摘  要: 移动终端" title="移动终端">移动终端的位置是移动互联网中的关键信息。本文从移动定位技术" title="定位技术">定位技术的基本概念、分类方法、移动通信网中的定位技术等方面对其进行了阐述。

　　关键词: 移动互联网  定位技术  移动通信

　　移动终端的位置信息" title="位置信息">位置信息是移动互联网中的关键信息,利用移动定位信息开展的服务将是移动互联网上的一种特色服务。获取移动定位信息的定位技术及其定位系统" title="定位系统">定位系统已经成为当前的研究热点。

1 移动定位的基本概念

　　移动定位涉及计算机科学技术、数学和移动无线通信技术等多个学科的知识,某些有关移动定位的基本概念比较容易混淆,因此有必要首先澄清一些基本概念^[1]。

1.1 物理位置信息和抽象位置信息

　　定位系统提供的位置信息可以分为两类:物理意义上的位置信息和抽象意义上的位置信息。所谓物理意义上的位置信息,就是指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数据,例如,GPS可以测得一幢建筑位于北纬50°47’21”,东经110°56’49”,海拔20.3米。相对而言,抽象的位置信息可以表达为:这栋建筑物位于公园的小树丛中或校园的主教学楼附近等等。

从应用程序的角度讲,不同的应用程序需要的位置信息抽象层次也不尽相同,有些只需要物理位置信息;而有些则需要抽象意义上的位置信息,单纯的物理位置信息对它们来说是透明的,或是没有意义的。当然,物理位置信息可以在附加信息库的帮助下,转换并映射为抽象层次的位置信息,在这里,附加的信息库往往是外部提供的数据源。

　　不同的定位系统可以提供的位置信息抽象层次也不同。GPS是一种典型的可以提供物理位置信息的定位系统;而移动通信网络中普遍使用的CellID定位只能告诉应用程序被定位物体当前所在的蜂窝小区ID号。

1.2 相对位置和绝对位置

　　定位系统提供的位置数据还有相对和绝对之分。在这里,相对和绝对的概念与物理学中的相对和绝对的概念类似。绝对位置是指在同一个参照系前提下的位置,例如,所有的GPS接收设备所提供的经度、纬度、海拔等数据都是基于同一个参照系的,在同一地理位置的两个GPS接收设备显示的位置信息是相同的。

　　而相对位置是在不同的参照系中得出的,每一个物体都可能有自己的参照物。处于相同地理位置的物体因为对应的参照物不同,位置数据的读数也可能不同。

1.3 定位精度" title="定位精度">定位精度和定位准确度

　　定位精度和定位准确度是两个紧密联系的概念,它们之间的关系类似于数理统计学中置信区间和概率之间的关系。严格说来,如果孤立的指出某个定位系统的定位精度或定位准确度,都是没有意义的。典型的正确描述应该是:A定位系统可以在95%的概率下达到10m的定位精度。其中,“95%”描述的是定位准确度。定位精度越高,相应的定位准确度就越低,反之亦然。

不同的应用程序对定位精度往往有着自己特殊的、明确的要求(而忽略或含糊其词对定位准确度的要求)。例如,老人或儿童监护需要的定位精度为500m以内,而某些室内的应用则可能需要厘米级的定位精度。美国联邦通信委员会(FCC,Federal Communications Commission)则同时对定位精度和准确度作出了明确的规定:FCC要求在2001年10月1号以前所有的“911”呼叫定位服务需要精确到125米,而且准确率要达到67%。

　　通过增加定位设备的密度或综合使用多种不同的定位技术,可以同时提高定位系统的精度和准确度。一般说来,室内应用需要的定位精度要比室外应用高。

1.4 基于移动终端的定位和基于网络的定位

　　从定位策略的角度来看,定位技术/系统可以分为基于移动终端的定位和基于网络的定位两种。基于移动终端的定位是指定位计算是由移动终端自己完成的,移动终端可以自行确定自己当前的位置。这种定位策略也称为移动终端的自定位,在蜂窝网络中又叫做前向链路定位。基于移动终端的定位系统便于保护移动终端用户的隐私(这里的隐私是指用户当前的位置信息)不受侵犯,但是要求移动终端有较强的计算能力和持久的供电能力。基于网络的定位主要由网络系统收集待定位移动终端的信息并计算移动终端的当前位置。这类定位策略在蜂窝网络中又叫做反向链路定位。前一种定位策略需要在用户终端中植入智能,而后者则需要在网络设备中植入智能并计算获得位置信息。基于网络的定位系统要求待定位移动终端发送或广播一些特定的信号,网络系统负责收集这些信号,并担负起定位计算的任务。在实际应用中,通过一些策略控制,基于网络的定位系统也可以有效的保护用户的隐私。

