修志華 羅德與施瓦茨（中國(guó)）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

R&S公司LBS測(cè)試解決方案

修志華 羅德與施瓦茨（中國(guó)）科技有限公司

編者按：隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，基于位置的服務(wù)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一。無論在室內(nèi)還是室外環(huán)境下，快速準(zhǔn)確地獲得終端的位置信息和提供集團(tuán)服務(wù)的需求變得目益迫切。通信和定位兩大系統(tǒng)正在相互融合、相互促進(jìn)。為了提高在終端設(shè)備上這些可用性并對(duì)其性能加以驗(yàn)證，羅德與施瓦茨公司基于無線終端綜合測(cè)試儀CMW 500打造了一系列完整的LBS測(cè)試解決方案，這些方案已經(jīng)被告全球領(lǐng)先的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、芯片制造商、終端設(shè)備制造商等廣泛應(yīng)用。羅德與施瓦茨（中國(guó)）科技有限公司修志華所撰《R&S公司LBS測(cè)試解決方案》一文對(duì)R&S公司LBS測(cè)試解決方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可供相關(guān)人員參考、借鑒。

1 引言

LBS（Location-Based Services），基于位置的服務(wù)，指的是通過定位技術(shù)獲得終端或用戶的地理位置信息（如經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)），提供給用戶本人或他人以及通信系統(tǒng)，進(jìn)而根據(jù)確定的地理位置為用戶提供相關(guān)的各類信息服務(wù)或者應(yīng)用，是一種概念較為寬泛的與空間位置有關(guān)的新型服務(wù)業(yè)務(wù)。近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，基于位置的服務(wù)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一。無論在室內(nèi)還是室外環(huán)境下，快速準(zhǔn)確地獲得終端的位置信息和提供位置服務(wù)的需求變得日益迫切。通信和定位兩大系統(tǒng)正在相互融合、相互促進(jìn)。

為了提高在終端設(shè)備上這些位置服務(wù)的可用性并對(duì)其性能加以驗(yàn)證，羅德與施瓦茨公司基于無線終端綜合測(cè)試儀CMW 500打造了一系列完整的LBS測(cè)試解決方案，這些方案已經(jīng)被全球領(lǐng)先的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、芯片制造商、終端設(shè)備制造商等廣泛應(yīng)用。

2 移動(dòng)終端定位方法

2.1 衛(wèi)星定位（GlobalNavigation Satellite System，GNSS）

應(yīng)用比較廣泛的主要有GPS、GLONASS、北斗及Galileo等幾種系統(tǒng)。這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別由美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和歐洲組建，每個(gè)系統(tǒng)中均包含數(shù)十顆衛(wèi)星。移動(dòng)終端要使用這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行位置定位，至少需要同時(shí)看到4顆衛(wèi)星，然后根據(jù)已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)即終端的具體位置。

基于衛(wèi)星定位方法定位的優(yōu)勢(shì)是精確，只要能接收到4四顆衛(wèi)星的定位信號(hào)，就可以進(jìn)行誤差在5～10m以內(nèi)的定位。而GNSS定位由于接收機(jī)任何時(shí)刻都至少被4顆衛(wèi)星覆蓋，所以信號(hào)得到了很好的保證，并且由于衛(wèi)星居高臨下，排除衛(wèi)星鐘及大氣干擾等因素，精度也能保證在幾米至幾十米。缺點(diǎn)是GNSS受天氣和位置的影響較大，當(dāng)遇到天氣不佳的時(shí)候或處于高架橋/樹蔭的下面，或在高樓的旁邊角落、地下車庫(kù)或露天的下層車庫(kù)（或簡(jiǎn)單地說當(dāng)見不到天空的時(shí)候），GNSS的定位就會(huì)受到相當(dāng)大的影響，甚至無法進(jìn)行定位服務(wù)。另外，傳統(tǒng)GNSS首次定位（冷啟動(dòng)）一般需要幾分鐘的時(shí)間，并且普遍受到所處定位環(huán)境的影響。

