（信号与信息处理专业论文）基于手持探测设备的cdma2000终端定位技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的发展，移动电话的普及率也越来越高。移动定位技术不论 在处理移动电话紧急救援，还是在协助国家安全部门打击和制约利用移动电话进行 犯罪方面都体现出越来越重要的作用。但根据c d m a 2 0 0 0 的定位业务( l c s ) 技术规 范，现有网络定位系统不仅要求移动用户的手机支持移动定位业务，而且在定位的 过程中也需要一些定位认证与授权交互过程，这也就体现出其固有的局限性来。 本文通过对国内外无线定位技术研究现状分析，以现有基于网络的移动定位系 统的局限性为背景，给出了一种基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统初 步实现方案。该手持探测设备能够通过c d m a 2 0 0 0 网络拨打呼叫目标用户，同时 确保在该用户产生振铃动作前中断呼叫，并在空中接口捕获目标发射的上行接入信 号，获取目标用户向其服务基站上报的含有用户身份识别的响应信息，从而确认目 标身份。进而对定位参数到达时间延迟( t o a ：t u n eo fa r r i v a l ) 和到达角度( a o a ： a n g l eo f a r r i v a l ) 进行估计。再将这些特征值通过所设计的定位算法估计出被定位移 动电话的地理位置，从而在不需要基站提供定位信息和参与的情况下达到对目标移 动电话的定位跟踪的目的。 论文主要进行了以下四个方面的研究：第一、研究分析c d m a 2 0 0 0 无线接口的 相关理论，在此基础上，详细介绍了基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系 统的原理，工作流程及实现方案；第二、由于c d m a 系统固有的多址干扰和远近 效应，使得手持探测设备无法正常接收目标用户发来的信号，即产生“可测性问题 。 为此，讨论了抑制多址干扰( m a i ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 的三种自适应算法 ( l m s ，r l s ，k , 3 l m a x l _ 滤波) ，通过仿真对三种算法的抗干扰性能进行了分析对比； 第三、详细分析了手持探测系统对t o a 和a o a 定位参数的测量过程，其中t o a 的测量采用群相关的估计算法，a o a 的测量采用多天线场强差分的方法，同时给出 了a o a 的估计误差的分析；第四、研究手持探测设备对目标用户的位置解算问题， 设计了一种基于a o 脚a 的联合概率定位算法。并对初步定位结果进行仿真分析， 给出了不同概率下的等效误差半径，根据误差的概率分布情况进一步采用逐次逼近 的定位方法，并仿真给出了三次逼近的误差分析。 关键词：c d m a 2 0 0 0 ，手持探测设备，多址干扰，群相关，联合概率定位 重庆邮电大学硕士论文 a b s 仃a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em o b i l ep h o n eh a s b e c o m em o r ea n dm o r ec o m m o n i nt h el z e a t m e n to fe m e r g e n c y ，i nt h ef i g h ta g a i n s ta n d r e s t r i c t i n gc e l l u l a rm o b i l et e l e p h o n ec r i m ef o rn a t i o n a ls e c u r i t yd e p a r t m e n t s ，m o b i l e l o c a t i o nt e c h n o l o g yp l a y st h ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h e c d m a 2 0 0 0l c s ( l o c a t i o n s e r v i c e s ) t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ，e x i s t e n t n e t w o r k s p o s i t i o n i n gs y s t e mn o to n l yr e q u i r e sm o b i l ep h o n eu s e r st os u p p o r tm o b i l el o c a t i o n b u s i n e s s ，b u ta l s oi nt h ep r o c e s so fp o s i t i o n i n gr e q u i r e ss o m ep o s i t i o n i n gi n t e r a c t i v e a u t h e n t i c a t i o na n da u t h o r i z a t i o n , w h i c hr e f l e c ti t si n h e r e n