摘 要： 提出了一種移動位置服務的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)、設計了其中的關鍵部件移動位置服務網(wǎng)關和位置服務應用平臺，給出了實現(xiàn)位置服務的應用程序設計流程。經(jīng)過實際測試表明，系統(tǒng)能夠應用于移動通信網(wǎng)絡為用戶提供位置服務。
關鍵詞： 移動位置服務；時間差分定位；輔助GPS定位；位置服務網(wǎng)關；LBS應用平臺
移動位置服務LBS(Location-based Service)是通過一定的技術(shù)從移動通信網(wǎng)絡獲取移動用戶的位置信息，并為用戶提供相應服務的一種增值業(yè)務。提供移動位置服務要依賴于移動通信網(wǎng)絡以及移動定位技術(shù)。在第二代移動通信網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡固有的原因，定位精度只能達到數(shù)十米，這使得網(wǎng)絡運營商無法推廣移動位置服務吸引客戶。隨著第三代移動通信網(wǎng)絡在中國快速發(fā)展，結(jié)合新研究的移動定位技術(shù)，通過用戶的移動終端進行地理位置定位，其精度得到了很好地提高，已經(jīng)達到米數(shù)量級[1]。從而使移動定位業(yè)務能夠像短消息業(yè)務一樣成為一種具有廣闊市場前景的移動增值業(yè)務。
1 移動定位技術(shù)
無線定位技術(shù)是指用來判定移動用戶位置的測量和計算方法，即定位算法。目前，有許多方法可以用來進行位置計算，最常用的定位技術(shù)主要有：信號到達角度定位AOA(Anger of Arrival)、到達時間定位TOA(Time of Arrival)、到達時間差定位TDOA(Time Difference of Arrival)、cell-ID定位、輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位等。在實際應用中，定位往往是越精確越好，例如當用戶發(fā)生危險需要緊急定位時，傳統(tǒng)定位技術(shù)定位到某個蜂窩小區(qū)數(shù)十米范圍內(nèi)是遠遠不夠的，需要借助定位技術(shù)提高定位的準確性。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移動通信系統(tǒng)中得到了較好地應用，滿足了用戶對定位精度的要求。
1.1 到達時間差(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終端信號在傳輸路徑上的時延差異實現(xiàn)終端定位。當移動終端發(fā)出緊急呼叫時，移動網(wǎng)絡通過其附近的三個或更多個不同基站接收并測量出信號的到達時間，網(wǎng)絡計算出到達時間兩兩之間的差值，移動終端必然位于這些時間差值所對應的以兩兩基站為焦點的雙曲線上[2]。這樣，根據(jù)兩條雙曲線的交點就能夠確定手機的位置。所以只要附近三個基站接收到移動終端發(fā)出的信號就可以達到定位目的。TDOA技術(shù)只需要移動通信網(wǎng)絡參與網(wǎng)絡參數(shù)的測量，不需要對終端硬件上的改動。因此實現(xiàn)TDOA定位只需要在移動通信網(wǎng)中增加相應功能模塊就可以了，并支持所有廠商生產(chǎn)的移動終端。同時它具有定位精度高、響應時間短、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。
在3G移動通信網(wǎng)絡中，實現(xiàn)LBS業(yè)務需要在無線接入網(wǎng)側(cè)增加定位功能實體，即位置測量單元LMU(Location Measurement Unit)。LMU可以單獨設置或置于基站內(nèi)，而核心網(wǎng)側(cè)還須有對應的功能實體，即位置確定單元PDE(Position Determination Entity)，根據(jù)LMU測量的網(wǎng)絡參數(shù)進行相應的定位運算[3]。
TDOA作為主要的定位技術(shù)在第三代移動通信網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用。在3GPP的WCDMA中，基于TDOA定位技術(shù)，即觀測到達時間差分OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)；在3GPP2的CDMA2000中，稱為高級前向鏈路三角測量法A－FLT(Advanced Forward Link Trilateration)。這些方法的原理相同，都是通過信號到達時間差值，確定不少于兩條雙曲線，再通過這些雙曲線的交點，確定移動臺的位置。到達時間差分定位原理如圖1所示。
