（通信与信息系统专业论文）基于第三代移动通信的蜂窝网无线定位技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着移动通信的快速发展，人们对无线定位技术有了新的要求。1 9 9 9 年 美国f c c 公布的e 9 1 1 定位服务是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络必备 的基本功能。由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，国际上出现了基于 蜂窝网络无线定位技术的研究热潮。 本文基于第三代移动通信系统，对蜂窝网络无线定位进行了深入研究。 首先介绍了移动通信中常用的位置估计算法的基本原理及第三代移动通信采 用的关键技术智能天线的基本工作原理和特性。其次介绍了影响定位精度的 各种因素，分析了移动通信信道衰落统计特性，讨论了几种定位准确率的评 价指标，并对各种环境下的信道模型进行了详细仿真。最后进一步介绍了几 种定位算法以提高定位精度，并根据预多波束智能天线的特点，对接收到的 信号功率特性进行处理，估计出较高精度的移动台方位角，实现基于终端的 定位方法。 本文研究的基于第三代移动通信定位系统主要包括天线阵发射模式、接 收机工作原理、采用的定位技术，并对整个系统进行了计算机仿真，分析其 性能，进一步优化，并且在单基站系统和双基站系统中分别仿真了定位效果。 单基站定位系统采用d o a j t o a 混合定位法对移动台进行二维空间的定位， 双基站定位系统利用角度交叉定位估计移动台位置。定位系统模型同时考虑 了多种环境下，信道衰落、非视距、多用户干扰等因素对这一系统定位精度 的影响。 关键词：蜂窝网定位；无线定位；移动通信；智能天线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d 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 ，t h ed e m a n d so f w i r e l e s sl o c a t i o nf i n d i n gw e r en e w e r t h ee - 9 1ll o c a t i o ns e r v e r sa n n o u n c e di n 19 9 9b yu s a ，f c ca r et h ei n d i s p e n s a b l eb a s i cf u n c t i o no fv a r i o u sk i n d so f c e l l u l a rn e t w o r k s ，e s p e c i a l l y3 gn e t w o r k s m a n d a t o r yd e m a n do ft h eg o v e r n m e n t a n dm a r k e t so w nd r i v e r , m a k et h eu p s u r g eo fw i r e l e s so r i e n t i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c ho f c e l l u l a rn e t w o r ka p p e a r e di nt h ew o r l d 。 b a s e do n3 gn e t w o r k s ，i nt h i sp a p e rw i r e l e s sl o c a t i o nf i n d i n go fc e l l u l a r n e t w o r k sw a sr e s e a r c h e d f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fl o c a t i o ne s t i m a t i o na n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fs m a r t a n t e n n aa st h ek e yt e c h n o l o g yo f3 gw e r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，t h ef a c t o r se f f e c t i n go r i e n t a t i o np r e c i s i o nw e r ed e s c r i b e d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fc h a n n e la n ds e v e r a lc r i t e r i o n so fo r i e n t a t i o np r e c i s i o nr a t ew e r e d i s c u s s e d ，c h a n n e lm o d e lw a ss i m u l a t e di nv a r i o u se n t i r o n m e n t ，l a s t ，al o c a t i o n f i n d i n gs y s t e mb a s e do nm sw a sr e s e a r c h e d t h es