蜂窝移动通信网络中的无线定位技术

2006-12-05 02:09:59  谷静 李明远  现代电子技术  
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     :从移动通信技术应用现状与发展情况出发,介绍了无线定位技术的原理,移动通信信道特性与定位误差的关系以及基本的定位算法。  
        关键词:无线定


    1 引 言
      无线定位技术的研究始于20世纪60年代的自动车辆定位系统,随后该技术在公共交通、出租车调度以及公安追踪等范围内广泛应用。后来,随着人们对基于位置的信息服务的需求增多,无线定位技术得到更多研究者的关注,全球定位系统(GPS)的出现更使得无线定位技术产生了质的飞跃,定位精度得到大幅度的提高,可达到10 m以内。虽然直接利用GPS可以达到一种较为理想的定位效果,但是他需要专门的接收设备,对大多数用户来说并不是很方便。近年来,随着蜂窝移动系统的普及,定位技术开始用于蜂窝系统设计、切换、服务区确定、交通监控等方面。
      目前,无线定位可分为卫星无线定位和地面无线定位,卫星定位利用GPS,GLONASS以及我国的北斗双星等卫星系统实现移动目标的三维定位;地面无线定位则通过测量无线电波的传播时间、信号场强、相位、入射角度等参数实现移动目标的二维定位。蜂窝无线定位属于地面无线定位系统。
      现有的蜂窝移动通信网中的无线定位系统按移动通信结构分为基于移动通信网络的无线定位、基于移动台的无线定位、混合定位等。近年来,随着移动用户的快速增加,对位置服务的需求也大大增加,在蜂 窝系统中,基于位置的服务有很多种类,如公共安全、基于位置的记费服务、跟踪服务增强呼叫的路由选择服务等。当前的蜂窝无线定位系统中,为了避免对移动终端增加额外开销,多采用的是基于网络的定位方案,由多个基站同时接收检测移动台发出的信号,根据测量到的参数由网络对移动台进行定位估计。移动终端往往是普通手机,这就需要对基站安装监测设备,测量移动台发出的信号参数,再通过适当的算法估计出移动台的大致位置,而信号的传播很大程度上取决于移动通信信道特性,使定位精度受到很大的影响。

    2 移动通信网中的定位算法
    2.1 基于时间的定位算法

      该方法是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间(TOA)或时间差(TDOA)来确定目标移动台的位置。因此,测量值TOA或TDOA的测量精度对移动台的定位精度有很大的影响。
    2.1.1 到达时间法TOA
      设移动台与基站之间信号传播时间为t,则移动台与基站的距离应该为R=ct,移动台应该位于以基站为中心,以R为半径的圆上,如图1所示。
       得到TOA的方程组为:

    坐标,ti为接收到第i个基站发送的信息的时间,t为基站发送信号的时间。

      

      若测得信号在移动台与3个基站的传播时间,那么3个圆的交点就是基站的位置,如图2(a)所示。
      TOA算法要求参加定位的各个基站在时间上要严格同步,由于电磁波的传播速率很高(108 m/s),微小的误差将会在算法中放大,使定位精度大大降低。传播中的多径干扰、NLOS以及噪声等干扰造成的误差会使圆无法交汇,或者交汇处不是一点而是一个区域,如图2(b)所示。

     

      因此TOA对系统同步的要求很高,并且需要在信号中加时间戳,而实际参加定位的基站一般在3个以上,误差是不可避免的。这时候可以利用GPS对基站进行校时并利用其他补偿算法来估计位置,提高算法的精确度,但同时增加系统的开销和算法复杂程度,因此单纯的TOA算法在实际中应用很少。
    2.1.2 到达时间差算法TDOA
      TDOA算法是对TOA算法的改进,他不是直接利用信号到达时间,而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置,与TOA算法相比他不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。TDOA值的获取一般有2种形式:
      第1种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA,取其差值来获得,这时仍需要基站时间的严格同步,但是当两基站间移动信道传输特性相似时,可减少由多径效应带来的误差,如图3所示。
      根据到达时间差获得的TDOA方程为:


