（通信与信息系统专业论文）蜂窝网无线定位算法研究.pdf

郑州人学硕i 一研究生学位论文 摘要 近年来，随着移动通信的迅猛发展，移动通信己经走进3 g 时代，第三代移 动通信系统将带给人们更高的话音质量、更丰富的多媒体业务以及各种各样的增 值服务。这样就带来了对移动台进行有效定位的需求，因此对移动台定位技术的 研究也逐渐成为热点。 本文详细介绍了三种典型定位算法：c h a n 算法、t a y l o r 级数展开法和f a n g 算法，并在高斯噪声信道环境和t 1 p i 信道环境中进行了算法的仿真与性能比较。 在蜂窝网络环境中，如果移动台和基站之问的视距传播( l o s ) 路径被建筑 物阻挡，电波只能以反射、折射等非视距传播( n l o s ) 方式进行传播。n l o s 问 题是目前基于蜂窝网络的定位系统提高定位精度的关键问题。本文提出一种基于 t 1 p i 无线信道模型，对信号到达时问差( 1 i ) o a ) 测量值进行平滑和重构，以 减小n l o s 误差的影响，提高定位精度的方法。仿真结果表明此算法对定位精 度的提高是显著的，主要体现在降低平均定位误差，使定位结果更加接近于真实 距离。 随着智能天线技术在第三代移动通信系统( 3 g ) 中的使用，利用基站估计 移动台的波达方向进行定位成为了可能，本文基于一种适合对各种定位算法进行 分析的基于几何结构的单次反射统计信道模型，提出一种减小非视距传播 ( n l o s ) 影响的波达方向( a o a ) 定位算法，该算法利用临近基站与移动台构 成的三角函数关系和波达方向的最大角度扩展作为优化的约束条件，将基于波达 方向( a o a ) 的无线定位问题转化为有约束的最优化问题，从而提高了无线定 位的精度。 数据融合是一种能够综合不同处理方法和技术的优点，结合有关先验信息对 不同类型的数据进行融合，从而取得比单一技术性能更好的数据输出的技术。本 文介绍了一种在k l c i n c - o s t m a n n 模型基础上改进的数据融合模型，并通过仿真 对模型的有效性进行了验证。 关键词： 无线定位信号到达时间差信号到达角度非视距传播数据融合 郑州人学颂f 二研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n w eh a v e b e e ns t e p p i n gi n t h et h i r dg e n e r a t i o no f t o o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) r e c e n t l y t h a tw i l lb r i n ga b o u tt h e m o r es u p e r i o rq u a l i t yo fv o i e 2 , t h em o r ec o l o r f u lm u l t i m e d i as e r v i c e sa n dt h em o r e a d d e dv a l u e s a tt h es a m et i m ei tb e c o m e sn e c e s s a r yt h a tt h ef u n c t i o no fm o b i l e s t a t i o nl o c a t i o nc a nh ep r o v i d e d n er e s e a r c ho nl o c a t i o ns e r v i c eh a sb e e nah o t p o i n t t h i sp a d e l - h a si n t r o d u c e dt h r e et y p i c a ll o c a t i o na l g o r i t h m si nd e t a l l ：c h a n a l g o r i t h m ，t a y l o ra l g o r i t h ma n df a n ga l g o r i t h m n ea l g o r i t h m sa r es i m u l a t e da n d c o m p a r e di ng a u s sn o i s ec h a n n e le n v i r o n m e n ta n dt 1 p lc h a n n e le n v i r o n m e n t i nt h ec e l l u l a rn e t w o r k ，i ft h el o sp r o p a g a t i n gw a yi sb l o c k e db yb u i l d i n g , w a v e sc a n o n l yp r o p a g a t ei nn l o sw a y i fa d o p t e dt d o a o rt o al o c a t i o nt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t hl o ss i t u a t i o n t o am e a s u r e m e n tv a l u ew i l la d dap o s i t i v ee x t r at i m e d e l a y , t d