y e t e mp r o c e s s e dt h es i g n a l p o w e rr e c e i v e db yt h ea n t e n n aa n dg a i n e dt h ea n g l eo fa r r i v a lt of i n dt h em o b i l e s t a t i o n t h es y s t e mw a sc o m p o s e do fs i g n a lb e a mo fa n t e n n aa r r a y ，s i n g n a lr e c e i v e r ， s i n g n a lp r o c e s s o ro fl o c a t i o nf i n d i n g i nt h es a m et i m et h es y s t e mw a ss i m u l a t e d a n dt h ec o n c l u t i o nw a sa n a l y z e d t i m eo fa r r i v a la n da n g l eo fa r r i v a lw a sa d o p t e d i nt h es i n g a lb a s es t a t i o nm a t h o d ，a n da n g l eo fa r r i v a lc r o s s i n gw a sa d o p t e di nt h e t w ob a s es t a t i o n sm a t h o d t h ec h a n n e lf a d i n g ，m u l t i c h a n n e l ，n o n e o f - l i g h ta n d m u l t i u s e rj n t e r f e r e n c ew e r ec o n s i d e r e db yt h es i m u l a t i o ni nm u l t i e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r k sl o c a t i o nf i n d i n g ；w i r e l e s sl o c a t i o nf i n d i n g ；m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ；s m a r ta n t e n n a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型垩垄 日期：2 筛年j 月1 0 日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线定位技术的发展历史和现状 无线定位技术是一项古老而又年轻的技术。定位通常指确定地球表面某 种物体在某一参考坐标系中的位置。传统的定位技术和导航密不可分，导航 是指引交通工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这一过程 通常需要定位进行辅助。除了传统应用外，近年来定位技术开始用于蜂窝网 系统设计、信道分配、切换、小区服务区域确定、e - 9 1 l 紧急援助、交通监 控与管理等。在今天，信息技术和通讯技术的结合已经成为经济原动力的代 名词。中国的网络规模和手机用户数高居世界的第二，第三位。西方的用户 已经可以用手机完成各种复杂的工作。而国内针对手机的多种服务还刚刚开 始。随着通讯业的再次变革，产品也将从2 g 时代过渡到3 g 时代，中国的手 机用户数将在短时间内再次暴涨，人们使用手机的观念也会有质的变化，新 的商机和新的市场正在形成。 无线、移动通信技术的飞速发展，无线通信实时性、稳定性的提高，使 得移动通信业务除了移动电话、短信息等业务，基于无线通信的移动定位应 用也随之成熟将成为移动通信业务个极其广阔的应用空间。位置服务的 巨大魅力在于能在正确的时问、正确的地点把正确的信息发送给正确的人。 同时它还可以对手机用户进行定位，并对手机用户的位置进行实时监测和跟 踪，使所有被控对象都显示在监控中心的电子地图上，一目了然。因此位置 服务在无线移动的领域内具有广泛的应用前景。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会 ( f c c ) 颁布了e 9 1 】法规要求2 0 0 1 年1 0 月1 日起蜂窝网络必须能对发出紧 急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m 内准确率达到6 7 的位置服务。1 9 9 8 年又 提出了定位精度为4 0 0 m 准确率不低于9 0 的服务要求。1 9 9 9 年f c c 对定 位精度提出新的要求对基于网络定位的精度为1 0 0 m 准确率达6 7 ，精度 3 0 0 m 准确率达9 5 ，对基于移动台的定位为精度5 0 m 准确率6 7 ，精度 1 5 0 m 准确率9 5 i “。f c c 的规定大大推动了蜂窝无线定位技术的发展，在蜂 窝系统中实现对移动台的定位除了满足e 9 l l 定位需求外还具有以下重要用 途：f ”基于移动台位置的灵活计费，可根据移动台所在不同位置采取不同的 收费标准。( 2 ) 智能交通系统( i t s ) ，i t s 系统可以方便提供车辆及旅客位置、车 吩尔滨上崔大学硕士学位论文 辆调度、追踪等服务。