（通信与信息系统专业论文）基于wcdma和supl的定位技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 摘要 本文主要研究w c d m a 三维定位及其抗非视距误差的算法，对于不同的应 用场景，提出了不同的改进策略来提高定位性能。在不借助g p s 和智能天线的 情况下达到对m s 的三维位置估计。同时论文也对对基于s u p l 的定位系统进行 研究。其中主要研究内容和创新点如下： 1 ) 在视距传播的场景下，根据c h a n 算法扩展得到t o a 和t d o a 的三维定 位算法，并采用两次加权最小二乘法( w l s ) 来估计出m s 的三维位置坐标。理 论分析和仿真结果表明，算法在视距传播或者误差服从零均值高斯分布时，可以 达到较高的定位精度。 2 ) 在非视距传播的场景下，对t d o a 三维定位算法进行扩展。 一是利用视距传播距离不大于实际测量距离这一条件，通过加入一距离尺度 变量对到达时间进行约束，以有效减少非视距误差对定位精度产生的影响。使基 于到达时间差t d o a 的三维定位算法对噪声具有抑制作用，从而达到较好的定 位精度。 一是利用随机信号统计理论估计出由n l o s 引起的附加时延的均值和方差， 并对t d o a 测量值进行重构，根据重构得到的t d o a 值进行三维定位运算来降 低n l o s 对定位精度的影响。 3 ) 参照o m a 标准以及无线通信系统的相关标准协议，结合实际运营商情 况，提出一种基于s u p l 的定位技术实现方案，分析了其组网方案、各模块功能、 业务流程和接口协议。考虑到今后网络上控制面定位平台和用户面定位平台会共 存，论文也提出了一种演进方案。 关键词：三维定位，到达时间，到达时间差，非视距，安全用户平面定位 上海大学硕士学位论文 基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 a b s t r a c t i ti sf o c u s e d0 1 1t h et h r e e - d i m e n s i o n a ll o c a t i o na l g o r i t h ma n di t sm i t i g a t i n gt h e e f f e c to f n o n - l i n e - o f - s i g h t ( n l o s ) p r o p a g a t i o ni nm yd i s s e r t a t i o n , a n dt h ep r o p o s e d d i f f e r e n tp o l i c i e si m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h el o c a t i o ne s t i m a t i o na c c o r d i n gt o d i f f e r e n ta p p l i c a t i o ns c e n a r i o s t h ea l g o r i t h mc o u l dg e tt h el o c a t i o ne s t i m a t i o n w i t h o u tt h eg p sa n ds m a r ta n t e n n a i ta l s od o e sr e s e a r c ho nt h es u p l ( s e c u r eu s e r p l a n el o c a t i o n ) t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 ) i nl i n e o f - s i g h t ( l o s ) e n v i r o n m e n t , a c c o r d i n g t ot h ec h a na l g o r i t h m , t h e p a p e rp r o p o s e dt l l c3 一dl o c a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h et i m eo f a r r i v a l ( t e a ) a n dt h e 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 ) ，i ta d o p t st w os t e p so f t h ew e i g h t e dl e a s ts q u a r e ( w l s ) m e t h o dt og e tt h e3 - dc o o r d i n a t eo f t h em s t h e o r ya n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n r e s u l ts h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sh a v eg o o dl o c a t i o na c c u r a c yi nl o se n v i r o n m e n to