（通信与信息系统专业论文）无线定位技术在wcdma系统中应用的研究.pdf

摘要 t h 于最近美国联邦通信委员会要求每个网络运营商在紧急情况下为9 11 呼叫肯 提供高精确度位置信息，无线通信领域中无线定位正受到越来越多得关注。本文对目 前几种主要定位技术进行概述，并对着重对c d m a 网络下各定位技术算法进行了总 结和比较。针对w c d m a 系统下单天线q p s k 发射方式和两根天线s t t d 发射方 式，本文分别提出了基于前向链路t o a 的定位技术的m l 定位接收机。仿真表明， 接收机在低信噪比情况下可得到很小的t o a 估计误差。在此基础上，本文进一步提 出了s t t d 下空时译码器和定位接收机联合结构。 关键词 无线定位；t o a ；s t t d ；m l 定位接收机；w c d m a - h 一 + _ _ _ 。- 。一 a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a t i o ni sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nt h ef i e l do f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h i si sd u et ot h eo r d e ri s s u e db yt h eu sf e d e r a lc o m m u n i c a t i o n c o m m i s s i o nt h a tm a n d a t e sa l lw i r e l e s ss e r v i c ep r o v i d e r st ol o c a t ea l le m e r g e n c y91 1c a l l e r w i t h i na h i g ha c c u r a c y i nt h i sp a p e r ii n t r o d u c es o m em a i nl o c a t i o n t e c h n o l o g i e sa n d e s p e c i a l l ys u m m a r i z ea n dc o m p a r e a l lt h e a l g o r i t h m sf o rc d m as y s t e m s a t l e rt h a ti p r o p o s ea d v a n c e df o r w a r dl i n kt e c h n o l o g ya n dt o a b a s e d f ll o c a t i o nr e c e i v e r sw i t h q p s k f o ro n ea n t e n n aa n ds t t df o rt w oa n t e n n a ei nw c d m a s y s t e m s o nt h eb a s i so f t h a tip r o p o s eac o m b i n e da r c h i t e c t u r ef o rw c d m a l o c a t i o ns e a r c h e ra n ds t b cd e c o d e r k e yw o r d s w i r e l e s sl o c a t i o n ，t o a ，s t t d ，m lr e c e i v e r ，w c d m a 南京航空航犬人学顺 ：学位论文 第一章绪论 在全球经济一体化、竞争同益激烈的今天，现代电信企业f 朝着以客户为中 心的方向发展。原有的电信业务已经不能满足客户的需要，电信运营商需要丌发新 的电信增值业务以满足客户的需求。近年来，人们要求无线网络运营商、政府管理 机构、e 9 1 1 服务提供商提供手机位置信息的需求曰益增长。在第三代移动通信业 务中，无线定位业务作为一项最具竞争力的移动业务被各大运营商看好。因此，对 无线定位技术的研究正日益受到重视。 1 1 无线定位技术起源及其应用 无线定位技术的发展起源于e 一9 1 1 服务的要求。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会 ( f c c ) 要求每个无线通信服务提供商，包括蜂窝系统、宽带个人通信系统、特殊 移动无线通信系统，向9 1 1 公共安全服务部门提供定位信息。第一阶段要求每个运 营商提供9 11 电话发起者的电话号码和所在小区或扇区( 于1 9 9 8 年4 月完成) ；第 二阶段要求每个无线运营商必须提供9 11 电话发起者的经度和纬度信息，精度在 1 2 5 米范围内( 6 7 的概率) 。在其他非e 9 1 l 应用中，定位精度可适当放宽。 尽管无线定位技术的研究主要面向e 一9 11 服务，但实际应用已经扩展到其他服 务，如： 根据位置记账系统 蜂窝电话欺诈侦察 增值服务( 例如：提供最近的加油站、旅馆、餐厅等信息) 跟踪罪犯 蜂窝系统设计和资源管理( 根据手机当前位置灵活确定服务基站) 跟踪高级用户( 病人) 车队船队管理和智能传输系统 旅游服务 移动电话黄页 随着无线接入协议( w i r e l e s s a p p l i c a t i o n sp r o t o c o l ：w a p ) 的发展，大多数手提设备 将拥有与因特网接入能力。