簡述蜂窩網(wǎng)工作的基本原理

蜂窩網(wǎng)絡(luò)基本原理淺析位置服務(wù)已經(jīng)成為越來越熱的一門技術(shù)，也將成為以后所有移動設(shè)備（智能手機(jī)、掌上電腦等）的標(biāo)配。隨著人們對BLS(BasedLocationSerices，基于位置的服務(wù))需求的飛速增長，無線定位技術(shù)也越來越得到重視。GSM蜂窩基站定位，以其定位速度快、成本低（不需要移動終端上添加額外的硬件）、耗電少、室內(nèi)可用等優(yōu)勢，作為一種輕量級的定位方法，也越來越常用。本文簡單介紹一下各種基于GSM蜂窩基站的定位方法及基本原理，給開發(fā)人員作為參考。我將盡量嘗試用開發(fā)人員熟悉的方式來描述問題。預(yù)備知識：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構(gòu)成的，這些蜂窩基站把整個通信區(qū)域劃分成如圖所示的一個個蜂窩小區(qū)（當(dāng)然實際上，一個基站往往不并不只是對應(yīng)一個小區(qū)，但是這個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，我們用移動設(shè)備在GSM網(wǎng)絡(luò)中通信，實際上就是通過某一個蜂窩基站接入GSM網(wǎng)絡(luò)，然后通過GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)（語音數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等）傳輸?shù)?。也就是說我們在GSM中通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區(qū)中的。那么GSM定位，就是借助這些蜂窩基站進(jìn)行定位。

1.COO（CellofOrigin）定位COO定位是一種單基站定位，即根據(jù)設(shè)備當(dāng)前連接的蜂窩基站的位置來確定設(shè)備的位置。那么很顯然，定位的精度就取決于蜂窩小區(qū)的半徑。在基站密集的城市中心地區(qū)，通常會采用多層小區(qū)，小區(qū)劃分的很小，這時定位精度可以達(dá)到50M以內(nèi)；而在其他地區(qū)，可能基站分布相對分散，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Google地圖移動版中，通過蜂窩基站確定“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)中的移動設(shè)備最快捷、最方便的定位方法，因為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。只要運營商支持，GSM網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都可以以編程方式獲取到當(dāng)前基站的一個唯一代碼，我們可以稱之為基站ID，或CellID。在一般的設(shè)備中，可能都存在一個類似如下的GetCurrentCellID()方法的接口來提供當(dāng)前GSM蜂窩基站ID：CellID=GetCurrentCellID();通過這個接口獲取到CellID后，我們還需要根據(jù)這個CellID查出該蜂窩基站所在的具體地理坐標(biāo)。這時，我們可能就需要調(diào)用一些包含[CellID，地理坐標(biāo)]對應(yīng)關(guān)系的外部數(shù)據(jù)以確定相應(yīng)的地理坐標(biāo)。這個外部數(shù)據(jù)，通常可以由一些第三方Web服務(wù)來提供。這些Web服務(wù)的接口可能類似于如下形式：Position=GetPosition(CellID);當(dāng)然，再次說明，上面的GetCurrentCellID方法、GetPosition方法都是我虛構(gòu)的，只是為了說明邏輯關(guān)系，并不一定實際存在。關(guān)于COO方法在WindowsMobile環(huán)境下的具體編程方法，請參考《為WindowsMobile設(shè)備創(chuàng)建位置感知的應(yīng)用程序》。

2.七號信令定位該技術(shù)以信令監(jiān)測為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)中特定的信令過程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過程進(jìn)行過濾和分析，并將監(jiān)測結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實現(xiàn)對特定用戶的個性化服務(wù)。該項技術(shù)通過對信令進(jìn)行實時監(jiān)測，可定位到一個小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故適用對定位精確度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計服務(wù)、平安報信和貨物跟蹤等。目前，國內(nèi)各省和地區(qū)移動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(TimeofArrival，到達(dá)時間)、TDOA(TimeDifferenceofArrival,到達(dá)時間差)都是基于電波傳播時間的定位方法。同時也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同時有三個位置已知的基站合作才能進(jìn)行。如上圖所示,TOA/DTOA定位方法都是通過三對[Positioni,Ti]（i=1,2,3）來確定設(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。由于圖中距離的計算完全依賴于時間，因此TOA算法對系統(tǒng)的時間同步要求很高，任何很小的時間誤差都會被放大很多倍，同時由于多徑效應(yīng)的影響又會帶來很大的誤差，因而單純的TOA在實際中應(yīng)用很少。DTOA電波到達(dá)時間差定位是對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T1,T2,T3兩兩求差，然后通過一些巧妙的數(shù)學(xué)算法建立方程組并求解，從而得到Location值。如下圖所示。DTOA由于其中巧妙設(shè)計的求差過程會抵消其中很大一部分的時間誤差和多徑效應(yīng)帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。由于DTOA對網(wǎng)絡(luò)要求相對較低，并且精度較高，因而目前已經(jīng)成為研究的熱點。

4.AOA定位AOA(AngleofArrival，到達(dá)角度)定位是一種兩基站定位方法，基于信號的入射角度進(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α1，就可以畫出一條射線L1；同樣知道了知道了基站2到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角α2，就可以畫出一條射線L2。那么L1月L2的交點就是設(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。Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);AOA定位通過兩直線相交確定位置，不可能有多個交點，避免了定位的模糊性。但是為了測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.基于場強(qiáng)的定位該方法是通過測出接收到的信號場強(qiáng)和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號的場強(qiáng)值估計收發(fā)信短的距離，根據(jù)多個三個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。場強(qiáng)算法雖然簡單，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使用兩種以上的定位方法來進(jìn)行定位。通過各種定位方法之間結(jié)合使用，互補(bǔ)短長，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3~5分鐘甚至10分鐘以上的時間）、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景下，并不是特別適合；同時因為GPS衛(wèi)星信號穿透能力弱，因此在室內(nèi)無法使用（關(guān)于GPS的定位原理可參考GPS定位基本原理淺析）。相比之下，GSM蜂窩基站定位快速、省電、低成本、應(yīng)用范圍限制小，因此在一些精度要求不高的輕型場景下，也大有用武之地。關(guān)于在WindowsMobile環(huán)境下GPS定位和GSM蜂窩基站定位的相關(guān)開發(fā)技術(shù)，可參考HYPERLINK"/post/2010/03/16/MSDN-Windows-Mobilee5bc80e58f91e69687