（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统无线定位方法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 未来移动通信系统将给人们带来更高的话音质量，更丰富的多媒体业务和更多 的增值业务，其中的无线定位业务被公认为未来最具有吸引力的增值业务之一。作 为移动通信3 g 标准之一的t d s c d m a 系统，以其先进的技术特征和丰富的业务类 型受到各界的广泛关注。因此，将这两个热点结合起来进行研究具有重要意义。 目前，定位研究的内容涉及蜂窝网络移动定位技术的方方面面，本文针对蜂窝 网中无线定位这一热点，研究了t d s c d m a 系统中无线定位的基本方法。智能天 线是t d s c d m a 系统的关键技术之一，如何将智能天线技术应用于无线定位，最 大限度地发挥t d s c d m a 系统在定位中的优势，是本文研究的重点。 本文的主要研究工作如下： 分析了t d s c d m a 系统的关键技术及其对无线定位的影响，讨论了该系统 的基本定位方法，重点介绍了如何从t d s c d m a 系统中提取移动终端定位所需的 到达时间( t i m eo f a r r i v a l ，t o a ) 、到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，t d o a ) 等参 数。 针对t d s c d m a 系统采用的是均匀圆阵智能天线这一特点，讨论了定位参 数到达角( a n g l eo f a r r i v a l , a o a ) 及多径时延的联合估计方法，重点分析了在存在非 视距( n o nl i n eo f s i g h t ，n l o s ) 传播的城市密集环境中，基于相干分布信源模型的角 度和角度扩展估计方法。 在上述工作的基础上，将基于宏蜂窝小区的t d o a a o a 可行域约束方法应 用到城市微蜂窝小区，并分析了如何用该方法减小n l o s 对定位结果的影响，通过 仿真验证了方法的有效性。 最后，对本文进行了总结，展望了未来的工作。 关键词：无线定位，a o a 估计，相干分布源，角度扩展，可行域 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l lb r i n ga b o u tt h em o r es u p e r i o r q u a l i t yo fv o i c e ，t h em o r ec o l o r f u l m u l t i m e d i as e r v i c e sa n dt h em o r ea d d e dv a l u e s w i r e l e s sl o c a t i o ns e r v i c eh a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e da st h eo n eo ft h em o s ta b s o r b i n g v a l u e a d d e ds e r v i c e s a so n eo ft h em a i ns t a n d a r d so ft h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) ，t d s c d m as y s t e m ，w i t ha d v a n c e df e a t u r e sa n dv a r i e dt y p e so f s e r v i c e ，i sa t t a c h i n gg r e a ta t t e n t i o n s s ot h e r ei sr e m a r k a b l es i g n i f i c a n c e t oc o m b i n i n gt h e r e s e a r c h e so ft h et w oh o ts p o t s t h em o b i l es t a t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g i e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n v o l v e m a n yt e c h n i q u e sa n de x t e n dt ob r o a da r e a s t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h el o c a t i o n t e c h n o l o g yi nt d s c d m as y s t e m b e s i d e s ，s m a r ta n t e n n ai st h ek e yt e c h n o l o g yo f t d - s c d m a s y s t e ma n dl o c a t i o nw i t hs m a r ta n t e n n aw i l la c h i e v eb e t t e rp