GeoMode定位技术和增值服务
上海宏图技术有限公司 赵月旺 2003/09/18
1 GeoMode定位技术的比较优势
1．1介绍
与定位服务（LCS）相关的应用将是运营商能够提供给用户的下一代主要增值服务之一。在我国，运营商们正在积极的探索定位的服务，比如最近的联通推出的"定位之星"(A-GPS方案=GPS+Cell
ID)。
虽然定位服务给运营商们提供了十分广阔（广大客户群）和纵深（行业用户）的机遇，但是采用定位服务并不应该从那些最复杂、技术要求最高和功能最丰富的开始。相反，运营商应该利用当前的技术来区别对待这些服务，以在市场上取得领先位置。
目前，以下几个因素促进了定位的服务的开展：
·竞争
我国手机用户的绝对拥有量已经非常庞大，继续高速发展已经没有可能，各大运营商寻找新的收入增长点和与众不同的增值业务的需求正在开展并且将持续增长下去。
·需求
随着我国WTO进程的加快，政府、公安、保险、金融等行业对公共的定位服务的需求会越来越迫切，相关的立法工作会促进运营商的定位服务的开展。
单独的手机用户对定位服务的需求也越来越迫切。
·技术
根据位置发现策略的不同，已经有很多的成熟技术可选---Cell ID、GPS（A-GPS = GPS + Cell ID）、TDOA/E-OTD/TDOA、SA(信号衰减,
GeoMode = SA + Cell ID + 神经网络算法)。
1.2 定位服务的种类
典型的有：
·被找服务（定位被叫）
1) 基于用户位置的送货，促销打折信息服务
2) 定位相关的游戏
3) 定位相关的宣传广告移动商务
4) 紧急援助服务（如119、120、110、122），精度50m,---65%,
·寻找服务（定位主叫）
1） 手机用户主叫自定位，主叫查询被叫定位
2） 查找目标位置（餐饮娱乐、提款机、街边建筑、交通车站、码头），精度50m,---65%,
3） 移动路边搜寻目标，追踪目标, 精度50m,---65%,
4） 黄页位置查询定位（114、112）
5） 交通旅游索引
·混合服务（主被叫）
1） 交通环境监控调度
2） 动、静态室内外监控防盗报警安全服务, 精度<50m,---65%,需要定制终端
3） 病人、小孩等各类目标监控监护
4） 车队监控及紧急调度、车队管理
5） 车队、的士实时驾驶指挥调度
6） 行动和订单货物的调动
7） 公共交通的调度服务
8） 移动财产、车辆货物安全和跟踪，精度<50m, ---65%,需要定制终端
9） 自动驾驶，精度<5m,---95%,需要定制终端
因此，在国际上，没有一种服务被正式采用和被广大人群使用，这是对定位服务的挑战---它需要取得大量和广泛的使用。
1. 3 影响定位服务实施效果的因素
定位服务的最大问题是有太多的技术选择和解决方案。在如此复杂的环境里，可能会造成"选择瘫痪"---面对多种选择时却没有选择。
在展开定位服务时，我们应该考虑以下比较关键的决定因素：
1精确度扩展性---不应该选择那些在定位精度上有限制的技术
不同的定位服务需要不同水平的精度。为了能够灵活地配置各种定位服务，该技术必
需有较高的精度，并且能不断发展。
这样，Cell ID和TDOA和E-OTD由于有精度上的限制，不适合运营商选择。
2 平台投资回报的效率---这是本质
主要的因素有：终端客户群的规模、定位平台的投资、建设周期，请看下列公式（未经实际统计验证，仅仅用于估算）：
例如：
采用GPS技术，以100万用户为例，与本技术有关的手机拥有量=5万， 普通效益=50元/年,由于精度最高和\或响应最快导致独门应用的效益=200元，平台建设需要100万，建设周期需要3月，生命周期5年，那么，平台投资回报的效率
= 11.88。每年收入=1250万。
采用GeoMode等技术，以100万用户为例，与本技术有关的手机拥有量=60万，普通效益=150元/年，平台建设需要200万，建设周期需要3月，生命周期5年，那么，平台投资回报的效率
= 42.75。每年收入=9000万。
采用E-OTD等技术，以100万用户为例，与本技术有关的手机拥有量=60万，普通效益=100元/年，平台建设需要1000万，建设周期需要6月，生命周期5年，那么，投资回报的效率
= 5.4。每年收入=6000万。
采用Cell ID技术，以100万用户为例，与本技术有关的手机拥有量=100万，普通效益=50元/年，平台建设需要30万，建设周期需要2月，生命周期2年，那么，投资回报的效率
