（通信与信息系统专业论文）基于ssdoa的cdma移动台定位技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生攀位论文第l 页 摘要 近年来，无线通信飞速发展，光线用户劂增。无线通信来了便利，也带辩乏了 越米越多啦负面影响。现代他的通傣工具阉时也为各秘犯罪溪动提供了便刹条 俘。侦破岛手机相关的犯罪活动已成为公炭机关打击犯罪的个重点。由予无 线定位技术能够提供手机的位置信悫，为拄老犯器提供了有利条终，毽拢繇究 无线定位技术也成为光线通信领域研究的一个重点。 零论文镑对舞蕊墓肉步 纛线定像技零豹臻究瑷凌斑爨了一耱基予独立设备 的定位方案。在这种方案中，侦测站可以在c d m a 网络中自由移动，并根搬需 要使雳不嚣参数进行囊位。菇终，逮耱定位方豢不会影璃无线秘络鸯移动余靛 正常工作，不需要对无线网络或移动台做任何改幼。不会增加信令负载，因此 蒋潮逶瘸子貉嚣鼹踩。论文将瘟霜予这释方案鞠定位算法俸为研究鬟点，蓠先 分析了c 肌蛾算法、w 心l o r 算法的基本性能，在此基础之上确定了基本定位 算法。由于受鞠彩衰落静影响，基本算法的定位精度并不理憨。为魏我们提出 了两种改进方式：利用前向镳路的相关性可以减小阴影焱落的影响；通过多次 铡爨取平均值w 以提高定位精度，仿真绪渠验证了这两种方法是有效的。智能 天线的广泛应用，使耩确测向成为可能，研究表明加入角度偿息也够改装定 位性能。基于独立设备的定位方案的特点决定了定位过程中成使用场强参数， 鼠此在e d m a 2 0 系统中要实现这秽定位方寨，如露获缮导频强度溅爨漤患戏必 关键。为此本文分析了导频强度测擞消息的结构，确定了影响这个消息发送的 凡糖主娶嚣素，劳提出了足季孛获褥移频强发溅量淡惠熬方法。 关键蠲：穗i 珏濑系统；无线定鬣；售瀵模墼修正；努达鬃焱差 西南交通大学硕士研究生学位论文第 l 贾 舳s 耋黻畦 r e c 。n d y ，w i mt h br a p 斌d e v e l o p m e n to f 悄r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h en u n l b e ro f s 曲s c f 协e 菇 h 鑫s 髀a 蛀y i 驻e 跫笛e d 。妇l e s sc o m i 珏戚蕊泌珏轰3 s b o 珏g h tg 薄8 主 e n i e n c et os u b s c 椭e t s ，w h i l ed i s a d v a m a g e so fi t 盯e8 t i u m i n gu pm o 托州 m o r e s n c cm o d e mc o m m 讴正e a 墩mt l s n l db eu s e db ye 五m i n a l s ，p d b l i cs a f c t y d e p a r t m e th a sa l r e a d yp a i dm o r ea t t c n t i o nt ot h ec a s e sr e l a t e dt om o b 姓ep h o 矬e s 。越 w i r e l e s s1 0 c a t i o nt c c h n i q u e sa r e 蠢b l et 0p r 0 、r i d et h ep o s i t i o no fm o b i l ep h o n e s ，p 0 1 i c 馘瑶搬e 醢s eo f 搬e s e 辩e s s a g e s ，w 蜮e s sl o 握t 量。建h sb e 始ab y 擎。主珏速穗e r e 8 e a r c h0 fw i r e l e s s m m u n i c a t i o n b a s 礤o n 耄圭l er e s 破8 t a 诹so fw i l e s sl o c a l i o nt e 曲戚q u e s ，t h i s 也e s i sp r o p o s 龋 al o c a t i o ns c h e m eb a s e do a n 她d e p e n d e n td e v i 。ht l l i ss c h e m e ，如ed e t e c l i 鹋 s t a t i o nc a l lm o v ca n y w h e r ei nt h cn e 帆r ka n di sa b l et 0m a k eu s co fd i 凰r e n t p 皴峨瞻毽幻l o 髓| $ m 曲狳s 攮蛙。珏s 。勰 臀辅e ，龇瑾o b i l e 露黼e s 糕d 壤e 蹦k 赫 n a t w o r k sc a nw o r k8 s o r m a l n e i t h e ri si n o d i t i c a t i o nn e e i i e do nb o t hn e 咖r ka n d m 曲i l os t a l i o 粥，妁ri s 也ea 馨m c n 池唾霉甜i n g 。