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无线定位技术综述
无线定位技术的综述
无线定位技术是一项由来己久的技术。
国际上对无线定位技术的研究与应用始于20世纪60年代的自动车辆定位CAVL系统,随后该技术在军事、公共交通管理、物流、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。
80年代以来,随着移动通信技术的发展,无线蜂窝网的覆盖面和用户量都已具有相当规模并正在迅速增长,由移动台发起的紧急报警呼叫数量在紧急呼叫中所占的比例也随之上升,而调查表明,约有30%的移动用户在发起紧急呼叫时不知道所处的确切位置,这对及时合理的处理报警带来诸多限制。
由此可见,利用现有蜂窝网资源构建移动台定位系统是非常必要的。
基于用户位置的移动定位业务已经受到了世人的瞩目,据美国权威机构统计:
2004年,“移动定位业务”产值在美国为40亿美元,而全世界为300亿美元。
欧洲统计报告指出:
2005年定位业务市场为43.8亿欧元。
按照日本NTTDOCOMO无线增值业务的发展曲线,数据业务的5%都与定位业务有关。
由于政府的强制性要求和市场本身的驱动,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,促使国际上出现了基于蜂窝网络的无线定位技术的研究热潮。
与此同时,移动通信用户对移动定位业务的需求也变得日益迫切。
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下获取其地理位置等信息,利用移动台的定位信息,运营商可以向用户提供各种增值业务,如位置环境信息查询、紧急救援、汽车导航、智能交通、团队管理、广告咨询发布等等,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己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到迅猛的发展。
一、无线定位的概念和用途
所谓定位,是指地球表面的确定特定物体在特定时间在某一种参考坐标系中的具体位置。
所以,传统的定位技术是与导航系统紧密联系在一起的。
这类设备的使用受时间、天气和经验的制约。
20世纪初,由于无线电波技术的兴起,出现了应用无线电波信号确定某一移动台所在位置的定位技术。
位置信息通常指移动台所处位置的经度、纬度和高度信息,一般包括与移动台有关的坐标(二维或三维)。
蜂窝定位技术实现移动终端的位置估计需要依靠移动通信系统的结构和
传输的信息。
无线定位技术是基于封包无线数据服务GPRS(GeneralPacket
RadioService)、全球移动通信系统GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)、通用无线通信系统UTMS(UniversalMobileTelecommunicationSystem)、码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)等移动通信系统或全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)、GLONASS
(GlobalOrbitingNavigationSatelliteSystem)、我国的北斗双星等卫星定位系统伽利略(Galileo)上,检测移动台和基站之间无线电波传播信号的号场强、传播
时间或时间差、信号入射角等特定参数,再结合相关的定位算法来确定出移动台的几何位置。
二、无线定位系统分类
无线定位技术的发展过程中出现了很多成功的商用系统,例如Decca,
Loran.Omega,GPS以及GLONASS,它们在不同的历史时期和应用场合都发挥了重要的作用。
但是由于FCC关于E-911的特殊要求,人们开始将注意力投向利用现有蜂窝网络的定位技术的研究。
当然,这其中也借鉴了很多上述系统的相关技术。
目前,在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标信息以及定位精度的估计、时戳等辅助信息,对速度、运动方向等信息暂时还没有明确要求。
在移动通信网络的基础上实施定位功能应该充分利用蜂窝网络和GPS等已有的统资源,并尽可能少地影响网络的原有功能,选择适当的定位类型、相应的定位技术及实施方案。
无线定位系统中对移动台的定位是检测移动台和多个固定位置收发信机(如基站)之间传播信号的特征参数(如电磁场强、传播时间或时间差、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以下三类:
基于移动台的定位方案、基于网络的定位方案及GPS辅助定位方案。
(1)基于移动台的定位系统
也称为移动台的自定位系统或者前向链路定位系统,采用基于移动台的定位方案。
其定位过程是由移动台接收到的多个已知位置收发信机携带的某种与移动台位置相关的特征信息(如场强、传播时间、时间差等)确定其与收发信机之间的几何位置关系,再由集成在移动台中的位置计算功能(PCF)根据有关定位算法计
算移动台的位置估计值。
(2)基于网络的定位系统
也称为远距离定位系统或后向链路定位系统,采用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(MLC)进行处理,由集成在MLC中的PCF计算出移动台的位置估计值。
