（通信与信息系统专业论文）增强型差分场强定位方法研究.pdf

摘要 摘要 随着蜂窝移动系统普及和现代通信技术飞速发展，人们对基于位置信息服 务的需求不断增加。除了满足e 9 11 定位需求外，基于位置信息服务在为残疾人、 病人、儿童及消防救火等方面提供实时定位，智能交通系统和无线传感器网络 等方面也有重要应用，利用蜂窝无线网络而产生的低成本定位技术近年来正受 到更多的关注。因而如何充分利用现有蜂窝无线网络的信息，经济、有效地实 现对移动台的定位就显得尤为重要。正是在这一技术背景下，作者选择无线定 位技术这一理论与应用紧密结合的课题为本论文的研究方向，据此开展相关的 研究工作。 本文在广泛研读国内外大量有关无线定位技术文献资料的基础上，对现有 的基于实测参数的无线定位算法进行了综述和比较，分析了各种传播模型的优 缺点及其适用范围，提出并研究了增强型差分场强定位方法。 本文主要工作如下： 建立并完善了增强型差分场强定位方法的基本理论及公式，给出了增强 型差分场强定位方法的定位流程，明确了定位匹配算法。 通过把差分场强与传播损耗积分预测模型相结合，建立差分场强指纹特 征数据库。实验结果表明该方法能满足基于位置服务的需求，定位效率很高。 在大量实测数据的基础上，在不同环境下对该定位方法进行了验证，结 果表明，此定位方法基本适用于一般性密集城区、密集居民城区及郊区环境。 探讨了小区基站数目对定位精度的影响。结果表明，增强型差分场强定 位方法只需要少量的定位基站( 2 个或3 个) ，就可以得到较好的定位结果，节 约了定位成本，降低了定位条件。 关键词：接收信号强度；定位估计；蜂窝网络 a b s t r a c t a b s t r a c t l o c a t i o ne s t i m a t i o ni sa ni m p o r t a n tt a s ki nm a n yi n n o v a t i v ea p p l i c a t i o n so f w i r e l e s s s y s t e m s a p a r t f r o me m e r g e n c ye 911a s s i s t a n c e s e r v i c e s ，l o c a t i o n e s t i m a t i o ni sa l s od e s i r e di nl o c a le n v i r o n m e n t st op r o v i d ep o s i t i o n i n g ，t r a c k i n g ，a n d n a v i g a t i o ns e r v i c e st op e o p l ew i t hs p e c i a ln e e d s ，s u c ha sf i r e f i g h t e r sa n ds o l d i e r si n t h e i rm i s s i o n , e l d e r l ya n dp a t i e n t su n d e rs p e c i a lc a r e i na d d i t i o n , l o c a t i o ne a i m a t i o n i sa l le s s e n t i a lb u i l d i n gb l o c ko fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o re n v i r o n m e n t a la n d s t r u c t u r a lm o n i t o r i n g t h u s ，t h eu s eo fw i r e l e s sn e t w o r k st od e v e l o pn o v e la n dr o b u s t l o c a t i o nt e c h n i q u e sh a sb e e nr e c e i v i n gm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y ，i ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt ol o c a t em se c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l y b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h e a u t h o rc h o s ew i r e l e s sp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，w h i c hi sa na p p l i c a t i o n o r i e n t e ds u b j e c t ， a st h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h et h e s i s ，a n dc a r r i e do u tt h ec o r r e l a t i v ew o r k s f i r s t l y , w eh a v er e