（通信与信息系统专业论文）3gumts定位技术.pdf

摘要 蜂窝无线定位服务( l c s ) 是一种具有广阔市场前景的移动增值业务，其基 本原理是利用现有蜂窝网络，通过对各种位置特征参数，包括到达时间( t o a ) 、 到达时间差( t d o a ) 、到达方向( d o a ) 的测量和估计，从而实现移动用户的 定位。 本文首先介绍了移动定位技术的历史及发展概况以及蜂窝移动通信系统的 定位原理，重点阐述了非视距( n l o s ) 误差的鉴别与抑制。接着详细讲述了 w c d m a 网络标准的c e l li d 、0 1 d o a 、a g p s 定位法的定位原理、定位流程、 定位精度以及定位响应时间。作者为提高c e l li d 方法的定位精度，将n o d eb 覆 盖区域分为三块分别进行研究。文章还对三种标准定位法进行了详细的比较，并 着重说明了c e l li d 定位法的重要性。 最后对当前应用最广泛的c e ui d 定位技术提出了一些改进定位精度的方 法，并进行了仿真。仿真结果表明该方法简单易行，并提高了定位精度。 关键词：蜂窝网络定位、小区i d 、到达时间差、网络辅助g p s 、定位精度 a b s t r a c t c e l l u l a rw i r e l e s sl o c a t i o ns e r v i c ei san e wm o b i l ev a l u e a d d e ds e r v i c ew i t ha g o o dm a r k e tf u t u r e n sb a s i cp 血c i p l ei st oi m p l 锄e mm o b i l eu s e rl o c a t i o nt h r o u g h e s t i m a t i n gc h a r a c t i s 廿c sp a r 锄e t e r sr e l a t i v e t o p o s i t i o n ，i n c l u d i n gt h e - o f a 玎i v a l ， t i i n e d i 髓r e n c e o f a r r i v a l ，d i r e c t i o n o f 二a 玎i v a l ，e c t a tt l l e 丘r s t ，w 毫i n 仰d u c em eh i s t o r ya n dd e v e i o p i n gt m c eo fm o b i ll o c a t i o n t e c h n 0 1 0 9 ya i l dt h e1 0 c a t i o nm e o r yo fc e l l u a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m n o n n 出o fs i g h tc h o ri si 蛳o d u c e di n d e t a i l t h e ni n 虹o d u c et h r e en o h n a ll o c a t i o n m e l o d so fw c d m an e t v m r k ：c e l l 【d 、o t d o a 、a g p s t h e i rl o c a t i o nt h e o r y 、 1 0 c a t i o nn o wc h a r t 、l o c a t l o np r e c i s i o na n dr e s p o n s et i m ea r ea 1 1m e m i o n e d i no r d c rt o i n c r e a s e1 0 c a t i o np r c c i s i o no fc e l li d1 0 c a t i o nm e t h o d ，t 1 1 ea r e ac o v e r e db yn o d e _ bi s d e v i d e di n t o 血r e ep a r t 1 h r e en o m a ll o c a t i o nm e t h o d sa r ea i s oc o m p a r e di n 也i s t l l e s i s ，e s p e c i a l l yf o c u s i n go nt h em a i np o i n t so fc e l li d a tl a s t ，a ne 玎h a n c e dc e l li dl o c a t i o nm e t h o di sp r c s e n t e da n di t sp e r f b r m a n c e s i m u l a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e d ，也er e s u l t ss u g g e s tt h a tl o c a t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e d b yt h i ss i n l p l em e t h o d k e yw