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1、1,主要内容,1.1 移动终端定位技术概述 1.2 蜂窝定位的概念和用途 1.3 蜂窝定位的基本技术和基本实现方式蜂窝定位的基本技术蜂窝定位的基本实现方式 1.4 蜂窝定位国内外研究现状及其技术难点蜂窝定位国内外研究现状蜂窝定位的主要技术难点,2,1.4.2 蜂窝定位的主要技术难点,尽管无线定位技术历史悠久，各种基本的技术很早就在军事、测量等领域研究应用，特别随着汽车工业的发展，近几十年在车辆定位与导航、智能交通系统中得到了深入研究和广泛应用。但由于蜂窝通信系统不是面向定位的系统。,3,因此在蜂窝网络中实施移动终端定位技术有其特殊性，有许多技术难点需要突破，其中最为关键的是非视距（Non li
2、ne of sight, NLOS）传播、多径传播（Multipath Propagation）、Hearability、多址干扰(Multple Access Interference)和几何淡化因子(Geometric Dilution of Precision, GDOP）对定位精度的影响 。,4,1) 非视距（Non line of sight, NLOS）传播（1）,各种基本蜂窝系统移动终端定位方法，除Cell-ID以外，其它方法，包括测距定位法和测向定位法，都是建立在基于视距传播的假设的基础上。视距传播是准确测量定位参数的必要条件。GPS定位系统在旷野地区定位精度高的主要原因是满足
3、LOS传播的条件。因受到信号衰落和阴影效应的影响，接收台接收到的信号，可能不包含视距传播（直射）信号和视距传播信号微弱。,5,1) 非视距（Non line of sight, NLOS）传播（2）,以视距传播信号的有无和所占的地位为标准，移动终端与基站间的无线信号传播可以分成三种情况：直射信号占支配地位（Dominant Direct Path, DDP）、直射信号不占支配地位（Nondominant Direct Path, NDDP）和接收不到直射信号（Undetected Direct Path, UDP）。在DDP的情况下，定位精度最高，在UDP的情况下定位估计的精度就低。,6,1)
4、 非视距（Non line of sight, NLOS）传播（3）,在蜂窝网路覆盖区内，特别是在城市、城市近郊这些移动用户多，移动通信量大，而对定位精度要求高的地区，移动终端和基站之间存在LOS传播的情况是非常少的。因此如何识别和利用这三种情况，提高在NDDP和UDP情况下的定位估算精度，是蜂窝定位研究的主要关键问题。,7,2) 多径传播(Multipath Propagation),多径传播是引起各种有关定位参数产生测量误差从而使移动终端定位不准确的基本原因。对基于时间的定位法（如TDOA、AOA）来说，即使在移动终端和基站之间电波存在LOS传播，多径传播也会引起时间测量误差，影响定位准确
5、度和精确度。因为传统的时延估计的定位方法基于互相关技术，当多径时延相差较小时，多径使相关峰展宽，从而使定位误差加大。,8,在NDDP和UDP的情况下互相关函数三维主峰有可能丢失和小于旁峰，估计器崩溃，无法得到正确的估计值。多径对CDMA系统的移动终端定位的影响相对小一些，因为CDMA系统带宽宽，自相关特性好，相对容易区分多径。目前已经出现了一些抑制多径传播的影响定位的方法，但仍然没有从理论上解决这一问题。,9,3) 多址干扰(Multiple Access Interference),所有蜂窝通信系统都存在多址干扰，CDMA通信系统表现得更为严重。基于时间和信号到达角的定位方法都需要多基站同时
6、参与定位，因此多址干扰对定位的影响比对通信的影响更为明显。多址干扰严重影响TOA和TDOA的粗捕获，也严重影响延时锁相环的时间测量。,10,在CDMA系统中还通常采用功率控制的技术来克服远近效应问题。而功率控制只对服务基站作用，对参与定位的其它非服务基站不起作用，移动终端的信号仍然会收到严重的多址干扰，影响接收机测量TOA或TDOA参数。另外，功率控制的采用，会降低移动终端的Hearability，激化通信与定位的矛盾。,11,4) Hearability （1）,蜂窝定位的四种基本技术中除了混合定位技术以外，其它基本定位方法都必须有多个基站或移动终端参与，参与的方式是移动终端同时能接收到多个
