無線電定位技術(shù)在蜂窩通信系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)(圖)

　定位技術(shù)的應(yīng)用及分類
　　近年來，隨著用戶需求的增加，無線定位技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，推動(dòng)了對(duì)無線定位技術(shù)的研究及測(cè)距技術(shù)的發(fā)展。如何盡可能地利用現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)資源，低成本地實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的精確定位一直是研究的焦點(diǎn)。總的來說，實(shí)現(xiàn)無線定位主要有兩大類解決方案，第一類是由移動(dòng)站(ms)主導(dǎo)的定位技術(shù)。單從技術(shù)角度講，這種技術(shù)更容易提供比較精確的用戶定位信息，它可以利用現(xiàn)有的一些定位系統(tǒng)，例如，在移動(dòng)站中集成gps接收機(jī)，從而利用現(xiàn)成的gps信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的精確定位。但這類技術(shù)需要在移動(dòng)站上增加新的硬件，這將對(duì)移動(dòng)站的尺寸和成本帶來不利的影響。第二類是由基站(bs)主導(dǎo)的定位技術(shù)，這種解決方案需要對(duì)現(xiàn)存的基站、交換中心作出某種程度的改進(jìn)，但它可以兼容現(xiàn)有的終端設(shè)備。其可選用的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括：測(cè)量信號(hào)方向(信號(hào)的到達(dá)角度，簡(jiǎn)稱aoa)的定位技術(shù)、測(cè)量信號(hào)功率的定位技術(shù)、測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間特性(到達(dá)時(shí)間，簡(jiǎn)稱toa；到達(dá)時(shí)間差，簡(jiǎn)稱tdoa)的定位技術(shù)。為了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面數(shù)種技術(shù)的組合。由于第二類的解決方案能更好的利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)及其終端設(shè)備，因而具有更廣泛的應(yīng)用前景，所以本文將以它作為討論的主要內(nèi)容。

測(cè)量接收信號(hào)功率的定位技術(shù)
　　依據(jù)接收到的無線信號(hào)的功率是來實(shí)現(xiàn)無線定位的一種常用的方法。通過測(cè)量基站(bs)收到的來自移動(dòng)站(ms)的信號(hào)功率，以及它們之間無線信道的傳輸模型，可以估計(jì)出移動(dòng)站到基站的大致距離為d。這樣對(duì)一個(gè)基站bs(i)來講，移動(dòng)站必處于以bs(i)為圓心，d為半徑的圓上。當(dāng)采用三個(gè)或三個(gè)以上的基站對(duì)同一個(gè)移動(dòng)站進(jìn)行測(cè)距時(shí)，即可以測(cè)得該移動(dòng)站的所在位置。
　　在這種方法中，無線信號(hào)傳輸過程中的多徑效應(yīng)和通過障礙時(shí)產(chǎn)生的陰影效應(yīng)是產(chǎn)生定位誤差的主要原因。在信號(hào)的傳輸方向上，多徑效應(yīng)有時(shí)會(huì)使在相距僅0.5個(gè)波長(zhǎng)的兩點(diǎn)上信號(hào)強(qiáng)度相差30～40db左右。為了克服多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)距的影響，對(duì)高速移動(dòng)中的無線用戶可以通過求得其信號(hào)功率的平均值來提高定位的準(zhǔn)確性，但對(duì)于緩慢移動(dòng)甚至靜止的無線用戶有效的功率平均值是很難測(cè)得的。陰影效應(yīng)是產(chǎn)生定位誤差的另一個(gè)主要原因，克服陰影效應(yīng)的最主要的方法是預(yù)先測(cè)量每個(gè)基站周圍的信號(hào)功率損耗等高線。
