硕士论文-非视距环境下无线定位技术研究.pdf

郑州大学 硕士学位论文 非视距环境下无线定位技术研究 姓名 王洪雁 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 裴炳南 20070501 非视距环境下无线网络定位研究 摘要 近年来 随着移动台迅速普及 运营商提供的服务也更多样化 其中无线定位引起 了强烈关注 自从美国联邦通信委员会于1 9 9 6 年发布E O Il 条列 规定移动通信运营 商对移动用户提供一定精度的定位服务以来 无线定位技术在国内外受到高度重视和 深入研究 从而得到了迅速发展 在无线网络环境中 由于受多径 反射 散射和非挽距传播等多种不利因素的影响 使得T D Q kT O A A O A 等与移动台位置有关的电波特征测量值不可避免的出现较大误差 从而使得各种传统的定位算法的定位性能显著下降 基于此 本论文针对提高移动台 定位精度这一核心问题 以T D O A 定位技术为重点 按照对基本定位算法的改进 传统 混合定位算法的改进 基于数据融合的移动台定位技术等三个方面对移动台定位技术 进行深入的研究 并对移动台定位技术的前景作了一点展望 本文在介绍定位所需基本背景知识以及移动台定位基本技术的基础上 主要做了以 下工作 一 在凸a n 算法的基础匕 加入校正因子 逐渐地减弱非视距的影响 从而使传 统的定位算法在非税距环境下 也可获得较高的定位精度 二 在传统混合定位基础上 加入校正因子 使得算法对非视距影响不敏感 从 而可使传统混合定位方法在非视距环境下能得到较高的定位精度并具有较好适应性 三 在K l e i n e O s t m a n n 模型基础上 提出了 个新的用以定位的数据融合的模型 此模型可明显的提高非说距环境下的定位精度 并且计算量较小 关键词 到达时间差 到达方向角 数据融合 混合定位 非视距 非视距环境下无线网络定位研究 A b S t r a c t W i 也t h ep o p u l a r i z a t i o no ft h em o b i l ed c v i c l jt h es e f v i o f f e r e db yt h em o b i l c p r o v i d e ri s 1 1 1 0 1 ev a r i o u s e s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sl o c a t i o na t t l l t c 忸i n o l l p e o p l e s a t t e n t i o nn e a r l y T h ew i r e l e s sl o c a t i o nt e e l m o l o g yg r a s p sm l l n s i g h ti n t e a s i v e l ya n d r e s e a r e l ad e e p l yi nt h ew o r l df r o mt h em o m c l a tt h a tF C Cr e l e a s e dt h eE 9 1 1r u l et o o r d e rt h em o b i l ep r o v i d e ra f f o r dt h ec e r t a i np r e c i s i o n sl o c a t i o n8 e l Y i c A t ot h eU S e I oS o t h ew i r e l e s sl o c a t i o ng e t st h er a p i dd e v e l o p m e n t T h e l e r f o m m e e o f e a c h t r a d i t i o n a l w i r e l e s s l o e a t i o n a l g o r i t h m f a l l s e v i d e n t l y b y l e a q o l lo ft h em o r eg r e a tt o l e r a n c eo fT D O A T O A A O A t h em e a s u r e m e n t e i g e n v a l u eo f t h ed e e t r i eW I I V er e l a t e dt h el o c a t i o no ft h em o b i l ed e v i c eb e c l t u s oo f t h ee f f e c to ft h er e f l e c t i o n r e f r a c t i o n d i s p e r s i o n t h em u l t i p a t ho ft h ee l e c t r i cw a v e u n d e rt h ew i r e l e s sn e te n v i r o n m e n t B e c a u s eo f t h i s t h et h e s i sf o c u s e sO l li m p r o v i n g t h ea c c u r a c yo ft h el o c a t i o na n de