CDMA蜂窩網無線定位技術的研究
2019-11-03 09:40:59
供稿：網友
浙江海洋學院電子工程系 何林娜 尹偉 1 引言
移動用戶在蜂地區(qū)范圍內有可能發(fā)生緊急事件需要呼叫求援，地區(qū)公安或關應急部門應該能夠立即利用無線電波測定發(fā)出呼叫的移動用戶的位置，以便及趕往呼叫地點查有實情進行援助。此事有關人身安全、具有重要的現(xiàn)實意義。1996年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）作出規(guī)定，要求各蜂窩網提供者配合當?shù)毓舶踩珣瘘c（RSAP），對移動電話用戶的緊急呼叫實施應急業(yè)務，代號為E-911（Emergency call“911”），于1998年開始實行。要求在2001年10月1日前，各種無線蜂窩網絡必須能對發(fā)出E-911緊急呼叫的移動臺提供精度在125m內的定位服務，而且滿足此定位精度的概率應不低于67％。其余33％將在2001年以后，提供更高的定位精度及三維位置信息。歐洲和日本也作了相應的要求，提供E-911定位服務將是今后蜂窩移動通信系統(tǒng)必備的基本功能。各國公司對GSM、IS-95和3G等網絡制定了各自的實施方案，取得了一定的成果，但和E-911的要求還有一定的差距?？傊涓C移動通信系統(tǒng)無線定位問題，近年已被提到議事日程上，迫切希望得到較完善的實用技術。
2 無線定位技術
無線定位有多種技術，首先應該提到“全球定位系統(tǒng)”（GPS,Global Positioning System）。GPS是美國國防部研制的第二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它為全球用戶提供全天候、連續(xù)、實時的高精度位置、速度和時間信息。目前，GPS定位技術除了廣泛應用于飛機和水面船只的導航定位外，在陸地車輛的導航定位中也獲得了廣泛的應用。GPS接受機是根據軌道運行的24顆衛(wèi)星網發(fā)出4個或更多個L頻段信號的到達時間（TOA,TIME OF ARRIVAL）來估計其位置，測量精度約在50m以內。但由于成本、體積、復雜性、功耗和易受射頻干擾等原因，以及在城市環(huán)境，有高樓大廈、林蔭遮擋衛(wèi)星信號導致GPS的功能失效，不能正常定位。
蜂窩網無線定位系統(tǒng)中，對移動臺的定位是通過檢測移動臺和蜂窩網內多個蜂窩區(qū)的無線電基站收發(fā)信機之間傳播信號的特征參數(shù)來估計目標移動臺的幾何位置，這種技術可以利用信號到達時間（TOA），即移動臺發(fā)出的信號無線電波到達多個蜂窩區(qū)基站的時間，以確定移動臺現(xiàn)在的位置。也可以利用到達時間的差，根據多個TDOA數(shù)據對應的多條雙曲線的交點來估計目標移動臺的位置，這就不再需要移動臺有準確的參考時間。另一種技術是利用到達角度。每個無線電基站各裝備天線陣列，通過天線陣列測出電波的入射角，構成一根從接受機到發(fā)射機的徑向連線，即測位線，待定發(fā)出信號的移動臺的位置可由兩根測位線的交點獲得。一般地說，AOA定位法雖有一定精度，但要求每一基站各自設置天線陣列，并且準確校準，接收設備比較復雜。TOA定位法精度較高，但要求各基站間利用GPS參考時間達到時間同步。TDOA定位法能消除對時間基準的依賴性，可以降低成本并仍保證一定的定位精度。AOA定位法如與TDOA定位法結合使用，就可以從較少基站獲得的兩種數(shù)據得到準確度較高的測位置，但在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中采用該法對網絡設備的改動較大。故目前受到廣泛關注和深入研究的是基于TOA或TDOA的定位法，該定位法只需對蜂窩網絡設備作適當擴充、修改、不需要對現(xiàn)有移動臺作任何修改，能充分利用現(xiàn)有各種蜂窩系統(tǒng)的資源，保護用戶已有投資實現(xiàn)相對容易，因而是E-911定位需求首選。
3 CDMA蜂窩網的無線定位技術
CDMA蜂窩網是蜂窩移動通信系統(tǒng)的研究熱點。它具有頻率利用率高、系統(tǒng)容量大、覆蓋范圍廣、網絡建設成本低、話音質量好、支持數(shù)據業(yè)務能力強、傳輸可靠保密性能好、手機功率小、待機時間長和綠色環(huán)保等優(yōu)點。在CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)中，每一蜂窩區(qū)無線基站至移動臺的無線線路稱為正向通路，而移動臺至基站的上行線路稱為反向通路。
（1）利用反向通路定位
