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1 引言
移動(dòng)用戶在蜂地區(qū)范圍內(nèi)有可能發(fā)生緊急事件需要呼叫求援，地區(qū)公安或關(guān)應(yīng)急部門應(yīng)該能夠立即利用無(wú)線電波測(cè)定發(fā)出呼叫的移動(dòng)用戶的位置，以便及趕往呼叫地點(diǎn)查有實(shí)情進(jìn)行援助。此事有關(guān)人身安全、具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1996年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）作出規(guī)定，要求各蜂窩網(wǎng)提供者配合當(dāng)?shù)毓舶踩珣?yīng)答點(diǎn)（RSAP），對(duì)移動(dòng)電話用戶的緊急呼叫實(shí)施應(yīng)急業(yè)務(wù)，代號(hào)為E-911（Emergency call“911”），于1998年開始實(shí)行。要求在2001年10月1日前，各種無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須能對(duì)發(fā)出E-911緊急呼叫的移動(dòng)臺(tái)提供精度在125m內(nèi)的定位服務(wù)，而且滿足此定位精度的概率應(yīng)不低于67％。其余33％將在2001年以后，提供更高的定位精度及三維位置信息。歐洲和日本也作了相應(yīng)的要求，提供E-911定位服務(wù)將是今后蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)必備的基本功能。各國(guó)公司對(duì)GSM、IS-95和3G等網(wǎng)絡(luò)制定了各自的實(shí)施方案，取得了一定的成果，但和E-911的要求還有一定的差距�？傊�，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線定位問(wèn)題，近年已被提到議事日程上，迫切希望得到較完善的實(shí)用技術(shù)。
2 無(wú)線定位技術(shù)
無(wú)線定位有多種技術(shù)，首先應(yīng)該提到“全球定位系統(tǒng)”（GPS,Global Positioning System）。GPS是美國(guó)國(guó)防部研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它為全球用戶提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的高精度位置、速度和時(shí)間信息。目前，GPS定位技術(shù)除了廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和水面船只的導(dǎo)航定位外，在陸地車輛的導(dǎo)航定位中也獲得了廣泛的應(yīng)用。GPS接受機(jī)是根據(jù)軌道運(yùn)行的24顆衛(wèi)星網(wǎng)發(fā)出4個(gè)或更多個(gè)L頻段信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（TOA,TIME OF ARRIVAL）來(lái)估計(jì)其位置，測(cè)量精度約在50m以內(nèi)。但由于成本、體積、復(fù)雜性、功耗和易受射頻干擾等原因，以及在城市環(huán)境，有高樓大廈、林蔭遮擋衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)致GPS的功能失效，不能正常定位。
蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位系統(tǒng)中，對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位是通過(guò)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)和蜂窩網(wǎng)內(nèi)多個(gè)蜂窩區(qū)的無(wú)線電基站收發(fā)信機(jī)之間傳播信號(hào)的特征參數(shù)來(lái)估計(jì)目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的幾何位置，這種技術(shù)可以利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA），即移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)無(wú)線電波到達(dá)多個(gè)蜂窩區(qū)基站的時(shí)間，以確定移動(dòng)臺(tái)現(xiàn)在的位置。也可以利用到達(dá)時(shí)間的差，根據(jù)多個(gè)TDOA數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的多條雙曲線的交點(diǎn)來(lái)估計(jì)目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置，這就不再需要移動(dòng)臺(tái)有準(zhǔn)確的參考時(shí)間。另一種技術(shù)是利用到達(dá)角度。每個(gè)無(wú)線電基站各裝備天線陣列，通過(guò)天線陣列測(cè)出電波的入射角，構(gòu)成一根從接受機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線，即測(cè)位線，待定發(fā)出信號(hào)的移動(dòng)臺(tái)的位置可由兩根測(cè)位線的交點(diǎn)獲得。