o n e c l a t r a t e 3O nt h eT D O At op r o f o u n dt h er e s e a r c h 0 1 1t h ew i r e l e s sl o c a t i o nb yr u l eo fa m e n d i n gt h ef u n d a m e n t a la l g o r i t h m s i m p r o v i n g t h et r a d i t i o n a lh y b r i dl o c a t i o na l g o r i t h m sa n dl o c a t i o nb a s e do nt h ed a t af u s i o t l t e c h n o l o g y T h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e sO i lt h ef o l l o w i n ga r e a b a s e dO nt h ei n t r o d u c t i o no f t h eb a s i cb a c k g r o u n dk n o w l e d g ea n db a s i cl o c a t i o nt e c h n o l o g y T h el e g i o na sf e l l o w s 1 B a s e d o n t h e C l m a d d i n g t h ea m e n d f a c t o r t od e c r e a s e t h e i n f e c t i o n o f t l a e N L O Sg r a d u a l l y a n d8 0W e 湖m a k et h et r a d i t i o n a ll o c a t i o na l g o r i t h mg e tt h eh i g h e r l o c a t i o na c c u r a c yu n d e rt h eN L O Se n v i r o n m e n t 2 B a s e do nt h et r a d i t i o n a lh y b r i dl o c a t i o n m a k i n gt h ea l g o r i t h mn o ts e n s i t i v e t ot h ea f f e c t i o no fN L O Sb ya d d i n gt h ea m e n df a c t o r a n d8 0W ec a nm a k et h e t r a d i t i o n a lh y b r i dl o c a t i o na l g o r i t h mg e tt h eh i g h e rl o c a t i o na c c u r a c yu n d e rt h eN L O e n v i r o n m e n ta n d c a p t u r e st h eb e t t e ra d a p t a t i o n 3 B a s e dO nt h em o d e lo f K l e i n e O s t r a a n n W eo f f e rt h en e wd a t af u s i o nm o d e l t ol o c a t i o n a n dt h em o d e l 啪i m p r o v et h el o c a t i o na c c u r a c ye f f i c i e n t l yu n d e rt l a c N L O Se n v i r o n m e n t a n dp o s s e s s e st h el o wc o m p l e x i t y yW o r d s I I O A O O A d a t af u s i o n h y b r i dI o c a t i o n I 1 1 0 5 2 非视距环境下无线两络定位研究 1 1 研究背景 第一章绪论 定位技术是一项古老而又年轻的技术 所谓定位 一般来说 就是确定地球 表面某种物体在某一参考坐标系中的位置 定位技术在导航系统中起着至关重 要的作用 2 0 世纪以来 出于军用以及民用的需要 世界上出现了多个定位导 航系统 其作用和原理也各不相同 就其定位所需的载体来划分 可以分为陆基 无线电导航系统以及卫星定位系统两大类 其中陆基无线电导航系统主要包括罗 兰 E L o r a n C 奥米加 O m e g a 子午仪 无线电信标等 由于导航精度和导 航数据更新速率较低且覆盖范围有限 已经基本停用或开始淘汰 取而代之的是 卫星导航定位系统 卫星导航定位系统主要包括子午仪卫星导航系统 全球卫星 定位系统 G P S G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m 伽利略卫星导航系统 其中以 全球卫星定位系统技术最为成熟 6 P S 卫星星座由2 4 颗工作卫星组成 这些卫星均匀分布在互成1 2 0 0 的三个轨 道平面上 每个轨道平面平均分布8 