要很高的数据速率，但对延迟 有着较高的要求( 对延迟很敏感) 。 电视会议是另一种典型的会话类应用，它具有与语音业务类似的延迟要求， 但它对误差容限数据速率的要求高于话音业务。 2 交互业务种类这一类别由典型的请求响应类型事务组成，交互类业务的 特征是对容许误差有较高的要求，而对延迟容限的要求则要比会话类业务的情 况要求低一些。抖动( 延迟变化) 对于交互类业务来说不是一个主要问题，只 要总体延迟量不是过分大就可以了。交互类业务对数据速率的要求是由所讨论 的具体业务决定的。其值可大可小。但是在同一时刻，往往只有一个方向要求 有较高的数据速率。 3 流业务种类这一种类别涉及的是单向性业务，它们使用了高的或低的比 特率。流类业务对容许误差有着较高的要求，但对延迟和抖动的要求则较低。 这是因为接受应用( r e c e i v i n ga p p l i c a t i o n ) 一般会对数据进行缓冲，从而流数 据可以以同步方式向用户进行播放。 4 背景业务种类这一类业务的特征是具有较小的延迟约束( 或者也可以没 有任何延迟约束) 。它的实例包括：服务器间的电子邮件传送业务( 相对于用户 电子邮件检索) 、短消息业务( s m s ) 以及性能、测量报告业务。背景类业务应 用要求实现无差错传送。 从目前可能的应用来看，移动定位服务主要包括以下几类： 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 1 救援服务：紧急医疗、紧急报警服务等； 2 基于位置的信息服务：黄页、交通信息、天气信息、导航信息、导游服务 等； 3 基于位置触发的服务：基于位置的管理信息和计费等； 4 跟踪及资产管理服务：车辆调度足艮踪监控防盗、物资跟踪、老人儿童监 护服务等。 移动定位技术的三条路线w c d m a 系统对移动台的定位主要包括两个步 骤：信号测量和基于测量的定位估计计算。其中，信号测量可以在用户终端( u e ) 、 n o d eb 和定位测量单元( l m u ) 中进行，所测量的信号为通用陆地无线接入 ( u t r a ) 无线发射信号，也可能包括其他的通用无线导航信号，定位功能不局 限于一种定位方法或单个信息的测量，这样可以提高定位精度；定位估计计算 可以在用户终端( u e ) 或通用移动通信系统无线接入网( 如业务无线网络控制器) 中进行。 w c d m a 系统移动定位技术主要有三种1 1 7 d 8 1 基于小区标识定位法、观察到 达时间差下行链路空闲周期定位法、网络辅助g p s 定位法。此外，u e 也可以 脱离网络支持，直接由机载g p s 进行定位。无线通信设备定位策略应根据用户 的实际定位精度需求选择相应的定位方式，基于小区标识定位法和网络辅助的 g p s 定位方法是比较可行的方法。观察到达时间差下行链路空闲周期定位法定 位法目前要进一步解决的问题是如何优化定位技术的关键算法，克服噪声、多 径、非视距传播等无线因素的影响以提高定位的精度。 1 3 主要研究内容和章节安排 由于第三代通信系统平台在国内仍然处于研究测试阶段，尚未全国性质大 范围的普及，而移动可扩展矢量图形( m o b i l es v g ，m o b i l es c a l a b l ev e c t o r g r a p h i c ) 规范解决移动g i s 的开发在国内刚刚起步，所以在整个课题研究工作 期间，主要是针对第三代通信网络平台w c d m a 的标准，以及第三代通信系统 w c d m a 系统平台在u m t s 中的定位服务架构和移动定位技术中主要三种技术 方法和m o b i l es v g 规范进行深入的理论研究，并改进了t d o a 定位算法。设 计了3 g w l c s 网络定位系统的总体结构方案，系统接口，同时，为了得到更 高的定位精度，对系统中的参数获取方法进行了研究。最后对m o b i l es v g 规范 的移动g i s 矢量地图的编码和如何在移动终端进行图像的解析显示、操作、针 对某个地物同时又能以文本形式显示，定位系统结构功能特点和流程，移动终 哈尔滨理t 大学t 学顾十学位论文 端定位系统进行了研究和设计。 论文主要内容安排如下： ( 1 ) 介绍了3 g 无线网络平台移动定位的分类，基本原理和w c d m a 的网 络结构；归纳并总结了在3 g 网络平台下，基于小区标识定位法、o t d o a i p d l 定位法、网络辅助g p s 定位法的基本定位流程。 ( 2 ) 介绍了三种基本的t d o a 算法改进了t d o a 定位算法，提出了改进的 c t 结合算法和位置穷举最小加权二乘法算法。 ( 3 ) 介绍了设计了基于t d o a 的修正非视距误差算法的基本原理和实现过 程，并对结果进行了分析。 ( 4 ) 根据3 g p p 的相关标准，对3 g w l c s 系统的总体框架方案、接e l 、功 能进行设计，并且设计了3 g 移动定位系统客户端的结构，最后在e c l i p s e 开发 平台下，借助于j 2 m e 、w i r e l e s st o o l k i t 2 2 模拟器、e c l i p s e m e f e a t u r e1 6 8 s r c 、 k x m l 开发包、t i n y l i n es v g 开发包模拟了客户端移动定位的过程。