7、基站的信号或者多个基站同时能收到某一个移动终端的信号。Hearability指的就是这个问题。,12,4) Hearability （2）,影响Hearability的原因有两种，一种是发射信号过弱或移动终端与基站间的距离太远，以致信号强度小于接收机的接收灵敏度。这有以下两种可能：a) 移动终端的发射功率通常较小，至多只能使一两个基站接收到它的信号；b) 基站分布不均匀，移动终端离除本小区服务基站以外的其它基站很远，它只能收到服务基站的信号。,13,4) Hearability （3）,另一种原因是移动终端离本小区基站太近，它的射频前端被强信号阻塞，无法接收其它基站的信号。图1-4给出了Gra
8、yson Wireless CellScopeTM在美国3个选定地区的测试结果，显示了Hearability的严重性。Hearability揭示了通信与定位的矛盾。,14,4) Hearability （4）,图1-4 移动终端接收N个基站信号电平同时超过85dBm的概率,15,4) Hearability （4）,蜂窝定位时要求有多个基站同时接收到一个移动终端的信号，而通信时有一个基站与移动终端间保证正常的电平信号就满足要求了。如果这个矛盾没有很好地解决，对通信和定位都有影响，降低系统的总体性能。所以Hearability的问题是蜂窝系统移动终端定位的关键技术难题之一。,16,5) 几何淡化
9、因子(Geometric Dilution of Precision, GDOP),因为现有定位方案基本上都是多基站直接参与定位，而参与定位的各基站之间的相对位置，移动终端与基站之间的相对位置的差异造成的几何淡化因子GDOP（有的文献称之为几何精度因子）的不同，造成定位估算的差异。这在一些地形复杂的山区、丘陵地区和地物复杂的城市微小区表现得更为突出。因此如何抑制或者利用GDOP是研究蜂窝系统移动终端定位的又一主要技术问题。,17,第二章 现有蜂窝定位方法分析比较,2. 1 Cell-ID定位 2. 2 场强模型定位 2. 3 到达时间(TOA)定位 2. 4 到达时间差(TDOA)定位 2.
10、5 增强观测时间差分（E-OTD）定位 2. 6 到达角度（AOA）定位 2. 7 指纹信号定位 2. 8 卫星定位 2. 9 混合定位 2. 10 数据融合定位 2. 11 不同定位方法的比较总结,18,2.1 Cell-ID定位（1）,Cell-ID（Cell Identification）定位，又叫起源蜂窝COO（Cell of Origin）定位或CGI（Cell Global Identity）定位，根据移动终端所处的小区标识号ID来确定用户的位置。,19,2.1 Cell-ID定位（2）,蜂窝ID的代码，也就是小区全球识别码CGI，由位置区识别码（LAI）和小区识别码（CI）两部分
11、组成。LAI由移动国家代码（MCC）、移动网络代码（MNC）和位置区代码（LAC）组成。因此Cell-ID =CGI=LAC+CI=MCC+MNC+LAC+CI,20,Cell-ID有几种比较简单的方法提高定位精度，有文献称之为Cell-ID+定位方法。这可以看成是后文要介绍的混合定位方法，但因其具有特殊性其所有定位参数都是系统本身就具有的，所以在此一并介绍 。,21,(1) 在GSM通信系统中，利用邻近蜂窝测量到的同一移动终端所发出的信号的强度，与移动终端的发射功率比较，可以估算移动终端与基站的距离，再加上Cell-ID，就可以进一步缩小移动终端的估算位置，提高定位精度。其定位精度与信道模型
