董晓鲁
摘要 对LBS的概念和应用进行了描述，介绍了在3G系统中实现LBS的定位技术和GIS系统。
关键词 LBS 3G GIS
一、引言
无线定位业务又称为位置业务(Location-Based Ser-vices，LBS)，是由移动通信网提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动台的位置信息(如经纬度坐标数据)，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。狭义地说，LBS业务是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下提供相应服务的一种无线增值业务。广义地说，只要是基于位置的信息服务均属于位置服务，有些业务可能与用户本身的位置无关，例如固定地点的天气、固定起始终止点之间的公交路线等。但在移动通信网中，LBS业务应用最多的应是与终端持有者本身的位置紧密相关的那些业务。
目前，电信业竞争激烈，移动运营商在不断地寻找新的途径去创造新的利润点或者利润增长点。在各种移动增值业务当中，移动位置信息服务是最具市场潜力的一种。另一方面，随着我国私人汽车市场不断增长，以汽车移动通信平台的需求也将有很大的发展潜力，其中针对汽车的导航、跟踪等位置业务是今后一个非常具有发展潜力的市场。
就无线定位服务而言，在传统第二代无线通信网络上发展位置服务，由于二代系统数据传输能力较低，因此所能提供的定位服务类型也受到限制。而3G系统的数据传输能力比2G系统有很大提高，为向用户提供更丰富的信息提供了网络带宽的保证，使一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可能，如地图显示、实时导航，甚至3D地图服务等。LBS业务的类型多种多样，可以按照如下不同的分类方式划分：
(1)按业务请求方式划分
·PULL类LBS业务：移动终端采用短消息、WAP接入等方式请求LBS；
·PUSH类LBS业务：网络根据特定的条件，主动向移动终端推送信息。
(2)按是否与用户位置相关划分
·与用户位置有关的LBS，需要进行定位；
·与用户位置无关的LBS，无需定位。
(3)按照面向的用户划分
·水平市场——大众应用；
·垂直市场——行业应用。
(4)GIS系统中对定位服务功能的划分
·地图服务，包括栅格地图和矢量地图；
·路径搜索，包括最短路径查询、公交线路查询等；
·地理编码/逆地理编码；
·测算。
二、实现LBS应用的网络架构
在3G系统中，实现LBS应用的网络模型如图1所示。从图1可以看出，实现LBS业务涉及到多个实体。
图1 在3G系统中实现LBS应用的网络架构
(1)定位操作平台。通过各种定位技术来获取移动台的位置信息。
(2)LCS中间件。向SP提供定位服务接口，SP通过LCS中间件访问运营商的定位资源(GIS)，以及完成对LBS业务的计费、管理等功能。
(3)GIS系统。提供各种基于LBS应用的地理信息服务，包括地图服务、路径搜索、目录查询等。
(4)SP。面向最终用户提供LBS服务。
(5)CP。本文中所指的CP专指提供电子地图数据、POI(兴趣点)信息的内容提供商。
(6)终端。需要与网络交互完成定位操作(获取终端经纬度)，通过WAP/Java/BREW/SMS等方式与SP交互得到最终服务。对于矢量地图服务，终端需要内置矢量地图浏览器。
对于移动网络运营商来说，为了更好地开展LBS服务，首先需要建设定位操作平台。对于GIS系统，可以由SP/CP自己实现，但目前我国在基于LBS方式下的GIS系统的发展只是刚刚起步，因此由SP/CP自己实现GIS难度比较大。而且由SP/CP各自建立GIS对资源也是一种浪费，因此由运营商统一建设包括LCS中间件以及GIS系统，将对LBS应用的推广起到很大的推动作用。
三、定位技术
