（交通信息工程及控制专业论文）蜂窝网络移动台定位技术研究.pdf

第1 v 页一。 堕堕窭塑查兰堕主雯塞皇堂篁熊塞 _ - _ - h _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 摘要 在蜂窝网络环境中，由于受多径、非视距传播、噪声、干扰和信道频率特 性等多种不利因素的综合影响，使t d o a 、t o a 、a o a 等与移动台位置有关的 电波特征测量值不可避免地出现较大误差，从而使各种定位算法的性能显著下 降，造成移动台位置估计出现较大偏差。为此，本论文针对提高蜂窝网络移动 台定位精度这一核心问题，以t d o a 定位技术为重点，从基本t d o a 定位算 法性能分析，混合定位算法，基于数据融合的移动台定位技术，抗n l o s 高精 度定位技术等四个方面对基于蜂窝网络的移动台定位技术进行了深入研究，并 对w c d m a 网络移动台定位的主要技术及相关问题进行了分析和探讨。 f 首先，本文给出了t d o a 双曲线方程组的数学模型，详细地分析了各种主 要 f d o a 定位算法的特点，通过在不同信道环境下对几种主要定位算法的仿 真，评估了各算法在不同信道环境下的定位性能。分析结果表明，信道环境较 好时适合采用t h a n 算法，较差时采用泰勒序列展开法则更有利。 其次，通过分析单一定位技术的局限性，基于c h a n 算法和a o a 算法特点， 提出了一种t d o a a o a 混合定位算法和一利t o a a o a 混合定位算法，给出 了这两种算法定位性能的c r l b 理论界。通过在不同环境条件下对这两种算法的 性能仿真，表明只要服务基站a o a 测量值达到一定精度，采用这两种混合定位 法就能取得更好的性能。论文还研究了采用t o a 定位法时，m s 与服务b s 相对 位露、参与定位的t o a 测量值数目与定位性能的关系提出了一种动态定位算 法，该算法通过对m s 第一次初始位置估计来确定m s 与服务b s 的距离，再选 择参与定位的t o a 测量值，确定w l s 算法中的加权因子，从而改进了定位性能。 然后，本文深入研究了k l e i n e o s t m a n n 提出的移动台定位估计数据融合模 型，并以该模型为基础，提出了一种增加了a o a 及信号场强测量值的数据融 合增强模型和一种用于t d o a 定位算法融合的数据融合模型。论文对两种模型 的融合规则进行了分析，通过仿真验证了这两种模型对提高移动台定位性能的 有效性。此外，还提出了两种通过定位距离残差对定位结果进行加权的算法融 合方法，以期在信道环境先验信息未知时通过对不同算法定位结果的融合，取 得更准确可靠的定位结果：通过对两种环境条件下的仿真，验证了这两种算法 融合方法的可行性。 西查窭堕查堂堡主堡塞皇堂竺堡塞 墨! 基 丽磊j 聂孬亍_ t d o a t o a 丽矗石顸囊丽，苯文提出了一种首先利用接着，通过对测量值误差的分析，本文提出j 一柙百无利用 t d o a t o a 平均测量值对移动台位置进行初始估计，并利用t 1 p 1 信道模型参 数估计出t d o a t o a 测量值中n l o s 误差的大小，然后对t d o a f f o a 测量值 进行平滑与重构，再采用两次w l s 计算，以降低n l o s 误差对定位性能不利影 响的的定位精度提高算法，讨论了这种算法在蜂窝网络不同环境条件下的具体 实施方法，通过详细仿真验证了这种算法的有效性。 最后，本文还针对w c d m a 网络移动台定位的基本定位方法，定位实施方 法，网络结构，信令协议和操作流程进行了分析，对多精度定位流程实施方法 及w c d m a 网络移动台定位估计涉及的一些相关问题进行了探讨。7 关键词：到达时间差，混合定位，数据融合，非视距传播，宽带码分多址。 第v i 页西南交通大学博士研究生学位论文 _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t i nc e l l u l a re n v i r o n m e n t s ，b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fs e v e r a la d v e r s ef a c t o r s ， s u c ha sm u l t i p a t h ，n o n - l i n e - o f - s i g h tp r o p a g a t i o n ，n o i s e ，i n t e r f e r e n c ea n dc h a n n e l f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，r a d i os t a t i s t i c sm e a s u r e m e n t sl i k et d o a ，t o a a n da o a r e l a t e dt om o b i l e p o s i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e o fl o c a t i o n a l g o r i t h m sm a y b e s i g n i f i c a n t l yd e g r a d e d a n dt h e p o s i t i o n e s t i m a t i o no fm si s i n e v i t a b l y b i a s e d t h e r e f o r e ，i no r d e rt o f o c u so nt h ec o r ep r o b l e mo fm o b i l el o c a t i o n a c c u r a c y i m p r o v e m e n t ，t h i st h e s i sa i m sa tt d o a l o c a t i