(3)网络辅助定位系统
也属于移动台自定位系统,采用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的信号,将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,由集成在移动台中的PCF计算出移动台的位置估计值。
(4)移动台辅助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MLC中的PCF计算出移动台的位置估计值。
(5)联合辅助定位系统
联合定位的典型代表是A-GPS(AssistedGPS)aA-GPS需要在手机内增加GPS接收机模块,并改造手机天线,但手机本身并不对位置信息进行计算,而是将GPS的位置信息数据传给移动通信网络,由网络的定位服务器进行位置计算,同时移动网络按照GPS的参考网络所产生的辅助数据,如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机,并从数据库中查出手机的近似位置和小区所在的位置信息传给手机,这时手机可以很快捕捉到GPS信号,这样的首次捕获时间将大大减小,一般仅需几秒的时间(而GPS的首次捕获时间一般要2-3分钟时间),并且精度约为几米,高于GPS的精度。
三、无线定位技术的基本方法
1.场强定位(SSOA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。
SSOA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,决定了这一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进一步提高定位的精度。
2.到达入射角(AOA)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入射角,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一点,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。
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、非可视距以及其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响。
当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(TDOA/TOA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中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得到移动台与基站之间的距离。
到达时间定位技术通过码捕获和码同步来精确的获得TOA值,码捕获实现接收扩频码和接收机本地扩频码的初始同步,码同步则是进一步提高同步精度并保持这种同步。
但是这种方法要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间,并要求移动台和基站有非常精确的时钟。
4.混合定位技术
由于每种定位技术都有各自鲜明的优点和缺陷,为了适应各种定位需求,将若干种技术综合以彼此取长补短成为一种良好的选择,这样就构成了混合定位系统,如TOA/AOA的混合定位方法、TDOA/AOA的混合定位方法等,将侧向定位和测距定位有机结合。
通过对上述定位方法特点的分析比较,在蜂窝通信网络中,TDOA定位方法和TOA定位方法都相对容易实现,并且具有较高精度。
所以它们目前在蜂窝网络中受到广泛关注和深入的研究,特点是TDOA定位法,得到很多学者的重视。
随着智能天线技术的发展,AOA定位技术将会得到更多的关注。
四、定位精度的主要影响因素
移动定位技术的发展方向目前主要是提高定位精度。
电波传播所在的环境、接收器的设计制造、同一位置冗余测量的数量、各种噪声和干扰特性以及信号处理的复杂度等因素都会影响定位精度。
在实际的移动通信系统中,定位技术的测量误差通常由以下两部分组成:
由基站检测所采用的设备带来的误差,如检测设备精度、移动台和基站的时钟同步误差及检测过程中时延带来的误差等;由信道,主要是由非视传播和多径效应产生的误差。
由基站检测所采用的设备带来的误差随着定时技术及信号检测技术等相关技术的改进和发展而逐渐降低,这部分误差的产生主要取决于信道环境的复杂程度,这也是目前无线定位技术研究方向,其重点是利用相应算法减少其对定位精度的影响。
(1)多径传播对定位精度的影响在移动通信中,多径传播是引起各种信号特征测量值出现误差的基本因素。
接收机接收到的信号为多个无线电信号的矢量和。
由于在收发信机周围存在各种不同运动状态的物体,所以无线电波达接收机需要经过反射、折射和衍射等多个途径才能到达。
这对某些参数(如TOA、AOA等)的估计精度影响很大。
目前已出现了很多应对多径传播的算法:
采用延迟锁相环分离时延小于一个码片时间的多径分量、扩展卡尔曼滤波(EKF)算法以及Root-MUSIC等。
(2)定位精度由于NLOS传播的影响
