（电磁场与微波技术专业论文）蜂窝网络中基于时间参数的无线定位算法研究.pdf

独创性声明 m 圳l | | 1 1 f l | | | l l i | | 0 | | i i l i i i | | 1 1 f l l ? y 18 2 4 7 6 0 ； 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庞邮电太堂或 其他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谢意。 、 学位论文作者签名： 触萨 签字日期：沙谬年g 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庞由电太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名加舰甲 导师签名孝菘址 签字日期：砂。g 年莎月3 日签字日期：加够年6 月；日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 无线定位技术的研究与应用始于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了广泛的应用。文中首先介绍了无线定位技 术的发展现状与进展、蜂窝网络无线定位的原理、分类及其应用，着重对 比分析了几种基于蜂窝网络的无线定位技术及其主要的技术难点( 非视距 n l o s 传播、多径传播以及多址干扰等) 。并对无线定位中常用的无线信道 模型和定位精度评价体系进行了概述。 基于到达时间差( f d o a ) 定位算法是一种重要的蜂窝网络无线定位 技术，本文在介绍t d o a 测量值估计算法和t d o a 定位算法的数学模型的 基础上，对c h a n 算法和t a y l o r 序列展开法这两种经典的定位算法进行了 详细的研究，并在高斯噪声环境下和实际信道环境下对这两种算法进行了 一系列仿真。在高斯噪声环境下上述两种算法的性能要明显优于实际信道 环境下的性能，主要原因是实际信道环境中存在非视距n l o s 误差对算法 的性能产生比较大的影响此外，还分析了参与定位基站的数目、小区半径 以及t d o a 的系统测量误差等因素对算法的性能的影响。 鉴于单一的基本定位算法在实际信道环境下定位性能不是很理想，为 此，论文深入研究了基于t d o a a o a 的混合定位方法和基于c h a n 算法 t a y l o r 序列展开法的两种混合定位方法，并就不同的蜂窝网络环境分别对 这两种定位算法的性能进行了仿真比较，结合仿真结果对算法的性能作了 详细的对比分析，仿真结果验证了这两种改进算法的有效性。针对目前多 数无线定位算法都是基于二维坐标下进行定位估计的，本文提出一种在三 维空间条件下基于t o a ( 到达时间) 的c h a n 推广算法，并就不同定位基 站数目、待定位移动台的位置和参与定位基站布局对算法进行了大量的仿 真实验，着重比较和分析影响算法定位精度的因素，有关仿真结果证明该 算法的可行性，总结该改进算法对不同环境和定位条件的适应性。 最后，针对于非视距( n l o s ) 误差对无线定位算法性能的影响，本 文讨论了n l o s 误差的鉴别与抑制方法。 关键词：无线定位，到达时间( t o a ) ，到达时间差( t d o a ) ，非视距传 播( n l o s ) 重庆邮电大学硕士论文 ， a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g ys t a r t e df o m t h ea v l ( a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ) s y s t e mi n19 6 0 s a f t e rt h a t ，t h i s t e c h n o l o g yf o u n di t sw a y si nm a n yn e l d ss u c ha sp u b l i ct r a f n cm a n a g e m e n t ， g o o d st r a n s p o r t ， t a x im a n a g e m e n t ，c r i m i n a lt r a c ka n de m e r g e n tm e d i c a l s e r v i c e a tt h ef i r s tp a r t ，t h i sa r t i c l ew i l lg i v eai n t r o d u c t i o nt ot h es t a t u sq u o a n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ew i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ep r i n c i p l e ， c l a s s i n c a t i o na n da p p l i c a t i o no fc e l l u l a rw i r e l e s sl o c a t i o nn e t w o r k ，f o c u s i n g o nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ew i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em a i n