r e c i s i o n s ot h e s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi st h er e s e a r c he m p h a s i si nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h el o c a t i o nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t w oe f f e c t i v el o c a t i o n s y s t e md e s i g n sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r , o t d o aa n dt d o a - a o a t h e n , t h e l o c a t i o n p a r a m e t e r se s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do ns n h a r ta n t e n n ai nt d - s c d m as y s t e ma n dt h e l o c a t i o ne s t i m a t i o nm e t h o d sf o rm i t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo ft h en l o sp r o p a g a t i o na l e s t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ea v a i l a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m s e c o n d l y , i m p r o v e m e n tm e t h o du n d e rd e n s eu r b a nf a d i n ge n v i r o n m e n ti sd e s i g n e d f o ra o aa n dt d o a p o s i t i o n i n gt oa c q u i r eb e t t e rp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di se a s yt ob ei m p l e m e n t e da n dm o r ef l e x i b l e f i n a l l y , w em a k ec o n c l u s i o n sf o rc o m p l e t e dw o r ka n dp r o s p e c tf o rd i r e c t i o n so f f u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a t i o n ，a o ae s t i m a t i o n , c o h e r e n t l yd i s t r i b u t e ds o u r c e ，a n g l e s p r e a d ，t h ef e a s i b l er e g i o n 重庆邮电大学硕士论文缩略语 a o a b h d c a f d d g p s g b s b g b s b c m j a d e j d l o s n l o s o t d o a p c s a t d d t d o a t o a u c a 缩略语 a n g l eo f a r r i v a l 到达角 b a t o nh a n d o v e r接力切换 d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n动态信道分配 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 全球定位系统 g e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l eb o u n c e单次反射模型 g e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l eb o u n c ec i r c u l a rm o d e l 单次反射圆模型 j o i n ta n g l ea n dd e l a ye s t i m a t i o n联合角度时延估计 j 0 i n td e t e c t i o n联合检测 l i n eo f s i g h t视距 n o nl i n eo fs i g h t 非视距 o b s e r v e d ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l观测到达时间差 p o w e rc o n t r o l功率控制 s m a r ta n t e 衄a智能天线 t u n ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l到达时间差 t t m eo f a t d v a l 到达时间 u n i f o r i l lc i r c u l a ra r r a y均匀圆阵 v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，随着移动通 信技术的快速发展，移动通信已经走进3 g 时代。