一般地說(shuō)，AOA定位法雖有一定精度，但要求每一基站各自設(shè)置天線陣列，并且準(zhǔn)確校準(zhǔn)，接收設(shè)備比較復(fù)雜。TOA定位法精度較高，但要求各基站間利用GPS參考時(shí)間達(dá)到時(shí)間同步。TDOA定位法能消除對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的依賴性，可以降低成本并仍保證一定的定位精度。AOA定位法如與TDOA定位法結(jié)合使用，就可以從較少基站獲得的兩種數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確度較高的測(cè)位置，但在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中采用該法對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的改動(dòng)較大。故目前受到廣泛關(guān)注和深入研究的是基于TOA或TDOA的定位法，該定位法只需對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作適當(dāng)擴(kuò)充、修改、不需要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)作任何修改，能充分利用現(xiàn)有各種蜂窩系統(tǒng)的資源，保護(hù)用戶已有投資實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，因而是E-911定位需求首選。
3 CDMA蜂窩網(wǎng)的無(wú)線定位技術(shù)
CDMA蜂窩網(wǎng)是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。它具有頻率利用率高、系統(tǒng)容量大、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低、話音質(zhì)量好、支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力強(qiáng)、傳輸可靠保密性能好、手機(jī)功率小、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，每一蜂窩區(qū)無(wú)線基站至移動(dòng)臺(tái)的無(wú)線線路稱為正向通路，而移動(dòng)臺(tái)至基站的上行線路稱為反向通路。
�。�1）利用反向通路定位
由移動(dòng)臺(tái)發(fā)出預(yù)定信號(hào)，并由時(shí)間同步的幾個(gè)基站接收機(jī)同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，從各接收信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)位置有關(guān)的特征信息送到一個(gè)信息處理中心進(jìn)行處理，計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。但是，CDMA蜂窩通信系統(tǒng)有功率控制措施，移動(dòng)臺(tái)移近某一基站時(shí)，發(fā)射功率相應(yīng)降低，影響其它基站的接收。補(bǔ)救辦法是使移動(dòng)臺(tái)呼叫發(fā)射大功率的突發(fā)信號(hào)，使幾個(gè)基站都能收到，但是在蜂窩網(wǎng)內(nèi)有幾個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)呼叫請(qǐng)求定位時(shí)，如果都發(fā)大功率信號(hào)，又容易引起不穩(wěn)定。
�。�2）利用正向通路定位
由移動(dòng)臺(tái)根據(jù)接收到的多個(gè)已知位置發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)位置有關(guān)的特征信息來(lái)確定其與各發(fā)射機(jī)之間的幾何位置關(guān)系，再根據(jù)有關(guān)算法對(duì)其自身位置進(jìn)行定位估計(jì)，由移動(dòng)臺(tái)用戶掌握其自身的位置信息。利用正向通路進(jìn)行定位可以避免CDMA系統(tǒng)功率控制引起的困難。在這種方法中，每個(gè)基站都廣播一個(gè)導(dǎo)引偽噪聲序列（pilot PN sequence），但各有預(yù)定的偏移。各個(gè)基站是同步的，移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該能夠識(shí)別收到信號(hào)來(lái)自哪個(gè)基站。在典型的IS-95中，移動(dòng)臺(tái)設(shè)置4個(gè)rake接受機(jī)搜尋指，其中3個(gè)用來(lái)接收進(jìn)入的信號(hào)，余下1個(gè)則用來(lái)搜索多徑信號(hào)和越區(qū)切換侯選基站。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，移動(dòng)臺(tái)跟蹤其附近的最強(qiáng)導(dǎo)引信號(hào)。它從基站接到導(dǎo)引信號(hào)測(cè)量請(qǐng)求通知后，立即把收到的所有導(dǎo)引信號(hào)的情況向該基站匯報(bào)，其中包括每一導(dǎo)引的值及其相對(duì)于該基站所發(fā)導(dǎo)引號(hào)偏移的PN相位。利用該基站發(fā)出的導(dǎo)引信號(hào)作為參考相位，又根據(jù)附近基站所發(fā)導(dǎo)引信號(hào)的PN偏移，有可能估算移動(dòng)臺(tái)的TDOA。這就是說(shuō)，只要移動(dòng)臺(tái)能檢測(cè)、鎖定和匯報(bào)至少3個(gè)不同基站所發(fā)導(dǎo)引信號(hào)的相位，就有可能對(duì)移動(dòng)臺(tái)作出定位估測(cè)。這種估測(cè)的誤差，主要來(lái)自各基站的同步定時(shí)誤差，包括PN相位分辨不夠精細(xì)和接收信號(hào)的多徑傳播和非視線傳播。為了保證準(zhǔn)確度，要求利用GPS時(shí)間基準(zhǔn)作為參考，限制各基站的同步誤差不大于幾十納秒。
