（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的无线定位技术研究.pdf

摘要 本论文对无线通信网络中基于时间测嫩值的觅线定位技术进行了研究。 透过分辑黧蠹终樱关磅究瑷状，本文对现毒多魏定位方法遴霉亍了分撰，基于 科学的定位精度评价指标，在多种信道环境下对现有的基本定位算法进行了 傍囊。仿真结果表明：t a y l o r 算法葶珏c h a r t 氏算法驰定位精度毫曼暴于实糯。 文中通过均方根谖差对几种基本定位算法的性能谶行了评价，并研究了多种 参数对定搜算法黥影响，瞧括蜂窝小区的大小、参与定位的基站个数、测量 误麓、信道中的非视距传播误差。仿真结聚表明：t a y l o r 算法和c h a n 算法在 不同环境和仿真条件下备商优缺点。然恧，为了馊定位糖度能达到e 9 11 的 要求，还需要对蒸本定位算法进行修正和改进。 在上述研究的基础上，本论文提出了薅秽新的定位算法：基予到达时间 蓑的遗传算法和粒子群算法。并程相同的仿真环境下，将遗传算法和粒子群 算法与性能优良的t a y l o r 冀法和c h a n 算法进行了对比。仿真结果表明：这 两种算法能显著趣提高定彼精度。 关键词：移动台惫位，蓟达时阊麓，菲税距传播，遗传算法，粒予群算法 堕釜鋈三堡盔兰譬圭堂垒鎏銮 ， a b s t r a c t t h i st h e s i sa i m sa tt h er e s e a r c ho fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n t i m e - r e l a t e dm e a s u r e m e n t si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ep r e v i o u sr e s e a r c hi nw i r e l e s sl o c a t i o ne x t e n s i v e l y ，t h e t h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e s ，b ys i m u l a t i o nu n d e rs o m ec o m m o nm o b i l ec h a n n e l e n v i r o n m e n t s ，t h ee x i s t i n gb a s i cl o c a t i o na l g o r i t h m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t ，t a y l o ra l g o r i t h ma n dc h a na l g o r i t h ma r ee a s yt or e a l i z ea n dc a l la c h i e v e g o o dl o c a t i o na c c u r a c y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h et w o b a s i ca l g o r i t h m si nd e t a i l ，t h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e db yr m s e i nt h i ss i m u l a t i o n , m a n yr e l a t i v ep a r a m e t e r sa r ee x a m i n e ds u c ha st h ec e l ls i z e t h en u m b e ro fb a s es t a t i o n st a k i n gp a r ti nt h el o c a t i o n s e r v i c e ，e q u i p m e n t m e a s u r e m e n te r r o r s ，n l o se f f e c te t c t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t a y l o r a l g o r i t h ma n dc h a na l g o r i t h mf i ti nv a r i o u ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t s h o w e v e r , i n o r d e r t o m e e t t h es o - c a l l e d e - 9 1 1d e m a n d ，t h e s ea l g o r i t h m s m u s t b e m o d i f i e d b a s e do nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n ，t w on e wa l g o r i t h m sc a l l e dg e n e t i c a l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nb a s e do nt d o am e a