（计算机应用技术专业论文）基于wcdma网络的移动定位技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信技术的发展，人们希望能随时随地获取所需信息和进行通信， 因此作为特殊的移动增值业务的移动定位业务受到了人们越来越广泛的关注。 宽带码分多址( w c d m a ，全称w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是 第三代移动通信系统的主要标准之一。在w c d m a 网络中，将提供多种与移动台 位置有关的服务和应用，如公共安全服务、车辆和交通管理、导航和城市观光 等。移动定位技术已成为w c d m a 网络的核心技术之一，对各种定位方法和技术 在w c d m a 网络中的实麓和应用已经成为目前研究的热点。 本文首先介绍了移动定位技术的基本原理和目前主要的定位技术，并对这些 定位技术进行了比较，同时就影响移动定位精度的若干因素进行了详尽的讨论； 针对目前采用最多的到达时间差( t d o a ，全称t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 定位 技术，给出了t d o a 双曲线方程组的数学模型，详细地分析了各种主要基于 t d o a 技术的定位算法的优缺点；然后对w c d m a 网络中的基本定位技术、定位 实旌方法、网络结构、信令协议、操作流程和多精度定位流程实施方法进行了分 析和探讨。 在上述研究的基础上，本文给出了位置业务( l c s ，全称l o c a t i o ns e r v i c e ) 系统的总体设计方案，其中包括定位系统的总体结构设计、接口设计和定位系统 的功能、特点的介绍；阐述了定位系统中的核心组成部分一网关移动定位中心 ( g m l c ，全称g a t e w a ym o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 的软件体系结构；详细介绍了 移动交换中心( m s c ，全称m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e ) 中定位模块的设计和定位 流程的实现过程；最后讨论了有关定位系统的测试问题，并指出了系统的不足之 处和改进意见，以及需要进一步研究和探讨的问题。 关键词：宽带码分多址，移动定位，到达时间差，位置业务，网关移动定位中心 a b s l r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l ew i s ht oo b t a i nt h ei n f o r m a t i o na n dd ot h ec o r r e s p o n d e n c ea n y w h e r ea ta n yt i m e s ot h em o b i l el o c a t i o ns e r v i c ea st h es p e c i a lm o b i l ev a l u es e r v i c ei sc a m ei nf o ram o r e a n dm o r ee x t e n s i v ec o n c e r nb yp e o p l e w c d m ai so n eo ft h em a i ns t a n d a r d si nt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ew c d m an e t w o r k ，av a r i e t yo fs e r v i c e sa n da p p l i c a t i o n s w i t ht h em o b i l es t a t i o nw i l lb ep r o v i d e dt ou s ，s u c ha st h ep u b l i cs a f e t ys e r v i c e ，v e h i c l e s a n dt h et r a f f i cm a n a g e m e n t , n a v i g a t i n g ，t h ec i t ys i g h t s e e i n ge t c ，a l lo ft h e mm u s t a s c e r t a i nt h ea c c u r a t ep o s i t i o no ft h em o v i n gs t a t i o n t h e r e f o r e ，m o b i l el o c a t i o n t e c h n i q u eh a sb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yi nw c d m a n e t w o r k t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em o v i n gl o c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h el e a d i n gl o c a t i o n m e t h o d sa r ei n t