（通信与信息系统专业论文）蜂窝网络中基于tdoa和aoa的定位算法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着移动通信技术的快速发展，移动通信已经走进3 g 时代。 第三代移动通信系统将给人们带来更高的话音质量，更丰富的多媒体业务 和更多的增值业务( 如定位服务等) 。因此移动台的定位技术的研究成为热 点。 移动通信的定位方法有很多，文章中主要研究了基于t o a 、t d o a 和 a o a 的定位基本原理、定位模型及无线定位信遒模型。介绍了具有定位功 能的w c d m a 系统的网络结构及相应的关键技术。对各种传统的算法进行 了仿真和性能分析。针对c h a n 算法和t a y l o r 算法的优点和缺陷，提出了 将c h a r t 算法的定位结果作为t a y l o r 算法的初始估计值代入，有效的提高 了定位精度。 移动通信定位中最大的误差来源于电波的非视距传播。文中重点研究 了非视距传播环境模型。为了减少非视距传播对定位精度的影响，目前的 抗非视距传播算法需要知道信道的先验信息，而实际环境中，信道环境是 时变的，文中提出了两种改进的算法：在t d o a 定位参数中引入伸缩因子 的t d o a 定位算法和在t d o a 和a o a 定位参数均引入伸缩因子的 t d o a a o a 混合定位算法，仿真性能分析表明，改进的算法不需要事先知 道信道的先验信息，有效的减少了非视距传播的影响，提高了定位精度。 本文还在k l e i n e o s t m a n n 数据融合模型的基础上，提出了一种改进的 基于数据融合理论的移动定位模型，该模型运用最佳线性数据融合理论， 将上述描述的改进的定位算法与c h a n 算法和t a y l o r 算法一起融合，仿真 得出其有效的定位效果。 关键词：蜂窝网络；无线定位；非视距传播：信号到达时间差 信号到达角度 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 ，w eh a v eb e e n s t e p p i n gi n t ot h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e c e n t l y t h a tw i l l b r i n ga b o u tt h em o r es u p e r i o rq u a l i t yo fv o i c e ，t h em o r ec o l o r f u lm u l t i m e d i a s e r v i c e sa n dm o r ea d d e dv a l u es e r v i c e ( a sr a d i ol o c a t i o nf o re x a m p l e ) 。a sa r e s u l t ，t h er e s e a r c ho nl o c a t i o ns e r v i c e sh a sb e e nah o tp o i n t t h e r ea r em a n yl o c a t i o nm e t h o d so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e r m a i n l yd i s c u s s e st h eb a s i cl o c a t i o np r i n c i p l e sb a s e do nt o a ，t d o aa n da o a ， l o c a t i o nm o d e l sa n dw i r e l e s sl o c a t i o nc h a n n e lm o d e l i ta l s od i s c u s s e st h e s t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fw c d m an e t w o r k st h a th a v et h ei o c a t i o n f u n c t i o n t h ev a r i e t yo ft r a d i t i o n a ll o c a t i o na l g o r i t h m sa r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d i no r d e rt o o f f s e tt h el i m i t a t i o no ft h e s et r a d i t i o n a la l g o r i t h m sa s c h a na n dt a y l o gt h el o c a t i o nr e s u l t so fc h a na r eu s e da so r i g i n a lv a l u eo f t a y l o r s e r i e s e x p a n s i o na l g o r i t h m ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fl o c a t i o ni s i m p r o v e de f f e c t i