3 g 系统的最大特点是可以提供高 速无线数据下载功能，在高速无线网络的支持下，可以利用高精度的定位技术开发 出丰富多彩的无线定位业务，这为无线定位业务提供了广阔的发展空间。因此，定 位服务是3 g 的重要内容之一，3 g p p t i j 和3 g p p 2 中都对定位提出了具体要求。此外， 无线定位业务本身可以带来众多的附加业务，其在第四代移动通信系统中同样会受 到越来越多的关注。 基于蜂窝网络的无线定位技术是一种新的不依赖于全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m , g p s ) 的定位技术，具有非常广阔的应用前景，它既可满足终端的定 位需求，也可应用于蜂窝网络系统设计及网络资源管理。随着移动通信技术的发展， 用户对移动通信系统的服务提出了更高的要求，如各种基于位置信息的服务，相关 的无线定位业务主要有：应急救护系统管理，移动终端防盗打管理，基于用户位置 的灵活付账系统，车辆的管理，货物的存放和管理等。 广阔的应用前景和市场价值推动了无线定位技术的发展，而政府的强制性要求 以及3 g p p 和3 g p p 2 对定位要求的具体化，促使了蜂窝网络的无线定位技术研究出 现新的热潮。3 g p p 中与定位相关的标准协议主要有：3 g p pt s2 2 0 7 1 ，3 g p pt s 2 3 0 1 2 ，3 g p p t s2 3 2 7 1 ，3 g p p t s 2 5 3 0 5 ，3 g p p t s2 5 4 5 3 等。美国联邦通信委员 会于1 9 9 6 年公布了e 9 1 1 定位需求，要求2 0 0 1 年1 0 月1 日起各种无线蜂窝网络必 须能够对发出紧急呼叫的移动终端提供一定精度要求的定位服务，并对定位精度也 进行了相关规定，要求未来必须支持更高的定位精度以及三维位置信息。其后，于 1 9 9 9 年对e 9 1 1 需求进一步细化，对网络设备和手机生产厂商、网络运营商等对定 位技术在网络设备和移动终端中的实施和支持提出了明确要求和日期安排。这一规 定明确了提供e 9 l l 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。 由于c d m a 是新一代移动通信系统3 g 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关注。国内外对w c d m a 、窄带c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 系统中定位技术的研究都比较成熟，相应的定位业务已经展开。比如英 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 国v o d a f o n e 公司的s t a t i o n 服务，可以根据用户所在区域向用户终端发送相应信息 的服务；l o c og u i d e 服务，可以提供基于位置的交通信息、最近的餐馆、休闲场所、 银行、医院和其他服务等；s k 的g a t e g p s 业务，提供电子地图、餐馆指南；中国 联通的“定位之星”，能提供气象信息、交通信息和城市指南等服务。 作为3 g 三大主流标准之一的t d s c d m a 系统在无线定位方面具有自己独特的 优势。特别是该系统在基站侧使用了智能天线，能够进行a o a 估计，能充分利用 各种定位参数以获得尽可能高的定位精度，从而提高服务质量，为运营商的业务拓 展提供了更广阔的选择空间。国内已有相关单位开始了基于t i ) s c d m a 的无线定 位技术的研究工作，开发定位业务平台，促进t d s c d m a 基于位置服务的稳定与 成熟，配合t d s c d m a 大规模商业化进程。 1 2 国内外研究现状 近年来，受定位业务市场发展的驱动，无线定位技术发展很快，i e e e 有关期刊 和会议上发表了大量研究论文，各大通信公司、许多大学和研究机构均投入此项技 术的研究。目前，定位研究的内容涉及蜂窝网络移动定位技术的方方面面，包括各 种基本定位方法、技术和定位算法的研究【2 捌，t o a 、t d o a 、a o a 检测技术的研 究【4 5 1 ，定位参数的联合估计【6 ，7 1 ，抗非视距传播、多径和多址干扰技术的研究【8 9 1 ， 数据融合技术方面的研究【1o 1 1 】，定位技术实施方法的研究，定位系统的性能评估【1 2 1 等。 定位参数估计的准确性直接影响着定位结果，视距l o s ( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 传播 是得到准确定位参数的必要条件，影响参数估计准确性的因素主要是多径传播问题 和n l o s 传播问题。在蜂窝网中，由于非理想的信道环境，使得移动终端和基站之 间多径传播，n l o s 传播普遍存在。