2.2 輔助-衛(wèi)星定位（Assisted-Global Navigation Satellite System s，A-GNSS）

A-GNSS技術(shù)是一種結(jié)合了通信基站信息和GNSS信息對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位的技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的GNSS定位技術(shù)，A-GNSS技術(shù)在終端的GNSS模塊搜索到衛(wèi)星信號(hào)之前，通過通信基站獲知一系列衛(wèi)星的信息，GNSS模塊根據(jù)這些信息就很容易直接找到衛(wèi)星了。因此，可以大大提高終端首次定位的效率。一般來說，只需要幾秒鐘就可以完成首次定位，這也是相比傳統(tǒng)GNSS的最大優(yōu)勢(shì)。

2.3 無線通信基站定位

終端使用GNSS或A-GNSS技術(shù)進(jìn)行位置定位，都需要接收到至少4顆衛(wèi)星信號(hào)。如上所述，GNSS信號(hào)受天氣和位置的影響較大，如果終端不能正常接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)，通過上述方法就無法進(jìn)行位置定位。因此，基于無線通信基站的定位方法應(yīng)運(yùn)而生。

目前，基于無線通信基站定位主要有OTDOA（Observed TimeDifferenceofArrival，到達(dá)時(shí)間差定位法）和eCID（EnhancedCell ID）方式。

OTDOA是根據(jù)至少3個(gè)基站與移動(dòng)終端信號(hào)傳播的時(shí)間差值進(jìn)行定位的技術(shù)。OTDOA通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)或更多的基站參考信號(hào)（RS）的到達(dá)時(shí)間差（RSTD），在已知各基站位置的情況下計(jì)算出終端所在位置。

OTDOA定位技術(shù)如圖1所示，兩個(gè)基站的參考信號(hào)到達(dá)時(shí)間差可以描述成一個(gè)雙曲線，雙曲線的焦點(diǎn)為兩個(gè)基站所處的位置。這種方法至少需要3個(gè)基站，3條雙曲線的交點(diǎn)就是終端所處的位置。

圖1 OTDOA定位技術(shù)

OTDOA定位技術(shù)的精度受到環(huán)境的影響，在郊區(qū)和農(nóng)村可以將移動(dòng)臺(tái)定位在10～20m之間的范圍內(nèi)；在城區(qū)由于高大建筑較多，電波傳播環(huán)境不好，信號(hào)很難直接從基站到達(dá)終端，一般要經(jīng)過折射或者反射，定位精度會(huì)受到影響，定位范圍約為100～200m。

eCID定位技術(shù)主要有圖2所示的3種方法：

圖2 eCID技術(shù)

●與服務(wù)基站的距離進(jìn)行定位。

●與至少3個(gè)基站的距離進(jìn)行定位。

●與至少3個(gè)基站的角度進(jìn)行定位。

由于OTDOA/eCID等基于基站的定位技術(shù)不依賴于GNSS信號(hào)，彌補(bǔ)了GNSS在室內(nèi)或其他極端條件下無法定位的缺陷，OTDOA/eCID成為了GNSS之外越來越多運(yùn)營(yíng)商另一個(gè)強(qiáng)制要求的終端定位技術(shù)。

2.4 混合定位（Hybrid）

隨著定位技術(shù)的發(fā)展以及用戶對(duì)定位應(yīng)用需求的增多，混合各種不同的衛(wèi)星系統(tǒng)定位方式或者混合A-GNSS和無線通信定位方式等混合定位方式在將來也會(huì)獲得廣泛應(yīng)用。