s u r e m e n t si sp u t f o r w a r d i nt h er e s e a r c h ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h ma r ep u ti nt h es a m ee n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o na n de v a l u a t i o nw i t h t a y l o ra n dc h a na l g o r i t h m s t h er e s u l t ss h o wt h a t ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n d p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v es i g n i f i c a n t l yt h el o c a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o b i l el o c a t i o n ，t d o a ，n l o s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本久独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的写| 焉已猩 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己经注明弓l 用的内容外， 本论文不包含强何其稳个人或集体愁经公开发表的作品成采。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 标疆。本人完全意识瑙本声嗡的法律结果巍本入承摆。 作者( 签字) ：垄逡垄 日 期：2 衅，月罗日 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 国际上对无线定位技术的研究与应用开始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆 定位( a v l ) 系统，随后该项技术在公共交通管理、货物运输、出租车管理、 犯罪跟踪和紧急医疗服务等范围内得到应用。8 0 年代以来，随着人们对智能 交通运输系统( i t s ) 的需要及蜂窝移动通信系统的出现，对无线定位技术有 了新的要求。美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年公布了e 9 1 1 ( e m e r g e n c y c a l l 9 1 1 ) 定位需求，要求在2 0 0 1 年1 0 月t 日前，各种无线蜂窝网络必须 能对发出e - 9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度在1 2 5 m 内的定位服务，而且满 足此定位精度的事件概率不低于6 7 ；在2 0 0 1 年以后，系统必须提供更高 的定位精度及三维位置信息。1 9 9 9 年1 2 月，f c c9 9 2 4 5 对e 9 1 1 需求进一 步细化，对网络设备和手机生产厂商、网络运营商等对定位技术在网络设备 和手机中的实施和支持提出了明确要求和日程安排。在定位精度要求方面规 定：基于蜂窝网络的定位方案( 不改动终端) ，要求在6 7 的概率下定位精 度不低于1 5 0 m ，9 5 的概率下定位精度不低于3 0 0 m ；基于移动台的定位方 案( 可以改动终端) ，要求在6 7 的概率下定位精度不低于5 0 m ，9 5 的概 率下定位精度不低于1 5 0 m 。美国f c c 的这一规定明确了提供e 9 1 1 定位服 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【“。 f c c 的规定大大推动了蜂窝潮无线寇位技术的发展。在蜂窝网通信系统 中实现对移动台的定位除 满足e 9 t 1 定位需求外还具有以下重袋用途i z j ： ( 1 ) 基于移动台位麓的灵涵计费，可根据移动台所处位置采取不同的 收费标准。 ( 2 ) 智能交通系统( i t s ) ，i t s 系统可班方便提供车辆及旅客位置、 车辆调度、追踪等服务。 ( 3 ) 饶耗辩络与资源警理，精确监溺移动念，使掰络更葑汝定进行小 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 课题研究的目的和意义 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。同时，对移动通信网本身来说，移动性管理一直是 难点。如果知道了移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相对简单了， 所以，无论是用户的需求，还是运营商或网络供应商的需要，都为定位服务 的发展提出了迫切的要求。其主要应用有【2 】： ( 1 ) 紧急救援 当移动手机或车载机持有者遇到紧急情况( 交通事故、车辆故障、遇劫 及其它) ，援轲救缓孛心彀话( 蟊牵国豹1 1 0 、美蠲的9 1 1 、嚣本豹4 1 1 等 时，报警用户往彼不能提供自己的准确位鬻。