因此，如何减少多径传播和n l o s 传播带来的 影响是无线定位领域的研究热点之一。目前国内外的学者已经提出了许多能有效降 低n l o s 传播影响的方法，如多项式平滑、残差比对法、残差加权算法、误差模型 法、距离尺度因子法、卡尔曼滤波重构法掣1 3 。1 5 1 。 在第二代蜂窝移动通信中能够提供t o a 、t d o a 、s s 等多种信号特征参数，在 第三代移动通信系统中，智能天线作为t d s c d m a 系统的关键技术之一【1 6 】，能够 提供a o a 参数。由于每一种基于不同信号特征参数的基本定位技术各有优缺点和 局限性，因此需要深入研究如何采用恰当的混合定位技术，充分利用信号的各种特 征参数以获得尽可能高的定位精度。 在移动通信系统中般只考虑在基站使用智能天线。在基站采用智能天线， 旦收到信号，即对天线阵列的接收机产生的响应作相应的处理，可以获得该信号的 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的a o a t l 7 1 。智能天线技术的应用为基于a o a 的定位方法提供了条件，在已经使用了智能天线的t d s c d m a 系统中，a o a 技术 能够在不增加额外成本的前提下实现高精度的单基站定位，同时相比其他没有使用 智能天线的系统，在基站获得相同的定位参数后还可以再利用a o a 进行数据融合 【l 引，从而进一步提高定位精度。t d s c d m a 系统中智能天线技术的应用向运营商 提供了一个低成本、高精度的差异化定位业务方式，同时也为他们提供了一个极具 竞争力的选择。 目前，学术晃对t d s c d m a 系统中的定位方法已有所研究，但相对于g s m 、 i s 9 5 、w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 网络中的定位技术来讲，还不够成熟，还有许多研 究工作要做。同时，定位参数估计的准确性会直接影响到定位精度，由于多径传播、 非视距传播和多址干扰现象的存在影响了定位参数估计的准确性，要实现高精度的 移动定位，在定位技术及定位参数估计方法的研究上尚有许多问题需要解决。在 t d s c d m a 系统中，如何将智能天线技术应用于无线定位，最大限度地发挥该系统 的优势，提高定位的准确性等，值得深入研究。 1 3 论文结构 本文旨在将当前的两个研究热点t d s c d m a 系统和无线定位技术结合起来， 进行了较为深入的研究和探讨，取得了一些有意义的结果。 首先作者讨论了t d s c d m a 系统特点对无线定位的影响，在深刻理解 t d s c d m a 标准协议的基础上探讨了t d s c d m a 系统中基于终端的定位参数获取 方法，并对适用于该系统的定位方法作了简要介绍。针对t d s c d m a 系统在基站 侧采用了智能天线技术这一特点，重点研究了基于智能天线的定位参数估计及其在 无线定位中的应用。最后本文对如何利用智能天线得到的参数估计结果来减轻非视 距的影响进行了研究，仿真验证了该方法的有效性。 本文具体内容安排如下： 第一章概述无线定位技术的研究背景和国内外研究现状。 第二章针对t d s c d m a 系统，说明了定位体系结构以及定位过程。着重讨论 了t d s c d m a 系统特点对无线定位的影响，分析了适用于该系统的几种定位方法。 第三章主要对o t d o a 定位技术中涉及到的方法进行研究，包括定位参数到达 时间差t d o a 的估计以及求解o t d o a 定位方程的算法，并进行仿真分析。 第四章讨论了a o a 估计方法及a o a 和多径时延的联合估计方法，重点分析了 在存在非视距传播的城市密集环境中，基于相干分布信源模型的角度和角度扩展估 计方法。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第五章讨论了t d o a a o a 混合定位方法，分析了基于宏蜂窝小区模型减少非 视距影响的定位方法，并将此方法应用于存在非视距传播的城市微蜂窝小区环境中， 详细分析了如何利用基于相干分布信源模型估计得到的a o a 和角度扩展参数进行 定位，减少n l o s 的影响，对该方法进行了仿真实验，并对仿真结果进行分析。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章i 1 3 s c d m a 系统中的无线定方案 第二章t d s c d m a 系统中的无线定位方法 作为3 g 主流标准之一的t d s c d m a 系统，因为采用了智能天线技术，能够提 供a o a 参数，提高了定位精度，从而提高服务质量，为运营商的业务拓展提供了 更广阔的选择空间。国内外已开始了基于t d s c d m a 系统无线定位技术的研究工 作，开发定位业务平台，从而促进t d s c d m a 基于位置服务的稳定与成熟，配合 t d s c d m a 大规模商业化进程。因此，本章以) s c d m a 系统为基础，讨论了无 线定位的方法和技术。 