蜂窩網絡無線定位技術及應用

一、前言

　　近年來，隨著蜂窩移動通信技術的迅速發(fā)展，蜂窩無線定位技術越來越受到人們的重視。這主要歸因于政府的強制性要求和市場本身的驅動。 FCC于1996年10月頒布了無線E9ll呼叫應急服務功能，其核心是要求所有移動通信網絡必須分階段的提供緊急呼叫用戶的經緯度位置信息。針對E911定位需求的具體實施，各國主要大公司均就 GSM、IS-95 CDMA以及第三代移動通信系統(tǒng)開始制定各自的定位實施方案。特別是 3GPP和3GPP2上對定位的要求更加具體化，這也是對蜂窩無線定位市場潛力的肯定。另一方面，移動通信用戶對移動定位業(yè)務的需求日益迫切。蜂窩網絡無線定位技術能夠在移動臺處于空閑狀態(tài)或通話狀態(tài)的情況卜獲取其地理位置等信息，利用移動臺的定位信息，運營商可以1hJ用戶提供各種增值業(yè)務，如位置環(huán)境信息查詢、緊急救援、智能交通、廣告發(fā)布等等，同時還可以作為移動通信網絡運行、維護和管理的輔助數據。到目前為止，基于蜂窩網絡的無線定位技術的研究已經取得了很大的進展�？梢灶A見在未來幾年內，基于蜂窩網絡定位技術的移動業(yè)務將得以迅猛的發(fā)展。

　　二、蜂窩網絡無線定位技術

　　利用移動蜂窩網絡對移動臺定位的方法主要有三類，(l)基于電波場強的定位技術；(2)基于電波到達入射角(AOA)的定位技術；(3)基于電波到達時間(TOA)或到達時間差(TDOA)的定位技術。

　　1．場強定位技術

　　電波場強定位技術根據移動臺接收的信號強度與移動臺至基站的距離成反比關系，通過測量接收信號的場強值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號的場強值可以估算出收發(fā)信機之間的距離，由多個距離測量值(至少三個)可以估算移動臺的位置。這一技術的關鍵在于如何建立一個能夠準確的反映服務傳播范圍內的無線電波傳播模型，這在實際應用中很難實現。除此之外，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜、無線系統(tǒng)的不斷調整以及地理環(huán)境、車輛等因素都會對定位精度產生影響。由于移動通信環(huán)境中電波傳播的復雜性，決定了這？技術在定位精度上的局限性，但是由于該技術比較簡單易行、在對精度要求不是很高的情況下仍被采用。為了改善其性能，人們開始研究利用電波傳播中的射線跟蹤方法來逛一步提高定位的精度。

　　2．到達入射角的定位技術

　　電波到達入射角的定位技術利用基站的陣列天線來測出移動臺來波信號的人射角、構成從基站到移動臺的徑向連線，即測位線，這兩條連線的交點即為目標移動臺的位置。由于兩條直線只能相交于？點，這種方法不會產生定位模糊性。但是它需要在每個小區(qū)基站上放置 4？ 12組的天線陣。這些天線陣？起工作，從而確定移動臺發(fā)送信號相對于基站的角度。當有多個基站都發(fā)現了該信號源時，那么它們分別從基站引出射線，這些射線的交點就是移動臺的位置。AOA的優(yōu)點在于它僅需要兩個基站參與便可實現移動臺定位，同時不存在移動臺位置的模糊性問題。但是該技術需要在現有的基站增加天線陣列，由此增加了大量的建設費用。與此同時，電波到達入射角估計會受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無線信號波陣面扭曲的影響，移動臺距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差也會導致定位距離的較大誤差。