定位跟踪术提供的特殊定位服务还将为电子商务提供更 多发展机会。 1 2 无线定位系统概述 无线定位跟踪系统可分为以下三种： 基于终端( 手机) 的定位系统 基于网络的定位系统 混合( 基于终端和基于网络) 定位系统 无线定化技术在w c d m a 系统中府j h 的研究 目的，主要的定位系统有： 路标导航( s i g n p o s tn a v i g a t i o n ) 路标导航利用大量简单的无线发射机由移动终端进行精确定位。这些发 射机沿着高速公路而建，相当于经过编码的信号灯，其码字代表该路标的经 度和纬度。移动台接收到发射信号的强度代表了接收机和相应发射机的相对 距离。该技术在小范围内定位效果较好。 2 自动车辆监视( a u t o m a t i cv e h i c l em o n i t o r i n g ) 自动车辆监视系统可向大量车辆提供位置定位信息，1 9 9 5 年改名为定 位监视服务( l o c a t i o na n dm o n i t o r i n gs e r v i c e ) 。 3 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ：g p s ) 基于终端的定位技术最重要的应用就是全球定位系统g p s 。g p s 接收机 测量信号从卫星发射出来到接收机收到的时间间隔。若接收机可接收到来自 三颗卫星的信号，就可利用三角测量法确定观察者位置。由于接收机时钟精 度较低，在实际应用中，g p s 用第四颗卫星来修正由于时钟不准确引起的误 差。这样，观测者位置( 即经度、纬度、高度坐标值) 可由三个球面相交得 到。 g p s 是基于到达时间( t o a ) 的定位系统，利用2 4 颗卫星精确的定时， 在两个频率上向地球发射扩频信号。信号由两种伪随机码进行扩频：p 码 ( p r e c i s i o n ) 和c a 码( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 。g p s 信号再由g p s 导航报文数 据调制。为了得到卫星发射的导航报文，g p s 接收机产生一个与卫星发射端 相同的伪随机码。只有当接收机本地产生的伪随机码与接收信号伪随机码匹 配同步时，接受端才可解调出导航报文。当两者不能匹配同步时，接收机解 调出的g p s 信号为噪声。通过伪随机码的匹配和卫星的导航报文，接收机可 计算得到信号传输时间和卫星空间坐标【l 】。在军事应用中，由于用户数 目有限且主要考虑定位精度而不是价格，因此主要使用g p s 定位系统。 俄罗斯发表的全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 类似于美国的全球定位 系统( g p s ) 。其主要原理与g p s 相似，但在具体操作上存在很多不同。例 如：同步时间小于一分钟，为g p s 同步时间的l 3 。 4 服务器辅助g p s ( s e r v e r a s s i s t a n tg p s ) 服务器辅助g p s 是在无线通信网络所覆盖区域内建立静态服务器来辅助移 动台捕获g p s 信号。事实上，这些服务器就是静态g p s 接收机通过把接收到 的微弱g p s 卫星信号传送给劫态的定位接收机，从而提高了移动g p s 接收机的 定位能力。这些服务器通过无线接口将卫星信息传送给移动g p s 接收机，包 2 南京航空航夫人学硕十+ 丫侍论文 括：可观测到的g p s 卫星列表和其他移动台可用来将本地伪随机码和各发射卫 星伪码同步和匹配的数掘。这样在个很短的时间间隔内，移动g p s 接收机获得 了足够的信息进行地理位置计算并将数据传回服务器。服务器再根据这些数据 和卫星的导航报文确定移动台位置。 5 蜂窝定位跟踪系统( c e l l u l a rl o c a t i o nt r a c k i n g ) 蜂窝定位技术是种基于网络的定位跟踪技术。该技术将定位的成本集中在基 站方面，避免了对移动台做复杂的改动和增加成本。因此相对于o p s 定位，有 一定优越性。 蜂窝定位技术最普遍的方法是a o a ：和t d o a 。a o a 通常使用波束形成算法， t d o a 通常通过计算互相关和双曲方程的解得到。现在存在的主要问题是基站 对信号的接收能力( “听力”) 及多径对定位精度的影响。a o a 与t d o a 耗i 结 合的技术可以将定位精度提高n f c c 的定位精度要求。此外智能天线在实际有 着广泛应用。它采用m u s i c 作为自适应阵列天线算法。对于窄带信道模型，亦 可应用f d o a ：进行定位，但价格和计算资源耗费极大。 1 3 无线定位技术即业务的发展 当前世界上主要的通信网络有g s m 网络和c d m a 网络。