（信号与信息处理专业论文）移动台定位技术研究.pdf

：，；：。2 堡些! 这兰堡圭兰丝丝塞 摘要 本论文研究移动台定位技术及其与其他蜂窝移动通信技术之间的共性问题， 所做的工作及主要创新点如下： 】) 通过查阅期刊论文、会议论文和专利文献关于位置服务( l c s ) 的内容， 全面深入地分析、研究了各种主流的m s 定位算法的工作原理、性能特点和应用 领域，确定了蜂窝无线通信系统中影响各种定位算法性能提高的主要原因，有针 对性地展丌本论文相关课题的研究。 2 ) 深入分析了各种主要的a o a 参数估计算法，并对算法建模和应用中的 主要问题进行论述和分析。数值仿真证实在非视线( n l o s ) 传播等a o a 参数测 量误差较大的情况下，基于最小二乘准则( l s ) 的a o a 优化算法，性能明显优 于球面内捅( s i ) 优化算法。 3 ) 研究了p n 码捕获概率的渐进性质，通过合理修改积分定义域，推导了 在加性高斯白噪声( a w g n ) 条件下，反映t n 序列捕获概率随信噪比( s n r ) 和 序列长度变化的近似公式和迭代算法。仿真结果表明，咳公式具有很高的精度， 能够满足工程应用的要求。 4 ) 提出了一个用于评价伪噪声( p n ) 序列捕获算法性能的指标算法效 率，并给出其计算公式，使得定量评价各种不同的伪噪声( p n ) 序列捕获算法和 t d o a 参数估计方法成为可能。算法效率的定量比较结果表明，用来自不同信号 源的伪噪声( p n ) 序列分别与本地的无噪声序列进行相关运算来计算t d o a 参 数的涮接算法的效率高于直接将上述两个伪噪声( p n ) 序列做相关运算的估计方 法，具有更好的性能。 5 ) 针对伪噪声f p n ) 序列长度与捕获效率之j 自j 的矛盾，提出了一种二叉树 搜索算法来实现复合扩频伪噪声( p n ) 序列的捕获，使基于g c c 算法的伪噪声 ( p n ) 序列同步算法的效率大为提高。仿真结果表明，该方法可以很好地实现捕 获概率和算法效率的折中，使系统总体性能达到最优。 6 、) 深入研究了各种主流的非视线( n l o s ) 传播误差抑制算法。通过分析 非视线( n l o s ) 传播附加误差的成因，提出了不同测线上的非视线( n l o s ) 传 播附加误差之间的相关性的概念，并研究了这种相关性与测线夹角之间的关系。 通过定性分析和仿真验证得出非视线( n l o s ) 传播附加误差的相关性与测线夹 角负相关的结论，并据此提出一种基于天线子阵的t d o a 定位方法。仿真结果表 明，与传统的基于基站( b s ) 的定位方法相比，该方法对非视线( n l o s ) 传播 附加误差有更强的抵抗能力。 摘要 关键词：移动台定位，到达角度( a o a ) ，到达时间差( t d o a ) ，广义互相 关( g c c ) ，二叉树搜索，最小二乘法( l s ) ，球面内插算法( s i ) ，非视线传播 ( n l o s ) ，测线夹角，误差抵消 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h em o b i l e s t a t i o n ( m s ) p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n d i t sc 0 1 n t l o r l a s p e c t st oo t h e rc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c l m o l o g yi t sp r i m a r y w o i 。ka n di n n o v a t i v e p a r t sa r e a sf o l l o w i n g 1 ) b yl o o k i n gu pp e r i o d i c a lp a p e r s ，c o n f e r e n c ep a p e r sa n dp a t e n td o c u m e n t s c o n c e r n i n g l o c a t i o n s e r v i c e ( l c s ) ，t h ep r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a b l e d o m a i n so fm a i n s t r e a mm s p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m sa r ed e e p l ys t u d i e d a n dt h ec r i t i c a l f a c t o r st ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ea l g o r i t h m si nc e l l u l a rr a d i os y s t e m sa r ef o u n da n d i n v e s t i g a t e di na ne f f i c