（通信与信息系统专业论文）无线蜂窝网中抗nlos定位与跟踪技术研究.pdf

摘要 摘要 蜂窝网移动定位是利用蜂窝网络本身的位置信息进行移动台定位的一种技 术。近年来移动定位技术渐渐呈现出非常诱人的市场前景，随着定位业务的日益 开展，越来越多的公司和科研单位投入大量资金和人力进行相关技术的研究和开 发。 由于移动信道环境的复杂性和多变性，目前移动定位技术的定位精度还不能 令人满意，这促使人们不断探索定位精度高的算法。在第三代移动通信系统中， 最有前景的定位方式是基于信号到来时间时间差( t o 压d o a ) 或信号到来角 ( a o a ) 的定位算法。但不管是基于信号到来时间的算法还是基于信号到来角度 的算法，定位信号的非视距传播效应( n l o s ) 都会对其造成严重的影响，在影响 移动定位精度的诸多因素中n l o s 效应被公认为是最主要的因素。 本文分析了n l o s 产生机理和特点，建立了一个基于m a t l 址的移动台定位 信道仿真平台，它能够动态仿真出移动台运动过程中的n 【，o s 效应。并在此基础 上探索了五种在不同情况下的抗n l o s 定位算法。 ( 1 ) 一次定位条件下，基于t o a 的形心定位算法 但) 一次定位条件下，基于t o a ，a o a 的混合形心定位算法 f 3 ) 连续定位条件下，速度法抗n l o s 定位。这神算法具有对n l o s 误差不敏感 的特性 f 4 ) 连续定位条件下，基于速度法的抗n l 0 s 单小区定位算法 f 5 ) 定位跟踪条件下，基于位移差的卡尔曼滤波跟踪算法 本文对每种算法均进行了仿真研究和对比，验证了它们在减轻n l 0 s 误差上的 可行性和有效性。 关键词： 非视距传播，信号到来时间，信号到来角度，卡尔曼滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t c e l l u l a rl o c a t l o nw a st h et e c h n o l o g i e sw h i c hu s et h el o c a t l o nl n f o r m a t i o no fc e l l u l a r n e t w o r kt ol o c a t e r e c e n t l y ，m o b n e1 0 c a t i o nt e c h n o l o g yg r a d u a l l ys h o w e dt e m p t i n g m a r k e to u t l o o k s a st h ed e v e l o p m e n to fl o c a t i o nb u s i n e s s ，m o r ea i l dm o r ee n t e r p r i s e s a n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sd e v o t e dt or e s e a r c ht h el o c a t i o nr e l a t e dt e c h n o i o g y b e c a s eo fm ec o m p l e x i t ya n df l e x i b 主1 i t yo fm o b i l ee h 在n n e l ，m el o c a l i n gp r e c i s i o no f m o b i l el o c a t j o nt e c h n o l o g yw a sn o ts a t i s f y i n ga tp r e s e n t ，u r g j n gp e o p l et ok e e p e x p l o r i n gm o r ep r e c i s el o c a t i n ga r i t h m e t j c i n3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h em o s t p r o m i s i n gl o c a t i o nm e t h o dw a st h e1 0 c a t i n ga r i t h m e i i cb a s e do ni h e7 r i m e0 f a r r i v a l a n dt h et i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a lc r o a 厂r d o a ) o fs i g n a l ，o rt h e a n 出eo f a i v a lo f s 蟾n a l ( a o a ) h o w e v e le i t h e rt h ea r i l h m e t i cb a s e d o nt o ao rt h a tb a s e do na o aw a s b a d l ya f f e c t e d b yt h e n e l i n eo fs i g h t ( n l _ o s ) p h e n o m e