信息产业部电信研究院标准体制研究所 吴 伟
摘 要 介绍了GSM/UMTS网络中实现位置业务的定位技术，描述了移 动网络中实现位置业务的能力要求和国际标准的进展，并对移 动位置业务的运营模式进行了分析，指出了移 动位置业务成功的关键因素。
关键词 移 动位置业务 定位技术 GSM LCS 3GPP OMA
一、引 言
随着移 动通信产业的发展，业务的创新已经成为网络和技术发展的根本推动力。
同时，新业务的运营模式正在发生变化，健康的价值链则是新业务发展的基本保证。
目前，话音业务仍是移 动通信业务的主体
，各种新型移 动增值业务和移 动数据业务则是移 动通信市场强劲的经济增长点。其中，与用户位置相关的业务将会获得迅速的发展。据预测，到2004年，基于位置的业务在移 动通信业务中的用户数排名将升至第二，成为渗透率仅次于语音业务的增值业务。
二、移 动位置业务的发展
基于位置的业务（LBS），又称移 动位置业务或定位业务，是指移 动网络通过特定的定位技术获取移 动终端的地理位置信息（经纬度坐标），提供给移 动用户本人、通信系统或第三方，并借助一定的电子地图信息的支持，为移 动用户提供与其位置相关的、呼叫或非呼叫类业务。移 动位置业务最初的应用为美国911紧急呼叫。1996年6月，美联邦通信委员会（FCC）要求各移 动运营商必须能够提供所有呼叫911号码的用户的位置信息。位置业务的商业应用近几年发展较快，美国、日本和韩国的许多运营商如SPRINT，AT&T Wireless，NTT DoCoMo，KDDI，J-Phone，SKT，KTF等已经开始了移 动位置业务的商用。其中韩国和日本的一些运营商目前已经开始商用定位精度较高的业务。欧洲也已经开展了基于小区的定位业务，如E-plus，Orange。
下文分别就定位技术、移 动网络业务提供能力、价值链三个方面分析移 动位置业务的实现问题。
三、移 动位置业务的技术与实现
1．定位技术
（1）Cell ID+TA
指小区识别号＋时间提前量。时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和BTS之间的距离。如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫（如紧急呼叫），从而使SMLC获得TA和Cell ID。如果MS在占用模式，SMLC向BSC发送消息获取TA和Cell ID。SMLC将小区天线中心半径为TA的圆环（对全向天线）或者圆环的部分（对定向天线）范围内区域确定为MS所在区域。
时间提前量通过0～63bit/s来表示，若小区的半径为35km，则定位精度约为550m。通常在小区密集的城市区域，小区的半径很小，可以达到几百米，此时定位的精度就很高了。但这种精度只能表示移 动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。
（2）上行TOA
上行TOA定位方法是指基于3个以上测量单元，测量它们接收移 动终端发射的同一个已知信号的到达时间TOA（Time of Arrival）。该已知信号是让MS执行异步切换时的接入突发脉冲。这种方法不要求MS有任何硬件上的改动。
SMLC通过对TOA值的两两相减计算到达时间差TDOA（Time Difference of Arrival），MS的位置通过双曲三角函数计算获得。假设测量单元的地理坐标已知，测量执行过程中测量单元之间的时间差已知，比如测量单元用绝对GPS时，或者通过在固定位置设置参考测量单元（有时候称为“参考移 动台”）来确定RTD（Real Time Difference）。
接入突发脉冲被测量单元用于检测TOA。对一个定位请求，要执行TOA测量的单元是预先选定并配置为能在正确的频点上侦听。MS被强制执行异步切换，它要在专用信道（可能跳频）上用特定的功率发送多达70个接入突发脉冲（320ms）。
当一个应用需要知道MS的位置时，它向SMLC发送携带MS标识和精度等级参数的请求消息。SMLC根据这个精度等级决定要用多少测量单元。测量单元将测到的TOA值及其精度参数传给SMLC，SMLC用这些TOA值以及测量单元的坐标和RTD值计算MS的位置。然后，SMLC将位置估计值和不确定估值传给应用。
上行TOA方法要求增加硬件LMU来精确测量突发脉冲的到达时间。LMU可以和BTS合成在一起，也可以是一个独立的单元。如果是独立的LMU，它和网络的通信通过空中接口，可以有单独的天线也可以和现存的BTS共享天线。