tl i m i t a t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt h e l i m i t a t i o n so ft h e e x i s t i n g n e t w o r k - b a s e dm o b i l ep o s i t i o n i n gs y s t e m ，ah a n d h e l d d e t e c t i o ne q u i p m e n tp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h ec d m a 2 0 0 0i si n t r o d u c e d t h e h a n d - h e l dd e t e c t i o ne q u i p m e n tm a k e sc a l l st ot a r g e tu s e r st h r o u g hc d m a 2 0 0 0n e t w o r k s ， w h i c he n s u r e st h a tt h eu s e rh a sar i n g i n gc a l li n t e r r u p t e db e f o r ea c t i o n a n dt h eh a n d - h e l d d e t e c t i o ne q u i p m e n tc a t c h e su p l i n ka c c e s ss i g n a lt oa c q u i r et h ep a g i n gi n f o r m a t i o n c o n t a i n i n gu s e ri d e n t i f i c a t i o nw h i c ht h eu s e rr e s p o n s e st ot h es e r v i c eb a s es t a t i o n si nt h e a i ri n t e r f a c e ，t h u sc o n f i r m si d e n t i t y a r e rc o n f i r m i n gt h er e q u i r e du s e r , t h eh a n d - h e l d d e t e c t i o ne q u i p m e n te s t i m a t e st h ep a r a m e t e r st o aa n da o a t h el o c a t i o no ft h et a r g e t m o b i l es t a t i o ni se s t i m a t e db yt h ed e s i g n e dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mt oa c h i e v et h et a r g e t m o b i l es t a t i o np o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gw i t h o u tt h eh e l po f b a s es t a t i o n t h e p a p e r s t u d i e s t h e f o l l o w i n g ：f i r s t l y ，c o r r e l a t i v e a i ri n t e r f a c et h e o r yo f c d m a 2 0 0 0s y s t e mi ss t u d i e d t h ep r i n c i p l e ，w o r k i n gf l o wa n dt h ep l a no fh a n d - h e l d d e t e c t i o ne q u i p m e n tp o s i t i o n i n gs y s t e ma r ci n t r o d u c e di nd e t a i l s e c o n d l y ，b e c a u s et h e i n h e r e n tm u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a da n dt h en e a r - f a re f f e c to fc d m as y s t e mm a k e h a n d - h e l dd e t e c t i o ne q u i p m e n tn o tr e c e i v en o r m a ld e t e c t i o no ft h es i g n a lf r o mt h et a r g e t u s e r ，t h ea d a p t i v ea l g o r i t h m s ( l m s ，r l s ，g a l m a nf i l t e r ) a r es t u d i e dt os u p p r e s sm a i ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h