毕业设计（论文）基于GSM网络的定位系统的实现与研究

1、毕业设计（论文）专 业 无线电技术 班 次 姓 名 指导老师 成都工业学院二0一四年基于gsm网络的定位系统的实现与研究摘要：自20世纪90年代以来,电子信息技术越来越多地渗入人类生活的各个方面, 尤其是随着gsm蜂窝移动通信技术在中国特别是东南沿海地区的迅速普及,这为一些基于gsm网络的功能开发提供了很大的发展空间。同时gps全球卫星定位系统的民用化进程日益加快,特别是2001年5月1日,国外宣布从午夜开始停止sa(sel ective availabil ity)政策,即停止人为降低全球定位系统信号有效性的技术政策,民用定位精度可比以前提高10倍以上,这为gps的广泛应用开拓了更广阔的前景

2、。如何将这两种看似不相关的成熟技术结合起来,以解决gps在应用中手持机中的定位数据只能留在自己手中,通过利用现代非常先进的gsm网络进行传输,让定位信息既能在手持和系统中主动显示或传输,又能被有权访问者随时随地访问,以达到移动目标的定位信息无论远近都可看、可访、可存、可查的目的,这将在很大程度上扩大它的应用领域。本文主要针对基于gsm网络的定位系统进行了简单的理论分析,设计出实用可行的系统方案,建立了具体实施模型,描述了实现流程。关键词 gsm网络；定位技术 目 录第1章 绪论1第2章 gsm通信系统简介32.1 gsm通信系统的发展史32.2 gsm的系统功能52.3 gsm网络系统构成5第

3、3章 无线网络定位技术简介83.1 定位基本概念83.2 定位性能指标83.3 定位技术分类93.3.1 三角/双曲线关系93.3.2 基于距离测量的定位技术93.3.3 基于角度测量的定位技术103.3.4 基于场景（信号指纹）分析的定位技术103.3.5 基于临近关系的定位技术103.4 定位策略113.5 无线网络定位技术113.5.1 蜂窝网络定位技术113.5.2 cell id定位技术143.5.3 utoa/utdoa定位技术153.5.4 e-otd定位技术153.5.5 智能天线aoa定位技术163.5.6 toa/tdoa定位技术163.5.7 aflt定位技术163.5.

4、8 wa-gps定位技术173.6 主流定位技术小结173.7 结合无线传播模型的融合定位17第4章 gsm网络的定位技术194.1 gsm移动定位技术194.2 系统原理和方案214.2.1 基于网络参数的定位技术214.2.2 系统方案224.2.3 算法总体框架244.2.4 数据预处理254.2.5 计算候选点与约束点26结 语30参考文献31第1章 绪论1.1 研究背景 目前国内移动网络覆盖了绝大多数地区，手机用户已经超过3亿，很多情况下，紧急救助是通过手机发出的。由于普通的手机还没有定位功能，如果求助方本身不能说出其所在的具体位置，将会耽误救援工作。方便快捷地向移动目标提供与目标所

5、处位置相关的信息，具有巨大的市场价值。随着社会的快速发展，城市交通、公安指挥、物流网络等系统的规模越来越大，其综合性和复杂程度也越来越高，对系统资源进行高效、快捷、方便的调度，是达到高效经营和有效管理的必需手段。定位系统的综合指标主要体现在系统功能、系统投入成本以及运行费用这三个方面。gps定位系统的特点是：系统功能强大，定位精度高，但由于系统的投入大，故其应用难以大面积推广。如果将gps功能集成到移动平台上，则需全面更改设备和网络，增加成本；且用户同时持有移动电话和gps手机很不方便。所以直接通过移动台实现定位，具有很大的开发价值，移动通信的迅猛发展，也为实现系统功能和系统成本之间的平衡提供

6、了很好的技术支持。 为了满足对通信通信个人化及高速数据业务的迫切需要，第三代移动通信通信系统的标准（imt-2000）制定和产品开发已成为全世界通信领域的热点，实现移动终端的无线定位则是imt-2000中一个重要研究课题。 根据美国联邦通信委员会（fcc）的计划，到2001年10月，所有蜂窝电话、个人通信系统、专用移动无线电的移动网络许可运营商将以可定位概率67%，误差为125m的精度要求为请求e-911的移动用户提供位置信息1。 利用第三代移动通信系统将进一步提高定位精度。目前蜂窝网无线定位技术就算法来说已经较为完善，目前的研究热点主要集中在以下几个方面： （1）基于3gpp协议的定位结构的

