（通信与信息系统专业论文）基于多手持中继的cdma移动终端定位方法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 针对手机定位的检测概率和定位精度等难题，本论文介绍了一种基 于手持中继的多步c d m a 移动终端跟踪定位方法。该方法基于多个手 持中继形成的虚拟接收阵列，并采用多步方法以提高系统定位精度。详 细描述了该系统手机定位基本原理、数学模型和定位算法，同时分析了 影响系统性能的主要因素。通过大量仿真分析表明该系统可以提高手机 的定位概率和定位精度 论文主要工作如下： 详细分析了一种本文介绍的基于多手持中继的定位与跟踪方案， 通过引入可移动的低成本手持中继完成信号的接收和转发，由车载或其 他可移动式测量单元完成集中信号分析处理和位置估计。从理论上证明 了这些低成本的手持中继实际上与车载基站的作用等价；但论文方法具 有更低的实现成本，而且在实际应用中比车载基站更为灵活； 在m a t l a b 仿真环境下对提出的定位方案进行了m o n t ec a r l o 性能仿真分析，并结合该定位方法的仿真分析结果提出了误差抑制和改 进措施； 最后给出了该论文定位方案的主要组成部分的硬件实现原理及 框图。 论文主要的创新点在于； 对该定位方案的各个阶段( a o a 租定位，t d o a 细定位和t d o a 精细定位) 进行了大量仿真分析； 根据仿真分析结果给出了提高定位精度的改进方案，并通过仿真 证实了改进方案的有效性； 给出了硬件实现的参考方案。 关键词；无线定位，c d m a 移动终端，多步定位，手持中继，定位精度 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，p o s i t i o n i n g a n dt r a c k i n go fm o b i l et e r m i n a l sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c ew h e ne o n c e r i n g c o m m u n i c a t i o n s y s t e mo p t i m i z a t i o n ，s e r v i c ei m p r o v i n g ，g e o g r a p h i c a d v e r t i s e m e n ta n de t c ，w h i c ha t t r a c tal o to fr e s e a r c hi n t e r e s t f o rc e l l u a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms u c ha sc d m as y s t e m ，p o s i t i o n i n g a n dt r a c k i n ga r eh a n d l e db yt h eb a s es t a t i o n s ( b s ) o rv e h i c u l a r ( t e m p o r a r y ) b s s w h i c hi sd i f f i c u l tt oi m p r o v ep o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c e t h et h e s i sp r o p o s e san o v e lp o s i t i o nt e c h n i q u ef o rc d m at e r m i n a l s w h i c h p e r f o r m sh y b e r b o l i cp o s t i o n i n gc o m p u t a t i o n a tav e h i e l u l a r l o c a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ( l m s ) b a s e du p o nm u l t i p l es i g n a l sr e l a y e d b ys e v e r a lp a l mr e l a y s i nt h ef o l l o w i n gt e x to ft h et h e s i s ，w eg i v eb r i e fs u m m a r yo f p o s i t i o n i n gm e t h o d s ，s u c ha sa o a ，t o a ，t d o aa n dt h e i rc o m b i n a t i o n s a n d t h e n w ei n t r o d u c et h en e wp o s i t i o n i n gs y s t e m ，n a m e l ym u l t i p l e p a l m r e l a y i n gb a s e dp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rc d m at e r m i n a l s ( m p