髓n s ，t h i ss c h e m oi se s p e c i a l l y s u i t a b l ef o rt r 毡幽n gc r i m i n a l s 耽el o 钳娃0 na l g o r i t h mo ft l l i ss c h e m ei st h eb y p o i n t i n l h i st h e s i s b a s e do ni h ea i l a l y s e s0 ft h et a y l o 卜s e r i e sm e t l l o da n dt h em e t h o d p 糟p o s 磁弩y c h 毯，蛙砖b 勰i c 鑫l 塞瞳垃糕担d o 蛔强妇e d ，弱eb 8 s i cm e 攮o di s 珏。t 辩 g o o di i ls i n l u l a t i o nb e c a u s eo f 也os h a d o wf a d i n g 讹u st w oi m p v i l l gm e t h o d sa r e p p o s e d 遮灏s 也e s i s ：氇ec o f r e l 撕o n 船量b 耕a r dc h a n n e l sc 她a 珏e v i a t et h o s h a d o wf a d 协嬲a v e r a g i n gt h ee s t 妇a l e dd i s t a n sc 徽i n l p 瓣v el k l o e 珏娃。丑8 0 0 l l i a c 弘 甜i e s ea r ep r o v e db yt h es i m u i a t i o nr c s u l t s 味ew i d eu s eo fi m e l l i g e n ta i l t e n n am a k e 穗e 鑫c 锚糟l ed i 辖c l 量。菇氆髓s 珏黼撼lp o s s 遗l e 蘸藕连氇ea ( 秘豫e 越端c 熏迅矗m e a s 越r e 芏珏酬 c a ni m p r a v et h ep e r f o n 8 n c eo fl o c a t i o na 1 9 0 r i t l l m t h ef e a t l l r eo f 也e1 0 c a t i o n s 确船eb a s 。do na ni n d e p c n d e 髓td e v i c e 糟q 谵e st l l ep i l o ts i 髓啦s 椭n 垂hb et l l o p a r a m c t e f 扭t h el o c a i o np r o c e s s i 觳& b u th 铡9l og c tt h e 戳l o ts 怯o n 垂hm 髓s 毽靶m e 燃 m e s s a 萨i st h ek e yo ft h oi m p l 锄e n t a t i o ni n t h i ss c h e m ei nc d m a 2 0 0 0s y s t e m 弧e 辑勤端i 珏糕s 凌熊i s ，蛙摊s 拄髓铤糟醚l 如p i 礁s 毂韶垂h 汝a s 毽r e 趣暇汝s s a g ci s 西南交通大学硕士研究生学 立论文第l ll 页 a n a l y 嚣e d ，m a i nf a 戗o r st o 勰u e n c 。t h i sm e s s a g e a r cd c t e h n 沁e d ，a n ds e v e r a im c t l l o d s t oo b 槐遗h i sm c s s a g e 矗f ep r o p o s e d 歉y w o r d s ：醴趣8 2 0 s y s 钕琏；w 洳l e s s 抽c 域女陇；c h 鑫n n 畦m 醚e l ( 邋氆球拓鞋； s s d o a 器毒交遴大学硕士聚究生学位论文第 贾 第羔章无线定位技术概述 无线定整遴豢是搓剃建无线奄定位设鏊逶避黠无线瞧波进纾溅量，鼠恧确定 地球表丽某种物体在某一个参考坐标系中的位鬻。它鼹保障人擞交通安全和军 事活动魄一罩申黧要手段，在现代社会中发挥着越来越重簧的作用。 l 。1 蜂窝穆动台定位技术 在蜂窝网中，定位移动台可以利用小区本身的特征参数，也可以利用移动台 或基蘩发射静无线信号，麴整1 1 所示 图卜1 蜂窝网中定位的技术 1 1 1 基于小区参数的擞位方法 在实际的无线通信系统中，为了使移动台( m s ) 能够接入系统，基站( b s ) 不叛逸遴过寻孵覆道、广援信瀵等公鼷售道发邀公共僚惠。其巾，存一耪售崽 能够唯一标识无线网络以及蜂窝小区蕊l i ，i d 。一般地，蜂窝小区的位置就是 其中b s 的位置。那么，m s 的位置就可以用其服务基蛄敬位置寒近似袋示【。 如图1 2 所示： 箱南交通大掌颂士研究生学位论文第2 页 圈l 幢晓娃r d 定位 这种定位方法简单，并且不需蔡增加额外的信令，在实际中得到了广泛应用。 毽是，这毒孛方法斡定位糖度与枣区密度窍关。在城紊熬环境下，翻予，l 、嚣密凌 很高，该算法能够给出相对精确的位置。但魑，在郊区或者在农村，由于覆盖 熬枣送一般燕宏，l 、隧( 夺蒎半径在l k 鹊戳上) ，该冀法静精度藏会受甍缀丈静 限制。依靠这种方法一般不能满足实际的需要。 1 1 。