12、的精度和信号强度的测量精度有关。这种Cell-ID+类似于后面将要论述的混合定位中的Cell-ID/场强模型混合定位。,22,(2) 同是在GSM系统中，为了使移动终端与基站同步，移动终端要提前一段时间发送信号，使信号到达基站时落在指定的时间窗内，这段时间叫时间提前量TA（Time Advance）。为此，基站要根据接收信号计算TA，周期性地向移动终端传送。TA是以比特（bit）为计算单位，一个比特约为3.69微秒。TA乘以无线电波的传播速度除以2，约为550m。这说明，TA- Cell-ID的定位精度约为550m。,23,(3) 在3G中，可以利用圆旅行时间RTT(Round Trip Ti
13、me)提高Cell-ID的定位精度。所谓RTT，它基本相对于GSM中的TA，指的是从基站发出一帧信号后,到基站接收从移动终端返回的同一帧信号所经过的时间。利用RTT可以计算出基站与移动终端之间的距离。其理论精度为80m。,24,(4) 对于扇形天线，因为一个基站有多个扇区，一个扇区覆盖一定的区域。在通信时可以判断移动终端所在的扇区，这显然比Cell-ID定位精度高。 (5) 与2G无线通信系统不同，在3G中移动终端可以通过软切换与多个基站通信，利用多个基站覆盖区的交集，可以提高Cell-ID对移动终端的定位精度。,25,Cell-ID技术无需对移动终端和网络进行修改，实施费用最低，而且面向所有
14、移动用户。它可以被用来向当前的移动用户提供位置发现系统。但是，Cell-ID与其它技术相比，其精度却是最低的。有些人说在城市中，由于小区较小，因而Cell-ID的精度已经足以提供信息服务了。然而当我们需要位置发现系统提供紧急服务时，Cell-ID的精度就成了一个不可忽视的问题。,26,Cell-ID的最大优点是它确定位置信息的响应时间十分快（3秒左右），而且Cell-ID不用对移动终端和网络进行升级就可以直接向现存用户提供基于位置的服务。,27,2. 2 场强模型定位（1）,场强定位的基本原理是移动终端接收的信号强度与移动终端与基站的距离成近似反比关系，根据测量比较接收信号的场强值、发射信号的
15、场强值和建立的信道衰落模型，可以估算出移动终端与基站之间的距离，根据多个距离值可以估算移动终端的位置。,28,2. 2 场强模型定位（2）,影响场强精度主要由以下几个方面的因素：基本中值路径损耗、郊区/市区地形地物、地球曲率、建筑物的密度、基站天线有效高度和移动终端天线高度。场强模型定位的反应速度比Cell-ID稍慢，因具体实现过程和算法不同而不同。场强模型定位相对来说容易实施，费用较小，不需要对移动终端和基站硬件修改，只要对通信软件作一些修改。场强模型对大区制较适用，对微区、微微小区不很适用。,29,2. 3 到达时间(TOA)定位（1）,蜂窝系统到达时间定位的基本方法是同时从多个基站测量同
16、一个移动终端的发射信号到达的时间差，根据到达时间计算移动终端到基站的距离，再根据多个距离值估算移动终端的位置。 TOA定位的具体实现过程可以分为两个步骤。第一步是各基站测定待定移动终端定位信号到达本基站的绝对时间，并把这一时间数据发送给位置计算单元；第二步是位置计算单元根据各基站发送的数据，综合估算移动终端的位置。,30,2. 3 到达时间(TOA)定位（2）,同步精度和时间测量误差是影响TOA定位精度的关键。这一点实现起来相当困难。另外TOA定位至少要求三个基站同时参与定位计算，处理起来不很方便，并且要在每一个基站安装定位监测设备，费用很大。再者，在大区制蜂窝区，受Hearability因素
17、的影响，很难实现三个基站同时收到同一个移动终端的信号。在城区和郊区等无线电传播条件比较恶劣的区域，多径传播和NLOS传播，使得这一方法误差很大，因此TOA定位方法不适用微小区的移动终端定位。TOA定位精度比Cell-ID高，但反应速度较慢，一般要10s左右。,31,2. 4 到达时间差(TDOA)定位（1）,TDOA与TOA比较相似，主要不同点在于TDOA测量的是待定移动终端信号到达两基站的相对时延差，TOA是测量的待定移动终端信号到达各基站的绝对时延。因此，TOA建立的定位方程是以参与定位的基站坐标为圆心，绝对时间与无线电波传播速度的乘积为半径的圆方程组；TDOA建立的定位方程以两基站坐标为焦点，对应两基站的相对时延差与无线电波传播速度的乘积为距离的一组双曲线方程 。,