n o n i na l lo ff a c t st h a t a f f e c t e dt h el o c a t i o np r e c i s e ，n l o se f f e c tw a sr e c o g n i z e da st h ep r i m a r yo n e ， b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t j ca n dm e c h a n i s mo fn l o se f f e c t ，ak i n do fs i m u l a t i o n p l a t f o 加f o rm o b i l el o c a t i n gw a sm o d e l e du s i n gm a t i a bt 0 0 1 sw h i c hc o u l ds i m u l a t e n l o se f 诧c td y n a m i c a l l yw “ht h em o v e m e n to fm o b i l es t a t i o n b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o 珊，f i v ek i n d so fa r i t h m e t i cw h i c hw e r es u j t a b l ef o r d i f ：f e r e n ts i t u a t i o n sw a sa n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) w h e ni o c a t i n ga to n et i m e ，c e n i o i dl o c a t i o nm e t h o dw i t ht o am e a s u r e m e n t s ( 2 ) w h e n1 0 c a t i n ga to n et i m e ，h y b r i dt o a a o ac e n t o i dl o c a t i o nm e t h o d ( 3 ) w h e n 1 0 c a t i n gc o n t i n u o u s ly ，s p e e d1 0 c a t i o nm e t h o di nn l o se n v i r o n m e n t s ( 4 ) w h e n l o c a t i n gc o n t i n u o u s iy ，s i n g l ec e l ll o c a t i o nm e t h o db a s e do ns p e e d l o c a t i o ni nn i d se n v i r o n m e n t s ( 5 ) w h e nt r a c k i n 昏k a l m a n t r a c k i n gf o rm o b i l el o c a t i o ni nn l 0 s s i t u a t i o n sb a s e d o nd i s p l a c e m e n td i f f c r e n c e e a c hm e t l l o dw a ss j m u l a t e d ，s t u d i e da i l dc o m p a r e di nt h i sd i s s e r c a t i o n i tw a sp r o v e d m a tt h e s ep r o p o s e da r i m m e t i cc o u l dm i t i g a t en l o sp r o p a g a t i o ne r r o r se f f e c t i v e ly k e y w o r d s ：n l o s ，t o a ，a o a ，k a l m a f i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 藕啡桀廷 日期：劲。石年彳月幻日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技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，可以采用影印、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) 虢弛敝导师虢：i 亟趁途弋 日期：2 。0 6 年斗月刁目 1 1 无线定位技术概况 第一章引言 无线定位系统的基本功能是收集在一定地理区域内无线倍号发射台发射的无 线信息，根据接收信号频率、到达时间及角度等信号参量的变化，处理得到对待 测位置信息的估计。典型的无线导航定位系统有罗兰c ( l o r a n c ) 、奥米加 ( o m e 醇) 、全球卫星导航定位系统等。 利用现代移动通信系统的蜂窝网络提供导航、位置信息是一种新的定位方式。 它通过测量到达( 或来自) 一系列基站携带的与移动台位置信息有关的信号来确 定移动基站位置。