o am e a s u r e m e n tv a l u ea l s ow i l la d da na l t o rq u a n t i t v i fu s et h et d o ao r t o am e a s u r e m e n tv a l u ew i t hb i ge 】t f o rt om sl o c a t i o n ，t h ea l g o r i t h m sp e r f o r m a n c e m u s tg od o w n ，t h em le s t i m a t i o no fm sl o c a t i o nc a nn o tb eo b t a i n e s t i m a t el o c a t i o n w i l lh a sb i ge r r o r n l o si st h ek e yp r o b l e mo fi m p r o v i n gl o c a t i o np r e c i s i o ni n c e l l u l a rw i r e l e s sl o c a t i o ns y s t e m b a s e do nt 1 p 1w i r e l e s sc h a r m e lm o d e l 。t h i sp a p e r p r o p o s ea na l g o r i t h mw h i c hs m o o t h i n ga n dr e s t r u c t u r i n gt d o am e a s u r e m e n tv a l u e t od i m i n i s hi n f l u e n c eo fn l o sa n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h el o c a t i o ne s t i m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ea l g o r i t h mi m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h el o c a t i o n e s t i m a t i o ne f f e c t i v e l y ，w h i c hi sa c c o m p l i s h e db yd i m i n i s h i n ga v e r a g el o c a t i o ne r r o r a ss o o na ss m a r ta n t e n n at e c h n i q u ei su s e di n3 g u t i l i z i n gb a s es t a t i o nt oe s t i m a t e a n g l e so fs i g n a la r r i v a li sp o s s i b l e b a s e do ng e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l e - b o u n c e d ( g b s b ) s t a t i s t i c a lc h a n n e lm o d e lw h i c hi s s u i t e dt oa n a l y z i n ge v e r yl o c a t i o n a l g o r i t h m ，aa l g o r i t h mf o rw i r e l e s sl o c a t i o nu s i n gt h em e a s u t e da n 四e so fa r r i v a l ( a o a ) i sp r o p o s e dt om i t i g a t et h en l o sp r o p a g a t i o ni n t h i sp a p e r i no r d e rt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h el o e a t i o ne s t i m a t i o n ，t h ea l g o r i t h mu t i l i z e dt h el a r g e s t a n g l es p r e a da n dr e l a t i o n s h i p sd r a w nf r o mt h eg e o m e t r yo f t h eb sa n dm sl o c a t i o n s ， s o l v e st h ea o a b a s e dl o c a t i o np r o b l e mb yc o n v e r t i n gi ti n t oae o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，i t se f f e c t i v e n e s si sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n i nt h ee n da p p l i c a t i