i e n tw a y 2 ) av a r i e t y o f p o p u l a ra l g o r i t h m s f o r a n g l e o f - a r r i v a l ( a o a ) p a r a m e t e r c v a l n a t i o na r ea n a l y z e di nd e p t h ，a n dt h ek e yp o i n t si nt h e i rm o d e l i n ga n da p p l i c a t i o n a r et b n n u l a t e da n di n v e s t i g a t e d i t sj u s t i f i e db yn u m e r i cs i m u l a t i o nt h a tt h ea o a o p t i m i z i n ga l g o r i t h m b a s e d0 1 1l e a s t s q u a r ep r i n c i p l eo h t p e r f o r m s t h e s p h e r i c a l i n t e r p o l a t i o n ( s 1 ) a l g o r i t t u nu n d e rc o n d i t i o n so fs i g n i f i c a n tm e a s u f i n ge r r o r ss u c ha s t h o s ef r o m n o l i n e o f - s i g h t ( n l o s ) p r o p a g a t i o n 3 ) t h ea s y m p t o t i c c h a r a c t e r i s t i co f p s e u d o n o i s e ( p n ) c o d ea c q u i s i t i o n p r o b a b i l i t y i s s t u d i e d b yr e a s o n a b l ym o d i f y i n g t h e i n t e g r a t i o nd o m a i n ，a n a t _ ) p r o x i m a t ef o r m u l aa n di t s i t e r a t i v ea l g o r i t h ma r ed e d u c e d ，w h i c hr e f l e c th o wt h e p r o b a b i l i t yo fi n s e q u e n c ea c q u i s i t i o nv a r i e sw i t ht h es i g n a l t o n o i s er a t i o ( s t , r e ) a n d t h es e q u e n c el e n g t hi nt h ee n v i r o n m e n t so fa d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ( a w g n ) i t i sp r o v e db yt h es i m u l a t i o nt h a tt h i sf o r m u l ai sp r e c i s ee n o u g ht om e e tt h er e q u i r e m e n t o f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 4 ) a n e wi n d e x ，a l g o r i t h me f f i c i e n c ya n di t sf o r m u l aa r ep r o p o s e dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fp nc o d ea c q u i s i t i o na l g o r i t t u n s ，w h i c hm a k e i t p o s s i b l et o a s s e s sa v a r i e t yo fp ns e q u e n c ea c q u i s i t i o na l g o r i t h m sa n dt i m e d i f f e r e n c e o f - a r r i v a l ( t d o a ) p a r m n e t e re v a l u a t i o nm e t h o d s i ti sp r o v e ni nt h e o r yt h a tt h ei n d i r e c tm e t h o dw h i c h c 0 1 - r e l a t e sp ns e q u e n c e sf r o md i f f e r e n ts o u r c e sw i t ht w ol o c a l l yg e n e