根据进行定位估计的主体及采用设备的不同，可将刘移动台的 无线定位方案分为3 类：基于移动台的定位方案、基于网络的定位方案及混合定 位方案。 蜂窝网移动定位技术在公共安全服务、犯罪侦查、蜂窝系统设计、动态资源 管理、位置敏感付费以及船舶管理、导航和智能交通系统( i t s ) 等多方面都确广 泛的应用。尤其是在美国联邦通信委员会( fcc ) 强制要求所有的无线业务提 供商必须在2 0 0 1 年1 0 月前向e 9 1 1 公共安全服务系统提供在6 7 的情况下、精 度为1 2 5 m 的用户位置信息后，蜂窝移动定位技术在国外受到了高度的重视和深入 研究。 移动台定位业务是指移动运营商利用移动台定位技术向用户提供基于确定移 动台位置信息的相关业务。移动台定位业务的种类有很多，一般可以将定位业务 分为四类：紧急定位、世务、网络内部定位业务、增值业务以及合法的位置信息截 取。 随着移动电话的迅速普及，在紧急情况下人们使用移动电话拨打紧急救援电 话的比例也在急剧增加。而现有的移动通信网络绝大部分都设有提供紧急定位业 务。所谓紧急定位业务是指当用户拨打紧急救援电话时，移动通信网络启动相应 的移动定位系统，将该用户的位置信息传送给救援中心。当拨打救援电话的用户 不知道自己所处的确切位置或者来不及将自己的位置告诉救援中心的时候，由于 缺乏准确的位置信息就会给紧急救援中心实施快速有效的救援带来一定的困难。 缺乏准确的位置信息就会给紧急救援中心实施快速有效的救援带来一定的困难。 电子科技大学硕士学位论文 这已经构成了影响公众安全的一个重要隐患。因此移动通信网络提供紧急定位业 务的需求也就变得越来越紧迫。 移动台的位置信息也可以用于移动通信网络的自身的运营。该类定位业务被 称为网络内部定位业务。比如位置辅助切换，业务流量测量和蜂窝覆盖率测量等， 这些业务都是为通信网内部服务的，最终都将增强网络性能，提高网络的服务质 量。 随着无线网络运营商之间的竞争日益激烈，一方面，运营商通过不断改进自 身的服务质量来吸引更多的用户；另一方面，运营商也在不断推出新的业务，在 满足用户目益增长的需要的同时带来了无限商机，正日益受到运营商的重视，比 如城市导航业务、定点信息广播、移动黄页以及车辆和资产管理业务等等。 此外，在法律授权许可的范围内，国家机关为了国家和公众的安全，在必要 的时候也需要获得移动台的位置信息。这一类定位业务称之为合法的位置信息截 取。 这些定位业务能够给设备制造商、网络运营商和内部供应商同时带来巨大商 机和利润，这成为推动移动台定位技术业务发展的巨大动力。某些定位增值业务 的提供，往往需要无线网络和手机支持的多媒体数据传输。由于第二代移动通信 系统是窄带系统，只能提供中低速数据的传输，这使得移动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。而第三代移动通信系统能提供很高的数 据传输速率( 最高速率可以达到2 m b p s ) ，能够为移动定位业务提供一个多媒体数 据传输平台。而且随着w c d m a 系统的数据率的提高，系统码片速率很快 ( 3 8 4 m s ) ，这使得定位接收机的多径分辨能力得到很大的提高，使得r a k e 接 收机等新技术的应用可以显著地提高定位准确度。可以预见，随着w c d m a 等第 三代移动通信系统的日益成熟，移动定位业务将会获得更广泛的应用。 1 2 无线定位主要方案 根据移动定位的基本原理，目前技术上实现移动定位的方案可以划分为三 大类：基于移动网络的技术方案、基于移动终端的技术方案以及两者的结合方案。 1 2 1 基于网络的定位技术 ( 1 ) 起源蜂窝小区c o o ( c e l l0 fo r i 百n ) 定位技术 起源蜂窝小区定位技术是根据移动台所处的小区标识号i d 来确定用户的位 2 第一章引言 置。移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区i d 号。只 要系统能够把该小区基站设置的中心位置( 在当地地图中的位置) 和小区的覆盖半 径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查 询数据库即可获取位置信息。该定位方案的优点是无需对网络和手机进行修改， 响应时间短。但它的定位精度取决于小区的半径。 ( 2 )抵达时间t o a f t i m eo f a i v a l ) 定位技术 它是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元f 3 个或更多基站、的 时间来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的 圆上。通过多个基站进行计算，移动台的二维位置坐标可由3 个圆的交点确定。 但是，与下面要介绍的增强型观测时间差定位技术e o t d 不同的是，它没有使用 位置测量单元，因此，必须通过与在基站上安装了全球卫星定位系统( g p s ) 或原子 钟的无线网络之间的同步来实现。 ( 3 )角度到达a o a ( a r r i v a lo f a n g l e ) 定位技术 该技术根据信号到达的角度，确定移动台相对于基站的角度关系，只要测量 一个移动台与两个基站的信号到达角度，就可以确定出移动台的位置。信号到达 角度测量需要定向天线，虽然理论上这种测量在基站和移动台都可以进行，但为 了保证轻便性，并不适宜在移动终端上使用。角度到达定位技术是基于网络的定 位方案，优点是可以在话音信道上工作，不需要高精度的系统定时。但缺点是需 要复杂的天线，易出现定位盲点，实施成本较高。 ( 3 )抵达时间差异t d o a ( t i m ed i f f e r e n c e0 f m r i v a l l 定位技术 该定位技术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 来确定移动台位置的，降低了对时间的同步要求。移动台定位于以两个基站为焦 点的双曲线方程上。确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程， 两条双曲线即为移动台的二维位置坐标。由于这种定位技术不要求移动台和基站 之间的同步。因此在误差环境下性能相对优越，在蜂窝通信系统的定位技术中备 受关注。它也是基于网络的定位方案，优点是精度较高，实现容易。缺点是为了 保证定时精度，需要改造基站设备。 1 2 2 基于移动终端的定位技术 基于终端的定位技术主要指移动终端计算出自己所处的位置。这种技术主要 电子科技大学硕士学位论文 有g p s 、a g p s ( a s s i s t e dg p s ) 和e o t d ( e n h a n c e do b s e n ，e dt i m ed j f f e r e n c e ) 等几种。 ( 1 ) a g p s a g p s 是网络辅助g p s ，它使用固定位置g p s 接收机获得移动终端的补充 信息数据，辅助数据使移动用户接收机不必译码实际消息就可以进行定时测量， 固定g p s 接收机一般距离间隔为2 0 0 公里4 0 0 公里，形成一个网络。 a g p s 大大减少了移动用户g p s 接收机计算位置所需的时间。未利用辅助 信息时，首次俘获目标( t t f f ：t i m e t o f i f s t f i x ) 需要2 0 一4 5 秒，采用辅助 信息时，t t f f 降至1 8 秒。辅助数据可以每小时广播1 次，因此，提供辅助数 据对网络造成的影响很小。 ( 2 ) e t o d 增强型观察时间差e 一0 t d 在终端上实现定位，仅需要使用软件计算。为了 在i d l e 模式( 终端不处理呼叫) 和专用模式( 终端处理呼叫) 下运行e o t d 算法，终端必须有足够的处理能力和存储容量。 e o t d 定位方法是手机根据服务小区基站和周围几个基站的测量数据，算出 它们之间的时间差，时间差被用于计算用户相对于基站的位置。 与e o t d 相关的基本量有三个：观察时间差o t d 、真实时间差r t d 和地理 位置时间差g ，r d 。o r d 是m s 观察到的两个不同位置b t s 信号的接收时间差： r t d 是两个b t s 之间的系统时间差；g t d 是两个r s 到m s 由于距离差而引起 的传输时间差。 在e o r d 方法中，要取得正确结果，b t s 数目至少为三个，位于不同的地 理位置，并且重要的一条是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安装固定g p s 接收机。e o t d 的精度可达1 2 5 米。与应用g p s 定位方法的区别是，e 一0 t d 定位不依赖于天气，而g p s 定位在天气晴朗时，效果良好。 1 2 3 混合定位技术 混合定位技术即利用移动终端定位功能与网络定位功能的结合。联合定位的 典型代表是，辅助全球卫星定位系统a g p s ( a s s i s t a i l tg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 定 位技术。a g p s 和g p s 方案一样也需要在手机内增加g p s 接收机模块，并改造手 机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将g p s 的位置信息数据传给 移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照g p s 的参 第一章引言 考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从 数据库中查出手机的近似位置传给手机。这时手机可以很快捕捉到g p s 信号，这 样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。不需像g p s 的首次捕获时 间可能要2 3 分钟。而精度也仅为几米，高于g p s 的精度。 1 3 无线定位技术存在的主要问题 移动定位系统定位精度的高低是定位技术在蜂窝网络中广泛应用的关键，但 蜂窝移动通信系统的复杂信号环境却不可避免地会降低移动定位的精度。