蜂窩無線定位技術的發展及應用

2019-11-03 09:32:19

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黎海濤　張平(北京郵電大學無線新技術研究室　北京 100876)摘　要　本文首先介紹了移動通信系統中無線定位技術的應用，討論了基于移動臺和網絡的兩種無線定位方案，對幾類常用的無線定位方法進行了分析，分別闡述了GSM和CDMA兩種蜂窩系統中無線定位的應用特點，最后提出了無線定位技術中有待進一步研究的課題。

　　關鍵詞　蜂窩系統　無線定位　CDMA　GSM

1　引言

　　無線定位在軍事和民用技術中已獲得了廣泛應用。現有的定位和導航系統有：雷達，塔康，Loran C，VORTAC，JTIDS(聯合戰術信息分布系統)，GPS等。對地面移動用戶的定位來說，這些技術中以GPS最為重要。近年來GPS發展很快，其單點定位精度達20～40m。但是把GPS功能集成到移動臺上需全面更改設備和網絡，增加成本；且用戶同時持有移動電話和GPS手機很不方便，所以移動用戶及設備生產商和網絡運營商希望能直接由移動臺實現定位。

　　直接利用移動臺進行定位已研究多年，近年來，由于對移動臺用戶定位的需求增加，進一步推動了無線定位的研究。1996年美國聯邦通信委員會(FCC)頒布了E-911法規，要求2001年10月1日起蜂窩網絡必須能對發出緊急呼叫的移動臺提供精度在125m內、準確率達到67％的位置服務。1998年又提出了定位精度為400m、準確率不低于90%的服務要求。1999年FCC對定位精度提出新的要求：對基于網絡定位的精度為100m、準確率達67% ，精度300m、準確率達95%；對基于移動臺的定位為精度50m、準確率67% ，精度150m、準確率95%。FCC的規定大大推動了蜂窩無線定位技術的發展。在蜂窩系統中實現對移動臺的定位除了滿足E－911定位需求外，還具有以下重要用途：(1)基于移動臺位置的靈活計費,可根據移動臺所在不同位置采取不同的收費標準。(2)智能交通系統(ITS)，ITS系統可以方便提供車輛及旅客位置、車輛調度、追蹤等服務。(3)優化網絡與資源管理，精確監測移動臺，使網絡更好決定進行小區切換的最佳時刻。同時，根據其位置動態分配信道，提高頻譜利用率，對網絡資源進行有效管理。(4)信息服務，對移動臺和旅行者定位并向其提供所在區域的信息及其它服務。

　　自E-911法規頒布以來，由于政府的強制性要求和市場利益的驅動，對提供定位服務的研究日益得到重視，無線定位受到人們的廣泛關注，各大通信公司、許多大學和研究所均投入了對此項技術的研究。本文綜述了在蜂窩移動網絡中實現無線定位的實施方案、定位方法、應用特點，針對該技術的發展，提出了研究中有待解決的關鍵問題和思路。

　　2　兩種無線定位方案

　　對移動臺的定位是通過檢測移動臺和基站之間傳播信號的特征參數來獲得其幾何位置，根據進行定位估計位置不同將定位方案分為基于移動臺的定位和基于網絡的定位。

　　(1) 基于移動臺的定位

　　移動臺利用來自基站的信號計算出自己的位置稱為基于移動臺的定位，也稱前向鏈路定位。它根據接收到的多個已知位置基站發射信號攜帶的與移動臺位置有關的特征信息來確定其與各基站之間的幾何位置關系，再根據算法對移動臺進行定位估計。移動臺定位技術包括全球定位系統(GPS)、基于移動臺發送、接收信號的定時或角度的覆蓋三角技術(TOA、E-OTD)以及起源蜂窩小區(COO)。目前在無線網絡廣泛使用的技術是起源蜂窩小區，該方案已被用來滿足美國第一階段的“911”緊急服務需求、基于位置的付賬和一些需要位置信息的服務。

