（信号与信息处理专业论文）蜂窝网络抑制非视距误差定位算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 至美国联邦通信委员会发布嘲1 1 定位需求以来，由于政府的强制性要 求和市场本身的驱动，各国公司就g s m 、i s - 9 5 和3 g 等网络制定了各自的定 位系统实施方案，取得了一定的成果，但和e - 9 1 1 定位精度的要求还有一定差 距。在蜂窝网络中由于非理想的信道环境，移动台和基站之间非视距传播普 遍存在，使得抑制非视距误差己成为无线定位技术研究的重点和热点问题。 本文主要针对抑制非视距误差进行研究。首先对无线定位算法中常用的 二阶统计量估计方法和高阶统计量等数学理论进行分析和阐述，以便为后续 内容提供数学理论支持。在对无线网络中电波的非视距传播特性和非视距传 播模型进行详尽的讨论和分析基础之上，比较了几种典型的抑制非视距传播 的定位算法。而后通过分析一些基本的伪距尺度定位算法之后，提出了一种 非视距统计模型和伪距尺度相结合的定位算法，此算法先利用统计模型对测 量的t d o a 值进行修正，之后利用衰减因子通过递归方法将n l o s 传播的t d o a 值转变为l o s 传播数据或接近于l o s 传播数据，再利用最小二乘法完成移动 台位置的确认。此算法即可避免只利用统计模型带来的不通用性，又可减小 伪尺度的算法的循环次数，通过算法分析和性能仿真证明了该算法能有效抑 制n i d s 误差，提高定位精度 目前有许多相关文献已经提出了些鉴别和抑制n l o s 误差的方法，但是 对于消除t d o a t o a 测量值中的n l o s 误差还没有找到一种切实可行，有效的 技术或方法，因此，非视距误差已经成为影响蜂窝网络定位精度提高的决定 性因素，需要更多的工作和更深入的研究。 关键字：无线定位；到达时间差；非视距传播；距离尺度约束算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t s i n c ef c cs u b m i t t e de - 9 1 1l o c a t i o nr e g u l a t i o n , c o r p o r a t i o n sa l la r o u n dt h e w o r l dh a v ee s t a b l i s h e dt h e i rl o c a t i o ns y s t e ms c h e m ab a s e do ng s m 、i s 一9 5a n d3 g d u et ot h ec o m p e l l e n td e m a n d sc o n t r o l l e db yt h eg o v e r n m e n ta n dt h ep r o m p t i n g d r i v e db yt h em a r k e ti t s e l f t i l ln o w , i th a sm a d es o m eg r e a tp r o g r e s s b u ts t i l lb e w i t hs u m cd i f f e r e n c e sb e t w e e ne - 9 1ld e m a n d sa n dt h ep r a c t i c ei np r e c i s i o n b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft h en o v _ i d e a lc h a n n e lc o n d i t i o na n d1 1 0 1 i i l e - o f - s i g h t t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h em sa n db a s os t a t i o n ( b s ) i ng e n e r a li nt h ec e l l u l a r l o c a t i o n , n l o se 玎0 rm i t i g a t i o nh a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g ya n dh o t s p o ti nt h e r e s e a r c ha b o u tw i r e l e s sl o c a l i o n t h en o - l i n e - o f - s i g h te l t o rm i t i g a t i o ni ss t u d i e di nt h ep a p e r f i r s t l y , h i g h e r - o r d e rs t a t i s t i c sa n ds e e o n d - o r d c rs t a t i s t i c se s t i m a t i n gm e t h o d sa r e e x p o u n d e da n da n a l y z e di no r d e rt oo f f e rm a t h e m a t i c a lt h e o r yt ot h ef o l