r t h ee r r o rh a sag a u s s i a nd i s t r i b u t i o n 2 ) i nn l o se n v i r o n m e n t ，t h ea l g o r i t h mb a s e do nt d o a i se x p a n d e da sf o l l o w s t h er e s t r i c t i o nt h a td i s t a n c ee s t i m a t e sa r ea l w a y sg r e a t e rt h a nt h et r u ed i s t a n c e v a l u e si su s e d t h e nt h ed i s t a n c ev a r i a b l e sa r ea d d e dt om i t i g a t et h ee f f e c to fn l o s a n di m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h el o c a t i o ne s t i m a t i o n b a s e do nt h es t a t i s t i c a lt h e o r y , t h ep a p e re s t i m a t e st h em e a na n dv a r i a n c e so ft h e e x c e s s i v et i m ed e l a yi nn l o se n v i r o n m e n ta n dt h e nr e c o n s t r u c t st h et d o a t h e n u s et h e3 - dl o c a t i o na l g o r i t h mt og e tt h el o c a t i o ne s t i m a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a ti t i m p r o v et h el o c a t i o na c c u r a c yi nn l o s e n v i r o n m e n t 3 ) a c c o r d i n gt ot h eo m as t a n d a r d sa n dt h ep r a c t i c a lc o n s t i t u t i o n s o ft h e t e l e c o mo p e r a t o r s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r do n ek i n do f l o c a t i o ns o l u t i o nb a s eo ns u p l ( s e c u r eu s e rp l a n el o c a t i o n ) t h e ni ta n a l y z e st h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e , t h ef u n c t i o n o ft h es u b s y s t e m s ，s e r v i c e sf l o w sa n dt h ei n t e r f a c ep r o t o c o li ns u p l b e c a u s et h e p l a t f o r mb a s e do nt h eu s e rp l a n ea n dc o n t r o lp l a n ew i l le x i s ti nt h ef u t u r e , i tp r o p o s e s 锄e v o l u t i o ns o l u t i o ns u p p o r t i n gb o t hs o l u t i o n s k e y w o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a ll o c a t i o n , t e a ，t d o a ，n l o s ，s u p l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签钰旅脚期：型! 理量p 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一噼：槲期： 义 乏 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于中国电信集团上海电信研究院资助的项目“w c d m a 系统中 定位引擎开发及应用研究”，项目编号：0 5 9 5 j s l 2 。 本文主要对w c d m a 网络中三维定位算法以及基于s u p l 的定位技术方案 进行研究。 1 2 无线定位技术的发展 移动通信是当今通信领域最为活跃和发展最为迅速的领域之一，随着我国信 息化进程的加快，广大手机用户在获得话音、数据及多媒体业务服务的同时，还 希望移动通信能带给他们更多的便利与服务。