　　如果再对以上的两种定位策略进行细分,前一种定位策略又可以分为基于移动终端的定位(Handset-based location)和网络辅助定位(Network-assisted location)两种;而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位(Network-based location)和移动终端辅助定位(Handset-assisted location)两种。其中网络辅助定位是由网络端辅助移动终端进行定位测量并由移动终端进行定位计算的定位;移动终端辅助定位是指由移动终端辅助网络端进行定位测量并由网络端进行定位计算的定位。

其他评价和区分定位系统的因素还有覆盖范围、成本、可否对定位物体进行自动识别等,这里就不赘述了。

2 移动定位技术的分类

　　定位技术大致可以分为三种类型:基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。

2.1 基于三角关系和运算的定位技术

　　这种定位技术根据测量得出的数据,利用几何三角关系计算被测物体的位置,它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系的定位技术可以细分为两种:基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。

2.1.1 基于距离测量的定位技术

　　如图1所示,这种定位技术先要测量已知位置的参考点(A,B,C三点)与被测物体(OBJECT)之间的距离(Radius1,Radius2,Radius3),然后利用三角知识计算被测物体的位置。一般来说,如果要计算被测物体的平面位置(即二维位置),那么需要测量三个非线性的距离数据;同理,如果要计算被测物体的立体位置(即三维位置),那么需要测量四个非线性的距离数据。在具体的应用环境下,需要测量的距离数据数目可能要少一些。例如,在Active Bat^[2]定位系统中,参考点总是位于被测物体之上,所以只需要测量三个距离数据就可以确定Bat(被测物体)的三维位置。具体说来,距离测量的方法有三种:

　　(1)直接测量方法

　　这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。例如,机器人移动自己的探针,直到触到障碍物,并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。

　　(2)传播时间测量方法

在已知传播速度的情况下,无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。这种测量方法需要注意的问题有如下几个:

　　·无线电波的传播特性。

　　因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射,而测量端无法区分直接到达的无线电波和经过反射到达的无线电波,所以　容易造成测量的误差。一般的解决方法是多测几次,求出统计意义上的测量值。

　　·时钟精度。

　　因为无线电波的传播速度很快,所以为了减小测量误差必须使用高精度的时钟。

　　·时钟同步。

　　参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同步,这样才能保证测量结果的正确性和精度。如果由被测物体自己进行测量,那么被测物体和参与同一个定位过程的参考点必须保证时钟的同步;如果采用测量往返时间的方法,那么只要测量端保证足够的时钟精度即可。

　　(3)无线电波能量衰减测量方法

　　已知发射电波的强度,在接收方测量收到的电波强度,以此估计出发射电波物体距离接收方之间的距离。例如,在理想的传播环境下,无线电波的衰减与1/r2成正比(其中r为传播距离)。实际上,无线电波在空间传播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果,而不单单与传播距离有关。具体说来,在一个地形地物较为复杂的环境中,无线电波信号传播时的衰减会受到反射、折射、多径效应等多种因素的影响,所以这种利用能量衰减测量距离的方法不如传播时间测量方法精度高。

2.1.2 基于角度测量的定位技术

　　基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的,两者主要的不同在于前者测量的主要是角度,而后者测量的是距离。

　　一般来说,如果要计算被测物体的平面位置(即二维位置),那么需要测量两个角度和一个距离(虚线表示),如图2所示。同理,如果要计算被测物体的立体位置(即三维位置),那么需要测量三个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线,如智能天线阵列。

2.2 基于场景分析的定位技术

　　这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化,用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置,并用一个数据库把这些信息集成在一起。观察者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库,并根据特定的匹配规则确定物体的位置。