颗卫星 这样 在地球表面的每个位置 至 少可以观测到4 颗卫星 可以提供定位目标的三维位置信息 G P S 系统的精码定 位精度为l O m 左右 差分精度最高可达I c m 左右 若进行数据处理后精度可达 5 m 现在 G P S 系统由于其廉价便捷的特点 已经被广泛应用于车辆导航 手 机定位等实际生活及商务活动的各个方面 近年来 随着移动通信的快速发展 移动台迅速普及 手机的功能越来越强 大 运营商提供的服务也更加多样化 各种基于位置的服务如紧急呼叫 车队跟 踪调度 移动网络系统设计 资源管理及网络规划等都需要较为准确的位置信息 有需求就有市场 无线定位成为近些年来一直为人们所关注的热点领域之一 利 用移动台进行定位可以有很多种的方法 从定位的载体上 主要可以分为基于 G P S 以及测量参数两类方法 其中基于G P S 的定位方法需要在手机中集成G P S 接 收机 利用G P S 系统进行定位并可达到较高精度 但是需要对现有终端进行改进 增加了手机成本和体积 并且在室内环境或一些阴影地区这种方法的定位性能将 大大下降甚至不能定位 基于测量参数的定位方法通过测量移动通信中的各种电 波传播参数 如到达时间 T O g T i m eo fA r r i v a l 到达时间差 T D O A T i m e D i f f e r e n c eo fA r r i v a l 到达角度 A O A A n g l eo fA r r i v a l 及信号强度 s s S i g n a lS t r e n g t h 然后运用一定的数学方法对这些测量参数进行处理从 而得到定位的估计 本文对无线定位的各种基本定位算法特别是非视距环境 N L O S n o n l i n eo fs i g h t 下移动台位置的估计算法进行了较为深入的研究 非视距环境下无线网络定位研究 1 2 无线定位的起源及其应用 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 发布了报告 要求在2 0 0 1 年1 0 月以前 各种 无线蜂窝网络必须能对发出E 9 1 1 紧急呼叫的移动台提供精度为1 2 5 米以内的定 位服务并且满足此定位精度的时间概率应不低于6 7 嘲 1 9 9 9 年1 2 月 F c c 9 9 2 4 5 对E 9 1 1 需求作了进一步细化 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手机中的实施和支持提出了明确的要求和日程安排啪 在定 位精度要求方面规定 基于蜂窝网络的定位方案 不改动移动终端 要求6 7 的 概率下定位精度不低于1 5 0 m 9 5 的概率下定位精度不低于3 0 0 m 基于移动台的 定位方案 可以改动移动台 要求6 7 的概率下定位精度不低于5 0 r e 9 5 的概率 下定位精度不低于1 5 0 m 美国F C C 的这一规定明确了提供E 9 1 1 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 前不久 美国的一个组织针对人们最感兴趣的移动通信增值服务做了调查 被调查的1 0 0 6 人中 有5 9 的人首选E 9 1 1 远远高于位于第二位的邮件服务 只 有7 据估计 到2 0 0 5 年 全球用于定位服务的消费将达2 2 5 亿美元 由于 政府的强制性要求和巨大市场利益驱动 国外开始出现研究基于蜂窝网络的无线 定位技术的热潮眦懈 无线定位有两方面作用 一是为用户提供各种商业增值服务 二是辅助移动通信 系统提高自身性能 基于无线定位的商业增值服务可分为以下几类 安全 提供个人安全及紧急报警服务 信息 提供包括天气 交通 导航 姓名地址录等的信息服务 跟踪 连续监视车辆 财产及人的位置 如对贵重物品运送途中的跟踪定位 远程 遥控开锁 监控引擎 操纵精确测量仪器和农业设备 在提高系统性能方面 位置信息主要用于优化网络规划与设计 改进网络 Q o S 和无线资源管理等 具体包括 自适应切换 系统利用两基站 B S B a s eS t a t i o n 接收到的信号强度之差 结合 骼位置信息自适应调整切换门限 可减少不必要的切换和掉话 优化蜂窝小区扇区的划分 优化安捧每个扇区中的骼个数 提高系统容量 减 少同信道干扰 信道预先分配 系统可检测峪当前位置和运动模式 当前服务扇区可要求核心 网在下一个目标扇区内为Q o S 优先级较高的惦预留信道 微蜂窝中码资源或频率资源的复用 系统可以对骼运动状态进行跟踪 如果M S 在通话中是静止的 业务信道可以对不同地带的用户分配相同的资源 码资源或 2 非视距环境下无线网络定位研究 频率资源 实现复用 以此来提高系统容量 1 3 国内外无线定位技术研究现状 自E 9 l l 定位需求颁布以来 移动台定位技术在国外受到高度重视和深入研 究 近年来在I E E E 的期刊和会议 特别是V 1 1 e 上发表了大量研究论文 也出现 了一些专门从事定位技术的研究与开发的公司 如C e l l o c a t e T r u e p o s i t i o n 等 各大跨国公司 比如H o t o r o l a N o k i a E r r i s o n 三星等也积极开展对基于G S M 以及第三代移动通信系统中的W C D g