r p s ) ，a n d i n c l u d i n gi t ss y s t e mm o d e l a n dp r i n c i p l e a n de r r o rp e r f o r m a n c eo fa o a c o a r s el o c a l i z a t i o na n dt d o a p o s i t i o n i n ga r ea n a l y z e dt h e r o t i e a l l ya n db ys i m u l a t i o n t h e ni m p r o v e m e n t m e t h o d sa r ed e s i g n e df o ra o aa n dt d o ap o s i t i o n i n gt oa q u i r eb e t t e r p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di se a s yt o i m p l e m e n ta n d m o r ef l e x i b l e ，a n d b ym u l t i p l ep h a s ep o s i t i o n g i t s p e r f o r m a n c ec a nb el a r g e l yi m p r o v e d f i n a l l y ，s y s t e md e s i g nf o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sg i v e n k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a t i o n ，c d m am o b i l es t a t i o n ，p a l mr e l a ys t a t i o n p o s i t i o n i n ga c c u r a c y 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 重麽邮电盔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：易 临签字日期：哕 年占月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽韭虫太堂有关保留、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。本人授权重庆邮曳太堂可以将学位论 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、汇编学位论文。 ( 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：参 蟛 签字日期：d 7 年；, e l 牛日 导师签名：刃够叻 导师签笔：侈| 毋磊7 曲 签字日期：弦哆年多月争日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来通信技术特别是蜂窝移动通信技术得到迅猛发展，国家信息 产业部统计显示：2 0 0 6 年我国移动用户的数量已经达到4 3 7 亿户，移 动电话普及率已达到3 2 7 部百人，大有超过固定通信的势头。移动通 信技术的移动性给人们带来的极大便利，同时产生了新的需求，即位置 相关的服务，因此利用无线蜂窝网系统实现移动终端的定位功能可以进 一步推动移动通信业务的拓展和市场发展，而且研究表明，定位技术将 是未来移动通信技术的核心技术之一。 本章结合本论文介绍的基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系 统从定位的应用角度谈一下定位技术的研究背景，然后介绍一下移动终 端定位技术在国内外的研究现状和趋势，最后介绍了本论文的研究内容 和章节安排。 1 1 研究背景 随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖面越来越广，移动电 话普及率也越来越高。同时移动电话发起的呼叫数量在全部紧急呼叫中 所占的比例也随之上升，但是调查表明，约有2 5 的移动用户在发起呼 叫时不知道所处的确切位置，而原有蜂窝网络在设计时并未考虑到为移 动电话提供定位服务，因此不能为移动电话紧急呼叫服务提供的必要的 辅助决策信息，这对及时合理地处置带来了很多限制。 为此，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 【l 】定位服 务条例，其目的在于使用电话拨打紧急求助电话时，救助中心能够迅速 而准确地确定求助者的方位，从而提供迅速有效的求助服务。e 9 1 1 条 例要求各无线蜂窝网络运营商必须能自动识别9 1 1 号码的用户( 包括漫 游用户) ，并将呼叫所在小区的相关信息发送到9 1 l 呼叫中心。同时， f c c 对e 9 1 1 的定位精度进行了相关规定( 表1 1 ) ，并要求未来必须支持 更高的定位精度甚至三维位置信息服务。 