（通信与信息系统专业论文）数字移动通信中的eotd定位研究.pdf

、 北方交通大学硕士论文 摘要画 f 移动位置业务作为移动通信网的一种增值业务，近年来受到越 来越多的关注。在众多用于蜂窝网的定位技术中，e o t d ( e n h a n c e d o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) 位技术是最有应用前景的技术，也是目 前研究最多的一种定位技术。广一 论文首先介绍了近年来移动位置业务的发展历程、技术特点和 研究方向；分析了基于g s m 的e o t d 定位系统的基本原理。并以 此为基础，对基于g s m 的e o ) 定位系统进行了深入的研究： 1 论文对常规突发和同步突发用于定位测量的性能进行了比 较，证明了同步突发更适合于进行e o t d 定位测量。 2 作为定位精度的两个组成部分，论文同时分析了测量精度和 计算精度。f 通过分析相关接收的精度，论文证明，在采用良好的抗 干扰、抗多径算法的情况下，测量精度可以达到1 0 0 m 。计算精度的 指标是g d o p ( g e o m e t r i c d i l u t i o no fp r e c i s i o n ) 参数，论文经过数学推 导后给出了e o t d 定位系统g d o p 的表达式，并以此提出可以根 据g d o p 参数，用穷举法对多种基站组合下测量结果进行最优选择。，卜一一 3 论文对定位系统的定位响应时间进行了分析，建立了e o t d 定位系统定位响应时间的计算模型。瞬将定位系统的定位响应时间 分为三部分：无线传输时间、鉴权时间和查询h l r 、v l r 数据库的 时间。j 论文主要对无线传输时间进行了详细分析，计算出了各种位 置业务所需的无线传输时间。当只有三个基站参与测量时，e o t d 定位系统为各种位置业务提供的无线传输时间理论上均小于1 s 。 【关键词】移动通信；移动位置业务；时间差定位；相关接收 无线传输。 北方交通大学硕士论文目录 a b s t r a c t m o b i l el o c a t i o n s e r v i c e ，a s a v a l u e a d d e ds e r v i c eo f m o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt h e s e y e a r s a m o n gt h ep o s i t i o n i n gt e c h n i q u e su s e di nt h ec e l l u l a rn e t w o r k s ，e o t d ( e n h a n c e d o b s e r v e dt i m e d i f f e r e n c e ) i s t h em o s t p r o m i s i n g t e c h n i q u e t h e r eh a sb e e nm a n y r e s e a r c h e so fi ti nt h ew o r l d t 1 1 i st h e s i si n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t t e c h n i q u e s u s e da n dm a i n r e s e a r c h s u b j e c t s o fm o b i l el o c a t i o ns e r v i c ea tf i r s t t h e nt h eb a s i c p r i n c i p l eo f t h ee o t ds y s t e mb a s e do ng s mi sa n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , f i a l q h e rr e s e a r c ho ne o t d s y s t e mh a sb e e nm a d e 1 c o m p a r i s o na n da s s e s s m e n to fp e r f o r m a n c eb e t w e e nn o r m a lb u r s t a n ds y n c h r o n i z a t i o nb u r s tu s e dt o p o s i t i o n i n gm e a s u r e m e n th a sb e e n m a d e i ti sp r o v e dt h a ts y n c h r o n i z a t i o nb u r s ti sm o r es u i t a b l ef o r 也ee o t d p o s i t i o n i n gm e a s u r e m e n t 2 a st w o c o m p o n e n t s o fp o s i t i o n i n g a c c u r a c y , b o t hm