（通信与信息系统专业论文）cdma无线定位系统的多径抑制技术研究.pdf

重庆邮电学院颁l 论文 摘要 无线定位技术是近几年来研究和应用的热点之一，其中基于时间的定位技 术由于相对较高的精度引起了广泛的关注。但是基于网络的无线定位中传播环 境复杂多变，多径现象普遍存在，并成为制约无线定位系统的精度的关键因素 和主要难题。本课题针对基于网络的无线定位系统，采用多径误差削弱技术抑 制多径造成的影响，达到提高定位精度的目的。 根据无线定位的两个关键阶段和多径的特性分析，分别采用基于相关检测 的多径误差抑制方法和基于数据后处理的n l o s 误差抑制方法。在时间检测阶 段，采用改进的相关技术进行多径误差的削弱。c d m a 扩频系统中，传播时延 测量一般采用接收信号和参考信号相关的方法获得，多径传播使相关函数出现 多个峰值或主峰的展宽，导致时延测量精度的下降。采用窄相关器、选通相关 器以及边缘检测技术，可以达到更好的抑制多径干扰的作用。仿真和实测分析 验证了算法的有效性。基于数据后处理的n l o s 误差削弱技术主要是针对非视 距传播( n l o s ) 进行的抑制技术。由于移动通信网络覆盖区一般是城市和近 郊，手机与几个基站之间均实现l o s 传播非常困难，而n l o s 传播对定位精度 的影响很大，是亟待解决的关键性问题之一。文中采用统计方法，利用先验统 计知识，根据l o s 和n l o s 的测量值的不同标准差对n l o s 测量值进行识别 纠j 下。进行n l o s 识别后，利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的n l o s 测量值进行平滑和重构，使其接近l o s 的测量值。最后对n l o s 误差削弱方法 进行仿真和实测验证分析。 关键词：多径，t o a ，窄相关，选通相关，边缘检测 重庆邮电学院硕士论文 a b s t r a c t w i r e l e s si o c a t i o nt e c h n i q u e sh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t sa n dt h e t i m e - b a s e dl o c a t i o nt e c h n i q u eb e c o m e so n eo ft h eh o tt o p i c sb e c a u s eo fi t sr e l a t i v e h i g hp r e c i s i o n h o w e v e r , t h ee n v i r o n m e n to fr a d i ot r a n s m i s s i o ni sc o m p l e xa n d c h a n g e f u l t h eu b i q u i t o u sm u l t i p a t hp r o p a g a t i o na f f e c t st h ea c c u r a c yo fl o c a t i o n ， a n dh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n ta n dr e f i n e m e n to fl o c a t i o n t e c h n o l o g y t h e r e f o r e 。t h et h e s i sf o c u s e so nt h ep r o b l e mo f m i t i g a t i o no f m u l t i p a t h e r r o r ，a n dt r i e st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h et i m ee s t i m a t i o na n dt h er o b u s to f a l g o r i t h m f i r s t l y , t h et w op h a s e so fr a d i ol o c a t i o na r ei n t r o d u c e da n dt h em u l t i p a t h c h a r a c t e ri sa n a l y z e d ，s ot h em u l t i p a t hm i t i g a t i o nb a s e do nt h ec o r r e l a t i o ns e a r c h a n dt h en l o se r r o rm i t i g a t i o nb a s e do nt h ea f t e r - d a t ap r o c e s s i n ga r e p r o v i d e d s e c o n l y , i nt h ep h a s eo ft i m ee s t i m a t i o n ，t h ei m p r o v e dc o r r e l a t i o nt e c h n i q u e sa r e a n a l y z e d i nd e t a i