PAGEPAGE1蜂窩無線定位技術(shù)的研究引言在美國，911是非常重要、也非常知名的緊急求助電話。每當(dāng)人們?cè)谟龅骄o急情況時(shí)總是會(huì)想到它。不管用戶處于何地，只要使用有線電話撥打這個(gè)號(hào)碼，系統(tǒng)便可以在接通電話的同時(shí)，用非常短的時(shí)間確定用戶所在地，并從數(shù)據(jù)庫中獲取一些相關(guān)的信息，為救援人員提供重要的幫助。這項(xiàng)緊急求助電話業(yè)務(wù)，有效地保護(hù)了公眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全。這就是我們平時(shí)所講的定位技術(shù)。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展,無線蜂窩網(wǎng)的覆蓋面越來越廣,移動(dòng)電話的普及率越來越高，移動(dòng)電話呼叫“110”、“120”、“119”等報(bào)警電話求援的比例大幅上升,移動(dòng)電話在報(bào)告突發(fā)事件中的地位也就越來越重要。因此，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)撥打緊急呼叫電話的用戶具有定位能力是非常有意義的。近年來，隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，蜂窩無線定位技術(shù)越來越受到人們的重視。這主要?dú)w因于政府的強(qiáng)制性要求和市場本身的驅(qū)動(dòng)。美國聯(lián)邦政府通信委員會(huì)(FCC)于1996年10月頒布了無線E911(Emergencycall911）呼叫應(yīng)急服務(wù)功能，其核心是要求所有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須分階段的提供緊急呼叫用戶的經(jīng)緯度位置信息。針對(duì)E911定位需求的具體實(shí)施，各國主要大公司均就GSM、IS-95CDMA以及第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開始制定各自的定位實(shí)施方案。例如，全球三大通信廠商——愛立信、摩托羅拉和諾基亞就于2000年10月成立了“位置信息互操作論壇LIF（LocationInteroperabilityForum）”，其目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)和終端上提供基于位置的業(yè)務(wù)。另一方面，移動(dòng)通信用戶對(duì)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的需求日益迫切。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)能夠在移動(dòng)臺(tái)處于空閑狀態(tài)或通話狀態(tài)的情況下獲取其地理位置等信息，利用移動(dòng)臺(tái)的定位信息，運(yùn)營商可以為用戶提供各種增值業(yè)務(wù)，如智能交通、緊急情況救援、位置環(huán)境信息查詢、廣告發(fā)布等等，同時(shí)還可以作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、維護(hù)和管理的輔助數(shù)據(jù)。現(xiàn)今GPS與無線網(wǎng)絡(luò)融合起來形成的LBS熱，使得移動(dòng)定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)作為最具有潛力的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)而發(fā)展起來。到目前為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?？梢灶A(yù)見在未來的幾年里內(nèi)，基于蜂窩移動(dòng)定位技術(shù)的移動(dòng)業(yè)務(wù)將得以迅猛發(fā)展。1無線定位的介紹無線定位就是在一定范圍內(nèi)確定蜂窩移動(dòng)電話用戶的地理位置。無線定位服務(wù)的巨大魅力正是在于能在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)把正確的信息發(fā)送給正確的人。1.1無線定位出現(xiàn)的背景與原因(1)政府法規(guī):FCC于1996年6月采用了一條規(guī)定，要求所有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須對(duì)一切“911”呼叫緊急服務(wù)提供位置信息。(2)客戶需求:對(duì)于手機(jī)用戶來說，實(shí)現(xiàn)無線定位可以在獲得原有的話音服務(wù)之外，獲得基于位置的服務(wù)。(3)運(yùn)營商之間的競爭:對(duì)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，這無疑會(huì)為他們找到更多的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，增強(qiáng)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的競爭力。(4)技術(shù)進(jìn)步:手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和定位技術(shù)現(xiàn)在取得的持續(xù)進(jìn)步，使得實(shí)現(xiàn)無線定位在技術(shù)上成為可能。1.2無線定位的應(yīng)用領(lǐng)域在蜂窩移動(dòng)通信中的無線定位業(yè)務(wù)都要用到無線定位技術(shù)。目前來說，無線定位常應(yīng)用在以下一些方面:1.2.1跟蹤業(yè)務(wù)警方對(duì)犯罪嫌疑人的追蹤、走失兒童和老人的尋找；車輛運(yùn)行線路的監(jiān)控；追蹤丟失了的移動(dòng)臺(tái)及拖欠巨額話費(fèi)的移動(dòng)臺(tái)；交通部門可以通過車上的移動(dòng)終端設(shè)備，通過定位系統(tǒng)測出某道路的車流量，對(duì)交通狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并向該區(qū)域內(nèi)的司機(jī)報(bào)告道路的擁塞情況等。