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刍议无线定位技术的物理基础 罗秀艳罗秀艳 蒋积超蒋积超 尹金枝尹金枝 河北联合大学迁安学院河北联合大学迁安学院 邮编邮编 064400064400 摘摘 要 要 无线定位作为无线技术的一项重要应用 近年来发展迅猛 被广泛 应用于导航 虚拟实现和军事目标定位等方面 由于无线定位技术受到越来越多 的关注 也就推动了对无线定位技术的研究及测距技术的发展 本文主要本对几 种常用的无线定位技术进行了深入分析和讨论 研究无线定位技术的物理原理 讨论了几种常用的无线定位方案 关键词 关键词 无线定位 到达时间 TOA 到达时间差 TDOA 中图分类号 G876文献标识码 A文章编号 一 前言一 前言 无线定位技术是利用 WiFi 技术的射频识别和传感器等设备 通过测量接收 到的无线电波的时间 幅度 相位等参数 根据相关算法判断被测物体的位置 实现定位 监测和追踪特定目标位置 无线定位三种典型的基本定位技术分别是 场强法 基于电波传播时间 TOA 或 TDOA 的定位法 基于电波入射角 AOA 的定位法 无线定位技术是第三代移动通信的重要技术之一 已得到了 欧洲电信标准化组织 ETSI 美国电信电子行业协会 TIA EA 和世界各大通信 公司的广泛重视 二 典型的基本无线定位方法二 典型的基本无线定位方法 无线定位系统中对移动台的定位是通过分析移动台及固定接收机之间传播 信号的参数来估计移动台的确切位置 现有的定位系统按移动通信结构分为基于 移动通信网络的无线定位 基于移动台的无线定位 混合定位等 1 基于移动台的定位系统 这类系统也称为移动台自定位系统 在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系 统 其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某 种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系 再 根据有关算法对其自身位置进行定位估计 由移动台用户掌握其自身的位置信 息 单从技术角度讲 这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息 它可以利 用现有的一些定位系统 但这类技术需要在移动站上增加新的硬件 这将对移动 站的尺寸和成本带来不利的影响 2 基于网络的定位系统 这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统 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 将从各接收信号携带的某种与移动台位 置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理 计算出移动台的估计位 这种解决方案需要对现存的基站 交换中心做出某种程度的改进 但它可以兼容 现有的终端设备 其可选用的具体实现技术主要包括 测量信号方向的定位技术 测量信号功率的定位技术 测量信号传播时间特性的定位技术 由于第二类的解 决方案能更好的利用现有的网络及其终端设备 因而具有更广泛的应用前景 3 混合定位 该法是在系统中同时利用不同类型的信号特征测量值 如 TOA AOA TDOA AOA 甚至是 GPS 作为辅助 进行定位估计 由于该解决方案能更好 的利用现有的网络及其终端设备 因而具有更广泛的应用前景 从上述各定位系统的基本特征可以看出 在蜂窝网络中采用基于移动台的前 向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改 如集成完整 GPS 的接收机 或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件 虽然定位精度高 用户对定 位信息有绝对的控制权 但是成本昂贵 基于网络的反向链路定位方案只需对蜂 窝网络设备作适当扩充 修改 不需要对现有移动台作任何修改 能充分利用现 有各种蜂窝系统的大量资源 是一种较为可取的方案 三 典型的基本无线定位方法三 典型的基本无线定位方法 1 场强定位法 这种方法是通过测出接收信号的功率和已知的信道衰落模型及发射信号的 场强值估算出收发信机间的距离 根据多个距离值即能估计出目标移动台的位 置 一次场强测量把移动台 即定位目标 约束在围绕基站的轨迹圆上 圆的半径 由场强值确定 由于通常两个圆交点为两个 因此一般必须通过三个基站来确定 目标位置 在实际应用的系统中 为了克服远近效应 必须要采用功率控制 所 以在理想情况下 网络接收到的移动台功率是相同的 这时移动台必须以足够高 的精度告知基站其发射信号的功率 基站再由接收到的信号功率计算出信号传输 过程中的损耗 进而推算出移动站到基站的距离估值 实现对无线用户的定位 2 基于电波传播时间 TOA 或 TDOA 的定位法 基本物理原理是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间或时 间差来确定目标移动站的位置 原理是电波从发射机传播到接收机的距离与电波 传播时间成正比 根据几何原理 以三个基站为圆心 移动台为圆上一点 可以 确定三个圆 圆半径等于测量到的往返时间的一半乘以光速 三圆相交即可估计 目标位置 这就是 TOA 定位 可以看出 接收机需要知道信号传输的开始时刻 才能测量往返时间 因而要求参与定位的所有设备有非常严格的时钟同步 对于 TDOA 若移动台 MS 到基站 BS1 BS2 BS3 的距离为 d1 d2 d3 则只 要知道基站 BS1 BS2 与移动台之间的距离差 r1 d1 d2 就可以确定一条以 两个基站为焦点 与两个焦点的距离差恒为 r1 的双曲线 r1 可以通过测量到 达时间差来得到 根据多个 TDOA 数据对应的多条双曲线的交点就能估计目标 位置 这样只需要参与定位的基站有严格的时钟同步而不要求移动台也严格同 步 降低了同步要求 以上基于时间的定位法若直接利用 TOA 或 TDOA 估计 值求解上述非线性的定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置通常比较 困难 在有一定时间测量误差时由于各定位圆或定位双曲线可能没有交点而不能 进行正常定位 实际应用中通常采用 LS 最小二乘 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 TOA 测量要 求 MS 的发射与所有基站的接收精确同步 并且在其发射信号中要包含发射时间 标记以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离 TDOA 测量的是 MS 发 射的信号到达不同 BS 的传播时间差而不是确切的传播时间 因此不需要 MS 与 BS 间的精确同步 也不需要在其发射信号中加上发射时间标记 即不需增加上 行链路的数据量 3 基于电波入射角 AOA 的定位法 AOA 技术在两个以上的位置点放置 4 至 12 组天线阵列 以确定移动台发 送信号相对于基站的角度 以此构成基站到移动台的直接连线 两线的交汇处即 为待定位移动台的位置 AOA 系统结构简单 只需 2 个基站即可实现定位 但 要求天线阵具有高度灵敏度和高空间分辨率 在障碍物较少的开阔地区可以获得 较高的定位精度 但在建筑物物密集的环境中 受多径传输效应的影响 定位精 度下降 同时随着终端和基站距离的增加 定位精度也会受影响而逐渐降低 为 了减小多径干扰的影响 AOA 技术必需使用智能方向天线 基于实现复杂和设 备成本的原因 AOA 技术尚未在城市蜂窝定位系统中广泛应用 四 结束语四 结束语 不管是室外定位还是室内定位都有其优势也有其局限性 其造成定位误差的 主要原因有多径传播 非视距传播 多址干扰及远近效应等 如 TOA 和 TDOA 的到达时间 AOA 的到达角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 如何采取适当措施降低这些因素的影响 是提高定位精度的关 键 未来定位技术的发展一定是广域定位和短距离定位相结合 既能提高响应速 度 又可以覆盖较广的范围 实现无缝的 高精确定位 参考文献参考文献 1 谢展鹏 熊思民 徐志强 无线定位技术及其发展 现代通信 2004 年第 3 期 2 阎啸天 于蓉蓉 武威 无线网络定位技术 中国移动官网 2011 03 14 3 吴