（无线电物理专业论文）基于朗讯phs系统的单基站无线定位技术及应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 l 论文作者签名： 銎驽 日期：型：皇：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：篁塑l 导师签名：三菱。良日 期：兰型：丝! 兰 省耋盔主塑主主丝鎏塞 中文摘要 随着p h s ( p e r s o n a lh a n d y - p h o n es y s t e m ) 无线市话业务的迅速普及，p h s 无 线市话定位业务将成为无线数据增值业务的一个新亮点。这种定位服务对于需要 紧急服务的公安、金融、交通等行业用户有着广泛的应用前景，同时也对p h s 系 统的无线定位技术的选取和应用提出了要求 本文通过对目前常见的几种无线定位技术如小区识别法( c e l l i d ) 、到达时 问法( t o a ) 、到达时间差法佃d o a ) 和到达角法( a o a ) 等的分析对比，结合目前实 际应用的p h s 网络情况，从定位技术的实用性、经济性和实际可操作性角度出发， 得出了单基站定位技术是目前情况下最实用的无线定位方法的结论，提出了可行 的业务应用方案并在朗讯p h s 系统的相关平台上进行了实验测试。研究基于目前 p h s 网络的无线定位技术应用，对于低成本地将p h s 定位业务推向商用普及和为社 会提供位置信息等便民服务无疑具有重要的经济和社会价值。 论文第一章前言部分介绍了无线定位业务的发展情况和相关的无线定位技术 以及影响无线定位技术发展的因素，阐述了论文的研究目的、方法及完成的主要 工作；第二章，对p h s 系统的结构组成、应用、特点和主要技术等进行了说明讲 解；第三章，详细分析p h s 系统中应用的主要无线定位技术及其特点对比；第四 章，具体介绍在朗讯p h s 系统中应用单基站无线定位技术实现定位业务的方案及 实验测试结果；第五章，对基于单基站c e l li d 的p h s 定位业务进行总结并对将 来p h s 定位业务的发展前景做出预测。 诚然，要使无线定位的精度得到大幅度提高，可能要综合利用几种定位技术 如t o a o a t d o a 等，利用信号的多种不同测量值进行混合定位，但是限于时 间和目前实际工作中所能提供的实验条件，这将有待于在今后的工作中作进一步 研究。 关键词；朗讯；p h s ；单基站：无线定位技术；无线定位业务 a b s t r a c t w i t ht h ef a s tp o p u l a r i t yo fp h s ( p e r s o n a lh a n d y - p h o n es y s t e m ) t h el o c a t i o n s e r v i c eo fp h sw i l lb ean e wh i 曲l i g h to ft h ew i r e l e s sd a t aa d d i t i o n a ls e r v i c e 1 1 h e s y s t e mo ft h el o c a t i o ns e r v i c eo fp h sw i l lg i v eal o to fa p p l i c a t i o n si nt h ea r e a sw h i c h n e e de m e r g e n c ys e r v i c es u c ha sp u b l i cs e c u r i t y , f i n a n c ea n dt r a n s p o r t a t i o n s oi tp u t s f o r w a r dt h en e e do f s e l e c t i o na n da p p l i c a t i o no f w i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yo f p h s a tt h es a m et i m e 确i s p a p e ra n a l y z e s a n dc o m p a r e ss e v e r a lc o m m o nw i r e l e s s p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g i e ss u c ha sc e l l ，i d ，t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) ，t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) a n da o a ( a n g l eo fa r r i v a l ) ；c o n c h d e st h a tt h ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yo fs i n g l ec e l l s i t e i di st h em o s tp r a c t i c a lm e t h o dn o w a d a y sc o m b i n i n gf u n c t i o n ，e c o n o m ya n