o nt e c h n i q u e s ，a n di n v e s t i g a t e st h e f o l l o w i n gc e l l u l a rn e t w o r kb a s e dl o c a t i o nt e c h n i q u e s ：p e r f o f i n a n c ea n a l y s i so f b a s i c t d o al o c a t i o na l g o r i t h m s ，h y b r i dl o c a t i o na l g o r i t h m s ，m o b i l ep o s i t i o ne s t i m a t i o n t e c h n i q u e sb a s e do nd a t af u s i o n ，a n dh i g ha c c u r a c yl o c a t i o nt e c h n i q u e st om i t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fn l o s b e s i d e s ，t h e k e yt e c h n i q u e s a n dr e l a t i v e p r o b l e m so f w c d m an e t w o r km o b i l el o c a t i o na r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d f i r s to fa 1 1 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft d o ah y p e r b o l i c e q u a t i o n s i s e s t a b l i s h e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s e v e r a it d o al o c a t i o na l g o r i t h m s a r ea n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h es i m u l a t i o ni nd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t s 1 0 c a t i o np e r f o r m a n c eo fs e v e r a lm a j o ra l g o r i t h m sa r ee v a l u a t e d i ti ss h o w nb y a n a l y s i st h a tc h a n sa l g o r i t h mi st h em o s ts u i t a b l eo n ew h e nc h a r m e le n v i r o n m e n ti s r e l a t i v e l yg o o d ，o t h e r w i s et a y l o r s e r i e se x p a n s i o nm e t h o di sm o r e a p p r o p r i a t e s e c o n d l y , b a s e do nt h e l i m i t a t i o n so fs i n g l el o c a t i o n t e c h n i q u e a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc h a na n da o aa l g o r i t h m s ，a h y b r i d t d o a a o aa n da t o a a o al o c a t i o n a l g o r i t h m a r e p r o p o s e d ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c r l b t h e o r e t i c a lb o u n d so ft h e s e a l g o r i t h m s a r ed e r i v e d s i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t ss h o w st h a t ，i ft h e a c c u r a c yo fa o a m e a s u r e m e n td e l i v e r e db yt h e s e r v i n gb si sr e l a t i v e l yh i g h ，b e t t e rp e r f o r m a n c ec a nb eo b t a i n e d b e s i d e s ，w h e n t o al o c a t i o nm e t h o di s a p p l i e d ，t h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h em sa n dt h e s e r v i n gb s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el o c a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h en u m b e ro f 1 - 0 am e a s u r e m e n t sa r es t u d i e d t h e nad y n a m i cl o c a t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d