（3）E-OTD
对于GSM这样的非同步网络，MS测量来自几个BTS的信号到达时间差。同时，信号还要被位置已知的定位测量单元（LMU）所决定的固定测量点接收。MS的位置是通过推导从BTS到MS的时间延迟的几何部分来决定的。
MS执行测量不需要额外增加硬件。对OTD测量同步，可用常规突发脉冲和空突发脉冲。当BTS间的传输帧不同步时，网络需要测量它们之间的真实时间差RTD。为了获得精确的三角测量，至少需要三个地理位置分开的BTS上的OTD测量以及非同步BTS之间的RTD测量。根据测到的OTD值，MS的位置由网络计算，这就是所谓的“MS辅助（MS-assisted）方法”。或者在MS可以获得所有需要的信息情况下，由MS自己计算得到，这就是所谓的“MS为主（MS-based）方法”。
位置估计由位于网络或者MS的定位计算功能（PCF）执行。对于同样的网络结构、MS功能、LMU功能和测量输入，PCF可以基于两个可能的E-OTD定位计算类型之一，双曲线型或圆型。
E-OTD计算过程依赖于MS可以“侦听到”足够数量的时间量已知的BTS。E-OTD定位方法的“侦听能力”依靠许多因素，但一般来说好的侦听能力会使系统覆盖性得到提高并且定位更加精确。
E-OTD定位方法的实现一般要求LMU和BTS数量的比例在1:3和1:5之间。
（4）A-GPS
A-GPS的基本思想是建立一个GPS参考网络（或者一个广域差分GPS网络），它的接收机视野清晰而且连续运行。这个参考网络同时连着GSM网络。根据定位要求，来自GPS参考网络的辅助数据传给MS以提高GPS传感器的性能。根据计算的位置，A-GPS也分为网络MS为主和MS为辅两类。
●MS为辅的A-GPS定位方案，是将传统GPS接收机的大部分功能移植到网络处理器。这种方案需要天线、RF、数字处理器，通过产生复制码并用收到的GPS信号进行修正来执行测量。网络给MS传输一个比较短的辅助数据消息，包括时间、可见卫星列表、卫星信号多普勒和码相位搜索窗口等。这些参数帮助MS GPS接收机显著缩短捕获时间。这些数据的有效期是数分钟。MS返回它的GPS接收机算出的伪距等数据供网络计算MS的位置。网络侧能用差分校正来提高定位精度。
●MS为主的AGPS定位方案，要求MS拥有一个功能很全的GPS接收机，并且能计算卫星和MS自己的位置。在初始启动阶段，和MS为辅的方法相比，传给MS的辅助数据要多得多，但是数据的有效期能长达4个多小时，并能随时更新。传统的传输数据有时间、参考位置、卫星星历和时钟校准。如果某些应用需要更好的定位精度，DGPS数据必须频繁地传给MS（大约每30s传一次）。由于DGPS数据在较大地理范围有效，一个位于中心的参考接收机能用来服务这个大区域。MS自己计算好结果后给网络。
（5）OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）
这种方式是用于W-CDMA系统的定位技术，根据UE（或LMU）测量到的UTRA系统帧号间（SFN-SFN）时间的不同进行计算得到UE位置信息的一种定位方法。计算实体(PCF)一般位于SRNC中，有时根据情况也可以位于UE侧。在计算中，要考虑基站发射机的地理位置信息以及不同发射机下行信号发送的相对时间差(RTD，Relative Time Difference)。OTDOA的定位原理是，根据UE(或LMU)从两个不同基站发射机接收到的信号到达时间的不同，去除两个发射机下行信号实际发送时间的不同，可以确定UE(或LMU)在一个双曲面上(为描述简单，在图1中用双曲线表示)，再测量一对信号，确定一个双曲面，两个双曲面的交汇处就是UE(或LMU)所在的位置。
OTDOA定位方法有个缺点，就是当目标用户靠近某一发射机时，由于该发射机的信号强度要远远高于其它发射机的信号强度，目标用户将无法对其它发射机的信号进行测量，从而无法获取不同发射机间的信号到达时间差，这时OTDOA定位方法将失效。解决这个问题的方法是采用IPDL(Idle Period DownLink)，就是让每个发射机在各自的某一短暂时间内停止下行发射。这样，目标用户就可以在这一短暂时间内对其它发射机进行测量，从而获取发射机间的信号到达时间差。
（6）ATI
严格来讲，ATI并不是一种定位技术。但可以通过这个MAP操作获得用户当前所在的Cell ID，从而转化成地理位置，提供给用户与位置相关的业务。