1.2.2基于位置的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)費(fèi)時(shí)，可以根據(jù)所在位置的不同，來收取不同的通話費(fèi)。這樣，可以有效地提高蜂窩系統(tǒng)的運(yùn)營競爭力，吸引更多的新用戶，刺激用戶的消費(fèi)，達(dá)到調(diào)節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)競爭力的目的。1.2.3智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)能夠方便的提供車輛及旅客位置、車輛調(diào)度、追蹤等服務(wù)，改變以前頻帶資源浪費(fèi)、投資過多的狀況。例如，出租公司可以利用LocationFinder將出租車派往需要服務(wù)的最近的地點(diǎn)。1.2.4優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理精確監(jiān)測移動(dòng)臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)可以更好地決定進(jìn)行小區(qū)切換的最佳時(shí)刻。同時(shí)，根據(jù)其位置動(dòng)態(tài)地分配各信道，有效地提高了頻譜的利用率。從長遠(yuǎn)來說，通過對(duì)移動(dòng)臺(tái)的長期定位觀察可以為系統(tǒng)蜂窩的合理布局、構(gòu)建以及系統(tǒng)資源配置等提供重要的實(shí)踐數(shù)據(jù)，使蜂窩系統(tǒng)高效運(yùn)行，并逐步趨于完善。1.2.5信息查詢服務(wù)移動(dòng)定位技術(shù)從傳統(tǒng)的導(dǎo)航功能逐漸擴(kuò)展到基于位置信息增值業(yè)務(wù)的載體。其定位過程是由多個(gè)固定位置接收機(jī)同時(shí)檢測移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，將從各接收信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)位置由關(guān)的特征信息送到一個(gè)信息處理中心進(jìn)行處理，計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。移動(dòng)用戶可以根據(jù)自己的終端設(shè)備，查詢自己需要的信息。比如外出旅游時(shí)，查詢最近的飯店、接收當(dāng)?shù)氐奶鞖狻@得路況信息；在異地身體不適時(shí)，查詢附近的醫(yī)院等。這種信息查詢服務(wù)對(duì)于用戶來說，是很常用的，能為人們的生活帶來極大的方便。1.2.6公共安全應(yīng)用當(dāng)用戶在遇到一些緊急情況而又不知道或無法告知位置時(shí)，只要其手機(jī)支持支持位置服務(wù)，可以進(jìn)行緊急呼叫來保障自己的人身安全。當(dāng)呼叫人員的位置被確定以后，就可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)施快捷、有效的救援計(jì)劃，大大提高了救援的成功率。除此之外，無線定位技術(shù)還可以用于報(bào)警信息的發(fā)布，向危險(xiǎn)地區(qū)的移動(dòng)用戶發(fā)布火山爆發(fā)、洪水、山體滑坡、道路危險(xiǎn)等信息。因此，在蜂窩系統(tǒng)中，定位與緊急呼叫的結(jié)合是很有必要的。1.2.7移動(dòng)終端防盜打管理采用無線定位技術(shù)，通信運(yùn)營部門可以有效地對(duì)盜打現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測和制止。當(dāng)發(fā)現(xiàn)盜打號(hào)碼現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，可以在不禁止移動(dòng)電話使用的前提下，利用無線網(wǎng)絡(luò)自己記錄盜打的準(zhǔn)確時(shí)間和地點(diǎn)。同時(shí)，這也為司法機(jī)關(guān)破案提供了一個(gè)更有力的證據(jù)。1.3現(xiàn)有的無線定位方案蜂窩移動(dòng)通信在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，有很多成功的商用系統(tǒng)，因此在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用無線定位技術(shù)有很大意義和價(jià)值。根據(jù)進(jìn)行定位估計(jì)的位置的不同，可以將定位系統(tǒng)分為以下幾類。1.3.1基于移動(dòng)臺(tái)的定位系統(tǒng)移動(dòng)用戶基站2222同步信號(hào)基站3基站1移動(dòng)用戶基站2222同步信號(hào)基站3基站1圖1基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，這類系統(tǒng)也稱為前向鏈路定位系統(tǒng)。如圖1所示。攜帶與移動(dòng)臺(tái)位置有關(guān)的特征信息，通過多個(gè)已知位置的發(fā)射機(jī)發(fā)射給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)其所接收到的信號(hào)，確定其與各發(fā)射機(jī)之間的幾何位置關(guān)系。接著，移動(dòng)臺(tái)根據(jù)一些相關(guān)算法，對(duì)其自身位置進(jìn)行定位估計(jì)，由移動(dòng)臺(tái)自身掌握其自己的位置信息。1.3.2基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，這類系統(tǒng)也稱為反向鏈路定位系統(tǒng)。如圖2所示。基站3基站1定位中心移動(dòng)用戶同步信號(hào)基站2基站3基站1定位中心移動(dòng)用戶同步信號(hào)基站2圖2基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案多個(gè)固定位置的接收機(jī)，同時(shí)檢測移動(dòng)臺(tái)所發(fā)射的信號(hào)。接著，將各接收信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)位置由關(guān)的特征信息送到一個(gè)信息處理中心進(jìn)行處理，最后計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。