　　(2) 基于網絡的定位

　　網絡利用移動臺傳來的信號計算出移動臺位置的定位稱為基于網絡的定位,這類系統在蜂窩網絡中也叫做反向鏈路定位系統。其定位過程是由多個基站同時檢測移動臺發射的信號，并對這些信號進行精確的到達時間(TOA)的測量，把各接收信號攜帶的與移動臺位置有關的特征信息送到一個定位服務中心進行處理，得到移動臺的位置估計。定位服務中心可看作事務處理器，它對來自不同移動臺的位置測量請求,選擇適當的定位接收機對指定的移動臺進行所需定位區測量,收集來自定位接收機的定位區測量，將所有信息進行綜合得到定位測量,并把該定位測量傳送給發出請求的移動臺。采用基于網絡的定位系統優點是無需修改移動臺。

　　從上述各定位系統的基本特征可以看出，在蜂窩網絡中采用基于移動臺的前向鏈路定位方案必須對現有移動臺進行適當修改，如集成GPS接收機或能同時接收多個基站信號進行自定位的處理單元。基于網絡的反向鏈路定位方案只需對蜂窩網絡設備做適當擴充、修改，無需改動移動臺，能利用現有蜂窩系統實現。

　　3　無線定位方法

　　在蜂窩系統中采用的定位技術主要有以下幾類。

　　(1) 場強定位

　　移動臺接收的信號強度與移動臺至基站的距離成反比關系，通過測量接收信號的場強值和已知信道衰落模型及發射信號的場強值可以估算出收發信機之間的距離，根據多個距離值可以估算移動臺的位置。由于小區基站的扇形特性、天線有可能傾斜、無線系統的不斷調整以及地形、車輛等因素都會對信號功率產生影響，故這種方法的精度較低。

　　(2) 起源蜂窩小區(COO)

　　COO的最大優點是它確定位置信息的響應時間快(3s左右)，而且COO不用對移動臺和網絡進行升級就可以直接向現有用戶提供基于位置的服務。但是，COO與其它技術相比，其精度是最低的。在這個系統中，基站所在的蜂窩小區作為定位單位，定位精度取決于小區的大小。

　　(3) 增強觀測時間差分(E-OTD)

　　E-OTD是通過放置位置接收器實現的，它們分布在較廣區域內的許多站點上，作為位置測量單元以覆蓋無線網絡。每個參考點都有一個精確的定時源，當移動臺和位置測量單元接收到來自至少3個基站信號時，從每個基站到達移動臺和位置測量單元的時間差將被計算出來，這些差值被用來產生幾組交叉雙曲線，由此估計出移動臺位置。E-OTD會受到市區多徑效應的影響。這時，多徑使信號波形畸變并引入延遲，導致E-OTD在決定信號觀測點上比較困難。E-OTD定位精度比COO高50～125m。但它的響應速度較慢(5s)，且需要改進移動臺。

　　(4) 到達時間(TOA)和時間差(TDOA)

　　基于網絡的定位系統中通常采用精度較高的TOA或TDOA定位法。TOA中，移動臺位于以基站為圓心，移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。在多個基站進行上述計算，則移動臺的二維位置坐標可由三個圓的交點確定。TOA要求接收信號的基站、移動臺知道信號的開始傳輸時刻，并要求基站有非常精確的時鐘。TOA提供的定位精度比COO高，但是它的響應時間比COO或E-OTD更長(約10s)。TDOA是通過檢測信號到達兩個基站的時間差，而不是到達的絕對時間來確定移動臺的位置，降低了時間同步要求。移動臺定位于以兩個基站為焦點的雙曲線方程上，確定移動臺的二維位置坐標需要建立兩個以上雙曲線方程，兩條雙曲線的交點即為移動臺的二維位置坐標。直接利用TOA或TDOA估計值求解上述非線性定位圓或定位雙曲線方程組來確定移動臺的位置比較困難，在有一定時間測量誤差時由于各定位圓或雙曲線可能沒有交點而不能進行正常定位。在實際應用中通常采用最小均方誤差算法，通過使非線性誤差函數的平方和取得最小這一非線性最優化來估計移動臺位置。特別是TDOA定位由于不要求移動臺和基站之間的同步，在誤差環境下性能相對優越，在蜂窩通信系統的定位中倍受關注。