o no fd a t af u s i o nt e c h n i q u ei nw i r e l e s sl o c a t i o ni si n t r o d u c e d d a t af u s i o nt e c h n i q u ew h i c hc o m b i n ed i f f e r e n tm e t h o da n dt e c h n i q u e sa d v a n t a g e s a n du s e sr e l a t i v ep r i o r ii n f o r m a t i o nt of u s ed i f f e r e n tt y p ed a t a c 弛a e q u i r eb e t t e r o u t p u to f d a t ac o m p a r e dw i t hs i n g l et e c h n i q u e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sai m p r o v e dd a t a f u s i o nm o d e lb a s e do nt h em o d e lo fl ( 】e i n e - o s t m a n n , a n dv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed a t af u s i o nm o d e lb ys i m u l a t i o n k e yw o r d ：w i r e l e s sl o c a t i o n ，t d o a ，a o a ，n l o s ，d a t af u s i o l l 2 郑州人学硕i 研究生学位论文 第一章绪论 移动通信中的无线定位技术是一种新兴技术，具有广泛的应用前景。许多安 全部门和移动用户出于安全和方便的考虑，要求移动通信系统能够提供有关用户 位置信息的业务无线定位业务，并受到越来越多的关注，现在已经成为第三 代移动通信必备的基本业务。 1 1 研究背景 国际上对无线定位技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位系统 ( a v l ) ，随后该技术在公共交通管理、货物运输、出租车管理、犯罪跟踪和紧 急医疗服务等有限范围内得到了应用。最早的定位服务源于1 9 9 6 年美国政府联 邦通信委员会( v c c ) 对突发事件服务制定的强制e 9 1 1 法规( ”，明确规定了提供 e 一9 1 1 定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络必备的基本功能。根据 f c c 的计划要求，到2 0 0 1 年1 0 月1 日，所有的移动网络运营商将以可定位概 率为6 7 ，精度为1 2 5 m 内，为发出9 1 1 呼叫的移动用户提供定位服务。后来，随 着人们对基于位置的信息服务的需求增多，无线定位技术得到了更多研究者的关 注。 全球定位系统( g p s ) 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1 0 m i 勾 2 , 3 1 。虽然直接利用g p s 可以达到一种较 为理想的定位效果，但是它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。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。 近几年来定位业务发展非常快，已经在北美、欧洲、日本和韩国等国家和地 区广泛开展，并获得了良好的收益。中国联通也已经开通其“定位之星”业务。 无线定位技术将成为移动通信系统中的一个重要支撑技术。 无线定位技术通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算 法判断出被测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位和到达角等。 给移动台定位的方案有基于终端和基于网络两种：前者是移动台利用接收到的信 号进行位置估算，位置解算过程在移动台完成；后者是基站接收移动台发送的信 郑州人学碗1 研究生学位论文 号，位置解算在网络侧完成。 1 2 无线定位技术的现状及发展情况l l t 4 s 】 随着f 9 9 1 法规的强制性要求，目前市场竞争和用户需求两大因素又促进 了定位服务的广泛丌展，对定位服务的研究同益得到重视。预计在未来几年内， 移动定位业务市场规模会加速度的持续增长，很多数据业务将与定位业务有关。 美国、日本、韩国j 下在部署结合c d m a 基站信号与g p s 信号的g p s o n e 定位系 统。我国的两大移动运营商也正在积极地部署各自的移动定位业务。预计在未来 几年内，我国的移动定位业务市场规模会加速度的持续增长。 各专门从事移动台定位技术研究的公司及m o t o r o l a , n o k i a , e r r i c s s o n , s a m s u n g 等跨国大公司侧重于对g s m ，1 s 9 5 和第三代移动系统中的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等网络采取的具体定位方法和技术及定位功能的具体实施方法的 研究，提出并制定了实施方案。