基于GSM的無(wú)線定位技術(shù)<1>

基于GSM的無(wú)線定位技術(shù)<1>
陶鵬

摘  要:本文首先對(duì)GSM的一些概念及與定位有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,其次概述性的介紹
了幾種常用的無(wú)線定位方法,之后對(duì)基于GSM的無(wú)線定位的三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與比較,
最后對(duì)基于GSM的無(wú)線定位技術(shù)所面臨的問(wèn)題與發(fā)展前景進(jìn)行了概述。
關(guān)鍵詞:GSM,無(wú)線定位,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


一、前言
自1996年10月FCC(Federal Communication Commission,聯(lián)邦通信委員會(huì))制定了擴(kuò)充無(wú)線
911業(yè)務(wù)條款以來(lái),如何利用現(xiàn)有系統(tǒng)提供定位服務(wù)的研究在全球迅速發(fā)展起來(lái)。GSM做為第
二代移動(dòng)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(rèn)定具有提供定位信息的潛能,
但直到最近才有幾個(gè)組織開始研究如何利用GSM進(jìn)行定位。利用GSM定位有其自身的特點(diǎn),但
同時(shí)也面臨著許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。本文對(duì)如何利用基于GSM的定位技術(shù)做了簡(jiǎn)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(dòng)通信系統(tǒng))是由歐洲主要電信運(yùn)
營(yíng)者和制造廠家組成的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)在80年代設(shè)計(jì),并于1992年在歐洲各國(guó)投入運(yùn)行的。
GSM最初是做為歐洲數(shù)字移動(dòng)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展起來(lái)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(diǎn)就是載波的頻率不同。因此在本文中對(duì)這三種系
統(tǒng)將統(tǒng)稱為GSM。
GSM是一個(gè)非常復(fù)雜的通信系統(tǒng),具有很多技術(shù)特點(diǎn),由于篇幅所限,下面將只簡(jiǎn)要介紹一些與
定位密切相關(guān)的技術(shù)。
2、2GSM信道及與定位相關(guān)的技術(shù)
GSM900使用兩個(gè)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(gè)頻道,
載波間隔200KHz。GSM使用時(shí)分多址,每一個(gè)時(shí)隙577μs,每8個(gè)時(shí)隙組成一幀,而后這些幀再
組成復(fù)幀。
GSM定義了許多邏輯信道,每一個(gè)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(wù)信道(TCH,Traffic Channel);協(xié)調(diào)基站與移動(dòng)臺(tái)的相關(guān)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(jié)構(gòu)來(lái)占用時(shí)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(jié)構(gòu)
中間位置的26位的訓(xùn)練序列對(duì)于定位尤其有用。這是一個(gè)為進(jìn)行相關(guān)而選擇的偽隨機(jī)序列。
通過(guò)對(duì)本地訓(xùn)練序列與接收到的突發(fā)中的訓(xùn)練序列進(jìn)行互相關(guān),GSM接收機(jī)可以得到信道的
脈沖響應(yīng),定位接收機(jī)則可利用該相關(guān)曲線的峰值點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)刻做為突發(fā)的參考時(shí)間,進(jìn)而
用于基于時(shí)間的定位測(cè)量中。當(dāng)信號(hào)通過(guò)一個(gè)多路徑信道傳輸時(shí)將時(shí)相關(guān)后的波形變形,從
而在任何時(shí)間測(cè)量中引入誤差。因此定位接收機(jī)中需要多路徑抑制算法。