( 3 ) 优化网络与资源管理，精确监测移动台，使网络更 好决定进行小区切换的最佳时刻。同时根据其位置动态分配信道提高频谱利 用率，对网络资源进行有效管理。( 4 ) 信息服务，对移动台和旅行者定位并向 其提供所在区域的信息及其它服务1 2 - 5 1 。 2 0 0 2 年6 月，中国无线通信标准研究组_ ( c w t s ) c d m a 工作组第2 8 次会 议在北京召开。来自信息产业部传输所、运营商、制造商、s p 业务提供商等 三十多家成员参加了本次会议。中兴通讯在会上提出的基于p a d a y 的l l 接 口标准 c d m a 无线定位业务应用编程( a p i ) 接口技术规范、8 0 0 m h z c d m a 数字蜂窝移动通信网定位业务相关设备技术要求、8 0 0 m h zc d m a 数字蜂窝移动通信网定位功能平台接口技术要求等三项提案被c w t s 会议 采纳。这些标准、规范的制定为c d m a 综合业务平台的开发和联通c d m a 网络定位业务商用化奠定了基础。目前，已经有多家厂商开发豹基于g s m 和c d m a 网络的定位设备己在一些国家投入使用。在我国，运营商们正在积 掇的探索定位的咿务f ”加昂j 吁的噼涌榷g 的”帘衍夕早”r a g p q 方辜 = g p s + c e l li d l 。 基于蜂窝网络，特别是基于c d m a 网络的移动台定位技术是一项复杂的 技术，涉及的内容多，范围广。从对移动台定位的精度要求来看，由于受多 径，多址干扰，特别是n l o s 传播的影响，使各种信号特征测量值总是存在 一定偏差，从而使各种适用于特征测量值误差服从零均值高斯分布的定位算 法，如最b - s - 乘算法的性能显著下降，无法取得对移动台位置的最大似然估 计，使得对移动台的估计位置出现较大偏差。为了取得更高的定位精度，需 要挑选最合适的定位技术，以及性能最优的定位算法。从定位技术在各蜂窝 网络的具体实施方法来看，面临的主要研究课题之一是如何得到多个准确的 信号特征测量值；c d m a 网络的功率控制、远近效应，g s m 网络中m s 有 限的信号发射功率等，都会使多个准确的信号特征值的测量面临困难。基于 蜂窝系统的无线定位技术虽然提出时间较短，但已在理论和实验上取得较大 进展。在即将商用化的第三代移动通信系统中，如何实现高精度的定位，并 将定位业务集成到网络中是一个崭新的课题，有许多问题需要做进一步的研 究【引。这方面的课题包括无线定位方法的研究，克服定位误差的方法的研究， 针对不同系统的定位实施方案研究。在蜂窝无线定位技术研究中的一个基本 的原则是希望增加定位业务不致于使网络基础设施改变和增加投资太大，定 位要求及技术实现方法应该与标准研究相结合并确立统一标准，以更好地安 排空中接口、网络结构和各种功能子系统组成。 哈尔滨。r ：程大学硕士学位论文 i i i i 1 2 定位方法简介 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来估计目标移动台的几何位置。根据进行定位 估计的位置及定位数据用途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，与之对应有以下两类定位系统： ( 1 ) 基于移动台的定位系统 这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位 系统。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携 带的某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置 关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自 身的位置信息。著名的g p s 系统即属于这类系统。 ( 2 ) 基于网络的定位系统 这类系统在蜂窝网络中也口u 做反肉链路定位系统。其定位过程是由多个 固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与 移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台 的估计位置。自动车辆定位( a v l ) 系统即属这类系统。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台 的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成g p s 接收机或 能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件，还必须用适当方式将定位 信息传送回蜂窝网络。基于网络的反向链路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作任何修改，能充分利用现有各种蜂 窝系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易。 现有定位方法主要包括以下几种j ： f1 ) c o o ( c e l lo fo r i g i n ) 技术定位c e l l i d ，( 2 ) a g p s ( g p s 辅助定位) ，( 3 ) 观测时间差( o t d ) ，( 4 ) 增强观测时间差( e o t d ) ，( 5 ) 基于时间的定位方法 f t o a t d o a ) ，( 6 ) 基于到达角( d o a ) 的定位方法，( 7 ) 基于信号场强的定位方 法。 