（信号与信息处理专业论文）cdma系统中的无线定位技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 自从美国联邦通信委员会于1 9 9 6 年发布e 一9 1 1 条例，要求移动通信系统 运营商对发出紧急呼叫的移动台提供满足一定精度要求的定位服务以来，无 线定位技术呈现出非常诱人的市场前景并得到了迅速的发展。利用移动台的 位置信息除了可以为移动用户提供安全保障外，还可以提供信息服务、增加 系统性能、有效管理网络资源以及实行灵活收费。 c d m a 固有的诸多优点使其成为第三代移动通信系统的主流体制，因此 基于c d m a 系统的定位技术的研究得到了广泛的关注。本文针对这一热点， 主要研究了c d m a 系统前向链路定位技术，建立了移动台定位仿真系统，并 提出一种减轻非视距传播影响的定位算法。 首先，本文介绍了无线定位的基本原理和各种移动通信系统采用的定位 技术，对c d m a 系统中定位技术的实现作了一个分析和总结，包括反向链路 定位、前向链路定位、定位业务网络结构以及定位流程。然后，建立了基于 i s 9 5 前向链路的移动台定位仿真系统，该系统由信号发射模块、定位信道模 型、信号接收测量模块三部分组成，重点讨论了定位信道模型的实现过程， 并在此基础上完成基于t d o a 定位算法的移动台定位仿真研究。最后。针对 非视距传播问题，从判决和消除非视距误差相结合的观点出发，提出了- - g e e 减轻非视距影响的定位算法。仿真结果表明，采用本算法的定位性能得到明 显改善。 关键词：码分多址；无线定位；信号到达时间差；信道模型；非视距传播 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h eu n i t e ds t a t e sf e d e r a ic o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ( f c c ) i s s u s e d t h ee - 9 1l m a n d a t o r ys t a f i n gi n1 9 9 6t h a ta l lw i r e l e s sc a r r i e r sm u s tp r o v i d et h e g e o l o c a t i o no fa ne m e r g e n c yc a l l e rt ot h ea p p r o p r i a t ep u b l i cs a f e t ya n s w e r i n g p o i n t ，w i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n i q u eh a sd e v e l o p e dv e r yr a p i d l y a p p l i c a t i o n sf o rt h e l o c a t i o no fs u b s c r i b e r so fw i r e l e s ss e r v i c e sc o n t i n u et ob ee x p a n d e d i na d d i t i o nt o s e c u r i t ys e r v i c e ，t h em o b i l es t a t i o n sp o s i t i o nc a l lb ea p p l i e dt oi n f o r m a t i o n s e r v i c e s ， n e t w o r k p e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t ， m o r ee f f e c t i v er e s o u r c e m a n a g e m e n ta n d l o c a t i o n - s e n s i t i v eb i l l i n g + d u et oal o to f i n h e r e n ta d v a n t a g e so f i t ，c d m ah a v eb e c o m et h em a i nm u l t i a c c e s sm e t h o df o rt h et 毯砖g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o t e c h n o l o g i e sb a s e do nc d m as y s t e ma t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ef o r w a r d - l i n kp o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g yf o rc d m as y s t e mi s s t u d i e d ，f u r t h e r m o r e ，am o b i l el o c a t i o ns i m u l o ri sd e s i g n e da n da ne f f