1.3.3混合定位系統(tǒng)混合定位技術(shù)是綜合了上述定位技術(shù)中的兩種或多種方法在一個(gè)系統(tǒng)中。例如綜合AOA和TDOA，由于這種方法充分利用了信號(hào)的到達(dá)角和到達(dá)基站的時(shí)間差，因此具有比較高的準(zhǔn)確度。如果把GPS定位技術(shù)和GSM系統(tǒng)定位技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，則實(shí)現(xiàn)的定位精度和定位應(yīng)用會(huì)更好，見圖3。圖3混合定位示意圖從上述各定位系統(tǒng)的基本特征可以看出，采用基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案,必須對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，還必須用適當(dāng)方式將定位信息傳送回蜂窩網(wǎng)絡(luò)?；诰W(wǎng)絡(luò)的定位方案只需要對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作適當(dāng)擴(kuò)充、修改，并不需要對(duì)移動(dòng)臺(tái)作修改，能充分利用現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)的龐大資源，保護(hù)用戶已有投資，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，因而是開展移動(dòng)定位服務(wù)的首選。2現(xiàn)有的無線定位技術(shù)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中,一些基本的定位技術(shù)主要有以下幾種。2.1全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem）無線定位技術(shù)最初是為了滿足遠(yuǎn)程航海的導(dǎo)航等要求而產(chǎn)生的，全球定位系統(tǒng)GPS的出現(xiàn)使得無線定位技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美國出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，民用GPS一般可以獲得5-40米的精度。定位一般采用四顆定位衛(wèi)星，GPS定位是基于到達(dá)時(shí)間（TOA）機(jī)理。四個(gè)衛(wèi)星定位，接收機(jī)的位置和時(shí)鐘偏差表達(dá)式見（1）——（4）。（1）（2）（3）（4）其中、、、為已知衛(wèi)星，、、、為測量出的偽距，為光速，為已知衛(wèi)星時(shí)鐘與GPS時(shí)間偏差，為未知位置接收機(jī)與GPS時(shí)間偏差。衛(wèi)星的時(shí)鐘偏差由接收機(jī)從衛(wèi)星導(dǎo)頻信息中取得。平方根項(xiàng)代表衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。2.2輔助全球定位系統(tǒng)A-GPS(AssistedGlobalPositioningSystem)GPS移動(dòng)用戶定位計(jì)算提供輔助數(shù)據(jù)測量單元BTSGPS移動(dòng)用戶定位計(jì)算提供輔助數(shù)據(jù)測量單元BTS圖4A-GPS原理圖采用GPS直接對(duì)MS定位，首次定位可能需要時(shí)間較長。利用輔助GPS定位，傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，減少定位所需時(shí)間[2]。A-GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助GPS，如圖4所示。2.3根據(jù)起源蜂窩小區(qū)COO(CellofOrigin)COO技術(shù)無需對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改，因此它可以被用來向當(dāng)前的移動(dòng)用戶提供位置發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)。但是，COO與其它技術(shù)相比，其精度卻是最低的。在這個(gè)系統(tǒng)中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站所在的蜂窩小區(qū)作為呼叫者的定位單位。這樣，定位精度就必需取決于小區(qū)的大小。COO的最大優(yōu)點(diǎn)是它確定位置信息的響應(yīng)時(shí)間十分快（3秒左右），而且COO不用對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)就可以直接向現(xiàn)存用戶提供基于位置的服務(wù)。2.4根據(jù)增強(qiáng)觀測時(shí)間差E-OTD(EnhancedObservedTimeDifference)E-OTD是通過放置位置接收器或參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，這些參考點(diǎn)分布在較廣的區(qū)域內(nèi)的許多站點(diǎn)上，作為位置測量單元覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源，當(dāng)手機(jī)和位置測量單元接收到來自至少3個(gè)基站信號(hào)時(shí)，從每個(gè)基站到達(dá)手機(jī)和位置測量單元的時(shí)間差將被計(jì)算出來，這些差值可以被用來產(chǎn)生幾組交叉雙曲線，并由此估計(jì)出手機(jī)的位置。E-OTD會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響，多徑將會(huì)扭曲信號(hào)傳輸路徑并加入延遲，導(dǎo)致E-OTD在決定信號(hào)觀測點(diǎn)上比較困難。E-OTD方案可以提供比COO高得多的定位精度，在50米到125米之間。但是它的響應(yīng)速度較慢，往往需要約5秒的時(shí)間。另外，它需要對(duì)手機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。