由此可以看出,这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则,它本质上是一种模式识别方法。Microsoft的RADAR^[3]定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。

2.3 基于临近关系的定位技术

　　基于临近关系进行定位的技术原理是:根据待定位物体与一个或多个已知位置的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统(Identification Systems)的辅助,以唯一的标识来确定已知的各个位置。

　　这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的CellID,如图3所示。图中以黑点表示的是三个待定位物体,它们分别位于三不同形状的Cell中。因为各个Cell的位置是已知的,所以待定位物体的位置也就可以确定了。

　　基于临近关系定位技术的应用非常广泛,除了CellID以外,其他的例子还有Active Badge Location System^[4]、Xerox ParcTAB System^[5]、Carnegie Mellon Wireless Andrew等。

3 移动通信中的定位技术

　　移动通信中的定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量,根据特定的算法来判断被测物体的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。定位精度取决于测量的方法。以下介绍的几种定位技术可以分别归类到上面提到的三类定位技术中。

3.1 CellID-TA

　　这种定位技术是CellID的改进。在移动蜂窝通信网络中,每个蜂窝小区都有一个惟一的CellID,利用移动终端所在的CellID就可以粗略确定移动终端的位置。CellID又被称为小区全球识别码(CGI),CGI由位置区识别码(LAI)和小区识别码(CI)构成。

　　GSM系统中可以用作定位的另一个参数是时间提前量(TA)。TA是基站与移动终端之间的传输时延,BTS(基站收发子系统,Base station Transceiver Subsystem)通过测量TA可以估计与MS之间的距离。TA以比特为单位,1bit相当于550米的距离。

　　由于无线传输存在多径效应,因此单纯利用TA定位的精度很低。把CellID和TA结合在一起是一种既简单又经济的定位方法。

　　所有移动终端都可以使用CellID-TA进行定位,这是其一大优点。但是这种定位技术的定位精度取决于小区的大小和周围的环境,通常只能用于粗略定位。

3.2 UL-TOA和TDOA

    UL-TOA(Uplink Time Of Arrival,上行链路到达时间)定位方法是由基站测量移动终端信号到达的时间。该方法要求至少有三个基站参与测量,如图4所示,每个基站增加一个位置测量单元LMU,LMU测量终端发出的接入突发脉冲或常规突发脉冲的到达时刻。LMU可以和BTS结合在一起,也可分开放置。由于每个BTS的地理位置是已知的,因此可以利用球面三角算出移动终端的位置。TDOA(Time Difference Of Arrival)测量的是移动终端发射的信号到达不同BTS的传输时间差,而不是单纯的传输时间。

　　UL-TOA定位方法需要移动终端和参与定位的LMU之间精确同步,而TDOA通常只需要参与定位的LMU之间同步即可。另外,这两种定位方法还要求在所有基站上安装监测设备LMU,因此成本较高。

3.3  E-OTD

　　增强型观察时间差E-OTD(Enhanced Observed Time Differential)在移动通信网络中的多个基站上放置位置接收器或参考点,并把这些参考点作为位置测量单元(LMU)。每个参考点都有一个精确的定时源。当具有E-OTD功能的移动终端收到来自至少3个LMU的信号时,每个LMU到达移动终端的时间差就可以计算出来,利用这些时间差值产生的交叉双曲线就可以估计出移动终端的位置。

　　与E-OTD相关的基本量有三个:观察时间差OTD、真实时间差RTD和地理位置时间差GTD。OTD是移动终端实际观察到的两个BTS信号到达的时间差;RTD是两个BTS之间的系统时间差;GTD是两个BTS到移动终端由于距离差而引起的传输时间差。

　　设d₁为BTS1与MS之间的距离,d₂为BTS2与MS之间的距离,则GTD=|d₂-d₁|/v,公式中的v为无线电波的传播速度。上述三个量之间关系为:OTD=RTD+GTD。当BTS都同步时,则RTD=0。