l t h et r a n s m i s s i o n t i m e d e l a yo f t e na c q u i r e d f r o mt h e c o n v e n t i o n a ld i r e c tc o r r e l a t i o no ft h er e c e i v e ds i g n a la n dt h er e f e r e n c es i g n a li nt h e c d m as y s t e m ，a n dt h e m u l t i p a t hp r o p a g a t i o nm a d et h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n d i s t o r t e da n dt h ea c c u r a c yo ft i m ed a l a yd r o pd o w nb a d l y t h en a r r o wc o r r e l a t i o n ， s t r o b ec o r r e l a t i o na n dt h e l e a d i n g - e d g ed e t e c t i o na r ep r o p o s e dt or e d u c et h e m u l t i p a t he r r o r , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h er e a lt r i a l sd e m o n s t r a t e dt h ep r o p s e d t e c h n i q u e sp e r f o r mb e t t e rt h a nt h ed i r e c tc o r r e l a t i o n f i n a l l y , t h en l o se r r o r m i t i g a t i o nt e c h n i q u eb a s e do na f t e r d a t ap r o c e s s i n gi sa n a l y z e d a st h ec o v e r a g e a r e ao f m o b i l en e t w o r ku s u a l l yc e n t r a l i z ei nt h eu r b a na n ds u b u r b a n ，i ti sr a r ef o rt h e l o sp r o p o g a t i o nb e t w e e na l lt h eb s sa n dt h em o b i l e a sar e s u l t ，n l o s p r o p a g a t i o nw i l li n t r o d u c ee r r o ri n t ot i m ee s t i m a t i o na n dt u r n si n t o am a i ne r r o r r e s o u r c ea n dn e e d st ob ep a ym o r ea t t e n t i o n t h es t a t i s t i c a lm e t h o di su s e dt o i d e n t i f yt h en l o sm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ep r i o ri n f o r m a t i o na n dt h ed i f f e r e n c e s t d e v a t i o nb e t w e e nt h el o sa n dn l o sr a n g i n g a n dt h e n ，i ti sp o s s i b l et oc o r r e c t t h en l o sr a n g i n ge r r o rb ye x p o i t i n g a p r i o r ik n o w l e d g eo ft h e s t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i o ne x a m p l e sa r ep r e s e n t e da n dt h e p e r f o r m a n c e i s c o m p a r e d k e yw o r d s ：m u l t i p a t h ，t o a ，n a r r o wc o r r e l a t i o n ，s t r o b ec o r r e l a t i o n ，l e a d i n g e d g ed e t e c t i o n 【i 重庆邮电学院硕士论文 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，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得重麽自g 电堂医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。 