（电路与系统专业论文）减小NLOS影响的TOA定位算法及其在GSM网中的应用研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着全球移动通信技术的迅猛发展，人们对移动通信业务的需求亦 日益增强，其中的增值业务引起了社会的广泛关注，而定位服务则是增 值业务中关注的焦点。因为有了定位服务系统，人们可以随时随地确定 自己的方位，实现车辆导航，构建智能交通系统，甚至可以延伸到生活 咨询服务等领域。目前，对蜂窝无线定位技术的研究还很不成熟，有许 多难题亟待解决，其中的一个主要难题就是如何提高定位的精度。 本文首先综述了蜂窝网络无线定位技术的基本原理，并在分析影响 定位精度的关键因素一一非视距( n l o s ) 误差的基础上，提出了基于到 达时间( t o a ) 的三基站定位算法、多基站联合定位算法和多基站动态 定位算法，这些算法利用n l o s 误差对于t o a 是一个正的附加延时超量 特性，采取求几何中心的方法来实现对移动台的定位，通过将这些算法 与加权最小二乘法进行仿真分析表明，以上算法明显地减小了n l o s 误 差的影响，提高了定位精度。文章最后对t o a 定位算法在g s m 网络中 的实现方案进行了探讨，该部分研究了g s m 网络定位系统的构架，并在 此构架的基础上，根据t o a 定位测量的特性，增加了一些定位模块，来 实现减小n o l s 影响的t o a 定位算法，通过与其它定位方法的比较可知， t o a 定位算法不仅在方法和原理上简单，而且易于实现，对于g s m 网络 是一种较为理想的定位算法。 关键词：蜂窝定位；到达时间；非视距；g s m 网络 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h e d e m a n do ft h ep e o p l et ot h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nb u s i n e s si si n c r e a s i n g i n c r e m e n tb u s i n e s sa r ed r a w nm u c ha t t e n t i o n l o c a t i o ns e r v i c e ( l s ) i sa h o t s p o ti na l lt h e s eb u s i n e s s b e c a u s et h el o c a t i o ns y s t e mi sa p p l i e d ，t h e p o s i t i o nw i l lb ek n o w na ta n y t i m ea n da n y w h e r e i tc anb eu s e di nv e h i c l e n a v i g a t i o na n de v e ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i l lb ec o n s t r u c t e d m e a n w h i l el o c a t i o ns y s t e mcanb ee x t e n d e dt oo t h e rf i e l d ss u c ha sl i f e c o u n s e l i n g c u r r e n t l y ，t h es t u d yi nw i r e l e s sl o c a t i o ni s n o tm a t u r e m a n y p r o b l e m si nt h el o c a t i o nt e c h n o l o g ya r eu r g e n tt ob es o l v e d i na l lt h e s e p r o b l e m s ，t h ei m p r o v e m e n to ft h el o c a t i o na c c u r a c yi st h ek e y i nt h i sp a p e r ，t h ew i r e l e ssc h a n n e le n v i r o n m e n ta n dt h eb a s i cl o c a t i o n t e c h n o l o g y a r ef i r s t l ys t u d i e d t h e nm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h e n o n - - l i n e o f - s i g h t ( n l o s ) e r r o r w h i c hi st h em o s tk e yf a c t o rw h i c h i n f l u e n c e st h el o c a t i o na c c u r a c y a tl a s t ，t i m eo fa r r i v a l ( t o a ) l o c a t i o n a l g o r i t