在g s m 的技术规范 中，提出了4 种定位方法，分别是：t a ( 或称为t a + c e l li d ) ：定位效果一般 ( 市中心：5 0 0 m ) 、t o a ：定位效果好( 市中心：1 0 0 m ) 、e - - o t d ：定位效果好 ( 市中心：1 0 0 m ) 、g p s ：定位效果最好( 市中心：2 5 m ) 。 随着c d m a 标准的发展，无线定位技术的研究也转移到c d m a 环境下定位跟 踪。在定位业务方面，c d m a 系统有自己独特的优势。首先c d m a 定位技术可利 用c d m a 无线系统的特性来实现用户的定位。基站可以提供g p s 导航信息以及手 机可以利用基站导频信号的码片时延来确定距离等。扩频接收机可以利用p n 码捕 获和跟踪算法进行t o a 估计。利用c d m a 系统的训练序列和方向性天线可以进行 a o a 估计基于c d m a 的无线定位技术可以利用这些特性来提高定位精度和定位速 度，从而提供比g s m 网络更好的定位服务质量。上行链路的功率增强技术可以解 决基站“听力”问题。其次，由于c d m a 系统的定位优势，现有的c d m a 可以比 较容易的升级为支持定位业务的网络，而且c d m a 网络定位过程对现有业务影响较 j 、。 c d m a 定位技术通常包括：基于c e i i i d 的技术；基于网络侧参数的技术，主要 包括信道延迟、导频相位偏差、导频强度等参数；基于g p s 的技术。从定位的精度 - 3 一 无线定能技术在w c d m a 系统中肫川的研究 来分析，基于g p s 的定位精度可达到5 1 0 米，是一种高精度的定位技术，但该技术 对手机的要求较高，需要手机能够具备g p s 接收功能。在无多址干扰的情况下， t o a 定位绝对误差比a o a 小1 0 0 m 左右。目前，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 0l x 系统服务的m s m 5 1 0 0 系列 芯片，今后大部分的新型的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。 但c d m a 无线定位技术仍然存在着挑战。多址干扰、远近效应、功率控制、多 径都会引起定位精度的减小。在测量t d o a 时，移动台接近一个基站而远离另一基 站也会使定位精度减小。 本文介绍并讨论了一系列定位跟踪技术，并重点研究c d m a 下定位技术，在鲁 棒性时延与幅度估计算法的基础上，针对w c d m a 系统单天线q p s k 和双天线 s t t d 下基于前向链路t o a 的定位技术的m l 定位接收机以及s t t d 下定位接收机 和空时分组码译码器联合结构，并在m a t l a b 环境下对接收机性能进行了仿真。 本文的结构安排如下：第二章介绍了几种基本的定位跟踪技术，第三章介绍了 c d m a 系统中的定位跟踪算法，第四章着重推导出w c d m a 两种发射方式下新的定 位接收机结构及其s t t d 定位接收机与空时分组码译码器的联合结构，并给出相应 仿真结果。 陶京航空航大人+ 纠哦p ? 似论文 第二章无线定位技术基础 本章针对几种t 主要的无线定位技术( 到达角、到达时间和到达时暗】差、观测时 间、最大似然估汁、自适应天线、信号强度和增强型信号强度、到达频差) ，简单 介绍了它们的基本方法及各自优缺点。 2 1 到达角估计( a n g l e o f a r r i v a l ) 到达角( a o a ) 技术，又名到达方向( d i r e c t i o no f a r r i v a l ，d o a ) 技术，广泛 应用于雷达跟踪、车辆导航系统。这种方法测量来自基站得信号到达移动台的角度 或来自移动台到达基站的到达角。每根角度线为信号从基站到移动台直线传播的路 径。定位目标的二维坐标可由这两根角度线相交得到。这种方法称为三角测量法， 通过三角法和分析几何解得手机位置。基站通过调整自适应相位阵列天线方向图的 主瓣对准到达的移动信号来确定信号的到达角度，通常使用两个间距较小的天线寻 找接收信号能量峰值的方向得到高分辨率的a o a 估计。在实际应用中，到达角估 计需要方向角分辨率较高的方向性天线。因此，到达角( a o a ) 技术无法在移动终 端一侧实现。 a o a 估计是由基站通过方向性天线，通常是由两个或两个以上天线元组成的相 位阵列，来测量到达信号的入射角度。天线元的间隔般为旯2 的指数倍( 兄为信 号载波波长) 。当天线间隔较小时，信号通过阵列时间的延迟可用一相移近似表 示。这种模型称为窄带模型，大多数a o a 算法采用该模型。另外，在进行a o a 定 位估计时，都需假设天线元个数必须严格大于到达阵列的信号的个数。 2 1 1 相位干涉法( p h a s ei n e r f e r o m e t e r ) 这是a o a 定位方法中最为直接的一种。相位干涉法是直接测量多对天线元上 接收信号之间的相位差，再转换为a o a 估计。这种方法在高信噪比环境下定位效 果较好，而不能应用于严重的同信道干扰和多径环境。 