在3 g p p 和3 g p p 2 提案中，还在不断修改和完 善，部分提案在一些定位关键技术上已达成共识。 目前，已经有一些运营商在其近期开通的3 g 网络中提供了相应的移动定位 业务，如日本的n t td o c o m o 和英国的和记3 g 公司，他们提供的定位业务都 可以为用户提供详细、实时更新的数字地图来告知用户的具体位置，并且可通过 电子地图来引导用户寻找酒店、餐厅、商店和其它一些感兴趣的商业设施。1 9 9 9 年q u a l c o m mc d m at e d m o l o g e s ( q c t ) 宣布推出g p s o n e 混合定位方案。 g p s o n e 技术使用颗卫星和一个小区站点，同时从g p s 和蜂窝网络搜集数据， 以弥补独立的g p s 和基于网络定位系统的不足，共同提供全方位的覆盖，包括 室内、户外、城市及乡村，生成精确的三维定位。可同时上传和下传定位地点的 数据，定位精度达5 5 0 m ，在最理想的情况下，定位时间只需小到1 秒，即使在最 困难的情况下，定位也只需几十秒。缺点是对终端技术要求高且增加了网络成本。 日本、韩国和美国相继推出支持g p s o n e 定位功能的商用手机。日本推出的 a u - c d m a o n e 手机定位功能，可以方便的下载当地的电子地图并以图形的方式显 示手机所处位置及周边情况。 l 。3 无线定位技术的应用前景 在美国，定位技术产业形成的重要催化剂是美国通信委员会( f c c ) 的e 9 1 1 规则。该规则要求无线运营商们在他们的网络中推广定位技术以达到e 9 1 1 规则 2 郑州人学硕i 。研究生学位论文 的要求。几个无线运营商推出了他们将要推广的技术方案，其中v e r i z o n 和 c i n g u l a r 选择了基于网络的定位技术，而s p r i n t 公司则推出了基于移动电话终端 的解决方案 9 。 虽然无线运营商们在最初阶段都显得非常保守，但是目前一些运营商们已经 在开发基于定位技术的应用软件。有迹象显示，一些运营商已经开始将定位技术 作为运营网络的基础组成部分，就如同网络中的基站一样。无线运营商的服务内 容也正在经历一个重大转变，从传统的“呼叫”服务向更广阔的扩展服务领域转 换。一系列新的产品、服务内容和商业模式也被同时催生出来。 无线通信系统中的无线定位功能除了可以向移动用户提供定位的服务外，还 有着非常广泛的应用前景1 1 0 1 ，1 ，例如：无线定位精度的提高可以更加准确的对移 动用户进行功率控制和更加方便的控制移动用户进行越区切换。还可以对一些特 定的人或物进行跟踪定位等等。 展望无线定位业务的未来，除了继续完善定位技术，进一步提高定位精度、 开发新的终端设备外，还要制订统一的国际规范、解决定位业务的国际漫游问题、 完善隐私保护功能。相信在不久的将来，随着无线定位精度的不断提高和定位时 间的进步缩短，定位业务一定会成为时代的“新宠”，带来更多的社会效益和 经济效益。 1 4 蜂窝网无线定位系统 无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位嚣收发信 机之自j 传播信号的特征参数( 如电波场强，传播时问或时间差，入射角等) 来估计 出目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、定位主体 及采用的设备的不同可将对移动台的无线定位方案分为三类：基于移动台的定位 方案，基于网络的定位方案及g p s 辅助定位方案，与之对应以下几类定位系统f 1 2 】： ( 1 ) 基于移动台( m o b i l eb a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为移动台自定位系统或前向链路定位系统，采用的是基于移动 台的定位方案。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信 号携带的某种与移动台位置有关的特征信息( 如场强、传播时间、时间差等) 确定 其与各发射机之问的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能( p c f ： p o s i t i o n c a l c u l a t i n g f u n c t i o n ) ，根据有关定位算法计算出移动台的估计位置。 郑州人学顾i ：研究生学位论文 基于移动台的定位系统包括g p s 、基于移动台发送和接收信号的定时或角度 的覆盖三角技术以及来源蜂窝小区( c o o c e l lo f o r i g i n ) 信息。目前，在无线网络 中广泛使用的技术是来源蜂窝小区信息，该方案已用于美国第一阶段e 9 l l 紧急呼叫服务，以及基于位置的服务和一些需要位置信息的服务。 ( 2 ) 基于网络( n e t w o r kb a s e d ) 的定位系统 这类系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统，采用的是基于网络的 定位方案。