定位操作平台主要负责通过各种定位技术来获得终端的经纬度信息。目前，可供移动网络使用的定位技术多种多样，下面将以cdma2000系统上实现的定位技术为例，介绍各种定位技术的实现方式。
1 基于网络的定位技术
在CDMA系统中，为了实现软切换，移动台在接收当前服务基站的信号的同时，需要不停地寻找来自其它基站的信号。如果发现来自其它基站的信号足够强，移动台需要确定来自不同基站信号的时间差，为合并两个信号做准备。移动台的这种能力为实现定位奠定了技术基础。定位操作平台可以通过CDMA网络获取到终端的这些信息(导频强度信息)进行定位。其它一些基于网络的技术能够提供更高的定位精度，例如测量移动台的环路时延、信号到达角度等，但这些技术都需要在基站上增加相应的测量设备，代价较高。
2 辅助GPS技术(AGPS)
辅助GPS技术主要依靠GPS卫星完成定位操作。移动台需要接收至少4个GPS卫星的信号，根据这些信息完成定位计算，并将计算结果报告给网络。对一般的GPS定位技术来说，需要GPS接收机在全空域范围内搜索可以使用的GPS卫星。通常这种搜索需要很长的时间，所以不能满足快速移动定位的需要。在辅助GPS技术中，网络可以根据移动台当前所在的小区，确定所在小区上空的GPS卫星，将这些信息提供给移动台。移动台根据这些信息，缩小搜索范围、缩短搜索时间，更快地完成可用卫星的搜索过程。搜索完成之后，移动台需要通过和网络的交互，将用于计算移动台位置的信息传送给网络，由网络计算移动台的位置。
3 混合定位技术
CDMA系统中使用的混合定位技术主要使用了前面提到的两种基于移动台的技术。一般来说，GPS技术能够提供很高的定位精度，但在很多情况下，移动台不能够捕获足够多的GPS卫星。这时候，移动台可以利用基站的信号补充卫星的不足。这样在降低一定精度的条件下，提高可用性，实现室内定位。
4 基于移动台的GPS定位
对于一些需要快速连续定位的LBS业务来说(例如实时动态汽车导航)，可能要求每隔几秒钟刷新终端位置信息。在这种情况下，AGPS方式就很难满足时间上的要求。因此，为了提高连续定位情况下的定位间隔时间，提出了基于移动台的GPS定位。与AGPS不同的是，基于移动台定位方式下，位置的计算全部由终端自己完成，终端始终处于GPS跟踪状态，减少了与网络的交互时间。但是初次定位时间(TTFF)基本上与AGPS方式下的相同，与AGPS一样，需要从网络侧获取GPS卫星的信息。
四、GIS系统
LBS服务中关键的核心是位置与地理信息，两者相辅相成，缺一不可。一个经纬度位置对于正常的使用来说，并不代表任何意义，必须将其置于一个地理信息中来，才能代表为某个地点、标志、方位等，才能被人们所理解。因此，除了通过定位操作平台获取到终端的位置之外，必须通过GIS系统将经纬度转换成用户真正关心的地理信息，如地图、路径搜索结果等。
对于无线运营商而言，如何发展面向最终用户的SP是任何增值服务发展的关键。而对于广大的SP而言，对于涉及位置信息服务的关键技术——地理信息系统(GIS)不太了解。单从技术上来说，SP独立提供位置信息服务的难度就很大。因为需要考虑如何和无线运营商的各种厂商的定位网关接口，考虑采用什么样的地理信息系统，考虑采用什么样的地图数据库，考虑如何去维护地图数据库，考虑如何开发，考虑如何推动市场的发展使得更多的用户加入他们的运营网络等。对于以上考虑来说，每个CP需要投入相当一大笔费用去建设一个提供地理信息服务的平台，并且不断地对地理信息数据进行维护。
在这种情况下，非常不利于移动位置信息服务的推广，也不利于移动互联网的增值业务的发展。因此，SP在整个增值业务的价值链上的主要任务是加入自己有特色的服务，做市场推动，发展尽可能多的最终用户。
对于无线运营商仅有一个定位操作平台是远远不够的，它必须要将位置信息服务中的核心部件——地理信息服务平台建设起来。让CP减少投入，专注于自己的服务。