继美国e 9 1 l 条例之后，欧洲和日本也作了相应的要求，提供e 9 1 1 定位服务将是今后服务移动通信系统必备的基本功能。各国公司对 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 g s m 、 可见， i s 一9 5 和3 g 等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成果。 e l 9 1 1 条例的发布掀起了移动通信定位技术研究的热潮。 表1 1e 9 1 1 定位精度要求 定位精度 6 7 9 5 基于网络的解决方案 1 0 0 m 3 0 0 m 基于手机的解决方案 5 0 ml5 0 m “移动行业各公司加大业务中的服务含量将成为一种趋势”，这一 观点得到了众多厂商和技术界人士的关注和认同1 2 - 1 3 】。一方面技术的出 现为用户提供了更多、更有益的业务，另一方面也为移动运营商开辟了 广大的市场，创造了无限的商机。据统计，未来全球移动电话定位及其 相关业务市场的利润将超过1 0 0 亿元。目前许多与位置相关的移动电话 业务主要包括 1 4 - 1 6 】： 应急救护系统管理 如美国的公众安全应答服务机构( p s a p ：p u b l i cs e c u r i t ya n s w e r p o i n t ) 专门接听用户的紧急呼叫，并向相应的部门发出指令，以采取相 应的救援行动。有了定位功能后，呼叫者在拨打应急服务号码后，移动 电话定位系统就能立即识别，并对呼叫移动电话进行自动的快速定位， 在将呼叫转给p a s p 的同时提供移动电话的位置信息，从而大大改善公 众安全系统的反应能力。 移动终端防盗打管理 移动电话盗打造成的收入流失和防盗打的开支是困扰运营商已久 的问题。采用移动电话定位技术后，运营部门在发现盗打号码时，无需 禁止移动电话使用，相反可以利用无线网络自动记录盗打的准确时间和 地点，这些将是司法部门执法时最有利的证据，从而有效地监测和制止 盗打。因此，这对运营商来说是一种非常具有吸引力的应用。 基于用户位置的灵活付账系统 目前常用的收费标准有两种策略，一是按移动电话的使用频率收 费；二是按通信时段收费。随着定位业务的提出，可以按移动电话的使 用位置收费。移动性低时，只会被收取很低的费用；移动性高时，将会 被要求支付较高的费用。这将是未来移动电话运营商的拓展业务、吸引 客户的重要手段之一。 车辆的调度和管理 重鏖燮学硕士论文 第一章绪论 车辆的调度和管理是无线电定位技术一个较早的应用领域通过在 车辆上安装移动电话，可以充分利用现有的通讯网，从而很容易结合电 子地图技术，实现车辆的自动定位、调度和管理，降低系统的实现成本 该技术可用于出租车、公共汽车、警用车辆以及一些特种用途车辆的管 理与调度，甚至车辆的防盗及自主导航 货物的存放和管理 大宗货物的存放和管理是移动电话技术的一种特殊应用在这类应 用中采用了一种特殊的小型发射机固定在大宗和重要货物上：该发射装 置具有和移动电话相同的内核。但没有用户接口，因此其体积小、成本 低这些小型的发射机间歇地发送信号，信号经移动电话网络传送给有 关部门从而实现对货物运输、存放的有效监控和管理，提高安全性，降 低管理成本 无线网络的优化设计 随着微蜂窝技术的发展，城市蜂窝半径有进一步减小的趋势，于是 蜂窝的分布密度、频率的复用率越来越高。通过无线定位技术，可以充 分利用估计的用户位置信息，进行更精确的信号功率和切换等控制，更 好地配置蜂窝和无线网络资源，有效提高无线信道的利用率。 另外，紧急救护等部门迫切需要一套固健与移动网络相结合，对某 一区域内的移动终端进行实时、机动井且精度较高的移动定位系统，可 以快速的利用定位技术来实施高效的紧急救护响应和支援 1 2 国内外研究动态和趋势 目前移动通信系统中的移动终端定位方案有很多种从完成定位的 功能位置大致可以分为：依赖于移动通信系统的基于网络( 基站) 的定位 或基于移动终端的定位，以及独立于移动通信系统的定位方案从所采 用的定位技术可以分为基于车载的t d o a 定位和基于智能天线的a o a 和a o a t o a 的定位技术 基于网络( 基站) 1 3 0 - 3 1 1 的定位。该方案通过移动通信系统的一个或多 个基站对覆盖范围内的移动终端发出的信号进行处理来估计移动终端 位置。该方案的主要缺点是；需要对网络进行升级或增加功能模块、基 站间距离较大而造成达不到对移动终端的覆盖要求以及基站位置固定 不够灵活，造成定位精度不高。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 基于移动终端 3 2 - 4 0 的定位：该方案的一种实现是在移动终端添加独 立的定位模块，如g p s 定位模块，这种实现方式依赖终端的参与；另 一种是移动终端接收来自于多个基站的信号，然后通过数学解算的方法 来进行定位。但一旦终端关闭定位功能，或不发送定位请求时，不能获 取定位参数，延误对目标的探测，实时性不够；而且由于需要终端完成 相应的信号测量和解算工作，增加了终端成本，不适宜大规模推广。 。定位之星”业务是中国联通c d m al x 网络采用g p s o n e 定位向 公众提供的定位业务。它是基于对移动终端的定位，结合g i s ( 地理信 息系统) 地图数据信息，向用户提供位置信息。