e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n d c a l c u l a t i o na c c u r a c yi si n v e s t i g a t e d i ti sc o n c l u d e df r o mt h e a n a l y s i so f r e l a t i o nr e c e i v e rt h a tm e a s u r e m e n t a c c u r a c yc a nb e1o o m a f t e r g o o d a n t i d i s t o r t i o na n d a n t i - m u l t i p a t ha l g o r i t h m s u s e d g d o p ( g e o m e t r i cd i l u t i o n o fp r e c i s i o n ) i sap a r a m e t e ro fc a l c u l a t i o n a c c u r a c ye x p r e s s i o no f g d o pi ne o t d p o s i t i o n i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d w i t hm a t h e m a t i c a la n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h eg d o p , i ti sp r o v e dt h a tt h e o p t i m a l s o l u t i o nc a nb es e l e c t e df r o mm a n ym e a s u r e m e n tr e s u l t s b y d i 艉r e n tb s s ( b a s es t a t i o n ) c o m p o n e n t sb ye x h a u s t i v es e a r c h p o s i t i o n i n gr e s p o n s et i m eo fe o t ds y s t e mi sa n a l y z e da tl a s t a m o d e lf o rc n c u l a t i n g p o s i t i o n i n gr e s p o n s e t i m ei sm a d e o nt h eb a s i so f i t ， t h ew h o l et i m ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt i m e ， a u t h e n t i c a t i o nt i m ea n dt i m ef o rq u e r y i n gh l ra n dv l rd a t a b a s e 1 1 1 e t h e s i sh a s d e e p l ys t u d y o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt i m e w i r e l e s s i i ， 北方交通大学硕士论文目录 t r a n s m i s s i o nt i m eo fd i f f e r e n t1 0 c a t i o ns e r v i c e si s c a l c u l a t e d i ti s c o n c l u d e df r o mt h ec a l c u l a t i o nr e s u l tt h a tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt i m eo f a l lk i n d so fl o c a t i o ns e r v i c e ss u p p o r t e db ye o t ds y s t e mi ss m a l l e rt h a n o n es e c o n di nt h e o r y k e y w o r d s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，m o b i l el o c a t i o ns e r v i c e ，t i m e d i f f e r e n c ep o s i t i o n i n g ，r e l a t i o nr e c e i v e r , w i r e l e s st r a n s m i s s i o n i i i 北方交通大学硕士论文第一章引言 第一章引言 近年来，移动位置业务作为移动通信网提供的种增值业务， 得到了越来越多的关注。它通过采用一定的技术，定位出移动用户 的位置，并将该位置信息提供给该用户本人或其它请求得到该用户 位置的机构或个人。由于在紧急救援、汽车导航、智能交通、团队 管理等方面的突出作用，移动位置业务已被越来越多的人所接受， 近几年在国外发展得非常快。