h m f o rt h r e eb a s e s t a t i o n s ( b s ) ，m u l t i p l e b su n i t e dl o c a t i o n a l g o r i t h ma n dm u l t i p l eb sd y n a m i cl o c a t i o na l g o r i t h ma r ep u tf o r w a r d a l l t h e s ea l g o r i t h m sa r eb a s e do nt h eb a s i cc h a r a c t e ro ft h en l o se r r o r ( n l o s e r r o ri sa l w a y sp o s i t i v ei nt o am e a s u r e ) t h ep o s i t i o no ft h em o b i l es t a t i o n i s g o ta f t e rf i n d i n gt h e c e n t e ro ft h et o ag e o m e t r ym o d e l t h r o u g h c o m p a r i s o nw i t h w l sa r i t h m e t i c ，i t p r o v e s t h a ta l lt h e s e a l g o r i t h m s m i t i g a t en l o se r r o re f f i c i e n t l ya n di m p r o v el o c a t i o na c c u r a c ya c t u a l l y a t l a s th o wt oa p p l yt h et o am e t h o di nt h eg s mn e t w o r ki sd i s c u s s e d i nt h i s p a r tt h es t r u c t u r eo ft h eg s m i ss t u d i e d ，t h e na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f t h et o al o c a t i o nm e a s u r e ，s o m el o c a t i o nm o d u l e sa r ea d d e di nt h eg s m s y s t e m t h et o am e t h o df o rm i t i g a t i n gt h en l o se r r o ri si m p l e m e n t e d f i n a l l y ，w ec o m p a r es e v e r a lm e t h o d sw i t ht h et o am e t h o di ng s mn e t w o r k ， a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt o am e t h o di sa ni d e a ll o c a t i o nm e t h o di ng s m n e t w o r k k e y w o r d ：c e l l u l a rl o c a t i o n ：t i m eo fa r r i v a l ( t o a ) ；n o n - l i n e - o f - s i g h t g s mn e t w o r k i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 施动韵 日期：肋1 2 f 车牛月7e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：埘年中月7 日 日期：加盯年c 月銎日蹦施 翘钏 签签者师 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 无线定位技术的发展概述 无线定位技术主要有卫星定位和蜂窝网定位两大类。卫星定位包括g p s 、 g l o n a s s 以及我国的北斗双星等。g p s 定位系统是目前技术最为成熟和实用的卫 星导航和定位系统，它能在全世界任何地方和时间提供高精度与连续的位置、速 度、航向以及时间信息，由于它准确的时间信息还能为其它的定位方法提供定位 的时钟参考。 随着移动通信技术的飞速发展，许多安全部门和移动用户出于安全和方便 的考虑要求移动通信系统能够提供有关用户的位置信息即无线定位业务。 1 9 9 6 年美国联邦通信主管部门( f c c ) 做出明确规定，要求各蜂窝网提供者配合当地 公共安全应答点( p s a p ) ，对移动电话用户的紧急呼叫实行应急定位业务( 卜3j ( 代 号为e 9 1 1 ) 。由此，蜂窝网络定位受到了广泛的关注，这种关注极大地拓展了移 动通信的应用范围，并对蜂窝网定位技术提出了更高的要求，迫切需要一种简 单、廉价、易行的定位方法【。 