e c t i v e l o c a t i o nm e t h o di sa l s o p r e s e n t e dt om i t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h en l o s p r o p a g a t i o n f i r s t ，t h e b a s i c p r i n c i p l e s o fw i r e l e s sl o c a t i o na n da d o p t e d l o c a t i o n t e c h n o l o g i e sf o ra l lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r w em a i n l ya n a l y z ea n ds u m m a r i z et h em e t h o d su s e di nc d m a s y s t e m ，i n c l u d i n g r e v e r s e l i n kl o c a t i o n ，f o r w a r d - l i n kl o c a t i o n ，n e t w o e r ka r c h i t e c t u r ea n dp r o c e d u r e s 。 s e c o n d ，am o b i l ep o s i t i o n i n gs i m u l o rb a s e do ni s - 9 5f o r w a r d l i n ki sd e s i g n e d ， w h i c hc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：s i g n a lt r a n s m i s s i o n ，c h a n n e lm o d e la n ds i g n a l r e c e i v i n gm o d u l e i nt h e s ep a r t s ，w el a yg r e a ts t r e s so nh o w t oi m p l e m e n tc h a n n e l m o d e l t h e nt h es i m u l a t i o nt e s to nt d o at e c h n i q u eh a sb e e nm a d ea n dt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e s u l t sh a v e b e e na n a l y z e d 。a tl a s t , a i m i n g 融n o n - l i n e - o f - s i g h t 臻l o s ) p r o p a g a t i o np r o b l e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sal o c a t i o na l g o r i t h r af o rm i t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo fi t i n t e g r a t i n gd e c i s i o na n dn l o se l t o fm i t i g a t i o n ，t h ep r o p o s e d m e t h o di sv e r i f i e dt oe v i d e n t l yi m p r o v el o c a t i o np e r f o r m a n c eb yt h es i m u l a t i o n r e s u l 亡s k e y w o r d s ：c d m a ，w i t l e s sl o c a t i o n ，t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ( t d o a ) ，c h a n n e l m o d e l ，n l o s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：鱼邀 日期：珂年f 月曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是 2 l 世纪对人类的生活和社会发展将有重大影响的科学技术领域之一。 自从1 9 8 1 年第一代以频分多址( f d m a ) 技术为基础的模拟移动通信系统 建立使用以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超过了任何乐观人士原 有的预测。由于模拟蜂窝系统本身的缺陷( 频谱效率低，保密性能差等) ，设 计容量远运不能满足需求。1 9 9 2 年以时分多址( t d m a ) 技术为基础的第二代 移动通信系统( g s m 、d a m p s 等) 相继投入使用。