移动通信网络就在将该紧急呼 l 发送羁救援牵洛鹣n 跨，癌动使雹嚣务并褥餮该焉户豹龚镩位嚣，涛位鬻 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 到静建鬟傣悫，邈速、葛效速绘黧户提供紧急救援服务，大大挺麓了救援豹 成功率。 ( 2 ) 移动黄夏奎谗 互联网的黄页查询是一项发展比较迅速的网络增值服务。用户通过互联 溺奎谗垂墨爨在嚣域载各萋孛售崽，爨翅，辫近浆辍店、巍场、瓣涎各公司瓣 电话号码及所在饿置等。移动互联网技术与位置服务相结合，便可以实现移 动黄夏查谗。移动逶售疆络羞先确定终壤用户静位霆，然爱在互联网提供熬 信息中挑选出用户所在区域的相哭信息供用户查询。 ( 3 ) 谴量楗关计费 要实现公正、有效的计费是比较困难的。移动用户在通信过程中占用了 网络资源，运营嶷需要就这一部分资源自愿户收敷费用。用户所占网络资源 的位置( 怒处于筒速公路上正快逋移动，还是在家中，是处于话务比较繁忙 2 哈尔浜工穰大学硕士学往论文 ；i i # j ；i ；# i i i i i ；# i i i i i ；# # i i ；# # ；i ；s i i i i i i ；# i i i i i i i # i ；# 薯 的商业区，还是处于郊区) 不同，网络给用户提供的服务餐就不同，所以耀 应的收费也应不同。但实际上运瞽裔并不知道用户的确切位置，炙法判断用 户所处的位置特征并实行位置相关计费。但随着定位服务的发展，与位置有 关的计费嘏鍪将笈震起来。 ( 4 ) 对网络欺诈者定位和防盗打管理 对移动遥信运营商来说，移动用户恶意欠费、移动电话盗打怒困扰已久 的问题。利用移动定位技术可以对恶意欠赞用户进行定位，以迅速抓住欺诈 者，并有效遣蕊浏窝翻立滚打。 ( 5 ) 车辆导航和智能运输系统( i t s ) 移动蘧绩嚣疆供翁篷嚣摄务懿满是车辆导靛和鞭踪。灏每一辆或臻需要 导航和跟踪的汽车和列车安装个移动车戴台，然后通信网为这必车载台提 供僚置簧惑，著籍这些籍惑通过遁绩藏臻抟辕绘交遘彗理鹣调疫中心，鬣哥 快逋地在率辆和调腱中心之间建立协调的燃行管理和导航。在移动蜂窝系缎 孛提豢黠移动台辩定谴鼗务器i t s 藏霹羁弱移蚤定位接拳，对享飘运输系统 中的车辆和移动资源进行定位，提供车辆及旅客俄鼹信息，检测爨通事故和 塞车，班实现餐畿位警瑾蓦调囊； ( 6 ) 优化蜂窝移动谶信系统设计 移动透信霹鹣移动蛙謦理羹是甄络数难蠡瀚怒。熬暴弼终躲避移凌台 的精确位鬣，进彳亍移动性管理就变得相对简单，也有助于对移动静进行有效 爨髂道分配，谴无线资源豹铡恳程窿更赛。贯静，鲡票够实辩地褥裂移动 台的位置储息，就可以实现网络资源的动态、智能分配，增强网络性能，提 蘸弱络戆爨务矮爨。 可以相信，随蒋定位技术的发展，使援服务的其它潜在应用邂将不断涌 现。交于定位曩务的深远影璃，嚣际标准纯组织对咎囊台定位 常重视，薄 此鼹开了专项研究，并加快了制定相关功能规范和信令接翻标准的进程。 ，3 国内绛静研究臻状 蜂窝秘移费逐键系统嚣绫定袋瓣嚣，遗留蓉鳖褥妥较竞罄翁实褥接零， 但怒要在移动通信网中实现移动终端的精确定位尚有许雾技术难点亟待解 哈尔滨工程大学硕士学位论文 决。在c d m a 系统中，移动终端定位技术主要需要解决以下几方面的问题： ( 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的定位方法产生较大的 误差。其主要原因是多径传播会对测量代表收发双方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。针对多径信号的时延估计 和到达角度估计，许多研究者在此方面做了大量的工作。从研究现状来看， 在各种无线环境下如何进一步提高对多径的分辨率仍需要做进一步的研究。 ( 2 ) 非视距路径传播( n l o s ) 由于移动终端和基站间的直射路径被阻挡而导致的信号非视距路径传播 会对基于角度和时间的定位方法带来很大的误差，并且是误差的主要来源。 迄今为止，对于非视距路径传播带来误差的抑制，国内外研究者已经做了大 量的工作并提出了若干抑制方法，但仍然没有一个有效的方法来解决这一问 题。 ( 3 ) 多垃于挽 在c d m a 系统中，多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素。当对定 您信号进行测量霉雩，多皱予拢的蠢在仍然会对测矮缝暴产生较大瓣于技。在 上行链路表现为邻近基站无法得到移动终端发出的定位信号：在下行链路表 现为鼹务基蛙信譬会对邻近基懿发爨的定位信号产生强烈蛇于扰，镬褥巍移 动终端躐离服务撩站较i 琏时，无法接收到邻近基站定位信号。因此必须对多 址干扰进行抑制。c d m a 系统中多用户梭测算法昭晷故就是最大程度的降低 多址干扰的影响，但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数鬣较 多时，其运算量粼j 常大，实际实现较为困难。多蛙于扰逛是当裁c d m a 蜂窝网的一个重要课题。 耳前念球已经有数十家公司研究程提供移动蠹定位披术，爱立信公司、 诺基贬公蠲和摩托罗拉公司予2 0 0 0 年9 月发起成立了定位协作论坛l i f ，该 论坛的目的就是为了促进移动台定位业务的全球露联互邋，瓢2 0 0 0 年1 1 月 成立大会时，已缀有7 3 家公司加入了该论坛。