r a t e dn o i s e l e s s p ns e q u e n c e ss e p a r a t e l yi sm o r ee f f i c i e n tt h a nt h eo n eo t h e r w i s ec o r r e l a t i n gd i r e c t l y t h et w oi n p u ts e q u e n c e s 5 ) ab i n a r y t r e e s e a r c h i n ga l g o r i t h m i s p r e s e n t e dt oc a r r y i n t oe f f e c tt h e a c q u i s i t i o no fr e p e a t e d l ys p r e a d e dp ns e q u e n c e ，w h i c h c a r lb r i n gs i g n i f i c a n t l yu pt h e e f f i c i e n c yo fg e n e r a lc r o s sc o r r e l a t i o n ( g c c ) a l g o r i t h mi nt h es y n c h r o n i z a t i o no f p n 摘要 s e q u e n c e s n u m e r i cs i m u l a t i o n sh a v ec o n f i r m e di t s a b i l i t yt op e r f e c t l yb a l a n c et h e a c q u i s i t i o np r o b a b i l i t ya n da l g o r i t t m ae f f i c i e n c yt oa t t a i nt h eo p t i m a lo v e r a l ls y s t e m p e r f o r m a n c e 6 ) s e v e r a lk i n d so f m a i n s t r e a ma l g o r i t h m sf o rn l o se r r o rc o n t r o la r es t u d i e d i nd e p t h b ya n a l y z i n gt h ec a u s eo fn l o s e r r o r s ，ac o n c e p to fc o r r e l a t i o no fn l o s e x c e s s i v ee r r o r si nd i f f e r e n to b s e r v a t i o n a ll i n e si sp r o p o s e da n di t sr e l a t i o nt ot h ea n g l e b e t w e e nt h et w ol i n e si si n v e s t i g a t e d i tc a nb ec o n c l u d e df r o mq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n d n n t l e r i cs i m u l a t i o nt h a tn l o se x c e s s i v ee r r o ri s c o n t r a r i l yr e l a t e d t ot h e a n g l e b e t w e e nt h ec o r r e s p o n d i n go b s e r v a t i o n a ll i n e s ，o nab a s i so fw h i c han o v e lm s p o s i t i o n i n g m e t h o du t i l i z i n gt d o a sb e t w e e ns n b a r r a y so ft h es a m ea n t e n n ai s s u g g e s t e d ，w h i c hi sp r o v e nb yn u m e r i cs i m u l a t i o nt ob em u c h m o r er o b u s tt on l o s e r r o r st h a nt h ec o n v e n t i o n a lo n e s ，w h i c hu t i l i z et h ed a t af r o mb a s es t a t i o n s k e y w o r d s ： m o b i l es t a t i o n p o s i t i o n i n g ,a n g l e - o f - a r r i v a l协0 a ) ， t i m e d i f f e r e n c e - o f - a r r i v a l ( t d o a ) g e n e r a lc r o s sc o r r e