基于ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的無縫定位服務

摘要：基于TD-SCDMA(time division synchronous code division multiple access)網(wǎng)絡提出一個新的體系結構，在不同的環(huán)境和不同的定位精度需求下使用不同的定位方法，從而通過移動終端實現(xiàn)無處不在的定位服務。

關鍵詞：時分同步碼分多址；室內(nèi)定位；室外定位；數(shù)據(jù)融合定位；體系結構

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：1001—3695(2007)09—0205—03

在資源管理、社會經(jīng)濟活動和日常生活中，具有空間位置特性的地理信息發(fā)揮了越來越大的作用。用戶可以通過使用安裝在移動終端(如手機等)上的客戶端軟件，與無線網(wǎng)絡結合，確定需要訪問用戶的實際地理位置，從而提供與位置相關的服務信息。這是一種應用前景非常廣闊的技術，建立在移動網(wǎng)絡平臺之上，具有巨大的商業(yè)價值，尤其是可以應用在尋人、交通、移動電子商務、緊急救助等方面。美國的E911已經(jīng)對運營商提出了對用戶的緊急呼叫進行定位的強制要求。有關機構預測，到2006年，全球LBS市場的產(chǎn)值將會達到400億美元。目前，LBS技術成為國內(nèi)外相關領域的研究熱門，美國、歐洲、日、韓等國家和地區(qū)LBS應用較為發(fā)達，在這些地區(qū)已經(jīng)有運營商提供LBS的服務。

最近各種各樣的定位方法均進行了大量的研究，定位技術可以從需求的設備，或是從其利用的物理現(xiàn)象等進行分類，且應用這些定位方法時的體系結構也不盡相同，每種定位方法均只能支持某個特殊的環(huán)境且精度各異。這些定位方法可能在某個地理區(qū)域內(nèi)或是某個行業(yè)應用很適合，但是隨著環(huán)境和應用領域的改變，這些定位技術先天的劣勢使它們不能得到很好的應用效果。例如利用GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))在大型超市這類室內(nèi)環(huán)境定位貨物時不適用，而基于室內(nèi)的定位方法在室外實現(xiàn)起來大多非常困難且代價昂貴，這些是因為環(huán)境制約而造成的困難；而精度的需求也會影響定位服務的應用。例如用CELL-ID(小區(qū)識別)定位來地理勘測是不適合的，而在城市導航中使用RTK(real-time kinematic，載波相位實時動態(tài)差分)技術肯定是對資源的浪費且代價昂貴。

1 定位技術概述

1．1 室外定位

現(xiàn)在室外大多都利用GPS進行定位。GPS的定位精度從100－10m不等，隨著研究的不斷深入，一些基于GPS的定位方法均得到了很好的應用，精度也得到了提高。例如D-GPS(diffe-rential global position system，差分全球定位系統(tǒng))、A-GPS(assisted global posltaon system，網(wǎng)絡輔助全球定位系統(tǒng))和RTK技術等，這些定位方法均采取一些輔助手段或者加裝一些輔助設備，從而在提高精度的同時也提高了定位的代價。例如RTK的定位精度達到cm級，但定位時需要增加一個RTK基準站，且定位解算周期很長。

基于GPS定位的穩(wěn)定性及其他提供的各個層次的定位精度確實能夠解決大部分用戶的需求，但是GPS定位還是有盲區(qū)。在城市中心或是室內(nèi)進行定位時，GPS射頻信號穿透建筑物的墻壁后，信號強度變得非常弱，并且障礙物較多，多徑現(xiàn)象嚴重，因此GPS系統(tǒng)在這些環(huán)境中的定位結果并不理想，定位的精度不能滿足一些用戶的需求，甚至不能進行定位。

1．2 室內(nèi)定位

當GPS接收機在室內(nèi)工作時，信號十分微弱，要想與室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取導航數(shù)據(jù)和時間信息是非常困難的，因此對室內(nèi)精確的定位提出了很大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在關于室內(nèi)定位的研究也有很多，比較著名的有RADAR、spotON等。

