（计算机应用技术专业论文）基于蜂窝网络的agps和tdoa混合定位技术研究.pdf

重从邮电人中硕1 - 论文 摘要 摘要 尢线定位业务l c s 是随着移动通信技术的进步f f l j 发展起来的增值业务，移 动台定位技术对于蜂窝网络，特别是3 g 网络的重要性已得到广泛认同。国内 外许多公司、科研院所都肘定位力法原坪和策略进行了大量深入的研究，3 g p p 也埘住第一三代移动通信系统实现定位技术提出了许多研究成果和规范建议。 虽然g p s 定位技术已经趋于成熟，但是对于室内定位以及城市森林中的定 位还存在定位信号盲区的问题；第三代移动通信定位标准已经明确将定位作为 其重要的增殖业务，但蜂窝网络定位由于其自身天然的缺陷，又面临着定位精 度不高的尴尬。如何利用g p s 的高精度和蜂窝网络的高覆盖率，已经成为一个 很值得研究的课题。针对这个问题，本文提出了结合g p s 和蜂窝网络中精度较 高的t d o a 定位技术的混合定位方法。 本文系统的归纳和总结了目前蜂窝网络所采用的各利，定位技术，并针对 c d m a 系统，探讨了目前影响定位的丰要因素和定位系统性能评价指标。阐述 了t d o a 蜂窝网络定位的测量技术、位置解算算法以及其在t d - s c d m a 系统 上的定位流程和a g p s 定位原理，定位流程和辅助数据的处理方法。提出了两 种对t d o a 和a g p s 定位技术的混合方案，即决策级混合和非决策级混合定位。 决策级混合即是把两种高精度的定位方案简单的组合在起，以提高定位成功 率，让两种适用不同环境的高精度定位技术进行互补；非决策级混合在理论上 探讨了两种定位方案可以更深层次进行数据融合的问题，即通过坐标变换的方 式将蜂窝网络的高度辅助、时间辅助和t d o a 测量值与g p s 测量值方程组进行 线性化并联立，以实现数据融合，当卫星数量少于4 颗时，也能给出替代的定 位估计，以弥补g p s 定位在室内和城市森林中的不足。并对混合定位方案进行 了仿真测试，测试结果表明，混合定位大大增加了定位系统成功率，提高了整 个定位系统性能。 关键词：蜂窝网络，到达时间差，辅助仝球定位系统，混合定位，位置业务 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w 1 t ht h ed 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 n w i r e l e s sl o c a t m ns e r v i c e ( l c s ) b e c o m e so n eo f v a l u e a d d e ds e r v i c e s i ti sw i d e l yc o n s i d e r e dt h a tm o b i l es t a t i o n l o c a t i o nt e c h n o l o g yl si m p o r t a n tf o rc e l l u a rn e t w o r k ，e s p e c t a l l yf o r3 “g e n e r a t i o n m o b i l es y s t e m l o t so fc o t p o r a t m n sa n dr e s e a r c hc e n t e r sc o n d u c tag r e a td e a l r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d s t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t o b t a i n ss o m ea c h i e v e m e n ta n dp r o v i d e ss o m es t a n d a r d st or e a l i z et h el c so nt h e3 “ g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m a l t h o u g hg p sl o c a t i o nt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r em a t u r e ，b u tt h e p r o b l e m o f l o c a t i o ns i g n a ld e a dz o n ed u r i n gl o c a t i o ni nt h ei n d o o ra n dc i t yb u i l d i n g s s t i l le x i s t s ；t h e3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c th a sr e g a r d e dl b sa sa l li m p o r t a n tv a l u e - a d d e ds e r v i c e ，b u t ，船t h ec e l l u l a rn e t w o r kl o c a