A 和C D M A 2 0 0 0 等网络的定位技术的研究 目 前研究的内容涉及了蜂窝网络移动台定位技术的方方面面 并且更侧重予基本定 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 定位系统的性能评估等 国内对蜂窝网络移动台定位技术的研究起步较晚 从事这项技术研究的人也 不多 目前从文献资料的查阅来看只有中国科技大学 电子科技大学 北京邮电 大学 复旦大学 西南交通大学等少数院校和华为 中兴等大公司有部分科研人 员从事这方面的研究 从近年来各主要核心刊物的检索情况看 自2 0 0 3 年以来 在国内核心刊物上能检索到的有关无线定位的研究性论文越来越多 说明这一研 究领域己逐渐在中国形成了规模 并积累了一定基础 但目前与移动台定位技术 有关的中国专利的数量还很有限 与国外相比更有巨大的差距 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 r i s o n 三 星等跨国大公司则侧重于对6 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旌方案 目前已经有多家厂商开发的基于G S M 网络的 定位设备己在一些国家投入使用 2 0 0 4 年1 1 月 华为公司宣布己全面完成与主 流厂商终端的A G P S 定位业务测试 率先实现3 G P P 标准的A G P s 2 0 0 3 年7 月 联通推出基于C D M A l X 网络的 定位之星 业务 采用g p s O N E 技术 通过卫星 基站 手机三点定位 定位精度在室外环境下高达5 5 0 米 并结合地理信息系 统 G I S G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m 地图数据信息向用户提供位置信息服 务 国内也已经生产出拥有定位功能的手机 京瓷K Z 8 5 0 是国内首款支持 定位 之星 业务的手机 但总的来说 无线定位技术在我国尚处在起步阶段 但有充 足的理由相信在未来几年中 它将会对我们的生活产生深远影响 1 4 蜂窝网无线定位系统 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 3 非视距环境下无线网络定位研究 信机之间传播信号的特征参数 如电波场强 传播时间或时间差 入射角等 来估 计移动台的几何位置 在蜂窝网络中 根据进行定位估计的位置 定位主体及采 用的设备的不同可将定位系统分为以下几类 1 基于移动台 M o b i l eB a s e d 的定位系统 此系统也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统 其定位过程是移动台 根据接收到的多个己知位置发射机发射信号携带的与移动台位置有关的特征信 息确定其与发射机之间的几何位置关系 再由集成在移动台中的位置计算功能 P C F P o s i t i o nC o m p u t i n gF u n c t i o n 单元 根据有关定位算法计算出移动台的 估计位置 2 基于网络 N e t w o r kB a s e d 的定位系统 此系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统 其定位过程是由多个固 定位置接收机同时检测移动台发射的信号 将各接收信号携带的与移动台位置有 关的特征信息送到网络中的移动定位中心 M L c 处理 由集成在M L c 上的P C F 计算出移动台估计位置 3 网络辅助 N e t w o r kA s s i s t e d 定位系统 此系统也属于移动台自定位系统 定位过程是由网络中多个固定接收机同时 检测移动台发射的信号 将与移动台有关的特征信息由空中接口传送回移动台 由移动台中的P C F 计算出移动台的估计位置 4 移动台辅助 M o b i l eA s s i s t e d 定位系统 此系统采用的也是基于网络的定位方案 其定位过程是由移动台检测网络中 多个固定位置发射机发射的信号 将各接收信号携带的与移动台位置有关的特征 信息由空中接口传送回网络 由集成在网络M L J c 中的P C F 计算出移动台估计位置 5 G P S 辅助定位系统 此系统采用的是G P S 定位方案 由集成在移动台上的G P S 接收机和网络中的 G P S 辅助设备利用G P S 系统实现对移动台的自定位嘲 显然 对于基于移动台的定位方案和G P S 辅助定位方案来说 移动台知道其 自身位置但网络方面并不知道 对于网络的定位方案来说 网络方面知道移动台 的估计位置但移动台自身并不知道 要使这两种定位系统中没有进行定位估计计 算的一方掌握移动台的位置 还必须利用空中接口在移动台和网络之间建立一条 数据链路 进行有关的数据传递 图1 1 和图1 2 简要描述了四种移动台定位系 统的原理 4 非视距环境下无线网络定位研究 图I I 网络辅助 基于网络定位系统 图1 2 移动台辅助 基于移动台定位系统 从上述各定位系统的基本特征 可看出 在现有蜂窝系统中如果采用基于移 动台定位方案或G P S 辅助定位方案为移动用户提供定位服务 L c S 功能 必须对 现有移动台进行适当修改 并增加必要的软硬件设备 