l o w i n g s e c o n d l y , b a s e do nd e e pa n a l y s i sa n dn u m e r o u sd i s c u s s i o no f e l e e l r i ew a v eo f n l o st r a n s m i t t e dc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s m i t t e dm o d e l , s o m er e p r e s e n t a t i v e n l o se r r o rm i t i g a t i o na l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d a f t e ra n a l y z e dm a n yb a s e dr a n g e s c a l er e s t r a i n e da l g o r i t h m , a ne f f e c t i v em e t h o di sp r o p o s e d - - n l o ss t a t i s t i c a l p r o p e r t ya n dr a n g es c a l er e s t r a i n e da l g o r i t h ma r ei m e g r a t e d w ef i r s t l yc o r r e c t t d o a b yn l o ss t a t i s t i c a lp r o p e r t y , t h e n u s er o c u i t c n c ee q u a t i o nt oc 讲t e c t c o e m e i c n ti no r d e rt om i t i g a t en l o sg l t o ra n dt ot r a n s f o r mn l o st r a n s m i t t e d s i g n a li n t ol o ss i g n a lo rn e a rt ol o ss i g n a l l a s t l ym o b i l el o c a t i o ni se s t i m a t e d b yl e a s ts q u a r em e t h o d t h i sm e t h o dn o to n l ya v o i d sn l o ss t a t i s t i c a lm o d e l s l o c a l i z a t i o n , b u ta l s ol e s s e n st h en u m b e ro f r e p e t i t i o no f r a n g es c a l er e s t r a i n e d a l g o r i t h m s i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o no f p e r f o r m a n c ew i t ho t h e re x i s t i n gm e t h o d s h a v es h o w ni t se f f e c t i v e n e s so f n o - l i n e - o f - s i g h te r r o rm i t i g a t i o ni nl o c a t i o n e s t i m a t ea n di m p r o v el o c a t i o na c c u r a c y n o w a d a y s ，s o m em e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e di ns o m ep a p e r st oe l i m i n a t eo r m i t i g a t i o nt h ee f f e c to ft h en o - l i n e - o f - s i g h te 玎仉b u tt h e i re f f e c t i v e n e s so f n o 1 i n e - o f - s i g h te r r o rm i t i g a t i o ni nt i m eo fa r r i v a lo rt i m ed i f f e r c n c co fa r r i v a li s n o tv e r yv a l i d t h e r e f o r e ，n o - l i n c - i o f - s i g h te r r o r sh a v eb e c o m et h ec r u c i a lf a c t o ro n t h ee n h a n c e m e n to fl o c a t i o na c c u r a c yi nt h ec e l l u l a rn e t w o r k , a n di ti sn e c e s s a r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i