（信号与信息处理专业论文）基于mimo系统下nlos误差抑制方法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着个人无线通信产业的迅速发展，人们对提供紧急呼叫及其它增值业务的 移动台精确位置定位需求逐渐上升。近年来，众多学者已提出了利用陆地无线网 络设备和无线电信号的若干定位技术。然而，陆地无线系统中的精确定位受到了 信号非视距传播以及可测性问题的影响。传统的定位算法假设移动台与各个基站 之间信号存在视距传播路径，而这种假设在现实环境中很少遇到。现有n l o s 误 差抑制算法的趋势是以增加参与定位计算的基站数目来换取定位精度的提高。这 些定位准则要求存在很多网络单元能以合格的链接质量从移动台接收信号或发送 信号到移动台。由于多种原因，这在实际的无线网络中是不可行的。 在无线通信领域，采用若干发射和接收天线的多输入多输出技术已成为最引 人注目的技术突破。在3 g 时代的到来下，m i m o 技术已成为其核心技术之一，基 于m i m o 系统的移动定位技术正是本文研究的核心内容。n l o s 误差是定位中的 主要误差来源，直接影响了定位的精度。本文围绕着如何在n l o s 环境中提高移 动台定位的有效性展开，研究了非视距( n l o s ) 环境中的移动定位。传统的n l o s 误差抑制技术在新的通信系统中也已日显其局限性与劣势。在m i m o 系统下，基 于n l o s 信道模型的定位方法成为解决n l o s 定位误差问题的利器。本文正是基 于该模型，充分利用每条n l o s 传播路径相对应的时延、到达角( a o a ) 和离开角 ( a o d ) 的知识，给出一种新颖的几何定位方法，仅采用两条n l o s 路径就可计算 移动台( m s ) 的位置，并且只需要利用单个基站便可完成m s 位置的确定，克服了 基站数目过少无法准确定位m s 的缺陷。在此基础上，本文还给出了最小二乘与 最大似然算法利用多条n l o s 路径来改善定位精度。m l 算法可联合估计出散射体 与移动台的位置。此外，本文对给出的几何定位方法进行了扩展，利用它对n l o s 环境下运动的m s 进行定位跟踪。论文给出的理论分析和仿真结果都证实了本文 给出的定位方法在n l o s 环境中对m s 定位的有效性与精确度。 关键词：信道估计，参数估计，移动定位，多输入多输出，非视距传播 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de x p a n s i o no ft h ew i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , t h e r e a l ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o re x a c tm o b i l es t a t i o n ( m s ) l o c a l i z a t i o nw h i c hc 锄p r o v i d e t h ee m e r g e n c yc a l la n do t h e rv a l u e a d d e ds e r v i c e s i nr e c e n ty e a r s ，n u m e r o u ss c h o l a r s p r o p o s e ds e v e r a ll o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c ht a k eu s eo f t e r r e s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k e q u i p m e n ta n dt h er a d i os i g n a l s h o w e v e r , a c c u r a t el o c a l i z a t i o ni nt h et e r r e s t r i a l w i r e l e s ss y s t e mi sa f f e c t e db yt h en o n - l i n eo fs i g h t ( n l o s ) p r o p a g a t i o no fs i g n a l sa n d t h eh e a r a b i l i t yp r o b l e m t h et r a d i t i o n a ll o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sa s s u n l et h a tt h el i n eo f s i g h t ( l o s ) p a t h se x i s tb e t w e e ne a c hm s a n db a s es t a t i o n ( b s ) b u ti ti sr a r e l ym e ti n r e a l i t y 1 1 1 et r e n dt h a tt