其定位过程是：由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号， 将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到网络中的移动定位 中心( m l c ：m o b i l el o c a t i o nc e n t e r ) 进行处理，由集成在m l c 中的p c f 计算出移 动台的估计位置。 此类系统需要采用很多定位基站一起来确定移动台的位置。基于网络的定位 系统的优点在于能利用现有的蜂窝系统，只需对网络设各做适当的扩充、修改， 而无需改动现有的移动台即可实现。而且能充分利用现有的网络资源，保护用户 已有的投资，实现相对容易。 。( 3 ) 网络辅助( n e t w o r ka s s i s t e d ) 定位系统 这类系统也属于移动台自定位系统，采用的是基于移动台的定位方案，其定 位过程是：由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发射出的信号，将各接 收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回移动台，再由 集成在移动台中的位置计算功f l ( p c f ) 计算出移动台的估计位置。 ( 4 ) 移动台辅助( m o b i l ea s s i s t e d ) 定位系统 这类系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是由移动台检测网络 中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置 有关的特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络m l c 中的p c f 计算出移 动台的估计位置。 ( 5 ) g p s 辅助定位系统 这类系统采用的是g p s 定位方案，由集成在移动台上的g p s 接收机和网络 中的g p s 辅助设备利用g p s 系统实现对移动台的自定位。然而，在移动台内部 集成g p s 接收机存在体积偏大、能耗过大、g p s 接收机首次定位时间过长和成 本较高等问题。 4 郑州人学顾i 研究生学位论文 显然，对基于移动台的定位方案和g p s 辅助定位方案来说，移动台知道其 自身位置但网络方面并不知道，对基于网络的定位方案来说，网络方面知道移动 台的估计位置但移动台自身并不知道。要使这两种定位系统中没迸行定位估计计 算的一方掌握移动台的位置，还必须利用空中接口在移动台和网络之间建立一条 数据链路，进行有关的数据传递。 对于基于移动台的定位方法，目前主要有：应用于时分多址系统的下行链路 增强观测时问定位方法( e o t d ，e n h a n c e do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) 、应用于 c d m a 系统的下行链路空闲周期观测到达时间差方法o t d o a p d l l j 4 j ( o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v e - i d l e p e r i o dd o w n l i n k ) 、基于g p s 的 混合定位技术g p s o n e 等。其中，下行链路增强观测时间差定位方法( e o t d ) 与 上行链路t d o a 定位法精度相同，但不需要伪切换，对系统容量影响小，通过 提高t d m a 系统基站突发脉冲发射功率可以提高定位覆盖率。应用于c d m a 系 统的0 下d o a i p d l 定位法精度与t d m a 系统的e o t d 定位法相同。由于 0 t d o a i p d l 方法需要不定期短暂完全关闭服务基站发送信号，故会损失一点 系统容量。 对于基于网络的定位方法，目前主要有1 叼：基于c e l l i d 定位和基于时间提 前量t a t i m e a d v a n c e ) 定位的方法、上行链路信号到达时间( t o a ) 定位方法、上 行链路信号到达时问差( t d o a ) 定位方法以及上行链路信号到达角度( a o a ) 定位 方法等。其中，基于c e l l i d 定位方法易于实现，覆盖率高( 整个网络无线覆盖范 围) ，在各种无线环境中均有着良好的鲁棒性，而且对整个通信网络无任何影响， 但是其定位精度与服务区大小成正比，在1 0 0 米以内( 微蜂窝) 或3 - 6 k m 以内( 郊区 宏蜂窝) 。对时间提前量( 1 a ) 的方法，由于使用了g s m 系统的特有参数t a ，在宏 蜂窝时，其在g s m 系统中的定位精度可控制在5 5 0 m 以内，比c e l l i d 定位方法 有较大改进，但受多经、n l o s 、几何精度因子( g d o p ) 等影响大，鲁棒性较差。 此外，与t o a 和a o a 定位技术相比，t d o a 更容易实现。 从上述各定位系统的基本特征可以看出，在现有蜂窝系统中为移动用户提供 定位服务功能，如果采用基于移动台的定位方案或g p s 辅助定位方案，则必须 对现有移动台进行适当修改，增加必要的软硬件设备，如集成g p s 接收机或能 同时接收多个基站信号进行自定位处理的软硬件，还必须通过空中接口将定位信 5 郑州人学硕 一研究生学位论文 息传送回蜂窝网络。