GMLC获取Cell id是通过MAP操作Any_Time_Interrogation与HLR交互来完成的。当GMLC收到来自LCS Client的定位请求之后，经过合法的认证程序，GMLC将通过Lh接口向HLR发送Any_Time_Interrogation。HLR在收到来自GMLC的查询消息后，会发送Provide_Subscirber_Information到终端用户当前的VLR，VLR会向HLR返回包括终端用户当前MSC_id，Cell_id等与位置相关的信息。
如果移 动终端开机，HLR受到位置请求之后，向VLR发送PSI，VLR会继续将请求转到MSC(GSM)或者SGSN (GPRS)。如果移 动终端关机，HLR回答终端状态为关机。
在VLR中，存储的Cell ID只有在特定的情况下才刷新，这取决于网络的实现（一般在MOC，MTC，USSD，SMS-MO，SMS-MT，VLR位置更新）。
2．定位技术小结
目前主要的几种定位方法如下：
（1）基于ATI操作的定位方法：对GSM要求支持CAMEL ATI，目前大部分现有网
络支持，精度最低，能满足部分业务开展的基本需要。
（2）增强Cell ID的定位方法：性能价格比最高，对GSM要求支持GSM 03.71和GSM 08.08规范（无须硬件投资），目前部分现有网络支持，定位精度较高，满足大部分基于个人用户和行业用户的业务要求。
（3）E-OTD：基于GSM03.71，现阶段可行的精度最高的定位方法，对GSM要求支持GSM03.71和GSM08.08规范，需要在现有网络增加新的网元LMU，对移 动终端有基于软件的要求，精度能够满足FCC E911要求（美国的GSM运营商均选择E-OTD方案来满足FCC E911的要求）。
（4）A-GPS：目前已知的精度最高的定位方法，对GSM要求支持GSM 03.71和GSM08.08规范，需要在现有网络增加新的网元LMU，对移 动终端有基于硬件的要求，满足所有业务对精度的要求。
四、移 动网络业务提供能力
对于移 动网络，确切地说，移 动定位是移 动网络为提供与用户位置相关的增值服务的一种能力。
1．基本能力
图2是900/1800MHz TDMA数字蜂窝移 动通信网位置业务系统组网结构图。与定位操作相关的实体包括GMLC，SMLC和LMU。
（1）网关移 动位置中心GMLC：网络通过GMLC向外部的LCS Client提供位置业务的接入。GMLC把LCS Client发起对某移 动用户的定位请求转发给该移 动用户当前服务的MSC，获得网络计算的位置信息之后，把结果返回给LCS Client。另外，GMLC还需要负责用户和LCS Client的管理，以及私密性管理。
（2）服务移 动位置中心SMLC：管理定位操作所需资源的协调和调度，并且计算位置估计的最终结果和精度。当目标移 动用户处于这个SMLC覆盖的区域时，负责对获取该用户地理位置信息的功能流程进行管理。SMLC的基本功能包括定位方法选择，根据目标MS和LMU提供的测量值进行位置计算，对MS提供的位置结果进行核实、定位数据库维护等。SMLC所管理的信令流程包括LMU的定位测量过程、目标MS的定位测量过程、定位辅助数据的提供过程。SMLC需要管理所覆盖区域的LMU，通过控制LMU获得定位移 动用户所需要的测量数据，或者获得辅助定位所需要的测量数据。SMLC的数据库包含BTS配置数据、LMU配置数据，与具体定位方法有关的配置数据。SMLC可以分为两种，一种是基于NSS的SMLC，一种是基于BSS的SMLC。基于NSS的SMLC通过Ls接口与一个或多个MSC进行交互，基于BSS的SMLC通过Lb接口与一个或多个BSC进行交互，从而实现定位操作的支持和LMU的管理。
（3）位置测量单元LMU：LMU是一个逻辑网络实体，用于某种定位技术，在SMLC的控制下完成定位测量。LMU的测量可以是针对目标MS的测量，或者是针对特定区域的所有MS的辅助测量。LMU可以分为两种，一种是通过Um接口接入BSC，并与SMLC建立信令连接；另一种是通过Abis接口接入BSC，并与SMLC建立信令连接。LMU完成测量后，把测量结果通过BSC传给SMLC。SMLC根据测量结果进行位置计算，并把计算的结果经GMLC把位置信息传给LCS客户端。
其中，GMLC和SMLC的功能可以共处于同一个物理实体中，可以处于一些现有的网络实体中，也可以分别处于各自单独的物理实体中。
在一次定位操作中，LCS Client发起的位置信息请求首先通过Le接口接入到