7、设计。在第三代移动通信系统网络全面铺开后，基于3gpp协议，采用何种网络结构进行定位既能保证定位精度，又能尽可能少的改动网络结构的研究成为热点。 （2）定位参数的提取。由于受多径传播、非视距传播和多址干扰的影响，使得精确的定位参数提取比较困难。 目前已提出的多种算法对以上3种误差进行抑制，但在建筑物较多的繁华市区定位精度仍不理想。 （3）对移动台跟踪服务研究。当移动台处于移动状态时，分次单独定位容易出现各次定位计算结构相差较大，运动轨迹不连续。因此对移动台跟踪定位的研究显得非常迫切。1.2 国内外研究现状 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

8、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，近年来，随着蜂窝移动系统的普及，定位技术开始应用于蜂窝系统设计、切换、服务区确定、交通监控等方面。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。国外对于无线定位在移动通信中的应用也有所要求，例如，美国联邦通信委员会（fcc）强制要求所有无线业务提供商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作。全球

9、三大通信厂商:爱立信、摩托罗拉和诺基亚于2000年10月成立了“位置信息互操作论坛lif（location interoperability forum）”，其目标是在全球范围内的无线网络和终端上提供基于位置的服务lbs(location based service)。欧洲电信标准化协会etsi对gsm系统的无线定位也提出了一系列标准。gps已经成为室内环境中一项非常成功的定位技术，而现今gps与无线网络融合起来形成的lbs热，使得移动定位服务产业作为最具有潜力的移动增值业务而迅速发展。无线定位系统的功能性体系结构必须具备两个功能单元： 1)移动台(ms、也称定位节点)的位置估计。 2)和网络

10、共享某些属性的此位置估计信息。定位系统测量来自移动终端的无线电波的有关参数，同时系统测量某些固定接收器或者某些固定发送器发送到移动接收器的无线电波参数。因此有两种办法可以获得对ms的实际位置信息的估计：自我定位系统，即常被称为基于移动终端为中心的定位系统，ms通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置(例如gps接收器)。远距离定位系统，即常被叫做基于网络的定位系统，它采用很多地理定位基站(gbs)一起来确定ms位置，可以通过分析接收信号的强度、信号相位以及到达时间等属性来确定ms的距离，至于ms的方向则可以通过接收信号的到达角来获得，最终系统根据每个接收器测量到的移动终

11、端的距离或者方向来联合计算移动终端的位置。1.3 研究目标与内容 研究目标是实现基于gsm网络的定位系统。 研究内容包括gsm网络的相关技术简介，无线网络定位技术简介，以及基于gsm网络实现定位系统的原理和方法。第2章 gsm通信系统简介2.1 gsm通信系统的发展史从20世纪20年代开始移动通信技术得到了发展，20世纪40年代进入了建设公用移动通信系统的阶段。随着移动通信的无线传输、信道管理及移动交换等技术的发展成熟，无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等移动通信系统相继发展起来。自20世纪80年代中期以来，蜂窝移动通信从第一代的模拟蜂窝移动通信系统发展成第二代的数字蜂窝移动通

12、信系统。作为欧洲一个数字蜂窝移动通信标准的gsm系统于1991年正式在欧洲面世，由于其公开的规范标准和诸多优点，很快就在全世界范围内的到了广泛的应用，实现了世界范围内移动用户的联网漫游。截止2001年一季度我国移动用户总数已达到1亿户（移动通信发展史如图2-1所示）。gsm全名为global system for mobile communications，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准 。gsm系列主要有gsm900、dcs1800和pcs1900三部分，三者之间的主要区别是工作频段的差异。蜂窝移动

13、通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：各系统间没有公共接口；很难开展数据承载业务；频谱利用率低无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是在欧洲系统间没有公共接口，相互之间不能漫游，对客户造成很大的不便。 gsm数字移动通信系统源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的nmt(北欧移动电话)和英国的tacs(全接入通信系统)，西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲

14、统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年，北欧国家向cept(欧洲邮电行政大会)提交了一份建议书，要求制定900mhz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会(etsi)技术委员会下的“移动特别小组(group special mobile)”，简称“gsm”，来制定有关的标准和建议书。 我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个gsm演示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用gsm系统，使得gsm系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大得一种数字蜂窝系统。截至2002年11月，中国手机用户2亿，比2001年年底新增5509