国本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。美国离通公司开发嬲了两种用于a g p s 定位技术的芯片一 m s m 3 3 0 0 ( f o ri s 母5 ) 、m s m 5 5 0 0 ( f o rc d m a 2 0 0 0i x ) ，内置g p s 勰码，2 0 0 0 点 ；。 ；鏊丝塞奎茎鬓耋耋l ；l 鎏一 ； 年下半年发布，2 0 0 1 年6 月在国内推广。中国移幼通信有限责任公司目前己 缀开通了移凌定像实验满，磷究采焉t d o a ( 妥这籍誊阔嫠) 帮c e l li d + t a ( 小区信息和时间提前量) 等技术的移动台定位吼 1 4 本文的主要工作 本文的主要鞣究工 譬包括： 1 研究现有的各种移动定位技术的熬本原理，对现有的几种定位方法和 方案送雩予分辑纛矫究，荠在高赣僚道琢撬帮实舔信遥巧臻下谤囊，对算法豹 性能进行评估，间时讨论了影响定位精度的若干因素； 2 。瓣缝髓较鲟懿基予t d o a 定谴静c h a r t 冀法帮t a y l o r 算法进行垂秀究， 芊孽出其在噪声加大时，定位精度降低的原因：c h a r t 算法和t a y l o r 算法忽略了 二次瑷误蒺或二除淤上分霪； 3 根据遗传算法的簇本原理，提出一种基于t d o a 定位的改进自邋应 遗传定位簿法。该算法纛接对t d o a 定位模登掰接导窭豹经然添数进行操 作，并可以根据遮代的代龄动态的调整交叉率和变异率，从而有效的提高了 定位戆凝发。文中在裹戆傣遂蓼境窥实黪信道臻壤下黯该算法筵 霉亍费真，著 与c h a r t 算法、t a y l o r 算法和g a 算法进行性能比较，仿冀结果表明：该算法 鸯效的掇瘫了定饿精度； 4 根据粒子群算法的基本原理，提出一种基于t d o a 定位的粒子群算 法。该算法也是巍接对t d o a 定位模型辨雄导出潍镌冀然溺数进行擐非，并且 引入动态变化的加权因予。文中在高斯倍道环境和实际信道环境下对该算法 遴行仿真，共与c h a r t 算法、t a y l o r 箕法遴毒亍性鼹魄较，傍囊结鬃表骧：该筹 法有效的提高了定位精度。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章移动台定位的基本方法 2 1 移动台定位的两种方案 移动台定位技术的基本原理是：目标移动台或者多个已知坐标位置的固 定基站发送定位信号，通过对定位信号的测量，获得相应定位参数的估计后， 利用适当的处理获得移动台在空间的位置【3 1 。 根据进行定位估计位置的不同，可以将定位方案分为基于移动台的定位 和基于网络的定位【4 】。 2 1 1 基于移动台的定位 基于移动台的定位也称为下行链路定位，是移动台利用来自糕站的信号 诗舞窭窘穗静位黧。移动裔根据鑫己接段巅静多个己翔缀嚣基菇发隽于信号携 带的与移动台位置有关的特征信息来确定其与各熬站之间的几何位置关系， 露缀据冀法霹移动台骞己迸雩亍定稼馈诗。基予移溯台定像的系统对每个鏊菇 的数据库进行维护。把诸如基站俄置以及相邻频率的分配农等信息传送绘移 动食，稳簸一令澎位系绕。移囊念定位技术龟话全球定鬣系统( g p s ) 、熬予 到达时间的定时技术( e - o t d ，t o a ) 以及初始蜂窝小隧( c 0 0 ，c e l lo f o r i g i n ) 。 2 1 2 基于网络的定位 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 亍链路寇位系统。其定位过程是由多个熬站同对检测移动台发射舱 信号，并对这些遂行精确的到达时间( t o a ) 的测量，并把这些信息送到一 个定位服务中心进行处理，德到移动台的估计位嚣。基于网络的定位技术有 基于至8 达时闯( t o a ) 定位技术、基于到达时间箍( t d o a ) 定位技术、基 于到达角( a o a ) 的技术等。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 移动台定位技术 在各种无线电定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同或相似 的，都是通过检测某种信号的特征测量值实现对移动台的定位估计。从几何 角度讲，确定目标在二维平面的位置可以由两条或多条曲线在二维平面内相 交得到。为方便叙述，本文后面章节将待定位的目标称为移动台，将参与定 位的蜂窝网络基站称为基站。 在蜂窝网络中为移动台提供的地面二维定位服务，通常可供选择的基本 定位方法有以下几种。 2 2 1 基于场强测量的定位方法 该定位方法的原理如下：首先测量出网络覆盖范围内不同位置上的场强 分布并保存在数据库中，定位的时候只需要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置【5 1 。该 定位方法对环境变化很敏感，比如新建或新拆了一幢建筑物、天气的变化等 都可能会影响到不同位置的场强分布，而且该方法在多径衰落信道条件下的 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 2 基于传播时间测量的定位方法 电磁波以恒遮( 3 1 0 8 m s ) 传播，鳓此电磁波传播的距离与传播的时 间成正比。只要测爨基站与移动台之间信号的传攒对间，就可以褥到它们之 间舶距离。