蜂窩系統(tǒng)無(wú)線定位原理及應(yīng)用

蜂窩系統(tǒng)無(wú)線定位原理及應(yīng)用（鄧平、范平志）
【摘要】本文介紹了無(wú)線定位系統(tǒng)的分類、基本的無(wú)線定位技術(shù)及基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方案，
討論了基于時(shí)間的定位法及其特點(diǎn)，分析了定位誤差產(chǎn)生的原因及其對(duì)策，并介紹了基于蜂
窩系統(tǒng)的無(wú)線定位技術(shù)的各種應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】蜂窩系統(tǒng)；無(wú)線定位技術(shù)；TOA；TDOA，
1引言
    1996年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）公布了E－911（Emergency call'911'）定位需求，
其中要求在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％；并在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，表明提供E－911定位服
務(wù)將是今后蜂窩網(wǎng)絡(luò)必備的基本功能。該需求頒布以來(lái)，由于政府的強(qiáng)制性要求和市場(chǎng)本身
的驅(qū)動(dòng)，各國(guó)公司就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定位需求的要求還有一定差距。目前國(guó)內(nèi)對(duì)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)的研究還
很有限，極少見(jiàn)到有關(guān)研究結(jié)果發(fā)表，因此對(duì)這一新技術(shù)的研究應(yīng)引起我們的高度重視。
2蜂窩系統(tǒng)中無(wú)線定位方案的確定
    要在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位功能，首先必須選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ幌到y(tǒng)類型。
相應(yīng)的定位技術(shù)及實(shí)施方案。
2.1 定位系統(tǒng)的選擇
    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)和多個(gè)固定位置收發(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。根據(jù)進(jìn)行定位估計(jì)的位置及定位數(shù)據(jù)用途的不
同可將對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位方案分為兩類：基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案和基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，與之
對(duì)應(yīng)有以下兩類定位系統(tǒng)：
    （1）基于移動(dòng)臺(tái)的定位系統(tǒng)
    這類系統(tǒng)也稱為移動(dòng)臺(tái)自定位系統(tǒng)，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也叫做前向鏈路定位系統(tǒng)。其定位過(guò)
程是由移動(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。著名的GPS系統(tǒng)即屬于這類系統(tǒng)。
    （2）基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)
    這類系統(tǒng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也叫做反向鏈路定位系統(tǒng)。其定位過(guò)程是由多個(gè)固定位置接收機(jī)
同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，將從各接收信號(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。自動(dòng)車輛定位（AVL）系統(tǒng)即屬這類
系統(tǒng)。
    從上述各定位系統(tǒng)的基本特征可以看出，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中采用基于移動(dòng)臺(tái)的前向鏈路定位
方案必須對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)修改，如集成GPS接收機(jī)或能同時(shí)接收多個(gè)基站信號(hào)進(jìn)行自定
位的處理部件，還必須用適當(dāng)方式將定位信息傳送回蜂窩網(wǎng)絡(luò)�；�于網(wǎng)絡(luò)的反向鏈路定位方
案只需對(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)的龐大資源，保護(hù)用戶已有投資，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，因而是E－911定位需求的
首選。
2.2定位方法的確定
    在各種無(wú)線定位系統(tǒng)中，采用的基本定位技術(shù)都是類似的，通�？晒┻x擇的基本定位技
術(shù)有：
    （1）場(chǎng)強(qiáng)定位法
    這種方法是通過(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)值估算
出收發(fā)信機(jī)之間的距離，根據(jù)多個(gè)距離值即能估計(jì)出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。
    （2）基于電波傳播時(shí)間（TOA或TDOA）的定位法
    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)間或時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)
臺(tái)的位置。對(duì)于TOA方法，收發(fā)信機(jī)之間的距離可通過(guò)測(cè)出的電波傳播時(shí)間獲得；對(duì)于TDOA方