o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r kl o c a t i o n 、c e l li d 、o t d o a 、a i d e dg p s 、1 0 c a t i o n p r e c i s i o n 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电学院或其它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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：趔导师签名；邋日期：至趣、加 1 1 前言 第一章绪论 定位服务又叫做移动位置服务( l b s l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) ，它是通过 电信移动运营商的网络( 如g s m 网、c d m a 网) 获取移动终端用户的位置信息( 经纬 度坐标) ，在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。 尽管已经有移动运营商推出了基于2 5 g 网络平台的移动定位服务，但是， 目前的服务种类尚嫌单一，范围仍不普及。3 g w c d 姒将成为更大规模开展移动 定位服务的较理想平台。 移动定位与位置服务是移动通信领域相当具有吸引力的数据业务，也是最被 业界看好的3 g 增值业务之一，对于丰富无线数据业务市场和增加运营商的运营 收入来说十分重要。3 g w c d m a 系统融合了话音、多媒体等多种业务，其中的定 位服务功能相当强大，可通过多种定位技术，提供不同等级、不同精度的定位服 务，充分满足各方面的需求。人们相信，移动定位服务将伴随3 g 的上马真正起 飞。 1 2 移动定位技术的历史及发展概况 1 8 9 9 年1 1 月美国“圣保罗”号邮船在向东行驶时收到了1 5 0 公里外的怀 特岛发来的无线电报，移动通信产生了。1 9 0 0 年1 月2 3 日在波罗的海霍格芝岛 附近的一群遇难船员通过无线电呼救而得救，移动通信第一次证明了它对人类的 使用价值。现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年代，大致经历了五个发展 阶段。目前，移动通信系统正在向第三代( 3 g ) 移动通信系统迈进，采用智能天 线、多用户检测和软件无线电等新技术，实现全球覆盖、全球无缝漫游、使用公 用频率，具有多媒体功能，不仅能接受话音、数据信息，而且还能接收和发送图 像及其它数据业务。 随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖谣越来越广，移动电话普及率 也越来越高，移动电话发起的紧急呼叫数量在全部紧急呼叫中所占的比例也随之 上升，而现有的移动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 此能为移动电话紧急呼叫提供的辅助决策信息非常少。调查表明，约有2 5 的移 动用户在发起呼叫时不知道自己所处的确切位置。另夕卜，拨打紧急求助电话的入 通常已经惊恐万分、头昏目眩或语无伦次。这对及时合理地处置带来很多限制。 有鉴于此，美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年7 月公布了e 一9 1 1 ( e n h a n c e d 一9 1 1 ) 定位服务条例，其目的在于当求助者在使用移动电话拨打紧急求助电话 时( 美国为9 1 1 ) 救助中心能够迅速而较准确地确定求助者的方位，从而为公众 提供更为迅速有效的救助服务。e 一9 1 1 条例要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日以前，各种 无线蜂窝网络运营商必须能自动识别呼叫9 1 1 号码的用户( 包括漫游用户) ，要求 能够把呼叫所在小区的相关信息发送到美国负责接转9 1 1 呼叫的美国公众安全 应答节点( p a s p ) 上，而且一旦发生呼叫中断还要能够回叫用户。最终所有运营商 都要能够识别呼叫9 1 1 的移动用户的位置。f c c 对e 一9 1 1 的定位精度做了如下 规定：基于网络的解决方案应使得6 7 的定位精度要在1 0 0 米以内；9 5 的定 位精度要在3 0 0 米以内；基于手机的解决方案应要求6 7 的定位精度要在5 0 米 以内；9 5 的定位精度要在1 5 0 米以内。而且不论是何种用户，只要拨打9 l l ， 不经过用户鉴权过程就能直接接通呼叫。并要求在2 0 0 1 年以后提供更高的定位 精度及三维位置信息服务，同时希望这项业务不会给消费者带来额外的负担。此 外，欧洲的e t s i 和日本的a r i b 等组织也作了相应的要求，并在很多方面达成一 致。可见，提供e 一9 1 1 定位服务将是今后蜂窝移动通信系统必备的基本功能。 各国公司对g s m 、i s 一9 5 和3 g 等网络制定了各自的实旗方案，取得了一定的成 果，但和e 一9 1 l 的要求还有一定的差距。