�。�3）為了估測(cè)移動(dòng)臺(tái)位置，也可考慮無(wú)線電波到達(dá)角定位技術(shù)，由幾個(gè)基站各自的天線陣列測(cè)量移動(dòng)臺(tái)所發(fā)信號(hào)的到達(dá)角。但是，蜂窩區(qū)內(nèi)無(wú)線電波傳移動(dòng)臺(tái)周圍形成散射環(huán)有一定的半徑。從移動(dòng)臺(tái)散射環(huán)周邊到達(dá)基站的角度與從環(huán)中心到達(dá)基站的角度有差異，使AOA定位方法發(fā)生困難。如果基站天線建筑較高，AOA定位法還可能利用，但在微蜂窩區(qū)，安裝基站的位置很低，AOA定位法幾乎無(wú)法使用另外，移動(dòng)臺(tái)的散射環(huán)半徑a必須小于200m，才能進(jìn)行定位而誤差不致于過(guò)大。
4 無(wú)線定位誤差產(chǎn)生的原因及解決方法
造成無(wú)線定位系統(tǒng)估測(cè)誤差的主要原因是無(wú)線電波的多徑傳播、非視線（NLOS,Non line of Sight）傳播和多址干擾等，如何降低這些因素的影響是提高無(wú)線定位精度的關(guān)鍵。
�。�1）多徑傳播對(duì)測(cè)量到達(dá)角和測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度的準(zhǔn)確度都有較大影響。對(duì)于測(cè)量TOA和TDOA，雖然移動(dòng)臺(tái)與基站之間無(wú)線電波有視線路徑，多徑傳播對(duì)定時(shí)測(cè)量也會(huì)引起誤差。如欲精確測(cè)量傳播時(shí)延，多徑效應(yīng)也有影響�，F(xiàn)在已經(jīng)研究出了一些減輕蜂窩網(wǎng)中多徑傳播影響的有效方法。
（2）即使在無(wú)多徑效應(yīng)和采用高精度定時(shí)技術(shù)的情況下，NLOS傳播也會(huì)引起TOA或TDOA測(cè)量誤差。因此，減小NLOS傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵。在城市里，高樓大廈林立，信號(hào)在移動(dòng)臺(tái)與基站之間很可能是NLOS傳播，移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)不能直接到達(dá)基站，而是經(jīng)過(guò)反射或衍射到達(dá)基站，其路程距離必然比直接路程長(zhǎng)。為了辨別是LOS傳播還是NLOS傳播，可以測(cè)算TOA的標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般情況是準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于LOS傳播的，利用測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)信息就可對(duì)兩種路程作出區(qū)別，將一段時(shí)間內(nèi)的NLOS傳播測(cè)量值調(diào)節(jié)到接近LOS傳播的測(cè)量值。
�。�3）在各種蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，都存在著多址干擾。特別在CDMA蜂窩網(wǎng)，所有移動(dòng)臺(tái)使用同一頻帶，僅擴(kuò)頻碼不同。而且CDMA有遠(yuǎn)近效應(yīng)，移動(dòng)臺(tái)離基站越近，發(fā)射功率越小，受到多址干擾越大。在使用時(shí)延鎖定環(huán)路的情況下，多址干擾影響很大，當(dāng)蜂窩網(wǎng)內(nèi)幾個(gè)蜂窩區(qū)的基站測(cè)量某一移動(dòng)臺(tái)的位置時(shí)，每一基站收到覆蓋區(qū)內(nèi)其它移動(dòng)臺(tái)的干擾信號(hào)，影響基站測(cè)量TOA/TDOA的準(zhǔn)確度�？梢圆捎迷贓-911呼叫時(shí)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大，改進(jìn)軟切換方式，利用抗遠(yuǎn)近效應(yīng)延時(shí)估計(jì)器與多用戶檢測(cè)器等方法減少多徑干擾。這種多址干擾也是當(dāng)前研究CDMA蜂窩網(wǎng)的一個(gè)重要課題。
5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)研究CDMA蜂窩網(wǎng)的無(wú)線定位技術(shù)，即可以滿足E-911的定位需求，提高移動(dòng)用戶的安全保障，又可以將其應(yīng)用于對(duì)移動(dòng)用戶位置的靈活計(jì)費(fèi)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃等領(lǐng)域，但目前該項(xiàng)技術(shù)和E-911定位需求還有一定差距，許多問(wèn)題還有待于進(jìn)一步深入研究。
摘自《無(wú)線電工程》2001.5
