WCDMA系统定位方法分析

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    一、前言
    移动通信领域是近年来竞争最激烈的行业之一。运营商越来越需要差异性的业务来提高竞争力，LCS业务（LoCationServices，位置业务）是被普遍看好的一种移动增值业务。目前2G系统中已经可以提供简单的基于位置的服务，随着我国3G牌照的即将发放，3G网络建设和商用进程的日益临近，位置业务将可以依托3G网络的宽带、高速的特性，变得更加丰富多彩。3G网络除了在带宽方面比2G有了明显的提高之外，还可以支持更加丰富的移动增值业务，如移动定位业务。在WCDMA系统中，就有四种主要技术可以实现移动定位，即基于CELLID（小区识别）的定位技术、OTDOA（ObservedTimeDifference of Ar-rival）定位技术、网络辅助的GPS定位技术和混合定位技术。下面将具体介绍WCDMA系统中位置业务及实现方法。
    二、位置业务
    位置业务是指利用定位技术确定移动终端的位置，并据此提供各种基于位置相关应用的业务。常见的位置业务有：导航、跟踪（如物流管理、人员管理等）、城市黄页（如提供最近的银行的信息等）、紧急呼叫（比如接入最近的110服务点）、基于位置的计费等等。
    目前2G系统中已经可以提供相对简单的基于位置的服务；在3G系统中，由于3G网络提供宽带、高速分组业务以及CDMA系统特有的测距码精确等特性，位置业务得到了更为广泛的应用。
    三、定位方法及技术   
    常见的定位方法都是基于测距：通过测量移动终端到位置已知的参照物的距离，再根据一定的算法，计算出它的位置坐标。在这里，位置坐标可以指二维的，也可以是三维的。位置数据可以在网络侧进行计算（称为基于网络的），UE只提供测量数据；也可以在UE侧进行计算（称为基于UE的）。
    由于无线信号以恒定的速率（光速c）传播，其传播距离L=c·t，因此在移动通信系统中，实际上是通过对传播时间的测量来实现距离的测量。
    WCDMA系统中采用以下几种定位方法：
    （1）CELLID+RTT（RoundTripTime，往返时间）；
    （2）OTDOA（ObservedTimeDifferenceof Arrival，观察到达时间差）+IPDL（Idle Period Downlink）；
    （3）AGPS；
    （4）混合定位。
    基于CELLID的定位技术（包括其增强技术RTT），由于定位精度（均指水平精度，下同）在几百米到几千米之间，不能满足大多数业务的需求。因此，虽然实现简单，但实际上应用不多。
    AGPS技术定位精度最高，可达几十米，但其有一个很大的缺点，就是终端成本太高。这也限制了它的应用。
    OTDOA技术由于其精度适中（可满足大多数业务的需求）、响应时间快、终端成本不高（只需软件支持），成为WCDMA系统标准必选的定位方法。
    混合定位方法则是在单靠某一定位方法无法完成位置计算的情况下，结合其它方法进行测量和计算。
    表1对各种定位方法进行了比较。
    表1各种定位方法的比较
    定位方法水平精度（m）响应时间（s）终端额外成本
    CELLID+RTT180～10000.1～0.5无
    OTDOA140～2800.5～2低
    AGPS40～2005～16高
    混合定位40～2005～16高
    1.CELLID+RTT定位原理
    由于移动终端（UE）在登记、位置更新及呼叫建立时，都会通过“RRC连接请求”消息上报所在的CELLID，因此基于CELLID的定位方法最为简单，网络和UE都不需作改动；此时UE的位置，就被认为是基站所在的位置（经纬度）。显然，这种方法获得的位置是很不精确的，其误差就是小区的覆盖半径，通常为数百米到数千米。
    为了提高定位精度，引入了RTT增强技术。
    在NodeB侧，对信号帧进行RTT测量，即计算接收（Rx）和发射（Tx）的时间差。在UE侧，对信号帧的收发时间差（UERxTxtime difference）进行测量。显然，RTT=2L/c+UE RxTx time difference，式中，L为UE到基站的距离；c为光速。
    由于RTT、UERxTxtime difference可经测量获得，c是常数，因此可根据上式计算出距离L：
    L=（RTT-UERxTxtimedifference）c/2
    从数学的观点看，UE就位于以基站为中心，L为半径的圆上，这样定位误差就由小区覆盖半径缩小到L。
    如果我们能对多个基站进行RTT定位，那么就能进一步缩小定位误差。例如，对如图1所示的3个基站分别进行RTT定位，计算出UE到各基站的距离L1、L2、L3，则UE就处于三个圆的交汇处。误差就大大缩小了。