t i o nh a si t so w nl i m i t a t i o n s ，i ti s f a c i n gt h ed i s c o m f i t u r eo fl o wp r e c i s i o n h o wt oe m p l o yt h eh i 曲p r e c i s i o no fg p s a n dt h eb r o a do v e r c a s to fc e l l u l a rn e t w o r kh a sb e c o m ea t o p i cw o r t hd i s c u s s i n g i n v i e wo ft h i sp r o b l e m , t h eh y b r i dl o c a t i o nd e t e r m i n a t i o no fg p sa n dt h eh i g h l y p r e c i s et d o a l 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 ki sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h ec d m a s y s t e m , a l li o c a t m nd e t e r m i n a t i o n si nt h ec e l l u a rn e t w o r k a r ec o n c l u d e d ，t h ef a c t o r so f l o c a t i o ng l t o ra n dt h ei n d e xo f p e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e d i nt h et h e s i s l o c a t i o np r i n c i p l e so ft d o aa n da g p sa 糟e x p l a i n e d t w oh y b r i d l o c a t i o ns c h e m e sb a s e do nt d o aa n da g p sa 托p r o p o s e d t h e ya l ed e c i s i o nl a y e r h y b r i dl o c a t i o na n du n d e r - d e c i s i o nl a y e rh y b r i dl o c a t i o n d e c i s i o nl a y e rh y b r i d l o c a t i o ni st h es i m p l ec o m b i n a t m no f t d o aa n da g p s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ec d f ( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i n gf u n c t i o n ) r e m a r k a b l y u n d e r - d e c i s i o nl a y e rh y b r i dl o c a t i o n d e v e l o p st h ed a t a f u s i o nm o d e lf o r t h et w ol o c a t i o nd e t e r m i n a t i o n s ，w h i c hc a n r e a l i z ee q u a t i o n si m e a n z a t i o nv i at r a n s f o r mo fs p a t i a lc o o r d i n a t et oa s s i s t e da l t i t u d e e q u a t i o n ，a s s i s t e d t i m ee q u a t i o n ，t d o am e a s u r e m e n t e q u a t i o n s a n da g p s m e a s u r e m e n te q u a t i o n s w h e nt h en u m b e ro fs a t e l l i t ea n db a s e m e n ti sl e s st h a n4 ， t h i sh y b r i dm e t h o dc a ng i v et h ep o s i t i o ne s t i m a t eo fm o b i l es t a t i o nt o o t h e s i m u l a t t o ns h o w st h a tt h eh y b r i dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f l o c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r k ，t d o a ，a g p s ，h y b r i dl o c a t i o n ，l c s 独创性声明 本人声1 1 月所旱交的学位论文足本人在导帅指导f 进行的研究i 作硬取得 的研究成果。