移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)研究與開發(fā)

摘 要： 提出了一種移動(dòng)位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)、設(shè)計(jì)了其中的關(guān)鍵部件移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)和位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，給出了實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠應(yīng)用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供位置服務(wù)。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)位置服務(wù)；時(shí)間差分定位；輔助GPS定位；位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)；LBS應(yīng)用平臺(tái)

　移動(dòng)位置服務(wù)LBS(Location-based Service)是通過一定的技術(shù)從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)用戶的位置信息，并為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。提供移動(dòng)位置服務(wù)要依賴于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)定位技術(shù)。在第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)固有的原因，定位精度只能達(dá)到數(shù)十米，這使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商無法推廣移動(dòng)位置服務(wù)吸引客戶。隨著第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在中國(guó)快速發(fā)展，結(jié)合新研究的移動(dòng)定位技術(shù)，通過用戶的移動(dòng)終端進(jìn)行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經(jīng)達(dá)到米數(shù)量級(jí)[1]。從而使移動(dòng)定位業(yè)務(wù)能夠像短消息業(yè)務(wù)一樣成為一種具有廣闊市場(chǎng)前景的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。
1 移動(dòng)定位技術(shù)
　無線定位技術(shù)是指用來判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量和計(jì)算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來進(jìn)行位置計(jì)算，最常用的定位技術(shù)主要有：信號(hào)到達(dá)角度定位AOA(Anger of Arrival)、到達(dá)時(shí)間定位TOA(Time of Arrival)、到達(dá)時(shí)間差定位TDOA(Time Difference of Arrival)、cell-ID定位、輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位等。在實(shí)際應(yīng)用中，定位往往是越精確越好，例如當(dāng)用戶發(fā)生危險(xiǎn)需要緊急定位時(shí)，傳統(tǒng)定位技術(shù)定位到某個(gè)蜂窩小區(qū)數(shù)十米范圍內(nèi)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助定位技術(shù)提高定位的準(zhǔn)確性。上述定位技術(shù)中只有TDOA定位和輔助GPS定位的定位精度可以精確到3 m~7 m[1]。在3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了較好地應(yīng)用，滿足了用戶對(duì)定位精度的要求。
1.1 到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位技術(shù)
　TDOA定位技術(shù)是根據(jù)不同基站接收到的同一移動(dòng)終端信號(hào)在傳輸路徑上的時(shí)延差異實(shí)現(xiàn)終端定位。當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)出緊急呼叫時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過其附近的三個(gè)或更多個(gè)不同基站接收并測(cè)量出信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出到達(dá)時(shí)間兩兩之間的差值，移動(dòng)終端必然位于這些時(shí)間差值所對(duì)應(yīng)的以兩兩基站為焦點(diǎn)的雙曲線上[2]。這樣，根據(jù)兩條雙曲線的交點(diǎn)就能夠確定手機(jī)的位置。所以只要附近三個(gè)基站接收到移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)就可以達(dá)到定位目的。TDOA技術(shù)只需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)參與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量，不需要對(duì)終端硬件上的改動(dòng)。因此實(shí)現(xiàn)TDOA定位只需要在移動(dòng)通信網(wǎng)中增加相應(yīng)功能模塊就可以了，并支持所有廠商生產(chǎn)的移動(dòng)終端。同時(shí)它具有定位精度高、響應(yīng)時(shí)間短、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)LBS業(yè)務(wù)需要在無線接入網(wǎng)側(cè)增加定位功能實(shí)體，即位置測(cè)量單元LMU(Location Measurement Unit)。LMU可以單獨(dú)設(shè)置或置于基站內(nèi)，而核心網(wǎng)側(cè)還須有對(duì)應(yīng)的功能實(shí)體，即位置確定單元PDE(Position Determination Entity)，根據(jù)LMU測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的定位運(yùn)算[3]。
　TDOA作為主要的定位技術(shù)在第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術(shù)，即觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差分OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)；在3GPP2的CDMA2000中，稱為高級(jí)前向鏈路三角測(cè)量法A－FLT(Advanced Forward Link Trilateration)。這些方法的原理相同，都是通過信號(hào)到達(dá)時(shí)間差值，確定不少于兩條雙曲線，再通過這些雙曲線的交點(diǎn)，確定移動(dòng)臺(tái)的位置。到達(dá)時(shí)間差分定位原理如圖1所示。