弋七7 学位论文作者签名：热稷 签字目期：刎年箩月上芎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭鱼g 皇堂医有关保留、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。本人授权重废邮虫堂瞳 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：县强导师签名：孑爱f 盏、黜 签字日期：加妒年j 月巧日签字日期：声c 辑7 月彳自 莺庆邮电学院硕士论文 第l 章绪论 1 1 背景介绍 移动通信的发展可以追溯到半个世纪以翦，但直到二十世纪8 0 年代中期， 随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，陆地蜂窝移动通信才进入了快 速发震阶段。第二代移动通信系统的应用推动了蜂窝移动通信进入发展高峰输 段，第三代蜂窝移动通信系统也即将投入商用。我国自1 9 8 7 年开通模拟蜂窝移 动通信系统以来，一直保持迅猛发展，刭目前为止已经成为全球最大的移动电 话市场。 随着移动通信技术的发展，对移动台的定位需求也越来越受到人们的普遍 重视。为快速准确地解决社会治安、紧急救援等突发事件，1 9 9 6 年美国联邦通 信委员会( f c c ，f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 颁布了e 一9 1l 法规【i i 要求 2 0 0 1 年l o 月lr 起移动通信网络必须能对发出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概率应不低于6 7 。1 9 9 9 年f c c 对定位精度提出掰的要求：对基于网络定位要求提供精度为l o o m 内的定位的 概率应不低于6 7 ，精度为3 0 0 m 内的定位概率应不低于9 5 ：对基于移动台 的定位为精度5 0 m 内的穰率应不低于6 7 ，精度1 5 0 m 以内的定位的概率应不 低于9 5 。欧洲和日本也作了相应的要求，提供e 一9 l l 定位服务将是今后蜂窝 网络必备的基本功能。由于政府的强制往要求和市场本身的驱动，各国公司就 g s m 、i s 9 5 和3 g 等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成果，许多厂 商已经开发出了许多定位设备，提供精度越来越高的定位业务。此外，除了满 足政府和紧急救援的要求外，无线定位业务本身可以带来众多的附掘业务，引 起众多厂商和技术界人士的关注 2 1 一3 1 。 无线定位技术的应用兹景非常广阔，其带来的基于位置售息的附加业务 | 王 极具市场潜力。国际上著名的市场咨询机构o v u m 公司在其2 0 0 0 年公布的移 动定位业务市场策略0 4 1 研究和分析报告中列举了以下数字： 近几年内，定位业务带来的总产值将迅速增长，预计到2 0 0 6 年，全球 基于定位业务带来的总产值将达到2 0 亿美元 亚洲市场将于2 0 0 3 年启动，并将占全球业务份额的2 3 到2 0 0 6 年，中国市场将产生12 亿美元的收入 重庆邮电学院硕士论文 产值预测直方图如图l l 所示。定位可以应用于安全服务、商业服务、网 络管理及与位置有关的信息服务 1 5 l f 1 6 j 。根据不同的位置业务对定位精度的需 求，业务可以划分为以下几类： 图1 1无线定位业务的预测 定位精度需求较高的业务：导航、紧急报警业务、贵重资产跟踪业务、 个人及宠物跟踪、车辆跟踪及反盗窃、劳动力管理、基于位置的计费 定位精度需求较低的业务：移动黄页、网络优化和设计、无线网络资 源的管理、城市观光、信息服务、智能交通系统 基于以上的背景，本课题选择无线定位作为研究的主要方向。 1 。2 无线定位系统概述 定位系统的实施方案分为基于网络、基于手持机、以及两者的混合三种不 同的方案。基于手持机的定位系统又称移动台自主定位系统，是在移动 台利用接收到的信号进行位置估算来进行定位，以g p s ，g l o n a s s 等为代表。 而另一类基于网络的无线定位系统、f 2 7 】是在网络端测试移动台发送的信号并 进行相应的位置估算，可以利用现有的移动通信网络。基于以上两种基本的定 位方案，还可以对两种方案综合实施f 2 8 1 ，例如网络辅助的定位，终端辅助的定 位，g p s 辅助定位等等。