定位精度在室外环境下 达5 5 0 米，无论在室内还是室外，只要有c d m al x 网络覆盖的地方就 可实现定位。 目前针对某些需要对移动终端进行定位的特殊场合，采用的定位则 是的基于车载的t d o a 定位技术( n j t h o m a s ，d g c r u i c k s h a n ka n d d i l a u r e n s o n p e r f o r m a n c eo fat d o a - a o ah y b r i dm o b i l el o c a t i o n s y s t e m 3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，c o n f e r e n c ep u b l i c a t i o n n o 4 7 7i e e 2 0 0 1m a r c h2 0 0 1 1 和基于智能天线的a o a 和a o a t o a 的定 位技术( 中国专利公开号c n l 4 7 4 6 1 6 ) 基于车载的t d o a 定位：需要3 个及其以上的车载位置测量单元， 资金投入过大，同时对使用环境要求苛刻，限制了系统的灵活性，并要 求提供很高的授时精度( 2 0 n s 以内) ，影响系统的时效性；布置时间较长， 影响系统的实用效果。 基于智能天线的a o a 和a o a t o a 的定位：需要智能天线技术作 为支持同时需要两个以上的车载基站，系统复杂度和成本高。 针对上述定位方案的缺点，本论文在第三章中将介绍一种适合特殊 场合的基于手持中继的c d m a 移动终端定位系统【4 u ( 专利号 c n 2 0 0 5 1 0 0 5 7 1 15 ) 。它的特点就在于使用车载位置测量单元和手持中继 联合定位思想实现对移动终端的定位；采用了手持中继t d o a 定位方 法，为系统提供了一个高精度的初始定位解；通过手持中继设备的逐步 逼近定位，进一步提高了系统的定位精度。 1 3 本文研究内容及章节安排 本文介绍的基于多手持中继的c d m a 移动终端定位方法。论文的 主要内容包括： 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 介绍并详细分析了一种基于多手持中继的定位与跟踪方案； 对提出的定位方案的m o n t ec a r l o 性能仿真，以及误差来源分析 和误差性能分析。同时结合仿真分析结果提出了误差抑制等改进措施； 给出了论文定位方案硬件实现的主要原理框图。 本文的章节安排如下： 第一章概述了论文的选题背景、国外的研究动态。第二章简要介绍 了各种移动终端定位技术的基本原理，并进行了简单分析比较。第三章、 第四章给出了论文的主体工作，其中第三章首先给出了基于多手持中继 的c d m a 移动终端定位系统的总体方案，详细介绍了系统的组成和原 理；第四章对该系统进行了算法仿真和性能分析，并给出进一步的改进 方法。第五章对该系统的硬件系统结构进行了介绍；最后，第六章对论 文进行总结，并给出下一步拟开展的工作。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动终端定位方法概述 第二章移动终端定位方法概述 本文先介绍了本论文使用的主要定位方法，并对其性能进行分析， 然后介绍移动通信中的定位服务流程以及移动终端定位技术中的常用 解算方法。 2 1 移动终端定位的主要方法 目前用于定位方法主要有到达角度( a o a ) 、到达时间( t o a ) 、到达 时间差( t d o a ) ) 及其组合定位等等。本文所介绍的系统方案主要用了基 于a o a 和t d o a 的定位技术，因此着重对性能进行分析。 2 1 1 a o a 定位方法 a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) 即信号到达角度。理想情况下，如果能分别在 通过两个或以上基站上测定同一移动终端的来波方向，然后则根据来波 方向反向延长线的交汇点可确定移动终端的当前位置。如图2 1 ，三个 基站b s i 、b s 2 、b s 3 通过定向天线周期性地扫描测量移动终端m s 的辐 射电波到达方向，然后利用简单的几何原理确定m s 的位置。这些基站 的定向天线可以采用高定向增益的天线或者阵列天线，相关技术原理已 超出本论文的范围，本文不再详述。 图2 1a o a 定位方法 a o a 定位方法的精度主要受限于基站天线阵列的方向性，定位误 差较大，而且误差随距离增加而加大，因此主要用于粗定位。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端定位方法概述 2 1 2 t o a 定位方法 t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) a p 信号到达时间定位方法是指基于信号到达时 间的定位方法。如图2 2 所示，通常需要至少3 个基站参与，分别测量 从移动终端发出的信号到达基站的时间，从而估算移动终端与基站间的 距离；各基站以基站为圆心，以计算得到的距离为半径作圆，于是利用 至少三个这样的圆求得的交点就能确定移动终端所在的位置。在很多文 献中，称其时间到达方法为圆周定位方法。 