v i e w e da n dc o m p a r e da l lk i n d so fe x i s t i n gw i r e l e s sl o c a t i o n a n dp r o p a g a t i o nm o d e l sb a s e do nw i d e l yr e a d i n gm a n yl i t e r a t u r e si na n da b r o a d ，a n d t h e nd e v e l o pe n h a n c e ds i g n a l - s t r e n g t h d i f f e r e n c ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： e s t a b l i s h e da n dc o n s u m m a t e dt h em a t h e m a t i c a lf o r m u l ao fe n h a n t e d d i f f e r e n c e s t r e n g t hp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，t h e ns h o w e dp o s i t i o n i n gf l o wc h a r ta n d d e t e r m i n e dp o s i t i o n i n gm a t c h i n ga l g o r i t h m e s t a b l i s h e ds t r e n g t hf i n g e r p r i n t sc h a r a c t e r i s t i cd a t a b a s ew i t has m a l la m o u n t o fm e a s u r e dd a t ab yc o m b i n i n gr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t ha n di n v e r s i o np r o p a g a t i o n m o d e l ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a nm e e tt h eb a s i cn e e d so f l o c a t i o n b a s e ds e r v i c ea n dr u ne f f i c i e n t l y v e r i f i e dt h a tt h el o c a t i o nm e t h o da p p l i e de f f e c t i v e l yi nag e n e r a li n t e n s i v e u r b a n d e n s eu r b a na n dr u r a le n v i r o n m e n tb a s e do n al a r g en u m b e ro fm e a s u r e dd a t a e x p l o r e dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yi n d i f f e r e n tn u m b e ro fb a s es t a t i o n s ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mg e t sg o o dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo n l yw i t has m a l l n u m b e ro fp o s i t i o n i n gb a s es t a t i o n s ( 2o r3 ) ，w h i c hh a sr e d u c e dp o s i t i o n i n gc o s t k e yw o r d s ：r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ；l o c a t i o ne s t i m a t i o n ；c e l l u l a rn e t w o r k i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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。 学位论文作者签名。手瓢昭、碣签字吼加如年月j - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名c 手瓢论、翮 签字日期：p f 。年月，日 导师签名( 手写) ： 签字日期：如卜 日 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 无线定位产生的背景 无线定位在军事和民用技术中已获得了广泛应用，主要有以雷达、l o r a nc 、 o m e g a 、t a c a n 、v o r d m e 、j t i d s 、a v l 等为代表的路基无线电导航系统，和以 n n s s 、g p s 、g l o n a s s 、我国的双星定位系统以及欧盟正在实施的g a l i l e o 系 统为代表的卫星导航定位系统。