　　基于時間的定位要求基站從接收到的射頻信號中提取準確的時延估計值。獲得時延的方法有兩種：一種是采用滑動相關器或匹配濾波器的時間粗探測方法，粗探測過程由滑動相關器、匹配濾波器或連續探測電路來實現，將時延估計值鎖定在1個碼片間隔內；另一種是采用延時鎖相環(DLL)的精探測方法，精探測由DLL維持本地及輸入PN序列一致。

　　(5) 到達角(AOA)

　　在基站通過陣列天線測出移動臺來波信號的人射角，構成從基站到移動臺的徑向連線，兩根連線的交點即為待定位移動臺的位置。這種方法不會產生二義性，因為兩條直線只能相交于一點。它需要在每個小區基站上放置4～12組的天線陣，這些天線陣一起工作，從而確定移動臺發送信號相對于基站的角度。當有多個基站都發現了該信號源時，那么它們分別從基站引出射線，這些射線的交點就是移動臺的位置。AOA的缺點是到達角估計會受到由多徑和其它環境因素所引起的無線信號波陣面扭曲的影響，移動臺距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差會導致定位距離的較大誤差。

　　(6) GPS輔助定位(A-GPS)

　　網絡將GPS輔助信息發送到移動臺，移動臺得到GPS信息，計算出自身精確位置，并將信息發送到網絡。A-GPS有移動臺輔助和移動臺自主兩種方式。移動臺輔助GPS定位是將傳統GPS接收機的大部分功能轉移到網絡上實現。網絡向移動臺發送短的輔助信息，包括時間、衛星信號多普勒參數和碼相位搜索窗口。這些信息經移動臺GPS模塊處理后產生輔助數據，網絡處理器利用輔助數據估算出移動臺的位置。自主GPS定位的移動臺包含一個全功能的GPS接收器，具有移動臺輔助GPS定位的所有功能，再加上衛星位置和移動臺位置計算功能。A-GPS的優點是網絡改動少，網絡不需增加其它設備，網絡投資少，定位精度高。由于采用了GPS系統，定位精度較高，理論上可達到5～10m。缺點是現有移動臺均不能實現A-GPS定位方式，需要更換，從而使移動臺成本增加。

　　其他還有一些利用扇區波束、切換過程等的定位方法，但其精度對大多數定位應用來說是不夠的。在以上介紹的定位方法中，場強定位法最簡單，但定位精度較差；AOA定位雖有一定精度，但接收設備較復雜；TOA定位精度較高，但對時間同步要求較高；TDOA能消除對時間基準的依賴，可降低成本并仍保證一定的定位精度。故目前受到廣泛關注和深入研究的是基于TOA或TDOA的網絡定位，下面討論其在蜂窩網絡中的應用。

　　4　無線定位的應用

　　(1) GSM中的無線定位

　　GSM系統具有知道用戶所在小區的基本定位能力，采用TOA定位方法后，能提高定位精度。TOA定位的過程是，移動臺在業務信道上發出接入突發信號，定位測量單元(LMU)接收到信號到達的絕對時間后，得到相對時間差(RTD)，移動定位服務中心(SMLC)計算突發信號到達時間差(TDOA)，得到精確位置。當移動臺要獲得移動臺的位置時，向SMLC發出請求，移動臺號碼和定位精度要求。SMLC根據測量的TOA參數及其誤差值可計算出移動臺位置，再將位置信息和誤差范圍發回請求的移動臺。TOA定位需要附加硬件LMU，以達到精確計算突發信號到達時間的目的。實現方式有多種：LMU既可集成在基站內，也可作為單獨設備。LMU作為單獨設備時，既可有單獨的天線，也可與基站共享天線，通過空中接口實現網絡間通信。對于GSM定位系統，目前定位精度可達100m。