r o d u c e d f a r s t l y , a n dc o m p a r i n gt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e si na c c u r a c y , c o s te t c ，a n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo ft h e m e t h o d sa r ed i s c u s s e da sw e l l ；s e c o n d l y , a i m e da tt h et d o al o c a t i o nt e c h n i q u e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft d o ah y p e r b o l i ce q u a t i o n si s e s t a b l i s h e d , a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs e v e r a l t d o al o c a t i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ；t h e n t h e b a s i cm o b i l el o c a t i o nt e c h n i q u e ，l o c a t i o nm e t h o di m p l e m e n t a t i o n ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ， s i g n a l i n gp r o t o c o la n di n t e r f a c e ，l o c a t i o np r o c e d u r e sa n dm u l t i p l ea c c u r a c yl o c a t i o n p r o c e d u r eo f w c d m a m o b i l el o c a t i o na r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c h ，t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g h i n gp r o j e c to ft h e l c ss y s t e mi sp r o v i d e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h ew h o l es t r u c t u r ed e s i g n i n ga n dt h e i n t e r f a c ed e s i g n i n g ；t h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h el c ss y s t e ma r ea l s o i n t r o d u c e d ；t h e nt h i st h e s i sp r e s e n t e dt h es o f t w a r es t r u c t u r eo fg m l c w h i c hi st h ec o r e c o m p o n e n to f l c ss y s t e ma sw e l l ；t h el c sm o d u l ei nt h em s ci si n t r o d u c e dd e t a i l na s t h ed e s i g n i n ga n dt h ep r o c e d u r eo fl c sm o d u l e f i n a l l y , d i s c u s s e dt h et e s tp r o b l e mo f t h el c ss y s t e ma n dp o i n t e do u tt h es h o r t a g ea n di m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n k e y w o r d s ：w c d m a ，m o b i l el o c a t i o n ，t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ， l o c a t i o ns e r v i c e ，g a t e w a ym o b i l el o c a t i o nc e n t e r 1 t 独创性声明 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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：! 逸一日期：础f 月多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签轹彭导师签名：互圣! 