在基于手持机的定位方案中采用的定位技术有e o t d ( e n h a n c e d0 b s e r v e dt i m ed i f i e r e n c e ) ，a g p s ( a s s i s t a n tg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m l 重庆邮电学院硕士论文 及其混合定位技术：基于网络端的定位方案中采用的定位技术有f i n g e r p r i n t ， t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) ，t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 和a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) 、r s s ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ) 及其混合的定位技术：混合的定位系 统实施方案中采用的定位技术是e f l t ( e n h a n c e df o r w a r dl i n kt r i a n g u l a t i o n ) 。 g p s 定位是利用定位卫星发射的信号计算出移动台的位置。g p s 包括普通 定位服务和高精度的定位服务，分别为普通用户提供精度为1 0 0 米的服务和为 军方提供2 1 0 米精度的定位服务。此外，差分g p s 在1 0 0 0 千米范围内有固 定g p s 参考接收机的条件下为用户提供2 1 0 米的高精度定位服务。应用g p s 定位必须在移动台上加装g p s 芯片和接收机，并且在移动台上计算出移动台的 位置，再将定位的结果通过空中接口传至基站。因此，以g p s 定位有以下几个 缺点 2 9 1 ：第一，必须在移动台中加装g p s 芯片，使手持设备复杂化；第2 - ，因 为需要在移动台执行运算，移动台功耗较大；第三，执行g p s 定位必须同时能 够接受到四个以上的卫星的信号方可成功，在室内和都市区都比较不容易实现； 第四，g p s 定位准备时间较长。 基于现有通信网络的定位系统1 2 0 1 【2 7 】【3 0 1 利用现有的蜂窝移动通信设备，不 需要额外增加基站端的系统设备，也不需在移动台中增加额外设备，只需通过 软件或者固件的升级，即可增加定位功能。此外，定位的运算可以在基站端进 行，故不需要消耗移动台的电力。因而基于移动通信网络的定位系统方案将是 短期内为广大移动终端用户提供无线定位服务的最佳选择。 理想的蜂窝e 9 11 系统应具备这样的特征： 满足f c c 的精度和可靠性需要 覆盖范围为现有的蜂窝系统 与现存的基站无痕结合 定位接收器设备价格较低 可扩展，可升级，可靠 与现有的e 9 1 1 系统网络相连 基于网络的定位系统目前的主要缺点在于信号传播环境多变，以至于定位 误差过大。这也正是本文研究的主要课题。 重庆邮电学院硕士论文 1 3 国内外研究现状 自e 一9 1l 颁布以来，无线定位技术在国内外受到高度重视和深入研究，近 年柬在 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与开发的公司。 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 ，q u a l c o m m ，s a m s u n g 等均 积极开展对基于g s m ，i s 一9 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。近几年来定位业务发展非常快，已 经在北美、欧洲、日本和韩国的等国家和地区广泛开展，并获得了良好的收益。 在中国，也涌现出了不少研究与开发定位技术的公司，如c e l l o c a t e ，t r u e p o s i t i o n ， 重庆c e l l 。l o c 无线定位有限公司等。 目前研究的内容涉及了无线定位技术的方方面面，包括基本定位方法和技 术的研究，定位算法的研究，t d o a ，t 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，数据融合技术的研究，定位技术实施方法的研究， 定位系统性能评估等。在各种期刊、会议和其他文献中，对无线定位技术研究 最具有代表性的为j a m e sj c a f f e r y ，瓜 3 】 2 4 h 2 6 】 3 h 3 6 1 在其定位技术专著“w i r c i e s s l o c a t i o n i n c d m a c e l l u l a r r a d i o n e t w o r k s ”及发表的论文主要开展了对c d m a 网络采用d l l 的t 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n l o s 环境下高精度定位算法的研究。 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 i c s s o n ， q u a l c o m m ，s a m s u n g 等跨国大公司则侧重于对g s m ，i s 一9 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，提出并制定了相应的定位实施方案。无线网络 定位信息服务在我国还处于起步阶段，预计在未来的两到三年里，无线网络的 定位技术将成为位置信息服务的主要组成部分，迸一步推动位置服务的发展， 由此对人们的生活会产生深远的影响。 1 。4 本文研究的方向和主要研究内容 基于移动通信网络的移动台定位技术是一项复杂的技术，该技术涉及的内 容多，范围广。