GSM使用了很多方法來(lái)提高系統(tǒng)容量,其中一些方法亦可用于定位。下面簡(jiǎn)介三種主要方法:
1）扇形蜂房:在這種情況下,幾個(gè)蜂房的基站被建在一個(gè)特定的位置,而每一個(gè)基站僅負(fù)責(zé)
該位置周圍的一個(gè)扇形區(qū)域。通常的配置是由三個(gè)基站組成,每個(gè)基站提供120o的覆蓋范圍。
當(dāng)使用這樣的配置時(shí),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?yàn)榕c比特相比頻率跳躍率是緩慢的。每一個(gè)邏輯信
道可以根據(jù)分配好的跳頻計(jì)劃在不同的頻道上對(duì)連續(xù)的突發(fā)脈沖進(jìn)行傳送。這種分集效應(yīng)
對(duì)于GSM定位系統(tǒng)也是有利的,尤其在存在多路徑時(shí)更是如此。
3）控制發(fā)射功率:這用來(lái)減小用戶之間的干擾,并可以節(jié)省移動(dòng)臺(tái)的電能。控制發(fā)射功率的
方法也是通過(guò)減小干擾來(lái)輔助GSM定位系統(tǒng)的,但同時(shí)由于減少了遠(yuǎn)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(duì)GSM的技術(shù)有興趣的讀者可參閱有關(guān)資料。下面將對(duì)幾種常用的定位方法進(jìn)行一些介紹。
三、常用定位方法
通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果可以有多種方法用來(lái)進(jìn)行定位,并且這些方法可用于包括GSM在內(nèi)
的任何一種蜂窩系統(tǒng)。其中最重要的幾種測(cè)量傳輸時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差(TDOA,time difference 
of arrival),到達(dá)角(AOA,angle of arrival)以及載波相位(CP,carrier phase)。每一種測(cè)
量均可以確定一個(gè)移動(dòng)臺(tái)一定位于其上的定位區(qū),多個(gè)測(cè)量的定位區(qū)的交點(diǎn)則可以確定移動(dòng)臺(tái)
的位置。當(dāng)用來(lái)進(jìn)行定位測(cè)量的基站的個(gè)數(shù)多于所要求的個(gè)數(shù)時(shí),可用最小二乘法將這些測(cè)量
進(jìn)行結(jié)合以得到更加精確的定位。反之由于交點(diǎn)不唯一,則可導(dǎo)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(yuǎn)程定位模式,這取決于測(cè)量是在移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行還是在一個(gè)或多個(gè)
基站進(jìn)行。并且假定基站與移動(dòng)臺(tái)位于同一平面上,這對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都是大致正確的。
3、1測(cè)量傳輸時(shí)間
這種方法涉及對(duì)信號(hào)由基站傳輸?shù)揭苿?dòng)臺(tái)或由移動(dòng)臺(tái)傳輸?shù)交�站的時(shí)間的測(cè)量。替代的方法
可以對(duì)信號(hào)由信源傳到目標(biāo)再反射回信號(hào)源的往返時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,這將得出單程測(cè)量的兩倍的
結(jié)果。前一種方法要求接收信號(hào)的基站/移動(dòng)臺(tái)知道信號(hào)將開始傳輸?shù)拇_切時(shí)刻,并且要求接
收機(jī)具有非常穩(wěn)定及精確的時(shí)鐘。后一種方法則不會(huì)依賴于移動(dòng)臺(tái)與基站間同步,并且是測(cè)量
傳輸時(shí)間的常用方法。
這兩種方法都將移動(dòng)臺(tái)的位置限制在以基站為圓心的一個(gè)圓周定位區(qū)上。如再有由另一個(gè)基
站得到的傳輸時(shí)間的測(cè)量值,則可以得出另一個(gè)定位圓周(如圖1-a所示)。由圖可知這兩個(gè)圓
周交于兩點(diǎn),從而導(dǎo)致二義性。有許多方法可以消除這種二義性,包括使用有關(guān)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌
跡的先前的信息,或利用第三個(gè)基站對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。
3、2測(cè)量到達(dá)時(shí)間差