　　在實(shí)際應(yīng)用的cdma系統(tǒng)中，為了減小近距離用戶對(duì)遠(yuǎn)距用戶的干擾，必須要采用功率控制技術(shù)，在一些tdma系統(tǒng)中，為了減小移動(dòng)站(ms)的功耗也應(yīng)用了功率控制。在這樣的采用功率控制的蜂窩系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)用測(cè)量信號(hào)功率為基礎(chǔ)的定位技術(shù)，移動(dòng)站必須以足夠高的精度告知基站其發(fā)射信號(hào)的功率，基站再由接收到的信號(hào)功率計(jì)算出信號(hào)傳輸過程中的損耗，進(jìn)而推算出移動(dòng)站到基站的距離估值，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線用戶的定位。
測(cè)量接收信號(hào)方向(aoa)的定位術(shù)　　
　　測(cè)量信號(hào)的到達(dá)角度(angle of arr技ive，簡(jiǎn)稱aoa)也是一種在蜂窩網(wǎng)中常用的定位技術(shù)。這種方法需要在基站采用專門的天線陣列來測(cè)量特定信號(hào)的來源方向。對(duì)于一個(gè)基站來講，aoa測(cè)量可以得出特定移動(dòng)站所在方向，當(dāng)兩個(gè)基站同時(shí)測(cè)量同一移動(dòng)站所發(fā)出的信號(hào)時(shí)，兩個(gè)基站各自測(cè)量aoa所得的方向直線的焦點(diǎn)就是移動(dòng)站所在的位置。盡管這種定位方法的原理非常簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的應(yīng)用中存在一些難以克服的缺點(diǎn)。首先，aoa定位要求被測(cè)量的移動(dòng)站與參與測(cè)量的所有基站之間，射頻信號(hào)是視線傳輸(los)的。非視線傳輸(nlos)將會(huì)給aoa定位帶來不可預(yù)測(cè)的誤差，參見圖1。即使是在以los傳輸為主的情況下，射頻信號(hào)的多徑效應(yīng)依然會(huì)干擾aoa的測(cè)量。其次，由于天線設(shè)備角分辨率的限制，aoa的測(cè)量精度是隨著基站與移動(dòng)站之間的距離的增加而不斷減小的。
　　
　　由于測(cè)量aoa的定位方法具有上述的特點(diǎn)，所以對(duì)于處于城市地區(qū)的微小區(qū)來講，引起射頻信號(hào)反射的障礙物多且其到移動(dòng)站的距離與小區(qū)半徑可以相比，這樣就會(huì)引起比較大的角測(cè)量誤差。在這種情況下，基于aoa的定位方法沒有實(shí)際的意義。對(duì)于宏小區(qū)，因?yàn)槠浠疽话闾幱诒容^高的位置，與小區(qū)的半徑相比，引起射頻信號(hào)反射的障礙物多位于移動(dòng)站附近，nlos傳輸引起的角測(cè)量誤差比較小。所以測(cè)量信號(hào)到達(dá)角度的定位方法多用于宏小區(qū)，或者與其他定位技術(shù)混合使用來提高定位的精度。

測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間特性的定位技術(shù)
　　最后一類主要的定位技術(shù)是通過測(cè)量基站到移動(dòng)站之間射頻信號(hào)傳輸時(shí)間特性來實(shí)現(xiàn)的。這類定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來比較容易，與aoa相比較，在同等條件下(參與定位的基站數(shù)目相同)能夠提供更高的定位精度，因而在實(shí)際中應(yīng)用得最廣泛。它主要有兩種具體的實(shí)現(xiàn)手段。第一種是測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間(toa)，即由基站向移動(dòng)站發(fā)出特定的測(cè)距命令或指令信號(hào)，并要求移動(dòng)站對(duì)該指令進(jìn)行響應(yīng)?；緯?huì)紀(jì)錄下由發(fā)出測(cè)距指令到收到移動(dòng)站確認(rèn)信號(hào)所花費(fèi)的時(shí)間t，該時(shí)間主要由射頻信號(hào)在環(huán)路上的傳播時(shí)延、移動(dòng)站的響應(yīng)時(shí)延和處理時(shí)延、基站的處理時(shí)延組成。如果能夠準(zhǔn)確地得到移動(dòng)站和基站的響應(yīng)和處理時(shí)延，就可以算出射頻信號(hào)的環(huán)路傳播時(shí)延td。因?yàn)闊o線電波在空氣中以光速c傳播，所以基站與移動(dòng)站之間的距離估值dm=c*td/2。當(dāng)有三個(gè)基站參與測(cè)量時(shí)，就可以根據(jù)三角定位法來確定移動(dòng)站所在的區(qū)域，如圖2所示。