l a t i o n ( g c c ) ，b i n a r yt r e e s e a r c h ，l e a s ts q u a r ea l g o r i t h m ( l s ) ，s p h e r i c a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ( s i ) ， l i o n l i n e o f - s i g h t ( n l o s ) ，a n g l e b e t w e e no b s e r v a t i o n a ll i n e s ，e r r o rc a n c e l l a t i o n ! ! = 穹墨= 皇= 皇皇皇兰兰皇兰皇皇毫墨覃。些至些皇奎兰丝! ：兰竺丝兰 1 1 研究背景 第1 章绪论 近几年来，尽管全球经济发展势头有所减缓，i t 业也经历着前所未有的冬天， 但是，移动通信在世界各国仍然呈现出迅猛发展的势头。统计数据表明，截至2 o o2 年6 月底，世界手机用户己达1o 3 亿，比2o o 1 年同期增长22 2 3 。存中国，自从1 9 9 4 年第一个o s m 系统投入使用以来，移动通信的业务量 和用，、数以每年增加4 0 的速度迅速增长。最近几年，无论是移动通信用户绝对 数，还是增长速度，中国都位居全球首位。截至2 0 0 2 年底，我国移动通信用户已 达到2 0 6 6 2 万户，移动和固定电话用户的比例也从1 9 9 8 年的2 7 ：l o o 提高到9 6 ： l o o 。所有这些都反映了移动通信在我国的巨大的市场潜力和广阔的发展前景。 目前，蜂窝移动通信技术已经经历了第一代的模拟技术和第二代的数字技术 ( g s m ) t 正向着以w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 为主要内容的第三代移动通信技术 ( 3 g ) 迅速演进。作为无线通信系统演进过程的一个重要里程碑，3 g 在业务提供 上将以高速数据接入和多媒体通信为典型特征。这将促使数据和多媒体业务最终 取代传统的话音业务，成为移动通信系统的主要业务内容，具有划时代的意义。 作为移动通信的特色业务之一，位置服务( l c s ) 被认为是未来移动增值业 务的一个亮点，受到业界的普遍关注。这是因为公共安全、欺诈行为侦察、紧急 呼叫、车辆管理，以及智能交通系统、与位置有关的支付业务等，都要求移动通 信网络提供l c s 。另外，无线定位技术对于合理配置无线资源，提高无线网络的 性能也有着十分重要的意义和非常紧迫的市场需求。预计到2 0 0 4 年，移动台定位 及位置服务的全球用户数将超过6 0 0 0 万，成为仅次于语音业务的第二大移动业务。 作为l c s 的技术基础，移动台定位技术也受到了空前的关注，发展非常迅速。 这方面得益于美国联邦通信委员会( f c c ) 的强制性法令e 一9 1 1 的推动和影响， 另方而，定位业务所蕴含的巨大的市场潜力也得到了广泛的认同。与此相适应， 移动台定位技术的标准化工作也得到了很大的发展矗eg s m 、u m t s 、i s 一9 5 、c d m a 等t 要移动通信标准体系中，已有多种定位技术得到认可。作为一种新的增强功 能，3 g p p 已经将移动定位业务写入其技术规范当中【1 3 】。 在美国，移动通信业务普及的直接结果是f c c 于1 9 9 6 年颁布了e 一9 1 1 条款， 该条款要求所有得到授权的蜂窝电话、p c s 和s m r 运营商都必须提供移动用户的 位置信息来支持e 一9 1 1 安全服务。e 9 1 1 条款的第二阶段更进一步要求，在基于网 络的移动台定位系统中，运营商对6 7 的e 一9 1 1 呼叫的定位精度要达到1 0 0 米， 第l 荦绪论 在基于移动台的定位方案中，相应的精度要达到5 0 米【4 】。最近，经f c c 批准， e 9 1 1 第二阶段的最后期限被修改为2 0 0 5 年1 2 月3 1 【5 】。届时，全美所有的移动 运营商都要按照e 9 1 1 第二阶段的要求，对所有的9 1 1 呼叫提供相应精度的位置信 息。 在欧洲，按照新通过的欧洲e 一1 1 2 立法，到2 0 0 3 年年中，所有的电信运营 崩都要在用户呼叫欧洲统一的紧急呼叫号码1 1 2 时，向负责处理紧急事务的权威 部门提供呼叫用户的位簧信息【6 】。 世界著名的移动通信设备供应商如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 、s u m s u n 等跨国公司也纷纷加入竞争行列，积极开展基于g s m 、i s 一9 5 和w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等技术平台的移动台定位技术研究。其内容涉及了移动 台定位技术的各个方面，并且侧重于基本定位算法和技术的研究和实验数掘的收 集，推动了移动台定位技术向着实用化和产业化方向发展。 l c s 的良好市场前景和广阔的利润空间，还导致了很多以移动台定位产品市 场为目标的公司的诞生。其中，比较 著铝的公司有c e l l o c 、t r u e p o s i t i o n 等。