图2 2t o a 定位方法 在t o a 定位方法中，需要高精度的参考时钟完成各基站间的同步， 并需要移动终端紧密的参与和配合，对系统要求高，也不够灵活。 2 i 3 t d o a 定位方法 t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 基于到达时间差的定位方法又称双 曲线定位法，它根据不同基站所接收到的同一移动终端信号在传播路径 上的时延差异实现终端定位的，其原理如图2 3 所示。 由于电波传播的速度可以认为是己知的( 光速) ，当两个基站接收到 来自同一移动电话的电波信号时，若移动电话到两个基站的距离不同， 则电波到达的时间也不同，根据这个到达时间差t d o a 就可以换算出移 动终端到两个基站的距离差d 。于是由距离差可以确定一支双衄线： d = c f = ( 而一z ) 2 + ( y ，一y ) 2 一( x ：一j ) 2 + ( y ：一y ) 2 式( 2 一1 ) 其中，c 为光速，( x l ，y o 、 2 ，y 2 ) 、( x ，y ) 分别为两个基站和移动终 端的位置，f 为移动终端的信号到达两个基站的时延差。易知，上式确 定了以两个基站为焦点，离心率为i d 的双曲线。因此，任选两个可以 重庆邮电大学硕士论文第二章移动终端定位方法概述 接收到m s 信号的基站( 如b s t 、b s 2 ) ，计算m s 信号到达的时间差，可 以换算得到m s 到两个基站的距离差( d l - 如) ，从而可以确定一支以两个 基站为焦点的双曲线( 如图中的h b l 2 ) ；然后任选其他两个基站( 如b s 2 、 b s 3 ) 可以得到另一支双曲线( 如图中的h b 2 3 ) ，于是两条双曲线的交点为 m s 的位置 图2 3t d o a 定位方法 t d o a 无需同步要求，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道 产生的同步误差，因此可获得比t o a 更高的定位精度。 2 1 4 a o a t o a 组合定位方法 由于a o a 定位精度受方位角测量精度的限制，很少独立使用；同 时在某些情况下仅采用t o a 方法无法完成m s 的定位，因此把两种定 位方法结合起来采用混合定位方法来得到更高的定位精度。 其原理可参见图2 4 ，先测量出移动终端发射的信号到达基站的时 间t o a 值( r ) ，也就得到了m s 到b s 的距离( d l = c f ) ，于是得到移动终端 所在的以b s 为圆心的圆周。然后再利用a o a 方法测量出m s 所做的角 度，于是方向直线和圆周的交点就是移动终端所在的位置。 这种方法的定位精度没有单纯采用t o a 或t d o a 等方法的精度高， 但是它可以用于仅有一个基站能接收到目标移动终端信号的场合。如当 c d m a 系统中有一个基站能收到目标移动终端发出的清晰信号，而其到 达其他基站的信号过于微弱时，不能采用t d o a 等方法进行定位，就可 以采用a o a t o a 组合技术来定位。 ，如 嗡 肇斗 慈一一慨 ， 一 ，一 。嗡 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端定位方法概述 2 1 5 a o a t d o a 组合定位方法 类似a o a t o a 定位方法，当仅能获取一个t d o a 值，即只有一对 基站的信号可用时，利用公式( 2 1 ) 只能得到一支双曲线，无法完成定 位，此时可以借助a o a 定位参数完成组合定位，原理如图2 5 所示。 在获得双曲线( h b l 2 ) 后，任取其中一个基站的的定向天线( 或阵列) 测量 m s 的方位角，如相对b s 2 的角度口，于是沿方位角的直线与双曲线h b l 2 的夹角即为m s 的位置。 图2 4a o a t o a 组合定位图2 5a o a t d o a 组合定位 2 ，1 6 a o a 、t d o a 定位方法性能分析 a o a 定位方法 a o a 定位方法的优点主要有： 1 ) 定位时无需专门的定位信道，对系统定时基本无要求，同时随着 阵列天线的引入，通过改善天线增益模式，增强了方向选择性，一方面 有利于改善通话的质量，另一方面可以提高定位精度； 2 ) 参与定位的基站数量少，只要移动电话信号被两个基站同时收到 就可以实现定位。 a o a 定位方法的缺点主要有： 1 ) 定位精度依赖于方位角的测量精度，为此需要在基站建立阵列天 线，系统实施成本高； 2 ) 对于t d m a 、c d m a 等共享信道系统，由于多址干扰的影响，实 现来波方向的测量有相当的困难； 3 ) 易受多径干扰影响；a o a 的测向精度对距离十分敏感，对测向系 统来说，如果角度的分辨率为口，则系统在切向上的距离分辨率为 a d ：r a o ，其中r 为移动电话与基站的距离，因此距离越远，a o a 的定 重庆邮电大学硕士论文第二章移动终端定位方法概述 位角度越差。a o a 技术在使用线性阵列时，会出现定位模糊及定位盲 点，在市区使用a o a 定位技术进行定位很困难； 4 ) 对于没有进行通话的移动终端，因其与系统交互时主要使用控制 信道，而这类信道信令传输时间短，因此较难实现定位。 