t d m a 系统较f d m a 系统 有许多优势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性能好，标准化程度提高 等。但是，在美国，t d m a 标准并没有完全满足美国t i a ( 通信工业协会) 对下一代数字蜂窝技术所设想的要求。为此，以美国q u a l c o m m 公司为首的 倡导者，提出了在蜂窝移动通信系统中采用码分多址( c d m a ) 技术的系统实 现方案。他们通过理论分析和不断的现场实验，证明c d m a 具有许多t d m a 所没有的独特的属性，并认为c d m a 是移动通信环境下获得大容量和高质量 的灵活有利的技术，也是一种通往个人通信的长远解决办法。自1 9 9 3 年t i a 批准c d m a 为窄带扩频数字蜂窝系统( 即l s 9 5 标准) 以来，c d m a 技术在 国外得到迅速发展，已呈后来居上之势。1 9 9 5 年9 月，世界上第一个商用 c d m a 移动网在香港地区开通运行之后，c d m a 技术理论上的诸多优势在实 践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。 随着移动通信用户数量继续不断的增长和i n t e m e t 的高速发展，移动通 信系统正在向第三代移动通信系统( 3 g ) 演进，除了话音和低速数据业务外， 晗尔溟工程大学硕士譬位论文 赫i i i i 昔黛蔷i 宣i i 昔黼高薯宣皇奠皇_ 1 1 1 誓嗣叠_ 还能支持信息遗率高达2 m b i t s 的多媒体数据业务，真正实现“任何人、在 经秀时隧、任 珂地点、与经蜒人”都能便利地逶镲这撑一个曩标州。 c d m a 2 0 0 0 作为在窄带i s ，9 5 系统基础上发展而来的宽带c d m a 技术，已被 霆骣电绩联k g ( i t u ) 采缝，戏为第三代移动遇缕技术熬撼准之。 近年来，随着我国经济持续快速的发展，人民生活水平不断提高，我国 魏移动遴售事数褥到了空裁麴鼓鼹。撂经患产数窝约最瑟数字，截盘劐2 0 0 4 年2 月，我国移幼电话用户总数已突破2 8 亿，c d m a 用户数也达到了2 0 0 0 万。晏方嚣，天镅在获褥裹壤量豹诿密、数糕疆及多媒钵等多释遂务粒嚣 时，还希望移动通信系统能给他们带来熙多的便利和服务。面对如此庞大的 鹅户器，毫信运蓉囊嚣簧不薮撩窭薪照务潋瀵懋攘户嚣盏增长豹需求。在第 三代移动通信业务中，无线定位业务作为增值业务的一种，呈现出广阔的市 场蘸景。穰据美鬻狸葳橐氇季每酸臻榘霞静激薪蓣瓣，蓟2 0 0 5 年全琢定位鼹务泰 场的收入可达到1 6 0 亿美元，将远远超出运营商现有单项增值姚务可带来的 枝入。 1 2 无线定位技术的发展及其蕊状 无线定位技术在二卡毽纪酌簸后十年里孳 熬了广泛的关注，尤其在最近 的几年鼹得到了迅速的发展和较深入的研究。1 9 9 6 年荧国联邦通信委员会 ( f c c ) 公布了e - 9 1 l ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 t ) 定位需求t 2 1 ，蘩求在2 0 0 1 年l o 月l e l 前，务神无线蜂窝网络必须能对发出e 9 1 1 紧急呼叫的移动囊提供精度在 1 2 5 m 内的定位服务，丽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，系统必续提供更麓的定使精度及三维经鬟信患。t 9 9 9 年1 2 月f c c 9 9 2 4 5 对e 一9 1 1 需求进步细化，在定位精度要求方面规定：熬于蜂窝网络 约定位方案，要求对6 7 的呼q q 精爱不低于1 0 0 m ，9 5 豹呼酬精度不低于 3 0 0 m 熬于移动台的定位方案，要求对6 7 的孵叫精度不低于5 0 m ，9 5 的 蹲嘲薅袋不 磊予l5 0 m 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e 9 1 1 定位需求的发布成为推动无线定位技术研究发展的强大动力。目 前全球已经有数十家公司提供移动台定位技术，比较有代表性的是 t r u e p o s i t i o n 、s n a p t r a c k ( 已被q u a l c o m m 收购) 、c e l l l o c 、c e l l p o i n t 、u s w i r e l e s sc o r p o r a t i o n 等。各大跨国公司如m o t o r o l a 、n o h a 、e r i c s s o n 、q u m c o m m 也积极开展对基于g s m 、i s 9 5 和第三代移动通信系统w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等网络采用的定位功能具体实施方法研究，提出并制定了相应的定位解决方 案。 国际标准化组织对移动台定位也非常重视，对此展开了专项研究，并加 快了制定相关功能规范和信令接口标准的进程。