堑垄 日期：仞矽占年月多日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 移动定位最早是源于美国，美国政府为了增强美国及其盟国的军事力量，研 究并建立了一个g p s 全球卫星定位系统。同时，随着紧急呼叫移动台数目的急剧 增加，蜂窝网络中移动台的定位问题受到广泛关注。为此，1 9 9 9 年1 2 月美国联 邦通信委员会( f c c ) 公布了f c c9 9 ：2 4 5 规范【1 ，要求蜂窝网络设备和移动台生 产厂商以及蜂窝网络运营商支持移动台定位技术在网络设备和移动台中的实施， 并提出了明确要求和详细日程安排。在定位精度要求方面则规定：基于蜂窝网络 的定位方案，要求对6 7 的呼叫精度不低于1 0 0 m ，9 5 的呼口q 精度不低于 3 0 0 m ；基于移动台的定位方案，要求对6 7 的呼叫精度不低于5 0 m ，9 5 的呼叫 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。此外，欧洲的e t s i 和日本的 a r i b 等组织也作了相应的要求，并在很多方面达成一致。 所谓移动定位就是通过移动终端和移动网络的配合，确定移动用户的地理位 置，从而提供用户需要的与位置相关的服务或信息，其实质是一种特殊的移动数 据增值业务：移动定位服务平台接受移动定位服务请求，通过适当的移动定位技 术获取移动终端的位置信息，移动定位服务平台根据移动终端位置信息、服务请 求类型向移动定位服务请求方发出响应。 定位的实现可以提高用户的安全保障；根据移动用户密度不同灵活计费；提 供诸如车辆及旅客位置、车辆的调度管理、监测交通事故、疏导交通等服务；增 强蜂窝性能，如能准确地监测移动台的移动，使网络方面能更好地决定什么时候 进行小区间的切换；辅助实现蜂窝系统设计和资源管理，在蜂窝网络具备定位能 力后，网络设计者能改进他们对蜂窝系统的设计规划能力；通过对呼叫移动台的 定位，网络方面可根据其位置分配相应信道，从而提高频谱利用率，对网络资源 进行更有效的管理。随着定位技术的发展，其他潜在的应用还将不断出现。 w c d m a ( 宽带码分多址) 【2 】p 】 4 】是第三代移动通信系统的标准之一。第三 代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆 盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、 电子科技大学硕士学位论文 任何地点进行任何种类通信的通信系统。目前各种定位方法和技术在w c d m a 网 络中的实施和应用已经得到了广泛的研究。在w c d m a 网络中，除对紧急呼叫移 动台的定位外，还将提供多种与移动台位置有关的服务和应用，如公共安全服 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，这些都需要准确定位移动台的位置。因此，移 动定位技术已成为w c d m a 网络的核心技术之一。 高速增长的中国移动通信市场为移动定位业务的开展与普及奠定了坚实基 础，可以预见：移动定位将成为一项十分重要的移动数据业务。建立移动定位系 统，不但能够为数以亿计的移动用户带来各种各样的方便，同时也是移动通信运 营商开展增值服务的良好途径。移动定位业务的覆盖面十分广泛，不仅能够为现 有的上亿的普通移动电话用户提供定位增值服务，还可以为广大的非移动电话用 户的个人和国家有关部门( 比如医疗、消防、交通、电力、市政等) 提供一些典 型的位置信息服务。因此对移动定位技术领域的深入研究对于把握和跟踪国外蜂 窝移动通信的先进技术，建立自主知识产权，显得尤为重要，它不仅能造福于人 民，而且还能带动我国移动通信事业的进一步发展。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 自e 一9 1 1 定位需求颁布以来，移动定位技术在国外受到高度重视和深入研 究，各大跨国公司如m o t o r o l a 、n o k i a 、e r i c s s o n 、上海贝尔等积极开展对基于 g s m 、i s 9 5 和第三代移动通信系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等网络采用的定 位技术的研究。目前研究的内容不仅涉及了蜂窝网络移动台定位技术的方方面 面，并且更侧重于基本定位方法和技术的研究，定位算法的研究，数据融合技术 的研究，定位技术实施方法的研究以及定位系统的性能评估等。这些大公司在研 究的基础上，都提出并制定了相应的定位实施方案。 上海贝尔推出了终端侧定位的g s m 移动定位解决方案，利用小区识别号 c e l l i d 、时间提前量t a ，o t d a e o t d 等信息进行定位，为用户提供了从终端 到定位服务器的完整解决方案。n o k i a 提出了支持g s m 手机的m p o s i t i o n 解决方 案，该方案采用c i ( 小区号) ，c i + t a ( 定时提前) 和更新的c i + t a + r x ( 登记) 方式定位，在支持e o t d ( 增强观察时间差分) 定位的m p o s i f i o n 定位技术版本 中，n o k i a 为g s m 运营商添加了e o t d 定位方式，以便从定位容量和可靠性两 方面提高性能。