摘要 近年柬，隨著無(wú)線通信行業(yè)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)于安全性的要求成為移動(dòng)臺(tái)定位研 究的重要驅(qū)動(dòng)力量，并使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)臺(tái)定位問(wèn)題成為研究的熱點(diǎn)之一。目前在蜂 窩網(wǎng)絡(luò)中對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的方案有兩類：基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案和基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案。 其中基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案不需要對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行修改，可以保護(hù)用戶已有的投資，因此得 到人們的極大重視。由于定位業(yè)務(wù)已經(jīng)成為3 g p p 以及3 g p p 2 必須支持的業(yè)務(wù)，而在 第三代移動(dòng)通信中主要采用的是c d m a 網(wǎng)絡(luò)，因此基于c d m a 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位就成 為研究的重點(diǎn)。 c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)決定采用的多為基于t d o a 測(cè)量值的雙曲定位方法， 而利用多組到達(dá)時(shí)間差( t d o a ) 測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)定位的關(guān)鍵在于如何獲得非線性雙 曲定位方程組的解。c h a n 算法是一種常用的t d o a 定位算法，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差服從高 斯分布時(shí)可以獲得優(yōu)秀的定位性能。但是實(shí)際環(huán)境中，t d o a 測(cè)量往往受到非視線路徑 ( n l o s ) 傳播誤差的影響。從而使定位算法性能大幅下降。本文通過(guò)對(duì)c h a n 算法計(jì) 算過(guò)程的中f l j 階段所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提出了一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的新的定位模 型。通過(guò)仿真驗(yàn)證，在存在非視線路徑( n l o s ) 干擾的條件下，在不顯著提高定位時(shí)間 以及復(fù)雜度的前提下，該方法比傳統(tǒng)的c h a r t 算法具有更優(yōu)秀的定位性能。針對(duì)該數(shù)據(jù) 融合模型在鬧市環(huán)境下的定位性能進(jìn)一步提出了一種基于多基站組合測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù) 融合模型，以增大計(jì)算量為代價(jià)獲得了理想的定位性能。 關(guān)鍵字：蜂窩網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)臺(tái)定位；到達(dá)時(shí)間差( t d o a ) ；數(shù)據(jù)融合；非視線路徑( n l o s ) a b s t r a c t r e c e n t l y , c o n s u m e rd e s i r ef o rs e c u r i t yh a sb e e nt h em a i nd r i v i n gf a c t o r so ft h em o b i l e p o s i t i o nl o c a t i o nr e s e a r c hw i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t ho fc e l l u l a rs e r v i c e s ，a n dm a k e saf l u r r y o fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t a c t i v i t i e sd e d i c a t e dt o p o s i t i o n 1 0 c a t i o n t h e1 0 c a t i o n t e c h n o l o g i e si nc e l l u l a rn e t w o r k c a l lb el o o s e l yg r o u p e di n t oh a n d s e t - b a s e dt e c h n o l o g i e sa n d n e t w o r k b a s e dt e c h n o l o g i e s m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot l l el a t t e rt e c h n o l o g i e sb e c a u s ei td o e s n o tn e e da n ym o d i f i c a t i o no fm o b i l e p h o n e t h em o b i l e s m t i o nl o c a t i o nh a sb e e nt h e i m p o r t a n t s e r v i c es u p p o g e d b y3 g p pa n d3 g p p 2 a n dt h ec d m a i sm a i n t e c h n o l o g ys e l e c t e d b yt h et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n ，s ow ed e d i c a t eo u rr e s e a r c ht ot h em o b i l el o c a t i o ni n c d m ac e l l u l a rn e t w o r k s h y p e r b o l i ci o c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt d o a m e a s u r e m e n t si sa l w a y ss e l e c t e di n c d m an e t w o r k sb e c a u s eo fa l lb a s es t a t i o n sh a v eb e e ns y n c h r o n i z e db vt h en e t w o r k t h e k e yf a c t o ro f t h ep o s i t i o nl o c a t i o nu s e dm e a s u r e dt d o a s i g n a l st r a n s m i t t e df r o mt h em o b i l e s t a t i o ni st of i n dt h es o l u t i o no ft h en o n l i n e a r h y p e r b o l i ce q u a t i o n s c h a na l g o r i t h m i sa g o o d t d o al o c a t i o nm e t h o d 。