w h i c h f i r s t l ye s t i m a t e st h ed i s t a n c eb e t w e e nm sa n ds e r v i n gb st h r o u g ha l li n i t i a l m s p o s i t i o ne s t i m a t i o n ，t h e nc h o o s e st o am e a s u r e m e n t s ，a n df i n a l l yd e t e r m i n e s p e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h e d a t af u s i o nm o d e lp r o p o s e db yk l e i n e o s t m a n n f o rm o b i l e p o s i t i o ne s t i m a t i o ni si n v e s t i g a t e di ng r e a t d e t a i l b a s e do nt h i sm o d e l ，a ne n h a n c e d d a t af u s i o nm o d e lc o m b i n i n gt h ea o aa n d s i g n a ls t r e n g t hi sp r o p o s e d ，a n d am o d e l f o rt h ef u s i o no ft d o al o c a t i o na l g o r i t h m si sa l s op r o p o s e d t h ef u s i o nr u l e so f t h e s em o d e l sa r ea n a l y z e da n d t h e i re f f e c t i v e n e s st o i m p r o v e t h el o c a t i o n p e r f o r m a n c e i sd e m o n s t r a t e d b ys i m u l a t i o n b e s i d e s ，i n c a s et h a tt h e p r i o r i n f o r m a t i o na b o u tc h a n n e le n v i r o n m e n ti su n k n o w n ，i no r d e rt of u s el o c a t i o nr e s u l t s o b t a i n e db yd i f f e r e n tl o c a t i o na l g o r i t h m st og e tm o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l el o c a t i o n r e s u l t s 。t w ol o c a t i o nf u s i o nm e t h o d sw h i c hd e p e n do nt h el o c a t i o nr e s u l t sw e i 【g h t e d b yl o c a t i o nd i s t a n c er e s i d u a la r ep r o p o s e d ，t h ef e a s i b i l i t yo f t h i sa l g o r i t h mf u s i o n m e t h o d sa r ed e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nu n d e rt w oe n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s f o u r t h l y , b a s e do n t h ea n a l y s i st ot d o a t o am e a s u r e m e n te r r o r s ，a na c c u r a t e l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i no r d e rt or e d u c et h ea d v e r s ei n f l u e n c eo fn l o s e r r o rt ol o c a t i o np e r f o r m a n c e ，t h i sa l g o r i t h mf i r s t l ym a k e si n i t i a lm o b i l ep o s i t i o n e s t i m a t i o nb ym e a nt d o a t o am e a s u r e m e n t s ，t h e ne s t i m a t e sn l o se r r o rw i t h i n t d o a t o am e a s u r e m e n t sb yp a r a m e t e r so ft 1 p 1c h a n n e lm o d e l ，s m o o t h e sa n d r e c o n s t r u c t st d o a t o am e a s u r e m e n t s ，a n d f i n a l l y u t i l i z e st w o s t e p w l s c o m p u t a t i o n n ea p p l i c a t i o n o f t h i sa l g o r i t h mu n d e rd i f f e r e n tc e l l u l a re n v i r o n m e n t s i