da c t u a l o p e r a b i l i t y ；p r o p o s e sav i a b l ea p p l i c a t i o np r o j e c ta n dt e s t si t o nr e l a t e dp l a t f o r m so f l u c e n tp h ss y s t e m t h es t u d yo na p p l i c a t i o no fw i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yw h i c h b a s e do nt h ep h si sv a l u a b l ei ne c o n o m ya n ds o c i e t yb yp r o v i d i n gt h el o c a t i o ns e r v i c e o f p h st ob u s i n e s sa n dl o c a t i o ni n f o r m a t i o nt op e o p l ea tl o wc o s t s t h ef i r s tc h a p t e ro f t h et h e s i s , t h ep r e f a c e ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s s l o c a t i o ns e r v i c e ，r e l a t i v ew i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n ds o m ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ei m p r o v e m e n to fw i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ；s t a t e m e n t st h er e s e a r c h g o a la n dm e t h o da n dt h em a i n l yc o m p l e t e dw o r ko f t h e t h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h e c o n s t i t u t e ，a p p l i c a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dm a j o rt e c h n o l o g i e so fp h ss y s t e m 哦 i l l u s t r a t e d m a i n l yu s e dw i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e si np h ss y s t e ma n dt h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h et h i r dc h a p t e r t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e s t h ea p p l i c a t i o np r o j e c ta n dl i s t st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fs i n g l ec e l l - l dp o s i t i o n i n g m e t h o du s e di nl u c e n tp h sc o n c r e t e l y t h e nas u m m a r ya b o u tt h el o c a t i o ns e r v i c eo f p h sb a s e do ns i n g l ec e l l i dp o s i t i o n i n gm e t h o di so b t a i n e da n dt h ef u m r ef o r e g r o u n d o f l o c a t i o ns e r v i c eo f p h si sp r e d i c t e di nt h ef i f t hc h a p t e r f r a n k l y , i tm a y b eu s e f u lb yu s i n g s e v e r a l p o s i t i o n i n g m e t h o d sl i k e t o a ，a o a 厂r d o at oa c h i e v eg r e a t e ra c c u r a c yb e c a u s ew ec a np o s i t i o nj o i n t l yu s i n g s e v e r a ld i f f e r e n t l ym e 嬲u r e dv a l u e s w em a ys t u d yi tf u r t h e ra f l e r t i m ew h e nh a