i tc a na c q u i r e g o o d l o c a t i o n p e r f o r m a n c e w h e nt h et d o a m e a s u r e m e n t so b e yt h eg a u s sd i s t r i b u t i o n b u ti n r e a le n v i r o n m e n t t h em e a s u r e m e n t s a l w a y sc o r r u p t e db yt h en o n l i n e - o f - s i g h tr n l o s ) e r r o r , a n d t h el o c a t i o na c c u r a c yo fc h a n a l g o r i t h mw i l ld e c r e a s ed r a m a t i c a l l y i nt h i sp a d e r , ad a t af u s i o nm o d e lb a s e do nd i f f e r e n t i n t e rs t a g er e s u l t sc a l c u l a t e db yc h a na l g o r i t h mi s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t p o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fp r o p o s e dm o d e l i sb e r e rt h a nt h ec h a n a l g o r i t h ma n d c a nr e d u c et h e l o c a t i o nf a i l t t r e p r o b a b i l i t yo b v i o u s l yw i t hs l i g h t i n c r e m e n to fc a l c u l a t i o nt i m ew h e nt h e l o c a t i o ne s t i m a t e sa r ec o r r u p t e db yt h en l o se r r o r al o c a t i o nd a t af u s i o nm o d e li sf u r t h e r p r o p o s e db a s e do nt h e r e s u l to ft h ed i f i e r e n tb a s ec o m b i n a t i o nt o i m p r o v et h el o c a t i o n a c c u r a c yi nt h eb a du r b a ne n v i r o n m e n to fp r e v i o u sd a t af u s i o nm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a ti tc a na c h i e v et h ea n t i c i p a t e dp e r f o r m a n c ew i t hr u nu po f t h el o c a t i o nt i m e k e yw o r d s ：c e il u ia rn e t w o r k s ；m o b ii ei o c a t i o n ：t d o a ；d a t af u s i o n ；n l o se rr o r 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 0 前言 國(guó)際上對(duì)于無(wú)線電定位技術(shù)的研究始于上個(gè)世紀(jì)6 0 年代的自動(dòng)車輛定位( a v l ) 系統(tǒng)，隨后該項(xiàng)技術(shù)就在貨物運(yùn)輸、交通管理、犯罪跟蹤和緊急救助服務(wù)等范圍內(nèi)得到 了小規(guī)模應(yīng)用。上世紀(jì)末以來(lái)，隨著蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的出現(xiàn)和飛速發(fā)展以及人們對(duì)智 能交通運(yùn)輸系統(tǒng)( i t s ) 的需求，人們對(duì)于無(wú)線定位技術(shù)也有了新的要求，從而促使更 多的研究者投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中來(lái)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)( f c c ) 于1 9 9 6 年公布 了e 一9 l i ( e m e r g e n c y c a l l9 1 i ) 定位需求u ，2 j ，要求在2 0 0 1 年l o 月1 日前，各種無(wú)線蜂 窩網(wǎng)絡(luò)必須能對(duì)發(fā)出e 9 1 1 緊急呼叫的移動(dòng)臺(tái)以不低于6 7 的概率提供精度在1 2 5 m 以 內(nèi)的定位服務(wù)；在2 0 0 1 年以后，系統(tǒng)必須提供更高的定位精度以及三維位置信息。美 國(guó)f c c 的這一規(guī)定明確了提供e - 9 1 l 定位服務(wù)將是今后各種蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也包括3 g 網(wǎng)絡(luò) 必備的基本功能。 由于相關(guān)法規(guī)的強(qiáng)制性要求和巨大市場(chǎng)利益的驅(qū)動(dòng)，各大電信公司均開(kāi)始積極就 g s m 、1 s 一9 5 和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)制訂各自的定位方案【3 4 】，從而在國(guó)際上掀起 了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)的研究熱潮。就目前的研究而言，雖然出現(xiàn)了很多新的 定位方法和技術(shù)，但是如果不利用其它手段而僅依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源，要想完全滿足 e 9 “定位要求還是有一定差距的，也有許多問(wèn)題有待深入研究。為了進(jìn)一步提高定位 精度，還出現(xiàn)了一種綜合利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源和g p s 定位系統(tǒng)的混合無(wú)線定位技術(shù)【5 1 ，但 是該技術(shù)要對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行改造，又會(huì)大幅度增加移動(dòng)終端的成本。 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)不僅可以滿足移動(dòng)臺(tái)定位需求，還可用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)資源管理，如為電信運(yùn)營(yíng)商提供基于移動(dòng)臺(tái)位置付費(fèi)的增值業(yè)務(wù)、進(jìn)行運(yùn) 輸調(diào)度等1 7 9 】。目前，基于g s m 和c d m a 技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和蜂窩j o p s 混合定 位系統(tǒng)已在一些國(guó)家進(jìn)入商用，雖然定位精度還有待提高并且手機(jī)成本也較高，但用戶 數(shù)量卻在迅速增長(zhǎng)，這也說(shuō)明了蜂窩無(wú)線定位技術(shù)的市場(chǎng)潛力。 目前在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的方案有兩類：基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案和基于移動(dòng)臺(tái) 的定位方案。前者由多個(gè)基站同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的特征信息由蜂窩 網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位估計(jì)：后者則是由移動(dòng)臺(tái)根據(jù)收到的多個(gè)基站發(fā)射的信號(hào)特征信 息確定其與各基站之間的幾何位置關(guān)系，再對(duì)其自身位置進(jìn)行定位估計(jì)。顯然，基于移 動(dòng)臺(tái)的定位方案須在移動(dòng)臺(tái)中集成g p s 接收機(jī)或其他定位設(shè)備，還需在移動(dòng)臺(tái)和蜂窩 網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的傳送；基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案則不需要對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行修改，因而 可以保護(hù)用戶已有的投資。而在新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)( 如w - c d m a 系統(tǒng)) 中，由 于需要為用戶提供多種精度的定位服務(wù)，在3 g p p 的有關(guān)文檔資料中對(duì)兩種方案都提出 了要求【i o 川，而且重點(diǎn)已開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)。