2 基于方位角测量的定位方法 基于测量方位跫的定挝方法利用测爨的至# 达囊( a n 垂eo f 恕矗v & l a o a ) 实 现定位翻。该方法谶过基站接收天线阵列测出移动台发射电波的入射角，从而 构成一条从接收机至移动螽的径起连线，鄹方位线。移动台位于努位线上，鼙 烛( 咖等 ( 1 _ 1 ) 不考虑噪声的影响，两条绒两条以上方位线即为移动台的位置，如图1 3 所示 器鸯交逶大攀颧士磷究生学位专全文第3 燹 圈l 一3 角度定位 多绞传播会造成方像绞鹃霜瀣扩藏，方霞线扩震袋一个赢澎，几个离形稻交 产生一个特征区域，移动台位乎其中。这样就产生了模糊性。利用增加天线元 豹方法，露越鬟裔方位建嚣售诗壤度，继霜露巍会带来藏本熬矮魏。 l 。l 。3 基予信号强度测爨的定位方法 无线信号凌传竣过稷中强度按一定瓶律衰减。皇由空阀中傣号强度褒减f 3 l ； 丘g ) 。f 掣丫 ( 1 _ 2 ) 、 ， 蕻中，d 是发射机与接收机之间的距离， 是信号的波长。 获锶了移动套发射俊号至达周围基炼的衰减，就可以绩诗移渤套与糖应移动 台之间的距离 稍。基予剡达场强( s s q a ) 、到达场强差( s s d q a ) 的定位方法 先将信号的路饺损失转换为移动台与相皮基站的估计躐离，然斌展开定位运算。 若融知不同基站的嫩标( 五，x ) ，那么移动台( x ，) ，) 与周围基站就可以确定出 不露毂灏，靼 县一( 置一2 + ( 誓一y ) 2 ( f 一1 ，2 ，m ) ( 1 3 ) 不考虑骠声鹣影嫡，这麓强静交点帮为移动台豹位置，如图1 。4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜4 圆定位 由予墓蛄的位鬟不变，勇么任意两个纂靖之闻盼嘏离也就是一个常嚣。j c 于于 = 维定位，被定位移动台也可以位予以这疆个基站为焦点的双照线上，即 冀。t 羁一墨 ：撕i 丽撕i 丽窜。2 ，3 ，掰) 1 _ 不考塞礤声斡彩嚷，a 令黢夔线熬焦患藏楚移动衾熬毽计谴援，懿葱1 5 掰 永。 黧l 一5 双藏线定链 在s s q a s s d o j 气中，定位性能依赖予路径损失模型的准确性。根据信号衰 减，如采路橙损失横墅麓够准确魄嵇计信号传输距离，那么定位精度会很高； 否则，定位糖发会缀差。终端与基站之闻往往存在j # 规距凝象，多径效应瓣信 号强度肖很大的影响。另外，天线的倾角等条件也会影响傣号强度的测量值。 秀了亮暇多径效应静彩嫡，国舞学者掇出了增强嫠场强铡量技术( 嚣s s o a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和信号指纹技术【5 】( s i 辨a 1f i n g c r p r i n t ) 。这些特征包括多径部分，以及其它特性。 在一个特定的使晷，信芍特征就会舄其它像熏躲不同。事先在嚣令小区内避行 大蠹豹实遣信芍瓣量，提取信号豹特征参数将其特征绦存在宠大的霹络数据中。 然后根据实际接收的信号特征在数据库中进行模式匹配以最终确定移动台所处 的像爨。这秘方法毒缳广阔的应瘸兹景，不嚣要慰菱蛙熬软硬佟徽犬貔改漤， 但如何建立、维护升级数据库是该技术最为关键的问越嘲。 l 。l 。4 基手时运测燕鹃定缓方法 秃线信号农空中以一定的速发( c 一3 l 妒搬，s ) 传擐，如聚获褥了移动台 发射信号至0 达周围基站的时间，就能够得到移动台与相应基站之间的距离。即 尽= c x t ( 1 5 ) 获褥信号传播时间，就能够信计出移动台与基站之间的距离或糟距离差，根据 式( 1 3 ) 和式( 卜4 ) 定位移动台。 蒸子銎l 达辩润羹撼eo f 怠幽砖蛩0 a 、蘩这露游差( 蘩擞$ d i 撇l c eo f 加r i v a l ，) o a ) 的定位技术已经衣飞行器导航、卫星定位等多个领域得到了广 泛皮粥。在无线定位方蕊，由于系统自身的特点，这种方法也自表现出根优异 豹瞧辘。 1 1 ，5 定位技术的成用 j 曛年来，随着无线通倍技术的飞速发展，无线用户数激增。移动通信系统在 绘人们带来匿太便利的阕对，其移劝性和不璜定性也飨挺会带来越来越多戆阕 题，瓣诧对移动台定位投术的要求也越来越漪。无线定位不仅黥改善无线网络 性能，也能给巍线运营商带来新的业务，还能为打击行事犯罪提供新的手段。 主要废鼹予戳下且个领竣： 紧急呼州：在美国，无线用户拨打紧急呼日q ( e - 9 1 1 ) 的情况越来越多，联 邦通信委员会( f c d e r a lc 0 衄t m i c a t i o n sc c l m 面s s i o n ，f c c ) 予1 9 9 6 年7 月， 栽是套运鬻嚣黎蕤够定筐酗l l 浮鹾，势显薅定霞精度 薮了烧定曩苁就之 后，无线定位技术受到设备商、运营商以及业务提供商越来趟多的重视。 西南交通大学硕士研究擞学位论文第6 页 网络规划；无线定位技术可用于网络规划以及无线资源管瑕吼小区之间的 切换最璧蹑的是确定切换后移动台的服务小区。嚣线定位技术能够提供移动 台的其体位置戳及运动方岛，这些倍感麓够帮渤蠢线弼络确定留换譬书区， 在提高了切换效率的同时也改善了系统性能。 车辆管臻：无线定键的一大威用就是攀辆管理【9 l 。根据无线定位技术融经开 发出缀多智髓运输系统( r 瑙) 。