据预测，到2 0 0 4 年，在各种移动通信 用户数排名中，位置业务用户数位居第二，高于e m a i l 业务、移动 电子商务、移动银行等增值业务，仅次于语音业务的用户数。 美国联邦通信委员会f f c c ) 对于移动位置的发展起到了积极的推 动作用。早在1 9 9 6 年，它就规定美国的移动通信公司必需在2 0 0 1 年前为每位拥有手机的用户提供位置业务，使这些用户能够用手机 拨打无线9 1 1 紧急救援电话，救援中心能快速得到该用户的位置， 进行救援活动。f c c 还对所要提供的位置精度作出了规定。由于位 置业务的深远影响，g s m 的标准化组织e t s i 也委托美国的t 1 p 1 为g s m 制定p h a s e2 + 的l c s ( 位置业务) 的标准，并己纳入到e t s i 的标准当中。与此同时，a m p s 、c d m a 、寻呼系统、w c d m a 等 移动通信系统都在积极开发位置业务，许多厂商已经开发出了许多 定位产品，向他们的用户提供精度越来越高的位置业务。 1 - 1 移动位置业务的应用领域 移动位置业务应用非常广泛，主要可以概括为以下几类： 1 公共安全业务 公共安全业务主要包括紧急呼叫业务和紧急告警业务，如我国 的1 1 9 、1 1 0 、1 2 0 等紧急呼叫，但目前移动定位技术还没有应用到 这些紧急呼叫业务中来。与此相比，美国的无线9 1 1 呼叫已经实现 了与移动定位技术的结合，当移动用户发起紧急呼叫时，移动用户 北方交通火学硕士论文第一章引言 所属的移动网络定位出用户的位置，发送给9 1 1 救援中心，便于救 援工作的开展。紧急告警业务主要用于在某个特定的地理位置区域 内，向该区域的无线用户发出紧急告警信息( 如“前方公安部门在缉 拿罪犯，危险，请避让”1 。 2 基于位置的计费 用户所处的位置特征( 商业区、高速公路、家中等等) 不同，对于 网络来说，为一次通话提供的服务量是不样的。在高速公路上， 由于移动台要频繁越区，网络就要频繁切换，涉及到的网络节点就 会比较多。因此，不同的位置特征收费应该是不同的。随着位置业 务的发展，与位置有关的计费也将发展起来。目前，美国已经有一 些公司如l u c e n t 、c o m p a q 、m o t o r o l a 开始为用户提供与位置有关 的计费。引入与位置有关的计费后，网络允许用户将自己经常活动 的区域( 一般是移动性不大的区域，如家或办公室) 定义为“家区”， 在“家区”通话比在高速公路上要便宜。 3 跟踪业务 移动通信网的位置跟踪业务可以分为两类：车辆财产管理业务 和交通量跟踪。车辆财产管理业务对特定用户的位置和状态进行跟 踪，包括对车辆、物品，甚至是无线用户本人的跟踪。交通量跟踪 主要用于城市交通管理，对车辆上安装的车载台返回的位置信息进 行取样，确定出车辆行驶的平均速度、交通的拥塞情况、平均交通 量以及其它反映交通状况和车辆运行情况的信息。 4 增强呼叫寻址 增强呼叫寻址是指根据主叫用户所处的位置来寻址某个具有特 殊功能的被叫。主叫用户只要拨一个特服号，? f i g a s 代表呼叫加油 站，网络就能够自动根据主叫用户当前的位置，将该呼叫寻址到最 近的加油站。 5 基于位置的信息服务 基于位置的信息服务包括：导航、城市旅游、与位置有关的广 播、移动黄页以及位置敏感的i n t e m e t 业务，这些业务可以使用户得 到与该用户位置有关的信息。例如，网络通过与位置有关的广播， 北方交通大学硕士论文 第一章 引言 根据移动用户的位置特征，自动向特定区域内的所有用户广播本地 公共信息，如天气信息、本地广告信息；移动黄页业务使移动用户 能通过w a p 等终端，得到所查询目标的电话号码和所处位置；位置 敏感的i n t e m e t 业务如移动电子商务，可以更好地体现电子商务给人 们带来的便利。移动用户在进行移动电子商务交易时，网络定位出 用户的位置，然后将该请求与用户的位置信息一并发送给电子商务 公司，电子商务公司根据用户所处的位置，派遣离用户最近的派送 人员为用户提供所需商品。 6 增强网络性能 网络得到m s 的位置后，可以辅助网络规划、提高网络q o s ， 并改善无线资源管理。例如，定位系统可以跟踪呼叫的掉话情况， 发现q o s 比较差的区域，为网络改善q o s 提供依据。还可以辅助移 动台的越区切换，提高切换成功率。同时，位置业务还有助于进行 有效的信道分配。 从移动位置业务研究工作的开展情况来看，欧美大学的研究人 员走在了世界的前面。他们开展了大量的研究和开发工作，对各种 定位技术和定位系统都进行了深入、系统地研究，不断推动移动定 位技术的发展，不同定位技术获得的定位精度都在不断地提高。 1 2 1移动定位技术研究状况 1 c o o ( c e no fo r i g i n ) 定位 c o o 定位技术是最简单的一种定位方式，它根据移动台所处的 小区i d 号来确定用户的位置。移动台所处的小区i d 号是网络中已 有的信息，移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会将该 移动台与该小区i d 号对应起来。