2.5根據(jù)波達(dá)時(shí)間TOA(TimeofArrival)和波達(dá)時(shí)差TDOA(TimeDifferentofArrival)圖5TOA示意圖BTS2BTS3BTS1BTS2BTS3BTS1圖6TDOA示意圖基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)中常采用精度較高的TOA和TDOA定位法，如圖5及圖6所示。TOA中，移動(dòng)臺(tái)位于以基站為圓心、移動(dòng)臺(tái)到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。在多個(gè)基站進(jìn)行上述運(yùn)算，則移動(dòng)臺(tái)的位置可以由三個(gè)圓的交點(diǎn)確定。TOA要求接收信號(hào)的基站、移動(dòng)臺(tái)知道信號(hào)的開始傳輸時(shí)刻，并要求基站有非常精確的時(shí)鐘。TOA提供的定位精度畢COO高，但是它的響應(yīng)時(shí)間比COO或E-OTD更長（約10s）。TDOA是通過檢測信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來確定移動(dòng)臺(tái)的位置，這也就降低了對(duì)時(shí)間同步的要求。移動(dòng)臺(tái)定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定移動(dòng)臺(tái)的位置需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩條雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的位置[1]。2.6根據(jù)到達(dá)角AOA(AngleofArrival)在基站通過陣列天線測出移動(dòng)臺(tái)來波信號(hào)的入射角，構(gòu)成從基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，兩根連線的交點(diǎn)即為待定移動(dòng)臺(tái)的位置。如圖7所示。B-ABBTS1NBTS2ANB-ABBTS1NBTS2AN圖7AOA示意圖這種方法不會(huì)產(chǎn)生二義性，因?yàn)閮筛本€只能交于一點(diǎn)。它需要在每個(gè)小區(qū)基站上放置4-12組的天線陣，這些天線陣一起工作，從而確定移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)相對(duì)于基站的角度。當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上基站都發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)源時(shí)，那么它們分別從基站引出射線，這些射線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。AOA的缺點(diǎn)是到達(dá)角估計(jì)會(huì)受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無線信號(hào)波陣面扭曲的影響，移動(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，基站定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致定位距離的較大誤差。2.7根據(jù)場強(qiáng)定位移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)強(qiáng)度與移動(dòng)臺(tái)至基站的距離成反比關(guān)系，通過測量接收信號(hào)的場強(qiáng)值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場強(qiáng)值可以估算出收發(fā)信機(jī)之間的距離，根據(jù)多個(gè)距離值可以估算出移動(dòng)臺(tái)的位置。然而，這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是定位技術(shù)中最不可靠的一種。由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜以及無線系統(tǒng)的不斷調(diào)整，通過計(jì)算功率損耗而確定移動(dòng)臺(tái)的位置的過程會(huì)十分復(fù)雜。而且信號(hào)并不只因?yàn)閭鬏斁嚯x而產(chǎn)生衰減，其它的因素如穿越墻、車輛等都會(huì)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。功率測量電路也無法區(qū)分多個(gè)方向接收到的功率，如直接的和反射的。2.8指紋定位指紋定位亦稱數(shù)據(jù)庫相關(guān)定位。它能為處于不同位置發(fā)出的信號(hào)特征參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫，通過將實(shí)際接收到的信號(hào)和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的定位。接收到的信號(hào)由于其對(duì)地形和傳播時(shí)障礙物具有依賴性，因而呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的站點(diǎn)特殊性。因此對(duì)于每一個(gè)位置來說，該信道的多徑結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)位置是惟一的，如果同樣的射頻信號(hào)被從該位置發(fā)射，這樣的多徑特征可以被認(rèn)為是該位置的指紋或者特征簽名。指紋定位的實(shí)施大致分兩個(gè)階段:第一個(gè)階段是數(shù)據(jù)采集，主要是采集一些需要定位區(qū)域各個(gè)位置的信號(hào)的一些特征參數(shù)，建立一個(gè)位置指紋數(shù)據(jù)庫。其中，每一個(gè)指紋信息，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的位置；第二個(gè)階段是實(shí)時(shí)階段及完成定位階段。通過所測定的信號(hào)參數(shù)，采取相應(yīng)的配置算法來確定與數(shù)據(jù)庫的哪一條數(shù)據(jù)互相匹配，以此來確定用戶的實(shí)際位置情況。