t d o a 定位方法 t d o a 定位技术的优点主要有； 1 ) 类似a o a 定位方法，可以在话音和控制信道上进行测量； 2 ) 适用于多种移动电话制式下( 如c d m a 、a m p s 和g s m ) 实现该技 术，不需要对蜂窝通信的标准进行修改，容易在所有蜂窝网通信系统中 扩展： 3 1 对原有系统改动不大，不需要改变用户端和蜂窝的基础设施及蜂 窝天线，安装费用少； 4 ) 测试精度不受距离影响，对多径干扰敏感度低；对功率变化不敏 感，信号衰减对测时精度影响小；抗多径效应和市区遮挡效应强，因此 在信号接收区不会出现盲点： 5 ) 延时小，其定位时间在3 s 之内。 t d o a 定位技术的主要缺点有： 1 ) 对系统的定时精度要求高，例如要保证3 0 m 的测距精度，整个无 线网络的同步误差不能高于1 0 0 n s ，这一指标高于现行的网络同步要求； 2 ) 为实现移动电话定位，必须保证至少有三个基站可以收到移动电 话的信号，因此要求基站的设置有一定的稠密度。 2 2 移动通信中的定位服务流程 目前国际标准化组织对移动终端定位技术非常重视，正在加快制定 相关功能规范和信令接口标准的进程。下面仅以基于网络的t d o a 定位 技术为例，简要介绍移动通信系统中的定位服务流程。 图2 6 给出了移动通信系统中与定位服务相关的子系统间关系，图 中b s l 是m s 的服务基站，m s c 、a a a 、g m l c 、l s c 分别移动交换中 心、认证服务器、移动定位中心网关、定位服务中心。 图2 7 给出了由m s 发起定位请求后的信令及信号流程( 为简单起 见，只给出了两个基站并省去了图2 6 中的g m l c ) 。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端定位方法概述 m s b s l b s 。 m s c a a a l s c 图2 6定位服务系统构成 。，。o j oi ： | 1 ；p 晶 l 菩c 向b s 发出定位指令鬟 鞫 b s 向l s j 遍回酒量信息霪 b s 向l s c 返回酒量信息薹 。 薅 l s c 将铡量绩果返回给m s 錾盘喵# g 勃触赫蕊鼢，描岫m i 瀵 图2 7定位服务基本流程 如图2 7 所示，典型的定位服务流程分为以下几个步骤： 当服务基站b s l 接收到m s 的定位请求信号后，将这个请求信号 传送到m s c ； m s c 首先通过访问位置寄存器( v l r ) 及a a a 服务器对m s 定位 请求进行验证，如果验证成功，则将请求传递给l s c ： l s c 则根据定位请求、当时的网络和无线资源情况选择合适的定 位基站，并将目标移动终端的授权许可信号传送给这些参与定位的基 站，要求它们一起对目标移动终端进行定位测量； 各定位基站将测量到的目标移动终端定位测量信息传送到l s c ； l s c 根据测量结果计算出目标移动终端的地理位置，并将计算结 果返回给服务基站； 服务基站将接收到对目标移动终端的位置估计后，通过下行业务 信道返回给定位服务客户m s 。 2 3 移动终端定位中的常用求解算法 在各种定位方案中，定位方程是非线性方程，求解很不容易，但可 以将非线性方程线性化，然后求解。最常用的方法是采用经典的最小二 乘( l s ，l e a s ts q u a r e ) 算法，它是一个线性拟合模型。这里仅以t d o a 稳届 一 、静 襞矿嗡 一 矿 参&艇峰 占瓣 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端定位方法概述 定位方法为例，首先介绍最小二乘算法的基本原理，并具体地给出一种 典型的定位求解算法。 2 3 1 最小二乘算法原理 如前所述，在t d o a 定位方法中，能监听到m s 信号的任意两个基站 得到t d o a 测量r l ，并建立公式( 2 1 ) ，该式可以进一步改写为： “反d 2 l 矧xi 籍- x ) 糕等- y ) 叫- 4 器c x b - x ) 丽习- y ) 枇， 2 ，y ) 皇( 粕s ，2 + ( y 陆 2 s ， 2 + ( h s ： ”- 叫 通过多次测量可以建立一组双曲线方程，直接求解方程组就可以得 到移动终端的估计位置。但是直接求解非线性方程并不容易，而且在 t d o a 值超过两个，方程组在超过方程组时，由于总是误差的存在，得 到的解并不一致。通过经典的最小二乘法可以从一组冗余测量值冲， 基于已知的数学模型眵 ，f ) 】中得到位置估计量z 。因此，无线定位系统 通常采用最小二乘法进行位置估算。最小二乘法在满足最小方差的情况 下，可以使在具有冗余的观测量的情况下，得到的参数估计一致。最小 二乘的原理如下： 对于线性预测模型，可以根据测量值建立模型： y 月= b o + 6 l x h l + + b p x p + 占h 式( 2 3 ) 其中嚣表示观测次数，b 皇( b o ，毛，6 ，) 及岛分别为与观测量 x 。皇( 1 ，h 。，南：，) 无关的未知参数，岛为观测误差。求解的目标是使 求取盖皇f 反，反，占，1 - ，使得下式最小： q = ：。( y ，一b 。