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 第2 章3 g 网络平台的定位技术 移动定位与位置服务是移动通信领域相当具有吸引力的数据业务，也是最 被业界看好的3 g 增值业务之一，对于丰富无线数据业务市场和增加运营商的运 营收入来说十分重要。3 gw c d m a 系统融合了话音、多媒体等多种业务，其中 的定位服务功能相当强大，可通过多种定位技术，提供不同等级、不同精度的 定位服务，充分满足各方面的需求。人们相信，移动定位服务将伴随3 g 的上马 真正起飞。 2 1 蜂窝网无线定位系统 蜂窝网无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置 收发信机之间传播信号的特征参数( 如电波场强、传播时间或时间差、入射角 等) 来估计出目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位 置、定位主体及采用的设备不同可以将移动定位方案分为三类n 9 1 ：基于移动台 的定位方案，基于网络的定位方案以及g p s 辅助定位方案。 1 基于移动台的定位系统这类系统也称为移动台自定位系统或者前向链 路定位系统，采用的是基于移动台的定位方案。其定位过程是移动台根据自己 接收到的多个已知位置基站发射信号携带的与移动台位置有关的特征信息，来 确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据有关定位算法对移动台自己的位 置进行定位估计。基于移动台定位的系统对每个基站的数据库进行维护，把诸 如基站位置及相邻频率的分配表等信息传送给移动台，构成一个定位系统。 2 基于网络的定位系统这类系统也称为远距离定位系统或反向链路定位 系统，采用的是基于网络的定位方案。其定位过程是由多个基站同时检测移动 台发射的信号，并对这些进行精确的到达时间的测量，然后把这些信息送到网 络中的移动定位中心进行处理，从而得到移动台的估计位置。 3 g p s 辅助定位系统这类系统采用的g p s 定位方案，由集成在移动台上 的g p s 接收机和网络中的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移动台的自定位。 辅助g p s 使用固定位置的g p s 接收机获得移动终端定位所需的辅助数据。这些 辅助数据使移动终端不必译码实际卫星的定位消息就可以进行定位测量。 对基于移动台的定位方案和g p s 辅助定位方案来说，移动台知道其自身位 置但网络方面并不知道；对基于网络的定位方案来说，网络方面知道移动台的 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 估计位置但移动台自身并不知道。要使这两种定位系统中没进行定位估计计算 的一方掌握移动台的位置，还必须利用空中接口在移动台和网络之间建立一条 数据链路，进行有关的数据传输。定位功能的实施应充分利用蜂窝网络已有的 系统资源和g p s 等可以利用的资源，并尽可能少地影响网络的原有功能，选择 适当的定位系统类型、相应的定位技术及实施方案。 2 2 移动定位技术的分类 定位技术大致可以分为三种类型啪_ “2 引：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 基于三角关系和运算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：如图2 1 所示，这种定位技术先要测量己知位 置的参考点( a 、b 、c 三点) 与被测物体之间的距离( 半径1 、半径2 、半径 3 ) ，然后利用三角知识计算被测物体的位置。 图2 1 基于距离测量的定位技术 f i g 2 - 1l o c a t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do nd i s t a n c em e a s u r i n g 一般来说，如果要计算被测物体的平面位置，那么需要测量3 个非线性的 距数据；同理，如果要计算被测物体的三维位置，那么需要测量4 个非线性的 距离数据。在具体的应用环境下，需要测量的距离数据数目可能要少一些。例 如在某些定位系统中，参考点总是位于被测物体之上，所以只需要测量3 个距 离数掘就可以确定被测物体的位置。具体来说，距离测量的方法有直接测量法、 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 传播时间测量法和无线电波能量衰减测量方法三种。 直接测量法是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。 传播时间测量法是利用在己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的关系来进行测量。这种测量方法需要注意这几个问题： 无线电波的传播特性，因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射，而测量 端无法区分直接到达的无线电波和经过反射到达的无线电波，所以容易造成测 量的误差；时钟精度，因为无线电波的传播速度很快，为了减小测量误差必须 使用高精度的时钟；时钟同步，参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时 钟的同步，这样才能保证测量结果的正确性和精度。 