m p s 系统是由e r i c s s o n 提出的一种用来确定移动用户地理位置信 第一章绪论 息的定位系统，该系统将小区i d 和时间提前量t a 等位置信息通过g s m 网络提 供给m p c ，然后由m p c 计算出坐标，这些坐标将会被移动通信网络运营商所提 供的应用所使用，或者被互联网服务提供商所提供的应用所使用。m o t o r o l a 的解 决方案也是端到端的定位服务解决方案，目前所提供的定位服务解决方案是基于 s t kc e l li d 方式的，同时还根据市场及用户需求，提供基于g p r s 网络的定位系 统解决方案。 国内对蜂窝网络移动台定位技术的研究起步较晚，从事这项技术研究的大部 分都是针对g p s 或差分g p s 技术及其应用，而对基于蜂窝网络移动台定位技术 和c d m a 网络移动定位技术的研究甚少。在国内，诸如华为、中兴等一些大型 通讯公司，都开展了定位技术的研究。中兴通讯提供c d m a 定位系统的全套解 决方案。该方案包括两个实旋阶段：第一阶段使用c e l l i d 和a f l t ( 高级前向 链路三角定位) 技术，这一技术对手机没有特殊要求，投入小，开展快；第二阶 段使用高通公司的g p s o n e 定位技术，定位精度高，业务范围广，但是投入较 大。中国移动通信有限责任公司目前也已经开通了移动定位实验局，研究采用 t d o a ( 到达时间差) 和c e l l i d + t a ( 小区信息和时间提前量) 等技术的移动 台定位。 基于蜂窝网络的定位技术研究既可以满足移动台定位需求，也可以应用于蜂 窝网络系统设计和网络资源管理，如基于移动台位置的收费策略、预防欺诈行 为、车辆管理及智能运输系统等。目前的定位技术和方法，要完全满足e 9 1 1 定 位需求的要求还有一定差距，特别是要求在不影响系统其他主要性能指标的前提 下，高效、可靠地提供对移动台的定位功能，还有许多问题有待深入研究。同时 最后由于施行定位这种服务常常暴露了个人的敏感信息，很多用户担心自己的隐 私问题，隐私权的保护受到广大用户的关注，如何使用户适时地使用定位服务而 又免于自己的位置隐私被恶意侵犯，也是一个迫切需要解决的问题。尽管如此， 目前基于g s m 和c d m a 技术的蜂窝网络定位系统和蜂窝g p s 混和定位系统已经 进入了商用，虽然其定位精度有待于提高，手机成本也有待于降低，但是用户数 仍然在迅速增长，这充分说明了蜂窝定位的市场潜力巨大，随着3 g 的临近，移 动定位业务必将成为移动通信中一个新的业务增长点。 1 3 本论文的主要研究内容 基于蜂窝网络，特别是w c d m a 网络的移动定位技术是一项复杂的技术，该 电子科技大学硕士学位论文 技术涉及的内容多，范围广，因此本论文的研究工作涉及到计算机、通信和数学 等多个学科知识。 本论文在对蜂窝网移动定位技术基本原理的介绍基础上，对移动定位中的各 种定位技术，特别是基于t d o a 技术的定位算法，以及影响定位精度的因素等多 个方面进行了详细的研究与探讨。然后深入研究了w c d m a 网络中移动定位的基 本定位技术、定位实施方法、网络结构、信令协议和操作流程以及多精度定位流 程的实施方法。通过本人实际参与的项目，提出了w c d m a 网络中定位系统的具 体实施方案，包括系统结构的总体设计、特点和功能的规划，并负责了相关模块 的设计和定位系统的测试。 1 4 论文各章节安排 本论文共分为七章，具体的章节内容如下： 第一章概述，介绍课题的背景与意义、国内外的研究现状和发展趋势，并简 要介绍了本论文的主要研究内容和本人的主要工作。 第二章主要讨论了移动定位技术的基本原理和e t 前主要的定位技术，并对各 种定位技术进行了比较；分析了影响移动定位精度的因素。 第三章对基于t d o a 技术的各种基本定位算法进行了研究和探讨，并分析 了各种算法的优缺点。 第四章讨论和分析了w c d m a 网络中的基本定位技术、定位实施方法、网 络结构、信令协议和操作流程；同时对w c d m a 网络中的多精度 定位问题进行了探讨。 第五章介绍了作者参与的w m l c s 系统的总体方案设计，包括w - t a l c s 的 系统结构设计、功能和特点设计；g m l c 的软件结构设计；m s c 中 定位模块的详细设计和定位实施流程。 第六章阐述了w - t a l c s 系统的测试，并对测试结果进行了分析。 第七章对本文的主要工作进行了一个简要的概括，并对下一步的研究方向进 行了展望。 电子科技大学硕士学位论文 技术涉及的内容多，范围广。因此本论文的研究工作涉及到计算机、通信和数学 等多个学科知识。 本沦文在对蜂窝网移动定位技术基本原理的介绍基础上，对移动定位中的各 种定位技术，特别是基于t d o a 技术的定位算法，以及影响定位精度的因素等多 个方而进行了详细的研究与探讨。然后深入研究了w c d m a 网络中移动定位的基 本定位技术、定位实施方法、网络结构、信令协议和操作流程以及多精度定位流 程的实施方法。通过本人实际参与的项目，提出了w c d m a 网络中定位系统的具 体实施方案，包括系统结构的总体设计、特点和功能的规划，并负责了相关模块 的设计和定位系统的测试。 1 4 论文各章节安排 本论文共分为七章，具体的章节内容如下： 第一章概述，介绍课题的背景与意义、国内外的研究现状和发展趋势，并简 要介绍了本论文的主要研究内容和本人的主要工作。 