1、GSM蜂窩基站定位基本原理淺析位置服務(wù)已經(jīng)成為越來(lái)越熱的一門技術(shù)，也將成為以后所有移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)、掌上電腦等）的標(biāo)配。隨著人們對(duì)BLS （Based LocationSerices,基于位置的服務(wù)）需求的飛速增長(zhǎng)，無(wú)線定位技術(shù)也越來(lái)越得到重視。GSM蜂窩基站定位，以其定位速度快、成本低（不需要移動(dòng)終端上添加額外的硬件）、耗電少、室內(nèi)可用等優(yōu)勢(shì)，作為一種輕量級(jí)的定位方法，也越來(lái)越常用。本文簡(jiǎn)單介紹一下各種基于 GSM 蜂窩基站的定位方法及基本原理，給開(kāi)發(fā)人員作為參考。我將盡量嘗試用開(kāi)發(fā)人員熟悉的方式來(lái)描述問(wèn)題。預(yù)備知識(shí)：GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)我們知道，GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由一系列的蜂窩基站

2、構(gòu)成的，這些蜂窩基站把整個(gè)通信區(qū)域劃分成如圖所示的一個(gè)個(gè)蜂窩小區(qū)（當(dāng)然 實(shí)際上，一個(gè)基站往往不并不只是對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū)，但是這個(gè)與我們討論的主題關(guān)系不大，我們不做深究）。這些小區(qū)小則幾十米，大則 幾千米。如下圖所示，我們用移動(dòng)設(shè)備在 GSM網(wǎng)絡(luò)中通信，實(shí)際上就是通過(guò)某一個(gè)蜂窩基站接入GSM網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò) GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)（語(yǔ)音數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等）傳輸?shù)?。也就是說(shuō)我們?cè)贕SM中通信時(shí)，總是需要和某一個(gè)蜂窩基站連接的，或者說(shuō)是處于某一個(gè)蜂窩小區(qū)中的。那么 GSM定位，就是借助這些蜂窩基站進(jìn)行定位。1.C00 （ Cell of Origin ）定位coo定位是一種單基站定位，即根據(jù)設(shè)備當(dāng)前

3、連接的蜂窩基站的位置來(lái)確定設(shè)備的位置。那么很顯然，定位的精度就取決于蜂窩小區(qū)的50M以內(nèi)；而在其他地區(qū)，可能基半徑。在基站密集的城市中心地區(qū)，通常會(huì)采用多層小區(qū)，小區(qū)劃分的很小，這時(shí)定位精度可以達(dá)到Google 地圖移動(dòng)版中，通過(guò)蜂窩基站站分布相對(duì)分散，小區(qū)半徑較大，可能達(dá)到幾千米，也就意味著定位精度只能粗略到幾千米。目前 確定 “我的位置 ”，基本上用的就是這種方法。從原理上我們可以看出， COO 定位其精度是不太確定的。 但是這卻是 GSM 網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)設(shè)備最快捷、 最方便的定位方法， 因?yàn)?GSM 網(wǎng) 絡(luò)端以及設(shè)備端都不需要任何的額外硬件投入。 只要運(yùn)營(yíng)商支持， GSM 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都可

4、以以編程方式獲取到當(dāng)前基站的一個(gè)唯一代碼， 我們可以稱之為基站 ID ，或 CellID 。在一般的設(shè)備中，可能都存在一個(gè)類似如下的 GetCurrentCellID() 方法的接口來(lái)提供當(dāng)前 GSM 蜂 窩基站 ID ：CellID = GetCurrentCellID();通過(guò)這個(gè)接口獲取到 CellID 后，我們還需要根據(jù)這個(gè) CellID 查出該蜂窩基站所在的具體地理坐標(biāo)。這時(shí)，我們可能就需要調(diào)用一些包含CellID ，地理坐標(biāo) 對(duì)應(yīng)關(guān)系的外部數(shù)據(jù)以確定相應(yīng)的地理坐標(biāo)。這個(gè)外部數(shù)據(jù)，通常可以由一些第三方Web 服務(wù)來(lái)提供。這些 Web 服務(wù)的接口可能類似于如下形式：Position=G

5、etPosition(CellID);當(dāng)然，再次說(shuō)明，上面的 GetCurrentCellID 方法、 GetPosition 方法都是我虛構(gòu)的，只是為了說(shuō)明邏輯關(guān)系，并不一定實(shí)際存在。關(guān)于COO 方法在 Windows Mobile 環(huán)境下的具體編程方法，請(qǐng)參考 為 Windows Mobile 設(shè)備創(chuàng)建位置感知的應(yīng)用程序 。2.七號(hào)信令定位該技術(shù)以信令監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿?dòng)通信網(wǎng)中特定的信令過(guò)程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過(guò)程進(jìn)行過(guò)濾和分析，并將監(jiān)測(cè) 結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定用戶的個(gè)性化服務(wù)。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)對(duì)信令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可定位到一個(gè)小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故 適用對(duì)定位精確