移动台定位技术可以在紧急呼叫救 护、快速接警、车辆导航和公安追捕跟踪等方面给用户带来方便，还能满足电信 运营商不断推出新业务以满足用户日益增长的需求，带动我国移动通信业的进一 步发展。 美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公布了e 一9 1 1 ( e m e r g e n c yc a l l 9 1 1 ) 定位需求【”，要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出e 9 1 l 紧急呼叫的移动台在不低于6 7 的概率内提供精度在1 2 5 m 内的定位服务。美国 f c c 的这一规定明确了提供e 9 1 1 服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络 必备的基本功能【2 】。 近几年定位业务在国内外的发展非常快，美国通用、高通、诺基亚、中兴、 上海贝尔等，纷纷对定位技术进行了深入研究，并制定了相应的实施方案【3 】。 美国q u a l c e m m 公司推出了内嵌定位功能为i s 9 5 系统服务的m s m s1 0 0 系 列芯片，为定位业务的快速发展铺平了道路。诺基亚提出支持g s m 手机的 m p o s i t i o n 解决方案，该方案采用c i ( c e l li o ) ，c i + t a ( c e l li d + t i m ea d v a n c e ) 、 和更新的c i + t a + r x ( c e l li d + t i m ea d v a n c e + r x l e v e l ) 方式定位。诺基亚还为运营 商添加了e o t d ( 增强观测时间差法，e n h a n c e do b s e r v e d t i m ed i f f e r e n c e ) 定位 方式，以便从定位容量和可靠性两方面提高性能。 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 在国内，上海贝尔推出了终端侧定位的移动定位解决方案，利用小区识别号 c e l l d 、时间提前量t a 、o t d e o t d 等信息来进行定位。中兴通讯提供的定 位系统解决方案中，使用的c e l li d 和a f l t ( 高级前向链路三角定位、技术对手机 没有特殊要求，但精度不高，采用的g p s o n e 定位技术则需要对手机及基站网络 设备进行升级改造。2 0 0 3 年初，中国移动率先在g p r s 业务中捆绑定位功能， 而中国联通也于当年7 月推出了主要面对大众市场的定位之星服务，但精度不 高，而且主要局限于二维定位。 目前移动台定位的国际标准化组织主要有t i p l 、3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和o m a ( o p e nm o b i l ea l l i a n c e ) ，比较有影响力的论坛是l i f ( l o c a t i o ni n t e r o p e r a b i l i t yf o r u m ) 。t 1 p 1 的第五工作组在g s m 定位标准方面做了 大量工作，2 0 0 0 年5 月该工作组解散，3 g 移动定位标准研究由t 1 p 1 的其他工 作组继续进行。3 g p p 制定了3 g 移动台定位的一系列协议，包括移动台定位方 法、接口信令、功能实体等完整的技术规范。e r i c s s o n 、n o k i a 和m o t o r o l a 于2 0 0 0 年9 月发起成立定位协作论坛l i f ，其目的是为了促进移动台定位业务的全球互 联互通。o m a 主要面向应用层技术，其目标是业务标准独立于操作系统。 1 3 无线定位业务应用及面临的问题 无线定位业务即位置服务，它是指移动运营商利用无线定位技术向用户提供 基于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 9 1 1 服 务，但实际应用已经扩展到其它服务。定位业务包括紧急业务、增值业务、跟踪 业务和网络应用等方面，具体介绍如下【4 】。 ( 1 ) 紧急救援 当遇到紧急情况拨打救援中心电话( 如中国的1 1 0 、美国的9 1 1 等) 时，报警 用户往往不能提供自己的准确位置。移动通信网络就在将该紧急呼叫发送到救援 中心的同时，启动位置服务并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。这样，救援中心就可以根据得到的位置信息，迅速、 高效地给用户提供紧急救援服务，大大提高了救援的成功率。 ( 2 ) 移动黄页查询 互联网的黄页查询是一项发展迅速的网络增值服务。用户通过互联网查询自 2 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 己所在区域的各种信息，如附近的饭店、商场及所在位置等。移动互联网技术与 位置服务相结合，便可以实现移动黄页查询。移动通信网络首先确定终端用户的 位置，然后在互联网提供的信息中挑选出用户所在区域的相关信息供用户查询。 ( 3 ) 跟踪追捕 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。