GMLC。GMLC通过Lh接口从HLR获取目标用户的路由信息，然后把位置信息请求通过Lg接口转发给目标用户当前所在的MSC。在确定当前定位请求合法后，MSC通过Ls接口或BSC向目标用户所在的SMLC发送位置信息请求消息。SMLC根据请求内容，选择合适的测试方法，并分配合适的测试资源，启动LMU进行测试。最后，由MSC向GMLC报告目标用户位置评估的结果。
HLR包含LCS用户数据和路由信息。MSC的功能包括用户数据的鉴权和定位请求的处理，包括呼叫相关的的定位请求及呼叫无关的定位请求。若有Gs接口与SGSN相连，则检查移 动用户是否处于GPRS附着状态，并决定在A接口还是在Gs接口寻呼该用户。
要求MSC和HLR支持与GMLC之间的接口，符合MAP协议，主要支持下列定位相关的操作：Send Routing Info for LCS，Provide Subscriber Location，Subscriber Location Report。
对于NSS的SMLC，要求MSC支持与SMLC之间的接口，符合BSSAP-LE协议。其主要支持Perform Location的操作。
对于BSS的SMLC，要求BSC支持与SMLC之间的接口，符合BSSLAP协议。
2．其它能力
（1）业务接入和承载能力
对于移 动位置业务请求，网络可以使用多种接入方式：
●消息类接入：SMS，MMS，USSD。
●语音接入：Call Center。
●客户端应用程序类接入：WAP，Java。
●Web类接入：微浏览器、浏览器。
丰富的接入方式给用户提供全方位的、个性化服务的同时，可以让移 动网络运营商通过多种接入能力构建灵活的业务运营模式，获取附加利润，增加用户和SP的忠诚度，提高竞争能力。（2）地图系统
移 动网络运营商的定位操作能够获得用户的地理位置坐标，而这些坐标对于业务提供商和最终用户来讲并没有实际的意义。因此，必须经过地图系统的转换，才能满足用户的实际业务需要。
地图系统的输入参数为从定位平台得到的经纬度坐标，而输出结果则是文字查询结果及相应的地图图片URL，业务提供商的应用系统根据预先定义的协议取出这些结果，然后按照应用类型（SMS，WAP，语音等）进行重新包装发给最终用户。
（3）私密性管理
说到定位或者位置信息，很多人自然想像到自己因为受到跟踪或者定位而失去了隐私权。不可否认，为了实现对用户的定位，网络必须具备随时查询用户位置信息的能力，但这并不意味着用户随时受到他人的跟踪和位置搜索、位置记录。只有授权的LCS Client能够接入到LCS服务器，在向任何授权LCS Client提供目标移 动用户的位置之前，GMLC需要验证LCS Client的标识和授权。
在验证完成之后，所有请求的位置信息，必须在通过目标移 动用户的隐私属性要求的检查后，以安全可靠的方式提供给LCS Client，这样用户位置信息既不会丢失、破坏，也不会被其它未授权的第三方使用。
五、标准研究的进展
GSM/GPRS/UMTS网络的位置业务技术标准是依据ETSI/3GPP制定的，主要工作在SA组，包括LCS stage 1，LCS stage 2和LCS stage 3，具体对应的规范为TS22.071，TS23.071，TS24.071，TS23.271等。另外，具体的定位技术可能对不同网络域提出相应的技术要求，则在相关的工作组负责，例如UTRAN对定位的支持能力要求在RAN组制定，对应的规范为TS25.305。
在移 动位置服务器与LCS Client之间的Le接口方面，主要实现协议为LIF论坛的MLP协议，即OMA-LIF-MLP，其对应于3GPP R5的版本为v3.0.0。
为了解决漫游问题，3GPP Release 6的LCS规范中定义了GMLC与GMLC之间的Lr接口。一次定位操作中可能有3个GMLC参与（见图3）。
（1）RGMLC：从LCS Client获得定位请求的GMLC。
（2）VGMLC：与MS当前拜访网络的交换节点相连的GMLC。
（3）HGMLC：负责控制MS私密性管理和检验的GMLC。
在一次定位操作中，RGMLC可以是VGMLC，同时也可以是HGMLC。不同GMLC之间的接口为Lr接口。为异地接入的业务提供商提供用户的定位操作，以及对漫游用户的定位，都可以通过这些GMLC之间的Lr接口得以实现。
目前，OMA的LCS工作组正在制定Lr接口的协议，即OMA-LIF-ROAM-Lr_v1.0.0。这个协议主要在MLP的基础上进行了漫游扩展。