i 页 t om a k em u c hm o r ei n v e s t i g a t i o n s k e y w o r d s ： w i r e l e s sl o e a t i o mt i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ； n o - l i n e - o f - s i g h tt r a n s m i s s i o n ；r a n g es c a l er e s t r a i n e da l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 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 “1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求，其中要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出 e - 9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m p q 的定位服务。而且满足此定位精度 的概率应不低于6 7 ：并在2 0 0 1 年以后，提供更高的定位精度及三维位置信息。 欧洲和日本也作了相应的要求，表明提供e - 9 1 1 定位服务将是今后蜂窝网络必 备的基本功能该需求颁布以来。由于政府的强制性要求和市场本身的驱动， 各国公司就g s m 、i s 9 5 和3 g 等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成 果 随着蜂窝定位研究的深入，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、 网络规划和设计、网络服务质量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瑚。蜂窝网络无线定位主要应用可分为；一是为用户提 供各种商业增值服务，二是辅助移动通信系统提高自身性能”1 基于无线定位的商业增值服务可分为以下几类： 安全：提供个人安全及紧急报警服务： 信息：提供包括天气、交通、导航、姓名地址录等的信息服务： 跟踪：连续监视车辆、财产及人的位置，如对贵重物品运送途中的跟踪 定位： ) 远程：遥控开锁、监控引擎、操纵精确测量仪器和农业设备： 在提高系统性能方面，位置信息主要用于优化网络规划与设计，改进网 络0 0 s 和无线资源管理等，具体包括： 自适应切换：系统利用两基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 接收到的信号强度之 差，结合m s 位置信息自适应调整切换门限，可减少不必要的切换和掉话： 优化蜂窝小区扇区的划分：优化安排每个扇区中的m s ( m o b i l es t a t i o n ) 个数，提高系统容量，减少同信道干扰： 信道预先分配：系统可检测m s 当前位置和运动模式，当前服务扇区 可要求核心网在下一个目标扇区内为q o s 优先级较高的m s 预留信道： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ) 微蜂窝中码资源或频率资源的复用：系统可以对m s 运动状态进行跟 踪，如果m s 在通话中是静止的，业务信道可以对不同地带的用户分配相同 的资源( 码资源或频率资源) 实现复用，以此来提高系统容量。 随着3 g 技术的不断发展，位置服务业务( l c s ) 被业界普遍看好，预计 在未来l c s 业务将成为仅次于语音业务的第二大业务，对人们的生活习惯产 生革命性的影响。可目前为止，蜂窝定位精度还没有达到e - 9 11 的定位精度 要求，距商用化定位精度的要求还有一定差距。 1 2 国内外研究现状 自从无线定位服务提出以来，蜂窝移动通信系统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 的有关期刊和会议，特别是v t c 上发表 了大量定位技术研究论文，也出现了不少定位技术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，如c e l l o c a t e ，t r u c 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 ，爱立信，三星等也对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 等网络研究采用的定位技术进行了深入 研究，并制定了相应的定位实施方案，一些公司基于其研究报告在3 g p p 和 3 g p p 2 上提出了一些提案他们纷纷推出自己的移动定位系统并进军中国市 场，移动定位技术与服务在中国已有所起步，2 0 0 3 年7 月，联通推出基于 c d m ai x 网络的“定位之星”业务，采用g p s o n e 技术，通过卫星、基站、 手机三点定位，定位精度在室外环境下高达5 5 0 米，并结合地理信息系统 ( g i s ，g e o g 嘲炳c 蜘珊丑t i s y s t e m ) 地图数据信息向用户提供位置信息服 务2 0 0 4 年1 1 月，华为公司宣布己全面完成与主流厂商终端的a - g p s 定位 业务测试，率先实现3 g p p 标准的a - g p s 。