基于移动通信网络的无线定位技术及其应用.pdf

第27卷 第8期 2003年8月 信 息 技 术 INFORMATION TECHNOLOGY VOL 27 NO 8 Aug 2003 基于移动通信网络的无线定位技术及其应用 聂 颖 张 刚 张德民 重庆邮电学院通信与信息工程学院 重庆400065 摘 要 介绍了移动通信网络的无线定位技术 分析了定位系统的实施方案 并对通用的几种 无线定位技术进行讨论 分析不同技术的适用性和优缺点 最后提出了影响定位系统性能的几 个误差因素和相应的解决方法 并给出了常用的定位系统评价指标 关键词 无线定位 TOA TDOA 位置服务 G DOP 中图分类号 TN927 23 文献标识码 B 文章编号 1009 2552 2003 08 0001 04 Wireless orientation technique based on the mobile communication networks and its applications NIE Ying ZHANG Gang ZHANGDe2min School of Telecommunications Engineering Chongqing University of Posts and Telecommunications Chongqing 400065 China Abstract This article introduces the wirelessorientation technique and the projects available for its implemen2 tation The common wireless orientation technologies are discussed and their applicability and characteristics are analyzed In the end the paper describes the error resources that affect the performance of wirelessorien tation system and the corresponding solutions and puts forward several judgment criterions Key words wireless orientation TOA TDOA location services G DOP 0 引言 随着移动通信技术的迅猛发展 对于移动台的 定位需求也越来越受到人们的普遍重视 1996年 美国联邦通信委员会 FCC 颁布了E 911法规 要 求2001年10月1日起移动通信网络必须能对发出 紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服 务 而且满足此定位精度的概率应不低于67 1 1999年FCC对定位精度提出新的要求 对基于网络 定位要求提供精度为100m内的定位的概率应不低 于67 精度为300m内的定位概率应不低于 95 对基于移动台的定位为精度50m内的概率应 不低于67 精度150m以内的定位的概率应不低 于95 2 欧洲同样也提出了相应的E112规定 规 定提供定位服务应为移动通信网络的基本功能之 一 这些规定大大推动了移动通信网络无线定位技 术的发展 除了满足政府和紧急救援的要求外 无 线定位业务本身可以带来众多的附加业务 引起众 多厂商和技术界人士的关注 本文纵览了无线定位系统的实施方案 技术原 理及其特点 分析了现有的移动通信网络的需求 对 定位系统中的问题提出了一些思路 1 定位技术的应用 无线定位技术的应用前景非常广阔 其带来的 基于位置信息的附加业务也极具市场潜力 权威的 OVUM关于全球移动定位的市场预测报告指出 1 近几年内 定位业务带来的总产值将迅速增 长 预计到2006年 全球基于定位业务带来的总产 值将达到20亿美元 2 亚洲市场将于2003年启动 并将占全球业 务份额的23 收稿日期 2003 04 18 作者简介 聂颖 1974 女 重庆邮电学院2001级研究生 研究方 向 数字信号处理 无线定位 1 3 到2006年 中国市场将产生1 2亿美元的 收入 产值预测直方图和市场分布饼图如图1所示 根据不同的位置业务对定位精度的需求 业务可以 划分为以下几类 1 定位精度需求较高的业务 导航 紧急报警 业务 贵重资产跟踪业务 个人及宠物跟踪 车辆跟 踪及反盗窃 劳动力管理 基于位置的计费 2 定位精度需求较低的业务 移动黄页 网络 优化和设计 无线网络资源的管理城市观光 信息服 务 智能交通系统 图1 无线定位业务的预测 2 移动通信网络中的定位技术 无线定位系统的实现主要有两种系统实施方 案 即基于终端和基于网络 基于终端的定位系统 又称移动台自主定位系统 是在移动台利用接收到 的信号进行位置估算来进行定位 以GPS G LONASS 等为代表 而另一类基于网络的无线定位系统是在 网络端测试移动台发送的信号并进行相应的位置估 算 可以利用现有的移动通信网络 基于以上两种基 本的定位方案 还可以对两种方案综合实施 例如网 络辅助的定位 终端辅助的定位 GPS辅助定位等等 