GSM手機定位技術

摘要 文章提出了GSM手機定位技術的重要性，并對TOA、E－OTD和A－GPS3種GsM手機定位技術解決方案進行分析和比較。
關鍵詞 GSM 定位業務 到達時間 增強測量時間差 GPS輔助
在我國，隨著GSM移動通信網的迅速發展，手機成為人們通信的重要工具之一，利用手機撥打
“110”、“119”和“120”等求助、告警電話日趨增多。據報道，目前美國用手機呼叫“911”
（類似我國的“110“）已占全部呼叫總數的20％，移動通信在社會治安、緊急救援等突發事件中
的地位已越來越重要。傳統有線電話撥打告警電話時，接警系統可根據用戶的主叫號碼，獲得用
戶的準確位置，快速、準確地處警。然而，由于現有移動通信網不能提供呼叫者的位置，求助時
手機用戶無法明確告知準確位置，以致延誤時機，導致事件惡化的情況時有發生。據統計，交通
事故中70％的人員死亡發生在事故后兩小時內。因此，實現GSM手機自動定位業務（LCS，
Location
Service）有非常重要的意義。此外，實現手機定位還有其它廣泛用途，包括自動導航、網絡優
化和手機防盜等。
1GSM手機定位業務系統結構
GSM移動通信網可通過增加一個網絡節點——移動定位中心（MLC）實現LCS業務。該系統引入
的相關接口有：服務移動定位中心SMLC與BSC間接口（Lb）、移動定位中心網關GMLC與GSM網業務
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）、移動定位中心網關與HLR間
接口（Lh）、移動定位中心網關與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先設置，
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的SMLC。
LMU可分為A類和B類兩種。A類LMU以標準的GSM空中接口接入，經BTS、BSC與控制該LMU的
SMLC
保持信令連接。當連接基于NSS的SMLC時，A類LMU有為其服務的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。網絡管理者可為LMU指
派專門的IMSI范圍，并在IMSI中指派特定的數字，表示相關SMLC。IMSI中的某幾個數字可用作一
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的小區中。當 SMLC基于 NSS時，任何A類LMU在HLR中
都
有注冊信息，其中無附加業務（點對點短信和呼入呼出限制業務除外）。HLR中的注冊信息同時將
有LMU功能的MS與普通的MS區分開來，所有有關LMU的數據由LMU和相關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絡單元，編號采用一些偽小區ID號，也可以集成在BTS內或
與BTS連接。當SMLC基于 BSS方式時，B類 LMU的信令通過BSC傳輸；當 SMLC基于 NSS方式時，則
通
過BSC和MSC傳輸。
1.2移動定位中心網關（GMLC）
一個PLMN可有多個GML。GMLC是外部LCS用戶進入GSM網的第一個節點。GMLC通過Lh接口從
HLR中
獲得路由信息。鑒權通過后，GMLC通過Lg接口向MSC/VLR發出定位請求，并接收最終定位結果。
1.3移動定位中心（SMLC）
一個PLMN可包括多個SMLC。SMLC管理所有用于手機定位的資源，計算最終定位結果和精度。
SMLC通常有兩種類型：一種是基于NSS，支持Ls接口標準；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，傳輸各種手機定位信令；后者則通過與BSC相連的Lb接口，傳輸各
種手機定位信令。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
節點，也可分布在多個節點。在LCS業務中，當小區廣播中心（CBC）與BSC相連時，SMLC可利用現
有的廣播功能，通過CBC廣播輔助信息。這時 SMLC相當于CBC的用戶。
2.3種手機定位技術
GSM手機定位方式通常可分為基于網絡方式和基于終端方式兩種。從技術上可分為到達時間
（TOA）、增強測量時間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）3種方式。