在蜂窝网定位系统中，被定位的通常是普通的移动终端，如静止或慢速移 动的手机。目前，蜂窝网主要采用无线电定位技术，利用现有蜂窝网络中已知基 站的位置，通过附加装置测量从移动终端发出的电波信号参数，如传播时间、时 间差、信号场强、相位或入射角等，然后根据合适的定位算法推算出移动终端的 具体位置【4 】。蜂窝网定位系统按照所采用的技术不同有不同的定位方法：即基于 到达时间( t o a ) 的定位方法、基于到达时间差( t d o a ) 的定位方法、场强定 位( e o d ) 、角度定位( a o a ) 以及混合定位法等。 1 1 2 无线定位技术的应用 无线定位技术的应用由来已久， 此后，随着蜂窝网定位技术的发展， 生活的各个方面。 不过在初始化阶段仅局限于卫星导航领域。 人们生活方式的改变，目前已渗透到了社会 1 基于移动台位置的灵活计费 目前，手机计费常常是根据时长和距离来进行的，这对移动用户来说非常 不合理。因为在办公室内打手机和在行驶的车内打手机所消耗的资源明显不同。 如果移动网能支持定位，则可以确定用户当前的位置甚至运行速度，网络管理中 减小n l o s 影响的t o a 定位算法及其在g s m 网中的应用研究 心在计费时根据移动台所在的不同位置和速度收取不同的通话费。还可以在呼叫 频率高的区域收取较高的通话费，而在呼叫频率低的区域收取较低的费用，达到 调节蜂窝系统容量、提高系统竞争力的目的。 2 提高用户的安全保障 近年来由于移动用户的爆炸性增长，蜂窝系统中移动用户的报答呼叫和求 助呼叫的数量也急剧增加。在很多情况下移动用户并不能准确说出其所在的位 置，因此象有线电话那样能自动提供呼叫者的位置信息就显得尤其重要。这样将 会使有关应急部门能及时找到呼叫者，采取相应的救助措簏。 3 智能运输系统( 1t s ) 因智能运输系统中涉及到大量对车辆的定位处理，过去为此设计了a v l 系 统，为此要占用宝贵的频带资源，花费大量的硬件投资。在蜂窝系统中提供对移 动台的定位服务后，i t s 系统中就可利用该功能来取代a v l 系统，提供诸如车 辆及旅客位置、车辆的调度管理、监测交通事故、疏导交通等服务。 4 增强蜂窝性能 在蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后，微观上能准确地监测移动台的移 动，使网络方面能更好地决定什么时候从当前小区切换到下一个小区，宏观上移 动台的位置数据对配制网络结构和优化网络资源具有很好的参考价值。 5 蜂窝系统设计和资源管理 蜂窝网络具备定位能力后，网络设计者能改进他们对蜂窝系统的设计规划 能力。通过对呼叫移动台的定位，网络方面可根据其位置分配相应信道，从而提 高频谱利用率，对网络资源进行更有效的管理。经营多种业务的公司在任何时间 任何位置能让用户自由选择最适合其需要的服务载体。 6 生活咨询服务 生活咨询服务包罗万象，如与位置相关的广告、某些服务性机构位置的查询 等等。当前有些省市移动局的致欢迎词业务就是一种简单的与位置相关的广告业 务。 目前，在蜂窝网中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标信息及 定位精度估计。随着定位技术的发展，其它潜在的应用还将出现。 1 1 3 无线定位技术的研究现状 无线定位技术是目前比较热点的研究问题。其中基于时间的定位技术t o a 和t d o a 定位方法被普遍采用。由于无线电波受到多径、多址干扰以及n l o s 硕士学位论文 误差的影响等，使得移动台定位的特征测量误差值很难呈现规律性的分布。目前 针对如何消除这些误差值影响展开了广泛的研究，而减小n l o s 误差影响的算 法的研究又是其中的重点和难点。 国内外在对减少n l o s 误差影响的研究主要从两个方面进行，一是鉴别 n l o s 的存在以及测量n l o s 的大小，然后清除产生n l o s 误差的达到时间 ( t o a ) ，找出无n l o s 误差的t o a 来确定移动台的位置。目前，鉴别n l o s 的方法主要有w y l i e 鉴别方法、j o a nb o r r a s 提出的假设检验判决方法及残差分析 判决方法等。二是通过抑制n l o s 误差达到定位的目的。主要有基于w y l i e 鉴别 方法的抑制算法、加权最小二乘法( w l s ) 以及残差加权算法等。 对于已经提出的通过抑制n l o s 误差达到定位目的算法，虽然在一定程度 上减小n l o s 误差的影响，但是它们仍然存在着某些缺陷：w y l i e 和加权最小 二乘法都需要对n l o s 进行鉴别，它不单是要鉴别n l o s 的存在，还要尽量精 确地测量出它的大小，但是在蜂窝环境中，要鉴别哪些t o a 的值当中存在非视 距误差是非常困难的，有限的鉴别手段，造成误差很大，影响了定位的精度。残 差加权算法虽然在一定条件下能较好的抑制n l o s 误差，但是该算法需要通过 最小二乘( l s ) 方法估计出移动台( m s ) 的位置，然后再计算残差，最后进行 加权，该算法比较复杂。 除了上面讨论的基站抑制n l o s 误差的算法之外，国内外还有采用卡尔曼 滤波器【5 1 以及利用二元检测和线性回归抑制n l o s 误差的方法16 1 , 但是这些方 法的都还有待进一步的研究。 