国内也已经生产出拥有定位功能 的手机l - 一京瓷k z 8 5 0 是国内首款支持“定位之星”业务的手机 但蜂窝无线定位技术在定位精度上还有很大不足，其主要误差源包括： 多径传播、n l d s 传播、c d m a 中多址接入干扰问题等州通过现场勘测和 技术理论分析，在蜂窝网络定位系统中。移动台和基站之间非视距传播误差 是影响定位精度的主要原因，是影响提高定位精度的决定性因素目前非视 距问题已成为蜂窝网络移动台定位技术研究的重点和热点问题。在第二代通 信系统中非视距( n l o sn o n - l i n e - o f - s i g h t ) 误差不会影响通信质量和通信 业务，故对此研究几乎处于空白状态自从定位业务的提出n l o s 误差才被 受到广泛重视。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 目前国内外有许多相关文献已经提出了抑制或者消除n l o s 误差的方 法。根据不同的研究思路，最新的几种不同定位算法如下：文献 1 6 提出一 种非迭代算法。其主要是将混有n l o s 误差的范围模型不等式线性化，并添 加松弛变量法，将距离不等式方程转变为等式方程：通过理论推导得出最优 代价函数，利用最优代价函数估算出移动台的位置。该算法在n 【o s 较严重 的情况下有良好表现，但在幻s 误差较小时其定位精度低于c h a r t 算法，说 明在l 0 s 环境中该算法引入了误差。同样使用松弛变量法的文献还有文献 3 6 而文献 3 7 中提出一种线性位置预测法，其思想是利用移动台移动特 性，假定移动台在定位采样期间保持某一稳定速度，则可线性地估测出移动 台下一时刻的位置，演算出一个接近于移动台真实位置的参考位置；此时将 只需关注初始估计位置与移动台真实位置的偏差并设法补偿。此算法也能较 好的抑制n l 0 s 误差，其缺点是需要较长的观察时闻，并且在定位期间，如移 动台运动加速度较大时该算法性能也将下降。文献 3 8 中提出一种基于密度 分组技术( d c a ) ，通过分析蜂窝规划的几何特性、t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 距离测量值和三个基站位置关系，利用高密度分组修正代价函数，并求解此 代价函数方程的最优解，来估计移动台的位置，该算法能有效地抑制n l o s 误差，定位精度能满足e - 9 1 1 的要求但此算法过于依赖蜂窝网络几何位置 关系，几何精度因子( c d o p ) 的大小在定位中将起到关键作用与此方法类 似，利用蜂窝网络基站与移动台几何关系定位的文献还有 i s ，1 9 ，3 9 。文 献 4 0 1 提出一种数据处理方法；在利用t o a 测量数据进行定位前，先对测量 到的t o a 数据进行筛选，并利用n l o s 传播时延扩展服从指数分布的特性， 对t o a 进行处理，最后保留误差最小的3 个t o a 测量值，采用最小二乘法 对移动台进行估计。此方法在l o s 环境或n l ( ) s 传播较少的蜂窝环境中有良 好的表现，但在城市环境或测量的t o a 全都存在n l o s 误差时，其定位精度 不好。除了以上使用单一测量数据进行定位的算法外，还有一种利用更多电 波信息的混合定位法文献 4 1 ，4 2 提出一种利用t d o a a o a ( t h n e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l a n g l eo f a r r i v a l ) 的混合定位算法，由于参与定位的信息 类型多，所以混合定位算法具有一定优势。 1 3 本文研究内容与结构安排 本文致力于在蜂窝网络定位系统中如何消除非视距定位误差的定位技术 研究，首先对蜂窝无线定位中常用到的数学理论进行分析，讨论基本的数学 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 分析方法；在此基础上对m d s 误差进行深入的讨论和分析，并建立n l o s 误差模型，用于m d s 传播特性的分析和算法仿真。同时也提出了一种重构 t d q m a 测量值的定位算法。先是利用n l o s 传播特性来重构t d o a 测量 值，并在此基础上利用伪尺度约束算法，对t d o a 测量值进一步精确，从而 消除n i d s 误差影响，仿真结果证明此算法的有效性。 论文的主要内容由以下几部分组成： 第一章绪论；概述蜂窝定位的广泛应用及当前蜂窝定位技术的发展现状； 重点介绍了抑制n 【d s 误差的研究现状和本文的研究工作；第二章具体阐述 了蜂窝网络定位技术，对蜂窝无线定位系统的方法、定位方案及其衡量定位 算法性能的指标进行了详细的探讨；第三章数学理论分析；对近年来在国内 外文献中，无线定位算法上常用的数学理论进行讨论，主要包括：二阶信号 参量估计理论、高阶统计量和分数低阶统计量并对各种数学理论在蜂窝定 位中的应用进行简要说明，分析了各种理论在实际应用中的前提和应用范围。 