（信号与信息处理专业论文）基于gsm系统的定位技术研究.pdf

摘要 摘要 直接利用移动台进行定位已研究多年，近年来，由于对移动台用户定位的需 求增加，进一步推动了无线定位的研究。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了 e 一9 1 1 法规，要求2 0 0 1 年1 0 月1 日起蜂窝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、准确率达到6 7 的位置服务。1 9 9 8 年又提出了定位精度为4 0 0 m 、 准确率不低于9 0 的服务要求。1 9 9 9 年f c c 对定位精度提出新的要求：对基于网 络定位的精度为1 0 0 m 、准确率达6 7 ，精度3 0 0 m 、准确率达9 5 ；对基于移动台 的定位为精度5 0 m 、准确率6 7 ，精度1 5 0 m 、准确率9 5 。f c c 的规定大大推动了 蜂窝无线定位技术的发展。在蜂窝系统中实现对移动台的定位除了满足e 一9 1 1 定 位需求外，还具有以下重要用途：( 1 ) 基于移动台位置的灵活计费，可根据移动台 所在不同位置采取不同的收费标准。( 2 ) 智能交通系统( i t s ) ，i t s 系统可以方便提 供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务。( 3 ) 优化网络与资源管理，精确监测 移动台，使网络更好决定进行小区切换的最佳时刻。同时，根据其位置动态分配 信道，提高频谱利用率，对网络资源进行有效管理。( 4 ) 信息服务，对移动台和旅 行者定位并向其提供所在区域的信息及其它服务。 自e - 9 1 1 法规颁布以来，由于政府的强制性要求和市场利益的驱动，对提供定 位服务的研究日益得到重视，无线定位受到人们的广泛关注，各大通信公司、许 多大学和研究所均投入了对此项技术的研究。 本文在深入研究了无线蜂窝通信系统的定位技术基础上，综述了在蜂窝移动 网络中实现无线定位的基本原理、定位方法、应用特点。针对该技术的发展，通 过对无线信道中路径损耗模型的讨论和外场测试实验，给出了一种利用接收信号 功率强度实现定位的方法，并开发出一个基于g s m 通信网络的定位演示系统。结 合演示系统的实际工作情况还给出了一个利用现有g s m 通信网络提供的资源实现 定位服务的方案。最后，针对在移动过程中实施定位存在一定的误差，本文还讨 论了种移动台定位跟踪方法。 关键词：无线定位；定位技术：g s m ；演示系统；定位跟踪； a b s t r a c t a b s t r a c t i th a sb e e nr e s e a r c h e df o rm a n yy e a r si nt h ea r e ao fu s i n gm o b i l e p l a t f o r md i r e c t l yi nl o c a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o rt h el o c a t i o no fm o b i l ep l a t f o r mu s e r sf u r t h e rp r o m o t e dt h i sw o r k t h e l a wo fe - 9 11e n a c t e df r o mf c ci n1 9 9 6d e m a n d i n gt h a t ，f r o mo c t o b e r1 ，2 0 0 1 ， c e l ln e t w o r ks h o u l db ea b l et op r o v i d et h el o c a t i n gs e r v i c e s w i t ht h e p r e c i s i o nw i t h i n 1 2 5 ma n d t h ea c c u r a c yo f6 7p e r c e n tf o rt h em o b i l e p l a t f o r m sw h i c hs e n do u te m e r g e n tc a l l s i n1 9 9 8 ，t h er e g u l a t i o no ft h e s e r v i c ew a sm o d i f i e dt ot h ep r e c i s i o no f4 0 0 ma n dt h ea c c u r a c yn o tl o w e r t h a n9 0p e r c e n t i n1 9 9 9 ，f c ca g a i nd e m a n d e dt h a tt h el o c a t i o ns e r v i c e s b a s e do nn e t w o r ks h o u l dh a v et h ep r e c i s i o no f1 0 0 mw i t ht h ea c c u r a c yo f 6 7p e r c e n t ，o rt h ep r e c i s i o