可应用于罪犯追捕、 车队跟踪和调度、小孩监护、交通状况监视和导航等。 ( 4 ) 位置相关计费 移动用户在通信过程中占用了网络资源，用户所占网络资源的位置( 是处于 高速公路上正快速移动，还是处于话务比较繁忙的商业区，还是处于郊区) 不同， 网络给用户提供的服务质量就不同，所以相应的收费也应不同。但实际上运营商 并不知道用户的确切位置，无法判断用户所处的位置特征并实行位置相关计费。 ( 5 ) 车辆导航和智能运输系统( i t s l 移动通信网提供的位置服务能满足车辆导航和跟踪。为需要导航和跟踪的车 辆安装一个移动车载台，然后通信网为这些车载台提供位置信息，并将这些信息 传输给交通管理的调度中心，便可快速地在车辆和调度中心之间建立协调的运行 管理和导航。在移动蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后，i t s 就可利用移动 定位技术，对车队运输系统中的车辆和移动资源进行定位，提供车辆及旅客位置 信息，检测交通事故和塞车，以实现智能化管理与调度。 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。 定位精度的高低是定位技术在蜂窝网络中能否广泛应用的关键，但移动通信 系统复杂的信号环境却不可避免的会降低定位精度。蜂窝移动通信系统的无线定 位问题，近年已被提到议事日程上，但是要在移动通信网中实现移动终端的精确 定位尚有许多技术难点亟待解决。主要有以下几点【4 】： ( 1 ) 多径传播 由于地面和周围建筑物的反射，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 时间到达接收机，造成传播信号到达接收端的时延扩展、信号幅度、频率和相位 的改变。多径传播是基于到达角度、信号强度、到达时问或时间差测量系统定位 误差的主要来源。 目前虽己研究出了一些减小多径传播影响的方法，但它们在蜂窝网络复杂的 信号环境下，都不能给出较好的时延估计，严重影响了定位精度。因此研究抗多 径干扰的时延估计算法具有非常重要的现实意义。 ( 2 ) 非视距( n o n - l i n e - o f - s i g h t ，n l o s ) 传播 在蜂窝移动网络复杂的信号环境下，尤其是在闹市区和多山地带，信号的传 播受到障碍物的阻挡，发生反射、折射或散射，电波传播无直达径，称之为非视 距( n l o s ) 传播。非视距传播是测距、测角度定位系统的主要误差源。 n l o s 误差问题已经成为目前移动定位技术研究的重点和难点问题。针对如 何消除n l o s 误差的影响，目前国内外的学者提出了很多方法，如残差加权算 法、误差模型法和卡尔曼滤波重构法等，但还没有一种真正简单有效、广泛适用 的非视距误差消除算法。 ( 3 ) 三维定位 目前的定位算法主要集中在二维定位上，如何实现三维定位是一个有待深入 研究的问题。 ( 4 ) 可用基站数且 无论采用t d o a 还是t o a 定位均需要多个基站参与，在基站稀疏的条件下 很难同时接收到多个基站的信号，即便在基站稠密的城市环境中，也可能由于建 筑物的遮挡而无法接收到l o s ( l i n e - o f - s i g h t ) 信号。 ( 5 ) 隐私问题 由于位置服务常常暴露了个人的敏感信息，很多用户担心自己的隐私问题， 如何使用户实时地应用定位服务而又免于自己的位置隐私被恶意侵犯，也是一个 迫切需要解决的问题。 蜂窝移动定位技术的研究是一个非常实用又具有挑战性的研究课题。目前的 有些网络虽然具备了定位的功能，但定位精度还不能达到f c c 规定的定位精度 要求。未来的定位技术研究应着重进行以下方面的工作： ( 1 ) 进一步研究基本定位方法和定位算法，提出新的定位方法和原理，重 4 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 点研究定位算法的抗n l o s 和抗多径能力； ( 2 ) 在现有定位算法基础上，深入研究影响定位精度的主要误差源，尝试 利用误差统计特性建立符合实际的数学模型，重点研究如何提高时间估计的准确 度，以及如何减少或消除n l o s 传播和多径干扰对定位精度的影响； ( 3 ) 充分利用现有的各种定位方法和定位数据进行综合或数据融合定位； ( 4 ) 在目前二维定位的基础上进行三维定位技术的研究。 1 4 论文的主要研究内容 本文研究内容与工作成果如下： 1 ) 在视距传播的场景下，根据c h a r t 算法扩展得到基于到达时间( t o a ) 和基 于到达时间差( t d o a ) 的三维定位算法，采用两次加权最小二乘法( w l s ) 来估计 出移动台的三维位置坐标。算法在视距传播或者误差服从零均值高斯分布时，可 以达到较高的定位精度。 2 ) 在非视距传播的场景下，对基于t d o a 的三维定位算法进行扩展。 一是利用视距传播距离不大于实际测量距离这一条件，通过加入一距离尺度 变量对到达时间进行约束，以有效减少非视距误差对定位精度产生的影响。使基 于t d o a 的三维定位算法对噪声具有抑制作用，从而达到较好的定位精度。 一是利用随机信号的统计理论估计出由n l o s 引起的附加时延的均值和方 差，并对t d o a 测量值进行重构，根据重构得到的t d o a 值进行三维定位运算 来降低n l o s 对定位精度的影响。 