= 152.8。每年收入=5000万。
投资回报效率上，GeoMode第二，利润总量上，GeoMode表现最好；
3 SP、CP对应用开发的吸引力
和其他增值服务一样，定位服务的成功在于除了简单应用外，还有不断推陈出新的新服务的支撑，而对SP和CP应用开发最直接的吸引力依次是：终端客户群规模
x 与本手机有关的定位服务的平均价值潜力、利益共享模式、二次开发的标准化程度。
4 精度和成本比较
比较结果是：
定位精度：GPS最高，GeoMode次之，E-OTD和TDOA次之，Cell ID最差；
响应时间：Cell ID和GPS最快，GeoMode和E-OTD次之，TDOA最长；
平台投资：Cell ID最低，GPS次之，GeoMode次之，E-OTD和TDOA最高；
终端投资：Cell ID最低，GeoMode和E-OTD和TDOA次之，GPS最高；
示意图如下：
Cost = 定位平台的投资 + 该技术独有的手机平均追加投资（终端投资的精确描述） * 吸引SP/CP开发投入的最少手机拥有量（按1%计算）。
5建设周期比较
包含两个方面：
·平台建设
Cell ID最快，GPS和GeoMode次之,E-OTD和TDOA最慢；
·手机客户群建设
按照中国现在的经济水平，支持GPS功能的手机的销售量要达到1%的比率，大概要1年时间，要达到10%的比率，要3-5年时间。
因此，GPS在未来的时间内，只能集中在行业用户和很少的高端用户群。
但是，通过简单升级的GeoMode方式，比较容易短期获得最大的客户群规模。
1．4 位置发现策略
对于定位服务有很多种可选技术，这其中包括了基于网络的和\或基于手机的解决方案。对于前者，需要在网络设备中植入智能以获得位置信息，而后者则需要在手机中植入智能。
基于手机手机的全球定位系统（GPS，Global Positioning System）和来源蜂窝小区（CELL ID，或COO---Cell
Of Origin）、基于手机手机和网络的信号发送和接收的定时的覆盖三角技术（E－OTD\TDOA\TDOA）。
目前，在国外唯一的在无线网络被广泛使用的技术是CELL ID。
目前，比较流行的定位技术有：增强观测时间差分（E－OTD）、到达时间（TDOA）、辅助GPS（A－GPS）和GeoMode(基于信号衰减SA)、Cell
ID。
1.4.1 起源蜂窝小区（CELL ID）
CELL ID技术无需对手机和网络进行修改，因此它可以被用来向所有的移动用户提供定位服务。但是，CELL ID与其它技术相比，其精度最低：>125m。
这项技术中，BTS所在的蜂窝小区作为呼叫者的定位单位。这样，定位精度就必需取决于小区的大小。在使用微小区的一些市中心，其小区尺寸可能只有150米。CELL
ID的最大优点是它确定位置信息的响应时间十分快（3秒左右），而且CELL ID不用对手机和网络进行升级就可以直接向现存用户提供定位的服务。
1.4.2 增强观测时间差分（E－OTD）
E－OTD是通过放置位置接收器或参考点实现的，这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上，作为位置测量单元（Location Measurement
Unit）以覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源，当具有E－OTD功能手机和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达手机和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值可以被用来产生几组交叉双曲线，并由此估计出手机的位置。
E－OTD会受到市区的多径效应的影响。这时，多径将扭曲信号波形并加入延迟，导致E－OTD在决定信号观测点上比较困难,时间较长。
E－OTD方案可以提供的定位精度，在50米到125米之间，响应速度需要约5秒的时间。另外，它需要对手机进行改进，这意味着现存的用户无法通过该技术获得定位的服务。
1.4.3 到达时间（TDOA）
与E－OTD类似，TDOA也通过计算信号从手机到3个基站的传输时间差来获得位置信息的。不同的是，TDOA系统中没有使用位置测量单元，而是通过与在基站上安装了GPS或原子钟的无线网络的同步来实现的。美国cdmaOne网络使用了这个功能。TDOA在市区提供的定位精度会比CELL