位置信息服务中的地理信息服务平台是一个关键部件。从无线运营商管理和开通位置信息服务的角度来看，能够使得无线运营商提供较为全面的位置信息服务，同时也集中地管理并维护了地图数据库，使得各个想要进入位置信息服务行业的CP门槛大大降低，从而促使位置信息服务的发展。
1 地理信息系统的发展
地理信息目前已经渗透到各行各业的信息系统中。从需求角度看，无论是宏观上的决策支持，综合经营分析，还是具体业务层面的一个目标的定位、一条线路的规划，都离不开地理信息的支持。从技术角度看，随着计算机信息技术的发展，尤其是近年来移动计算领域和空间数据库领域技术的不断更新，地理信息技术(GIS)也在很多方面融入了新的特征。
在我国，地理信息系统的建设也越来越得到政府的重视，尤其是在一些特殊情况下，如类似“非典”的情况，对于一些受关注人群和移动物品的跟踪，以及与地理位置相关的分析和研究，它对政府应对突发事件是非常重要的。
2 技术的发展
(1)从GIS到Web-GIS。早期的地理信息系统专业性色彩较强，需要引入复杂的数学模型，对最终使用者的要求较高，系统独立设计，不对外开放接口。这类系统比较常见于地质、气象、水利、交通等行业的专业分析。在这种需求的驱动下，按照Client/Server模式设计的应用系统居多，其最大的优点是开发模型相对简单，开发成本较低。但随着这些C/S模式的信息系统的不断投入使用，其缺点也逐渐暴露出来。C/S模式下的应用系统由于其专业性使得只有少量的专业用户可以使用，导致大量信息孤岛的存在。而且其大规模部署及后期维护的成本相当高昂，这就使得应用系统的用户数量和覆盖范围都受到很大的局限，在一定程度上已经严重制约了地理信息系统的继续发展。而另一方面，由于多数系统采用了独立的设计，不同系统之间无法共享数据和功能，功能类似的模块被重复建设的问题也越来越突出，造成投资的极大浪费。
近年来，地理信息系统的建设要求能够满足更多非专业用户的需求。随着Internet的逐渐普及，广大用户对浏览器这种通用类型、无须培训的客户端应用程序越来越认同，因此奠定了Web-GIS发展的基础。另外，在技术层面上，用户要求地理信息系统采用开放式设计，对其他信息系统开放可调用的接口以便集成。只有这样地理信息系统的应用面才有可能从有限的传统应用领域扩展开来，同时覆盖更多的用户群。与Client/Server模式相比，Browser/Server模式在处理这些问题上有明显的技术优势。因此在一些特定的领域，B/S模式已经取代了C/S模式而成为了地理信息系统的首选开发模式。
(2)从Web-GIS到网络地理信息系统。进入21世纪，人们已经不再满足于坐在办公室或家中的电脑桌前获得信息，而是提出了“随时随地获取信息”(Anytime，Any-where，Anything)的更高要求。强烈的需求推动了移动计算领域技术的飞速发展，信息系统的客户端从传统的PC，工作站等桌面型设备扩展到了PDA，WAP/SMS/kJava/Brew手机等移动终端上。由于所有的移动终端首先强调的是易于携带的特征，在硬件设计上受到体积、重量、功耗等方面的限制，因而采用了完全不同于PC的操作系统和不同于IP网络的通信协议。另一方面，地理信息系统的底层开始与数据库技术相结合而发展为空间数据库。空间数据库技术在管理海量数据、分布式数据存储、解决属性与空间数据一致性等问题上比传统的文件存储方式有很大的优势，因而越来越受到大家的关注。
近年来，一些新建的地理信息系统开始逐渐引入这两方面的技术。这些系统要求应用层满足对各类终端设备的兼容，数据层提供对异构或分布数据的良好支持，我们把包括这些类型在内的所有基于网络的地理信息系统通称为网络地理信息系统。
由于网络地理信息系统的复杂性已经远远超出了传统的C/S或B/S体系结构所能描述的范畴，开发工作量也变得越来越庞大，所以需要找到一种有别于C/S或B/S的多层模型来描述这些系统的共性。同时，在此基础上提供产品级的解决方案，尽可能地为应用开发人员提供良好的底层支持，以减少开发系统的难度，提高系统的质量。