本文的研究重點(diǎn)是基 于i s 9 5c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法。 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的基本方法主要有三類：1 ) 基于無(wú)線電波場(chǎng)強(qiáng)的 定位法；2 ) 基于電波到達(dá)入射角( a o a ) 的定位方法；3 ) 基于電波到達(dá)時(shí)間( t o a ) 或到達(dá)時(shí)問(wèn)差( t d o a ) 的定位法。電波的非視線路徑( n l o s ) 傳播，多徑效應(yīng)和多 址干擾，基站之間及基站與移動(dòng)臺(tái)之間的時(shí)間同步測(cè)量誤差等都是影響定位精度的重要 因素，其中非視線路徑傳播是引起定位誤差的主要因素。無(wú)論哪種定位方法獲取移動(dòng)臺(tái) 基于c d m a 蜂窩嘲絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 精確位置估計(jì)的前提都是信號(hào)能在收發(fā)端實(shí)現(xiàn)視距( l o s ) 傳播。而在蜂窩移動(dòng)通信環(huán) 境中，移動(dòng)臺(tái)和參與定位的多個(gè)基站之間均有視線路徑傳播的可能性非常小，這也就制 約了各種算法在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的定位性能。 本文根據(jù)i s - 9 5c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，選擇了基于t d o a 測(cè)量值的定位方法進(jìn) 行了研究，根據(jù)目前主流t d o a 算法的抗非視線路徑( n l o s ) 干擾性能較差的缺點(diǎn)， 提出了一種新的基于c h a n 算法和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的定位模型，在不顯著提高計(jì)算量的前 提下大幅提高存在n l o s 干擾條件下的定位性能。然后根據(jù)其缺陷進(jìn)一步提出了基于多 基站測(cè)量結(jié)果組合的定位方案，在增加了一定計(jì)算量的前提下獲取了令人滿意的定位性 能。 全文內(nèi)容共分為六個(gè)部分：第一部分，簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線電定位系統(tǒng)的基本原理以及 分類，以及基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方法；第二部分，簡(jiǎn)要分析了移動(dòng)通信信道特性對(duì)定位 性能的影響；第三部分，簡(jiǎn)要介紹了目前比較成熟的基于t d o a 無(wú)線電測(cè)量值的定位 算法，對(duì)其性能進(jìn)行了分析和對(duì)比；第四部分，簡(jiǎn)要介紹了數(shù)掘融合技術(shù)以及幾種典型 的基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的定位模型；第五部分在已有的定位算法基礎(chǔ)上提出了一種新的基 于數(shù)據(jù)融合技術(shù)和c h a n 算法的定位方案并在各種典型移動(dòng)通信環(huán)境下進(jìn)行了詳細(xì)的仿 真驗(yàn)證和分析：第六部分針對(duì)第五部分所提出方案的缺陷進(jìn)一步提出了基于多基站測(cè)量 結(jié)果組合的定位方案。 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 1 無(wú)線電定位系統(tǒng)概述 無(wú)線定位通常是指利用無(wú)線電定位設(shè)備通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行測(cè)量，從而確定地球表面 某種物體在某一個(gè)參考坐標(biāo)系中的位囂。它是保障人類交通安全和軍事活動(dòng)的一種重要 手段，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。傳統(tǒng)的定位技術(shù)往往和導(dǎo)航是密不可分 的，導(dǎo)航是指引導(dǎo)交通工具或其他物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的過(guò)程，而這一過(guò) 程通常都需要定位技術(shù)對(duì)其進(jìn)行輔助。 1 1 無(wú)線定位技術(shù)簡(jiǎn)介 1 1 1 定位技術(shù)的分類 如圖1 1 所示，定位技術(shù)通常可以分為三大類，即陸地導(dǎo)航定位、無(wú)線電定位以及 接近式定位。 圖1 1 定位技術(shù)分類 f i g 1 1 l o c a t i o nt e c h n o l o g y c a t e g o r i e s 推算定位1 1 2 , 1 3 1 是陸地導(dǎo)航中的一種主要技術(shù)，該技術(shù)基于一個(gè)已知的相對(duì)參考點(diǎn)或 者起始點(diǎn)，連續(xù)計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于起始點(diǎn)的方向和距離，借助地圖匹配算法來(lái) 確定移動(dòng)目標(biāo)位置，適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行的連續(xù)定位。 推算定位系統(tǒng)依賴于移動(dòng)終端對(duì)于加速度、速度和運(yùn)動(dòng)方向的測(cè)量精度。利用相關(guān) 的傳感器，可以測(cè)量物體前進(jìn)方向只和距離d ，加上已知的起始位置x o = ( x o ，y o ) 1 ，則 在時(shí)刻n 的車輛位置以= ( ，m ) 7 可由下式確定： 呂 l 2 扎+ 乙4 口= ( a , c o s o , ，d , s i n a , ) 7 ( 1 一1 ) r = o 式中p 稱為位移向量( d i s p l a c e m e n t v e c t o r ) ，目。和d ，稱為第f 次位移方向和位移距離。 苧! 曼2 竺壘鱉墮墮望塑壁墊魚室壘查鯊! 塞 定位原理如圖1 2 所示， 圖1 2 推算定位原理 f i g 1 2 d e a d r e c k o n i n gt e c h n o l o g y 由于在推算定位系統(tǒng)中當(dāng)前的估計(jì)位置取決于前一位置和方向，因此每次推算中產(chǎn) 生的誤差將隨著推算位簧的更新而不斷積累。解決的辦法主要是通過(guò)與電子地圖相結(jié) 合，借助地圖匹配算法予以消除。 接近式信標(biāo)定位或稱信標(biāo)定位【7 , 8 , 1 3 , 1 4 主要通過(guò)與移動(dòng)目標(biāo)最靠近的固定參考檢測(cè) 點(diǎn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，將該目標(biāo)最靠近的檢測(cè)點(diǎn)的位置作為移動(dòng)目標(biāo)的位置。這種定位方法對(duì) 沿固定路線運(yùn)動(dòng)的物體或者小區(qū)域范圍內(nèi)比較適用，對(duì)大城市和大區(qū)域范圍卻不太實(shí) 用，因?yàn)樵谳^大的區(qū)域內(nèi)建設(shè)布置大量的固定信標(biāo)傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)是很不經(jīng)濟(jì)的。 接近式信標(biāo)定位可提供自定位或者遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)定位功能。對(duì)于自定位，鄰近信標(biāo)必須 含有信標(biāo)真實(shí)位置信息并能將位置信息傳給移動(dòng)臺(tái)；對(duì)于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)定位，網(wǎng)絡(luò)必須能夠 通過(guò)信標(biāo)識(shí)別出靠近信標(biāo)的移動(dòng)臺(tái)，并將結(jié)果傳遞給網(wǎng)絡(luò)定位中心。 無(wú)線電定位是目前定位技術(shù)的主流，主要分為基于方向測(cè)量、基于信號(hào)強(qiáng)度和相位、 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間或時(shí)間羞以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基于來(lái)源小區(qū)等定位方法，這部分內(nèi)容是 我們研究的重點(diǎn)，后面章節(jié)還要進(jìn)行詳細(xì)討論?