移動(dòng)臺(tái)可以對(duì)一系列的基站進(jìn)行監(jiān)聽,并測(cè)量出每一對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差。例如,如果有三個(gè)
基站則可得出兩個(gè)獨(dú)立的TDOA的測(cè)量值。每一個(gè)TDOA的測(cè)量值可以確定一個(gè)移動(dòng)臺(tái)必位于其
上的雙曲線定位區(qū)。兩個(gè)雙曲線定位區(qū)的交點(diǎn)則確定了移動(dòng)臺(tái)的位置(如圖1-b)。以上所述描
述了一個(gè)自定位系統(tǒng);反之則是一個(gè)遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)。如果每個(gè)基站監(jiān)聽每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的傳輸,并
記錄下信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA,time of arrival),再將此TOA傳送給一個(gè)控制中心,在該控制中心
可計(jì)算出所需TDOA并得出雙曲線,再由這些雙曲線的交點(diǎn)即可確定移動(dòng)臺(tái)的位置。
在一定的條件下,兩條雙曲線也可能交于兩點(diǎn),從而帶來(lái)二義性。與解決由傳輸時(shí)間測(cè)量帶來(lái)
的二義性類似,這也可通過(guò)使用第三個(gè)TDOA或適當(dāng)?shù)南惹靶畔��?lái)消除。
對(duì)于TDOA方法來(lái)講,一個(gè)重要的問(wèn)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(yuǎn)
程定位系統(tǒng)還是自定位系統(tǒng)無(wú)關(guān)。對(duì)于自定位系統(tǒng),基站是發(fā)射者,所發(fā)射的信號(hào)必須在同一
時(shí)刻(或已知時(shí)間偏差)從所有基站發(fā)出;否則,TDOS的測(cè)量將對(duì)雙曲線交點(diǎn)的位置帶來(lái)偏差。
對(duì)于遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)來(lái)講,基站是接收器,由移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)被每一個(gè)基站所檢測(cè),因此在接收
時(shí)鐘之間必須有一個(gè)已知的時(shí)間關(guān)系,不然偏差同樣將會(huì)產(chǎn)生。
圖1 常用定位方法示意:a)傳輸時(shí)間(距離)的測(cè)量;b)TDOA的測(cè)量;c)到達(dá)角的測(cè)量;d)距離與
到達(dá)角測(cè)量相結(jié)合。A、B、C代表基站,移動(dòng)臺(tái)定位在X處。
3、3測(cè)量到達(dá)角
這包括在移動(dòng)臺(tái)對(duì)來(lái)自基站的信號(hào)進(jìn)行到達(dá)角的測(cè)量或在基站對(duì)來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)進(jìn)行到達(dá)
角的測(cè)量。這兩種情況都將得到由基站到移動(dòng)臺(tái)的一個(gè)直線定位區(qū)。另外一個(gè)AOA的測(cè)量將得
到第二條直線,兩條直線的交點(diǎn)將得到定位點(diǎn)(如圖1-c)。這種方法不會(huì)產(chǎn)生二義性,因?yàn)閮蓷l
直線只能相交于一點(diǎn)。
3、4測(cè)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(zhǎng)小得多。使用載波相位定位的一個(gè)
問(wèn)題是存在大量的二義性。定位接收可以測(cè)量所接收的信號(hào)的相位,但不能直接測(cè)量到發(fā)射器
與接收器之間相差的整周期數(shù)。對(duì)載波相位進(jìn)行測(cè)量的另一個(gè)問(wèn)題是需要對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行連
續(xù)的鎖定,不然將帶來(lái)定位誤差。雖然有這些問(wèn)題,但載波相位已被用來(lái)提供精確的定位,一個(gè)
很好的例子就是GPS。GSM定位中載波相位的應(yīng)用將面臨對(duì)經(jīng)過(guò)高斯最小移頻鍵控調(diào)制的信號(hào)
進(jìn)行重建的問(wèn)題,因?yàn)闊o(wú)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(cè)量相結(jié)合也是可能的。一個(gè)普遍的例子就
是雷達(dá),它將信號(hào)傳輸時(shí)間與到達(dá)角相結(jié)合從而得到定位點(diǎn)(如圖1-d)。