t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sb a s e do nt h ec e l l u l a rn e t w o r k s ( n l o sn o n l i n e - o f - s i g h t t r a n s m i s s i o n ，m u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n dm a im u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) a n dt h ec o m m o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d e la n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c y e v a l u a t i o ns y s t e mu s e di nw i r e i e s sl o c a t i o nw i l lb eo u t l i n e d a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nt i m e d i f f b r e n c e o f 二a r r i v a l ( t d o a ) i sa ni m p o r t a n tw i r e l e s si o c a t i o nt e c h n o l o g yi nc e l l u l a rn e t w o r k s ， b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft d o am e a s u r e m e n te s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h e t d o al o c a t i o na l g o r i t h m ，t h i sa r t i c l em a k e ss o m ed e t a i l e ds t u d yo nt w o c l a s s i c sl o c a t i o na l g o r i t h m so fc h a na l g o r i t h ma n dt a y l o rs e r i e se x p a n s i o n m e t h o da n dc a r r i e so u tas e r i e so fs i m u l a t i o nu n d e rt h eg a u s s i a nn o i s e e n v i r o n m e n ta n dt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o a l g o r i t h mu n d e rt h e ( j a u s s i a nn o i s ee n v i r o n m e n ti so b v i o u s l ys u p e r i o rt o t h a tu n d e rt h et h ea c t u a lc h a n n e le n v i r o n m e n t t h em a i nr e a s o nf b rt h a ti st h e n o n - l i n e - o f - s i g h t ( n l o s ) e r r o r ，u n d e rt h ea c t u a lc h a n n e le n v i r o n m e n t h a s g r e a ti m p a c t o nt h e p e r f o r m a n c e o ft h e a l g o r i t h m s a sar e s u l t ，t h e p e r f o m a n c eo ft h ef o r m e ra l g o r i t h mi si n f e r i o rt ot h ei a t t e ro n eu n d e rt h e a c t u a kc h a n n e le n v i r o n m e n t i na d d t i o n ，t h ei m p a c to ft h en u m b e r s ，c e l lr a d i u s ， a sw e l la st h em e a s u r e m e n te r r o ri n v o l e di nt h eb a s es t a t i o n so nt h e p e r f b r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mw i l lb ea l s oa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h a tt h ep e r f b r m a n c eo fas i n g l el o c a t i o na l g o r i t h mi sn o t v e r ys a t i s f a c t o r y ，f o rt h i sr e a s o n ，t h i sa r t i c l ei s t od i s c u s st h et w om i x e d l o c a t i o na