3 ) 参照o m a 标准，结合实际运营商情况，提出一种基于s u p l 的定位系 统解决方案，并分析了其组网方案、各模块功能、业务流程和接口协议。论文也 提出了一种演进方案。 文本的内容安捧： 第一章简要介绍了无线定位技术的发展、现状、应用和面临的问题，论文的 选题来源，最后给出论文的内容安排。 第二章重点对无线定位中的各种定位技术进行阐述和分析比较，并介绍了 w c d m a 定位系统的网络结构和采用的方法。 5 上海大学硕上学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 第三章介绍了蜂窝系统中时间测量值的估计方法，重点讨论了基于时间的定 位算法，如f a n g 算法、c h a r t 算法、泰勒级数展开法等，对各种算法进 行了数学上的推导和分析比较，最后介绍了定位性能的评价指标。 第四章在c h a r t 算法的基础上推导出一种基于t o a 的三维定位算法和一种基 于t d o a 的三维定位算法，通过利用二次加权最小二乘法( w l s ) ， 来得到三维位置估计。 扩展得到抗n l o s 的三维t d o a 定位算法，通过加入距离尺度变量和 对t d o a 测量值进行重构来得到更高的定位精度。 对三维定位算法进行了仿真研究与分析比较。 第五章提出一种基于s u p l 的定位技术实现方案，并分析其组网方案、各模块 功能、业务流程、计费模式和接口，并提出一种演进方案。 第六章首先对全文内容和所作的贡献进行回顾，然后对目前存在的问题和可 能的研究方向进行了探讨和总结。 6 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 第二章无线定位技术基础 2 1 移动台定位的方案 无线定位系统中对移动台的定位通过检测m s 和多个固定位置收发信机之 问传播信号的特征参数( 如电波场强、传播时间或时间差，入射角等) 来估计出 目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、定位主体及 采用设备的不同可将对移动台的定位方案分为两类：基于移动台的定位方案和基 于网络的定位方案【5 1 。 ( 1 ) 基于移动台的定位方案 基于移动台的定位也称为下行链路定位，是移动台利用来自基站的信号计算 出自己的位置。移动台根据自己接收到的多个己知位置基站发射信号携带的与移 动台位置有关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据算法对 移动台自己进行定位估计。基于移动台定位的系统对每个基站的数据库进行维 护，把诸如基站位置以及相邻频率的分配表等信息传送给移动台，构成一个定位 系统。移动台定位技术包括全球定位系统( g p s ) 、基于到达时间的定位技术 ( e o t d ，t o a ) 以及蜂窝小区定位( c d li d ) 。 ( 2 ) 基于网络的定位方案 基站利用移动台传来的信号计算出移动台位置的定位称为基于网络的定位， 也称为上行链路定位。其定位过程是由多个基站同时检测移动台发射的信号，并 把这些信息送到一个定位服务中心进行处理，得到移动台的估计位置。基于网络 的定位技术有基于到达时闻( t o a ) 的定位技术、基于到达时间差( t d o a ) 的定位 技术、基于到达角( a o a ) 的定位技术等。 在现有蜂窝网络系统中如果采用基于移动台的定位方案为移动用户提供 l c s 功能，则必须对现有移动台进行适当修改，增加必要的软硬件设备，还必须 通过空中接口将定位信息传送回蜂窝网络。因此，这种方案不适用于在现有蜂窝 网络中增加l c s 功能，但由于这种方案的定位精度较高，在3 g 网络中将得到广 泛采用。基于网络的定位方案只需对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，不需要对 现有移动台进行任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的庞大资源，保护已有 7 上海大学硕上学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 投资，实现相对容易，并能达到一定精度，因而这种方案适用于在现有蜂窝网络， 如g s m 中增加l c s 功能。 2 2 无线定位的基本技术 无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信 机之间传播信号的特征参数( 如电波场强、传播时间或时间差、到达角等) 来估 计出目标移动台的几何位置。下面以基站( b s ) 为接收器，移动台( m s ) 为信号源来 说明确定移动台位置的几种基本方法。 2 2 1 基于c e l b l d 的定位技术 基于c e l l i d 的定位技术【6 】通过采集移动台所处的小区识别号( c c l l i d 号) 来 确定用户的位置。只要系统能够采集到移动台所在小区基站在地图上的位置，以 及小区的覆盖半径，则当移动台在所处小区注册后，系统就会知道移动台处于哪 一小区。由于每个小区的基站位置都是已知的，而且该小区的覆盖范围通常都能 计算或测量出来，这样只要知道手机处于那个小区便可了解其大致的方位。