徐亞楠，蔡 超，楊立輝，馮瑜瑤（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 100033）

0 引言

位置服務(wù)（LBS）是一種通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)或其他定位系統(tǒng)獲取終端位置信息，再結(jié)合地理信息系統(tǒng)為用戶提供與位置相關(guān)的各類信息的服務(wù)。從第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G）到第5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5G），移動(dòng)位置服務(wù)一直是蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題，它利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)終端位置多種特征參數(shù)的分析處理，得到移動(dòng)終端的位置信息，這方面有大量的研究。

以終端視角，定位分為“被動(dòng)定位”和“主動(dòng)定位”2 類，技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上也存在差異。當(dāng)前，客戶對(duì)運(yùn)營(yíng)商定位服務(wù)需求以“被動(dòng)定位”為主。表1顯示的是目前幾類經(jīng)典的定位方案及其可達(dá)到精度，其中包含基站定位、衛(wèi)星定位和室內(nèi)定位方案，與運(yùn)營(yíng)商關(guān)系最為密切的為基于基站通信的定位，基中包括CELL_ID、ECID、OTDOA和指紋定位等。

表1 定位方案及可達(dá)精度表

1 蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù)需求分析

蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù)是一種具有廣闊市場(chǎng)前景的移動(dòng)技術(shù)。早在上世紀(jì)90年代，美國(guó)聯(lián)邦局就制定了E-911 定位要求［1］，這項(xiàng)法令規(guī)定，各蜂窩網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在2001 年前實(shí)現(xiàn)125 m 定位精度，精度為67%。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這種定位能力憑借覆蓋范圍廣、精度高受到政府、公安、消防等部門的歡迎。

無(wú)線定位的應(yīng)用非常廣泛，在公共服務(wù)方面，根據(jù)服務(wù)對(duì)象的位置信息和終端上報(bào)的其他信息，可以對(duì)該位置地區(qū)內(nèi)實(shí)施精準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)策略（比如基站位置的重新規(guī)劃），以提高服務(wù)質(zhì)量；通過(guò)分析特定區(qū)域的人員位置信息，可以獲得該區(qū)域的人流量情況，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶禄蛘呋馂?zāi)等極端災(zāi)害時(shí)，將區(qū)域的人流信息共享給相關(guān)單位，可以實(shí)現(xiàn)人員有效的疏導(dǎo)；精準(zhǔn)施救，自然災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)，尤其山區(qū)、丘陵地帶，通過(guò)對(duì)特定受災(zāi)區(qū)域的人員定位，實(shí)施精準(zhǔn)搜救。另外，對(duì)于報(bào)警、急救等事件，通過(guò)分析終端信息，準(zhǔn)確定位，提高公安、急救工作效率。

在商業(yè)領(lǐng)域，無(wú)線被動(dòng)定位作為移動(dòng)產(chǎn)品的增值應(yīng)用，也具有比較大的市場(chǎng)。澳大利亞NRAM 緊急救援公司的數(shù)據(jù)顯示，每500 輛救援車每年呼叫量就在280 萬(wàn)次。中國(guó)各類救援車數(shù)量保守估計(jì)5 000 輛，按單次呼叫0.45 元計(jì)算，緊急救援市場(chǎng)被動(dòng)定位的市場(chǎng)容量就高達(dá)1 260 萬(wàn)元；物流運(yùn)輸方面，2017 年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)全國(guó)載貨汽車擁有量約1 400 萬(wàn)輛，每輛車定位服務(wù)費(fèi)用僅按照每年300 元測(cè)算，物流運(yùn)輸定位市場(chǎng)就約為4.2 億元；車聯(lián)網(wǎng)-無(wú)人車方面，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示2020 年全球無(wú)人車將達(dá)到約40 萬(wàn)輛，中國(guó)市場(chǎng)占比超過(guò)25%即10 萬(wàn)輛。無(wú)人車高精定位服務(wù)費(fèi)用假設(shè)僅按照每輛每年1 500 元測(cè)算，其市場(chǎng)容量為1.5億元。關(guān)愛定位方面，全國(guó)學(xué)齡前兒童1.8 億，有配備兒童GPS 產(chǎn)品需求的家庭比例超過(guò)40%，即全國(guó)有每年有將近1 200 萬(wàn)戶的市場(chǎng)容量，定位服務(wù)費(fèi)用僅按照每戶每年10 元測(cè)算，兒童關(guān)愛定位市場(chǎng)容量約為1.2億元。