l g o r i t h mo ft h et d o a a o am i x e dp o s i t i o n i n gm e t h o d sa n dt h e c h a n - t a y l o rs e r i e se x p a n s i o nm i x e dm e t h o di nd e p t h w ea l s om a k es o m e n a b s t r a c t t h et w oa l g o r i t h m su n d e rt h e d i f f 色r e n tc e l l u l a re n v i r o n m e n ta n dm a k ed e t a i l e dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t t h es i m u l a t i o n r e s u l tg i v e sp r o o ft oe f f 色c t i v e n e s so ft h et w oi m p r o v e da l g o r i t h m f o rt h e r e a s o nt h a tt h em a j o r i t yo ft h ew i r e l e s sl o c a t i o na l g o r i t h m sa r eb a s e do nt h e t w o d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e sa t p r e s e n t ， t h i sa r t i c l e p r o p o s e s t h ec h a n a l g o r i t h mo nt h eb a s i so ft o au n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e t r i - d i m e n s i o n a l c o o r d i n a t e al o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ea l g o r i t h m a c c o r d i n gt od i f f b r e n tn u m b e r so fl o c a t i n gb a s es t a t i o n s ，t h ep o s i t o no ft h e t o - b e p o s i t i o n i n gm o b i l es t a t i o n s ，a n dl a y o u to ft h eb a s es t a t i o n si n v o l v e di n p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，e n p h a s i z i n gt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so nt h ef a c t o r s h a v i n gi m p a c t so nt h ea c c u r a c yo ft h ep o s i t i o n i ga l g o r i t h m t h er e s u l t s p r o v et h ef e a s i b i l i t y o ft h ea l g o r i t h m ，a n ds u m m eu pt h en e x i b i l i t yo ft h e i m p r o v e da l g o r i t h mt ot h ed i f f 色r e n te n v i r o n m e n t sa n dc o n d i t i o n s f i n a l l y ， t h i sa r t i c l ei st od i s c u s st h ei d e n t i 丘c a t i o na n ds u p p r e s s i o n m e t h o d so nn l o se r r o r ，a c c o r d i n gt ot h ei m p a c t o fn l o se r r o ro nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sl o c a t i o na l g o r i t h m k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a t i o n ，t i m eo fa r r i v a l ( t o a ) ，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 ) ，n o nl i n eo fs i g h t ( n l o s ) n i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 无线定位技术的起源及应用1 1 2 无线定位技术的国内外研究现状2 1 3 本论文主要研究工作及结构4 第二章蜂窝网络无线定位的基本原理一6 2 1 蜂窝网络无线定位系统6 2 1 1 蜂窝网络无线定位系统概述6 2 1 2 蜂窝网络无线定位系统的分类7 2 2 蜂窝网络无线定位技术9 2 3 蜂窝网络无线定位的主要技术难点1 