    图1 3个基站RTT定位测量示意图

    由于RTT和UERxTxtimedifference测量的对象都是专用信道（DCH），因此要同时对多个基站进行测量，UE就必须处于切换状态。例如，要对3个基站进行RTT定位，UE必须处于3方切换状态，而且参与切换的小区必须在不同的Node B。这在绝大多数情况下是不可能的。
    CELLID+RTT定位精度取决于小区覆盖半径，因此在城区微蜂窝的场景下，可以满足一般的定位要求。另外，在UE侧需要进行类型2的收发时间差测量，如果UE不支持Type2的测量，则进行Typel的测量，这也会影响到定位精度。
    2.OTDOA+IPDL定位原理
    OTDOA通过测量UE到两个基站的无线信号传播时间差（DTOA，TimeDifferenceOfArrival），来计算移动终端到两个基站的距离差。
    从数学的观点来看，UE的运动轨迹，就是以这两个基站为焦点、以其距离差为定差的双曲线。要实现精确定位，还必须对另外两个基站进行相同的测量与计算，获得另外一条双曲线。这两条双曲线的交点就是UE的位置。因此要实现OTDOA定位，至少需要3个基站，如图2所示。

    图2 3个基站实现OTDOA定位示意图

    DTOA值由UE通过测量不同基站的两个小区的CPICH信号到达的时间而获得。但与cdma2000不同，WCDMA系统是异步的，各基站时间可以不同步，因此其距离差（△L）不能直接通过DTOA乘以光速c来获得，即
    △L≠c·DTOA
    为此引入ODTOA，对各基站的时间差进行修正，使得
    △L=c·ODTOA
    假设移动台到Cell1（NodeB1）、Cell2（NodeB2）的距离分别为L1和L2。假定Cell1的CPICH信号最先到达移动终端，则Cell1、Cell2和UE发射/接收CPICH的时刻如图3所示。

    图3 Cell1、Cell2和UE发射/校收CPICH时刻

    由上图可见，Cell1的CPICH信号到达UE的时刻t1相对于SFN1延迟L1/c，即t1=SFN1+L1/c；Cell2的CPICH信号到达UE的时刻t2相对于SFN2延迟L2/c，即t2=SFN2+L2/c，因此在E测量到的到达时间差：
    TDOA=t2-t1=（SFN2-SFN1）+（L2-L1）/c
    设△L=L2-L1，则有：
    △L=c·（TDOA+（SFN1-SFN2））（1）
    或
    △L=c·（TDOA+RTD）（2）
    其中，RTD=SFN1-SFN2，称为相对时间差，由专门的设备LMU（定位测量单元）进行测量。
    因此距离差△L可由式（2）算出。其中TDOA由UE测量，RTD由LMU测量，而（TDOA+RTD）即为OTDOA。
    在计算出距离差△L后，就可通过求解双曲线方程式，来获得UE的位置坐标。
    由于OTDOA测量对象是CPICH信道，因此在进行OTDOA定位时，无需像CELLID+RTT定位那样先进入到CELL-DCH状态；在利用多个基站进行定位时，UE在空闲状态就可完成测量，因此很容易实现。
    OTDOA定位有着比CELLID+RTT更高的精度，但需要至少3个基站才能进行定位；另外网络侧需要增加额外的设备（LMU），UE则需要软件支持，因此增加了成本。
    当UE距离基站较近时，由于接收机非线性而造成的远近效应，有可能导致UE解调不出较远基站的CPICH信号，影响到定位的效果。为了克服远近效应的影响，引入了称为IPDL的机制：基站在某个预定的随机时刻，关闭所有信道的发射，以便让UE能够有效地测量相邻基站的信号。IPDL空闲期的频率是每100ms（150个时隙）出现1个时隙。IPDL机制需要基站侧与UE侧同时支持。
    3.AGPS定位原理
    GPS的定位方法，就是通过接收GPS卫星的信号和报文，测算终端到GPS卫星的伪距（到达时间），最后计算出终端的三维坐标。其坐标方程式如下：