汽车公镯利用智能运输系统跟踪车辆，有效 地管理攀辆，提高服务质量。 往萋鼹务；在无线瓣络飞速发展约今天，传绞妻孽谬密逶售缝缝无法瀵怒广大 用户的需求，新的增值业务艨出不穷【l o 】。例如，中国联通已经推出了成熟 的商用系统- 定位之星”。 狂嚣蹑爨：无线定挝技术琴苏绘爨爰户戆其镩搜甏，这怼予公安辊美打蛊犯 罪、进彳予反恐起到爿# 常重要的作用。 另外，无线定位还能馒逯营商建娆完善的自费体制，降低用户成本。 1 2 蜂窝移动台光线定位方案 在蜂窝潮络中进行移动台定德，根据定位主体及采用的设备不同，可将定位 方察分为四类：基于移幼台的定做方案，熬于网络的定位方案，辅助g p s 定位 方絮鞋及基予独立设备粒定位方鬃。 1 、莲于移动台的定位方案：猩这类定傲系统中，移动台接收多个斟定基站 发射的光线信号，由相关模块提取与位疑有关的特征信息( 罚i a 、t d o a 、 a 激、s s o a ) ，势蠹定位模块完残对冀蠡赛熬定经。 2 、基于网络的定位方案【l l 】：在这类定位系统中，多个固定基站接收移劝台发 射的无线信号，每个基站提取相应的定位参数。然后将这些参数传送给网络 孛懿定位审心，枣愆使孛心突袋对移动套懿定整。 3 、辅助g p s 定位方案f 1 1 】：在这类定位系统中，采用g p s ( 全球定位系统) 定 位方案，由集成在穆动台上的g p s 接收机和网络中的g p s 辏助设备剥用 s 系统实凝对移渤台定位。 4 、基于独立设备的单站定位方案f 1 2 】：在避类定位系统中，利用独立予觅线网 络之乡 的摹一设备接收空中接日中有关穆魏台的淤患，提取凝中於定像参数 ( 骶璇、硒。a 、翱a 、s s o a ) ，再避行相关寇彼处理。其中，这个独立 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 设备是一个单一定位站，即单站，我们叫做侦测站( d e t e c l i n gs t a t i o n ，d s ) a 在实际系绞孛，这秘应瘸蔟测涎进霉无线定僚毂邀程，# 撵单蛄定位。 在2 g 无线系统中，如果采用基于移动台的定位方案或者辅助g p s 寇位方 案，裁要在移确台孛增燕耱瘦匏( 潆s 信弩薤瑾模块淤及定位模块。勇矫，巍完 成定位，还要增加网络中棚应的控制信令，给光线网络带来额外的信令负载。 纂予弼络的定位方案由于葵对系统煞改动小、不需要额乡 静信令等特点，受至l 了广泛皮用 i l 】。由子3 g 系统从开始就考虑到要提供基于位置的服务，无论是 湖络信令还是移动台的构造都提供了对无线定位的支持1 1 3 l 【翊，基予移动台的定 位方案或者辅助g p s 定位方案，内于定位精度赢，将成为未来通信系统的酋选 方案。蒺于独立设备的定位方案具有灵活、移动性强的特点，可以在移动台与 基站不知情的漪况下进行定位。黢此，遮秘方嶷受到了公安、安全等厘家规关 的普遍装注。 1 3 定位误差来源以及定位精度标准 无论是无线环境还是无线通信系统本身，都会对觅线定位带来很大的误差。 分辑误蒺来潦霄裂予麸摄零土减夺定位谈差，菇秘，确定檬准便予院较备种定 位技术的性能。 l 。3 1 定位误差来源 使鼹场强法定位过程中，误差来源有缀多中，其中景主要的几釉误差如下： 夺非税距误麓：如槊基站和移动台之间存在阻隔物，那么移动台发射的信号不 能纛接至g 达基站，这秘摄现稔必 我距。磋城市的嚣境巾，# 援距现象戈戈 严黧，这样导致路径损耗增加，从而信号传输的估计距离变大，导致定位误 差的出瑗。 耷模粼预测误差：一般使用的路径损失模型都是基于经验测量的路径损失模 壁。这转模委l 最夹熬竣蠢就燕辕乏蛰遍逶髑洼l 於l ，在餮霜蓠一般要耄薪鹣 环境下进行修正，否则就会造成很大的误差。但是就算进行了修正，也只能 使鞭溪l 穰羹在一定程瘦主遁邋实测数据， 骶不瑟完全清除误差。 夺阴影衰落：无线通信环境非常复杂，信号的大尺度衰落艇现阴影衰落【1 6 l 。 糟南交通大学硕士研究生学位论炎第8 贾 对于基予场强的定位系统，移动台与周围基站之间的距离由路径损失模型估 诗爝出。由于存在翳影衰落，对路经撰失弱绩毒专嫩现缀大馕蓑，最终爵致定 位精度的下降。考虑如何补偿路径损失，减小阴影衰落的影响疑基于场强的 定霞系绫不褥誉考虑豹滔题。 夺测量误差：任何仪器在进行测量时都会有一定的误差，筝机在测量导频强度 露瞧不馕终。 夺量化误差：手机对导频强度的测量存在量化误差 l 。3 2 定位精度评价指标 为了正确评债务釉定能算法程实鞲蜂窝隧络环境孛鲍定位性黢，鬟要罄先礁 定评价定位准确率的指标。有多种指标，目前最常用的是定位解的均方根误差 ( r o o tm 嗽s q u 越ee r m s 嚣) ，吏控撵罗下赛( q a 氆辨r a o 轴w e r 黔。强文 c r i m ) 以及定位谈差累积分布函数( c u m u l a l i v ed i s t r i b 们o nf u n c 畦o n ，c d f ) 。 l 、均方根浚差( r 艇s e ) 定位解的均方根误差袭示为： 娌 艇* k 一砖2 + y o 一粥2 】 其串，a k 梵，j 、予一定门黻簇的测量次数；弼慧静测量次数。 