GeoMode定位技術(shù)和增值服務(wù)

上海宏圖技術(shù)有限公司 趙月旺 2003/09/18

1 GeoMode定位技術(shù)的比較優(yōu)勢

1．1介紹
　　與定位服務(wù)（LCS）相關(guān)的應(yīng)用將是運營商能夠提供給用戶的下一代主要增值服務(wù)之一。在我國，運營商們正在積極的探索定位的服務(wù)，比如最近的聯(lián)通推出的"定位之星"(A-GPS方案=GPS+Cell ID)。

　　雖然定位服務(wù)給運營商們提供了十分廣闊（廣大客戶群）和縱深（行業(yè)用戶）的機遇，但是采用定位服務(wù)并不應(yīng)該從那些最復(fù)雜、技術(shù)要求最高和功能最豐富的開始。相反，運營商應(yīng)該利用當(dāng)前的技術(shù)來區(qū)別對待這些服務(wù)，以在市場上取得領(lǐng)先位置。

　　目前，以下幾個因素促進了定位的服務(wù)的開展：　
·競爭
　　我國手機用戶的絕對擁有量已經(jīng)非常龐大，繼續(xù)高速發(fā)展已經(jīng)沒有可能，各大運營商尋找新的收入增長點和與眾不同的增值業(yè)務(wù)的需求正在開展并且將持續(xù)增長下去。 　　
·需求
　　隨著我國WTO進程的加快，政府、公安、保險、金融等行業(yè)對公共的定位服務(wù)的需求會越來越迫切，相關(guān)的立法工作會促進運營商的定位服務(wù)的開展。

　　單獨的手機用戶對定位服務(wù)的需求也越來越迫切。
·技術(shù) 　　
　　根據(jù)位置發(fā)現(xiàn)策略的不同，已經(jīng)有很多的成熟技術(shù)可選---Cell ID、GPS（A-GPS = GPS + Cell ID）、TDOA/E-OTD/TDOA、SA(信號衰減, GeoMode = SA + Cell ID + 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法)。

1.2 定位服務(wù)的種類
　 典型的有：
·被找服務(wù)（定位被叫）
1) 基于用戶位置的送貨，促銷打折信息服務(wù)
2) 定位相關(guān)的游戲
3) 定位相關(guān)的宣傳廣告移動商務(wù)
4) 緊急援助服務(wù)（如119、120、110、122），精度50m,---65%,
·尋找服務(wù)（定位主叫）
1） 手機用戶主叫自定位，主叫查詢被叫定位
2） 查找目標(biāo)位置（餐飲娛樂、提款機、街邊建筑、交通車站、碼頭），精度50m,---65%,
3） 移動路邊搜尋目標(biāo)，追蹤目標(biāo), 精度50m,---65%,
4） 黃頁位置查詢定位（114、112）
5） 交通旅游索引
·混合服務(wù)（主被叫）
1） 交通環(huán)境監(jiān)控調(diào)度
2） 動、靜態(tài)室內(nèi)外監(jiān)控防盜報警安全服務(wù), 精度<50m,---65%,需要定制終端
3） 病人、小孩等各類目標(biāo)監(jiān)控監(jiān)護
4） 車隊監(jiān)控及緊急調(diào)度、車隊管理
5） 車隊、的士實時駕駛指揮調(diào)度
6） 行動和訂單貨物的調(diào)動
7） 公共交通的調(diào)度服務(wù)
8） 移動財產(chǎn)、車輛貨物安全和跟蹤，精度<50m, ---65%,需要定制終端
9） 自動駕駛，精度<5m,---95%,需要定制終端
　　因此，在國際上，沒有一種服務(wù)被正式采用和被廣大人群使用，這是對定位服務(wù)的挑戰(zhàn)---它需要取得大量和廣泛的使用。