no f3 0 0 mw i t ht h ea c c u r a c yo f9 5p e r c e n t ，a n d t h es e r v i c e sb a s e do nm o b i l ep l a t f o r m ss h o u l dh a v et h ep r e c i s i o no f5 0 m w i t ht h ea c c u r a c yo f6 7p e r c e n t ，o rt h ep r e c i s i o no f1 5 0 mw i t ht h ea c c u r a c y o f9 5p e r c e n t t h er e g u l a t i o n so ff c cg r e a t l yi m p r o v e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ec e l lw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y i m p l e m e n t i n gt h el o c a t i o no ft h e m o b i l ep l a t f o r m si nt h ec e l ls y s t e mn o to n l ys a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t s 0 fp 9 1 1 b u tb e i n gv e r yi m p o r t a n ti nt h ef o l l o w i n gw a y s ： ( 1 ) f l e x i b l eb i l l i n gs y s t e mb a s e do nt h el o c a t i o n o f m o b i l ep l a t f o r m s ，w h i c h m e a n sd i f f e r e n tb i l l i n gs t a n d a r d sc o u l db eu s e da c c o r d i n gt od i f f e r e n t l o c a t i o n so ft h em o b i l ep l a t f o r m s ( 2 ) i n t e l l e c t u a lt r a n s f o r m a t i o ns y s t e m ( i t s ) ，i t si sa b l et op r o v i d et h e l o c a t i o n so ft h ev e h i c l e sa n dt r a v e l e r s ，a n do t h e rs e r v i c e s1 i k e v e h i c l e ss c h e d u l i n g ，t r a c k i n g ，a n ds oo n ( 3 ) n e t w o r ko p t i m i z i n ga n dr e s o u r c em a n a g e m e n t 。m o b i l ep l a t f o r mp r e c i s e l y m o n i t o r i n g 。t h i sc a dh e l pd e c i d i n gt h eb e s tt i m ef o rs e c t i o ns w i t c h i n g a tt h es a m et i m e d y n a m i c a l l ya l l o c a t i n gt h ec h a n n e l sa c c o r d i n gt ot h e i r l o c a t i o na l s oh e l p se n h a n c i n gt h eu t i l i z a t i o no fs p e c t r u ma n dm a k i n g g o o du s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s a b s t r a c t ( 4 ) i n f o r m a t i o ns e r v i c e s l o c a t i n gt h em o b i l ep l a t f o r m sa n dt r a v e l e r sa n d p r o v i d i n gt h e mw i t ht h ei n f o r m a t i o na n do t h e rs e r v i c e so f f e r e db yt h e a r e at h e yb e l o n gt o s i n c et h ee n a c t i o no ft h el a wo fe - 9 1 1 ，b a s e do nt h ec o m p u l s i v e r e g u l a t i o n sa n dt h ed