从定位系统的性能和应用角度，由于受多径、多址干扰以及n l o s 传播的影响，使各种信号特征测量值总是存在一定偏差，从而使各种适用于特 重庆邮电学院硕士论文 征测量值误差服从零均值高斯分布的定位算法，如最小二乘算法的性能显著下 降使对移动台的位置估计精度出现较大偏差。为了取得尽可能高的定位精度， 以满足f c c 的定位精度要求，及其他与移动台位置有关的附加服务的需要，需 要挑选出最适合的定位技术，以及性能最优的定位算法。如何对多径误差进行 抑制是提高定位精度，以及在恶劣的传播环境下达到有效定位的关键，也是本 文主要关注的问题。 基于上述分析及自身的研究环境和条件，本论文以在c d m a 移动通信网络 中如何利用网络自身的资源对m s 进行定位估计，抑制多径的影响，取得尽可 能高的定位精度作为研究的关键问题，以基于时间的定位技术为中心，对定位 系统的精度提高、抑制多径和非视距传播的影响等迸行了较详细的研究与探讨。 本文共由七个部分组成。第一章是绪论；第二章是对c d m a 无线定位系统 的介绍，包括无线定位原理、基本的定位技术、时间检测估计的方法和定位解 算算法：第三章介绍了定位系统的性能评价准则，以及导致定位误差的原因， 并就目前的一些误差抑制方案进行探讨：第四章从理论上就多径传播对定位造 成的影响进行了分析和研讨；第五章研讨了在c d m a 无线定位系统的时间检测 估计过程中，对多径误差的削弱方法，提出了用窄带相关、选通相关以及边缘 检测进行多径抑制的思想，对算法进行了仿真分析和比较：第六章分析了n l o s 误差对定位的影响，提出了n l o s 的识别及误差削弱算法，并给出了仿真分析。 本文对基于移动通信网络的定位技术和实施方案进行了探讨，主要针对影响定 位精度的多径误差进行了分析，并提出了解决方法。但是，在定位的具体实施 上目前还存在很多问题，例如本文中提到的各种定位系统方案的具体实施细节； 不同定位技术的改进和提高；定位误差的解决和可靠性的提高等问题，都是值 得研究的课题，未来几年对这一问题的研究和讨论将越来越引起关注，定位将 成为技术热点和最具潜力的服务之一。 重庆邮电学院硕士论文 第2 章c d m a 无线定位系统 2 1 基本定位技术 对移动台的定位可以分为两个主要阶段，首先，对信号的某种特征测量值 的检测，信号的特征值可以是时间、场强或者角度等；然后采用一定的位置估 计算法来确定位置。常见的无线定位技术有场强定位法r s s ，基于信号到达时 间或者信号到达时间差的定位技术，基于信号入射角，混合定位法等。定位技 术的基本分类【2 4 】【2 6 】 3 7 1 见图2 1 。 1 r s s 图2 1 定位技术 信号到达的强度定位法r s se 2 4 l 【2 6 1 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可以估算出收发信机之间的距离，通过求 解收发信机之间的距离方程组，即能确定目标移动台位置。 对于基于信号场强的定位，主要的误差源是多径衰落和阴影效应，造成信 号的接收功率变小，因而计算出的距离估计过大，造成最终定位估计的偏差较 大，因而必须对上述多径衰落和阴影效应进行补偿修正，才可能满足f c c 定位 精度的要求。此外，在c d m a 系统中对移动台采用功率控制来削弱远近效应的 影响，t d m a 系统同样电采用了功率控制技术来提高移动台电池的使用时t b j 。 所以采用场强定位还需要已知移动台的发射功率。 2 t o a t d o a 系庆邮电学院硕士论芷 到达时间或者到达时间差的定位方法又称为基于时间的方法洲1 0 1 1 2 4 1 f 2 6 - 【3 8 】1 3 9 】，它们通过测出电波从发射机传播到多个接收机的t o a 或t d o a 来确定 目标移动台的位置。对于t o a 方法，收发信机之间的距离可通过测出的电波 传播时间获得，利用相位测量、脉冲测量或扩频测距技术等技术进行多个t o a 测量，利用三个以上t o a 测量值，根据有关定位算法就能计算出目标移动台 的估计位置。对于t d o a 方法，可通过直接计算t o a 差值或g c c 技术等方法 得到t d o a 测量值，t d o a 测量值对应的是以两个接收机为焦点的一对双曲线， 多个t d o a 测量值对应的多条双曲线的交点即为目标移动台的估计位覆。图 2 2 给出了基于时间定位的示意图。利用t o a 定位可适用于各个距离的定位， 不像a o a 那样，其定位精度会随着移动台与基站之间的距离增加而降低；但 由于无线信号的传播速度非常快，所以t o a 定位对于时间的敏感度相当高， 必须十分精确的测得信号传播的时间，即使是1 微秒的时间误差，也会造成3 0 0 米的距离误差。提高信号传播的时间测量精度是本文致力的关键问题。 图2 - 2 基于时间或时间差的定位技术 3 a o a 基于电波入射角的定位方法a o a 2 4 1 1 4 0 1 1 4 1 1 是利用具有方向性的天线或者天 线阵列测出移动台发射电波的来源方向，如图2 3 所示。一个a o a 可以确定 一冬以基站为起点的射线，两个以上的a o a 确定一个交点，即为移动台的估 计位置。a o a 也可称为d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) ，此技术已广泛应用于测 量、雷达追踪和车辆导航系统。