定位

已有的移動通信系統中移動定位服務主要用於緊急救援，如緊急救護，緊急呼叫場景下對用户的定位；基於位置的信息服務，如車載GPS的應用、黃頁、交通信息、天氣信息、導航信息和導遊服務等；基於位置觸發的服務，如基於位置的管理信息和計費等；跟蹤及資產管理服務，如車輛調度/跟蹤/監控/防盜、物資跟蹤和老人兒童監護服務等。

LTE系統為了提供位置業務，引入了定位特性。對定位特性的主要需求是同時支持控制面定位過程和用户面定位過程。控制面的定位主要是指通過控制信令來進行定位相關的信息的傳輸；用户面的定位是指對OMA SUPL（Open Mobile Alliance Secure User Plane Location）協議的支持，即定位相關信息可以通過OMA SUPL協議進行傳輸，在無線接口看其是用户數據，不是控制信令。

定位方式分為支持基於網絡（Network-based、E-SMLC-based）的定位方式和基於UE（UE-based）的定位方式。基於網絡的定位方式是指UE的位置計算是在E-SMLC中進行；基於UE的定位方式是指UE的位置計算是在UE內進行。

在EPS系統中的定位架構最終選定為如圖5-23所示的架構。

在EPS網絡中，為實現定位功能新增的實體有GMLC、E-SMLC、LRF、PPR和RDF。為實現定位功能，MME也有功能上的增加。

（1）GMLC（Gateway Mobile Location Center）：網關移動位置中心，提供外部LCS客户端到移動網絡的接入，將位置請求和應答轉發到用户當前的MME/SGSN，並負責LCS客户端的認證和鑑權。

（2）E-SMLC（Evolved Serving Mobile Location Center）：演進的服務移動位置中心，將客户端請求的位置要求轉化為相應的UTRAN測量參數，並選擇定位方法。對返回的位置估計計算最終結果和精度。

（3）LRF（Location Retrieval Function）：位置獲取功能實體，為外部LCS Client獲取與UE有關的位置信息，包括要求定位的實體、臨時位置信息、初始定位信息和更新的定位信息。LRF可以與單獨的GMLC交互，也可以與GMLC集成以獲得定位信息。在緊急呼叫中，LRF可以與一個單獨的RDF交互，也可以與RDF集成以獲得路由信息。LRF也可以與其他類型的Location Server交互或集成來獲得位置信息。

（4）PPR（Privacy Profile Register）：私密信息存儲器，存儲移動用户的私密性信息，執行私密性檢查並返回檢查結果。PPR可以是一個獨立的實體，也可以集成在H-GMLC中。

（5）RDF（Routing Determination Function）：路由功能實體，在緊急呼叫中為E-CSCF提供合適的PSAP目的地址。可以集成在GMLC或LRF中，與GMLC交互進行ESQK的分配和管理，以及向PSAP發送位置信息。

（6）MME：為LCS業務提供移動性管理功能，包括向E-SMLC/GMLC通報UE的移動。

與E-UTRAN相關的定位架構如圖5‑24所示。

該架構支持控制面定位和用户面定位。控制面定位的網絡側服務器為E-SMLC，UE和/或eNode B的接入層參與（提供輔助數據或者測量結果等），來完成對終端的定位功能。UE和定位計算中心之間的定位協議是LPP（LTE Positioning Protocol）；基站和定位計算中心之間的定位協議是LPPa（LTE Positioning Protocol A）。用户面定位是運行在應用層上的，使用用户面定位的時候並不要求終端支持控制面定位。網絡側的服務器為SLP，使用SUPL協議與UE進行定位相關信息的交互。

在LTE系統中為了支持定位功能，引入了新的協議——LPP和LPPa。LPP為終端和定位服務器之間的對等層定位協議，如圖5-25所示。

LPP的傳輸與NAS信令類似，是通過RRC信令來承載的。通過LPP，終端設備和定位服務器之間可以交互定位能力信息、輔助數據和與定位相關的測量信息以及位置信息等。

LPPa為基站和定位服務器之間的對等層定位協議，用來交互與定位相關的信息，如多小區信息，基站提供的測量信息等。LPPa消息的傳輸是通過S1AP來承載的。

LTE系統的定位機制需要同時支持控制面定位方法和用户面定位方法。用户面定位方法由OMA組織進行標準化，這裏僅介紹3GPP負責標準化的控制面定位方法。在R9階段，其包括以下三大定位技術：輔助全球導航衞星系統（A-GNSS，Assisted Global Navagation Satellite System）、下行到達時間觀測差（OTDOA，Observed Time Difference Of Arrival）和增強小區ID（E-CID，Enhanced CELL ID）。TA（Timing Advance，定時提前量）+AoA（Angle of Arrival，來波方向）定位技術屬於E-CID技術中的一種。