从GIS到Web-GIS，再到网络地理信息系统，应用上是从传统领域向所有领域的发展，用户群上是从少数专业用户向大量普通用户的发展，技术上是从简单架构向多层模型的发展。
3 应用领域
GIS的应用领域非常广泛，以下给出了一些比较典型的实例。
(1)数字城市。以GIS为核心的空间信息技术是数字城市的核心应用技术，它与无线通信、宽带网络和无线网络日趋融合在一起，为城市生活和商务提供了一种立体的，多层面的信息服务体系。
数字城市建设包括4部分内容，即基础设施、电子政务、电子商务及公众信息服务。而GIS应用贯穿上述4个部分和各个层面，从城市基础地理信息数据库到政府空间数据共享、电子商务物流配送以及基于网络的公众地理信息服务，GIS都发挥着不可缺少的作用。
从具体的应用来说，GIS已经广泛应用于构成数字城市的众多行业，如城市规划、城市地下管网、电力、电信、公安、消防、急救等方面。GIS在各行各业中的广泛应用，产生了各具特色的行业专题GIS，这电正是我们建设数字城市的基础。数字城市只能是在这些专题GIS的基础上，进行综合、共享和扩充。
(2)LBS。通过LBS业务，移动用户可以方便地获知自己目前所处的位置，并用终端查询或收取附近各种场所的信息。同时，它还可以对特定用户或组织进行定位，根据用户的位置进行实时监测、跟踪，结合共享的电子地图，实现监控与调度。LBS业务和目前在国际上比较受关注的Telematics和ITS有着非常密切的关系，由于篇幅有限，就不再描述了。
(3)行业应用
·油田。石油行业应用GIS技术由来已久。在选择钻孔位置，跟踪一条管线进行故障分析，或者新建一个炼油厂等方面都十分依赖于对地理的理解以作出明智的商业决策。GIS在石油行业的应用非常广泛，根据应用类别以及业务范围，GIS的应用大致可以归纳为石油勘探、生产开发、设备管理、管道管理、运输管理、销售规划、地面建设、附属设施等几个方面。
·电信。GIS为电信业者提供了将地图和其他数据综合分析的能力。通过对基于空间位置的数据进行分析，为电信网络的规划和施工、移动信号的覆盖区域分析、市场经营决策分析、管理当前用户信息，甚至于发现新用户等提供最佳的方案。通过地图方式展示数据将比传统的列表方式更直观、并能更迅速地作出决策。
·公安。公安现代化建设需要地理信息系统(GIS)以及计算机网络技术的支持。GIS技术在公安方面的应用很多，例如消防指挥系统、安防指挥管理系统、110指挥管理系统、户籍管理系统、公安交通指挥系统、紧急情况下公安指挥管理系统、安全保卫系统、治安情况汇报系统等。
·水利。GIS在水利上的应用已经扩展到了水资源、水环境、水土保持、农田水利、水利工程规划与管理等许多方面，具有广泛的生长点和良好的成长性，为我国的水利建设发挥了重大作用。
·交通。GIS在交通方面可以应用于公路规划设计及管理、运输调度、公共交通管理、铁路规划设计及管理、港口和水运管理、智能交通系统(ITS)等。
4 GIS系统在3G网络中的业务功能
在移动网络中使用GIS，可以向外提供的主要服务具体如下：
(1)地图绘制(Mapping)
地图绘制是GIS系统提供的最基本的功能。GIS系统根据客户端的请求(地图范围、图层和绘制样式等)，返回地图数据。地图数据可以是栅格形式的地图，也可以是特定格式的矢量数据。地图栅格化定义多种图片格式输出支持，例如GIF，JPEG，PNG，WMP，BMP等。地图图片可以通过BASE-64编码文档的方式在XML文档里返回，也可以只返回URL。“地图绘制”还可以在“原始”的地图上“绘制”各种几何元素或地理对象。
矢量地图与栅格地图相比，具有较大的优势。首先，同样一幅地图，矢量格式的文件是栅格格式文件大小的1/7左右，大大节约了无线网络中使用的资源。同时，终端通过矢量地图浏览器操作矢量地图的灵活度与栅格地图相比很高，地图多比例尺的放大、缩小等在终端本地即可完成，而且在导航应用方面也具有优势。但由于矢量地图数据格式目前各个厂家不统一，因此如果在网络中存在多个GIS系统时，就不得不考虑兼容的问题。由于终端的能力有限，因此目前还没有一个较好的解决办法。另一方面，向外发布矢量地图还需要考虑地图的安全性和加密问题。