    式中，（x，y，z）是待定位GPS终端的WGS84三维坐标，是方程中的未知数；为待定位GPS终端的本地时钟与GPS卫星时钟的偏差，也是方程中的未知数；c为光速，是常数；（xi，yi，zi）为第i颗卫星的WGS84三维坐标，是方程中的已知数；PRi为待定位GPS终端测量得到的第i颗卫星的伪距，是方程中的已知数；C·ξi为第i颗GPS卫星的伪距校正值，是方程中的已知数。
    由于方程式中有4个变量（x，y，z，），因此在方程组中至少有4个方程式才能求解，换言之，至少需要4颗卫星才能实现精确定位。
    AGPS定位的原理与普通GPS是一样的，不同的是，AGPS定位是网络辅助的，网络负责收集GPS卫星相关的信息，并在需要进行定位的情况下，将所获得的GPS辅助数据，包括GPS参考时间、GPS卫星ID、GPS捕获辅助数据（多普勒频移搜索窗、伪距搜索窗等）、GPS星历以及参考小区的UTRANGPS小区帧定时测量值等，下发给被定位UE。
    应用网络下发的GPS辅助数据，UE能够更容易的搜索到GPS卫星的信号，从而加快GPS伪距测量的时间、降低UE电源的消耗、以及提高UE的接收灵敏度。
    位置坐标的计算可以在网络侧进行（称为基于网络的），也可以在UE侧进行（称为基于UE的）。显然，基于UE的AGPS定位方法，对UE的要求更高。
    AGPS（或GPS）是目前已知精度最高的定位方法。能够满足绝大多数位置业务的需要。但由于UE在硬件上要支持接收GPS卫星信号，成本很昂贵，从而限制了AGPS定位的应用。另一个限制就是，在室内和非开阔地带，由于搜索不到足够的卫星信号，就无法实现AGPS定位。在这种情况下就需要使用混合定位的方法。
    4.混合定位原理
    AGPS和OTDOA虽然能实现较为精确的定位，但其应用场景也受到限制。
    AGPS定位需要接收到4颗卫星的信号；OTDOA定位则需要接收到3个基站的信号。当这些条件不能满足时，就不能准确定位。这时就需要同时使用两种以上的定位方法，称为混合定位。
    例如，UE在进行AGPS定位时，如果只搜索到3颗卫星信号，则在其方程组里，只能获得3个方程式，这样是无法准确解出位置变量（x，y）的。但如果同时进行CELLID或OTDOA定位测量，获得第4个方程式（圆或双曲线），就能利用特定的优化算法，解出位置变量。
    又如，UE在进行OTDOA定位时，需要接收到至少3个基站的信号。如果只接收到2个基站的信号，那么就只能获得一个双曲线方程式。如果利用这2个基站分别进行CELLID+RTT定位测量，就可获得1个或2个方程式。这样就可以解出位置变量。
    需要指出的是，在求解多次多元方程组时，都是应用优化算法，因此解出的变量只是满足一定条件（置信度）的最优值，而非真实值。
    四、总结
    前面对WCDMA系统常用的定位方法进行了分析，包括CELLID+RTT、OTDOA+IPDL、AGPS和混合定位。
    CELLID+RTT实现最为简单，网络侧和UE侧几乎不做任何变化，而且只有一个基站时也能完成定位，但其精度是最低的，因此只能应用于对精度要求不高的位置业务，以及作为其它定位方法的补充。
    AGPS定位精度最高，能满足绝大多数位置业务的需求，但UE成本很高，因此其应用受到很大的限制。
    要实现AGPS定位，至少需要搜索到4颗卫星，因此只能应用于野外等开阔的环境，在非开阔地或室内，就无法进行AGPS定位了。在这种情况下有两种解决方案：在进行AGPS定位的同时，进行OTDOA（或CELLID+RTT）定位，这种方案称为混合定位；不再进行AGPS定位，依次进行OTDOA定位和CELLID+RTT定位尝试，这种方案称为自适应定位。
    OTDOA同时具有定位精度高、终端成本低、响应时间快、可应用于室内的优点，成为WCDMA系统标准必选的定位方法，应用最为广泛。为了解决UE接收机的远近效应问题，引入了IPDL增强技术。
    要实现OTDOA精确定位，至少需要接收到3个基站的信号，这是OTDOA定位的缺点。在基站数量少于3时，可以结合CELLID+RTT进行混合定位或直接改用CELLID+RTT进行定位。