第二章主要讨论了移动定位技术的基本原理和目前主要的定位技术，并对各 种定位技术进行了比较；分析了影响移动定位精度的因素。 第三章对基于t d o a 技术的各种基本定位算法进行了研究和探讨，并分析 了各种算法的优缺点。 第网章讨论和分析了w c d m a 阿络中的基本定位技术、定位实施方法、网 络结构、信令协议和操作流程：同时对w c d v l a 网络中的多精度 定位问题进行了探讨。 第五章介绍了作者参与的w - m l c s 系统的总体方案设计，包括w - m l c s 的 系统结构设计、功能和特点设计；g m l c 的软件结构设计：m s c 中 定位模块的详细设计和定位实施流程， 第六章阐述了w _ m l c s 系统的测试，并对测试结果进行了分析。 第七章对本文的主要工作进行了一个简要的概括，并对f 一步的研究方向进 第七章对本文的主要工作进行了一个简要的概括，并对下一步的研究方向进 行了展望。 第二章移动定位技术原理 第二章移动定位技术基本原理 移动定位就是通过移动终端和移动网络的配合，确定移动用户的地理位置， 从而提供用户需要的与位置相关的服务或信息。其基本原理是：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，利用适当的处理方法就能获得移动台在空间的位置。 2 1 蜂窝网无线定位系统 蜂窝网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( 如电波场强、传播时间或时间差、入射角等) 来估计出目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、定 位主体及采用的设备不同可以将移动定位方案分为三类【5 】：基于移动台的定位方 案，基于网络的定位方案以及g p s 辅助定位方案。 ( 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或者前向链路定位系统，采用的是基于移 动台的定位方案。其定位过程是移动台根据自己接收到的多个已知位置基站发射 信号携带的与移动台位置有关的特征信息，来确定其与各基站之间的几何位置关 系，再根据有关定位算法对移动台自己的位置进行定位估计。基于移动台定位的 系统对每个基站的数据库进行维护，把诸如基站位置及相邻频率的分配表等信息 传送给移动台，构成一个定位系统。 ( 2 ) 基于网络的定位系统 这类系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统，采用的是基于网络的 定位方案。其定位过程是由多个基站同时检测移动台发射的信号，并对这些进行 精确的到达时间的测量，然后把这些信息送到网络中的移动定位中心进行处理， 从而得到移动台的估计位置。 ( 3 ) g p s 辅助定位系统 这类系统采用的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。辅助g p s 使用固定位置 的g p s 接收机获得移动终端定位所需的辅助数据。这些辅助数据使移动终端不必 电子科技大学硕士学位论文 译码实际卫星的定位消息就可以进行定位测量。 对基于移动台的定位方案和g p s 辅助定位方案来说，移动台知道其自身位置 但网络方面并不知道；对基于网络的定位方案来说，网络方面知道移动台的估计 位置但移动台自身并不知道。要使这两种定位系统中没进行定位估计计算的一方 掌握移动台的位置，还必须利用空中接口在移动台和网络之间建立一条数据链 路，进行有关的数据传输。定位功能的实麓应充分利用蜂窝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、相应的定位技术及实施方案。 2 2 移动定位技术的分类 定位技术大致可以分为三种类型 6 】 7 1 ：基于三角关系和运算的定位技术、基 于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。 2 2 1 基于三角关系和运算的定位技术 这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角关系计算被测物体的位置， 它是最主要的也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系的定位技术可以 细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。 基于距离测量的定位技术 如图2 1 所示，这种定位技术先要测量己知位置的参考点( a 、b 、c 三点) 与被测物体之间的距离( 半径1 、半径2 、半径3 ) ，然后利用三角知识计算被测 物体的位置。 图2 - 1 基于距离测量的定位技术 第二章移动定位技术原理 一般来说，如果要计算被测物体的平面位置，那么需要测量3 个非线性的距 离数据；同理，如果要计算被测物体的三维位置，那么需要测量4 个非线性的距 离数据。在具体的应用环境下，需要测量的距离数据数目可能要少一些。例如在 某些定位系统中，参考点总是位于被测物体之上，所以只需要测量3 个距离数据 就可以确定被测物体的位置。具体来说，距离测量的方法有直接测量法、传播时 间测量法和无线电波能量衰减测量方法三种。 