；谛l(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的g p s 定位系統(tǒng)、 g l o n a s s 系統(tǒng)以及歐洲的g a l i l e o 系統(tǒng)本質(zhì)上也屬于無(wú)線電定位技術(shù)的范疇。 1 1 ，2 在城市移動(dòng)通信系統(tǒng)中的定位應(yīng)用 近年來(lái)，隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)用戶數(shù)目飛速增加。移動(dòng)通信系 統(tǒng)在為人們帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，由其移動(dòng)性和不確定性而產(chǎn)生的問(wèn)題也越來(lái)越多，因 此針對(duì)城市移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)臺(tái)的定位需求也就越來(lái)越迫切。 在城市移動(dòng)通信系統(tǒng)中，定位技術(shù)主要應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建立位置敏感付費(fèi)體 制、緊急救助、交通監(jiān)控與管理以及打擊犯罪等方面【7 4 川。 所謂敏感付費(fèi)體制就是在不同的位置使用移動(dòng)電話時(shí)按不同的標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)。根據(jù)現(xiàn)有 的收費(fèi)體制，移動(dòng)電話的收費(fèi)要高于固定電話，當(dāng)用戶同時(shí)擁有移動(dòng)電話和固定電話時(shí)， 必然首先選擇使用固定電話，如果移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能通過(guò)定位在這些特殊地點(diǎn)( 如辦公室， 住宅內(nèi)部等) 提供一個(gè)可以和固定電話相競(jìng)爭(zhēng)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，將可以大大增加業(yè)務(wù)量。 對(duì)于利用移動(dòng)通信的便利性和位置不確定性進(jìn)行流動(dòng)作案的犯罪分子來(lái)說(shuō)，如果沒(méi) 有定位系統(tǒng)則很難追蹤和捕捉。在發(fā)現(xiàn)罪犯利用移動(dòng)電話通信時(shí)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)確定犯 罪分子的具體位置將是司法部門執(zhí)法的最有力的證據(jù)。 各國(guó)都有緊急援助系統(tǒng)，在通過(guò)移動(dòng)電話求救時(shí)，用戶可能已經(jīng)迷失方向，傷殘或 無(wú)法發(fā)出語(yǔ)音信號(hào)，此時(shí)援助系統(tǒng)會(huì)因無(wú)法確定呼救者位置而使援助失敗a 而隨著移動(dòng) 用戶比例的不斷增加，可以預(yù)期移動(dòng)臺(tái)定位業(yè)務(wù)可以在用戶發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)為用戶提供更好 4 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 的安全保障。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)( f c c ) 于1 9 9 6 年公布了e 9 1 1 ( e m e r g e n c v c a l l9 1 1 ) 定位需求”0 4 j ，要求在2 0 0 1 年1 0 月1 日前，各種無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須能對(duì)發(fā)出e 9 1 1 緊 急呼叫的移動(dòng)臺(tái)提供精度在1 2 5 m 以內(nèi)的定位服務(wù)，而且滿足此定位精度的概率應(yīng)不低 于6 7 ：在2 0 0 1 年以后，系統(tǒng)必須提供更高的定位精度以及三維位置信息。1 9 9 9 年1 2 月，f c c 9 9 - 2 4 5 對(duì)e 一9 1 1 需求進(jìn)一步細(xì)化，針對(duì)定位技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手機(jī)中的實(shí)施， 對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和移動(dòng)終端生產(chǎn)廠商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提出了明確要求和日程安排。在定位精度 要求方面規(guī)定：基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方案( 即不對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行改動(dòng)) ，要求在6 7 的概 率下定位精度不低于1 2 5 m ，在9 5 的概率下定位精度不低于3 0 0 m ；基于移動(dòng)臺(tái)的定位 方案( 可以修改移動(dòng)臺(tái)) ，要求在6 7 的概率下定位精度不低于5 0 m ，9 5 的概率下定 位精度不低于1 5 0 m 。美國(guó)f c c 的這一規(guī)定明確了提供e 9 1 1 定位服務(wù)將是今后各種蜂 窩網(wǎng)絡(luò)，特剮是3 g 網(wǎng)絡(luò)必備的基本功能。正足這一法規(guī)的頒布使得針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的 移動(dòng)臺(tái)定位成為人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。 1 2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位系統(tǒng) 1 2 1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng) 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的位置、定位主體及采用的設(shè)備的 不同可將對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位方案分為三類：基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案，基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案 及g p s 輔助定位方案，與之對(duì)應(yīng)的也有下面幾種定位系統(tǒng)。 1 基于移動(dòng)臺(tái)的定位系統(tǒng) 這類系統(tǒng)也稱移動(dòng)臺(tái)自定位系統(tǒng)或者前向鏈路定位系統(tǒng)。它屬于基于移動(dòng)臺(tái)的定位 方案。主要是依靠移動(dòng)臺(tái)根據(jù)接收到的多個(gè)固定位置的基站發(fā)射機(jī)發(fā)射的包含與位置有 關(guān)的特征信息( 如場(chǎng)強(qiáng)，信號(hào)到達(dá)時(shí)間或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差) 確定它與基站發(fā)射楓之間的 幾何位置關(guān)系，然后由集成在移動(dòng)臺(tái)中的定位模塊估算出移動(dòng)臺(tái)的位置并通過(guò)空中接口 將定位結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)。 2 基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng) 這類系統(tǒng)也稱為反向鏈路定位系統(tǒng)。它屬于基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案。主要由多個(gè)固定 位置的基站接收機(jī)同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，將包含移動(dòng)臺(tái)位置相關(guān)信息的各接收信 號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)臺(tái)定位中心，由定位中心中的定位功能函數(shù)估算移動(dòng)臺(tái)的位置。 