1. 3 影響定位服務(wù)實施效果的因素
　　定位服務(wù)的最大問題是有太多的技術(shù)選擇和解決方案。在如此復(fù)雜的環(huán)境里，可能會造成"選擇癱瘓"---面對多種選擇時卻沒有選擇。
　　在展開定位服務(wù)時，我們應(yīng)該考慮以下比較關(guān)鍵的決定因素：
　　1精確度擴展性---不應(yīng)該選擇那些在定位精度上有限制的技術(shù)
　　不同的定位服務(wù)需要不同水平的精度。為了能夠靈活地配置各種定位服務(wù)，該技術(shù)必
需有較高的精度，并且能不斷發(fā)展。
這樣，Cell ID和TDOA和E-OTD由于有精度上的限制，不適合運營商選擇。
　　2 平臺投資回報的效率---這是本質(zhì)
　　主要的因素有：終端客戶群的規(guī)模、定位平臺的投資、建設(shè)周期，請看下列公式（未經(jīng)實際統(tǒng)計驗證，僅僅用于估算）：


例如：
　　采用GPS技術(shù)，以100萬用戶為例，與本技術(shù)有關(guān)的手機擁有量=5萬， 普通效益=50元/年,由于精度最高和\或響應(yīng)最快導(dǎo)致獨門應(yīng)用的效益=200元，平臺建設(shè)需要100萬，建設(shè)周期需要3月，生命周期5年，那么，平臺投資回報的效率 = 11.88。每年收入=1250萬。

　　采用GeoMode等技術(shù)，以100萬用戶為例，與本技術(shù)有關(guān)的手機擁有量=60萬，普通效益=150元/年，平臺建設(shè)需要200萬，建設(shè)周期需要3月，生命周期5年，那么，平臺投資回報的效率 = 42.75。每年收入=9000萬。

　　采用E-OTD等技術(shù)，以100萬用戶為例，與本技術(shù)有關(guān)的手機擁有量=60萬，普通效益=100元/年，平臺建設(shè)需要1000萬，建設(shè)周期需要6月，生命周期5年，那么，投資回報的效率 = 5.4。每年收入=6000萬。

　　采用Cell ID技術(shù)，以100萬用戶為例，與本技術(shù)有關(guān)的手機擁有量=100萬，普通效益=50元/年，平臺建設(shè)需要30萬，建設(shè)周期需要2月，生命周期2年，那么，投資回報的效率 = 152.8。每年收入=5000萬。

　　投資回報效率上，GeoMode第二，利潤總量上，GeoMode表現(xiàn)最好；

　　3 SP、CP對應(yīng)用開發(fā)的吸引力

　　和其他增值服務(wù)一樣，定位服務(wù)的成功在于除了簡單應(yīng)用外，還有不斷推陳出新的新服務(wù)的支撐，而對SP和CP應(yīng)用開發(fā)最直接的吸引力依次是：終端客戶群規(guī)模 x 與本手機有關(guān)的定位服務(wù)的平均價值潛力、利益共享模式、二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。


　　4 精度和成本比較


比較結(jié)果是：
　　定位精度：GPS最高，GeoMode次之，E-OTD和TDOA次之，Cell ID最差；
　　響應(yīng)時間：Cell ID和GPS最快，GeoMode和E-OTD次之，TDOA最長；
　　平臺投資：Cell ID最低，GPS次之，GeoMode次之，E-OTD和TDOA最高；
　　終端投資：Cell ID最低，GeoMode和E-OTD和TDOA次之，GPS最高；

示意圖如下：


　　Cost = 定位平臺的投資 + 該技術(shù)獨有的手機平均追加投資（終端投資的精確描述） * 吸引SP/CP開發(fā)投入的最少手機擁有量（按1%計算）。

　　5建設(shè)周期比較

包含兩個方面：
·平臺建設(shè)
　　Cell ID最快，GPS和GeoMode次之,E-OTD和TDOA最慢；
·手機客戶群建設(shè)
　　按照中國現(xiàn)在的經(jīng)濟水平，支持GPS功能的手機的銷售量要達到1%的比率，大概要1年時間，要達到10%的比率，要3-5年時間。