1.2 輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位
　在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中直接使用GPS定位遇到許多問題。首先，由于捕捉到GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(30秒到幾分鐘)，所以移動(dòng)臺(tái)的首次響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。其次，由于較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致移動(dòng)臺(tái)的功率損耗也較大。最后，處于室內(nèi)和城市低谷地帶(高樓之間等)的移動(dòng)臺(tái)，甚至由于移動(dòng)臺(tái)的天線相對(duì)較小等原因，導(dǎo)致接收到的GPS信號(hào)相對(duì)較弱，造成這些弱信號(hào)難以檢測(cè)到。因此為了解決這些問題，采用輔助GPS方法來改善GPS定位的性能。
　A-GPS技術(shù)的基本方法是建立一個(gè)參考GPS網(wǎng)絡(luò)，以便接收天線能夠連續(xù)不斷地跟蹤GPS衛(wèi)星[2]。參考網(wǎng)絡(luò)可以和蜂窩基站連接在一起，持續(xù)實(shí)時(shí)地跟蹤GPS衛(wèi)星群，并在一定的時(shí)刻提供許多數(shù)據(jù)給每一個(gè)衛(wèi)星。這些數(shù)據(jù)包括移動(dòng)臺(tái)的(或基站)位置信息、目前在役的衛(wèi)星信息、星歷表信息、時(shí)鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機(jī)噪聲信息等。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出移動(dòng)定位請(qǐng)求時(shí)，GPS參考網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)信息傳送到移動(dòng)臺(tái)(或GPS接收天線)以快速啟動(dòng)或增加移動(dòng)臺(tái)的接收靈敏度。由于參考網(wǎng)絡(luò)的作用，A-GPS較傳統(tǒng)GPS信號(hào)的搜索空間大大縮小，所以導(dǎo)航信號(hào)的捕捉時(shí)間大為減少。同時(shí)參考網(wǎng)絡(luò)允許移動(dòng)臺(tái)采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動(dòng)臺(tái)靈敏度，削減了移動(dòng)臺(tái)的功率損耗。一旦內(nèi)嵌GPS接收天線的移動(dòng)臺(tái)接收到衛(wèi)星信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)的初始定位信息便可傳送給網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，從而確定出移動(dòng)臺(tái)的位置。
　A-GPS技術(shù)克服了GPS技術(shù)直接應(yīng)用于移動(dòng)通信定位服務(wù)的缺陷。并且相對(duì)于其他技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要是定位精度較高，定位距離最小可達(dá)3 m。其次是它的定位響應(yīng)時(shí)間較短，可以在幾秒內(nèi)得到響應(yīng)。但與TDOA技術(shù)相比，需要移動(dòng)終端支持A-GPS定位，增加了移動(dòng)終端的費(fèi)用。目前美國(guó)、日本和韓國(guó)等已經(jīng)開通了A-GPS位置服務(wù)[4]，而且在較短時(shí)間內(nèi)，銷售了帶A-GPS定位服務(wù)的手機(jī)超過1 000萬臺(tái)。
2 移動(dòng)位置服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　移動(dòng)位置服務(wù)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供給移動(dòng)用戶的增值服務(wù)，因此實(shí)施移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)該充分利用運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)投資。根據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)體上的延伸，增加了移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)模塊和移動(dòng)位置應(yīng)用平臺(tái)模塊。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)完成相當(dāng)多的功能，如用戶管理、位置管理、應(yīng)用管理、定位等，許多有關(guān)用戶的定位信息都在服務(wù)網(wǎng)處理，并提交給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)類似于一臺(tái)服務(wù)器，它與移動(dòng)用戶終端進(jìn)行交互，將用戶的定位信息通過合適的數(shù)據(jù)格式傳輸給訂制了該業(yè)務(wù)的用戶。

