移動位置服務應用平臺研究與開發*

高小能，郭志飛

（浙江萬里學院 電子信息學院，浙江 寧波 315100）

移動位置服務應用平臺研究與開發*

高小能，郭志飛

（浙江萬里學院 電子信息學院，浙江 寧波 315100）

提出了一種移動位置服務的體系結構，開發、設計了其中的關鍵部件移動位置服務網關和位置服務應用平臺，給出了實現位置服務的應用程序設計流程。經過實際測試表明，系統能夠應用于移動通信網絡為用戶提供位置服務。

移動位置服務；時間差分定位；輔助GPS定位；位置服務網關；LBS應用平臺

移動位置服務LBS（Location-based Service）是通過一定的技術從移動通信網絡獲取移動用戶的位置信息，并為用戶提供相應服務的一種增值業務。提供移動位置服務要依賴于移動通信網絡以及移動定位技術。在第二代移動通信網絡中，由于網絡固有的原因，定位精度只能達到數十米，這使得網絡運營商無法推廣移動位置服務吸引客戶。隨著第三代移動通信網絡在中國快速發展，結合新研究的移動定位技術，通過用戶的移動終端進行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經達到米數量級[1]。從而使移動定位業務能夠像短消息業務一樣成為一種具有廣闊市場前景的移動增值業務。

1 移動定位技術

無線定位技術是指用來判定移動用戶位置的測量和計算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來進行位置計算，最常用的定位技術主要有：信號到達角度定位AOA（Anger of Arrival）、到達時間定位TOA（Time of Arrival）、 到達時間差定位TDOA （Time Difference of Arrival）、cell-ID 定位、輔助 GPS（A-GPS，assisted GPS）定位等。在實際應用中，定位往往是越精確越好，例如當用戶發生危險需要緊急定位時，傳統定位技術定位到某個蜂窩小區數十米范圍內是遠遠不夠的，需要借助定位技術提高定位的準確性。上述定位技術中只有TDOA定位和輔助GPS定位的定位精度可以精確到3 m～7 m[1]。在3G移動通信系統中得到了較好地應用，滿足了用戶對定位精度的要求。

1.1 到達時間差（TDOA）定位技術

TDOA定位技術是根據不同基站接收到的同一移動終端信號在傳輸路徑上的時延差異實現終端定位。當移動終端發出緊急呼叫時，移動網絡通過其附近的三個或更多個不同基站接收并測量出信號的到達時間，網絡計算出到達時間兩兩之間的差值，移動終端必然位于這些時間差值所對應的以兩兩基站為焦點的雙曲線上[2]。這樣，根據兩條雙曲線的交點就能夠確定手機的位置。所以只要附近三個基站接收到移動終端發出的信號就可以達到定位目的。TDOA技術只需要移動通信網絡參與網絡參數的測量，不需要對終端硬件上的改動。因此實現TDOA定位只需要在移動通信網中增加相應功能模塊就可以了，并支持所有廠商生產的移動終端。同時它具有定位精度高、響應時間短、實現簡單等優點。

在3G移動通信網絡中，實現LBS業務需要在無線接入網側增加定位功能實體，即位置測量單元LMU（Location Measurement Unit）。LMU可以單獨設置或置于基站內，而核心網側還須有對應的功能實體，即位置確定單元 PDE（Position Determination Entity），根據 LMU測量的網絡參數進行相應的定位運算[3]。

TDOA作為主要的定位技術在第三代移動通信網絡中得到了廣泛的應用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術，即觀測到達時間差分OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）；在3GPP2的CDMA2000中，稱為高級前向鏈路三角測量法A－FLT（Advanced Forward Link Trilateration）。這些方法的原理相同，都是通過信號到達時間差值，確定不少于兩條雙曲線，再通過這些雙曲線的交點，確定移動臺的位置。到達時間差分定位原理如圖1所示。