室內(nèi)情況下，用戶之間的距離較短，存在較嚴重的反射、衍射和繞射等非直線傳播情況，而且同一用戶信號的各條多徑分量時間上相當接近，現(xiàn)有設備的分辨率不足以區(qū)分時間上如此接近的各條多徑，所以利用傳統(tǒng)的AOA(angle of arrival，信號到達角度)、TOA(time 0f arrival，信號到達時間)估計或者TDOA(time diffe—fence of arriva[，信號到達時間差)估計，幾乎不可能。

現(xiàn)有應用比較多的室內(nèi)定位方法是基于信號強度的定位。這其中就有基于WLAN網(wǎng)絡的定位方法。其中無線終端設備能收到多個位置已知的AP(CCeSS point，接入點)的信號，無線終端向定位服務器發(fā)送它收到的幾個無線設備的信號強度等相關信息；定位服務器將這些信息讀人，服務器便利用AP的位置信息，再根據(jù)“距離一損耗”模型計算出該終端的初始位置。這種方法簡單可行，并且精度可以通過利用其他移動端的附加信息或是優(yōu)化模型等方式來提高。

室內(nèi)定位的方法有很多，不僅有基于WIAN的，還有基于UWB和RFID的等。它們均有各自的優(yōu)勢，但它們的共同點就是應用這些方法在室外時，在室外搭建這樣的系統(tǒng)耗費過于龐大，同時實現(xiàn)起來也特別困難。

1．3 數(shù)據(jù)融合定位

利用GPS定位，這種方案在戶外運轉(zhuǎn)良好，但在室內(nèi)或衛(wèi)星信號無法覆蓋的地方效果很差，而且如果所在位置上空沒有三顆以上的衛(wèi)星，那么系統(tǒng)就無法從冷啟動狀態(tài)進行定位。而另外一些不需要GPS衛(wèi)星的定位方法，如依靠移動網(wǎng)絡，利用地面信號為移動設備進行三角定位。這種方案的缺陷是在蜂窩基站幾何條件或覆蓋條件差的地區(qū)，定位效果也不理想。這些傳統(tǒng)的定位技術無論在定位精度、靈敏度、速度，還是在可用性方面均存在著明顯的缺憾，這極大地限制了定位服務的大規(guī)模應用。

要想克服這兩種傳統(tǒng)方案的弱點，最直觀的想法莫過于集兩家之長，優(yōu)勢互補。這時可以考慮將幾顆GPS的衛(wèi)星信息配合當前移動網(wǎng)絡提供的一些定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應的數(shù)據(jù)處理，即數(shù)據(jù)融合，綜合利用這些基礎數(shù)據(jù)計算之后就可以得到最后的定位結果。

美國高通公司的GpsOne技術就是這種想法的產(chǎn)物。基于數(shù)據(jù)融合的定位方法確實能夠改善定位的可用性、靈敏性、精確度和定位耗時，更重要的是減小了定位時所花費的代價。

1．4 基于移動網(wǎng)絡的定位

基于移動網(wǎng)絡的定位技術，是指網(wǎng)絡根據(jù)多個固定基站測量到的與移動終端位置有關的特征信息數(shù)據(jù)，來推算出移動終端所處的幾何位置。主要包括CGI-TA(cell global identity-timing advmme)、上行到達時間(UL-TOA)定位技術、TDOA定位技術和AOA定位技術等。TD-SCDMA是我國的下一代移動通信網(wǎng)絡，在該網(wǎng)絡中進行定位也是現(xiàn)在研究的一個熱點。

TD-SCDMA是由中國無線通信標準化組織(CWTS)制定，并被1TU(International Telecommunications Union，國際電信聯(lián)盟)接納的三大3G無線通信主流標準之一。TD-SCDMA是FDMA、TDMA和CDMA這三種基本傳輸模式的靈活結合，采用用戶信號的到達方向(智能天線)與距離(上行同步)技術進行計算判斷，它更適合于精確的定位業(yè)務。