1 4 基予c d m a 蜂窝网络的定位技术 1 9 9 9 年1 0 月r r u 在赫尔辛熬举行会议确定了3 g 的5 中方案：日本和欧洲 缎w 强绫、美国的e 睡燃、巾国瓣豇) s e d m a 、美霪戆v w d l 3 6 骧及黢 洲的d e c t 。到目前为止，应用最为广泛的是w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。 1 4 1c d m a 反向链路定位 c d m a 殿向链路定位方法属于基予传输躐离的定位方法。移动台附近的基 始整游移动裔的发射信号，然后对这些信号进彳予互福关运算得虱t d o a 镳计值。 利用基于传输距离的定位方法就能够确定出移动台的具体位置。c d m a 始宽保 证可戳获得炙锐的相关值，从而可以保证住警估计的精度。 反向链路定位不霈要移动台蔓动参岛定位。但是为了完成定位震要3 个或者 3 个以上的基站都能检测到移动白的发射信号。而移动台的发射功率相对较低， 很难被多个綦站同隧捡测，这裁产生了“可暖瞧”阅纛。这耱“霉暖性”翊越可以 由功率控制的方法来解决。 1 4 2 c d m a 前向链路定位 m a 前向链路定位方法同样属子基于传输距离的定位方法。在c d m a 刚 络孛，基鳐持续广搔前商譬频镄蔽梳净翔诿移幼台检溯c d m a 信道静存在并为 解调撼供定时信息，不同的基站p n 序猁具有不同唯一的偏置。移动台遇过搜 西南交道大学硕士研究生学位论文 第1 日页 索并锁定在一个固定的导频伪随机序歹u 上，这样移动台就可以识剐从某个特定 基站发射款偿号。剥用导频售号的壤量，可以获褥髓0 峻测量僮，剥鬟基予传 输距离的定位方法可以获褥移动螽的具体位置。如图卜6 所示： 瓷哥姓蜊 咎劫台 ( 妇加) 圈卜6c d m a 前向链路定证 1 4 3c d m a 中移动台单站定位 在实际系统中，为了在基站与移动静之间建立联系，两者都不断地发送无线 信号。在单旗定位遴程孛，谈 燹| | 嫔监溅基站秘移黎囊发瓣傣号强发戆交往，校 据信母强度特征，使用s s0 | a 或者e s s0 a 完成对移动台的定位。l d c u s 公司在 增强场强法蒸爨上懑经瑟秘密一零孛疆变定整嚣，这耱定位器靠一块毫渣虢胃潋 连续工作1 6 天。这种定位方式灵活、移动性强，并鼠不需疆对网络以及穆动台 徽软磺侔上瀚改动，嚣魏受囊了普遍静关注。鲡何获得场强篷，翔蔼将场强德 转换为估计躐离，怒这种定位方搿：的关键。但是这种方案只自工作在p h s 系统 率，并没有纂子c d m a 系统融解决方絮翻。 1 5 本文的主要工作 在基于独立设备的定位方案中，由予侦测站很难获得时间参数，因此考虑将 移动套测量熬导频强度终为无线定位黪特征参数。赉予导叛强度瓣衰落每赞揆 黼 风函 0 戡埘 黼 酉赢交通大学硕士研究嫩学位论文第l l 贾 鼷凑有关，霹激获缮移动台与蒸罄之阕翳鞭离差，这礴羲藐镬爰疆 a k 冀法、 嚣澄l o r 箕法等双莲线定位方法辩移麓念定位。毽是e 礤蠛算法、留心l 。r 髯 法，在实际环境中的定位精度往往不魏入意。设计一种改进算法，并且在实鼯 环境中，根据各种条件做进一步修难，怒本论文研究的主要工作。本文所做豹 凝体工作如下： 齑找资料，分析国内外研究现状； 提出基于独立设备的单站定位方案； 仿真c | 重a n 算法、瞄m o r 算法，并分析这两种算法的定位性能； 仿真数据融合、最小二乘的改进算法，分析这两种改进算法的定位性能，并 恳指定数据融合的改进算法为攀鳐定彼瓣基本算法； 傍奏藩径损耗模型，并在仿冀强骥审黠箕擎垂； 在镑奏繇饕孛，痰矮擎鼙定整葵浚，分；瞬茭毪蕤著终逶一多逶竣避； 仿寞期久溺肉僖意螽耱摹菇定筏爨法的性能： 分析c d m a 2 0 0 0 协议中与导颧强发渊黧消息的相关流程，提出几种获得嚣频 强度测量消息的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章无线定位信道模型 无线通信用户要进行自由移动，其位置不受线路的束缚，因此必须利用无线 电波传输信号。实际的无线环境非常复杂，首先，无线用户的移动会使信号产 生多普勒频移p j ，信号的多普勒频移会严重影响通信质量；其次，气候条件对 无线通信的影响远远超过其对有线用户的影响；另外，无线信号在传输过程中 接触到物体会发生反射、衍射、散射等现象，引起多径传播，无线用户所处地 域的地表环境以及周围建筑物的特征会给无线信号的传播带来很大的影响。根 据不同的需要，人们已经提出了基于时间、角度以及路径损耗的信道模型。 2 1 时间延迟模型 t 1 p 1 模型【1 1 】是一种典型的时间延迟模型，该模型由e r i c s s o 的一个移动定 位技术研究小组提出，是一种适用于评估基于时间的定位方法的模型。该模型 能产生与实际测量值相当的时延扩展和超量时延，适用于城市、市郊、乡村和 山区环境。 g r e e n s t e j n 提出了一种基于下面两个假设( 在实际测量值的基础上提出的) 的时延扩展模型： 离基站任何一个给定的距离，时延扩展服从对数正态分布； 时延扩展的中值随距离的增加而增长。 时延扩展模型由下面公式描述： 一五d 5 y( 2 1 ) 其中。是均方根时延扩展，五是在d = 1 h n 处时延扩展的中值，5 取值在o 5 到 1 之间，y 是一个标准差为吼的对数正态分布随机变量。