h ec u r r e n tm e t h o d sm i t i g a t en l o sp r o p a g a t i o ne r r o ri s t o t r a d e o f fp o s i t i o na c c u r a c yw i t ht h en u m b e ro ft h ep a r t i c i p a t i n gb s s t h e s el o c a l i z a t i o n c r i t e r i o n sr e q u e s tt h a tt h e r ea l em a n yn e t w o r ke l e m e n t sw h i c hc a n h e a r ，t h a ti s ，t o r e c e i v es i g n a l sf r o mm s ，o rt os e n ds i g n a l st om s 讲ma c c e p t a b l el i n kq u a l i t y t h i si s n o tf e a s i b l ei nt h ep r a c t i c a lw i r e l e s sn e t w o r kf o rv a r i o u sr e a s o n s i nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , m u l t i p l e - i n p u t - - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g y , u s i n gs e v e r a lr e c e i v e da n t e n n a sa n dt r a n s m i t t e da n t e n n a s ，h a sb e e nt h e p r o m i n e n tt e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g hi nt h ee n do fl a s td e c a d e w i t ht h ea r r i v a lo ft h e t h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , t h em i m o t e c h n o l o g yh a sb e e no n eo f i t sg o r e t e c h n o l o g i e s m o b i l ep o s i t i o n i n gb a s e do nm i m os y s t e mi nt h en l o se n v i r o n m e n ti s t h em a i nr e s e a r c ht o p i co ft h ep a p e r 1 1 1 en l o se r r o ri st h ed o m i n a n te r r o rs o u r c e ， w h i c hd i r e c t l yh a v en e g a t i v ei n f l u e n c eo nt h ep o i n t i n ga c c u r a c y 乃旧p a p e rs t a r t sw i t h h o wt oi m p r o v et h ev a l i d i t yo ft h em o b i l ep o s i t i o n i n gi nt h en l o se n v i r o n m e n t 1 f 1 1 e t r a d i t i o n a ln l o se r r o rm i t i g a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eo b v i o u s l ys h o w ni t sl i m i t a t i o na n d i n f e r i o r i t yi nn e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。i nt h em i m os y s t e m ，t h el o c a t i o nm e t h o d b a s e do nt h en l o sc h a n n e lm o d e lh a sb e c o m er e s u l t f u ls o l u t i o nt or e s i s tn l o se r r o r 啦s p a p e ri sj u s tb a s e do nt h ec h a n n e lm o d e lm e n t i o n e da b o v e ，t ot a k ef u l lu s eo f t h e k n o w l e d g eo ft i m ed c l a y , a