据我所知，除了文i i - 特别加以标注和敛谢的地力外，论文，i i 不包 含茛他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重丛邮电厶堂或 其他教自机构昀学位或证书而使用过的材料。与我同r 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。 学位做储躲说暑签字隰州 年z 月嚼 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解 重庆整电太堂 有关保留，使j 】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 重庆蛏虫太堂 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) 学位论文作者躲c 琵卜 签字日期：1 r j 年 2 ，则上式为方程数大于 未知量数1 3 的超定方程组，采用最小二乘( l s ) 算法获得的l i e 估计位置： j = ( 4 7 a 7 y ( 2 7 ) 对于无偏差的估计器及二维双曲线定位系统，g d o p 可表示为 g d d p 3 拉+ 印o r ( 2 8 ) 这里的为测距误差标准差。g d o p 与c e p 有以下近似关系 c e p 。( o 7 5 t r , ) g d o p ( 2 g d o p 可作为大量皋站i l i 选择所需定位基站的指标，选中的皋站应是使 g d o p 最小的笨站，还可用于建设移动通信网络时选择皋站位置的参考。 2 3 2 定位成功概率 定位成功概率和定位系统的覆盖率成正比，移动定位服务要求覆盖率高。 。方面要求覆盖的范围足够大，特别是对于一些在外地使用地图功能的用户而 言，需要保证覆盖的范围。另方面要求覆盖的范用包括室内。用户大部分时 间是在章内使用该功能，从高层建筑和地下设施必须保证覆盖到每个角落。通 2 重次邮电大学硕 论文第一辛蜂窝网无线定位技术 常来说，川f j 占要住运营商的覆盖范同内或在漫游【x 域内的仟何地力获得定位 眼务。 疋位成功眦车位t 程寅际府川i 一纤常川到累汁分们函数c d f 和相对定伊误 差r p e 。c d f 是指侄某个糨度门限以f 的定位次数在总定位；欠数1 一所 比例， 例如f c c 规定的定位误差住1 2 5 m 以f 的定位次数住所有定位次数i i - 所占地百 分比，通常记为c d f ( 1 2 5 ) 。向r p e 则是反映出定位精度弓定位范俸1 的这种相 对天系，设定位范闸( 参与定位毕爿t 之问的距离) 的最人嘲球半释为r m ，定 位精度为子。 r y e ：旦 如 ( 2 1 0 ) 2 3 3 定位晌应时间和定位代价 不同的定位业务可能要求不同的响应时问( 取决于定位要求的紧迫程度) 。 响应时间与定位精度是相互矛盾的，因此定位服务器可能需要对定位精确性的 要求与响麻时间要求做一个权衡。衡量响应时问有以下三个标准： “不滞后”：服务器应该立即响应它口前拥有的任何定位估计。如果估计不 可用，服务器戍该返回一个失败标志，并继续进行对定位要求有川的定位过程。 “低滞后”：对响应时间的要求强于对精度的要求( 如低精确度的快速响应 要比等待一个高精确度的响应更有诱惑力) ，定位服务器应该尽快提供响应。 “可容忍的滞后气对精度的要求强于对响应时间的要求。如有必要，服务 器应推迟提供响应直到满足应用要求的精确程度。 一个高性能定位系统应该具有较小的市场投入，且l b s 用户应该获得较高 精度和实时的定位服务。表2 1 简要列举上文中提到的定位方法在的性能特点。 表2 1 几种常用的定位系统定位精度响麻时间和系统代价比较“” 技术方案精度响廊时间平台投资终端投资 c e l l - i d1 0 0 m - 3 0 k m3 s 不需要修改不需要修改 a o a1 0 0 m - 2 k m3 s 需要增加智能天线 不而要修改 需要增加网络实体 t o a6 0 一5 0 0 m 6 s不需要修改 和软f f i 修改 需要增加网络实体 t ) a6 0 l o o m1 0 s 需要改进 和软件修改 需要对网络实体进 a g p sl o - 5 0 m3 s 需要专用终端 行修改 混合定付 6 - 5 0 m3 s 需要对网络实体进 需要专h j 终端 ( t d o + a g p s )行修改 审f 大邮电大学硕十论文第一章蜂窝网无线定付技术 2 4 本章小结 本节 委讨论了移动台定位的晕本技术力棠，阐述了影啊c d m a 定竹系统 粘腹的丰盐冈素，着重讨论了定位系统的性能评价指标。辫列举了几前丰蛰麻 川的几种定位技术的性能特点。 