特别值得一提的是，c m n b r i d g e p o s i t i o n i n gs y s t e m s 公司开发的 c u r s o r 系列产品。该产品具有系 统成本低，定位精度高等优点，无需 剥移动台( m s ) 做硬件改动，即可 提供较高的定位精度。其中， c u r s o r i c o n 系统采用增强的 c e l l i d 技术，可以将定位精度由同 类产品的3 0 0 3 0 0 0 m ，提高到2 5 0 m 图卜l 航位法位置刷新示意图 【7 】。c u r s o r m a t r i x t m 系统采用基于增强的观察时间差( e o t d ) 技术，在 不增加网络硬件成本的前提下，可以对支持e o t d 的m s 提供误差小于1 0 0 m 的 定位精度【8 】。 1 2 无线定位技术概述 无线定位技术有多种分类方法。根据其工作原理，可将其划分为四大类，即 航位法( d e a d r e c k o n i n g ) 、就近定位系统( p r o x i m i t ys y s t e m ) 、测量定位系统和 混合定位系统。 北京邮电大学博士学位论文 日口自t = = = = = = ! _ = = e = = e = = e e = e = | | _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j = = = 一 1 2 1 航位法 航位法是根据定位对象出发点的位置 坐标、运动方向和各个时间段的平均速率来 估计定位对象位置的一种定位方法。如图l l 所示，已知定位对象在t o 时刻的位置坐标为 。，= h ，y o 7 。，并且，它在时刻t i ( i = o ， n1 ) 的运动方向和运动速率分别为 p v i = 1 ，2 ，则t 。时刻定位对象的位置坐 书k 为 。= 一。+ t ，i = 1 ，2 ， 图卜2 就近定位系统示意图 ( 1 ) 这罩， d ，= v ( f 。一t f - 1 ) c o s 8 , ，_ ( f 。一t h ) s i n o i ( 2 ) 是定位对象在时间段( + 0 上发生的位移。 在蜂窝无线定位系统中，由于无法获得移动台确切的初始位置。，较少单独 采用航位法对移动台进行位置估计。一般是将航位法与其他的方法结合使用，以 提高定位精度和算法效率。 1 ，2 2 就近定位系统 如图1 2 所示，就近定位系统由多个定位区盔，i = l ，2 ，) 组成。在每个定位 区( 设为z ，) 中指定一个定位参考点坐标( 足，i = 1 ，2 ，) ，在对信号源进行位置估 计时，系统根据各个定位区接收信号的强度判断信号源位于哪一个定位区内( 假 定为z ，) ，然后，用相应的定位参考点坐标r ，( j ，y ) 作为信号源的位置估计值。在 蜂窝移动通信系统中，通常直接用蜂窝小区( c e l l ) 作为定位区，并根据m s 与 b s 通信时获取的c e l l 信息来估计m s 的位置。如果采用扇区( s e c t o r ) 天线， 还可以将每一个c e l l 再按照扇区进一步划分为几个定位区，从而，获得更高的 定位精度。目前，g s m 网络中广泛采用的以c e l li d 为基础的m s 定位机制，就 属于此类系统。由于就近定位系统对网络改动少，成本低，实时性好，3 g p p 也将 孩方法作为第三代( 3 g ) 移动通信系统提供l c s 的备选方案之一【1 】，用来以较 低的系统成本提供精度要求不高的l c s 。这一类定位系统的缺点是定位精度受到 各个定位区面积的限制，尤其在郊区或者农村，由于每个c e l l 的面积较大，定 位精度会更差。若要提高定位精度，则必须缩小定位区的面积，增加参考点的数 量，这又会增加定位系统的成本，降低其实用性。 第1 章绪论 1 2 3 测量定位系统 这是最重要的一类定位技 术，它主夏是根据信号波束的强度 ( s s o a ) 、到达角度( a o a ) 、到 达时删【t o a ) 、到达时间差 ( t d o a ) 币至0 达时l 可年口( t s o a ) 等参数的测量值来估计m s 的位 置。 12 31s s o a 定位技术 图1 3s s o a 定位技术示意图 s s o a 是一种传统的也是非常 普遍的定位技术【9 - 1 1 】。它基于己知的电波传输数学模型，通过测量到达信号的 场强( s i g n a ls t r e n g t h ) 来估计信号源和测量设备之间的距离，并用这些的距离值 柬估计m s 的位置坐标。如图1 3 所示，在视线( l o s ) 传播条件的假设下，以测 量设备的位嗣坐标为中心，以距离估计值为半径划圆，就得到一条圆周定位线l o p ( l i n eo f p o s i t i o n ) ，而信号源必然位于l o p 上的某一点。对于n 维定位系统，用 n + l 条l o p 相交就可以求得信号源的位置估计值。