宽带码分多址定位技术研究

社会信息化进程越来越快，人们希望能随时随地获取所需信息和进行通信，这对移动通信系统提出了更高的要求。人们在获得高质量的话音、数据、图形、图像等各种信息服务的同时，还希望移动通信系统能给他们带来更多的便利，蜂窝定位技术就是一项随时代潮流应运而生的新兴技术。本文主要讨论定位技术在第3代移动通信宽带码分多址(WCDMA)中的应用和定位方法的实现。

　　1 宽带码分多址定位技术

　　早在1996年，美国联邦通信委员会(FCC)公布了E-911(Emergency call “911”)定位需求，要求各种无线蜂窝网络必须可进行E-911紧急呼叫，这表明提供E-911定位服务将是今后蜂窝网络必备的基本功能。欧洲和日本也作了相应的要求。E-911定位需求颁布以来，由于相关政府的强制性要求和市场需求本身的驱动，许多国家的通信企业针对GSM、IS-95和3G等网络制订了各自的实施方案，并取得了一定的成果。

　　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(UE)、节点B和定位测量单元(LMU)中进行。所测量的信号为通用陆地无线接入(UTRA) 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。定位计算估计可以在用户终端(UE)或通用移动通信系统无线接入网(UTRAN)，如业务无线网络控制器(SRNC)中进行。

　　定位的实现可以提高用户的安全保障；根据移动用户密度不同灵活计费；提供诸如车辆及旅客位置、车辆的调度管理、监测交通事故、疏导交通等服务；增强蜂窝性能，如能准确地监测移动台的移动，使网络方面能更好地决定什么时候进行小区间的切换；辅助实现蜂窝系统设计和资源管理，在蜂窝网络具备定位能力后，网络设计者能改进他们对蜂窝系统的设计规划能力；通过对呼叫移动台的定位，网络方面可根据其位置分配相应信道，从而提高频谱利用率，对网络资源进行更有效的管理。随着定位技术的发展，其他潜在的应用还将不断出现。

　　2 主要定位方法

　　2.1 基于小区标识定位法

　　在基于小区标识(或称小区覆盖) 定位方法中，UE的位置依据服务节点B(Node B)的小区标识估计。服务节点和小区信息通过寻呼、位置更新、小区更新、用户注册区(URA)或路由区域更新获得，然后将小区标识映射为具体的地理位置。当地理坐标用作定位信息时，UE的估计位置可以是业务小区内确定的地理位置(如业务Node B的位置)、业务小区覆盖区的地理中心或小区覆盖区内其他固定位置。定位信息必须包括服务质量(QoS)估计。

　　为了提高基于小区标识(ID)定位方法的定位精度，在频分双工(FDD)模式下，还可以通过测量往返时间(RTT)来进一步提高定位精度。

　　2.2 OTDOA-IPDL定位法

　　观察到达时间差(OTDOA)是通过测量电波从发射机传播到多个接收机的传播时间差来确定目标移动台的位置。初步测量通过UE接收的下行链路公共导频信道的到达时间差实现。3个基站形成的平面上，一点到两个固定点的距离差如为定值时，该点必定在一条双曲线上，两条这样的双曲线的交点便可得到移动台的位置，如图1 所示。通过测量得到的移动台到多个基站距离的延时差后，移动台的位置便可以由两条双曲线的交点得到。

　　延时估计的算法可使用最大似然估计、自相关估计和周期相关估计等方法得到。不同位置估计的精度取决于时间测量的精度和基站的相对位置(基站位置的几何关系会影响位置估计的精度，当基站等距离环绕UE时结果最佳)，同时还受到多径传播的影响。

　　CDMA无线系统的一个基本问题就是当终端距离服务基站很近时，接收其他同频基站信号能力差。为了实现定位计算，UE必须接收到至少3个基站的信号。解决可听性问题的方法是基站指定下行空闲周期(IPDL)，使每个基站在某一个很短的时间内停止发射。在空闲周期期间，小区内的终端可以测量其他基站的导频信号，从而提高服务基站内UE测量其他同频基站信号的能力。IPDL时间长度是可变的，但不能超过公共导频信道(CPICH)的一个时隙，通常在5～10个CPICH符号之间。

　　定义IPDL周期有两种类型：

• 连续模式：每一下行帧有一个空闲周期。
• 突发模式：在每一个IP间隔帧有一个空闲周期(IP间隔与业务负载和容量有关，如果IP间隔帧为10帧，那么每100 ms就有一个IPDL)。
  突发模式的定时关系如图2所示。