　　因此，GPS在未來的時間內(nèi)，只能集中在行業(yè)用戶和很少的高端用戶群。
但是，通過簡單升級的GeoMode方式，比較容易短期獲得最大的客戶群規(guī)模。

1．4 位置發(fā)現(xiàn)策略
　　對于定位服務(wù)有很多種可選技術(shù)，這其中包括了基于網(wǎng)絡(luò)的和\或基于手機的解決方案。對于前者，需要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中植入智能以獲得位置信息，而后者則需要在手機中植入智能。
　　基于手機手機的全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）和來源蜂窩小區(qū)（CELL ID，或COO---Cell Of Origin）、基于手機手機和網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)送和接收的定時的覆蓋三角技術(shù)（E－OTD\TDOA\TDOA）。
　　目前，在國外唯一的在無線網(wǎng)絡(luò)被廣泛使用的技術(shù)是CELL ID。
　　目前，比較流行的定位技術(shù)有：增強觀測時間差分（E－OTD）、到達時間（TDOA）、輔助GPS（A－GPS）和GeoMode(基于信號衰減SA)、Cell ID。

1.4.1 起源蜂窩小區(qū)（CELL ID）
　　CELL ID技術(shù)無需對手機和網(wǎng)絡(luò)進行修改，因此它可以被用來向所有的移動用戶提供定位服務(wù)。但是，CELL ID與其它技術(shù)相比，其精度最低：>125m。
　　這項技術(shù)中，BTS所在的蜂窩小區(qū)作為呼叫者的定位單位。這樣，定位精度就必需取決于小區(qū)的大小。在使用微小區(qū)的一些市中心，其小區(qū)尺寸可能只有150米。CELL ID的最大優(yōu)點是它確定位置信息的響應(yīng)時間十分快（3秒左右），而且CELL ID不用對手機和網(wǎng)絡(luò)進行升級就可以直接向現(xiàn)存用戶提供定位的服務(wù)。

1.4.2 增強觀測時間差分（E－OTD）
　　E－OTD是通過放置位置接收器或參考點實現(xiàn)的，這些參考點分布在較廣的區(qū)域內(nèi)的許多站點上，作為位置測量單元（Location Measurement Unit）以覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)。每個參考點都有一個精確的定時源，當(dāng)具有E－OTD功能手機和位置測量單元接收到來自至少3個基站信號時，從每個基站到達手機和位置測量單元的時間差將被計算出來，這些差值可以被用來產(chǎn)生幾組交叉雙曲線，并由此估計出手機的位置。
　　E－OTD會受到市區(qū)的多徑效應(yīng)的影響。這時，多徑將扭曲信號波形并加入延遲，導(dǎo)致E－OTD在決定信號觀測點上比較困難,時間較長。
　　E－OTD方案可以提供的定位精度，在50米到125米之間，響應(yīng)速度需要約5秒的時間。另外，它需要對手機進行改進，這意味著現(xiàn)存的用戶無法通過該技術(shù)獲得定位的服務(wù)。