無(wú)線定位市場(chǎng)容量巨大，不同的行業(yè)應(yīng)用對(duì)無(wú)線定位有著不同的精度和廣度要求。單一的定位手段無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，表2 展示了不同的定位場(chǎng)景對(duì)定位技術(shù)的具體需求。

表2 定位應(yīng)用場(chǎng)景精度需求分析

2 典型蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù)探索

當(dāng)移動(dòng)終端與鄰近基站進(jìn)行通信時(shí)，其無(wú)線信息會(huì)通過(guò)主小區(qū)基站傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，而定位服務(wù)會(huì)進(jìn)一步處理無(wú)線信息，從而獲取當(dāng)前移動(dòng)終端的位置。最常用的無(wú)線信息包括主小區(qū)ID、鄰小區(qū)ID、主小區(qū)RSRP、鄰小區(qū)RSRP 值等。利用這些無(wú)線信息，可以進(jìn)行基站定位（Cell_ID）、場(chǎng)強(qiáng)模型定位、到達(dá)時(shí)間定位（TOA）、到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）、到達(dá)角度定位（AOA）、信號(hào)指紋定位等等。

2.1 CELL_ID定位技術(shù)

運(yùn)營(yíng)商在落地實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)CELL_ID 定位技術(shù)定位精度低、準(zhǔn)確率低，主要是因?yàn)樵谶\(yùn)營(yíng)基站過(guò)程中，基站維修、搬遷、停站、新建等過(guò)程不能及時(shí)統(tǒng)一的上報(bào)，導(dǎo)致后臺(tái)CELL_ID 經(jīng)緯度碼表不能及時(shí)更新，進(jìn)而造成定位失敗。如何實(shí)現(xiàn)全國(guó)各省分統(tǒng)一的基站位置云化管理，使基站維護(hù)與云端基站位置碼表實(shí)現(xiàn)線上聯(lián)動(dòng)，同時(shí)做好敏感數(shù)據(jù)的保密措施，是當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商需要思考的問(wèn)題。

2.2 三角定位（TOA/TDOA）技術(shù)

TOA 技術(shù)：通過(guò)接收到的信號(hào)來(lái)求解終端位置的幾何方法。以基站為圓心，L=tc（t為從基站到達(dá)終端的時(shí)間，c為光速）為半徑構(gòu)成的圓形，需要至少3個(gè)基站的信息，即至少需要3個(gè)圓形交叉，獲得的交叉區(qū)域?yàn)榇私K端的位置。

TOA 技術(shù)需要發(fā)射端與接收端有嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制，限制較多。為了改善這一情況，利用終端信號(hào)到達(dá)不同基站的絕對(duì)時(shí)間差獲取距離差，并以基站為焦點(diǎn)，距離差為長(zhǎng)軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是終端的位置，即TDOA技術(shù)，如圖1所示。

圖1 TDOA定位技術(shù)原理

以上2種簡(jiǎn)單的三角測(cè)量方式均是建立在直達(dá)路徑假設(shè)條件下，然而在城市實(shí)際落地的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)線信號(hào)在復(fù)雜的環(huán)境下通常會(huì)沿著多條散射路徑傳播，導(dǎo)致定位準(zhǔn)確率降低。此外，三角定位通常需要多個(gè)基站協(xié)作，帶來(lái)了額外的基站信令開銷，加重基站的負(fù)荷。因此，運(yùn)營(yíng)商并不常用此方法進(jìn)行大規(guī)模的定位服務(wù)落地。

2.3 指紋定位技術(shù)

指紋定位技術(shù)主要利用終端的信號(hào)特征，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行指紋庫(kù)匹配，進(jìn)而得出終端位置信息。

在蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)中，基站側(cè)大規(guī)模天線陣列通常被安裝于空曠的高處，而移動(dòng)終端通常被所處位置附近的散射體所包圍，從移動(dòng)終端到基站的無(wú)線信道由移動(dòng)終端周圍的散射體環(huán)境唯一確定［7］?；诖?，蜂窩網(wǎng)的位置指紋信息應(yīng)是從通信環(huán)境中唯一確定的重要參數(shù)中提取出來(lái)的。指紋定位基本分為3 個(gè)階段，分別是指紋信息提取、構(gòu)建指紋庫(kù)、指紋信息匹配。