sa l s od i s c u s s e da n di t se r i e c t i v e n e s si sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , t h eb a s i cl o c a t i o nm e t h o d ，l o c a t i o nm e t h o di m p l e m e n t a t i o n ，n e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，s i g n a l i n gp r o t o c o la n di n t e r f a c e ，a n dl o c a t i o np r o c e d u r e so fw c d m a n e t w o r km o b i l el o c a t i o na l ea n a l y z e d t h e m u l t i p l ea c c u r a c yl o c a t i o np r o c e d u r e a n d o t h e rr e l a t e di s s u e so fm o b i l ep o s i t i o ne s t i m a t i o nw i t h i nw c d m an e t w o r ka r ea l s o d i s c u s s e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：t d o a ，h y b r i dl o c a t i o n ，d a t af u s i o n ，n l o s ，w c d m a 。 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包括为获得西南交通大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 签名日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解西南交通大学有关保m 、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南 交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采取影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 日 期 导师签名： 年月日 查查奎堕查兰堕主塑塞皇堂垡迨塞 翌翌里 _ _ - _ _ _ - - 一 图表索引 图卜l网络辅助基于网络定位系统( 3 ) 图卜2 移动台辅助基于移动台定位系统( 3 ) 图卜3t d o a 定位法原理( 5 ) 图2 1t d o a 相关检测( 1 3 ) 图2 2 圆误差概率c e p ( 3 0 ) 图2 37 基站不同算法性能比较( 3 2 ) 图2 - 46 基站不同算法性能比较( 3 2 ) 图2 - 55 基站不同算法性能比较( 3 2 ) 图2 64 基站不同算法性能比较( 3 2 ) 图2 - 7 算法实际性能比较一7 b s ( 3 4 ) 图2 - 8 算法实际性能比较6 b s - ”( 3 4 ) 图2 - 9 算法实际性能比较一5 b s ( 3 4 ) 图2 - 1 0 算法实际性能比较一4 b s ( 3 4 ) 图3 1 算法性能比较1 一误差概率分布( 3 9 ) 图3 - 2 算法性能比较2 一r m s e ( 3 9 ) 图3 3 都市环境中算法性能比较( 4 2 ) 图3 4乡村环境中算法性能比较( 4 2 ) 图3 5 不同标准差时算法性能比较( 1 2 0 0 ，0 ) ( 4 3 ) 图3 6 不同标准差时算法性能比较( 2 4 0 0 ，0 ) ( 4 3 ) 图3 7m s - b s 本地散射环模型( 4 6 ) 图3 8 蜂窝定位系统结构( 4 6 ) 图3 9 三种算法的性能比较( 4 7 ) 图3 1 0 算法在各种信道中的性能( 4 7 ) 图3 一1 1 算法在各种小区半径蜂窝系统中的性能( 4 8 ) 图4 1j d l 数据融合模型顶层结构( 5 1 ) 图4 2k l e i n e o s t m a n n 定位估计数据融合模型( 5 2 ) 图4 3m s 定位估计数据融合增强模型( 5 3 ) 图4 4m s 靠近小区边界( 2 4 0 0 ，0 ) 时的性能( 5 5 ) 图4 5m s 与服务b s 距离接近小区半径一半( 1 2 0 0 ，0 ) 时的性能比较( 5 5 ) 第x i i 页西南交通大学博士研究生学位论文 图4 - 6m s 靠近服务b s ( 2 0 0 ，0 ) 的性能比较( 5 6 ) 图4 7 应用于定位算法融合的数据融合改进模型( 5 8 ) 图4 8c h a n t a y l o r 融合结果( 6 1 ) 图4 9c h a n s x 融合结果( 6 2 ) 图4 一1 0c h a n 和t a y l o r 算法融合结果( 6 3 ) 图5 一i 算法定位流程( 6 8 ) 图5 2 参与m s 定位的蜂窝小区结构( 7 1 ) 图5 - 3 算法定位性能比较( 7 2 ) 图5 4m s 移动时的定位性能比较( 7 3 ) 图5 - 5m s 移动时的定位位置跟踪比较( 7 3 ) 图5 6 本算法和c h a n 算法性能比较( 7 4 ) 图5 7 算法在不同信道环境中的性能( 7 4 ) 图6 1 具有定位功能的w c d m a 网络结构( 7 6 ) 图6 2 定位逻辑功能模块分布( 7 8 ) 图6 3 空闲周期的出现a ) 标准i p d l ，b ) t a - i p d l ( 8 0 ) 图6 4 网络辅助g p s 定位法( 8 1 ) 图6 5 基本定位操作流程( 8 3 ) 图6 6o t d o a 定位操作流程( 8 3 ) 表4 一l 算法融合数据融合模型仿真结果( 5 9 ) 表6 - 1 三种定位方法比较( 8 6 ) 西南交通丈学博士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，移动台的数目急剧增加，使 得对移动台的定位需求变得越来越迫切。