在城市环境中，蜂窝移动系统 工作频段的电波传输损耗可以用h a t a c c i r 模型或者w i m 模型来描述信号传播 的路径损耗规律【1 2 】，对于郊区、农村等电波传播环境，则可以用 c o s t 2 3 1 一w a l f i s c h i k e g a m i 和c o s t 2 3 1 - h a t a 等模型来计算路径损失和传播距离之 问的关系。 利用s s o a 算法对m s 进行位置估 、，：n 计，可以直接利用现有的系统硬件设备， l 一 对软件的改动也比较小，因而，具有简便 ：胖、 易行，造价低廉的优点。然而，由于无线；l 拱1 2 信道周有的衰落和多径干扰等因素的影叫、 l 响，用s s o a 算法估计m s 到b s 的距离，瓜q ，一剥：一l 0 9 引入的误差非常大。虽然，对多次测量的u j 二一一。lo p 结果进行滑动平均，可以在一定程度上抵 1 消快衰落的影响，但是，对于慢衰落引入 图l 一4a o a 定位技术示意图 的洲量误差，目前，尚没有很好的解决办 法。研究结果表明，在城市环境下，慢衰 落对信号强度的影响可以达到6 - 1 0 d b ，对应的距离误差近千米【1 3 】，这对估计结 粜的影响是非常严重的。另外，诸如h a t a c c i r 和c o s t 2 3 1 一w a l f i s c h i k e g a m i 4 一 一，! ! 塞些皇銮兰堡圭兰篁丝耋 等传输损耗模型，只是笼统地反应了某种传播环境中的一般规律，由于各个c e l l 的地形、地貌、面积、几何形状和建筑物分布等特征各不相同，用同一个模型来 估计m s 到b s 的距离也必然会引入计算误差。因此，s s o a 方法通常用在定位精 度要求不高的场合，或者作为一种辅助手段配合其他定位方法使用。 1 232a o a 定位技术 图1 - 4 为a o a 定位技术示意图。在该系统中，各个b s 通过测量m s 信号波 束的a o a 参数，确定一条白天线几何中心出发的射线作为l o p 。然后，通过计算 几条这样的l o p 的交点坐标，估计m s 的位置。在图1 - 4 所示的二维定位系统中， 确定_ = 北方向为坐标系的纵轴正方向，并假设b s - 和b s 2 的天线j l 何中心的坐标 分别为x ，= ( ，y ，) 和x ：= ( 心，y ：) ，相应的l o p 的方位角分别为口和吗，则定位方 程组 必= c t g a 一l ( 3 ) 芏旦= c 舭： x x 的解就是m s 的位置坐标估计值x = ( z ，y ) 。 在三维定位系统中，每条l o p 的方向由水平角和竖直角两个角度来决定。 以竖直向上的方向为z 轴的正方向，则第i 条l o p 的方向余弦为 ( c o s d ，s i n 识，s i n a ，s i n 口o ，c o sr f l , ) ，其中，q 为l o p 正向与x 轴正向的夹角( 水平角) ， 虞为l o p 正向与z 轴f 向的夹角( 竖直角) ，由文献【1 4 1 的结论可知，相应的 标准式定位线方程为 ! 二当：三玉 ( 4 ) c o s u ? s i n 毕。s i n u is l n plc o s 中 如果有n 个b s 参与定位，则( 4 ) 式所示的方程共有n 个。在所有a o a 参 数都不包含误差的理想情况下，这n 个方程只有两个有用，任意选取其中的两个 都可以计算出m s 的位置坐标。事实上，a o a 参数中总是不可避免地包含着测量 误差或者n l o s 传播条件等因素引入的误差。这时，需要使用全部n 个定位方程， 利用最小二乘( l s ) 法等优化方法计算m s 位置的最佳估计值。 由前面的叙述可知，a o a 定位技术的核心是a o a 参数的估计。从近几年的 研究成果来看，常用的a o a 估计算法主要可分为三大类，即传统的波束成型 ( b e a m f o r m i n g ) 算法、子空间分解算法和最大似然( m l ) 算法【1 7 。这些算法 的具体细节将在第3 章论述。 第1 章绪论 已有的研究结果表明，当m s 与参与定位操作的b s 之间都存在直达波束( 满 足l o s 条件) 时，a o a 定位算法的精度通常会高于t d o a 等基于时间参数的定 位算法【18 】。而当上述l o s 传播条件得不到满足时，a o a 定位技术的性能就会 急剧恶化【1 9 】。这是因为a o a 定位算法对测量误差的敏感程度( g d o p 指标) 要远高于7 f o a 、t d o a 等基于时间测量的定位方法。在现实的蜂窝移动通信系统 中，卜述l o s 传播条件得到满足的情况非常少见。此外，由于数学工具的局限， 刘a o a 参数误差统计特性的研究也远比不上对各种时间参数误差统计特性的研究 求得深入。 123 3 基于时间测量的定位方法 基于时问测量的定位方法主要包括t o a 定位技术、t s o a 定位技术和t d o a 定位技术。从目前的理论研究和工程应用的情况来看，这是应用最广泛、性能最 好、也最有前途的一类定位方法。 1 2 331t o a 定位技术 t o a 定位技术也称为测距( r a n g i n g ) 定位技术，从基本原理来看，它与s s o a 定位技术类似，也是象图】- 3 那样，通过测量m s 到各个b s 的绝对距离，得到以 各个b s 的天线儿何中心为圆心的圆周l o p ，然后，通过计算几条l o p 的交点来 估计m s 的位置，其中，每条l o p 的半径等于m s 到相应的b s 的距离。