n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) a n da n g l eo fd e p a r t u r e ( a o d ) a s s o c i a t e dw i t he a c hn l o sp a t ha n dt h e ng i v e san o v e lg e o m e t r i cm e t h o dw h i c hc a n c a l c u l a t et h ep o s i t i o no fm s 晰t l lt w on l o sp a t h sa sw e l la so n l yo n eb st h a ti su s e dt o i m p l e m e n tl o c a l i z a t i o n , w h i c h c a l lo v e r c o m et h el i m i t a t i o no fs h o r t n e s so ft h e p a r t i c i p a t i n gb s s t h e n ，l e a s ts q u a r e ( l s ) a l g o r i t h ma n dm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) a l g o r i t h ma l eg i v e n t oi m p r o v et h el o c a t i o na c c u r a c yw i t hs e v e r a ln l o s p a t h s h e r e b y , 重庆邮电大学硕士论文 摘要 m la l g o r i t h mc a ne s t i m a t et h ep o s i t i o n so fb o t hs c a t t e r e r sa n dm s f u r t h e r m o r e ，t h e p a p e re x t e n d st h eg e o m e t r i cl o c a t i o nm e t i l o d ，t ol o c a t ea n dt r a c et h em o v m gm s t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e di nt h ep a p e rh a v ep r o v e dt h e v a l i d i t ya n dt h ea c c u r a c yo fu s i n gt h el o c a t i o nm e t h o dg i v e ni nt h ep a p e rt of i xt h e p o s i t i o no ft h em si nt h en l o se n v i r o n m e n t k e yw o r d s ： c h a n n e l e s t i m a t i o n , p a r a m e t e re s t i m a t i o n , m o b i l el o c a t i o n , m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t , n o n - l i n eo fs i g h tp r o p a g a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文图索引 图索引 图1 1 使用a o a 测量值的m s 定位几何模型。4 图1 2 使用t o a 测量值的m s 定位几何模型4 图1 3 使用t d o a 测量值的m s 定位几何模型5 图1 4 无线环境中n l o s 传播图8 图2 1 相关接收独立发送m d 订o 信道1 4 图2 2 相关发送相关接收m i m o 信道1 4 图3 1n l o s 环境下的系统模型。2 6 图3 2m s 的可能区域2 6 图3 3m s 到b s 的n l o s 传播路径3 3 图3 4 a o dq 估计值误差对定位结果的影响，= 2 。，= 5 m 3 4 图3 5a o ab 估计值误差对定位结果的影响，= 2 。，= s i n 3 4 图3 6 距离估计值误差对定位结果的影响，= 唧= 2 3 5 图3 7m s 位置估计的r m s e 的分布情况，= 唧= z ，d = s m 3 5 图3 8m l 算法的r m s e ，唧= 2 。，= 5 m 3 6 图3 9m l 算法的i u m s e ，= 2 。，= 5 m 3 7 图3 1 0m l 算法的r m s e ，= = 2 。