ID好一些，但是它却需要比CELL ID或E－OTD更长的响应时间，大约有10秒,直接影响到很多定位服务的应用效果。TDOA无需对手机进行修改，因此可以直接想现存用户提供服务。
1.4.4 信号衰减（Signal Attenuation）
这项技术利用当手机靠近基站或远离基站时所带来的信号衰减变化来估计手机的方位。由于多数手机的天线是多向发送的，因此信号功率会向所有方向迅速消散。如果手机发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出手机与该点的距离。
以前，由于多种原因，这项技术被认为是定位技术中最不可靠的一种。原因是：发现传送功率是一项负担，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整，这个过程可能会十分复杂。而且，信号并不只因为传输距离而产生衰减，其它的因素如穿越墙、植物、金属、玻璃、车辆等都会对信号功率产生影响。功率测量电路也无法区分多个方向接收到的功率，如直接的和反射的。移动用户可能都有这样的体会，虽然没有移动，但是手机上的"号强弱条"在不断变化，其实，这就是由以上原因造成的。
但是，通过神经网络的自学习功能，来自动补偿以上的各种影响，也可以实现和E-OTD、TDOA同样的精度。DES公司的GeoMode定位系统在美国纽约和中国的长沙的实施证明了其可行性，其精度达到了<20m,---65%，50m,---95%。响应时间约4s。
GeoMode实施上，只需要对手机改进（STK/UTK卡），同时，从设备的网管系统上获取部分配置数据。
1.4.5 GPS
由手机的内置GPS天线直接取得位置信息，上报给定位平台，响应时间是3s, 精度是5-50m。缺点是:支持GPS的手机价格高，用户比例不高,建筑物内有盲区。
1.5 解决方案
尽管定位服务有着巨大的市场潜力，但是一些无线运营商在面对着如此多的变数时仍感到手足无措。应该首先配置哪种应用？定位技术的精度应该有多少？信息应该如何传送？标准是什么？应该使用哪种平台？
理想的方式入下图：
该方案正是许多运营商所采用的，并为很多基础结构销售商所推介。一个叫做移动位置中心的组件将定位技术的选择和应用的选择隔离起来。由于CELL ID的粒度和精确度已经可以为许多应用提供支持，运营商可以在以后逐渐地采用一些先进的定位技术，而不必等待提供所有的新服务。
由于无线位置中心运行于无线网络内部，我们可以对它进行修改以适应具体手机的能力。当用户拨号、发短消息或者在WAP手持电脑上发起数据请求时，位置中心的交换机应该将客户的位置信息发送给相应的位置应用。
运营商可以方便地试验新的应用、更好的定位精度、新的内容或者其它的手机。他们可以迅速地响应市场需求，并能为不同的业务指定不同价格方案。该智能网结构允许无线运营商利用目前的技术实现一些定位的服务，而且对未来的新技术有着很强的适应能力。
GeoMode技术是一种嵌入式的解决方案，可以作为位置发现方式(SA + Cell ID+ 神经算法)而接入现有的移动定位中心。也可以作为Total
Solution，将其他的定位方式接进来。
2 GeoMode应用前景
GeoMode是美国DES(Digital Earth System Inc.)公司的产品，将位置发现技术、电子地图技术和与位置相关的增值定位服务相接合。此技术完全符合ITU-T标准、FCC标准和中国联通和移动的相关标准。GeoMode已成功服务于纽约和中国长沙等众多城市。
GeoMode是通过测量多个基站已经存在的RF信号电平来确定位置（属于SA），然后通过分析手机信号和网络参数来实现定位。实施历史和效果如下图：
在中国，现阶段的主流定位技术是Cell ID和GPS,但是，GeoMode兼顾了二者的优点，费用低（平台和终端）和精度高（和GPS属于一个档次）,可以迅速发展客户规模。是最适合中国特点的定位实现方式。
定位技术的成功，除了其技术先进性和投入产出效果的因素外，最本质的问题是二次开发的开放性，GeoMode在国外和国内的应用已经三年了，除了标准的开发接口（XML
over IP/SS7/PSTN）外,目前已经可以商用定位服务>20种。
3 GeoMode的体系结构
GeoMode定位技术的关键模块由定位系统(SMLC/GMLC/STK+Server)、电子地图信息系统(Map Manager)和增值服务应用系统(End-user