1 3 本课题的主要任务 在错综复杂的无线传播环境下，对移动用户定位的相关算法研究是。+ 项 极具挑战性的工作。定位算法设计的一个主要目的是在测得t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) ，t d o a ( t i m ed i f f e r e n to fa r r i v a l ) ，d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 等时间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 测量参数的前提下，尽可能快速准确甚至自适应的估计出移动用户位黄。 t d s c d m a 标准采用了智能天线技术，提高其定位精度是目前亟待解决的关 键问题。本文针对8 阵元智能天线c d m a 系统，提出了一种测向定位新方法。 该方法根据预多波束智能天线的特点，利用接收信号的功率特性估计移动台 方位角，利用信号到达时间估计基站与移动台之间的距离，实现t o a 和d o a 的融合定位。并采用测向交叉定位，通过迭代，引入松弛变量等方法抑制 n l o s 带来的误差。同时研究了多种环境下，信道衰落、非视距、多用户干 扰等对这两个系统定位精度的影响，并且对其性能作了对比分析。 第一章对蜂窝网无线定位问题提出的各种现有定位方法进行了简要的介 绍；第二章首先从整体上介绍了蜂窝网无线定位系统的体系与结构，然后阐 述了时间参数测量技术和位置估计算法的基本原理；第三章考虑影响定位的 各种因素，介绍了移动通信信道衰落统计特性，信道模型，为了正确评价定 位精度还讨论了几种准确率的评价指标；第四章为了提高定位精度进一步介 绍了几种定位算法；第五章进行c d m a 系统下蜂窝网络无线定位技术的研 究，主要包括天线阵发射模式、接收机工作原理、采用的定位技术，并对整 个系统进行计算机仿真，分析其性能，进一步优化。最后为结束语，对完成 的工作进行总结并提出未来研究工作的新思路和新方向。 哈尔滨j ：棵人学硕士学位论文 第2 章蜂窝网无线定位基础 在各种无线定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同和相似的， 绝大多数都需要对多个基站和移动台之间传播的定位信号进行测量，并利用 得到的定位测量参数来计算目标移动台的位置1 1 。通常可以选择的定位方 法有以下几种。 2 1c o o 技术定位 c o o ( c e l lo f o r i g i n ) 定位技术即基于c e l l i d 的定位技术【l ”。它通过采集 移动台所处的小区识别号( c e 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地理位置，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- - 4 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。 这样只要知道手机处于那个小区便可了解其大致的方位。这种方案实现简单 可靠，但精度较差。 这种技术不需要对手机或网络做较大的改动，因此能够在现有手机的基 础上构造位置查找系统。这种技术的定位精度取决于所在小区的半径，如在 北京市区，基站密度较高，c o o 定位精度可以达到2 0 0 米左右；而在郊区， 基站密度较低，c o o 定位精度只能达到一两公里。这也是它的缺点。 这种技术实现简单，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。是美国e 9 1 l 无线定位呼叫的第一阶段采用的技术，也是目前在无线 网络中应用最广泛的定位技术。诺基亚的支持传统电话的m p o s i t i o n 方案：为 所有g s m 手持设备提供基于c e l l i d 、t i m i n ga d v a n c e 和r x l e v e l s 的定位技 术，已于2 0 0 1 年第1 季度使用了该技术。 2 2a g p s ( g p s 辅助定位) 通过在移动台中增加g p s 基站实现在室外高精度定位，但是在室内、高 密度市区或者茂密森林环境中，由于g p s 基站所要求的卫星个数的限制经常 不能实现定位。从而限制了其应用和推广。g p s 一般要与蜂窝网络定位相结 哈尔滨【：程大学硕十学位论文 合实现移动台的位霞估计，即g p s 辅助定位系统( a g p s ) u 3 1 。a g p s 网络 将a g p s 辅助信息发送到移动台，移动台得到g p s 信息，计算出自身精确位 置并将信息发送到网络。a - g p s 有移动台辅助和移动台自主两种方式。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 向移动台发送短的辅助信息，包括时间、卫星信号多普勒参数和码相位搜索 窗口。这些信息经移动台g p s 模块处理后产生辅助数掘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，定位精度高，理论上可达至h5 1 0 m 。 