对地面移动用户的定位来说这些技术中以g p s 最为重要，但是把g p s 功能集成到移动台上需要全面更改设备和网络，不但导 致成本增加，而且用户同时持有移动电话和g p s 很不方便，以及g p s 定位的一 些缺陷( 如室内信号被遮挡、电池寿命短等) ，所以移动用户及设备生产商和网 络j 者吾吾幕重磊虿看磊茬硒夏磊赢谣翮中实现对移动台的定位。络运营商希望能够直接在蜂窝移动通信网络中实现对移动台的定位。 1 9 9 6 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 公布了e 9 1 1 定位需求，它要求在 2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各种无线蜂窝定位网络必须能对e 9 1l 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不低于6 7 ；并 在2 0 0 1 年后，提供更高定位精度及三维位置信息l l j 。欧洲和日本也作了相应的 要求，表明提供e 9 l l 定位服务将是今后蜂窝网络必备的基本功能。预计在不久 将来，我国也将出台类似的强制规定以实现特殊情况下紧急事件处理的需要。 在蜂窝系统中实现对移动台的定位除了满足e 9 l l 定位需求外还具有以下重要 用途： ( 1 ) 基于移动台位置的计费。可根据移动台所在不同位置采用不同的收费 标准，对恶意欠费用户进行跟踪和追查； ( 2 ) 对残疾人、高危人群、迷路者及儿童提供个人救助服务； ( 3 ) 智能交通系统( i t s ) ，i t s 系统可以方便提供车辆及旅客位置、车辆 追踪以及被盗车辆跟踪等服务，以合理车辆调度、避免交通堵塞以及降低交通 事故； ( 4 ) 优化移动通信系统设计和规划、改进网络q o s 与无线资源管理，如精 确监测移动台使得网络更好决定进行小区切换的最佳时刻，同时根据其位置动 态分配信道提高频谱利用率，对网络资源进行有效管理等； 第1 章绪论 ( 5 ) 信息服务和移动电子商务，对移动台和旅行者定位并向其提供所在区 域的信息及其它服务； ( 6 ) 其他各种基于移动台位置的增值服务。 在国外各电信运营商积极推出定位服务和各种基于移动台位置的增值服务 的同时，我国的电信运营商也展开了行动；中国移动已推出了基于c e l l i d 的 定位服务；中国联通部分城市已推出“定位之星 ，“关爱之星 服务。从另一 个角度来看，随着国内电信市场的重新划分和3 g 牌照的发放，中国移动、中国 联通、中国电信、中国网通等电信运营商之间在各个通信业务领域的竞争将日 益激烈，而作为移动数据业务重要组成部分的定位业务必将是他们角逐的主要 领域之一。因此，如何充分利用现有蜂窝无线网络的信息，经济、有效地实现 对移动台的定位成为各种定位技术所面临的一个主要问题。 1 1 2 研究意义 随着蜂窝移动系统的普及，人们对基于位置信息服务( l o c a t i o n b a s e d s e r v i c e ，l b s ) 的需求不断增加，将为移动通信，g i s 、g p s 等行业和技术开拓出 极有前途新应用和新业务。如个人安全、紧急救助、电子商务、出行和旅游以 及娱乐等各项服务相关业务。在为移动用户提供诸多便利的同时，l b s 服务也 就顺理成章地为移动通信运营商和移动通信设备制造商开拓出了新的经济增长 点，并且为g i s 、g p s 技术的普及和公众应用提供了切入点，从而使数字城市的 实现有了更大的可能。 1 2 国内外研究现状 国内外对蜂窝移动通信系统定位技术的研究在很久以前就已经开始。1 9 9 6 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 公布了e 9 1 1 定位需求，它要求在2 0 0 1 年l o 月1 日前，各种无线蜂窝定位网络必须能对e 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不低于6 7 2 1 ；并在2 0 0 1 年 后，提供更高定位精度及三维位置信息。由于政府的强制性要求和市场本身的 驱动，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，这些公司基于其研究报告在 3 g p p 和3 g p p t 2 上提出了一些提案1 3 圳。自从无线定位服务提出以来，人们除了 2 第1 章绪论 进行理论上的研究外，一些提供商业定位系统的公司开展了以第二代移动通信 运营系统为平台的现场试验。华为公司从2 0 0 0 年开始进行无线定位技术的研究， 主要针对第三代移动通信网络，集中在定位技术理论的研究，涉及产品的研究 较少，应该说暂时还没有一套很完整的无线定位系统1 5 】，目前已经拥有近l o 项 专利。中兴公司申请了3 项专利，还为c d m a 提供了定位系统的全套解决方案 6 1 ，重庆赛洛克无线定位公司产品主要基于c d m a g s m 通信网络的移动电话定 位系统、基于地面蜂窝的无线信标定位系统和基于卫星的全球定位系统，能够 向用户提供定位系统终端设备，无线蜂窝定位基站设备和应用软件产品，如g s m 移动电话定位车载终端，c d m a 移动电话定位手持终端等，成本较高。 