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1、成都工业学院 通信工程系毕业设计论文毕业设计（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
2、为GPS的广泛应用开拓了更广阔的前景。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 II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
3、系统功能52.3 GSM网络系统构成5第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16
4、3.5.7 AFLT定位技术163.5.8 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31II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
5、误救援工作。方便快捷地向移动目标提供与目标所处位置相关的信息，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
6、展，也为实现系统功能和系统成本之间的平衡提供了很好的技术支持。 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
7、个方面： （1）基于3GPP协议的定位结构的设计。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
8、车辆定位系统，随后该技术在公共交通、出租车调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
9、和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作。全球三大通信厂商: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(
10、MS、也称定位节点)的位置估计。 2)和网络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
11、来获得，最终系统根据每个接收器测量到的移动终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
12、蜂窝移动通信系统发展成第二代的数字蜂窝移动通信系统。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，
13、三者之间的主要区别是工作频段的差异。蜂窝移动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
14、是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，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
15、国手机用户2亿，比2001年年底新增5509.2万。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，