r e ea l g o r i t h m si ss i m u l a t e d t h i r d l y ，r e l a t e de s t i m a t i o na l g o r i t h mf o r a c q u i r i n gt i m eo fa r r i v a l ( t o a ) a n dam u l t i - a n t e n n as t r e n g t hd i f f e r e n c em e t h o df o r a c q u i r i n ga n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) a r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ea o ae s t i m a t i o ne r r o ri s a l s oa n a l y z e d f i n a l l y ，a o a t o aj o i n tp r o b a b i l i t yp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d t h e e q u i v a l e n tr a d i u so fp o s i t i o n i n ge r r o ri nd i f f e r e n tp r o b a b i l i t yi sg i v e n a c c o r d i n gt ot h e 重庆邮电大学硕士论文 p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fe r r o r s ，s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o np o s i t i o n i n gm e t h o di sc a r r i e d o u t ，a n dt h ee r r o ra n a l y s i so f t h eg r a d u a la p p r o x i m a t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：c d m a 2 0 0 0 ，h a n d h e l dd e t e c t i o ne q u i p m e n t , m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ， g r o u pc o r r e l a t i o n , j o 缸p r o b a b i l i t yp o s i t i o n i n g i l l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着移动通信技术的迅猛发展，手机的应用越来越普及。据最新统计显示，截 至2 0 0 7 年1 2 月底，全球移动用户达到3 0 亿户。其中c d m a 2 0 0 0l x 用户为4 1 7 5 亿，e v - d o 用户为9 0 5 4 4 万【3 】。随着3 g 商用进程的不断推进，全球使用w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0l x 和t d s c d m a 的用户将持续快速增长。据分析师预测，到2 0 1 0 年 以前，预计将有近1 2 亿用户使用3 g c d m a ，占全球无线用户总数的4 1 ，仅 l x e v - d o 一项技术的全球用户就将达到3 4 亿。无线通信的发展，使移动电话成为 人们通信的重要工具之一，同时利用移动电话拨打“1 1 0 、“1 1 9 和“1 2 0 等报警、 求助电话也日趋增多，另外也使得利用移动电话进行各种犯罪活动的不法分子有了 更便利的通信手段和犯罪工具。这样针对移动通信的移动定位技术在紧急救援、维 护社会治安等突发事件中的作用也就越来越重要。目前基于网络的定位系统不仅要 求移动用户的手机支持移动定位业务，而且在定位过程中也需要一些定位认证、授 权交互过程，这在紧急状况时是很难做到以至延误出警最佳时机；从另一方面来讲， 对于失窃移动电话或犯罪嫌疑人的移动电话进行定位跟踪也受到定位服务( l c s ： l o c a o ns e r v i c e ) 技术规范标准的规定限制，简单的说就是在现有网络定位系统中进 行定位时，定位需求方需向网络定位系统发出定位请求，定位系统在对被定位移动 台认证通过后向其发出要求定位许可，被定位移动台在收到该要求定位许可后发出 定位授权给定位系统，之后定位系统才能对其定位，这样就很容易被犯罪嫌疑人发 现，也就达不到定位跟踪的目的【。这些都体现出现有定位系统的局限性，从某种 意义上限制了国家安全部门对利用移动电话进行犯罪现象的打击。如何侦破与移动 台相关的犯罪活动已成为国家安全部门和公安机关打击犯罪的一个重点。由于无线 定位技术能够提供移动台的位置信息，为打击犯罪提供了有利条件，因此研究灵活 机动，安全保密，移动性强的定位技术对国家安全部门和公安机关具有重大意义。 