1 4 重次邮电人乍硕h 仓文第三章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定何方案 第三章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定位方案 3 13 g 系统中可选用的定位方法及比较 3 g p p 的协议规范一f r 要建议了一种定位疗法：c e l li d ，o t d o a - i p d l 以 及蚓络辅助g p s ( a g p s ) 定位方法。 在3 g 网络中。当知道移动台所在小区的c e l li d 时，就可以将移动台的位 置限定在该小区的范围内，这就是c e l l1 1 3 定位方法的基本原理。鼍定位请求对 精度要求不高但对响应时间要求很快时，采用这种方法比较合适。c e l li d 定位 方法的定位精度取决于蜂窝小区的大小以及是否采用了辅助定位测量如信号往 返时间( r = 】r r ) 等。 下行链路o t d o a 定位方法采用的是基于移动台的定位方案，利用在移动台 测量的多个n o d eb 发射的导频信号的s f n s f n 观测时问差，结合发射机地理位 置坐标，l m u 测量的各导频信号的相对时间差( r t d ) 等信息来确定目标移动 台的地珲位置。由于c d m a 的远近效应，为了解决服务基站信号对邻近苯站信 号的干扰问题，下行链路空闲周期( i p d l ) 方法被提出唧，应用到o t d o a 定位 力法中，t i p o t d o a - i p d l 定位方法。 网络辅助g p s 定位方法应用于集成了g p s 接收机的移动台的定位。利用g p s 参考网络提供g p s 辅助信号进行定位。对于手机辅助的定位方法，手机完成伪 距测量后将测量结果上报给网络，由网络完成手机的位置估计k 对于基于手机 的定位方法，手机完成伪距测量后，根据伪距测量结果以及网络下发的g p s 辅 助参数计算出手机的位置，最后将手机的位置上报给网络。a g p s 定位方法是目 前精度最高的一种定位方法，在室外空旷区域其定位精度可以达到米级，其一 般精度在3 m 至i l5 0 m 之间。t 日是，在密集城区，由于n l o s ( 非可视路径) 等现 象严重i ，a g p s 的定位精度将急剧下降：在室内，由于无法接收至i j g p s 卫星信 号，a g p s 难以完成定位。a g p s 定位方法的另外个缺点是需要手机支持g p s 信号的接收，这将是影响a g p s 定位在蜂窝网络系统中推广的一个重要原因。 这些定位方法有各自的特点。c e l li d 方法优点是实现简单，不需要改动网 络和移动台，且响应速度很快；其缺点是定位精度不高，与小区的大小成正比。 微蜂窝结构下定位精度小于1 0 0 m ，在郊区则降低至3 6 k m 。o t d o a i p d l 方 法的优点是其定位精度较高，但是需要移动台支持o t d o a 测量及网络支持r t d 测量，实现相对较复杂。网络辅助g p s 定位方法的定位精度高，通常可以达到 十几米( 如果采用差分校正，定位精度可以达到几米1 1 2 1 ) ；其缺点是需要建 里堂皇点堂硕 迨生第王章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定伊方案 声 个g p s 接收机参考刚络，同时需要在移幼台集成g p s 接收机，压i 此成本较 南以及移曲台f # 移! 增大，茛功耗电比茛它定垃与法商。此外，3 g l i x 络- l 逊n r 以 采j i i a o a 力法及些增强定位力法，尊。 3 2t d s c d m a 网络中l o s 系统结构及定位过程 3 2 1 定位功能在t d - s c d m a 网络中的实施 在t d s c d m a 网络中，对用户定位请求的响应主要是提供移动台( 在 3 g p p t 中称为用户设备u e ) 的地理位置信息及相关的定位精度估计，移动速 度估计，时戳等辅助信息，为此。要求定位服务功能的建立应充分利用 t d s c d m a 网络己有的资源和g p s 等可以利用的资源，并尽可能减少对系统 容量等性能指标的影响，根据用户的服务权限和精度要求采用不同的定位方法 目前在3 g p p t 中，已根据定位功能的要求在原t d s c d m a 网络结构中增 加了必要的物理和逻辑功能模块，设计了相关的信令协议、接口和操作程序， 能将l i e 估计位置以一种标准格式向用户、网络运营商。或定位服务和附加服 务提供者报告 图3 i 具有定位功能的3 g 网络结构 幽3 1 为具有定位功能的网络结构。与定位功能有关的模块包括无线网络控 制器( r n c ) 内设置的移动定位中心( m l c ) ，集成在皋站( t d - s c d m a i 称 为节点b ) 内的定位测量单元( l m u ) 、小区内甲独设置的独立l m u 和川户设备 u e i ju j l 。r n c 与核心网( c n ) 之间通过i u 接口进行通信，各定位模块之间则 利j 1 j 网络已有的信令接口，如i u b ，l u r , u u 等接口进行通信。” i r n c 收到由c n 经 i u 接口送来的或来自t d s c d m a 网络内部l i e 的定位请求后，就会启动 1 6 重庆邮电人中硕十论文 第三章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定帝力棠 t d s c d m a j i - 的各种定位资源，包括结点b ，备 i l m u ，u e 进行信号特征值测 量冉将犄矿值返u f - 女, m i c 内的位置。