v em o r e t i m ea n db e t t e ra v a i l a b l ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n k e yw o r d s ：l u c e n t ；p h s ；s i n g l ec e l l - s i t e ；w i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ；w i r e l e s s l o c a t i o ns e r v i c e 2 当銮銮主j l 主兰堡垒塞 第一章前言 1 1 概述 随着经济的蓬勃发展，人们对各种信息的需求也越来越强烈，决策的正确与 否在很大程度上依赖于信息拥有的多寡，其中，位置信息是其中的一个重要组成 部分。而在人们的移动中，最需要的信息恰恰就是位置信息，特别是出现紧急 情况时更需要确切的位置信息，因此，各种各样的定位系统和基于位置信息的 应用系统应运而生。【1 2 】 所谓移动定位业务( l b s ，l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 是指通过移动运营商的 无线网络，如g s m 网、c d m a 网、p h s 网( h p j , 灵通网络) 等，获取移动终端用户 的位置信息( 经纬度坐标数据) ，并在电子地图平台的支持下为用户提供相应服务 的一种移动增值业务。p h s 定位业务就是基于p h s 无线网络开放的一种移动定位业 务。【1 3 1 目前，国内的p h s 定位业务处于起步阶段，实现技术及其业务管理、内容提 供等产业链的各环节均还有待完善。由于p h s 具有终端价格便宜、资费低廉的优 势，因此它有着与技术较先进但成本较高的a - g p s 定位业务错位经营的空间，可 以主攻中低端客户群，从而具有一定的市场发展前景和竞争力。 而在国际上，按照日本n t td o c o m o 无线增值业务的发展曲线，数据业务的5 将与定位业务有关。美国高通公司推出的结合了c d m a 基站信号与g p s 信号的 g p s o n e 定位设备，在一年左右时间内卖出了1 0 0 0 多万部，从而成为世界上使用最 广泛的个人移动定位技术。目前，美国、日本，韩国正在部署这种定位系统。如 日本d o c o m o ，k d d i 公司分别经营w c d m a 和c d 姒2 0 0 0 网络，拥有广泛的用户，尤其 是基于c d m a 网络的定位业务，其增值业务应用地如火如荼，定位服务用户已经超 过5 0 万。韩国s k t 公司是韩国最大的电信运营商，拥有超过1 0 0 0 万客户，每年的 增值业务收入也超过5 0 0 b 万美金。与此同时，我国的两大移动运营商也正在积极 地部署各自的移动定位业务。中国联通与日本n a v i t i m e 合作开发定位业务，利用 s m s ，b r e w ，w a p 方式，中国移动在北京、福建等地与m o t o r o l a ，n o k i a 合作开发基 于w a p 和s m s 的定位业务。【1 9 】预计在未来几年内，我国的移动定位业务市场规模 虫杰銮主霍圭耋丝鲨塞 很快会达到1 0 亿元以上，而且还会加速度的持续增长。虽然g p s 发展很快，其单 点定位精度达2 0 4 0 m ，但是把g p s 功能集成到移动台上需全面更改设备和网络， 增加成本；且用户同时持有移动电话和g p s 手机很不方便，所以移动用户及设备 生产商和网络运营商希望能直接由移动台实现定位。正是由于对移动台用户定位 的需求增加，进一步推动了无线定位的研究。 总的来说，移动定位业务目前正处在市场培育阶段。全球各大移动运营商都 分别在其2 代或2 5 代的网络中展开了相应的定位业务，并正在积极筹备在3 g 网 络中提供这项极具潜力的增值业务。目前，已经有一些运营商在其近期开通的3 g 网络中提供了相应的移动定位业务，如日本的n t td o c o m o 和英国的和记3 g 公司。 他们提供的定位业务都可以为用户提供详细、实时更新的数字地图来告知用户的 具体位置，并且可以通过电子地图来引导用户寻找酒店、餐厅、商店和其它一些 用户感兴趣的商业设施。 1 2 相关无线定位技术简介 无线定位是指通过对接收到的无线电波的某些参数进行测量，根据特定的算 法以判断出被测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位和到达角 等等。其定位精度主要取决于测量的方法。 1 5 1 1 2 1 移动定位技术的种类 目前，全球范围内在移动网络上普遍使用的定位技术主要有基于移动网络的 c e l l - i d 、t o a t d o a 和a o a 等技术；基于移动终端的g p s 手机定位和e - o t d 技术： 以及网络与终端混合的a - g p s 技术。 对移动终端的定位是通过检测移动台和基站之间传播信号的特征参数来获得 其几何位置，根据进行定位估计位置不同将定位方案分为基于移动台的定位和基 于网络的定位。其中基于移动台的定位是移动台利用来自基站的信号计算出自己 的位置，也称前向链路定位。