本课题正是以现有定位系统局限性研究为背景，针对移动电话在人们生活和社 会治安方面日益重要的作用，研究给出了一种基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终 端定位技术以及初步实现方案。该定位系统通过c d m a 2 0 0 0 网络在空中接口处监 听服务基站与被定位终端所交互的信令信息，结合c d m a 2 0 0 0 终端的上行接入信 号特征构造目标参考信号。然后拨打目标用户的手机发起呼叫，在目标用户手机接 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 通之前，手持探测设备中断呼叫，目标用户的手机在没振铃的情况下发送响应信息， 通过响应信息对被定位的目标身份进行确认。确认为需要被定位的目标后，进而对 定位参数到达时间延迟( t o a ：t i m eo fa r r i v a l ) 和到达角度( a o a ：a n g l eo fa r r i v a l ) 进 行估计，再将这些特征值通过所设计的定位算法估计出被定位移动电话的地理位置， 从而在不需要基站提供定位信息和参与的情况下达到对目标移动电话的定位跟踪的 目的。从定位特点来看，手持探测定位系统不像多站定位系统，它灵活便捷、安全 保密、移动性强，不需要多基站提供目标移动台的位置特征信息来参与配合，只需 像常规拨打移动电话一样发起呼叫并中断呼叫，从空中接口处获取信令信息，不但 没增加c d m a 2 0 0 0 系统网络的信令负荷和业务量，而且还克服了必须信令定位认 证、授权交互等复杂过程的限制，大大提高了定位的可行性。 1 2 国内外研究现状和趋势 自e - 9 1 1 颁布以来，无线定位技术在国内外受到高度重视和深入研究，近年来 在i e e e 的有关期刊和会议上发表了大量关于无线定位的研究论文，也出现了不少 定位技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究与开发的公司。 在国外，各专门从事移动台定位技术研究的公司如m o t o r o l a ，n o k i a ，e r i c s s o n ， q u a l c o m m ，s a m s u n g 等跨国大公司主要侧重于对g s m ，i s 9 5 和第三代移动通信系 统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等网络采用的具体定位方法和技术及定位功能的具 体实施方法的研究，提出并制定了相应的定位实施方案。 在国内，对无线定位的研究起步比国外晚，但目前也有很多机构进行研究，如 c e l l o c a t e 、t r u e p o s i t i o n 、s n a p t r a c k ；电子科技大学、中国科技大学、西南交通大学、 北京邮电大学、复旦大学、重庆邮电大学等院校以及华为、中兴和大唐等通信公司 的科研人员从事这方面研究。 目前在蜂窝网络中进行移动台定位，根据定位主体及采用的设备不同，可将定 位方案分为四类【9 】：基于移动台的定位方案，基于网络的定位方案，辅助g p s 定位 方案以及基于独立设备的定位方案。 基于移动台的定位方案：在这类定位系统中，移动台接收多个固定基站发射的 无线信号，由相关模块提取与位置有关的特征信g ( t o a , t d o a , a o a , s o a ) ，并由定 位模块完成对其自身的定位。 基于网络的定位方案：在这类定位系统中，多个固定基站接收移动台发射的无 线信号，每个基站提取相应的定位参数。然后将这些参数传送给网络中的定位中心， 由定位中心完成对移动台的定位。 辅助g p s 定位方案：在这类定位系统中，采用g p s ( 全球定位系统) 定位方案， 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 由集成在移动台上的g p s 接收机或网络中的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移 动台定位。 基于独立设备的单站定位方案：在这类定位系统中，利用独立于无线网络之外 的单一设备接收空中接口中有关移动台的消息，提取其中的定位参数( t o a , t d o a ，a o a ，s o a ) ，再进行相关定位处理。其中，这个独立设备是一个单一定位站， 即单站，也叫做侦测站。在实际系统中，这种应用侦测站进行无线定位的过程，叫 做单站定位。 在2 g 无线系统中，如果采用基于移动台的定位方案或者辅助g p s 定位方案， 就要在移动台中增加相应的g p s 信号处理模块以及定位模块。另外，为完成定位， 还要增加网络中相应的控制信令，给无线网络带来额外的信令负载。基于网络的定 位方案由于其对系统的改动小、不需要额外的信令等特点，受到了广泛应用。由于 3 g 系统从开始就考虑到要提供基于位置的服务，无论是网络信令还是移动台的构造 都提供了对无线定位的支持，基于移动台的定位方案或者辅助g p s 定位方案，由于 定位精度高，将成为未来通信系统的首选方案。基于独立设备的定位方案灵活便捷， 移动性强，可以在移动台与基站不知情的情况下定位。因此，这种方案受到了公安、 安全等国家机关的普遍关注。 