v e l y t h eb i g g e s te r r o ro fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nl o c a t i o ni sc a u s e db yt h e n o n - l i n e o f - s i g h tm l o s ) t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ec h a n n e lm o d e lo f n l o s t h ep o p u l a ra n t i n l o sa l g o r i t h m sa r eb a s e do nt h ek n o w nc h a n n e l i n f o r m a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c ec a u s e db yn l o s ，t w om o d i f i e d a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t h ef i r s ti st h a tl o o s ev a r i a b l ei si n t r o d u c e di nt d o a l o c a t i o np a r a m e t e lt h es e c o n di st h a tl o o s ev a r i a b l e sa r ei n t r o d u c e di nb o t h t d o aa n da o al o c a t i o n p a r a m e t e r s t h et w om o d i f i e da l g o r i t h m s a r e s i m u l a t e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h en l o si n f l u e n c ei sr e d u c e da n dt h e p e r f o r m a n c eo fl o c a t i o ni si m p r o v e dw i t h o u tt h ek n o w nc h a n n e li n f o r m a t i o n t h i sp a p e ra l s op r o p o s e dam o d i f i e dm o b i l el o c a t i o nm o d e lb a s e do nd a t a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f u s e t h i sm o d e lu s e st h eb e s tl i n e a rf u s i o nm e t h o d 1 1 1 eu p p e rm o d i f i e d a l g o r i t h mi su s e da so n eo fi n p u t si nt h i sm o d e l t h es i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e s m a tt h ei o c a t i o n p e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d i na l lk i n d so fc h a n n e l e n v j r o n m e n t s k e y w o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r k s ；w i r e l e s sl o c a t i o n ；n o n l i n e o f - s i g h t ( n l o s ) ； t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ( t d o a ) ；a n g l eo f a r r i v a l ( a o 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) ：蝤垒 日期：厶。g 年月6 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于移动通信系统用户的不断激增、移动通信市场的不断膨胀，使得现 代的电信企业正朝着以客户为中心的方向发展。原有的移动通信业务已经不 能满足客户的需要，电信运营商需要开发新的增值业务以满足客户的需求。 近年来，人们对移动通信运营商、政府管理机构、e 一9 1 1 服务提供商提供的 移动台位置信息的需求不断增长。特别是在第三代移动通信业务中，移动通 信定位业务作为一项最具有竞争力的移动业务被各大运营商看好，因而具有 极其广阔的发展前景。 在蜂窝网络中，提供基于移动台位置的服务应用于各方面，如公共安全 服务紧急报警服务、基于移动台位置的计费、车辆和交通管理、导航、城市 观光、网络规划与设计、网络q o s 和无线资源管理等。