2 0 0 1 年7 月f o r r e s t e r 公司的“欧洲 市场应该推迟定位服务”的报告指出：由于实现的难度和多种定位方案的取舍， 定位服务全面实现将会推迟到2 0 0 5 年。尽管如此，e 一9 1 1 条例的发布成为推动 移动通信定位技术研究的一大动力。目前全球已经有数十家公司提供移动台定位 技术，比较有代表性的是t r u e p o s i t i o n 、c e l l p o i n t 、u s w i r e l e s sc o r d o r a t i o n 、 华为等 随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不稳定。这种移动 2 性和不确定性给移动通信带来市场和挑战的同时，也为定位服务的开展和扩大带 来了无限商机。另一方面，对移动通信网本身来说，移动性管理一直是网络的难 点问题。如果本身知道移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相对简单了。 所以，无论是用户的需要，还是运营商或网络供应商的需要，都为定位服务的发 展注入了活力，使定位服务市场呈现出一片生机。其主要应用有： 紧急救援 当移动终端或车载机持有者遇到紧急情况( 如交通事故、车辆故障、遇劫) 拨打救援中心电话( 如中国的1 1 0 、美国的9 l l 、日本的4 1 1 ) 时，很多时候报警 用户不能提供自己准确的位置，甚至不知道自己的位置，移动通信网络就会在将 该紧急呼叫发送到救援中心的同时，启动支持位置服务的功能，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。救援中心接到呼叫 后，根据得到的位置信息，就能迅速、高效地提供有效的紧急救援服务，大大提 高了救援的成功率。 移动黄页查询 互联网的黄页查询是一项发展比较迅速的网络增值服务业务。用户可以在互 联网查询自己所在的区域范围内的相关信息，包括附近的饭店、商场、天气情况、 附近各公司的电话号码、所在位置等等。移动互联网技术与位置服务相结合，就 可以轻而易举地实现移动黄页查询。移动网络首先定位出用户所在的位置，然后 再在互联网提供的信息中节选出用户所在地的相关信息供用户查询。固定黄页查 询能够得到的信息，移动黄页查询都可以得到。这种业务大大充实了移动互联网 的业务范围，让人们更真实地感受到移动互联网带来的全新生活。 位置相关计费 要实现公正、有效的计费并不是件容易的事情。计费问题的产生本身是由于 用户占用了网络的资源，运营商需要就这一部分资源向用户收取一定的费用。用 户所占的网络资源的位置特征( 是处于话务比较繁忙的商业区，还是处于相对比 较空闲的郊区，是处于高速公路上，正快速移动，还是在家中) 不同，网络为这 一次通话提供的服务量就不同。因此运营商应该根据用户所占的网络资源的位 置特征，对用户的通话进行计费。但实际上运营商在这方面的计费还没有考虑， 原因在于运营商不知道用户的确切位置，无法判断他所处的位置特征。随着定位 服务的发展。与位鼍有关的计费也将发展起来。调查表明，在美国有3 2 的移 动用户愿意参与位置有关的计费。在家里通话和在车上通话付同样的费用其实是 不公平的。在车上通话的费用应该高，而在家里或办公室通话的费用应该低。这 种计费方式充分体现了公平的计费。还可以吸引那些移动性不是很大的用户，因 此无形之中也增加了移动通信网的用户。 对网络欺诈者定位和防盗打管理 移动电话用户恶意欠费对移动通信运营商来说是个很头疼的问题。利用移动 定位技术可以对恶意欠费用户进行定位。以迅速抓住欺诈者。同时，移动电话盗 打对用户和运营商来说都是困扰已久的问题。采用移动电话定位技术能够有效地 监测和制止盗打。据估计，世界电信运营部门每年由于移动电话盗打造成的损失 高达数十亿美元。移动电话定位业务的开展，对制止移动电话盗打非常有利。运 营商在发现盗打号码后，可以不必禁止移动电话使用，而利用无线网络自动记录 盗打的准确时间和地点，为司法机关破案提供有力的证据。 车辆导航和智能运输系统( i t s ) 移动通信网提供的位置服务能满足山区和城市商业区的车辆导航和跟踪，只 要为每一辆或每一列需要导航和跟踪的汽车和列车安装一个移动车载台，并提供 较好的基站覆盖。然后，通信网再为这些车载台提供位置信息，并将这些信息通 过通信网本身传输给负责交通管理的调度中心，就可以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。智能运输系统( i t s ) 中涉及到大量对车辆的定 位处理，过去专门设计了a v l 系统，为此要占用宝贵的频带资源，花费大量的硬 件投资。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 技术取代a v l 系统，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。 优化蜂窝移动通信系统设计 移动通信网的移动性管理一直是网络的难点问题，主要原因就是移动用户位 置的不确定性。如果网络本身知道移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相 对简单了。另一方面也有助于对移动台进行有效的信道分配，使无线资源的利用 程度更高。