2.5 控制平面和用戶平面

A-GNSS、OTDOA/eCID、混合定位等方式都需要在基站與終端之間交互定位輔助數(shù)據(jù)和定位信息。為此，3GPP定義了一些通用定位通信協(xié)議，如LPP（LTE Positioning Protocol）、RRC、RRLP等。使用這些通信協(xié)議在基站與終端之間交互定位信息，可以使用網(wǎng)絡(luò)的控制平面（ControlPlane）或用戶平面（UserPlane）。相對(duì)來說，控制平面的實(shí)現(xiàn)方式需要用到專用控制信道并且會(huì)顯著地增加移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)成本，因?yàn)槎鄠€(gè)網(wǎng)元需要在軟件和硬件上升級(jí)才能支持這些定位相關(guān)的控制平面信令。因此，用戶平面的實(shí)現(xiàn)方式更容易被用于商業(yè)應(yīng)用；用戶平面的應(yīng)用是通過SUPL（SecureUser PlaneLocationProtocol）實(shí)現(xiàn)的。LPP/RRC/RRLP等消息作為SUPL消息的承載（Payload），是定位信息的實(shí)際載體。

SUPL的最初版本SUPL 1.0不支持LTE網(wǎng)絡(luò)，SUPL 2.0作為SUPL的一個(gè)進(jìn)階版本，是伴隨著LTE產(chǎn)生的。SUPL 2.0支持LPP定位協(xié)議，以及OTDOA、W i-Fi等新的定位技術(shù)。同時(shí)，SUPL 2.0還能夠兼容現(xiàn)有的所有定位協(xié)議和技術(shù)，例如在LPP之外，它同樣支持當(dāng)前正在2G、3G網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的通用定位協(xié)議，如RRLP、RRC等，因此SUPL 2.0可以廣泛地部署在網(wǎng)絡(luò)中，無論是2G、3G或是4G網(wǎng)絡(luò)。SUPL2.0的這種靈活性非常重要，尤其是在LTE部署的最初階段，因?yàn)長(zhǎng)TE的部署不可能一蹴而就，必然需要從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平滑過渡，SUPL 2.0對(duì)各種協(xié)議的兼容性保證了從各制式網(wǎng)絡(luò)到LTE網(wǎng)絡(luò)的平滑無縫過渡。

3 R&S公司LBS測(cè)試解決方案

圖3 TS-LBS系統(tǒng)

R&S公司作為在移動(dòng)終端測(cè)試方面領(lǐng)先的測(cè)試設(shè)備商，可以對(duì)移動(dòng)終端提供全面的測(cè)試方案，不僅覆蓋終端從研發(fā)、一致性認(rèn)證到生產(chǎn)的各個(gè)測(cè)試階段，而且可以提供終端的一站式解決方案，包括射頻、協(xié)議、USIM卡、性能、音視頻和應(yīng)用等各個(gè)方面。而在LBS測(cè)試方面，R&S也可以提供全面的解決方案.

3.1 TS-LBS測(cè)試A-GNSS定位

圖3所示為TS-LBS系統(tǒng)，由一臺(tái)無線終端綜合測(cè)試儀CMW 500和通用信號(hào)源SMBV100A組成，CMW 500可以產(chǎn)生2G、3G、4G的通信信號(hào)來模擬通信基站，SMBV100A可以產(chǎn)生GPS、GLONASS、北斗、Galileo等衛(wèi)星信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)由安裝在電腦上的CONTEST軟件進(jìn)行控制。該系統(tǒng)涵蓋的A-GNSS測(cè)試內(nèi)容包括：

（1）射頻最小性能

●2G：TS51.010-1的70.11.x、70.16.x節(jié)。

●3G：TS37.571-1的第5和6章。

●LTE：TS37.571-1的第7章。

定位信息的交互可以使用控制平面或用戶平面，A-GNSS目前支持A-GPS、A-GLONASS和A-Beidou3種方式。

（2）協(xié)議測(cè)試

●2G：TS51.010-1。

●3G：TS34.123/TS37.571-2。

●LTE：TS37.571-2。

●OMASUPL1.0和SUPL2.0。

另外，該系統(tǒng)還可以支持運(yùn)營(yíng)商定制的LBSIOT測(cè)試用例，包括AT&T、VZW、T-Mobile以及NTTDoCoMo等運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試需求。