15、.2万。目前我国主要的两大gsm系统为gsm900及gsm1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是双频手机，可以自由在这两个频段间切换。欧洲国家普遍采用的系统除gsm900和gsm1800另外加入了gsm1900，手机为三频手机。在我国随着手机市场的进一步发展，现也已出现了三频手机，即可在gsm900gsm1800gsm1900三种频段内自由切换的手机，真正做到了一部手机可以畅游全世界。 早期来看，gsm900发展的时间较早，使用的较多，反之gsm1800发展的时间较晚。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，而手机发射功率较

16、强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。 紧急呼叫是gsm系统特有的一种话音业务功能。即使在gsm手机设置了限制呼出和没有插入用户识别卡（sim）的情况下，只要在gsm网覆盖的区域内，用户仅需按一个键，便可将预先设定的特殊号码（如110、119、120等）发至相应的单位（警察局、消防队、急救中心等）。这一简化的拨号方式是为在紧急时刻来不及进行复杂操作而专门设计的。ampstacsnmt其它gsmcdma is95tdmais-136pdc第一代 80年代模拟第二代 90年代数字第三代 imt-2000u

17、mtswcdmacdma2000需求驱动需求驱动模拟技术数字技术语音业务宽带业务td-scdma图2-1 移动通信发展史2.2 gsm的系统功能gsm是一种提供话音、数据、补充业务等多种服务的系统。话音业务是gsm系统提供的基本业务，允许用户在世界范围内任何地点能同固定电话用户、移动电话用户以及专用网用户进行双向通话联系。从电话中派生出的另一项业务是语音信箱，声音信息被存储，以备收方提取，在呼叫不能接通时，用户可将声音信息存入gsm的语音信箱；或者用户直接接入语音信箱。 数据业务提供了固定用户和isdn用户所能享用的大部分业务，包括文字、图象、传真、计算机文件、访问internet等服务。补充

18、业务如来电显示、呼叫追踪、短消息业务等。gsm通信系统可以与各种公用通信网互连互通，尤其与isdn的兼容性，可提供更多的业务，各种接口规范明确，网络适合未来数字化发展的要求。gsm组网结构灵活方便，能更有效地使用无线频率，抗干扰性强，通信质量高，能提供相当好的话音质量。采用了鉴权、语音加密等技术使用户信息安全性得到保证。在采用gsm系统的所有国家范围内，可提供穿越国界的自动漫游功能。用户终端更小、更轻便、功能更强。2.3 gsm网络系统构成（1）系统组成蜂窝移动通信系统主要由交换网路子系统（nss）、无线基站子系统（bss）和移动台（ms）三大部分组成，如图2-3所示。其中nss和bss之间的

19、接口为“a”接口，bss与ms之间的接口为”um“接口。图2-2 蜂窝移动通信系统的组成gsm网络系统主要有以下几个方面构成： 1）移动台（ms）：包括手持机和传统的车载台，它们通过无线电波与基地站系统（bss）通信。 2）基地站系统（bss）包括基地收发站（bts）和基地站控制器（bsc）。通常几个bts处在同一地点，形成2-4个扇形小区，共用一套发射天线。bsc通过微波链路与bts连接，bsc和bts之间的接口称之为a-bis接口，通常，1个bsc可以控制20-30个bts。一群bss将向移动交换中心（msc）报告，由msc控制不同小区的业务运营。每个msc都有1个vlr（访问位置寄存器）

20、，所有远离自己所属小区的手机都被登录到vlr中，以便网络知道到哪儿去找它们。msc同时连接着归属位置寄存器（hlr）、身份鉴定中心（auc）和设备号识别寄存器（eir），这样系统就可以知道是否是合法的用户和手机，避免了被盗用的手机和故障的手机进入了网络中。 3）其它设备：比如操作维护中心（omc）、网管中心（nmc），msc同时也和其它的网络接口，如陆地移动通信专网（plmn）、公共电话交换网（pstn）和综合业务数字网（isdn）。 注意：bts、bsc、msc、和公共网之间是通过实线相连接的（电缆、光纤链路或微波链路），只有基站和手机之间的接口是空间接口。gsm系统框图如图2-3所示，a接

21、口往右是nss系统，它包括有移动业务交换中心（msc）、拜访位置寄存器（vlr）、归属位置寄存器（hlr）、鉴权中心（auc）和移动设备识别寄存器（eir），a接口往左是bss系统，它包括有基站控制器（bsc）和基站收发信台（bts）。um接口往左是移动台部分（ms），其中包括移动终端（ms）和客户识别卡（sim）。图2-3 gsm系统框图（2） gsm基本网络系统gsm基本网络系统如下图2-4所示:图2-4 gsm基本网络系统（3）gsm信令网结构gsm网络的信令结构如图2-5所示：图2-5 gsm网信令结构第3章 无线网络定位技术简介 无线定位服务是从美国开始启动和发展起来的。1996年，