第四章针对n l o s 误差鉴别和抑制方法进行研究，对n l o s 误差传播特性进 行了非常详细的讨论和分析，并完成了对n i d s 误差鉴别常用的方法的比较。 同时将对现有文献中提到的抑制n i d s 误差定位算法进行分析和分类，最后 对比较典型的c h a n 氏算法和残差加权算法进行详细讨论和仿真，通过仿真得 出这些算法的优缺点。第五章首先讨论了基本的伪尺度定位算法；在此基础 上提出一种改进的抑制非视距误差的定位算法，以消除蜂窝网络无线定位系 统中提高定位精度的主要误差一n l o s 误差在最后的结论中，对全文进行 了总结，并对今后的蜂窝网络无线定位技术的研究方向进行了讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章蜂窝网络无线定位技术概述 自e 9 1 1 定位需求颁椎以来，蜂窝网络移动台定位技术受到广泛关注和 研究，其研究主要侧重于基本定位方法和技术的研究，定位算法的研究， t d o a 、t o a 检测技术的研究，抗非视距传播( n l o s ) 、多径和多址干扰技 术的研究，数据融合技术研究，定位技术实施方法研究和定位系统的性能评 估研究等枷下面将对这些研究成果进行介绍。 2 1 蜂窝无线定位方法 在各种无线定位系统中，采用的基本定位技术都是相同或相似的，通常 情况下实现蜂窝网无线移动台定位分为2 步：第一步：根据不同的定位类型， 估计相应的定位参数：第二步：根据估计出的定位参数，采用相应定位算法 确定移动台的位置通常可供选择的基本定位技术有“”： 图2 1t o a 定位方法 ( 1 ) 基于电波传播时间( t o a 或t 0 0 a ) 的定位法 基于网络的定位系统中通常采用精度较高的t o a 或t d o a 的定位方法。 t o a 中，若电波从移动台到基站的传播时间为t ，电波传播速度为c 。基站位 置坐标为伍奶，则移动台必位于以，y ) 为圆心，以d 为半径的圆上。在多个 基站上进行上述计算，则移动台的二维位置坐标可由三个圆的交点确定，如 图( 2 1 ) 所示。t d o a 嘲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，降低了基站时间同步要求。移动台位置 在以两个基站为焦点、与两个焦点的距离差总是为r 的实线双曲线对上两 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 组或三组双曲线的交点代表对移动台位置的估计，如图( 2 - 2 ) 所示。与t o a 定位方法类似，基站b s i 和基站b s 2 与移动台之间的距离差可以通过测量得 出，即通过测量从两个基站同时发出的信号到达目标移动端的时间差t 来确 定，或测量从移动台出发到达两个基站的时间差t 显然，r = c t ，其中，c 为电磁波在空中传播速度。 一 ， 图2 2t d o a 定位方法 实际上，t d o a 技术已经广泛应用于雷达和g p s 系统中，并且获得了令 人满意的定位精度。目前采用t d o a 技术实现蜂窝移动通信系统移动台定位 的系统已经有很多，如a l l e n t e l e c o m 公司的g e o m e t r i x 系统、t r u e p o s i t i o n 公 司的c l s 系统等t d o a 定位的关键问题是如何获得准确的时间测量参数。 传统的时间差测量方法包括相位测量、脉冲检测以及扩频码相关方法，前两 种方法在雷达测距中应用非常广泛。而扩频码相关在g p s 定位中得到了实际 的应用。在t d o a 中所说的相关操作是通过寻找在不同地点获得的两个信号 互相关值所对应的时间延迟来获得有用的参数嘲 ( 2 ) 基于角度的定位技术 基于角度定位要求在两个以上的位置采用方向性天线或者阵列天线获得 同一个信号源发射的无线电波信号的角度信号，从而构成一根从接收机到移 动台的径向连线，利用两个或两个以上接收机提供的a o a 测量值，按a o a 定位算法确定多条方位线的交点，如图2 - 3 所示。 a o a 技术州在复杂的城市电波传播环境中，尤其是多径干扰下的性能是 一个值得研究的课题 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 - 3a o a 定位方法 ( 3 ) 基于信号强度的场强定位技术 信号强度定位方法通过测量接收信号的场强值和已知的信道衰落模型以 发射信号的场强值估算出收发机之间的距离，根据多个距离值估算移动台的 位置。在很长一段时间这种技术被认为是定位技术中最不可靠的。种。原因 是发现传送功率是一项负担，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜以 及无线系统的不断调整，这个过程可能会十分复杂。而且，信号会因传输距 离而产生衰落，其他因素如穿越墙、车辆等都会对信号功率产生影响。功率 测量电路也无法区分多个方向接收到的功率是直接的还是反射的，故这种方 法的精度较低“”国外学者提出了增强型场强测量技术( e s s o a ) 和多径指 纹技术( f i n g e r p r i n t ) ，基本思想是事先在各个小区内进行大量的实地信号测 量，提取信号的特定参数将其特征保存在庞大的网络数据库中，建立统计模 型，然后根据实际接收的信号特征在数据库中进行模式匹配以最终确定移动 台所处的位置。