r i v i n go fm a r k e tb e n e f i t s ，p e o p l eh a v et a k e nm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho fl o c a t i o n ，e s p e c i a l l y t h ew i r e l e s s l o c a t i o n m a n yu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e sh a v eb e g u nt h e i rr e s e a r c hi n t h ef i e l d b a s e do nt h ei n t e n s i v er e s e a r c ho ft h el o c a t i o nt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s c e l lt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r i e s ， l o c a t i o nm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r so fh o wt oi m p l e m e n t i n gt h i s t e c h n o l o g y m o r e o v e r ，t h r o u g ht h ed i s c u s s i o n so fp a t hw e a ro u tm o d e lo f t h ew i r e l e s sc h a n n e l a n dt h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s t i n ge x a m i n a t i o n s ， i tp u tf o r w a r dam e t h o dw h i c hc a nb eu s e di ni m p l e m e n t i n gt h el o c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep o w e ri n t e n s i t yo ft h er e c e i v i n gs i g n a l s ，a n da l s od e v e l o p s ad e m o n s t r a t i o ns y s t e mo f l o c a t i o nb a s e do nt h eg s mt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gr e s u l t so ft h ed e m o n s t r a t i o n s y s t e m , t h et h e s i s a l s od e s i g n st h es c h e m eo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fl o c a t i n g s e r v i c e s ，u t i l i z i n gt h er e s o u r c e so f f e r e db yt h eg s mt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s a tl a s t a i m i n ga tt h ee r r o r se x i s t e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no f l o c a t i o ni nt h ep r o c e s so fm o v i n g ，t h i st h e s i sd i s c u s s e sat r a c i n ga n d l o c a t i n gm e t h o df o rt h em o b i l ep l a t f o r m s k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a t i o n ；l o c a t i o nt e c h n o l o g y ；g s m ；d e m o n s t r a t i o ns y s t e m s t a t i o nt r a c i n g m 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： 日期：纱嘭年乃月声日 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) 签名： 导师躲汔括 导师签名：白，7 2 ，吖p ，l ， v 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线蜂窝定位技术的发展和应用 1 1 1 无线蜂窝定位技术的发展 无线蜂窝定位技术是利用通信网络资源确定网络中的移动台用户在 地球表面某一坐标系中的位置信息。 