订静功能( p c f ) 横块，计算出u e 的陆i r 置，并将定似结果及有关辅助信思送h c n 或定位请求者【2 1 ) ) 。 该幽简差描述j - l c s 客户、服务器0 核心网( c n ) 问的矢系。l c s 模块与 c n 之问通过i u 接口进行通信，l c s 模块之问则利川网络己有的信息提供能力 和信令能力进行通信。作为服务的部分，网络还应该具备对不合法 ( s i m u s i m ) j 户设备( u e ) 进行定f ! ：，的能力，以及对同时出现的多个l c s 客户提供服务的能力。 l c s 客户向l c s 服务器( 可能有多个服务器) 提出请求，l c s 实体会对l c s 客户进行鉴权，并启动网络资源( 包括m s ) 、计算功能等估计出m s 的位置并 将其返回给l c s 客户，返回给l c s 的信息中包含对定位精度的估计和测量时 间。在这个过程中t 可能会用到其他系统的信息 在t d s c d m a 网络中，各功能模块相互协作。共同完成定位功能。下面分 析t d - s c d m a 网络结构中备模块的功能。 1 ) s r n c ：s r n c 的功能是调整分配移动台所需要的资源，计算最后的定位 结果和估计定位精度s r n c 可以控制多个l m u 。s r n c 和l m u 之间的信令 传输通过i u b 接口，有时，也采用i u r 接口，对独立的l m u 则采用u u 接口。 s r n c 的功能具体为： 向其他r n c 请求m s 定位有关的信息； 定位请求流量控制：如果几个定位请求同时向一个s r n c 发送定位请 求，s r n c 将根据优先级来安排定位请求； 选择定位方法：根据定位请求、q o s 和m s 的定位能力选择定位方法：r 定位计算：s r n c 将计算m s 的位置，并进行不同坐标系之问的变换。 在由r n c 估计m s 的位置时，还要估计定位精度。这个精度包括g d o p ， 信号测量硬件的能力，多径传播的影响，以及同步的影响等，最终定位 精度将以距离的形式同定位估计结果一起返回； 提供m s 定位相关的辅助数据：s r n c 应提供辅助数据以支持不同的定 位方法； 协同和控制m s 定位：例如，s a s 的p c f 和s r n 的p c f 都空闲时， s r n 就要选择哪个p c f 参与定位并对其进行控制。 2 ) 结点b ：结点b 的功能是进行信号测量，并将测量结果传递给s r n c 。 结点b 可以根据定位请求进行信号测量，也可以自发和周期性地进行信号测量， 并报告测量结果。 3 ) l m u ：l c s 测量单元，对信号进行测量，并将测量结果传递给s r n c ，l m u 1 7 重队邮电人中硕 仑文第三章t d s c d m a 系统l jt d o a 和a g p s 定何_ 方棠 也可逍行此计算。l m u 包含个p s m ff p o s i t i o ns i g n a lm e a s u r e m e n t f u n c h o n i r 以根据收刮的测量清? r 进i r 信号测邕也町以自发地周期r 上地j ! 【 仃信弓测量舟报告测牮结果。”1 无线信号条件发牛明显改变时，l m u ! 三可能闪 此f 1 进行信0 测革。网络r i 一股小止个l m u ，每次l c s 请求也可能南要不 止个l m u 进行测量。l m u 有不i 叫的类趔，s r n c 根据l c s 定位力法选取适 ”伯0l m u 。几前，l m u 有两种类型：独立l m u ，这利t 类型的l m u 只能通过 u t r a n 宅i l 一接口u u 接口 方i 口j ，它与其他u t r a n 网络儿素没有仃何连接。了 独立l m u 相关协议现在还没有定义。独立l m u 有。个服务结点b ，通过该服 务结点b ，独立l m u 可以实现与s r n c 通信，。服务结点b 为他们的通信提供 信令支持。独立l m u 也有服务3 g - m s c ，v l r 和h l r ，且总是有一个唯一的 i m s i ，支持所有的无线资源和移动性管理。为保证独立l m u 和与之相连的 s r n c 之间能够相互访问，l m u 必须归属于某个小区或3 g m s c 另一种类型 的l m u 是联合l m u , r n c 通过i u b 接口访口j 联合l m u ，与联合l m u 相关的 信令协议是n b a p 协议。联合l m u 可以利用弓之相关的结点b 的无线设备和 天线，是一个逻辑上独立于结点b ，但必须通过结点b 的i u b 接口与s r n c 通 信， 4 ) l i e ：测量下行链路信号，或根据l c s 测量要求，在上行链路上传输一些 定位需要的信号。m s 中包含有l c s 应用，或通过与网络通信，访问l c s 应用。 这些应用可能包含必要的测量或计算以确定u e 的位置。