法，則是根據(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。
    （3）基于電波人射角（AOA）的定位法
    該方法是在接收機(jī)通過(guò)天線陣列測(cè)出電波的人射角，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的
徑向連線，即測(cè)位線，待定位發(fā)射機(jī)的二維位置坐標(biāo)可由兩根測(cè)位統(tǒng)的交點(diǎn)獲得。
    （4）混合定位法
    該法是在系統(tǒng)中同時(shí)利用不同類型的信號(hào)特征測(cè)量值，如TDA、AOA進(jìn)行定位估計(jì)。在蜂
窩網(wǎng)絡(luò)中利用服務(wù)基站測(cè)得的TOA和AOA數(shù)據(jù)就能確定移動(dòng)臺(tái)的位置。
    利用上述基本定位技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的前提是電波在收發(fā)信機(jī)之間能視距（LOS）傳播。
在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，由于受非視距（NLOS）傳播、多徑效應(yīng)和各種噪聲干擾的影響，定位精度往
往受到很大影響。
    上述定位法中，場(chǎng)強(qiáng)定位法最簡(jiǎn)單，但定位精度較差；AOA定位法雖有一定精度，但接收
設(shè)備較復(fù)雜；TOA定位法精度較高，但對(duì)時(shí)間同步有較高要求；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；混合定位法能滿足一定的定位精度，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
TDA或TDOA的反向鏈路定位法。
3基于時(shí)間的定位法
    由于在基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)中通常采用精度較高的基于TOA或TDOA的定位法，下面簡(jiǎn)
要介紹與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論。
3.1TOA和TDOA的基本原理
    TOA是基于這樣的原理：電波從發(fā)射機(jī)傳播到接收機(jī)的距離與電波傳播時(shí)間成正比。若電
波從目標(biāo)發(fā)射機(jī)到第i個(gè)固定位置接收機(jī)的傳播時(shí)間為ti，電波傳播速度為c，發(fā)射機(jī)的位置坐
標(biāo)為X0，y0，接收機(jī)位置坐標(biāo)為xi，yi，則發(fā)射機(jī)必定處在以xi，yi為圓心，以cti為半徑的
圓上。在多個(gè)接收機(jī)上進(jìn)行上述計(jì)算，則目標(biāo)發(fā)射機(jī)的二維位置坐標(biāo)可由三個(gè)以上圓的相交點(diǎn)
確定。TDOA則是通過(guò)檢測(cè)電波到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)的時(shí)間差，而不是由到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)
臺(tái)的位置。發(fā)射機(jī)必定位于以兩個(gè)接收機(jī)為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定發(fā)射機(jī)的二維位置坐標(biāo)
需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩雙曲線的交點(diǎn)即為發(fā)射機(jī)的二維位置坐標(biāo)。
3.2 TOA及TDOA估計(jì)值的獲得
    基于時(shí)間的定位法要求基站接收機(jī)從接收到的射頻信號(hào)中提取準(zhǔn)確的TOA或TDOA估計(jì)值。
在蜂窩系統(tǒng)中可用于獲得TOA或TDOA估計(jì)值的方法有相位測(cè)距法、脈沖測(cè)距法和擴(kuò)頻測(cè)距法，
在CDMA蜂容系統(tǒng)中通常采用擴(kuò)頻測(cè)距法。
    CDMA系統(tǒng)采用的擴(kuò)頻測(cè)距法通常有兩種：一種是采用滑動(dòng)相關(guān)器或匹配濾波器的時(shí)間粗探
測(cè)方法，粗探測(cè)過(guò)程由滑動(dòng)相關(guān)器、匹配濾波器或連續(xù)探測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，將時(shí)延估計(jì)值鎖定在
1個(gè)碼片間隔內(nèi)；另一種是采用延時(shí)鎖相環(huán)（DLL）的精探測(cè)方法，精探測(cè)過(guò)程則由延時(shí)鎖定環(huán)
維持本地及輸入PN序列的一致。該法在GPS系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。
3.3基本定位算法
    基于時(shí)間的定位法如果直接利用TOA或TDOA估計(jì)值求解上述非線性的定位圓或定位雙曲線方
程組來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)的位置通常比較困難，在有一定時(shí)間測(cè)量誤差時(shí)由于各定位圓或定位雙曲線
可能沒(méi)有交點(diǎn)而不能進(jìn)行正常定位。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用所謂最小平方（LS）誤差算法。該
算法通過(guò)使非線性誤差函數(shù)的平方和函數(shù)取得最小值這一非線性最優(yōu)化過(guò)程來(lái)估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的位
置。有多種遞歸算法可以進(jìn)行求解，可根據(jù)具體應(yīng)用靈活選擇。
4 產(chǎn)生定位誤差的原因及對(duì)策
    在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，造成定位誤差的主要原因有多徑傳播，NLOS傳播及多址干擾等，
如何采取適當(dāng)措施降低這些因素的影響是提高定位精度的關(guān)鍵，也是無(wú)線定位技術(shù)研究的首要
問(wèn)題。
    （1）多徑傳播是引起AOA及場(chǎng)強(qiáng)法定位不準(zhǔn)確的基本原因。對(duì)基于時(shí)間的定位法來(lái)說(shuō)，即
使在MS和BS之間電波可以視距傳播，多徑傳播也會(huì)引起時(shí)間測(cè)量誤差。目前已出現(xiàn)了一些對(duì)付