移动通信技术的发展可以追溯到二十世纪二十年代【lj ，这个时期主 要在短波频段上实现了小容量专用移动通信系统。直到二十世纪7 0 年代， 贝尔实验室提出蜂窝通信组网的理论，实现了频率复用，越区切换，大 大提高了系统容量，这样蜂窝通信系统才在真正意义上诞生。1 9 7 8 年底 贝尔实验室研制成功工作于8 0 0 m h z 的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n e s y s t e m ) 称为高级移动电话系统，建成蜂窝状移动通信网并于1 9 8 3 年在 芝加哥首次投入商用。英国在1 9 8 5 年推出的工作于9 0 0 m h z 频段的 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 称为全地址通信系统。日本 于1 9 7 9 年推出的工作于8 0 0 m h z 频段的h a m t s ( h i g hc a p a c i t ym o b i l e t e l e p h o n es y s t e m ) 成为高容量移动电话系统，德国西门子公司于1 9 8 3 年 完成4 5 0 m h z 频段的c 网。虽然以a m p s 和t a c s 为代表的第一代蜂窝 移动通信系统取得了较大成功，但是由于其采用了模拟无线传输技术并 且以频分多址( f d m a ) 作为多址方式，频谱利用率低，容量已经不能满 足日益增长的移动用户需求，而且存在保密性差、设备复杂、费用昂贵 和业务种类受限等缺点。因而采用数字传输技术的第二代蜂窝移动通信 系统应运而生。二十世纪八十年代中期，欧洲首先推出了工作于9 0 0 m h z 的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l et e l e c o mc o m m u n i c a t i o n s ) 泛欧数字移 动通信网，该系统于1 9 9 1 年7 月正式投入商用。由于g s m 系统采用了 时分多址( t d m a ) 作为多址方式，并且采用了数字调制、语音编码和自 适应均衡，大大提高了频谱利用率，其系统容量远高于第一代通信系统， 并且除了单一话音业务外，还可提供中低速数据业务。g s m 是第一个统 一的区域性国际标准，具有明确的网络结构和系统接口标准，不但实现 电子科技大学硕士学位论文 了国际漫游，而且使得不同厂商间设备的互连变得简单易行。这样的系 统也被称为第二代移动通信系统，除了g s m 系统外还有英国的 d c s ( d i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 1 8 0 0 、北美的d a m p s ( d i g i t a l a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 数字化高级移动电话系统、日本的 p d c ( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 个人数字蜂窝系统【2 儿”。另一个需要特别 提及的是由0 u a l c o m m 公司于1 9 9 0 年提出的i s - 9 5 ( i n t e r i ms t a n d a r d s - 9 5 ) 标准，该标准于1 9 9 3 年被蜂窝通信工业协会( c t i ac e l l u l a rt e l e c o m i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 确定为基于码分多址( c d m a ) 技术的窄带扩频数字 蜂窝移动通信系统标准【4 1 。由于i s - 9 5 系统采用了c d m a 技术，r a k e 接收 机和具有语音检测的可变速率语音编码器，其频谱利用率较g s m 系统更 高，而且具有较强的抗多径能力和相同语音质量下更低的数据传输率， 减少了移动台发射机的电池损耗【5 儿6 1 。随着移动通信系统用户数量继续不 断的增加和i n t e r n e t 的高速发展，移动通信系统正在向第三代移动通信 系统( 3 0 ) 演进。第三代移动通信系统工作于2 g 频段，能够全球无隙漫游， 支持信息速率高达2 mb i t s 的多媒体业务特别是i n t e r n e t 业务。目前 第三代移动通信系统尚未正式大规模商用化，主要还是试用系统和标准 协议规范完善阶段，现在已有的标准包括欧洲和日本提出的w c d m a ，美国 提出的c d m a 2 0 0 0 以及中国提出的t d s c d m a 标准。这些标准都是以c d m a 为主要多址方式，拟采用智能天线、多用户检测、软件无线电技术和多 样化的服务业务。近年来移动用户数量也在迅速增加，以中国为例按照 信息产业部统计1 9 9 7 年有1 3 3 2 9 万移动用户，截至2 0 0 3 年已经有2 亿 5 千万移动用户。 