2 1t d s c d m a 系统特点及其对无线定位的影响 t d s c d m a 作为中国自主知识产权的第三代移动通信国际标准，关键技术有时 分双t ( t i m ed n i s i o nd u p l e x ，t d d ) 、联合检澳t l ( j o i n td e t e c t i o n ，j d ) 、智能天线( s m a r t a n t e n n a , s a ) 、动态信道分配( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n , d c a ) 、接力切换( b a t o n h a n d o v e r , b h ) 、功率控制( p o w e rc o n t r o l ，p c ) 、上行同步c u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n ) t 1 9 】 等，其中智能天线、上行同步、多用户联合检测等在t d s c d m a 的特色业务开展 方面，尤其是移动终端精确定位方面显示了极强的优势。 t d s c d m a 基站和用户终端的不连续发射技术 由于t d s c d m a 系统采用多时隙不连续发射技术，在信号传输过程中，抗多径 衰落和多普勒效应能力比连续传输的频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 方 式差，因此i t u 要求t d d 系统用户终端的移动速度能达至u 1 2 0 k m h ，而f d d 系统则要 求达至u s 0 0 k m h 。这主要是因为f d d 系统是连续控制，而t d d 系统是时间分隔控制 的。由于快衰落对t d d 系统有很大影响，因此t d s c d m a 系统在支持高移动特性的 终端问题上存在着挑战。 t d s c d m a 系统不连续发送数据的特点，除了对终端的移动速度造成影响外， 对实现终端定位也有一定的影响，表现在接收机( 基站或者终端) 的信号检测、同步 处理和估计信号传播时延等方面。t d d 模式下物理信道的突发结构会对定位的时延 参数t o a t d o a 的准确估计带来一定的困难。 t d s c d m a 系统独特的帧结构 t d s c d m a 帧长为1 0 m s ，1 0 m s 帧分为两个5 m s 的子帧。图2 1 为t d s c d m a 无 线帧子帧结构，一个子帧中的业务时隙总共为7 个，除时隙t s 0 必须用于下行、时隙 t s l 必须用于上行方向外，其余时隙的方向可以变化。其中导频信道固定位于特殊 5 重庆邮电大学硕十论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 时隙，广播信道b c h 固定位于时隙t s o 。从该帧结构可以看出，导频信道和b c h 信 道工作在独立的时隙，它们的干扰情况与业务时隙不同；同时，导频信道和b c h 信 道采用普通全向波束或定向波束，与业务信道的智能天线波束赋形增益不同。 r转换点。”“、一中77 il转换点 i i t s 0t s lt s 2t s 3t s 4t s 5t s 6 l 1i 、一 转换点 c h i p ) d l ( 6 4 c h i p ) ( 9 6 c h i p ) u l ( 1 2 8 c h i p ) c h i p ) 图2 1t d s c d m a 无线子帧结构 在利用接收到的信号进行t o a t d o a 参数估计时，接收到的信号可以是导频信 号，也可以是其他时隙的信号。根据t d s c d m a 独特的帧结构，可以利用导频信道 进行t o a 参数估计，从而估计终端的位置。在基于网络的定位方法中，可以利用上 行导频c u p p t s ) 时隙的上行同步码s y n c u l 估计时延。在基于终端的定位方法中， 可以利用下行导频时隙( d w p t s ) 的下行同步码s y n c d l 估计时延。 同步技术 作为三大主流标准之一的t d s c d m a 系统具有自己独特的优势。利用系统本身 独有的特性来实现用户定位，如终端与网络严格的时钟同步( 上行同步) 、终端可以 利用基站导频信号的码片时延来确定距离等特性。而上述这些，特别是t d s c d m a 系统的同步性，正符合t d o a 定位方法对时间基准的依赖性高的要求，使得该方法 能够获得更好的应用。 联合检测 在c d 蝴信系统中，由于多个用户的随机接入，影响了所使用的扩频码集的 严格正交性，同时由于用户离基站远近不同，基站接收到的各用户信号功率可能相 差很大，而即使各用户到基站距离相等，多径衰落的存在也会使到达基站的信号各 不相同，到达接收机的各用户信号将会互相干扰，这样强信号会淹没弱用户信号， 产生远近效应。 在t d 。s c d m a 系统中，基站和终端都采用了联合检测技术来消除干扰。联合检 测是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是干扰信号来处理，这样就可以充分 利用各用户信号的幅度、定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。由 于t d s c d m a 系统具有t d m a 的特性，因此，每载波的用户大都被分布到每个帧各 传输方向的时隙，最终使每时隙中并行用户的数量很少，可通过较低的计算量和较 低的信干比要求即可有效地检测到信号。 