　　从图2可以看出IPDL发生的时刻由突发帧的位置和对应帧中的时隙位置决定。

　　从突发帧系统帧号和时隙位置的关系可知：突发模式时隙位置是0～14之间的一个随机数。IPDL方法的引入是对OTDOA方法的改进，解决了检测多个基站信号的问题。

　　2.3 网络辅助GPS定位法

　　为了推动GSM、WCDMA系统间的“无缝”定位业务，3GPP定位标准支持基于全球定位系统(GPS)的网络辅助定位方法。网络辅助GPS方法依靠UE GPS接收处理部分和网络GPS参考接收处理部分的信令交互完成UE位置定位。GPS参考接收处理部分可以和UTRAN连接校正UE测量信息。网络辅助的GPS定位法根据定位计算的位置不同可以分为基于UE和UE辅助两种定位类型。基于UE的定位方法在UE内部配有功能完善的GPS接收处理部分，定位计算在UE侧完成。UE辅助的定位方法是将UE侧的GPS处理单元功能简化，以减小UE的复杂度，主要功能是进行码相位测量，然后通过高层信令发送至网络侧定位单元处理模块以进行UE的位置估计。

　　GPS定义方法依赖于复杂度降低的UE GPS接收机和网络GPS参考接收机间的连续信令交互运作完成，该方法能使以下一些性能得到改善：

• 降低UE GPS的启动和接收次数，使搜索窗口受限，测量速度大大加快。
• 增加UE GPS的灵敏度，通过UTRAN获得的定位辅助信息使UE GPS可以在低信噪比不能解调UE GPS信息的情况下工作。
• 由于GPS可以在不用时处于待机方式，使UE比单GPS方式耗电少。

　　GPS定位方法有独立GPS接收机来测量伪随机相位等信息，并通过定时校正过程降低由卫星时钟、定位模型、电离层时延、对流层时延和可选择的有效性等带来的定位误差。网络辅助GPS关键流程如图3所示。下面以UE辅助定位方法为例说明定位步骤：

　　(1)首先核心网发送UE的定位请求，SRNC根据UE和网络的定位能力结合定位请求确定定位方法。SRNC在这里作为核心网和UTRAN中UE位置定位实体的接口。

　　(2)系统进行定位测量单元(LMU)更新、往返时间(RTT)测量，然后根据UE能力，SRNC发送特定的GPS辅助定位信息至UE，包括GPS参考时间，卫星ID，多普勒频移、搜索窗以及窗口中心、星历表和时钟校准等信息。

　　(3)SRNC发送测量请求给UE，要求测量GPS卫星码相位和相关的其他信息，如SFN-SFN观测时间差和接收-发射时间差，UE执行测量过程并将测量结果发送回网络侧。

　　(4)根据获得信息，SRNC进行UE位置计算，如果获取的位置信息不足以进行UE位置定位，则重复进行步骤2。

　　(5)SRNC发送位置估计结果给核心网。

　　需要说明的是，对于具体的定位流程，不同的实际系统会有一定的变化。

　　3 结束语

　　比较3种定位方法，基于小区ID定位法最容易实现，不需要另外添加专门的定位单元模块即可实现UE定位，但定位精度较低，大约在几十米到几百米不等；OTDOA-IPDL定位法能消除对时间基准的依赖性，并仍保证一定的定位精度；网络辅助的GPS定位方法目前较OTDOA-IPDL定位法精度稍高，定位精度可以达到5～10 m，已经在实际的无线移动通信系统中得到应用，但这一定位方法需要用到GPS定位系统，所以该方法具有一定的依赖性。

　　总的来说，无线通信设备定位策略应根据客户实际定位精度需求提供相应的定位方式。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。随着第3代移动通信标准的不断完善，定位技术的设计和使用也将不断走向成熟。

　　参考文献：

　　[1] Caffery J, Stuber L. Overview of Radiolocation in CDMA Cellular Systems [J]. IEEE Commun Mag, 36(4), 1998: 38?45.
　　[2] Rappaport T S, Reed J H, Woerner B D. Position Location Using Wireless Communications on Highways of the Future [J]. IEEE Commun Mag, 34(10), 1996:33?41.
　　[3] 3GPP TS 25.305, Stage 2 Specification of UE Positioning in UTRAN [S].
　　[4] 3GPP TS 23.171, Functional Stage 2 Description of Location Services in UMTS [S].
　　[5] 3GPP TS 24.008, Mobile Radio Interface Layer 3 Specification Core Network Protocols ? Stage 3 [S].

[摘要] 文章以宽带码分多址标准为基础，介绍了第3代移动通信的3种定位方法：基于小区标识定位法、观察到达时间差-下行空闲周期定位法和网络辅助全球定位系统定位法，并对3种定位方法的优缺点进行了比较和分析。

[关键词] 定位业务；观察到达时间差；下行空闲周期

[Abstract] Based on the WCDMA standards, three positioning methods: cell ID based positioning, OTDOA-IPDL positioning and network assistant GPS positioning, in the 3rd generation mobile communications are introduced, and the advantages and disadvantages of the three methods are compared and analyzed.

[Keywords] LoCation services; Observed time difference of arrival; Idle period downlink