1 1 4 本课题的选题背景及其意义 蜂窝网无线定位技术在社会生活中得到了广泛的应用，其应用范围涉及到 安全服务、紧急报警、移动台位置计费、交通管理、导航、城市观光、网络规划 设计、蜂窝网q o s 以及无线资源管理等多个方面。由于无线信道具有多径、多 址干扰以及n l o s 误差等特性，目前蜂窝网络的定位性能尚达不到实际应用的 要求，因此对于蜂窝网络无线定位还有许多难题值得研究，特别是提高定位精度 仍然是研究中的重点。本文围绕影响定位精度的关键因素非视距( n l o s ) 误差展开研究，由于基于到达时间( t o a ) 的定位方法已经具有广泛的研究基础， 而且易于在蜂窝网络中实现，因此本文的主攻方向是研究减小n l o s 误差影响 的t o a 定位算法。 本文所提出的减小n l o s 误差影响的t o a 定位算法具有定位精度高、算法 简便、易于实现等特点，将这些算法应用到实际蜂窝网络中，不仅不会增加蜂窝 网定位系统的负荷，而且可以极大地改善蜂窝网络的定位性能，对蜂窝网络定位 技术自身的发展及其应用具有较大的理论意义和实用价值。 兰尘! ! 些霎塑墼竺：童堡塞鎏兰兰童! 矍塑塞些堡里塑塑 1 2 文章的主要内容 本文丰要分为以下部分： 第1 章绪论部分，主要介纠丁选题背景及意义和研究的主要内容。 第2 章蜂窝网络定位基础中要在概述了蜂窝网络的信道特性以及定位的基 础知识，并对影u 自定位的关键性囡素非视距( n l o s ) 的误差进行了着重阐述， 研究了前人提出的一些算法。 第3 章提出了抑制n l o s 影响的多种t o a 的算法。 第4 章主要对第三章巾提出的几种t o a 算法进行了仿真分析并与w l s 的 算法进行了比较。 第5 章主要提出了t o a 的定位算法在g s m 网络中的实现方案。该部分首 先概述了o s m 网络的构架，然后在此构架上针对t o a 的定位方法提出了实现 的方案。并通过分析比较表明，t o a 的定位方法对于g - s m 网络是一种较为理 想的定位方法。 最后对本文所做的研究工作进行了总结。 最后盯本文所做的研究工作进行了总结。 硕士学位论文 第2 章蜂窝网无线定位基础 2 1 蜂窝定位中的无线信道基础 传播信道所具有的损害特性会干扰发射信号上所携带的信息。信道干扰可以 是加性噪声、乘性衰落以及因时间色散造成的失真组合，当携有信息的信号通过 传播媒质时，这些有害因素就会引起信号失真。在定位中，绝大多数都需要对多 个基站和移动台之间传播的定位信号进行测量，并利用得到的定位测量参数来计 算目标移动台的位置 7 9 1 ，本章将讨论一般移动通信电波的传播特性和信道模 型，并介绍适合于定位的信道模型。 2 1 1 移动通信系统频段和传播方式 移动通信系统主要工作在v h f 、u h f 频段，电波传播的主要方式是视距传 播和非视距传播【”】。接收信号的功率和电波的路径损失都是基于电波反射、电 波绕射和电波散射传播机理的传播模型来估计的。首先来讨论一下电波传播的主 要的三种方式。 ( 1 ) 反射：当电磁波入射至一个与波长相比较大尺寸的物体表面时，就会发 生反射现象。当电波入射至地面、建筑物和墙面等物体表面时，反射方式是主要 的传播方式。 ( 2 ) 绕射：当电波传播路径上存在表面尖锐边缘的障碍物时，会发生绕射现 象。这时，经过障碍物后，电波传播时会产生绕射波并继续向前传播，相当于电 波在传播过程中发生了“弯曲”现象。在u h f 、v h f 频段，绕射方式取决于障碍 物的尺寸，以及电波本身的特性。 ( 3 ) 散射：如果电波传播路径上存在比电波波长小的障碍物时，会发生散射 传播现象。散射传播方式是由于尺寸较小的障碍物的粗糙表面引起的。在实际情 况下，街道标志等均可引起电波散射现象。 该三种电波传播方式是研究信道衰落特性和多径传播的基础。 2 1 2 多径传播环境 无线传播信道当中包含的物体( 颗粒) 会引起发射信号能量的随机散射，被 发射的信号会以不同的步调到达目标接收机。这些物体称为散射体。散射体引起 了包括衰落、多径时延扩展、多普勒扩展、衰减在内的多种信道损伤，及其固有 的背景噪声。背景噪声可以用热噪声近似并且当作加性高斯白噪声来处理。 位置随机的散射体造成的散射会引起具有不同路径长度的不同传播路径，从 而导致多径时延扩展。假设有一个发射点源，当传播信道没有表现出多径时延扩 展，该点就会在接收机的前端作为另一个点源出现，而一个发射点源在接收端变 为多个点源时，就出现了多径传播的情况，各个接收源均经历了不同的传输时延。 无线的移动环境中的多径传播导致了一个衰落色散信道，信号传播随着移动 台位置的改变和周围散射体的移动而改变。所以，该信道是一个时变的信道。 2 1 3 路径损耗模型 短期衰落是由多径传播引起的，与发射机和接收机之间的距离无关，可以 用瑞利( r a y l e i g h ) 分布、莱斯( r i c i a n ) 分布或者n a k a g a m i 分布来描述其特性。 路径损耗模型对于确定基站覆盖范围很重要。现提出了各种不同的路径损 耗模型，主要都是根据现场测量得到的。 1 自由空间传播模型 当发射天线与接收天线之间的距离远大于发射波波长和天线的最大物理性 尺寸，且发射端与接收端无任何障碍物阻挡，即可认为是自由空间传播。