3 g p s 輔助的定位系統(tǒng) 這類系統(tǒng)采用的是g p s 定位方案，由集成在移動(dòng)臺(tái)上的g p s 接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中的g p s 輔助設(shè)備利用g p s 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。 在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中如果采用基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案或者g p s 輔助定位方案為用戶 提供定位服務(wù)，則必須對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行修改，這勢(shì)必要修改軟件并增加硬件，同時(shí)還 需要通過(guò)空中接口傳遞定位信息，因此。這種方案不適用于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。但是這兩 種方案能夠獲得的定位精度較高，因而可以在未來(lái)通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案只需要對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充和修改而不需改動(dòng)現(xiàn)有 移動(dòng)臺(tái)，因此可以有效保護(hù)用戶現(xiàn)有的投資，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。雖然獲得的定位精度不 及基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案，但需追加的投資和時(shí)間均較少，因此比較適用于現(xiàn)有的蜂窩 網(wǎng)絡(luò)。 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法蟬 究 1 2 2 g p s 蜂窩網(wǎng)混合定位系統(tǒng) 利用g p s 系統(tǒng)進(jìn)行定位在野外可以獲得較高的定位精度，但是也有幾個(gè)缺點(diǎn)： 首先，利用g p s 系統(tǒng)進(jìn)行定位至少需要接收4 個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，但是在高樓林立的城市內(nèi) 有時(shí)很難直接觀測(cè)到所需數(shù)目的衛(wèi)星，同時(shí)，受城市環(huán)境中無(wú)線電波散射、反射以及非 視線路徑傳播等影響，很難獲得理論上的定位精度。 其次，在移動(dòng)臺(tái)中集成g p s 接收機(jī)會(huì)大大增加移動(dòng)臺(tái)的體積以及耗電量，而且還要工 作在雙頻模式，這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)調(diào)小巧輕便的手持機(jī)來(lái)說(shuō)是致命的。 此外，g p s 接收機(jī)開(kāi)始定位往往需要幾分鐘的時(shí)間，這對(duì)于緊急救助等需要實(shí)時(shí)處理的 場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是無(wú)法滿足要求的。 采用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)同樣需要足夠多的基站參與測(cè)量。而在鄉(xiāng)村和鐵路公 路沿線地區(qū)，基站分布往往比較稀疏或者沿線性布置，此時(shí)很難獲得理想的定位性能。 若想進(jìn)一步提高定位精度，則需要增加相關(guān)的蜂窩基站或檢測(cè)設(shè)備，這從成本上來(lái)說(shuō)是 不現(xiàn)實(shí)的?；诰W(wǎng)絡(luò)的定位方案可以獲得的典型定位精度約為幾十米至上百米。這與基 于g p s 系統(tǒng)的定位方案相比具有明顯的差距。 為了綜合g p s 系統(tǒng)定位和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位方案的優(yōu)點(diǎn)，1 9 9 9 年，q c t ( q u a l c o m m c d m at e c h n o l o g i e s ) 提出了g p s o n e 混合定位解決方案1 5 , 6 。該方案是一個(gè)完全集成手 機(jī)操作的方案。采用g p s o n e 的移動(dòng)臺(tái)同時(shí)從g p s 衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)收集無(wú)線電測(cè)量數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)組合這些數(shù)據(jù)生成精確的三維定位。當(dāng)無(wú)法觀測(cè)到足夠多的g p s 衛(wèi)星或者無(wú)法 獲取足夠的網(wǎng)絡(luò)基站信號(hào)時(shí)，g p s o n e 系統(tǒng)會(huì)組合這兩種信息源，最少只需要一顆衛(wèi)星 和一個(gè)基站就可以完成定位。 g p s o n e 系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施以及輔助設(shè)備提供了比常規(guī)g p s 定位高出約2 0 d b 的靈敏度， 這使得它可以在建筑物的內(nèi)部工作，而傳統(tǒng)的g p s 在這種場(chǎng)合是無(wú)法正常工作的。 在定位時(shí)間方面，由于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)根據(jù)不斷更新的信息通知移動(dòng)臺(tái)向最近的 衛(wèi)星詢問(wèn)信息，因此g p s o n e 系統(tǒng)獲取定位信息往往只需要不到一秒鐘，既是在最困難 的情況下也只需幾十秒鐘，這樣就可以滿足緊急救助或者實(shí)時(shí)定位等需求。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與 網(wǎng)絡(luò)無(wú)法取得聯(lián)系時(shí)，依然可以找到衛(wèi)星而進(jìn)行定位，因此g p s o n e 系統(tǒng)可以非?？煽?地進(jìn)行工作。 g p s o n e 系統(tǒng)因其可靠性和高定位精度而具有廣泛的應(yīng)用前景，但是完全集成于手 機(jī)操作的方案對(duì)手持設(shè)備的處理能力提出了更高的要求，而且也使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)大大增 加。 1 3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位基本方法 在各種無(wú)線電定位系統(tǒng)中，采用的基本定位方法和技術(shù)都是相同或者相似的，都是 通過(guò)測(cè)量某種信號(hào)的特征測(cè)量值實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位估計(jì)。從幾何角度講，確定目標(biāo)在 二維平面的位置可以由兩個(gè)或者多個(gè)曲線在二維平面內(nèi)相交得到。為方便描述，本文后 面章節(jié)將待定的目標(biāo)稱為移動(dòng)臺(tái)或者手機(jī)，將參與定位的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站簡(jiǎn)稱為基站。 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中為移動(dòng)臺(tái)提供地面二維定位服務(wù)，采用的基本定位方法主要有以下幾 種： 基于c d m a 蜂寓網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 1 3 1 來(lái)源小區(qū)定位方法 1 6 , 1 7 1 來(lái)源小區(qū)( c e l lo fo r i g i n ) 定位技術(shù)是一種最簡(jiǎn)單的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方法。 它的定位原理是根據(jù)小區(qū)i d 號(hào)來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置，因此也稱c e l li d 法。 