由于无线通信信道的极度随机性和现有各种移动通信标准并存，使得出现 了不同的定位技术来适应不同的无线环境和特定的移动通信系统【_ 7 1 。总体来说有 t o a 、t d o a 、a o a 和r s s i 等技术，以及现在正处于热点研究的基于场强的指 纹定位技术。 t o a 到达时间定位算法。已知信号的传播速度，根据信号的传播时间计算 节点的距离。当节点在计算出与多个邻近参考节点的距离后，可以用三边测量 算法计算出自身位置。何燕，胡捍英提出了一种对抗n l o s 误差的t o a a o a 混 合无线定位方法，解决了t o a a o a 只适用于l o s 条件下的难题瞵j 。虽然t o a 的 精确性高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对节点的硬件和功耗提出 了较高的要。若有l g s 的时钟精度或同步误差将导致3 0 0 m 的定位误差。 为了降低t o a 对精确同步的要求，从而节约成本，余丽娜和曹连荪提出了 t d o a 到达时间差算法，这种方法定位成本更低，精度也比较高 9 1 。它利用发射 节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时 间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。t h o m a sk l e i n e 提出了一种基于t o a 与t d o a 的数据融合技术的融合体系，该体系包括预处理 平台，四级融合技术和数据控制函数三部分l l 。精炼此系统，他又提出了一种 基于一级和二级融合相结合的混合数据融合技术。 另外一种定位方法是a o a 至i 达角度定位。它是利用接收节点通过天线阵列 或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点 之间的相对方位或角度，再结合估计的距离，通过三角测量法计算出节点的位 置。由于a o a 技术易受外界环境影响，如噪声等，同时，实现和维持天线阵列 费用也昂贵，可能无法满足传感器节点对硬件尺寸和功耗的要求，倪建军，胡 3 第1 章绪论 杰华提出了一种t d o a a o a 的混合定位方法，同时利用时间和角度两个参数来 进行定位1 1 1 j ，大大地提高了定位精度。 基于距离的定位算法还有将上述方法混合使用的方法，s i n a ng e z i c i 提出了 二步定位方法：第一步，估计不同的信号参数，如t o a 、a o a 或r s s i 等；第二 步，根据估计参数，一般使用匹配、几何或统计的方法来定位【1 2 1 。另外，对于 不同的定位算法，都以c r a m e r - r a o 为最低界限的形式来提出估计精度的理论限制， 且是基于一个给定时间的单个观察，而不是基于一段时间内的多路观察。l z h a o ， gy a o 提出了一种混合蜂窝或a dh o c 网络中，基于移动台延迟缓冲性质的移动定 位计划，即等级结构计划【1 3 1 。此方法利用移动台的延迟性质，达到定位的多样 性，使提出的发现机制的覆盖面朝1 0 0 方向增加。x i n r o n gl i 提出了一种基于接 收信号场强和无线传播路径损耗模型的定位技术，利用了非线性最小平方估计 器来完成对未知位置坐标和距离功率梯度( 为无线传播路径损耗模型的一个参 数) 的联合估计【1 4 l ，消除了测量大量信道的工作量，十分适用于未知或者变化 环境下的定位估计。混合算法的好处是能够弥补单个算法定位精度低的不足， 但同时也带来了比较高的定位成本。 由于t o a 、t d o a 和a o a 定位方法仅适用于c d m a 蜂窝系统，而不适用于 其它的蜂窝系统，且需要附加特殊的硬件设备。为了克服这些缺点，h e i k k i l a t i n e n 和s u v ij u u r a k k o 提出了r s s i 场强定位方法，他使用5 个v h f 频率的窄带测 量来估计基于接收信号场强定位方法的定位精度，阐明了定位误差将随着各发 射机的平均距离、阴影衰弱或天线增益的变化引起接收信号场强波动而线性增 加【l5 1 。因为阴影衰弱随着频率的增加而增加，而定位精度则随着频率的增加而 减小。 基于r s s i 的定位方法很多，最典型的就是指纹定位。谢展鹏，熊思明等具 体地讲述了指纹定位的实施过程及应用该方法的优缺点6 1 。指纹定位也称数据 库相关定位，是近来提出的另外一种定位技术，它为不同空间位置所在信号特 征参数建立数据库，通过将实际接收信号与数据库进行对比来实现移动台的定 位【1 7 】。由于所需基站少及定位精度高的特点，近年来指纹定位受到越来越多学 者的亲睐，基于接收信号场强的指纹定位技术取得了新的进展，特别是应用在 室内定位环境下。2 0 0 5 年，k a m o lk a e m a r u n g s i 提出了一种有效的基于指纹定位 的室内定位系统，利用欧几里德、m a h a l a n o b i s 距离和概率方法，通过调整系统 参数来高效地设计该系统【l 引，能减少部署和调整系统的时间，且不需要繁琐的 4 第1 章绪论 实验测量。