这是一种颇具发展发展前途的定位技术，不需要对基站的软 硬件做大的改动，而且能有效的减小多址干扰，n l o s ，多径效应对定位系统 的影响，但如何建立，维护并升级数据库是该技术最为关键的闯题。 ( 4 ) 混合定位法 在采用这种定位法的系统中可利用上述多种不同类型的信号特征测量 值，如t o a a o a 、t d o a a o a 、t d o a t o a 进行定位估计油“伽。对于不 同的测量参数，导致的位置线误差的特性是不同的。如a o a 误差与距离成正比， 而t o a 误差与距离无关。如果将上述三种基本方法结合起来将能达到取长补 短的作用若利用单个基站测量的不同类型的参数就能实现定位，将减少参 与定位的基站数，从而大大降低定位系统的复杂性，并能达到较高的精度，目 前在蜂窝网络中受到广泛关注和深入研究的是t o a 、t d o a 定位法及混合定 位法 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 5 ) 数据融合技术 数据融合是一种能够综合不同处理方法的技术优点，结合有关先验信息 对不同类型的数据进行融合，从而取得比单一技术性能更好的数据输出的技 术。同一数据源的数据经不同传感器接收并经过不同的技术处理后，与单一 技术处理相比，可以获得一定的统计增益在数据融合模型中，决策和推理 在不同层次之间的转移及对应的决策和推理是数据融合技术的基本特征。数 据融合是获得移动台信息的有效手段，也是当前信息技术领域的热点之一。 尤其是这些年来。数据融合技术得到了很大的发展，已经从相关技术的松散 收集发展成为具有标准术语的工程科学目前，数据融合技术主要用于目标 定位跟踪“”，、导航、战场检测等等应用中。 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 定位法虽有一定的 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，受到了更多地重视。表 2 一l 将a o a 、t o a 和t d o a 三种定位方法进行比较 表2 - 1 三种基本定位方法比较 定位方法几何图形需最少基站数对同步要求 t o a圆形3m s 与b s 之间要求同步 t d o a双曲线3b s 之间要求同步 a o a直线2不要求同步 混合定位法则能吸收不同定位法的优点，但需再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应用。 2 2 蜂窝无线定位方案 蜂窝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 b s 之间传播信号的特征参数来估计目标移动台的几何位置根据进行定位估 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 亟 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 三种：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 删，与之对应有以下几类定位系统： ( 1 ) 基于网络的定位系统 此类定位系统称为远距离定位系统或叫做反囱链路定位系统，采用的是 基于网络的定位方案。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测量，将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( 加l c ) ，得到移动台的位置信息。如 移动台需要知道自身位置信息，m l c 将得到的位置信息通过蜂窝网络传给移 动台。采用基于网络的定位系统优点是它无需改进移动台 ( 2 ) 网络辅助定位系统 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 各接收信号携带的各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 ( 3 ) 基于移动台的定位系统 这类系统也称为移动台白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来确定其与各发射机之间 的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用 户掌握其自身的位置信息，此时定位中心处理是在移动台本身完成的。现有 的移动台必须经过改进才可支持这种定位方案，例如：京瓷z 8 5 0 手机就是采 用此方案进行定位目前在蜂窝网络中广泛应用的技术是来源蜂窝小区，该 方案已被用来满足美国第一阶段的“9 1 1 ”紧急服务要求、基于位置的付费管 理和一些需要位置信息的服务。 “) 移动台辅助定位系统 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 p c f 计算出移动台的估计位置 ( 5 ) 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。