2.9CGI－TA(CellGlobalIdentity-TimingAdvance)CGI是小區(qū)全球識(shí)別碼，每個(gè)蜂窩小區(qū)有一個(gè)惟一的小區(qū)識(shí)別碼。CGI由位置區(qū)識(shí)別LAI和小區(qū)識(shí)別CI構(gòu)成，即:LAI＋CI＝MCC＋MNC＋LAC＋CITA是一個(gè)時(shí)間提前量的定位參數(shù)。它是由基站測量得到的結(jié)果，這樣可以減少基站與移動(dòng)用戶之間的傳輸時(shí)延。因此，利用TA可以估計(jì)MS和BS之間的距離。但是，無線傳輸中不可避免的多徑效應(yīng)，使得利用TA進(jìn)行定位精度很低。因此，把移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)ID號(hào)和TA結(jié)合在一起來定位移動(dòng)用戶，是一種簡單而且經(jīng)濟(jì)的定位方法。移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)ID號(hào)是網(wǎng)絡(luò)中已有的信息，移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會(huì)將該移動(dòng)臺(tái)與該小區(qū)ID號(hào)對(duì)應(yīng)起來。結(jié)合TA，在小區(qū)的覆蓋半徑內(nèi)得出粗略的位置。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一些位置查詢業(yè)務(wù)，如顯示移動(dòng)用戶所在區(qū)域內(nèi)的餐館、旅館等信息，定位精度則取決于小區(qū)的大小和周圍的環(huán)境。3幾種無線定位技術(shù)的比較不同的技術(shù)類型各有優(yōu)缺點(diǎn)。下表1對(duì)不同的技術(shù)類型進(jìn)行了總結(jié)和比較。表1不同的技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)技術(shù)方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)GPS技術(shù)成熟可靠，定位精度高，不需要增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。是依賴于美國的GPS全球衛(wèi)星；城市環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境下，可能會(huì)產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)無法到達(dá)等問題；須將GPS系統(tǒng)集于MS中，提高了移動(dòng)終端的造價(jià)，提高了功耗；集成GPS天線也帶來一些問題。A-GPS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備改動(dòng)少，投資少；技術(shù)成熟可靠，定位精度高；定位時(shí)間較GPS方式短?，F(xiàn)有的手機(jī)不能實(shí)現(xiàn)A-GPS定位方式，必須進(jìn)行更換；手機(jī)增加GPS定位方式，必須增加相應(yīng)的硬件，使得成本增加，自然也會(huì)增加功耗和體積；存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。COO無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時(shí)間短。定位精度取決于所在小區(qū)的大??；與其它技術(shù)相比較，其精度最低。場強(qiáng)定位無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改。信號(hào)強(qiáng)度受基站的扇形特性、天線角度以及環(huán)境因素影響大，距離遠(yuǎn)時(shí)誤差更大，定位精度低。E-OTD網(wǎng)絡(luò)初始投資少；不需要增加硬件模塊和附件，現(xiàn)有手機(jī)只需要對(duì)軟件進(jìn)行更新?，F(xiàn)有手機(jī)不能適用于E-OTD定位方式，需要更新或全部替換軟件；受RTD和幾何距離參數(shù)的影響，定位精度較低；多徑效應(yīng)影響定位精度。TOA100％兼容現(xiàn)有手機(jī)，不必做任何改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)定位；較為精確。初始投資高；需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)，如增加定位測量單元LMU；現(xiàn)有GSM網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)同步還需要進(jìn)行改造；業(yè)務(wù)量大時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)加重。TDOA兼容現(xiàn)有手機(jī)，較為精確。不要求移動(dòng)臺(tái)和基站的同步。需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)。AOA無需對(duì)手機(jī)進(jìn)行修改。需要復(fù)雜的天線，向蜂窩基站增加天線陣列不美觀也不方便管理。指紋定位所需定位基站少，一個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)定位，且定位精度較高，不需要改變移動(dòng)臺(tái)前期工作量大，不適應(yīng)環(huán)境變化快的區(qū)域CGI－TA定位過程簡單，比較經(jīng)濟(jì)精度不高，定位精度受小區(qū)大小和周圍環(huán)境的影響4產(chǎn)生定位誤差的原因及對(duì)策在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中,造成定位誤差的主要原因有多徑傳播、NLOS傳播、多址干擾等。提高定位精度的關(guān)鍵是如何采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档瓦@些因素的影響，同時(shí)這也是無線定位技術(shù)研究的首要問題[8]。