另外，如果能够实时地得到移动台的位置信息，就可以实现网络资源 的动态、智能分配，增强网络性能，提高网络的服务质量。 可以相信，随着定位技术的发展，位置服务的其它潜在应用还将不断涌现。 由于定位服务的深远影响，国际标准化组织对移动台定位非常重视，对此展 开了专项研究，并加快了制定相关功能规范和信令接口标准的进程。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 e 2 + 的l c s ( 位置服务) 的标准， 并已纳入到e t s i 的标准当中。第三代移动通信系统的标准化组织3 g p p 也将移动 台定位技术作为一项重要内容纳入到其标准制定范围中，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。 与此同时a m p s 、c d m a 等移动通信系统都在积极开发定位服务，许多公司和研究 机构都投入了大量的资金和人力资源进行研发，并已开发出了定位设备。随着移 动通信产业在我国的大力发展，我国的手机用户数量不断扩大，对移动台定位技 术的研究也就尤为重要。它不仅能造福于人民，而且还能带动我国的移动通信产 业进一步发展。 1 3 移动定位技术面临的问题和国内外研究动态 蜂窝移动通信系统无线定位问题，近年已被提到议事日程上，迫切希望得到 较完善的实用技术，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，首先是多径所引起的干扰和传播时延误差；其次是无论采用 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 接收到视距传播( l o s ) 信号；同时移动通信系统中的多址接入方式也会导致定 位精度的下降，如何降低这些因素的影响是提高无线定位精度的关键。 1 多径传播对测量到达角( a o a ) 和测量信号强度的准确度都有较大影响。对 于测量t o a 和t d o a ，即使移动台与基站之间无线电波有视线路径( l o s ) ， 多径传播对定时测量也会引起误差。如欲精确测量传播时延，多径效应 也有影响。现在已经研究出了一些减轻蜂窝网中多径传播影响的有效方 法。如利用l m s 算法、r o o t m u s i c 、t l s e s p r i t 和扩展卡尔曼滤波( e k f ) 来对多径分量进行估计，以及利用空时联合的方法来同时估计信号的到 达时间和角度等。但是，在各种无线环境下如何进一步提高对多径的处 理精度还需要做很多工作。 2 即使在无多径效应和采用高精度定时技术的情况下，n l 0 s 传播也会引起 t o a 或t d o a 测量误差。因此，减小n l o s 传播的影晌是提高定位精度的 关键。在城市里，高楼大厦林立，信号在移动台与基站之间很可能是n l o s 传播，移动台发出的信号不能直接到达基站，而是经过反射或衍射到达 基站，其路程距离必然比直接路程长。为了辨别是l o s 传播还是n l o s 传 播，可以测算t o a 的标准偏差，一般情况是标准偏差远大于l o s 传播的， 利用测距误差统计的先验信息就可对两种路程做出区别，将一段时间内 的n l o s 传播测量值调节到接近l o s 传播的测量值。但是由于对n l o s 传 播模型以及所带来误差的概率统计特性仍然缺乏足够的认识，因此至今 仍然没有一个有效的方法来解决这一问题。 3 在各种蜂窝移动通信系统中，都存在着多址干扰。特别在c d m a 蜂窝网， 所有移动台使用同一频带，仅扩频码不同。而且c d m a 有远近效应( f a r n e a re f f e c t ) ，移动台离基站越近，发射功率越小，受到多址干扰越大。 在使用时延锁定环路( d l l ，d e l a yl o c k e dl o o p ) 的情况下，多址干扰影响 很大。当蜂窝网内几个蜂窝区的基站测量某一移动台的位置时，每一基 站收到其覆盖区内其它移动台的干扰信号，影响基站测量t o a t d o a 的准 6 确度。可以采用在e 一9 1 1 呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，改进 软切换方式，利用抗远近效应延时估计器与多用户检测器等方法减小多 径干扰。这种多址干扰也是当前研究c d 5 i a 蜂窝网的一个重要课题。 目前全球已经有数十家公司研究和提供移动台定位技术，爱立信公司、诺基 亚公司和摩托罗拉公司于2 0 0 0 年9 月发起成立了定位协作论坛l ，该论坛的 目的就是为了促进移动台定位业务的全球互联互通，到2 0 0 0 年1 1 月成立大会时， 已经有7 3 家公司加入了该论坛。日本n t t 公司和t o h o k u 大学自1 9 9 9 年合 作进行了适用于w c d m a 系统的在两基站环境的基站搜索方法试验。美国高通 公司开发出了两种用于a g p s 定位技术的芯片m s m 3 3 0 0 ( f o ri s 9 5 ) 、 m s m 5 5 0 0 ( f o rc d m a 2 0 0 0 1 x ) ，内置g p s 解码，2 0 0 0 年下半年发布，2 0 0 1 年6 月 在国内推广。