只要系统能够提供该小区基站设置 的中心位置( 在当地地图中的位置) 和小区的覆盖半径，通过广播消息 的形式发送给小区覆盖范围内的所有移动台，这些移动台就能知道 北方变通大学硕士论文 第一章 引 言 它处在什么地方，误差就是小区的覆盖半径。系统查询位置数据库 后也可以获取移动台的位置。可见，c o o 定位无需网络和移动台做 任何调整，可以为现有的无线用户提供粗定位。它的定位精度取决 于小区半径，目前，在城市商业区，为了满足不断增加的话务量的 要求，在小区规划中，采用了多层小区结构。在用户比较少的地方， 采用常规小区，覆盖半径大约4 0 0 米：在话务量密集的地方，如商 业街、写字楼，采用微微蜂窝，覆盖半径能达到1 0 0 米；另外，在 话务量高度密集的地方还采用了双层甚至多层的小区结构f 如i u o 方 式) ，同时还考虑了小区覆盖的冗余，相邻小区之间存在重叠区域。 因此，在繁华的商业区，一个移动台至少可以处于个微微小区的 覆盖，定位精度不超过1 0 0 米，如果处于多层小区的覆盖范围，并 处于小区交叉覆盖的地方，则有可能同时处于多个小区的覆盖( 4 个 或更多) ，在知道这些小区中心位置和覆盖半径的情况下，就可以很 精确的得到移动台的位置，定位精度可以达到5 0 米甚至更小。所以， 在城市商业区，c o o 定位完全能够满足要求，美国e 9 1 1 无线定位 呼叫的第一阶段采用的就是c o o 技术。c o o 定位是各种网络都采 用的一种定位技术，在其它定位技术定位失败或不可用时，它作为 一种缺省的定位方式，得到移动台的粗略位置。 2 a g p s 定位 图1 - la g p s 系统 北方交通大学硕士论文 第一章引言 g p s 定位是非常成熟的技术，定位精度非常高，但是它的响应 时间比较大。当g p s 接收机不知道它的大概位置时，它对卫星的搜 索时间很长，甚至大于1 0 分钟，这对于一些紧急应用f 如我国的1 1 9 、 1 1 0 ，美国的e 9 1 1 等) ，显然是无法接受的。为此，人们想到了将g p s 与通信网结合起来，实现一种精度高、定位快的方式辅助g p s 定位【3 2 】。 如图1 1 所示，a g p s 的基本思想是建立一个g p s 参考网络， 该网络与移动通信网相连，通信网的移动台内置一个g p s 接收机。 通信网将参考g p s 网络产生的辅助数据如差分校正数据、卫星运行 状况传送给移动台，并将通信网数据库中移动台的近似位置或小区 基站位置传送给移动台。移动台得到这些信息以后，根据自己所处 的近似位置和当前的卫星状况，可以很快地捕获到卫星信号，时间 可以缩短到几秒，大大减少了定位响应时间。由于它精度和响应时 间方面都占有优势，而且技术成熟，实现起来比较简单，因此应用 很广泛。它和c o o 定位技术一样，也是各种网络都积极开发和采用 的定位技术，目前有许多公司和研究人员在进行a g p s 的研究工作， 主要围绕两个问题：一是进一步降低定位的响应时间；二是如何提 高非直射路径下g p s 接收机接收卫星信号的成功率 7 3 ，7 4 】。 3 信号强度分析 信号强度分析是指通过测量基站和移动台之间信号的强度，然 后根据信号强度与信号传播距离的关系，将移动台与基站的信号强 度关系转换成距离关系。由于无线传播的开放性和不稳定性，信号 强度与传播距离的对应关系往往是动态变化的，与具体的传播环境 有关，很难确定 2 5 】。因此，这种定位技术应用比较少，目前己很 少有人在这方面开展研究。 4 a o a ( a r r i v a lo f a n g i e ) 技术 也叫d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) ，广泛用于雷达跟踪、车辆导航 系统。该技术测量信号到达的角度，从b s 和m s 都可以进行测量。 如图1 2 所示 2 5 】，根据信号到达的角度，可以确定m s 与b s 的 位置关系为一条直线，两条直线的交点就是m s 的位置。因此只要 北方交通大学硕士论文 第一章引言 测量一个m s 到达2 个b s 的信号的到达角度，就可以确定出m s 的 位置。 n n 班：篡、j-，。，一一：ijjj吨 图卜2a o a 定位 通常，采用方向性天线( 如由两个或多个天线元组成的相位天线 阵) 来测量来波的a o a ，天线元的间隔d 等于信号载波频率的半波长。 a o a 的测量精度与信号带宽、天线元间隔以及接收机硬件质量有关 【1 】。通常有以下几种测量a o a 的方法。 相位干涉测量法 这是一种最直接的测量方法，它直接测量多个天线元所接收到的 信号相位差，该方法适用于高信噪比s n r 的情况，在存在严重的同 信道干扰或多径干扰时，误差很大。 波束测量法 该方法在天线阵主波束指向信号方向时，测量波束形成器的输出 功率。该方法精度较高1 4 0 1 ，但不适用于相干多径环境。 最大似然法 最大似然法 4 1 ，4 2 ，4 3 】用于解决多径问题，不同的算法对入 射波采用不同的假设。最大似然法虽然能够估计信号每条路径的a o a 值，但要求搜索的维数等于传播中信号所有路径的条数，因此实旌 起来非常复杂。 空间平滑法和子空间算法结合 6 北方交通大学硕士论文第一章引言 这种方法也可用于解决多径的问题。