上述方法都只是利用一种标准来衡量，2 0 0 5 年，t s u n gn a nl i n 和p o c h i a n gl i n 突破了仅与定位精度来衡量一种定位技术性能的一般思想，提出要全 面考虑不同衡量标准，包括精度、准确度、复杂度、健全性和可测性i l9 。，进一 步扩展了定位的衡量标准。指纹定位的缺点是前期工作量大，且不适于环境变 化较快的区域。由于定位精度依赖于数据库的大小，离线阶段时需对定位区域 做详细的测量，建立庞大的数据库，且数据库必须定期或不定期更新。 基于场强的定位方法最大的优点在于对网络系统以及终端的改造较少，仅 需要移动台能够反馈实时的测量报告给控制站即可，这也是第三代移动通信网 络系统中空中接口协议中所包含的参数，因此对于网络的升级而言，基于场强 的定位方法不会带来任何附加的成本1 2 0 1 。目前国外学者还提出了一种多径指纹 技术，这是一种颇具发展前途的定位技术，它不需要对基站的软硬件做大的改 动，而且能够有效地减小多径效应对定位系统的影响。但如何建立高精度的传 播预测模型，维护并升级数据库是该技术最为关键和核心的问题。 因此建立一个可靠的、满足用户需求高覆盖率的蜂窝网络定位系统将会面 临许多问题，其中既包含技术问题也包含非技术问题。伴随着移动通信网网络 的进一步发展，无线定位业务会形成一条较为完整的产业链，它的核心还是在 于高精度的无线定位方法。 1 3 本文项目资助情况 本论文的研究工作是以我们实验室的科研项目为依托展开的。这些项目包 括：国家自然科学基金项目移动通信系统中基于反演模式的演进型传播预测 模型研究( n o 6 0 7 6 2 0 0 5 ) 、江西省教育厅科技项目无线视频通信中基于实测 参量的动态信道性能预估研究( n o g j j 0 8 0 1 3 ) 和江西省自然科学基金青年基金 基于反演模式的短距离点对面无线传播预测混合型模型研究 ( n o 2 0 0 8 g q s 0 0 6 5 ) 。这些项目均围绕无线通信中信号传播预测模型进行研究。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究了基于接收信号场强的室外无线定位算法。分析了现有基于 实测参数的无线定位算法，总结了各种传播模型不同特点，提出了适用于不同 室外传播环境基于传播损耗反演预测模型的增强型差分场强定位方法。并利用 5 第1 章绪论 在广东的实测数据进行算法验证，来研究和评估该定位方法的性能。 第1 章：绪论。主要阐述了本课题研究的背景、目的及意义，同时介绍了 该领域国内外的研究现状，并简要概括了本论文的研究工作。 第2 章：无线定位技术相关背景介绍。首先介绍了无线电波传播的特性， 包括路径损耗、阴影衰落和多经衰落等；然后介绍了基于传播模型的定位方法， 主要有经验传播模型和理论传播模型，并比较了其异同；最后分析了基于实测 数据的定位方法，包括g p s 、c e l l i d 、t o a t d o a 、a o a 、r s s i 及混合定位等 基本定位原理。 第3 章：增强型差分场强定位方法。这部分主要阐述了本定位方法的基本 理论，给出了增强型差分场强定位方法的定位流程，并引入了描述蜂窝网无线 定位性能的评估参数指标。 第4 章：增强型差分场强定位方法结果分析及性能评估。这部分是本论文 的核心部分，首先利用通过在广东某地区的实测数据，建立该小区的二维接收 信号差分场强指纹特征数据库，然后把检验样本差分场强信息与该指纹特征数 据库中的信息进行最优化拟合，完成定位；最后计算出定位准确率的相关评估 参数，完成对该定位方法的性能评估。 第5 章：增强型差分场强定位方法在不同环境下的验证。这部分也是本文 的核心内容，通过在不同传播环境下进行实验测试，得到不同传播环境下的实 测数据，按照第四章所述步骤，得到不同传播环境下该定位方法的定位结果， 进一步验证该定位方法适用于不同传播环境，接着通过分组实验，探讨了基站 数目对定位精度的影响。 第6 章：总结与展望。总结了该论文所做的工作，探索了蜂窝网无线定位 中待解决的问题，并对未来发展方向进行了展望。 6 第2 章无线定位技术相关背景介绍 第2 章无线定位技术相关背景介绍 2 1 引言 无线定位在军事和民用技术中己获得了广泛应用，主要有以雷达、l o r a nc 、 a v l 等为代表的路基无线电导航系统，和以g p s 、g l o n a s s 、我国的北斗双星 定位系统以及欧盟正在实施的g a l i l e o 系统为代表的卫星导航定位系统【2 1 之2 1 。对 地面移动用户的定位来说这些技术中以g p s 最为重要，但是把g p s 功能集成到 移动台上不但需要全面更改设备和网络，导致成本增加，而且g p s 还依赖于美 国的卫星定位系统，以及g p s 定位的一些缺陷( 如室内信号被遮挡、电池寿命 短等) f 2 3 l ，所以移动用户及设备生产商和网络运营商希望能够直接在蜂窝移动 通信网络中实现对移动台的定位。 然而，建立一个可靠的、满足用户需求的高覆盖率的蜂窝网络定位系统将 会面临许多问题，其中既包含技术问题也包含非技术问题。技术问题主要是如 何减少或者消除无线电波传播过程中的同步误差、多径影响、非视距传播、相 邻信道干扰等，以在合适的代价下得到准确的电波特征测量值来实现准确定位； 非技术问题则主要是标准化、隐私及网络安全等问题1 2 4 1 。