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)到某個(gè)小區(qū)并在該小區(qū)注冊(cè)后，系統(tǒng)就將該小區(qū)基站的位置作為位于 該小區(qū)內(nèi)的所有移動(dòng)臺(tái)的位置。這種方法所能獲得的定位精度不高，而且與小區(qū)覆蓋半 徑以及基站的密集程度有關(guān)，定位誤差可達(dá)幾百米到幾千米，因此只能提供粗略的位置 估計(jì)，并不適合提供高級(jí)的定位增值業(yè)務(wù)。但是該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，不需要對(duì)現(xiàn) 有的軟硬件進(jìn)行任何修改。 1 3 2 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量定位方法 這種定位技術(shù)利用基站測(cè)量到達(dá)的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的無(wú)線電波場(chǎng)強(qiáng)值，根據(jù)相關(guān)的路徑 損耗模型，如奧村( 0 k u m u r a ) 模型或者h(yuǎn) a t a 模型【l8 ”l ，計(jì)算出與信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的距離 信息，由相應(yīng)的距離以基站為中心畫出同心圓，用不同基站確定的各個(gè)圓的交點(diǎn)來(lái)確定 移動(dòng)臺(tái)的位置。在實(shí)際的移動(dòng)通信環(huán)境中，傳播的無(wú)線電波會(huì)受到諸如陰影衰落，多徑 衰落的影響，因此接收的場(chǎng)強(qiáng)并不總是滿足路徑損耗模型中的公式，相應(yīng)的就會(huì)對(duì)定位 精度產(chǎn)生影響，從而造成定位誤差的上升。 對(duì)于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，由于特有的遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題，系統(tǒng)通常必須采用功率控制技 術(shù)【1 9 , 2 0 1 。此時(shí)基站接收到的信號(hào)功率并不能反映基站與移動(dòng)臺(tái)之間的實(shí)際距離，因?yàn)閷?duì) 基站而言，在達(dá)到理想功率控制時(shí)，從各個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射后到達(dá)基站的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)是相 同的。 1 3 3 圓周定位方法 在實(shí)際無(wú)線電定位方法中，通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)以直線傳播到達(dá)基站 f 的時(shí)間，( t o a ，t i m e o f a r r i v a l ) ，就可以得到目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)與基站i 之間的距離： r ，= c x t 。 ( 1 - 2 ) 其中，c 為電磁波在真空中的傳播速度。 若已知移動(dòng)臺(tái)到基站f 的距離為r ，則移動(dòng)臺(tái)一定位于以基站i 所在位置為圓心，r 。 為半徑的圓周上。即移動(dòng)臺(tái)位置( x ，們與基站位置( x 。，i ) 之間滿足如下關(guān)系： ( x ，一x ) 2 + ( i y ) 2 = r ? ( 1 - 3 ) 由圖1 3 可以看到，當(dāng)參與測(cè)量的基站數(shù)目為2 時(shí)，由方程組解可以獲得兩個(gè)位置 估計(jì)m s 和m s ，這就產(chǎn)成了定位模糊。因此必須再增加一個(gè)測(cè)量基站來(lái)消除不符合條 件的估計(jì)m s l ，由于最少需要三個(gè)測(cè)量基站進(jìn)行定位，因此該方法也稱為三圓相交定位 方法。 如果測(cè)得移動(dòng)臺(tái)到三個(gè)基站之間的t o a 為f 。，f ，和f 3 ，以三個(gè)基站所在位置( x ，_ ) ， ( 正，y ) ，( x ，k ) 為圓心，距離馬，月：和r ，為半徑分別畫三個(gè)圓，則移動(dòng)臺(tái)就應(yīng)該位 于三個(gè)圓的交點(diǎn)所處的位置。根據(jù)式( 1 - 2 ) 和式( 1 - 3 ) 可獲得如下方程組： 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 r 。= c 忙瓜j 萬(wàn)i 麗 r ：= c t ：= 瓜j 巧i 麗 r ，= 鴨= 瓜j 麗而 移動(dòng)臺(tái)的位置( 羔，y ) 可通過(guò)解該方程組確定。 圖1 3 圓周定位法原理 f i g 1 3 c i r c u m f e r e n t i a lp o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g y ( 1 - 4 ) 由于t o ar ，與距離r ，之間具有確定的關(guān)系，因此三圓相交定位方法也又稱為t o a 定位法。 t o a 測(cè)量要求移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射與所有基站的接收精確同步，( 1p s 的定時(shí)誤差將導(dǎo)致 約3 0 0 m 的定位誤差) 也就是移動(dòng)臺(tái)與基站之間以及所有參與測(cè)量的基站之間均保持嚴(yán) 格的時(shí)間同步，這就為t o a 測(cè)量的具體實(shí)現(xiàn)增加了一定難度。 1 3 4 雙曲線定位方法 當(dāng)已知移動(dòng)臺(tái)到基站l 與基站2 的距離差見(jiàn)時(shí)，則移動(dòng)臺(tái)一定位于以兩個(gè)基站為 焦點(diǎn)，與兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為如，的雙曲線上。 如圖1 4 所示，此時(shí)如果同時(shí)還知道移動(dòng)臺(tái)到基站1 與基站3 之間的距離差足， 就可以獲得另外一組以基站1 和基站3 為焦點(diǎn)，與這兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為見(jiàn)，的雙曲 線。兩組雙曲線的交點(diǎn)就為移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。 與t o a 定位方法類似，移動(dòng)臺(tái)到兩個(gè)基站之間的距離差可以通過(guò)測(cè)量相關(guān)的時(shí)間 差來(lái)確定。即測(cè)量從兩個(gè)基站同時(shí)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的時(shí)間之差或者測(cè)量從移動(dòng)臺(tái) 發(fā)出信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間之差r f l ( t d o a t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) ，就可以獲得 移動(dòng)臺(tái)到兩個(gè)基站之間的距離差： r ，1 = c ，f l ( 1 5 ) 其中，c 為電磁波在真空中的傳播速度。 移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)( x ，y ) 與三個(gè)基站的坐標(biāo)( x 。，k ) ，( x ：，e ) ，( x ，e ) 滿足如下關(guān) 系： 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 髖r 甜c t 篙r ：r r 霉?fàn)€x 黼3：艇x 槲y m s ， i 3 1 =3 l = 3 一i = ( x 一 ) 2 + ( y e ) 2 一( x 1 ) 2 + ( 一z ) 2 、。 解該方程組可以獲得兩個(gè)解，分別對(duì)應(yīng)著圖1 - 4 中所示的兩個(gè)估計(jì)位置m s 和m s 。 而其中只有一個(gè)m s 代表了移動(dòng)臺(tái)的真實(shí)位置，因此需要一些額外的先驗(yàn)信息( 如小區(qū) 半徑以及移動(dòng)臺(tái)所處的扇區(qū)等) 來(lái)去除位置模糊( 模糊解) 。 