2 0 0 4 年1 1 月华为公司宣布已全面完成与主流厂商终端的a g p s 定位业务测试，率先实现3 g p p 标准的a g p s 。中国移动通信有限责任公司目 前已经开通了移动定位实验局，研究采用( t d o a ) 到达时间差和c e ui d + r t t 等 技术的移动台定位。 7 第二章定位原理 2 1 蜂窝移动通信系统的定位基本原理 在实际应用中，要得到目标的空间位置，必然要先通过测量某个与空间位置 相关的物理量，然后运用一定的理论、计算方法或者数学模型，经过一定的计算， 最终得到目标的空间位置。利用蜂窝移动通信系统对移动台进行定位，就是通过 测量表征与基站和移动台空间位置相关的物理量，再利用一定的定位理论和数学 模型计算出移动台的空间位置。 以上阐述，用数学模型来表达就是： 首先，根据某一理论得到一个数学模型： o = f ( p ，x ，y ，z ) 在上式中，p 为在蜂窝网络中与位置相关的某一可测量物理量，如信号在 基站和移动台之间的传输时间，移动台所处位置信号的场强，基站和移动台间信 号传输方向的直线等，( x ，y ，z ) 为移动台的空间位置坐标。f ( ) 是根据某一定 位原理得到的一个移动台位置( x ，y ，z ) 与蜂窝网络中与位置相关的某一可测量物 理量p 的函数关系。 如果我们能测得p ，并知道移动台位置和p 的关系f ( ) ，就可以求出移动 台的位置( x ，y ，z ) ，如下： ( x ，y ，z ) = g ( p ) 从以上基本原理中可以看出，在已知关系g ( ) 的前提下，我们将求解移 动台位置的问题转化为求解p 的大小，而p 是可以从蜂窝网络中测得的。 本文中我们只研究移动台的平面位置，所指的空间位置是二维平面位置。 2 2w c d m a 网络定位方法 在3 g p p 中，为w c d m a 网络选择了以下三种标准定位方法： c e l ld 定位法( 基于蜂窝小区i d 的定位法) ； 0 t d o a i p d l 定位法； 网络辅助g p s 定位法。 对其具体介绍将在第三、四、五章分别进行。 2 3 具有定位业务的u m t s 网络结构 图2 1 是3 g p p 规定的实现l c s 业务的网络结构1 9 j ，无线接入网侧的l c s 功能实体是l m u ( l o c a t i o n m e 舔u 趣m e m u n i t ，位置测量单元) 和s m l c ( s e r v m g m o b i i el o c a t i o nc e n t e r ，移动定位服务中心) ，其中l m u 可以单独设置或与n o d e b 合设，s m l c 可以是独立设备或作为r n c 的一个功能块和r n c 在一起，取决 于厂家的实现方式。核心网侧的l c s 功能实体主要是g m l c ( g a t e 、v a ym o b i l e l o c a t i o nc e n t e r ，网关移动位置中心) ，作为l c s 服务器它与l c s 客户( l c s c 1 i e n t ) 相连；其他核心网网元h l r 、m s c m s cs e v e r 、和s g s n 需要具有支持 位置业务的能力。 9 图2 1 配置l c s 功能的w c d m a 网络结构 上述功能实体各负其责，l m u 负责无线信号测量，其结果供s m l c 计算位 置信息使用：s m l c 根据业务的q o s 选择适当的定位技术，并将u e 的位置信息 以经纬度的形式通过电路域的m s c 或分组域的s g s n 送到g m l c ；g m l c 是外 部应用获取u e 位置信息的网关，其功能包括对用户以及客户端的鉴权、授权， 将s m l c 送来的经纬度的位置信息转换为地理坐标，对客户端和用户的计费， 接受客户端的请求并作出相应的响应等。l c s 客户端是为了获取移动台位置信息 而与l c s 服务器进行交互的功能实体，它可以在移动网内实体上，也可以在移 动网络外部，一般情况l c s 客户是网络运营商或其他第三方提供的位置相关应 用，它可以通过两种方式接入到g m l c ，一种是通过采用m l p ( m o b i l el o c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议的l e 接口接入，m l p 是开放移动联盟0 m a ( o 口e n m o b i l ea 1 l i a n c e ) 推荐的g m l c 和具体应用之间的协议：另一种接入方式是通过o s a ( o d e n s e r v i c e a c c e s s ) 提供的标准的a p i ( a p p l i c a t i o n p m g r a m i n t e m c e ) 接口接入，这 种方式是分层次网络发展的趋势，但目前统一业务平台建设还有一定难度，o s a l o a p i 协议也有待完善，因此这种方式不如前一种方法易于实现。 