通常予空间算法如m u s i c 4 4 】和e s p r i t 【4 5 ，4 6 】不能用于多径，但用空间平滑协方差矩 阵代替传统矩阵后，可以用于多径环境。 由于需要安装天线阵，a o a 方法不适合在移动台侧使用，而在 现有的基站架设天线阵需要调整基站硬件和软件，不仅成本高，而 且实现起来不方便。因此，在现有网络中采用a o a 方法的定位系统 并不多。但第三代移动通信系统将使用智能天线，这为a o a 测量提 供了有力的条件。另外，a o a 在消除其它定位技术的模糊性方面有 很好的作用，因此，它仍然是一种很有前景的定位技术，目前有大 量的研究人员在开展a o a 的研究工作，主要研究采用智能天线的 a o a 定位。 5 t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 电磁波以常速( c = 3 x 1 0 8 m s ) 传播，因此信号传播的距离与传播的 时间成正比。如果从目标发射机发出的信号在时间内到达第i 个接 收机，那么接收机距离发射机的距离r ，可由式( 1 1 ) 给出： r 。= c t i( 1 1 ) 确定r 后，接收机和发射机之间的位置关系就可以用一个圆来表 示。从3 个不同的b s 进行测量，可以得到3 个圆，它们的交叉部分就 是m s 的位置估计范围【1 】，如图1 - 3 所示【2 5 】。 图1 - 3t o a 定位 北方交通大学硕士论文 第一章引言 t o a 测量存在两个问题：首先它要求发射机和接收机之间要有 精确的时间同步时钟，否则1 u s 的定时误差将带来3 0 0 m 的定位误差。 另外，发射信号必须用时间戳加以区分，使接收方能辨别出该信号 是何时发出的，这样才能保证几个接收机接收的是同一个信号。这 两点都不太容易实现，尤其是第一点，很难保证精确的时间同步。 换句话说，这两个因素会给位置估计造成很大的误差。相比而言， t d o a 测量较好地解决了这些问题。 6 t d o a 技术f r i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 如图i - 4 所示 2 5 】，t d o a 测量信号到达多个基站接收机的时间 差，而不是绝对时间。每一次t d o a 测量可以得到个双曲线方程， 如式( 1 - 2 ) 所示，其中( ) ( i ，z i ) 指基站的坐标，( x ，y ，z ) 指移动台 的坐标。 r 产晰瓜习丽了雨求再再乒万酉哥( 1 - 2 ) 图1 - 4t d o a 定位 要求出移动台的二维位置坐标( x ，”，需要测量三个基站相互之 间的t d o a 值，就可以得到一个双曲线方程组，如式( 】- 3 ) 所示，求出 这个双曲线方程组的解，就得到移动台的位置。 堕前 * 北方交通大学硕士论文 第一章引言 e ：! 攥等豢并：簿等等等( 1 - 3 ， l c r c = ( c x ) 2 + ( yc y ) 2 一( 工b x ) 2 + b y ) 2 可见，t d o a 定位分两步：估计t d o a 值和通过多个t d o a 值得 出移动台的位置。 估计t d o a 值 获得t 。d o a i 最常用的方法是普通互相关方法【1 】，假设发射的信号 为s ( t ) ，设延迟d j 后到达接收机i 的信号为x 。( t ) ，延迟d 后到达接收机j 的 信号为x j ( t ) ，则： 仁浆：甚：六d 协， m 。， b ，( f ) = s 0 一j ) + j ( r ) ”。 其中1 1 i ( t ) ，n ( t ) 为噪声函数，x i ( t ) 和x j ( t ) 的互相关函数如下，t 为积分 间隔： 1r r z ，( f ) = 砉n ( t ) x j ( r r ) d t( 1 5 ) 则使得上述互相关函数取得最大值的一即为所求的两个信号的 t d o a 值。互相关方法需要接收基站接收同一个信号，并且以同一个 精确的时问作为参考。 求解双曲线方程 最容易的方法是将方程式进行t a y l o r 级数展开，保留前两项，从 而使方程线性化。但这种方法受g d o p 影响 4 7 ，4 8 】。 f a n g 【4 9 】提出了一种方法，能够得到更精确的解，但方程式 的个数必须等于未知数的个数，因此该方法不能利用冗余的测量结 果。 还有其它一些方法，如s p h e r i c a li n t e r p o l a t i o n 和d i v i d e - a n d - c o n q u e r b a s e ds o l u f i o n 5 0 - 5 3 1 ，c h a n 提出了另外一种解 6 0 1 ，适 用于任意数量的r d o a 值和基站任意分布的情况。 1 2 2 各种定位系统研究状况 定位系统按依托的网络不同可以分为两类：非蜂窝定位系统和 蜂窝定位系统。 北方交通大学硕士论文 第一章引言 1 非蜂窝定位系统 非蜂窝定位系统中应用最广泛的是g p s 定位系统，它是一种基于 m s 的定位技术，g p s 系统的空中网络由2 4 颗卫星组成，g p s 接收机 通过测量来自这些卫星的4 个( 或更多) l 波段信号的t o a 来进行位置 估计。