22、美国联邦通信委员会(fcc)强制要求所有无线业务提供商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求到2010年10月，67%的呼叫定位精度达到125m。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各具特色的商用定位服务。随着无线系统的发展和移动用户的不断增加，对定位业务的需求也与日俱增，例如公共安全、紧急救援服务、基于位置的计费、资产管理、欺诈检测和路由向导等业务，而不同的定位业务对定位精度的要求不相同，相应地，所需的定位技术也不同，例如基于位置的计费，要求的定位精度不高，使用cell-id定位技术即可实现；而路由向导要

23、求比较高的定位精度，只能使用gps(global position system)定位技术和混合定位技术才能实现。这些需求大大推动了定位技术的发展，经过多年对无线定位的研究，现已开发出了多种定位技术，并在此基础上，各种各样的定位业务和应用也蓬勃发展起来。3.1 定位基本概念移动定位涉及移动无线通信、数学、地理信息和计算机科学等多个学科的知识，某些有关移动定位的基本概念比较容易混淆，因此有必要首先澄清一些基概念。定位系统提供的位置信息可以分为两类：物理意义上的位置信息和抽象意义上的位置信息。所谓物理意义上的位置信息，就是指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数据。例如，gps可以测得一幢建筑物

24、位于北纬35，东经104，海拔50米处。相对而言，抽象的位置信息可以表达为：这栋建筑物位于公园的树林中或校园的主教学楼附近等。从应用程序的角度讲，不同的应用程序需要的位置信息抽象层次也不尽相同有些只需要物理位置信息；而有些则需要抽象意义上的位置信息，单纯的物理位置信息对它们来说是透明的，或是没有意义的。当然，物理位置信息可以在附加信息库的帮助下，转换并映射为抽象层次的位置信息。3.2 定位性能指标 定位精度和定位准确度是两个紧密联系的概念，它们之间的关系类似于数学区间和置信水平之间的关系。严格说来，如果孤立的指出某个定位系统的定位精度或定位准确度，都是没有意义的。典型的正确描述应该是：a定位系

25、统可以在95%的概率（置信水平）下达到10m的定位精度。其中，“95%”描述的是定位准确度。定位精度越高，相应的定位准确度就越低，反之亦然。通过增加定位设备的密度或综合使用多种不同的定位技术，可以同时提高定位系统的精度和准确度。一般说来，室内应用所需定位精度要比室外应用高。3.3 定位技术分类 无线定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。定位精度取决于测量的方法。从定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。目前阶段

26、，cdma系统主流的定位技术包括cell-id, toa/tdoa(time deference of arrival)，aflt(advanced forward link trilateration)，wa-gps(wireless assisted global position system)定位技术以及融合定位技术。3.3.1 三角/双曲线关系 这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角或双曲线关系的定位技术可以细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。3.3.2 基于距离测量的

27、定位技术这种定位技术先要测量已知位置的参考点（a,b,c三点）与被测物体之间1,r2,r3)，然后利用三角知识计算被测物体的位置。具体说来，距离测量的法有三种：(1)直接测量 这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。例如，机器人移动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。(2)传播时间 在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。这种测量方法需要注意的问题有如下几个：(a)无线电波（在非视距nlos环境中）的传播特性。一般的解决方法是增加测量次数，求出统计意义上的测量值。(b)时钟精度。(c)时钟同步。参与同一个

28、定位过程的参考点之间必须保证时钟的同。(3)无线电波能量衰减 已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射端距离接收端之间的距离。例如，在理想传播环境下，无线电波的衰减与1/r2成正比（r为传播距离）。 实际上，无线电波在空间传播时能量的衰减受多种因素影响，相比传播时间测量方法没有优势。3.3.3 基于角度测量的定位技术 基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似。两者主同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么则需要测量两个角度和一个距离。同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么则需

29、要测量三个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列等。3.3.4 基于场景（信号指纹）分析的定位技术 这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。microsoft的radar无线局域网定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。3

30、.3.5 基于临近关系的定位技术 基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的cell id。假设待定位物体分别位于三个cell中。由于各个cell中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在cell可以粗略确定其位置（即cell中参考点的位置）。除了cell id以外，其他的例子还有xerox paretab system、carnegie mellon andrew、active badge等。3.4 定位策略 从定位策略的角度来