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 3 观测时间差( o t d ) 在这种移动定位系统中，终端设备只需调用e o t d 算法程序，即可完成 定位计算。当移动终端没有处理呼叫时，启动空闲等待模式完成定位；当移 动终端设备正在处理呼叫时则启动专用模式完成定位。采用这种方案，首先 要设计出具有附加处理功能和存储空帕j 的新型移动终端设备。e o t d 处理稃 序使用从周围基站接收到的数据来测量这些数据由各个不同的基站到达浚终 端时所用的时间之差，并由此时间差来计算该移动终端用户相对于这些基站 所处的位置。这就需要必须事先知道这些基站的位置，并且从各个基站发送 来的数据必须严格同步。最常用的基站同步方式是通过采用g p s 接收机来实 现同步。计算过程可在终端进行，也可在网络服务中心进行。定位精确程度 在1 2 5 米左右，并且不受天气情况影响。 2 4 增强观测时间差( e - 0 t d ) 根据g s m 0 5 ，1 0 规范，当基站指示移动终端进行伪同步切换时，当前基 站应在其消息中给出当前基站和切换目的基站问的实际时钟差异( b t d ) ，同 时通过监测不同基站的信号，移动终端可以获知当前基站和其它基站信号传 播时延问的观测差异。如有两个以上的基站可以接收到信号，根据双曲线定 位原理，就可以确定移动电话的位置。该方法的最大优点在于可以完全利用 现有g s m 网络结构和信令消息，定位精度高其缺点是定位计算在手机上 哈尔滨i ：稃人学顸十学位论文 进行的，因此需要对终端进行改造。利用e o t d 方法的原理可以用图2 1 表 不： 图2 1e o t d 定位方法的原理 2 5 基于时间的定位方法 基r 时间的网络定位系统中通常采用精度较高的t o a 或t d o a 定位法。 下面分别介绍。 2 5 1 圆周定位法( t o a ) 图2 2 网周定位法 若已知移动台到基站i 的直线距离尼，则根据几何原理，移动台一定位 于以基站f 所在位置为圆心，r ，为半径的圆周上，即移动台位置( x o ，y o ) 与基 站位置( 丑，m ) 之间满足如下关系： 7 啃尔滨f 程人学硕士学位论文 o i x o ) 2 + ( y i y o ) = r ，( 2 - 1 ) 对于t o a 方法移动台和基站之间的距离可以通过测出信号的到达时间 而获得。待定位移动台的平面位置坐标就是三个基站以自身位置为与圆心， 以各自测得的距离为半径做出的三个圆的交点，称圆周定位法，如图2 2 。 在实际无线电定位方法中，通过测量从目标移动台发出的信号以直线到 达基站f 的时间h ( t o a ) ，可以得到目标移动台与基站的距离r 产c x f 。，其中c 为电磁波在空中传播的速度，即c = 3 x 1 0 8 m s 。对于i = 1 ，2 ，3 ，联立上述三个方 程组，即可得到移动台坐标位置( x o ，y o ) 。由于t o a 与风的关系，三圆相交 定位法又称为t o a 定位法。t o a 提供的定位精度比c o o 高，但是它的响 应时间比c o o 或e - o t d 更长( 约l o s ) 。 2 5 2 双曲线定位法( t d o a ) b s i ? r 1 一r 3 i r 2 b s 2 图23 双曲线定位法 t d o a 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。移动台定位于以两个基站为焦 点的双曲线方程上，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标，所以又称双曲线定位法。 如图2 3 ，当已知基站b s l 和基站b s 2 与移动台之间的距离差& i = r 2 一露i 时，移动台必定位于以两基站为焦点、与两个焦点的距离差恒为r 2 l 的实线 双曲线对上。当同时知道基站b s 和基站b s 3 与移动台之间的距离差r 3 1 = r 3 只时，可以得到另组以基站b s l 和基站b s 3 为焦点、与该两个焦点的距 离差恒为飓l 的虚线双曲线对上。于是，两组双曲线的交点代表对移动台位 置的估计。 葵吣 受，、|， ，眵o、|、|， ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与t o a 定位方法类似，基站b s l 和基站b s 3 与移动台之间的距离差可以 通过测量得出，即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t 2 i 来确定，或测量从移动台出发到达两个基站的时间差t 2 。显然， r 2 l = c t 2 l ，其中，c 为电磁波在空中传播速度。双曲线定位中移动台坐标0 0 ， y o ) 和基站坐标 ，y 0 ( i = 1 ，2 ，3 ) 有如下关系： - r ：r - = 、2 ( 一z ：) 2 + ( 一儿) 。一( 一一) 2 + ( 如一乃) 2 】= 岛。2 ( 2 2 ) ，r ：r t ：、2 【( 两一如) 2 + ( h 一弘) 。4 ( g o x 1 ) 2 + ( y o m ) 2 】= 玛1 2 ( 2 3 ) 因为方程式两边同时求平方的缘故，解上述方程组后可以得到两个解。 由于两个解中只有一个代表移动台的真实位置，故需要一些先验知识( 如小 区半径) 来分辨出真实解，以消除位置模糊。 