2 1 2 波束形成法( b e a mf o r m a t i o n ) 波束形成法是a o a 定位技术的经典方法，就是将天线阵列方向图的主波束对 准感兴趣的区域，测量接收信号功率。即在测量波束形成器的输出功率同时将主波 束对准感兴趣的角度区域。这样就形成一个功率随到达角a o a 分布的空间谱估 计。波束形成器的权重因子睨控制着波柬形成器的空间响应。 这种方法最主要的缺点是天线阵列的波束宽度限制了角度分辨率( 线性天线阵 列的3 d b 波束宽度约为1 ，工为阵列孑l 径大小) 。这种方法需要解决码片内多径 兀线定何技，忙化w c d m a 乐统【_ | 】麻川的研究 时延问题。在平衰落情况下，时延扩展相对于信号带宽很小，所有多径成分相关性 较大。丽时延扩展与角度扩展相互关联，因而a o a 技术必须能够处理角度扩展。 2 1 3 基于最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 准则的到达角估计 多径情况下a o a 的测量是基于最大似然准则的。对于不同接收信号有不同的 最大似然算法。在多径环境下需要估计每条路径的到达角，因此需要进行多维联合 搜索，搜索维数与接收信号总路径数一致。然而在实际应用中，多径信号的总数目 未知，首先要多径数目进行估计。 假定接收信号为统计特征已知的随机过程，可以得到一系列有用的最大似然算 法。我们可以利用训练序列进行定位，在大多数数字蜂窝网中都存在训练序列。例 如c d m a 系统中可以利用训练序列来确定到达信号的角度。所有a o a 估计算法都 是假设阵列天线元数目大于同信道信号数目。在c d m a 系统这显然不成立，因为 c d m a 系统中同信道干扰信号数目非常大。传统的a o a 技术不能应用于c d m a 系 统。假定c d m a 信号以较低误比特率进行解调，那么可以用估计的波形来替代已知 波形。【1 3 】提出了利用每个天线解扩软判决与c d m a 解调硬判决相结合的m l 定 位算法。 2 2 到达时间估计和到达时间差估计( t i m eo f a r r i v a l t i m e d i f f e f e n c e0 fa r r i v a l ) 除a o a 技术以外，另一个主要定位技术就是t o a 技术。因为电磁波以光速传 播，移动台到接收基站间距离与传播时间成正比。在时间，内信号从移动台到第f “ 个固定接收机，则接收机到移动台距离r 。= c t ，( c 为自由空间光速) 。所以，信号 在发射后1 0 芦后到达基站，说明移动主机距离基站3 0 0 0 米，其位置位于一个半径 为3 0 0 0 米的球面轨迹上。若在第二个基站测量第二个t o a ，我们可以得到第二个 球面轨迹。由于两个球相交部分为圆，可确定移动主机位置位于一个圆上。利用第 三个基站测量t o a ，通过三个球相交可以得到移动台更精确的位置。 直接利用t o a 存在以下两个问题： 测量t o a 需要所有发射机，接收机菇用一个精确同步的时钟。1 , u s 的时间误 差就会引起3 0 0 米的位置误差。 发射信号必须携带时间标签以便接收机测量信号传播距离 因此，在实际商业应用中更普遍使用到达时间差t d o a 。在t d o a 中，发射信号无 需携带时间标签。此外，只需要固定的定位接收机共用一个精确同步的时钟。一般 来说，基站都有g p s 时钟，满足精确定时需要。t d o a 的基本思想是通过测量多个 基站接收信号的到达时间差来计算移动台的相对位鼍，而无需测量绝对到达时问。 6 南京航空航犬人学顺十。j ：能论文 到达时州差决定了移动台位置位于一个双曲线轨迹上( 轨迹上各点到两个接收机距 离差为常数) 。其方程如下： r 。= ( 爿，一x ) 2 + ( 一y ) 2 + ( z ，一z ) 2 一( x ，一x ) 2 + ( 一一y ) 2 + ( z ，一z ) 2 ( 2 - 1 ) 其中坐标( x ，r ，z ，) 和( x ，y ，z ，) 代表固定接收机i ，j 位置，目标移动台坐标未 知，用i ，坐标来表示。如果发射机与接收机同平面，通过计算多个双曲线的交点可 计算发射机二维坐标。确定二维坐标需要至少三个以上t d o a ，确定三维坐标则需 要至少四个以上t d o a 。 由于t d o a 是测量相对的时间差，当接收机接收到多个间距很小的信号源发出 的信号，通过预处理无法分离，此时就需要提高定位分辨率。例如，当多个信号间 距离小于用互相关峰距离时，不能应用传统的t d o a 方法。为了解决这个问题，接 收机平台间距离尽可能大，使得t d o a 尽可能大( 正比与接收机间距) ，从而使相 邻相关峰重叠部分最小化。相关峰宽度与信号带宽成反比，与接收机间距无关。 2 2 1t d o a 估计一一通用互相关法( g e n e r a l i z e dc r o s s c o r r e l a t i o n ) 方程( 2 _ 1 ) 给出了双曲方程。解方程前必须求出路程差r ，亦即t d o a f ，一f a 现在普遍使用的一种方法就是通用互相关法 2 1 。 假定发射信号为s ( f ) ，第i 个接收机接收到的信号为 x ( f ) ；s ( t d 。) + 月。( f ) 其中d 。为时延，n 。