a o a 的方法的主要误差来源包括系统本身角 度解析度造成的误差和无线传播环境造成的误差，其中，分布在移动台和基站 附近的散射体均会对测量造成影响。同时，如果没有视距信号，天线阵列会锁 定一个并非来自予m s 方向的反射信号，此外，多径也会干扰角度的测量，使 重庆邮电学院硕上论文 得基站接收到的信号像是从反射物的方向传过来，造成基站误判和混淆。在有 多径影响，存在l o s 信号的情况下，可得到的a o a 估计的精度在5 。左右，在 宏小区或者比较大的小区，会带来相当大的误差。 a o a 技术应用于公共蜂窝网实现上的难点在于：要想检测出射频信号( r f ) 的来波方向，基站必须配备有方向性强的检测天线阵列，这样就需对现有的基 站天线进行改造，加装方向性天线或者阵列天线。在实际应用中将a o a 与t d o a 结合起来使用可达到更高的定位精度。 4 p r 图2 3 基于角度的定位技术 模式识别p r 也称为指印识别，是关于测量的描述和分类的科学，通过对 每个观察目标的特征的测量、标记，来达到对目标识别的目的，也可以称为基 于数据库的定位系统。系统的主要部分为一个预先构建的数据库，包含接收信 号的特征和实际的物理位置的映射信息。一个基站以上测量接受信号特征，可 以是信号特征的集合，例如传播时延、信号相位、信号幅度、信号到达方向或 者信号的多径特征( 多径指印m u l t i p a t hf i n g e r p r i n t ) 。采用接收信号的指印和 预先建立的定位手旨印数据库进行匹配，一旦信号的一系列测量特征得到，系统 即可采用模式匹配技术在数据库中搜索固定的映射关系，从而确定目标的位置。 这种方法需要不断地更新数据库，以适应季节的变化，天气条件和城市建筑等 等环境改变，维护量很大。 重庆邮电学院硕士论文 图2 - 4 多径指印定位 5 a g p s 移动台辅助g p s 定位1 7 1 1 2 4 h 2 6 1 是将传统g p s 接收机的大部分功能转移到网 络处理器上实现，网络向移动台发送短的辅助信息以帮助移动台缩短捕获时间， 移动台负责接收g p s 信号测量伪距并传送给网络，网络再根据这些数据计算以 产生移动台的位置。 基于g p s 的定位技术，其优点是定位精度高，单点定位可达3 5 0 米的定 位精度，若在较大的范围内( 一般2 0 5 0 k m 的半径) 放置g p s 参考站并服务 于这个区域，提供差分g p s 数据，则可进一步提高定位精度到1 0 米以内。因 此可提供对定位精度要求较高的业务，如利用电子地图准确显示用户位置等。 其缺点是需要改动网络和移动台，在网络中需建立g p s 参考站提供辅助信息， 在移动台则需加装g p s 天线和集成g p s 芯片并升级软件，由此增加了移动台 功耗和体积，成本也较昂贵。另外，定位精度受终端所处环境的影响较大，如 用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的g p s 卫星数量较少，定位精度 降低，甚至无法完成定位。 图2 - 5a g p s 定位 重庆邮电学院顾论文 6 e o t d e o t d 应用于g s m 蜂窝网中，其实现原理与t d o a 类似，不同之处在于 由移动台监听服务小区基站和周围几个基站发出的信号，检测估计信号到达的 观测时问差o t d ，并以此确定用户相对于基站的位置。o t d 定位精度为5 0 2 0 0 米，不需改变移动台硬件，但需要软件升级。对于是非同步系统，必需在 网络侧增加定位测量单元( l m u ，l o c a t i o nm e a s l l r e m e mu n i t ) 以测量定位基站 之间的相对时间差。 7 。e f l - t 图2 - 6e - o t d 定位 e f l t ( e n h a n c e df o r w a r dl i n kt r i a n g u l a t i o n ) i ”j 是c d m a 系统中基于前向 链路的定位方法，在移动台完成信号特征值的测量，同时监听多个基站( 至少三 个基站) 的导频信息，利用测量码片时延来确定手机到附近基站的距离，最后用 三角定位法算出用户的位置。e f l t 定位精度也可达5 0 2 0 0 米，在移动台例 仅需软件升级，网络侧需增加新的实体，包括p d e ( p o s i t i o nd e t e r m i n i n ge n t i t y ) 和m p c ( m o b i l ep o s i t i o n i n gc e n t e r ) ，定位算法可在移动台上或者网络侧实现。 图2 7e f l f 定位 重庆邮屯学院硕士论文 8 c e l d 当移动台处于移动网络中时，利用移动系统h l r 或v l r 中关于移动台所 属小区的小区识别号( c e l li d ) ，可得知移动台位于该小区的服务范围内。只要 系统能够把该小区基站设置的中心位置和小区的覆盖半径发送给移动台，移动 台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。 