成本较高 所以这种方案 不适用于现有蜂窝网络 基于网络定位方案只须对蜂窝网络设备作适当修改 扩 充 不需要对现有移动台进行任何修改 能充分利用现有各种蜂窝系统的庞大资 源 保护用户己有投资 并能达到一定精度 因此这种方案适用于在现有蜂窝网 络 如G S M 网络中增加L C S 功能 1 5 无线定位的基本方法 基于移动台的定位方法目前主要有 应用于时分多址系统的下行链路增强观 测时间差定位方法 E O T D 应用于C D M A 系统的下行链路空闲周期观测到达时问 差方法 O T D O A I P D L 基于G P S 的混合定位技术g p s O n e 等 基于网络的定位方 法目前主要有 基于C e l l 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 上行链路信号到达时间差 T D O A 定位方法以及上行链 路信号到达角度 A O A 定位方法等 我们在这里主要讨论基于网络的定位方法 以后若不作特别说明 对移动台的定位算法都是基于网络的 在蜂窝网中完成对移动台位置估计通常需两步 第一步 测量并估计电波传 输的参数 比如T O A T D O A A O A 或s s 等 第二步 利用估计的参数 采用相应 定位算法估计M s 的位置 根据所选用参数不同 无线定位可分为下列几种方法 1 场强定位 这种方法通过检测接收信号的场强值 利用己知信道衰落模 型及发射信号的场强值估算出收发机之间的距离 通过求解收发信机之间的距离 方程组 即能确定移动台位置 在蜂窝网络中只要在移动台对前向链路多个基站 发射信号进行场强测量或在多个基站对反向链路移动台发射信号进行场强测量 再根据有关定位算法求解测距方程组 就能计算出移动台的估计位置 非视距环境下无线网络定位研究 2 T O A 定位 也称圆周定位 其原理是 根据信号传播的到达时间T O A t i m e o fa r r i v a l 得到M S 与B s 之间的距离 则璐必定位于以B S 为圆心 以T O A 对 应距离为半径的圆周上 如果测得淞到达三个B s 的距离 则可画出三个圆周 这三个圆周的交点即是淞的位置 如图1 3 所示 图1 3T o A 位置估计 3 T D O A 定位 也称双曲线定位 其原理是系统测得无线电波从惦到两个 B s 的到达时间差T D O A 根据双曲线的定义 骼必定位于以这两个B S 为焦点的 双曲线上 由三个B S 得到两个独立的T D O A 相应得到两条双曲线 这两条双曲线 的交点即是M S 的位置 如图1 4 所示 峨 图1 4T D O A 位置估计 4 A O A 定位 A O A 方法通过基站接收机天线阵列测出移动台发射电波入射角 从而构成一从接收机到移动台的径向连线 即方向线 利用等于或大于两个接收 机提供的A O A 测量值 按b O A 定位算法确定多条方向线交点 即为待定移动台估 计位置 6 非税距环境下无线网络定位研究 图l 5A O A 位置估计 5 混合定位 混合定位 综合利用两种或两种以上的参数测量值 比如 T o A T D O A T O A A o A T D O A A o A T D O A I T O A A O A 等形式 然后通过一定的算法估 计出移动台的位置 混合定位可充分利用己知信息 减少参与基站数目 并可达 到更高的定位精度 1 6 影响蜂窝网移动台定位精度的主要原因 由于无线信道的复杂性 使得非视距传播 多径传播普遍存在 还普遍存在 多址干扰嘲嘲 并且在c D M A 网络中还存在远近效应 因此 在蜂窝网络中为了提 高对移动台的定位精度 除了研究对信号特征测量值误差具有良好鲁棒性的高精 度定位算法外 如何采取适当措施降低这些因素的影响 得到准确的信号特征测 量值 也是移动台定位技术需研究的重要课题 这些主要因素影响的简略描述如 下 多径传播 多径传播是引起各种信号特征测量值出现误差的基本原因 对T D O A 和T o A 定位法来说 即使在M S 和B s 之间电波可以视距 L O S 传播 多径传播也 会引起时问测量误差 因为基于互相关技术的时延估计器的性能会受多径传播 的影响 当反射波到达时间与直射波在一个码片间隙内时更是如此 N L O S 传播 L O S 传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件 但是蜂窝网 络覆盖区一般是城市和近郊 峪和多个B S 之间实现L O S 传播通常是很困难的 即使在无多径和采用了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 N L O S 传播也是影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因 n 多址干扰 在c D 姒系统中 用户通过不同的扩频码享有同一频带 多址干扰 会严重影响T O A 和T D O A 的粗捕获 对延时锁相环的时间测量也有很大影响 硼 2 远近效应 在C D M A 系统中通常采用功率控制来克服远近效应 但由于无线定 位需多个基站同时监测移动台发射的信号 功率控制只对服务基站起作用 对非 7 非视距环境下无线网络定位研究 服务基站 移动台的信号仍会受到严重的多址干扰 因而会影响常规接收机正确 测量T O A 或T D O