它根据接收到的多个已知位置基站发射信号携带的 与移动台位置有关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据算 法对移动台进行定位估计 4 山东大学硕士学位论文 而基于网络的定位是网络利用移动台传来的信号计算出移动台位置的定位， 这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个基站同时 检测移动台发射的信号，并对这些信号进行精确的到达时间( t o a ) 的测量，把各接 收信号携带的与移动台位置有关的特征信息送到一个定位服务中心进行处理，得 到移动台的位置估计。定位服务中心可看作事务处理器，它对来自不同移动台的 位置测量请求，选择适当的定位接收机对指定的移动台进行所需定位区测量，收集 来自定位接收机的定位区测量，将所有信息进行综合得到定位测量，并把该定位测 量传送给发出请求的移动台。采用基于网络的定位系统优点是无需修改移动台。 l 、基于移动网络的定位技术： ( 1 ) c e l l i d ( 小区识别) ：是根据移动终端所处的蜂窝小区标识号或所在 基站i d 号来确定用户的位置。它无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的移 动用户提供自动定位业务，响应时间短，其定位精度取决于蜂窝小区( 基站覆盖) 的半径，也可通过场强或时间提前量来辅助提高定位精度。由于该技术投资较低， 因此可以让移动运营商迅速进入定位市场。在今后的3 g 网络中该技术将会与其它 高精度的定位技术并存，来满足用户不同需求的定位业务。目前该技术已经在许 多国家( 包括我国) 的移动网络中开始为一些精度要求不高的定位业务提供服务。 例如天气预报、餐馆查询、影院信息等。 ( 2 ) 到达时间( t o a ：t i m eo fa r r i v a l ) 和时间差( t d o a ：t i m ed i f f e r e n to f a r r i v a l ) ：t o a 是基于测量信号从移动终端发送出去并到达消息测量单元( 3 个或 更多个基站) 的时间来定位；t d o a 则是通过检测信号到达两个基站的时间差来定 位，其定位精度较高，实现容易，但为了保证定时精度需要改造基站设备 t o a 中，移动台位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆 上。在多个基站进行上述计算，则移动台的二维位置坐标可由三个圆的交点确定。 t o a 要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精 确的时钟。t d o a 是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间 来确定移动台的位置。降低了时间同步要求。移动台定位于以两个基站为焦点的 双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条 双曲线的交点即为移动台的二维位置世标。直接利用t o a 或t d o a 估计值求解上述 非线性定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置比较困难，在有一定时间 山东大学硕士学位论文 测量误差时由于各定位圆或双曲线可能没有交点而不能进行正常定位在实际应 用中通常采用最小均方误差算法，通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一 非线性最优化来估计移动台位置。在a 肝s 、g s m 、w c d m a 、窄带c d m a 和c d m a 2 0 0 0 网络中均可采用这种技术。它的定位精度较高，但对时间基准的依赖性也较高。 而t d o a 受多径干扰的影响也较大，在c d m a 网络中使用的精度较高，因为c d m a 网 络本身具有抗多径干扰能力，实测结果可达5 5 米，有望进一步提高到l o 2 0 米 左右。如果g s m 网络采用t d o a 方法定位，关键在于良好的参数设计和技术保证。 基于时间的定位要求基站从接收到的射频信号中提取准确的时延估计值。获 得时延的方法有两种：一种是采用滑动相关器或匹配滤波器的时间祖探测方法， 粗探测过程由滑动相关器、匹配滤波器或连续探测电路来实现，将时延估计值锁 定在1 个码片间隔内；另一种是采用延时锁相环( d l l ) 的精探测方法，精探测由d l l 维持本地及输入p n 序列一致。 该技术确定位置信息的响应时间比c e l l i d 技术略长，大约要1 0 秒。同步g s m 网络所需要的代价也要比通过c e l l i d 提高网络性能高得多。但是该技术也无需 对手机进行修改，因此可以直接向现存用户提供服务。目前已有多家美国移动运 营商放弃了e - o t d 技术改用该技术来满足f c c 对e 9 1 1 第二阶段的要求。其中包括 a t & t 、c i n g u l a r 和t - m o b i l e ，这些美国运营商认为在f c c 规定的时间内，采用e o t d 技术无法满足e 9 1 1 第二阶段的定位精度要求，并且它们认为该技术需要对用户手 机进行软件上的修改，而t d o a 技术只需对其网络进行修改即可。另外，欧洲的移 动运营商在定位技术上一直以美国作为自己的试验床，如果美国采用t d o a 技术得 到了成功，它们也会在自己的g s i g p r s 网络中采用相同的技术。