1.2 輔助 GPS（A-GPS，assisted GPS）定位

在移動通信網絡中直接使用GPS定位遇到許多問題。首先，由于捕捉到GPS衛星導航信號的時間相對較長（30秒到幾分鐘），所以移動臺的首次響應時間較長。其次，由于較長的響應時間導致移動臺的功率損耗也較大。最后，處于室內和城市低谷地帶（高樓之間等）的移動臺，甚至由于移動臺的天線相對較小等原因，導致接收到的GPS信號相對較弱，造成這些弱信號難以檢測到。因此為了解決這些問題，采用輔助GPS方法來改善GPS定位的性能。

A-GPS技術的基本方法是建立一個參考GPS網絡，以便接收天線能夠連續不斷地跟蹤GPS衛星[2]。參考網絡可以和蜂窩基站連接在一起，持續實時地跟蹤GPS衛星群，并在一定的時刻提供許多數據給每一個衛星。這些數據包括移動臺的（或基站）位置信息、目前在役的衛星信息、星歷表信息、時鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機噪聲信息等。當移動臺發出移動定位請求時，GPS參考網絡把這些數據信息傳送到移動臺（或GPS接收天線）以快速啟動或增加移動臺的接收靈敏度。由于參考網絡的作用，A-GPS較傳統GPS信號的搜索空間大大縮小，所以導航信號的捕捉時間大為減少。同時參考網絡允許移動臺采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動臺靈敏度，削減了移動臺的功率損耗。一旦內嵌GPS接收天線的移動臺接收到衛星信號，移動臺的初始定位信息便可傳送給網絡，并在網絡中進一步進行計算，從而確定出移動臺的位置。

A-GPS技術克服了GPS技術直接應用于移動通信定位服務的缺陷。并且相對于其他技術有很多優點，主要是定位精度較高，定位距離最小可達3 m。其次是它的定位響應時間較短，可以在幾秒內得到響應。但與TDOA技術相比，需要移動終端支持A-GPS定位，增加了移動終端的費用。目前美國、日本和韓國等已經開通了A-GPS位置服務[4]，而且在較短時間內，銷售了帶A-GPS定位服務的手機超過1 000萬臺。

2 移動位置服務的體系結構設計

移動位置服務是移動運營商提供給移動用戶的增值服務，因此實施移動位置服務應該充分利用運營商的現有網絡投資。根據現有移動通信的網絡結構，提出了如圖2所示的系統結構。這種結構是在現有移動通信網絡實體上的延伸，增加了移動位置服務網關模塊和移動位置應用平臺模塊。移動位置服務網關完成相當多的功能，如用戶管理、位置管理、應用管理、定位等，許多有關用戶的定位信息都在服務網處理，并提交給位置服務應用平臺。位置服務應用平臺類似于一臺服務器，它與移動用戶終端進行交互，將用戶的定位信息通過合適的數據格式傳輸給訂制了該業務的用戶。

3 移動位置服務網關

移動位置服務網關是本系統中開發的一個重要的部件。它一方面要為服務提供商提供各種基于XML協議的二次開發接口，提供地理信息服務、定位等功能；另一方面要為移動運營商提供各種運營維護管理功能，如定位、用戶鑒權、計費等各種服務。移動定位服務網關系統特性包括：

（1）支持開放標準的應用程序接口/協議、多廠家設備及定位技術。通過標準化的接口，與不同的無線網絡定位設備提供商；支持多種定位方式；提供標準的A接口，以 XML、SOAP方式連接；支持與 WAP以及 SMS的連接，支持2G/3G等不同網絡。

（2）提供位置信息的安全控制及用戶鑒權。

（3）運營商可通過多種渠道提供服務與應用，有些位置服務適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動位置服務網關提供了多套接口，以方便運營商提供服務。

（4）應對大規模并發用戶訪問能力。

4 移動位置服務應用平臺

4.1 移動位置服務應用平臺開發

移動位置服務應用平臺相當于移動通信網絡中的定位服務器，它接收來自于移動位置服務網關中經過處理的定位信息，并在位置服務應用平臺中經過再處理。由于移動用戶終端機的生產廠商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務應用平臺服務器能夠為不同的終端用戶提供服務。系統可以配合短消息服務確定手機用戶所在的地理位置，也能夠以Web形式響應用戶的需求[5]。移動位置服務的應用平臺結構如圖3所示。