1.4.3 到達時間（TDOA）
　　與E－OTD類似，TDOA也通過計算信號從手機到3個基站的傳輸時間差來獲得位置信息的。不同的是，TDOA系統(tǒng)中沒有使用位置測量單元，而是通過與在基站上安裝了GPS或原子鐘的無線網(wǎng)絡(luò)的同步來實現(xiàn)的。美國cdmaOne網(wǎng)絡(luò)使用了這個功能。TDOA在市區(qū)提供的定位精度會比CELL ID好一些，但是它卻需要比CELL ID或E－OTD更長的響應(yīng)時間，大約有10秒,直接影響到很多定位服務(wù)的應(yīng)用效果。TDOA無需對手機進行修改，因此可以直接想現(xiàn)存用戶提供服務(wù)。
　　
1.4.4 信號衰減（Signal Attenuation）
　　這項技術(shù)利用當(dāng)手機靠近基站或遠離基站時所帶來的信號衰減變化來估計手機的方位。由于多數(shù)手機的天線是多向發(fā)送的，因此信號功率會向所有方向迅速消散。如果手機發(fā)出的信號功率已知，那么在另一點測量信號功率時，就可以利用一定的傳播模型估計出手機與該點的距離。
　　以前，由于多種原因，這項技術(shù)被認為是定位技術(shù)中最不可靠的一種。原因是：發(fā)現(xiàn)傳送功率是一項負擔(dān)，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜以及無線系統(tǒng)的不斷調(diào)整，這個過程可能會十分復(fù)雜。而且，信號并不只因為傳輸距離而產(chǎn)生衰減，其它的因素如穿越墻、植物、金屬、玻璃、車輛等都會對信號功率產(chǎn)生影響。功率測量電路也無法區(qū)分多個方向接收到的功率，如直接的和反射的。移動用戶可能都有這樣的體會，雖然沒有移動，但是手機上的"號強弱條"在不斷變化，其實，這就是由以上原因造成的。
　　但是，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，來自動補償以上的各種影響，也可以實現(xiàn)和E-OTD、TDOA同樣的精度。DES公司的GeoMode定位系統(tǒng)在美國紐約和中國的長沙的實施證明了其可行性，其精度達到了<20m,---65%，50m,---95%。響應(yīng)時間約4s。
GeoMode實施上，只需要對手機改進（STK/UTK卡），同時，從設(shè)備的網(wǎng)管系統(tǒng)上獲取部分配置數(shù)據(jù)。

1.4.5 GPS
　　由手機的內(nèi)置GPS天線直接取得位置信息，上報給定位平臺，響應(yīng)時間是3s, 精度是5-50m。缺點是:支持GPS的手機價格高，用戶比例不高,建筑物內(nèi)有盲區(qū)。


1.5 解決方案
　　盡管定位服務(wù)有著巨大的市場潛力，但是一些無線運營商在面對著如此多的變數(shù)時仍感到手足無措。應(yīng)該首先配置哪種應(yīng)用？定位技術(shù)的精度應(yīng)該有多少？信息應(yīng)該如何傳送？標(biāo)準(zhǔn)是什么？應(yīng)該使用哪種平臺？
理想的方式入下圖：

　　該方案正是許多運營商所采用的，并為很多基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銷售商所推介。一個叫做移動位置中心的組件將定位技術(shù)的選擇和應(yīng)用的選擇隔離起來。由于CELL ID的粒度和精確度已經(jīng)可以為許多應(yīng)用提供支持，運營商可以在以后逐漸地采用一些先進的定位技術(shù)，而不必等待提供所有的新服務(wù)。


　　由于無線位置中心運行于無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，我們可以對它進行修改以適應(yīng)具體手機的能力。當(dāng)用戶撥號、發(fā)短消息或者在WAP手持電腦上發(fā)起數(shù)據(jù)請求時，位置中心的交換機應(yīng)該將客戶的位置信息發(fā)送給相應(yīng)的位置應(yīng)用。
　　運營商可以方便地試驗新的應(yīng)用、更好的定位精度、新的內(nèi)容或者其它的手機。他們可以迅速地響應(yīng)市場需求，并能為不同的業(yè)務(wù)指定不同價格方案。該智能網(wǎng)結(jié)構(gòu)允許無線運營商利用目前的技術(shù)實現(xiàn)一些定位的服務(wù)，而且對未來的新技術(shù)有著很強的適應(yīng)能力。
GeoMode技術(shù)是一種嵌入式的解決方案，可以作為位置發(fā)現(xiàn)方式(SA + Cell ID+ 神經(jīng)算法)而接入現(xiàn)有的移動定位中心。也可以作為Total Solution，將其他的定位方式接進來。