无线电波能量衰减测量方法则是利用己知发射电波的强度，在接收方测量 收到的电波强度，以此估计出发射电波物体距离接收方之间的距离。在理想的 传播环境下，无线电波的衰减与传播距离具有比例关系。实际上，无线电波在 空间传播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果，而不单单与传播距离有关。 具体说来，在一个地形地物较为复杂的环境中，无线电波信号传播时的衰减会 受到反射、折射、多径效应等多种因素的影响，所以这种利用能量衰减测量距 离的方法不如传播时间测量方法精度高。 基于角度的定位方法与基于距离测量的定位方法在原理上是相似的，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，那么需要测量2 个角度和1 个距离( 虚线表示) ， 如图2 2 所示。同理，如果要计算被测物体的三维位置，那么需要测量3 个角 度和1 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。 2 图2 2 基于角度测量的定位技术 f i g 2 - 2l o c a t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do na n g l em e a s u r i n g 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 一、? f i i ， ，7 、 i ( 、小叭| 嗡j ；小区： i ；：卜区2l r 弋二乏：l l 、一l ，- z i 2 3 具有定位功能的w c d m a 网络结构 在w c d m a 网络中，对用户定位请求的响应主要是提供移动台( 在 w c d m a 中称为用户设备，英文缩写为u e ) 的地理位置信息及相关的定位精 度估计、移动速度估计、时戳等辅助信息。为此，应充分利用w c d m a 网络已 有的资源g p s 等可以利用的资源，并尽可能减少对系统容量等性能指标的影响， 根据用户的服务权限和精度要求采用不同的定位方法。目前在3 g p p 中，已根 据定位功能的要求在原w c d m a 网络结构中增加了必要的物理和逻辑功能模 块，设计了相关的信令协议、接口和操作程序。 1 网络结构描述如图2 4 所示是具有定位功能的w c d m a 网络结构幢3 1 ， 该图简要描述了l c s 客户、服务器与核心网( c n ，c o r en e t w o r k ) 间的关系。 网络除了具备基本定位功能外，作为服务的一部分，网络还具备对不合法用户 设备进行定位的能力，以及对同时出现的多个l c s 客户提供服务的能力。在该 网络结构中，为支持定位业务而引人的新网络元素有三种：网关移动定位中心 ( g m l c ，g a t e w a ym o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 、服务移动定位中心( s m l c ，s e r v i c e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) ，可以作为无线网络控制器( r n c ，r a d i on e t w o r k c o n t r 0 1 ) 的内置功能来实现和定位测量单元( l m u ，l o c a t i o nm e a s u r eu n i t ) 。 用 用户 图2 _ 4 具有定位功能的w c d m a 网络结构 f i g 2 - 4t h e s t r u c t u r eo fw c d m aw i t hl o c a t i o nf u n c t i o n 当r n c 收到由c n 经i u 接口送来的l c s 客户端定位请求或来自w c d m a 网络内部u e 的自定位请求后，就会启动w c d m a 中的各种定位资源，包括 n o d eb 、各种l m u 、u e 进行信号特征值测量，再将特征值送l i e 或g m l c 内 的位置计算功能模块，计算出l y e 的估计位置，并将定位结果及有关辅助信息 送回c n 或定位请求者。 2 各模块功能分析在w c d m a 网络中，各功能模块相互协作，共同完成 定位功能。下面简要分析图2 4 中w c d m a 网络结构中各模块的功能。 s r n c ：s r n c 实际上是集成了s m l c 功能的服务r n c ，主要功能是调整 分配移动台所需要的资源，计算最后的定位结果和估计定位精度。s r n c 可以 控制多个l m u 。s r n c 和l m u 之间的信令传输通过i u b 接口，有时，也采用 i u r 接口；对独立的l m u 则采用u u 接口。s r n c 的功能具体包括：向其它r n c 请求移动台定位有关的信息；定位请求流量控制；选择定位方法并进行计算； 提供定位相关的辅助数据以及协同和控制移动台定位等。 