　　E-OTD要取得正确的定位结果,必须具备至少三个分别位于不同地理位置的BTS。另外,参与定位的BTS之间必须实现时钟同步。最常用的同步方法是在BTS上安装固定的GPS接收机。E-OTD还会受到市区中多径效应的影响。这时,多径效应将扭曲信号的波形并加入延迟,导致E-OTD定位时的困难。

　　E-OTD方案可以提供比CellID高得多的定位精度——在50米到125米之间。但是它的定位响应速度较慢,往往需要约5秒的时间。另外,它需要对移动终端进行改进,这意味着现存的移动用户无法通过该技术获得基于位置的服务。

3.4 AOA

　　信号到达角(AOA,Angle Of Arrival)定位方法是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计移动终端的位置,如图5所示。AOA方法通常用来确定一个二维位置。

　　移动终端发,BTS1收,测量可得一条BTS1到移动终端的连线;移动终端发,BTS2收,测量得到另一直线,两直线相交产生定位角。BTS1和BTS2坐标位置已知,以正北为参考方向,顺时针为+0～+360度,逆时针为-0～-360度,由此可获得以移动终端、BTS1和BTS2为三点的三角关系。AOA方法在障碍物较少的地区可以获得较高的定位精度,但在障碍物较多的环境中,由于无线传输存在多径效应,则误差增大。另外,AOA技术必需使用智能方向天线。

3.5 信号衰减(Signal Attenuation)

　　这种定位技术利用移动终端靠近基站或远离基站时引起的信号衰减变化来估计移动终端的位置,又被称为场强定位技术。由于多数移动终端的天线是多向发送的,因此信号功率会向所有方向迅速消散。如果移动终端发出的信号功率已知,那么在另一点测量信号功率时,就可以利用一定的传播模型估计出移动终端与该点之间的距离。

　　然而,测定对方的传送功率是一项沉重的负担,由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整,这个测定过程可能会十分复杂。而且,信号并不只因为传输距离而产生衰减,其它因素(如穿越墙壁、植物、金属、玻璃、车辆等)都会对信号功率产生影响。另外,功率测量电路无法区分多个方向接收到的功率,例如直接到达的信号功率和反射到达的信号功率。因此,根据信号衰减进行定位被认为是定位技术中最不可靠的一种。

4 移动定位技术当前的研究热点

　　(1)提高移动定位系统的定位精度和准确度

移动定位的定位精度和定位准确度是衡量移动定位系统性能的重要指标,因此在可接受的定位成本的条件下,如何提高定位系统的定位精度和定位准确度是当前的一个研究热点。

　　(2)移动定位信息的获取和处理

　　移动定位信息是基于位置的移动应用所必需的关键信息。不同的移动应用对定位信息的要求也是不同的。因此需要一个中间层对移动定位系统收集的定位信息进行进一步的处理,以满足移动应用对定位信息不同的要求。这里所说的中间层是一个中间件性质的软件实体,它的作用是屏蔽底层的具体的移动定位技术,向移动应用提供特定的定位服务。

　　(3)移动定位应用的研究

　　有了可以提供足够定位精度和准确度的定位技术,以及对移动定位信息进行收集和处理的移动定位中间件,应用程序设计人员的任务就是设计新颖的移动定位应用,推动移动互联网的发展。

参考文献

1 Jeffrey Hightower,Gaetano Borriello. Location Systems for Ubiquitous Computing”,IEEE Computer， Aug， 2001， pp. 57～66

2 A. Harter et al.， The Anatomy of a Context-Aware Application， Proc. 5th Ann. Int＇l Conf. Mobile Computing and Networking (Mobicom 99)， ACM Press， New York， 1999， pp. 59~68

3 P. Bahl and V. Padmanabhan.RADAR： An In-Building  RF-Based User Location and Tracking System， Proc.IEEE

  Infocom 2000， IEEE CS Press， Los Alamitos，Calif.， 2000， pp. 775～784

4 Roy Want， Andy Hopper， et al. The active badge location system. ACM Transactions on Information Systems，10(1)：91-102， January 1992.

5 Roy Want， Bill Schilit， et al. The parctab ubiquitous computing experiment. In Tomasz Imielinski， editor，Mobile Computing， chapter 2，pages 45-101. Kluwer Publishing， February 1997. ISBN 0-7923-9697-96