推动移动通信发展的主要因素是通信质量的提高和新的服务业务的 发展。因此当前的无线蜂窝系统并不仅仅限于通信服务，而需要不断增 加新的服务功能。其中利用无线蜂窝系统实现移动台的定位就是一项具 有巨大市场前景的业务。该项技术和业务的发展也要归功于e 一9 1 1 条例。 为了改善针对移动用户的公共安全服务质量，美国联邦通讯委员会( f c c f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 于1 9 9 6 年7 月发布了e - 9 1l 条例， 其目的在于当求助者使用移动电话拨打紧急求助电话时( 例如，美国的 9 1 1 紧急救助电话服务) ，服务中心能够迅速并且较为准确的确定求助者 的位置，从而为公众提供更为迅速有效的救助服务【7 1 。e - 9 1 1 条例【8 】要求 所有移动网络运营商必须在一定的时限( 2 0 0 1 年3 月) 之内，并且在满 2 第一章绪论 足一定概率( 6 7 ) 和定位精度( 误差保持在1 2 5 m 以内) 的条件下，成功概 率( 9 5 ) 和定位精度( 3 0 0 m 以内) ，对所有移动台用户实现定位功能。 2 0 0 1 年1 0 月f c c 又进一步更新规范要求，要求在所有移动网络运营商实 现更高精度的定位服务，要求满足一定概率( 6 7 ) 和定位精度( 误差保持 在5 0 m 以内) 的条件下，成功概率( 9 5 ) 和定位精度( 1 0 0 m 以内) 。 e 一9 1 1 条例大大促进了移动台定位技术的发展，2 0 0 6 年5 月2 6 日， 美国第二大移动运营商v e r i z o n 无线公司宣布，它已经达到f c c ( 美国通 信委员会) 的e 9 1 1 要求，能向9 5 的网内手机提供移动定位业务。 此事件再次把移动定位技术推到了前台。目前两大国际标准化组织 3 g p p 和o m a ( 开放移动联盟) 都制定了3 g 定位业务的标准，高通公司提出 了g p s o n e ，g p p 2 组织准备将g p s o n e 标准化。 3 g p p 主要负责制定3 g 网络实现的技术标准，首先考虑的是无线接入 网络和核心网络的实现，然后才考虑业务的实现。o m a 是面向移动数据业 务的标准化组织，主要从应用层面上来考虑实现。所以o m a 标准目前只 规定了c e l i - i d 和a - g p s 两种定位方法，3 g p p 中定义的c e l 卜i d + r t t 和 o t d o a 由于利用了网络的无线信令资源，在o m a 目前的方案中无法简单的 实现。 1 1 2 无线蜂窝定位技术的应用前景 目前移动台定位业务呈现出非常诱人的市场前景。其主要应用有 9 - 1 7 】： 一、公共紧急救助电话服务( 例如美国的9 1 1 、欧盟的1 1 2 等) 。伴随 着无线移动通信技术的不断发展和无线移动用户群体的不断增大，人们 对于无线通信服务的要求在不断的提高，民用移动台定位就是这种要求 的体现。具体的说来，f c c 经过调查，发现在1 9 9 4 年全美每天大约有5 0 0 0 0 个紧急呼叫9 1 1 ，在1 9 9 6 年上升到6 0 0 0 0 个这种呼叫，于是在1 9 9 6 年6 月提出了移动台定位服务的要求，该要求主要是针对无线移动通信网络 供应商和设备提供商的。f c c 对无线移动通信业提出这一要求也是符合用 户希望的。在发生意外事故的情况下，移动通信服务提供商能够将用户 的位置信息提供给相关部门，这样便于相关部门快速确定发生事故现场 的位置，并尽快到达该位置。当移动用户迷失方向时，只要发出紧急呼 电子科技大学硕士学位论文 叫也可以很快的得到救助。尤其是9 1 1 事件后，f c c 更是加强督促e 一9 1 1 条例实现的工作。 二、基于位置和事件的计费系统。现代无线移动通信系统，不管是基 于频分多址接入方式的模拟移动通信系统，如北美a m p s ，还是基于时 分多址方式的数字移动通信系统，如欧洲的g s m ，或者是基于码分多址 方式的数字移动通信系统，如北美的i s - 9 5 ，都是通过蜂窝小区的划分， 在移动用户登记的移动切换中心( m s cm o b i l e ss w i t c h i n gc e n t e r ) ，有人 称之为移动电话切换站( m t s om o b i l et e l e p h o n es w i t c h i n go f f i c e ) 完成 帐号登记的。这样的记费方式便于统一管理和维护，但是却缺乏一定的 灵活性，如移动服务提供商很难对处于不同位置的用户进行不同的记费 操作。基于用户位置的灵活计费系统将是未来移动电话运营商拓展业务、 吸引客户的重要手段。现在常用的收费标准有两种：一是按移动电话使 用的频率收费；二是按移动电话使用的通信时段收费。随着移动电话定 位业务的实现，又可以增加一种新型的收费方式，即按移动电话的使用 位置收费。用户在家里或办公室使用移动电话，因为移动性低，收取的 费用就低；在所属城市或某一固定区域内移动通话，收费将接近于现行 标准；而进行大范围漫游时，将要支付较高的费用。这样，可以鼓励用 户更多的使用移动电话，提高自身的竞争力。