第四代移動通信系統終端定位技術簡述

李學斌

（廣東省公安廳警衛局，廣東 廣州 510080）

1 概述

LTE系統為了提供位置業務，引入了定位特性，且同時支持控制面定位和用戶面定位。控制面的定位由3GPP負責標準化，主要是通過控制信令來定位相關的信息傳輸；用戶面的定位則由OMA（Open Mobile Alliance）組織進行標準化，是指對OMASUPL（Secure User Plane Location）協議的支持，即定位相關信息可以通過OMA SUPL協議進行傳輸，該信息在用戶面傳輸。

LTE的定位架構如圖1所示。主要涉及的實體如下：

圖1 LTE的定位架構圖

E-SMLC:演進的服務移動位置中心，將客戶端請求的位置要求轉化為相應的UTRAN參數，并選擇定位方法。對返回的位置估計計算最終結果和精度。

LCS Client:定位服務客戶端。

MME：為LCS業務提供移動性管理功能，包括向ESMLC/GMLC通報UE的移動。

SLP：SUPL Location Platform,SUPL服務器，使用SUPL協議與UE進行定位及相關信息的交互。

該架構同時支持控制面定位和用戶面定位。控制面定位的網絡側服務器為E-SMLC，由用戶終端（UE）和/或基站（eNB）的接入層參與（提供輔助數據或者測量結果等），共同完成對終端的定位功能。UE和定位計算中心之間的定位協議是LPP（LTE Positioning Protocol）；基站和定位計算中心之間的定位協議是LPPa（LTE Position Protocol A）。用戶面定位是運行在應用層上的，使用用戶面定位時并不要求終端支持控制面定位。網絡側的服務器為SLP，使用SUPL協議與UE進行定位及相關信息的交互。

2 控制面定位方案

2.1 聯合時延及波達角估計定位技術

移動通信基站一般采用固定架設的方法，因此一個小區對應一個固定的地理位置。小區ID定位方法是基于小區覆蓋的定位方法，采用已知的服務小區地理信息，估計目標UE的位置。該服務小區信息可以通過尋呼和跟蹤區（Tracking Area）更新等方式獲得。在小區ID定位方法的基礎上考慮定時提前量（TA）以及來波方向的因素，可以達到更精確的定位目的，此方案中稱為TA+AoA增強小區ID定位方法。

方案的工作原理如下：在LTE中，TA的獲得可以通過專用隨機接入過程由eNB測量得到。TA乘以光速除以2，表示了UE同eNB之間的距離，UE就處于以eNB為圓心、UE和eNB距離為半徑的圓周上。這時額外根據AoA的角度信息就可以獲得終端的位置信息，如圖2所示。

圖2TA+AoA定位原理

使用TA+AOA的方法主要涉及以下流程：獲得終端的測量能力，定位服務器決定所需的測量，基站啟動相關測量，基站上報相關測量結果和位置信息，定位服務器進行位置計算。

該過程如圖3包括如下步驟：

步驟1：某個定位服務的客戶端（LCS Client）向MME發起定位請求，請求獲取某個UE的位置信息，該UE可以是支持定位業務的終端也可以是不支持定位業務的終端。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b:E-SMLC查詢并獲取UE的定位能力信息；如果該UE不支持定位，則該步驟省略。

步驟4a/4b/4c:E-SMLC獲取基站的相關測量結果以及服務小區的信息。

步驟5a/5b:根據E-SMLC的請求，基站通過PDCCH命令通知UE發起非競爭隨機接入過程獲得TA，同時觸發物理層AoA的測量。

步驟6：E-SMLC根據基站的測量結果以及其它各方面的輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果發給MME。

步驟9：MME將定位結果發給LCS Client,不排除LCS Client就是被定位的用戶本身的可能性。

圖3TA+AoA定位流程圖

2.2 到達時間差定位法

到達時間差定位法（OTDOA）通過檢測3個不同基站信號到達的時間差來確定UE位置。確定UE位置需要基站發送的時間差及各基站的位置坐標作為輔助數據，這些數據由OAM直接配置給E-SMLC，若需要動態更新，E-SMLC可以通過LPPa獲得這些輔助數據信息。為了獲得精確定位，OTDOA方法要求同時有三個以上的基站參與定位參數RSTD（Reference Signal Time Difference）的測量。考慮到UE使用公共參考信號下行檢測鄰基站信號性能不一定好，LTE系統中引入了定位參考信號（PRS,Positioning Reference Signalling），專用于OTDOA定位方法中UE測量基站信號。

E-SMLC獲得各測量小區的PRS子幀配置的方式同其它輔助數據一樣，一般通過OAM直接進行配置。而UE在OTDOA定位過程中，可以通過LPP的輔助數據傳輸功能，從E-SMLC獲得測量小區集的PRS子幀配置。

現有的OTDOA定位只支持UE輔助的OTDOA的定位方法，即最終的位置計算是在定位計算中心進行的。定位過程的基本流程是：網絡獲取UE的定位能力，網絡提供輔助數據，UE提供定位測量結果，定位結果計算。

網絡側觸發定位請求的流程圖如圖4所示：

圖4 網絡側觸發定位請求的定位流程圖

步驟1：定位需求方（LCS Client）向MME發起一個定位請求，希望獲取UE的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢并獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請求并獲得E-SMLC提供輔助數據。

步驟5a/5b：E-SMLC請求并獲得UE的位置信息，主要包括相關的測量結果。

步驟6：E-SMLC根據UE的測量結果以及其它的各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給UE。

3 用戶面定位

OMA基于用戶層面的定位標準中定位的相關信息被封裝成IP包在移動網絡中傳輸，其優點是無需改動移動通信網絡中的網元，并且OMA的移動定位網絡可以同時為2G/2.5G/3G/LTE網絡服務，網絡部署比較靈活。但它的缺點是定位實現的可靠性依賴于IP網絡，時延較大，適用于對定位時延要求不高的業務中。

OMA基于用戶面的定位過程可以簡單描述為：當LCS Client向定位系統中的LCS Manager發定位請求，LCS Manager隨后向被定位UE所處的Positioning Server發起定位請求，LCS Manager收到響應后向UE發送目前為該UE服務的定位服務器地址，以供UE與定位服務器之間建立IP連接傳輸定位消息，定位服務器計算出用戶的經緯度信息后返回定位報告，最后由LCS Client對經緯度信息進行處理后以合適的形式（如MMS、WAP PUSH等）返回給用戶。

4 方案優缺點比較

LTE控制面的定位方案的優勢是定位消息交互通過網絡的信令交互完成，定位可靠、安全，速度快。OTDOA定位方法的精度取決于基站部署的密度，以及網絡對天線位置以及它們傳輸時刻準確性的掌握程度。小區ID的定位方法可實現對UE位置較好的估計，特別在密集基站部署的都市環境中。如果使用適當的天線陣列以及對無線環境中UE進行測量，能夠進一步提高對UE位置估計的準確性。

用戶面的定位方案的優勢是定位消息交互通過網絡的數據域完成，定位與承載網絡無關，對網元、接口、協議等改造要求不大。不足之處是定位速度沒有控制面快，定位實現的可靠性依賴于IP網絡，時延較大，僅適用于對定位時延要求不高的業務。

[1]SPIRENT，“An overview of LTE positioning”，White paper，Feb.，2012.

[2]劉吉雯，李露文.LTE終端定位技術及測試方法探討[J].移動通信，2014，(11)：37-41.