指紋信息提取流程：將基站覆蓋扇區(qū)劃分為多個(gè)柵格，而落在此柵格內(nèi)所有的經(jīng)緯度樣本數(shù)據(jù)全部上收處理。本文中將上收MR∕MDT 數(shù)據(jù)作為指紋庫(kù)的數(shù)據(jù)源。

構(gòu)建指紋庫(kù)流程：離線流程，將基站上收的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選，經(jīng)過(guò)一定的大數(shù)據(jù)算法處理后，為每一個(gè)柵格配備相應(yīng)的特征值，構(gòu)建位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采用MR∕MDT 采集數(shù)據(jù)，使用移動(dòng)終端的RSRP進(jìn)行指紋庫(kù)建設(shè)，由通信原理可知，某基站某扇區(qū)的柵格內(nèi)RSRP值可以是唯一的（見圖2）。

銷售商品贈(zèng)送同類商品，在用友U8 V10.1財(cái)務(wù)軟件中，對(duì)于正常銷售的商品應(yīng)根據(jù)銷售普通業(yè)務(wù)核算流程處理，對(duì)于免費(fèi)贈(zèng)送的商品，不需要確認(rèn)銷售收入，但要根據(jù)稅法的規(guī)定確認(rèn)“銷項(xiàng)稅額”，根據(jù)會(huì)計(jì)準(zhǔn)則的要求，結(jié)轉(zhuǎn)銷售成本，且將該部分成本計(jì)入“銷售費(fèi)用”賬戶。

圖2 指紋庫(kù)構(gòu)建流程

指紋信息匹配流程：在線流程，將新采集到的RSRP 值輸入到算法模型中進(jìn)行匹配分類運(yùn)算，得到位置信息。常用的分類算法有KNN 算法、基于概率的樸素貝葉斯算法（Naive Bayes）、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）等［11］（見圖3）。

圖3 指紋信息匹配流程

采用中國(guó)聯(lián)通某地（市）2021 年3 月4 日MR∕MDT離線數(shù)據(jù)構(gòu)建指紋庫(kù)，并于2021年3月12日進(jìn)行基于蜂窩網(wǎng)的指紋定位測(cè)試，使用中國(guó)聯(lián)通定位能力API工具對(duì)抽查數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，再與抽查數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

本次測(cè)試中將上收的數(shù)據(jù)按照8∶2的比例進(jìn)行劃分，其中80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，表3 中數(shù)據(jù)表示經(jīng)過(guò)指紋定位得出的經(jīng)緯度與實(shí)際用戶上報(bào)的經(jīng)緯度距離小于50 m、100 m 等的占比。圖4給出了指紋定位精度概率分布。

表3 指紋定位測(cè)試結(jié)果

由圖4 可知，定位精度在100 m 范圍內(nèi)的概率將近80%，滿足大多數(shù)被動(dòng)定位場(chǎng)景需求。

圖4 指紋定位精度概率分布圖

2.4 Multi-RTT定位技術(shù)

3GPP R16 版本引入了5G 定位技術(shù)方案，主要包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA 和Multi-RTT 技術(shù)。本模塊將詳細(xì)闡述Multi-RTT（Multi Round Trip Time）定位技術(shù)原理。

Multi-RTT 技術(shù)是利用終端與多個(gè)基站之間的相對(duì)位置來(lái)計(jì)算終端物理位置的技術(shù)方法，為了解決時(shí)鐘同步的難點(diǎn)，技術(shù)采用上下行定位結(jié)合的方式獲取RTT值，具有較高精度。

具體原理為：在下行信號(hào)發(fā)送時(shí)，基站利用本地時(shí)鐘記錄其發(fā)射信號(hào)時(shí)間t0，終端接收到下行信號(hào)時(shí)利用本地時(shí)鐘記錄接收時(shí)間t1；在上行信號(hào)發(fā)送時(shí)，終端利用本地時(shí)鐘記錄其信號(hào)發(fā)射時(shí)間t2，基站接收到上行信號(hào)后，利用本地時(shí)鐘記錄接收時(shí)間為t3。此時(shí)，RTT=（t3-t2）-（t1-t0），終端則位于以基站為圓心，半徑為c×RTT（c為光速）的圓上，多個(gè)（至少3 個(gè)）圓的交匯處便是終端的物理位置。由于基站與終端均是利用本地時(shí)鐘記錄時(shí)刻，記錄的信號(hào)發(fā)射與接收時(shí)間差為相對(duì)時(shí)間差，因此Multi-RTT 技術(shù)并不要求終端與基站的時(shí)鐘同步。