2 2 4 本章小结1 4 第三章移动通信信道模型与定位精度评价指标15 3 1 电波传播与无线信道一1 5 3 2h a t a 无线信道模型1 6 3 2 1o k u m u r a h a t a 模型1 6 3 2 2c o s t - 2 31h a t a 模型1 7 3 3t l p l 无线定位信道模型一1 7 3 3 1t l p l ( c o s t 2 5 9 ) 信道模型1 7 3 3 2 延时扩展g r e e n s t e i n 模型18 3 4 定位精度评价指标1 9 3 4 1 均方误差m s e 与克拉美一罗下界( c r l b ) l9 3 4 2 几何精度因子( g d o p ) 2 0 3 5 本章小结2 l 第四章基于t d o a 的基本定位算法一2 2 4 1t d o a 测量值估计算法2 2 4 2 基于t d o a 定位算法的数学模型2 5 4 2 1 无线定位中的最小二乘( l s ) 法表示2 6 4 2 2 基于t d o a 的双曲线数学模型2 7 i v 重庆邮电大学硕士论文 目录 4 3 基于t d o a 的基本定位算法2 8 4 3 1c h a n 算法2 8 4 3 2 泰勒( t a y l o r ) 序列展开法3 2 4 4c h a n 算法和t a y l o r 序列展开法的仿真与性能分析3 3 。4 4 1 高斯噪声环境下的性能仿真与分析3 3 4 4 2 实际信道环境下的性能仿真与分析3 6 4 5 本章小结4 l 第五章无线定位算法的改进与推广一4 2 5 1 一种基于t d o a a o a 混合定位的c h a n 推广算法4 2 5 1 1 基于t d o a a o a 混合定位算法的基本原理4 2 5 1 2 基于t d o a a o a 混合定位算法的仿真与分析4 4 5 2 基于c h a n 算法和t a y l o r 算法的混合定位4 9 5 3 基于t o a 的c h a n 三维推广定位算法5 l 5 3 1 基于t o a 的c h a n 三维推广定位算法基本原理5 1 5 3 2 基于t o a 的c h a n 三维推广定位算法性能的仿真比较一5 3 5 4 非视距( n l o s ) 误差的鉴别与抑制5 8 5 4 1n l o s 环境下t d o a a o a 误差分析5 9 5 4 2n l o s 误差的鉴别方法5 9 5 4 3n l o s 误差的抑制和消除6 0 5 5 本章小结6 l 第六章总结和展望j 6 2 6 1 本论文研究工作总结6 2 6 2 下一步工作的展望6 2 致谢6 4 参考文献6 5 攻读硕士期间从事的主要科研工作与发表的论文6 8 v 、 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线定位技术的起源及应用 定位( l o c a t i o n ) 通常是指确定某一刻地球表面某种物体在某一参考坐 标系中的位置。无线定位技术是利用无线信号来判断某一半径范围内无线 信号发射终端物理位置的一种方法；通过对接收到的无线电波的一些参数 进行测量，根据特定的算法判断出被测物体的位置。国际上对无线定位技 术的研究与应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位系统，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 围内得到了广泛的应用。 美国联邦通信委员会( f c c ) 早在l9 9 6 年就公布了e - 9 l l 定位需求i l 2 j ， 要求在2 0 0 1 年l0 月1 日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出的e 9 l l 紧 急呼叫的移动台提供精度在l2 5 m 内的定位服务，而且满足此定位精度的 概率应不低于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 c 9 9 2 4 5 又对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。 自e 9 1 1 需求颁布以来，由于政府的强制性要求和巨大市场利益的驱 动，国内外开始出现了研究无线定位技术的热潮【2 】。随着研究的深入，在 网络中准确确定移动台位置的重要性和必要性逐渐体现出来，网络中各种 基于移动台位置的服务，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 ( q u a i i t yo fs e r v i c e 服务质量) 和无线资源管理的改进等，无不与准 确定位移动台的位置有关。由于无线定位技术有着广泛的应用前景和巨大 的市场潜力，许多公司和研究机构投入了大量的资金和人力进行研究和开 发，第三代移动通信系统的标准化组织3 g p p 也将定位技术作为一项重要 的内容纳入其标准制定范围内。 所谓移动定位业务，是指通过移动运营商的无线网络，如g s m 网、 c d m a 网、p h s 网( 即小灵通网络) 等，获取移动终端用户的位置信息( 经纬 度坐标数据) ，并在电子地图平台的支持下为用户提供相应服务的一种移动 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 增值业务。移动增值业务给移动互联网带来了多层次、多类型的服务，这 也无疑给移动通信带来了无限商机和新的经济增长点，它已经成为电信运 营商的竞争焦点。