(2)目录服务(Directory)
主要是指POI(兴趣点)的查找，包括距离最近查找、一定范围内查找和根据属性(如名称、电话号码等)查找。查找的内容可以包括商场、酒店、加油站等。
(3)路径搜索(Route)
主要提供两点之间的各种方式(自驾车、公交车、步行)的行驶路线。路径搜索服务是LBS业务中非常重要的一种服务，也是体现移动网络优势和特点的业务，是实现导航服务的基础。
路径搜索服务对地图数据的要求较高，如要地图数据提供商提供完全和准确的路网数据，包括各种规则，如单行、禁左、车道数量等。路径搜索服务可以支持如下的操作：
·全路径：依据请求指定的信息(自驾车、步行、公交车方式，最短、最快以及不走高速公路，途经多点等等方式)返回整个路径的信息。
·途经多点方式：依据请求指定的点序列(缺省的情况下首末点为起止点)，搜索经过所有指定点的路径。
·排除条件：基于不同的道路类型、地域类型，可以指定是否走高速公路、城区，还可以指定不走的道路。
·时间与距离信息：服务将返回多个基于起点、终点和分段路线的时间和距离计算结果。
(4)地理编码(GeoCode)，把一个街道地址或邮编编码成一个地理位置。
(5)逆地理编码(Reverse Geocode)，把一个地理位置反编码成一个街道地址或邮编。
(6)测算(Cogo)，进行几何要素的测算。目前，该服务支持的操作包括计算两点之间的直线距离，判定点是否在某个指定的区域内。测算服务可以通过一次请求完成多个测算操作。
(7)导航(Navigation)。导航服务也可以看作是路径搜索服务中的一种，但由于导航服务有其自身的特点，因此在OGC(Open GIS Consortium)制订的位置业务规范中将其独立出来。导航服务可以分成静态导航和动态导航。
·静态导航是指用户在出发前获取出发地和目的地的最佳路径信息，出发后不再有提示信息给用户；
·动态导航则是用户在行驶过程中由GIS系统(网络侧或用户本地)根据当前用户所在位置动态的提示用户前进的方向(如提前通知用户左转，地图上动态显示当前用户所在位置，以及与目的地在行驶路线上的距离等)，这种服务对系统的处理能力、定位的准确度、定位的时延和地图的准确度等要求较高。
五、LBS业务的相关标准化工作
前面已经提到，LBS业务实现可以分成两个层面，即位置的获取和信息的提供。相应地，标准化工作也对应不同的标准组织。
(1)对于位置的获取也就是定位技术的标准，目前主要在3GPP和3GPP2中进行标准化工作。相关的用户在业务层面的认证授权、业务漫游以及隐私管理等内容的标准工作，目前主要是在OMA中进行，但由于3GPP和3GPP2在OMA中对LBS的流程、网络结构等方面存在分歧，所以标准化的进度可能会放慢。同时，也应注意到，在3GPP2中实际上也在做与OMA相同的工作。
(2)对于地理信息提供层面上的标准工作，目前主要由OGC负责制订，并且已经基本完成了除导航服务之外的其他业务。
在我国，目前已经完成了Le/L1接口(客户端与定位服务器之间的接口)的行业标准，以及WCDMA和cdma2000系统中的定位技术行业标准。与GIS相关的标准，目前也有了的GIS接口，SPACCESS接口的企业标准。对应于OMA的基于IP层面的定位技术标准也将要启动。
六、LBS业务在我国的应用
1 应用前景
LBS业务是移动网络的一个特色业务，尤其是随着今后3G系统的使用，为LBS的应用提供了网络带宽的保障。由于LBS业务在我国也刚刚开始发展，影响其发展的因素也非常多，因此本文也只是就目前可以遇到的有发展潜力的LBS业务作一个简单的分析。
(1)手持终端的LBS应用