1 3 本文研究内容及章节安排 在现有基于c d m a 2 0 0 0 网络移动台定位方案中，系统定位流程是相当复杂的。 系统完成一次定位需要用户手机和服务基站建立定位连接并进行定位授权认证后才 能进行定位。尤其在一些特定或紧急的情况下，无法轻易获取移动终端发出的定位 信号。本文针对目前基于c d m a 2 0 0 0 网络移动台定位系统的这些局限性，主要研 究基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 移动终端定位技术。 论文章节安排如下： 第一章绪论。介绍了课题研究背景及其意义，分析了目前蜂窝网络定位系统的 局限性、国内外研究现状以及本文的研究方向和内容。 第二章给出了一种基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统。结合手持探 测定位系统设计的需要，首先研究分析c d m a 2 0 0 0 无线接口理论，主要分析了下 行链路的公共控制信道( 包括导频信道，同步信道，寻呼信道) 和上行链路的接入信 道的消息内容。确定了c d m a 2 0 0 0 空中接口哪些特征参数信息可以被手持探测系 统截取。在此基础上，详细介绍了基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 的原理，工作流程及实现方案。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第三章分析了多址干扰对手持探测设备进行目标信号检测的影响。首先对 c d m a 2 0 0 0 系统中的干扰进行了分析。接着讨论采用自适应算法( l m s ，r l s ， k a l m a n 滤波) 抑制多址干扰，通过计算机仿真对三种自适应算法的抗干扰性能进行 了分析对比。 第四章主要讨论了手持探测设备的定位参数t o a 和a o a 的获取过程。其中 t o a 的获取采用群相关算法，a o a 的获取利用三天线场强差分的方法，同时给出 了a o a 估计误差的分析。 第五章重点研究了手持探测设备根据获取的定位参数t o a 和a o a 如何进行定 位结果求解。设计了基于t o m a o a 联合概率的定位算法，首先完成初步定位，给 出定位误差在二维平面的概率分布情况。根据定位误差的概率分布信息，手持探测 设备逐步逼近用户目标，获取目标的最佳位置。论文仿真给出了初步定位和三次逼 近的定位误差以及误差分布情况。 第六章结论和展望。对课题研究工作进行总结，并对今后进一步的研究工作提 出一些建议。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 2 1 引言 1 9 9 3 年q u a l c o m m 公司提出的c d m a 技术正式成为技术标准( i s 9 5 ) ，并且以 i s 9 5 为标准的c d m a 商用系统分别在美洲及亚洲投入使用，取得了良好的效果。 在i s 9 5 基础之上发展起来的c d m a 2 0 0 0 ，已经成为3 g 时代的主流标准之一。 c d m a 2 0 0 0 系统中的物理信道分为下行( 前向或正向) 信道和上行( 后向或反向) 信道，无论是下行信道还是上行信道又都包含公共信道以及业务信道。c d m a 2 0 0 0 物理信道上发送的一些消息，可以为第三方的探测系统提供有用的参数。 本章针对现有基于c d m a 2 0 0 0 网络移动台定位方案的不足，结合c d m a 2 0 0 0 空中接口的一些特点，给出了一种基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统， 并给出了该系统的定位基本原理，构成以及实现方案。 2 2c d m a 2 0 0 0 空中接口特点 2 2 1 下行公共控制信道( 导频，同步，寻呼) 消息 c d m a 2 0 0 0 的下行公共物理信道包括：导频信道、同步信道、寻呼信道、广播 控制信道、快速寻呼信道、公共功率控制信道、公共指配信道和公共控制信道嗍。 其中，前三种是和i s 9 5 系统兼容的下行信道，后面的信道则是c d m a 2 0 0 0 新定义 的信道。本论文所述的手持探测设备主要涉及监听导频信道以及基站与同步信道和 寻呼信道交互的信息，下面只对这三种信道作一个简要介绍。 下行链路中的导频信道包括下行导频信道、发送分集导频信道、辅助导频信道 和辅助发送分集导频信道 8 1 。它们都是未经调制的扩频信号，不含任何信息。基站 饵s ：b a s es t a t i o n ) 发射它们的目的是使在其覆盖范围内的移动台( m s ：m o b i l es t a t i o n ) 能够获得基本的同步信息，也就是各基站的p n 短码相位的信息，m s 可根据它们进 行信道估计和相干解调。 同步信道用于传送同步信息，在基站覆盖的范围内，各移动台可利用这种信息 进行同步捕获。在基站的覆盖区中开机状态的移动台利用它来获得初始的时间同步。 由于同步信道上使用的导频p n 序列偏置与同一下行信道的导频信道上使用的相 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 同。