Applications/Customers/Content/Information)组成，如下图所示：
GeoMode软件无线定位解决方案使用现有的网管配置数据，对手机进行简单软件升级（STK\UTK卡），不占用频率资源。GeoMode系统由三个部分组成，如下图所始：
3．1 确定位置的定位平台软件
可装载在运营商机房，ICP、ISP或119等专业服务机构，它从BSC、Serving Mobile Location Center(SMLC)或通过手机直接从BTS收集无线网络系统的Rf信号。
该软件通过专利算法和'self training'神经网络，接收传输的数据，计算手机的物理位置。
该软件还可以在接收请求后或在某些情况下自动地控制手机，将位置信息通过数据(或SMS)信道发送。这种由服务器发起的控制功能很适合个人，财产或汽车跟踪，车队管理等应用。
另外一个独特的功能就是，该软件能发现并自动更新新加的cell sites进人数据库，给其它的环境变化进行改正。
3．2中间件（以地图信息服务器为例）
可以将X,Y数据与数字地图接合起来或将X,Y位置转换成地址，通过标准接口向与位置相关的服务程序提供。
这些数据还可以提供给任何一个标准的地理信息系统(Geographical Information System)，为公用事业的移动工作人员、政府，或拥有移动财产，车辆和人员的企业提供适当的应用程序。
3．3应用服务器
基于对手机的精确定位，确定对应的手机位置，开发各种各样新业务。
4 GeoMode的工作原理
在GSM和同类的网络系统为例，手机识别BTS的RF信号电平是以sub-second间隔测量的。GeoMode软件分析RF信号电平来确定手机的准确位置。所需要的RF信号电平数据由基站（通过BSC
and SMLC）提供，或者由手机(通过SMS)提供，GeoMode服务器的结构和位置一般根据设备供应商和运营商的要求而定。
在理想的空间环境，信号等强度线是以基站为中心的圆圈，手机的位置是三个圆圈的唯一交点。然而在真实世界，特别是城市，实际的信号传输不是理想状况，信号等强度线不是圆圈。因此，GeoMode软件是用三角化方法将多个基站的RF信号转换成距离，然后确定手机的位置。
GeoMode位置定位过程是独立于网络系统的技术，可为GSM,TDMA,CDMA,GPRS，PCS和UMTS无线网络技术提供定位数据。
以GSM为例，GeoMode定位过程需要下面的数据：
网络配置数据--这是有关网络系统的数据：
· 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)
（这些数据不用于定位计算，但帮助安装应用程序和转换网络系统参数）
手机数据--这些数据记录于网络系统，为每个手机所特有：
· 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的实施
使用RF信号电平数据可以使实施分为以网络系统为中心或以手机为中心的方案。因此，定位的服务可由设备供应商提供，或由独立的ASP提供。
以网络系统为中心的实施方案（不需对手机改进）
1. GeoMode地位服务器通过直接联网或IP连接，直接从BSC/SMLC接收有关的信号数据(需要对现有网络进行功能升级)。
2. 有手机请求就为该手机机计算位置。
3. 取决提供商的应用程序和隐私的要求，手机的位置传给MSC或直接传给应用程序。
4. MSC可将X，Y数据传给应用程序（紧急呼救或商业应用）。
以手机为中心的实施方案
1. 手机直接从基站采集信号数据，通过STK卡、WAP、GPRS软件模块的软件升级，采集这些数据。
2. BS数据通过SMS or Internet Protocol (IP)被送到GeoMode定位服务器。
3. 对手机的位置进行计算。
4. 根据定位服务的具体要求，将手机的位置传给MSC(符合相关标准)或直接传给应用程序。
5. MSC可将X，Y 数据传给应用程序（紧急呼救或商业应用）。
实施步骤
1. 建立以GeoMode为核心的定位系统。
2. 建立中文地图信息库。
3. 开发应用增值业务。
6 GeoMode的标准适应度
1． 满足所有ITU-T、FCC及其他国际通信标准要求
2. 满足中国移动、联通的相关定位业务标准
联系方式：billzhao1970@yahoo.com
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