这种 技术的定位精度取决于所在小区的半径。 c e l l i d 技术实现简单，投入成本小，只需分别对现网或手机作适当的改动 ( 改动不大) ，就可实现定位功能，是目前在无线网络中应用最广泛的定位技术。 2 2 2 基于场强测量的定位技术 该方法首先测量出网络覆盖范围内各位置上的场强分布并将其保存在数据 库中，定位的时候将接收机所测量到的场强与数据库中的数据进行匹配，根据匹 配的结果就能确定出移动台的大致位型7 】。该定位方法对环境变化很敏感，而且 在多径衰落信道下的定位精度不高。因此，该方法没有得到广泛的重视和应用。 2 2 3t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 定位技术 基于到达时间t o a 的定位法f 2 】【8 删基本思想是先测量出移动台发射信号 到达基站i 的时间i ，那么就可以得到m s 与b s i 之间的距离r = 吒( 其中 8 上海大学硕上学位论文 基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 c = 3 x 1 0 8 m s ，即电波在空气中的传播速度) ，以( z ，y ) 代表m s 位置坐标，( 置，巧) 表示b s 位置坐标，则移动台位置坐标和定位基站位置坐标之间存在如下关系： 砰= c 2 r 1 2 = ( 五一工) 2 + ( k 一y ) 2 霹= c 2 f 2 2 = ( 五一x ) 2 + ( e y ) 2 ( 2 1 ) ； 8 矗= c 2 r 。2 = ( z 0 一工) 2 + ( 一j ，) 2 由上式可以看出，待定位移动台的位置坐标就是三个基站以自身位置为圆心，以 各自测得的距离为半径做出的圆的交点，为了避免定位点的模糊性，该方法至少 需要三个位置测量单元或基站参与定位，通过联立求解方程组( 2 1 ) ，就能得到 移动台的位置坐标，其原理如m ( 2 1 ) 所示。 t o a 技术要求定位基站在时间上精确同步，否则定位精度将大大降低，可 用g p s 对基站进行精度校对时间，但会增加系统的开销，而且移动台的发射信 号中需有时间标记，这样接收基站才能判断出信号传输时延。t o a 提供的定位 精度比c e l l i d 高，但是他的响应时间比c e l l d 更长。 图2 1t o a 定位法原理图 2 2 4t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 定位技术 基于到达时间t d o a 的定位方法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的位置，降低了时间同步要求。移动台位于 以两个基站为焦点的双曲线上，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，两条双曲线的交点即为移动台的二维位置坐俐2 】b o 。 如图2 2 ，当己知基站b s 。和基站b s 2 与移动台之间的距离差足，。= r 一日时， 9 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 移动台必定位于以两个基站为焦点、与两个焦点的距离差恒为足。的双曲线对上。 当同时知道基站b s 。和基站b s ，与移动台之间的距离差时，可以得到另一组双曲 线对，于是，两组双曲线的交点就是移动台的估计位置。 基站b s 。和基站b s 3 与移动台之间的距离差可以通过测量从两个基站同时出 发的信号到达目标移动终端的时间差2 来确定，或测量从移动台出发到达两个 基站的时间差f 2 1 则是，= c t 2 ，l 其中，c 为电波在空气中的传播速度。双曲线 定位中移动台坐标( 工，j ，) 和基站坐标( 置，z ) ( i = 1 ，2 ，3 ) 有如下关系： 是1 ( 2 2 ) 马1 解上述方程组可得两个解，可根据先验信息( 如小区半径) 来消除位置的模糊性。 图2 2t d o a 定位法原理图 2 2 5a o a ( a r h v a lo f a n g l e ) 定位技术 基于信号到达角度a o a 的定位方法【1 通过基站接收机智能天线阵列测出移 动台发射电波的a o a ，可以构成一条从基站到移动台的径向连线，即方位线。 利用多个基站提供的a o a 测量值，可以画出多个方位线，其交点就是目标移动 台的估计位置【1 2 】。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q 和0 2 ，则有以下关系成立： 1 0 黑龋 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 t a i l ( 谚) 2 两r i - - x 吼2 ( 2 3 ) 通过求解上述非线性方程组，即可得到目标移动台的位置。 图2 3a o a 定位法原理图 a o a 定位的优点是所需基站较少，只要2 个基站即可实现定位，缺点是需 要基站天线阵列的支持，实现比较复杂，投资较大，而且受多径传播的影响最大。 2 2 6 网络辅助g p s 定位技术( a - g p s ) ( 1 ) g p s 定位原理 g p s 主要利用几颗卫星的测量数据计算一个移动用户的位置，即经度、纬度 和高度。