另外，还引入了一个可选的PPR（Privacy Profile Register）实体及Lpp接口，用于实现私密性管理功能。这个PPR实体也可以在移 动位置服务器内实现。
国内行业标准方面，由CWTS组织正在进行GSM网位置业务的系列规范起草工作。这个标准系列主要包括设备技术要求、设备测试规范和Le接口技术要求，适用于900/1800MHz TDMA数字蜂窝移 动通信网，为该系统位置业务（LCS）设备的入网检测、设备制造、工程设计和网络运行、管理维护等提供技术依据。
六、移 动位置业务的运营模式
随着用户的不断增长，移 动通信竞争的焦点已经不再是技术的先进性，而转为业务市场的争夺。业务的竞争包括价值链内部的竞争和价值链之间的竞争。价值链内部的竞争就是指价值链中各个利益方之间的竞争，包括业务运营的商业模式和业务收益的分配关系。价值链之间的竞争则是不同网络运营商所主导的商业模式之间的竞争，也就是业务运营机制的竞争。
对于移 动位置业务，由于其移 动通信的基本特性——用户位置的移 动性，必然会形成一种或多种以移 动网络运营商为主导的运营模式。在中国，移 动位置业务受到了业界的普遍关注。运营商和设备制造商，以及服务提供商都在积极推动移 动位置业务的应用。要想充分发挥移 动位置服务的全部潜力，需要移 动网络运营商、地图系统提供商以及业务提供商等的紧密合作，这几个环节加上最终用户则构成了移 动位置服务价值链的基本要素。
（1）移 动网络运营商：在整个价值链中，移 动运营商起着主导作用。尽管移 动运营商可能并不直接开发应用，但对用户的需求有着最明确的认识，因而能够保证所构建的定位方案满足业务的要求，从而满足最终用户的需求。
（2）地图系统提供商：任何定位系统所返回的结果都是基于地理坐标的，必须通过电子地图平台和地图数据的支持，从而得到对服务提供商和用户有意义的位置信息。地图系统包括地图服务平台和地图数据。
（3）业务应用提供商（SP）：业务提供商是整个价值链中直接面对最终用户的环节，其主要任务是收集和开拓用户的业务需求，并为用户实现这些业务。从技术角度看，这个环节需要把所有的技术集成在一起，然后开发出特定的应用，收集特定的数据和信息，从而满足用户的需求。
（4）最终用户：最终用户即位置服务业务的使用者，可以分为个人用户和企业用户两类。
由于最终的位置业务的应用在网络中接入点的不同，以及在一种应用的业务流程中各要素作用的不同，这些基本要素能够组成多种多样的价值链，运营商根据业务流程的差异性可以选择灵活的运营模式。
如图4所示，移 动网络的任何一种业务接入方式都能够为位置业务提供服务。随着移 动通信基础网络业务承载能力和接入能力的提高，移 动网络运营商能够为移 动位置业务充分调动各种资源构建灵活的商业模式，并从中培养最具竞争力的价值链。
但是，在移 动位置业务发展过程中，价值链中不同利益方对这种业务的发展都有各自顾虑的一些问题。对于用户来说，希望在得到满意的安全保障和个性化服务的同时保证自己的隐私权，并且要有足够吸引力的资费水平。对于移 动网络运营商和业务提供商来说，则对业务收入的分配和运营模式更为关注，同时业务的漫游和用户的漫游也是一个必须解决的问题。对于地图信息提供商，还要考虑他们与网络运营商和业务提供商之间的合作关系，以及由于位置信息的传递而存在的版权和风险问题。对设备提供商来说，定位技术的多样化将对其造成一定的困扰，需要深入研究市场需求，从而确定采用什么样的定位技术才能获得最好的效率，高精确度定位技术有多大的市场等问题。
因此，移 动位置业务对于新的移 动业务价值链和移 动网络技术发展的研究，以及满足用户需求的个性化和多样化，都是一种积极的尝试和探索。随着话音业务的逐渐饱和，业务和应用的发展已经成为移 动通信发展的原始动力，而移 动位置业务很可能就是下一轮市场争夺的焦点。
七、结束语
当前，移 动数据业务市场正在不断地发展和壮大，移 动通信和互联网的融合是整个无线业务发展的基本趋势。移 动位置业务正是这种融合产生的一种极具吸引力的业务，即丰富的业务内容和用户不断变化的位置。移 动位置业务充分显示了移 动网络的基本特点——终端总是跟随用户在移 动中，同时也体现了互联网的业务多样性特征。根据用户的实时位置信息来提供内容丰富的个性化的服务，是移 动位置业务吸引用户的一个关键因素。
采用开放的技术标准、培养健康的运营模式，将是移 动位置业务成功发展的关键。
|
版权所有 新浪网