31、看，定位技术/系统可以分为基于移动终端的定位和基于与定位两种。基于移动终端的定位是指定位计算由移动终端自主完成，移动终 能够自行确定自身当前的位置。基于网络的定位主要由网络系统收集待定位移动终端的信息并计算移动终端的当前位置。如果再对以上两种定位策略进行细分，前一种定位策略又可以分为基于移动终端的定位和网络辅助定位两种；而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位和移动终端辅助定位两种。3.5 无线网络定位技术 不同的无线移动网络对定位有着不同的业务需求和定义，不同的网络拓扑物理和mac层设计对定位技术也提出了不同的挑战。按照不同的网络拓扑形式，定位系统可以分为蜂窝网络、wlan和无线传感器网络辅

32、助的定位系统。3.5.1 蜂窝网络定位技术目前，实现蜂窝无线定位主要有三大类解决方案：1） 基于网络的定位技术，如基于cellid和时间提前量（ta）的方法、上行链路信号到达时间（toa）方法、上行链路信号到达时间差（tdoa）方法以及上行链路信号到达角度（aoa）方法，这些解决方案需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移动终端。 1、抵达时间toa（time of arrival）定位技术 它是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元（3个或更多基站）的时间来定位。移动台位于基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行计算，移动台的二维位置坐标可由3个圆的焦

33、点确定。但是，与下面要介绍的增强型观测时间差定位技术e-otd不同的是，它没有使用位置测量单元，因此，必须通过与在基站上安装了全球卫星定位系统（gps）或原子钟的无线网络之间的同步来实现。 2、角度到达aoa（arrival of angle）定位技术该技术根据信号到达的角度，确定移动台相对于基站的角度关系，只要测量一个移动台距两个基站的信号到达角度，就可以确定出移动台的的位置。信号到达角度测量需要定向天线，虽然理论上这种测量在基站和移动台都可以进行，但为了保证轻便性，并不适宜在移动终端上使用。角度到达定位技术是基于网络的定位方案，优点是可以在语音信道上工作，不需要高精度的定时。但确定是需要复

34、杂的天线，易出现定位忙点，实施成本较高。 3、抵达时间差异tdoa（time difference of arrival)定位技术 该定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台位置的，降低了对时间的同步要求。移动台定位以两个基站为焦点的双曲线方程上。确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线即为移动台的二维位置坐标。由于这种定位技术不要求移动台和基站之间的同步。因此在误差环境下性能相对优越，在蜂窝通信系统的定位技术中备受关注。它也是基于网络的定位方案，优点是精度较高，实现容易。确定是为了保证定时精度，需要改造基站设备。 4、增强型观测时间差

35、e-otd定位技术。该技术的实现原理是：手机对服务小区基站和周围几个基站进行测量，算出测量数据之间的时间差，并用此计算用户相对于基站的位置。增强型观测时间差定位技术是基于网络的定位方案，是目前使用最多的技术，也是欧洲电信标准化组织（etse）建议使用的主要技术。 2）基于移动台的定位方法。用于gsm中的下行链路增强观测时差定位方法（e-otd）、用于wcdma下行链路空闲周期观测到达时间差方法（otdoa-ipdl）等； 3）以gps、glonass、galileo、beidou、qzss等为代表的卫星定位系统，移动台和网络侧集成了卫星定位的辅助设备。从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易提

36、供较为精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需求，这将对移动台体积、功耗、成本带来影响。 各类定位方法已经在不同蜂窝网络中被标准化。3gpp对于gsm网络选择了基于cellid和时间提前量、上行toa、e-otd、辅助gps(agps)等方案，而为wcdma网络选择了基于cellid、otdoa-ipdl、agps等方法。gs网络中与定位相关的标准包括3gppts09.02和3gppts03.71，3g网络中还有3gppts25.331系列规范对位置服务系统的架构和相关定位流程进行了规定。下面重点介绍几种主要蜂窝网络定位方法和其性能的比较，见表格3-1。表格3-

37、1 蜂窝网络定位技术小结定位技术精度水平（m）冷启速度（s）适用网络环境备 注cellid100-30001-3不限精度受制于扇区大小，鲁棒性较差cell id+ta5501-5gsm/gprs精度较cell id有所改进，但需要添加lmu(/3bts)，建设成本高cell id+rtt20-60umts(wcdma,td-scdma)精度较cell id有较大改进，但需要添加lmu(/3bts)，建设成本高utdoa50-1505-10gsm/wcdma/td-scdmagsm/td-scdma需增加lmu，lmu与smlc之间接口私有e-otd50-3005-10gsm需添加lmu(/3b