因此我们认为在 没有其它适合w c d m a 网络的新型定位技术出现的前提下，t d o a 定位技术将成为 w c d m a 网络中的主导定位技术。 ( 3 ) 到达角( a o a ：a n g l eo fa r r i v a l ) ；在基站通过阵列天线测出移动台来 波信号的入射角，构成从基站到移动台的径向连线，两根连线的交点即为待定位 移动台的位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。它需 要在每个小区摹站上放置4 1 2 组的天线阵，这些天线阵一起工作，从而确定移 动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们 分别从摹站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。a o a 的缺点是到达角估 6 出奎盔耋鎏圭耋丝鎏塞 计会受到由于多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台 距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。该技术 是通过测量一个移动终端到两个基站的信号到达角度来定位，其定位精度较差， 且需要复杂的天线，一般只作为辅助手段。 2 、基于移动终端的定位技术： ( 1 ) g p s 手机定位：通过在手机内部加g p s 接收机模块并将普通手机天线换 成能够接受g p s 信号的多用途天线来接收g p s 数据进行定位，其精度与g p s 一样。 ( 2 ) 增强观测时间差分( e o t d ：e n h a n c e d - o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) ：通 过手机对服务小区基站和周围几个基站的测量数据之间的时间差实现定位，需对 手机软件进行改造。e - o t d 是通过放置位置接收器实现的，它们分布在较广区域内 的许多站点上，作为位置测量单元以覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的 定时源，当移动台和位置测量单元接收到来自至少3 个基站信号时，从每个基站 到达移动台和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值被用来产生几组交 叉双曲线，由此估计出移动台位置e - o t d 会受到市区多径效应的影响。这时，多 径使信号波形畸变并引入延迟，导致e - o t d 在决定信号观测点上比较困难。e - o t d 定位精度比c e l l - i d 高5 0 1 2 5 m ，但它的响应速度较慢( 5 s ) 。 3 、网络与终端混合的a - g p s ( a s s i s t a n tg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术： a g p s 技术是一种结合了网络基站信息和g p s 信息对移动台进行定位的技术， 可以在g s m g p r s 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 网络中使用。该技术需要在手机内增加g p s 接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差分g p s 基准站等设备，但对于位置信息的计算却并不在手机本身而是由移动通信网络的 定位服务器进行。 网络将g p s 辅助信息发送到移动台，移动台得到g p s 信息，计算出自身精确 位置，并将信息发送到网络。a - g p s 有移动台辅助和移动台自主两种方式。移动台 辅助g p s 定位是将传统g p s 接收机的大部分功能转移到网络上实现。网络向移动 台发送短的辅助信息，包括时间、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些 信息经移动台g p s 模块处理后产生辅助数据，网络处理器利用辅助数据估算出移 动台的位置。自主g p s 定位的移动台包含一个全功能的g p s 接收器，具有移动台 辅助g p s 定位的所有功能，再加上卫星位置和移动台位置计算功能。a - g p s 的优点 7 些奎盔主翟圭主丝适塞 是网络改动少，网络不需增加其它设备，网络投资少，定位精度高由于采用了 g p s 系统，定位精度较高，理论上可达到5 l o m 。缺点是现有移动台均不能实现 a - g p s 定位方式，需要更换，从而使移动台的成本增加。如果要提高该方案在室内 等g p s 信号屏蔽地区的定位有效性，该技术方案还提出需要增添类似于e o t d 方案 中的位测量单元( l m u ) 。