　　(2) CDMA系統的無線定位

　　IS-95中上行鏈路由接入信道和反向業務信道組成，理論上它們都可作為無線定位的接入信號。但反向業務信道僅在呼叫進程中才能利用，故CDMA無線定位中采用了接入信道信號。反向接入信道發起同基站的通信，以接入信道中的自動登記數據作為定位信號，而不利用反向業務信道的信息實現定位，這就不需要基站傳遞和處理信息給移動臺而消耗系統資源，且利用自動注冊數據在移動臺處于空閑狀態時可獲得定位信息。在cdma2000中，在網絡控制命令下，移動臺把GPS的測試結果和CDMA 無線信號的測試結果報告給網絡。網絡處理這些信息并根據這些信息確定移動臺的位置，移動臺和網絡之間的信息交換通過突發完成。在CDMA系統中采用TDOA定位也面臨一些問題，如由于功控，當移動臺靠近基站時信號功率降低，使得當移動臺離開一個基站而向另一個基站靠近時TOA測量精度下降。

　　5　無線定位的發展　　在蜂窩網絡中，非視距(NLOS)傳播、多徑效應和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無線定位研究的關鍵。

　　(1)多徑傳播。多徑是移動臺定位主要誤差源，各種定位法均會由于多徑傳播引起時間測量誤差。窄帶系統中各多徑分量重疊將造成相關峰位置偏差，寬帶系統能夠在一定程度上實現對各多徑分量分離，據此可以改善定位精度。但是若反射分量大于直達分量、干擾影響等均會引起精度降低。目前已提出一些抗多徑傳播的有效方法，如高階譜估計、最小均方估計及擴展的卡爾曼濾波 (EKF)等。

　　(2) NLOS傳播。即使在無多徑效應和采用高精度定時的情況下，NLOS傳播也會引起TOA或TDOA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傳播影響的方法有利用測距誤差統計的先驗信息將一段時間內的NLOS測量值調節到接近LOS的測量值；降低LS算法中NLOS測量值的權重，在LS算法中增加約束項等。

　　(3) 在CDMA系統中，多址干擾在基于時間的定位系統中會嚴重影響時間粗捕獲和延時鎖相環的工作。CDMA的功控對其通信功能來說可大大降低多址干擾，但對定位來說，采用功率控制使多個參與定位基站難于同時正確測量TOA或TDOA。因為移動臺必須與多基站聯合工作，而功控僅聯系一個基站，因而作用較小。可以采用臨時提高求救手機功率的辦法克服遠近效應，但在有多個呼叫時此法不適用。

　　(4) 基站覆蓋。移動臺定位一般要求同時與3個或3個以上基站相關處理。現有蜂窩系統用于通信設計時主要考慮移動臺僅與一個基站聯系，僅在小區邊沿需要切換才與鄰近幾個基站聯系。它盡量使移動臺收到強的基站導引信號以保持相干接收，同時，在切換到另一基站前收到相鄰基站導引信號盡量小。目前的網絡在有些地區如鄉村地區覆蓋差，在城市地區由于多徑等因素有時也可能難于保證移動臺與3個以上的基站的聯系。無線定位與網絡設計密切相關。

　　自無線定位服務提出以來，人們除了進行理論上的研究外，一些公司還開展了以第二代移動通信系統為平臺的現場試驗。如美國TruePosition公司，針對AMPS體制，采用TDOA方法，1997年在New Jersey地區用24個基站進行試驗，在3000實際911呼叫和80000個試驗呼叫中，定位誤差為600英尺。Lucent公司針對IS-95 CDMA系統，利用TDOA方法，1997年在New Jersey和New York郊鎮進行了實驗，精度接近TruePosition的結果。1999年日本NTT公司和TohoKu大學合作，采用WCDMA系統，在兩基站環境下，利用三步法實現了準確率達90%、基站搜索時間小于0.7s的基站搜索方法實驗。

　　我們看到，基于蜂窩系統的無線定位技術雖然提出時間較短，但已在理論和實驗上取得較大進展。在即將商用化的第三代移動通信系統中，如何實現高精度的定位，并將定位業務集成到網絡中，是一個嶄新的課題，有許多問題需要做進一步研究。這方面的課題包括：無線定位方法的研究；克服定位誤差的方法的研究；針對不同系統的定位實施方案研究。在蜂窩無線定位技術研究中的一個基本的原則是希望增加定位業務不致于使網絡基礎設施改變和增加投資太大。定位要求及技術實現方法應該與標準研究相結合并確立統一標準，以更好地安排空中接口、網絡結構和各種功能子系統組成。

摘自《電信科學》

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