存在视 距传播路径的无线传播环境时，接收天线输出的功率p ，可表示为： 口 p = p t g ，g ，( 当) 2 ( 2 1 ) q 7 1 z l 其中，p 为发射功率，g ，和g 分别为接收天线和发射天线的增益，x 为电 波波长，d 为自由空间的传播距离，( 4 n d 2 ) 2 是自由空间路径损耗。由公式( 2 1 ) 可知，接收功率与距离d 2 成反比，与发射功率、收发天线增益及电波波长成正 比【l l 】。 2 光滑平面上的电波传播 自由空间的电波传播不适用于移动无线环境，传播路径损耗不仅与距离和波 长有关，而且与移动台和基站天线的高度以及诸如建筑物、山地等的局部地理特 征有关。采用一个简单的两条路径模型( 如图2 1 ) 就可以说明发射天线与接收 天线高度对传播路径的影响。图中d 为发射站到接收站的在平面的距离，h 。和 h ：分别是发射站和接收站的高度。容易推出直射传播距离d 。为： 以= d 2 + ( 昀一h 0 2 “2 ( 2 2 ) 反射路径的传播距离d ，为： d ，= d2 + ( h l + h 2 ) 2 r( 2 3 ) 以二项式定理将上面的两式展开并将它们相减，可以得到传播路径长度差为 a d ：_ - 2 h l h 2( 2 4 ) t 图2 1 移动通信两径传播模型 直射路径和反射路径传播所对应的相位差为： ：兰警 ( 2 5 ) 3 奥村一哈塔( h a t a ) 路径损耗模型 参考文献1 2 1 奥村一哈塔路径损耗模型是通过对日本东京测得的数据进行 曲线拟合得出的，它适用于室外宏蜂窝环境，路径损耗可以表示为如下几个参数 的函数：( a ) 载波频率f c 在1 5 0 m h z 到1 0 0 0 m h z 之间；( b ) 移动天线高度h ，。 是l m 到1 0 m 之间的值：( c ) 基站天线高度h ，。是3 0 m 到2 0 0 m 之间的值：基站 和移动台之间的距离d 在1 2 0 k m 之间。以d b 为单位的路径损耗上，( d ) 可表示 为： i4 + b l o g l o ( d ) l p ( d ) = 一+ b l o g 。( 印一c ( 由上至下分别为市区，市郊，开阔地区) ( 2 6 ) 1 4 + b l 0 9 1 0 ( d ) 一d 其中，彳= 6 9 5 5 5 + 2 6 1 6 1 9 ( 正) 一1 3 8 2 1 9 ( e ) 一口( h , o ) b = 4 4 9 6 5 5 1 9 ( 玩) c = 5 4 + 2 1 9 ( f 。2 8 ) r d = 4 0 9 4 + 4 7 8 1 9 ( 正) 】2 1 8 3 3 l o g ( r e ) 上式中口( 丸) 为移动台天线高度的校正因子，对于中小城市由下式给出： 口( k ) = 1 1 l g ( f 。) 一0 7 1 k 一 1 5 6 l g ( f 。) 一0 8 】 ( 2 7 ) 对于大城市而言，则有： 耐 1 ：1 8 2 9 1 9 ( 1 5 4 k ) 】2 - 1 1 正3 0 0 舭 (281 口【) 2 3 2 1 9 ( 11 7 5 h , 。) 1 24 9 7 正 3 0 0 m h z j 4 c o s t 一2 3 1 一h a c a 模型 欧洲科技合作组织的c o s t - - 2 3 1 研究组对h a t a 模型加以扩展，使得扩展后 的模型可工作至2 g h z 频段【1 3 】。其路径损耗的表达式为： 减小n l o s 影响的t o a 定位算法及其在g s m 网中的应用研究 l = 4 6 3 + 3 3 9 1 9 z 一1 3 8 2 l g k d ( k ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h , o ) l g d + c 0( 2 9 ) 其中，d ( k ) 定义同h a t a 模型，c 0 定义为 c o ：0 d 81 ：+ 竺竺孥市和郊区 ( 2 1 0 ) 。3 d b 大城市中心 ” 其工作条件范围为：载波频率z ：1 5 0 0 2 0 0 0 m h z ，基站天线高度吆：3 0 2 0 0 m ， 移动台天线高度“：1 1 0 m 。基站和移动台间的距离d ：1 2 0 k m 。 2 1 4 瑞利衰落( n l o s 传播) 和莱斯衰落( l o s 传播) 移动通信的衰落特性取决于无线传播环境，可分为长期衰落和短期衰落。长 期衰落是由于传播环境中地形的起伏、建筑物及其它障碍物对电波阻挡所引起的 衰落。短期衰落是由于无线传播环境中的多径传播引起的衰落。 大量的实测数据和理论分析表明，在多径传播环境下，当不存在视距( l o s ) 路径时，接收信号的包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布1 0 】。即在非视距 ( n l o s ) 环境下，接收信号幅度，和相位0 的概率密度函数分别为： 加) ：孝e ”。2 。 o ( 2 1 1 ) 【0 r z o p ( 曰) = 瓦1 ( 。口2 口) ( 2 1 2 ) 而当存在视距传播路径时，接收信号的包络就不再服从瑞利分布，而是服从 莱斯分布。