CELL_ID定位方法是基於小區覆蓋的定位方法，採用已知的服務小區地理信息估計目標UE的位置。該服務小區信息可以通過尋呼和跟蹤區（TA，Tracking Area）更新等方式獲得。TA+AoA在CELL_ID定位方法的基礎上考慮了定時提前量以及來波方向的因素，從而達到更精確的定位目的。

eNode B通過智能天線得到UE發射信號的AoA，UE處於以eNode B為起點的射線上，且射線從正北方向逆時針旋轉的角度為AoA。

TA的獲得可以通過終端上報UE接收和發送的時間差加上eNode B測到的接收和發送的時間差來計算（此方法計算得到的TA稱之為TA Type1），也可以通過專用隨機接入過程由eNode B測量得到（此方法計算得到的TA稱之為TA Type2）。TA乘以光速除以2，表示了UE同eNode B之間的距離，UE就處於以eNode B為圓心、UE和eNode B距離為半徑的圓周上。再根據AoA的角度信息就可以獲得終端的位置信息。如圖5-26所示。

TA+AoA的定位方法通常只用於基於網絡的定位，主要原因是AoA只能由基站測量得到，TA Type1和TA Type2也是由基站計算或者測量得到，即所有與該定位方法相關的測量量都是基站提供的。這些測量量均可以由基站提供給定位服務器E-SMLC，所以支持基於網絡的定位就可以達到定位的目的了。因此也帶來了該方法的一個優勢，即對不支持定位業務的終端，也可以通過該方法對其進行定位。

使用TA+AoA方法進行定位主要涉及以下流程：獲得終端的測量能力，定位服務器決定所需的測量量，基站啓動相關測量，基站上報相關測量結果和位置信息，定位服務器進行位置計算。下面給出兩種場景的TA+AoA定位方法的流程。

場景一：採用TA Type1+AoA的測量結果進行定位。如圖5‑27所示。

該過程包括如下步驟。

步驟1：UE通過NAS層消息，向MME發起一個定位請求，請求獲取自身的位置信息，也可以是某個定位服務的客户端（LCS Client）向MME發起定位請求，請求獲取某個UE的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b/4c：E-SMLC獲取基站的相關測量結果以及服務小區的信息。

步驟5a/5b/5c：在E-SMLC的請求下，基站觸發TA Type1，基站接收UE信號的定時偏差以及AoA的測量。

步驟6：E-SMLC根據基站的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給UE或者LCS Client。

場景二：採用TA Type2+AoA的測量結果進行定位。如圖5‑28所示。

該過程包括如下步驟。

步驟1：某個定位服務的客户端（LCS Client）向MME發起定位請求，請求獲取某個UE的位置信息，該UE可以是支持定位業務的終端也可以是不支持定位業務的終端。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息；如果該UE不支持定位，則該步驟省略。

步驟4a/4b/4c：E-SMLC獲取基站的相關測量結果以及服務小區的信息。

步驟5a/5b：根據E-SMLC的請求，基站觸發專用隨機接入過程獲得TA Type2，同時觸發物理層進行AOA的測量。

步驟6：E-SMLC根據基站的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給LCS Client，不排除該LCS Client就是被定位的用户本身的可能性。

OTDOA定位方法通過檢測3個不同基站信號到達的時間差來確定UE位置。如圖5‑29所示，UE位於以兩個基站為焦點的雙曲線上。

假設終端UE的座標為（x，y），基站i的位置座標為（x_i，y_i），基站i發送信號的時間為T_i，UE接收到該信號的時間為。由基站i可得

（5-1）

因此由基站1與基站2到達UE的時間差可得方程式：

（5-2）

由於確定UE位置需要建立兩個以上的雙曲線方程，兩條雙曲線的交點為UE的二維位置座標。以基站1作為參考小區，則可得方程組

（5-3）

解該方程組即可得UE的二維地理座標。其中c為光速。基站發送時間差（T_i-T₁）及各基站的位置座標作為輔助數據，由OAM直接配置給E-SMLC，若需要動態更新，E-SMLC可以通過LPPa獲得這些輔助數據信息。為了獲得精確定位，OTDOA方法要求同時有三個以上的基站參與定位參數RSTD的測量。考慮到UE使用公共參考信號下行檢測鄰基站信號性能不一定好，LTE系統中引入了定位參考信號（PRS，Positioning Reference Signalling），專用於OTDOA定位方法中UE測量基站信號。E-SMLC獲得各測量小區的PRS子幀配置的方式同其他輔助數據一樣，一般通過OAM直接配置。而UE在OTDOA定位過程中，可以通過LPP的輔助數據傳輸功能，從E-SMLC獲得測量小區集的PRS子幀配置。

現有OTDOA定位只支持UE輔助的OTDOA定位方法，即最終的位置計算是在定位計算中心進行的。

定位過程的基本流程是：網絡獲取UE的定位能力，網絡提供輔助數據，UE提供定位測量結果，定位結果計算。以下分兩個場景給出OTDOA定位的流程。

場景一：UE觸發定位請求的流程圖如圖5-30所示。

步驟1：UE通過NAS層消息，向MME發起一個定位請求，請求獲取自身的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4：E-SMLC通過LPP提供輔助數據消息。LPP提供的輔助數據消息中可能包括以下信息：