虽然g p s 接收机可以提供很高的定位精度( 取消s a 后，目前定 位精度已经小于1 5 米) ，但是，由于g p s 在成本、尺寸、复杂度和功 耗上仍不尽如人意，而且，它对频率干扰非常敏感。所以，无线业 务提供商显然不愿意将其作为手持台和汽车的主要定位技术。另外， 在城市环境下，当建筑物阻挡了卫星或移动天线安装在车内时，g p s 测量的可靠性将大大降低1 4 1 。 非蜂窝定位系统还有l o r a nc 、s i g n p o s t 导航系统、全球导航卫 星系统和自动车辆跟踪系统【1 】。 2 蜂窝定位系统 ( 1 ) a m p s u s d c 1 9 8 2 年制定的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 标准，以模 拟调制技术为基础，广泛用于蜂窝电话业务中。尽管目前研究重点 已经转移到数字系统中，但美国市场上仍有一部分的a m p s 手机。因 此，美国仍然积极参与开发基于a m p s 的定位技术。但由于a m p s 的 信号带宽受限，所以它提供的定位精度不高。 t r u e p o s i t i o n 公司开发的a m p s 定位移动台是最早的a m p s 定位系 统之一，它主要采用t d o a 定位。该系统不仅可以得到移动台的位置， 还可以求得移动台的速度和方向。1 9 9 7 年上半年，t m e p o s i f i o n 进行 了一次大规模的现场测试，定位系统处理t 3 0 0 0 个实际的9 1 1 呼叫和 8 0 ，0 0 0 个测试呼叫，平均定位误差为6 0 0 英尺( 约1 8 0 米) 。 f c c 第二阶段定位系统的另个供应商是g - r a y s o nw i r e l e s s ， g m y s o nw i r e l e s s 定位系统主要采用t d o a 定位方法，同时用天线分 集技术测量信号的a o a ，它可以更好地解决多径干扰的问题，从而 可以辅助t d o a 方法，得到更高的定位精度。利用天线阵计算的a o a 与t d o a 结合，平均定位误差近似为1 0 8 米( 郊区和准山区) 【4 】。 基于州p s 的定位系统的开发主要是为了给目前还在使用的 北方交通大学硕士论文第一章 引言 a m p s 用户提供位置业务，从整个无线移动通信的发展来讲，模拟移 动通信系统终将全部被数字移动通信系统所代替。因此，虽然目前 尚有一部分人在开展基于a m p s 系统的定位研究，但和数字移动通信 系统的定位研究和开发相比，这方面的研究已经越来越少。因此， 研究基于数字移动通信系统的定位技术，具有更广阔的前景和更大 的应用价值。 ( 2 ) c d m a c d m a 系统是北美开发的第二代数字移动通信系统，北美和日 本主要采用这一系统。c d m a 系统比较适合采用基于时间的定位技 术【6 】，即由多个基站测量移动台信号的t o a 或t d o a ，传统方法 是采用互相关运算来计算这些传播时延。 1 ) t d o a 对于t d o a 估计而言，最直接的方法是在一对b s 接收到的信号 之间进行互相关，t d o a 值就是使互相关函数最大的t 值。原则上， c d m a 系统的宽带有利于提高定位精度，但是在c d m a 系统内采用 t d o a 技术有一定的困难1 4 。主要有以下原因： 信号之间必须是互相关的，才能将多径干扰分离开来； 当移动台与某个基站相距很近，而距离其它进行t d o a 测量 的基站很远时，这些远距离基站接收到的信号很微弱，不利于信号 的采集与测量，因此，定位精度将急剧下降。另外，由于功率控制 的作用，移动台在靠近基站时，信号功率将减小，其它基站接收的 信号将更加微弱，因此定位精度会进一步恶化。 有两种方法可以克服功率控制对定位的不利影响：一是允许定 位时不考虑一般的功率控制操作。在定位测量期间，可以将观察信 号的功率增大到移动台允许的最大功率。虽然这一方法可以提高定 位精度，但它同时也会带来“远近效应”，从而影响其它信号功率 很低的用户。另一个方法是采用干扰去除技术消除强干扰移动用户 带来的影响。 2 ) t o a 北方交通大学硕士论文第一章引言 t o a 估计通过扩频接收机内的伪噪声( 码捕获和跟踪算法 5 4 5 6 】获得，时间延迟估计分两个阶段：首先进行粗码捕获，它采 用平滑相关器、匹配滤波器或序列捕获电路，可以在一个码片周期 内确定时间延迟估计。t d o a 估计也可以通过将t o a 进行差值运算 而得到。 3 ) c d m a 反向链路定位方法 c d m a 定位方法分反向链路方法和前向链路方法两种。反向链 路定位方法主要以t d o a 技术为基础，主要思想是许多时间同步的基 站接收同一个移动台发送来的同一个信号，并对接收到的信号进行 互相关运算，估计不同基站接收到的信号之间t o a 的差f 即t d o a 值) 。反向链路定位方法的优点是只需要移动台本身参与，发送一个 已知的信号即可。另外，c d m a 信号带宽相对比较宽( 1 2 5 m h z ) ，因 而可以产生尖锐的相关峰，得到更精确的定位。缺点是由于常规功 率控制的影响，很难使多个基站都接收到移动台的信号。 