3 7 图4 1n l o s 环境下单次反射模型4 0 图4 2 测量次数f 对m s 位置估计的r m s e 分布的影响4 5 图4 3t l 时间内跟踪效果图4 6 图4 4t 2 时间内跟踪效果图4 6 v i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 符号对照表 数学符号符号说明 a a ( ) t ( ) h v i i d i a g i i l i 黑体大写字母表示矩阵 黑体小写字母表示列向量 矩阵( ) 的转置 矩阵( ) 的哈米特矩阵 梯度运算符 复标量模值 ( ) 为对角元素的对角矩阵 求和式子 复向量欧氏范数 英文缩略语表 英文缩写英文全称中文含义 a o a a o d a m ，l i m a d o d b s c d m a d d c i r e s p r i t f c c f d d g p s g s m g d o p i t s i i d a n g l eo f a r r i v a l a n g l eo fd e p a r t m e n t a m p l i t u d e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n a n g l ed i f f e r e n c eo fd e p a r t u r e b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d o u b l ed i r e c t i o n a lc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e e s t i m a t i o no fs i g n a lp a m m e t e rv i ar o t a t i o n a l i n v a r i a n c ct e c h n i q u e s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m t m i c a t i o n g e o m e t r i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n i n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i n d e p e n d e n t a n di d e n t i c a ld i s t r i b u t e d i 波到达角度 波离开角度 调幅调频 离开角度 基站 码分多址接入 双向信道脉冲响应 基于旋转不变技术的 信号参数估计 美国联邦通信委员会 频分复用 全球定位系统 全球移动通信系统 几何精度因子 智能交通系统 独立等分布 重庆邮电大兰堡主笙茎 堕堕垦 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - _ - 一一一一一一一 i q m l i p c l b s l o p l o s l s m s m i m o m p c m l m u s i c n l o s n l l s p s a _ p p d u p d f r f r s s r m s e r m s l 冲 s i s o s n r t o a t d o a t d d 刚 w n l s i t e r a t i v eq u a d r a t u r em a x i m t t ml i k e l i h o o d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc e n t e r l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s l i n eo f p o s i t i o n l i n eo fs i g h t l e a s ts q u a r e s m o b i l es t a t i o n m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t - p u t m u l t i p l ep a t hc o m p o n e n t s m a x i m u ml i k e l i h o o d m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n n o n - l i n eo fs i g h t n o n - l i n e a rl e a s ts q u a r e s p u b l i cs a f e t ya n s w e r i n gp o i n t p o s i t i o nd e t e r m i n a t i o nu n i t p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r a d i of r e q u e n c y r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h r o o tm e a ns q u a r ee r r o r r o o tm e a ns q u a r e r e f e r e n c ep o i n t s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o 