为此，1 9 9 6 年美国联邦通信委员会 ( f c c ) 公布了e 一9 1 1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求，要求在2 0 0 1 年l o 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出e 一9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度 在1 2 5 m 内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于6 7 ；在2 0 0 1 年 以后，系统必须提供更高的定位精度及三维位置信息。1 9 9 9 年1 2 月f c c 9 9 2 4 5 对e 一9 n 需求进一步细化，对网络设备和手机生产厂商、网络运营商对定位技 术在网络设备和手机中的实施和支持提出了明确要求和日程安排“1 。在定位精 度要求方面规定：基于蜂窝网络的定位方案，要求对6 7 的呼叫精度不低于 l o o m ，9 5 的呼叫精度不低于3 0 0 m ；基于移动台的定位方案，要求对6 7 的呼叫 精度不低于5 0 m ，9 5 的呼叫精度不低于1 5 0 m 。美国f c c 的这一规定明确了提供 e 一9 1 1 定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络必备的基本功能。此外， 欧洲的e t s i 和日本的a r i b 等组织也作了相应的要求，并在很多方面达成一致。 自e 一9 1 1 需求颁布以来，由于政府的强制性要求和巨大的市场利益驱动，国外 开始出现了研究基于蜂窝网络的无线定位技术的热潮”“1 。随着研究的深入， 在网络中准确确定移动台位置的重要性和必要性逐渐体现出来，网络中各种基 于移动台位置的服务，如公共安全服务、紧急报警服务、基于移动台位置的计 费、车辆和交通管理、导航、城市观光、网络规划与设计、网络q o s 和无线资 源管理的改进等，无不与准确定位移动台的位置有关”。为此，本论文选择了 基于蜂窝网络的移动台定位技术作为主要研究课题。 1 1 移动台定位技术概述 无线定位技术是一种古老而又年轻的技术。传统的定位技术和导航是密不 可分的，定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置，导 航则是指引导交通工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这一 过程通常需要定位进行辅助。目前可以采用的定位方法通常有三种：推算定位 ( d e a dr e c k o n i n g ) 、卫星定位和地面无线电定位【3 ”。推算定位是一种相对于一 个参考点，借助地图匹配算法确定移动目标位置的技术，适用于对运动目标的 连续定位；卫星定位是利用g p s 、g l o n a s s 等卫星系统实现移动目标的自定 第2 页 堕塞奎墨查堂璺主塑塞生堂篁迨壅 面面忑夏磊鬲焉面趸磊两两谨西趸聂酹i 瓦五矛瓦孤收机的传播时间、时间 位：地面无线电定位是通过测量无线电波从发射机到接收机的传描时i 剐、时1 日j 差、信号场强、相位或入射角等参数来定位。 本世纪以来出现的各种地面无线电定位导航系统，如l o r a nc 、o m e g a 、雷 达、t a c a n 、v o r 、d m e 以及a v l 等，通常都是针对快速移动目标，如飞机、舰 船、车辆的定位与导航，提供目标的位置、距离、速度、运动方向等信息。这 些系统都采用了相同或相似的基本定位技术，其差别主要在于基于不同用途采 用不同的无线电频段和系统结构。在蜂窝网络中需要定位的移动台通常是静止 或慢速移动的手机，因此定位通常利用蜂窝网络采用无线电定位，根据需要也 可以选择卫星定位。 1 2 蜂窝网络移动台定位技术 目前在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标信息 及定位精度估计、时戳等辅助信息，对速度、运动方向等信息还没有明确要求 1 1 7 。定位功能的实施应充分利用蜂窝网络已有的系统资源和g p s 等可以利用的 资源，并尽可能少地影响网络的原有功能，选择适当的定位系统类型、相应的 定位技术及实施方案。 1 2 1 定位方案与定位系统的选择 无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信 机之间传播信号的特征参数( 如电波场强，传播时间或时间差，入射角等) 来 估计出目标移动台的几何位置m 1 。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、 定位主体及采用的设备的不同可将对移动台的无线定位方案分为三类：基于移 动台的定位方案，基于网络的定位方案及g p s 辅助定位方案，与之对应有以 下几类定位系统： 基于移动台( m o bieb a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统，采用的是基于移 动台的定位方案。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发 射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息( 如场强、传播时间、时间差 等) 确定其与各发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算 功能( p c f ) ，根据有关定位算法计算出移动台的估计位置。 