在不同环境下，模型 的参数建议值如表2 1 所示。 的参数建议值如表2 1 所示。 西南交通大学硕士 i 阡究生学位论文 第1 3 孤 表2 1 时笙芏壁塑型变墼壁整焦 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一 模型中的每一种信遒环境包括一定数纛的散射体，每个散射体由平均功率 筑，越塞潜廷，乎愆瑟遮燕度强嬲h g a m 溉等参数表 菱每个散射锩蠹 大囊的予波组成，每个子波的对延棚同，但到达角度不阉( 服从高斯分布) ，可 以仿真每个散射体的衰落情况。不同信道环境的典体参数如表2 1 所示。 2 2 角度扩展模溅 角度扩展模型【1 8 】邋用于a o a 系统以及a 0 椰o a 混合息位系统下定位算 法努叛。浆瘸a o a 进露定霞瓣圭要误差来深是城帮懿多径传播，造成多径佟溪 的原因很多，而起主要作用的是与侦测站周围存在的散射体对无线电波的反射 与挢秀| 。鞲蓠磷究表翡，a 。a 技术囊要应褥子宏蜂窝，疆在徽蜂窝静环境下将 会带来很大误差。 2 。2 。l 宏蜂窝 宏蜂窝螅锬测站一般位予建筑物的顶端，多锓干拢小，从秘接收到鲍信号角 度扩展也比较小；而终端位予各个散射体的包围中，多径干扰严重，故所接收 裂豹僖号角度扩爱枉。蜂窝系绫鲮安测数豢表弱寡蜂窝貔a o a 骞l 震一般在2 6 魔的范阑内。 一般潦嚣下，毒戳将终螭鼷圈翁教射髂建搂为散射强，絮强2 一l 瑟示； 西南嶷避大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 围2 一l 宏小嚣穰墅 该模型假设侦测站无线位于比较高的位置上，凰远离终端发射区域，即 d 握；终端使用全向必线，发射傣号经半径为a 的蹋形区域上的物体反射蜃到 达使溺菇，襻到酶到达角概率分布密度( p d f ) 为： 岁) = 箕审，一a 粒妇n 秘，矗) ，妒一毋一芦 “磊南 当d 4 时，一4 d - k j “= 1 耳 2 2 2 微蜂窝 在微蜂窝环境下，为了降低靛测始的覆盏范围，邋常将其安飘在电线杆或者 屋檐等相对较低的位置，使得终端和侦测站都收到强烈的多径干扰影响。这种 穗滋下，在铰溪菇整缮鬟豹终蠛努篷霜霹叛诀戈远酝琵苁辩缸】戆麓篙分布， 即 )2 2( 兰 庐 妒 柚 ，iillltj 2 击r 一 _0 球蠢 陵 赫繇 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l s 贾 舭，- 1 7 。然 e 2 吲 接收角度的不确定性使得a o a 技术不能在微蜂窝的环境下使用。 2 。3 路径损耗模墼 一般遗，炙线信号鲍接收强发霹表示如强2 2 ： i 小尺度褒鞲舻 蘸 弋 入门 u 叫 。+ | 球 戈尺寰衰夕一鲐辑损失 佟轴距离 图2 2 信母强度与传输距离的关系 骰设无线傣道的冲遗响应为& 囊) ，发射傣号s ( ) 经过信道鹾，接收售母r 窖) 可袭示为 r e ) 。s ) 趣p ) ( 2 4 ) 其中+ 表示卷积。 r e ) 往往可以表示成不愿的、耀互独立的、乘性的、可分离的鼹部分f 蝴，即 ，o ) 一m o ) ，o o ) ( 2 5 ) 其孛搬蠹穴尺疫衰落鄂努、毪先夺足发衰落部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 3 1 小尺度衰落 小尺度衰落也叫作多径衰落【1 6 l ( 参见图2 2 ) 。受遂种衰落的影响通常接收 信号在很小的距离内( 几个波长) 就会使信姆发生很大的波动。在没有视距信 号鹣情况下，夺足废衰落稼献r 衅耗i 馥分蠢，帮 黼秘。j 毒唧( 一茜) 舱。 。2 6 ， 黼秘。 z 唧l 一面舱o ( 2 6 ) l ox o 农微蜂窝的环境下，咒线传播常常包括一个视距信号，这可以使接收信号的 毽络辍含一令鬻数硬，竣验表明，这秘壤嚣下揍牧镕弩缀簌r 鑫c i 醯分毒，帮 融。鼢 毒e 冲( 一等m 善卜。 。2 吲 艮幽) 虿唧r 虿m 虿j 舱o ( 2 7 ) l o并o 其中，厶( 时表示零阶贝赛尔函数a 2 3 2 犬尺度衰落 大尺度衰落也州作阴影衰落渊。由于犬尺度衰落( 参见国2 2 ) 的影响， 信号中值埘( f ) 在比较大的距离内( 几十个波长) 会发生很大的波动。研究液明， m ( f ) 服从一个凝有一定对数期望的，对数正杰分布。令s 一2 0 1 0 9 ，o 劬0 ) ) ，则s 的 概率密度函数为 卜赢。卅。以) 2 7 研】 q 川 其中，五为路径损失西予，g 为溺影衰落溷予。q 在缀大程魔上依赖予m s 所 处的地域类型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 3 3c o s 亿3 1 模巡 路径损失模型能够直接给出信号功率损炎与传播躐离之间的关系。如果不使 用路径损失模烈，人们通常要经过实地测量米获得这釉关系。这种方法简单， 毽蔗溉赘辩又不经济。缀遘兹人静努力已经挺密了缀多路径搂灸模壅。鼹径援 失模型方法分为三种：经验模型、理论模型队及特定场景模型。经验模型由于 其使用简单、逡用性强，一直受到广泛应用，如：o k 旺m u r a 模型嗍、 王8 t a 模烈i 矾、 s 砭3 i 模羹i 1 9 】等。 