当移动台能够解调导频信道后，它就获得了b s 的p n 短码相位信息，也就可 以解调同步信道，获取同步信道的消息。同步信道本身以帧为单位，每个帧的长度 为3 2 b i t ，其中第一个比特称为消息起始标志( s o m ：s t a r to fm e s s a g e ) ，剩下的3 1 b i t 承载同步信道消息的内容。每3 个同步信道的帧又构成一个超帧，时长8 0 m s 。超帧 开始的时间与基站导频p n 序列开始的时间对齐。 同步信道消息通过封装映射到同步信道。同步信道消息以超帧为单位，必须在 超帧开始时发送，如果消息长度不足以填满超帧将补0 。同步信道消息补o 后 变成同步信道消息包。同步信道消息映射过程如图2 1 所示，同步信道消息起始帧 的s o m 置为1 ，后续帧的s o m 全置为0 。 同步信道 同步信道 8 b i t2 1 1 4 6 b i t3 0 b i t 消息长度消息内容 c r c 消息包同步信道消息 补o l 卜 s o m i 3 1s o m3 ls o m3 ls o m3 l i = l- - 0= 0 一帧( 2 6 6 7 m s ) 一 超帧( 8 0 m s ) 图2 1 同步信道消息映射过程示意图 同步信道消息包含消息长度、消息内容和循环冗余校验( c r c ：c y c l i cr e d u n d a a c y c h e c k ) = 部分，其中消息内容包含多个字段( 相当于信息单元) ，主要内容有：协议 版本( p r e v ) ，系统标识( s i d ) ，网络标识( t o m ) ，导频p n 序列的偏置系数 ( p i l o t p n ) ，长码状态( l c s t a t e ) ，系统时间( s y s - t i m e ) 等m j 。 寻呼信道供基站在呼叫建立阶段传送控制信息。通常，移动台在建立同步后， 就选择一个寻呼信道监听由基站发来的指令。寻呼信道上承载多种寻呼信道消息。 寻呼信道的基本单位称为半帧，一个半帧对应1 0 m s 的时长，包含4 8 或9 6 b i t 的内 容。半帧的第一个b i t 称为同步消息包标志( s c i ：s y n c h r o n i z e dc a p s u l ei n d i c a t o r ) ，其 余4 7 或9 5 个b i t 承载寻呼信道消息的内容。如果某个半帧的s c i 置为1 ，代表 寻呼消息包的开始。寻呼信道消息包映射到寻呼信道的过程如图2 2 所示。同同步 信道一样，寻呼信道消息包含消息长度、消息内容和c r c 三部分。寻呼信道消息 与同步信道消息不同，分成多种消息。寻呼信道消息分成三大类，分别是配置、寻 呼和单播消息，配置和寻呼消息是广播的。寻呼信道消息的消息内容也是由多个字 段组成，其中第一个字段固定为寻呼信道消息类型。以系统参数消息为例，其消息 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 内容包括：导频p n 序列偏置( p i l o t _ p n ) ，系统标识( s i d ) ，网络标识( n i d ) ，基站 识别号( b a s e j d ) ，基站经度( b a s e o n g ) ，基站纬度a s e l 旧等5 1 。 8 b i t2 - 1 1 4 6 b i t 3 0 b i t 消息长度消息内容c r c j 宦消息包 寻呼信道消息补0 。一、 s c i4 7s c i4 7 s c i4 7s c l4 7 i = l = o= o 半帧( 1 0 m s ) 时隙( 8 0 m s ) 图2 2 寻呼信道消息映射过程示意图 2 2 2 上行接入信道结构和消息内容 上行接入信道的组成如图2 3 所示。接入信道输入信息速率是4 4 k b s ，加编码器 尾比特后，速率为4 8 k b s ，经码率为1 3 、约束长度为9 的卷积编码后，速率变为 1 4 4 k s s ，码元重复一次，速率提高到2 8 8 k s s ，再进行正交多进制扩频调制、长码 扰码、四相调制等。 上行接入信道需要用1 2 2 8 8 m c s 的长码来进行扩展【l o 】。上行接入信道的作用是 为了帮助b s 对接入信道上所发的信号进行捕获。它采用随机接入协议，由其长码 唯一识别。上行接入信道的长码的生成是通过长码掩码来控制是否加入线性移位寄 存器4 2 个抽头中的某个以产生。接入信道长码掩码的格式如表2 1 所示。 表2 1 接入信道长码掩码格式 移。 位数值 4 l 3 33 2 2 8 2 - 2 5 2 4 - - 98 o 掩码值 1 1 0 0 0 1 l l l0 0 0 l op c n b a s e i dp i l o t _ p n 其中，p c n ：寻呼信道号；b a s ei d ：基站识别号；p i l o tp n ：导频p n 码偏 7 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 长码掩码 图2 3 接入信道的结构 上行接入信道上承载多种接入信道消息。移动台利用接入信道发起呼叫或对基 站寻呼信道的寻呼信号做出响应。接入信道以帧为单位，一个帧的长度为9 6 b i t ，对 应2 0 m s 的时长。接入信道帧最后8 个比特称为尾比特，置为0 ，其余8 8 个比特承 载接入信道消息的内容。