直接利用t o a 或t d o a 估计值求解上述非线性定位圆或定位双曲线方 程组来确定移动台的位置比较困难，在有一定时间测量误差时出于各定位圆 或双曲线可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用最小均 方误差算法，通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来 估计移动台位置。特别是t d o a 定位由于不要求移动台和基站之间的同步， 在蜂窝通信系统的定位中倍受关注。 2 5 3t d o a 估计互相关法 假设信号源发送信号s ( o ，经过信道传输后受到噪声于扰，在两个基站 接收到的信号分别为x l ( t ) 和x 2 ( t ) ，则工1 ( f ) 、x 2 ( t ) 分别为： x l ( ，) 2a t s ( t - d o + h i ( t )( 2 4 ) x 2 ( t ) = a 筘( ，_ 吨) + 月2 ( f )( 2 - 5 ) 式中a l 和a 2 为信号幅度，1 7 1 ( r ) 和n 2 ( t ) 为噪声和干扰，d l 和以为信号j ( f ) 经过信道传输到达两个基站的延时。假设j ( ，) 、r l l ( ，) 和( ，) 为零均值平稳随即 过程，并且s ( o 与1 1 1 ( f ) 和i q 2 ( ，) 互相独立，互不相关。用于解决t d o a 估计的 传统方法是广义互相关法( g c c ) 【1 4 - 1 5 1 。g c c 在对两个基站的信号进行互相关 运算之前，先对两个信号进行预滤波，然后再估计两个基站的信号到达时间 差，它是使互相关函数取得最大值的时间值。预滤波的目的是使信号送入相 关器之前提高信噪比和降低噪声功率。该互相关函数的一个估计值可以写为： a14 r m 2 ( r ) = 而( f ) t ( ，一r ) 加 ( 2 - 6 ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这里r 代表观察间隔。这个运算过程在一定的时间偏移范围r 内进行，直到 获得相关的峰值。使相关值获得峰值的r 就是t d o a 的估计值。整个过程图 2 4 所示： 图2 4t d o a 估计的广义互相关方法 2 6 基于到达角( d o a ) 的定位方法 基站通过阵列天线测出移动台来波信号的入射角，构成从基站到移动台的 径向连线，两根连线的交点即为待定位移动台的位置。因为两条直线只能相 交于一点，它需要在每个小区基站上放置和1 2 组的天线阵，这些天线阵 起工作从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了 该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的 位置。d o a 的缺点是到达角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线 信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差 会导致定位距离的较大误差。 d 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。天线元的间隔一般为 2 的指数 倍( 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。这种模型成为窄带模型，大多数d o a 算法采用该模型。 另外，在进行d o a 定位估计时都需要假设天线元数必须大于到达阵列信号 的个数”岳17 1 。 2 6 1 相位干涉法 这是d 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d o a 估计( 1 射。这种方法在高信噪 比环境下定位效果好，而不能应用于严重的同信道干扰和多径环境。 2 6 2 波束形成法 波束形成法是d 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，测量接收信号的功率。即在测量波束形成器的输出 哈尔滨】：程人学硕士学位论文 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 d o a 分布的空间谱估计。波束形成器的权重因子控制者波束形成器的空间响 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 l ，l 为阵列孔径大小) 。这种方法需要解决 码片内多径时延问题。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。而时延扩展与角度扩展相互关联，因面d o a 技术 必须能够处理角度扩展。 2 6 3 基于最大似然准则的到达角估计 多径情况下d 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d 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d o a 技术不能应用于c d m a 系 统。本课题研究了一种方法可以克服这个困难。 2 7 基于信号场强的定位方法 通过测出接收信号( 至少有三个基站能接收到信号) 的场强值，根据已知 的信道衰落模型和发射信号的场强值估算出移动台和基站之间的距离。