在蜂窝网络中需要定 位的移动台通常是静止的或慢速移动的手机，因此，定位通常利用蜂窝网络 参与无线定位，根据需要也可以利用卫星参与辅助定位。 1 1 移动台定位系统 目前在蜂窝网络中对移动台定位主要是提供移动台的位置坐标信息及定 位精度估计、时戳等辅助信息。现在已提出的各种移动台定位方法都是二维 定位方法。事实上，由二维定位技术推广到三维定位技术也是较为直接和容 易的。 从根本上说，移动台的定位技术的基本方法是：目标移动台或者多个具 有已知坐标位置的固定信标( 如基站、定位测量单元) 发送定位信号，通过 对定位信号的测量，获得相应的定位参数的估计后，利用适当的数据处理手 段，根据得到的定位参数估计确定目标移动台在= 维平面的位置。定位功能 的实施要充分利用无线网络已有的系统资源和g p s 等可以利用的资源，并尽 可能少地影响网络的原有功能，选择适当的定位系统类型、相应的定位技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 及实施方案。 在蜂窝网中，根据进行定位估计的位置、定位主体及采用的设备的不同 可对移动台定位的方案分为两类：基于移动台的定位方案、基于网络的定位 方案，与之对应有以下几类定位系统： 1 1 1 基于移动台的定位系统 这类系统也称为下行链路定位系统，采用的是基于移动台的定位方案。 这种方案要求移动台参与定位参数的检测以及终端位置的求解运算，因此需 要对现有的移动终端内部的软硬件进行修改和升级。其定位过程是由移动台 根据接收到的多个己知位置发射机发射信号携带的某种或多种与移动台位置 有关的特征信息( 如场强、到达时间t o a 、到达时间差t d o a 、到达角度 a o a 等) 确定其与各发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位 置计算功能根据有关定位算法计算出移动台的估计位置。 1 1 , 2 基于网络的定位系统 这类系统也称为上行链路定位系统，采用的是基于网络的定位方案。这 种方案主要依靠移动通信系统中网络的设备来实现对移动台的定位，因此不 需要对用户端进行修改，其定位过程是由多个固定位置的接收机同时检测移 动台发射的信号，将各接收信号携带的某种或多种与移动台位置有关的特征 信息传送到网络中的移动定位中心进行处理，由集成在其中的位置计算功能 计算出移动台的估计位置，再把定位结果以数据形式传送给移动台。 1 1 3 网络辅助定位系统 这类系统采用的也是基于网络的定位方案，同样由移动台检测网络中多 个固定位置发射机发射的信号，将各信号携带的有关位置的特征信息通过空 中接口传送回网络，由集成在网络的位置计算功能计算出移动台的估计位置， 再把定位结果以数据形式传送给移动台。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 4 网络辅助g p s 定位系统 这类系统采用的方案从原理上讲应属于基于移动台的定位方案的范畴， 因为它从某种角度来说只是与利用蜂窝无线系统的无线信号定位的基于移动 台的方案所利用的定位信号来源不同而已，它利用的是卫星信号进行定位， 该系统主要思想是建立一个g p s 参考网络，整个网络与无线网络相连。该网 络中所有的接收机都能清楚地观测到空中的卫星并且保持连续的工作，通过 该网络获得g p s 辅助数据传送给移动台，集成在移动台中的g p s 接收机在 辅助数据的帮助下完成g p s 信号测量，最终由网络或移动台中的位置计算功 能计算出移动台的估计位置。 1 2 蜂窝网无线定位方法 在各种定位系统中，可以根据各自的特点采用各种定位技术和方法。蜂 窝网无线定位中，根据所检测的特征测量值的不同，可以将基本的定位方法 分成以下四种：基于场强测量的方法、基于时间测量的方法、基于信号到达 角的方法以及混合定位方法。 1 2 1 基于场强测量的定位方法 这种方法是通过检测接收信号的场强值，利用事先测量出的网络覆盖范 围内的不同位置上的场强分布的数据库来估算出移动台的大致位置。该方法 对环境变化敏感，也就是说同一地点的场强随着信道环境的变化而变化，不 能与数据库中己知的信息进行正确匹配，而且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。 1 2 2 基于时间测量的定位方法 通过检测出的电波从发射机到接收机的传播时间，就可以知道他们的距 离。从而，可以通过某种方法计算出移动台的估计位置。这类方法又分为到 达时间t o a 定位、到达时间差t d o a 定位 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t o a 定位就是测量出两个或多个基站与移动台之间的信号传播时间，从 而分别得出移动台与各基站之间的估计距离，以各基站位置为圆心，相应与 移动台间的距离为半径画圆，可以得到两个或多个圆，这些圆的交点从理论 上讲就应该是移动台在二维平面上的位置。然而实际定位中，由于检测到的 定位参数有误差，这些圆的相交部分不是一个点，而是一个区域。 t d o a 定位指的是通过测量出两个不同基站与移动台之间的t o a 的差 值t d o a ，一个t d o a 测量值对应的是以两个基站为焦点的一对双曲线，多 个t d o a 测量值对应的是多条双曲线的交点，即为移动台的估计位置。 基于信号传播时间测量的定位方法是目前在各种蜂窝网无线网络中主要 研究采用的定位方法，也是目前研究的最多的方法。 