地圖服務器引擎是移動位置服務應用平臺實現方案的核心，該模塊的性能好壞將影響定位效果，可以直接選用商用化設備。開發定位服務器選用的地圖服務器是ESRI的ArcIMS地圖服務器，它包含以下幾個部分：地理信息發布平臺、空間數據庫、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務器提供二次開發接口，只需開發程序將移動位置服務網關計算出的位置傳送給地圖服務器，從而確定出移動終端所在的準確位置。ArcIMS地圖服務器適用于無線互聯網、企業Intranet的地圖應用，能以多種圖像格式發布地圖，很容易建立基于無線手持設備（手機或PDA）可擴充的移動位置服務應用。對于電信級的定位應用，核心問題是解決大用戶量的并發訪問的問題，ArcIMS采用了先進的負載平衡和流量控制技術。當系統容量擴大時，只需增加地圖服務器就可以滿足用戶的需求。

4.2 位置服務應用程序設計流程

移動位置服務的應用程序設計流程如圖4所示。

整個過程為：

（1）移動終端通過移動網絡訪問位置應用服務，發送服務請求代碼給位置服務應用平臺，然后位置服務應用判斷該用戶申請的服務類型后，由位置服務應用平臺向位置服務網關提交該用戶的位置服務請求。

（2）位置服務網關對該用戶進行認證和安全處理，如通過，設置為成功；如未通過，設置則為失敗。

（3）在通過認證的情況下，位置服務網關根據請求參數發送給運營商網絡中的相關網絡實體，一般是移動業務交換中心MSC（Mobile Switching Center）和歸屬位置寄存器 HLR（Home Location Register），由 MSC進行定位運算，計算完畢后將參數返回給位置服務網關，位置服務網關再將接收到的參數處理后返回該用戶的最新位置信息給位置服務應用平臺。

（4）如果位置服務應用平臺收到正確的位置信息，將根據位置和地圖服務器進行綜合處理，生成相應的圖片和文字信息。最后位置服務應用平臺對生成結果（成功或失敗）信息打包，通過移動網絡返回給移動用戶終端，移動用戶在便攜式移動終端（如PDA、Pocket PC等）上可以接收到顯示的位置信息。

移動位置服務具有極好的市場應用前景。對移動用戶而言，位置服務不僅是了解自己和他人位置的個性服務，更重要的是關系到移動用戶的自身和財產安全。本文提出的移動位置服務的網絡架構在移動運營商的試商用中得到了良好的應用，隨著未來通信技術的不斷發展，位置服務將提供給用戶更高的定位精度、更便捷的操作方式、更全面的位置信息。移動位置服務必將成為繼短消息業務之后又一廣受用戶歡迎的移動增值業務。

[1]3GPP TS 25.305[R].Stage 2 Functional Specification of UE Positioning，New York，USA，Mar，2006.

[2]YANG T，DONG Y，ZHANG Y.Practical approaches for supporting micro mobility[C].International Conference on Telecommunications 2007（ICT 2007），Beijing，China，June 2007.

[3]LIU Z.A java-based wireless framework for location-based services applications[J].Calqary：The University of Calqary，2006（5）：48-55.

[4]VOZL S，BOFINGER J M.Integration of spatial data within a generic platform for Iocation based applications[R].ISPRS，Ottawa，2005.

[5]ROZA T D，BILCHEV G.An overview of location-based services[J].BT Technology Journal，2006，21（1）：20-27.

Research and development of mobile location-based services and its application platform

Gao Xiaoneng，Guo Zhifei

（Faculty of Electronics and Information，Zhejiang Wanli University，Ningbo 315100，China）

It puts forward a kind of the architecture of LBS.The two key parts of LBS，which include mobile location serving gateway and application platform，are designed and developed.The application programs for LBS are implemented.The real testing in the mobile communications network indicates that the system can provide LBS for the mobile users.

LBS；TDOA；A-GPS；LBS-serving gateway；LBS-application platform

TP393

A

1674-7720（2011）03-0061-03

浙江省教育廳科研項目（Y201016287）

2010-08-09）

高小能，男，1971年生，講師，主要研究方向：無線 TCP/IP協議優化、嵌入式網絡通信系統開發。