4.1多徑傳播多路徑傳播效應(yīng)是指在移動(dòng)臺(tái)附近的物體反射了移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，如果此反射過的信號(hào)也傳送至基站的接收器，將使得基站接收到的信號(hào)像是從反射物的方向傳過來，造成基站的誤判或混淆。多徑傳播是引起AOA的定位算法及場強(qiáng)法定位不準(zhǔn)確的基本原因。對(duì)基于時(shí)間的定位法來說,即使在MS和BS之間電波可以視距傳播,多徑傳播也會(huì)引起時(shí)間測量誤差。目前已出現(xiàn)了一些對(duì)付多徑傳播的有效方法，如高階譜估計(jì)、最小均方估計(jì)及擴(kuò)展的卡爾曼濾波等。4.2NLOS傳播NLOS傳播是影響定位精度的主要原因，它會(huì)引起TOA或TDOA測量誤差。因此，如何降低NLOS傳播的影響也是提高定位精度的關(guān)鍵。目前降低NLOS傳播的影響通常有多種方法，如利用測距誤差統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)信息就可將一段時(shí)間內(nèi)的NLOS測量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測量值；降低LS算法中NLOS測量值的權(quán)重等。4.3多址干擾在CDMA系統(tǒng)中，多址干擾在基于時(shí)間的定位系統(tǒng)中，會(huì)影響時(shí)間初捕獲和延時(shí)鎖相環(huán)的工作。功率控制的采用使多個(gè)非服務(wù)基站將難于同時(shí)正確測量TOA或TDOA測量值。目前已出現(xiàn)了一些探索解決該問題的方法，如在定位時(shí)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率瞬間調(diào)到最大。4.4基站分布移動(dòng)臺(tái)的定位一般要求同時(shí)與三個(gè)或三個(gè)以上基站相關(guān)處理。由于蜂窩系統(tǒng)用于通信設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮移動(dòng)臺(tái)與一個(gè)基站聯(lián)系，當(dāng)需要切換時(shí)，才會(huì)與臨近的幾個(gè)基站聯(lián)系，目前的網(wǎng)絡(luò)在有些地區(qū)可能難于保證移動(dòng)臺(tái)與三個(gè)以上基站的聯(lián)系。5AOA、TOA、TDOA方法與仿真5.1算法原理5.1.1AOAAOA定位技術(shù)一般利用由兩個(gè)或更多基站通過測量接收信號(hào)的到達(dá)方向來估計(jì)MS的位置，如圖8所示。AOA定位方法可以唯一確定一個(gè)二維定位點(diǎn)。MS發(fā)，BS1收，測量可得一條BS1到MS連線。同理，可測量得到另一條直線，兩直線相交產(chǎn)生定位角，便可得知移動(dòng)臺(tái)位置。位置估計(jì)的精度依賴于發(fā)送器相對(duì)于接收器的位置。如果發(fā)送器恰好處于兩個(gè)接收器之間的直線上，則AOA測量將無法鎖定目標(biāo)位置。因此，通常采用多于兩個(gè)的接收器來提供定位精度[7]。圖8AOA算法原理示意圖5.1.2TOA設(shè)移動(dòng)臺(tái)與基站之間信號(hào)傳播時(shí)間為t，則移動(dòng)臺(tái)與基站的距離應(yīng)該為R=ct（c為電磁波在空間中傳播速度），移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該位于以基站為中心，以R為半徑的圓。得到TOA的方程式為（5）其中()為基站的位置，（）為移動(dòng)臺(tái)位置。令三個(gè)以上的基站執(zhí)行此種量測，可得到（6）。聯(lián)立方程組:（6）解出()即為移動(dòng)臺(tái)位置，如圖9所示。圖9TOA算法示意圖TOA算法要求參加定位的各個(gè)基站在時(shí)間上要嚴(yán)格同步，由于電磁波的傳播速率很高，微小的誤差將會(huì)在算法中放大，使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS以及噪聲等干擾造成的誤差會(huì)使圓無法交匯，或者交匯處不是一點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，如圖10所示。這兩種誤差，NLOS誤差是最主要的誤差來源；若測量存在NLOS誤差，一定要將之清除，才可能得到所需的定位精確度。圖10產(chǎn)生定位誤差時(shí)示意圖5.1.3TDOATDOA技術(shù)的原理是利用雙曲線的特性：雙曲線上的點(diǎn)到兩焦點(diǎn)距離之差為定值。設(shè)兩基站測量到的行動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差為,則（7）其中為基站與基站測量到的信號(hào)傳播范圍差值,為光速，為基站測量到的信號(hào)傳播時(shí)間，為基站測量到的信號(hào)傳播距離；根據(jù)雙曲線的原理可知（8）若有兩組以上基站測量，則可得聯(lián)立方程組：(9)解出（）即為行動(dòng)臺(tái)位置。TDOA系統(tǒng)中時(shí)間差的取得有兩種方式：第一種是直接利用兩個(gè)基站的TOA相減取得；第二種是利用兩基站接收信號(hào)相關(guān)取得TDOA參數(shù)的方式。第二種方法精確度較高，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛。求出TDOA參數(shù)后，求出聯(lián)立方程組的解即可。5.2仿真的基本設(shè)計(jì)5.2.1AOA算法的仿真設(shè)計(jì)思想圖11AOA仿真設(shè)計(jì)思想示意圖AOA算法是在接收機(jī)通過天線陣列測出電磁波的入射角度，形成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方向線，即測位線，由2個(gè)基站得到的2個(gè)測位線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。因此，要用AOA算法實(shí)現(xiàn)定位,只需兩個(gè)基站即可。只是，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在兩基站連線上,不能實(shí)現(xiàn)定位。在這種情況下，我們需要靈活地選擇其他的基站來重新定位。現(xiàn)假設(shè)一組兩個(gè)基站BS1和BS2以及移動(dòng)臺(tái)MS，位置如圖11所示。