根据 多个基站测得的距离值便能估计出目标移动台的位置。场强定位移动台接收 的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系。通过测量接收信号的场强值 和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离， 根据多个距离值可以估算移动台的位置。由于小区基站的扇形特性、天线有 可能倾斜、无线系统的不断调整以及地形、车辆等因素都会对信号功率产生 影响。 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 2 8 智能天线 智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天 线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信 号被加权在合成在一起使信噪比达到最大，与固定波束天线相比，天线阵列 的优点是除了m 倍的天线增益外，他还提供了m 倍的分集增益。但是他们 要求每个天线都有一个接收机，并以衰落速度对天线加权进行跟踪。m 倍的 天线增益将使范围增加到m ”。倍，其中r 是路径损耗指数，使覆盖给定区域 的基站数减少m 2 “。具有m 个波束的多波束天线通过降低干扰数而将容量增 加到m 倍。自适应阵列可以通过进一步抑制干扰来提供一些额外的增益。但 是由于存在太多的干扰，这些额外的增益与复杂性相比显得不太值得f j9 j 。 全自适应式的智能天线，虽然从理论上讲可以达到最优，但是由于在移 动通信中，用户的随机移动性和传播信道的快速时变性，使得目前提出的一 系列最优算法的收敛速度很难跟上快速运动的用户和快速时变信道。因此工 程技术人员不得不将实现智能天线的技术转向准最优的预多波束与波束切换 方式。下面简要介绍一种建立在d o a 基础上的预多波束切换方案。 由预先设计的多波束形状，由方向图合成算法，综合出主波束不同指向 固定的波束方向图，制定不同d o a 时所对应的阵元加权系数。并将其列成 表格。 根据接收信号，检测与估计目标用户主路径的d o a 值，按一定的准则， 再由不同d o a 预制的表格中，利用查表法选取对应的合适阵元加权系数值。 利用所选取的加权系数值，通过数字波束合成网络，形成跟踪该目标用 户的准最优波束。 采用这种方法的主要优点有： ( 1 ) 无需采用数字信号处理器反复自适应迭代，因此响应速度快，有利 于对用户和快速时变信道的跟踪。 ( 2 ) 只关注目标用户的主路径，采用的天线结构及其算法简单。 ( 3 ) 波束方向图对频率不敏感，鲁棒性能好，适用于导频双工f d d 方式。 2 9 本章小结 本章分析讨论了现有几种用于蜂窝网无线定位的方法的基本原理和基本 特点。从上述分丰斤可以看出，各种方法具有不同的应用前提。如对定位精度 要求不高的情况下，可以采用基于c e l l i d 的定位技术。在室外要求较高的定 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 位精度，可以采用在移动台中增加g p s 基站实现，但是在室内、高密度市区 或者茂密森林环境中，由于g p s 基站所要求的卫星个数的限制经常不能实现 定位，从而限制了其应用和推广。这种情况下g p s 一般要与蜂窝网络定位相 结合实现移动台的位置估计，即g p s 辅助定位系统( a g p s ) 。在蜂窝网络中 为移动台提供的地面二维定位服务，通常可供选择的方法分为基于时间的定 位方法和基于到达角度的定位方法。基于时间的定位方法主要有观测时间差 ( 0 t d ) 、增强观测时间差( e - o t d ) 、圆周定位方法( t o a ) 、双曲线定位方法 ( t d o a ) ；基于到达角度的定位方法( d o a ) 通过基站接收天线或天线阵列测出 移动台发射电波的入射角，如自适应天线阵列可以根据取得的接收信号的不 同特征值，借助不同的算法计算出信号到达角度。此外还可以通过测量接收 信号的场强值、已知的信道衰落模型和发射信号的场强值估算出移动台和基 站间的距离，称为基于信号场强的定位方法。 在蜂窝网络中对移动台进行定位估计的实际应用中，上述各种定位方法 的性能往往要受到地理位置、信道环境、测量精度等多种因素的影响，一个 最优的定位算法应具备以最低代价( 计算复杂性) 得到最高定位精度的能力， 并且具有良好的可靠性和健壮性。在实际应用中还需要结合蜂窝网络的具体 应用环境进行选择。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章移动通信信道特性 移动通信信道的主要特征是无线电波的多径传播和由于移动台或周围散 射体的运动所引入的非线性时变特性，而这些特性正是造成蜂窝网络无线定 位误差的主要原因。一般而言，当移动台和基站之间的直射路径被一些障碍 物遮挡后，无线电波只能以反射和衍射的方式到达接收端。此时电波到达时 间和角度就无法反映基站与移动台之间的真实距离和方位角，这一现象就是 非视距路径传播( n l o s ) 。在蜂窝网中采用到达时间( t o a ) 或时间差( t d o a ) 技术对m s 进行定位估计时，由于非视距电波传播的存在，会使得t o a 或 t d o a 测量值出现较大偏差，造成定位算法的性能显著下降。