A 测量值的能力 此外 参与定位的各基站之间的相对位置 移动台与基站之间相对位置的差 异造成的几何精度因子 G D O P 的不同 也会影响定位算法的性能 造成定位精度 的差异 在进行网络设计和规划时应充分考虑这一问题 1 7 定位准确率评价指标 为了正确评价各种定位算法在实际蜂窝网络环境中的定位性能 需要首先确 定评价定位准确率的指标 目前最常用的是定位估计的均方误差M S E 均方根误 差P A I S E 克拉美一罗下界 C R L B 圆误差概率C E P 基站地理位置对定位准确率 的影响由几何精度因子G D O P 来度量 此外 工程应用中还常将定位误差的概率 密度函数P D F 和累积概率分布函数C D P 作为评价指标 1 均方误差M S E 一种常用的用于评价定位准确率的度量是定位解的均方误差M S E 在二维定 位估计中计算M S E 的方法为 M S E 五H 工一句2 一夕 2 2 克拉美罗下界 C R L B E r a m e r R a oL o w e rB o u n d C R L B 是无偏参数估计方差的下界o 文献 1 5 中给出了T D O A T O A 及A 定位的C R L B 表达式 3 圆误差概率 c E P s E PC i r c u l a rE r r o rP r o b a b i l i t y S p h e r eE r r o r P r o b a b i l i t y C E P S E P 是定位估计器相对其定位均值的不确定性度量 对于二维系统 C E P 定义为包含了一半以均值为中心的随机矢量的圆半径 4 几何精度因子 G D O P G e o m e t r i cD i l u t i o no fP r e c i s i o n G D O P 定义为定位误差R M s E 与测距误差R M S E 的比值 表征了骼与B S 的几 何位置关系对测距误差的放大程度 G D O P 越大 则B S 与峪之间的几何位置关 系对定位精度的影响越大 即由B s 与 I S 的位置关系造成的误差越大 所以 G D O P 是设计定位算法时经常需要考虑的指标 还可以作为组网时选择B S 位置的参考 5 相对定位误差 1 l P E R e l a t i v eP o s i t i o nE r r o r R P E 定义为定位精度与定位范围最大圆半径之比 把定位精度与定位范围联 系起来考虑 是有实际意义的 1 8 本文的主要研究内容及结构 本文对无线定位的算法进行了研究 特别是对非视距条件下的无线定位算法 非视距环境下无线网络定位研究 进行了较为深入的研究 本文的主要内容安排如下 第一章概述了无线定位的提出背景 起源 国内外研究现状 基本方法以及 定位算法的评价体系 第二章介绍了移动台位置估计的几种基本定位方法 第三章提出了一个改进的定位算法 此算法可以在非视距环境下得到较好的 定位精度 并且计算量较小 并对此算法进行了较为详细的讨论 第四章对传统的混合定位算法进行了改进 改进后的算法与原算法相比较 在非视距环境下定位精度有明显的提高 并且对改进后的算法进行了讨论 第五章在K l e i n e O s t m a n n 模型的基础上 提出了一种新的定位数据融合模 型 此模型具有较低的复杂度 并且可以很明显的提高定位精度 第六章总结本文的主要内容 并依据目前的研究成果 对未来研究进行了展 望 9 非视距环境下无线网络定位研究 第二章无线定位基本算法 2 1 测量参数的估计 我们知道 对移动台进行位置估计需分两步进行 l 对所需参数进行测量估 计 2 对得到的参数按照一定的算法进行处理 从而得到定位估计 关于测量参数的估计 到目前为止已出现了很多种方法 对于T O A 的估计 主要的方法包括M L S P r o n y 算法 1 R o o t M U S I C 算法 1 T L S E S P R I T 算法 以及用扩展卡尔曼滤波器实现的时延和多径联合估计方法 等 对于T D O A 的估计 主要有两种方法 一种是由两个B S 的T O A 之差求得 另 一种是通过对两个B s 接收到的信号进行互相关运算求得 当惦与B S 之间不同 步且无参考时间时 需用后种方法 广义互相关 G c c 是一种比较传统的测量 T D O A 的技术 通过对两个接收信号进行互相关运算得到T D O A 如图2 1 所示 瓢 f 几 峰 廿 值 检 滔 图2 1T D O A 相关检测 关于A O A 测量值的估计 主要是通过对基站阵列天线接收的信号采用相应算 法处理得到 其求解通常建立在窄带以及信号个数小于阵元个数这两个假设的基 础上 D O A 估计方法主要分为适用于多径的方法和不适用于多径的方法 此外 我们还可以对角度和时延进行联合估计 联合角度一时延估计 J A D E J o i n tA n g l eD e l a yE s t i m a t i o n 利用信道冲击响应的估计来对角度和延时进行 联合估计 2 2 定位问题的最f l 乘表示 在上一小节 我们简要介绍了定位参数的估计方法 在介绍各种移动台位置 估计方法之前 我们先介绍一下在移动台定位估计中应用的最多的数学方法一最 小二乘估计 此算法描述如下 假定在一无线定位系统中 共测量了M 个移动台的特征测量值 根据特征测 量值建立的残差方程为心 