n o d eb ：n o d eb 的功能是进行信号测量，并将测量结果传递给c r n c ，n o d e b 可以根据定位请求进行信号测量，也可以自发和周期性地进行信号测量，并 报告测量结果。 l m u ：l m u 是l c s 的测量单元，主要用途是测量不同基站间的同步时间 差。它对信号进行测量，并将测量结果传递给s r n c ，同时l m u 也可以进行一 哈尔滨理1 二大学t 学硕十学位论文 些计算。网络中一般不止一个l m u ，每次l c s 请求也可能需要不止一个l m u 进行测量，而且l m u 有不同的类型，s r n c 根据l c s 定位方法选取适当的l m u 。 l m u 有两种类型：a 类是与基站( n o d eb ) 分离的独立测量单元，通过空中 接口与基站通信；b 类则集成在基站内部。 u e ：u e 是用户终端，用来测量下行链路信号，或根据l c s 测量要求， 在上行链路上传输一些定位需要的信号。在移动台一侧包含有l c s 应用，或 通过与网络通信，访问l c s 应用。这些应用可能包含必要的测量或计算以确 定u e 的位置。移动台也可能包含独立的定位功能如g p s 。 g m l c ：g m l c 是w c d m a 网络核心网络的l c s 功能实体，是外部l c s 客户接入时遇到的第一个结点，作为l c s 服务器它与l c s 客户端( l c sc l i e n t ) 相连，负责接收定位请求并完成鉴权操作，将合法的定位请求及服务质量参数 转发给s r n c ，并把s r n c 返回的定位结果转送给客户。 m s c ：移动交换中心( m s c ，m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) m s c 是整个g s m 网络的核心，它控制所有b s c 的业务，提供交换功能及和系统内其它功能的连 接，m s c 可以直接提供或通过移动网关提供和公共电话交换网、综合业务数字 网、公共数据网等固定网的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户和固 定网用户互相连接起来。 v l r ：拜访寄存器( v l r ，v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 是一个数据库，是存储 所管辖区域中移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ，统称拜访客户) 的来话、去话呼叫所 需检索的信息以及用户签约业务和附加业务的信息，例如客户的号码，所处位 置区域的识别，向客户提供的服务等参数。 3 g m s c u t ：它主要负责u e 鉴权，管理l c s 请求。3 g m s c v l r 与定 位有关的功能是计费、定位请求和鉴权等。m s c v l r 应能通过h l r ( 归属位 置寄存器) 对来自网内的定位请求做出确认，判断发起者是否有权使用定位业 务，以及是否得到被定位用户的许可。此外，有些定位方案要求被定位终端处 于激活状态，因此它应能发起到被定位终端的通信连接，并通知该用户。 h l r ：归属位置寄存器( h l r ，h o m el o c a t i o nr e s i s g t e r ) ，包含有l c s 用 户数据和路由信息，g m l c 通过l h 接口可以访问。 2 4w c d m a 网络的标准定位方法 在w c d m a 网络中，对u e 的定位信息具有较大的不确定性。定位精度除 与采用的定位方法有关外，还与信道环境、网络运营商选择的网络规划方案、 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 u e 在覆盖区内的位置及u e 是处于空闲还是激活状态有关。基于未来第三代移 动通信网络的服务宗旨、w c d m a 技术的特点及发展的需要，要求在w c d m a 网络中提供多种具有不同精度的定位方法，以便根据用户需求、与移动台位置 有关网络服务的性质进行合理选择。目前在w c d m a 网络选择了三种定位方法： 基于蜂窝小区i d 的定位法、观察到达时间差一下行链路空闲周期( o t d o a i p d l , o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l i p d l ) 定位法和网络辅助g p s 定位法堙们。 1 基于蜂窝小区i d 的定位法基于蜂窝小区i d 定位法乜5 1 是w c d m a 网络 中最基本的定位方法，其原理非常简单，就是把用户定位到其所在的蜂窝小区。 u t r a n 可通过多种方法获知用户当前所在的服务小区信息，如寻呼、小区更新、 位置区更新、u t r a n 注册区更新、路由区更新等，因此蜂窝小区i d 定位的可 用性非常好。定位操作的具体流程取决于被定位终端的状态。当收到来自c n 的定位请求后，s r n c 首先查询是否有目标用户的可用小区i d 信息，如果没有， 就要发起寻呼过程。如果目标m s 处于软切换状态下，会同时与几个基站保持 通信连接，此时s r n c 需考虑所有基站的信息，从中选取最合适的一个提