t o a 技 术的测距方法与s s o a 技术不同，它通过估计信号波束从m s 出发达到b s 的时问 来计算m s 到b s 的距离。假设信号从m s 出发到达b s i 的时间为m 则m s 到b s r i d g e 离为 = ( 5 ) 相应的定位线方程为 1 | x x 川= f ，i = 1 ，n ( 6 ) 这里，x 是m s 的坐标，x 是b s i 的坐标，n 为参与定位的b s 的数量， 也就是l o p 的数量。通常，距离测量值 总是存在误差的，因而，( 6 ) 式所包含 的n 个方程通常是矛盾的，需要借助于 l ，s 方法来求解。 为了准确地测量信号传播时间， m s 必须与b s 的时钟严格同步，这点 在某些系统中实现起来有一定的难度。 在i s 9 5 系统中，每个b s 通过g p s 图1 - 5t s o a 定位算法示意图 6 噤叫 ， 1 、j ，hj l 、。八 = = = = ：。型皇垡望圭耋堡鎏兰 授时获得与g p s 时间精确同步的系统时间，系统时间再通过寻呼信道送往各令 m s 。在进行距离测量时b s i 可以将系统时间发送到m s ，m s 收到后再将系统时 问发同b s i ，b s i 用下面的公式就可以计算出信号从在m s 到b s i 所用的时间 r ，= 扣 ( 7 ) 这里，t ，是正确的系统时间，t ：是m s 发回的系统时问，f 。是m s 的处理延 迟。 f o a 方法的另一个缺点是定位精度与b s 的分布以及m s 在定位区中的位置 有很夫的关系。当所有的l o p 在m s 处垂直相交时，t o a 定位算法的精度最高， 并且，定位结果是唯一的，不需要其他的辅助措施来克服多个交点带来的模糊性。 然而，在实际系统中，这一理想条件很少得到满足。 1 2 3 ，3 ，2t s o a 定位技术 如图1 - 5 所示，t s o a 定位技术的定位线是以成对的b s 为焦点的椭圆。在 实际的定位过程中，系统通过测量信号在b s 、m s 和b s 之间的传播时间来确定 m s 到两个b s 的距离和即 ，= c f 。= c ( r ，+ r ，) ( 8 ) 然后，利用关系式 f 防一l f + f 一，8 = 毛，i ，= 1 ， ( 9 ) 可以确定一条椭圆形的l o p 。 这里，c 为信号传播速度。 假设有q 个b s 参与对m s 的定位操作，用上述方法共可以产生c ：条l o p 。 在没有测量误差的情况下，所有的l o p 只有一个公共交点，该点坐标就是对m s 坐标的准确估计。当存在测量误差时，通常全部的l o p 没有公共交点，需要用l s 等方法按照一定的标准估计m s 的坐标值。 与t o a 方法相比，t s o a 不需要 m s 与b s 时钟同步，因此，实现起来相 对容易一些。然而，在蜂窝移动通信系 统中，通常m s 与b s 之闯的传播路径 被建筑物或者其他的地形、地物所阻断， 信号波束不得不通过折射、绕射等方式 传播。在这种没有视线路径( n l o s ) 的传播条件下，实际测量得到的信号传 播时间中包含了一个n l o s 附加误差， 即 f ，= 4 - t ，m ，4 - t p i = 1 ，一，n ( 1 0 ) 本。w 名南巫 似 图1 - 6t d o a 定位算法示意图 第1 章绪论 = = ! 穹! ! = ! = = 穹= 毫= = = 葛! = ! ! = ! ! 毒帛鼍暑詈詈号! = = 车= ! = ! 鼍= 詈詈= 詈一 这单，r j 为存在直射波束( l o s ) 条件下，信号波束从m s 至：l j b s i 的传播时 叫，r 。为信号波束从m s 到b s i 的传援过程中引入的n l o s 附加误差，t 。为等 效到b s , 的测量误差。测量数据表明，在g s m 蜂窝移动通信系统中n l o s 附加误 差f 。，的变化范围为【0 m ，1 3 0 0 m 】 2 0 1 。由于随机变量与o 。，( i 譬，) 是相互 独立的，( 8 ) 式所代表的测量过程，会使得n l o s 附加误差豹影确进一步加剧。 冈此，在实际的无线定位系统中很少采用t s o a 定位技术。 123 3 3t d o a 定位技术 1 jt s o a 定位技术拥对应，t d o a 定位技术是利用信号波束从m s 到达不同 b s 时所需时间的差值来估计m s 的位置的。如图1 6 所示，在t d o a 定位算法中， l o p 是一条以一对b s 为焦点的双曲线。在实际的定位操作中，系统通过m s 信号 达到不同f 内b s 的时削差来计算相应的t d o a 参数 d 。= c ( r ，一r 。) ( 1 1 ) 相应的l o p 方程为 l i x 一，e x i i = i ，i ，= 1 ，n ( 1 2 ) 类似于t s o a 算法，t d o a 算法也不要求m s 与b s 的时钟同步，因而，便 ：工程实现。在有n 个b s 参与的t d o a 定位系统中，总共可以有c ：条l o p 。