根据不同应用的需要，l c s 客户端可以向g m l c 发出两种位鬓请求，即时 位置请求l i r ( l o c 撕o ni m m e d i a t er e q u e s t ) 和延时位置请求l d r ( l o c a t i o n d e f c r r e dr c q u e s t ) ，其中包括目标u e 的信息、客户端的信息、业务类型以及q o s 等业务相关信息。相应的g m l c 将回复即时响应( i m m e d i a t er e s p o n s e ) 、延时 响应( d e f e r r e dr e s p o n s e ) 消息，其中包含目标u e 的地理坐标，i c s 客户端根 据这个结果提供不同应用。 w c d m a 系统支持对漫游用户的位置业务，它是通过g m l c 和h l r 之间的 接口l h 以及g m l c 之间的l r 接口来实现的，简单来说，当客户端向r - g m l c ( 接受请求的g m l c ) 提出请求后，r - g m l c 通过l h 和l r 接口找到h g m l c ( 归属g m l c ) 和v _ g m l c ( 拜访g m l c ) ，并将位置请求转到v - g m l c ，由拜 访网络对漫游用户进行定位，然后将返回结果经r g m l c 送到客户端。 2 4 非视距n l o s 误差鉴别与抑制 在实际的蜂窝系统中，定位误差通常由两部分组成：一部分是由基站检测设 备带来的误差，如时钟同步误差、检测设备精度及检测过程时延带来的误差等； 另一部分是由信道带来的误差，主要是由多径效应和非视距传播带来的误差州。 前者可随着定时技术及信号检测技术的发展而降低，而后者则主要取决于信道环 境，可以利用相应算法减少其对定位精度的影响，是现在各国研究的重点。 1 、多径传播 无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间测量的定位方法产生较大 误差，其主要原因是多径传播会对测量代表用户设备和基站之间实际距离和方位 的直射路径( l o s ) 信号的角度和时延产生较大的干扰。窄带系统中各多径分量重 叠将造成相关峰位置偏差，宽带系统能够在一定程度上实现对各多径分量分离， 据此可以改善定位精度。但是若反射分量大于直达分量、干扰影响等均会引起精 度降低。目前已提出一些抗多径传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计 及扩展的卡尔曼滤波等。 2 、非视距路径传播( n l o s ) 非视距路径传播( n l o s ) 是蜂窝网无线定位主要误差源，即使在无多径效应 和采用高精度定时的情况下，n l o s 传播也会引起t o a 或t d o a 测量误差。在 n l o s 信道环境中，t d o a ，r o a 测量误差为一具有正均值的随机误差，在不同 的信道环境有可能服从指数、均匀、高斯或d e l a t 统计分布，且t d o 棚a 测 量误差的正均值通常具有随用户设备至基站距离线性增加的趋势。因此，如何降 低n l o s 传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低n l o s 传播影响的方法 有：利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的n l o s 测量值调节到接近l o s 的测量值：降低l s 算法中n l o s 测量值的权重，在l s 算法中增加约束项等。 由于对n l o s 传播模型以及所带来的误差概率统计特性仍然缺乏足够的认识，因 此至今还没有一个完全有效的方法来解决这一个问题。在目前比较常用的鉴别和 消除n l o s 误差的算法有以下几种。 2 4 1w y l i e h o l t z m a 方法 在文献中w y l i e 和h o l t z 】i 】a n 首先提出了利用每个u e 距离( 或时间) 测 量值的时间历史与测量噪声标准差、方差、残差分析秩测试相结合的方法来判断 距离或时间测量值中是否存在n l o s 误差。该方法基于n l o s 环境下距离( 或时 间) 测量样本的标准差明显大于l o s 环境下的标准差这一前提将实际测量样本的 标准差和l 0 s 环境下的标准差进行比较，就能判断测量样本中是否存在n l o s 误 差。基于时间序列的测距模型可以表示为： ，j = ( f ；) = 上。( f ) + m 。( r 。) + 舰。( r 。) ( 2 一1 ) 其中m 为n o d eb 序号i 1 1 = 1 ，2 ，m ；i 为采样时间序号，i = o ，l ，2 ，k 一1 ： 三。是u e 到n o d eb 的真实距离；九。是标准测量误差；m ：傩，是由非视距引起的 误差。如果n 。d eb 的坐标是( ，) ，u e 的未知坐标是( x ( f ；) ，y ( f 。) ) ，则 u e 与n o d eb 之间的真实距离可表示为： r ：一 工。0 ，) = ( x ( f 。) 一x 。) 2 + ( y ( r ，) 一y 。) 2 ( 2 2 ) 假定在第m 个n o d eb 检测的距离测量值为( r 。) ，采用n 阶多项式来拟合 测量的距离k ( r ，) ，则可以表示为： 1 2 厶( ) = ( 功彳 ( 2 3 ) 月= 0 其中n 。