因而，如何根 据t o a 或t d o a 测量值中提供的信息及蜂窝网络有关t o a 或t d o a 测量 值的先验信息判断在各个测量值中是否存在n l o s 造成的误差及大小，并采 取相应措施进行抑制或抵消，是提高t o a 或t d o a 技术对m s 定位精度的 关键。此外，寻找符合实际信道环境的视距月# 视距传播模型对于无限定位系 统设计和定位算法研究也具有重要意义。 3 1 幅度衰落、延时扩展、多普勒扩展与多径传播 陆地移动通信电波传播主要以反射或散射为主。移动台的运动、多径反 射、地形起伏和延时散布使电波传播特性非常复杂，主要表现为多径衰落、 阴影效应和多普勒频移1 2 0 。”j 。 多径传播与移动台运动是陆地移动通信的主要特征。电波传播过程中会 遇到建筑物、树木等障碍物，引起电波的反射、散射与绕射等。同时，由于 移动台的运动，接收信号的频率会发生变化，即出现多普勒频移。因丽，移 动无线传播环境是一个多径、时延、时变的电波环境。在这种传播环境下， 对移动通信信道特性的分析研究可以从多径传播与由移动台运动而导致的多 普勒频移两个方面下手。 多径传播使接收信号的幅度、相位和到达时间发生变化，并且到达移动 台的接收信号来自许多不同路径，这些具有不同到达延时的接收信号相互叠 加，造成信号的损失。就数字移动通信而言，多径效应将引起信号幅度衰落 ( f a d i n g ) 和信号时间色散和延时扩展( d i s p e r s i o n ) ，幅度衰落将超过一定门限引 起误码，而延时扩展将引起码间串扰，二者都将严重影响数字通信质量。在 哈尔滨j 一程大学硕士学位论文 窄带系统中，多径效应使接收信号的幅度、相位发生快速剧烈的变化；而在 窄带系统中，当发射端发射一个脉冲时，接收端接收到的是一串延时和衰减 了的脉冲，会引起严重的码间串扰。 多径效应对信道特性的影响取决于很多方面，首先是主路径的存在与该 主路径所具有的信号功率大小。在移动通信无线传播环境中，主路径在许多 情况下是存在的。一些室内无线通信系统、卫星移动通信系统中，信号传播 存在视距路径，可显著减少信号衰落的深度，影响信道的衰落特性。 多普勒效应是由于发射机与接收机之问的相对运动引起的一种现象。这 种现象会引起接收信号频率的变化，即多普勒频移或多普勒扩散。这种频率 的漂移由两个参数确定：接收机相对于发射机的运动方向和运动速度。如果 用 表示信号的波长厂表示信号载频，v 表示移动台相对发射机的运动速 度则移动台收到的信号的频率为 厂= f v ( 3 - 1 ) 多普勒频移由下式计算 多普勒频移= f o a v c 其中，v 为发射机与接收机之删的相对速度，而为信号载频，c 为光速。 多普勒频移导致信号产生随机频率调制，并影响多径信号，使一些多径信号 具有正的频移，其他的多径信号具有负的频移。一般认为多普勒效应能引起 多径信号相互之间出现短暂的非关联性因而又常叫做时间选择性衰落效应。 3 2 信道短期衰落特性与长期衰落特性 移动通信信道是随机时变信道，信道的衰落特性取决于无线传播坏境， 可分为长期衰落特性与短期衰落特性。长期衰落特性是由于传播环境中地形 起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。而短期衰落是由于移 动无线传播环境的多径传播引起的衰落| 2 2 1 。 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。这 就是多径衰落，也称快衰落或短期衰落。在数十波长范围内对信号求平均， 可得到短区间中值。 在数百波长区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征。这就是 阴影衰落，又称慢衰落或长期衰落。较大区间内对短区间中值求均值可得到 长区间中值。 大量实测数据和理论分析表明，在多径传播条件下，假如不存在视距路 杼，榜岷信号的包络暇执瑞利分向。相付服从均匀分靠即接婀信号幅窿r 、 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相位0 的概率密度函数为 尸( ，) = 专。砷2 矿 ( ，o ) ( 3 - 2 ) p ( o ) = 百1 ( 0 0 2 7 r ) ( 3 - 3 ) 而当存在视距传播路径时，接收信号的包络就不再服从瑞利分布，而是服从 莱斯分布。莱斯分布的概率密度函数为 即，：f 纠一 等 l o ( 爿一掣 b 。， l 0 其中，a 是直射波幅度，i o 为第一类0 阶贝塞尔( b e s s e l ) 函数。莱斯分布由参 数k 定义为直射路径信号与散射路径信号功率比，即 k ( d b ) = l o l g 寿) ( 3 - 5 ) x 有时也称为莱斯因子，用它可以表征莱斯分布。特别地，当x 趋子无穷大 时，即视距路径非常小时，接收信号幅度分布趋于瑞利分布，而当k 远大于 l 时，即主路径信号相当强时，信号幅度分布趋于高斯分布。图3 1 ，3 2 表 示出了典型的瑞利分布和莱斯分布概率密度函数。 p ( r ) 接收信号包络r 图3 1 瑞利分布概率密度函数图3 2 莱斯分布概率密度函数 移动通信信道的长期衰落是指接收天线处场强中值随移动台移动时周围 地形、建筑物等变化出现的波动。当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑 物、树木等障碍物阻挡时，会产生电磁场阴影，导致接收天线处场强中值的 变化，从而引起长期衰落。大量的统计表明，信道的长期衰落特性可用对数 j 下态分布来描述。接收信号的局部均