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的 前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成g p s 接收机或能 同时接收多个基站信号进行定位的处理部件，还必须用适当方式将定位信息 传送回蜂窝网络基于网络的反向链路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做任何修改，能从分利用现有各种蜂窝网 络的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，因而是e 9 1 1 定位需求 的首选。 2 3 影响蜂窝定位的误差源 蜂窝网络定位目前没有商用化，主要原因是其定位精度还没有达到商用的 要求，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m ：在c d m a 网络中，还普遍存在多址 干扰，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要研究的重要课题 ( 1 ) 定位误差来源之一：多径传播问题 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因。对t 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“3 】。因为基于互相关技术的延时估计器的性能会 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嘲，如何对这些方法进行深入研究 值锝重视 ( 2 ) 定位误差来源之二：n l o s 传播问题 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 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。n o k i a 的现场测量结果表明，在g s m 网络环境中的平均n l o s 误差 达到5 0 0 7 0 0 米“”，k o r e a t c l c c o m 在i s 9 5 网络中的测量结果表明平均n l o s 误差达到5 8 9 米嘲；此外n l o s 误差有随m s 与b s 之间的距离的增大而线性 增大的趋势嘞1 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， 如何降低n l o s 传播的影响是提高定位精度的关键“”。 ( 3 ) 定位误差来源之三：c o m a 多址接入干扰问题 在c d m a 系统中，由于通过不同的扩频码共用同一频带，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，但由于无线定位需要多个基站同时检测移动台发射的信 号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍然会受 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时调到最大的p o w e r u p 方法。i p d l 方法豫 蚓，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 ( 4 ) 其他定位误差来源 此外，参与定位的几个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。 2 4 蜂窝网络定位性能的主要指标 为了正确评价各种定位算法在实际蜂窝网络环境中的定位性能，需要首 先确定评价定位准确率的指标目前最常用的指标是定位解均方误差 m s e ，、 均方根误差( r m s e ) 、克拉美罗下界( c ，b ) 、几何糖度因子( g d o p ) 、 圆，球误差概率( c e p s e p ) 1 、克拉美罗下界( c i t l b ，c r a m c r - r a ol o w e rb o u n d ) c r l b 是无偏参数估计方差的下界。通常，用m s e 或r m s e 对理论c r l b 的逼近程度来判定定位估计的精度文献 2 1 ，4 5 】中给出了t o o & t o a 及a o a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 定位的c r l b 表达式。 2 、圆球误差概率( c e p s e p 。c i r c u l a re r r o rp r o b a b i l i t y s p h e r i ce r r o r p r o b a b i l i t y ) c e p s e p 是定位估计器相对其定位均值的不确定性度量。对于二维系 统，c e p 定义为包含了一半以均值为中心的随机矢量t 的圆半径。对三维系 统，c e p 用s e p 代替，即用球半径来代替圆半径 3 、几何精度因子( g d o p , g e o m e t r i c d i l u f i o f p r e c i s i o n ) g d o p 定义为定位误差r m s e 与测距误差r m s e 的比值，表征了m s 与 b s 的几何位置关系对测距误差的放大程度。