符m eo fa r r i v a l t u n e d i f f e r e n c eo fa r r i v a l t i m ed i v i s i o nd u p l e x u n i f o i i nl i n e a ra r r a y w e i g h t e dn o n l i n el e a s ts q u a r e s 迭代积分最大似然 信息处理中心 位置服务 位置线 视线 最小二乘法 移动台 多输入多输出 多径成分 最大似然法 多重信号分类 非视线 非线性最d x - 乘法 公共安全应答点 位置测量单元 概率密度函数 射频 接收信号强度 均方根误差 均方根 参考点 单输入单输出 信噪比 到达时间 到达时问差 时分双工 均匀线性阵列 加权最小二乘法 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 在过去十年里，无线媒介用于个人通信的发展是显而易见的。随着无线技术 的迅速演变，无线载体提供的服务，其重点也由基于语音的服务转移到了基于高 速率数据的应用和增值业务。无线电话的普遍使用也推进了人们对移动定位领域 的兴趣，尤其用于紧急呼叫、个人安全服务以及商务应用领域，如船队管理和智 能交通系统( i t s ) 。基于位置的服务( l b s ) 给无线设备制造商和运营商提供给了 无限商机，通过为用户提供量身定制的定位服列1 - 3 l 来盈利。从用户的角度看，移 动定位提供了较强的安全性，紧急服务的处理，定位信息以及优质的服务。 当特殊人群需要实施紧急任务( 如消防、救援等) 时，他们需要明确知道用户的 位置。这种迫切的要求推动了精确无线定位系统的发展。根据从美国国家突发事 件计数协会( n e n a ) 得到的统计，2 0 0 0 年，有4 , 5 0 0 万无线9 1 1 呼叫，占到所有 9 1 1 呼叫的3 0 【4 】。可以预期，在不久的将来，大部分紧急呼叫将为无线呼叫。1 9 9 6 年，美国联邦通信协会( f c c ) 通过了一项决议，即要求无线服务供应商提供无线9 1 1 呼叫者到最近的紧急通信受理中心( p s a p ) 的位置信息【5 1 。无线e 9 1 1 计划主要划 分为两部分一第1 阶段和第1 i 阶段。在第1 阶段，运营商需要提供无线e 9 1 1 呼 叫者的电话号码和接收到该呼叫电话的p s a p 的网络单元位置。第1 i 阶段对精度 提出了更高的要求。为此，f c c 建立了一个为期四年的计划，该计划2 0 0 1 年开始 执行，2 0 0 5 年1 2 月完成，它分别为基于网络与基于手机终端的技术制订了精度要 求： 基于网络的解决方案：6 7 的概率定位精度不低于1 0 0 m ，9 5 的概率定位精 度不低于3 0 0 m 。 基于手机终端的解决方案：6 7 的概率定位精度不低于5 0 m ，9 5 的概率定位 精度不低于1 5 0 m 。 与此同时，欧盟也对无线紧急呼叫( e 1 1 2 ) 出台了与美国相似的建议。 顾名思义，基于手机终端的定位系统使用移动台( m s ) 来测量可靠信号的特 性并根据测量值来估算出自身的位置，而基于网络的定位，位置的确定是在基站 ( b s ) 完成的或者通过附加的位置测量单元完成【l ，删。这两种方案各有其优缺点。 基于网络的解决方案不要求更换手机终端，但是可能由于可测性问题在其使用上 受限。另一方面，基于手机终端的解决方案需要更换手机，但是当其装配有全球 定位系统( g p s ) 功能的接收机时，有潜力获得更大的精度。两种方案都利用了现 有的无线通信基础设施，无需诸如航位推测法的辅助技术1 9 1 。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 定位技术的应用 移动定位的首要益处是有助于紧急服务。除了支持e 9 1 1 ，位置报告对于防御 国土免遭威胁以及处理常规紧急事件上也起着至关重要的作用。当执法人员迅速 做出反应报告可疑活动时，精确的位置信息是必需的。在人们遭受攻击的情况下， 将可能出现很多紧急呼叫并且这些紧急呼叫求救者精确的位置信息可能有助于其 及时获得救援。无线定位有很多用户容易掌握和使用的应用与服务，包括敏感位 置通告，限制无线电话的警报。除此应用外，还有船队管理和i t s 【坛l o 1 1 】，位置信 息的综合还可能会带来其它的增值服务，如基于位置的网络服务、地方广播以及 与用户相关的本地交通信息的提供。位置跟踪服务能够提供车辆，行人以及其它 资产的持续监视。使用常规有线网络的用户大量转移到无线网络中来 3 j ，因而使用 基于消费者位置信息的不同收费服务的用户数量也得到不断增长。2 0 0 5 年，基于 位置信息的服务拥有高达2 0 0 亿美元的市场【l 引。 定位技术在改善无线通信系统和服务的设计与性能上也扮演着十分重要的角 色。目前有很多学者建议采用基于位置的策略进行无线资源和移动性管理，网络 规划，切换和路由。为了协助交互切换与小区内切换，文献【1 3 提到这样一种方法， 即使用实时位置和活跃移动台的方向来辅助基站预测m s 前往的下一个小区。