原始数据可由终端处理，也可送到网络侧处理。g p s 定位可分为基本 g p s 定位( 单点定位) 和差分g p s 定位两大类。此处只简要介绍基本g p s 定位【i 】。 围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续信号，编 码中载有卫星信号发射时间和卫星在不同时间的的空中位置( 星历) 。完成一次 g p s 定位至少需要四颗卫星参与定位，g p s 定位也是基于到达时间原理的，卫 星位置坐标( 疋，巧，z ，) 和g p s 接收机位置坐标( 五y ，z ) 的关系为： 墨= 吒= ( 置一x ) 2 + ( z j ，) 2 + ( z ：一z ) 2 + a t x c ，i = 1 ，2 ，m ( 2 5 ) 式中，c 是电波传播速度，缸是接收机与卫星导航系统所用时钟的时间差( 定值) ， 冠为各卫星到接收机的伪距。只要接收机能同时测出距四颗卫星的距离，便可以 联立四个方程式解出接收机所在坐标( 墨只z ) 和a t ，即可定出接收机位置。 ( 2 ) a g p s 定位原理 如图2 4 所示，a g p s 定位l 】中，蜂窝网络通过g p s 辅助信息计算移动台位 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 置，可分为移动台辅助( u e - a s s i s t e d ) 和移动台自主r u e b a s e d ) 两种方式。 图2 4g p s 辅助定位法原理图 移动台辅助g p s 定位是将传统g p s 接收机的大部分功能转移到网络上实 现。网络向移动台发送辅助信息，包括该地区的可视卫星数目、卫星位置、参考 时钟、卫星信号的多谱勒频移、码相位、码相位搜索窗等等。这些信息经移动台 g p s 模块处理后产生辅助数据报告给网络侧，网络处理器利用辅助数据估算出移 动台的位置。自主g p s 定位的移动台包含一个全功能的g p s 接收器，具有移动 台辅助g p s 定位的所有功能，再加上卫星位置和移动台位置计算功能。 a - g p s 的优点是网络改动少，网络不需增加其它设备，网络投资少，定位 精度高。缺点是现有移动台均不能实现a g p s 定位方式，需要更换，从而使移 动台成本增加。 2 2 7 混合定位技术 混合定位方法就是利用上述两种或多种单一的定位方法的某种组合进行定 位，从而达到比仅仅使用一种定位方法更高的精度。如t d o a t o a 、t d o a a o a 和t o a a o a 等跚1 3 】f 1 4 1 。例如，如果一个基站能够同时测得移动台发出的信号以 直射路径到达基站的时间f 和角度口，则移动台相对于基站的距离r = 盯和方位 角护已知，于是可由下式确定移动台的位置( x ，y ) ，即 jt a n ( 咿苦4 ) 【( x 一工) 2 + ( y y ) 2 = p ) 2 1 2 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 2 2 8 定位技术比较 上述各种定位方法都有其自身的特点。t d o a 和t o a 定位法在网络中实现 相对容易，也能达到较高精度，因此这两种方法受到了更多的重视；a o a 定位 方法虽然要求在阵列天线上实现，但目前第三代及今后的第四代移动通信系统都 对智能天线投入了大量研究工作，因此a o a 定位方法也将成为趋势。而混合定 位方法能吸收不同定位方法的优点，但需提供不同的特征测量值。目前在无线通 信系统中受到广泛关注和深入研究的就是t d o a ，t o a 及混合定位技术，本文也 将以此为研究的出发点。 2 3w c d m a 蜂窝无线定位系统 自从f c c 公布了e - 9 1 1 定位需求以来，蜂窝定位技术得到了迅速的发展， w c d m a 系统作为第三代移动通信的主流标准之一，已经将移动台的定位功能 写入相应的技术标准，并对定位方法、技术实施及应用进行了深入研究。 2 3 1w c d m a 中的定位系统结构 图2 6w c d m a 移动位置业务系统结构 具有定位功能的w c d m a 网络系统结构【1 5 】【1 6 】【1 7 1 酗如图2 6 所示，该图简要地 描述了l c s 客户端、服务器与核心网络( c n ) 间的关系。在w c d m a 网络中， 各功能模块互相协作，共同完成定位功能。网络结构中的各模块介绍如下。 网关移动位置中, d g m l c ：网络通过g m l c 向外部的l c sc l i e n t 提供位置业 务的接入。g m l c 允许l c sc l i e n t 发出对某移动用户的定位请求，把这些请求转 发给该移动用户当前服务的m s c ( v m s c ) ，并将结果返回给l c sc l i e n t 。 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 s i 斟c ：s i c 调整分配移动台定位所需要的资源，计算最后的定位结果和估 计定位精度。s r n c 可以控制多个l m u ，它和l m u 之间通过l u b 接口进行信令传 输，有时也采用l u r 接口，对独立的l m u 则采用u u 接口。