2 GeoMode應(yīng)用前景

　　GeoMode是美國DES(Digital Earth System Inc.)公司的產(chǎn)品，將位置發(fā)現(xiàn)技術(shù)、電子地圖技術(shù)和與位置相關(guān)的增值定位服務(wù)相接合。此技術(shù)完全符合ITU-T標(biāo)準(zhǔn)、FCC標(biāo)準(zhǔn)和中國聯(lián)通和移動的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。GeoMode已成功服務(wù)于紐約和中國長沙等眾多城市。
GeoMode是通過測量多個基站已經(jīng)存在的RF信號電平來確定位置（屬于SA），然后通過分析手機信號和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來實現(xiàn)定位。實施歷史和效果如下圖：


　　在中國，現(xiàn)階段的主流定位技術(shù)是Cell ID和GPS,但是，GeoMode兼顧了二者的優(yōu)點，費用低（平臺和終端）和精度高（和GPS屬于一個檔次）,可以迅速發(fā)展客戶規(guī)模。是最適合中國特點的定位實現(xiàn)方式。
　　定位技術(shù)的成功，除了其技術(shù)先進性和投入產(chǎn)出效果的因素外，最本質(zhì)的問題是二次開發(fā)的開放性，GeoMode在國外和國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)三年了，除了標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)接口（XML over IP/SS7/PSTN）外,目前已經(jīng)可以商用定位服務(wù)>20種。

3 GeoMode的體系結(jié)構(gòu)

　　GeoMode定位技術(shù)的關(guān)鍵模塊由定位系統(tǒng)(SMLC/GMLC/STK+Server)、電子地圖信息系統(tǒng)(Map Manager)和增值服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)(End-user Applications/Customers/Content/Information)組成，如下圖所示：



　　GeoMode軟件無線定位解決方案使用現(xiàn)有的網(wǎng)管配置數(shù)據(jù)，對手機進行簡單軟件升級（STK\UTK卡），不占用頻率資源。GeoMode系統(tǒng)由三個部分組成，如下圖所始：


3．1 確定位置的定位平臺軟件
　　可裝載在運營商機房，ICP、ISP或119等專業(yè)服務(wù)機構(gòu)，它從BSC、Serving Mobile Location Center(SMLC)或通過手機直接從BTS收集無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的Rf信號。
　　該軟件通過專利算法和'self training'神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，計算手機的物理位置。
該軟件還可以在接收請求后或在某些情況下自動地控制手機，將位置信息通過數(shù)據(jù)(或SMS)信道發(fā)送。這種由服務(wù)器發(fā)起的控制功能很適合個人，財產(chǎn)或汽車跟蹤，車隊管理等應(yīng)用。
另外一個獨特的功能就是，該軟件能發(fā)現(xiàn)并自動更新新加的cell sites進人數(shù)據(jù)庫，給其它的環(huán)境變化進行改正。

3．2中間件（以地圖信息服務(wù)器為例）
　　可以將X,Y數(shù)據(jù)與數(shù)字地圖接合起來或?qū),Y位置轉(zhuǎn)換成地址，通過標(biāo)準(zhǔn)接口向與位置相關(guān)的服務(wù)程序提供。
　　這些數(shù)據(jù)還可以提供給任何一個標(biāo)準(zhǔn)的地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System)，為公用事業(yè)的移動工作人員、政府，或擁有移動財產(chǎn)，車輛和人員的企業(yè)提供適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序。