1 2 3 基于信号到达角的定位方法 信号到达角a o a 的估计问题属于定位课题中的定向领域，通过基站接 收机天线阵列检测出移动台发射电波的a o a ，可以构成一条从基站到移动台 的径向连线，即方位线。利用多个基站提供的a o a 测量值，可以画出多个 方位线，其交点就是移动台的估计位置。 1 2 4 混合定位方法 混合定位方法就是利用上述两种或多种单一的定位方法的某种组合进行 定位。它运用了多种定位参数进行定位估计，综合了不同定位参数的特点， 增加了数据的冗余度。如t d o a t o a 、t o a a o a 、t d o a a o a 等。目前， 混合定位方法成为定位研究的新的趋势。 上述各种定位方法都有其自身的特点。t d o a 和t o a 定位方法在网络 中实现相对容易，也能达到较高精度，因此这两种方法，特别是t d o a 定位 方法受到了更多的重视；a o a 定位方法虽然要求在阵列天线上实现，但在第 三代乃至第四代移动通信中，阵列天线将得到广泛应用使得网络能够检测出 移动台的角度信息。混合定位方法能吸收不同定位方法的优点，但需要提供 不同的特征测量值。综上所述，目前在无线通信系统中受到广泛关注和深入 研究的是t d o a 、t o a 定位及混合定位技术。同时，这也是本文研究的出发 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点。 1 3 蜂窝网无线定位基本原理 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。从几何角度讲， 确定移动目标在二维平面的位置可以由组曲线相交得到。 1 3 1 圆周定位 若已知移动台到基站b s ，的直线距离足，则移动台一定位于以该基站为 圆心的，距离r 。为半径的圆周上，即移动台位置g 。，y 。) 与该基站位置x ，y 。) 满足方程： g 。一) 2 + c y 。一y 。) 2 = r ? = l ，m ( 1 1 ) 上式中m 为参与定位的基站的数量。如果已知移动台和三个基站之间的 距离，则移动台必定位于以这三个基站为圆心，移动台到三个基站的距离为 半径的三个圆的交点上，如图1 1 。 图1 1 圆周定位 在实际定位过程中，通过测量移动台发出的信号到基站船。的时间t 。 ( t o a ) 可以得到移动台到基站的距离r ，= c r 。，i = 1 ，m ，m 为参与定位 的基站的数量，c 为电波传播的速度。联立上述方程组即可得到移动台的估 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计位置。这种圆相交的定位方法也叫到达时间( t o a ) 定位法。事实上早期 采用的场强定位法也是圆周定位法1 2 s , 2 9 。只不过检测的定位参数不是时间， 而是接收信号的场强值，利用已知的信号衰落模型及发射信号的场强值估算 出移动台和基站之间的距离。然而由于c d m a 的远近效应问题，系统通 常要采用功率控制，此时，接收到的信号功率并不能反映基站和移动台之间 的真实距离。t o p , 定位法的一个缺点是移动台和各基站必须保持时间同步， 否则不能正确估计出真实的到达时间。假如不同步，必须根据已知的移动台 和基站之间的时间差对检测到的t o a 参数进行修正。 1 3 2 双曲线定位 当已知基站b s l 和b s 2 与移动台之间的距离差r ：。= r ：一r l 时，移动台 必定位于以这两个基站为焦点，与两焦点的距离差恒为r ：，的实线双曲线上， 当同时知道基站b s l 和b s 3 与移动台之间的距离差r3 l = r ，一r l 时，可以得 到另一组以两基站为焦点，与该两个焦点的距离差恒为尺3 ，的双曲线上，这 两组双曲线的交点即为移动台的估计位置，如图1 2 。 一 ” i k b s 2 图1 2 双曲线定位 与t o a 定位法类似，移动台到两基站的距离差可以通过检测从两个基 站发出的信号到移动台的时间差r ：。来确定，或通过检测从移动台发出的信号 到两个基站的时间差来确定。显然r 2 。= 甜：且有： 6 f， |7p， 一、， 。、岁 叭 一 一 冬 一 b 一 一 船 时 ，时r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i i i i i i 葺赢i 蛊薯暑暑毫暑i i i i i j 葺i i 宣嵩高攀_ 墨暑i 专i i i i 嗣墨_ 目薯薯岛毒* 崔高；e r 1 2 = ( ( 一x 。) 2 + ( y 。一虬) 2 一g ，一) 2 + ( y 。一y o ) 2 ) 2i ：2 ，3 ( 1 2 ) 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， 分别对应于两对双曲线的两个交点。由于两个交点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，移动台所处的扇区等) 来分辨 出真实解，以消除位置模糊性。该双曲线定位法也称为到达时间差( t d o a ) 定位法 2 即。t d o a 定位法由于检测的是相对时间差，因此只需要各个基站保 持时间同步，而不需要基站和移动台保持同步，降低了定位系统的复杂度， 实现更容易。 1 3 3 方位角定位 方位角定位法也称为信号到达角( a o a ) 定位法【2 8 , 3 0 。