移动定位服务的现状与发展趋势

27200902移动定位服务的现状与发展趋势摘　要　给出了移动定位服务的市场发展现状，分析了移动定位服务的起源以及基本的移动定位技术，讨论了影响移动定位精度的主要因素。随着3G移动网络的发展，移动定位服务将会带来更大的社会和经济效益。关键词移动定位服务；Cell-ID；接收信号强度；到达时间差；到达角度引言近来，蜂窝系统中无线定位服务逐渐成为信息服务的热点。移动定位服务(LBS)指利用一定的技术手段通过移动蜂窝网络获取移动终端用户的位置信息(经纬度坐标)，在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。它是移动互联网和定位服务的融合业务。2009年2月初关于3G+GPS手机随时能定位的调查中，有超过七成的受调查者持支持态度，希望手机定位服务早日推出[1]。根据电信研究机构BergInsight一项最新的报告显示，2012年欧洲将有100多万移动用户利用定位服务。在众多的手机定位服务中，测绘、导航和搜索被认为是最热门的应用，紧随其后，社会网络和探测等也很受欢迎。蜂窝网络定位技术发展的源动力是美国联邦通信委员会(FCC)1996年提出的E-911紧急呼叫的定位需求[2]：在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率不能低于67%；在2001年以后，系统提供更高的定位精度及三维位置信息。1999年12月FCC99-245对E-911需求进一步细化：基于蜂窝网络的定位方案中，要求定位精度在100m以内的概率不能低于67%，定位精度在300m以内的概率不能低于95%；基于移动台的定位方案中，定位精度在50m以内的概率不能低于67%，定位精度在150m以内的概率不能低于95%。美国FCC的这一规定明确了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G网络必备的基本功能。一直以来，移动定位业务都是业界关注的焦点，经过2001～2002年的启动阶段，2003～2004年被夸大的预期峰值阶段，2005年是低谷，2006～2007年则进入了启蒙阶段。经过多年的技术应用发展，预计在2008～2009年将是定位业务的稳定发展阶段。2006年移动定位服务的市场规模已经达到了40亿美元[3]。翟明明中国移动通信集团公司北京100032Business&Operation28信息通信技术美国最早开展移动位置服务是在1996年，FCC颁布的E-911法规要求移动运营商为手机用户提供E-911紧急救援服务。1999年FCC发布了FCC99-245，对定位精度提出新的要求，极大地促进了美国移动定位服务产业的快速发展。美国移动运营商SprintPCS和VoiceStream等移动运营商都在积极开辟交通、安全等诸多方面的应用。目前，美国市场的移动定位业务一般采用以终端厂商为主导的商业模式，以运营商为主导的LBS业务主要靠FCC制定的E-911法令驱动。由于E-911法令强制要求运营商对发出的紧急呼叫的用户进行精确定位，因此A-GPS(辅助GPS)功能已经成为了CDMA手机的标准配置，极大地促进了美国移动定位业务的发展。2008年，美国的移动业务收入预计能达到40亿美元。欧洲颁布法律遵循“USFCC”标准，于2003年1月1日开始实施。欧洲电信标准化组织(ETSI)建议使用E-OTD即“增强型观测时间差”技术。欧洲的移动定位业务，主要采用以终端提供商为主导的商业模式。目前欧洲以运营商为主导的高精确度移动定位业务开展得并不理想，欧盟E-112法令也没有强制要求运营商对用户提供精确定位，有些欧盟成员甚至还没有引入112的紧急呼叫号码。当前，欧盟LBS业务主要是以低精度的CELL-ID技术为基础。预计到2010年左右，欧洲自己的卫星定位系统——伽利略，开始运行时，欧盟会提出新的指令，要求欧洲的运营商用伽利略系统为用户提供紧急定位业务。2008年，欧洲移动定位业务收入约为30亿美元。日本目前40%的手机内置GPS功能，有25％左右的移动用户在使用该业务。日本市场的移动定位业务是以运营商为主导的商业模式。KDDI公司是全球最大的GPS服务提供商，DoCoMo和Vodafone的移动导航发展非常有限。目前KDDI90％的3G手机都内置了GPS接收器。日本总务省规定2007年4月份开始所有的3G手机都必须内置GPS功能。2008年，日本移动定位业务收入就达到35亿美元。目前，日本已经成为全球移动定位业务发展最好的国家之一。韩国的KTF，从2002年1月开始，在全国境内提供位置服务，采用CDMA技术和gpsOne定位系统。随后SKT也于7月推出了位置服务，通过捆绑GPS功能的终端，提供地图、引路、地区信息服务。2005年，韩国移动导航业务增长率超过50%，韩国三家移动运营商SKT/KTF/LGT在2005年分别花费500－1000亿韩元升级他们的GPS和GIS设备。2005年，韩国的移动定位业务收入为5655亿韩元；2006年增长到8503亿韩元；2008年，该项收入达到1.7万亿韩元(约14亿美元)。中国的移动定位服务业务开始于2001年5月，北京移动基于移动梦网卡推出位置服务，随后各省陆续推出。2001年底，福建移动建成亚洲第一套移动定位系统，标志着以移动运营商为核心的移动位置服务产业链的正式启动。目前，已有二十余家移动省分公司部署了移动定位服务平台，对于将来为手机用户提供全网的移动位置服务是一个战略性的准备。中国联通于2003年7月推出定位之星业务。我国的LBS主要采用Cell-ID和A-GPS两种方法。In-Stat预计2012年中国的GPS手机将会达到1800万。本文论述LBS的发展现状，介绍基本定位方案及LBS的技术特点，分析引起定位误差的主要因素。1基本定位方案移动蜂窝网中对移动台的定位是通过检测移动台和多个基站之间传播信号的参数(如接收信号场强，传播时间或时间差，来波方向等)来估计出目标移动台的几何位置。蜂窝网络，根据定位估计的位置、定位主体及采用设备的不同可移动台的无线定位方案分为三类：基于移动台的定位方案、基于网络的定位方案及GPS辅助定位方案[4]。