實(shí)際當(dāng)中要利用AOA實(shí)現(xiàn)定位，需要多組基站（每組兩個(gè)），分別定位確定出移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)，然后取最優(yōu)解。在本次仿真中，為比較各種算法的優(yōu)劣性，我們并不是利用多組解取優(yōu)的思路，我們?nèi)∫唤M基站，多次改變移動(dòng)臺(tái)的位置，分別實(shí)現(xiàn)定位。在每次定位中，相當(dāng)于基站與移動(dòng)臺(tái)的實(shí)際位置都是已知的，分別求得準(zhǔn)確的方位角和。兩條測位線斜率分別為tan和tan。在這過程中，要考慮到如多徑傳播、NLOS等對(duì)基站判斷接收信號(hào)的來波方向的影響，我們將其歸結(jié)到方位角和的判斷上，即兩條測位線斜率的變化上，方位角分別變化和，則斜率將分別變?yōu)閠an（+）和tan（+），計(jì)算得到移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)，然后與真實(shí)位置相比較得出誤差距離，作誤差累積函數(shù)。5.2.2TOA算法的仿真設(shè)計(jì)思想TOA定位技術(shù)通過測量從目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)以直線到達(dá)基站的時(shí)間，根據(jù)電磁波在空中的傳播速度，可以得到移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離R。移動(dòng)臺(tái)即位于以基站為圓心，R為半徑的圓上。通過多個(gè)基站進(jìn)行上述測量計(jì)算，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可出三個(gè)圓的交點(diǎn)確定。實(shí)際中要利用TOA實(shí)現(xiàn)定位，需取多組基站（每組三個(gè)），分別定位確定出移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)，然后取最優(yōu)解。在本次仿真中，類似于上述AOA仿真中的思路，取一組（三個(gè)）基站，基站位置不變，而只改變移動(dòng)臺(tái)位置，根據(jù)TOA原理分別實(shí)現(xiàn)定位。在定位過程中需要考慮系統(tǒng)誤差（主要是時(shí)鐘不同步）、多徑傳播、NLOS等的影響。我們將所有誤差歸結(jié)到基站接收到信號(hào)的時(shí)間上，即由于先前我們假設(shè)了基站、移動(dòng)臺(tái)的位置均已知，故可以計(jì)算出在不考慮任何誤差下移動(dòng)臺(tái)到基站的時(shí)間，誤差的大小以來量度，到達(dá)時(shí)間的不同導(dǎo)致了圓半徑的不同，即，準(zhǔn)確的移動(dòng)臺(tái)到基站的距離應(yīng)為（為電磁波在空間中的傳播速度），而考慮了誤差后變?yōu)?，此時(shí)，用于定位的三個(gè)圓基本不可能會(huì)交于一點(diǎn)，如圖12所示，也就不能準(zhǔn)確地得出移動(dòng)臺(tái)的位置。圖12產(chǎn)生定位誤差示意圖這時(shí)可以采用最小二乘之類的方法取得最佳值，這里我們采用的是重心法（重心法的方法首先是先分別求出每兩個(gè)基站測量之距離所決定的圓的交點(diǎn)，若交于兩點(diǎn)，則以靠近第三基站的那一點(diǎn)為交點(diǎn)；第二步再將三個(gè)交點(diǎn)取算術(shù)平均數(shù)即得到三個(gè)交點(diǎn)的重心），求得移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)。將計(jì)算所得的移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)與真實(shí)位置相比較得出誤差距離，作誤差累積函數(shù)。5.2.3TDOA算法的仿真設(shè)計(jì)思想TDOA定位技術(shù)，是通過檢測移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位的，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來確定移動(dòng)臺(tái)的位置，這也就大大降低了對(duì)時(shí)間同步的要求。因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)一定是位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線上，所以通過建立兩個(gè)以上雙曲線方程，求解雙曲線的交點(diǎn)即可得到移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。實(shí)際當(dāng)中要利用TDOA實(shí)現(xiàn)定位，需取多組基站（每組三個(gè)），分別定位確定出移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)，然后取最優(yōu)解。在本次仿真中，類似于上述AOA、TOA仿真思路，取一組（三個(gè)）基站，即基站位置不變，而只改變移動(dòng)臺(tái)位置，根據(jù)TDOA原理分別實(shí)現(xiàn)定位。在定位過程中，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差(主要是時(shí)鐘不同步)相減抵消可不計(jì)，故只需要考慮多徑傳播，NLOS等的影響，將所有誤差歸結(jié)到基站接收到的信號(hào)的時(shí)間不同上。如圖13所示。圖13TDOA仿真設(shè)計(jì)思想示意圖同理，可以采用最小二乘之類的方法取得最佳值，這里依然采用重心法求得移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)。然后作誤差累積函數(shù)。5.3仿真結(jié)果與分析5.3.1AOA（1）基站的坐標(biāo)分別為（0，0），（800，0），每條曲線的誤差角度分別為1度、2度、3度、10度。仿真結(jié)果如下所示:圖14（誤差角度）-a圖14（誤差角度）-b圖14（誤差角度）-c圖14（誤差角度）-d(2)若2個(gè)基站確定的定位，基站的坐標(biāo)分別為（0，0），（8000，0），每條曲線的誤差角度分別為1度、2度、3度、10度。