因此，这两种方案不适用于在现有蜂窝网络( 如g s m 网络) 中增加l c s 功能；但由于这两种方案的定位精度较高，在w c d m a 及c d m a 2 0 0 0 网络中将得到广泛采用。基于网络的定位方案只需对蜂窝网络设备作适当扩充、 修改，不需要对现有移动台作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的庞大资 源，保护用户已有投资，实现相对容易，并且能达到一定精度，因两这种方案适 用于在现有蜂窝网络，如g s m 网络中增加l c s 功能。 1 s 定位技术和方法 对移动台( m s ) 的定位是通过检测位于己知位置的基站( b s ) 和m s 之间传播 的无线电波信号的特征参数来确定的。根据几个b s 收到的信号对m s 的距离或 者方向( 或者全部) 做出估计。我们可以通过分析接受到的信号的强度、信号的相 位以及到达时间及时问差等属性来确定m s 的距离，通过接收到的信号的到达角 来确定方向。 实现对移动台定位的基本定位方法有三类1 1 7 | 1 8 1 ：( 1 ) 基于电波场强的定位法； ( 2 ) 基于电波到达入射角( a o a ) 的定位法；( 3 ) 基于电波到达时f j ( t o a ) 或到达时间 差( t d o a ) 的定位法。 ( 1 ) 场强f s a ：s i g n a la t t e n u a t i o n ) 定位法 这种方法是通过检测接收信号的场强值、利用已知的信道衰落模型及发射信 号的场强值估算出收发信机之间的距离，通过求解收发信机之问的距离方程组， 即能确定目标移动台位置。在蜂窝网络中只要在移动台对前向链路多个基站发射 信号进行场强测量或在多个基站对反向链路移动台发射信号进行场强测量，再根 据有关定位算法求解测距方程组，就能计算出移动台的估计位冠。 此法适用于已有标准信号强度测量报告的系统。在g s m 中，可以在移动台 处于激活的状态下，直接利用标准测量报告就可满足定位需求，系统升级简单， 而且不用改动现有的移动台。当要求准确度为几米时就不能采用这种技术。 场强测量法相对比较简单，已应用于小区切换，功率控制，但由于受多径衰 落和阴影效应的影响，其定位精度较差。 ( 2 ) 基于电波入射角( a o a ) 的定位法 a o a 方法是通过基站接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角，从而 构成一从接收机到移动台的径向连线，即方位线。利用多个接收机提供的a o a 6 郑州人学硕h 珊究生学位论文 测量值，按其定位算法确定多条方位线的交点，即为待定位移动台的估计位置。 a o a 方法不要求各b s 安装g p s 或原子钟而达到无线网络的同步。但需要 在b s 处架设昂贵的高精度的智能大线阵列。系统设备复杂，而且只能从反向链 路定位。从现有b s 的天线不能实现，但支持现有的m s 。在下一代蜂窝网络系 统中可望采用阵列天线来实现a o a 定位。 ( 3 ) 基于电波到达时间( t o a ) 或到达时问差( t d o a ) 的定位法 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( t o a ) 或时 间差( t d o a ) 来确定目标移动台的位置。对于t o a 方法，收发信机之间的距离可 通过测出的电波传播时间获得，和场强法类似，利用相位测量、脉冲测量或扩频 测距技术等多种技术进行多个t o a 测量，再根据有关算法求解测距方程组，就 能计算出目标移动台的估计位置。对于t d o a 方法，可通过直接计算t o a 差值 等方法得到t d o a 测量值，一个t d o a 测量值对应的是以两个接收机为焦点的 一对双曲线，多个t d o a 测量值对应的多条双曲线的交点即为目标移动台的估 计位置。这两种方法也是目前在各种蜂窝网络中主要研究采用的定位方法。 ( 4 ) 混合定位法 这种方法是利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值，如t o a a o a ， t d o a a o a t d o a t o a ，t d o a t o a a o a 进行定位估计。混合定位可充分利 用已知信息，减少参与基站的数目，并可达到更高的定位精度。 通过对上述定位方法特点的分析比较，可以发现场强定位法比较简单，且在 蜂窝网络中场强测量值已应用于小区切换、功率控制等操作，但由于受多径衰落 和阴影效应的影响，使得其定位精度较差；a o a 定位法虽有一定精度，但要求 接收机具有高精度的智能天线阵列，系统设备复杂，且只能从反向链路定位； t d o a 和t o a 定位法在蜂窝网络中实现相对容易，也能达到较高精度，因此这 两种方法，特别是t d o a 定位法，受到了更多的重视；混合定位法则能吸收不 同定位法的优点，但需提供不同的信号特征测量值。综上所述，目前在蜂窝网络 中受到广泛关注和深入研究的是t d o a ，t o a 定位法及混合定位法。 