缀过研究，c 0 s t 2 3 1 模型具有更强的适廊性1 2 0 l ，能够给出烫符合实际情况 的仿嶷结果。鬃体模型如下： ( 拍删) 一4 6 3 + 3 3 - 9 女o 正1 3 8 2 r 一o 、 - 口) + 。9 - 6 5 5 1 0 9 l o 堍) 1 0 9 l o 矗+ 白 。 其串，载波频率丘：1 5 0 0 以o m 溅，基站天线高度蚝；3 0 一2 0 0 m ，移动台天线 高度k ：l i o m ，基站翔移动台阗豹距离d ：l 以o j 强 口( k ) 为修正阂子，对于中小城市寝示为： g ( ? ) - 器。1 0 联芦) 一o ? 国致一( 王。5 6 瑰，) 一舀，獬 大城市表示为： a ( ) 一8 。9 2 ( 1 9 器。5 嚷) ) 2 - l 。l o ，s3 0 翻煅 i 口( k ) = 3 2 0 a g ( 1 1 7 5 k ) ) 2 - 4 9 7，3 0 0 觚阮 气熟定髋一髅瓣耥区 2 。3 。4 路掇搂失模型修正 研究表明，经过合理蛾测量以及对钡量值进行搪应运舞l 够消除小尺发褒落 豹影褊，获祷傣譬弱本滚审毽淄。 缀验模型黛然具有准确、适用性强的特点，但也存在一些缺点，其中最斑要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 的一个就是缺乏一个普遍适用的模型。在特定环境下测试的结果，如果不加修 正就应用于另一个相似环境，往往会带来很大偏差，有时甚至会使模型失效。 为了减小估计值与测量值之间的偏差，人们提出了很多方修正法路径模型。文 献【2 2 】介绍一种用最小二乘法进行路径模型修正的方法。 根据公式( 2 9 ) 假设： 厶0 0 r 6 矗打) i l 州+ y x + 1 0 ( 2 1 0 ) 其中，z 伽。4 6 3 0 + 3 3 9 培( 正) 一1 3 8 2 1 9 ( k ) 一a ( k ) x 一( 4 4 9 0 6 5 5 l ；( k ) ) l g ( d ) 。属于系统配置参数，一旦系统确定，这些特征参数也就确定不变了。z 属于 距离参数，与测试点的距离有关。对于不同的网络y 、o 可能有所不同，修正 路径损失模型实际上就是修正这些参数，使经处理后的路径损失模型能更好地 符合实际的测量值。最小二乘法就是在使式( 2 1 0 ) 最小的条件下，找出一条 理论曲线，使估计值与实际测量值的偏差最小。 s o ，6 c ，) 5 善【y t 一凡瓴，4 ，6 ，c ) 】2 = 血 2 1 1 其中，n 样本个数 y l 不同场点的测量值 口，6 ，c 不同参数 最“，口，6 ，c ) 经验模型在不同场点给出的估计值 满足上式的条件下，各个参数的偏导数应为o ，即： i a s | a 口= o a 吖硒一o ( 2 1 2 ) 【 把这个结果应用于公式( 2 1 0 ) 。 令口一k + 勺，6 = y ，则c o s l r 2 3 l 模型变为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 k ；口+ 缸 ( 2 1 3 ) 假设组成口、b 的各个参数均不变，那么d 、b 也都是固定值。这样，公式( 2 1 3 ) 的最小二乘解为： 弘山，6 ) ) 鲁) 一( m 侧“。 砉( ( ) ，广厶。，6 ) ) 鲁) 。”n 刮即。 至) ，t 叫扣6 而一o 1 a + 6 # ：“) ，。) 用葺、m 表示口、b 的参数估计结果为： 最后，修正参数为： 扣鼍鼢 缸鞴 根据这种方法修正的结果为： f 厶- 蠢一k i ，- 占 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 矿 0 1 。 0 矿 1 一i _ 怒淼 i + 。一c l b r 剞e d t 、 ；i 广，气 、 + 蜂 蚶 + ：+ 。 t 一；￥ + + 、 蒜南。 奠：， 柏o +o + + “ 、趟： 孳i 筻 00 0 50 l0 1 50 20 二50 30 3 5o 40 4 50 5 测试点与基站的距离( k m ) 图2 3 修正后的路径模型 由图2 3 可见，经修正后的路径损失模型( 虚线) ，比修正前的路径损失模 型( 曲线) ，能更好地符合实测数据( 星号) 。 2 4 本章小结 根据不同的需要，研究人员提出了基于不同参数的信道模型，其中包括基于 时间的模型，基于角度的模型以及路径损失模型，本章特别讨论了路径损失模 型e 在路径损失模型出现之前，为了获得信号衰减与传播距离之间的关系，要 经过大量的实地测量。虽然这种模型能够给出相对准确的衰减与传播距离的关 系，但是这种方法缺乏一个统一的模型，在实际中，首先要对该模型进行修正。 最小二乘法能够修正路径模型，减小估计值与实际测量值之间的偏差。 ；v辞荐骚印譬罄螂蜒罐雄 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章基于距离测量的定位算法 在上一章中，介绍了如何将信号的路径损失转换为移动台与相应基站之间的 估计距离。本章主要介绍根据估计距离，求得移动台的估计位置。