直接测量法是通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。 传播时间测量法是利用在己知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它 传播的时间成正比的关系来进行测量。这种测量方法需要注意这几个问题：无线 电波的传播特性，因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射，而测量端无法 区分直接到达的无线电波和经过反射到达的无线电波，所以容易造成测量的误 差；时钟精度，因为无线电波的传播速度很快，为了减d , n 量误差必须使用高精 度的时钟；时钟同步，参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同步， 这样才能保证测量结果的正确性和精度。 无线电波能量衰减测量方法则是利用己知发射电波的强度，在接收方测量收 到的电波强度，以此估计出发射电波物体距离接收方之间的距离。在理想的传播 环境下，无线电波的衰减与传播距离具有比例关系。实际上，无线电波在空间传 播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果，而不单单与传播距离有关。具体说 来，在一个地形地物较为复杂的环境中， 射、折射、多径效应等多种因素的影响， 不如传播时间测量方法精度高。 基于角度测量的定位技术 无线电波信号传播时的衰减会受到反 所以这种利用能量衰减测量距离的方法 基于角度的定位方法与基于距离测量的定位方法在原理上是相似的，两者主 要的不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。一般来说，如果要 计算被测物体的平面位置，那么需要测量2 个角度和1 个距离( r a 线表示) ，如图 2 - 2 所示。同理，如果要计算被测物体的三维位置，那么需要测量3 个角度和1 个 距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列。 电子科技大学硕士学位论文 被测物体 图2 - 2 基于角度测量的定位技术 2 2 2 基于场景分析的定位技术 这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的 参数描述定位环境中的各个位置并用一个数据库把这些信息集成在一起。观察 者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库，并根据特定的匹配规则来确定物 体的位置。由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则， 它本质上是一种模式识别方法。 2 2 3 基于临近关系的定位技术 基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个己知位 置的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来 确定己知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的小区 i d ，如图2 - 3 所示。图中黑点表示三个待定位物体，它们分别位于不同形状的小 区中。因为各个小区的位置是己知的，所以待定位物体的位置也就可以确定了。 一、 ，、7 x iyi i ij 絮l j 小区】 i? 区2 r - j l 、，一7 一上j 、一一i 一- h 区：2 图2 3 基于临近关系的定位技术 第二章移动定位技术原理 2 3 几种基本的移动定位技术 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来实现对移动台的定位估计。从几何角度看， 确定空问的一个点，可以由三个或三个以上的曲面或平面在三维空间内相交而得 出。但到目前为止，大多数定位服务应用几乎只要求获锝移动台的二维平面坐 标，因此本文也只讨论移动台的二维定位技术。 下面以基站为接收器，移动台为信号源的情况来分析确定移动台位置坐标的 几种基本方法。以下我们以( x ，y ) 代表移动台位置坐标；b s 。或基站i 表示参 与定位的第i 个基站，并用( 置，1 ) 表示其位置坐标：m s 表示需要定位的移 动台。 2 3 , 1 基于小区i d 的定位技术 获取移动台当前所在小区的i d ，从而得到其位置信息，这是最简单的一种定 位方法，也是当今无线网络中广泛采用的定位技术，它根据移动台所处的小区i d 号来确定用户的位置。移动台所处的小区i d 号是网络中的已有信息，移动台在 当前小区注册后，在系统的数据库中就会将该小区i d 号对应起来。只要系统提 供该小区基站的中心位置和小区的覆盖半径，通过广播消息的形式发送给小区内 的所有移动台，移动台就能知道自己所处的地方，其定位精度取决于小区的覆盖 半径。在繁华的商业区，由于移动通信系统采用了微微蜂窝的小区结构，一个移 动台至少可以处于一个微微蜂窝小区的覆盖之中，定位精度不超过1 0 0 m 。如果 移动台处于多个小区交叉覆盖的地方，那么在知道这些小区的中心位置和覆盖半 径的情况下，就可以很精确地得到移动台的位置，定位精度可以达到5 0 m ，甚至 更小。 