( t ) 为高斯白噪声。那么两个信号之间的互相奖可表示为 扣) = 亭卜蹦卜r ) 曲 ( 2 2 ) 接收信号的基站必须有精确的参考时钟和参考信号，而作为发射机的移动台不需具 备。当积分区间r 增大，信噪比增大。取r 的值，使得由( 2 2 ) 式定义的互相关值 达到最大。此时的f 值即为t d o a 的最大似然估计。 相应的，在频域上可计算出互相关谱估计密度函数，再经过反傅立叶变换得到 互相关估计函数。由于多径引起的互相关峰重叠无法分离，在计算互相关函数前， 可以在频域上将多径成分滤除。对于可分离的不同的相关峰，仍然需要设计一定的 7 无线定化技术隆w c d m a 系统中应川的研究 算法柬选择个正确的相干峰，例如：挑选峰值最大的峰或最早到达的峰。利用循 环平稳信号可以在多径环境下提高通用互相关法的定位分辨率。 文献【3 】【4 】提出一种在恶劣信道下信号选择性t d o a 估计的被动定位算法。 该算法利用信号的循环平稳特性，计算多个接收机接收信号的频域和时域互棚关。 唯需要已知的是所感兴趣信号区别于其他信号的模拟载频频率或数字键控频率。 2 2 2 双曲方程的求解 得到t d o a 估计值后，将路程差估计值足，带入方程( 2 一1 ) ，在笛卡尔坐标内 解双曲方程得到移动台的位置。由于非线性方程无非零解，( 尤其在当路程估计包 含噪声时) 。将方程线性化最简单的方法就是用泰勒级数展开( 保留两阶) 。但在 解某些方程时，由于定位精度的几何稀释( g d o p ) 引起的非常大的误差。g d o p 指移动台在双曲轨迹上离两个接收机距离很远时，一个相对较小的路程误差引起很 大的定位误差。g d o p 定义为位置的均方根误差与t d o a 路程均方根误差之比。对 于一个二维定位系统，g d o p 可定义为： g d o p ：避 盯； ( 2 3 ) 其中，口：，盯；为x ，y 方向上的定位均方误差，盯；为t d o a 路程均方误差。当移 动台位于两接收机连线上时，t d o a 估计精度最高。 c h a n 在文献【5 】中，提出一种寻找双曲方程解的闭集形式的方法。该法对于 任意分布的基站任意数目t d o a 测量值具有鲁棒性。得到的解适用于近距离和远距 离发射源定位。当噪声较小时，其解趋近于最优。c h a r t 的方法精度明显优于球形内 插法，计算复杂度远小于泰勒级数展开法，噪声门限值高于 6 1 中提出的分开再解 的方法。 2 3 观测时间差估计( o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n t e ) 观测时间差( o t d ) 是一种基于移动台的定位方法，即由移动测量来自网络的 无线信号。移动台测得的观测时间差为移动台接收到的来自两个不同基站信号( 如 g s m 网络中的突发序列) 的时间间隔【7 l 。假定两信号分鼬在f ，f ，时亥q 接收 到。在异步网络中各基站之间存在时间差，称为实际时差( r t d ) 。如果两个基站 分别在t ，。时刻发射突发序列，则r t d 为，一，。 - 8 南京航空航天人学顺十一# 何论文 事实上，地理时差g t d 才是真f 携带了移动终端的位置信息。设移动终端到基 站1 和基站2 的距离分别为d ，d 2 ，则g t d = ( d 一d ，) i c ，c 为无线电波速。o t d 为r t d 和g t d 简单相加。 在实际o t d 定位中，移动台自身测量并计算来自服务基站和相邻基站的突发序 列的观测时间差值。通信网既可以是同步的( r t d = 0 ) 也可以通过上述方程确定 r t d 。已知基站、接收机坐标和测量结果可以计算出r t d 的值。( 诺基亚o t d 定 位系统采用此方法) 通过g t d 计算出移动台位蜀。当移动台观测到两个基站信号时间差为常数时， 其位置在双曲线上。要估计出位置，至少需要两个双曲线求其交点。若两双曲线交 于两点，则需要更多的双曲线，且定位精度随双曲线数目增加而增加。 为了利用测得的o t d 计算自己的位置，移动终端从网络获得基站坐标和相应的 r t d 值。在g s m 网络中，相关信息通过s m s 小区广播或广播控制信道以消息形式 发送给移动台。 苦 呈 图2 - 1 o t d 定位 2 4 最大似然估计( m a x i m u ml i k e l i h o o d e s t i m a t e ) ! ：】提出了个有效的利用被动传感天线对多个信号发射源进行最大似然估计 妻蟹曹苎挚：该算法基于一种称为a l t e m a d n gp r o b e c t i o n 的迭代技术。该技术将多芫 非线性最大化问题转化为一系列简单的一维最大化问题 9 1 将实验结菜三。 无线定位技术在w c d m a 系统中麻州的研究 c r a m e r - r a o 下限和次优化m u s i c 算法进行比较，并证明了在不同情况下该算法收 敛到全局最大值。在信噪比较小的情况下，其性能比传统的最大似然接收机明显提 高。咳算法同样适应于相关信号。迭代的复杂度适中。但该算法不能保证在所有情 况下部能够全局收敛。 移动台发射的己知参考信号也可以用来跟踪移动用户位置。