6、度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問(wèn)候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)服務(wù)、平安報(bào)信和貨物跟蹤等。目前，國(guó)內(nèi)各省和地區(qū)移動(dòng)公司的 短信歡迎系統(tǒng)采用的就是此種技術(shù)。7.TOA/TDOA 定位TOA(Time of Arrival ，到達(dá)時(shí)間 ) 、TDOA(Time Difference of Arrival, 到達(dá)時(shí)間差 ) 都是基于電波傳播時(shí)間的定位方法。 同時(shí)也都是三基站 定位方法，二者的定位都需要同時(shí)有三個(gè)位置已知的基站合作才能進(jìn)行。MOL365JIET基姑ERVT： Pisition2信號(hào)傳播阮間；T2T1基站1位置：PositionlLocation=GetLocation (Posit ini, Tl,

7、Positin2T T2, Positin3T T3J)如上圖所示，TOA/DTOA 定位方法都是通過(guò)三對(duì)Positioni,Ti (i=1,2,3 )來(lái)確定設(shè)備的位置Location。二者的不同只是 GetLocation () 函數(shù)的具體算法上的不同TOA電波到達(dá)時(shí)間定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到設(shè)備到基站i之間的距離Ri，然后根據(jù)幾何只是建立方程組并求解,從而求得Location值。如下圖所示。由于圖中距離的計(jì)算完全依賴于時(shí)間，因此TOA算法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間同步要求很高，任何很小的時(shí)間誤差都會(huì)被放大很多倍，同時(shí)由于多徑效應(yīng)的影響又會(huì)帶來(lái)很大的誤差，因而單純的TOA

8、在實(shí)際中應(yīng)用很少。DTOA電波到達(dá)時(shí)間差定位是對(duì)TOA定位的改進(jìn)，與 TOA的不同之處在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距離Ri，而是先對(duì)T1,T2,T3DTOA由于其中巧妙設(shè)計(jì)的求差過(guò)程會(huì)抵消其中很大一部分的時(shí)間誤差和多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。由于DTOA對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求相對(duì)較低，并且精度較高，因而目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)4. AOA定位AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角度）定位是一種兩基站定位方法，基于信號(hào)的入射角度進(jìn)行定位如上圖所示，知道了基站1到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角al就可以畫出一條射線 L1;同樣知道了知道了基站 2到設(shè)備之間連線與a 1,Pos

9、ition2,a 2);基準(zhǔn)方向的夾角 a2,就可以畫出一條射線 L2。那么L1月L2的交點(diǎn)就是設(shè)備的位置。這就是 AOA定位的基本數(shù)學(xué)原理。用函數(shù)調(diào)用表 達(dá)如下。Locati on=GetLocati on( Pisiti onl.AOA定位通過(guò)兩直線相交確定位置，不可能有多個(gè)交點(diǎn)，避免了定位的模糊性。但是為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)必須配備方向 性強(qiáng)的天線陣列。5. 基于場(chǎng)強(qiáng)的定位 該方法是通過(guò)測(cè)出接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值估計(jì)收發(fā)信短的距離，根據(jù)多個(gè)三個(gè)距離值就可以得到 設(shè)備的位置。從數(shù)學(xué)模型上看，和 TOA 算法類似，只是獲取距離的方式不同。場(chǎng)強(qiáng)算法雖然

10、簡(jiǎn)單，但是由于多徑效應(yīng)的影響，定位精度 較差。6. 混合定位混合定位就是同時(shí)使用兩種以上的定位方法來(lái)進(jìn)行定位。通過(guò)各種定位方法之間結(jié)合使用，互補(bǔ)短長(zhǎng)，以達(dá)到更高的定位精度。A-GPS 定位（輔助 GPS 定位）就是一種混合定位，是 GPS 定位技術(shù)與 GSM 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。 A-GPS 具有很高的定位精度，目前正被越來(lái) 越廣泛的使用。GPS定位作為一種傳統(tǒng)的定位方法，仍是目前應(yīng)用最廣泛、定位精度最高的定位技術(shù)。但是相對(duì)而言，GPS定位成本高（需要終端配備GPS 硬件）、定位慢（ GPS 硬件初始化通常需要 35 分鐘甚至 10 分鐘以上的時(shí)間）、耗電多（需要額外硬件自然耗電多），因此在一 些定位精度要求不高，但是定位速度要求較高的場(chǎng)景下，并不是特別適合；同時(shí)因?yàn)镚PS衛(wèi)星信號(hào)穿透能力弱，因此在室內(nèi)無(wú)法使用（關(guān)于 GPS 的定位