基 于m s 到下一个小区的距离，发送预定请求来通知小区b s 为期望的切换预先分配 好信道。在文献 1 4 d g ，提到了一种用于c d m a 系统的软切换方法，该方法使用 了移动定位功能，r f 传播统计和服务基站与备用基站间信号强度的差异来动态改 变切换门限。文献 1 5 1 6 提出了用于a d h o e 网络的若干路由算法，它们利用了移 动主机的位置信息来寻找路由。 1 1 2 定位的基本方法 对于在小区内和无线通信网络中查找无线终端，使用的技术一般可分为以下 两类：基于陆地无线电波和基于卫星。尽管还有其它的定位技术，如航位推测法 和感应系统【l 一，但是这些技术在无线运营商与标准组织执行时均不列入考虑范围。 基于陆地无线电的定位包括m s 与一组b s 间无线信号的测量，用此测量值来估计 决定m s 位置的某些参数。这些参数分别有接收信号强度( r s s ) 、发射信号的到达 角( a o a ) 、到达时间( t o a ) 和到达时间差( t d o a ) ，在此基础上计算m s 位置。陆地 定位系统可基于手机终端，也可基于网络。基于卫星的系统( 如全球定位系统( g p s ) ) 是以相似的无线电信号测量原则为基础的，与基于手机终端的陆地定位系统的差 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 别是m s 手持设备必须具备特殊的接收机来接收卫星信号，以此来自我定位。混 合定位技术融合了基于陆地与基于卫星的定位方法，也取得了广泛的使用，由此 衍生的技术诸如辅助g p s 1 7 j 。 a o a 估计( 或称之为测向) 是使用天线阵列来确定一个或多个接收机的接收信 号方向。a o a 方法确定基于三角测量的m s 位置。由b s 到m s 的径向线形成的 位置方向线( l o p s ) 的交点，在二维空间内确定了m s 的唯一位置，如图1 1 所示。 基于距离的定位系统需要对m s 与b s 间的距离进行测量。常用的测距方法有t o a 估计和信号强度估计。如果获得t o a 估计值，那么m s 到b s 间无线电波传播的 距离可以通过光速乘以t o a 值得到。如图1 2 所示，距离测量值决定了l o p ，它 是一个以b s 为圆心的圆。两个距离测量值确定的m s 位置为一个模糊区，而三个 测量值确定了一个唯一位置。同理，距离差确定了m s 与两b s 间的距离差值，它 可直接通过估计t d o a 测量值得到，或通过两距离测量值作差得到。m s 的位置 可利用三边测量技术确定。这种情况下，距离差值确定了l o p ，其为以每个b s 为焦点的双曲线。如图1 3 所示，来自三个b s 的l o p 交点即为m s 的二维位置估 计。有些陆地混合定位技术利用了时间与角度测量值的联合 1 s q g 。当其中一种类 型的测量值不足或测量值有误时，这些混合方法非常有用。 除了这些众所周知的方法外，还有些其它陆地定位技术也能用于确定m s 位 置。一个简单的方法是使用手机用户的i d 来查找m s 的近似位置】。这种情况下， m s 位置的最优近似值通过服务b s 的位置得到。显然，该方法的精度取决于小区 的大小。当其它精确度高的定位方法失败或无法实施时，该方法可作为备用方法。 另一种称为无线定位标签【2 0 】的技术是通过测量用户手机的信号强度，将其转传给 服务b s 来确定m s 位置。信号强度测量值与中央数据库的信号强度分布图有关， 该方法通过信号强度的最佳匹配给出用户最可能的位置。文献【2 1 】提到了一种与数 据库相关，用于多径环境中的移动定位方法。基于信号强度的位置估计利用了人 工神经网络与函数逼近 2 2 1 。此外，还有一些其它的提议，如使用t v 或a m f m 信 号来查找移动用户 2 3 1 ，这些信号在许多场所很容易获得。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 图1 1 使用a o a 测量值的m s 定位几何模型 图1 2 使用t o a 测量值的m s 定位几何模型 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 s l 椭圆l o p , 1 1 3 定位技术要求 b 图1 3 使用t d o a 测量值的m s 定位几何模型 ， 在特定的应用中，选择合适的定位技术取决于某些特定因素。比如商业应用 中，首先需要考虑的问题是开发、运行、维护及更新的成本要低。基于信号强度 的方法采用了数据库匹配技术，可能只需要在网络端或手机端进行新软件的安装 和处理，而基于到达时间的技术可能要求相关较昂贵的硬件和软件对网络基础设 施进行升级。由于e 9 1 1 的要求很严格并提倡较高的定位精度，其它一些对精度要 求不高的应用，如定位广告，才能让无线运营商通过采用较低的定位精度来降低 运营费用，从而获得高额收入。然而，精度越高，服务越好，因此，高精度是任 何无线定位技术最希望获得的性能特点。无线定位技术希望获得的另一性能特点 是系统必须非常灵活，能工作于不同的网络空中接口。随着无线运营商由2 g 向 3 g 技术的转变，定位技术应该适应这些转变，并尽量减少昂贵的硬件和软件的升 级。