要产生已知的参考 信号，【1 4 1 提出了状态空间法，对移动台建立一个动态模型，通过状态信息的更 新( 例如：在每个跟踪时间间隔内进行卡尔曼滤波) 来跟踪目标。 以上算法存在的最根本问题仍然是计算过于复杂。 2 ，5 自适应天线技术( a d a p t i v ea n t e n n a s ) 自适应天线是利用天线阵列方向图上窄波束进行信号的发射和接收，从而减少 同信道干扰。 利用a a 定位跟踪多个移动目标的算法有很多。多信号分类算法( m u s i c ) 是 目前较流行的一种特征结构( 子空间) 定向算法，适用于不规则间隔天线阵列，定 位分辨率高。与最大似然估计不同，m u s i c 不需要已知所有信号和噪声联合概率密 度的先验知识，只需要知道噪声的二阶统计特性。另外，m u s i c 还可以得到到达方 向( d i r e c t i o n - o f a o a ：d o a ) 的渐进无偏估计。【1l 】 然而，由于m u s i c 需要分析m u s i c 特征谱和对协方差矩阵进行特征值分析来 得到噪声向量，因而计算量很大。尤其是如果每隔个周期就要进行一次估计，其 计算复杂度变得非常大。另外还存在蓍数据关联的问题。所谓数据关联指得到的位 置估计对应哪一个移动台，有可能出现这种情况，移动台在互相交换位置时波束形 成器跟踪了错误的移动台。对天线阵列输出信号采样相关矩阵进行特征值分解 ( e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 或单值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) ，可关联 到各移动台位置信息【1 2 1 。这些方法通常计算量大，无法满足实时定位需求。 【1 3 】提出一个高效的自适应算法提取和跟踪特征馕，满足实时要求。【1 2 】中的 多目标跟踪法不需要用户功率级别先验知识，而是通过控制窗参数控制自适应步 长。当发射源静止不动，自适应步长更快她收敛到一个更小的d o a 误差。对于移 动目标，自适应步长法比设置固定参数值的定位性能好的多。 【2 】提出的算法中，m u s i c 根据采样相关矩阵来确定信号源数目、角度、关 联用户和噪声功率。每次迭代过程中，信号的方向和相关矩阵用来计算新的跟踪估 计值。这种算法主要缺陷是假定在跟踪期间信号相关矩阵为常数并不是在任何情况 下都成立的。 i o 南京航空航犬人学顺p 。、何论文 2 6 信号强度和增强型信号强度估计( s i g n a ls t r e n g t h e n h a n c e d s i e n a ls t r e n t h ) 信号强度法依据的是两点之间距离可以通过测量信号衰落来确定。大多数移动 小区天线是全向天线，因此功率向各个方向辐射。若移动台发射的功率已知，测出 该信号到达另一点功率，选取一种传播模型，可计算出两点间距离。一般认为这种 方法最不可靠。由于小区的扇区化、天线下倾、无线系统连续调谐，测量发射功率 在实际应用中是一个非常复杂的过程。功率测量电路通常不能区剐来自不同方向的 功率。 建筑物中移动终端之间很少存在视线传播，因此发射机和接收枫存在着未知的 信号衰落和多径。另外多径也妨碍了对信号功率测量。信号强度的测量对天线的方 向性很敏感，障碍物和其他操作会减弱信号强度。 增强型信号强度法可以克服多径效应。日本推出的个人手持电话系统( p h s ) 利用三维位置信息来为所感兴趣的区域中每个p h s 无线发射天线仿真射频信号传播 特性。定位系统中心将结果存储在射频数据库中。移动台测量出3 5 个基站发射信 号功率后可确定位置。由于传播特性存储在数据库中，根据信号强度可计算出定位 移动台位置。该定位方法的平均精度为4 0 一5 0 米。在建筑物内每层都有p h s 基 站，所以系统可以精确到每一层。 2 7 到达频差估计( f r e q u e n c y d i f f e r e n e eo i la r r i v a l ) 确定f d o a 最普遍的方法是利用两个或两个以上移动接收机之间交叉模糊函数 ( c a f ) 【1 5 】。对应于c a f 幅度最高峰的t d o a 和f d o a 实际上是某些条件下 的最大似然估计。c a f 是基于窄带模型种，运动效应只是简单用多普勒频移附加 在信号频率上。在时域上意味着时间扩展对信号的自相关没有显著影响。相对速度 引起了多普勒频移和f d o a 。令= ( i v 2 一o ，) c 为两条观测路径的相对速度。设 b 为信号带宽，7 1 为c a f 的持续时间。窄带模型的假设可写为口t 日，对于很小的角度近似，o m * 口d y 阳k = 彤。p ( p ) 描述了信号到达基站 a o a 的概率分布。 3 4 c d m a 系统中t o a 和t d o a 估计 堡统的基于时间的t o a t d o a 法是通过相关技术实现的。将两个基站接收 到的信号进行互相关得到t d o a 估计。 考虑两个基站的情况，b s 。，b s ：。b s l ，b s ：接收到的信号为： s i ( t ) = d ( f ) + ”l ( t ) 钆 + 卢 雎。