基于GSM的無線定位技術<1>

基于GSM的無線定位技術<1>
陶鵬

摘  要:本文首先對GSM的一些概念及與定位有關的技術進行了簡要介紹,其次概述性的介紹
了幾種常用的無線定位方法,之后對基于GSM的無線定位的三種系統(tǒng)結構進行了分析與比較,
最后對基于GSM的無線定位技術所面臨的問題與發(fā)展前景進行了概述。
關鍵詞:GSM,無線定位,系統(tǒng)結構


一、前言
自1996年10月FCC(Federal Communication Commission,聯(lián)邦通信委員會)制定了擴充無線
911業(yè)務條款以來,如何利用現(xiàn)有系統(tǒng)提供定位服務的研究在全球迅速發(fā)展起來。GSM做為第
二代移動通信系統(tǒng)中最為成熟的產(chǎn)品,在其發(fā)展的最初就被認定具有提供定位信息的潛能,
但直到最近才有幾個組織開始研究如何利用GSM進行定位。利用GSM定位有其自身的特點,但
同時也面臨著許多問題與挑戰(zhàn)。本文對如何利用基于GSM的定位技術做了簡明的介紹。
二、GSM概述
2、1GSM的基本概念
GSM(Global System for Mobile Communications,全球移動通信系統(tǒng))是由歐洲主要電信運
營者和制造廠家組成的標準化委員會在80年代設計,并于1992年在歐洲各國投入運行的。
GSM最初是做為歐洲數(shù)字移動臺的標準發(fā)展起來的,現(xiàn)今已在世界各地廣泛使用。GSM可分為
GSM900、GSM/PCS1900(北美GSM)及GSM/DCS1800(數(shù)字通信系統(tǒng)1800)。從定位的角度看,這三
種系統(tǒng)的特性是相似的,唯一的主要不同點就是載波的頻率不同。因此在本文中對這三種系
統(tǒng)將統(tǒng)稱為GSM。
GSM是一個非常復雜的通信系統(tǒng),具有很多技術特點,由于篇幅所限,下面將只簡要介紹一些與
定位密切相關的技術。
2、2GSM信道及與定位相關的技術
GSM900使用兩個25MHz寬的頻段,分別稱為上行鏈路與下行鏈路。每一頻段又分為125個頻道,
載波間隔200KHz。GSM使用時分多址,每一個時隙577μs,每8個時隙組成一幀,而后這些幀再
組成復幀。
GSM定義了許多邏輯信道,每一個邏輯信道都有其特定的作用。其中主要有傳送用戶有效載
荷的業(yè)務信道(TCH,Traffic Channel);協(xié)調基站與移動臺的相關及專用控制信道(ADCCH,
Associated and Dedicated Control Channel);建立鏈接的公用控制信道(CCCH,Common 
Control Channel);用于建立同步的同步信道(SCH,Synchronisation Channel)及傳送系統(tǒng)
參數(shù)的廣播控制信道(BCCH,Broadcast Control Channel)等。這些邏輯信道中所包含的信
息以一種突發(fā)的結構來占用時隙。GSM以不同的格式定義了許多突發(fā)類型。在通用突發(fā)結構
中間位置的26位的訓練序列對于定位尤其有用。這是一個為進行相關而選擇的偽隨機序列。
通過對本地訓練序列與接收到的突發(fā)中的訓練序列進行互相關,GSM接收機可以得到信道的
脈沖響應,定位接收機則可利用該相關曲線的峰值點的出現(xiàn)時刻做為突發(fā)的參考時間,進而
用于基于時間的定位測量中。當信號通過一個多路徑信道傳輸時將時相關后的波形變形,從
而在任何時間測量中引入誤差。因此定位接收機中需要多路徑抑制算法。
GSM使用了很多方法來提高系統(tǒng)容量,其中一些方法亦可用于定位。下面簡介三種主要方法:
1）扇形蜂房:在這種情況下,幾個蜂房的基站被建在一個特定的位置,而每一個基站僅負責
該位置周圍的一個扇形區(qū)域。通常的配置是由三個基站組成,每個基站提供120o的覆蓋范圍。
當使用這樣的配置時,基站覆蓋范圍的限制則可為定位系統(tǒng)提供一些有用的額外信息。
2）慢速跳頻:之所以稱為慢速跳頻是因為與比特相比頻率跳躍率是緩慢的。每一個邏輯信
道可以根據(jù)分配好的跳頻計劃在不同的頻道上對連續(xù)的突發(fā)脈沖進行傳送。這種分集效應
對于GSM定位系統(tǒng)也是有利的,尤其在存在多路徑時更是如此。
3）控制發(fā)射功率:這用來減小用戶之間的干擾,并可以節(jié)省移動臺的電能�？刂瓢l(fā)射功率的
方法也是通過減小干擾來輔助GSM定位系統(tǒng)的,但同時由于減少了遠程定位系統(tǒng)中的可用的
基站數(shù)目,從而使系統(tǒng)性能有所下降。
對GSM的技術有興趣的讀者可參閱有關資料。下面將對幾種常用的定位方法進行一些介紹。