2.1TOA定位技術
TOA定位方式可在現有的任何手機上實現，手機無需作任何改動。具體實現步驟：（1）要定
位
的手機發出一已知信號，三個或多于三個LMU同時接收該信號，已知信號是手機執行異步切換時發
出的接入突發信號；（2）各LMU得到信號到達時的絕對GPS時間后，可得到相對時間差（RTD）；
（3）根據前兩步的信息， SMLC進行兩兩比較，計算突發信號到達時間差（TDOA），得出精確位
置，
并回到應用中。要通過三角計算得出手機精確位置，必須知道另外兩個參數：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。
LMU用接入突發信號確定TOA。當定位請求發出時，LMU被選定，且配置正確的頻率，以便接收
接入突發信號。此時，手機在業務信道（可能會處于跳頻方式）上，以特定功率發送達70個接入脈
沖（時長320ms）。各LMU通過多種方式實現和改善TOA的測量結果。利用收到的突發信號可提高測
量成功概率和測量精度。采用分集技術（如天線分集和跳頻），可降低多徑效應的影響，提高測量
精度。當某個應用需要知曉手機位置時，該應用向SMLC發出請求，同時告知手機號碼和定位精度
要
求。被測量的TOA參數及其誤差值一同被采集并發送到SMLC，根據該數據，SMLC可計算出應用所需
要的手機位置，再將位置信息和誤差范圍發送回應用。
TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以達到精確計算突發信號到達時間的目的。實現方式有
多
種：LMU既可集成在BTS內，也可作為單獨設備。LMU作為單獨設備時，既可有單獨的天線，也可與
BTS共享天線，通過空中接口實現網絡間通信。
2.2 E－OTD定位技術
E－OTD定位方式是從測量時間差（OTD）發展而來的，OTD指測量所得的時間量，E－OTD指測
量
的方式。手機無需附加任何硬件便可得到測量結果。對于同步網，手機測量幾個BTS信號的相對到
達時間；對于非同步網，信號同時還需要被一個位置已知的LMU接收。確定了BTS到手機的信號傳
輸
時間，則可確定BTS與手機之間的幾何距離，然后再根據此距離進行計算，最終確定手機的位置。
實現步驟如下：手機收到各基站發來信號，得到TOA參數；LMU得到RTD參數；手機將TOA和RTD參數
傳送到GSM網。
OTD測量需要用同步、標準且模擬的脈沖。當BTS發送的幀未被同步時，網絡需要測量BTS之間
的RTD。為了進行精確的三角測量，OTD測量和RTD測量（非同步BTS時）均需要3個BTS。獲得OTD
參
數后，手機位置既可在網絡中計算，也可在終端計算（要求手機具備各種必要信息）。前者稱為手
機輔助方式，后者稱為手機自主方式。
通過手機或網絡中的位置計算功能模塊，實現位置計算。在網絡結構、手機功能以及LMU功能
與測量輸入參數等均一樣的情況下，位置計算可基于兩種 E－OTD定位方式實現。
（1）雙曲線方式
與E－OTD計算相關的基本時間量有3個：
?OTD：即手機得到GSM網絡上兩個不同BTS發來脈沖的時間間隔。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網上兩個BTS的相對同步時間差。若BTS1在t3時刻發送脈沖，BTS2在t4時刻發
送
脈沖，則RTD=t4-t3。若GSM網同步，則BTS在同一時刻發送，RTD不需要計算，此時RTD＝0。
? GTD（幾何時間差）：幾何距離不等，導致手機接收兩個不同BTS發來的脈沖存在時間差。
如果手機到BTS1的傳播距離為d1，BTS2到手機的距離為d2，則GTD＝（d2－d1）／C（C為電磁波
傳
播速度）。若兩個BTS到手機的距離相等，GTD=0。
上述參數之間的關系為：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。手機 GTD中的d2－d1值為恒
量，
這時可能的位置信息為雙曲線。手機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。
測量結果存在誤差，灰色區域為OTD測量結果可能的位置。雙曲線交叉得到的黑色區域為手機的位
置。
（2）圓弧方式
圓弧方式不測量手機和 LMU接收不同 BTS信號的時間差值，只測量那些信號各自到達的時
間。以下參數與E－OTD圓弧方式相關：