( n ) 是回归多项式的n 阶项的系数，可以由下面的公式来确定： 疗。( 0 ) a 。( 1 ) 口。( 一1 ) 其中 ( f o ) k ( n ) ： k ( f r i ) v _ 唧d 明妊k ，：一 i 露f ： 利用最小二乘技术求解出未知系数扛，( n ) 盟，平滑后的测量值可以表示为 ( f ) = 蠢( n ) o ( 2 4 ) 测量误差假设是方差为的零均值高斯分布，而且考虑( f ) 有上下边界，即 ( ) z ( o ，爵) ，一d 。月。( ) 口。如上所述，n l o s 被作为一种额外的误差 项，通常服从均值为u ，方差为占孟。，的分布。n o d eb 通过比较测量值的方差 ( 或标准差) 与测量噪声的方差( 或标准差) 来检测是否是n l o s 传播。如果测 量值的标准差大于测量噪声的标准差，则测量值是n l o s 传播的数据。w y l i e 和 h o l t m a n 提出一种在n l 0 s 情况下消除或抑制t o a 测量误差的方法n ”。算法可 以归纳为： 1 检测一个n o d eb 的测量值是否是n l o s 情况下的； 2 对于n l o s 的n o d e b ，计算d = m a 5 。( f 。) 一k ( f ，) ) ； 3 对于n l o s 的n o d e b ，用j ，( f 。) = j ，( f ) 一d + a 。取代拟合曲线； 4 对于l o s 的n o d e b 不进行纠正，j 。o ，) = j 。( f 。) 。 咭；囊 2 4 2 假设检验判别方法 文献i ”】中，j o a nb o r r a s 将n l o s 造成的附加超量时延分为己知概率分布和 未知概率分布两种情况进行讨论，并提出了相应的n l o s 假设检验判别方法。从 上一节的分析可知l o s 和n l o s 环境下距离测量值误差的标准差的差别很大，且 误差服从明显不同的概率分布，因此可以采用二元假设检验的方法做出以下两个 假设： h 。：x 厶。，l 0 s 环境，误差先验概率为p ( 风) ： 日。：x 厶。，n l o s 环境，误差先验概率为p ( 县) ； 其中x 为独立距离测量值矢量，屯和 。分别为l o s 和n l o s 环境下x 的 概率密度函数，显然尸( 风) = 1 一p ( q ) 。在l o s 环境下，可认为厶。，为零均值高 斯概率密度函数，因此在实际信道环境中如何确定厶。是研究的关键问题。 2 4 3l s 算法的改进 主要思想是降低目标函数( 2 6 ) 中n l o s 测量值的权重，使估计结果以l o s 测量值为主。这种算法与等权重算法相比很好地提高了定位性能。但是这种方法 同样也要求区分n l o s 传播与l o s 传播。其中一个主要问题是权重的确定。 2 4 3 1 无约束条件的非线性加权最小二乘算法 假定位于( ，) 的移动台在o 时刻发射一个已知的射频信号，则位于 ( 一，m ) ，( x 2 ，y 2 ) ，( 矗，n ) 的n 个基站接收机在1 ，f 2 ，时刻分 别接受非视距传播、多径效应和噪声干扰影响的该信号，则有以下t o a 残差函数 为： z ( 。r ) = c ( r 。一r ) 一( x t ) 2 + ( ) ，一y ) 2 ( 2 5 ) 其中c 为电波传播速度，( x ，y ) 为移动台的假定位置，t 为系统基准时间。 显然各z 中的未知量取某一确定值时，即x = ，y = 儿，f = 时，各z 应能同时 为零。但由于在蜂窝系统中受非视距传播、多径效应和噪声等不确定因素及测量 设备精度的影响，各一会有一定的且不同的时延误差，因而不可能有一个( 工，y ，f ) 1 4 值使所有的，能同时为零。为了确定移动台的位置，按最小平方和构造一个新的 目标函数： ， f ( x ) = “；( x ) ( 2 6 ) 其中a ，为表征第i 个移动台接收信号可信度的加权因子。移动台定位问题即 演变成求解f ( x ) 取得最小值的非线性规划问题，所解出的坐标值即为移动台的 估计位置。 该算法通过使非线性误差函数的平方和函数取得最小值这一非线性最优化 过程来估计移动台的位置。有多种递归算法可以进行求解，可根据具体应用灵活 选择。目前求解该非线性规划目标函数的方法主要有以下三种：最速下降法( 梯 度法) ，泰勒级数展开法和最大似然估计法n 4 。1 9 】 1 最速下降法( 梯度法) 我们根据以下递推公式进行连续的位置估计更新： 以+ l = 五一v ，f ( 托) ( 2 7 ) 其中u 表示最速下降法中每次搜索的步长，是一个常量，v ，( 五) 表示在 五点的梯度，将它作为我们每次搜索的方向。v ，= 羔，以= ( 坼，儿，“) 7 而且 姒 v _ f ( 墨) j 如= 飘 乳 望i a fh 2 搿批丽专褊、【冀片一x i ) + 【y f y 。) 2 酗孤五丽焉褊q u k x i ) 七l y k y t ) 一2 c ：口? z 僻。) ( 2 8 ) 由于与x 和y 相比f 很小( 芦级) ，所以步长u 应尽量小使t 能收敛到一个 解，选用对角矩阵：= f 喜 o 弘y 0 曼 。这样按照c z 一，递推下去直到 j v ，( 以) 8 时停止。这种算法的缺点是收敛速度慢。 