　　3．到達時間/到達時間差的定位技術

　　到達時間／到達時間差的定位技術是基于蜂窩網絡的無線定位系統(tǒng)應用最廣泛的一項技術。到達時間定位技術通過測量從目標移動臺發(fā)出的信號以直線到達基站的時間，根據電磁波在空中的傳播速度可以得到移動臺與基站之間的距離。移動臺即位于以基站為圓心，移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進行上述測量計算，移動臺的二維位置坐標可出三個圓的交點確定。到達時問定位技術要求接收信號的基站知道移動臺發(fā)送信號的時間，并要求基站有非常精確的時鐘。為了克服這一缺點，人們提出了到達時間差的定位技術，它是通過檢測移動臺信號到達兩個基站的時間差來實現移動臺定位的，而不是到達的絕對時間來確定移動臺的位置，這就大大降低了對時間同步要求。很明顯，移動臺一定位于以兩個基站為焦點的雙曲線上。所以通過建立兩個以上雙曲線方程，求解雙曲線的交點即可得到移動臺的二維位置坐標。

　　以上兩種基于時間的定位技術的只要求基站能夠從接收到的射頻信號中準確的提取時延估計值，而無需對現有的網絡設備加以大規(guī)模的改造就可以實現對移動臺的高精度定位，因此成為了蜂窩網絡無線定位技術的研究重點。TruePosition公司所提供40米精度的定位業(yè)務就是采用了 U-TDOA定位技術。

　　三、影響定位精度的主要因素

　　由于移動通信系統(tǒng)的通信環(huán)境復雜多變，因此各種依賴于通信信號測量的定位技術都受到各中因素的影響。

　　1．多徑傳傳播

　　影響蜂窩無線定位的？個基本因素之一就是多徑傳播問題。在移動信道中，由于反射物體和散射體的存在會產生一個不斷變化的環(huán)境，使得信號能量在幅值、相位和時間延遲方面產生彌散。這些效應導致發(fā)射信號經過不同的路徑到達接收天線時的形式各異，顯示出不同的時間和空間方位。不問的多徑分量的隨機幅值和相位引起信號強度的擾動，從而產生小尺度衰落和信號畸變，使接收信號的信噪比嚴重下降，最終影響定位精度。多徑傳播是造成定位誤差的主要原因，因此多徑干擾的抑止是定位的關鍵技術之？。

　　2．NLOS傳播

　　導致定位錯誤的另一個重要因素是移動臺和基站之間的信號為非視距傳播(NLOS)信號。LOS傳播是得到準確的信號特征測量值的必要條件。但是在城市和近郊，移動臺和多個基站之間實現LOS傳播通常是很困難的，更多的情況是通過反射和折射的方式進行傳播的，從而影響了到達場強，接收電波的到達方向，以及電波傳播時間。在這樣環(huán)境下，即便沒有多徑干擾且系統(tǒng)能提供足夠高的定時精度也同樣會導致定位測量誤差。

　　3．CDMA多址接入干擾

　　由于 CDMA系統(tǒng)個的各用戶均使用同一頻段，這種高容量也帶來了遠近效應和多址干擾。多址干擾會嚴重影響定位測量信號估計。在CDMA系統(tǒng)中通常采用功率控制來克服遠近效應，但由于無線定位需要多個基站同時監(jiān)測移動臺發(fā)射的信號，功率控制只對服務基站起作用，對非服務基站，移動臺的信號仍然受到嚴重的多址干擾，因而影響常規(guī)接收機的性能。研究表明，多址干擾會嚴重影響 TOA和 TDOA的定位精度。

　　4．參與定位的基站數的限制

　　本文所述的定位技術需要至少兩個或三個以上基站的參與。但是，在基站稀疏的環(huán)境下很難同時存在多個基站參與移動臺定位，即使在基站稠密的城市環(huán)境中，也可能由于建筑物的遮擋而無法接收到視距傳播的信號。另外，由于CDMA系統(tǒng)采用了功率控制技術來克服遠近效應，當移動臺靠近服務基站時，其它基站就很難接收到移動臺發(fā)出的定位測量信號。