对于无线9 1 】来说，至少能在三个或三个以上的基站接收到移动 台的信号，才可以定位出移动台的位置。如何使多个基站同时接收 到一个移动台的信号，称为“可听性”( h e a r a b i l i t y ) 问题。【4 】建议 在i s - - 9 5 标准中加入“p o w c r u p ”功能，该功能允许移动台以较高 的功率发射一个短突发，以使多个基站都能接收到这一信号。 4 ) c d m a 前向链路定位方法 c d m a 系统中，基站向移动台发射的信号不用进行功率控制， 因此，从移动台测量多个基站发射的信号可以不受功率控制的影响。 c d m a 前向链路定位方法利用导频序列，进行基于时间的定位测量。 在c d m a 中，每个基站都有一个唯一的导频序列，不同基站的导频 序列具有不同的偏移。每个基站都会周期广播它自己的导频序列， 移动台采用相干接收搜索并锁定导频伪噪声( p n ) 序列，基站之间是 同步的，移动台可以较容易地识别各基站发射的导频序列。 一个典型的c d m a 移动终端有4 个e r k e 接收机，其中三个用于接 收呼入的信号，另外一个搜索多径信号和切换候选基站的导频信号。 当移动终端处于激活状态时，它将跟踪邻近最强的导频信号，并测 北方交通大学硕士论文第一章引言 量处于某一门限之上的所有导频信号，然后将这些导频信号的测量 值( 相位偏移) 发送给服务基站。假如以服务基站的导频相位作为参考 相位，移动台可以测量出邻近基站的导频偏移值，从而可以计算出 各基站导频信号的t d o a ，最终得到定位估计。这种方法完全利用了 移动台本身的能力，实施起来比较方便。 前向链路定位方法的误差主要有2 个：一是基站之间的同步定时 误差；二是接收信号的多径效应和非视距传播( n l o s ) 。同步引起的 误差相对来说容易克服，i s 一9 5 基站通常采用g p s 时间来实现同步， 其精度可以达到1 0 n s ，基本可以满足定位的要求。多径传播引起的 定位误差依赖于特定的传播环境，相对来说更难克服。 前向链路定位方法在实施过程中也有许多困难：c d m a 系统是 一个干扰受限的系统，为了使系统容量最大，给定的移动台应该接 收到一个强的导频信号，以实现相干接收。同时，从邻近基站接收 的导频信号应该较弱，除非它要切换到这一基站。邻近基站最小的 “导频污染”可以减少对服务基站的干扰，同时也可以存储网络资 源。但是，对于定位系统来说，接收到多个导频信号是非常必要的。 因此，在前向链路上执行定位和实现导频污染的最小化是一对不可 调和的矛盾，要实现定位功能，就不可避免地会增大导频污染。 ( 3 ) g s m g s m 和它的高频带版本d c s l 8 0 0 希 p c s l 9 0 0 ，广泛用于世界上许 多国家。它的带宽是2 0 0 k h z ，l p , a m p s 和i s 1 3 6 系统的带宽要宽，因 此它的定位比这些系统更精确，尤其适合进行t o a 或t d o a 定位 【4 】。另外，g s m 标准中，为了得到正确的帧定时，系统本身要进 行定时测量，这也为定位提供了有利条件。 在a m p s 中，定位功能的实现可以不经过移动交换中心，但在g s m 中却无法实现，因为g s m 的时隙和频隙是动态使用的。因此，标准 需要作一定的改动，以实现不同设备供应商的设备兼容和不同的业 务供应商的互操作性。为此，美国电信工业协会t i a 的t 1 委员会( 子 委员会t 1 p 1 ) 年 i e t s i 合作，制定了g s m 位置业务的技术规范。该工作 分为3 个阶段：第一阶段定义位置业务的需要和特征：第二阶段定义 北方交通大学硕士论文第一章引言 网络结构和定位机制；第三阶段定义定位系统的协议。 g s m 的位置业务l c s ( l o c a t i o ns e r v i c e s ) 允许用户得到满足定 q o s ( 精度、周期、响应时1 9 ) 的位置业务。定位可以由移动用户本身、 网络或外部用户触发。t 1 p 1 建议了四种定位方法，包括时间提前量 定位、t o a 定位、e o t d 定位* h a g p s 定位，下面主要介绍三种。 i ) e o t d 定位 e o t d 定位是下行链路t d o a 定位的种，它利用了g s m 网络本 身的伪同步过程进行定位。g s m 标准【6 2 】规定，为了改善切换性 能，移动台必须对b t s 之间的时间差进行观察，即进行 o t d ( o b s e r v a f i o n so ft i m ed i f f e r e n c e ) 钡, u 量。同时各b t s 之间的系统定 时差r t d ( r e nt i m ed i f f e r e n c e ) 由b t s 本身测得后发送给将要切换的 移动台。移动台通过r t d 值、o t d 值以及与原b t s 的t a 值，可以求 出它与新b t s 之间的t a 值，从而可以与新b t s 保持同步并顺利完成 切换。