虽然 f c c 规定的期限已过，但到目前为止还没有真正达到精度要求的实用系统投入使 用，尤其是在闹市区，由于障碍物阻挡引起的多径干扰和非视距误差以及蜂窝通 信系统中“远近效应”引起的多址干扰都极大地影响移动定位的精度。 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 差具有鲁棒性的高精度定位算法之外，还需要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， 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 何采取适当措旌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。定位误差来源主要有以下 几点： ( 1 ) 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 d o a 和 t o a 定位法来说，即使m s 和b s 之间的电波可以视距( l 0 s ) 传播，多径效应也 会引起到来时间测量误差。这是由于基于互相关技术的到来时间估计器的性能会 受到多径传播的影响，当反射波到达时间与直射波在一个码片间隔内时更是如此。 ( 2 ) n l o s 传播问题 l 0 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i d 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。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) c d m a 系统多址干扰问题 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， 解扩之后会带来剩余的干扰。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，减少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。 ( 4 ) 其他误差来源 此外，参与定位的各基站之问的相对位置、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。 1 4n l o s 误差及抗n l o s 定位算法研究现状 在移动台定位技术存在的诸多问题当中，n i d s 传播是一个最难以解决的问 题。它的存在极大的影响了t o a ，t d o a ，a o a 等定位测量值的精度，从而导致 基于时间和角度的定位算法精度受到很大影响。而在不同条件下n l o s 误差的分 布并没有统一的规律，难以彻底消除。人们在克服n l 0 s 效应方面做了大量的研 究，不同研究者从不同角度出发提出了大量算法，但目前仍然无法找到在各种条 件下普遍适用的抗n l o s 算法。寻找新的，更有效的，适应性更广的抗n l o s 定 位算法仍然是当前需要研究的重要问题。 目前已提出的n i d s 消除方法可以分为两大类，一类是误差模型法，一类是 非模型法。非模型法又可以分为利用测量数据空间冗余度；利用测量数据时间冗 余度；利用几何约束三类。由于基于时间的定位算法理论上最少需要三个基站的 时间测量值，如果能检测到多于三个基站的信号，就构成了数据的空间冗余度。 同样，基本定位算法( 如c h a n 方法) 只需要次测量就能够完成定位，如果能在 移动台运动中不断的进行测量，就构成了测量数据的时间冗余度。利用冗余度能 在一定程度上改善定位性能。 误差模型法是利用信道模型假设出n l o s 误差的分布。但是当前对n l o s 误 差在各种条件下的具体分布模型还没有统一的认识。目前取得共识的只是n l o s 第一章引言 误差是一个正误差，并且当移动台和基站之间处于n l o s 状态时，m 测量值的 方差远大于l o s 状态下，即盯。盯。一些研究者将不同条件下n l o s 误差建 模为均匀分布，高斯分布，指数分布，对数正态分布等。一旦假设出了n l 0 s 误 差分布模型，则每个t o a 厂r d o a 测量值的概率分布就已知，就可以比较容易的推 出移动台位置的最大似然估计。这构成了消除n l o s 误差的一类方法。 但是在实际定位中，往往没有办法知道n l o s 误差的先验分布。一些研究者 利用盯。盯。的关系，使用假设检验等方法鉴别出处于n l o s 状态下的基站，只 利用处于l o s 的基站信号定位；文献 1 2 中注意到n l o s 状态定位残差比较大， 利用残差分析方法来鉴别n l o s 基站；文献 3 中j o a nb o r r a s 将n l o s 造成的附 加超量时延分为己知概率分布和未知概率分布两种情况进行讨论，并提出了相应 的假设检验判决方法。文献 4 5 6 中提出使用残差加权来估计移动台位置。这 类利用空间冗余度的方法都要求可以检测到的基站数目比较多，并且有基站处于 l o s 状态中。