随着无线定位技术的发展越来越完善，它的应用范围也 变得更加的广阔，人们对这个领域的认识和关注也发生了质的变化。移动 定位业务必将成为移动互联网应用中增值业务的重点，其市场已呈现出一 种爆发性增长的势头，它是一类能够为用户带来便捷服务的业务，且被全 球的许多运营商和咨询机构视为是下一代移动网络的杀手锏来应用。 1 2 无线定位技术的国内外研究现状 在e 9 9 l 法规的强制性要求下，目前市场竞争和用户需求两大因素 又促进了定位服务的广泛开展，对定位服务的研究日益得到重视。在未来 几年内，移动定位业务市场规模会加速度的持续扩大，很多数据业务将与 定位业务有关。美国、日本、韩国已经推出了结合c d m a 基站信号与g p s 信号的g p s o n e 定位系统。国内对无线定位的研究起步相对较晚，目前中 国科技大学、电子科技大学、北京邮电大学、复旦大学、西南交通大学等 院校和华为、中兴等公司有部分科研人员从事这方面的研究。各专门从事 移动台定位技术研究的公司及m o t o r o l a ，n o k i a ，e r r i c s s o n ，s a m s u n g 等 跨国大公司侧重于对g s m 、i s 9 5 和第三代移动系统中的w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 等网络采取的具体定位方法和技术及定位功能的具体实施方 法的研究，提出并制定了实施方案。在3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t s ) 和3 g p p 2 提案中，还在不断修改和完善，部分提案在一些定位 关键技术上已达成共识p ，4 j 。 近几年来在i e e 色的有关期刊和会议上，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 ne s t i m a t i o ni n c e l l u l a rs y s t e m s ”和相关论文中侧重于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 测量误差服从理想高斯分布时性能优良的t d o a 定位 2 重庆邮电大学硕士论文 算法；r s c h m i d t 提出了一种新型t d o a 定位算法； 第一章绪论 m p w y i i e 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，该模型基于实际测量结果，适用于各种蜂窝网络信道环 境。t h o m a sk l e i n e o s t m a n n 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，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，其研究方法值得借鉴。 国内已经开展的位置服务分为个人应用和行业应用两大类，针对个人 的定位服务是基于用户位置的移动定位业务( l b s ，l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s ) 服务中非常重要的业务品种，由于手机的普及以及随身携带的特点，使得 针对个人的l b s 业务具有非常好的基础。针对个人的移动定位服务主要有 紧急援助、导航与定位、公交线路与换乘、跟踪监控、周边信息查询、娱 乐游戏等等。相比个人引用，行业应用业务模式与目标客户都更为清晰， 但针对行业的应用目前发掘还不够，随着移动定位精度的提高和终端成本 的降低，行业应用前景将更为广阔。2 0 0 1 年，中国移动就在福建开始了基 于c e l l i d 技术的l b s 业务的试验。中国移动的l b s 服务主要面向行业用 户，例如城市交通管理、医疗紧急救援、公安执法等，同时也在逐步拓展 个人用户市场。2 0 0 6 年1 月，中国移动在北京、天津、辽宁、湖北四个省 市推出了“手机地图 的业务。截止到2 0 0 6 年6 月，除黑龙江、内蒙、 宁夏、甘肃、青海、广西等少数地区外，中国移动在二十多个省市开通了 定位服务。 。 中国联通于2 0 0 3 年1 2 月在北京率先启动了“关爱之星 定位业务， 开始为儿童、老年人等提供安全保障。2 0 0 4 年2 月，中国联通联手高通公 司及国内外手机厂商和应用内容提供商等，在广州、上海和北京三地推出 “联通无限、定位激情 活动，强势宣传推广“定位之星 业务。 2 0 0 5 年4 月，中兴通讯与高通公司签订了g p s o n e 定位技术全球转让 协议。根据协议，中兴通讯可以在全球市场推广基于c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 及g s m 网络的g p s o n e 定位系统，中兴通讯由此成为惟一一家获得高通此 项授权的中国通信制造企业。这标志着中国企业即将在全球高端定位领域 展开竞争，并为全球产业格局带来新的变数。到2 0 0 6 年，联通的所有省 市( 区) 公司均已推出移动定位服务。 2 0 0 5 年下半年，山东省青岛市网通公司推出了能定位的“关爱精灵 第一章绪论 小灵通业务。至此，g s m 、c d m a 、p h s 均已实现移动定位的商业化，定 位服务也进一步由物流管理、交通调度、医疗救援、野外勘探等行业应用 领域，加速走向大众化、普及化。 截止2 0 0 6 年7 月，“关爱精灵 定位业务开通范围：青岛市市南区、 市北区、四方区、李沧区、崂山区、开发区小灵通网络覆盖范围内，城阳、 莱西、平度、即墨、胶州、胶南为城区小灵通网络覆盖范围内。 