38、ts)，建设成本高aoa50-5001-5不限msc支持lg接口，定向天线支持aoa测量，受环境影响较大，用于配合其他方法 指纹(nmr、模 式匹配)50-3005-10不限控制平面需支持lupc接口，需要大量离线训练数据,或使用路径模型计算距离智能天线逊于agps优于传统三角定位5-10不限网络侧需mimo支持,只需单个基站，t(d)oa/aoa测量，或统计学习多径信号参数与用户位置间关系数据融合优于传统测时、测角定位5-10测量数据(toa/tdoa/aoa）或系统级(gps+cdma）融合需结合多种定位技术和设备，以提供t(d)oa/aoa等测量支持agps信号好：5-2005-20不限

39、开阔区域定位精度/准确度最高，室内、密集地区定位情况较差3.5.2 cell id定位技术 cell id技术是蜂窝网络中最简单的一种定位方法，它主要通过寻呼、定位区域更新、小区更新等事件来确定目标移动台的主要服务蜂窝小区id号2，从而确定用户的位置，因此它的定位精度取决于蜂窝小区的半径，一般其精度在100m2km不等。由于其对终端定位的结果是终端服务小区基站的位置，所以定位精度随扇区大小而变化，特点是速度快，应用简单，精度较差，通常与其他定位结合使用，统称为基于cell id的定位技术。这类定位技术是cell id技术的补充和改进,已经在许多国家(包括我国)的移动网络中采用。在美国，它已经开

40、始为第一阶段的“e911”紧急服务提供支持。另外，它也开始为一些精度要求不高的定位业务提供服务。在移动蜂窝通信网络中，每个蜂窝小区都有一个惟一的，利用移动终端所在cell对应的cell id就可以粗略确定移动终端的位置。cell-id+rtt是在cell-id定位技术的基础上的改进技术, 增加了时间量的计算处理，其时间精度最多只能控制到100287s，改善的效果并不明显。因此cell-id定位技术一般作为辅助的定位方式,为精确定位提供辅助资讯。此类技术其优点在于无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的移动用户提供自动定位业务。但是，cell-id与其他技术相比，其精度却是最低的,当需要精度较高

41、的紧急定位服务时，cell-id就无法满足要求了。 nmr（network measurement report）也称e-cgi（enhanced cell global identification），从本质讲是一种具有自主和指纹定位两种模式的技术。这种技术是对cellid以及cellid+ ta/rtt的增强。nmr指纹定位离线学习阶段，终端在确定位置的样本点处对各相邻小区的信号强度进行采集和记录，并将样本点处服务小区cell id、各相邻小区信号强度和对应精确位置归档；进入在线定位阶段，终端实时测量和收集相邻小区的nmr数据并上报网络侧数据库，查询与所检测信号强度最为接近的样本点的位置，

42、作为最终定位结果，如图3-1所示。图 3-1 nmr邻小区测量定位原理3.5.3 utoa/utdoa定位技术上行链路到达时间(utoa)定位方法是由基站测量移动终端信号到达的时间。该方法要求至少有三个基站参与测量，每个基站增加一个位置测量单元lmu，lmu测量终端发出的接入突发脉冲或常规突发脉冲的到达时刻。lmu可以和bts结合在一起，也可分开放置。由于每个bts的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移动终端的位置。tdoa测量的是移动终端发射的信号到达不同bts的传输时间差，而不是单纯的传输时间。utoa定位需要终端和参与定位的lmu之间精确同步，而tdoa通常只需参与定位的bts间

43、同步即可。另外，这两种定位还要求在所有基站上安装lmu，因此成本较高。3.5.4 e-otd定位技术 增强型观察时间差(enhanced observed time difference, e-otd)只能用于gsm/gprs网络，使用这种技术需要在网络中的多个基站上放置位置测量单元（location measuremnet unit,lmu）作为参考点。如图表3所示。每个参考点都有一个精确的定时源。e-otd的运作方式是以移动终端测量来自至少3个lmu的信号，根据各lmu到达移动终端的时间差值所产生的交叉双曲线可以计算出移动台的位置，如图3-2所示。图 3-2 e-otd系统原理 e-otd