在c d m a 蜂窝网定位中，引起定位参数估计误差与定位误差的因素有非视距传 6 重庆邮电大学硕士论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 播效应、多径传播效应、多址干扰及远近效应，必须采用相应的算法来减小它们的 影响。而联合检测的应用，增加了定位参数估计的准确性，提高了定位精度。 t d s c d m a 传播模型 目前各种3 g 标准所使用的传播模型中，c o s t 2 3 1 h a t a 模型适用于t d s c d m a 系统【2 0 1 ，它是一个经验模型，具体的公式如下： l = 4 6 3 + 3 3 9 1 9 z - 1 3 8 2 1 9 玩一口( ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 1 9 吮) l g d + c m 式( 2 1 ) 其中：( m h z ) 为频率，九( m ) 为有效发射天线高度，k ( m ) 为有效接收天线 高度，d ( k m ) 为发射天线和接收天线间的距离，口( ) 为有效移动天线修正因子， 在中等城市和郊区为o d b ，在市中心为3 d b 。 传播模型的选择从一定程度上反映了无线定位模型的特征，比如相应的多径传 播、视距和非视距传播等，这些都直接影响着定位参数如接收信号强度r s s i 、时延 参数t o a t d o a 的估计。选择适当的传播模型对无线定位很重要，注意到 c o s t - 2 3 1 。h a t a 模型适用的频率范围是1 5 0 0 m h z 2 g h z ，而目前t d s c d m a 系统所 使用的频段为2 0 1 0 m h z 2 0 2 5m h z ，所以还需研究适合t d s c d m a 系统自身特点的 传播模型。 直放站 t d s c d m a 直放站是用于t d s c d m a 移动通信网的全双工、线性射频放大的设 备，与其他系统直放站的主要区别是同步的时分双工模式。t d s c d m a 直放站正常 工作的前提是能够和基站取得同步。众所周知，t d s c d m a 是一个时分双工系统， 每个子帧包括7 个常规时隙、3 5 - 特殊时隙和两个时隙转换点。为使上下行信号顺利 完整地通过直放站，t d s c d m a 直放站必须与基站保持同步关系，以进行准确的收 发转换。如果t d s c d m a 直放站和基站失步，会使u e 不能正确解调信号，基站间 出现交错时隙，甚至导致整个网络瘫痪。 直放站对定位的影响体现在以下方面： 1 ) 对基于c e l l i d + r s s i 定位方法的影响。直放站会影响终端接收到的信号强 度，从而使得r s s i 不能正确反映出终端和基站的距离大小； 2 ) 对基于t o a t d o a 时间延时估计的定位方法的影响。由上面的分析可知，直 放站会对基站发射信号有一定的时间延迟，终端接收到的信号估计出的延时不仅包 括信号在传播路径中本身的延时，还包括直放站的传输延时，导致定位结果不准确。 智能天线 智能天线是t d s c d m a 系统的关键技术之一，采用8 阵元的均匀圆阵阵列结构。 相对于t d s c d m a 系统的其他特点，智能天线对无线定位的影响最大。参考目前 t d s c d m a 采用的多个厂家的智能天线s a 设备指标：公共信道不赋形，全向s a 公 共信道波束宽度为3 6 0 度，1 2 0 度板状s a 公共信道波束宽度为1 2 0 度；业务信道赋形， 7 重庆邮电大学硕士论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 阵元数为8 的全向s a 赋形波束宽度为4 5 度，阵元数为8 的1 2 0 度板状s a 赋形波束宽度 为1 5 度，也就是可以将覆盖区域分成8 个子区域。 在t d s c d m a 系统中，由于采用了智能天线和同步技术，我们可以方便的估计 a o a 、t o a 信息，使得在不对系统作任何修改的前提下方便地实现无线定位，提供 定位服务。 基站采用了8 阵元的智能天线来估计用户的角度信息，还能利用上行同步信道来 估计t o a ，这样单个服务基站便能利用已有的信息实现移动终端的位置估计。同时， 单一定位技术都有其局限性，若能充分利用网络提供的各种信息，综合不同定位方 法的优点，必将能够提高对终端定位的精度。在t d s c d m a 系统中，除了实现上述 单基站定位以外，还能充分利用基站所能检测估计到的各种定位信息，如a o a 、 t o a t d o a 等，进行数据融合定位【2 l 】，其原理图如图2 2 所示。 图2 2 智能天线与无线定位相结合的结构原理图 总之，在已经使用了智能天线的t d s c d m a 系统中，a o a 技术能够在不增加额 外成本的前提下实现高精度的单基站定位，同时相比其他没有使用智能天线的系统， 在基站获得相同的定位参数后还可以再利用a o a 进行数据融合，从而进一步提高定 位精度。t d s c d m a 系统中智能天线技术的应用向运营商和用户提供了一个低成 本、高精度的差异化定位业务方式，同时也为他们提供了一个极具竞争力的选择。 除了上述t d s c d m a 系统的特点外，网络的拓扑结构、基站和小区扇区的分布 关系、多载频特性等都会对无线定位产生一定的影响。 