3 g p p 2 和t i a 是c d m a 定 位相关规范的制定者，其提出的定位业务规范和研究报告主要有三个：其中 3 g p p 2 c s 0 0 2 2 t i a e i a i s 一8 0 1 1 规定了实现定位业务对空中接口的技术要 求，3 g p p 2 x p 0 0 0 2 t i m e i a j p n 4 7 4 7 规定了提供定位业务对c d m a 核心 网络的技术要求【“，t i a e i a p n 4 8 1 8 对定位业务进行了分类并对每一种类 别的定位业务特征进行了详细的描述引。目前，c d m a 系统定位业务的大多 数标准还处于进一步修改完善阶段。 近几年定位业务在国外的发展非常快，美国的运营商s p r i n tp c s 、日本 的k d d i 、韩国的s kt e l e c o m 等在2 0 0 1 年中期已经开始推广该业务，并获 得了良好的收益【6 i 。此外，美国q u a l c o m m 公司已经推出了内嵌定位功能为 i s 一9 5 系统服务的m s m 3 3 0 0 和为c d m a 2 0 0 0i x 系统服务的m s m 51 0 0 系列 芯片，今后大部分新型的c d m a 手机都可以支持高精度的定位技术，从而为 定位业务的快速发展铺平了道路。与此同时，我国的电信运营商也普遍看好 该项业务的发展。2 0 0 3 年年初，中国移动率先在g p r s 业务中捆绑定位功能。 2 0 0 3 年7 月，中国联通在北京、上海、广州三地开通“定位之星”业务。根 据信息产业部的研究报告，2 0 0 3 年我国的定位服务营业收入为1 6 0 0 万美元， 且该业务将在未来3 年内高速增长，至2 0 0 6 年，定位服务收入将达到1 2 5 5 亿美元。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 无线定位业务的应用 无线定位业务又称为位置服务( l c s ：l o c a t i o ns e r v i c e ) ，它是指移动运营 商利用无线定位技术向用户提供的基于确定移动台位置信息的相关业务。尽 管无线定位技术的研究主要面向e 一9 1 l 服务，但实际应用已经扩展到其它服 务川。归纳起来，定位业务的应用可以分为4 类：紧急业务、增值业务、跟 踪业务和网络应用。 紧急业务 当移动手机用户遇到紧急情况拨打救援中心电话时，很多时候报警用户 并不知道自己所处的确切位置或者来不及将自己的位置信息传送给救援中 心。移动通信网络就会在将该紧急呼叫发送到救援中心的同时，启动支持位 置服务的功能，得到该用户的具体位置，将位置信息和用户的语音信息一并 传送给救援中心。救援中心接到呼叫后，根据得到的位置信息，就能迅速、 高效地提供紧急救援服务，大大提高了救援的成功率。 增值业务 增值业务为网络运营商带来了无限商机，正目益受到运营商的重视。 3 g p p 2 在p n 一4 8 1 8 规范中定义的基于位置的信息服务( l b i s ) 就属于此类。 l b i s 业务允许用户获取为其量身定制的信息，业务需求可以根据用户请求开 通，也可以对单独的请求作响应。运营商可以提供比如就近旅馆餐馆服务、 旅游信息服务、移动黄页、购物娱乐与游戏等丰富多彩的增值业务。 跟踪业务 跟踪业务主要是对移动台的位置进行跟踪。可以定期查询目标移动台的 位置信息，也可以在用户的要求下查询目标移动台的位置信息。无论目标移 动台是处于空闲状态还是正在进行呼叫，都可以查询位置信息。跟踪业务包 括跟踪和定位，是最具前景的定位业务，跟踪的对象可以是人、车辆或其他 资产。典型应用包括车队跟踪和调度、小孩监护、资产管理、交通状况监视 和导航等。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 网络应用 网络应用是指运营商提供的基于位置的业务或运营商用于网络的运营， 主要有基于位置的计费和网络运营与优化。基于位置的计费根据用户当前所 在的位置不同灵活使用不同的费率。网络运营与优化是指通过位置辅助切换、 业务流量测量和蜂窝覆盖率测量等为通信网内部服务，从而达到增强网络性 能，提高网络服务质量的目的。 上述定位业务能够给设备制造商、网络运营商和内容供应商同时带来巨 大的利润，这成为无线定位技术与业务发展的巨大推动力。某些定位增值业 务的提供往往需要无线网络和手机支持多媒体数据传输，由于第= 代移动通 信系统是窄带系统，只能提供中、低速数据传输，这使得无线定位业务在第 二代移动通信系统中的发展受到了一定的限制。丽第三代移动通信系统以其 高的数据传输速率而著称，能够为无线定位业务提供一个多媒体数据传输平 台。可以预见，随着第三代移动通信系统的日益成熟，无线定位业务将会获 得更广泛的应用。 1 4 本文章节安排 论文共分为六章。第1 章( 即本章) 简要介绍了无线定位技术的历史及 发展现状，无线定位业务的应用，并阐述了进行定位技术研究的意义。 第2 章介绍了无线定位的基本原理和二维平面定位的基本方法，详细讨 论了基于网络和基于移动台的定位方案，对各种定位技术的优缺点进行评估， 提出影响定位精度的主要因素。 第3 章首先介绍了定位技术在c d m a 蜂窝系统中的实现，对i s 9 5 反向 链路和前向链路定位的特点加以分析，然后讨论了定位业务的网络结构以及 定位系统中的各个功能实体，给出一个典型的定位处理流程。 第4 章详细地论述了基于i s 9 5 前向链路移动台定位仿真系统三个组成 部分的原理与实现，包括信号发射模块、定位信道模型、信号接收测量模块， 晗尔滨= c 程大学蠖士学位论文 其中重点怒定位傣道模型的实瑰。