三、常用定位方法
通過對信號進行測量的結果可以有多種方法用來進行定位,并且這些方法可用于包括GSM在內
的任何一種蜂窩系統(tǒng)。其中最重要的幾種測量傳輸時間、到達時間差(TDOA,time difference 
of arrival),到達角(AOA,angle of arrival)以及載波相位(CP,carrier phase)。每一種測
量均可以確定一個移動臺一定位于其上的定位區(qū),多個測量的定位區(qū)的交點則可以確定移動臺
的位置。當用來進行定位測量的基站的個數(shù)多于所要求的個數(shù)時,可用最小二乘法將這些測量
進行結合以得到更加精確的定位。反之由于交點不唯一,則可導致定位的二重性。下面將要討
論的方法可用于自定位模式或遠程定位模式,這取決于測量是在移動臺進行還是在一個或多個
基站進行。并且假定基站與移動臺位于同一平面上,這對大多數(shù)系統(tǒng)網(wǎng)絡都是大致正確的。
3、1測量傳輸時間
這種方法涉及對信號由基站傳輸?shù)揭苿优_或由移動臺傳輸?shù)交�站的時間的測量。替代的方法
可以對信號由信源傳到目標再反射回信號源的往返時間進行測量,這將得出單程測量的兩倍的
結果。前一種方法要求接收信號的基站/移動臺知道信號將開始傳輸?shù)拇_切時刻,并且要求接
收機具有非常穩(wěn)定及精確的時鐘。后一種方法則不會依賴于移動臺與基站間同步,并且是測量
傳輸時間的常用方法。
這兩種方法都將移動臺的位置限制在以基站為圓心的一個圓周定位區(qū)上。如再有由另一個基
站得到的傳輸時間的測量值,則可以得出另一個定位圓周(如圖1-a所示)。由圖可知這兩個圓
周交于兩點,從而導致二義性。有許多方法可以消除這種二義性,包括使用有關移動臺運動軌
跡的先前的信息,或利用第三個基站對信號傳輸時間進行測量。
3、2測量到達時間差
移動臺可以對一系列的基站進行監(jiān)聽,并測量出每一對信號到達時間的差。例如,如果有三個
基站則可得出兩個獨立的TDOA的測量值。每一個TDOA的測量值可以確定一個移動臺必位于其
上的雙曲線定位區(qū)。兩個雙曲線定位區(qū)的交點則確定了移動臺的位置(如圖1-b)。以上所述描
述了一個自定位系統(tǒng);反之則是一個遠程定位系統(tǒng)。如果每個基站監(jiān)聽每個移動臺的傳輸,并
記錄下信號到達時間(TOA,time of arrival),再將此TOA傳送給一個控制中心,在該控制中心
可計算出所需TDOA并得出雙曲線,再由這些雙曲線的交點即可確定移動臺的位置。
在一定的條件下,兩條雙曲線也可能交于兩點,從而帶來二義性。與解決由傳輸時間測量帶來
的二義性類似,這也可通過使用第三個TDOA或適當?shù)南惹靶畔�來消除�?br />對于TDOA方法來講,一個重要的問題是要使用某種方法在基站間建立同步,并且這與系統(tǒng)是遠
程定位系統(tǒng)還是自定位系統(tǒng)無關。對于自定位系統(tǒng),基站是發(fā)射者,所發(fā)射的信號必須在同一
時刻(或已知時間偏差)從所有基站發(fā)出;否則,TDOS的測量將對雙曲線交點的位置帶來偏差。
對于遠程定位系統(tǒng)來講,基站是接收器,由移動臺發(fā)出的信號被每一個基站所檢測,因此在接收
時鐘之間必須有一個已知的時間關系,不然偏差同樣將會產(chǎn)生。
圖1 常用定位方法示意:a)傳輸時間(距離)的測量;b)TDOA的測量;c)到達角的測量;d)距離與
到達角測量相結合。A、B、C代表基站,移動臺定位在X處。
3、3測量到達角
這包括在移動臺對來自基站的信號進行到達角的測量或在基站對來自移動臺的信號進行到達
角的測量。這兩種情況都將得到由基站到移動臺的一個直線定位區(qū)。另外一個AOA的測量將得
到第二條直線,兩條直線的交點將得到定位點(如圖1-c)。這種方法不會產(chǎn)生二義性,因為兩條
直線只能相交于一點。
3、4測量載波相位
載波相位具有提供定位的潛能,并且誤差要比使用載波波長小得多。使用載波相位定位的一個
問題是存在大量的二義性。定位接收可以測量所接收的信號的相位,但不能直接測量到發(fā)射器
與接收器之間相差的整周期數(shù)。對載波相位進行測量的另一個問題是需要對載波信號進行連
續(xù)的鎖定,不然將帶來定位誤差。雖然有這些問題,但載波相位已被用來提供精確的定位,一個
很好的例子就是GPS。GSM定位中載波相位的應用將面臨對經(jīng)過高斯最小移頻鍵控調制的信號
進行重建的問題,因為無法保證載波是連續(xù)的。
以上介紹了四種常用的定位方法。另外將不同的測量相結合也是可能的。一個普遍的例子就
是雷達,它將信號傳輸時間與到達角相結合從而得到定位點(如圖1-d)。