其功能具体为： ( 1 ) 向其他r n c 请求m s 定位有关的信息； ( 2 ) 定位请求流量控制：如果几个定位请求同时向同一个s r n c 发送定位请 求，s r n c 将根据优先级来安排定位请求： ( 3 ) 选择定位方法：根据定位请求、q o s 和m s 的定位能力选择定位方法； ( 4 ) 定位计算：计算m s 位置，进行不同坐标系之间的变换。估计m s 位置 时，还要估计定位精度，最终定位精度将以距离的形式同定位估计结果一起返回； ( 5 ) 提供定位相关的辅助数据：提供辅助数据以支持不同的定位方法； ( 6 ) 协同和控制m s 定位：比如当s a s ( s t a n d a l o n es m l c ) 的p c f ( p o s i t i o n c a l c u l a t i o nf u n c t i o n ，位置计算功能) 和s r n c 的p c f 都空闲时，s r n c 就要选择 哪个p c f 参与定位并对其进行控制。 位置测量单元l m u ：l c s 测量单元，对信号进行测量，并将测量结果传递 给s r n c ，l m u 也可以进行一些计算。l m u 可以根据接收到的测量请求进行信号 测量，也可以自发周期性的进行信号测量并报告测量结果。网络中一般不止一个 l m u ，每次l c s 请求也可能需要不止一个l m u 。l m u 有两种不同的类型，独立 l m u 和联合l m u ，s r n c 根据定位方法选取适当的l m u 。这种类型的l m u 只能 通过u t r a n 的u u 空中接口访问，它与其他u t r a n 网络元素没有任何连接。独 立l m u 有一个服务结点b ，通过该服务结点b ，独立l m u 可以实现与s r n c 通信， 服务结点b 为他们的通信提供信令支持。独立l m u 也有服务3 g m s c 、v l r 和 h l r ，且总是有一个唯一的i m s i ，支持所有的无线资源和移动性管理。为了保 证独立l m u 和与之相连的s r n c 之间能够互相访问，l m u 必须归属于某个小区或 3 g m s c 。另一种类型是联合l m u ，r n c 通过i u b 接口访问联合l m u ，与此相关 的协议是n b a p 协议。联合l m u 可以利用与之相关的结点b 的无线设备和天线， 是一个逻辑上独立的网络元素，地址为伪随机小区i d 或者与结点b 相连或集成在 结点b 中，它也可以独立于结点b ，但必须通过结点b 的i u b 接口与s r n c 通信。 用户终端u e ：测量下行链路信号，或根据l c s 测量要求，在上行链路上传输 一些定位需要的信号。m s 中包含有l c s 应用，或通过与网络通信，访问l c s 应 1 4 上海大学硕士学位论文基于w c d m a 和s u p l 的定位技术研究 用。这些应用可能包含必要的测量或计算以确定u e 的位置。m s 也可能包含独立 的定位功能如g p s 。 3 g - m s c v l r ：负责u e 鉴权，管理l c s 请求。3 g m s c 与定位相关的功能是 计费、定位请求、鉴权等。 h l r ：包含l c s 用户数据和路由信息。g m l c 通过l h 接口可以访问。对于漫 游的u e ，h l r 和s r n c 可能不在同一个p l m n 中。 n o d eb ：n o d eb 的功能是进行小信号测量，并将测量结果传递给c r n c 。n o d e b 可以根据定位请求进行信号测量，也可以自发和周期性地进行信号测量，并报 告测量结果。 2 3 2w c d m a 系统中的定位方法 目前，3 g p p 规范中采用的定位方法有三种1 19 】：基于c e l l i d 的定位方法、 o t d o a 定位方法和a g p s 定位方法。 ( 1 ) 基于c e l l i d 的定位方法 原理如2 2 1 节所述。这种定位方法的定位精度取决于小区的大小以及是否 采用了辅助定位测量如r t t ( r o u n d t r i p t i m e ，往返时间) 等。 为了提高定位精度，s r n c 可以向n o d e b 请求r t t 测量。测量结果随同 c e l l i d 一起送给s r n c 位置估计单元，位置估计单元将把c e l l i d 转为地理坐标 或服务区标识，同时根据r t t 估计出u e 离基站的距离。这样u e 就处于以基站 为原点，该距离为半径的圆或圆弧线附近的某个区域内。在利用r 1 广r 测量进行 距离估计时，s r n c 可以请求u e 进行u er x - t x 时间差测量，以便使距离估计 更加准确。u er x t x 时间差是指u e 接收下行无线链路d p c h 帧的首径时间与 u e 发送相应上行d p c c h d p d c h 帧之间的时间差。 ( 2 ) o t d o a 定位方法 o t d o a ( o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 定位与t d o a 定位方法相似， 其基本原理是双曲线定位，如图2 2 所示。在o t d o a 定位方法中，一个最基本 的测量参量就是u e 端的“s f n s f n 观测时间差”。每一对下行信号的传播时间