从而可以给特定位置的用 户提供特定的服务 三、 蜂窝系统的移动性管理及系统优化设计。用户位置信息的准确确 定以及这一信息的准确程度，受到无线信号所通过的通信信道的影响。 反过来，分析影响移动用户位置准确度的原因又可以对蜂窝系统的设计 和管理起到指导性的作用。例如，在基站( b sb a s es t a t i o n ) 布置和扇区化 的过程中，可以适当调整基站或扇区之间的相对位置，使得用户比较密 集的地方能够尽可能地得到基站或扇区天线的直接照射。这样，在不增 加基站天线发射功率的条件下可以提高移动台接收信号的功率强度，即 提高信号噪声比( s n rs i g n a ln o i s er a t i o ) ，也可以进行动态小区划分。基 站或扇区天线对移动台接收天线的直接照射又给移动用户位置的精确确 定带来了直接的好处。因此，网络知道移动台的精确位置，进行移动性 管理就变得相对简单了，同时也有助于对移动台进行有效的信道分配， 实现网络资源动态、智能分配，使无线资源的利用率更高。 四、商业求助电话服务。商业求助电话服务被应用于各行各业，为处 4 第一章绪论 于非常情况下的客户提供及时有效的服务。例如，汽车维修公司通常设 立2 4 小时热线电话来为途中发生故障的车辆提供维修服务。在移动电话 非常普及的今天，用户通常使用手机来拨打热线，如果能够确切的知道 用户的位置，维修公司就可以指派距故障车辆最近的维修站派人维修， 从而提高了服务的质量并节约了成本。 五、被盗车辆跟踪系统。当在车辆上安装了使用移动台定位技术的定 位装置，就可以在车辆失窃后跟踪车辆的位置，找回被窃的车辆并抓住 偷车者。 六、移动通信运营商对恶意欠费用户的跟踪和追查。手机恶意欠费已 经使得移动通信运营商蒙受了巨大的损失，利用移动台定位技术可以很 容易的跟踪到恶意欠费用户的位置，降低此类事件发生的概率。 七、对残疾人、高危人群、迷路者及儿童提供个人救助服务。这类服 务主要提供给处于危险状态的残疾人、高危人群、迷路者及儿童。例如， 为野外迷路者提供路径指引以及提供走失儿童的确切位置等。 八、智能运输系统( i t si n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 。在i t s 中， 定位信息对于提供有效的服务是非常重要的。利用移动台定位技术提供 的位置信息可以实现合理的车辆调度，避免交通堵塞和降低交通事故等。 九、移动电子商务。作为增值服务的一种，移动台定位技术在移动电 子商务上的应用被认为是最具有市场潜力的。广告商可以根据用户所处 的不同位置为用户提供不同类型的广告，如在餐饮一条街提供各家镁馆 的介绍，当用户处于服装区时提供各种类型服装的广告。同时也可以根 据用户的请求指引用户到相应的消费场所进行消费，如到最近的一家餐 馆就餐，到最近的一处自动提款机提款等。 在全球移动用户规模蓬勃发展的同时，基于移动网络的各种增值业 务层出不穷。s m s 成功之后，无论是移动运营商还是设备厂家都在不断努 力寻找能够提高收益、增加用户通信流量的“杀手锏”增值业务。移动 位置服务被业内普遍看好，并且被认为是最具增长潜力的增值业务之一。 移动位置服务( l b s l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) ，是利用一定的技 术手段通过移动网络获取移动终端用户的位置信息( 经纬度坐标) ，在电 子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。它是移动 互联网和定位服务的融合业务。 电子科技大学硕士学位论文 图1 1 ：全球l b s 市场预测 根据全球移动增值业务的追踪和市场调研，在2 0 0 5 年全球l b s 市场 规模将达到2 0 亿美元，较2 0 0 4 年将增长1 0 0 ，在未来几年将呈现出平 均增长率为8 0 的快速增长态势，至2 0 0 9 年市场规模将接近2 1 0 亿美元。 移动位置服务还将促进物流、交通、安全、城市规划、农林渔等众多传 统产业的精确信息化管理，衍生价值无限，移动位置服务业务市场实为 一座“金矿”。 随着中国移动定位市场的启动和各种新兴定位业务的推广，该市场 在未来三年将进入一个稳定增长期。根据我们的研究分析，2 0 0 5 年国内 移动定位市场规模达到2 2 1 亿元，比2 0 0 4 年增长8 0 。这主要得益于中 国移动亲子通业务和中国联通手机导航业务的推广。在2 0 0 6 2 0 0 8 年的 三年内，该市场的增长率将保持在1 5 0 以上。到2 0 0 8 年中国移动定位市 场将达到5 2 5 亿元，成为最具竞争力的3 g 核心业务之一。 1 2 国内外研究动态及所需解决的问题 早在1 9 7 7 年，s r i t e r 和j m c c o y 就研究了通过测量信号在若干个 基站和移动台之间往返的传播时间来估计移动台和几个基站的距离1 8 l ， 或者通过测量信号到达基站的角度来估计移动台的位置。后来，w i l l i a m w i t f i e l ds m i t h 研究了在a m p s 系统中如何通过测量信号的强度，信号的 6 第一章绪论 载波相位以及通过安放在基站阵列天线上的干涉仪测出的移动台信号到 达基站的角度来估计移动台的位置1 1 9 。 