该方法是通过基 站接收机阵列天线检测出移动台发射电波的入射角，从而构成一根从接收机 到移动台的径向连线，即方位线。利用两个或两个以上接收机提供的a o a 测量值，按a o a 定位法确定多条方位线的交点，即为移动台的估计位置， 如图l j 3 。 ，u e 7 只i b jb s l b s 2 7 图1 3 方位角定位 假设基站雕。和嬲：分别检测得移动台发出信号的到达角度分别为岛和 岛，则有下式： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t a n ( o f ) = 眵。一y o ) b 。一x o ) ，i = 1 , 2 ( 1 - 3 ) 通过求解上述非线性方程组可以得到移动台的估计位置。在第三代移动 通信中，阵列天线将得到广泛应用，检测精确的信号来波角矽将成为可能，因 此用方位角作为定位参数参与定位也将成为可能，但是该方法更容易受到电 波的非视距传播的影响。实际定位中由于只有服务基站才能检测到移动台相 对于基站的方向信息，只能得到一个a o a 定位参数，因此在蜂窝网络中该 方法一般不单独使用。 1 3 4 混合定位 混合定位方法是综合利用上述两种或者多种不同类型的信号特征测量 值，如t o a a o a 、t d o a a o a 、t d o a t o a 进行定位估计 3 , 2 9 , 3 1 , 3 2 1 。 例如，如果一个基站能够同时检测得到移动台发出信号到达基站的时间 t l 和角度o l ，则移动台相对于基站的距离r 。= c f ，和方位角只已知，于是由 下式可以解出移动台位置( ，y 。) ，即 ft a n ) = - y 。) k 一)，、 1 “一x o ) 2 + ( y 。一y o ) 2 = ( c t 。) 2 “17 通过求解上述非线性方程组可以得到移动台的估计位置。 通过对上述定位方法特点的分析比较，可以发现方位角定位虽然有一定 的精度，但是要求接收机具有高精度的智能天线阵列，系统设备复杂，而且 只能从反向链路定位；t d o a 和t o a 定位法在蜂窝网络中实现相对容易一 些，也能达到较高精度，因此这两种方法，特别是t d o a 定位法，受到了更 多的重视：混合定位法则能够吸收不同定位法的优点，而且可以减少参加定 位的基站数目，但是需要提供不同的信号特征测量值。综上所述，目前在蜂 窝网络中受到广泛关注和深入研究的是t d o a , t o a 定位法以及混合定位 法。 1 4 蜂窝网无线定位研究进展 自e 9 1 1 定位需求颁布以来，移动台定位技术在国外受到高度重视和深 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入研究，近年来在i e e e 的有关期刊和会议，特别是v t c 上发表了大量研究 论文，也出现了不少定位技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究 和开发的公司。研究的内容涉及蜂窝网络移动定位技术的方方面面，更侧重 于基本定位方法、技术和定位算法的研究，t d o a 、a o a 检测技术的研究， 抗非视距传播、多径和多址干扰技术的研究，数据融合技术方面的研究，定 位技术实施方法的研究，定位系统的性能评估等。 在各种期刊、会议论文和其他文献中，对基于蜂窝网络移动台定位技术 研究具有代表性的有：p i c h u nc h e n 的博士论文“m o b i l ep o s i t i o nl o c a t i o n e s t i m a t i o ni nc e l l u l a rs y s t e m s ”和相关论文1 7 ，8 】中侧重于c d m a 网络导频信号 t d o a 测量技术，非视距误差消除技术，移动台定位跟踪技术等方面的研究； y t c h a n 提出了一种在t d o a 误差服从理想高斯分布时性能优良的t d o a 定位算法 9 1 ；r s c h r n i d t 提出了一种新型t d o a 定位算法【l o 】；m r w y l i e 在文 献【l l 】中则提出了一种判断及消除n l o s 误差的经典方法，目前很多针对 n l o s 误差消除的研究都是对该方法的进一步深入；爱立信公司提出了一种 对移动台进行定位估计的信道模型【1 2 l ，该模型基于实际测量结果，适用于各 种蜂窝网络信道环境：m c g u i r e 提出了一种鲁棒估计函数【1 3 1 ，用于改进n l o s 环境下对移动台的定位估计，还提出了一种基于时间差测量值观测得到的测 量值非参数近似的定位估计算法 1 ”，在n l o s 环境下也取得了较好的定位性 能：t h o m a sk l e i n e o s t m a r m 扩充了数据融合技术的应用范围，提出了一种应 用于移动台定位估计的数据融合模型 1 5 1 ，拓宽了移动台定位技术的研究范 畴；d o n g h os h i n 对t o a 和t d o a 的误差统计特性，g p s 系统中g d o p 、 定位估计及协方差矩阵的关系进行了研究，还对无线定位系统的误差统计特 性进行了分析 m j ，其研究方法值得借鉴；m ，a s o 提出了适用于信号强度测量、 t o a 、t d o a 定位的采用最大似然函数的定位估计方法【l 。”