① 參考小區的信息，包括參考小區的PCI、E-CGI、頻點、PRS配置等信息，選取的參考小區並不侷限於服務小區；

② 鄰小區信息列表，包括每個鄰小區的PCI、E-CGI、頻點、PRS配置等信息。鄰小區信息列表是根據預先對UE位置的估計而選取的一些利於測量的鄰小區。

步驟5a/5b：E-SMLC請求並獲得UE的位置信息，主要包括相關的測量結果。

步驟6：E-SMLC根據UE的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給UE。

場景二：網絡側觸發定位請求的流程圖如圖5-31所示。

步驟1：定位需求方（LCS Client）向MME發起一個定位請求，希望獲取UE的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請求並獲得E-SMLC提供的輔助數據。

步驟5a/5b：E-SMLC請求並獲得UE的位置信息，主要包括相關的測量結果。

步驟6：E-SMLC根據UE的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給UE。

輔助導航定位系統，是一種結合網絡基站信息和衞星導航信息對移動台進行定位的技術，既利用衞星導航系統，又利用移動基站，提高手機終端的定位性能。該技術需要對UE側和蜂窩系統的網絡側進行一定改造：在UE中安裝衞星導航系統接收機，使其具備接收衞星導航信號的功能；在蜂窩網絡內設計一套實時運行的衞星導航系統接收網絡。當UE需要進行定位時，網絡側可以基於UE的初步位置（如所在小區的地理位置）預估出該位置上空的衞星運行情況，如星曆（ephemeris）、曆書（almanac）和差分校準信息等，將這些輔助信息通過蜂窩網絡提供給UE，這樣UE可以將其作為先驗知識進行優化搜索和定位過程，從而起到減少搜索時間、降低搜索信號電平需求等效果，提高了定位性能。

LTE系統中的A-GNSS定位機制支持以下定位選項：基於UE的定位（UE-based），基於網絡的定位（E-SMLC-based）。此外，輔助數據不能通過廣播方式發送給UE，而必須通過專用信令方式發送給UE。

定位過程的基本流程是：網絡獲取UE的定位能力，網絡為UE提供輔助數據，定位結果計算。以下分3個場景給出A-GNSS定位的流程。

場景一：UE發起的對自身的定位過程，如圖5-32所示。

當UE僅支持E-SMLC-based A-GNSS定位方法，且希望對自身進行定位時觸發此過程。該過程包括如下步驟。

步驟1：UE通過NAS層消息，向MME發起一個定位請求，請求獲取自身的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請求並獲得E-SMLC提供的輔助數據。

步驟5a/5b：在E-SMLC的請求下，UE利用輔助信息進行A-GNSS相關測量，並將測量結果發送給E-SMLC。

步驟6：E-SMLC根據UE的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

步驟7：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟8：MME將定位結果（位置信息）發給UE。

場景二：UE發起的輔助信息索取過程，如圖5-33所示。

當UE支持UE-based A-GNSS定位方法，希望獲取輔助數據時觸發此過程。該過程包括如下步驟。

步驟1：UE通過NAS層消息，向MME發起一個定位請求。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請求並獲得E-SMLC提供的輔助數據。

接下來UE將利用獲得的輔助信息進行GNSS測量，由於使用UE-based定位方式，因此測量結果不需要上報給E-SMLC，而是UE自己進行本地計算，得到自己的位置信息。

場景三：網絡側發起的對UE的定位過程，如圖5-34所示。

當定位過程由網絡發起時，使用此過程。分為以下幾個步驟。

步驟1：定位需求方（LCS Client）向MME發起一個定位請求，希望獲取UE的位置信息。

步驟2：MME向E-SMLC發起定位請求。

步驟3a/3b：E-SMLC查詢並獲取UE的定位能力信息。

步驟4a/4b：UE請求並獲得E-SMLC提供的輔助數據。

如果使用E-SMLC-based定位方法，則執行步驟5～6。

步驟5a/5b：在E-SMLC的請求下，UE利用輔助信息進行GNSS測量，並將測量結果發送給E-SMLC。

步驟6：E-SMLC根據UE的測量結果以及其他各方面輸入，計算出UE的位置信息。

如果使用UE-based定位方法，則執行步驟7～9。

步驟7：E-SMLC請求UE提供位置信息。

步驟8：利用輔助信息進行GNSS測量，並進行本地計算，得到自己的位置信息。

步驟9：UE將自己的位置信息發給E-SMLC。

至此，E-SMLC已經獲得了UE的位置信息，繼續執行步驟10～11。

步驟10：E-SMLC將定位結果（位置信息）發給MME。

步驟11：MME將定位結果（位置信息）發給定位需求方（LCS Client）。