从宏观看，中国移动定位服务市场的发展环境良好。中国整体经济实 力的平稳增长，为加大电信基础设施投资力度创造了条件；3 g 网络的建 设和移动定位技术的日臻完善，将会使移动定位服务质量得到提升；而社 会发展所带来的需求增加，将有利于用户消费观念的培养。 1 3 本论文主要研究工作及结构 本论文的研究重点是在蜂窝网络中，基于时间的无线定位算法的研究 与性能仿真。具体的工作安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍无线定位技术的起源及应用，总结蜂窝 网络无线定位技术的国内外研究现状，并给出论文的基本框架。 第二章对蜂窝网络无线定位系统的基本原理进行阐述，并且对蜂窝网 络无线定位系统和定位技术的分类进行综述，分析蜂窝网络无线定位中存 在的主要技术难点。 第三章结合无线信道的特性，阐述一种移动通信的信道传播模型( h a t a 模型) ，在此基础上着重介绍无线定位系统中普遍应用的t 1p l 无线定位信 道模型以及几种无线定位精度的评价指标( 均方根误差r m s e 、克拉美一 罗下界c r l b 和几何精度因子g d o p ) 。 第四章为本文研究工作重点之一，着重介绍t d o a 基本定位原理及基 本定位算法。t d o a 测量值估计算法( g c c 算法) 基本原理的介绍以及 t d o a 双曲线模型的建立，重点讨论与研究基于t d o a 的两种经典定位算 法( c h a n 算法和t a y l o r 序列展开法) ，针对不同的环境以及不同的定位参 数，结合定位精度评价指标克拉美一罗下界( c r l b ) 对两种算法进行大 量性能仿真实验比较，分析影响定位精度的因素以及这两种算法在不同的 环境和条件下所表现出的不同特性。 第五章作为本文研究工作的核心，在第四章的研究基础上，对算法的 进一步改进与分析，研究两种混合定位算法的基本原理以及定位的推导过 程，其中一种是基于t d o a a o a 的c h a n 推广算法，另一种是基于c h a n 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 算法和t a y l o r 序列展开法的混合定位算法，并且对算法性能进行仿真，分 析算法在不同环境和定位条件下的定位性能，验证算法的有效性。提出一 种基于t o a 的三维c h a n 推广定位算法，详细的介绍算法的推导过程，在 定位基站数目的不同、定位对象的空间位置不同和参与定位基站空间位置 布局的不同这三种条件，对该改进算法进行大量的仿真实验，分析不同参 数对算法定位性能的影响，就算法对不同环境和条件的适应性。基于非视 距n l o s 误差对算法性能的影响，介绍和讨论了n l o s 误差的鉴别和抑制 方法。 在本文的结尾部分对本论文的研究工作进行总结并对下一步研究工 作进行展望。 2 1 蜂窝网络无线定位系统 目前，在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置目 标及定位精度估计、时间差等辅助信息，在这基础之上各项技术研究也发 展的越来越完善；和速度以及运动方向等信息相关技术研究也开始逐渐发 展起来。无线定位系统是通过对移动台和多个固定位置的收发信机之间所 传输的信号的特征参数( 诸如电磁波场强、传播时间或者时间差、入射角等) 并根据各种特定的算法从而估计出移动终端的几何位置信息来实现的。 2 1 1 蜂窝网络无线定位系统概述 所谓蜂窝网络无线定位就是通过移动通信系统的网络体系结构和传 输的信息来实现对移动终端位置估计的一种技术。 随着“3 s ( g p s g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ；g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ；r s r e m o t es e n s i n g ) 和现代移动通信技术的不断发展与完善， 人们对生活便利性的要求也随之逐渐提高，对移动终端定位的要求也越来 越广泛，基于蜂窝网络无线定位技术基础上位置服务业务也随之应运而 生。3 g p p ( t h r e eg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r0 j e c t ) 技术规范【2 j 中已经明确的规 定，要提供定位服务l c s ( l o c a t i o ns e r v i c e ) 。对蜂窝网络无线定位的要求， 是技术进步的产物，也是社会需求不断发展的产物。 从蜂窝移动终端定位技术的产业发展方向来看，可以分成三个“面 向 ：面向公众、面向行业和面向政府【5 】。 ( 1 ) 面向公众 从长远看，面向公众的服务是市场潜力最大的产业发展方向。目前的 主要发展方向是提供位置服务网关，分发与位置相关的信息，发送位置服 务信息，如最近的a t m 、商店、车站等公众查询服务，定位方法主要是基 于无线网络。定位精度在城区一般是l0 0 m 到5 0 0 m 。个别地区还在手机和 掌上电脑上提供了电子地图显示位置和个人导航等服务。这类业务最近几 年是市场培育期。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章蜂窝网络无线定位的基本原理 在未来高端产品中，覆盖全球的多媒体无线定位网关服务是众多面向 公众的移动终端定位业务中的一种新业务。还有一个诱人的产业发展方向 是移动定位电子商务。未来生活里，仅凭移动终端连接移动电子银行的账 号，输入商品代码( 包括位置信息和单价的全球通用商品编码) ，就可以在 无人值守的商店购买到所需的各种商品。 ( 2 ) 面向行业 面向行业是目前移动终端定位技术应用的一个重要产业发展方向。这 类工程项目利润较大，投资相对较少，系统建设周期短，见效快。另外一 个特点是系统重用性好，移植性强，这给服务提供商带来了很大的利润空 间。 在交通运输方面，可以开发物流配送管理调度系统( 包括运输车队和船 队) 、公交车辆指挥调度系统、车辆跟踪防盗系统、车辆智能导航系统( 包 括车辆定位系统、最佳路径规划系统和行车引导系统) 和铁路列车指挥调度 系统：在农业、环保、医疗与消防、警务、国防分别可以开发智能农业生产 系统、环境监测管理系统、紧急救援指挥调度系统、智能接警处警系统( 1 l o 报警电话、1 l9 火警电话等接警处警) 、支持作战单元的移动式空间信息交 换系统等。 ( 3 ) 面向政府 面向政府的移动终端定位技术应用主要有移动办公系统，与位置相关 的网络会议，水灾、地震、林火等自然灾害的防灾、抗灾和灾后重建管理 系统。 2 1 2 蜂窝网络无线定位系统的分类 在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置信息、定位的主体以及所 采用的定位设备的不同可将移动台的无线定位方案分为三类：基于移动终 端的定位方案，基于网络的定位方案及g p s 辅助定位方案，与之所对应的 有以下几种不同的定位方式： ( 1 ) 基于移动台的定位系统 这类系统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 ( 全球定位系统) 系统即属于这类系 7 重庆邮电大学硕士论文第二章蜂窝网络无线定位的基本原理 统。基于移动台定位的系统对每个基站位置及相邻频率的分配表等信息传 送给移动台，构成一个间接远程定位系统。移动台定位技术包括全球定位 系统、基于移动台发送和接收的定时或角度的覆盖三角技术( e o t d ，t o a ) 以及来源蜂窝小区( c o o ：c e l lo fo r i g i n ) 。目前在蜂窝网络中广泛应用 的技术是来源蜂窝小区，该方案已被用来满足美国第一阶段的“9 “”紧 急服务要求、基于位置的付费管理和一些需要位置信息的服务。 ( 2 ) 基于网络的定位系统 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，这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。系统的定位过程是 由多个固定基站同时检测移动终端的发射信号，将各接收信号携带的某种 与移动终端位置有关的特征信息数据送到网络中的移动定位中心 m l c ( m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 进行处理，再由集成在m l c 中的位置计算功 能p c f ( p o s i t i o nc o m p u t i n gf u n c t i o n ) 来推算出移动终端的估计位置。定位 服务中心可看作事物处理器，它对来自不同计算机的位置测量请求，选择 适当的定位接收机对指定的移动台进行所需的定位区测量，将所有信息进 行综合得到定位测量，并把该定位测量值传送给发出请求的计算机。采用 基于网络的定位系统优点是它无需改进移动台。 ( 3 ) 网络辅助定位系统 这类系统也属于移动台自定位系统，采用的是基于移动台的定位方 案，其定位过程是由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信 号，将各接收信号携带的各种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传 送回移动台，又集成在移动台中的p c f 计算出移动台的估计位置。 ( 4 ) 移动台辅助( m o b i l ea s s i s t e d ) 定位系统 这类系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是由移动台检 测网络中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携带的某种 与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络h l c 中的p c f 计算出移动台的估计位置。 ( 5 ) g p s 辅助定位系统 这类系统采用的是g p s 、定位方案，由集成在移动台上的g p s 接收机 和网络中的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移动台的自定位。 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 8 重庆邮电大学硕士论文第二章蜂窝网络无线定位的基本原理 设备作适当扩充、修改，不需要对现有移动台做任何修改，能从分利用现 有各种蜂窝网络的庞大资源，保护用户己有投资，实现相对容易，因而是 e 9 1 1 定位需求的首选。 2 2 蜂窝网络无线定位技术 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 的收发信机之间所传播信号的特征参数( 如电磁波场强、传播时间或时间 差、到达角度等) ，根据这些参数通过特定的算法来估计出目标移动台的 几何位置。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。蜂窝网络无线定位中，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