3 中國(guó)聯(lián)通定位能力產(chǎn)品規(guī)劃

被動(dòng)定位在市場(chǎng)上存在很多剛性的場(chǎng)景需求，如疫情防控、110 刑偵辦案、檢查機(jī)關(guān)對(duì)犯人進(jìn)行管教監(jiān)管等，傳統(tǒng)的定位技術(shù)（如GPS、北斗等主動(dòng)定位手段）無(wú)法滿足這些場(chǎng)景需求。而依托于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)能力及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的定位方案，如基站定位、三角定位、指紋定位，能夠解決這些問(wèn)題。

中國(guó)聯(lián)通以升級(jí)現(xiàn)有LBS 產(chǎn)品為目標(biāo)，進(jìn)行定位能力中心產(chǎn)品架構(gòu)的搭建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指紋定位、三角定位、CELL_ID定位等多種定位能力的研發(fā)，并可以根據(jù)需求場(chǎng)景對(duì)之進(jìn)行融合編排、統(tǒng)一輸出；完成了定位業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)定位能力的管理及調(diào)用情況的分析；增加客戶自服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)、增加基于定位能力的原子應(yīng)用，從而提升中國(guó)聯(lián)通定位能力水平，提高中國(guó)聯(lián)通在定位市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

搭建中國(guó)聯(lián)通定位能力產(chǎn)品架構(gòu)，完成“定位基礎(chǔ)設(shè)施層”“定位能力層”“定位中臺(tái)層”及“服務(wù)層”4層服務(wù)體系（見圖5），以實(shí)現(xiàn)中國(guó)聯(lián)通定位能力產(chǎn)品的商業(yè)化輸出。其中“定位基礎(chǔ)設(shè)施層”實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)4G∕5G、CORS 基站的統(tǒng)一納管；“定位能力層”實(shí)現(xiàn)了在定位基礎(chǔ)設(shè)施之上的定位能力建設(shè)，包括三角定位、基站定位、指紋定位等等；“定位能力中臺(tái)層”實(shí)現(xiàn)了中國(guó)聯(lián)通定位能力的集約化管理與編排，將中國(guó)聯(lián)通定位能力包裝為商業(yè)化可售賣的標(biāo)準(zhǔn)“API 商品”；“服務(wù)層”針對(duì)中國(guó)聯(lián)通定位運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)及客戶兩大角色，設(shè)計(jì)出“運(yùn)營(yíng)服務(wù)子系統(tǒng)”及“客戶服務(wù)子系統(tǒng)”，兩大系統(tǒng)互相聯(lián)動(dòng)，滿足對(duì)定位業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)需求，其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：

圖5 中國(guó)聯(lián)通定位產(chǎn)品架構(gòu)圖

a）“管”，對(duì)定位業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，包括訂單的審核處理、賬單處理、對(duì)業(yè)務(wù)的啟?？刂频?。

b）“查”，輔助運(yùn)營(yíng)及運(yùn)維人員，對(duì)業(yè)務(wù)開展過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行定位、排查，包括異常分析、工單處理等。

c）“算”，為產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)提供多維度的報(bào)表，通過(guò)按客戶、地區(qū)、應(yīng)用類型、時(shí)間等不同維度的組合，結(jié)合接口調(diào)用情況、賬單情況等在經(jīng)營(yíng)分析方面提供數(shù)據(jù)及圖表支持。

4 總結(jié)

蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位技術(shù)是蜂窩網(wǎng)無(wú)線技術(shù)研究的重要方面，它具有很大的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值，由于它具有先天的可以主動(dòng)定位移動(dòng)終端優(yōu)勢(shì)，在公安、消防、醫(yī)療等公共安全健康領(lǐng)域具有一定程度的不可替代性。中國(guó)聯(lián)通建設(shè)了不同精度、不同準(zhǔn)確度的多種定位能力，并實(shí)現(xiàn)了定位能力的產(chǎn)品化、商品化，以滿足多樣化的場(chǎng)景需求，助力國(guó)家公共安全事業(yè)的發(fā)展升級(jí)。