c e l li d 定位【2 4 】是最简单的定位方法，不需改动网络和移动台，易于实现， 有很好的覆盖性和可靠性，且响应速度快，整个定位过程只需1 秒钟左右。缺 点是定位精度不高，且依赖于基站覆盖区域的大小，在基站分布较少的地区如 郊区和农村很难获得理想的定位精度。 图2 - 8 c e l l - i d 定位 除了上述的定位方法外，还可利用两种或多种不同类型的信号特征测量值， 如t o a j a o a 、t d o a a o a 、t d o a j t o a 进行定位估计。 通过上述定位方法的分析比较可见，对于基于网络的定位技术而言，场强 定位法最简单，且蜂窝网络中小区切换、功率控制等操作都与场强测量有关， 但定位精度较差：a o a 定位法虽有一定精度，但需要在接收端增加阵列天线， 且到达接收天线阵列单元的电波必须有直射分量( l o s ) 存在，系统设备复杂， 在传播环境差或都市环境下其精度较差：t o a 定位法精度很高，在g p s 系统 中已经得到采用，但对移动台和网络的时间同步有较高要求；t d o a 定位法可 以消除对移动台时阳j 基准的依赖性，因而可以降低成本并仍然保证较高的定位 精度；不同的混合定位法具有不同的特点及不同的软硬件要求，达到不同的定 重庆邮电学院l 积士论文 位精度。表2 1 给出了定位技术的比较。 表2 一l 定位技术比较 对网络的影响 对基站的影响 对手持机的影响 t d o a 在网络端进行定位的需要进行时间无，现有的手持机可以继续采 估算和控制：需要网络检测用 的互联以实现定位数 据的传送 基于 a o a 在网络端进行定位的需要进行角度无，现有的手持机可以继续采 网络 估算和控制；需耍网络检测，需要有附用 的定 的互联以实现定位数加的天线阵列 位据的传送 多径指在网络端进行定位的需要对信号的无。现有的手持机可以继续采 印估算和控制；需要网络特征进行测量用 的互联以实现定位数 据的传送 混合 e f l t 在网络端进行定位的需要基站之间无 定位估算和控制准确同步 a g p s 需要有g p s 辅助，并对非同步系统需要增加g p s 天线，g p s 射 。： 进行定位估算 而言，可能需要频前端和处理、内存、软忭， 三二 增强 现有的手持机不能继续使用 二二 e - o t d在网络端进行定位的时间同步的增需要改变内存、软件，现有的 。”l “a 估算和控制 强或者基站时手持机不能采用。现存的手持r 一 间误差的测量机中的d s p 、r f 和天线不需 和校准改变 对于不同的定位需求和其他方面的因素综合考虑，可以采用不同的定位技 术以满足需要。在现有移动通信网络中采用t d o a 较为简单有效，对现有系统 改动最小，是目前理想的一种可实施的定位技术方案。 2 2 c d m a 无线定位系统原理 2 2 1 c o m a 无线定位原理 c d m a 无线定位系统【4 3 】 4 4 j 利用现有的c d m ai s 9 5 移动通信网络系统设备 测量某些信号特征参数，以这些参数计算出移动台的位黄。 本文基于t o a 的c d m a 手持机定位系统，在三个或者三个以上基站检测移动 台的t o a ，基站之刮由g p s 提供精确的时间同步。在中央处理站将t o a 差分得 到t d o a 估计，然后根据双茴线定位得到移动台的二维位置估计。定位系统可以 在任何天气和传播环境下都可以使用，但是其定位的性能依赖于无线传播环境 和接收到的信号的信噪比。 藿庆邮电学院硕士论文 定位的实施需要两个阶段，首先是在基站端对移动台的时间检测( t o a ) 的估计，然后在中央处理站进行位置的解算。c d m ai s 9 5 系统中，移动台的 t o t ( t i m eo f t r a n s m i s s i o n ) 信息不能得到，但是通过t o a 差分可以消除未知 的t o t ，得到t d o a 信息，即可采用双曲线定位确定移动台的位置。 2 2 2 使用信道分析 c d m ai s 9 5 标准4 3 】【删中，前向链路信道和反向链路信道使用不同的调制 和多址接入技术，其中，前向链路信道包括导频信道、同步信道、寻呼信道、 前向接入信道及前向业务信道，反向链路信道包含反向接入信道和反向业务信 道。 为不改动移动台，实施基于网络的定位，需要采用c d m a 的反向链路信道。 i s 一9 5c d m a 的反向链路信道中反向业务信道只在通话进行中处于激活状态， 因而其用于定位的能力受限，而反向接入信道在移动台初始化与基站的通信或 者对寻呼信道( p a g i n gc h a n n e l ) 的消息做出回答时都处于激活状态，同时， i s 一9 5 a 支持移动台电源开和关、基于时间、基于地区、基于距离的自动注册， 适用于定位和跟踪。因此，无线定位可以使用反向接入信道。由于每一个小区 只有一个反向接入信道，所有在此小区的移动台共享此信道。因此定位系统必 须搜索所有的信号并确定所要定位的移动台发来的信号。采用移动台的识别码 可以完成信号的搜索和选定。 反向链路定位的方法的优势在于移动台除了发送一个信号外，不需参与其 他的定位过程。i s 9 5 信号的相对较宽的带宽( 1 2 5 m h z ) 产生一个窄的相关峰， 可以获取准确的位置估计。