1.1基于移动台的定位系统这类系统也称为移动台自定位系统，也叫做前向链路定位系统，如图1所示。其定位过程是由移动台根据接收到的多个基站发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息(如场强、传播时间、时间差等)来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据有关算业务与运营29200902法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。这类定位方法有用于GSM蜂窝网络中的下行链路增强观测时差定位方法(E-OTD)、用于WCDMA蜂窝网络中的下行链路空闲周期观测到达时间差定位方法(OTDA-IPDL)等。1.2基于网络的定位系统这类定位系统也叫做反向链路定位系统，如图2所示。其定位过程是由多个基站同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。这类定位方法有基于Cell-ID和时间提前量(TA)的方法、上行链路信号到达时间(TOA)方法、上行链路信号到达时间差(TDOA)方法以及上行链路信号到达角度(AOA)方法等。1.3GPS辅助定位系统这类系统采用的是GPS定位方案，由集成在移动台上的GPS接收机和网络中的GPS辅助设备利用GPS系统实现对移动台的自定位。然而，在移动台内部集成GPS接收机存在体积偏大、能耗过大、GPS接收机首次定位时间过长和成本较高等问题。单纯从技术的角度来说，第一类和第三类定位方案更容易提供比较精确的移动用户定位信息，但这两种方案需要在对现有网络做改造的基础上对移动台做出改动，增加必要的软硬件设备，如集成GPS接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位处理的软硬件。而第二类定位方案可以兼容现有的移动终端，只需要对现有网络做部分的改进。2基本定位技术和方法在蜂窝网定位系统中，基本定位技术有基于Cell-ID的定位方法、基于接收信号场强(RSS)的定位方法、基于到达时间(TOA)的定位方法、基于到达时间差(TDOA)的定位方法、基于到达角度(AOA)的定位方法以及混合定位方法。2.1基于Cell-ID的定位方法Cell-ID是3GPP推荐的最简单的一种定位技术。不需改动网络和移动台，易于实现，有很好的覆盖性和可靠性，且响应速度快，整个定位过程只需1s左右，但也是定位准确度最差的一种。它利用基站对手机用户进行位置确认，也就是以手机所处的蜂窝来确认移动用户的位置。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置和小区的覆盖半径发送给移动台，移动台就能知道自己处在什么地方。该方法的定位精度依赖于基站覆盖区域的大小，在基站分布较少的地区如郊区和农村很难获得理想的定位精度。Cell-ID若结合时间提前量(TA，TimeAdvance)或往返测量时间(RTT，RoundTripTime)这两种测量距离的方法便能大幅提高它的定位精度。TA和RTT分别用在GSM/GPRS和UMTS系统中。在GSM系统中，为使移动台发出的信号在适当的时间到达基站以图1基于移动台的定位系统图2基于网络的定位系统Business&Operation30信息通信技术进入正确的时隙，基站测量一个TA，其值与基站和移动台之间的距离成比例。WCDMA系统中也存在类似的机制，其RTT值是信号传播距离的函数。GSM中TA是以比特时间为单位描述的，一个比特的时间内信号的传输距离为1108m，所以定位精度的下限为554m；WCDMA中，对于1.28Mc/s和3.84Mc/s的码片速率，定位精度下限分别为58.6m和19.5m。2.2基于接收信号场强(RSS)的定位方法基于接收信号场强的定位方法如图3所示，信号强度随着传播距离的增加而衰减，可用一个已知的信道模型来表示。根据已知的信道模型，通过测量接收信号强度和发射信号强度，就可以知道移动台与基站之间的距离，再根据有关定位算法求解测距方程组，就能计算出移动台的估计位置。但由于基站小区或者扇区的特性，天线、地形、建筑物、车辆等都对信号强度产生影响,所以此方法的精度较差。此法适用于已有标准信号强度测量报告的系统。在GSM中，可以在移动台处于激活的状态下，直接利用标准测量报告就可满足定位需求，系统升级简单，而且不用改动现有的移动台。当要求准确度为几米时就不能采用这种技术。2.3基于到达时间(TOA)的定位方法移动台与基站之间的距离也可以通过测量信号在它们之间一次单程传播的时间得到，通常有两种方法：一是对信号由基站传输到移动台或由移动台传输到基站的时间来测量；二是对信号由信号源传到目标再反射回信号源的往返时间进行测量，这将得出单程测量的两倍的结果。前一种方法要求接收信号的基站或移动台知道信号开始传输的确切时刻，并且要求接收机具有非常稳定及精确的时钟。后一种方法则不会依赖于移动台与基站之间的同步，是测量传输距离的常用方法。移动台位于以基站为圆心、移动台与基站间距离为半径的圆周上。确定移动台的二维位置坐标需要建立三个以上圆方程，三个圆的交点即为移动台的二维位置坐标。基于到达时间的定位方法同样可以用图3说明。2.4基于到达时间差(TDOA)的定位方法TDOA定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台位置的，如图4所示。该方法降低了对时间的同步要求。通常有两种方法测量TDOA：一是将信号到达两个基站的时间(TOA)相减得到TDOA；二是将两个基站接收信号进行相关测量TDOA。移动台位于以两个基站为焦点的双曲线上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。显然，TDOA定位法不需要基站和移动台之间保持同步，降低了同步要求，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，因此可获得比图3RSS/TOA定位示意图图4TDOA定位示意图业务与运营31200902TOA更高的定位精度。现今的基于时间的定位系统也多采用TDOA定位法。目前已出现了多种基于T