第四代移动通信系统终端定位技术简述

李学斌

（广东省公安厅警卫局，广东 广州 510080）

1 概述

LTE系统为了提供位置业务，引入了定位特性，且同时支持控制面定位和用户面定位。控制面的定位由3GPP负责标准化，主要是通过控制信令来定位相关的信息传输；用户面的定位则由OMA（Open Mobile Alliance）组织进行标准化，是指对OMASUPL（Secure User Plane Location）协议的支持，即定位相关信息可以通过OMA SUPL协议进行传输，该信息在用户面传输。

LTE的定位架构如图1所示。主要涉及的实体如下：

图1 LTE的定位架构图

E-SMLC:演进的服务移动位置中心，将客户端请求的位置要求转化为相应的UTRAN参数，并选择定位方法。对返回的位置估计计算最终结果和精度。

LCS Client:定位服务客户端。

MME：为LCS业务提供移动性管理功能，包括向ESMLC/GMLC通报UE的移动。

SLP：SUPL Location Platform,SUPL服务器，使用SUPL协议与UE进行定位及相关信息的交互。

该架构同时支持控制面定位和用户面定位。控制面定位的网络侧服务器为E-SMLC，由用户终端（UE）和/或基站（eNB）的接入层参与（提供辅助数据或者测量结果等），共同完成对终端的定位功能。UE和定位计算中心之间的定位协议是LPP（LTE Positioning Protocol）；基站和定位计算中心之间的定位协议是LPPa（LTE Position Protocol A）。用户面定位是运行在应用层上的，使用用户面定位时并不要求终端支持控制面定位。网络侧的服务器为SLP，使用SUPL协议与UE进行定位及相关信息的交互。

2 控制面定位方案

2.1 联合时延及波达角估计定位技术

移动通信基站一般采用固定架设的方法，因此一个小区对应一个固定的地理位置。小区ID定位方法是基于小区覆盖的定位方法，采用已知的服务小区地理信息，估计目标UE的位置。该服务小区信息可以通过寻呼和跟踪区（Tracking Area）更新等方式获得。在小区ID定位方法的基础上考虑定时提前量（TA）以及来波方向的因素，可以达到更精确的定位目的，此方案中称为TA+AoA增强小区ID定位方法。

方案的工作原理如下：在LTE中，TA的获得可以通过专用随机接入过程由eNB测量得到。TA乘以光速除以2，表示了UE同eNB之间的距离，UE就处于以eNB为圆心、UE和eNB距离为半径的圆周上。这时额外根据AoA的角度信息就可以获得终端的位置信息，如图2所示。

图2TA+AoA定位原理

使用TA+AOA的方法主要涉及以下流程：获得终端的测量能力，定位服务器决定所需的测量，基站启动相关测量，基站上报相关测量结果和位置信息，定位服务器进行位置计算。

该过程如图3包括如下步骤：

步骤1：某个定位服务的客户端（LCS Client）向MME发起定位请求，请求获取某个UE的位置信息，该UE可以是支持定位业务的终端也可以是不支持定位业务的终端。