3．3應(yīng)用服務(wù)器
　　基于對手機的精確定位，確定對應(yīng)的手機位置，開發(fā)各種各樣新業(yè)務(wù)。

4 GeoMode的工作原理

　　在GSM和同類的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，手機識別BTS的RF信號電平是以sub-second間隔測量的。GeoMode軟件分析RF信號電平來確定手機的準(zhǔn)確位置。所需要的RF信號電平數(shù)據(jù)由基站（通過BSC and SMLC）提供，或者由手機(通過SMS)提供，GeoMode服務(wù)器的結(jié)構(gòu)和位置一般根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商和運營商的要求而定。
　　在理想的空間環(huán)境，信號等強度線是以基站為中心的圓圈，手機的位置是三個圓圈的唯一交點。然而在真實世界，特別是城市，實際的信號傳輸不是理想狀況，信號等強度線不是圓圈。因此，GeoMode軟件是用三角化方法將多個基站的RF信號轉(zhuǎn)換成距離，然后確定手機的位置。
　　GeoMode位置定位過程是獨立于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)，可為GSM,TDMA,CDMA,GPRS，PCS和UMTS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供定位數(shù)據(jù)。
　　以GSM為例，GeoMode定位過程需要下面的數(shù)據(jù)：

網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)--這是有關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)：
· CELL ID Cell Identity
· LAC Location Area Code
· BSIC Base Station Identity Code
· BCCH Frequency Channel Number
· X Latitude (WGS84) of cell BS
· Y Longitude (WGS84) cell BS
· Max PwrPower used by BTS for transmission in BCCH channel (in dBm)
· Antenna Height above surroundings
· Antenna Alignment Direction of antenna in degrees (clockwise from North)
· Ant_Half_Power_beam_Width Half Power Beam width of antenna (in degrees)
（這些數(shù)據(jù)不用于定位計算，但幫助安裝應(yīng)用程序和轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)）
手機數(shù)據(jù)--這些數(shù)據(jù)記錄于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為每個手機所特有：
· CI_Serving Serving Cell ID
· LAC_Serving Location Area Code
· TA Timing Advance Serving (is not required)
· RxLev_Serving Receive Level Server
· CI NBRI Cell Neighbour 1
· RxLev_Nbor 1 Receive Level Neighbour 1
· CI NBR2 etc
· RxLev_Nbor2
· CI NBR3
· RxLev_Nbor3à etc

5 GeoMode的實施

　　使用RF信號電平數(shù)據(jù)可以使實施分為以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為中心或以手機為中心的方案。因此，定位的服務(wù)可由設(shè)備供應(yīng)商提供，或由獨立的ASP提供。

　　以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為中心的實施方案（不需對手機改進）
　　1. GeoMode地位服務(wù)器通過直接聯(lián)網(wǎng)或IP連接，直接從BSC/SMLC接收有關(guān)的信號數(shù)據(jù)(需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行功能升級)。
　　2. 有手機請求就為該手機機計算位置。
　　3. 取決提供商的應(yīng)用程序和隱私的要求，手機的位置傳給MSC或直接傳給應(yīng)用程序。
　　4. MSC可將X，Y數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用程序（緊急呼救或商業(yè)應(yīng)用）。

　　以手機為中心的實施方案
　　1. 手機直接從基站采集信號數(shù)據(jù)，通過STK卡、WAP、GPRS軟件模塊的軟件升級，采集這些數(shù)據(jù)。
　　2. BS數(shù)據(jù)通過SMS or Internet Protocol (IP)被送到GeoMode定位服務(wù)器。
　　3. 對手機的位置進行計算。
　　4. 根據(jù)定位服務(wù)的具體要求，將手機的位置傳給MSC(符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn))或直接傳給應(yīng)用程序。
　　5. MSC可將X，Y 數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用程序（緊急呼救或商業(yè)應(yīng)用）。

　　實施步驟
　　1. 建立以GeoMode為核心的定位系統(tǒng)。
　　2. 建立中文地圖信息庫。
　　3. 開發(fā)應(yīng)用增值業(yè)務(wù)。

6 GeoMode的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)度
　　1． 滿足所有ITU-T、FCC及其他國際通信標(biāo)準(zhǔn)要求
　　2. 滿足中國移動、聯(lián)通的相關(guān)定位業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)

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上海宏圖公司供稿 CTI論壇編輯


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