      

      第2种形式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算,从而得到TDOA的值,这种算法可以在基站和移动台不同步时,估计出TDOA的值,由于实际应用中,往往很难做到基站与移动台的同步,所以利用相关估计得到TDOA值,再进行定位计算能获得较高精度。对于蜂窝网中的移动台定位而言,TDOA更具有实际意义,这种方法对网络的要求相对较低,并且定位精度较高,目前已经成为研究的热点。
    2.2 基于场强的定位算法
      该算法是通过测出接收信号的场强值和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估计收发信端的距离,根据多个距离值就可以得到目标移动台的位置。一次场强测量把移动台锁定在以基站为中心的轨道上,圆的半径由场强值确定,一般通过3个基站就可以确定移动台的位置。场强法算法虽然比较简单,但由于多径效应的影响,定位精度较差。
    2.3 基于入射角度的定位算法AOA
      AOA算法是在接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度,形成一根从接收机到发射机的方向线,即测位线,由2个基站得到的2个测位线的交点就是移动台的位置。因此,AOA算法只需要2个基站就可以确定位置,而2条直线只有一个交点,不会出现轨迹有多个交点的现象,即定位的模糊性。但为了测量电磁波的入射角度,接收机的天线需要改进,必须配备方向性强的天线阵列。
    2.4 混合定位
      前面几种算法在蜂窝系统中都可以对移动台的位置做出估计,但不同的信道环境中,几种方法获得的合多种定位技术,采用多种电波特征的测量值对移动台进行位置估计。混合定位的典型例子是入射角定位法与时间的定位法的结合,如AOA与TDOA组合定位,可以克服由同步和多径带来的部分误差,AOA与TDOA组合定位只需一个基站就可以确定移动台的位置,如图4所示。

      

    3 移动通信信道特性与定位误差
      现有的各种无线定位方法,都是在测量的时间、相位、场强等定位参数的基础上,采用一定的算法计算的,而定位参数的确定很大程度上取决于移动信道的传输特性。在蜂窝系统中信道干扰主要来自无线电波的非视距(NLOS)传播以及多径效应,这些特征正是造成蜂窝系统无线定位误差的根本原因。
      当移动台(MS)与基站(BS)之间的直射路径被障碍物挡住后,无线电波只能在经过反射和衍射后到达接收端,此时测量到的数据,如到达时间、时间差、入射角度等,将不能正确反映发送端与接受端的真实距离,这种现象被称为非视距传播(NLOS)。非视距传播造成定位算法性能的显著下降,事实证明即使在无多径效应和采用高精度定位技术的情况下,NLOS传播也会引起测量误差。因此,如何降低NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。目前,降低NLOS传 播的影响通常有多种方法,如利用测距误差统计的先验信息就可以将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值,这种统计方法的有效之处在于,承认已有的系统和测量方式,实现的开销小;降低LS算法中NLOS测量值的权重,在LS算法中增加约束项等,这些方法目前都是研究的热点。此外,还可以将定位与地理信息系统相结合,采用已有的地理位置信息对定位做出修正。

    4 结 语
      随着蜂窝移动通信的发展,定位技术已应用到各行各业,基于位置的服务种类也更为广泛,因此在研究蜂窝移动通信系统中的无线定位技术有很大的意义和价值。目前的定位技术还存在着很多问题,除了要对现有的算法进行改进,研究蜂窝移动通信网的定位性能,提高定位精度外,还要考虑各种算法对网络和移动台的改动,即算法的可行性等问题。但随着技术的发展,定位精度必然会大幅度提高,涉及到的安全与个人隐私等问题也会逐渐解决,定位技术的应用范围也将会更加广泛。
      

      参考文献

    [1]范平志,等.蜂窝网无线定位技术[M].北京:电子工业出版社,2001.
    [2]HeikkiLaitinen.Cellular location techniques[J].Information Technology MLW,2001.
    [3]Drane C,etal.Sydney U.Tech.,PositioningGSM Telephone.ibid.

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