但是在c d m a 网络中，由于多址干扰和远近效应普遍存在，可检测 到的基站数目往往非常有限，并且在比较恶劣的移动环境中( 比如闹市区) ，有可 能移动台和任何基站之间都没有l o s 路径存在，这就有限制了上述基于空间冗余 度算法的效用。 另有一些研究者 7 儿8 9 提出在实际测量基础上获得n l o s 误差的方差，用 卡尔曼滤波的方法重构n l d s 信号，得到位置估计值。该方法是在假定系统的状 态方程和信号的统计特性已知的情况下实现的，但获得这些信息的先验知识非常 困难。【l 。j 提到的方法在对移动台连续定位跟踪情况下，判决m s 和某一基站处于 l o s 的时间点，使用一元线性回归利用l o s 下得到的较准确t o a 去估计n l o s 状态下的t o a ，这种方法能在l o s 状态较多的情况下消除n l 0 s 误差，但它要求 连续定位，需要较多的数据时间冗余度。同时要求移动台运动过程中有较多的l o s 状态，但是在市区中这种条件并不容易满足。特别的，如果n l o s 状态的数目远 远大于l o s 状态则这种算法难以取得较好效果。 文献【1 1 】 1 2 】【1 3 】 1 4 】中注意到在n l o s 条件下移动台位置的几何约束关系， 采用构造惩罚函数法，r s a 算法，u d p 算法，受限非线性最小二乘法( c 0 n s t r a i n e d n l w l s ) 和加入松弛变量等方法进行定位。这类方法没有利用测量值的时间冗余 度和空间冗余度。只研究最少三个基站，一次测量，不知道移动台n l o s 先验知 识条件下的抗n l ，o s 定位。可以作为消除n l o s 定位算法的基础。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 5 本文主要研究内容及论文结构 无线定位涉及的内容非常广泛，本文主要研究在c d m a 蜂窝网络背景下( 如 w c d m a ) 基于t o a 和a o a 的拭n i _ o s 定位及跟踪算法，论文结构组织如下： ( 1 ) 在第二章中研究了一种用于移动台无线定位跟踪的动态定位模型， 并利用它来动态的仿真移动台运动过程中的n l o s 误差。 ( 2 ) 在第三章中讨论在没有先验信息，一次定位条件下的抗n l o s 形心 法定位，并将这种算法推广到a o a 厂r o a 的混合定位上。 ( 3 ) 在第四章中讨论在移动台连续运动条件下基于速度法的抗n i _ ，0 s 定 位，并研究了基于速度法的单小区抗n l d s 定位算法。 ( 4 ) 最后在第五章中讨论了一种利用基于位移增量的卡尔曼滤波器来 进行抗n l o s 定位跟踪的算法。 第二章无线定位仿真系统 2 1 移动无线信道仿真 第二章无线定位仿真系统 为了评估无线定位跟踪技术，需要一种能够真实反映实际无线环境的信道模 型。不仅需要仿真出多径衰落和n l 0 s 传播等效应，而且要能仿真出信道随移动 台运动而实时变化的细节。下面讨论能对无线定位跟踪进行评估的信道模型。 移动无线环境非常复杂，信号在发射机与接收机之间的无线信道中的传播过 程中受到各种复杂障碍物和地形影响而产生反射、衍射和散射等现象，致使到达 接收机的信号产生幅度衰落、相位旋转和时间延迟。 可以将信号在无线信道中的传播衰减分成三个部分：一部分就是随着发射机 和接收机之间的距离不断增加而引起的电磁波的幅度衰减，这部分称之为路径损 耗；第二部分是由于传播环境中的地形起伏以及植被等障碍物对无线信号遮挡而 引起的衰落，这部分称之为阴影衰落。第三部分是由于发射信号受到障碍物的阻 碍而产生反射、折射等现象，导致接收机接收到的信号是从多条不同路径传播过 来的信号的叠加，这些信号中到达时间相差很小的信号之间相互叠加就产生了小 尺度衰落。通常把路径损耗与阴影衰落合称大尺度( 1 耵g e s c a l e ) 衰落。 2 1 1 路径损耗与阴影衰落 一般研究无线信号传播主要有两种方法：理论分析以及场测统计。理论分析 方法对模型作了一定程度的假设和简化。而场测统计方法得到的是一种经验模型， 其优点是把影响信号传播的所有因素都考虑进去了，所以在工程中一般都通过建 立传播预测的经验模型进行路径损耗预测。已建立的场强预测或路径损耗的经验 模型有h a t a 模型、c o s t - 2 3 1 h a t a 模型等。他们是根据在各种条件下场强实测数 据中总结出来的，适用于不同的场合。 本文采用h a t a i l 5 】模型，公式如下： p ，口只+ g 。一声一1 0 口l g ( d ) + g ， 其中，为发射功率( d b m ) ，b 为接收功率( d b m ) ，如为移动台方向的基 站天线增益；口，p 是常数，其值与具体的环境有关，( 具体值如表2 1 所示) 反 应了路径损耗的大小；d 为移动台和基站之间的距离( m ) ；g ，是一个标准差为8 d b 电子科技大学硕士学位论文 的对数正态随机变量，表示阴影衰落的强弱。 2 1 2 小尺度衰落模型 移动通信信道是随机时变信道，信道的衰落特性取决于无线传播环境，信号 的多径传播使得到达信号的到达角度和相位随机分布。