针对现有移动通信网络 如果采用基于终端的 定位方案或GPS辅助定位方案 必须对现有移动台 进行适当修改 增加必要的软硬件设备 如集成GPS 接收机 还必须通过空中接口将定位信息传送回蜂 窝网络 而基于网络的定位方案只需对移动通信网 络设备作适当扩充 修改 不需要对现有移动台作任 何修改 易于实现 并且能达到一定精度 适用于在 现有的移动通信网络 因而基于移动通信网络的定 位系统方案将是短期内为广大移动终端用户提供无 线定位服务的最佳选择 不同无线定位系统采用的定位技术都是大致相 同的 即对信号的某种特征测量值的检测 采用一定 的位置估计算法来确定位置 3 4 常见的无线定位 技术有场强定位法 基于电波传播时间或者传播时 间差的定位技术 基于电波入射角 混合定位法等 2 1 场强定位法 信号场强 signal strength 定位法通过检测接收 信号的场强值 利用已知的信道衰落模型及发射信 号的场强值可以估算出收发信机之间的距离 通过 求解收发信机之间的距离方程组 即能确定目标移 动台位置 对于基于信号场强的定位 主要的误差源是多 径衰落和阴影效应 此外 由于在CDMA网络采用 的功率控制技术来消除远近效应 TDMA系统中采 用功率控制以增强电池使用时间 因而信号强度定 位系统必须知道MS的发送功率 并且需要合理的 精度控制 2 2 基于电波传播时间或传播时间差的定位法 该方法又称为基于时间的方法 通过测出电波 从发射机传播到多个接收机的传播时间 TOA 或时 间差 TDOA 来确定目标移动台的位置 对于TOA 方法 收发信机之间的距离可通过测出的电波传播 时间获得 利用相位测量 脉冲测量或扩频测距技术 等技术进行多个TOA测量 一个TOA测量值对应以 接收机为中心 以TOA对应距离为半径的圆 利用 三个以上TOA测量值 根据有关定位算法就能计算 出目标移动台的估计位置 对于TDOA方法 可通 过直接计算TOA差值或GCC技术等方法得到TDOA 测量值 一个TDOA测量值对应的是以两个接收机 为焦点的一对双曲线 多个TDOA测量值对应的多 条双曲线的交点即为目标移动台的估计位置 图2 给出了基于时间定位的示意图 基于时间的定位技 术中不可或缺的因素是高解析度的时间测量信息 另外 视距传播 LOS 对高精度的获取也是非常必 要的 图2 基于时间或时间差的定位技术 2 3 基于电波入射角的定位法 基于电波入射角 AOA 的定位方法是通过基站 接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角 如 图3所示 采用一定的定位算法确定角度确定的方 位线的交点 即为待定位移动台的估计位置 采用 2 此种定位方法 分布在移动台和基站附近的散射体 均会对测量造成影响 同时如果没有视距信号 天线 阵列会锁定一个并非来自于MS方向的反射信号 此外 多径也会干扰角度的测量 图3 基于角度的定位技术 2 4 混合定位法 利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值 如T OA AOA T DOA AOA T DOA T OA进行定位估计 通过上述定位方法的分析比较可见 场强定位 法最简单 且蜂窝网络中小区切换 功率控制等操作 都与场强测量有关 但定位精度较差 AOA定位法 虽有一定精度 但需要在接收端增加阵列天线 且到 达接收天线阵列单元的电波必须有直射分量 LOS 存在 系统设备复杂 在传播环境差或都市环境下其 精度较差 TOA定位法精度很高 在GPS系统中已 经得到采用 但对移动台和网络的时间同步有较高 要求 TDOA定位法可以消除对移动台时间基准的 依赖性 因而可以降低成本并仍然保证较高的定位 精度 不同的混合定位法具有不同的特点及不同的 软硬件要求 达到不同的定位精度 可见 在现有移 动通信网络中采用TDOA较为简单有效 对现有系 统改动最小 是目前理想的一种可实施的定位技术 方案 另外 除了以上几种定位技术之外 在现有移动 通信网络的基础上 最容易实现的就是小区定位 Cell ID 即可以利用现有的移动系统HLR中关 于用户所属小区的信息进行定位 实现简单 成本 低 有很好的覆盖性和可靠性 支持现有的网络中所 有手机 但是定位的精度受小区的尺寸影响 根据小 区半径的不同 定位精度在500米 30千米不等 综上所述 对于不同的定位需求和其他方面的因 素综合考虑 可以采用不同的定位技术以满足需要 3 定位误差的主要来源和对策 能否有效地抑制定位误差是衡量定位系统性能 的重要指标 而获取高精度的定位估计首先需要在 信号检测过程中尽可能减小测量误差 还需要高精 度定位算法来实现位置估计 在现有的移动通信网络信道环境纷杂多变 使 得移动台和基站之间多径传播 Multipath 非视距 NLOS 传播普遍存在 在CDMA网络中 还普遍存 在多址干扰 MAI 这些因素都会使检测到的各种 信号特征测量值出现误差 从而影响定位精度 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 是提高定位精度的关键 也是移动 台定位技术需研究的重要课题 3 1 多径传播 多径传播是引起各种信号特征测量值出现误差 的基本原因之一 尤其在场强定位和电波入射角定 位中 