通过该仿真系绕测量不同基站母频信号到 达移动台豹时延，从丽获得t i ) o a 估计值。 第5 鬻讨论了t d o a 定位算法的数学模型以及嚣秽零用的定佼算法，总 结定位精度的性能评价指标，然后在移动台定能仿真系统的基础上，针对 c o s t - 2 0 7 模型襄延时扩鼹模型对移动台定位进行仿真，绘爨了稳疲夔定佼缝 果和性能分析。 纂6 寝铮怼攀援遴健攘绘移麓叁定位建戏魏严霪影懿，劳撰? 嚣投。黢嚣 境下距离测量的数学模型和附加时延的统计特性。从判执和消除n l o s 谈差 掇结合的疑点出发，提窭了一耱减轻 稷疆簧撵影响豹定霞算法，势对该簿 法的定位髋能进彳予了仿真分析。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线定位技术基础 2 1 二维平面定位的基本方法 在各种无线电定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同或相似 的，其基本原理是：目标移动台或者多个已知坐标位置的固定基站发送定位 信号，该信号携带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) ，通过对定位信号的测量，获得相应定位参数的估计后，利用适当 的算法就能确定移动台在空间的位置。 从几何角度看，确定空间的个点，可以由三个或三个以上的曲面或平 面在三维空间内相交而得出。但到目前为止，大多数定位服务应用几乎只要 求获得移动台的二维平面坐标( 如经度、纬度) ，因此现在已提出的各种移动 台定位方法都是二维定位方法。本文也只讨论移动台的二维定位技术，实际 上由二维定位技术推广到三维定位技术是比较容易的。为了简便起见，以下 我们用a 衢表示目标移动台，( x ，y ) 代表其位置坐标；b s 或基站i 表示参与定 位的第i 个基站，并用( 肖。，r ) 表示其位置坐标。 在蜂窝网络中为移动台提供的地面二维定位服务中，通常可供选择的基 本定位方法有以下几种。 2 1 1 圆周定位方法 若已知移动台和基站i 的直线距离冠，根据几何原理，移动台定位于以 基站f 所在位置为圆心，置为半径的圆周上。如果已知移动台与邻近的三个 基站l ，2 ，3 的距离e ，马，b 时，那么以三个基站所在位置为圆心，r 。，r ：，b 为 半径的三个圆的交点即为目标移动台所在的位置。其原理如图2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 幽2 1 圆周定位方法 在实际的无线定位方法中，通过测量从目标移动台发出的信号以直线到 达基站i 的时间t i ( t i m eo f a r r i v a l ，简称t o a ) ，可以得到目标移动台与基站i 的距离r 。= c ，其中c = 3 1 0 8 r i g s ，。代表电磁波在空中的传播速度。圆周 定位中目标移动台坐标和基站坐标之间存在以下关系： 暖，一x ) 2 + ( z y ) 2 = r ?i = 1 , 2 ，3( 2 1 ) 求解联立方程组( 2 1 ) ，可以得到目标移动台的坐标。由于t o a 与距离r ， 的关系，圆周定位法又称为到达时间( t o a ) 定位法。 2 1 2 双曲线定位方法 b s 2 图2 2 双曲线定位方法 当已知基站2 和基站1 与移动台的距离差r 2 ，= r ：一r i 时，移动台必定 位于以基站2 和基站l 为焦点，与两个焦点的距离差恒为r ：的实线双曲线对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上。当同时知道基站3 和基站1 与目标移动终端的距离差皿= 恐一r 时， 我们可以得到另一组以基站3 和基站l 为焦点，且与焦点的距离差恒为尼的 虚线双曲线对，如图2 2 所示。两组双曲线的交点代表对移动台位置的估计。 与t o a 定位方法类似，基站l 和基站2 与目标移动台之间的距离差可以 通过测量从两个基站同时出发的信号到达移动台或从移动台出发到达两个基 站的时间差r ：来确定。显然r ：。= c x f ：，其中c 为电磁波的传播速度。双曲 线定位方法中移动台坐标和基站坐标存在如下关系： ( 似。一x ) 2 + 化一y ) 2 一伍，一工) 2 + 佤一y ) 21 = r ：f = 2 ，3( 2 2 ) 、 解上述方程组，我们可以得到两个解，这两个解对应图2 2 中两对双曲 线的两个交点，由于其中只有一个交点代表移动台的真实位置，因而方程的 解使得移动台的位置发生了模糊需要一些先验知识( 如小区半径等) 来从 两个解中分辨出移动台真实的位置，以消除解模糊。在很多文献中，双曲线 定位方法也称为到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，简称t d o a ) 定位 方法 9 1 。 2 1 3 方位测量定位方法 方位测量定位方法也被称为信号到达角度( a n g e lo fa r r i v a l ，简称a o a ) 定位方法。其几何原理是：基站接收机天线或天线阵列通过测量得到移动台 发送的以直射路径到达基站的信号的方位角，则移动台必然位于以该方位角 画出的一条直线上，当两个基站1 和2 同时测得移动台发出信号的直射路径 到达角度后，据此画出的两条直线的交点即为移动台所在的位置。