故在存在l o s 传播的环境下，其概率密度为 肿) ：孝e x p 【_ 学a r 删，r 。 ( 2 1 3 ) 1 0 r z o 其中，是直射波幅度，l 为第一类似正贝塞尔函数，莱斯分布由参数世描 述，芷定义为直射路径信号与散射路径信号功率比，即 2 k ( a b ) = 1 0 1 99 - 鲁- ( d b ) ( 2 1 4 ) 足有时也称为莱斯因子，用它可以表征莱斯分布，特别地，当茁趋于负无穷大时， 即视距路径信号非常小时，接收信号幅度分布趋于瑞利分布，而k 远大于1 的 时，即主路径信号相当强时，信号幅度分布趋于高斯分布。 2 1 5t 1p 1 模型 t 1 p 1 模型是由移动定位研究技术小组提出来的，是一种常常用于仿真评估 基于时间定位技术的信道模型，也称为c o s t 2 5 9 模型【1 4 。6 1 。 硕士学位论文 表2 1t 1 p 1 信道模型 环境散射延时平均延时扩 n a k a g a m i 体个 r 。 相对功率尸 展：平均延时i n 参数 数数量 闹市1 2 0 o k 。( 0 5 1 5 x e x p ( 一6 f m 。) 1 ：11 市区a 1 2 0 o k( o 5 1 5 x e x p ( 一6 z m 。) 1 ：11 与市区a 相似，当应随相对功率调 1 2 0 速延时： 市区b f ：f ( 1 + 三) 2 3 1 5 ：1 1 f m 。 1o4 31 5 郊隈2 6 o 。 0 1 0 4 2 ：l 1 5 1o4 31 5 乡村2 6 o 。 o 1 o 4 2 ：1 1 5 t 1 p 1 模型中的每一种信道环境包括一定数量的散射体，每个散射体由平均 功率q i ，超量延时t 、平均到达角度口和n a k a g a m i m 参数表征。每个散射体由大 量的予波组成，每个子波延时相同，但是到达角度不同，因此可以仿真每个散射 体的衰落情况。每个散射体子波到达角度服从高斯分布。不同信道环境的具体参 数如表2 1 所示。 模型中的延时扩展基于实际测量数据，通过由距离决定的对数正态分布来模 拟，功率延时分布和衰落统计特性则基于略加修改的c o d i t 3 6 】模型。天线分集 的影响由一种简单的a o a 模型来表示。该模型能产生与实际测量值相当的延时 扩展和超量延时，适用于城市、市郊、乡村和山区环境。 模型中的延时扩展基于实际测量数据，通过由距离决定的对数正态分布来模 拟，功率延时分布和衰落统计特性则基于略加修改的c o d i t 17 】模型。天线分集 的影响由一种简单的a o a 模型来表示。该模型能产生与实际测量值相当的延时 扩展和超量延时，适用于城市、市郊、乡村和山区环境。 2 2 蜂窝网定位技术基础 2 2 1 无线定位系统方案 无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信 减小n l o s 影响的t o a 定位算法及其在g s m 网中的应用研究 机之间传播信号的特征参数来确定的，根据定位方式的不同主要有以下几种： 1 基于网络的定位系统 基于网络的定位是反向链路定位，它由几个固定位置接收机同时检测移动台 发射的信号，将各个接收信号中与位置有关的特征信息送到网络中的移动定位中 心进行定位算法处理，然后得到移动台的位置。基于网络的定位系统中主要的定 位方法有起源小区定位和基于时间提前量( t a ) 定位的方法，上行链路信号到 达时间( t o a ) 定位方法，上行链路到达时间差( t d o a ) 定位方法，以及到达 角度的( a o a ) 方法等。 2 基于移动台的定位系统 基于移动台的定位是前向链路定位，其定位是由接收到的多个已知位置的发 射机发射信号所携带的与移动台位置有关的特征信息确定移动台与发射机之间 的位置关系。由算法计算出移动台的位置。其中主要的定位的方法有应用于时分 多址系统的下行链路增强观测时间定位方法( e o t d ) ，以及c d m a 系统中的下 行链路空闲周期观测到达时间差方法( o t d o a i p d l ) 等。 3 g p s 辅助定位系统 该系统需要在移动台上集成g p s 的接收机，利用g p s 接收机和网络中的辅 助设备实现对移动台的定位。 这几种定位方案中，基于网络的定位方案，蜂窝无线网络知道移动台的位置 估计，但是移动台自身却不知道。如果移动台自身需要知道其位置( 应该有这样 的要求) ，则需要利用空中接口在移动台和网络间建立一条数据链路，进行数据 传递。同样的，基于移动台的定位方案，是移动台自身知道自己的估计位置，而 网络并不知道，也需要数据链路进行数据传输。 在现有的蜂窝系统中，采用基于网络的定位方案需要对现有的蜂窝网络设 备进行适当的改动和扩充，但是它不需要对现有的移动台进行任何改动，这样由 于是改动蜂窝网络系统设备( 如在g s m 网络中增加定位系统模块) ，易于统一 实现，并能达到一定的精度。而基于移动台的定位和g p s 辅助定位方案均需要 对现有的移动台进行改造，要增加适当的设备。它对现有的g s m 网络中增加定 位系统功能不太适用，但是它可能可以达到较高的定位精度，有可能在3 g 中广 泛采用。 