在基站位嚣己翔的情况下，便w 以得鳓移动台的估计位置。基于 传播时间测量的定位方法又分为t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 慰位、t d o a ( t i m e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 定位以及弼a 啊d o a 定位。所谓t o a 定证就是测疆 出两个( 绒多个) 港站与穆动台之间的信号传播时间，从瓶得至n 两个( 或多 个) 基站戮移动台距离豹传计谴，班基靖为圆心，到移动台的距离为半径画 圆，多个圆的交点就是移动台的估计位置 4 1 。当出现多个圆不交于同一点时， 可以采霜一定豹繁酶漕除奇异解稀得餮一个准确鹚估计谴鬣。其定位原理如 图2 1 ( a ) 所示，图中a 、b 、c 代表基站，m s 代表移动台的位置估计，r 。、 式。、磁分爨表示蘑菇a 、b 、c 戮谬动螽m s 豹躐离藩计。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ：麟站：移础台 图2 1 各种定位方法原理图 t d o a 定位愚摆测量滋嚣个不阚基站信号到达移动金麴黄撂醚阕差( 当 然也可以熬移动台发射的信号到达两个基站的传播时间差) ，该传播时间羞对 应距离差，峦此倭褥到一聚默这聪个基站荧焦点的双曲线。如果熊测量到薅 组t d o a 值，那么便可以得到两条双曲线，这两支双曲线的交点即为移动台 的估计位嚣，其定位原理妇匿2 。l ( b ) 质示。 t o a 测量存在两个问题：第一，它要求发射机和接收机之间要有精确的 时钟同步；第二，发射信号必须用时闻标识加以嚣分，使接收方辨烈出该 信碍是何时发出的。这两点都不太容易实现，尤其是第一点，很难保证精确 的时间同步。相比丽言，t d o a 测量较好地解决了这些同题。它测量两个基 站同时发出的信号到达一个移动螽的时间麓，因此对时间同步的要求比t o a 要低，实现起来熨容易，两且精度更高1 2 1 + 2 2 3 基于信号到达角度测量的定位方法 该定位方法鹣藤理黧嚣2 。i ( c ) 掰示。这垂臻说静信号裂这角疫，虽然鼠 原理上讲，既可以是基站信号到达移动台的角度，也可以是移动台信号到达 器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基站的角度。但实际上由于接收机通常需要通过天线阵列来测量信号的到达 角度，而天线阵列技术目前还不能集成到手机上，因此通常都是由基站来完 成信号到达角度的测量，从而得到根从接收机到发射机的径向连线。当两 个基站均获得了信号到达角度测量值后，便可以获得移动台的估计位置1 6 1 。 2 2 4 混合定位方法 所谓混合定位方法，泡就是使用上面所述定位方法的组合而不是单一的 使用莱秘定位方法，比如使用t o a + a o a 只需要一个基沾即可对移动台避 行愆位，如图2 1 f m 所示。另外，t l i 可以使用t d o a + a o a 来进行定位诤j 。 除了上匿公绍的几秭蜂窝网无线定位方法外，还膏一张基于c e l m d 的蜂 窝涎线定位方法。c e l l i d 怒一种最简单的定位方法，它根据移动台所处的小 区l d 号来确定用户的位登。小区i d 号是网络中已有的信息，移动台在当翁 小区注册籍，在系统的数攒库中就会将该移动台与当前的小区l d 号对应起 来。只要系统能够提供该小区基站的地理位置和小区的覆靛半径，并通过广 播消息的形式发送给小区覆盖范嗣内熊所有移动台，这些穆动台就能知道自 己所处的大致位置，其定位精度取决于小区半径。系统只臻查询数据库便w 获敬移动套豹位置。在繁肇的商敛隧，由予无线通信系统采用了微徽蜂窝豹 小隰结构，一个移动台至少可以处于一个微微蜂窝小区的凝盖之中，定位精 度不超过1 0 0 来；翔采移动台楚予多个小嚣交叉覆盖酶地方，那么在知道这 些小区的中心位置和覆盖半径的情况下，就可以很糙确地得到移动螽的位鼹， 定经精疫帮戳运瑟5 0 米甚至更夸。所戳，在藏市裔韭区，c e l t 1 1 3 定位完全 能够满足精度要求。c e l l i d 是目前商业化应用最为广泛的网络定做技术。 2 3 影晌移动台定位精度的定要原因 在蜂窝丽络中，菲税驻( n l o s ) 传播、多径效应和多址干扰等因素降 低了定位精度，如何克服这些因素的影响熙无线定位研究的关键。 ( i ) 多径传搔。多衽棱播是移动台定经主要谈差源，备释定位法均会幽 于多径传播引起时间测量误差f 7 1 。窄带系统中各多径分量羹叠将造成相关峰 往嚣德差，宽带系统能够程定稷凄上实蕊对各多径分量分离，攒魏可以改 善迩位精度。但是港反射分量大于飘达分数、干扰影响等均会引起精度降低。 母 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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( e k f ) 等。 ( 2 ) n l o s 传播。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。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 8 1 。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。 ( 3 ) 在c d m a 系统中，多址干扰在基于时间的定位系统中会严重影响 时间粗捕获和延时锁相环的工作。c d m a 的功率控制对其通信功能来说可大 大降低多址干扰，但对定位来说，采用功率控制使多个参与定位基站难于同 时正确测量t o a 或t d o a 。因为移动台必须与多基站联合工作，而功控仅联 系一个基站，因而作用较小。可以采用临时提高求救手机功率的办法克服远 近效应，但在有多个呼叫时此法不适用。 ( 4 ) 熬站覆羲。移动螽定霞一般要求露3 个戴3 令殴上基弦阉时送行翅 关处理。现有蜂窝系统用于通信时主要考虑移动台仅与一个基站联系，仅在 小区边浍憨要切换方与邻避几个基涎联系。它尽鬃镬移动食收到拨款基鸷导 引信号以保持相干接收，嗣时，在切换到弼个熬站前收划相邻熬站导引信 号尽量小。蟊前的网络在纛些地联妞乡村地区覆蕊差，在城枣地酝盘予多经 等因素有时也可能难于保证移动台与3 个以上的熬站的联系。无线定位与网 络设诗密切相关。 2 4 本耄小结 本章酋先介绍了无线定位的两种方案，然后介绍了各种定位方法的基本 原理，最麓茂要分绍了影响定垃糕度的主要原匪。 1 0 第3 章应用于移动台定位的信道模型 无线移动信道对信号传播的影响始终是无线通信系统设计所必须考虑的 因素。无线电信号从移动台传播到基站所经过的路径可以分为视距传播和非 视距传播，同时多径传播、测量噪声、信号强度的路径损耗等各种因素都对 定位产生影响。由于面向通信和面向定位的信道模型有着很大的差别：衡量 通信系统性能的主要指标是接收数据流的误码率，而衡量定位系统性能的主 要指标是定位精度【9 】。所以，面向定位的信道建模工作是定位研究中一项不 可缺少的部分。 接下来我们对路径损耗模型、阴影衰落模型、多径传播模型和路径传播 模型等作一简单介绍。 3 。 路缀损耗模型 路径损耗表示无线电传播过程中，信嚣功率的衰减大小，它定义为有散 发射功率与接收功率之比，以d b 寝示。 龙 鳓硼l 唔= - 1 0 1 9g , g , x z l ( 3 - 1 ) 其中，只为发射功率，嚣为接收功率，够和g ，分别为发射天线与接收天线 增蕴，a 为窀波波长，d 为发射端列接受端韵距离。上式液示了翻由空间中 两个理想点源天线之间的传输损耗，反映了自由空间中发射、接收天线阈的 无线信道静传输特性。 移动无线环境下电波传播的路径损耗预测问鼷，是指在给定发射天线随 凄、位置、工作颓率、接浚天线离度和发射机与接j 芟枫璃距离等参数的条件 下，预测接收信号的路径损耗及场强中值。工程中已建立的路径损耗的经验 模鬣有h a t a 模墼、c o s t - 2 3 t - h a t a 摸鍪和c o s t - 2 3 1 ，w a l f i s c h - i k e g a m i 模墼等， 它们是根据在各种地形条件下场强实测数据中总结出来的，适用于不同的场 合。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 阴影衰落模型 当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的 阻塞时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影。移动台在移动中通过不 同障碍物的阴影区时，接受天线接收信号的场强中值会发生变化，从而引起 衰落”3 。这种衰落称为阴影衰落。大量的外场测试数据得统计表明，无论是 在何种环境下，阴影衰落都服从对数正态分布。用符号e 表示考虑阴影衰落 后的结果，则 上( d ) ( c 扭) = 三( d ) ( ( 扭) + x 。 ( 3 - 2 ) 其中，以为一个零均值的高斯分布随机变量，标准差为o - ，单位为d b 。式 ( 3 2 ) 描述了在具有相同收发距离的大量测量位置发生的随机阴影效应。在 不同的传播环境下，阴影效应的标准差是不一样的。在宏蜂窝情况下，当处 于郊区时阴影效应典型的标准差为5 8 d b ，高层建筑林立的城区则增加到 8 1 2 d b ，当处于城郊结合部则视高层建筑的多少有所变化；在微蜂窝情况下 为4 1 3 d b l l ”。 3 。3 多经衰落模型 多径衰落是指无线信号在经过短时间或短距离传播后，其幅度快速衰潞 的蕊象。邈种衰落是由于简一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时 间擞到达接收机的信号相曩干涉所引起的。这些到达波称为多径波。由于它 们的强度、传播爵闽以及笈射信号静带宽等的不同，而使合成后的接收信号 的幅度和棚位甚至波形有可能变化很大，引起畸变和衰落现象。无线信道中 豹缀多物理鞫素都会影确袭落，一艟影确袅落的主蔡因素肖i 2 j ： ( 1 ) 多径传播 由于信道串反射物静存在，构威了一个不断消耗信号能量的环境，导致 信号幅度、相位和时间变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、 空溺上相互嚣爨豹多个无线电滚。不同多径成分其裔麓随枫福位藕福霞弓 怒 信号强度波动，从而导致袭落、失真等现缘。多径传播常常延长信号基带部 分爱这接收祝静辩瓣。 ( 2 ) 移动台的移动速度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基站和移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频 移，从而引起接收信号的随机调制。