m s 也可能包含独立的 定位功能如g p s 。 5 ) g m l c ：外部l c s 客户接入时遇到的第一个结点。g m l c 通过l h 接口 向h l r 请求路由信息。通过鉴权以后，g m l c 通过l g 接口向3 g v m s c 发送 定位请求并接收3 g v m s c 返回的最后定位估计结果。 6 13 g m s c v l r ：负责u e 鉴权，管理l c s 请求。3 g m s c 与定位有关的 功能是计费、定位请求、鉴权等。 7 ) h l r ：包含l c s 用户数据和路由信息。g m l c 通过l h 接口可以对其进 行访问。对于漫游的u e ，h l r 和s r n c 可能不在同一个p l m n 中。 8 ) g s m s c f ：l c 接口支持c a m e l 访口jl c s 。 3 2 2 定位逻辑功能模块在t d - s c d m a 网络内的分布及功能分析 t d s c d m a 网络l | l 按定位服务过程中执行功能的不同划分了不同的逻辑功 能模块。在3 g p p 中，要求各逻辑功能模块既支持采朋电路交换的u e ，又支持 采h j 包交换的l i e ：既支持基于网络的定位方案，又支持基于u e 的定位力案， 逊应支持各种不同的綦本定位方法和技术。 重庆邮电大学硕 沦文第三章1 d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定伊方案 l c s 逻辑模掣f 要有i 部分构成【1 1 1 1 4 | ：终端，l c s 服务器s e r v e r 和l c s 客 f 1 一嵩c h e n ll l sc h e n t 是软件或并硬f ， 9 ：体它j l c ss e r v e r 交q 求捩得 u e 的他胃信息。l c sc l i e n t 可以人交丁，也n j 以不1 j 人交可。l c sc h e n t 负责 完成信息数据的格式化转换和表示，同时箭邢着川户接e l 。l c s c h e n t 实体町以 安置盘u e ”川。l c ss e r v e r 也是软件或名硬件实体，它由许多定位服务组件 和服务承载体构成，为l c sc l i e n t h 霞务。l c ss e r v e r 所提供的定位平台，n r 以与 其它电信业务，比如语音、数据、消息等并行l i l c ss e r v e r 接收l c sc h e n t 发出 的鉴权通过的定位请求，服务请求，并埘接收到的请求发送刚复信息。l c s s e r v e r 所连接的l c s 实体，可以在一个或多个p l m n 中存在，也可以由个或多 个服务商完成。图3 2 是l c s 逻辑功能分布图，在这个图中，列出了l c sc l i e n t 和l c ss e r v e r 的毛要功能组成部分。 l c sc h e n t 定位处理单元 回回固 t 1 1 k 一哪i f a 芝兰a ：缈 谂 釜竺赢7 s lf c p r i v a c y 。 lt a r g e td e m s 图3 21 a 2 s 逻辑参考模犁和功能分布图 1 ) l c s 客户功能( l c f ) 可以位于与移动通信网柏连的因特网上的一个终 端节点，也可以位于移动终端。l c s 客户通过定位服务请求，实现l c s 客户和服务器之问的通信，以获得m s 的位置信息。定位服务请求有两 种类型：。种是l i r 即立即响麻定位请求，另一种是l d r 即延迟响应 请求。l c s 服务器通过g m l c 发送定位服务响应给l c s 客户，该响应 1 9 哩卿b 虫人学硕十论文 第三章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定傍方案 对扁，的也有两种类型，即奇即响府和延迟响膨。 2 ) 尢f 一半户抒：科功能( l c c f ) 管柙jl ( f i 田h 勺外部接l i ：l c c f 通过l s b f 提供的数据，6 牛帐甲；n t - 命令l c c t f 进行中标变换：可协同l c a f 对 客户进彳了验证和鉴权：n r 处琊l c s 的移动住筲柙，如发送定位请求给 m s c ，确定最后的定位估计是否满足要求，埘同时发起的定位请求进行 流控制。 3 ) 定位客户鉴权功能( l c a f ) 负责”1l c s 客户请求访附网络或请求某个 u e 的位置信息时对客户端进行身份验证。 4 ) 定位客户坐标转换功能( l c c t f y 为定位结果进行坐标交换。 5 ) 定位系统控制功能( l s c f ) 位于无线网络控制器r n c 中，管理各种定 位请求，并分配相应的网络资源用于实现定位过程。根据u e 分类标志 决定定位方法，并准备相关资源等以提供定位所需数据。当同时收到多 个定位请求时，l s c f 根据优先级对这些请求进行排队。优先级高的请 求将得以优先执行。并传送定位请求给p r c f ，传送定位结果给l c c f ， 传送与计费有关的数据给l s b f 。 6 ) ，定位系统计费功能( l s b f ) 用于对l c s 业务计费。 