蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線定位技術(shù)

谷　靜，李明遠(yuǎn)




　�。ㄎ靼搽娮涌萍即髮W(xué)　陜西　西安　710071）




　　摘　要：從移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展情況出發(fā)，介紹了無(wú)線定位技術(shù)的原理，移動(dòng)通信信道特性與定位誤差的關(guān)系以及基本的定位算法。


　　關(guān)鍵詞：無(wú)線定位；蜂窩網(wǎng)；定位算法；定位誤差



　　1　引　言


　　無(wú)線定位技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代的自動(dòng)車(chē)輛定位系統(tǒng)，隨后該技術(shù)在公共交通、出租車(chē)調(diào)度以及公安追蹤等范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。后來(lái)，隨著人們對(duì)基于位置的信息服務(wù)的需求增多，無(wú)線定位技術(shù)得到更多研究者的關(guān)注，全球定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)更使得無(wú)線定位技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，定位精度得到大幅度的提高，可達(dá)到10 m以內(nèi)。雖然直接利用GPS可以達(dá)到一種較為理想的定位效果，但是他需要專(zhuān)門(mén)的接收設(shè)備，對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)并不是很方便。近年來(lái)，隨著蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的普及，定位技術(shù)開(kāi)始用于蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)、切換、服務(wù)區(qū)確定、交通監(jiān)控等方面。


　　目前，無(wú)線定位可分為衛(wèi)星無(wú)線定位和地面無(wú)線定位，衛(wèi)星定位利用GPS，GLONASS以及我國(guó)的北斗雙星等衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的三維定位；地面無(wú)線定位則通過(guò)測(cè)量無(wú)線電波的傳播時(shí)間、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、相位、入射角度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的二維定位。蜂窩無(wú)線定位屬于地面無(wú)線定位系統(tǒng)。


　　現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中的無(wú)線定位系統(tǒng)按移動(dòng)通信結(jié)構(gòu)分為基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位、基于移動(dòng)臺(tái)的無(wú)線定位、混合定位等。近年來(lái)，隨著移動(dòng)用戶的快速增加，對(duì)位置服務(wù)的需求也大大增加，在蜂 窩系統(tǒng)中，基于位置的服務(wù)有很多種類(lèi)，如公共安全、基于位置的記費(fèi)服務(wù)、跟蹤服務(wù)增強(qiáng)呼叫的路由選擇服務(wù)等。當(dāng)前的蜂窩無(wú)線定位系統(tǒng)中，為了避免對(duì)移動(dòng)終端增加額外開(kāi)銷(xiāo)，多采用的是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，由多個(gè)基站同時(shí)接收檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)，根據(jù)測(cè)量到的參數(shù)由網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位估計(jì)。移動(dòng)終端往往是普通手機(jī)，這就需要對(duì)基站安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，測(cè)量移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)參數(shù)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ü烙?jì)出移動(dòng)臺(tái)的大致位置，而信號(hào)的傳播很大程度上取決于移動(dòng)通信信道特性，使定位精度受到很大的影響。



　　2　移動(dòng)通信網(wǎng)中的定位算法


　　2．1　基于時(shí)間的定位算法


　　該方法是通過(guò)測(cè)出電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)的傳播時(shí)間（TOA）或時(shí)間差（TDOA）來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。因此，測(cè)量值TOA或TDOA的測(cè)量精度對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位精度有很大的影響。


　　2．1．1　到達(dá)時(shí)間法TOA


　　設(shè)移動(dòng)臺(tái)與基站之間信號(hào)傳播時(shí)間為t，則移動(dòng)臺(tái)與基站的距離應(yīng)該為R＝ct，移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該位于以基站為中心，以R為半徑的圓上，如圖1所示。


　　 得到TOA的方程組為：






　　坐標(biāo)，ti為接收到第i個(gè)基站發(fā)送的信息的時(shí)間，t為基站發(fā)送信號(hào)的時(shí)間。







　　若測(cè)得信號(hào)在移動(dòng)臺(tái)與3個(gè)基站的傳播時(shí)間，那么3個(gè)圓的交點(diǎn)就是基站的位置，如圖2（a）所示。


　　TOA算法要求參加定位的各個(gè)基站在時(shí)間上要嚴(yán)格同步，由于電磁波的傳播速率很高（108 m／s），微小的誤差將會(huì)在算法中放大，使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS以及噪聲等干擾造成的誤差會(huì)使圓無(wú)法交匯，或者交匯處不是一點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，如圖2（b）所示。







　　因此TOA對(duì)系統(tǒng)同步的要求很高，并且需要在信號(hào)中加時(shí)間戳，而實(shí)際參加定位的基站一般在3個(gè)以上，誤差是不可避免的。這時(shí)候可以利用GPS對(duì)基站進(jìn)行校時(shí)并利用其他補(bǔ)償算法來(lái)估計(jì)位置，提高算法的精確度，但同時(shí)增加系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)和算法復(fù)雜程度，因此單純的TOA算法在實(shí)際中應(yīng)用很少。


　　2．1．2　到達(dá)時(shí)間差算法TDOA


　　TDOA算法是對(duì)TOA算法的改進(jìn)，他不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置，與TOA算法相比他不需要加入專(zhuān)門(mén)的時(shí)間戳，定位精度也有所提高。TDOA值的獲取一般有2種形式：