?MOT：BTS信號到達手機的時間，以手機內部時鐘為準；
?LOT：BTS信號到達 LMU的時間，以 LMU內部時鐘為準。通常手機與LMU的內部時鐘之間有
一
個偏移量ε；
?DMB：手機與 BTS之間的幾何距離；
?DLB：LMU與BTS之間的幾何距離。
參數之間的關系：DMB－DLB=c，（MOT－LOT＋ε）（c為電磁波傳播速度）。
以手機和LMU同時觀察的BTS為圓心畫圓，交叉就可得到手機的位置。由于存在3個未知量，即
手機位置的X、Y坐標和偏移量ε，所以與雙曲線方式相同，至少需要3個BTS，才能得到手機的位
置和偏移量ε值。圓弧方式與雙曲線方式的主要區別在于手機測量誤差區和手機相對于BTS的幾何
位置，其它實現方式一致。
E－OTD計算與手機能收到足夠多的BTS信息密切相關。通常說來，GSM網覆蓋性能越好，定位
精度越高。手機在空閑和業務模式（通話時）下均可實現定位，且可選擇持續定位或單個定位。
持續定位更適合于手機自主方式，該方式不需要上行信令。若BTS能采用類似于短消息小區廣播
（SMS－CB）的功能來發送位置坐標和RTD信息，在空閑模式時手機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輔助定位方式實現步驟如下：GSM網收到GPS輔助信息；GSM網將輔助信息發送到手機；手
機得到GPS信息，計算并得出自身精確位置；手機將位置信息發送到GSM網。
該方式有手機輔助方式和手機自主方式兩種：
（1）手機輔助GPS定位方式
這種解決方案是將傳統GPS接收器的大部分功能轉移到網絡處理器上實現。該方式需要天線、
RF單元和數據處理器等設備。GSM網向手機發送一串極短的輔助信息，包括時間、可視衛星清單、
衛星信號多普勒參數和碼相位搜索窗口。這些參數有助于內置GP S模塊減少GPS信號獲得時間。輔
助數據來自經手機GPS模塊處理后產生的偽距離數據，且可持續數分鐘。收到這些偽距離數據后，
相應的網絡處理器或定位服務器能大致估算出手機的位置。GSM網增加必要的修正后，可提高定位
精度。
（2）手機自主GPS定位方式
這種手機包含一個全功能的GPS接收器，具有（1）方式中手機的所有功能，再加上衛星位置
和手機位置計算功能。運算開始時，需要的數據比手機輔助方式要多，這些數據能夠持續4小時以
上或根據需要進行更新，通常包括時間、參考位置、衛星星歷和時間校驗參數等。如果某些應用
需要更高的精度，則必須持續（間隔約30s）向手機發差分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于較寬的地域范圍。最終位置信息由手機本身
計算得到，若需要，此定位信息可發送到其它任何應用中。
3 3種定位方式比較
3.1TOA
（1）優點
?100％兼容現有手機。全球在用的數億個手機不必作任何改動就可一步到位實現定位，最大
限度保護現有手機用戶的利益，是當前情況下實現GSM手機定位的一種理想實現方式；
?支持漫游，各種接口標準統一；
?定位精度可單獨優化。通過提高LMU性能，可局部提高定位精度。
（2）缺點
初始投資高。整個網需要建立大量LMU，投資較大。現有GSM網要實現同步還需進行改造；
?業務量大時網絡負擔增加。當定位需求增多時，手機需頻繁強制執行切換命令，使GSM網的
信令傳輸量增加。
3.2 E-OTD
（1）優點
?LMU數量遠少于 TOA方式，可減少網絡初始投資；
?不需要增加手機的額外費用。現有手機無需增加硬件模塊和附件，只需要進行軟件更新。
（2）缺點
?現有手機不能適用于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和幾何距離參數的影響，定位精度較低。此外，多徑效應將影響
定位精度（尤其是城市區域）。
3.3 A-GPS
（1）優點
?網絡改動少。GSM網基本不用增加其它設備，無需建立LMU。網絡投資少，將受 GSM網運營
商的青睞；
?定位精度高。由于采用了GPS系統，定位精度較高，理論上可達到5～10m。
（2）缺點
?需更換手機。現有手機均不能實現A－GPS定位方式，必須更換；
?手機成本、體積和功率增加。手機中增加GP S定位功能，則必須增加相應的硬件，致使手
機成本增加。增加GPS的功能后，必然會增加功耗和體積。
?安全風險。由于GPS受美國政府控制，存在一定的安全風險。某些領域（如軍事、國家安
全等）的定位應用應避免選用A－GPS定位方式。