步骤2：MME向E-SMLC发起定位请求。

步骤3a/3b:E-SMLC查询并获取UE的定位能力信息；如果该UE不支持定位，则该步骤省略。

步骤4a/4b/4c:E-SMLC获取基站的相关测量结果以及服务小区的信息。

步骤5a/5b:根据E-SMLC的请求，基站通过PDCCH命令通知UE发起非竞争随机接入过程获得TA，同时触发物理层AoA的测量。

步骤6：E-SMLC根据基站的测量结果以及其它各方面的输入，计算出UE的位置信息。

步骤7：E-SMLC将定位结果（位置信息）发给MME。

步骤8：MME将定位结果发给MME。

步骤9：MME将定位结果发给LCS Client,不排除LCS Client就是被定位的用户本身的可能性。

图3TA+AoA定位流程图

2.2 到达时间差定位法

到达时间差定位法（OTDOA）通过检测3个不同基站信号到达的时间差来确定UE位置。确定UE位置需要基站发送的时间差及各基站的位置坐标作为辅助数据，这些数据由OAM直接配置给E-SMLC，若需要动态更新，E-SMLC可以通过LPPa获得这些辅助数据信息。为了获得精确定位，OTDOA方法要求同时有三个以上的基站参与定位参数RSTD（Reference Signal Time Difference）的测量。考虑到UE使用公共参考信号下行检测邻基站信号性能不一定好，LTE系统中引入了定位参考信号（PRS,Positioning Reference Signalling），专用于OTDOA定位方法中UE测量基站信号。

E-SMLC获得各测量小区的PRS子帧配置的方式同其它辅助数据一样，一般通过OAM直接进行配置。而UE在OTDOA定位过程中，可以通过LPP的辅助数据传输功能，从E-SMLC获得测量小区集的PRS子帧配置。

现有的OTDOA定位只支持UE辅助的OTDOA的定位方法，即最终的位置计算是在定位计算中心进行的。定位过程的基本流程是：网络获取UE的定位能力，网络提供辅助数据，UE提供定位测量结果，定位结果计算。

网络侧触发定位请求的流程图如图4所示：

图4 网络侧触发定位请求的定位流程图

步骤1：定位需求方（LCS Client）向MME发起一个定位请求，希望获取UE的位置信息。

步骤2：MME向E-SMLC发起定位请求。

步骤3a/3b：E-SMLC查询并获取UE的定位能力信息。

步骤4a/4b：UE请求并获得E-SMLC提供辅助数据。

步骤5a/5b：E-SMLC请求并获得UE的位置信息，主要包括相关的测量结果。

步骤6：E-SMLC根据UE的测量结果以及其它的各方面输入，计算出UE的位置信息。

步骤7：E-SMLC将定位结果（位置信息）发给MME。步骤8：MME将定位结果（位置信息）发给UE。

3 用户面定位

OMA基于用户层面的定位标准中定位的相关信息被封装成IP包在移动网络中传输，其优点是无需改动移动通信网络中的网元，并且OMA的移动定位网络可以同时为2G/2.5G/3G/LTE网络服务，网络部署比较灵活。但它的缺点是定位实现的可靠性依赖于IP网络，时延较大，适用于对定位时延要求不高的业务中。

OMA基于用户面的定位过程可以简单描述为：当LCS Client向定位系统中的LCS Manager发定位请求，LCS Manager随后向被定位UE所处的Positioning Server发起定位请求，LCS Manager收到响应后向UE发送目前为该UE服务的定位服务器地址，以供UE与定位服务器之间建立IP连接传输定位消息，定位服务器计算出用户的经纬度信息后返回定位报告，最后由LCS Client对经纬度信息进行处理后以合适的形式（如MMS、WAP PUSH等）返回给用户。

4 方案优缺点比较

LTE控制面的定位方案的优势是定位消息交互通过网络的信令交互完成，定位可靠、安全，速度快。OTDOA定位方法的精度取决于基站部署的密度，以及网络对天线位置以及它们传输时刻准确性的掌握程度。小区ID的定位方法可实现对UE位置较好的估计，特别在密集基站部署的都市环境中。如果使用适当的天线阵列以及对无线环境中UE进行测量，能够进一步提高对UE位置估计的准确性。

用户面的定位方案的优势是定位消息交互通过网络的数据域完成，定位与承载网络无关，对网元、接口、协议等改造要求不大。不足之处是定位速度没有控制面快，定位实现的可靠性依赖于IP网络，时延较大，仅适用于对定位时延要求不高的业务。

[1]SPIRENT，“An overview of LTE positioning”，White paper，Feb.，2012.

[2]刘吉雯，李露文.LTE终端定位技术及测试方法探讨[J].移动通信，2014，(11)：37-41.