基站 2 圖1 4 雙曲線定位法原理 f i g 1 4h y p e r b o l i cp o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g y 雙曲線定位方法也常稱為基于電波到達(dá)時(shí)間差( t d o a ) 定位法，這種方法也是目 前在各種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中研究的主流定位方法。 t d o a 測(cè)量的是移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)到達(dá)不同基站的傳播時(shí)間差而不是確切的時(shí)間，它 不需要移動(dòng)臺(tái)和基站之間的精確同步而只要求接收端( 基站) 之間的時(shí)間同步，因此非 常適用于實(shí)際的通信系統(tǒng)。在i s 一9 5 系統(tǒng)中，所有基站都采用與g p s 時(shí)間同步的c d m a 系統(tǒng)時(shí)間f 崞, 2 0 t ，從而保證各個(gè)基站同步于統(tǒng)一的時(shí)閩基準(zhǔn)，t d o a 測(cè)量值也就可以通過(guò) 比較各自收到的偽隨機(jī)碼偏置差異獲得。 1 3 5 方位測(cè)量定位方法 方位測(cè)量定位方法也稱為基于信號(hào)到達(dá)角度( a o a a n g e lo f a r r i v a l ) 定位方法悼，9 j 。 該方法是通過(guò)基站接收機(jī)天線或者天線陣列測(cè)出移動(dòng)臺(tái)發(fā)射電波的入射角，從而構(gòu) 成一條從接收機(jī)到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，即方位線。利用兩個(gè)或者兩個(gè)以上的接收機(jī)提供 的a o a 測(cè)量值，按照a o a 定位算法確定多條方位線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。 如圖1 5 所示，設(shè)基站l 和基站2 測(cè)得的移動(dòng)臺(tái)所發(fā)信號(hào)的到達(dá)角度分別為0 1 和b ， 則移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)( x ，y ) 與參測(cè)基站坐標(biāo)皤，e ) ，( 五，匕) 以及到達(dá)角滿足如下關(guān)系： 吣) = 等 t a n ( a 2 ) = 普 通過(guò)求解上述方程就可以獲得移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。 9 ( 1 7 ) 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 基站l 基站2 圖1 5 方位測(cè)量定位方法 f i g 1 5d i r e c t i o n f i n d i n gp o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g y 1 3 6 混合定位方法 8 , 2 1 - 2 3 】 這種方法是利用上述兩種或者多種不同類型的信號(hào)特征測(cè)量值，如t o a a o a ， t o a t d o a 進(jìn)行定位估計(jì)。 假設(shè)某個(gè)基站( x ，y ) 可以同時(shí)測(cè)得移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間，和角度日，則可 以通過(guò)下式解出移動(dòng)臺(tái)的位置( x ，y ) 坐標(biāo)： jt a n = 等m 。， i ( x 一y ) 2 + ( y y ) 2 = ( c r ) 2 總結(jié)：通過(guò)以上各種定位技術(shù)的比較可以發(fā)現(xiàn)：來(lái)源小區(qū)定位方法最簡(jiǎn)單，不需要 對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行任何更改，但是所能獲得的定位精度也最低，只能滿足最粗略的要求： 場(chǎng)強(qiáng)定位法也比較簡(jiǎn)單，且在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值已經(jīng)用于功率切換等操作，因此獲 取也很方便。但是該方法受多徑衰落和陰影衰落影響嚴(yán)重，導(dǎo)致定位精度低且性能不穩(wěn) 定，同時(shí)也不適用于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)；基于a o a 的技術(shù)定位精度很高，但是需要為 接收基站增加大量的天線陣列，這將使成本增高并且系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，同時(shí)這種方法也只 能從反向鏈路進(jìn)行定位；t o a 和t d o a 定位方法在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，尤其是 t d o a 方法，在現(xiàn)有的c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)具有先天的優(yōu)勢(shì)，所能達(dá)到的定位精度 也比較高，因此成為研究的重點(diǎn)之一：混合定位方法可以吸收不同定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)但是 同時(shí)也增加了設(shè)備的復(fù)雜性，因?yàn)樗仨毎軌蛱峁┎煌N類的測(cè)量值的相關(guān)測(cè)量設(shè) 備。 1 。4 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 1 4 1定位技術(shù)在c d m a 蜂窩系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)【2 砧4 。2 8 】 1 i s - 9 5 中的反向鏈路定位 i s 一9 5c d m a 反向鏈路定位方法屬于基于t d o a 的定位方法。其主要思路為在一組已 經(jīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間同步的基站上同時(shí)監(jiān)聽(tīng)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的已知信號(hào)，然后對(duì)這些接收信號(hào)進(jìn)行互 1 0 蘭竺里墜些堡塑塹塑堡塑魚窒垡查生竺塞 相關(guān)運(yùn)算以估算出接收t o a 的差值，利用這些到達(dá)時(shí)間差值就可以估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的位置。 i s 一9 5 中相對(duì)較寬的帶寬( 1 2 5 m h z ) 可以獲得較尖銳的相關(guān)峰，從而可以保證獲得更 精確的定位估計(jì)。 反向鏈路定位的優(yōu)點(diǎn)是：除發(fā)射一個(gè)已知信號(hào)外不需要待定位移動(dòng)臺(tái)主動(dòng)參與定 位。 反向鏈路定位的缺點(diǎn)是：同時(shí)在3 個(gè)或者更多的基站上檢測(cè)到移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射信號(hào)是 進(jìn)行定位的基本要求。而移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率相對(duì)較低，很難被多個(gè)基站同時(shí)檢測(cè)到，這 就產(chǎn)生了“可聽(tīng)性”問(wèn)題。一種解決“可聽(tīng)性”問(wèn)題的方法是在i s 一9 5 標(biāo)準(zhǔn)中加入一個(gè) 增加發(fā)射功率的功能，允許移動(dòng)臺(tái)在參與定位時(shí)以很高的功率發(fā)射很短的猝發(fā)脈沖，這 樣就可以在定位期間讓更多的基站檢測(cè)到移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)而不影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定 性。 2 i s 一9 5 中的前向鏈路定位 i s 9 5c d m a 前向鏈路定位方法同樣屬于基于t d o a 的定位方法。