伴随着移动通信网网 络的进一步发展，无线定位业务将会形成一条较为完整的产业链，它的核心还 是在于高精度的无线定位方法。 2 2 无线电波传播基础 移动通信的无线传播特性除了和工作频率有关，还和移动无线环境( 包括 地形起伏与周围建筑物等) 、天线高度以及传播情况( 如视距l o s 无线链路或 n l o s 无线链路、反射、绕射、散射) 有极大的关系，其传输信道的特性是随时 随地变化的，因而移动信道是典型的随参信道。这一节，着重介绍移动通信环 境的无线信号传播的特征。移动通信环境中的信号衰落有路径损耗、阴影衰落 和多径衰落三种类型，路径损耗和阴影衰落是论文研究所关注的主要参量，而 论文采用的基于实测数据的研究方法也促使我们必须了解多径衰落，因为实测 数据的预处理就是为了去除多径衰落的影响。 从无线系统工程的角度看，路径损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖， 7 第2 章无线定位技术相关背景介绍 而多径衰落主要影响信号的传播质量。 2 2 1 路径损耗 基于理论和实测场强的分析结果都指出，在大尺度衰落上，平均接收信 号强度呈现出对数距离关系。在距离d 上，平均大尺度接收功率可表示为： 只= e , k i 了di ( 2 1 ) 口o 若以d b 为单位，上式化为 p , ( d s ) - ( d a ) + k - l o n l o g l o ( 2 2 ) 式中行为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d o 为参考点与发射 天线之间的距离，该距离要保证处于天线发射的远场内，对于户外的情况以大 致在1 0 - l o o m 之间，对于室内d o 大致在l 1 0 m 之间；k 为个无量纲的常数， 与天线的特性有关。 不同环境下的路径损耗指数是不同的。自由空间的损耗指数由理论计算出 为2 ，其它环境中的损耗指数具体数值由实测或理论估算得出。在某些限定的空 间中，由于波导效应等，损耗指数小于自由空间中的2 ，这表明在这种情况下平 均信号强度随距离的衰减比自由空间中更缓慢。但是在大多数情况下，不规则 空间中电波的损耗指数都大于2 ，即使存在着直接的视距传播这与菲涅尔区 的阻挡有关。表2 1 列出了不同无线环境下典型的路径损耗指数： 表2 1 不同无线环境下典犁的路径损耗指数 环境 路径损耗指数 市区微蜂窝 市区宏蜂窝 建筑物内( 同一层) 建筑物内( 多层间) 商店 工厂 2 6 3 5 3 7 6 5 1 6 3 5 2 “ 1 8 2 2 1 6 3 3 2 2 2 阴影衰落 由阴影遮挡、地形变化引起的信号中尺度变化称为阴影衰落。阴影衰落使 所预测的路径损耗产生相当大的变化。阴影变化是由基站移动台之间大的地形 8 第2 章无线定位技术相关背景介绍 特征引起，而在宏蜂窝中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个波长，所以阴 影的影响在几十个波长内基本上保持不变。如果我们围绕一条以基站为圆心的 圆形路线( 也就是保持基站和移动台之间的传播路径长度不变的路线) 上收集 数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的平均接收场强将是一线性分布， 因而称为对数正态一阴影传播机制【2 引。 对数正态一阴影传播机制是基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响。 在信号到达的时候，已经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用一 个衰减来表征，也即每个单独的信号都是某种程度上衰减的随机变量。它们之 间可以认为是相互独立的，因此最后由多个相互独立的随机变量叠加后的接收 信号值就是各次衰减的乘积。对它们取对数后进行相加( 这里单位用d b 表示) ， 由中心极限理论可知在一般情况下其和的分布是正态分布，因而显示出高斯统 计特性。在自然单位中( 也就是单位不用d b ) ，其和对应于对数正态分布。 2 2 3 多径衰落 多径衰落或简称快衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度 的快速衰落，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传 输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引 起的，这些波称为多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的 信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 时间( s 1 图2 1 小尺度衰落对接收信号的影响 9 第2 章无线定位技术相关背景介绍 无线信道的多径导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： ( 1 ) 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化； ( 2 ) 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起 的随机频率调制； ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落 只与空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化 看作瞬时变化。