其原理如 图2 3 所示。 假设基站l 和基站2 分别测得移动台发出信号的到达角度为0 1 和执，则 有以下关系成立： t a n ) = 苦 ，z ( 2 3 ) 嘧尔滨工理大学硕士学位论文 冀宣i i 黼瞄i i i i i 黼置i i 宣董曾誓蕾宣i i 鼍描；i 岛寓一i ii i ii i i l l l l l l li i i 叠 通过求解上述非线性方程组，可以得到目标移动台的位置。 2 1 4 混合定位方法 图2 3 方位测爨定位方、法 这种方法蹙利用上述两种或多种不同菸鍪静信号特征测量值，如 t o a j a o a 、t d o a a o a 、t d o a t o a 进行定使估计 7 , 1 0 j l 】。 例如，当一个基站麓够同对测得目标移动台发出信号以直射路径至g 达基 站的时间和角度对，那么移动台相对于熬站豹躐离和方位角则为已期。假设 基站1 测得直射路径信号到达时间和角度分别为t ，和岛，则由下式可以解出 移动台佼置，露蠢： j t a n ”祷( 2 _ 4 ) 【口。一x ) 2 + 以一，) 2 = 帆) 2 这秘方法豹定位糖发漫毒t d o a 警方法夔耱度毫，毽是它霹爱予莰嚣 个基站能接收到目标移动台信号的场合。 逶避瓣主述定位方法特意戆分轿琵较，哥戳发瑷a o a 定继法虽蠢定 精度，偶羹求接收机具肖高精度的智能必线阵歹l i ，系统设各复杂，且只能从 菠尚链路定毽：t o a 帮t d o a 定位法奁蜂窝两络孛实现糖对容菇，密能这鬓 较高精度；混合定位法则能吸收不同定位法的优点，但需要提供不同的信号 特征潮羹篷。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 无线定位方案 e 9 1 1 条例促使大多数公司和研究者根据进行定位估计的位置不同将无 线定谴方案分必嚣类：基于鄹络( n e t w o r k 阮e 韵豹定稼方案翻基于移动台 ( h a n d s e t 也a s e d ) 的定位方案【1 2 l 。程本小节中，对特定移动通信系统采用的定位 授零氇游按照蘩予瓣络移基于移动奁分笼嚣部分逶嚣套绥。 2 2 1 基手嬲络豹定位穷案 基于网络的定位也称为反痢链路定位，主要依靠移动通信系统中网络端 的设备聚实现瓣移动台酌定位。其定位进程是融多个基靖葡时检测移动台发 射的信号，并对与移动爵位置有关的特征信息遴于亍测量，送到网络中的定位 服务中心，经避处理诗算得至4 移动台的估计位鬣。 2 2 1 基于g e l l l b 酌定泣法 c e l l i d 是一葶孛最简单的定锼技术，露豹基本原理是缀据移动台所处的小 区t d 号来确定用户的位置。移渤台所她的小区i d 号是网络中的已有信息， 当移动螽在当翦小遁注避后，在蓉统豹数据蓐孛就会将移动台与该小区l d 号 对应起来。只要系统提供该小区基站的中心位徽和小区的覆盖半径，通过广 撵滇患黪影式发送绘，l 、送疼鳇弱窍移动螽，移动台载能知道鑫愁敷处豹大致 范围，其定位精度取决于小区的覆盖半径。该方法的优点是实现简单，只需 建立关予毒区孛，0 建嚣鞍覆菱半径魏数据露，建位鞋瘸娥，嚣爨不用黠瑷嘉 的终端和网络进行改造就可以直接向用户提供移动定位服务。缺点是定位精 发差，不逶合在蓬菇密发绦、鬟蓑半径大躲建嚣镬震。 2 2 1 2t a 定披法 时间提前量t a ( t i m i n ga d v a n c e ) 是g s m 系统中的一个参数。在现有的 g s m 系统中，为了傈谣傣惠赣中各薅熬豹同步，罄站登矮翻臻移动台繇发信 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i 息分组中的训练码序列获得该基站和移动台之间的信号传播时延信息，并通 过慢速伴随信道将信号传播时延信息以1 a 参数的形式告知移动台【l ”。移动 台利用t a 参数就可以调整信息分组的发送时刻，以确保各移动台的信息分 组到达基站时能避免时隙重叠。基站和移动台之间的信号传播时延是无线电 波在基站和移动台之间一个来回的传输时间。 t a 定位法的优点是无须对移动台做任何改动，而对基站系统的改动也仅 需在切换规程的控制软件中进行。缺点是采用了强制切换，在定位过程中移 动台不能进行其它业务通信，同时也增加了更多的信令负荷：t a 参数的准确 性受到多径效应的影响；至少需要获得三个以上的t a 参数才可以次定移动 台的具体位置；定位时间较长。 22 1 3 反向链路t o a 和t d o a 定位法 对于移动台定位所要求的二维定位而言，使用反向链路信号的t o a 和 t d o a 都要求至少三个基站参与定位操作。定位操作开始时，移动台首先发 送定位信号给邻近的几个基站，基站接收到定位信号后经过测量得到信号到 达时间估计，或者将测量结果送徒移动定位中心( m l c ) 获得两两基站间的信 号到达时间差估计。m l c 得到信号到达时间估计或信号到达时间差估计后， 调用相应的定位计算功能( p c f ) 得出对移动台位置的估计。 t o a 定位法的优点是对现有的移动台无需做任何改造，定位精度较高并 且可以单独优化。