接入信道消息包含消息长度、消息内容和c r c 三部分。 接入信道消息分成多种消息，接入信道传送的信息类型主要包括：登记信息：移 动台通知基站它所处的位置、转台以及其他登记所需的参数；始呼信息：允许移 动台发起呼叫( 发送拨号数字) ；寻呼响应信息：对寻呼发出响应；鉴权查询响 应信息：用于验证移动台合法身份。 接入信道信息的消息内容也是由多个字段组成。以登记消息为例，其内容包括 应答的寻呼消息序列号( a c ks e q ) ，本消息的序列号( m s gs e q ) ，需要应答标志 ( a c kr e q ) ，有效应答标志( v a l ma c k ) ，应答地址类型( a c kt 吧) ，移动用户 号码类型n 俾e ) ，电子序列号正s n ) ，国际移动用户识别( m s i d 号( i m s i ) 等。 2 3 手持探测系统定位原理 手持移动目标探测系统在探测定位过程中主要涉及4 部分实体：目标移动台 ( t m s ：t a r g e tm o b i l es t a t i o n ) 、移动台的服务基站( b s ) 、手持探测设备( h d e ：h a n d h e l d d e t e c t i o ne q u i p m e n t ) 、其它干扰用户。这四者之间的相互关系如图2 4 所示： 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 图2 4 手持探测系统结构图 在定位过程中，h d e 始终位于t m s 的服务区中。整个探测定位过程大致分为 三步：l 、目标信号的检测：2 、目标信号参数的估计；3 、目标位置的定位解算。手 持探测设备通过监听服务基站的下行公共信道( 导频信道，同步信道，寻呼信道) 与 目标用户的交互信息，获取有用的系统参数。构造长码掩码，通过相应的算法产生 长码，完成目标用户的参考信号的构造。然后对目标进行哑呼，目标终端发送响应 信息，手持探测设备捕获目标的接入信号，同时可能接收到小区中其他移动用户发 来的信号，根据已构造好的参考信号，首先对多址干扰进行抑制，再对目标信号的 身份进行确认。确定为所要检测的目标后，对信号到达的时间延迟和到达角度进行 估算。通过时间延迟量来估计手持设备与移动目标间的距离，通过接收的信号强度 来估计移动目标的方向，两者结合，锁定目标的位置。 2 4 手持探测设备的构成及工作流程 手持探测设备主要由测向天线、射频模块、通信模块、控制处理单元、位置计 算模块以及键盘显示6 部分构成，如图2 5 所示。测向天线采用三天线结构，手持 探测设备通过测向天线接收移动目标服务基站发来的前向信号，首先射频模块进行 射频( r f ) 信号处理，再进行中频( i f ) 处理，a d 变换，数字下变频处理( d d c ) 。 然后通信模块进行基带处理( b b ) ，对捕获扇区的导频信号信息进行译码，确定目 标所在扇区的p n 偏置；利用该p n 偏置进行同步信道的捕获，同时进行同步信道 消息的解码，获取p i l o t - p n - - 导频p n 序列偏移、l c s 彤圃咪码状态、s y s - t i m e 一系统时间等系统参数：借助于同步信道的信息，进行寻呼信道的系统参数消息捕 获，获取基站的识别号( b a s e i d ) 和寻呼信道号( p c n ) ；利用获取的p n 偏置， b a s e i d ，p c n 构造接入信道的长码掩码，根据相应的长码的生成算法生成长码， 该长码即为所构造的用于接入信道目标信号捕获的参考信号。然后手持探测设备对 9 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 目标移动台进行哑呼叫，射频模块对目标移动台的接入信号进行r f 处理，礤处理， a d 变换，d d c 处理，通信模块根据构造的参考信号进行b b 处理后，获取上行接 入信道消息体中的国际移动用户识别号( i m s i ：i n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e r i d e n t i t y ) ，由控制处理单元查找存储的i m s i 和手机号码的对应表确认是否是所需检 测的对象，否则，再次对目标移动台哑呼，重新进行目标信号的检测，直到确定所 要探测的移动台。确定所要探测的移动台后，由控制处理单元完成目标信号定位参 数t o a 和a o a 的估计。位置信息计算模块根据获取的定位参数采用设计的定位算 法进行计算处理，同时将定位结果返回给控制处理单元，指示手持探测设备逐步逼 近目标移动台，最终估计用户目标的最佳位置。键盘显示用来拨号，显示位置信息。 系统的工作流程如图2 6 所示。 丫 图2 5 手持探测设备的构成框图 1 0 o 厂i 司 i _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ 。_ - 。_ 。_ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 2 5 系统实现方案 图2 6 系统工作流程图 2 5 1c d m a 2 0 0 0 目标用户参考信号的构造 在c d m a 2 0 0 0 系统中，移动台发射的上行接入信号主要经过了长码的扩频，准 备本地参考信号就是要获取同移动台相匹配的长码。 