2 2 2 蜂窝网的基本定位方法 在蜂窝网定位中，采用的基本定位方法和技术都是相同或者是相似的【l “， 常用的定位方法主要有以下几种，它们主要是以定位方法选择的特征值的不同而 硕士学位论文 进行划分的。 1 起源蜂窝小区( c o o ) 起源蜂窝小区是一种基于网络的定位方案，它是通过移动台所处的小区识别 号i d 来确定用户的位置。在蜂窝网络通信中，移动台到某个小区，都会到该小 区去注册，注册后在系统的数据库里就会有相应的小区i d 号，系统能把小区基 站设置的中心位置和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，通过查数 据库中的i d 号就可获得移动台的位置。它无需改变网络，在现有的网络和移动 台上都可以实现。但是其定位精度是以小区为单位的，所以定位精度很低，不能 满足高精度定位需求。 2 场强定位 由于移动台的接收信号的强度与移动台和基站间的距离成反比关系。通过测 量接收信号的场强值和己知信道的衰落模型及发射信号场强值就可以得到移动 台到基站的距离。测得与几个基站的距离值后就可得到移动台的位置。 3 基于时间的定位方法 首先可直接根据从移动台发出的信号直接到基站的时间，然后根据电磁波在 空中的传播速度可得到移动台与基站的距离，测得与几个基站的距离值后，通过 几个定位圆的交点就可以得到移动台的位置。该方法即是到达时间的定位方法 ( t o a ) 。t o a 提供的定位精度比较高，但是它需要严格同步的时钟。 还有一种基于时间的定位方法，即t d o a ( 到达时间差) 的方法，它是通过 检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置， 降低了时间同步要求，同时还可以消除一些信道公共的干扰。移动台定位于以两 个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双 曲线方程，两条双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。 直接利用t o a 或t d o a 估计值求解上述非线性定位圆或定位双曲线方程组 来确定移动台的位置比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或双曲线 可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用最小均方误差算法， 通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。 基于时问的定位方法是蜂窝通信系统的定位中的研究热点。 4 角度定位方法( a o a ) 电波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出移动台来波信号的 人射角、构成从基站到移动台的径向连线，即测位线，这两条连线的交点即为目 标移动台的位置。由于两条直线只能相交于一点，这种方法不会产生定位模糊性。 但是它需要在每个小区基站上放置天线阵列。这些天线阵列一起工作，从而确 定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么 它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。a o a 的优点在 于它仅需要两个基站参与便可实现移动台定位，同时不存在移动台位置的模糊性 问题。但是该技术需要在现有的基站增加天线阵列，由此增加了大量的建设费用。 与此同时，电波到达入射角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号 波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差也会导致 定位距离的较大误差。 5 混合定位 由于对于单一的一种基本的定位方法来说，都有其定位的局限性，由于目前 能够提供t o a 、t d o a 、场强等多种电波的特征值【1 ，故提出了混合定位的方 法。它是一种采用多种不同的电波测量值对移动台进行定位估计，以取得比单一 定位技术更高的定位精度，或带来其它优势。如t o a ( 或者t d o a ) 和a o a 的 混合定位，它能在一定程度上提高网络对移动台的定位性能，而且即使只有一个 a o a 和电波到达时间t o a ( 或t d o a ) 测量值时，都能对移动台进行定位。 2 2 3 影响蜂窝定位的因素 影响无线定位因素主要有多径干扰、非视距传播和c d m a 中的多址干扰。 消除和抑制这些干扰是定位精度提高的关键。 1 多径干扰 多径传播在a o a 和场强定位定位系统中是主要的干扰因素。同时它也影响 时间定位系统，对于基于时间的定位方法来说，即使在m s 和b s 问是视距传播 的，它也会引起时间测量误差【2 0 1 。对于抑制多径的干扰，目前提出了如高阶谱 估计、最小均方估计及扩展的卡尔曼滤波( e k f ) 等，在t o a 系统中还提出了 r o o t - m u s i c 和t l s ，e s p r i t 算法来克服多径的影响1 2 ”。 