基于手机终端的定位方法，利用了嵌入式g p s 接收机并且它可提供最佳精度， 可能成为3 g 手机最受青睐的技术，但是这就要求用户购买新的手机，因为该技术 不适用于现有的或传统的手机。理想情况下，定位解决方案应该允许运营商利用 现有的网络来定位用户，无需对网络进行昂贵的升级，并能适应辅助卫星的手机 定位技术。最后，用于无线定位的信号参数估计的质量取决于环境类型( 室内室外， 农村，郊区，城市，山埘丘陵) 并成为影响精度与收益的显著因素。最适宜的定位 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 技术应该是在任何环境下都能提供一致的结果，使得用户在整个服务区，甚至在 漫游时都能查找到自己的位置。 1 2 研究现状 信道环境的类型，传播影响，网络配置，b s 的密集度甚至政治因素都能影响 定位估计的进程。这些因素使得简单的定位技术的普及受到阻碍。例如，基于手 机和g p s 的定位，相比其它基于陆地的方法而言，在空旷或者建筑较少的地区可 能会有更高的精度，但是它很有可能不适合在城市环境中或建筑物内使用，因为 在这些地方卫星的信号被障碍物挡住了。此外，g p s 由美国政府拥有并受其操作， 因此，不能保证为美国民用产业和其他国家永久有效的使用。在农村环境中，基 于手机的方法使用了g p s ，可能提供精度很高的位置估计，但是当基站数目不足( 基 于时间的定位需要三个或更多b s ，而基于a o a 的定位至少需要两个b s ) 时，使 用现有的手机和陆地无线定位技术查找用户就会很困难。在这些条件下，可能有 必要考虑混合定位方法，利用a o a ，t o a ，t d o a 数据的联合，并且还有可能包 含其它有用信息如接收信号强度，多径失真或多普勒频移 1 s , 1 9 , 2 4 - 2 6 。 即使可以假设用于测量定位参数的设备引起的误差很小，可周围的环境与信 号传播媒介在测量参数上引起误差不容忽视。由于多径信号叠加引起的衰减现象 导致在接收机上测量到的信号强度差异很大，影响了时间与角度参数的估计。例 如，在c d m a 系统中，采用了传统的基于相关技术的传播延迟和时延差估计，研 究表明估计值的精度受到达多径信号的影响，尤其是当反射信号与最先到达的信 号在一个码片段内到达接收机时1 1 1 ，现有算法很难将它们区分开。多径成分的检测 和影响时延与a o a 估计的多径效应的抑制受到广泛的研究 1 2 7 - 3 0 。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 d o a 和t o a 定位法而言， 即使m s 和b s 之间的电波可当作视l f l 三( l o $ ) 传播，多径效应也会引起t o a 测量误 差。这是由于基于互相关技术的t o a 估计器的性能会受到多径传播的影响，当反 射波t o a 与直射波在一个码片间隔内时更是如此。 对于地面测向和基于时间的定位方法，一个基本的要求是m s 与各个参与定 位的b s 之间存在直达或l o s 路径。当l o s 成分不存在时( 此时为非视距传播， n l o s ) ，信号从b s 到达m s 所传播的路径要大于直达路径，并来自不同的方向。 如图1 4 所示，对于基于时间的定位系统，n l o s 路径的额外传播距离直接导致 m s 与b s 间距离估计误差过大。对于测向定位系统，信号到达m s 的角度方向不 是来自b s 的真实方向。即使没有多径成分，这些影响定位的障碍依然存在。在 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 g s m 系统中经测量，基于时间的测距系统中的信号n l o s 传播引入的典型误差平 均可达4 0 0 7 0 0 m 1 3 1 】。结果【1 ，3 2 】表明n l o s 误差可能导致定位估计的误差高达几百 米，这取决于m s 附近散射体的特性。信号l o s 传播是得到准确的定位特征测量 值的必要条件。g p s 系统也是基于电波的l o s 传播才得以实现对目标的精确定位 的。但是蜂窝网的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，一般都会有阻碍物( 如高大建筑，大山) 阻挡，因而无法得到准确的 定位特征测量值，即使在无多径和采用高精度定时技术的情况下，也会造成t o a ， a o a 或t d o a 的测量误差。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。 c d m a 系统多址干扰问题也是有待解决的实际问题。在c d m a 系统中，用户 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 址干扰是指不同用户使用的扩频码不可能完全正交，解扩之后会带来干扰。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。 远近效应使移动台难以接收到远处基站的信号，因此减少了能够参与定位的基站 数目。在c d m a 系统中通常使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 的能力。 