　　表 1給出了各種環(huán)境下所能參與移動臺定位的基站數量的統(tǒng)計情況。統(tǒng)計數據表明，在鄉(xiāng)村或郊區(qū)同時存在三個或三個以上基站與移動臺保持聯(lián)系的可能性較小。為此，摩托羅拉公司提出了將目標移動臺發(fā)射功率瞬時調到最大的Power Up方法來加以改善。

　　表1 各種環(huán)境下不同X取值統(tǒng)計表

　　區(qū)域 　　　　 X表示能夠同時接收到信號功率大于-100dBm的基站數

　　　　　　　　　X=1 X=2 X=3 X=4 X=5

　　鄉(xiāng)村 　　　　 98.3% 86.3% 57.1% 33.8% 16.7%

　　郊區(qū) 　　 　　91.9% 80.9% 69.2% 56.7% 44.1%

　　城市 　　　　100.0% 96.8% 92.4% 85.0% 76.2%


　　5．幾何精度因子（GDOP）

　　參與定位的各基站之間的相對位置、移動臺與基站之問的相對位置的差異造成的幾何精度因子( GDOP)的不同也會影響定位算法的性能，造成定位精度的差異。特別是在高速公路附近，基站沿著高速公路直線分布的情況下，TDOA的定位精度將嚴重惡化。為此，人們提出采用 TDOA/AOA混合定位技術來克服這種由于基站地理位置帶來的對定位準確度的影響。

四、蜂窩網絡無線定位技術應用

　　根據美國權威機構戰(zhàn)略集團的最新預測，到2005年僅在歐洲市場無線定位服務市場的收入就可達到320億美元，遠遠超出移動運營商的現有單項增值服務可帶來的收入。此外，隨著人們對公共安全和緊急救援日益增長的需求，基于移動定位的增值業(yè)務也開始得到業(yè)界越來越多的關注。近年來，隨著對蜂窩網絡無線定位技術研究的不斷深入，基于現有移動通信系統(tǒng)的無線定位的性能得到了很大的改善和提高，據筆者了解，現有的部分商用移動臺定位系統(tǒng)已經能夠提供約40米的定位精度，并且這一數據還將被逐步刷新。這就為移動運營商開展基于移動臺位置信息的增值業(yè)務提供了良好的技術基礎。

　　結合移動核心網和互聯(lián)網的網絡信息資源，移動定位技術有著廣闊的應用前景。從商業(yè)服務角度來說．它主要可以分為個人定位應用和企業(yè)級定位應用。個人定位應用通常是指面向移動臺用戶提供定位服務，主要包括基于位置的信息查詢和發(fā)布、導購導游導航以及弱勢群體監(jiān)護和救助。企業(yè)級應用則是一種面向集團手機或專用終端客戶提供定位服務，如交通監(jiān)控和車輛調度、防盜保安、基于位置差別收費和欺詐管理等。下面將列舉幾種主要的具體應用：

　　1．移動臺位置敏感型計費

　　基于用戶位置的計費方式將是未來移動通信運營商拓展業(yè)務，吸引客戶的重要手段。不同的用戶在移動電話的使用和收費上對運營商提出的要求也各不相同，運營商為了適應用戶的這種需求采取了不問的收費方式來滿足各種用戶的需要，例如按照移動臺使用的頻率和時間段不同實行不同的資費標準。隨著移動定位業(yè)務的提出，移動通信運營商又可以增加一種新型的收費方式，即按移動臺的使用位置靈活收費，在呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費用，達到調節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)整體利用率的目的，這將有利于運營商擴大業(yè)務，增加收入，實現移動通信網絡資源的經濟效益最大化�；�于移動臺位置信息的計費系統(tǒng)可以采用如廠的收費策略，