2 泰勒级数展开法 这种算法的思想是用泰勒级数在五将( x ) 扮展开，如 ，( x ) “，( 五) + 占7 v z ( 以) ( 2 9 ) 这里占= ( 矗，西，t ) 7 = 一以，将( 2 9 ) 式代入( 2 6 ) 式，并求解 v 5 f ( x ) = 0 ( 2 一1 0 ) 对于6 ，向量按下式更新： 鼍+ = 五+ 占 ( 2 1 1 ) 再把得到的新值代入( 2 9 ) 中，如此反复直到满足阪卜b 卜卜c 陲l o ，且丘+ ，k ) 是一个单调下降序列， 羔l ，；( x ) r 1 为惩罚项。也可以根据实际对不同的约束加不同的的权重，或者选 取不同的罚项，如：羔防( x ) r 2 这样，原来求f ( x ) 在工( x ) o 下的极小值问 题变成了求p ( x ，屹) 的无约束极小问题。对一个固定的气得到第k 步最优解，当 九斗0 时，z ( _ ) 斗，即原问题的最优解，这时满足所有约束条件。当连续几 次迭代都没有使目标函数发生变化，停止迭代。 2 ，最大似然估计法 在存在视距传播的情况下，有下式存在 一2 = ( 一x ，) 2 + ( y 。一y ，) 2 = k ，一2 x ，x 一2 m _ y + x 2 + y 2 f = 1 ，2 ，( 2 2 0 ) 其中 f k ，= z ? + y ?( 2 2 1 ) ll = c z 由于存在平方项，方程( 2 2 0 ) 是一个非线性方程，但通过令变量r = x 2 + y 2 ， 可使方程( 2 2 0 ) 变为线性方程： 一2 一k ，= 一2 x ，x 一2 j ，y + r f = 1 ，2 ， ( 2 2 2 ) 由于式( 2 2 2 ) 中的r 并不是与x ，y 无关的变量，因而在解出他们的值之后 再将他们的值代入另一线性方程，使他们之间的关系得以满足。对式( 2 2 1 ) ， 令z 。= i ，y ，r y ，误差矢量为： = 一瓯乙 ( 2 2 3 ) 其中 = _ 2 一k 1 孝一k ： g 。= 一2 x i一2 y 1 l 一2 x 2 2 y 2 l 如果把真实值表示为寸，瑶，测量值为 误差矢量：2 c 勘+ c z n ) ，曰= 戚昭k 。， ，则可表示为l = 妒+ c n ，而 ，以 用最大似然( m l ) 法对式( 2 2 3 ) 进行估计可得 乙= a r g m i n 妇一瓯z 。) 7 一( 矗一瓯乙) = ( q y ”1 吒) 。嘭p 一 其中： y 9 = e ( y 1 ) 4 c 2 b q b ( 2 2 4 ) 在上式中，q 为估计噪声的协方差矩阵，b 矩阵对角线上的元素为源点到各接收端 的真实距离，在估计时尚为未知数，但我们可以先用测量值，代替甲，砖 估计出一个初始解，然后用此初始解算出其对应的b ，再将b 代入式( 2 2 4 ) 求得更 准确的解。如上进行重复迭代即可得到足够精确的一组解。因此可以求出对应的 z 。及其协方差矩阵c o v ( 乙) = 忆乏j = ( ：f ，”1 g 口) 一。由于上面的求解中，假 设x ，y ，r 是相互独立的，但事实上他们之间存在着一定的关系，因此我们应该 将这个关系结合进去可以得到更好的估计结果。 另外，需要说明的是，还存在其他的目标函数如用( x ) i 代替z 2 ( x ) ，但都 不如最小平方和的性能好。， 2 4 4 残差分析方法 在文献中，提出了通过计算t d o a 测量值相对于u e 参考位罨的残差来鉴 别具有n l o s 误差的t d o a 测量值的方法，该方法也可以推广到t o a 定位法。 在文献中，p i c h u nc h e n 提出了一种利用定位残差对定位结果进行加权， 以降低n l o s 误差的不利影响，提高定位精度的残差加权算法。 文献【2 0 】的仿真结果表明，该算法在一定条件下对n l o s 误差能起到明显的 抑制作用，但计算复杂性较高是该算法的一个主要问题。 第三章基于小区i d 的定位法( c e ui d ) 在多数情况下，c e l li d 是一种基于网络的定位方法，因而不需要对终端设 备作任何改动，只需要对网络的软件作很小的改动。该方法使用每一小区唯一的 c g i ( c e l lg 1 0 b a li d e m i t y ) 来确定u e 的位置。该方法的定位精度主要取决于小 区半径及网络拓扑结构。r t t ( r o u l l d 嘣pt i m e ) 的引入是为提高定位精度，它 的大小等于下行d p c h ( 下行专用物理信道) 帧开始传输的时间减去收到相应上 行帧的时间。依据r t t 的测量值以及特定的传播模型，就可以估计出u e 到n o d e b 的距离，当前的超采样( o v e r s 锄p l i n g ) 技术使得i m 的测量值达到l 1 6 码片的 精度，转换成距离精度为5 米。当进行一次定位时，服务r n c 会要求相应的n o d e b 进行回路时洲( r 阿) 测量。 c e l li d 定位法的优点主要有： ( 1 ) 网络运营商投资低： ( 2 ) 支持所有u e ； ( 3 ) 信令协议、定位算法简单； ( 4 ) 响应时间短： c e l li d 定位法的缺点主要有： ( 1 ) 定位精度低。 3 1c e i d 定位原理 c