蜂窩移動通信網絡中的無線定位技術

2019-11-03 09:20:19

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

谷　靜，李明遠

　　（西安電子科技大學　陜西　西安　710071）

　　摘　要：從移動通信技術應用現狀與發展情況出發，介紹了無線定位技術的原理，移動通信信道特性與定位誤差的關系以及基本的定位算法。

　　關鍵詞：無線定位；蜂窩網；定位算法；定位誤差

　　1　引　言

　　無線定位技術的研究始于20世紀60年代的自動車輛定位系統，隨后該技術在公共交通、出租車調度以及公安追蹤等范圍內廣泛應用。后來，隨著人們對基于位置的信息服務的需求增多，無線定位技術得到更多研究者的關注，全球定位系統（GPS）的出現更使得無線定位技術產生了質的飛躍，定位精度得到大幅度的提高，可達到10 m以內。雖然直接利用GPS可以達到一種較為理想的定位效果，但是他需要專門的接收設備，對大多數用戶來說并不是很方便。近年來，隨著蜂窩移動系統的普及，定位技術開始用于蜂窩系統設計、切換、服務區確定、交通監控等方面。

　　目前，無線定位可分為衛星無線定位和地面無線定位，衛星定位利用GPS，GLONASS以及我國的北斗雙星等衛星系統實現移動目標的三維定位；地面無線定位則通過測量無線電波的傳播時間、信號場強、相位、入射角度等參數實現移動目標的二維定位。蜂窩無線定位屬于地面無線定位系統。

　　現有的蜂窩移動通信網中的無線定位系統按移動通信結構分為基于移動通信網絡的無線定位、基于移動臺的無線定位、混合定位等。近年來，隨著移動用戶的快速增加，對位置服務的需求也大大增加，在蜂窩系統中，基于位置的服務有很多種類，如公共安全、基于位置的記費服務、跟蹤服務增強呼叫的路由選擇服務等。當前的蜂窩無線定位系統中，為了避免對移動終端增加額外開銷，多采用的是基于網絡的定位方案，由多個基站同時接收檢測移動臺發出的信號，根據測量到的參數由網絡對移動臺進行定位估計。移動終端往往是普通手機，這就需要對基站安裝監測設備，測量移動臺發出的信號參數，再通過適當的算法估計出移動臺的大致位置，而信號的傳播很大程度上取決于移動通信信道特性，使定位精度受到很大的影響。

　　2　移動通信網中的定位算法

　　2．1　基于時間的定位算法

　　該方法是通過測出電波從發射機傳播到多個接收機的傳播時間（TOA）或時間差（TDOA）來確定目標移動臺的位置。因此，測量值TOA或TDOA的測量精度對移動臺的定位精度有很大的影響。

　　2．1．1　到達時間法TOA

　　設移動臺與基站之間信號傳播時間為t，則移動臺與基站的距離應該為R＝ct，移動臺應該位于以基站為中心，以R為半徑的圓上，如圖1所示。

　　得到TOA的方程組為：

　　坐標，ti為接收到第i個基站發送的信息的時間，t為基站發送信號的時間。

　　若測得信號在移動臺與3個基站的傳播時間，那么3個圓的交點就是基站的位置，如圖2（a）所示。

　　TOA算法要求參加定位的各個基站在時間上要嚴格同步，由于電磁波的傳播速率很高（108 m／s），微小的誤差將會在算法中放大，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使圓無法交匯，或者交匯處不是一點而是一個區域，如圖2（b）所示。

　　因此TOA對系統同步的要求很高，并且需要在信號中加時間戳，而實際參加定位的基站一般在3個以上，誤差是不可避免的。這時候可以利用GPS對基站進行校時并利用其他補償算法來估計位置，提高算法的精確度，但同時增加系統的開銷和算法復雜程度，因此單純的TOA算法在實際中應用很少。

　　2．1．2　到達時間差算法TDOA

　　TDOA算法是對TOA算法的改進，他不是直接利用信號到達時間，而是用多個基站接收到信號的時間差來確定移動臺位置，與TOA算法相比他不需要加入專門的時間戳，定位精度也有所提高。TDOA值的獲取一般有2種形式：

　　第1種形式是利用移動臺到達2個基站的時間TOA，取其差值來獲得，這時仍需要基站時間的嚴格同步，但是當兩基站間移動信道傳輸特性相似時，可減少由多徑效應帶來的誤差，如圖3所示。