一，一b p x ，p ) 2 式( 2 4 ) 公式( 2 - 3 ) 表示的模型可以写成矩阵形式： y = 式( 2 - 5 ) 其中l ，皇m ，y 2 ，n 】i ，x 皇【尚，而，而】f 当公式( 2 3 ) 的误差服从高斯分布， 即晶( o ，盯2 ) 时，可以得到参量b 的最大似然估计： 雪= 伍x ) - x r 。 k ( 2 - 6 ) 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端定位方法概述 2 3 2 基于t d o a 的典型求解算法 公式( 2 - 2 ) 为非线性方程，需要对其进行线性化，将公式( 2 - 2 ) 改写 得到： 岛j = 避一焉 冠皇瓜i 再丽，吼1 2 式( 2 - 7 ) 则( 见附录a ) ， d 主l = z b 一z b s l 一2 ( x b s ：- x s s 。) x 一2 ( y b s ：一y a s 。) y - 2 9 2 ，1 r i 式( 2 8 ) 其中， z b s , 垒瑶+ y g s ，i = 1 ，2式( 2 9 ) 当m s 的信号可被n 个基站( b s i ，b s 2 ，b s 。) 收到，且所有距离测 量差值( 即时差) 均以基站b s i 为参考时，定义： b 皇【1 ，而乃r i d 皇 磋- ，啦- ，瑗- i = 璐 t d f 1 皇r ，一r i ，i = 2 , 3 ，万 x 垒 x 2 ，而，如】- - x ，) 式( 2 1 0 ) 置皇 ( z 。s ，一z b s , ) ，一2 ( x 。一x 。) ，- 2 ( y 。一j ，。) ，一2 d , ，。 z b s ，皇x 玉+ y ；岛，i = 1 , 2 ，丹 令y - - d ，并与公式( 2 1 0 ) 一起代入公式( 2 - 6 ) ，即可得到m s 的坐标 上述算法假定每个测量值引入的误差服从同一分布，但在很多情况 下，不同的基站对的测量值具有不同的精度( 见第四章) 。因此，有时 需要对不同的测量值进行加权，此时称为加权最小二乘算法( w l s ， w e i g h t e dl s ) ，具体算法不再赘述。 2 4 本章小结 通过对目前主要常用的定位基本方法的分析、对定位流程的描述和 对最小二乘算法的介绍，对下一章的系统的介绍奠定了定的理论基 础。 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 本章针对现有移动终端定位方法的不足，介绍了一种基于多手持中 继的c d m a 移动终端定位系统，并给出了该系统的结构和定位基本原 理，最后介绍了基于多手持中继的移动终端定位与跟踪策略。 3 1 问题的提出 如前所述，基于智能天线的a o a 和a o a t o a 的定位：需要智能 天线技术作为支持，系统复杂度和成本高，因此大多采用t d o a 方法。 另外，现有基于车载的t d o a 定位的主要缺点有：需要3 个及其以上 的车载位置测量单元，对使用环境要求苛刻，限制系统的灵活性；要 求提供很高的授时精度( 2 0 n s 以内) ，授时时间长，影响系统的时效性： 布置时间较长，影响系统的实用效果；定位精度受限于系统特点和 信号的环境，不能提供高精度的定位解；一次性投资过大。 因此，急需一种灵活性高、易部署、低成本的定位方案，以便对特 定终端进行定位。为此，论文介绍了一种基于多手持中继的c d m a 移 动终端定位系统。下面首先介绍论文提出的定位方案的系统功能、基本 原理和方法 4 1 - 4 3 】，在下一章对算法的性能进行仿真分析。 3 2 基于多手持中继的c d m a 移动终端定位 3 2 1 ，系统总体方案 系统组成及功能划分 如图1 a ) 图3 ，l 所示，系统由三个部分组成，其功能分别如下： 1 ) 车载位置测量单元( l m ul o c a t i o n m e a s u r e m e n t u n i t ) ，数量1 ，其 作用在于：用于接收直接从移动终端m s 发出的信号以及从手持中继 p r s 中转的m s 发出的信号，并对这些信号进行处理，然后计算提取手 机号码、手持中继号、s o a ( s t r e n g t ho fa r r i v a l ) 、信噪比、误码率、时 间延迟等的参数，可以进行a o a 和t d o a 测量； 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 2 ) 手持中继设备( p r s ，p a l mr e l a ys t a t i o n ) ，数量3 ，其作用是： 把移动终端发送的上行信号，通过滤波、变频、放大等步骤将接收到的 信号发送给车载位置测量单元( l m u ) ，l m u 将得到沿m s 专p r s 专l m u 传播，且已变频放大的m s 上行信号； 3 ) 指挥调度控制中心( c c u ，c o m m a n d & c o n t r o l u n i t ) ，数量l ，用 于定位显示和指挥调度控制，它与l m u 通过标准的通信控制接口相连， 主要完成定位计算、电子地图对比、显示和指挥调度等功能。当c c u 与l m u 处于相同位置时可以采用有线方式互联，否则通过无线方式相 连( 图中仅示意了无线互联方式) 。 