在 没有测量误差的情况下由式( 1 2 ) 表示的c ：个l o p 方程是一致的，因而，所有 的l o p 只有个公共交点，该点坐标就是对m s 坐标的准确估计。当存在测量误 差时，通常全部的l o p 没有公共交点，需要根据不同的约束条件用l s 等方法估 计m s 的位置。 在t d o a 定位系统中，m s 不必再象在t s o a 系统中那样中转b s 发来的专 门用于测量t s o a 参数的定位信号，因而，对m s 的硬件改造就可以省略掉，这 在实际应用中是非常有意义的。 t d o a 算法最大的优点在于它对n l o s 附加误差有很强的抵抗能力。从式 ( 1 6 ) 和式( 1 7 ) 可以看出，在测量某一对b s 关于m s 的t d o a 参数时，m s 到 = _ _ 卜同b s 的传播路径上n l o s 附加误差是互相抵消的。因此，从测量过程的本身来 看，t d o a 定位技术在抵抗n l o s 附加误差的影响方面具有其他测量定位技术所 不其备的优势。在i s 9 5 系统中，所有的b s 都以g p s 时间为基准，采用t d o a 定位技术对m s 进行位置估计是非常方便的【2 l 一2 3 1 。 1 2 4 混合定位系统 随着蜂窝移动通信技术的发展和集成电路工艺水平的提高，移动通信网络己 经能够越来越精确，越来越方便地提供上述各种移动台定位技术所需要的测量数 北京哪电大学博士学位论文 据。由于单凭任何一种技术都很难在所有的应用环境中提供足够高的定位精度 【2 4 】，如何充分利用网络提供的各种测量结果来进一步提高m s 的定位精度，就 成为摆在人们面前的一个新课题。在3 g p p 的相关规范中，网络辅助g p s ( n e t w o r k a s s i s t e dg p s ) 被列为一种候选方法，用来弥补仅仅依靠蜂窝移动通信网络对m s 进行定位所带来的精度不够和覆盖面小等不足【2 】。目前，已经有多种混合定位 方法受到人们的关注。从已有的文献来看，引起人们研究兴趣的混合定位技术主 要有t d o a a o a 混合算法、t d o a t o a 混合算法和t o a a o a 混合算法等。 1 3m s 定位技术的难点 山于现有的蜂窝移动通信系统在工作频段、传播环境以及定位范围等方面都 t 弓传统的无线定位系统有着很大的差别，照搬传统的定位技术和算法，无法满足 定位精度要求。与传统的无线定位方法相比，蜂窝移动通信系统中m s 的定位面 临着许多新的问题，主要的技术难点有以下几个方面： 1 3 1 “可测性”问题( h e a r a b iii t y ) 2 3 】 除了t o a a o a 混合定位方 法以外，其他几乎所有的m s 定位 方法都要求多个b s 同时参与。这 就要求所有参与定位的b s 必须能 够接收到相应的m s 发出的信号， 或籽m s 能够接收到所有参与定 位的b s 发出的信号( 间接定位方岗1 7m s 收到不嗣数量b s 信号的概率 案的要求) 。 就现有的蜂窝移动通信系统而言，这些要求实现起来都有一定的难度。对于 莳者，由于m s 距离其他小区的b s 相对较远，在i s 一9 5 等系统中，为了提高系统 容量还要列m s 实行功率控制，几个b s 同时接收到m s 的信号的要求，常常得不 到满足。对于后者，通常m s 距离相邻蜂窝小区的b s 较远，来自这些b s 的信号 较弱，可能会超出m s 接收灵敏度所能容忍的范围，从而，出现“收不到”的现 象。另外，由于b s 的发射功率通常是固定的，当m s 距离本小区的b s 非常近刚， 其射频时端会被本小区的b s 的信号阻塞掉，因而，“收不到”其他b s 发出的信 号。 图1 7 为诺基亚( n o k i a ) 公司对g s m 网络中b s 数量与m s 收到概率的 变化 | ! ! 律的调查结果 2 0 1 。从中可以看出，在农村地区，m s 能够同时接收到3 个以j 二的b s 信号的概率仅为7 0 左右，在城区，这个比例也只有9 0 。据文献 辨l 写 绪论 2 3 】记载，c e l l s c a n t ”系统在美国典型城市和农村环境中的测试结果，也有类似 的结论，只不过相应的概率值更低，这显然无法满足l c s 的覆盖性要求。 近几年，人们提出一些专门的算法和技术来解决“可测性”问题，这其中主 要包括m s 功率提升( p u f ) 技术 2 5 】、下行链路空闲周期( 1 p ，d l ) 技术【2 6 】 和虚拟消隐累加( c v b ) 技术【2 7 】。p u f 技术是指m s 在请求l c s 时增加其发射 功率，使篼多的b s 得以测量其定位参数。该方法主要用来解决直接定位系统中的 “叮测性”问题。i p d l 是在对m s 进行定位操作期间，宿主b s 暂时停止发射， 使需要定位的m s 能够接收到临近b s 的信号，测得所需的定位参数。显然，这需 要耗费定的系统资源。在c v b 技术中，m s 与参与定位的b s 同时对下行链路 进行采样，计算与信号较弱的b s 有关的t d o a 参数时，则先对其他b s 的信号进 行消隐( b l a n k i n g ) ，从而，排除信号较强的b s 的干扰。这种方法的优点是系