　　(l)在家里和／或辦公室內，可以適當降低通話價格，從而與固定電話運營商展開競爭；

　　(2)用戶進行大范圍漫游時，則需支付較高的通信費用；

　　(3)在密集的商業(yè)區(qū)內提高收費標準，減小該區(qū)域的系統(tǒng)負載；

　　這種基于移動臺位置信息的計費策略對于運營商和用戶而言是雙贏互惠的。

　　2．緊急救助

　　近年來由于移動用戶的快速增長，移動用戶的報警呼叫和求助呼叫的數量也急劇增加，據美國公眾安全機構的1999年的調查報告顯示：有15%到40%的緊急呼叫(911)是來自于移動電話的，其每年呼叫總次數超過一千萬。但是，在很多情況下公眾安全應答服務機構(PSAP)無法獲知報警者的具體位置，移動用戶也不能準確地提供其所在的地理位置信息這將會大大延長 PSAP的反應時間，以至于不能給報警者以及時的救助。利用蜂窩網絡定位技術，報警者在撥打應急服務號碼后，移動定位系統(tǒng)就能立即識別出來，并對呼叫手機進行自動的快速定位，手機的位置信息就會被傳輸到PSAP，從而大大改善公眾安全系統(tǒng)的反應能力�？梢灶A計：蜂窩網絡定位技術為公眾安全提供了新的手段，這將會成為進一步擴大移動通信市場的又一推動力。

　　3．移動黃頁查詢

　　移動互聯(lián)網技術與移動定位業(yè)務相結合，可以輕而易舉地實現個性化的移動黃頁查詢。移動網絡首先得到移動用戶的位置信息，然后根據互聯(lián)網提供的信息通過短消息或者電子地圖的方式為用戶提供其所處位置附近的相關信息，例如：提供離用戶最近的餐館、加油站、旅館、自動取款機的位置以及用戶所處區(qū)域的天氣、交通狀況等信息。

　　4．網絡規(guī)劃和管理

　　移動定位技術的另一個重要應用就是無線網絡本身的規(guī)劃和優(yōu)化。由于移動通信網絡的不斷擴大，其頻譜資源不易再擴展，無線網絡的設計者必須對頻率的再用進行精心的規(guī)劃，以保證有效的覆蓋，同時防止干擾和串話。利用蜂窩網絡無線定位技術，用戶的呼叫位置可以被確定，相應的處理該呼叫的蜂窩和接收到的信號功率也可以被確定。根據這些信息，系統(tǒng)規(guī)劃人員就可以更好對網絡進行規(guī)劃、擴展、部署和運營。在微觀上還能準確地監(jiān)測移動臺的移動情況，使網絡方面能更好地決定什么時候進行切換。目前主要應用于網絡優(yōu)化以及對無線資源進行智能化管理和分配。

　　5．智能交通系統(tǒng)（ITS）

　　目前各大城市開始建設智能交通系統(tǒng)，來解決車輛和交通的管理、導航等問題。利用蜂窩網絡無線定位技術，我們只需要在車輛上安裝移動電話(或其收發(fā)模塊)，就能夠以最小的投資成本、最快的建設速度方便的實現 ITS，提供監(jiān)測交通事故，疏導交通，對車輛進行定位跟蹤、調度和管理等服務，促進城市數字化的進程。這？應用對于出租車、公交車輛、警用車輛以及一些特種用途車輛的管理是非常有吸引力的。

　　6．人員或物資的安全性管理

　　在這一應用中、一種特殊的微型的收發(fā)信機(Widget)將用于取代手機。這種微型收發(fā)信機具有和手機相同的收發(fā)模塊，但沒有用戶接口、如話筒，耳機，鍵盤和顯示屏等，因此其體積小，隱蔽性強，成本也較低。這些微型的收發(fā)信機可由個人(如：老人和兒童)攜帶，或者被固定在各種物品(如：汽車和貴重資產)上，并間歇地收發(fā)信號。通過移動通信網絡，有關部門就可以有效地實現對人員的安全監(jiān)護，貨物運輸存放的監(jiān)控和管理，提高貨物運輸和存放的安全性等。