多径是造成误差的首要原因 对TDOA和TOA 定位法来说 多径传播会引起时间测量误差 尤其是 在都市或者地形较为复杂的地区这种影响更为严 重 目前的已提出了多种抑制多径的方法 例如 MUSIC ESPRIT 扩展卡尔曼滤波器 边缘检测等等 技术 削弱多径影响的技术对各种移动通信网络都 是必要的 对此技术的研究将持续并深入下去 3 2 非视距传播 视距传播 LOS 是得到准确的信号特征测量值 的必要条件 非视距传播 NLOS 的影响是造成基于 TOA TDOA定位的误差的主要原因 由于移动通信 网络覆盖区一般是城市和近郊 手机与几个基站之 间均实现LOS传播通常是非常困难的 而且即使在 不受多径影响 采用了高精度定时技术确保同步的 情况下 NLOS传播也会引起TOA或TDOA测量误 差 因此 NLOS传播是影响各种网络定位精度的主 要原因 也是亟待解决的影响定位精度的关键性问 题之一 5 对NLOS传播进行识别通常采用统计方法 利 用先验统计知识 根据LOS和NLOS的测量值的不 同标准差对NLOS测量值进行识别纠正 NLOS识 别后的处理可以有几种不同的方式 第一种方法可 以利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的 NLOS测量值进行平滑和重构 使其接近LOS的测 量值 第二种方法如果满足LOS条件的特征测量值 可以达到定位要求时舍弃NLOS的测量值 否则可 以通过对NLOS的测量值进行加权 即降低非线性 最小二乘算法中NLOS测量值的权重 3 3 多址干扰 在CDMA系统中 高容量的同时也带来了远近 效应和多址干扰 多址干扰会严重影响TOA和 TDOA的粗捕获 目前已出现了一些探索解决该问 题的方法 如在3GPP中提出的在E 911呼叫时将 3 移动台发射功率瞬间调到最大的Power Up方法 改 进软切换方式 利用抗远近效应延时估计器与多用 户检测器等 3 4 几何布局 在进行位置解算的过程中 参与定位的各基站 之间 移动台与基站之间不同几何布局的差异会影 响定位算法的性能 造成定位精度的差异 尤其对采 用距离测量的定位系统而言 其定位准确率在很大 程度上取决于基站和待定位MS之间的几何位置关 系 这种几何布局的不同通常采用几何精度因子 G DOP 来衡量 对这一问题的研究有助于系统测试 过程中进行定位估算 在多基站参与定位的情况下 可以有助于选取具有最佳几何布局的定位基站 并 有助于网络设计和规划 4 定位系统性能评价 定位系统的性能可以通过定位精度和系统负荷 两方面来评价 常用的用于评价定位精度的指 标 是定位估计的均方误差MSE 或均方根误差RMSE 圆概率误差CEP 累积分布函数CDF等 在二维定位估计中计算MSE的方法为 MSE E x x 2 y y 2 其中 x y 为MS实际位置 x y 为估计位置 定位估计准确率的另一种严格且简单的度量是 圆误差概率CEP CEP是定位估计器相对于其定位 均值不确定性的度量 对于二维定位系统 CEP定 义为包含了一半以均值为中心的随机矢量实现的圆 半径 对于TDOA双曲线定位 CEP近似表示为 CEP 0 75 2 x 2 y 其中 2 x 2 y为分别为二维估计位置的方差 在实际工程应用中还常用到平均定位误差 累积 分布函数CDF 误差概率密度函数PDF等评价指标 系统负荷也会影响基于网络的定位系统性能 对于不同的定位系统实施的定位技术 在信号测量 估计阶段需要占用系统负荷 还需要将参与定位的 基站的特征测量值传送回一个中心定位基站来进行 位置估算 最终还要占用空中接口的资源将位置估 计信息送往用户终端或者基于位置服务的其他业务 平台 因此 系统同时可定位的移动台的数目是有 限的 5 结论 本文对基于移动通信网络的定位技术和实施方 案进行了探讨 在定位的实施上目前还存在很多问 题 例如文章中提到的各种定位系统方案的具体实 施细节 不同定位技术的提高和改进 定位误差的解 决和可靠性的提高等等问题 都是值得研究的课题 未来几年对这一问题的研究和讨论将越来越引起关 注 定位将成为技术热点和最具潜力的服务之一 参 考 文 献 1 J Reed and T Rappaport An Overview of the challenges and Progress in meeting the E 911 Requirement for Location Service IEEE Communication Magazine April 1998 30 37 2 3GPP TS 25 305 3GPP TS Group Radio Access Network Functional Specification of Location Services stage2 http www 3gpp org ftp specs 3 Caffery J and Stuber GL Overviewof Radio Location in CDMA Cel2 lular Systems IEEE Communications Magazine Vol 36 No 4 April 1998 38 45 4 Caffery J Jr Wireless Location in CDMA Cellular