，y i t e n gh u a n g 提 出了一种线性修正最小二乘算法【1 8 】，a a b r a r d o 和s s w a n g 等则对c d m a 蜂窝网络定位系统的性能进行了分析和评估f 1 9 , 2 0 ；“。x u e m i ns h e n 将模糊逻 辑技术应用于m s 的定位估计【2 2 1 ，m i c h e l 则在其专利吲中研究开发了在下行 链路采用t d o a 、t o a 、a o a 等多种技术对m s 进行定位估计的方法和设备。 这些研究大都取得了丰硕的成果。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 本文主要研究的内容 本文研究的重点是改进了c h a n 算法和泰勒级数展开算法在蜂窝网无线 定位中的运用，提出了几种基于t d o a 和a o a 的抗非视距传播( n l o s ) 的定位算法和数据融合的定位算法。 第一章介绍了蜂窝网无线定位基本概念，用途。介绍了不同的定位系统 和蜂窝网无线定位方法。同时讨论了定位的基本原理，包括圆周定位、双曲 线定位、方位角定位、混合定位，并讨论了其优点和缺点。介绍了该领域内 国内外的研究进展情况。 第二章介绍了用于蜂窝网无线定位仿真用的两种信道模型( t 1 p 1 定位 信道模型和延时扩展g r e e n s t e l n 定位信道模型) 和移动通信信道衰落统计特 性。详细讨论了影响蜂窝网无线定位精度的原因和对策。引入了蜂窝网无线 定位的评估指标，在本文中选择均方根误差( r m s e ) 作为评价定位精度的 依据。 第三章重点介绍了w c d m a 网络的定位系统，包括系统的各模块、无线接 口、w c d m a 网络的定位操作及定位的关键技术等。 第四章建立了蜂窝网无线定位基本算法的数学模型，然后介绍了三种经 典的定位算法( c h a n 算法、泰勒级数展开算法、f a n g 算法) ，并对这些算法 进行了仿真研究和性能分析，同时针对于c h a n 算法和泰勒级数展开算法的优 缺点，提出了将c h a n 算法和泰勒级数展开算法联合估计并进行了性能分析。 第五章这部分是本文的核心部分，提出了两种抗非视距传播的定位算 法：在t d o a 定位参数中引入伸缩因子、在t d o a 和a o a 中引入伸缩因子 的混合定位，仿真表明这几种算法消除了大部分n l o s 的影响，有效的提高 了定位精度。 第六章对数据融合技术在移动台位置估计中的应用进行了研究，提出了 一种基于最佳线性数据融合的无线定位模型，并对其性能进行了仿真研究。 在结论部分，总结了本文所做的工作，并提出了蜂窝网无线定位中有待 解决的技术问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线定位信道模型及定位评价指标 2 1t 1 p 1 定位信道模型 t 1 p i 模型 2 4 , 2 5 , 2 6 1 由爱立信的一个移动台定位技术研究小组提出，是一种 常用于仿真评估基于时间定位技术的信道模型。该模型也称为c o s t 2 5 9 模 型。 t i p l 模型中的每一种信道环境包括一定数量的散射体，每个散射体由平 均功率q 。、超量延时瓦。、平均到达角度2 。表征，每个散射体由大量的子波 组成，每个子波延时相同，但到达角度不同，因此可以仿真每个散射体的衰 落情况。每个散射体子波到达的角度服从高斯分布。不同信道环境的具体参 数如表2 1 所示。 表2 1t i p l 信道模型参数 散射体平均延时扩展：平 环境 延时f 相对功率p 个数均超量延时 都市l 2 0 o f m 啦 o 5 1 5 x e x p ( - 6 r r 。) 1 ：1 市区 1 2 0 f 。 o 5 1 5 x e x p ( - 6 r r 。) l ：1 a 市区 与市区a 类似，但应随相对功率调 l 2 0 速矾如r ( - + 允) 2 3 1 5 ：1 b 郊区 1 o4 3 2 ：1 2 6 0 f 。 0 1 , - 4 ) 4 乡村同郊区 模型中的延时扩展基于实际测量数据，通过由距离决定的对数正态分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来模拟，功率延时分布和衰落统计特性则基于略加修改的c o d i t 模型【2 7 】。 天线分集的影响由一种简单a o a 模型来表示。该模型能产生与实际测量值 相当的延时扩展和超量延时，适用于城市、市郊、乡村和山区等环境。 2 2 延时扩展g r e e n s t e i n 定位信道模型 t i p l 模型中的延时扩展是根据g r e e n s t e i n 模型( 一种基于实际测量值的 模型) 来产生的，即： f 。= 墨d y ( 2 1 ) 式中，r 。是均方根延时扩展，互是在d = l k m 处延时扩展的中值，s 取值在 o 5 到1 之间，y 是一个标准差为盯，的对数正态分布随机变量。不同信道环 境下的参数如表2 2 所示。 表2 2 不同环境的g r e e n s t e i n 模型参数 环境 墨伊 譬 o p d b 都市区 1 oo 54 d b 一般市区 o 40 54 d b 郊区0 _ 30 54 d b 远郊 o 1 0 5 4 d b 山区 1 o1 04 d b 分布 基站a o a 测量值基于本地散射圆模型【2 5 1 ，服从具有以下标准差的高斯 ( 瓦。) ：粤 玎 ( 2 2 ) 其中，瓦，为超量延时，c 为电波传播速度，d 为m s 与b s 之间的距离。 