仿真結(jié)果如下所示:圖15（誤差角度）-a圖15（誤差角度）-b圖15（誤差角度）-c圖15（誤差角度）-d結(jié)論:從仿真圖可以看出，定位的精度隨著誤差角度的增大而增大，隨著基站間距的增大而迅速增大。AOA方法的主要誤差來源有系統(tǒng)本身角度解析度造成的誤差和多路徑傳播效應(yīng)造成的誤差，但最主要的誤差來源是多路徑傳播效應(yīng)。采用此方法在障礙物較少的地區(qū)可以得到較高的準(zhǔn)確度，但是在障礙物較多的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大。5.3.2TOA3個(gè)基站所確定的定位，基站的坐標(biāo)分別為（0，0），（4000，8000），（8000，0）。每條曲線的相對(duì)時(shí)延分別為:到3個(gè)基站都為0.03(圖16-a)；到1個(gè)基站為0.06，到另2個(gè)基站為0.03(圖16-b)。仿真結(jié)果如下所示:圖16（相對(duì)時(shí)延）-a圖16（相對(duì)時(shí)延）-b結(jié)論：從圖16中的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)三基站均為LOS環(huán)境時(shí)，定位誤差較小，系統(tǒng)效能最優(yōu)。誤差源可分為兩部分[10]：一是測量雜訊，可以使用平均值為零的某種隨機(jī)變數(shù)來模型化，表示為:-αm≤n(t)≤αm。其中，-αm為測量雜訊的最大值，nm(t)表示時(shí)間t時(shí)基站m的測量雜訊；二是NLOS造成的誤差，此部分是傳播環(huán)境存在非視距所造成的，誤差值為大于零的實(shí)數(shù)，可表示為：0≤NLOS(t)≤βm。其中βm為NLOS誤差的最大值，NLOS(t)表示時(shí)間t時(shí)基站m的NLOS誤差。因此，當(dāng)三基站均為LOS環(huán)境時(shí)誤差來源只有測量雜訊，而測量雜訊均值為零，故定位較為準(zhǔn)確。5.3.3TDOA3個(gè)基站所確定的定位，基站的坐標(biāo)分別為（0，0），（4000，8000），（8000，0）。每條曲線的相對(duì)時(shí)延分別為:到3各基站都為0.012（圖17-a）；到1個(gè)基站為0.03，到另2個(gè)基站為0.0012（圖17-b）；到1個(gè)基站為0.012，到另2個(gè)基站為0.03（圖17-c）；到3個(gè)基站都為0.03（圖17-d）。圖17（相對(duì)時(shí)延）-a圖17（相對(duì)時(shí)延）-b圖17（相對(duì)時(shí)延）-c圖17（相對(duì)時(shí)延）-d結(jié)論：從仿真圖可以看出，在只有一個(gè)基站為NLOS情況下，系統(tǒng)的效能反而較3個(gè)基站都為NLOS環(huán)境時(shí)效能差；但當(dāng)2個(gè)基站或3個(gè)基站為NLOS環(huán)境時(shí)，造成誤差值較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因類同于TOA。5.3.4AOA、TOA、TDOA仿真結(jié)果與比較比較三種仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，同樣基于距離定位的TDOA定位效能優(yōu)于TOA，而基于方向定位的AOA在多徑干擾較小的情況下效能要優(yōu)于距離定位，但在多徑干擾較嚴(yán)重時(shí)（基站之間距離較遠(yuǎn)時(shí)）定位效能很差。6定位系統(tǒng)在蜂窩系統(tǒng)中的組成與應(yīng)用過程移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)臺(tái)位置請(qǐng)求信息蜂窩網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)中心蜂窩網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)中心位置信息應(yīng)用服務(wù)器圖18定位過程原理圖其中應(yīng)用服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)與移動(dòng)臺(tái)交互、計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。定位過程可以概括為以下幾點(diǎn):1、移動(dòng)臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求位置信息的短消息請(qǐng)求；2、定位服務(wù)器通過與被定位目標(biāo)的信息交互計(jì)算出經(jīng)緯度坐標(biāo)；3、定位服務(wù)器把用戶的個(gè)性化信息和經(jīng)緯坐標(biāo)與電子地圖結(jié)合得出有意義的信息；4、將此信息通過短消息回復(fù)給用戶。7關(guān)于無線定位技術(shù)的幾點(diǎn)想法7.1智能網(wǎng)解決方案對(duì)于移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，沒有任何一種技術(shù)是可以一統(tǒng)天下的，它們各有自己的特點(diǎn)和適用范圍。針對(duì)不同的環(huán)境和情況，需要不同的技術(shù)。將這些技術(shù)和采用這些技術(shù)的不同系統(tǒng)互相合作，就需要引入智能網(wǎng)的解決方案。智能網(wǎng)解決方案的原理是針對(duì)用戶對(duì)于定位精度的不同需求以及現(xiàn)有技術(shù)的定位能力，如圖19所示，用一個(gè)叫做移動(dòng)定位中心的設(shè)備將定位技術(shù)的選擇和應(yīng)用的選擇隔離起來。用戶需要的是基于無線定位技術(shù)的定位業(yè)務(wù)，能夠滿足他某些需要的業(yè)務(wù)就可以了。至于如何選擇技術(shù)，則交由智能網(wǎng)決定。例如，當(dāng)用戶需要得到一項(xiàng)定位業(yè)務(wù)服務(wù)時(shí)，根據(jù)其對(duì)定位精度的要求和用戶終端的能力，選擇某項(xiàng)定位技術(shù)來滿足用戶的需要。這樣，將有效地結(jié)合各種無線定位技術(shù)，共同為用戶提供無線業(yè)務(wù)。使用智能網(wǎng)方案，可以迅速地響應(yīng)市場需求。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以在以后逐漸地用一些先進(jìn)的定位技術(shù)，而不必等待提供所有的新服務(wù)。定位技術(shù)方案移