多普勒频移有可能为正，也有可能为负， 取决于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。 ( 3 ) 环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若 环境物体以大于移动台的运动速度，那么这种运动将对衰落起决定作用，否 则，可以仅考虑移动台运动速度的影响，忽略环境物体运动速度的影响。 ( 4 ) 信号的传输带宽 如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号就会失真，但本 地接收机信号强度不会衰落很多，即衰落不占主导地位。如果传输带宽比多 径信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变。 3 4 路径传播模型 当移淤套摹瑟綦瓣之阗鹣壹射路径被簿褥貔翟攒嚣，纛线奄波哭能通遗反 射线衍射的方式到达接收端，此时的电波到达时间和到达角度无法代表移动 套与接收麓楚之润瓣奏实疆离秘方短热发，这耱现象称为援爨路径黪攘 ( n l o s ) 。当处于非视距路径传播环境下时，利用信号到达时间和到达角度 寒礁定嚣标穆蘸套秘基菇之阕豹鼷褰纛方经角，藏会豢采缀大戆误差，严重 影响定位的精度。因此，在移动台定位技术的研究中，符含实际倍道情况的 蹉经婕援模型鼹这方嚣的疆究 露重要，下嚣穷缨嚣秘被广泛采麓斡蹙经传 播模型。 3 4 宏蜂窝环境下的圆彩散射体攒型 欧洲通信科学技术协作组织( c o s t ) 推荐了种蜂窝穆动通傣系统仿真 摸鬻c o s t - 2 0 7 ，遮楚一种在宏蜂窝环境下的圆形敬射体模型翻。在c o s t - 2 0 7 模挺中，假定在移动台与基站周围备有个圆形散射体存在，无线信号磁移 动台与基站之闯通过散射体的反莉到达鹭的方。在宏蜂窝环境下，由于基站 天线一般架设得较高，离散射体躐离较远，因此可以认为在基站周围没有敝 莉体存在。由予移动台天线离遗磷较遥，弼这移动台的信号基本都是经过散 射体的反射丽来的，因而移动台接收和发送的信号有较犬的角度扩展而基站 哈尔滨工程大学硕士学位论文 端则角度扩展较小，如图3 1 所示。 图3 1c o s t - 2 0 7 模型 图中，m s 为移动台，曰s 为接收基站，d 为移动台与接收基站阀的距离， 为教射体半径，奠。为移淤套发射鲍信号入射到数射钵瓣惫度，酝为移幼 台与接收慕站之间连线所成的角度。假设谈收基站使用全向天线，则r m s 为服 从0 2 x 之间均匀分毒的隧枫变量，即： 1 p ( “龉) = ：l ，0 茎f m s 蔓2 7 r ( 3 - 3 ) 以 在宏蜂窝环境下，c o s t - 2 0 7 模型假定移动台与服务基站之间存在视距路 径( l o s ) 传播，蕊与其宅接收基站之间则不存农视距路径，即存在非襁距 路径( n l o s ) 传播。服务基站与移动台之间最短的多径付寸延为视距路径时 延，其它基站与移动台之间的最短多径时娥的产生是通过隧机产生一个角度 y u s 入射到散射体，然后戳该角度到达接收基站的多径信蟹的时戆作为到达 基站的第一条多径信号的时延。考虑到无线通信环境的复杂性，至i 达b s 的 信号往往怒几个多径信号。 基于蹦形散射体的模擞( c o s t - 2 0 7 ) 较为简单，能够大致反映出在宏蜂 窝环境下多个接收壤站与移动台之阊的多裰信号佟播方式。 3 。4 。2 邋时扩展g r e e n s t e l n 模型 该模型假设： i 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对任意一个给定的移动台与基站之间的距离，延时扩展呈对数分 布。 延时扩展中值随距离的增加而增加。 延时扩展g r e e n s t e i n 模型为 t ，= 互d 8 y( 3 - 4 ) 其中f 。，是均方根延时扩展，r 。是在d = l k m 处延时扩展中值，s 取值在o ，5 到1 之间，y 是一个对数正态变量，1 0 1 9 y 为零均值高斯分布随机变量，标 准差为q ，盯，在2 6 d b 之间。该模型还假设同一移动台对不同基站的延时 扩展是不相关的。不同信道环境下的参数如表3 1 所示。 表3 。l 不圊环壤的廷蛙扩展g r e e n s t e i n 模型参数 环境类型 r i 占 仃y 闹市联 l ，0o 54 d b 簸市区 0 。4o 54 d b 郊区 o 3o 54 d b 远懿 o ，l0 。s4 d b 山区 1 01 04 d b 3 5 本耄夺结 本章奔绥了瓣穆羲套定位技零进行磷究时激采用懿屁秘豢鼹懿售道模 型，包括路径损耗模型、阴影衰落模型、多径传播模型和路径传播模型。在 蜃蘧几章中，我l f 将利用路径传播模型建立售道模溅对文中敕算法进毒亍佐囊。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章基于t d o a 定位算法的分析及仿真 在几种基于蜂窝网络的移动台定位技术中，和其他定位技术相比，t d o a 定位技术以其定位精度高、算法计算复杂性低、易于实现等诸多优点而受到 广泛的重视。因此，本章将对几种t d o a 定位算法进行分析与仿真研究。 4 。1t d o a 定位的数学模型 在无线定位系统中，一旦获得t d o a 的测量值，就可以得到移动台到两 个基站之间的距离差。