基于网络( n e t w o r k b a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统，采用的是基于网络 西南交通大学博士研究生学位论文第3 夏 的定位方案。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号， 将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到网络中的移动定位 中心( m l c ) 进行处理，由集成在m l c 中的p c f 计算出移动台的估计位置。 网络辅助( n e t w o r ka s sis t e d ) 定位系统 这类系统也属于移动台自定位系统，采用的是基于移动台的定位方案，其 定位过程是由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接 收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回移动台，由 集成在移动台中的p c f 计算出移动台的估计位置。 移动台辅助( m o b f ea s s is t e d ) 定位系统 这类系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是由移动台检测网 络中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台 位置有关的特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络m l c 中的p c f 计 算出移动台的估计位置。 g p s 辅助定位系统 这类系统采用的是g p s 定位方案，由集成在移动台上的g p s 接收机和网络 中的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移动台的自定位。 显然，对基于移动台的定位方案和g p s 辅助定位方案来说，移动台知道其 自身位置但网络方面并不知道；对基于网络的定位方案来说，网络方面知道移 动台的估计位置但移动台自身并不知道。要使这两种定位系统中没进行定位估 计计算的一方掌握移动台的位置，还必须利用空中接口在移动台和网络之间建 圈1 1 网络辅助基于网络定位系统圈1 - 2 移动台辅助基于移动台定位系统 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 立一条数据链路，进行有关的数据传递。图卜1 和图卜2 简要描述四种移动台 定位系统的原理。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在现有蜂窝系统中为移动用户提 供定位服务( l c s ) 功能如果采用基于移动台的定位方案或g p s 辅助定位方案，则 必须对现有移动台进行适当修改，增加必要的软硬件设备，如集成g p s 接收机 或能同时接收多个基站信号进行自定位处理的软硬件，还必须通过空中接口将 定位信息传送回蜂窝网络。因此，这两种方案不适用于在现有蜂窝网络( 如g g m 网络) 中增加l c s 功能：但由于这两种方案的定位精度较高，在w c d m a 及 c d m a 2 0 0 0 网络中将得到广泛采用。基于网络的定位方案只需对蜂窝网络设备作 适当扩充、修改，不需要对现有移动台作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝 系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，并且能达到一定精度， 因而这种方案适用于在现有蜂窝网络，如g s m 网络中增加l c s 功能。 1 2 2 基本定位技术 在各种无线定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同或相似的， 都是通过检测某种信号的特征测量值实现对移动台的定位估计。在蜂窝网络中 为移动台提供l c s 功能，通常可供选择的基本定位方法有： 场强定位法 这种方法是通过检测接收信号的场强值、利用已知的信道衰落模型及发射 信号的场强值估算出收发信机之间的距离，通过求解收发信机之间的距离方程 组，即能确定目标移动台位置。在蜂窝网络中只要在移动台对前向链路多个基 站发射信号进行场强测量或在多个基站对反向链路移动台发射信号进行场强测 量，再根据有关定位算法求解测距方程组，就能计算出移动台的估计位置 【3 9 l i t l 3 】。7 1 。 基于电波传播时间( t o a ) 或时间差( t d o a ) 的定位法 该方法是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间( t o a ) 或 时间差( t d o a ) 来确定目标移动台的位置l l l 。对于t o a 方法，收发信机之 间的距离可通过测出的电波传播时间获得，和场强法类似，利用相位测量、脉 冲测量或扩频测距技术【4 6 】等多种技术进行多个t o a 测量，再根据有关算法求 解测距方程组，就能计算出目标移动台的估计位置。对于t d o a 方法，可通过 直接计算t o a 差值或g c c 技术等方法得到t d o a 测量值，一个t d o a 测量 值对应的是以两个接收机为焦点的一对双曲线，多个t d o a 测量值对应的多条 西南交通大学博士研究生学位论文 第5 页 _ _ 一一 双曲线的交点即为目标移动台的估计位置，如图1 3 所示。这两种方法也是目 前在各种蜂窝网络中主要研究采用的定位方法。 基于电波入射角( a o a ) 的定位法 a o a 方法是通过基站接收机天 线阵列测出移动台发射电波的入射 角，从而构成一根从接收机到移动 台的径向连线，即方位线。利用多 个接收机提供的a o a 测量值，按 a o a 定位算法确定多条方位线的 交点，即为待定位移动台的估计位 置【4 l 。 