由移動臺發(fā)出預定信號，并由時間同步的幾個基站接收機同時檢測移動臺發(fā)射的信號，從各接收信號攜帶的某種與移動臺位置有關的特征信息送到一個信息處理中心進行處理，計算出移動臺的估計位置。但是，CDMA蜂窩通信系統(tǒng)有功率控制措施，移動臺移近某一基站時，發(fā)射功率相應降低，影響其它基站的接收。補救辦法是使移動臺呼叫發(fā)射大功率的突發(fā)信號，使幾個基站都能收到，但是在蜂窩網內有幾個移動臺同時呼叫請求定位時，如果都發(fā)大功率信號，又容易引起不穩(wěn)定。
?。?）利用正向通路定位
由移動臺根據接收到的多個已知位置發(fā)射機發(fā)射信號攜帶的某種與移動臺位置有關的特征信息來確定其與各發(fā)射機之間的幾何位置關系，再根據有關算法對其自身位置進行定位估計，由移動臺用戶掌握其自身的位置信息。利用正向通路進行定位可以避免CDMA系統(tǒng)功率控制引起的困難。在這種方法中，每個基站都廣播一個導引偽噪聲序列（pilot PN sequence），但各有預定的偏移。各個基站是同步的，移動臺應該能夠識別收到信號來自哪個基站。在典型的IS-95中，移動臺設置4個rake接受機搜尋指，其中3個用來接收進入的信號，余下1個則用來搜索多徑信號和越區(qū)切換侯選基站。在系統(tǒng)運行時，移動臺跟蹤其附近的最強導引信號。它從基站接到導引信號測量請求通知后，立即把收到的所有導引信號的情況向該基站匯報，其中包括每一導引的值及其相對于該基站所發(fā)導引號偏移的PN相位。利用該基站發(fā)出的導引信號作為參考相位，又根據附近基站所發(fā)導引信號的PN偏移，有可能估算移動臺的TDOA。這就是說，只要移動臺能檢測、鎖定和匯報至少3個不同基站所發(fā)導引信號的相位，就有可能對移動臺作出定位估測。這種估測的誤差，主要來自各基站的同步定時誤差，包括PN相位分辨不夠精細和接收信號的多徑傳播和非視線傳播。為了保證準確度，要求利用GPS時間基準作為參考，限制各基站的同步誤差不大于幾十納秒。
?。?）為了估測移動臺位置，也可考慮無線電波到達角定位技術，由幾個基站各自的天線陣列測量移動臺所發(fā)信號的到達角。但是，蜂窩區(qū)內無線電波傳移動臺周圍形成散射環(huán)有一定的半徑。從移動臺散射環(huán)周邊到達基站的角度與從環(huán)中心到達基站的角度有差異，使AOA定位方法發(fā)生困難。如果基站天線建筑較高，AOA定位法還可能利用，但在微蜂窩區(qū)，安裝基站的位置很低，AOA定位法幾乎無法使用另外，移動臺的散射環(huán)半徑a必須小于200m，才能進行定位而誤差不致于過大。
4 無線定位誤差產生的原因及解決方法
造成無線定位系統(tǒng)估測誤差的主要原因是無線電波的多徑傳播、非視線（NLOS,Non line of Sight）傳播和多址干擾等，如何降低這些因素的影響是提高無線定位精度的關鍵。
?。?）多徑傳播對測量到達角和測量信號強度的準確度都有較大影響。對于測量TOA和TDOA，雖然移動臺與基站之間無線電波有視線路徑，多徑傳播對定時測量也會引起誤差。如欲精確測量傳播時延，多徑效應也有影響?，F(xiàn)在已經研究出了一些減輕蜂窩網中多徑傳播影響的有效方法。
?。?）即使在無多徑效應和采用高精度定時技術的情況下，NLOS傳播也會引起TOA或TDOA測量誤差。因此，減小NLOS傳播的影響是提高定位精度的關鍵。在城市里，高樓大廈林立，信號在移動臺與基站之間很可能是NLOS傳播，移動臺發(fā)出的信號不能直接到達基站，而是經過反射或衍射到達基站，其路程距離必然比直接路程長。為了辨別是LOS傳播還是NLOS傳播，可以測算TOA的標準偏差，一般情況是準偏差遠大于LOS傳播的，利用測距誤差統(tǒng)計的先驗信息就可對兩種路程作出區(qū)別，將一段時間內的NLOS傳播測量值調節(jié)到接近LOS傳播的測量值。
?。?）在各種蜂窩移動通信系統(tǒng)中，都存在著多址干擾。特別在CDMA蜂窩網，所有移動臺使用同一頻帶，僅擴頻碼不同。而且CDMA有遠近效應，移動臺離基站越近，發(fā)射功率越小，受到多址干擾越大。在使用時延鎖定環(huán)路的情況下，多址干擾影響很大，當蜂窩網內幾個蜂窩區(qū)的基站測量某一移動臺的位置時，每一基站收到覆蓋區(qū)內其它移動臺的干擾信號，影響基站測量TOA/TDOA的準確度。可以采用在E-911呼叫時將移動臺發(fā)射功率瞬間調到最大，改進軟切換方式，利用抗遠近效應延時估計器與多用戶檢測器等方法減少多徑干擾。這種多址干擾也是當前研究CDMA蜂窩網的一個重要課題。
5結束語
通過研究CDMA蜂窩網的無線定位技術，即可以滿足E-911的定位需求，提高移動用戶的安全保障，又可以將其應用于對移動用戶位置的靈活計費、智能運輸系統(tǒng)（ITS）、蜂窩網絡的設計和規(guī)劃等領域，但目前該項技術和E-911定位需求還有一定差距，許多問題還有待于進一步深入研究。
摘自《無線電工程》2001.5