　　由于這種定位方法是以時(shí)間為基準(zhǔn)的，多徑效應(yīng)和非視線傳輸(nlos)所帶來的傳輸時(shí)延增加是產(chǎn)生測(cè)距和定位誤差的主要原因，所以在實(shí)際的系統(tǒng)中，測(cè)距結(jié)果dm一般都要大于基站與移動(dòng)站之間的實(shí)際距離d。為了克服nlos以及多徑效應(yīng)帶來的不利影響，提高定位精度，參與同次定位的基站數(shù)目n一般都要大于3，這樣可以縮小圖2中陰影區(qū)域的面積。另外對(duì)于每次測(cè)量的結(jié)果都要應(yīng)用一些定位算法，使定位估計(jì)值在某種準(zhǔn)則下達(dá)到誤差最小。例如，t是每個(gè)基站測(cè)得的toa，i為參與測(cè)量的基站編號(hào)，在某坐標(biāo)系下，移動(dòng)站的位置估計(jì)是(x，y)，基站i的位置是(xi，yi)。以函數(shù)fi=c*ti-作為基站bs測(cè)距的性能測(cè)度，也就是基站bs的測(cè)距誤差。在理想狀態(tài)下，即當(dāng)(x，y)是移動(dòng)站的實(shí)際位置，并且移動(dòng)站到每一個(gè)基站無線信號(hào)都是視線傳輸(los)的，那么對(duì)每一個(gè)參與測(cè)量的基站來講，fi應(yīng)該為零。但在實(shí)際中，由于受到nlos傳輸和多徑效應(yīng)的影響，一般不可能求得(x，y)使fi=0(i=1，2，...，n)都成立。所以整個(gè)定位系統(tǒng)來講，可以用參與定位的基站的測(cè)距誤差的加權(quán)平方和f作為系統(tǒng)性能測(cè)度函數(shù)，并以使f最小的(x，y)作為一次定位測(cè)量的結(jié)果。式中ai是基站bs在測(cè)量結(jié)果中的加權(quán)系數(shù)，其大小反映了bs到ms測(cè)距的精確性和可信程度。
　　另一種基于信號(hào)傳輸時(shí)間特性的定位方法是測(cè)量不同基站接收到同一移動(dòng)站的定位信號(hào)的時(shí)間差(tdoa)，并由此計(jì)算出移動(dòng)站到不同基站的距離差。移動(dòng)站到任何兩個(gè)基站的距離差d可以在兩個(gè)基站之間給出一條雙曲線，移動(dòng)站一定處于該曲線之上。當(dāng)同時(shí)有n個(gè)基站參與測(cè)距時(shí)(n≥3)，由多個(gè)雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對(duì)用戶位置的估計(jì)，如圖3所示。這種方法要求所有參與測(cè)量的基站的時(shí)鐘是嚴(yán)格同步的。與toa相比，它的主要好處是不需要精確地求得基站和移動(dòng)站的響應(yīng)和處理時(shí)延。與toa一樣，tdoa的定位誤差也是主要來自射頻信號(hào)的非視線傳輸和多徑效應(yīng)。解決這一問題的主要途徑也是通過增加參與定位的基站數(shù)目和采用高精度的估計(jì)算法。
結(jié)束語
　　本文主要介紹了數(shù)種利用現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中向用戶提供定位服務(wù)的基本方法，這些方法不需要改動(dòng)現(xiàn)有的移動(dòng)通信終端，但它們都需要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做出某種程度的改進(jìn)。在實(shí)際的系統(tǒng)中，可以根據(jù)用戶對(duì)定位精度的要求、無線傳輸?shù)沫h(huán)境、成本的變化來選用一種或幾種技術(shù)的組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的定位。一般說來，toa/tdoa能夠提供比較高的定位精度，并且也較容易實(shí)現(xiàn)，因而應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)存的cdma系統(tǒng)多采用這種方法。