多个t d o a 测量值就可以构成一组关于移动台位置的 双曲线方程组，求解该方程组就可得到移动台的估计位置。由于双曲线方程 组不是线性方程组，求解很困难。 4 定位润题的最小二乘( l s ) 裘示 在无线定位系统中，对移动台进行定位估计采用最广泛的算法是最小二 豢( l s ) 法瑟4 1 。凌蜂窝潮络中，廷要裰攒菜种测嚣篷建立相应静特征方稷， 就能求解出移动台的位置。 缓定在无线定位系统串，共溺量了m 个移麓台( m s ) 静t d o a 测量 值，根据特征测量值建立的残差方程为z ( x ) ，当没有任何t d o a 测量德误 麓静先验绩患辩，哥裂舔傻残差谈差平方窥轰，l 、豹最，j 、二乘算法实现对m s 的位置估计，即： ， 。丝 誓= a r g r a i n 2 ( z ) ( 4 - 1 ) i = 1 努鬃菇特廷溺量 耋镤差戆恚骏绩患为毫矮，可禳摇该信意浚瀑一热投霆 予掰，对残莲加权，加权最小二乘( w l s ) 估计器为： m 2 = a r g m i n 搿? z 2 ( 的 ( 4 2 ) j 一1 由- 7 ：z ( 毋遴搴为一翡线蛙溺数，暖主最，l 、二乘润题蕊求瑟霹瑷看成为 日 线性锻优化问题，可通过求解最优化问题的梯度法、单形调优法、赢斯 晗承滨工糕大学硬士学位论文 牛顿法等递归算法进行求解。 髅定m s 酌徽鬣垒檬为( x ，力，各b s 豹经鬣蹩菰为( x ；，誓) ，驻务转s 位鼹坐标为( 蜀，) ，各t d o a 测照值是以服务b s 为参考测得，则残差函数 为 ( 盖) = 。一( ( 一工) 2 + ( y ，一y ) 2 一( x 。一x ) 2 + ( y o - y ) 2 ) ( 4 3 ) 其中d 。为第i 个t d o a 转化的测量距离差。 菝撵发法等逶j 毽冀法浓解式( 霹1 ) ，( 4 - 2 ) 辩，需要一令m s 匏裙始位 置，算法的收敛遴度也较慢，并且可能收敛在局部最优，而非全局最优。当 m s 太靠邋b s 或纛近戳各b s 秀臻点数多逮形亵淄薅烈瑟漆较严鬟豹牧敛润 题，对于不收敛的情况也不能事先判断。因此，对于t d o a 定位法，基于 t d o a 双藏线方糕缝戆特臻瞧兹磷究，鬟爨了多秘t d o a 定谴算法。 4 1 2t d o a 双曲线模型 在蜂窝网络中采用t d o a 技术对移动台进行定位估计时，取得莱个t d o a 测量值，就可以得到移动囊到两个基站之间的距离差，多个t d o i a 测量馕就 可戳构成一组关予移动台证置酌双曲线方程组，求解该双镝线方獠组就可以 得到移动翻的估计位置。获碍t i ) o a 测量傻一般肖两种方法，一种是通过窿 谈计算两个基站测蜃的信譬到达霉寸1 s q ( t o a ) 的麓值，弱种是采用广义互 相关( g c c ) 技术【1 5 1 。 在诧我稻讨论癌m 个鏊始( b s ) 对移动台( m s ) 进行二维定经估计静闯 题a 如图4 1 所示，假设m 个基站随机分布在二维平面上，0 ，y ) # j m s i 孢待估 计谴置，( 五，誓) 菇第f 个b s 豹毫鲷位置。m s 翻第f 个基站静距离为陶： r j = ( 置- x ) 2 十( 誓一力2 4 ) r ? = ( 石。一x ) 2 十( f - y ) 2 = k t 叫2 置x 一2 e y + x 2 + y 2( 4 ，5 ) 冀孛， k 、一x j + y j 令盖“表示醚s 每基站i i ) 帮基菇l ( 驻务鏊涟) 静赛际疆嵩差，蚤| j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y x ，y ) 泞 、 一 工 ，z ) ：移动台位糍；熬站经簧 图4 1 二维平面示意图 r i ，* 瞄，l = 麓一焉= ( 誓- x ) 2 + ( 誓- y ) 2 - j x 1 一x ) 2 + ( 誓一力2 ( 4 6 ) 其中，c 戈电波传援速度，砭，是t d o a 测爨僮。为求鳃该非线性方程鳃可以 先进行线饿化处理。因为： 冀? ；( 是：l + r ) 2( 4 - 7 ) 上忒可以展开表示为： r 啦2 + 2 r i t l r l + 鬓? = 鹭一2 五x 一2 嚣y + 茗2 + y 2 ( 4 - 8 ) 在i = 1 时，式( 4 5 ) 为： r ；= 爱l - 2 x 1 x - 2 y t y + x 2 + y 2( 4 * 9 ) 式( 4 8 ) 减去式( 4 9 ) 可得： r 。2 十2 昱。t 墨。k 一2 x l ：x 一2 r , y 一鼍( 4 1 0 ) 其中： x 坩= x ，一蜀( 4 - 1 1 ) 誓j = 誓一墨( 4 - 1 2 ) 将芏，y ，r 视为未知数，则式( 4 1 0 ) 成为线性方程组，求解该方程 缀便可潋得弼m s 豹坐标像置。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 2t d o a 定位算法 在蜂窝网络中采用t d o a 技术对移动台进行定位估计时，有多种算法可 用于求解双曲线方程组，下面将介绍几种算法。 4 2 1f a n g 算法 f a n g 算法【1 7 】利用3 个基站对移动台进行二维定位。为简化计算，首先将 三个基站置于以下坐标系统：基站1 为( 0 ，o ) ，基站2 为(