2 2t d s c d m a 定位体系结构及定位流程 2 2 1 定位体系结构 目前在3 g p p 中，已根据定位功能的要求制定了c d m a 相关的信令协议、接1 3 和 操作程序 2 2 1 ，能将终端估计位置以一种标准格式提供给用户、网络运营商等。本节 8 重庆邮电人学硕士论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 介绍了t d s c d m a 系统定位功能的网络结构。图2 3 简要描述 l c s 客户，服务器与 核心网络c n 间的关系。l c s 客户向l c s 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、计算功能等估计出u e 的位置，并将其返回给l c s 客户， 返回的信息中包含对定位精度的估计和测量时间。 图2 3 具有定位功能的t d s c d m a 网络结构 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。这里简要介 绍图2 3 中各模块的功能。 u e ：测量下行链路信号，或根据l c s 澳j 量要求，在上行链路上传输一些定位 需要的信号。u e 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。 l m u ：l c s i 煲q 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 也可以进行一些计算。l m u 可以根据接收到的测量请求进行信号测量，也可以自发 的周期性进行信号测量并报告结果。当无线信号条件发生明显改变时，l m u 也可能 因此进行信号测量。网络中一般不止一个l m u ，每次l c s 请求也可能需要不止一个 l m u 进行测量。l m u 有不同的类型，s r n c 根据l c s 定位方法选取适当的l m u 。目 前，l m u 有两种类型：独立l m u 和联合l m u 。 结点b ：进行信号测量，并将测量结果传递给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。 s r n c ：调整分配移动终端定位所需要的资源，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 ，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 采用u u 接口。 s r n c 的功能具体为：向其他r n c 请求与u e 定位有关的信息；定位请求流量控 制，根据优先级来安排定位请求；根据定位请求、q o s 和u e 的定位能力选择定位方 法；定位计算，并进行不同坐标系之间的变换，估计定位精度；提供u e 定位相关的 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 辅助数据：协同和控制u e 定位。 网关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 通过接口向h l r 请求路由信息。通过鉴权以后，g m l c 向3 g m s c 发送定位请求并接收其返回的最 后定位估计结果。 3 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、定位请求和鉴权等。 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 接口可以访问。对于漫 游的u e ，h l r 和s i 矾c 可能不在同一个p l m n 中。 g s m s c f - l c 接口支持c a m e l 访问l c s 。 2 2 2 定位流程 当r n c 从c n 收到定位请求，并通过u e 、l m u 、s a s 和n o d eb 等实体所获得的 信息，估测出u e 的位置并将其结果报告给c n 。有时s r n c 也把位置信息作为内部使 用，例如：提供位置信息辅助切换，具体定位流程如图2 4 所示。 l c nl c su t r a n 协调 i 澳里计算 l 实体 实体 定位请求 一 测量请& 测量 计算请求 一 一 计算结果 定位响应 图2 4u e 定位操作一般过程 在c nl c s 实体中，包括l c s 客户、l c s 服务器等，由l c s 客户发起定位请求， 如发送给l c s , 服务器鉴权请求，经返回鉴权响应后，再e h c n 发送定位请求，包括三 个过程：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，并根据隐私限制和定位请求的q o s 、u e 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 启动网络内的资源进行信号特征值的测量，并根据测量值计算出移动终端的位置； 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做出相应的处 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 理。