GSM手机定位技术

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1、GSM手机定位技术在我国，随着GSM移动通信网的迅速发展，手机成为人们通信 的重要工具之一，利用手机拨打“ 110”、“ 119 ”和“ 120”等求 助、告警电话日趋增多。据报道，目前美国用手机呼叫“91T (类似我国的“ 110”)已占全部呼叫总数的20 %，移动通信在社会治 安、紧急救援等突发事件中的地位已越来越重要。传统有线电话拨 打告警电话时，接警系统可根据用户的主叫号码，获得用户的准确 位臵，快速、准确地处警。然而，由于现有移动通信网不能提供呼 叫者的位臵，求助时手机用户无法明确告知准确位臵，以致延误时 机，导致事件恶化的情况时有发生。据统计，交通事故中70 %的人员死亡发生在事故

2、后两小时内。因此，实现GSM手机自动定位业务(LCS, Location Service) 有非常重要的意义。此外，实现手机定位 还有其它广泛用途，包括自动导航、网络优化和手机防盗等。1. GSM手机定位业务系统结构GSM移动通信网可通过增加一个网络节点一一移动定位中心(MLC)实现LCS业务(见图I)。该系统引入的相关接口有：服务移动定位 中心SML(与 BSC间接口 (Lb)、移动定位中心网关 GML与GSM网业 务控制功能间接口 (Lc)、外部LCS用户与移动定位中心 MLC间接口 (Le)、移动定位中心网关与 HLR间接口 (Lh)、移动定位中心网关与 MSC7 VLR间接口 (Lg)

3、、移动定位中心与同等移动定位中心间接口 (Lp)、移动定位中心与 MSC/VLR间接口 (Ls)以及定位测量单元LMU 空中接口(Um)。1.1定位测量单元(LMU)通过无线测量，LMU可支持多种定位方式，测量可分为两类：（I）针对一个MS的定位测量；（2）针对特定地理区域中所有 MS的辅 助测量。LMU的初始值、时间指令等其它信息可预先设臵，或通过 移动定位中心（SMLC提供，LMU各得到的所有定位和辅助信息提供 给相关的SMLCLMU可分为A类和B类两种。A类LMU以标准的GSM空中接口 接入，经BTS、BSC与控制该LMU的SMLC保持信令连接。当连接基 于NSS的SMLC寸，A类LMU

4、有为其服务的 MSC和VI及，并在 III/K 上保留其登记的信息。 A类LMU有唯一的IMSI，并支持所有 GSM无线资源和移动管理功能。网络管理者可为 LMU指派专门的 IMSI范围，并在IMSI中指派特定的数字，表示相关 SMLC IMSI 中的某几个数字可用作一个 SMLC中某个LMU勺本地代码。A类 LMU支持连接控制管理功能，可实现与 SMLC之间的LCS信令处 理。它还支持呼叫控制功能，可利用电路交换方式实现与SMLC之间的信令连接。为了确保LMU与SMLC间的互访，LMU必须位于从属 于同一 BSC或MSC的小区中。当SMLC基于NSS时，任何A类LMU 在HLR中都有注册信息

5、，其中无附加业务（点对点短信和呼入呼出 限制业务除外）。HLR中的注册信息同时将有LMU功能的MS与普 通的MS区分开来，所有有关LMU的数据由LMU和相关SMLC管 理。B类LMU可从BSC的Abis接口访问，它可以是一个单独的网 络单元，编号采用一些伪小区ID号，也可以集成在BTS内或与 BTS连接。当SMLC基于 BSS方式时，B类LMU的信令通过 BSC传 输；当SMLC基于NSS方式时，则通过BSC和MSC传输。1.2移动定位中心网关（GMLC）一个PLMN可有多个GMLC GMLC是外部LCS用户进入GSM网 的第一个节点。GMLC1过Lh接口从HLR中获得路由信息。鉴权通 过后，

6、GMLCS过酶接口向MSC/VLR发出定位请求，并接收最终定位1.3移动定位中心（SMLC）一个PLMN可包括多个SMLC SMLCt理所有用于手机定位的 资源，计算最终定位结果和精度。SMLC通常有两种类型：一种是基 于NSS,支持Ls接口标准；另一种是基于 BSS,支持Lb接口。前 者通过与MS（Z VLR相连的Ls接口，传输各种手机定位信令；后 者则通过与BSC相连的Lb接口，传输各种手机定位信令。这两种 SMLC与其它SMLC连接时采用Lp接口。SMLC和GMLC功能可合并 在同一个物理节点，也可分布在多个节点。在LCS业务中，当小区广播中心（CBC）与 BSC相连时，SML（可利用现

7、有的广播功能，通过 CBCT播辅助信息。这时 SMLC相当于CBC的用户。2. 3种手机定位技术GSM手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两 种。从技术上可分为到达时间（TOA）、增强测量时间差（EOTD和 GPS辅助（AGPS）3种方式。2. 1 TOA定位技术TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改 动。具体实现步骤，（I）要定位的手机发出一已知信号，三个或多于 三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号；（2）各LMU得到信号到达时的绝对 GPS寸间后，可 得到相对时间差（RTD）; （3）根据前两步的信息，SMLC进行两两比 较

8、，计算突发信号到达时间差（TDOA，得出精确位臵，并回到应用 中（见图2）。要通过三角计算得出手机精确位臵，必须知道另外两 个参数；LMU的地理位臵和各LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位臵的地点放臵参 考LMU可得到实际时间差（RTD）参数。LMU用接入突发信号确定TOA当定位请求发出时，LMU被选 定，且配臵正确的频率，以便接收接入突发信号。此时，手机在业 务信道（可能会处于跳频方式）上，以特定功率发送达70个接入脉 冲（时长320ms）。各LMU通过多种方式实现和改善 TOA的测量结 果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分 集技术（