得到准确的信号特征测量值的必要条件是LOS传播。
但是在城市与近郊地区,由于建筑物和地形等物体的阻碍,无线电波不能直线传播,而是经过反射和衍射等非直线传播,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。
在此情况下,信号传播的实际距离和传播的实际时间均比直线传播大许多。
所以,NLOS传播成为了影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因,而且建筑物和
地形等物体的阻碍在很大程度上是不能人为改变的。
为了抑制NLOS的影响,可先测出在NLOS传播时多次距离测量值和直线距离的偏差值进行NLOS的识别,然后修正NLOS传播测量值,适用测量值的平滑与重构将NLOS测量校正到LOS附近。
3)多址干扰对定位测量的影响
GSM与CDMA等不同系统都存在多址干扰的问题,但由于在CDMA系统中各用户通过不同的扩频码共用同一频带造成在CDMA系统中的多址干扰相对大些,在CDMA信号的捕获上,多址干扰直接表现为远近效应——近处工作的CDMA用户发射的信号对远处CDMA用户信号的淹没。
由于多址干扰的影响,TOA和TDOA的粗捕获对延时锁相环的时间测量也有很大偏差。
虽然对移动台进行功率控制能减小多址干扰,但对非服务基站和移动台之间的信号还很弱,控制功率只对服务基站起作用,因而还是会影响到常规接收机正确测量TOA或TDOA值的能力。
对于这个问题,各种解决的方法被提出来,比如:
将移动台发射功率在定位瞬间提高到最大值,或是改进软切换等技术。
(4)基站分布对定位覆盖的影响
影响定位覆盖范围的重要因素之一是基站分布。
一般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,或者是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。
解决基站分布问题常采用的是基于GPS定位方法或者混合定位方法。
农村地区基站分布稀少,GPS往往能
较好地发挥出优秀的作用。
AOA定位结合基于时间的定位有效地解决了基站分布问题,在混合定位中即使是一个基站也能采用AOA+TOA(到达角度和时延)产生位置来进行位置估计。
再加上利用移动台先前位置、运动轨迹、运动速度和方向、小区切换等信息辅助定位,使得这一定位方法更加准确和实用。
另外,定位基站的几何空间分布也会影响到定位的精度,如果有足够多的基站参与定位估计,在有多个基站参与定位时怎样选取最佳的基站组合,解决这种情况的办法需要基站选址算法,并且可以用于基站的架设设计和采用的系统设计。
所以,如何克服这些不利因素的影响,提高定位精度以到达各种商业增值服务所要求的技术指标,是决定无线定位在移动市场上蓬勃发展的前提,也是当今研究的热点。
五、国内外的研究现状
自E-911定位需求颁布以来,移动台定位技术在国外受到高度重视和深入研究,近来在IEEE的有关期刊和会议,特别是VTC上发表了大量研究论文,也出现了不少定位技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究与开发的公司。
各大跨国公司,如Motorola,Nokia,Ericsson,QUALCOMM,Samsung等也积极开展对基于GSM,IS-95和第三代移动通信系统中的WCDMA和CDMA2000等网络采用的定位技术的研究。
目前研究的内容涉及了蜂窝网络移动台定位技术的方方面面,并且更侧重于基本定位方法和技术的研究,定位算法的研究,TDOA,TOA检测技术的研究,抗非视距传播、多径和多址干扰技术的研究,数据融合技术的研究,定位技术实施方法的研究,定位系统的性能评估等。
各专门从事移动台定位技术研究公司及Motorola,Nokia,Ericsson,Samsung等跨国大公司侧重于对GSM,IS-95和第三代移动通信系统中的WCDMA和CDMA2000等网络采用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,提出并制定了相应的定位实施方案。
在3GPP和3GPP2中这些公司已提出
了不少提案,在3GPP中既有基于GSM网络的3GTS03.71,04.31,04.35,04.71,08.31,08.71,09.31,12.71等提案,也有基于WCDMA网络的3GTS22.071,
23.012,23.171,24.030,25.305等提案。
这些提案描述了3G的LGS功能需求和LGS网络体系结构,给出了采用的定位技术和方法、定位程序、信令协议和接口。
这些提案还在不断修改和完善,部分提案在一些定位关键技术上已形成共识。
国内对蜂窝网络移动台定位技术的研究起步较晚,从事这项技术研究的人也不不多,主要有西南交通大学、中国科技大学、电子科技大学、北京邮电大学、复旦大学等少数院校和华为、中兴等通信公司的部分科研人员从事这方面的研究。
从近年来各主要核心刊物的检索情况看,公开发表的研究性论文数量相当有限,对定位技术的研究大部分都是针对GPS和差分GPS技术及其应用,而对基于CDMA蜂窝网络的移动台定位技术的研究只能见到少量的研究结果发表。
对于发明专利,目前只有很少中国专利与移动台定位技术有关。
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