定位计算完成后，根据需要对坐标进行转换，最后将定位结果按标准格式送回 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。具体的定位过程 如下： 首先c n 向u t r a n 的定位实体发送定位请求，定位实体中的协调实体对请求 进行判别，然后根据判别结果选择合适的测量设备和测量方法，通常是s m l c 来完 成： 向测量实体发出测量请求； 测量实体测出结果并返回给适当的定位计算模块进行位置估计，测量通常由 n o d eb 或l m u 来完成； 向计算实体发出计算请求； 计算实体计算出具体的位置结果并返回，计算通常由s m l c 来完成。 2 3t d s c d m a 系统可选用的定位方法及其比较 t d s c d m a 除了兼容现有其它网络提供的通用定位技术( c e l l i d 、a g p s 、 o t d o a 等) 外，还能提供以下特有的定位技术： a o a + t a 技术： t o a + a o a 混合定位技术； 基于多基站入射角度的a o a 技术。 2 3 1 基于c e l l i d 的定位方法 c e l l i d 定位方式是最简单的一种定位方式，它根据目标移动终端所处小区标 识c e l l i d 来确定移动用户的位置。要利用c e l l i d 进行定位，关键是终端要能够 获得c e l l i d ，在t d s c d m a 系统中都是可以获得的。 u e 开机后，都会进行小区初搜，读取广播信道b c h 获得系统信息，并将其存储 在s i m 卡中。并且，在以后所处各种状态中，都会一直收听系统信息。当系统信息 变化时如小区更新，应重新读取并存储更新后的系统信息块。在读取并存储了新选 小区的有效系统信息块后，可以把其设为当前的系统信息块。 通过读取b c h ，u e 可以获得有效的系统信息。接入网u t r a n 将把系统信息的 变化通过相应的调度信息在前向接入信道f a c h 上及时的广播给u e ，以便u e 重新读 取相应的系统信息。 重庆邮电大学硕士论文第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 2 3 2c e l l i d 卜r s s i 定位方法 假设基站采用的是全向天线，一个基站包括一个小区，正六边形为小区范围， 基站位于小区中心，通过上面的方法求出基站到终端的距离d ，则所定的范围在以 基站为圆心，以d 为半径的圆周上，如图2 5 蓝色区域所在圆周。 、区 图2 5 全向天线定位示意图 假设基站采用的是定向三扇区天线，一个基站包括三个小区，如图2 6 所示的正 六边形，基站位于三小区顶点，通过上面的方法求出基站到终端的距离d ，则所定 的范围为以基站为圆心，以d 为半径的圆周上，然后根据小区d ，可以得出终端在 以基站为圆周与小区的交界线，为一个扇区，如图为蓝色区域所示的扇区。 图2 6 三扇区天线定位示意图 此外还有c e l l i d + t o a 定位方法，该方法的基本原理和c e l l i d + r s s i 的定 位方法类似，这里不再重复叙述。 o t d o a 定位方法是基于终端的t d o a 定位方法，即由终端测量到达时间差并采 用相应算法估计出自身位置，需要先获得以下定位信息： 基站地理位置坐标 该条件与c e l l i d 的定位方法中的相同，不过，在此需要知道至少三个基站的 地理位置信息，在获得该参数时有一定难度。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章t d s c d m a 系统中的无线定方案 到达时间差t d o a u e 观测至少3 个小区广播信道下行导频信道( p c c p c h d w p t s ) 至u 达u e 的时间 差，利用终端侧的计算实体，根据获得的时间差，采用双曲面线算法来对u e 进行 定位，获得自身所在的位置。如果默认u e 同各个基站在同一水平面上，就可以采用 双曲线算法进行定位，不对l i e 的高度进行定位；如果u e 的高度不能被默认为基站 的高度，那么就要采取双曲面算法进行定位。 t d o a 的估计值获得可以通过广义互相关的方法获得，需要的参数有：服务基 站的下行同步码；从接收信号中提取其他基站的下行同步码。其具体估计过程和定 位方程求解问题将在第三章详细阐述。 2 3 4a o a 及其混合定位方法 t d s c d m a 系统将智能天线技术纳入了关键技术之一，基站能够进行a o a 估 计，使得基于a o a 及其混合定位方法得以实现。对于移动通信系统，一般只考虑在 基站使用智能天线。智能天线在移动通信系统中的应用可以更好的抗衰落、抗干扰、 增加系统容量，并且能够实现对移动终端的定位。在基站采用智能天线，一旦收到 信号，即对天线阵列的接收机产生的响应作相应的处理，可以获得该信号的空间特 征矢量及矩阵，由此获得信号的a o a 。智能天线技术的应用为a o a 定位提供了条件， 因此，可以将a o a 定位方法与t d o a 定位方法相结合进行定位，利用a o a 信息确定 移动终端的方位，限制并缩小了定位范围，进一步得到更为准确的移动终端位置估 计，这样可以很大程度的提高定位成功率和准确率。 2 4 本文采用的