此外，还存在其他误差来源。如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。 定位精度也与定位算法的选择有关，而影响定位方法选择的因素有很多，可 测性问题【2 4 3 3 琊】就是其中之一。对基于网络的定位系统而言，使用了反向链路上的 信号，当m s 距离服务b s 很近时，相邻b s 接收信号的功率在进行测量期间保持 可测水平，满足该条件的b s 数量可能少于定位需要的最小数量。这种情况在 c d m a 系统中显得尤为突出，这里，服务b s 控制m s 的发射功率。可测性问题也 显示出其依赖于环境类型和b s 密集度i 冽。对于在m s 上定位，使用了前向链路信 号，利用多个接收到的导频信号执行定位替换为抗导频污染以此来最大限度地提 高干扰受限环境中的系统容量 2 4 1 。 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 图1 4 无线环境中n l o s 传播图 综上所述，无线定位中有很多影响定位精度提高的难题，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。 1 3 论文结构与安排 无线定位可以为多种应用铺路，这就给无线通信产业注入了新的活力。然而， 在无线定位成功地实施前不可避免地会遇到若干挑战。首要问题就是需要抑制 n l o s 传播对定位的不良影响，因为它严重的降低了定位精度。另一个需要解决的 问题是，在基站可用数目不足的情况下，如何实施定位。本文的核心就是在m i m o 系统下，如何在n l o s 环境中利用有限数目的基站进行目标定位。论文研究了一 种m i m o 系统下用于n l o s 环境的单基站定位方法。需要指明的是，文章的重点 不是定位参数的估计，而是假设在m i m o 信道参数估计成功的前提下，如何利用 这些定位参数来进行目标的定位估算。传统的基于t o a ，a o a ，t d o a 的定位算 法在n l o s 环境中已经显得不太合适，需要根据实际情况重新建模，鉴于此因， 文章抽象出了n l o s 的系统模型，并导出了定位的几何模型。在此几何模型下， 分别给出了l s 与m l 算法来估计m s 的位置，该方法充分利用了n l o s 路径并且 仅需单个b s 即可实现m s 定位。最后将上述几何模型进行了扩展，利用卡尔曼算 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 法对运动的m s 进行跟踪。论文的结构安排如下： 第一章：简要介绍无线定位的背景知识无线定位的发展历程，主要包括 移动定位的广泛应用及其重要性；传统的定位方法及其基本原理；定位技术提出 的要求；无线定位技术发展中遇到的难题与影响定位精度的因素等；以及本文的 主要研究工作。 第二章：讨论了m i m o 系统的信道模型；信道参数估计以及移动定位中的定 位算法与一些传统的非视距误差抑制方法，并分析了各自的优缺点。 第三章：研究了一种新的适用于n l o s 环境的移动定位几何方法及基于该几 何模型的位置估计l s 与m l 算法。假设已知与各条n l o s 路径相关的时延、a o a 与a o d 参数，本章给出的算法能联合估计m s 与散射体的位置。通过计算机仿真， 分析了位置估计的均方根误差( r m s e ) 以及误差分布。 第四章：在第三章的基础上，将n l o s 环境下静态的m s 定位方法扩展为动 态的m s 位置估计，并引入的多普勒频移参数用以联合估计m s 的速度。此外，将 小时间尺度的运动m s 位置估计扩展为大时间尺度的m s 位置估计，利用卡尔曼算 法对大时间尺度内的运动m s 进行定位跟踪。 第五章：对全文的工作总结，指出了本论文研究工作的创新之处，并根据现 有研究思路给出了后续工作的研究方向。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o 技术与移动定位 第二章m i m o 技术与移动定位 本章阐明了在随后章节分析所要用到的一些预备知识与必要的定义。在2 1 节 中，详述了m i m o 信道模型，在2 2 与2 3 节中分别描述了m i m o 信道模型与参 数估计，这部分内容证明了获取定位参数的可行性。2 4 节介绍了移动定位的相关 技术与n l o s 误差抑制的传统方法。 由于这是对技术状况进行全面的概述，这一章中的有些材料来源于其他文献。 为了突出论文的重点，这些材料与论文的主要领域是紧密相连的。例如，第三章 中移动定位算法中用到的定位参数是基于该章m i m o 信道模型与信道参数估计得 到的。 2 1m lm 0 信道模型 由于每个信道参数或参数估计算法是基于特定信道模型的，所以能准确描述 信号的传输信道的m i m o 信道模型，是非常重要的。此外，设计出一个高性能的 m i m o 系统，有必要比较不同m i m o 技术，调制方案，调整设计参数的性能，并 公正客观地去预测系统的性能。下面小节中的信道参数估计都是以这里介绍到的 信道模型为依据的。 2 2 1 信道