手持终端的LBS应用范围很广，可以基于话音，短信，WAP，Java/BREW和多媒体短信/邮件向大众用户提供各种服务，包括信息查询、地图服务、手持终端的导航、弱势群体的跟踪和区域告警(如老人和儿童)等。
(2)个人汽车的LBS应用
导航是LBS应用在汽车中的主要方式，目前我国已经有汽车导航的实际应用，这种应用是GPS接收机+简化版的GIS引擎+地图数据的模式，这种模式有其自身的局限性，如成本较高(对车载台的要求较高，如处理能力、存储能力)，地图资源不能共享(如需要存储大量的地图数据，对于驾车者偶尔经过的地区也需要存储)，不能做到动态的地图更新，业务组织灵活性也受限。而这些问题通过与移动网络结合可以解决。随着汽车市场的不断增加，汽车导航业务是需要移动运营商关注的一个业务增长点，可以结合运营商目前已经有的话音、短信等业务，向用户提供更丰富多样的LBS业务，如汽车防盗、跟踪、求救等。
LBS业务和目前在国际上比较受关注的Telematics有着非常密切的关系，Telematics的目的是构建一个车内的通信平台通过与网络的交互，为驾驶者和乘坐者提供各种服务。韩国在这方面比较积极，目前已经有类似的应用，主要是提供汽车导航、邮件服务。
(3)行业应用
行业应用的范例很多，包括汽车调度(如出租车的调度)、物流管理、员工的跟踪(如邮递员的跟踪)等，这里不再一一描述。
2 实现LBS业务面临的问题
LBS业务具有广阔的应用市场，但与其他基于移动网络的增值业务相比，其业务实现涉及的方面更多，难度更大，因此LBS业务要真正达到广泛应用，还面临一些问题需要解决。
(1)定位的精度
目前，LBS应用所能用到的精度最高的定位技术是GPS定位技术，但GPS定位存在局限性，如在深度室内环境下将无法进行GPS定位。如果采用基于网络的定位，精度则大大降低，目前还没有其他更好的解决方案。因此，比较实际可行的作法是，对业务进行划分，将各种不同业务对定位精度的要求进行分类。对于精度要求高的业务，由网络侧判断是否能够满足要求，并进行相应的处理。当然，最终的解决方案是能提出一种更先进和受地理环境限制小的定位技术，目前已经开始研究在室内实现高精度定位的技术。
(2)位置信息的收集和组织
LBS最终向用户提供与位置有关的内容，位置信息主要包括各个层面电子地图和POI信息。在电子地图方面，我国的各个部门都有某些层面的数据，但这些数据没有整合在一起，地图的现势性在各个地域也参差不齐，这一问题的解决不是运营商和地图数据提供商单方所能够办到的，需要国家统一进行组织，将各种地理信息资源整合在一起，为各个行业使用。对于POI信息，其丰富程度直接影响着用户对业务的满意度，因此需要内容提供商提供丰富的POI信息。但信息搜集的工作量是相当大的，需要实地去一一采集。因此，需要运营商将各种CP提供的POI信息进行整合，统一提供给用户，这部分工作需要运营商和各个内容提供商协调统一来做。
(3)矢量地图浏览器
导航业务，尤其是实时导航业务，如果通过网络来实现地图的实时下载，那么数据不能太大，否则用户使用的成本会很高，不利于推广。矢量地图是解决这一问题的方案，但矢量地图与各个GIS厂商系统内容矢量数据的格式密切相关，目前无法统一成相同的格式。因此，如果存在多种GIS系统共存时，业务的覆盖范围将存在局限性，这可以通过终端支持多个矢量地图浏览器来解决，但对终端的处理能力和存储能力要求较高。因此，这一问题也是值得注意的。图2为矢量地图工作方式的示意图。
图2 矢量地图服务的工作方式示意图
七、结束语
LBS业务具有广阔的发展前景，目前商用的LBS业争也达到了相当程度的渗透率。LBS业务涉及的领域很多，需要移动通信领域与GIS领域相结合来共同实现。我国目前很重视GIS领域的发展，国内已经有相当多具有一定实力和发展潜力的GIS厂商。相信随着今后LBS业务需求的不断增长，以及我国GIS领域的不断发展完善，LBS业务将得到更广泛的应用。
摘自 泰尔网
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