3.2 TS-LBSAdvanced系統(tǒng)測(cè)試OTDOA/eCID定位

圖4所示為TS-LBSAdvanced系統(tǒng)，由2臺(tái)CMW 500組成。由于OTDOA/eCID通常至少需要3個(gè)無線通信小區(qū)，而一臺(tái)CMW 500可以模擬2個(gè)獨(dú)立的完整小區(qū)，所以系統(tǒng)需要使用兩臺(tái)CMW 500，另外需要使用射頻合路器TS-CONN對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行合路。整個(gè)系統(tǒng)同樣由安裝在電腦上的CONTEST軟件進(jìn)行控制。該系統(tǒng)可以涵蓋TS37.571-1的FDD LTE（8.1.1，9.1.1，9.1.3）和TDD LTE（8.1.2，9.1.2，9.1.4）一致性測(cè)試用例。該系統(tǒng)還可以用于運(yùn)營(yíng)商定制的OTDOA/eCID IOT測(cè)試用例。

圖4 TS-LBSAdvanced系統(tǒng)

另外值得一提的是，該系統(tǒng)與TS-RRM Advanced的硬件完全相同。因此，客戶可以根據(jù)需要，使用同一套硬件平臺(tái)并配置不同的軟件選件，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試需求。

3.3 混合定位測(cè)試

圖3和圖4的兩套系統(tǒng)可以合二為一，即在圖4所示的TS-LBS Advanced系統(tǒng)中增加一臺(tái)SMBV100A，則可涵蓋3.1和3.2所述的所有測(cè)試用例。另外，該系統(tǒng)還可以測(cè)試采用混合定位方式的測(cè)試用例?；谠撓到y(tǒng)，R&S使用軟件選件LBSKCL002提供37.571-1 LTE FDD HYBRID eCID/ OTDOA&GNSS的測(cè)試用例，使用LBS-KCL012提供37.571-1 LTETDD HYBRID eCID/OTDOA&GNSS的測(cè)試用例。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商定制的Hybrid方式IOT測(cè)試用例，則使用專有的測(cè)試用例包。

3.4 A-GNSS錄制回放測(cè)試

圖5所示為R&S提供的A-GNSS錄制回放解決方案。錄制系統(tǒng)由TSMW掃頻儀和IQR記錄儀組成，在錄制過程中，將所在地的信息通過掃頻的方式轉(zhuǎn)化為IQ數(shù)據(jù)，保存在IQR中；回放過程中，則將保存在IQR中的信息導(dǎo)入到SMBV100A然后提供給終端，CMW 500則提供通信小區(qū)環(huán)境和所需的定位輔助信息，這樣可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試外場(chǎng)的場(chǎng)景，被稱為F2L（Field To Lab）方式。目前，主要有ATT和TMO對(duì)終端的F2L測(cè)試提出需求，R&S分別使用軟件選件LBS-KOL4Mx和LBS-KOL6Mx提供解決方案。

圖5 A-GNSS錄制回放

3.5 OTA（OverTheAir）天線性能測(cè)試

圖6所示為OTA天線性能測(cè)試解決方案。整個(gè)系統(tǒng)使用AMS32軟件進(jìn)行控制。針對(duì)CTIA（美國(guó)無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)）和VZW的OTA測(cè)試需求，R&S分別使用軟件選件AMS32-K33/OTA-KT810和AMS32-K32/OTA-KT800提供解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

A-GNSS、OTDOA/eCID、LPP/RRC/RRLP以及SUPL2.0是定位的關(guān)鍵技術(shù)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景，終端可以選擇不同的定位方式進(jìn)行定位。隨之而來的是，在終端和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)上的日益復(fù)雜作為代價(jià)，這意味著更多的研發(fā)成本，對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)更為完善的一致性測(cè)試和性能測(cè)試，這需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、終端設(shè)備商、測(cè)試設(shè)備商以及整個(gè)行業(yè)共同的努力。R&S公司在LBS測(cè)試方面，不依賴于任何第三方，可以提供全套的測(cè)試解決方案，是終端廠商和運(yùn)營(yíng)商的理想選擇。

圖6 OTA天線性能測(cè)試