在i s 一9 5c d m a 網(wǎng) 絡(luò)中，基站持續(xù)廣播前向?qū)ьl偽隨機(jī)序列供移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)c d m a 信道的存在并為解調(diào)提供 定時(shí)信息，不同的基站的p n 序列具有不同且唯一的偏置。移動(dòng)臺(tái)通過(guò)搜索并鎖定在一 個(gè)固定的導(dǎo)頻偽隨機(jī)序列上，這樣移動(dòng)臺(tái)就可以識(shí)別從某個(gè)特定基站發(fā)射的信號(hào)。 掙頻2 ( p h a s e = 刪 基盤5 2 觸 ”功凰 導(dǎo)頻3 自 移動(dòng)臺(tái) ( x ，y ) 煞。惹， 函 圖1 6 前向鏈路定位方法 f i g 1 6 f o r w a r dl i n kp o s i t i o nl o c a t i o ni ni s 一9 5c d m an e t w o r k s i s 一9 5 中的移動(dòng)臺(tái)都具有四個(gè)分集接收抽頭，其中三個(gè)用來(lái)接收輸入信號(hào)而另外一 個(gè)用來(lái)尋找多徑信號(hào)以及切換備選信道。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在系統(tǒng)中激活后就要持續(xù)搜索鄰近的 最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)。而在移動(dòng)臺(tái)接收到系統(tǒng)發(fā)出的導(dǎo)頻測(cè)量請(qǐng)求后，就要向系統(tǒng)報(bào)告它接收 到的所有超過(guò)閾值的導(dǎo)頻信號(hào)。發(fā)給系統(tǒng)的消息中包括所有備選導(dǎo)頻的強(qiáng)度以及相對(duì)于 服務(wù)導(dǎo)頻的偽隨機(jī)序列偏置。 如圖1 6 所示，利用服務(wù)基站的導(dǎo)頻作為參考，已知鄰近基站發(fā)射的導(dǎo)頻信號(hào)的偏 置就可以獲得t d o a 測(cè)量組供定位使用。只要移動(dòng)臺(tái)能夠檢測(cè)、鎖定并報(bào)告至少三個(gè)基 站發(fā)出的不同導(dǎo)頻，就可以對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位。具體見(jiàn)式( 1 9 ) ： 臀 乩釉k 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 托f 蠆i 再產(chǎn)一拓i 習(xí)i 再f ：噶c 拓i 可j 再f 一打i 蠆j 再f ：( m - n ) t 。c 如i 蠆i 眄f 一拓再哥j 再f ：n t 。c ( 1 - 9 ) 其中c 為光速。 這樣計(jì)算的前提是參與測(cè)量的基站之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了同步，而在i s - 9 5 中所有基站都采用 與g p s 時(shí)間同步的c d m a 系統(tǒng)時(shí)間，也就保證各個(gè)基站同步于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn) 基站間同步。 從前向鏈路獲取信號(hào)的一個(gè)好處是可以避免反向鏈路定位中的功控問(wèn)題。因?yàn)閷?dǎo)頻 信號(hào)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)功率控制，而且該信號(hào)占前向鏈路發(fā)射總功率的5 2 0 e 2 0 l ，強(qiáng)度足 以進(jìn)行t d o a 估計(jì)。 1 4 2c d m a 蜂窩系統(tǒng)中時(shí)間估計(jì)的獲取1 8 在應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)的通信系統(tǒng)中有兩種方法可以確定延時(shí)，一種是利用滑動(dòng)相關(guān)器或 者匹配濾波器的時(shí)間粗捕獲，另外一種是利用延遲鎖定環(huán)( d l l ) 或者f 抖動(dòng)環(huán)( t d l ) 的跟蹤法。由于延遲鎖相環(huán)可以很好地跟蹤時(shí)延，因此更適合于定位系統(tǒng)中時(shí)間估計(jì)的 獲取。 圖1 7 用于定位的延遲鎖定環(huán) f i g 1 7 b l o c kd i a g r a mo f d e l a y - l o c k e dl o o p ( d l l ) f o rp o s i t i o nl o c a t i o n 圖1 7 為用于定位的延時(shí)鎖定環(huán)的原理框圖。如圖所示，延遲鎖定環(huán)由鑒相器、環(huán) 路濾波器、壓控時(shí)鐘和本地p n 序列產(chǎn)生器組成。接收信號(hào)進(jìn)入鎖定環(huán)后，分別與本地 兩路擴(kuò)頻序列c ( t r + a l ) 和c o r 一) 進(jìn)行相關(guān)操作，對(duì)相關(guān)器的輸出平方并求差 后獲得碼相位誤差e ( f ) ，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器后產(chǎn)生一個(gè)輸出“( f ) 驅(qū)動(dòng)壓控時(shí)鐘，修正本地 擴(kuò)頻序列的碼相位誤差。其中相關(guān)后的平方操作是為了解調(diào)數(shù)據(jù)和去除載波相位偏移。 壓控時(shí)鐘的最終輸出即是獲取的時(shí)間估計(jì)值。 1 2 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 1 5 本文的主要工作 在c d m a 蜂窩系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位，由于系統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢(shì)，因此主要采 用的是基于t d o a 測(cè)量數(shù)據(jù)的定位方法。由t d o a 測(cè)量數(shù)據(jù)生成的是一組雙曲非線性 方程組，對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位是通過(guò)求解該方程組獲得位置估計(jì)解來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一方面，對(duì)非 線性方程組的求解比較困難；另外一方面，實(shí)際環(huán)境中測(cè)量得到的t d o a 數(shù)據(jù)又受到 各種誤差，其中主要是非視線路徑傳播誤差的影響，而測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差又將導(dǎo)致定位結(jié) 果的誤差從而影響定位性能；最后，移動(dòng)臺(tái)的定位對(duì)實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，因此，設(shè)計(jì)一種 耗時(shí)較少并能在存在干擾的環(huán)境下仍能有效工作的定位算法就成為本文的主要工作。 本文所作的主要工作具體如下： 1 對(duì)現(xiàn)有的針對(duì)t d o a 測(cè)量數(shù)據(jù)的各種定位算法進(jìn)行分析和比較，總結(jié)出各種方案 的優(yōu)點(diǎn)以及局限。 2 針對(duì)c h a n 算法計(jì)算中獲得的中間結(jié)果，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)提出一種基于c h a n 算法和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的定位算法模型。 3 對(duì)所提出的定位模型在四種典型的移動(dòng)通信環(huán)境以及引入不同的誤差情況下進(jìn) 行仿真，分析并驗(yàn)證算法的定位性能，如平均定位誤差，誤差累積分布函數(shù)等。 4 引。對(duì)所提出的前一種算法在鬧市環(huán)境下定位不能滿足定位要求的缺點(diǎn)進(jìn)一步提 出一種基于多基站測(cè)量結(jié)果組合的定位模型，并在相同的環(huán)境下進(jìn)行仿真以驗(yàn) 證改模型的定位性能， 5 對(duì)以上兩種算法在接近真實(shí)環(huán)境的仿真條件下進(jìn)行最終的仿真以驗(yàn)證算法對(duì)于 定位性能的提高效果。 基于c d m a 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位方法研究 2 移動(dòng)信道特性及其對(duì)定位性能的影響 2 1 電波傳播特性 對(duì)于任何一個(gè)通信系統(tǒng)。信道