蜂窝网络无线定位技术及应用

蜂窝网络无线定位技术及应用

一、前言

近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。

这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。FCC于1996年10月颁布了无线E9ll 呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM、IS-95CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。特别是3GPP和3GPP2上对定位的要求更加具体化，这也是对蜂窝无线定位市场潜力的肯定。另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态的情况卜获取其地理位置等信息，利用移动台的定位信息，运营商可以1hJ用户提供各种增值业务，如位置环境信息查询、紧急救援、智能交通、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未来几年内，基于蜂窝网络定位技术的移动业务将得以迅猛的发展。

二、蜂窝网络无线定位技术

利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类，(l)基于电波场强的定位技术；(2)基于电波到达入射角(AOA)的定位技术；(3)基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的定位技术。

1．场强定位技术

电波场强定位技术根据移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，由多个距离测量值(至少三个)可以估算移动台的位置。这一技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无线电波传播模型，这在实际应用中很难实现。除此之外，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地理环境、车辆等因素都会对定位精度产生影响。由于移动通信环境中电波传播的复杂性，决定了这？技术在定位精度上的局限性，但是由于该技术比较简单易行、在对精度要求不是很高的情况下仍被采用。为了改善其性能，人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法来逛一步提高定位的精度。

2．到达入射角的定位技术

电波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出移动台来波信号的人射角、构成从基站到移动台的径向连线，即测位线，这两条连线的交点即为目标移动台的位置。由于两条直线只能相交于？点，这种方法不会产生定位模糊性。但是它需要在每个小区基站上放置4？12组的天线阵。这些天线阵？起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。AOA的优点在于它仅需要两个基站参与便可实现移动台定位，同时不存在移动台位置的模糊性问题。但是该技术需要在现有的基站增加天线阵列，由此增加了大量的建设费用。与此同时，电波到达入射角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较大误差。

3．到达时间/到达时间差的定位技术

到达时间／到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以得到移动台与基站之间的距离。移动台即位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，移动台的二维位

置坐标可出三个圆的交点确定。到达时问定位技术要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间，并要求基站有非常精确的时钟。为了克服这一缺点，人们提出了到达时间差的定位技术，它是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来实现移动台定位的，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这就大大降低了对时间同步要求。很明显，移动台一定位于以两个基站为焦点的双曲线上。所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到移动台的二维位置坐标。

以上两种基于时间的定位技术的只要求基站能够从接收到的射频信号中准确的提取时延估计值，而无需对现有的网络设备加以大规模的改造就可以实现对移动台的高精度定位，因此成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。TruePosition公司所提供40米精度的定位业务就是采用了U-TDOA定位技术。

三、影响定位精度的主要因素

由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各中因素的影响。

1．多径传传播

影响蜂窝无线定位的？个基本因素之一就是多径传播问题。在移动信道中，由于反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位和时间延迟方面产生弥散。这些效应导致发射信号经过不同的路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不问的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落和信号畸变，使接收信号的信噪比严重下降，最终影响定位精度。多径传播是造成定位误差的主要原因，因此多径干扰的抑止是定位的关键技术之？。

2．NLOS传播

导致定位错误的另一个重要因素是移动台和基站之间的信号为非视距传播(NLOS)信号。LOS传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。但是在城市和近郊，移动台和多个基站之间实现LOS传播通常是很困难的，更多的情况是通过反射和折射的方式进行传播的，从而影响了到达场强，接收电波的到达方向，以及电波传播时间。在这样环境下，即便没有多径干扰且系统能提供足够高的定时精度也同样会导致定位测量误差。

3．CDMA多址接入干扰

由于CDMA系统个的各用户均使用同一频段，这种高容量也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响定位测量信号估计。在CDMA系统中通常采用功率控制来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍然受到严重的多址干扰，因而影响常规接收机的性能。研究表明，多址干扰会严重影响TOA和TDOA的定位精度。

4．参与定位的基站数的限制

本文所述的定位技术需要至少两个或三个以上基站的参与。但是，在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与移动台定位，即使在基站稠密的城市环境中，也可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。另外，由于CDMA系统采用了功率控制技术来克服远近效应，当移动台靠近服务基站时，其它基站就很难接收到移动台发出的定位测量信号。

表1给出了各种环境下所能参与移动台定位的基站数量的统计情况。统计数据表明，在乡村或郊区同时存在三个或三个以上基站与移动台保持联系的可能性较小。为此，摩托罗拉公司提出了将目标移动台发射功率瞬时调到最大的PowerUp方法来加以改善。

表1各种环境下不同X取值统计表

区域X表示能够同时接收到信号功率大于-100dBm的基站数

X=1X=2X=3X=4 X=5

乡村98.3%86.3% 57.1% 33.8% 16.7%