由于g s m 系统在全球移动通信系统中占有非常大的比重，因此针对 g s m 系统的移动台定位技术也受到了广泛的关注，尤其是利用g s m 系 统本身固有的一些定位信息( 如时间提前量t at i m ea d v a n c e ，信号强度 等) 来实现对移动台定位的技术更是具有较为现实的意义【2 乱2 8 1 ，3 g p p 中 也有一些基于g s m 网络的提案【2 9 】。 由于c d m a 即将成为新一代移动通信系统的主流多址方式，因此基 于c d m a 系统的定位技术的研究得到了广泛的关注，有大量文献报道其 中j e f f r e y h r e e d 9 1 ，j c a f f e r y d o 儿3 0 】做出了总结和引导性工作，在3 g p p 中也有一些基于w c d m a 网络的提案。文献 3 h 【3 4 】进行信道模型研究；定位 参数获取研究主要包括信号到达时间( t o a ) 1 3 5 】【3 引，接收信号功率强度 【3 9 】【4 0 】【4 1 1 和信号到达角度 4 2 1 4 3 l ；文献【4 4 】【4 5 】【4 6 1 对定位算法进行研究；文献 2 0 1 4 7 】【4 8 】对定位实现方法进行研究，文献【4 9 l 【5 0 1 对定位性能分析做出研究。 为了抢夺这一巨大的市场，许多公司加快了对移动台定位技术的研 发。其中一些较为著名的公司有t r u ep o s i t i o n 5 1 】公司( 使用信号到达时间 差t d o at i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l 技术) ，c e l l l o c 公司p2 j ( 使用t d o a 技术) ，c a m b r i d g ep o s i t i o n i n gs y s t e m s 公司1 5 3 ( 使用增强观测信号到达时 间差e o t de n h a n c e o b s e r v et i m ed i f f e r e n c e 技术) 该公司为意大利提 供第一批移动定位系统，s n a pt r a c k 5 4 】公司( 使用网络辅助g s p 技术) 以 及k s i 公司( 使用信号到达角度a o a a n g l eo f a r r i v a l 技术) 。 目前无线蜂窝定位技术就定位算法方面来看研究已经比较成熟，但 是在定位算法的实现方面还需要解决以下几个问题。 定位系统结构设计。在无线蜂窝系统中采用何种结构实现定位，该结 构能够在保证一定的定位精度前提下实现方便，同时对现有系统改动 应当尽量小。本论文在第四章将提出一种基于g s m 网络的定位方法 并且开发了一个演示系统，这些方法都遵循现有的网络标准，无需对 网络体系架构进行较大改动。 定位参数的获取方法研究。定位算法方面虽然已经研究的比较充分， 但是如果获取的定位参数不准确那么定位精度显然会降低。由于多径 7 电子科技大学硕士学位论文 传播、非视距传播( n l o sn ol i n eo fs i g h t ) 和多址干扰现象的存在 使得精确的定位参数较为困难。在这些方面也有大量文献进行研究和 报导，如利用l m s 算法、超分辨率算法( 如r o o t m u s i c 算 法，t l s e s p r i t 算法等) 、扩展卡尔曼滤波( e k fe x t e n dk a l m a nf i l t e r ) 来对多径分量进行估计，以及利用空时联合的方法来同时估计信号的 到达时间和角度等。使用加权最小二乘法、对n l o s 附加时延误差的 鉴别、残差分析方法等对n l o s 进行抑制。多址干扰抑制文献也有较 为详细的论述。但总的来说这些方面还需要进一步的研究。 无线信道模型方面的研究，由于无线信道的复杂性定位精度受到信道 的影响。要提高定位精度必须充分研究信道模型，如采用信号方向角 度定位必须研究角度扩散模型：采用信号到达时间定位必须研究时间 散射模型；采用功率强度定位需要研究功率损耗模型。当移动台处于 宏小区环境则需要研究宏小区模型，当移动台处于微小区环境下则相 应的需要研究微小区模型。目前大多数模型主要研究接收信号的功率 损耗、多径信号的空间角度扩展信息和多径延时模型。研究功率损耗 主要应用于信号检测和基站布局组网方面；研究空间角度扩展主要应 用于智能天线系统和空间分集方面；研究多经延时模型主要应用于时 间分集接收机和信道均衡方面，而专门分析信道模型与定位关系的文 献未见报导。因此对信道模型还有大量研究工作需要完成。 目前大量文献关注的是如何实现对移动台的定位服务，而对移动台的 跟踪研究未见报道。事实上当移动台处于移动状态并且需要定位跟踪 服务时，如果仅仅采用分次单独定位的方法来实现跟踪服务则会出现 各次定位计算结果相差较大，产生对移动台的跟踪轨迹不连续的现 象。因此需要对移动台的跟踪方法进行研究，在第五章中本文讨论了 一种移动台定位跟踪方法。 1 3 论文章节安排 本论文主要分为以下几个部分讨论。 第一章详细论述了无线蜂窝技术的发展和应用，以及国内外研究现 状和发展态势。