　　第1種形式是利用移動(dòng)臺(tái)到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間TOA，取其差值來(lái)獲得，這時(shí)仍需要基站時(shí)間的嚴(yán)格同步，但是當(dāng)兩基站間移動(dòng)信道傳輸特性相似時(shí)，可減少由多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，如圖3所示。


　　根據(jù)到達(dá)時(shí)間差獲得的TDOA方程為：











　　第2種形式是將一個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)與另一個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而得到TDOA的值，這種算法可以在基站和移動(dòng)臺(tái)不同步時(shí)，估計(jì)出TDOA的值，由于實(shí)際應(yīng)用中，往往很難做到基站與移動(dòng)臺(tái)的同步，所以利用相關(guān)估計(jì)得到TDOA值，再進(jìn)行定位計(jì)算能獲得較高精度。對(duì)于蜂窩網(wǎng)中的移動(dòng)臺(tái)定位而言，TDOA更具有實(shí)際意義，這種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求相對(duì)較低，并且定位精度較高，目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。


　　2．2　基于場(chǎng)強(qiáng)的定位算法


　　該算法是通過(guò)測(cè)出接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值估計(jì)收發(fā)信端的距離，根據(jù)多個(gè)距離值就可以得到目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。一次場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量把移動(dòng)臺(tái)鎖定在以基站為中心的軌道上，圓的半徑由場(chǎng)強(qiáng)值確定，一般通過(guò)3個(gè)基站就可以確定移動(dòng)臺(tái)的位置。場(chǎng)強(qiáng)法算法雖然比較簡(jiǎn)單，但由于多徑效應(yīng)的影響，定位精度較差。


　　2．3　基于入射角度的定位算法AOA


　　AOA算法是在接收機(jī)通過(guò)天線陣列測(cè)出電磁波的入射角度，形成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方向線，即測(cè)位線，由2個(gè)基站得到的2個(gè)測(cè)位線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。因此，AOA算法只需要2個(gè)基站就可以確定位置，而2條直線只有一個(gè)交點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)軌跡有多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象，即定位的模糊性。但為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)的天線需要改進(jìn)，必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。


　　2．4　混合定位


　　前面幾種算法在蜂窩系統(tǒng)中都可以對(duì)移動(dòng)臺(tái)的位置做出估計(jì)，但不同的信道環(huán)境中，幾種方法獲得的合多種定位技術(shù)，采用多種電波特征的測(cè)量值對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行位置估計(jì)�；旌隙ㄎ坏牡湫屠�子是入射角定位法與時(shí)間的定位法的結(jié)合，如AOA與TDOA組合定位，可以克服由同步和多徑帶來(lái)的部分誤差，AOA與TDOA組合定位只需一個(gè)基站就可以確定移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖4所示。







　　3　移動(dòng)通信信道特性與定位誤差


　　現(xiàn)有的各種無(wú)線定位方法，都是在測(cè)量的時(shí)間、相位、場(chǎng)強(qiáng)等定位參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用一定的算法計(jì)算的，而定位參數(shù)的確定很大程度上取決于移動(dòng)信道的傳輸特性。在蜂窩系統(tǒng)中信道干擾主要來(lái)自無(wú)線電波的非視距（NLOS）傳播以及多徑效應(yīng)，這些特征正是造成蜂窩系統(tǒng)無(wú)線定位誤差的根本原因。


　　當(dāng)移動(dòng)臺(tái)（MS）與基站（BS）之間的直射路徑被障礙物擋住后，無(wú)線電波只能在經(jīng)過(guò)反射和衍射后到達(dá)接收端，此時(shí)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，如到達(dá)時(shí)間、時(shí)間差、入射角度等，將不能正確反映發(fā)送端與接受端的真實(shí)距離，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為非視距傳播（NLOS）。非視距傳播造成定位算法性能的顯著下降，事實(shí)證明即使在無(wú)多徑效應(yīng)和采用高精度定位技術(shù)的情況下，NLOS傳播也會(huì)引起測(cè)量誤差。因此，如何降低NLOS傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵。目前，降低NLOS傳 播的影響通常有多種方法，如利用測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)信息就可以將一段時(shí)間內(nèi)的NLOS測(cè)量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測(cè)量值，這種統(tǒng)計(jì)方法的有效之處在于，承認(rèn)已有的系統(tǒng)和測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)的開(kāi)銷(xiāo)�。唤档蚅S算法中NLOS測(cè)量值的權(quán)重，在LS算法中增加約束項(xiàng)等，這些方法目前都是研究的熱點(diǎn)。此外，還可以將定位與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，采用已有的地理位置信息對(duì)定位做出修正。



　　4　結(jié)　語(yǔ)


　　隨著蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展，定位技術(shù)已應(yīng)用到各行各業(yè)，基于位置的服務(wù)種類(lèi)也更為廣泛，因此在研究蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無(wú)線定位技術(shù)有很大的意義和價(jià)值。目前的定位技術(shù)還存在著很多問(wèn)題，除了要對(duì)現(xiàn)有的算法進(jìn)行改進(jìn)，研究蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的定位性能，提高定位精度外，還要考慮各種算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)臺(tái)的改動(dòng)，即算法的可行性等問(wèn)題。但隨著技術(shù)的發(fā)展，定位精度必然會(huì)大幅度提高，涉及到的安全與個(gè)人隱私等問(wèn)題也會(huì)逐漸解決，定位技術(shù)的應(yīng)用范圍也將會(huì)更加廣泛。




　　參考文獻(xiàn)




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摘自 現(xiàn)代電子技術(shù)