2 3 移动通信信道衰落统计特性 对于任何个通信系统，信道是信号传输的媒介，是不可缺少的组成部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分，而移动信道又是比较典型的随参信道，因此了解移动通信系统中的电波 传播特性问题是很有必要的。对于城市移动通信环境而言，直射波和地波传 播中的反射波是电波传播的主要方式。 2 3 。1 自由空间传播损耗 自由空间是指发射端与接收端无任何障碍阻挡，存在视距传播路径的无 线传播环境，此时不发生任何的发射、折射、绕射、散射等现象。设在自由 空间环境中，发射端与接收端的间距为d ，则接收端的接收功率可表示为 只p ) 。鼍茅 沼3 ) 其中只为发射功率，g ，和g ，分别为发射天线与接收天线增益， 为电波 波长。由该模型可以看出，在自由空间中，接收功率与距离的平方d 2 成反比， 与发射功率、收发天线增益和电波波长的平方彤成正比。 2 3 2 衰落特性 在移动通信环境中，由于地形结构或者接收机附近局部散射体引起的多 路径信号的叠加导致电波传播的损耗而引起衰落，有馒衰落和快衰落。 1 、慢衰落特性 慢衰落产生的原因主要有两个，即阴影效应和大气折射。 移动台在运动过程中，周围地形造成电波传播路径的阻挡，形成电磁场 的阴影，这种随移动台运动而不断变化的电磁阴影引起接收点的场强中值起 伏变化的现象叫阴影效应，由于其信号电平起伏是相对缓慢的，因此属于慢 衰落。 当移动台处于静止时，由于气象条件的平缓变化使大气相对介电常数发 生变化，导致大气折射率的变化，而引起接收点的场强中值缓慢变化，这种 现象称为大气折射，其引起的衰落也属于慢衰落，但是其影响要远小于阴影 衰落。 2 、快衰落特性 移动台附近的散射体( 如地形和移动的物体) 引起的多径传播信号在接 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 收端相叠加，使得接收信号快速起伏的现象称为快衰落。大量数据表明在多 径传播条件下，假如不存在视距路径，接收信号的包络服从瑞利分布，相位 服从均匀分布；而当存在视距路径时，接收信号服从莱斯分布；而当视距路 径上的信号相当强时，信号的幅度分布服从高斯分布。 2 3 3 多径时延扩展 由于信号的直射和反射的存在，当信号从发射机直接或间接的到达接收 机就会出现多径效应。由于直射信号和反射信号的路径长度不等，经过不同 的路径的信号在不同时刻到达接收机，使得接收到的信号轮廓不清楚或被扩 展了，这种现象被称为时延扩展，也称为多径时延扩展。如果发射机发射一 个激励脉冲，则信号经过多径传播后，接收到的不再是一个单一的脉冲，而 是一串延时的脉i 申组，在宽带系统中，这种现象会引起严重的码间串扰。 另外，在移动无线传播环境中，由于移动台或周围反射物体的运动，到 达接收端的多径信号是时变的。各多径信号分量的频率发生了变化，即多普 勒频移。不同的信号分量组合成了一组频率变化了的信号，即多普勒扩展。 多普勒频移大小与移动台的运动速度、运动方向及电波入射方向有关。 2 3 4 移动通信信道对定位性能的影响 在利用蜂窝网络对移动台进行定位时，由于无线电波的反射以及折射现 象，会产生一种对定位性能非常关键的问题，即非视距传播( n l o s ) 问题。 在蜂窝网络中，由于高大建筑物或其它物体阻挡移动台和基站之间的电 波的视距传播( l o s ) ，当采用t o a 和t d o a 等基于时间测量的技术对移动 进行定位时，与l o s 路径传播的情况相比，t o a 测量值会产生一个正的附 加的超量延时，而t d o a 测量值也会产生一个误差。从而改变了原有的测量 数据的误差统计特性。 n l o s 误差只与无线电波传播环境有关，而和蜂窝网络的类型无关，并 且无法通过提高接收机对时间定位参数的检测精度来消除。因此如何抑制 n l o s 传播的影响及相应的提高定位精度是一个非常关键性的问题。本文第 五章将对这个闯题详细研究和讨论，并提出了几个抗非视距传播的定位算法n 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 影晌蜂窝网无线定位精度的原因和对策 定位技术虽然起源很早，但对于不同领域的应用面临不同的实际问题。 在无线通信系统中的移动台定位技术研究起步较晚。近年来，正处于第三代 移动通信系统的研究开发和商用阶段，因此用于第三代移动通信的c d m a 通信体制上的移动通台定位技术正受到广泛的重视和深入研究，当然，从技 术的角度来讲，在定位业务方面，c d m a 系统也有它独特的优势。因此，这 里主要探讨在第三代移动通信系统中的移动台定位技术面临的研究问题和研 究现状。 1 、多径传播问题 多径传播是引起各种信号特征测量值出现误差的基本原因。对t d o a 和 t o a 定位法来说，即使在m s 和b s 之间电波可以视距l o s 传播，多径传播 也会引起时间测量误差。因为基于互相关技术的延时估计器的性能会受多径 传播的影响，当反射波到达时间与直射波在一个码片间隙内时更是如此。目 前已出现了多种对付多径的传播的方法，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，如何对这些方法进行深入研究值得重视。 