44、方案可以提供比cellid高得多的定位精度在50米到125米之间。但是它的定位响应速度较慢，往往需要约5秒的时间。另外，它需要对移动终端软件进行更新，这意味着现存的移动用户无法通过该技术获得基于位置的服务。3.5.5 智能天线aoa定位技术基站通过阵列天线测出移动台到达无线电波信号的入射角，从而构成基站到移动台的径向连线，两条连线的交点即为待定位移动台的位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。这种信号到达角(angle of arrival, aoa)定位方法需要在每个小区基站处放置412组天线阵列，这些天线一起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。aoa通常用来确定

45、一个二维位置。移动终端发，bts1收，测量可得一条bts1到移动终端的连线；移动终端发，bts2收，测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。bts1和bts2坐标位置已知，以正北为参考方向，顺时针为0360度，逆时针为-0-360度，由此可获得以移动终端、bts1和bts2为三点的三角关系。aoa方法在障碍物较少的地区可以获得较高的定位精度，但在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大。移动台距离基站较远时，定位角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。另外，aoa技术必需使用智能方向天线。3.5.6 toa/tdoa定位技术 toa/tdoa都是基于反向链路的定位方法，通过测量

46、移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动用户的位置。只需三个以上的基站接收到移动台的信号，就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。toa与tdoa不同在于tdoa方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差。在cdma系统中采用此类技术其优点在于定位精度较高，且无需对终端升级，但需要在网络测增加新的位置测量元lmu(location measurementunit).3.5.7 aflt定位技术 aflt定位技术是一种基于前向链路的定位方法，在定位操作时，手机同时监听多个基站(至少三个基站)的导频信息，利用码片时延来确定手机到附近基站的距离，最后用

47、三角定位法算出用户的位置。aflt技术优点在于无需增加lmu、定位精度较高、定位快，但需要在网络中增加新的实体，利用导频信息算出移动台的的位置，这些实体包括pde(positiondeltermining entity)和mpc(mobile positioningcenter)，同时移动台需要软件升级。3.5.8 wa-gps定位技术 wa-gps技术融合了gps高精度定位与蜂窝网高度密集覆盖的特性，既保证了在城市范围内蜂窝定位的精度，也扩大了gps的覆盖范围，wa-gps可以通过蜂窝网络的空中接口使终端获得卫星的有效参数。另外，wa-gps的响应时间明显快于传统的gps。wagps技术其优

48、点在于定位精度高，其缺点是成本太高，且需终端支持。3.6 主流定位技术小结 分析上述方法，我们不难发现，定位技术大范围应用的瓶颈在于方案实施的方便性、成本以及定位精度。cell-id定位技术方案能帮助运营商在现有网络中以最小的投入开展定位服务并能达到100的用户覆盖率，这在所有的定位技术中是独一无二的。从实际应用情况上看，该技术在国内外都得到了最为广泛的应用，例如国内许多运营商，包括移动、联通、电信所开展的小区短信业务，就是基于cell-id定位技术实现的。但受其定位精度的限制，所以就目前应用而言大多为基于位置的广告信息服务以及公共信息服务等，对于许多对定位精度要求更高的业务，如110、119

49、等无线报警紧急定位，cell-id的定位精度就无法满足要求。除cell-id以外的其它定位方案相对cell-id技术而言定位精度相对较高，但实施起来都存在一定的困难，要么需要在网络测增加硬件实体，要么需要终端的支持，很难得到更为广泛的应用。因此，如何开拓一种实施简单、成本低廉、具备100的用户覆盖率，又能提高定位精度的方法也是急需研究的一个方向。3.7 结合无线传播模型的融合定位综合考虑到定位方案实施的方便性和经济性，本文提出一种新的融合定位思路，在充分利用cell-id定位思路的方便性和可操作性的同时，引入无线传播模型修正处理的方法，充分利用现有网络的日常路测数据反馈至无线传播模型进行模型修

50、正，使无线传播模型最大限度接近真实的情况，进而结合测量场强进行三角定位，在基于cell-id+rtt的基础上，大大提高定位的精度。结合无线传播模型融合定位方法的详细步骤如下。第一步：需要确定所定位区域的无线传播模型。如前所述，需要对cost231-hata模型做进一步校正。第二步：通过信令监测获取用户测量报告以及小区，场强等信息。 通过信令获取相关信息的步骤如下： 1) 通过采集cdma2000网络中的bts与bsc之间的链路，及分析bts定期给bsc发送的测量报告，可获取需定位的终端的所在位置所接收到的引导频率的频点值以及场强大小； 2) 分析其它相关信令如寻呼响应，业务请求等可获取需定位终