在空间不同点的多径波的影响下，高速运动的接收机可以在很 短时间内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的 衰落很大的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模型，从 而打破接收信号长时间维持失效的情况，但要维持良好的通信状态仍非常困难。 天线空间分集可以防止极度衰落以至于无效的情况。图2 1 显示了当接收机在几 米内移动时，由于小尺度衰落引起的接收机信号的典型快速变化。 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移 动引起的接收机信号频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方 向，以及接收机多径波的入射角有关。 小尺度衰落包含几种衰落模式，当反射路径很多并且没有可视路径( l o s ) ， 接收信号包络由r a y l e i g h 过程描述；当有一个支配路径存在时，例如可视传播路 径，那么小尺度衰落可以由r i c e 过程描述。 2 3 无线定位方法分类 由于无线通信信道的极度随机性和现有各种移动通信标准的并存，使得出 现了不同的无线定位技术来适应不同的无线环境和特定的移动通信系统。总的 来说，无线定位可分为卫星无线定位和地面无线定位，卫星定位利用g p s ， g l o n a s s 以及我国的北斗双星等卫星系统实现移动目标的三维定位；地面无 线定位则通过测量无线电波的传播时间、信号场强、相位、入射角度等参数实 现移动目标的二维定位。蜂窝无线定位属于地面无线定位系统。 按移动通信结构的不同，蜂窝无线定位又可分为基于移动台的无线定位和 基于网络的无线定位。 基于移动台的无线定位主要是依靠移动台来实现对定位参数的测量和自身 1 0 第2 章无线定位技术相关背景介绍 位置的估算，所以必须对移动台和网络的软硬件进行修改和升级。这类技术的 优点是定位精度较好( 如手机内部集成g p s 接收机) ，而且定位的覆盖率较高。 其缺点主要是很难对已有用户的手机进行定位，对于某些手机内部需要集成g p s 接收机的系统，手机的能耗是一个很大的问题，而且一般终端成本较高。 基于网络的无线定位则主要依靠移动通信网络来实现对定位参数的测量和 用户位置的计算【2 6 1 。其定位流程如图2 2 所示，该类技术一般不需要对现有系统 用户的手机进行修改或者只对手机内部软件进行小规模升级，适用于对已有用 户的手机进行定位。其主要缺点是定位精度不高，而且对某些系统定位覆盖率 较低。 图2 2 基于网络的定位流程 按是否需要训练数据，蜂窝无线定位又可分为基于传播模型的定位方法和 基于实测数据的定位方法。下面分别介绍这两种定位方法的定位原理。 2 3 1 基于传播模型的定位方法 对移动台进行定位，需要结合一定的信号传播模型来求所需的信号参数。 对移动通信网无线信号传播预测方法的研究，国内外一直都在进行。现在已经 有众多的传播预测模型见于文献，其中有些被实际应用于移动通信工程，按物 理内涵可分为：经验预测模型和理论预测模型。 2 3 1 1 经验预测模型 通常，经验模型是针对特定城市的，并且与城市土地使用图密切相关。 常见的经验传播模型有：l o n g l e y r i c e ( 朗雷莱斯) 模型、o k u m u r a ( 奥村) 模型、h a t a 模型、c o s t - 2 3 l 模型、双斜率模型、l e e 模型等等。下面简单介 绍一下各种模型的原理及使用范围： l o n g l e y r i c e 模型也被称为i t s 不规则地形模型( i t si r r e g u l a rt e r r a i nm o 第2 章无线定位技术相关背景介绍 d e l ) ，该模型考虑了在发射机和接收机之间的地表大圆路径上沿途的地形参 数，利用地形剖面得到传播几何路径，并考虑进对流层折射来预测中值传播 损耗。对于地平线以内的信号场强，用几何光学方法( 主要是双射线地面反 射模型) 进行预测。孤立物体的衍射损耗通过f r e s n e l k i r c h h o f f 刃形模型进 行估计。远距离的预测则通过前向散射理论计算对流散射和通过修正的v a n d e rp 0 1 b r e m m e r 方法预测双地平线路径的远场衍射损耗。 o k u m u r a ( 奥村) 模型非常一般化，其应用也非常广泛。这一模型的基 础是对日本东京及周边地区的大量测量。由于其实用性( o k u m u r a 模型有很 好的文档描述) ，它在全世界得到广泛的应用，当然必须通过校正因子( c o r r e c t f a c t o r s ) 来使它适用于东京以外的地区。o k u m u r a 模型完全基于测试数据， 不提供任何分析解释。对许多情况，通过外推曲线来获得测试范围以外的值， 尽管这种外推法的正确性依赖于环境和曲线的平滑性。