基于小区i d 的定位技术的优点是实现起来简单，只需要建立关于小区中心 位置和覆盖半径的数据库；定位时间短，仅为查询数据库所需的时间；而且该技 术不用对现有的手机和网络进行改造就可以直接向用户提供移动定位服务。其缺 点为定位精度比较差，特别不适合在基站密度低、覆盖半径大的地区使用。 2 3 2 到达时间( t o a ) 定位法 若已知移动台到基站i 的直线距离为r ，则根据几何原理，移动台一定位于 电子科技大学硕士学位论文 以基站i 所在位置为圆心，r ，为半径的圆周上，即移动台位置 位置( 五，鬈) 之间满足如下关系： ( 石一五) 2 + ( y 1 ) 2 = r 2 i = 1 ，2 ，3 ，i 1 ( x ，y ) 与基站 ( 2 1 ) 如果己知移动台与三个基站之间的距离，以三个基站所在位置为圆心，移动 台与三个基站的距离为半径画圆，如图2 - 4 所示，则三个圆的交点即为移动台所 在位置。在实际的定位方法中，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t 。，就可以得到目标移动台与基站的距离r 。= - c x t 。，其中c 为电磁波在 空中传播速度，即c = 3 x 1 0 8 r n s 。对于i = 1 ，2 ，3 ，联立上述三个方程组( 2 - 1 ) ， 就可以得到移动台坐标位置( x ，y ) 。由于t o a 与距离r 的关系，t o a 定位法 又称为三圆相交定位法【8 】【9 o 。 图2 - 4 到达时间( t o a ) 定位法 实际上，早期采用的场强定位法也是采用圆周定位。这种方法是通过检测接 收信号的场强值、利用已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发机之 间的距离，通过求解上述相同的距离方程组，就能确定目标移动台的位置。 t o a 技术要求定位基站在时间上精确同步，否则定位精度将大大降低，时间 上l u s 的误差在距离上将产生3 0 0 m 的误差，可用g p s 对基站进行精度校对时 间，但会增加系统的开销，而且移动台的发射信号中需有时间标记，这样接收基 站才能判断出信号传输时延。 2 3 3 到达时间差( t d o a ) 定位法 当已知基站b s l 和基站b s 2 与移动台之间的距离差为r 2 l = r 2 一r l 时，移动台 必定位于以两基站为焦点、与两个焦点之间的距离差恒为r 2 1 的实线双蓝线上， 第二章移动定位技术原理 如图2 5 所示。当同时知道基站b s l 和基站b s 3 与移动台之间的距离差为r 3 i = t 3 一r 1 时，可以得到另一组以两基站b sa 和b s 3 为焦点、与该两个焦点的距离差恒为 r 3 l 的虚线双曲线上。于是，两组双曲线的交点就代表对移动台位置的估计。 图2 - 5 到达时i 司差( t d o a ) 定位法 与t o a 定位方法类似，基站b s l 和基站b s 2 与移动台之间的距离差可以通过 测量从两个基站同时出发的信号到达目标移动台的时间差t 2 1 来确定，或测量从移 动台出发到达两个基站的时间差t 2 1 ，r 2 l = c t 2 1 ，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( ，y ) 和基站坐标( 五，i ) ( i = 1 ，2 ，3 ) 有 如下关系： ( 厄夏丽一厄i 丽) 2 ( 厄互丽一厄丽丽) 2 解上述方程组以后可以得到两个解，分别对应于图2 5 中两对双曲线的两个 交点。由于两个交点中只有一个代表移动台的真实位置，因此需要一些先验知识 ( 如小区半径等) 来分辨出真实解，以消除位置模糊( 解模糊) 。这种利用到达 时间差( t d o a ) 定位的方法也称为双曲线定位法 8 】吼t d o a 定位也是目前在 各种蜂窝网络中主要研究和采用的定位方法。 2 3 4 到达角度( a o a ) 定位法 到达角度( a o a ) 定位法也称为方位测量定位法【”。本方法是通过基站接收 机天线或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到移动 电子科技大学硕士学位论文 台的径向直线，即方位线。如果我们从两处不同位置上的两个天线上测得至少两 个a o a 值，那么目标移动台的位置就一定处于从这两个天线处发出的两条直线 的交点上，见图2 - 6 。在通常情况下，利用多个测得的a o a 值来提供冗余信息以 达到提高定位精度的目的。 幽2 - 6 到达角度( a o a ) 定位法 假设基站b s l 和基站b s 2 分别测得移动台发出信号的到达角度分别为0 l 和0 2 ， 则下式成立： t a n o g ：坐i = 1 ，2( 2 3 ) y i 通过求解上述非线性方程，就可以得到移动台位置( ，y ) 。 a o a 定位技术的优点在于不需要系统的时间同步；阵列天线的引入改善了天 线增益模式，增强了方向性；移动台的信号只需被两个基站同时收到就可实现二 维定位；在基站稀疏地区定位有效性优于时差定位系统。其不足点主要是需要在 基站建立阵列天线，提高了系统成本；对于类似g s m 或c d m a 的信道共享系 统，实现这种测量有较大难度，易受多径和其他环境因素干扰的影响。同时a o a 的测量精度对距离十分敏感，距离越远，a o a 定位精度就越差。 