当没有任何有关特征测量值误差的先验信息时 可 利用使残差误差平方和最小的最 b 乘算法实现对l l S 的位置估计 即 I O 非视距环境下无线两络定位研究 i a r g m i n 2 1 其中量即为移动台的定位估计 如果各特征测量值误差的先验信息为已知 可根据该信息设置一加权因子q 对残差加权咖 加权最小二乘 霄L S 估计器为 叠 a r g n d n 砰 力 2 2 由于残差方程为 x 通常为J 非线性函数 以上最小二乘问题的求解可以看 成为 非线性最优化问题 可通过求解最优化问题的梯度法 单形调优法 高斯 牛顿法等递归算法进行求解嘲 假定惦的位置坐标为似力 各B S 的位置坐标 为 咒 则对于不同的测量方法 残差函数一般是不相同的 具体来说 对于场强法和T O A 法这两种可将测量值转换为I I s 与B s 测量距离的定位法 残 差函数为 f a x 西一 葺一刁2 乃 y 2 2 3 其中吐为惦和第i 个B S 的测量距离 对于T D O A 定位 假定服务B s 位置坐标为 J 各T D O A 以服务B s 为参考 则残差函数为 f a x 一 一曲2 一力2 一 一曲2 饥 y 2 2 4 其中4 m 为第i 个T D O A 转化的测量距离差 对于 O A 定位法 残差函数为 Z 力 q 一鹕t a n 二盟 2 5 J 一玉 其中q 为第i 个B S 的A O 测量值 设根据某种测量值建立的方程组可表示为如下线性形式 Y 丘r 2 6 其中 Y 是已知的 1 1 维向量 x 是2 X 1 维未知向量k y r A 是M X 2 矩阵 如 果A r A 是非奇异矩阵且M 2 则 2 6 为方程数大于未知量数目的超定方程组 则 如果我们没有任何有关特征测量值误差的先验信息时 可以通过最小二乘 L S 方法来求解方程组 2 6 可得解为 X 爿 句 1 A 7 Y 2 7 如果我们有关于特征测量值误差的先验信息 则可以通过加权最小二乘 w L s 方法求解方程组 2 6 可得解为 X A 7 V a 1 A 7 V 1 Y 2 8 其中旷 为特征测量值误差向量的协方差矩阵的逆 2 3T D O A 定位的双曲线模型 在几种基于蜂窝网络的移动台定位技术中 和其他定位技术相比 T D O A 定位 技术以其定位精度高 算法计算复杂性低 易于实现等诸多优点而受到更多的重 视嘲 并且在以后的各种方法的提出都是以T D O A 的定位方法为基础的 因此我 们在此将对T D O A 的基本定位算法进行详细的描述 在此我们主要讨论由M 个基站对淞进行二维 2 D 定位估计的问题 假定所有 非视距环境下无线网络定位研究 T D O A 都是参照于服务基站 基站1 发射的信号 因此下面各式中i 2 3 M 设 Y 为峪的待估计位置 C 墨 I 为第i 个基站发射机的己知位置 则M s 和 第i 个基站发射机之间的距离为 墨 五一曲2 一y 2 2 9 则可以得到参照服务基站的距离差为 8 J c f I j 墨 g 五 x 2 誓 y 2 一 五一曲2 誓 y 2 2 1 0 其中c 为电波传播速度 J 为T D O A 测量值 由上式我们可以看到 此方程组 是关于 的非线性方程组 求解此方程组主要有两种方法 一可以采用泰勒 序列展开法嘲 此方法是递归的 另一种方法就是将此方程组线性化嘲嘲 线性 化的过程如下 群 R 蜀 2 2 1 1 式 2 1 1 可展开为 霹 2 R 墨 砰 砰 誓2 2 五 l x 一2 2 2 一1 2 上式减去i 为1 的方程 端 2 9 置 矸 墨2 2 五 x 2 Y I y 一研一z 2 2 1 3 在此式中置 五一五 巧一墨 则可以看到 方程 2 1 3 为关于 y 的线性方程组 如果我们假定服务基站的坐标为 o o 设置 砰 乎 则方 程 2 1 3 可简化为 码 2 9 I 蜀 墨一2 X i x 一2 秒 2 1 4 此方程可以用两种方法来求解 首先介绍第一种方法 具有解析解的方法 这种方法有很多种 主要包括F a n g C h a n F r i e d l a n d e r S X S I 1 等 第二 种方法为递归算法 主要包括T a y l o r 法及D A c 分类征服 算法 1 由于以后提出 的方法是建立在C h a n 算法以及泰勒序列展开算法基础上的 因此在此我们只对 这两种作较为详细的介绍 2 4 具有解析解的定位算法 2 4 1C h a r t 算法 根据参与定位的基站数目 此算法可分为两种情况进行讨论 2 4 1 1 基站数为3 时的算法 当有效测量基站数为3 时 可得到两个仰o A 测量值 先假定墨为已知 则 M s 位置 J 可由式 2 1 4 按以下形式解出 y 工1 j L 工X 乏 墨 互1 置i 一 墨K 2 墨K J 1 c z 一 s 式中墨 砰 F 将式 2 一1 5 代入式 2 9 令i l 得到一关于墨的二 次方程 将其正根代回 2 1 5 就得到船的估计位置 在某些情况可能有两个 正根 这种模糊性可由有关先验信息进行选择 非视距环境下无线网络定位研究 2 4 1 24 个以上基站时的算法 当有效测量基站为4 个以上时 该算法能利用网络所能提供的所有T D O A 测 量值并取得更好的定位结果 此时T D O A 测量值数目多于未知量数目 且设测量 值误差的协方差矩阵可求 