该方法的缺点是移动台和基站、基站和基站之间要有精确 的时钟同步；发射信号必须用时间标识加以区分，使接收方能辨别出该信号 是何时发出的，这会增加反向链路的数据量，当业务量大时，网络的负担会 加重；如果移动台无法和三个以上的基站取得联系，定位将会失败；定位时 间较长；由于要向多个基站发射信号，将会增加移动台的功耗。 t d o a 定位法相比于t o a 定位法主要有以下优点：无需移动台与基站同 步，也无需在反向链路中发送发射时间标记，因此只要求基站间严格同步。 由于t d o a 对同步要求较t o a 低，而且能够大大降低和消除由于无线信道 蹬尔滨工程大学硕圭学餐蹙文 引起的多个基站t o a 估计的公共误藏，实现起来更容易，所以大多采用 t d o a 定位方法； 2 ，2 ， + 4 反向懿路a o a 釉t o a - a o a 定位法 反向链路a o a 定位方法根据两个基站备囱得到的移动台信号到达基站 的奁射路径角度估计谤箨密移动台鼢往麓。显然，当纂菇嚣要对到达僚号静 角度进行测量时，必须使用阵剜天线或定向天线。a o a 定位法的优点是 在障碍物较少的施区可戳季葶到较高静准确度：耨沈t o a 、t d o a 定位演其需 要两个罄站就可以定出穆动台的位置。缺点是谯障碍物较多的环境中，由于 多径效应产生黔误差将增大；警移动螽距离基站较远辩，基站溺量角度的微 小偏差将会导致定位的较大误装：另外系统需簧引入阵列天线测量角度才可 以采用a o a 定位法对移动台定位。 t o a a o a 定位法怒一神综合t o a 茅da o a 技术的定位方法。该方法的 基本思想是由移动台的服务基站测量移渤台发射信号到达移动螽的时间和角 度。与t o a 定饿法期尉，发射经号中墩要包含发射对鲻标记，但是该方法不 要求网络的基站时间同步，而只要求移动台时间和服务基站的时间同步，这 爵以遵避基懿熬潮步蒜遴来实琰。t o a - a o a 定位法最大故钱点是只霭个 基站就w 以定出移动台的位置，但它同时具有t o a 定能法和a o a 定能法的 一些缺点。另羚，宅可以搜羁t d o a - a o a 寒进行定位。 2 2 1 5 场强寇位法 场强定位法通过测爨接收信号的场强值，矛4 用己知的信道袋落模型及发 瓣信号懿场强馕继冀蠢牧发莹糖之阕静涎离，攘攥多个距亵毽靛s 礁是移凌 台的位凝。该方法的优点是无颁对网络进行改造，比较简单，盥在蜂窝网络 中绣强溅蠢篷酸应雳予小区弼按、功率羧潮等繇作。缺豢是崮予受多衽嶷落 和阴影效应的影响，定位精度较差；如果要获樽较高的精度，需要做大量的 实瓣工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 1 1 1 1 1 1 1 1i i i i 曹嗣葺i i i i 眷瞄i i i i i i 眷i 皇i 一 2 2 8 位置横式匹配窥位法 位爨蒺式嚣疑( l o c a t i o np a t t e r nm a t c h i n g ) 定位按本楚美国w i r e l e s s 公司 提出的。该定位技术建立在已知一个特定服务聪域的信号模式数据库的基础 上，定霞辩只霉褥移动念发莉熬信号特锾写信弩模式数据瘁中瓣数据滋行院 较，采用模式识别技术就可以确定移动台的位鬻。该方法的优点是只需要一 个簇渡赢就可强褥委移麓台静彼麓；缺蕊是实瑷起来难澄穰离，攥取僚号特 征的算法比较复杂，且受环境的影响，个区域的信号模式数据库只适合该 嚣域，浆区域豹环境发生了大静交纯逸要辩数薅霹进行更薪。 2 + 2 。2 基于移勘台黪定位方案 基予移动台酌定位也称为魏浅链路定位，其定位过程是由移动台接收多 个已知位置发射视发射的信号，测量定豫参数，根据有关算法计算出移动台 嬲佶计健疑。现已提基蜘基于移动台的方法主瑟有：应塌予g s m 系统妁增 强观测时间差定位法( e ，0 t d ) n 5 j 、应用于w c d m a 系统的空闲周期观测到达 赡闽差定位洼( o h ) 0 a i p d l ) 1 1 “、瘟题予 s 一9 5 秘c d m a 2 0 0 0 系统的惑级藏 向链路三角定位技术( a f l t ) 州、基于g p s 的定位技术等，以下将分别予 以分缓。 2 2 2 1e - o t o 定位法 e o t d ( e n h a n c e do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) 定位法同反向钱路信号到达 孵润差定位方法祥，也蹩稳爱对售每蕊搔蠢阂麓豹嫠诗来计算移动台链萋。 所不同的是，e - o t d 使用前向链路信号米估计本服务小医和周围相邻几个基 潞信号弱这移蘧台薛对阕差。 e o t d 可利用的基本量有三个：观测时间麓( o t d ) 、真实时间差( r t d ) 稻建瑾像簧时闻麓( g t d ) 。o t d 逶移动螽涌萋弱的两令不满谴嚣基站僖号麓 接收时间差。r t d 是两个基站之间的系统时间差，可以幽网络提供。g t d 是 黼个萋站捌移动台由于雅离差而弓l 起的传输时闻差。对予靖步盼罄菇，簸然 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此时o t d 等于g t d ：当基站间无法实现精确同步时，g t d 、o t d 和r t d 三者之间存在以下关系： o t d 。