a - g p s 的具体工作原理如下： a - g p s 手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器； 位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的g p s 辅助信息( 包含 g p s 的星历和方位俯仰角等) 到手机； 该手机的a - g p s 模块根据辅助信息( 以提升g p s 信号的第一锁定时间t t f f 能 力) 接收g p s 原始信号； 手机在接收到g p s 原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距( 伪距为受 各种g p s 误差影响的距离) ，并将有关信息通过网络传输到位置服务器； 位置服务器根据传来的g p s 伪距信息和来自其他定位设备( 如差分g p s 基准 站等) 的辅助信息完成对g p s 信息的处理，并估算该手机的位置； 位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。 a _ g p s 解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在正 常的g p s 工作环境下，可达1 0 米左右，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。 该技术的另一优点为：首次捕获g p s 信号的时间一般仅需几秒，不像g p s 的首次 捕获时间可能要2 3 分钟。 虽然a - ( ；p s 技术的定位精度很高、首次捕获g p s 信号时间短，但是该技术也 存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前仍然无法圆满解决。另外，a g p s 的 定位实现必须通过多次网络传输( 最多可达六次单向传输) ，这对运营商来说是被 认为大量的占用了空中资源a g p s 最主要的问题是用户对于使用移动定位业务必 须更换手机难以接受。而且 g p s 手机比一般手机在耗电上有一定的额外负担，间 接减短了手机的待机时间。除此之外，就是使用有效性问题。由于g p s 系统受美 国政府拥有和控制，在非常时期( 如海湾战争、反恐战争等) ，民用g p s 服务可能 会受到影响，a g p s 的定位业务更难以正常运作了。 s 山东大学硕士学位论文 理论上讲，上述移动定位技术大部分都可以用于p h s 网，但由于技术、成本、 标准和设备厂商支持等诸多因素影响，因此目前在p f f s 网上还是以简单实用的 c e l l i d 定位技术为主。 1 2 2 无线定位技术发展要克服的问题 在蜂窝网络中，非视距( n l o s ) 传播、多径效应和多址干扰等因素降低了定位 精度，如何克服这些因素的影响是无线定位研究的关键。 ( 1 ) 多径传播。多径传播是移动台定位主要的误差源，各种定位法均会由于多径传 播引起时间测量误差。窄带系统中各多径分量重叠将造成相关峰位置偏差，宽带 系统能够在一定程度上实现对各多径分量分离，据此可以改善定位精度。但是若 反射分量大于直达分量、干扰影响等均会引起精度降低。目前已提出一些抗多径 传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计及扩展的卡尔曼滤波( e 1 ( f ) 等。 ( 2 ) 非视距信号n l o s 传播。n l o s 信号是指从发端发出的信号经过反射、衍射或 散射后到达接收端，它所经过的路径比直接到达的路径要长。n l o s 信号主要影响 t o a 或t d o a 的估计精度，使得基于t o a 或t d o a 算法的定位估计成为有偏估计。 即使在无多径效应和采用高精度定时的情况下，n l o s 传播也会引起t o a 或t d o a 测 量误差。因此，如何降低n l o s 传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低n l o s 传播影响的方法有利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的n l o s 测量值调节 到接近l o s 的测量值；降低l s 算法中n l o s 测量值的权重，在l s 算法中增加约束 项等。 ( 3 ) 基站覆盖。移动台定位一般要求同时与3 个或3 个以上基站相关处理。现有 蜂窝系统用于通信设计时主要考虑移动台仅与一个基站联系，仅在小区边沿需要 切换才与邻近几个基站联系。它尽量使移动台收到强的基站导引信号以保持相干 接收，同时，在切换到另一基站前收到相邻基站导引信号尽量小。目前的网络在 有些地区如乡村地区覆盖差，在城市地区由于多径等因素有时也可能难于保证移 动台与3 个以上的基站的联系。由此可见，无线定位与网络设计密切相关。 9 当耋盔主要圭兰! 窑婆塞 1 2 3 提高定位精度的方法 由于现有移动通信网中所包含的定位信息最初是以通信为耳的而设计的，在 精度上无法满足精确定位要求，因此，人们考虑开始各种提高精度的算法和技 术。一般来讲提高精度的方法可分为两大类：1 从信号处理角度；2 从误差分 析( 统计) 角度。 1 、从信号处理角度 定位所需的基本物理量最终都是由移动台或基站测量的，所以提高定位精度 最直接的办法就是改善测量方式，提高测量精度，从测量上消除多径。由于现有 的移动通信系统都是基于一定协议的，物理层上的轻易更改很可能会影响系统结 构。甚至会与协议有一定的抵触：而且物理层上的改变，也将为定位系统的实现 增加开销。因此，基于现有系统定位的研究并不集中于这方面。 2 、从统计的角度考虑减小误差带来的影响 对定位所需的物理量的测量，其误差带有一定的统计规律，通过对统计规律 的分析，可以采用后期数学上的处理来减少误差的影响。