按照方程( 3 1 0 ) 直递归，i 耋n i i 甲，f ( “) 1 1 4 、于某个规定值 3 4 4 泰勒级数展开线性法【1 9 1 最快下降法缺点是收敛速度较慢。一个收敛速度较快的方法就是利用泰勒级数 在。展开将z ( x ) 线性化，只保留一阶形式 ：( z ) z f a x 女) + 占7 v 。z ( x 。)( 3 1 3 ) 其中占= ( 瓯，5 ，) = x t 。将( 3 1 3 ) 代入方程( 3 9 ) 得： 向量以为 v j f ( x ) = 0 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 得到新的估计值带回到方程( 3 1 3 ) 一直循环迭代直到t “，占，1 + 1 6 ， 8 ( s 为 一规定值) 。当移动台离基站太近或接近以基站为顶点多边形时，采用泰勒级数展 开近似，( x ) 的线性技术仍会存在不能收敛的问题。在宏小区中，移动套离基站较 近，因而不能应f i t 此方法。 3 4 5 限制性非线性最小均方法( c o n s t r a i n e dn o n l i 玳a rl e a s t s q u a r e sa p p r o a c h ) 【1 9 由于多径效应，t o a 估计通常比实际t o a 值耍大，引起路程差通常为正。移 动台的实际位置位于以= c ( r ，一f ) ，i = 1 2 n ( 个基站) 为半径的圆内。n n g 动台到基站距离不可能超过相应的路程估计。即： 一f 9 o 0 o ，r 以0 0 r，。，l j i 或 无线定f 。1 、1 x 4 - 术在w c d m a 系统中应j h 的研究 ：c ( rr ) 厄矿石矛 ( 3 1 6 ) 瓜妒可f 万一c ( rr ) 0 ( 3 一i7 ) 其中( z ，y ) 为移动台位置。 非限制性非线性法未考虑该约束条件，而限制性非线性法则强制每次迭代的估 计值要满足方程( 3 1 6 ) 。唯一复杂的地方在于非线性函数：( x ) 和不等式求解。估 计方程( 3 1 3 ) ，不等式( 3 1 7 ) 简化为受( 石) = 一：( 工) 。限制条件转化为 ：( 石) = 0 。限制边界内的区域就是可能区域。如图3 - 4 所示。 图3 4 移动台处于以各基站为圆心的圆相交范围内 3 5 鲁棒性时延和幅度估计( r o b u s tt i m e d e l a y a n d a m p l i t u d e e s t i m a t i o n ) 【2 0 】 该自适应算法对低信噪比、单径瑞利快衰落信道下t o a 和幅度估计具有鲁棒 性。设接收信号f ，( 一) ：为 - 2 0 尚 南京航空航犬人学碾十7 、 化论文 r ( n ) = a x ( n ) s ( n r 。) + v ( n ) ( 3 - 18 ) 其中f 石) 瑞利衰落信道增益复因子各态历经序列，总功率为1 ；v ( n ) 为0 均值， 方差为，2 的高斯白噪声： 5 ( 月) 为己知的脉冲成型c d m a 扩频实序列。该算法估 计了离散t o a 或时延( o ) 和静态到达幅度( 爿) 。搜索器结构如图3 - 5 所示。 接收序列 ，( n ) ) 乘以脉冲成型延时序列 s ( n 一) ) ( 为离散时延) 。得到序列先 在n 个采样点上进行相干平均，然后在m 个采样点上进行非相干平均产生一个功率 延时图，( ) 。平均间隔，肘为正整数，并满足k = n m 。通过估计衰落信道最大 多普勒频移( 厂d ) 利用优化算法自适应选取相干平均长度。厶可用不同算法估 计。 ： 图3 5c d m a 定位接收机( 时延和幅度参数估计) 搜索器选取，( ) 最大峰对应序列号作为t o a 估计 o = a r g m a x ，j f f ) ? + ( 3 1 9 ) 搜索器每个f i n g e r 使用上下两个分支对衰落偏移和噪声偏移进行估计，e g , j ( r ) 中 减去来修正峰值。修正后作为到达幅度估计输出。 3 6 自适应天线阵列定位技术( a d a p t i v ea r r a y l o c a t i o n t e c h n i q u e s ) 2 1 】 基站使用自适应天线阵列，通常使用小孔径阵列天线，对到达信号进行波前分 析从而捕获c d m a 移动台信号的方位角。在计算方位角时，自适应天线阵列事实上 实现了一个基站的波束形成器的功能。波束形成器通常在数字域实现，因此也称为 2 1 无线定何技术在w c d m a 系统中麻川的研究 自适应数字波束形成器。自适应数字波束形成器灵活性高，只需一个基站就可以对 移动台进行定位且不受g p s 严格定时限制。所有这种技术同时适应于同步和异步 c d m a 系统。 在c d m a 系统中采用自适应数字波束形成器定位还可以同时提供通过智能天线 实现扇区映射的平台。智能天线利用自适应数字波束形成器波束转换的能力，通过 空时滤波器动态地选择移动台，从而提高基站容量和接收移动台信号能力。 y 口 f 图3 - 6 单天线自适应数字波束形成器接收机 图3 - 6 所示一个典型的单阵列元时域自适应数字波束形成器。和彬。