r t d + g t d ( 2 - 5 ) 当获得三个以上基站相互间的r t d 和o t d 后，就可以利用双曲线定位方法 求解出移动台的地理位置，其中双曲线定位方法的原理参见图2 2 。 采用e o t d 定位时，需要对g s m 设备进行两个基本的改进。首先要改 进移动台，使其可以进行高精度的t d o a 测量，并且还需要采用多径抑制算 法。另一个改进是由于网络同步的需要，这里有两种选择：第一种是对网络 进行严格的同步，通过在每个基站使用g p s 时钟发送接收机实现；另一种 选择是给移动台提供有关网络同步的信息，使用特殊的监测接收机测量不同 基站间的时间差，并通过g s m 的短消息业务或寻呼业务传送给移动台。 22 2 20 t d o a i p d l 定位法 在c d m a 系统中，由于远近效应使得当移动台距离服务基站太近时，无 法接收到邻近基站发送的信号。为了解决服务基站信号对邻近基站信号的干 扰问题，应用于w c d m a 系统中的下行链路空闲周期观测到达时间差方法 ( o t d o a - i p d l ) 被提出，并且成为国际标准亿组织3 g p p 推荐的几种定位方法 之一。该方法的主要思想是：以伪随机的方式关闭服务基站信号一段时间， 其间目标移动台可以测量邻近基站间信号到达时间差，并利用测量结果实现 对移动台位置的估算。在o t d o a i p d l 定位方法中，基站间的时钟差异( r t d l 同样会影响移动台测得的时间差，对这一问题的处理方式o t d o a i p d l 定位 法与e o t d 定位法相同。 2 2 2 3a f l t 技术 a f l t ( a d v a n c e df o r w a r dl i n kt r i l a t e r a t i o n ) 是一种基于前向链路的定位 方法。在定位操作时，移动台同时监听多个基站( 至少三个基站) 的导频信 息，利用码片时延来确定移动台到附近基站的距离，最后用t d o a 定位法计 略尔滚工程大擘硕士学位论文 算出移动台的位置。a f l t 技术专用于r s 9 5 和c d m a 2 0 0 0 系统中，使用 1 s 8 0 1 枢准煲送瀵惠，移动台鬟溪进行骏终升级，羽终审也簧要增热瓤豹实 体。定位半径一般在2 0 0 - - 4 0 0 m 左右，定位精度蠼高可选到1 0 0 m 。 2 2 2 4 基于t i p s 的定德技术 耱簸壹接瓣决移麓台定应魏方法楚馒建全球定楚誉统您p s ) ，该技米爨 过多年的发展已经在各个领域得到了广泛的应用。g p s 系统包括在6 条倾角 失5 5 。辫鞔遂上豹2 4 鬏翌星及撼嚣系绞，避嚣爨户接毂凝逶过接收其中至少 4 颗卫星发射的g p s 信譬进行您位。g p s 能够实现三维定位，税全球范围内 全天谈、实薅建为霜户遗续提供耩确赘像萋、逮度霹鞋鬻熬藩惑。将g p s 接 术应用到移动定位，需嚣在移动台上添加g p s 接收设备，移动台接收4 个以 上靛g p s 至璺蕊号，嗣辩解谲曼蓬静导靛电文，并利用信号时黧褥鑫鬟蠢个 卫星的伪距，最后利用这些信息计算出移动台的精确位溉。基于g p s 的定位 法能够掇供较离静定位耩度( 民雳2 0 1 0 0 m ，霉雨 工2 7 4 0 k h z ) 裘减为4 0 d b ，名义上的单边带宽工为 6 1 4 ，4 k h z 。除了这些频域的疆铡，i s 一9 5 还规定滤渡器黥；串激响应与螭应为 h 0 0 ) 的4 8 抽头的f i r 滤波器褶近。 544瞄3辐25500 2 e 2 2 o 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 5 9 0 k h z = 5 1 4 4 k h z = 7 4 0 翘玉 jplc 。 网4 ，7 基带滤波嚣频率响应特性 f i r 冲激响应的系数砜 l 七= o ，l ，4 7 列于表4 i ，抽样步长为 五= t 4 ，靼p n 码彦捌嚣势之一憨持续瓣鞫，浮激痢嶷麸第一个弦撵裂裴 膨个抽样的总的持续时间为4 8 t = 1 2 l 。 衰4 。1 i s * 9 5f i r 狰激晦纛系数 n 0 ) 门 h o ( n ) 0 ，4 70 0 2 5 2 8 8 3 1 5 1 2 。3 5 0 ，0 7 s 霹5 2 6 1 ，4 6 0 0 3 4 1 6 7 9 3 1 1 3 ，3 4 0 0 8 4 3 6 8 7 2 8 2 ，4 5 0 0 3 5 7 5 2 3 2 3i 4 。豁 0 ，1 2 6 8 6 9 3 0 6 3 ，4 4 一o 0 1 6 7 3 3 7 0 21 5 3 20 0 9 4 5 2 8 3 4 5 4 ，4 3 e 貔1 6 0 2 5 1 41 6 3 l一0 0 1 2 8 3 9 6 6 1 5 ，4 2 0 0 6 4 9 3 8 4 8 71 7 3 0 0 1 4 3 4 7 7 0 2 8 6 ，4 1 0 0 9 1 0 。2 1 3 7 1 8 ，2 9 一o 2 l1 8 2 9 0 8 8 7 ，4 0 0 0 8l8 9 4 9 7 4 1 9 ，2 8 0 1 4 0 5 1 3 1 2 8 8 ，3 9 0 0 3 7 0 7 l 5 7