1.2 輔助GPS(A-GPS，assisted GPS)定位
在移動通信網(wǎng)絡中直接使用GPS定位遇到許多問題。首先，由于捕捉到GPS衛(wèi)星導航信號的時間相對較長(30秒到幾分鐘)，所以移動臺的首次響應時間較長。其次，由于較長的響應時間導致移動臺的功率損耗也較大。最后，處于室內(nèi)和城市低谷地帶(高樓之間等)的移動臺，甚至由于移動臺的天線相對較小等原因，導致接收到的GPS信號相對較弱，造成這些弱信號難以檢測到。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參考GPS網(wǎng)絡，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)絡可以和蜂窩基站連接在一起，持續(xù)實時地跟蹤GPS衛(wèi)星群，并在一定的時刻提供許多數(shù)據(jù)給每一個衛(wèi)星。這些數(shù)據(jù)包括移動臺的(或基站)位置信息、目前在役的衛(wèi)星信息、星歷表信息、時鐘校正信息、多譜勒頻移，甚至包括偽隨機噪聲信息等。當移動臺發(fā)出移動定位請求時，GPS參考網(wǎng)絡把這些數(shù)據(jù)信息傳送到移動臺(或GPS接收天線)以快速啟動或增加移動臺的接收靈敏度。由于參考網(wǎng)絡的作用，A-GPS較傳統(tǒng)GPS信號的搜索空間大大縮小，所以導航信號的捕捉時間大為減少。同時參考網(wǎng)絡允許移動臺采用快速的搜索速度和較窄的搜索帶寬，大大提高了移動臺靈敏度，削減了移動臺的功率損耗。一旦內(nèi)嵌GPS接收天線的移動臺接收到衛(wèi)星信號，移動臺的初始定位信息便可傳送給網(wǎng)絡，并在網(wǎng)絡中進一步進行計算，從而確定出移動臺的位置。
A-GPS技術(shù)克服了GPS技術(shù)直接應用于移動通信定位服務的缺陷。并且相對于其他技術(shù)有很多優(yōu)點，主要是定位精度較高，定位距離最小可達3 m。其次是它的定位響應時間較短，可以在幾秒內(nèi)得到響應。但與TDOA技術(shù)相比，需要移動終端支持A-GPS定位，增加了移動終端的費用。目前美國、日本和韓國等已經(jīng)開通了A-GPS位置服務[4]，而且在較短時間內(nèi)，銷售了帶A-GPS定位服務的手機超過1 000萬臺。
2 移動位置服務的體系結(jié)構(gòu)設計
移動位置服務是移動運營商提供給移動用戶的增值服務，因此實施移動位置服務應該充分利用運營商的現(xiàn)有網(wǎng)絡投資。根據(jù)現(xiàn)有移動通信的網(wǎng)絡結(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)有移動通信網(wǎng)絡實體上的延伸，增加了移動位置服務網(wǎng)關模塊和移動位置應用平臺模塊。移動位置服務網(wǎng)關完成相當多的功能，如用戶管理、位置管理、應用管理、定位等，許多有關用戶的定位信息都在服務網(wǎng)處理，并提交給位置服務應用平臺。位置服務應用平臺類似于一臺服務器，它與移動用戶終端進行交互，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)務的用戶。
3 移動位置服務網(wǎng)關
移動位置服務網(wǎng)關是本系統(tǒng)中開發(fā)的一個重要的部件。它一方面要為服務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、定位等功能；另一方面要為移動運營商提供各種運營維護管理功能，如定位、用戶鑒權(quán)、計費等各種服務。移動定位服務網(wǎng)關系統(tǒng)特性包括：
(1)支持開放標準的應用程序接口/協(xié)議、多廠家設備及定位技術(shù)。通過標準化的接口，與不同的無線網(wǎng)絡定位設備提供商；支持多種定位方式；提供標準的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。
(2)提供位置信息的安全控制及用戶鑒權(quán)。
(3)運營商可通過多種渠道提供服務與應用，有些位置服務適合使用SMS提供，有些適合使用WAP/Web提供。移動位置服務網(wǎng)關提供了多套接口，以方便運營商提供服務。