相位不同，到达时间几乎 相同的多个信号叠加造成信号场强的瞬时值呈现快速变化的现象，这就是多径 表2 1 h a t a 模型取值表 信道环境a 卢 市区a 3 5 22 9 0 3 市区b3 5 22 9 0 3 闹市区3 5 22 9 0 3 一般市区3 4 82 2 2 郊区3 4 10 3 4 衰落，也称为小尺度衰落。大量实测数据和理论分析表明，在多径传播条件下， 假如不存在视距路径，接收信号的包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。即接 收信号的幅度r ，相位目的概率密度函数为 p ( ，) ：二e 咖d 2 ( r 苫o ) 盯 p ( 日) = 。 一 ( o p 玉r ) 而当存在视距传播路径时，接收信号的包络不再服从瑞利分布，而是服从莱斯分 布。莱斯分布的概率密度函数为 加，：悟唧卜警旁肚。 【o ，苫。 其中，a 是直射波幅度，n 为的一类0 阶修正贝塞尔函数。莱斯分布由参数k 描 述，k 定义为直射路径信号与散射路径信号的功率比，即： k ) - 1 0 l g 参懈) k 有时也称为莱斯因子，用它可以表征莱斯分布。特别的，当k 趋于负无穷大时： 即视距路径信号非常小时，接收信号幅度分布趋于瑞利分布，而当k 远大于1 时 第二章无线定位仿真系统 即主径信号相当强时，信号幅度分布趋于高斯分布。另外，当移动台距基站非常 近而且视距传播路径上信号相当强时，实测结果表明，信号幅度分布既不是瑞利 分布，也不是莱斯分布，而是高斯分布。 n a k a g a m i 提出来的n a k a g a m i m 分布f 1 6 】，是完全基于实验数据的统计结果， 这种分布基本涵盖了瑞利分布和莱斯分布，用n a k a g a m i m 分布来对无线信道中的 小尺度衰落建模更具有普遍意义。n a k a g a m i 分布函数如下： 砷) 。志( 争2 ”1 e x p ( _ 詈) 吉胆。 鼽 ，2 m = 舞，r 的n 阶矩由下式删1 7 】【1 8 】 r “n + o 。 e 旷 = 二品孑售) j 式中，r ( ) 是g a m m a 函数。 参数m 反映出了多径衰落的强弱，m 越小，多径衰落越明显，越大则越轻微。当 m = 0 5 时，n a k a g a m i 椰。分布退化为单变高斯分布；如果m = 1 ，同时将2 2 定义 成q ，那么n a k a g 锄i m 就变成瑞利分布，当m 大于1 时，n a k a g a m i m 分布和莱 斯分布可以相互近似f 1 7 】 蚓。莱斯分布参数k 和2 d 2 可以用n a k a g a m i m 分布的参 数m 和q 表示： k ：型! 三竺：1 1 一1 一m - 1 2 仃2 = q ( 1 一1 一卅1 ) ，辨 1 可见，通过调整m 的取值，n a k a g a m i _ m 分布可以表示不同环境下的小尺度衰 落，所以本文将小尺度衰落建模为n a k a g a m i _ m 分布。 2 1 3 信道小尺度衰落仿真 在移动多径信道中，信道冲激响应形式为：丘( f ) 一z q 6 0 t ) ，其中t 为第i 个径的时延，口i 为第i 个径的复增益。每一个径可视为爵多个子波叠加产生，产生 的口，服从n a 】【a g a m i - m 分布。具有n a k a g a m i m 分布的多径衰落可以使用 1 9 2 0 2 1 提到的部分波叠加法来产生。 根据业界通用t 1 p 1 模型，可将移动信道建模为许多散射体，每个散射体由平 1 1 电子科技大学硕士学位论文 均功率，超量时延，平均到达角度，和n a k a g a m i m 参数表征。每个散射体对应着 信道冲激响应中的一径。每一个散射体都可以视为由大量部分波构成，各个子波 到达时间相同，到达角度不同，相位在【0 ，幼】内随机分布。将一个散射体的所有部 分波波叠加在一起就构成了信道冲激响应中符合n a k a g a m i - m 衰落的一个径，也就 是上面提到的部分波叠加法。 令信道第i 个散射体，第j 个部分波幅度为4 ，= i ( o ，仃。) l ，其中 厂7 2 = 2 三三一 吒= 、b ( 1 一1 一m ) 。，p f 为第i 个散射体相对功率，为子波个数，m 为 n a k a g 砌j m 的参数。如果m 1 ，则存在直达或镜面反射波分量，其幅度为： 厂产2 i a ；a 1 一m 。令子波相位铭，在【_ z ，z 】之间均匀分布，若第i 个散射体为 n l o s 散射体，则其平均入射角q 服从【o ，幼】之间的均匀分布，若为【d s 散射体， 则平均入射角吒为移动台方位角与运动速度矢量的夹角。于是第i 个散射的第j 个 部分波的入射角服从一个截断的高斯分布p q ，= ( 口，仃，) ( p “【o ，2 万】) 。口，。 表征了散射体部分波入射角的聚集程度。一般可令口。= o 1 5 r a d 。 假设移动台以速度v 运动了“秒，则由于移动台运动造成的部分波相位增量 为：n 唬，= 兰兰竽c o s ( p 口“) 其中 为信号载波波长。将n 。个部分波叠加在一起 就形成了多径衰落，为了满足中心极限定律n 。应该取得大一些，这里可以取1 0 0 。 乩一1 可以得出叠加之后构成的一径的i 路信号幅度为：4 ，jc o 泓，+ a 磊，) ，q 路信号 m 1 幅度为：4 ，s i 啦，+ a 唬，) 。