为天线 a 1 复权重，y l 和y 。为天线a l 加权后输出，那么多元天线阵列输出y ，可表示为： y 。= w l ( 3 2 0 ) 其中h 为第“个天线元上地采样值，w ：为形成一定角度波束的复共轭权重。采样 输入值z ，乘以复权重因子w ，。和w ，o 后再积分输出。对于自适应数字波束形成器， 调整权重可以形成不同天线波束对准移动台方向，从而减少来自其他方向的干扰和 噪声。提供适当的参考信号输入可以调整权重因子。 对移动台进行方向角定位的分辨率与天线阵列的方向角分辨率有关。为了实现 自适应数字波束形成器，自适应阵列必须在3 6 0 度可调整弧度内达到很高的方向角 分辨率，称为全向可对准分辨率( o s r ) 。如果只要实现移动台方向角估计，阵列 只需具有被动接收阵列功能即可。 到达自适应数字波束形成器的信号同时在时域和空域上被采样。空间采样率由 各阵列天线间距决定的。线性阵列不产生空间模糊的最大间距为d ：2 。时域采样 2 2 南京航空航大人1 半硕+ | 芋他论文 率是由模数转换器采样率决定。每隔7 1 秒采样一次，所以权重和时延都是7 1 整数 倍。当某一方向信号时延不是r 的整数倍，自适应数字波束形成器不能形成指向陔 方向的波束。空间和时问采样率越小，对时延的采样率越小。 自适应数字波束形成器需要估计基站服务的所有移动台方向角信息。这就是盲 估计。所谓盲即指基站无需任何先验信息。采用自适应算法可以提高方向角分辨率 和整个定位精度。c d m a 自适应算法利用移动台直接扩频信号( d s s s ) 的处理增益 ( p g ) 来优化算法。优化准则包括：盲估计、波束转换、干扰压制、提高方向角分 辨率。自适应算法还必须能够快速收敛以使基站响应系统的变化。这些算法通过时 域、频域或特征分析都可以实现。 提高波束形成方位角分辨率的自适应算法主要是基于频域和特征分析的。例 如：最小方差算法就是基于频域的。相对于传统的在时域上时延相加算法，它大大 提高了方位角分辨率。 3 7 特征分析( e i g e na n a l y s i s ) m u s i c 算法 特征分析法在窄带测向系统中应用很多。特征分析算法不能应用于波束形成。 因为特征值和向量的输出不包含空间信息和权重信息，所以特征分析不能用于扇区 映射。在相干信号或多径环境下特征值分析效果较差。最著名的特征分析算法是多 信号分类( 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 ：m u s i c ) 算法。 特征分析是针对阵列接收信号的协方差矩阵，求出个特征值和相应的长为 的特征向量。较小的特征值认为是代表噪声成分，较大的特征值代表信号。由这些 特征值确定阵列接收信号的数目及方向。一旦估计了信号数目，m u s i c 算法可表 为： ( 3 2 1 ) 其中为天线数目，s 为信号数目，v 。为与噪声特征值j 对应的特征向量，g 是天 线的增益矩阵。由于到达方向是通过一个或多个噪声空间特征值来计算，输入信号 数目不能大于n 一1 。 3 8c d m a 定位搜索器 2 2 1 文献 2 2 】定义了一个c d m a 定位搜索器并进行了性能分析。仿真是在低信噪 比多径衰落信道下对接收到的移动台信号的时延和幅度进行估计。搜索器框图如图 3 7 所示。 2 3 g w h i i ) 陀吣w 无线定位技术庄w c d m a 系统中应心的研究 搜索器工作分为两部分。第一步，接收到的信号解扩后相干平均，提高信噪比 和信千比。第二步，为了克服快衰落影响，对相干平均后信号进行非相干平均。对 不同的时间偏移的p n 序列分别进行以上两步，偏移间隔小于个码片时州，建立 了功率延时图( p d p ) 。根据p d p 选取最早达到信号的时间偏移和p d p 均方根值作 为t o a 估计和信号幅度估计。消除偏差量的过程包括：估计p d p 中噪声成份，再 将估计的偏差量从相干平均和非相干平均的p d p 中扣除。图3 8 为包含定位搜索器 的基站定位设备。 基自接收信号基站参考信号 图3 7 单扇区搜索器 服务基站的基带信道部分将解码信息比特传送给所有定位搜索器。这些比特由 参考沃什序列( b s ：与移动台沃什码发生器一致) 重新调制。得到序列与缓冲器 ( b ) 中接收信号相乘作为定位搜索器输入。 对于衰落信道，相干平均的长度由最大多普勒频移估计和信遵自相关函数确 定。为了估计基站与移动台之间的方位角，需要两个相邻扇区的幅值估计 ( 爿。，a ：) a 由于多扇区基站天线增益随方位角函数而变化，到达角为最早到达信号 在相邻两个扇区内天线接收功率差值的函数。 zk o + 2 0 k l1 0 9 i ( a i ，a 2 ) 】( 3 - 2 2 ) 其中，k 。，k 。为天线固定参数。则由幅值估计误差引起的a o a 估计误差为 郴k 而2 0 ( i l 百a , 4 , 等1 ) z ：， 2 4 主痢b 南京航空航大人学颁卜学何论文 图3 - 8 基站定位框图 一2 5 无线定何技术西：w c d m a 系统中席川的研究 第四章w c d m a 下基于t o a 无线定位技术的研究 w c d m a 为i m t 2 0 0 0 三种主要的无线传输方案之一。最近几