　　根據到達時間差獲得的TDOA方程為：

　　第2種形式是將一個移動臺接收到的信號與另一個移動臺接收到的信號進行相關運算，從而得到TDOA的值，這種算法可以在基站和移動臺不同步時，估計出TDOA的值，由于實際應用中，往往很難做到基站與移動臺的同步，所以利用相關估計得到TDOA值，再進行定位計算能獲得較高精度。對于蜂窩網中的移動臺定位而言，TDOA更具有實際意義，這種方法對網絡的要求相對較低，并且定位精度較高，目前已經成為研究的熱點。

　　2．2　基于場強的定位算法

　　該算法是通過測出接收信號的場強值和已知的信道衰落模型及發射信號的場強值估計收發信端的距離，根據多個距離值就可以得到目標移動臺的位置。一次場強測量把移動臺鎖定在以基站為中心的軌道上，圓的半徑由場強值確定，一般通過3個基站就可以確定移動臺的位置。場強法算法雖然比較簡單，但由于多徑效應的影響，定位精度較差。

　　2．3　基于入射角度的定位算法AOA

　　AOA算法是在接收機通過天線陣列測出電磁波的入射角度，形成一根從接收機到發射機的方向線，即測位線，由2個基站得到的2個測位線的交點就是移動臺的位置。因此，AOA算法只需要2個基站就可以確定位置，而2條直線只有一個交點，不會出現軌跡有多個交點的現象，即定位的模糊性。但為了測量電磁波的入射角度，接收機的天線需要改進，必須配備方向性強的天線陣列。

　　2．4　混合定位

　　前面幾種算法在蜂窩系統中都可以對移動臺的位置做出估計，但不同的信道環境中，幾種方法獲得的合多種定位技術，采用多種電波特征的測量值對移動臺進行位置估計。混合定位的典型例子是入射角定位法與時間的定位法的結合，如AOA與TDOA組合定位，可以克服由同步和多徑帶來的部分誤差，AOA與TDOA組合定位只需一個基站就可以確定移動臺的位置，如圖4所示。

　　3　移動通信信道特性與定位誤差

　　現有的各種無線定位方法，都是在測量的時間、相位、場強等定位參數的基礎上，采用一定的算法計算的，而定位參數的確定很大程度上取決于移動信道的傳輸特性。在蜂窩系統中信道干擾主要來自無線電波的非視距（NLOS）傳播以及多徑效應，這些特征正是造成蜂窩系統無線定位誤差的根本原因。

　　當移動臺（MS）與基站（BS）之間的直射路徑被障礙物擋住后，無線電波只能在經過反射和衍射后到達接收端，此時測量到的數據，如到達時間、時間差、入射角度等，將不能正確反映發送端與接受端的真實距離，這種現象被稱為非視距傳播（NLOS）。非視距傳播造成定位算法性能的顯著下降，事實證明即使在無多徑效應和采用高精度定位技術的情況下，NLOS傳播也會引起測量誤差。因此，如何降低NLOS傳播的影響是提高定位精度的關鍵。目前，降低NLOS傳播的影響通常有多種方法，如利用測距誤差統計的先驗信息就可以將一段時間內的NLOS測量值調節到接近LOS的測量值，這種統計方法的有效之處在于，承認已有的系統和測量方式，實現的開銷小；降低LS算法中NLOS測量值的權重，在LS算法中增加約束項等，這些方法目前都是研究的熱點。此外，還可以將定位與地理信息系統相結合，采用已有的地理位置信息對定位做出修正。

　　4　結　語

　　隨著蜂窩移動通信的發展，定位技術已應用到各行各業，基于位置的服務種類也更為廣泛，因此在研究蜂窩移動通信系統中的無線定位技術有很大的意義和價值。目前的定位技術還存在著很多問題，除了要對現有的算法進行改進，研究蜂窩移動通信網的定位性能，提高定位精度外，還要考慮各種算法對網絡和移動臺的改動，即算法的可行性等問題。但隨著技術的發展，定位精度必然會大幅度提高，涉及到的安全與個人隱私等問題也會逐漸解決，定位技術的應用范圍也將會更加廣泛。

　　參考文獻

　　［1］范平志，等．蜂窩網無線定位技術［M］．北京：電子工業出版社，2001．

　　［2］HeikkiLaitinen．Cellular location techniques［J］．Information Technology MLW，2001．

　　［3］Drane C，etal．Sydney U．Tech．，PositioningGSM Telephone．ibid．

摘自現代電子技術

上一篇：基于Web的短消息服務平臺設計與實現

下一篇：不同的PTT