重复此过程就可以仿真出信道冲激响应的所有径的 复增益。 要仿真整个信道冲激响应，还需要确定信道的时延扩展，最大时延，功率时 延分布和n a k a g a m i m 参数m 。e r i c s s o n 提出的t 1 p 1 【2 0 】【2 2 】模型是一蚕申常用于仿真 评估基于时间定位技术的信道模型，可用于对移动台的静态定位，在不同信道环 境下的具体参数如表2 2 所示。模型中的时延扩展基于实际测量数据，通过由距离 决定的对数正态分布来模拟，功率延时和统计衰落特性则基于略加修改的c o d i t 第二章无线定位仿真系统 模型【1 9 】。该模型能产生与实际测量值相当的时延扩展和超量时延，适用于城市， 郊区，乡村和山区环境。 表2 - 2 t l p l 信道模型参数 平均时延扩 散射体个 n a k a g a m i m 环境 延时f ： 相对功率p j 展：平均超 数 参数 量延时 闹市 1 2 0 0 f m “p 5 1 5 e x p ( 一6 r r 。) 1 ：11 市区a 1 2 00 k 。 o 5 1 5 ) 。e x p ( 一6 r f )1 ：1 1 与市区a 相同，随相对功率调延时： 市区b 1 2 0 z 一( t + 笥 1 5 ：1 1 1o4 - 3 1 5 郊区 1 5 ：1 2 6o f 。0 1 0 4 l 5 乡村同郊区 模型中的时延扩展根据g r e e n s t e i n 模型矧( 一种基于实际测量值的模型) 来 产生，即： 。= 掣5 y 其中f 。是均方根时延扩展，墨是在d = 1 k m 处的时延扩展中值，s 取值在o 5 到1 之问，y 是一个标准差为吒的对数正态分布随机变量。不同信道环境下的g r e e n s t e i n 模型参数如表所示 表2 3 不同环境下g r e e s t e i n 模型参数 环境 互占 o y 闹市区 1 0o 5 4 d b 一般市区 o 4o 5 4 d b 郊区o 30 54 d b 远郊1 oo 54 d b 山区1 o1 o4 d b 为了研究基于角度的定位方法，需要产生基站a o a 测量值，这里采用 2 2 中 的基于本地散射圆的模型，a o a 服从具有以下标准差的高斯分布： 电子科技大学硕士学位论文 ( 瓦) ：粤 其中，瓦为超量时延，c 为光速，d 为m s 和b s 之间的距离。 通过以上过程就能得到用于单次定位的信道模型，并能够仿真出t o a 测量值 的n l o s 误差和a o a 测量值。 2 1 4 动态l o s n l o s 序列建模 在表2 2 中可以看出在t l p l 信道模型中市区和闹市区中m 参数都固定建模为 1 ，也就是假定信号经历的都是瑞利衰落，没有l d s 状态。在郊区和乡村中是固定 建模为1 5 ，也就是说假定信号经历的都是莱斯分布，没有n l o s 状态。 可见t l p l 信道模型是假定在某一地理环境中移动台固定的处于l o s 或n l d s 状态，是一种静态的模型。而实际上移动台在大多数地形条件下连续运动时都是 不断的转换于两种状态之间的，要对运动的移动台进行定位跟踪仿真就需要能仿真 出这种状态序列转换，动态产生信道冲激响应。 n j t h o m a s 等人提出的一种基于c 0 d i t 模型的视距一非视距模型f 2 4 j 能够根据 移动台的运动产生一系列视距非视距状态序列。但是这一模型对散射体建模较 为简单。参数大多根据实测典型值简单的建模为均匀分布，也没有考虑时延扩展。 这里采用t h o m a s 提出的视距一非视距动态状态序列转换思想，但对小尺度衰 落仍然采用t 1 p 1 信道及部分波叠加法产生来达到更高的精度。 l o s 状态下的信道冲激响应和n l o s 状态的有很大不同，n l o s 状态会给定 位精度带来很大的影响，因此有必要准确模拟出某一时刻下移动台所处的状态， 及两种状态随着时间的转换。当移动台连续运动时，它是以一定的概率不断的转 换于l o s n l d s 状态中，这种状态序列不仅包括移动台和服务小区基站之间的， 也包括和非服务小区基站之间的。假设移动台在任何地理环境下都会交替的处于 l o s n l o s 状态中，地理环境的差异体现在l o s n l _ d s 出现的概率的大小上。参 考t h o m a s 模型，可以将散射体描述为l d s 散射体和n l o s 散射体两种，l ，0 s 散 射体功率归一化，其相关系数m 为1 5 ，平均入射角度与方位角一致，超量时延为 0 。n l o s 散射体的超量时延不为0 ，按t 1 p 1 信道模型产生。 根据移动台与服务区基站及与非服务区基站之问的在视距非视距状态而将信 道分为四类：小区内存在视距路径( u d s ) ；小区内不存在视距路径( l n l o s ) ； 小区间存在视距路径( c l o s ) ；小区间不存在视距路径( c m d s ) 。前两类和后两 1 4 第二章无线定位仿真系统 类两两组合得到四种状态，即a ：u d s ，c l o s ；b ：l l o s ，c n l o s ；c ：n l d