7 ) 定位系统操作功能( l s o f ) 负责提供l c s 客户数据、移动台数据以及 其他_ 1 j 于定位的相关数据( 例如基站位置举标) ，并对移动定位业务的 故障和性能进行管理。 8 ) 位置计算功能( p c f ) 根据信号测量结果和柏关数据( 如基站的位置坐 标) 应用算法估算移动台位置及其精度，并实现必要的坐标转换。其中 的精度估计包括定位精度几何因子( g d o p ) ，信号测量设备的性能， 信号传播的多径效应和同步误差的影响。 9 ) 定位用户鉴权功能( l s a f ) 用于验证是否为用户提供l c s 业务。 l o ) 定位用户隐私功能( l s p f ) 的功能是根据用户的保密性选择确定是否 对其进行定位。 1 1 ) 定位信号测量功能( p s m f ) 收集用于移动台定位的上下行无线信号测 量结果。在u t r a n 中可以有多个定位信号测量功能，分别位于移动台、 摹站节点或者分立的定位业务测量单元( l m u ) 。 总体看来，由l c s 客户功能发起的定位请求通过通信网络转发到移动接入 网中相应的定位系统控制功能实体。定位系统控制功能实体与其他功能实体和 无线设备配合实现对移动台的测量和位置计算，并将位置信息返回到l c s 客户 功能实体。 荤呋邮电大学硕 论文一第三章t d - s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定帝后震 3 2 3 基本定位过程 ( 1 ) 定位过程 核心网和接入网的功能 ”1c d m a 网络小l c s 客户向l c s 服务器请求m s 位置信息，l c s 服务器 将服务请求传递给c d m a 恢心网( c n ) 中l c s 功能实体。c n 网i - l c s 功能 实体将： 验证l c s 客户足行被授权请求m s 的位岢信息； 验证m s 是否支持l c s ； 根据用户隐私或其他原因，确定是否对m s 进行定位： 如果需要，根据弓m s 的连接。确定哪个服务r n c 接收定位请求f 通过i u 接口，请求接入网提供已被鉴权的m s 的位置信息； 接收接入网传来的位置信息，并将其传递给l c s 客户； 发送计费信息给计费功能实体； 在这个定位过程中，接入网中的功能实体将进行： 请求m s 或无线网络进行信号测量： 将测量值发送给接入网中的计算功能模块： 接收计算功能模块返回的计算结果； 通知与m s 有关的小区m s 当前的地理坐标； 如果需要，进行相应的坐标变换； 将结果发送给核心网中l c s 功能实体， ( 2 ) t d - s c d m a 定位的基本操作 利用t d s c d m a 网络对移动台进行定位，也包括三个过程【l 】；定位准备过 程；定位测量和计算过程：定位释放过程。定位准备程序主要检验移动用户的 隐私限制，并根据隐私限制及定位请求的q o s ，m s 及网络的能力等确定是否接 收定位请求，以及采用的定位方法。测量计算过程根据确定的定位方法启动网 络内( 包括m s ) 的资源进行信号特征值的测量，并根据测量值计算出移动台的 位置；如果不能进行信号特征值的测量，则对不能进行测量的各种特殊情况作 出相应的处理。定位计算完成后，根据需要，对坐标进行举标转换，最后将定 位结果按标准格式发送给定位请求者。定位释放过程将释放定位过程中所涉及 的网络资源。 t d s c d m a 网络的l c s 操作无论是从网络内部还是从c n 产牛的l c s 请 求，网络内与定位有关的模块问将会产牛以下操作： 请求在u e ，个或多个结点b 对电波的特征值进行测量； 将测量结果送到适当的定位计算模块： 2 1 重庆邮电人学硕 论文第三章t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定位力案 从定化计岸模块接收计算结果； 执fjr , i 焉的一p 锄、变换： 将定f i ，结果送回定忙请求存； 蚓3 3 为c n 内定皿请求广牛的婊本l c s 操f i 过p 。 图3 3t d - $ c 1 ) t , l h 网络一般l c s 操作过程 3 3t d o a 测量估计与定位算法 t d o a 根据实现原理可以分成两个最基本的步骤：首先利用时间延迟估计 技术，在不同的基站接收机之间对到达时间差进行精确估计，估计出的参数可 以通过距离与时间的关系构造一组非线性双曲线方程；然后，利用合理、高效 的算法对该双曲线方程组求解，计算出精确的移动台位置参数。 3 3 1t d o a 值测量估计 ( i ) t d o a 值估计算法 到达时间差的估计方法一般有两种：一种是求两个基站的信号到达时间 t o a 之差值来获得t d o a ；另一种方法可以采用互相关技术，将一个基站接收 机收到的信号与另一个基站接收机收到的信号进行相关处理而得到t d o a 值。 第一种计算绝对到达时间差的方法的优点在于当两个基站由于多径引起的误差 凶有相同的反射体而具有相关性时，能够提高估计精度。但是该方法需要一个 较精密的标准时钟源来作为时间基准，以确保绝对到达时间估计的准确性。这 也要求基站和移动用户之间有精确的同步时钟。而采用相笑技术的到达时间差 估计，就可以避免这种对系统较为苛刻的要求，从而使设备结构变得相对简单 而且易于实现。