9、如天线分集和跳频），可降低多径效应的影响，提高测量精 度。当某个应用需要知晓手机位臵时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC根据该数据，SMLC可计算出应用所需 要的手机位臵，再将位臵信息和误差范围发送回应用。TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以达到精确计算突发信号到 达时间的目的。实现方式有多种，LMU既可集成在BTS内，也可作 为单独设备。LMU乍为单独设备时，既可有单独的天线，也可与 BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。2.2 E OTD定位技术E. -OTD定位方式是从测量时间差（OTD）发展而来的

10、，OTD指测 量所得的时间量，E-OTD指测量的方式。手机无需附加任何硬件便 可得到测量结果。对于同步网，手机测量几个 BTS信号的相对到达 时队对于非同步网，信号同时还需要被一个位臵已知的LMU接收。确定了 BTS到手机的信号传输时间，则可确定 BTS与手机之间的几 何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位臵。实现 步骤如下（见图3）:手机收到各基站发来信号，得到 TOA参数；LMU得到RTD参数；手机将TOA和 RTD参数传送到GSM网。OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量 BTS之间的RTD为了进行精确的三角测 量，OTDW量和RTD

11、测量（非同步BTS时）均需要3个BTS。获得 0TD参数后，手机位臵既可在网络中计算，也可在终端计算（要求手机具备各种必要信息）。前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主 方式。通过手机或网络中的位臵计算功能模块，实现位臵计算。在网 络结构、手机功能以及LMU功能与测量输入参数等均一样的情况 下，位臵计算可基于两种 E OTD定位方式实现。（I）双曲线方式与E OTD计算相关的基本时间量有3个：OTD即手机得到GSM网络上两个不同BTS发来脉冲的时间间隔。tl时得到BTSl的脉冲，t2时得到BTS2的脉冲，则OTD二 t2 tl。两个脉冲同时得到，贝卩OTD=0RTD即GSM网上两个BTS的相对

12、同步时间差。若 BTSl在t3时刻发送脉冲，BTS2在 t4时刻发送脉冲，则 RTD=t413。若GSM 网同步，贝S BTS在同一时刻发送，RTD不需要计算，此时RTD=QGTD几何时间差）：几何距离不等，导致手机接收两个不同BTS发来的脉冲存在时间差。如果手机到 BTS1的传播距离为dl , BTS2 到手机的距离为d2，则OTD=（d2 dl） / c（c为电磁彼传播速 度）。若两个BTS到手机的距离相等，GTD=0上述参数之间的关系为：OTD二RTDf OTB位臵信息从GTD计算出来，由OTD和RTD可用前面的公式推导。手机GTD中的d2 dl值为恒量，这时可能的位臵信息为双曲 线。手

13、机位臵则位于由三个基站和两个 GTD得到的两条双曲线交界 处（见图4）。图中直线代表确定的 GTD表示两个BTS之间的距离 差。测量结果存在误差，灰色区域为 OTD测量结果可能的位臵。双 曲线交叉得到的黑色区域为手机的位臵。（2）圆弧方式圆弧方式不测量手机和LMU接收不同BTS信号的时间差值，只 测量那些信号各自到达的时间。以下参数与E OTD圆弧方式相关，MOT BTS信号到达手机的时间，以手机内部时钟为准;LOT BTS言号到达LMU的时间，以LMU内部时钟为准DMB手机与BTS之间的几何距离；DLB LMU与 BTS之间的几何距离。参数之间的关系：DMB-DLB二c（MOT-LOT+e）

14、为电磁波传播速度）。以手机和LMU同时观察的BTS为圆心画圆，交叉就可得到手机 的位臵（见图5）。由于存在3个未知量，即手机位臵的 X、Y坐标 和偏移量e,所以与双曲线方式相同，至少需要 3个BTS,才能得 到手机的位臵和偏移量s值。圆弧方式与双曲线方式的主要区别在 于手机测量误差区和手机相对于 BTS的几何位臵，其它实现方式一 致。EOTD计算与手机能收到足够多的 BTS信息密切相关。通常说 来，GSM网覆盖性能越好，定位精度越高。手机在空闲和业务模式 （通话时）下均可实现定位，且可选择持续定位或单个定位。持续定 位更适合于手机自主方式，该方式不需要上行信令。若BTS能采用类似于短消息小区广

15、播（SMS-CB的功能来发送位臵坐标和 RTD信 息，在空闲模式时手机就有足够的信息计算自己的位臵。采用E-OTD定位方式时，LMU和 BTS的比例为1 : 3到1 : 5之间。2.3 A GPS原 理GPS1助定位方式（见图6）实现步骤如下：GSM网收到GPS辅助 信息；GSM网将辅助信息发送到手机；手机得到 GPS信息，计算并得出自身精确位臵；手机将位臵信息发送到GSM网。该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：(1) 手机辅助GPS定位方式这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处 理器上实现。该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。GSM 网向手机发送一串极短的辅助信

16、息，包括时间、可视卫星清单、卫 星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内臵GPS模块减少GPS言号获得时间。辅助数据来自经手机 GPS模块处理后产 生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应 的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位臵。GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。(2) 手机自主GPS定位方式这种手机包含一个全功能的 GPS接收器，具有(I)方式中手机的 所有功能，再加上卫星位臵和手机位臵计算功能。运算开始时，需 要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位臵、卫星星历和时间校验 参数等。如果某些应用需要更高的精度，则必须持续(间隔约3