51、端的主服cell-id+rtt； 3) 通过小区的相关的配置信息如cellid配置、频点配置、地理位置信息等.要求经纬度不同的信息组除主服小区外至少两组以上。第三步：融合无线传播模型进行定位。 在经过第二步后，我们得到了式(7)的信息组，选取交叉的两个信息组,相对每个信息组求得一个终端到基站的距离，即可得到终端距离轨迹曲线，再结合cell-id+rtt的轨迹区间，三组轨迹曲线即可求得终端的最终位置。如图1所示。图3-3 融合无线传播定位示意图 在图3-3中，根据小区所在的经纬度信息，加上测试终端到基站的距离，可求得相交区域，图1中所示的两条曲线与主服小区根据cell-id+rtt所求得的绿色轨

52、迹条相交的绿色轨迹区域即为所定位终端的位置区域。 第4章 gsm网络的定位技术 无线定位技术是实现无线定位业务的技术基础，因此，在蜂窝移动通信中的无线定位业务都要用到无线定位技术。 从用户角度来看，由于移动定位业务使得移动用户在外出行更加方便，遇到紧急情况可以得到更快的救援，因此，可以预见用户在不久的将来会离不开移动定位业务。 从运营商角度来看，利用无线定位技术可以给用户提供新的具有吸引力的业务，使自己处于有利的竞争地位；利用移动定位可以根据话务模型优化网络，降低成本；结合移动定位的潜在业务很多，这样运行商可以从中获得更多的收益。从生产厂家来看，提供移动定位的产品会更具有市场竞争力。 gsm网

53、络已开始引入无线定位技术，2000年6月，爱立信宣布其移动定位系统首次投入商用，该系统为一系列全新的基于位置的业务敞开了大门。爱立信的移动定位系统(mps)是一种基于服务器的解决方案，为标准的gsm网络引入定位业务。该系统基于高容错功能的平台，能够使用诸如辅助全球定位系统及其它多种不同的定位技术。该移动定位系统不需要对标准的gsm电话进行修改。4.1 gsm移动定位技术移动定位是指通过采集网络中与移动台（ms）位置相关的参数，并将这些数据传送到定位中心，在电子地图的支持下，通过一定的算法，来确定用户的实际位置(经纬度坐标数据)，据此，即可向用户提供相应的服务。比如: 目标监控、智能调度、紧急救

54、援、信息导航等。 gsm中常用的移动定位技术是: 增强型观测时间差（e-otd）技术，上行链路到达时间（ul-toa）技术，到达时间差异tdoa(time difference of arrival)技术，到达角度（aoa）技术，gps辅助定位(a-gps)技术。e-otd（enhanced observed time difference）通过ms检测多个相邻bts的传输突发，并测出这些从各个不同的基站发出的信号到达该终端时所用的时间差，利用该时间差，终端设备通过调用e-otd算法计算出该移动终端用户相对于这些基站所处的位置，位置计算可基于双曲线方式或圆弧方式实现。e-otd需要在gsm网络

55、中设置位置接收器作为位置测量单元，并且要分布在网络内的许多站点上。每个参考点都有一个精确的定时源，当移动台和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达移动台和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值被用来产生几组交叉双曲线，由此估计出移动台位置。移动台对邻近的多个基站发送的无线脉冲到达的时间进行测量计算时，所有的基站都需要精确测量时间的间隔rtd（real time differences），这样才能对脉冲到达时间差进行精密计算。对各个基站的时间差的测量一般通过移动台完成，因此普通手机中的相关硬件需要更新。ul-toa是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元(3个或更多

56、基站)所用的时间t 来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离ct为半径的圆上。3个基站确定3个圆，这3个圆的交点就是移动台的位置坐标，如图4-1所示。但是，toa要求知道移动台发送信号和基站接受信号的准确时刻，由于gsm网络不是同步网络，基站为了得到精确的时钟，则必须通过gps或原子钟的方式来实现同步。图4-1 ul-toa定位原理 tdoa定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差，由此得到以两个基站为焦点的双曲线方程。为确定移动台的位置坐标，需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线交点即为移动台的二维位置坐标。由于是利用信号到达的时间差（而不是绝对时间）来确定移动台位置，因而降低了对时间的同步要求。其优点是精度较高，实现容易; 缺点是为了保证定时精度，需要改造基站设备。aoa技术通过基站的阵列天线测出移动台来波信号的入射角，得出从基站到移动台的径向连线，两个不同基站与ms确定两条射线，这两条射线的交点就是移动台的位置。它需要在每个小区基站上放置412组的天线阵，这些天线阵一起工作，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。信号到达角度的测量需要复杂的定向天线，易出现定位盲点，