g d o p 越大，则b s 与m s 之问的几何位置关系对定位精度的影响越大，即由b s 与m s 的位置关系造 成的误差越大。所以，g d o p 是设计定位算法时经常需要考虑的指标，还可 以作为组网时选择b s 位置的参考。 4 、相对定位误差( r p e ，r e l a t i v ep o s i t i o ne r r o r ) r p e 定义为定位精度与定位范围最大圆半径之比，把定位精度与定位范 围联系起来考虑，是有实际意义的。 5 、均方误差m s e 均方根误差r m s e 一种常用于评价定位准确率的度量是定位解的均方误差m s e 与理论上基 于无偏差估计方差c r ib 的比较，在二维定位估计中计算m s e 的方法为： m s e = e c x - 舅) 2 + ( y 一歹) 2 】 ( 2 1 ) 均方根误差为： 尺 f ：s e = e 【( 芦一i ) 2 + ( y 一萝) 2 】 ( 2 2 ) 2 5 本章小结 本章主要对蜂窝定位系统整体情况作了概括性的描述，分析了蜂窝定位 系统的基本方法、蜂窝定位基本方案、影响蜂窝定位精度的误差源和评价定 位算法准确率评价指标。为后续章节和本研究的环境傲个铺垫 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章无线定位的数学理论 通常情况下实现蜂窝网中移动台的定位分为2 步：第一步：根据不同的 定位类型，估计相应的定位参数：第二步：根据估计出的定位参数，采用相 应定位算法确定移动台的位置定位参数的估计好坏直接影响定位精度；在 实际应用中，由于信道非理想情况下，接收机接收到的信号含有较大误差， 不能较好的体现信号的信息特性，此时必须利用样本数据来估计某些定位特 定的参量。本章节主要讨论信号估计的基本理论中至关重要的各种最佳估计 准则。 3 1 二阶信号参量估计基本理论 在参量估计问题中，观测波形在观测时间【o ，1 1 内可表示为 x ( f ) = s ( f ；口1 口2 a m ) + n ( t ) ( 3 1 ) 式中 s ( f ；口1 口2 口m ) 表示信号波形，它依赖于m 个待估计的未知参量 a 。a ：a 。这些待估参量可能是随机变量，也可能是未知的确定量但无 论属于哪种情况，我们总假定待估计参量在观测时间 o ，叼内是不随时间变化 的。为了方便起见，用参量向量_ 表示这些待估参量： ，、个 7 口2 【口1 a 2 a _ ) 1 ( 3 - 2 ) 现在的问题是，如何最佳地利用观测向量x 来构成估计量? 这就牵涉到“最 佳”的含义是什么? 从什么标准来说是“最佳”的? 随着所选定的“最佳” 准则不同，存在着各种不同的构成估计量的方法。 3 1 1 经典估计 求估计量最直观的方法是矩法，由统计学家p e a r s o n 引入的一种求参量a 点估计方法。根据辛钦大数定律，如果研究对象的总体亏的数学期望有限，那 么用于组成总体e 的n 个子样磊( i - l ，2 n ) 所提供的信息去估计 的分布 函数中的未知参量a 时，可以用子样矩来估计总体的矩： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 驴丢套 式中 露表示总体；的r 阶原点矩肟的估计量。脾定义为： 3 1 2 贝叶斯估计 弘r = lx r 叭x ) d x ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 设输入向量的分布密度p ( x a ) ，a q ，a 为待估参量向量，q 为参量空 问。假定信号j “，口j 仅取决于参量向量a ，因而可认为信号空间与参量空 间重合，都是一个m 维空间。求参量a 的点估计，可看作根据接收机输入端 n 个观测值，即输入空间x 中的一点( 而，x 2 。以) ，对未知参量a 采取一种决 策或决定我们将可能采取的全部决策所组成的集合称为决策空间。应用贝 叶斯估计准则必须知道信号参量的先验分布密度函数p ( a ) 以及对每一对 0 ，厅) 定义的代价函数c ( 口，口) 由于估计量a 与真实参量a 可能不同，一般 要引入损失，因此代价函数c ( 口，石) 为非负函数对于单参量估计的情况， 一般选用的代价函数与估计误差，3 - - - - - , a - 五有关。即c ( a ，云) = c ( a - a ) ，而且误差 越大，代价越大一旦确定了代价函数和先验分布函数，则可求出总平均代 价或平均风险 r = l il oc ( 口，a ) p ( 圳) 如d x = i l 【l 。 c ( 口，a 泐( 口ix ) 如】p ( 4 ) 如 3 勘 所谓贝叶斯估计，就是选择估计向量a ，使平均风险r 达到极小条件代价 定义如下： r ( a l 石) = j ：。 c ( 口，a ) p ( 口ix ) , 口 ( 3 6 ) 由此可知，贝叶斯估计就是使平均风险或条件代价达到最小的估计贝叶斯 估计有几种特例分别为：最小均方估计和条件中位数估计嘲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l s 页 3 1 3 最大似然估计 对于先验概率未知的信号估计除了采用极大极小估计方法外，还广泛采 用最大似然估计它是以似然函数最大处的参量作估计量。这种估计的优点 是无需知道参量的先验知识，同时代价