(4)應對大規(guī)模并發(fā)用戶訪問能力。
4 移動位置服務應用平臺
4.1 移動位置服務應用平臺開發(fā)
移動位置服務應用平臺相當于移動通信網(wǎng)絡中的定位服務器，它接收來自于移動位置服務網(wǎng)關中經(jīng)過處理的定位信息，并在位置服務應用平臺中經(jīng)過再處理。由于移動用戶終端機的生產(chǎn)廠商各不相同，使用不同的嵌入式軟件等，因此位置服務應用平臺服務器能夠為不同的終端用戶提供服務。系統(tǒng)可以配合短消息服務確定手機用戶所在的地理位置，也能夠以Web形式響應用戶的需求[5]。移動位置服務的應用平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。
地圖服務器引擎是移動位置服務應用平臺實現(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備。開發(fā)定位服務器選用的地圖服務器是ESRI的ArcIMS地圖服務器，它包含以下幾個部分：地理信息發(fā)布平臺、空間數(shù)據(jù)庫、地理編碼、路徑搜索。ArcIMS地圖服務器提供二次開發(fā)接口，只需開發(fā)程序?qū)⒁苿游恢梅站W(wǎng)關計算出的位置傳送給地圖服務器，從而確定出移動終端所在的準確位置。ArcIMS地圖服務器適用于無線互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)Intranet的地圖應用，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備(手機或PDA)可擴充的移動位置服務應用。對于電信級的定位應用，核心問題是解決大用戶量的并發(fā)訪問的問題，ArcIMS采用了先進的負載平衡和流量控制技術(shù)。當系統(tǒng)容量擴大時，只需增加地圖服務器就可以滿足用戶的需求。
4.2 位置服務應用程序設計流程
移動位置服務的應用程序設計流程如圖4所示。
整個過程為：
(1)移動終端通過移動網(wǎng)絡訪問位置應用服務，發(fā)送服務請求代碼給位置服務應用平臺，然后位置服務應用判斷該用戶申請的服務類型后，由位置服務應用平臺向位置服務網(wǎng)關提交該用戶的位置服務請求。
(2)位置服務網(wǎng)關對該用戶進行認證和安全處理，如通過，設置為成功；如未通過，設置則為失敗。
(3)在通過認證的情況下，位置服務網(wǎng)關根據(jù)請求參數(shù)發(fā)送給運營商網(wǎng)絡中的相關網(wǎng)絡實體，一般是移動業(yè)務交換中心MSC(Mobile Switching Center)和歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)，由MSC進行定位運算，計算完畢后將參數(shù)返回給位置服務網(wǎng)關，位置服務網(wǎng)關再將接收到的參數(shù)處理后返回該用戶的最新位置信息給位置服務應用平臺。
(4)如果位置服務應用平臺收到正確的位置信息，將根據(jù)位置和地圖服務器進行綜合處理，生成相應的圖片和文字信息。最后位置服務應用平臺對生成結(jié)果(成功或失敗)信息打包，通過移動網(wǎng)絡返回給移動用戶終端，移動用戶在便攜式移動終端(如PDA、Pocket PC等)上可以接收到顯示的位置信息。
移動位置服務具有極好的市場應用前景。對移動用戶而言，位置服務不僅是了解自己和他人位置的個性服務，更重要的是關系到移動用戶的自身和財產(chǎn)安全。本文提出的移動位置服務的網(wǎng)絡架構(gòu)在移動運營商的試商用中得到了良好的應用，隨著未來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，位置服務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。移動位置服務必將成為繼短消息業(yè)務之后又一廣受用戶歡迎的移動增值業(yè)務。
參考文獻
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[3] LIU Z. A java-based wireless framework for location-based services applications[J]. Calqary： The University of Calqary， 2006(5)：48-55.
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