在实际应用中，由于移动台通常缺乏参考时钟，冈此，采用互 相关技术来估计t d o a 值是适宜的。接卜来，就者重介绍互相天估计的方法的 数学模型1 2 l 】。 重庆邮电大中硕 论文第三节t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定伊方棠 假发移幼台发送信号m r ) ，经过信道1 输后由卜受噪声和干扰，在曲个坫 接收到u 0 信弓分刺为q i f ) 相y ! ( f ) ，则、i ( r ) 、v ! i f ) 分别为 i ( r ) = a 1 5 ( d d i ) + h 1 l f ) 曼( f j24 5 ( d 一以) + n 二( f ) ( 3 1 ) 式巾，4 和4 为信号幅度，n i ( f ) 和”! ( f ) 曲项足信! 弓3 “) 在各白信道一i - 受到 的噪声和来自其他j j 户的干扰，。而和吐分别是3 ( f ) 到达睡个基站接收机时的信 号的传播时间。假设3 ( f ) 。，l l ( f ) 和n z ( t ) 为零均值实平稳随机过程，gs ( t ) 与 嘎( f ) 和( f ) 相互独立，瓦不相关现假设一 l n ，利川最 小一朵法可获得x 的最优估汁。最小_ 乘法的解析过程是： 定义f l x l 组贱左同量如下 r = a x y o 3 2 1 最小一j 乘法费求x 的值使得残差向藿r 的平力和最小，即： 厂( ) 2 ( a x l ，) 22 ( a x l ，) 1 ( 似一l ，) ( 3 3 3 1 按照求解极值的方法，对上面的t 方程求导并令其为0 ，得： d f ( x ) d x ；2 a 1 a x 一2 a 7 y = 0 ( 3 3 钔 如果a 1 a 是非奇异的，解x 得： x = ( a 7 r ( 3 3 5 ) 这就是最小二乘法的解，其中( 彳) 是辅助因子如果n ：m 且a 是非奇 异的，最小= 乘法的解归结为下列唯一解： x = a “y ( 3 3 6 ) 在交际应用巾，可以采 j 加权最小二乘法( w l s ) ，即根据每个测量值的精 度( 可靠性) ，在最小二乘i l i 采用不同的权值，以提高定位精度。残差加权定位 平方和函数为： 八x ) = w 2 ( 肛一r ) 2 ( 3 3 7 ) 其中w 为加权矩阵，合理选择w 可以有效提高定位精度。理论己证明， 当w 取测量误差方差矩阵的逆阵时可使估计误差的方差最小 使用最小二乘法是有一定的约束条件的。在实际系统中，残差向量 ，= a x y 对应的是误差向量，包括信道噪声、设备误差等。在对这些误差进 行计算时，并没有考虑噪声之间的关系，所以，当定位计算中运h 】最小二乘法 时，需要的前提条件是：需要求解的信息数日要比探测器给定的信息数要少： 探测器之问要求是线性独立的；信道噪声是平稳并且各态历经，可以是复数形 式的高斯随机过程，均值为0 ，方差为；最后，噪声采样的样本也要求是统 计独立的。 ( 2 ) 泰勒级数展开法 2 4 1 对f 一组t d o a 测量值，算法首先将式 r - = c a , - = 置一墨= ( 置一工) 2 + ( 】：一y ) 2 一( 五一并) 2 + ( x y ) 2 ( 3 3 8 ) 自鳓重从邮电人中硕i 一论文第三审t d s c d m a 系统中t d o a 和a g p s 定伊力窠 黝 黝 选定的移曲台仞始位置r ，儿，) 上进行锄级数展开，略去一阶及高阶分鼍 式( 33 8 ) 可变为： p 2 啊一g , 8 f 3 3 9 ) 其一i i ， g = h = 吒1 一( 吒一) 吩，一( 一) 占= 斟 瓴一) ，一( 而一z o ) r 2 “一) 一( 乓一x o ) l r ， ( 一x o ) l r l 一( 一x o ) l r m 0 1 一y o ) l r l 一( j 呸一y o ) r , 一y o ) r , 一( 乃一y o ) r , “一y o ) r i o k y o ) r , 其中，( f 。l ，2 ，m ) 为初始位置( ，) 与各基站之问的距离。我们可以 得到( 3 3 9 ) 式的加权最小二乘( w l s ) 解为。 占。 多 2 ( 钟q - 1 g l 一口q - “ ( ，4 0 ) 上式中上标t 表示矩阵转置，q 为t d o a 测量值的协力差矩阵，在下一次 递归中令 而2 x o + a x ，y 0 2 y o + a y ( 3 4 1 1 重复以上过程，直到缸，缈收敛得足够小( 满足一设定门限，比如) j 血l 十i 缈i f ，占为一任意小的正数) 此时的( x o ，) 及为移动台的位置估计 t 。，) ，) ，泰勒级数展开法能得到准确的计算结果，但需要一与实际位置接近的初 始估计位置以保证算法的收敛，对于不收敛的情况不能事先判断。除此之外， 泰勒级数展开法还需有关t d o a 测量值的先验信息以保证q 矩阵。 综上所述，t d o a 位置估计泰勒级数展开法分为如下四个步骤： 1 ) 建立基站坐标系统，设定收敛门限，选择一初始的移动台位置，并确定 q 矩阵； 2 ) 根据各t d o a 、移动台初始位置和皋站牮标计算( 3 3 9 ) 式中的各矩阵5 3 )