图3 1 系统总体结构图 本定位系统的定位流程 图3 2 本系统的定位大致流程 本系统对特定c d m a 终端定位的过程大致分为移动网络粗定位、手 机终端粗定位、多中继细定位、多中继精细定位四个阶段，如图3 2 所 示。 移动网络粗定位是为了快速对特定c d m a 移动终端进行捕获、定位 和跟踪，本系统首先需要获取m s 的大致位置信息，通常这些信息可以 向移动运营商获取。c c u 中心负责人将待跟踪定位的用户移动号码或设 备号等信息通知移动运营商，移动运营商则通过查询网络日志或别的手 重庆邮电大学硕士论文第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 段获取该用户最近联系的基站i d ，可以得到基站的位置和覆盖半径，得 到反馈该用户的大致活动范围( 具体实现过程不在本论文讨论范围) 。 其他三个阶段：手机终端粗定位、多中继细定位、多中继精细定位， 将在本章的后续部分进行介绍。 为简单起见，本论文假定手持中继采用换频转发的方式把截获的 m s 上行信号通过其他频率转发给l m u ，且手持中继转发时使用l m u 指 定的频率，转发频率的分配由l m u 或c c u 完成，并由l m u 通过专有广播 信道通知相应的p r s ，。 3 2 2 多中继定位原理 手机终端的粗定位( a o a ) 图3 3 移动终端租定位原理 在获得待定位的移动终端的所在基站b s 后，c c u 发出l m u 及p r s 的 部署命令。l m u 和p r s 被迅速部署到指定b s 附近。然后l m u 通过扫描覆 盖范围内移动终端的上行接入信号，获取相应的参数，如手机号码、 s o a ( s t r e n g t ho fa r r i v a l ) 、信噪比、误码率、时间延迟等，并对接收到 的手机号码进行鉴别，当确定为待定位的目标时，将相应的信息发送到 控制中心。同时l m u 采用三天线结构( 天线之间的角度是1 2 0 。) ，利用 天线方位角信息和移动通信网络的信息获取被定位手机的大概范围。实 现原理如图3 3 所示。 l m u 根据m s 发来的信号可以采用多天线场强差分方法等，实现 a o a 的快速估计。假设m s 相对l m u 的相对角度a o a 为口，以口角度的 作射线，则m s 位于以射线，为中线，夹角为口( 角度估计误差，约2 0 度) 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 的扇形范围内。同时根据c d m a 基站的作用距离r 可以构建一个以 c d m a 基站为原点半径为r b s 的圆，则m s 的位置必处于上述两个区域的 交集所定义的区域( 图1 0 的阴影部分) 中，即： ，。d u s , m y r b s s i n ( 0 + a 8 2 ) + y l 工s i n ( 8 一a o t 2 ) + y l 式( 3 - d l ，ly d 赫工 一 a 其中r u s 、( x ，y ) 、( x b s ，y b s ) 、( x l ，y l ) 分别为b s 覆盖半径、m s 、b s 和l m u 位置， 乏i 洽蒜爿2 榔， 1 ，。皇( 苫一黾) 2 + 一几) 2 ” 于是，l m u 通过快速的a o a 定位，并利用从移动网络获取的信息( 即 r b s 、( x ，) ，) ) ，可以估计出更具体的大致范围，从而为部署p r s 提供参考。 该信息被传回c c u 后，c c u 将这些信息显示出来，并与电子地图进行比 对，可以迅速做出p r s 的部署决策，并将部署命令通过l m u 通知给相应 的p r s 。 基于多中继的手机终端细定位 在完成m s 粗定位和p r s 部署后( 如图3 4 所示) ，l m u 接收m s 的上行 信号以及p r s 转发的m s 上行信号，并通过信号处理手段估计出各路信号 间的时差等测量参数可建立距离方程，然后进行位置估算。为简单起见， 除非特别说明，在下面对位置估计的原理介绍中，均假定各路信号具有 l o s 传输路径，且不存在多径效应。 利用p r s l 和p r s 2 转发的m s 上行信号，可建立两个距离方程如下： 式( 3 - 3 ) 其中：、厶仍分别为m s 到p r s l 和p r s 2 之间的距离，l s l 、 三，2 分别为p r s l + 和p r s 2 到l m u 间的距离： 其中，( x 射，y 曲为待求的m s 坐标，( x p i ，y p l ) 、( x n ，y e 2 ) 、( x ，y l ) 分 别为已知的p r s l 和p r s 2 及l m u 的坐标。 1 7 啪彩 一 一 k 气 一 一 哪肼 一 一 一 一 眈眈 c c = = 如如 + + 址 ，、l 季 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于多手持中继的c d m a 移动终端定位系统 公式( 3 3 ) 中的其他参数说明如下： c ：电磁波在空气中的传播速度： t l d k l 2 ：m s 的信号经p r s i 转发到l m u 的时间延迟量( 已知值) ： 砌：m s 的时钟误差，为未知量； t 异：p r s ，转发截获m s 上行信号时转发