反向链路定位的缺点在于多个基站检测信号的能力 受到系统功率控制的影响。这个“可测性”问题可以通过在i s 9 5 标准中添加了 一个“功率提高”的功能来解决，可以是移动台发送一个高功率的突发信号， 以使多个基站可以检测到移动台的信号。 2 3 。直接相关时间检测 在基于i s 9 5 标准的c d m a 扩频系统网络中，三个以上基站对同一移动台 发出的反向接入信道信号的t o a 进行估计，由扩频码的特性，需要在基站端 重构一个本地信号，与接收的信号进行相关，通过搜索最大的相关峰值获得对 到达时问的估计 2 4 】 4 5 1 4 7 1 。在本小节对时间检测估计算法做一简要介绍。 1 1 重庆邮电学院硕士论文 p n 码的码片速率越高，扩频信号的带宽越宽，其特性与白噪声越相似。 扩频码的这种类似白噪声的特性与伪随机( p n ) 码的自相关特性有些类似。对 于一个长度为n 的p n 码，其自相关函数如图2 - 9 所示。其中，t c 为码片长度， p n 码的自相关函数的三角峰的宽度为2 倍t 。码片速率越高，信号的带宽越 大，t o a 估计对多径的抗干扰能力越强。 图2 - 9p n 码的自相关函数 2 3 1 接收信号的数学模型 经过中频滤波和a d 变换后，接收基带信号的数学模型可以表示为 y ( 胛) = a o e 。靠p 7 2 面1 ”x ( n r o ) + v ( 疗) 其中a 。为幅度损失因子，丸为相位漂移， 为频率偏移( 包括一阶多普勒频 偏、移动台频偏、基站频偏等) ，l 为采样间隔，”为时标，r 。为时延，x ( 一) 为 移动台传输的信号，v ( n ) 为高斯白噪声干扰。 影响时间估计的主要参数是时延r 。和频移f o ，因而可以采用二维相关搜索 ( 频域搜索和时域搜索) 进行t o a 和f o a ( f r e q u e n c y & a r r i v e ) 估计。二维相 关信号表示为： n i z 0 ，i ) - - y 0 + f b4 ( n ) e x p j 2 n f n t ，) 2 - 2 n = o 2 3 2 群联合相关检测 随着观测时间( 加= t ) 增加，直接相关的复杂程度将被大大的提 高，这样不利于实时地获得定位结果。采用群联合相关检测技术可以在保持检 测精度的同时加快运算速度，其算法说明如下： 重庆邮电学院硕上论文 n 一】 z ( f ，厂) = y ( n + r ) x ( 厅) e x p ( 一j 2 z f n t ，) 月。0 no = y ( n + r ) x ( 月) e x p ( 一j 2 ；, r f n t ，) n = 0 2 n + y ( n + r ) x + ( 月) e x p ( - j 2 r c f n t 。) n = n 1 1 + i + 2 3 其中： n 。：t 。：单元相关间隔 m ：单元相关次数 z ( n ) ：x ( n ) 的共轭 2 3 式可以简化为： m z ( ，厂) = c ( 七，f ) e x p 卜j 2 r c k t 。缸) 2 - 4 其中：c ( k ，2 - ) = y ( n + f ) x ( 川 n = k i ) no + i 在时域和频域中对相关信号进行二维搜索，根据扩频系统的p n 码相关特 性，在t o a 和f o a 处可以得到最大的相关峰值，相关峰的宽度为2 c h i p ，在 相关峰以外的包络的幅度很小。图2 1 0 为对4 倍c h i p 的抽样速率的接收信号 进行二维相关搜索后，在f o a 频率下，关于时延f 的相关包络图。 图2 1 0 相关包络图 直接相关时间检测受抽样速率的影响，可以达到的测量精度为样点级，如 r 咖尼 一 唧 x 力 + 胛 几m叭 壮 + 重庆邮电学院硕上论文 果采用4 倍c h i p 的抽样速率，则对应于距离的精度为6 1 0 4 米。提高抽样速率 可以提高检测精度，但是要受硬件条件和处理器技术的限制，因而怎样在现有 抽样速率下提高时间检测的精度对定位精度的提高非常重要。 2 4 定位解算算法 2 4 1 算法原理 在基于网络的定位中一旦取得两个以上的t d o a 测量值，根据几何关系就可 以得到一组双曲线方程 2 4 1 1 4 8 h ”1 ： o t ) 2 + ( y 一只) 2 - ( x - x 1 ) 2 + ( y y ，) 2 c x t d o a ；1 = 0 2 - 5 直接求解方程组就可以得到移动台的估计位置。但是直接解方程并不容易， 而且在t d o a 值超过两个，方程组为超定方程组时，由于总是有误差的存在，得 到的解并不一致。而最小二乘法【5 i j 是从一组冗余测量值，中通过已知的数学模 型 ( 墨d 】中得到未知估计量x 的经典方法。因此，无线定位系统通常采用最小 二乘法进行位置估算。最4 , - - 乘法在满足最小方差的情况同时，可以使在具有 冗余的观测量情况下的参数估计一致。 2 4 2 最小二乘算法 对于可观测量! ，通过己知的数学模型叭五明，可以得到一组未知的参数 x 的估计。建立方程如下： 2 6 这里，i 是估计参数的估计值，是测量参数的估计值。这些估计可在下 述条件下得到 p 7 c + 彦7 c 州= m i n 2 7 这里，i2 ，一t 为测量参数的估计