在基于测量 距离的定位算法中，根据一些几何关系( 圆、双曲线或者椭圆) 建立数学模型， 最后利用加权最小二乘法解超定方程组，获得移动台的估计位置【1 1 】。 3 1 基本定位算法 多个场强测量值就可以构成一组关于移动台位置的圆周曲线双曲线方程 组，求解该方程组就可得到移动台的估计位置。经过前人的研究，已经提出很 多无线定位算法其中有的算法能够给出解析解旧【斟】1 2 5 】【2 6 】【捌，有的算法依靠 递归运算给出估计值 捌。a 协n 算法、t a o r 算法定位精度高，在实际中得 到了广泛应用。 3 1 1t a o r 算法 t a o r 算法1 是一种递归算法。在一定条件下，能够得到满意的估计值。 对于一组距离测量值，该算法首先将式( 1 4 ) 在选定的m s 初始位置( ，y 。) 进 行泰勒展开，忽略掉二阶以上分量，转化结果为： 庐一啊一q 6 ( 3 1 ) 舯吲 l 是- 一 一日) r 。一 一r ) 。一( 砧一r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 矗= 【僻。一粕) r 1 一【f 2 一) 如】 【( 夏强) ，莲】一嚣鼍一南 ，毪】 j 【( 萎) ，琶】一【( z * 一而) ，j k 】 【( k 一儿) r 卜【( k y o ) r 1 【瓴一，。) ，墨卜袷；一甄) ，蕊】 ； 瞄一) 缄h 一) ，。) ，】 妓( 3 1 ) 的加权最小二裂( w b i 曲t e dh 勰ts q u 8 r e ，w l s ) 解为： 叫诗鳓耵浓跳 娼吨， 其中，q 为t d o a 测量值的协方蒺矩蹲，置g l 乏美，膨) 表示秽动台鸟基站 之间的距离。可由式( 3 一1 ) 令并- 而，y y 。箨出。在下一次递姻中，令 矗一+ a x ，y ：= ) ，o + 妙 躯复以上过程，直到缸，如足够小，满足某一设定门限： l 缸却i s ( 3 3 ) 3 1 。2a a n 算法 c m 蛾算法【2 4 】怒一种能够给出解析表达式的解的、非递归双藏线方獠组瓣 法。该算法在噪声服从高斯分布并且距离估计误差不太豹环境下，能够取得很 高的定位精度。 一、3 纂站情况 巍式( 1 - 4 ) 可缮 砰* 假j + r ) 2 ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 展开可以表示为： 式轰2 冀j 建+ 袁i t 墨一2 墨嚣一2 誓y + x 2 + y 2 3 5 ) 英孛，蕊一霹+ 誓2 当f - 1 时，由式( 1 珥) 可得， 西南交避大学硕士研究生学位论文第2 3 页 砰= k 一2 鼬一线y + z 2 + y 2 ( 3 6 ) 式( 3 5 ) 减老式( 3 6 ) ： 磕+ 2 日。墨一墨一毯，一一翟。，y k ( 3 7 ) 其中，萎。t 鼍一墨t 誓。；誓一墨 假设( 墨y ) 与琏无关，解( 3 7 ) 式： 眵】一一 妻：芝：】一x 笔：】墨+ 丢【惫：惫：乏】 c 。一s ， 为了方便讨论假设服务黧站位于坐标系原点处，即置一o ，xa o ，带入式( 1 - 3 ) 褥 碍一z 2 + ) ，。 ( 3 9 ) 令蠢2 【乏：京r ，嚣。【惫】，c 一三 惫：惫】，警入式e 3 9 ，褥： 霹一搿( 嚣遐+ c 妒啊p x 墨+ c ) 】 ( 3 一l o ) 展开得： p 4 7 a 丑一1 增+ c 8 7 4 7 4 c + c 7 爿协) 连+ c 7 “o c - o ( 3 一1 1 ) 令群辫曰7 a r a 艿一1 ，6 一嚣7 4 7 4 c + c 7 爿r 爿b ，c 皇c 丁爿f “c ，则式 变为； 区砰+ 扫r + c - o 解此方程，求褥正根，代入式( 3 8 ) 求出估计位置。 二、4 基菇毅纛情嚣 ( 3 一1 2 ) 式( 3 7 ) 中( 尚y ) ，墨为未知量。令z 。- 【鬈，足】7r 其中z ，一陋，y 】r e 褥期g a 骠声误差矢量为； 妒一 一q z 。o ( 3 一1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 式中， - 磴。一z ；一霹+ 墨 ，一霹一砰+ k 砖。一z 三一瑶+ 墨 ，g d x 2 jk j 恐j z ”薯j 玛，1 x m ly m lr m 、 定义无噪声时 叶的表达式为 + r ，故d 叫一d 0 + 吩| j ，墨j 一日0 1 + 跚u ； 又由于砰一戢+ 砰，可得噪声误差矢量为： 西= c 日n 一0 5 c 2 n o n ( 3 1 4 ) 其中，口= d 姗 趟，硝，砖) 式中。代表s c h u r 乘积。当s n r 高时，t d o a 测量值通常为高斯数据，服从近 似的正态分布，因此噪声矢量，l 也服从近似的正态分布，误差矢量的协方差矩 阵便可算出。 在实践中，册。群通常可以满足，因此忽略式( 3 1 4 ) 中第二项，误差矢量 西的协方差矩阵： 西# e 舻卜c 2 口 ( 3 1 5 ) 其中q 为t d o a 协方差矩阵。 假定z 。的元素之间相互独立，乙的最大似然( m l ) 估计为： 乙_ a r g n l i n ( 。q