手持探测设备监听基站的下行公共信道( 导频信道，同步信道，寻呼信道) 与目标 用户的交互信息，获取有用的系统参数：b a s e i d ，p n 偏置，p c n 。获取了上述参 数，接入信道的长码掩码就确定了，通过长码掩码作用于长码发生器生成长码即目 标参考信号。长码是周期为2 4 2 1 的p n 序列，它唯一标示了各个不同的移动台。 p n 长码的特征多项式为 f ( x ) = l + x + x 2 + x 3 + + 矿+ x 7 + x l o + x 1 6 + 一7 + 一8 + x 1 9 斗， 1 、 + x 2 1 + x 2 2 + x 2 5 + x 2 6 + x 2 7 + x 3 1 + 工3 3 + x 3 5 + x 4 2 、。“， 长码发生器是由4 2 级移位寄存器、相应的反馈支路以及模2 相加器组成。由于 长码的周期太长，直接进行计算来产生耗费的时间较长，本文采用预先建立长码状 态表的方式，通过用查表的方式来降低运算量，缩短获取长码的时间。下面介绍长 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 码的产生步骤： 建立长p n 状态表 利用长p h i 的周期特性和长码掩码建立长p n 状态表。状态表中的数据包括状态 表长度n ( 1 b y t e ) ，状态值存储的指针偏移b ( 2 b y t e ) ，初始相位p o ( 3 b y t e ) ，状态值 c u r r e n t _ s t a t e ( 每一个6 b y t e ) 。状态表生成的步骤如下： 1 ) 确定长码掩码； 2 ) 确定状态表长度n ； 3 ) 确定相位偏移量d _ p h a s e ：d p h a s e = ( 2 4 2 1 ) n ； 钔初始状态c u r r e ns t a t e = 0 ： 5 ) 利用长码产生算法实现对当前状态进行相位偏移后的输出状态； 6 ) 将当前状态置换为5 中输出状态； 7 ) 循环5 、6 直到产生n 个状态。 查表确定长码的初始状态 在c d m a 系统中，码片的标识是以1 9 8 0 1 6 0 0 ：0 0 ：0 0 开始的。并且c h i p 的周 期是2 4 2 一l ，故码片的初始状态总是以2 4 2 1 进行周期性变化。 状态表查找步骤如下： 1 ) 确定码片相位为 p = r o u n d ( r e i n ( c h i p t i m e ，2 4 2 1 ) ) 其中：c h i p t i m e 为码片时间；r e m o 为求余函数； 2 ) 确定状态表两记录间的相位数：p h a s er e c o r d = ( 2 4 2 1 ) n ； 3 ) 确定码片相位对应的状态表位置：r e c o r d n u m b e r = f l o o r ( p p h a s e r e c o r d ) ； 4 ) 取状态表中的状态值c u r r e n tt a b l es t a t e ； 5 ) 确定码片相位对应状态表中的相位余值： p h a s e a f t e r r e c o r d = p - r e c o r d n u m b e r p h a s e r e c o r d 查表简图如图2 7 所示。 图2 7 状态表查表简图 产生p n 长码序列 将查找的状态值假定为当前状态值，将相位余值p h a s e _ a f i e r _ r e c o r d 定义为相位 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章基于手持探测设备的c d m a 2 0 0 0 终端定位系统 偏移值。即可利用长码产生算法产生长p n 码序列。 长码产生算法的步骤如下： 1 ) 确定初始状态i n i t i a l s t a t e ，相位偏移量p h a s e o f f s e t ，掩m a s k h u m i n i t i a l s t a t e = c u r r e n t t a b l e s t a t e p h a s e o f f s e t = p h a s e a f t e r r e c o r d 2 ) 确定长码发生器多项表达式序列 p o l y - 1 2 0 5 4 7 3 7 8 2 7 7 ( 1 6 进制) 3 ) 按相位偏移量大小，对状态进行逐步求解 c u r r e n t s t a t e = 2 b i t x o r ( i n i t i a l s t a t ep o l y ) + l i n i t i a l s t a t e = c u r r e n t s t a t e c o d e o u t = b i t a n d ( c u r r e n t s t a t em a s k n u m ) 将c o d eo u t 对应的所有二进制为进行异或操作输出长p n 码片。 该长码产生算法采用了典型的“空间换时间 的思路，预先存储长码状态表， 虽然需要占有一定的存储空间，但却成倍的降低了长码产生所需要的时间。实际 系统的运行表明，该长码产生