并设置 x y 为相互独立的未知量 则我们可以采用采 用w L s 算法能得到一初始解 又由于R x y 之间存在置 J 矿 2 的约束关系 因此我们采用第二次 L S 算法通过利用第一次的估计位置坐标及约束条件就能 得到改进的f e i 计位置 令z lz 墨f 为未知矢量 其中乙 而y r 则式 2 1 3 的T D O A 测量误差表达式为 矿 h C x z 2 1 6 h 三 2 R 2 驾一E x W R 2 3 一x 一日 x W i R 2 一x 乙一Y 三 x Y X J l X 3 J u I l X M X IR 2 I x J R I Y M JR M J 在此 我们设T D O A 测量值为f I Jf 2 3 则只此值包含两部分 真实值以 及测量误差 设测量误差为 可得 T u o 将此式代入式 2 1 3 经 过简单运算可得T D 0 测量误差的另一种表达式 矿 c B n O 5 c 2 n 0 一 2 1 7 其中 B d i a g R R R 由于在S N R 较高时 由广义互相关方法 G c c 检测的T D O A 测量值通常为高斯数据 服从近似的正态分布 因此噪声矢量n 也 服从近似的正态分布 误差矢量的协方差矩阵便可算出 在实际应用中条件 q I 口墨 I 通常可以满足 因而式 2 1 7 中第二项可以忽略 误差矢量矿成为具 有以下协方差矩阵的高斯随机矢量 甲 E 御1 c 2 B Q B 2 1 8 其中Q 为T D O A 协方差矩阵 在此 首先假设xYR 之间互相独立 则z 的 最大似然估计 M L 为 z a r g m i n h 一纠7 妒 l 髟 G 7 甲 G 4 G 7 甲一h 由于B 中含有M S 和各基站发射机之间的距离 故妒仍然是未知量 为此需 作进一步近似 当M s 距离很远时 则与各基站距离基本相等 则可设B P a r 其中R 为一定义距离 则式可近似为 z G Q 1 G 1 G Q 1 h 2 1 9 若当M S 距离较近时 可先用上式得一初始解 后再计算B 矩阵 此时就完 成了第一步的W L S 估计 关于第一次W L S 得到的估计值的协方差矩阵可用扰动方法计算 详细步骤见 文献 1 最终可得估计值协方差矩阵 c o v z 研 z G 7 矿 1 G 2 2 0 由于第一次W L S 假设墨 x y 独立 因此这种估计还有改进的必要 考虑三变 量之间的约束关系 可得第二次W L S 由第一次W L S 得到的定位估计与实际值有 非视距环境下无线网络定位研究 偏差 因此我们设 z P qy O e 2 肆 6 r 2 2 1 其中与 乞 岛为z 的估计误差 刚可根据墨 而y 之问的约束关系得到另一误差矢 量 矿 k d 2 2 2 肌拈降 G 册嘏翔 则将式 2 2 1 代入 2 2 2 中经过简单运算可得痧的协方差矩阵为 壬 e d d 7 4 B G 壬 1 G 1B 2 23 其中 B d i a g x X I y V J 1 1 同样可求出z 的协方差矩阵为 c o v z d 7 G 最终得到定位的估计结果 鹕 乒 专 o r 矿一F 懈 2 4 2 其他解析算法 F a n g 算法 此方法只能利用三个基站的测量值 而不能利用多基站的冗余信 息 但是推导过程比较简单 F r i e d l a n d e r 算法 此方法利用奇异值分解 S V D 的方法将式 2 1 3 的变 形式一边的罨消除 从而就得到一个只是关于x y 的线性方程组 然后利用W L S 进行估计 S X 球面相交 算法 此方法与C h a r t 算法中三个基站时类似 不同的是 在进 行第一步估计时假定R 已知 这样就使得误差矢量中第二项最小的自由度下降 因此这里得到的是次优解 s I 球面插值 第一步假定墨已知 得到x 和y 然后把结果代入残差公式 求使该方程误差最小的墨值 加权最小二乘问题 可以实现实时处理 并且得到 全局最小点 2 5 定位估计的递归算法 常用的递归算法包括T a y l o r 法及D A C 分类征服 算法 1 1 4 非视距环境下无线网络定位研究 2 5 1T a y l o r 算法 泰勒序列展开法是一种需要船初始估计位置的递归算法 在每一次递归中通 过求解T D O A 测量误差的局部最小二乘 L S 解来改进对峪的估计位置 对于一组 T D O A 测量值 该算法中首先将式 2 1 3 在选定的峪初始位置 而 进行泰勒展 开 去除二阶以上分量 2 1 3 式转化为 矿 趣一q 占 2 2 4 趣 R 一 是一是 焉 一 马一日 一 一墨 占 I 峨 墨 一而 马 嚼 D S 吨K j 砧 垦 i 眠 砧 剐 墨一 矧晒 砧偈H 写 力 脚 q I 峭 础偶H 移 剐嚼 曲 墨H 瓯 y o 局 f l 2 肼为初始位置 而 朋 与各基站距离 式 2 2 4 的 W L S 舭J 豳 科 G 州帅 2 2 5 其中Q 为T D O 测量值的协方差矩阵 墨可由初始值算出 在下次递归种 令 磊 x o 成 y o A y 重复以上过程 直到 巧缈足够小 即i 纠 l A y l F 此时 以 即为M S 的估计位置 2 5 2D A C 分类征服 算法 此算法是将T D O A 测量值分类 每组大小等于未知量数目 分别在每一组求解 出未知量 再将各组解进行适当组合得到最终解 由于分类