3 移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)
　移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)中開發(fā)的一個(gè)重要的部件。它一方面要為服務(wù)提供商提供各種基于XML協(xié)議的二次開發(fā)接口，提供地理信息服務(wù)、定位等功能；另一方面要為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供各種運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理功能，如定位、用戶鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)等各種服務(wù)。移動(dòng)定位服務(wù)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)特性包括：
　(1)支持開放標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口/協(xié)議、多廠家設(shè)備及定位技術(shù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口，與不同的無線網(wǎng)絡(luò)定位設(shè)備提供商；支持多種定位方式；提供標(biāo)準(zhǔn)的A接口，以XML、SOAP方式連接；支持與WAP以及SMS的連接，支持2G/3G等不同網(wǎng)絡(luò)。
　(2)提供位置信息的安全控制及用戶鑒權(quán)。
　(3)運(yùn)營(yíng)商可通過多種渠道提供服務(wù)與應(yīng)用，有些位置服務(wù)適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供了多套接口，以方便運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)。
　(4)應(yīng)對(duì)大規(guī)模并發(fā)用戶訪問能力。
4　移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)
4.1　移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)開發(fā)
　移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)相當(dāng)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的定位服務(wù)器，它接收來自于移動(dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過處理的定位信息，并在位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)中經(jīng)過再處理。由于移動(dòng)用戶終端機(jī)的生產(chǎn)廠商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)器能夠?yàn)椴煌慕K端用戶提供服務(wù)。系統(tǒng)可以配合短消息服務(wù)確定手機(jī)用戶所在的地理位置，也能夠以Web形式響應(yīng)用戶的需求[5]。移動(dòng)位置服務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　地圖服務(wù)器引擎是移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案的核心，該模塊的性能好壞將影響定位效果，可以直接選用商用化設(shè)備。開發(fā)定位服務(wù)器選用的地圖服務(wù)器是ESRI的ArcIMS地圖服務(wù)器，它包含以下幾個(gè)部分：地理信息發(fā)布平臺(tái)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務(wù)器提供二次開發(fā)接口，只需開發(fā)程序?qū)⒁苿?dòng)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)計(jì)算出的位置傳送給地圖服務(wù)器，從而確定出移動(dòng)終端所在的準(zhǔn)確位置。ArcIMS地圖服務(wù)器適用于無線互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)Intranet的地圖應(yīng)用，能以多種圖像格式發(fā)布地圖，很容易建立基于無線手持設(shè)備(手機(jī)或PDA)可擴(kuò)充的移動(dòng)位置服務(wù)應(yīng)用。對(duì)于電信級(jí)的定位應(yīng)用，核心問題是解決大用戶量的并發(fā)訪問的問題，ArcIMS采用了先進(jìn)的負(fù)載平衡和流量控制技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)容量擴(kuò)大時(shí)，只需增加地圖服務(wù)器就可以滿足用戶的需求。
4.2　位置服務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程
　移動(dòng)位置服務(wù)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

　整個(gè)過程為：
　(1)移動(dòng)終端通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問位置應(yīng)用服務(wù)，發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求代碼給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，然后位置服務(wù)應(yīng)用判斷該用戶申請(qǐng)的服務(wù)類型后，由位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)向位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)提交該用戶的位置服務(wù)請(qǐng)求。
　(2)位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)對(duì)該用戶進(jìn)行認(rèn)證和安全處理，如通過，設(shè)置為成功；如未通過，設(shè)置則為失敗。
　(3)在通過認(rèn)證的情況下，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)根據(jù)請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送給運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，一般是移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC(Mobile Switching Center)和歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)，由MSC進(jìn)行定位運(yùn)算，計(jì)算完畢后將參數(shù)返回給位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)再將接收到的參數(shù)處理后返回該用戶的最新位置信息給位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。
　(4)如果位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)收到正確的位置信息，將根據(jù)位置和地圖服務(wù)器進(jìn)行綜合處理，生成相應(yīng)的圖片和文字信息。最后位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)生成結(jié)果(成功或失敗)信息打包，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)返回給移動(dòng)用戶終端，移動(dòng)用戶在便攜式移動(dòng)終端(如PDA、Pocket　PC等)上可以接收到顯示的位置信息。
移動(dòng)位置服務(wù)具有極好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。對(duì)移動(dòng)用戶而言，位置服務(wù)不僅是了解自己和他人位置的個(gè)性服務(wù)，更重要的是關(guān)系到移動(dòng)用戶的自身和財(cái)產(chǎn)安全。本文提出的移動(dòng)位置服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的試商用中得到了良好的應(yīng)用，隨著未來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，位置服務(wù)將提供給用戶更高的定位精度、更便捷的操作方式、更全面的位置信息。移動(dòng)位置服務(wù)必將成為繼短消息業(yè)務(wù)之后又一廣受用戶歡迎的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)。
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