该模型的一个主要缺 点是对市区和郊区快速变化的反应较慢。其预测和实测的路径损耗偏差通常 约为1 0 到1 4d b 。应用频率为1 5 0 m h z 到1 9 2 0 m h z 之间( 可扩展到3 g h z ) ， 距离为l k m 到1 0 0 k m 之间，天线高度在3 0 m 到1 0 0 0 m 之间。 h a t a 模型将o k u m u r a 模型的经验曲线提练为便于使用的公式集，它被 广泛地应用于工业中。h a t a 模型适用的频率范围是1 0 0 15 0 0 m h z ，距离为 l 2 0 k m ，发射天线高度3 0 2 0 0 m ，接收天线高度l 一1 0 m 。h a t a 模型并没有 涵盖o k u m u r a 模型的全部。 c o s t - 2 3 1 模型是欧洲科学和技术研究协会( t h ee u r o p e a nc o o p e r a t i v e f o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lr e s e a r c h ) 根据w a l f i s h b e r t o n i 和i k e g a m i 的工作， 结合经验校正形成的预测模型。该模型使用w a l f i s h b e r t o n i 模型考虑城市传 播环境，结合i k e g a m i 的校正函数处理街道的走向，并根据低于屋顶天线的 测量加入了经验校正因子。该模型可以对具有密集建筑物的中大城市作出较 好的路径损耗预测。其适用的频率范围是8 0 0 2 0 0 0m h z ，距离为0 2 5 k m ， 发射天线高度3 0 5 0 m ，接收天线高度1 - 3 m 。 双斜率模型是双射线模型基础上的扩展，主要用在发射天线的几个波的范 围内或者水平面上的视距传播。 l e e 模型是一个幂律模型，该模型中提出了等效基站天线高度的概念， 通过计算等效基站天线高度将地形的变化纳入考虑。 1 2 第2 章无线定位技术相关背景介绍 2 3 1 2 理论预测模型 精确预测信号的传播特性，例如路径损耗和延迟扩展，在城市移动通信系 统中及其重要。由于移动传播环境的原因，发射的无线信号会受到强烈的多径 衰落，这严重地降低了接收端的整体服务质量。在无线网络规划中，路径损耗 和延迟扩展是最常用的两个参量。 传统上，对于移动通信，无论是农村还是城市环境都已推荐了许多经验模 式。这些模型根据统计意义上的环境数据( 例如，建筑物平均高度、平均街道 宽度等) ，并假设发射天线处在小区中较高的地方( 如高塔上，小山上等) 。而 接收机则被相对大量的障碍物( 如建筑物、小山) 所遮挡，就可给出令人满意 的预测结果。可是，随着日益增长的话务要求，开始出现微蜂窝或微微蜂窝系 统，发射天线处在较低位置的情况，这时用统计方法得到的经验模型就不再适 用。这种情况中，小区规划所需要的传播参量( 如路径损耗) 只能通过现场测 试，或者通过实际几何和物理模型的确定性算法来得到。如果基于确定性模式 的计算机预测工具效率高和可靠的话，则它们比测量方法更为可取。 此外，城市环境中高速数字通信系统的出现，已对设计这样系统的传播模 式提出了新的要求。大多数以统计方式得到的传播模型的目标仅仅是预测发射 机到接收机之间的路径损耗中值。对于窄带信号传输，只要知道空间各处的平 均功率电平( 覆盖) 和衰落统计就足够了，传播环境中所产生的多径现象可以 作为接收信号包络的变化或衰落来处理。然而，对于高速数字或者其他宽带信 号来说，多径效应会导致频率选择性衰落，在接收机处产生离散的信号脉冲。 当接收检测器试图对这种离散的传输数据脉冲解码时，延迟的信号脉冲就引起 码间干扰( i s i ) ，所以希望有能精确预测实际传播环境中多径信号的幅度和延迟 的传播模式。 理论上，电磁波的传播特征能够从麦克斯韦方程来求解。但是很不幸，这 种方式需要极为复杂的数学表达和强大的计算能力，只适用简单的无线环境中。 2 3 1 3 不同模型的比较总结 众多的传播模型都各有千秋，适用于特定的传播环境。经验传播模型主要 是通过对传播规律和传播环境的先验了解，建立一组关于传播损耗的经验公式， 然后通过实测数据进行拟合，来确定和逐步修正不同传播环境的模式参数，由 此完成小区覆盖预测1 2 阳别。经验模型几乎完全依赖于实测数据，因此从一个地 区得到的简单经验表达式只是对该地区传播规律的一种抽象，当这种固定化的 1 3 第2 章无线定位技术相关背景介绍 表达式应用到其它地区时，必然带有很大的不确定性1 2 9 1 。同时修正因子只是以 附加常数的形式，在一定程度上缓和了解这种不确定性，但是显然不足以修正 环境差异所带来的复杂性和非线性的影响，这还不包括对环境进行主观分类所 造成的偏差。 而理论模型则几乎全部是从传播环境抽象出来的己知条件出发，依据传播 理论建立传播损耗模型，通过不同复杂程度的计算，预测传播损耗【3 。由于 经验模型在预测精度上的局限性，理论模型或称确定性模型成为目前移动通信 网电波传播问题理论研究或室内覆盖预测的主要发展方向。但是理论模型的实 现和实际应用非常困难，面临的首要问题就是对每一特定的传播环境建立高精 度的地形地物数据库，做到这一点耗时长且耗资巨大。此外，除上述问题外， 即便有一个非常高精度的地形地物数据库，也不可能包括进所