e o t d 定位是对g s m 中o t d 过程的一种增强，即利用m s 已有 的时间测量功能，进行更高精度的定位测量，所以叫做e o t d ( e n h a n c e d o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) 。g s m 的e o t d 定位过程将 在第二章详细阐述。 目前，针对e o ) 的研究很多，其定位精度也在不断提高。n o k i a 1 9 9 8 年进行的e o t d 定位仿真中【6 5 】，各种传播环境下的定位半径 误差都小于或等于1 2 5 m 。m a u r i z i oa s p i r i t o 【8 】用扩展k a l m a n 滤波 器( e k f ) 对e 0 t d 测量结果进行处理后，估计均值可以达至t j 6 0 9 m ， 标准偏差为8 3 4 m ，同时还可以估计出m s 的运行速度。 g s m 的e o t d 定位有许多优点，首先，传统的t d o a 定位都需要 利用互相关接收算法求出两个信号的t d o a ，而g s m 的e o t d 定位 所需要的参数o t d 和r t d 完全可由网络本身得到，不需要额外的测 量设备，也不需对网络进行改动。其次，无论移动台在空闲模式还 是通信模式，都可以进行定位测量，也不需要强迫移动台进行切换。 目前，在各种基于时间的定位技术中，e o t d 定位的精度最高。 2 ) t o a 定位 g s m 标准建议采用上行链路t o a 定位，该方法需要基站强迫移 北方交通大学硕士论文第一章引言 动台执行小区内部的异步切换【3 2 】，即从当前所处的无线信道( 如 s d c c h 或t c h ) 切换到一个特定的业务信道。在切换过程中，移动台 在h a n d 0 v e ra c c e s s 消息中向基站连续发送接入突发，并在发送 第一个接入突发的开始点开始t 3 1 2 4 ( 初始值为3 2 0 m s ) 的定时，当该 定时器超时时，移动台停止发送接入突发，并回到原来的无线信道。 移动台在整个切换过程中，最多可以发送约7 0 个接入突发。g s m 的 接入突发包含一个自相关性较好的长训练序列( 4 l b i t s ) ，因此，基站 以该训练序列作为本地已知序列，采用相关接收技术就可以测量出 接入突发的到达时间t o a 。基站确定t o a 值时，需要高精度的数字 信号处理算法来找出多径情况下的直射路径( 或是最早到达的路径) 。 最后，各个基站将测得的t o a 发送给网络的位置计算单元，由该单 元估计出移动台的位置。如果有三个以上的基站参与测量，就能得 到移动台的三维位置。 上行链路t o a 定位的优点是不需要移动台作任何调整，缺点是 需要m s 进行多次切换，对通信质量的影响较大。另外，它也加重了 网络的信令负荷。t o a 定位对同步的要求很高，如果同步精度不高， n t o a 的定位精度也将受到严重的影响。由于t o a 定位能解决现有 移动台的定位问题，所以g s m 标准把它作为建议的主要定位技术。 针对g s m 的t o a 定位开展的研究在前几年较多【1 4 ，1 8 ，6 4 ，近几 年，研究人员和公司的目光已逐渐转移到t d o a 定位上。 3 ) 基于1 a ( 定时提前量) 的定位 图1 - 6t a 定位 北方交通大学硕士论文第一章引言 如图1 - 6 所示【1 2 1 ，网络对m s 执行两次强迫切换后，就可以得 到三个基站提供给移动台的时间提前量t a 值，根据这三个t a 值可以 定位出移动台的三维位置。如果只要估计移动台的二维位置，则只 需进行一次强迫切换。时间提前量定位实际上属于t o a 定位的一种， 该方法用g s m 的时间提前量t a 值近似求出各个基站与移动台之间的 绝对传播时延t o a 值。 时间提前量是g s m 系统为了弥补传播时延的影响，在“自适应 帧调整”过程中使用的参数【6 2 。当b t s 检测到m s 在r a c h 或 p r a c h 上发送接入突发时，它测量出该信号相对于0 距离m s 在静 态信道条件下发射的信号到达该b t s 的时延。该时延即为时间提前 量，将它四舍五入至最邻近的符号周期数后，由b t s 发送给m s 。 这样，来自不同m s 的信号到达b t s 时都进行了传播时延的补偿。 t a 的单位为t b ( t h = 4 8 1 3 p , s ，为1 个符号周期) 。 b t s 在测量t a 时，考虑的是b t s m s b t s 的路径。因此，t a 从物理意义上相当于b t s 与m s 之间的绝对传播时延t o a 的2 倍， 则t a 定位得到的距离测量为： r = t a a 2 ( 1 6 ) 其中： = c ，6 = 3 x 1 0 8x ( 4 8 1 3 9 s ) 1 1 0 8 m( 1 7 ) 因此，基于t a 的定位，精度是5 5 3 m ，比较大。m a u r i z i oa s p i r i t o 【1 2 】用扩展k a l m a n 滤波器( e k f ) 处理t a 测量结果，可以提高定位 精度，但仍然在2 0 0 3 0 0 m 左右。 t a 定位的误差比较大，只能在m s 处于激活状态时才能进行。另 外，t a 定位过程中，基站必须强迫m s 进行至少两次切换，