多徑傳播的有效方法。
    （2）NLOS傳播也是影響定位精度的主要原因。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，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；降低LS算法中NLOS測(cè)量值的權(quán)重，在LS算法
中增加約束項(xiàng)等。這些方法也是目前的研究熱點(diǎn)。
    （3）在CDMA系統(tǒng)中，多址干擾在基于時(shí)間的定位系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)重影響時(shí)間粗捕獲，對(duì)延時(shí)鎖
相環(huán)的時(shí)間測(cè)量也有很大影響。功率控制的采用使多個(gè)非服務(wù)基站難于同時(shí)正確測(cè)量TOA或TDOA
測(cè)量值。目前已出現(xiàn)了一些探索解決該問(wèn)題的方法，如在E一911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。
5無(wú)線定位技術(shù)的應(yīng)用
    在蜂窩系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位功能除了滿足E－911定位需求外，還可具有多種用途，既
可方便移動(dòng)臺(tái)用戶又可為企業(yè)提供商業(yè)機(jī)會(huì)，甚至還可能對(duì)蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略產(chǎn)生很大影響。
一般來(lái)說(shuō)，在蜂窩系統(tǒng)中無(wú)線定位技術(shù)有以下用途：
    （1）基于移動(dòng)臺(tái)位置的靈活計(jì)費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)管理中心在計(jì)費(fèi)時(shí)根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所在的不同位置收取
不同的通話費(fèi)，如在呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費(fèi)，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費(fèi)
用，達(dá)到調(diào)節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。
    （2）提高用戶的安全保障。近年來(lái)由于移動(dòng)用戶的爆炸性增長(zhǎng)，蜂窩系統(tǒng)中移動(dòng)用戶的報(bào)
警呼叫和求助呼叫的數(shù)量也急劇增加。在很多情況下移動(dòng)用戶并不能準(zhǔn)確說(shuō)出其所在的位置，因
此象有線電話那樣能自動(dòng)提供呼叫者的位置信息就顯得尤其重要。這樣將會(huì)使有關(guān)應(yīng)急部門(mén)能及
時(shí)找到呼叫者，采取響應(yīng)的救助措施。
    （3）智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）。因智能運(yùn)輸系統(tǒng)中涉及到大量對(duì)車輛的定位處理，過(guò)去為此設(shè)
計(jì)了AVL系統(tǒng)，為此要占用寶貴的頻帶資源，花費(fèi)大量的硬件投資。在蜂窩系統(tǒng)中提供對(duì)移動(dòng)臺(tái)
的定位服務(wù)后，ITS系統(tǒng)中就可利用該功能來(lái)取代AVL系統(tǒng)，提供諸如車輛及旅客位置、車輛的調(diào)
度管理。監(jiān)測(cè)交通事故、疏導(dǎo)交通等服務(wù)。
    （4）增強(qiáng)蜂窩性能。在蜂窩系統(tǒng)中提供對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位服務(wù)后，微觀上能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)移動(dòng)
臺(tái)的移動(dòng)，使網(wǎng)絡(luò)方面能更好地決定什么時(shí)候進(jìn)行小區(qū)間的切換，宏觀上移動(dòng)臺(tái)的位置數(shù)據(jù)對(duì)蜂
窩的規(guī)化具有很好的參考價(jià)值。
    （5）蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)和資源管理。蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備定位能力后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者能改進(jìn)他們對(duì)蜂窩
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃能力。通過(guò)對(duì)呼叫移動(dòng)臺(tái)的定位，網(wǎng)絡(luò)方面可根據(jù)其位置分配相應(yīng)信道，從而提
高頻譜利用率，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行更有效的管理。經(jīng)營(yíng)多種業(yè)務(wù)的公司在任何時(shí)間、任何位置能讓
用戶自由選擇最適合其需要的服務(wù)載體。
    隨著定位技術(shù)的發(fā)展，其它潛在的應(yīng)用還將出現(xiàn)。
6結(jié)論
    自E一911定位需求頒布以來(lái)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)在國(guó)外得到廣泛研究，定位技術(shù)
自身應(yīng)用的重要性及對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的有益促進(jìn)作用得到了人們的認(rèn)可。但目前該項(xiàng)技術(shù)
和五一911定位需求還有一定差距，許多技術(shù)問(wèn)題還有待深入研究。因而我們加強(qiáng)對(duì)基于蜂窩網(wǎng)
絡(luò)，
特別是CDMA網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)的研究對(duì)于我們把握時(shí)代脈搏，趕超國(guó)外蜂窩移動(dòng)通信的先進(jìn)技
術(shù)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白具有重要意義。