1 6 定位系统和定位技术的选择 在以上所介绍的定位技术中，场强( s a ：s i g n a la t t e n u a t i o n ) 定位法最简单， 且蜂窝网络中小区切换、功率控制等操作都与场强测量有关，但定位精度较差； 7 郑州人学硕 研究生学位论j a o a 法有一定的定位精度，但要求架设昂贵的阵列天线，增加了接收机的费用； t o a 定位法的定位精度较高，但对时问同步有较高的要求；t d o a 法较之t o a 法，郎保证了一定的定位精度，又消除了对时自j 的依赖，可降低接收机的成本； 不同的混合定位法具有不同的特点及不同的软硬件要求，达到不同的定位精度。 一个最优的定位算法应是以最低的代价( 计算复杂度) 得到最高的定位精度，并且 有良好的可靠性和稳定性。在实际应用中还应根据网络的具体环境进行选择。 在移动通信系统中要实现对移动台的定位，必须选择合适的定位系统类型以 及合适的定位技术，为此需要考虑的因素主要有【1 9 】： ( 1 ) 定位精度：定位精度直接影响到定位服务的质量。但实际上不同的定位 服务要求的定位精度差异很大。如何实现高精度的定位，并将定位业务集中到网 络中，为此人们正在积极研究适用于不同环境下的高精度定位理论方法。但是从 运营商的角度来看，定位服务不一定都要求技术最好和功能最强，而是根据不同 的定位服务选择当前合适的技术，以较小的成本代价获取最大的盈利，在市场上 取得领先的位置。 ( 2 ) 覆盖能力：在移动通信中；在城市中心、郊区和偏远地区，b s 的覆盖范 围是不同的，两有些定位技术需要定位网络的连续覆盖，以完成定位的多点测量。 ( 3 ) 投资成本：选择定位方案时，最好的技术不一定是最好的选择，最合适 的才是最好的选择。提供定位精度高的技术，同时也要求更高的网络的软硬件升 级与之相匹配，这也就增加了投资成本。对于运营商来说，在满足定位精度的前 提下，更愿意选择投资小的技术方案。 ( 4 ) 是否支持现有的移动台：基于移动台的定位技术需要对现有的移动台进 行更换。更换移动台对于用户而言，可能会因为无力承受而放弃或延迟选择定位 服务业务，而对于运营商而言，必须及时批量生产出与之定位技术配套的移动台 以满足市场的需要。由于基于移动台的定位系统需要对移动台进行改造，增加了 网络的成本和复杂度，所以移动用户及设备生产商和运营商都希望能直接由网络 实现定位。 郑州人学预l 研究生学位论文 第二章基于t d o a 的基本定位算法分析及比较 在几种基于蜂窝网络的移动台定位技术中，和其他定位技术相比，t d o a 定 位技术以其定位精度高、算法计算复杂性低、易于实现等诸多优点而受到更多地 重视1 2 1 1 。在3 g p p 为全球陆地无线接入网( u t r a n ) 选择的基本定位技术中，无论 是为g s m 网络选择的e o t d 定位法【捌，还是为w c d m a 网络选择的 o t d o a - i p d l 定位法1 2 ，都要采用t d o a 技术。现有多种t d o a 定位算法，这 些算法多数是基于声纳等无源定位系统的定位问题提出的，如果要应用于蜂窝网 络环境中对m s 的定位估计，其性能还需进行仿真检验。因此，本章将基于蜂窝 网络典型信道环境对几种主要的t d o a 定位算法进行分析与比较。 2 1 定位问题的最小二乘表示 在各种无线定位系统中，对m s 进行定位估计采用最广泛的算法是最小二乘 ( l s ) 算法。这种算法可应用于采用各种特征测量值进行定位估计的系统，算法描 述如下。 假定在一个无线定位系统中，共测量了m 个m s 的特征测量值，根据特征 测量值建立的残差方程为f a x ) ，当没有任何有关特征测量值误差的先验信息时， 可利用使残差误差平方和最小的最小二乘算法实现对m s 的位置估计，即 m j = a r g m i n z 2 ( x ) ( 2 1 ) i = l 如果各特征测量值误差的先验信息为已知，可根据该信息位置一个加权因子 口，对残差加权【2 可，加权最小二乘( w l s ) 估计器为 m j = a r g m i n 口，2 正2 ( x ) 扭i ( 2 ，2 ) 由于f a x ) 通常为一非线性函数，以上最小二乘问题的求解可以看成为一非 线性最优化问题。可通过求解最优化问题的梯度法、单形调优法、高斯牛顿法等 递归算法进行求解1 2 8 】假定m s 的位置坐标为( x ，y ) ，各b s 的位置坐标为( x i ，y ) ， 对于场强法和t o a 法这两种可将测量值转换为m s 与b s 测量距离的定位法， 残差函数 z ( 力= d i 一( 一一曲24 - ( 只一y ) 2 ( 2 3 ) 9 郑州大学硕。l ：研究生学位论文 其中d i 为m s 和第i 个b s 的测量距离。对于t d o a 定位法，假定服务b s 位置坐标为( ) 【o y o ) ，各t d o a 是以服务b s 为参考测得，则残差函数 z ( x ) = d 扩( 瓜j 矿面矿一瓜i 矿丽矛) ( 2 4 ) 其中d i o 为第i 个t d o a 转化的测量距离差。对于a o a 定位法 z ( 曲= 只一鹕t 锄生丑 ( 2 5 ) x j j 其中谚为第i 个b s 的a o a 测量值。对于m s 的二维定位估计，当距离测量 值数目为3 ，t d o a 或a o a 测量值数目为2 时，可采用文献【2 3 1 的几何方法直 接求解特征方程。如果根据某种特征测量值建立的方程组可表示为以下形式的线 性方程组 y = a x ( 2 6 ) 其中，y 是已知的m l 维向量，x 是2 x i 维未知向量【x ，y 】7 ，a 是m x 2 矩 阵。