第二章论述了各种可以用于无线蜂窝通信系统的定位方 8 第一章绪论 法，并且对各种方法进行归纳总结和比较，其中主要比较了各种方法的 性能和适用范围。 由于g s m 通信系统是目前应用最广泛的无线蜂窝移动通信系统。因 此本文在第三章讨论g s m 系统定位技术的一些算法，并在第四章对g s m 系统的定位实现进行了论述，并且开发了一套利用移动台接收到的信号 功率强度在室外情况下实现g s m 移动台定位功能的演示系统，该系统主 要利用信道路径损耗模型实施定位。结合演示系统的实际工作情况还给 出了一种利用现有g s m 通信网络提供的资源实现定位服务的方案。 对移动台的连续定位也就是对移动台实施跟踪，论文第五章提出了 一种在无线蜂窝系统中的简单可行的定位跟踪方法，并进行了仿真试验。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线蜂窝系统各种定位方法及分析 定位作为无线电探测的一个重要课题有大量科学工作者进行研究， 同时也提出了大量的定位方法。由于蜂窝移动通信移动台定位自身具有 一定特殊性，因此有些方法适合于移动台定位，有些方法并不适合，还 有些方法需要进行适当改进。由于不同移动通信网络之间的区别，所以 采用的定位方法不一样，如在g s m 移动通信系统和c d m a 移动通信系统中 采用的方法就不一样。 本文在本章对常用的各种适用于蜂窝移动通信移动台定位方法进行 了归纳比较和总结，同时针对蜂窝通信系统的特点将部分方法的求解公 式做了进一步的完善和推导。最后还对各种定位方法的性能、适用于各 种蜂窝通信系统的情况进行了总结比较。 2 1 基本定位方法 2 1 1 圆周定位方法 圆周定位方法的几何解释如图2 一l 所示，若测量得到基站( b sb a s e s t a t i o n ) 与移动台( m sm o b i l es t a t i o n ) 之间距离r ，则可以认为移动台处于 以基站为圆心，半径为r 的圆周上。由几何知识可知三个圆可以相交于 一点，这个交点就是移动台所处位置，因此只需要测量出移动台与周围 相邻的三个基站之间的距离即可实现对移动台的定位。 图2 - 1 圆周定位方法 1 0 第二章无线蜂窝系统各种定位方法及分析 圆周定位方法其算法求解公式推导如下，设移动台位置坐标为( x ， y ) ，基站位置坐标为( x i ，y i ) i = l ，2 ，3 。移动台与各基站之间距离为r i ，则可 以得到方程 ( x 一而) 2 + o 一乃) 2 = 乎 i = l ，2 ，3( 2 - 1 ) 上式中x i ，y i ，r i 均为己知量，理论上方程( 2 1 ) 中的两个未知数x 和y 仅 需要两个方程即可求解，但是解出结果中存在模糊，因此至少需要三个 方程求解取掉模糊。设i = l ，2 , 3 将( 2 1 ) 展开为三个方程，求解方程组可得 到移动台位置坐标x ，y 。 啦一日 。， 其中 彳=娩：而y2一-nyllx3 x l y 3 日= 睇：墨：i t ：鬈：磐：鬓 。 一 一n j i 干一吁一+ 巧一行+ 蝣i 当参与定位的基站数目m 3 时，方程( 2 - 1 ) 可以采用最小二乘方法 求解得到。 ； 2 三c 4 7 彳，- 1 彳7 日 。一。， 其中 彳= 而一而 而一而 y 2 一j ，1 y 3 一h h = 干一专一砰+ 一y ；+ j ，； 彳一碍一砰+ 工；一y ；+ 刃 r 一r 矗一+ 毛一t + y 由上述分析可以看出圆周定位关键是获取准确的移动台与基站之间 的距离参数r ，获取参数r 可采用以下两种方法。 1 电磁波信号从基站传输到移动台，或者从移动台传输到基站存在一定 功率损耗，该损耗与电磁波通过的环境和传输距离存在一定关系。可 以根据功率损耗模型公式和测量到的功率损耗值计算出移动台和基 站之间的距离。该方法可用于g s m 网络中的移动台定位，利用此方 法实现定位服务将在第四章中详细阐述。 2 通过测量电磁波在基站和移动台之间传输时间t ，则根据下式可以计 电子科技大学硕士学位论文 算出移动台与基站之间的距离r 。 r ：c t( 2 - 4 ) 其中c = 3 x 1 0 8 米秒为光传播速度。该方法可以在同步c d m a 系统中使 用，如i s 9 5 ，t d s c d m a 系统中，该方法也被称为基于到达时间( t o a t i m eo f a r r i v a l ) 定位。 2 1 2 双曲线定位 图2 2 所示为双曲线定位方法【5 5 1 的几何解释，若己知移动台到两个 基站b s l 和b s 2 之间的距离差，则可以得出移动台位于以两个基站为焦点 的双曲线上。根据测量到的距离差的正负，可以进一步确定移动台处于 双曲线的左分支上还是在双曲线的右分支上。再测出另一组双曲线则可 以通过求解两组双曲线交点得到移动台的位置。 圈2 2 双曲线定位方法 双曲线定位方法的数学描述如下，设移动台坐标( x ，y ) ，基站坐标 ( x i ，y i ) ，i = l ，2 ，3 ，距离差r i ! ，i = 2 ，3 。则可以得到以下方程 ( x t ) 2 + 0 ，一y f ) 2 一( x 一耳) 2