如当前解决n l o s 问题可 以通过l o s 传播时延标准离差的测定，根据先验知识对n l o s 时延进行补偿或通过 多个基站对t o a 进行测量，然后利用最小均方误差估计的方法实现。但总的说来， 目前尚缺少解决n l o s 的有效方法。这种统计方法的好处在于，承认既有的系统和 测量方式，实现的开销小。由此又派生出许多其他的方法，如将定位与地理信息 系统相结合，采用已有的地理位置信息对定位做出修正。此类方法的共同特点是， 对某一特定用途的定位系统，分析被定位点的位置特点，结合定位误差的统计规 律，找到针对这一类用途的特定模型。 由于利用移动通信网作定位的最大好处就是它可以利用现成的系统或对其稍 加改进，如果对物理层的改动太多的话，就失去了利用移动通信网定位的初衷， 所以从这个角度来看，基于统计处理的定位方法有较大的实际意义。 3 t 】 自无线定位服务提出以来，人们除了进行理论上的研究外，一些公司还开展 了以第二代移动通信系统为平台的现场试验。如美国t r u e p o s i t i o n 公司，针对a m p s 体制，采用t d o a 方法，1 9 9 7 年在n e wj e r s e y 地区用2 4 个摹站进行试验，在3 0 0 0 实际9 1 1 呼叫和8 0 0 0 0 个试验呼叫中，定位误差为6 0 0 英尺。l u c e n t 公司针对i s 一9 5 出奎盔主至圭主笔誊塞 c d m a 系统，利用t d o a 方法，1 9 9 7 年在n e wj e r s e y 和n e wy o r k 郊镇进行了实验， 精度接近t r u e p o s i t i o n 的结果。1 9 9 9 年日本n t t 公司和t o h o k u 大学合作，采用 w c d m a 系统，在两基站环境下，利用三步法实现了准确率达9 0 、基站搜索时间小 于0 7 s 的基站搜索方法实验。 由上面所述可见，基于蜂窝系统的无线定位技术虽然提出时间较短，但已在 理论和实验上取得较大进展。在蜂窝无线定位技术研究中的一个基本的原则是希 望增加定位业务不至于使网络基础设施改变和增加投资太大；而且定位要求及技 术实现方法应该与标准研究相结合并确立统一标准，以更好地安排空中接口、网 络结构和各种功能子系统组成。 1 3 论文的目标及主要内容 1 3 1 论文的目的及研究方法 p h s ( p e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m ) 系统是近年来发展非常迅速的无线通信系 统之一，截至2 0 0 5 年底，全国电话用户达7 4 3 8 6 1 万户，其中小灵通用户总数达 8 5 3 2 7 万户，占固定电话用户总数的2 4 4 ；而移动定位业务作为目前各种无线网 络中炙手可热的重要业务之一，同样对p h s 系统中的无线定位技术提出了很高的 要求。 本论文的主要目的是研究在现有的p h s 系统中为准确、快速、便利的实现移 动定位业务而做的p h s 定位技术对比选择，并以实际应用的朗讯p h s 系统为实验 平台，对选取的定位技术进行测试记录，从而为相关运营商以最小网络改造成本 和资金投入实现移动定位业务提供科学、务实的参考。 结合相关文献，在熟悉朗讯p h s 系统的基础上，采用多角度对比与测试的方 法。充分利用现有p h s 网络的相关平台，实现最大限度准确的移动定位业务，并 提出了具体的移动定位业务应用及实现方案。 1 3 2 论文的主要内容 本论文通过对比国内主要应用的p h s 定位技术的特点，结合p h s 系统的发展 现状和实际情况，主要研究了在朗讯p h s 系统中采用单基站定位技术实现移动定 当奎盔耋j l 圭耋堡垒耋 位业务并得出相关测试结果，进而分析讨论了p h s 无线定位业务的发展前景和一 些应注意的问题。 论文各章节具体内容分配如下：第一章前言，主要讲述了无线定位业务的发 展情况，介绍了相关的移动定位技术和影响无线定位技术发展的因素，阐述了论 文的研究目的、方法及完成的主要工作；第二章，对p i i s 系统的结构组成、应用、 特点和主要技术等进行了说明讲解；第三章，论述p h s 系统中应用的主要无线定 位技术及其特点对比；第四章，具体介绍在朗讯p h s 系统中应用单基站无线定位 技术实现定位业务的方案及实验测试结果；第五章，对基于单基站c e l li d 的p h s 定位业务进行总结并对将来p h s 定位业务的发展前景做出预测。 1 3 3 科学意义与应用前景 本文就如何在目前p h s 系统上实现移动定位业务进行了科学全面的技术方法 对比，得出了务实有效的技术结论，提出了切实可行的p h s 定位业务实现方案； 对于p h s 定位业务的实际商用及推广有着现实的参考价值和较好的应用前景。 第二章p h s 系统说明 2 1p h s 概述 p i t s ( p a s o n d h 狮d y 叫n 臀s y s t e m ) 最初是日本推出的采用r c r s t i ) - - 2 8 数字 空中接口标准的无绳通信系统，1 9 9 6 年底，u t 斯达康公司根据p h s 技术标准，充 分稠用固定电话同的线路、设备等资源，开发出了中国的无线市话系统，它使得 固定和移动通信系统的界限模糊化，适应了通信个人化，移动化的发展方向。随 着技术发展，p i t s 已经可以提供从最基本的电话业务到个人多媒体业务等，适用于 不同用户的需要。 ，+ p 瞒采用徽蜂窝网络结构，基站可以覆盖5 0 - 5 0 0 米半径范围的无线区域。这 种结构使得网络可以大大增加无线频率的复用度，从而极大地提高了p h s 系统的 容量，增大了整个系统可以服务的用户数 z 1 1p p i s 系统体系结构图 朗讯p i e 系统的实现方式见图z1 系统主要由p h s 业务中心、基站接入单元、 基站远端接入单元，基站、手机和基站管理系统等部分组成。 p i t s 无线网络结构中定义了两个网络单元：终端和基站p i t s 将其终端称为个 人站( p s ) ，将基站称为小区站( c s ) p t l s 将基站通过i s i ) n 的b r t ( 即u 口) 接入 陶2 1 朗讯p i i s 系统的体系结构 1 3 山东大学硕士学位论文 一i - 注：7 d l t u - d i g i t a ll i n et r u n ku n i t c s a i u ：c e l ls i t ea c c e $ si n t e r f a c eu n i t c s - r a i u ：c e l ls i t e - r e m o t ea c c c s si n t e r f a c eu n i t c s m s ：c e l ls i t em a n a g e m e n ts y s t e m p 陷业务中心( p s c ) p h s 业务中心p s c 是系统的控制与交换中心，呼叫的建立及处理主要是在p s c 上完成的。p s c 由管理模块、通信模块和交换模块三大模块组成。用户接入、呼m i 处理功能主要是在交换模块上完成，通信模块提供空分交换和系统时钟，而人机 交互界面和维护管理接口则在管理模块上提供。 p s c 与公网通过e 1 连接，支持中国7 号和l 号信令 基站接入单元a i u 与r m u c s a i u 是用户接入单元从图l 中可以看出，基站通过两个2 b + o 连接到p s c 上，p s c 中端接i s d n 的单元就是c s m u 而c s - p 3 t i u 则是位于远端的c s a i u 通过 e 1 中继，c s - - r a i u 可以被拉到远至2 5 0 公里外的地区。 中继单元d l n i d l t u 的主要功能是提供中继的接口，包括到远端模块的中继和与公网连接的 中继。一个d l l l j 单元有2 0 片d f i 板( d i g i t a lf a c i l i t yi n t e r f a c e ) ，每片d f i 板可以支持6 0 路中继 基站c s 系统中的c s 采用了5 0 0 m | 的大功率基站，岱通过i s d n 线连接到p s c 基站管理系统c s 峪 c s 啦是基站的维护管理系统，它由专门的工作站组成工作站通过i s d n 卡 提供的b r a 接口连接到c s a i u 上的u 卡上 无线参敦指标 p h s 系统的工作频段为1 9 g i t z 每个载频间隔3 0 0 k l i 互每载频复用四个时凉 信道，调制方式为 & 4 - d q p s k ，其滚降系数为o 5 ，调制信号为3 8 4 k b i t s s 的比特 流话音编码采用a d p o ，编码速率为3 2 k b i t s s 基站发射功率有l o 啊、2 0 m 、 2 0 0 m 、3 0 嘶- 、5 0 0 m w 等p s s 系统采用k r $ 1 1 ) - 2 8 的空中接口规范其主要指 山东大学硕士学位论文 标如下： 使用频段：1 8 9 5 g h z 1 9 1 8 g h z ( 7 7 个载波) 载频间隔；3 0 0 l ( h z 无线接人方式：t d m a t d d 每载波信道数：4 调制方式；衫4 - i ) q p s k 无线传输速度：3 8 4 k b i t s s ( 每时隙2 4 0 b i t s ) 基站发射功率： = 5 0 0 m , 公用天线增益： = l o d b i 覆盖半径：5 0 - 5 0 0 米 2 1 2p h s 系统的应用 p h s 系统广泛应用于公用网络和专用网络系统，更为家庭的使用提供了方便。 无论在都市内还是远离城市的地区，p h s 都可发挥其独特的优越性。 在办公大楼内或校园内，用户可以随身携带p h s 终端、而不必屈定在办公桌 上。 p h s 系统有五种应用模式，即住宅无绳电话、无线小交换机( p b x ) 、公共移 动通信、以及无线本地环路( 1 r l l ) 模式。 公共移动通信系统提供公共移动通信业务，它有两种系统应用结构。一是依 附于公众交换电话网( p s t n ) 的网络结构，它利用现有固定网完成移动通信业务 必须的部分或全部功能，包括位置登记、跟踪连接、切换、鉴权以及业务运营商 间的漫游。二是与p s t n 分离的网络。用依附于p s t n 的网络系统，使p h s 运营者 共用现有网络的交换机和传输线路，能在初期降低资金投入。p h s 网络运营者仅拥 有c s 、用户数据库和p h s 业务控制信息数据库。使用现有p s t n 拥有的数据库也是 有可能的。与p s t n 分离的网络采取与小区制系统相似的网络配置。它比。依附于 p s t n 的网络”初始投资高。 p h s 系统用作无线本地环路( w l l ) 系统，可为安装普通电话线有困难或尚未