如果a a 是非奇异矩阵且m 2 ，则( 2 6 ) 为方程数大于未知数目的超定方 程组，采用l s 算法获得的m s 估计位置 x = ( 彳7 彳) 一1 a 7 y ( 2 7 ) 特殊地，如果m = 2 且a 是非奇异的，则m s 的估计位置简化为 x = a - 1 y( 2 8 ) 按梯度法等递归算法求解式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 时，需要一个m s 的初始位置，算法 的收敛速度也较慢，并且可能收敛在局部最优，而非全局最优【2 3 】；当m s 太靠近 b s 或靠近以各b s 为顶点的多边形圆周时则面临较严重的收敛问题，对于不收 敛的情况也不能事先判断。因此，对于t d o a 定位法，基于t d o a 双曲线方程 组的特殊性的研究，提出了多种t d o a 定位算法。在文献【2 9 】中，r s c h r n i d t 还 对t d o a 双曲线定位做出了新的几何解释。采用t d o a 技术对m s 进行准确定 位的前提是必须得到精确的t d o a 测量值。目前，获得t d o a 测量值一般有两 种方法，一种是通过直接计算两个基站测得的信号到达时间( t o a ) 的差值，另 神是采用广义互相关( g c c ) 技术，通过对两个接收信号进行互相关运算得到两信 号的t d o a 。 在蜂窝网络中一旦取得了多个t d o a 测量值，就可构成一组双曲线方程组， 1 0 郑州大学顾上研究生学位论文 求解该方程组就能得到m s 的估计位置。由于该方程组通常为非线性超定方程 组，求解并不容易。除可采用最优化问题的求解方法进行求解外，目前已出现了 多种算法可直接求解由t d o a 测量值构成的非线性方程组，这些算法的计算复 杂性和定位性能各不相同。我们将对各种主要t d o a 定位算法的特点进行分析 研究。 2 2t d o a 双曲线方程组的数学模型 我们主要讨论由m 个基站对m s 进行二维定位估计的问题。假定所有t d o a 都是参照于服务基站( 基站1 ) 发射的信号，因此下面各式中i l ，2 m 。设( x ，” 为m s 的待估计位簧，( x i ，y i ) 为第i 个基站发射机的己知位置，则m s 和第i 个 基站发射机之间的距离 r ：拓乒再i 再f = 缸万f 瓦i 习丽而 ( 2 9 ) 参照于基站1 的距离差 r i j ：c t j = 置一r ，= 托乒虿百f 矛一面i 虿i 两f ( 2 1 0 ) 其中c 为电波传播速度，r 。为t d o a 测量值。求解该线性方程组主要有两 类方法，一类是采用递归的泰勒序列展开法f 3 0 l ，首先将方程组线性化，再采用递 归方法进行求解；另一类是各种非递归、具有表达式解( c l o s e df o r ms o l u t i o n ) 的直 接求解算法，这类算法通常需要将t d o a 方程组进行线性化处理【3 l 】【3 2 l 。线性化 过程可按以下方式进行，由于 r ? = ( 胄+ 鼻1 ) 2 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) n - 以展开表示为 r u 2 + 2 墨i 置+ r i 2 = 彳+ 1 2 2 置工一2 i ，+ 工2 + y 2 ( 2 1 2 ) 减去i = l 时的式( 2 9 ) 可得 r “2 + 2 足1 置= z 7 + 耳2 2 置j x - 2 y i 1 y x 1 2 一五2 ( 2 1 3 ) 式中x = x ，- x 。，。= i x 该方程组便不难处理了。在本文中我们假定服务 b s 的二维坐标为( o ，o ) ，再令k 。= 霹+ 墨2 ，则( 2 1 3 ) 式可简化为 置l + 2 碍1 焉= 墨一2 x ：一2 y s y 1 2 1 4 ) 郑州人学硕l 二研究生学位论文 该方程组对于m s 位置坐标( x ，y ) 和r i 是线性的，可采用以下多种方法进行处理。 2 3 泰勒序列展开法 泰勒序列展开法是一种需要一个m s 初始估计位置的递归算法，在每次递 归中通过求解t d o a 测量误差的局部最小二乘( l s ) 解来改进对m s 的估计位置。 对于一组t d o a 测量值，该算法中首先将式( 2 1 0 ) 在选定的m s 初始位置( x 。，y o ) 进行泰勒展开，去除二阶以上分量，式( 2 i o ) 转化为 l f ，= h 1 61 6q 1 5 ) 其中 g - = 艿= 期 盔= 见一( 月2 一蜀) r 3 i 一( 玛一r i ) r f 1 一( r 一只1 ) 【( x i x o ) l r 。卜f ( 。v 2 一x o ) l 垦】 【( x 。一j f o ) ，蜀卜【( 盖j z 。) ，叠】 ( x i x o ) t r l 卜【( 。v 一x o ) l r 2 】 其中r i ，i = 2 ，3 - - , m 为初始位置( 】【0 ，y o ) 与各基站之间的距离。( 2 i s ) 式的加权最小 二乘( w l s ) 解为 万= 薯 = c q 7 q 。g 。，1 g ，r q - i 。g ，6 ， q 为t d o a 测量值的协方差矩阵，r i ，0 = 2 ，3 ，m ) 可由式( 3 9 ) 令x = x 0 , y = y 0 计 算出。在下一次递归中令 x o = x o + a x , y