2 、n l o s 传播问题 l o s 传播是得到准确的信号特征定位参数的必要条件。g p s 系统也正是 基于电波的l 0 s 传播才实现了对目标的精确定位。但是蜂窝网络覆盖区一般 是城市和近郊，m s 和多个b s 之间电波的直线传播通常是很困难的；即使在 无多径和采用了高精度定时技术的情况下，n l o s 传播也会影响t o a 或 t d o a 测量误差。因此，n l o s 传播是影响各种蜂窝网络定位精度的主要原 因，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 播的影响通常有以下几种方法。一种是通过t o a 测量值的标准差对l o s 和 n l o s 传播进行区别，n l o s 传播的测距标准差大于l o s 的测量值。另一种 方法是降低非线性最小二乘算法中n l o s 测量值的权重，这种方法也需要首 先判断哪些基站得到的是n l o s 测量值。还有一种方法是对算法进行改进， 利用在n l o s 传播条件下距离测量值总是大于实际距离这一特点在非线性最 小二乘中增加一约束项，从而提高定位精度p j 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、c d m a 多址接入干扰问题 在c d m a 系统中，用户通过不同的扩频码共用同一频带，这种高容量也 带来了远近效应和的多址干扰。多址干扰会严重影响t o a 和t d o a 的粗捕 获，对延时锁相环的时间测量也有很大影响。在c d m a 系统中通常采用功率 控制来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时检测移动台发射的 信号，功率控制只对服务基站起作用。对非服务基站，移动台的信号仍会受 到严重的多址干扰，因而会影响常规接收机正确测量t o a 或t d o a 测量值 的能力。目前已经出现了一些探索解决该问题的方法，如在3 g p p 中提出的 在e 一9 1 1 呼叫中将移动台发射功率瞬间调到最大的的p o w e r u p 方法，设置下 行链路空闲周期i p d l 的方法【3 3 j 3 4 】，改进软切换方式，利用抗远近效应的延 时估计器与多用户检测器等。 4 、基站覆盖 移动台定位一般要求同时与3 个或3 个以上基站作相关处理。现有蜂窝 网络系统用于通信设计时主要考虑移动台仅与一个基站通信，仅在小区和小 区边界需要切换才与邻近几个基站联系。它尽量使移动台收到较强的基站导 频信号以保持相干接收，同时，在切换到另一个基站前利用相邻基站导频信 号尽量小。目前的网络在有些地区，如乡村地区覆盖差，在城市地区由于多 径等因素有时也可能难以保证移动台和3 个以上的基站的通信联系。无线定 位与网络的设计密切相关。 5 、其它定位误差来源 此外，参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站时间相对位置 的差异造成的几何精度因子g d o p 的不同，也会影响定位算法的性能，造成 定位精度的差异，在进行网络设计和规划时应充分考虑这一问题。 2 5 定位准确率评价指标 为了正确评价定位算法在实际的蜂窝网络环境中的定位性能，需要首先 确定评价定位精确度和正确率的指标。目前最常用的指标是均方误差 ( m s e ) 、均方根误差( r m s e ) 、克拉美罗下界( c r l b ) 、工程应用中还常 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将误差的概率密度函数( p d f ) 和累计概率分布函数( c d f ) 、相对定位误差 ( r p e ) 等作为评价指标。下面我们将讨论常用的几个指标。 1 、均方误差( m s e ) ： 在二维定位估计中计算m s e 为： 脚= e 忙x ) 2 + 一疗j ( 2 4 ) 式中( y ) 为目标移动台m s 的真实位置坐标，i ，歹) 为m s 估计位置坐标。 2 、均方根误差( r m s e ) ： m 艇= e k i ) 2 + o 一功2 j _ 茏丽 ( 2 5 ) 为了判断定位估计嚣的准确率，m s e 或r m s e 通常与理论的c r l b 进 行比较。c r l b 为任何无偏参数估计器的方差提供了一个下界，通常适用于 存在平稳高斯噪声的平稳高斯信号的估计。 3 、累计分布函数( c d f ) 这种性能指标主要用在实际的工程的应用中，c d f 指在满足某个精度门 限以下的定位次数在总定位次数中所占的比例，如定位误差在1 0 0 米以下的 定位次数在所有的定位次数中所占的百分比，通常记作c d f ( 1 0 0 ) 。 4 、相对定位误差( r p e ) 该性能指标是定位准确率的一个新指标，反映了定位精度与定位范围的 相对关系，若定位范围指基站或有效作用检测点之间的距离r 。，定位精度为 艿，则r p e = 8 r 。总之，该性能指标反映了一个相对定位精度或准确度的 概念。 5 、几何精度因子( g d o p ) 采用距离测量方法的定位系统准确率在很大程度上取决于基站和移动台 之间的几何关系。几何位置对定位精度影响的度量即为几何精度因子 ( g d o p ) ，它定义为定位误差r m s e 与测距误差r m s e 的比率。g d o p 表 征了由于移动台与基站的几何位置关系对测距误差的放大程度。对于无偏差 的估计器