根據(jù)3GPP文檔及TD-SEDMA系統(tǒng)測試規(guī)范，TD-SCDMA所支持的標準定位方法主要有基于CELL-ID的定位技術、OTDOA(obsetwed tram difference of arrival)定位技術、網(wǎng)絡輔助的GPS定位技術。

TD-SCDMA網(wǎng)絡因其自身的優(yōu)勢，不僅可以很容易地支持上述的幾種定位方法，同時要與其他定位方法結合使用也是容易實現(xiàn)的。例如結合使用一些混合定位、RTK定位方法等，其定位過程均遵循TD-SCDMA的相關標準。可以看出，在TD-SCDMA網(wǎng)絡中支持的定位方法是豐富多彩的，定位精度也可以實現(xiàn)從km級到m級甚至cm級不等，因而花費的代價也有太有小，非常有利于實現(xiàn)無縫定位服務。

2 基于TD-SCDMA網(wǎng)絡的無縫定位

2．1 無縫定位體系結構

如圖1所示，定位用戶可以根據(jù)定位的環(huán)境分為三類，即位于室內(nèi)的、位于室外的及其在室內(nèi)并接近室外的地方、都市區(qū)或是通信環(huán)境達不到室外定位要求，均可以稱為邊界用戶。同時可以在對用戶的定位需求作出廣泛的調(diào)查之后，依據(jù)定位精度需求將用戶分為多個類別，粗略地將用戶分為兩類：一類對精度要求很高；一類只需要知道粗略位置的用戶。

用戶都是通過TD-SCDMA移動網(wǎng)絡中的移動端即手機發(fā)送定位請求，并顯示最后的地理位置消息。如圖2所示，用戶發(fā)送定位請求到手機上LBS應用程序后，LBS應用程序利用當前移動端獲取的相關基礎信息，并判斷用戶所處的環(huán)境，LBS應用程序?qū)⒍ㄎ徽埱蠛拖嚓P基礎信息通過TD-SCDMA網(wǎng)絡到達定位服務器。定位請求包括用戶定位精度的需求及其相應時間等；基礎信息包括用戶所處何種環(huán)境、GPS導航數(shù)據(jù)及其移動網(wǎng)絡信息等。這些傳輸過程均遵循TD-SCDMA網(wǎng)絡的相關協(xié)議。定位服務器首先鑒別用戶是否有相應的權限享受當前的服務，同時要利用用戶傳送過來的精度需求和所處環(huán)境決定使用何種定位服務。在決定使用何種定位方法之后，定位服務器通過網(wǎng)絡將定位請求發(fā)送到完成定位的相關設備上，如室內(nèi)定位時，定位服務器通過Internet發(fā)送定位請求到室內(nèi)定位服務器，這些設備接收定位請求之后，將相關數(shù)據(jù)返回給定位服務器；定位服務器經(jīng)過計算后將結果返回給用戶，并通過LBS應用程序顯示給用戶。

2．2 定位算法選擇及其定位算法模式切換

2．2．1 定位算法選擇

如上文所述，不同的環(huán)境和不同的精度需求都需要不同的定位方法。定位方法的分類大體通過應用的環(huán)境不同分為三類，即室外定位、室內(nèi)定位和邊界定位。而每類定位又可以因為用戶需求的不同將精度分為若干等級，一般可以認為精度越低所花費的代價越低。

現(xiàn)在室外定位方法廣泛應用很多，可以分為基于網(wǎng)絡和基于終端的，基于網(wǎng)絡的CELL-ID、TOA和TDOA等的定位精度相對均比較低，花費的代價也相對較小；而基于終端的GPS、DGPS和RTK等精度相對較高，花費的代價均相應高一些。當用戶發(fā)送定位請求后，通過判斷用戶在室外時，根據(jù)用戶的需求定位服務器可以選擇到適合的定位算法。如果是大眾用戶需要城市導航就使用CELL-ID和TOA等低花費的算法已經(jīng)足夠；如果是戶外勘測用戶的需求，這時cm級定位精度的RTK定位算法是合適的。