2 3 5 增强观测时间差( e o t d ) 定位法 e o t d 定位方法也是利用对信号传播时间差的估计来计算移动台位置的方 法。与t d o a 方法不同的是，e o t d 使用下行链路信号来估计两个或多个基站到 达移动台的时间差。与e o t d 相关的基本量有3 个：观察时间差( o t d ) 、真实 时间差( r t d ) 和地理位置时间差( g t d ) 。o t d 是移动台观察到的两个不同位 第二章移动定位技术原理 置的基站信号的接收时间差：r t d 是两个基站之间的时钟时间差；g t d 是两个基 站到移动台由于距离差而引起的传输时间差。 设d ? 为b s l 与移动台之间的距离，函为b s 2 与移动台之间的距离，则 g t d = i d 2 一d l c ，式中c 为电磁波在空中传播速度。 上述3 个量之间关系为：o t d = r t d + g t d ，当基站都同步时，有r t d = 0 。 在e o t d 方法中，要取得正确结果，基站数目至少为三个，位于不同的地 理位置，并且重要的一条是基站同步。当我们获得三个或以上基站相互间的r t d 和o t d 后，就可以利用双曲线定位方法求出移动台的位置。 2 3 6 辅助g p s 定位法 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，全球卫星定位系统【9 】是上世纪7 0 年代初用于 军事目的而开发的卫星导航系统，其定位原理主要是利用几颗卫星的测量数据计 算出一个g p s 接收终端的位置，即经度、纬度和高度。原始数据可由接收终端处 理，也可送到定位网络处理。g p s 能够提供较高的定位精度( 对于普通用户来 说，其单点定位精度为2 0 一4 0 m ) 。这种定位技术需要在移动台上添加g p s 接收设 备，移动台需要接收4 个以上的g p s 卫星信号，同时解调卫星的导航电文，并利 用信号时延得出到各个卫星的伪距，最后利用这些信息计算出手机的精确位置。 使用g p s 技术的好处在于其定位精度高，覆盖范围广。但是其缺点也是很明显 的，在手机上添加g p s 接收设备，除了增加了手机的体积和重量外，g p s 接收设 备工作也会导致手机耗电量增大，这就使用户手机的通话时间和待机时间缩短。 另外，g p s 在城市地区和室内的精度和覆盖率较低，同时g p s 设备开机时至少需 要预热一分钟，响应时间比较长。当g p s 接收机不知道它的大概位置时，它对 g p s 卫星的搜索时间就很长，甚至大于1 0 分钟，这将使e 一9 1 1 这类的紧急定位服 务不可行。 针对g p s 定位带来的缺陷，可以借助来自网络的辅助数据进行改善，其基本 思想是建立一个g p s 参考接收网络，这就是网络辅助g p s 技术( a g p s ) ，如图 2 7 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 辅助g p s 定位原理 在该定位技术中，g p s 参考网络网络与移动通信网相连，手机内置一个g p s 接收机。通信网将g p s 参考网络产生的辅助数据，如差分校正数据、手机上空的 g p s 卫星情况以及g p s 导航信号发送给手机，并将通信网数据库中手机的近似位 置或小区基站位置传送给手机。在这些信息的帮助下，手机根据自己所处的近似 位置和当前的卫星状态，可以很快地捕获到卫星信号，时间可以缩短到几秒，大 大缩短了g p s 定位的时间，同对还可以提高定位精度。这种方法可以在不需要对 关闭g p s ，因而可节省电池，而且还可把位置回应时间控制在1 0 s 以内。由于可 以借助参考接收器的准确位置校准g p s 信号，故可将开放地区和理想条件下的精 度提高到l m 。 2 3 7 混和定位法 这种方法是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 o a 等进行定位估计。 在某种情况下，蜂窝网络系统中仅有一个基站能收到目标移动台发出的清晰 信号，而其到达其它基站的信号过于微弱，以至于无法采用a o a 或t d o a 方法 进行定位时，就可以采用t o a a o a 混合技术来进行定位。 例如，如果一个基站能够同时测得移动台发出信号以直射路径到达基站的时 间t l 和角度e l ，则移动台相对于基站的距离r 1 = c x t l 和方位角0 l 已知，于是由 下式就可以解出移动台位置( x ，y ) ，即 第二章移动定位技术原理 性t a n o 彬i = x ：- 毒x , 耵咆，： 其它的定位方法还有a o a t d o a 混合定位方法等， 文献，在此不再赘述。 2 4 移动定位技术的分析比较 ( 2 4 ) 具体情况可以参见参考 由于现有移动通信系统体制的多样性，不同的通信体制应采用适合的无线定 位方案和技术，而且各种无线定位定位技术具有各自的优点和缺点，因此应该对 不同的技术进行分析比较，选择恰当的无线定位技术【1 0 】。 基于小区i d 的定位技术利用了无线网络本身的特性，因此无须网络和移动 台做任何调整即可为现有移动用户提供定位。这种技术一般只能定位到某个基站 或者基站下面的某个小区，它的定位精度取决于基站的密集程度，定位误差一般 来说大于2 0 0 m ，因此无法实现高级的定位业务。 t o a 技术的定位精度较高，但是需要移动台和接收基站之间严格的时钟同 步。t o a 技术的缺点在于