混合定位法 这种方法是利用上述两种或多 种不同类型的信号特征测量值，如 图1 3t d o a 定位原理 t o a a o a 、t d o a o a 、t d o 枷a 进行定位估计一j 。 通过对上述定位方法特点的分析比较，可以发现场强定位法比较简单，且 在蜂窝网络中场强测量值已应用于小区切换、功率控制等操作，但由于受多径 衰落和阴影效应的影响，使得其定位精度较差；a o a 定位法虽有一定精度，但 要求接收机具有高精度的智能天线阵列，系统设备复杂，且只能从反向链路定 位；t d o a 和t o a 定位法在蜂窝网络中实现相对容易，也能达到较高精度， 因此这两种方法，特别是t d o a 定位法，受到了更多的重视：混合定位法则能 吸收不同定位法的优点，但需提供不同的信号特征测量值。综上所述，目前在 蜂窝网络中受到广泛关注和深入研究的是t d o a 、t o a 定位法及混合定位法。 对于快速运动移动台的定位估计和跟踪，卡尔曼滤波器技术则被广泛采用【1 3 4 】。 1 2 3 影响蜂窝网络移动台定位精度的主要原因及对策 在蜂窝网络中为了提高对移动台的定位精度，除了研究对信号特征测量值 误差具有良好鲁棒性的高精度定位算法外，还需研究造成测量误差的主要原因， 寻找其对策。在蜂窝网络中由于非理想的信道环境，使得移动台和基站之间多 径传播，非视距( n l o s ) 传播普遍存在：在c d m a 网络中，还普遍存在多址 干扰j 【”j ，这些因素都会使检测到的各种信号特征测量值出现误差，从而影响 定位精度。如何采取适当措施降低这些因素的影响，得到准确的信号特征测量 值，是提高定位精度的关键，也是移动台定位技术需研究的重要课题。 图耐 第6 页 亘查塞堡查堂簦主塑塞皇堂堡迨塞 了虿覆石磊趸写磊五百i 函丽手手蒋覆预匡唾甄再矛磊的基本原因。对1 多径传播是引起以上各种信号特征测量值出现误差的基本原凼。对 t d o a 和t o a 定位法来说，即使在m s 和b s 之间电波可以视距( l o s ) 传播， 多径传播也会引起时间测量误差w 。因为基于互相关技术的时延估计器的性能 会受多径传播的影响，当反射波到达时间与直射波在一个码片间隙内时更是如 此。目前已出现了多种对付多径传播的方法 8 】，如何对这些方法进行深入研究 值得重视。 2 l o s 传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。g p s 系统也正是 基于电波的l o s 传播才实现了对目标的精确定位。但是蜂窝网络覆盖区一般是 城市和近郊，m s 和多个b s 之间实现l o s 传播通常是很困难的：即使在无多 径和采用了高精度定时技术的情况下，n l o s 传播也会引起t o a 或t d o a 测 量误差。因此，n l o s 传播是影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因1 4 u j ，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 传播的影响通 常有以下几种方法【1 4 】：一种是通过t o a 测量值的标准差对l o s 和n l o s 传播 进行区别，n l o s 传播的测距标准差比l o s 传播高得多，利用测距误差统计的 先验信息就可将一段时间内的n l o s 测量值调节到接近l o s 的测量值。另一种 方法是降低非线性最b - - 乘算法中n l o s 测量值的权重【9 j ，这种方法也需首先 判断那些基站得到的是n l o s 测量值。还有一种方法是对算法进行改进，利用 在n l o s 传播条件下距离测量值总是大于实际距离这一特点在非线性最小二乘 算法中增加一约束项，从而提高定位精度i v 。上述方法是目前定位技术的研究 热点。 3 在c d m a 系统中，用户通过不同的扩频码享有同一频带，这种高容量 也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响t o a 和t d o a 的粗捕获， 对延时锁相环的时间测量也有很大影响pj 【”。在c d m a 系统中通常采用功率控 制来克服远近效应，但由于无线定位需多个基站同时监测移动台发射的信号， 功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍会受到严重的 多址干扰。因而会影响常规接收机正确测量t o a 或t d o a 测量值的能力。目 前已出现了一些探索解决该问题的方法，如在3 g p p 中提出的在e 9 1 1 呼叫时 将移动台发射功率瞬间调到最大的p o w e ru p 方法，i p d l 方法，改进软切换 方式，利用抗远近效应延时估计器与多用户检测器等，这些方法值得深入研究。 此外，参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之间相对位置的 差异造成的几何精度因子( g d o p ) 的不同，也会影响定位算法的性能，造成 定位精度的差异，在进行网络设计和规划时应充分考虑这一问题。 西南交通大学博士研究生学位论文 第7 页 - - _ _ 一一 一 1 3 国内外研究现状及关键技术 各种基本定位技术虽然在不同领域，特别是车辆定位与导航系统、智能交 通系统中得到广泛应用和深入研究1 4 2 】1 4 3 1 ，但在蜂窝网络中实施该项技术有其特 殊性【i 1 ，还有许多亟待解决的实际问题。 1 3 】国内外研究现状 自e 9 1 1 定位需求颁布以来，移动台定位技术在国外受到高度重视和深入 研究，近年来在i e e e 的期刊和会议，特别是v t c 上发表了大量研究论文，也 出现了不少定位技术的发明专利f 4 5 】以及一些专门从事定位技术的研究与开发 的公司，如c e l l o c a t e ，t r u e p o s i t i o n 等。各大跨国公司，如m o t o r o l a ，n o k i a ， e r r i s o n