室內(nèi)定位的算法現(xiàn)在也進行了大量的研究，這些算法的精度大多都達到了1-3m的精度，但是這些算法需要加裝的設備很多，代價昂貴。如圖1所示，它利用WLAN中AP的信號強度進行定位，精度受到AP個數(shù)的影響。為了達到很好的定位精度，因此花費很高。例如LBS應用程序判斷一個用戶所處的環(huán)境在室內(nèi)，且該用戶是用于城市導航定位，使用CELL-ID和TOA等定位算法是適合的；但如果是大型超市或者停車場需要定位貨品的位置或者車的位置時，采用加裝輔助設備而精度能夠達到m級的定位算法是必需的。

當用戶在邊界時，如果用戶的精度需求不高，仍然可以采用CELL-ID和TOA等定位算法。用戶對精度的需求很高時，仍然可以選擇合適的室內(nèi)定位算法；但是當用戶的精度需求介于兩者之間，如要求在10m，這時適當?shù)臄?shù)據(jù)融合定位算法是可行的，可以采用GPS信號數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡TDOA的定位數(shù)據(jù)等綜合計算。這時所花費的代價比需要加裝大量輔助設備的室內(nèi)定位算法要小得多，精度比起CELL-ID和TOA等算法也有大幅的提高。

2．2．2 定位模式切換

用戶發(fā)送定位請求時，不可能永遠靜止地站在同一個地方等待定位結果的返回，特別是像RTK這種定位算法可能需要相對很長時間來進行計算，所以用戶環(huán)境的變化是不可避免的。系統(tǒng)對于這種情況的發(fā)生一定要能夠處理，以保證定位服務的穩(wěn)定性。如圖3所示，定位環(huán)境的變化可能有四種情況。

為了監(jiān)控這些特殊情況，LBS應用程序在接收到用戶的定位請求后，要按照一定的頻率進行判斷。這個過程一直到定位服務器返回定位結果給用戶為止。

當出現(xiàn)這四種情況中的任一種情況之后，定位服務器要中斷當前定位的流程，重新開始定位流程，直到得到最后結果返回給用戶。例如一個對精度要求很高的用戶在室外發(fā)送了定位請求，系統(tǒng)判斷給他使用了RTK定位算法，由于定位計算時間可能很長或者定位服務器的繁忙等原因，在定位過程中，用戶進入一個提供精確室內(nèi)定位的商場購物。此時，LBS在某個時間發(fā)現(xiàn)用戶的環(huán)境發(fā)生了改變，則對定位服務器取消剛才的定位流程，并重新發(fā)送定位請求。這個過程一直持續(xù)到用戶得到最后的定位結果為止。

3 結束語

本文提出的網(wǎng)絡體系機構可以很好地給不同環(huán)境不同需求的用戶提供全球的無縫定位。其特點有如下幾點：滿足不同地理環(huán)境的需求，室內(nèi)室外的定位均能實現(xiàn)；經(jīng)濟實用，提供給用戶不同的精度選擇，真正滿足了大眾各個層次的需求；系統(tǒng)穩(wěn)定，因為整個體系中提供多套定位方法，如當用戶手機中的GPS接收機發(fā)生故障時，基于網(wǎng)絡的定位還能提供相應服務；易于擴展，這個體系結構可以方便地移植到其他移動網(wǎng)絡，包括其他的3G網(wǎng)絡等。

本文提出的體系結構還只是一個原型，因而可以進一步完善體系結構，例如優(yōu)化使網(wǎng)絡中的各個節(jié)點負載更加均衡，或是優(yōu)化由于模式頻繁切換中產(chǎn)生的定位效率降低等。更加理想的想法是，研究出一種算法同時在室內(nèi)外能進行定位，同時有一定的精度和不太高的花費，射線跟蹤算法就是一種很有希望的定位方法。