2 非视距传播( n l 0 $ ) 非视距传播是信号从移动台到基站经过反射，绕射，而使其走了比视距传播 更长的路。即使在无多径效应和采用高精度定时技术的情况下，n l o s 传播也会 引起t o a 或t d o a 测量误差。因此，降低n l o s 传播的影响是提高定位精度的 关键。目前降低n l o s 传播的影响主要有以下几种方法，一种是利用测距误差 统计的先验信息就可将一段时间内的n l o s 测量值调节到接近l o s 的测量值； 还有降低l s 算法中n l o s 测量值的权重【2 2 1 ，以及在l s 算法中增加约束项等【2 3 1 。 这些方法也是目前的减小n l o s 影响的研究热点。 硕上学位论文 3 多址干扰 在c d m a 系统中具有时间定位的原理是用扩频滑动相关取得相关峰值的方 法取得到达时间和时间差。不管在上行还是下行链路作为定位信号，在临近基站 总是定位信号比用户信号强度要低得多，故该基站的用户信号成为强干扰，即是 由远近效应引起的多址干扰。目前消除多址干扰的方法主要有多用户检测，以及 3 g p p 提出了在定位呼叫瞬间将移动台发射功率跳到最大的方法和i p d l 方式 2 4 , 2 5 等。 从以上对影响定位方法的因素中的讨论中，虽然都提出了大量的解决方案， 但是这些都还远远不够，这些影响因素仍然是精确定位的关键所在。特别是非视 距的传播，大大的影响了定位精度的提高。 2 3n l o s 误差对定位的影晌及其消除方法 n l o s 是蜂窝网定位中的很重要的影响因素，无论选择何种定位方法都需 要考虑n l o s 误差的存在，又是决定定位误差大小的关键因素。而且由于它受 到周围环境的影响很大，很难规律性的度量出n l o s 的大小，难以估计。就现 有的一些鉴别方法和算法来看，都还不够理想，还有很多值得研究的地方，是研 究的热点和难点。 2 3 1 非视距的产生及其影响 在蜂窝网络环境中，如果移动台和基站之间的电波传播的视距( l o s ) 路 径被建筑物等挡住时，则电波只能以反射、折射等非视距( n l o s ) 的方式进行 传播。如图3 1 所示： 图2 2 通信中n l o s 传播 在进行定位估计的时候，相比较于l o s 传播的方式，非视距传播将会使得 t o a 方法的测量值中产生一个正的附加延时超量，这对于t d o a 的测量值也会 减小n l o s 影响的t o a 定位算法及其在g s m 网中的应用研究 相对应的产生一个误差分量”】。 根据n o k i a 的现场测量结果表明，在g s m 网络环境中的平均的n l o s 误差 达到5 0 0 7 0 0 m 26 1 ，k o r e at e l e c o m 在i s 9 5 网络中的测量结果表明平均为 5 8 9 m 27 1 。而且在非视距的环境当中，t o a 的测量误差为一个正均值的随机误差， 在不同的信道环境下可能服从指数、均匀、高斯或者d e l t a 分布28 1 ，另外，平均 n l o s 误差有随着m s b s 之间的距离的增大而线性增大的趋势【2 9 i 。将这种具有 较大的误差的测量值应用到我们的无线定位估计中势必使得估计出的位置坐标 产生较大的偏差。而且，n l o s 的传播方式是普遍存在的，特别是在都市环境 中。我们要提高这些地方的定位的准确度，就必须要解决n l o s 引起的误差。 现在n l o s 误差已经成为影响蜂窝网络定位精度的决定性因素，是蜂窝网络移 动台定位技术研究的重点和热点问题3 0 】。 2 3 2 非视距误差减小的经典方法 近年来，通过对非视距误差的研究，主要提出了几种减小非视距误差的方法。 w y l i e 提出了一种简单的处理方法，即采用n l o s 的距离测量值重构出l o s 的 测量值。还有j a m e s j c a f f e r y 提出的针对n l o s 误差改进的最小二乘算法以及采 用残差加权的算法。 1 w y lie 方法 在文献 3 i 】中，w y l i e 提出了一种简单的抑制n l o s 影响的方法，即是m s 和b s 之间存在n l o s 之后，就可以由n l o s 距离测量值重构出l o s 测量值。 该方法是首先利用每个基站的距离( 或者时间) 测量值的时间历史，并与噪 声标准差、残差分析秩测试相结合的方法，来判断距离或时间测量值中是否存在 n l o s 误差。该方法基于n l o s 环境下距离测量样本的标准差大于l o s 环境下 的标准差这一前提，将实际测量样本的标准差和l o s 环境下的标准差进行比较， 就能判断测量样本中是否存在n l o s 误差。主要的推导如下： 假定在第m 个b s 检测的距离测量值为r m ( t ，) ，该测量值采用n 阶多项式平 滑可表示为： 型 k ( ) = 4 。( n ) t 7 ( 2 1 5 ) n = 0 利用最小二乘技术求解出未知系数a m ( n ) ，其中n 的取值从0 到n 一1 ，平滑 后的测量值可表示为： 型 ( t ) = ( 订) r ( 2 1 6 ) n = 0 当m s 和b s 之间存在l o s 时，影响距离测量值的标准测量误差是可以预 硕士学位论文 测的。如果l o s 距离测量值对真实距离的偏差为n m ( r ) ，盯。2