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1、蜂窝无线定位技术的研究引言在美国，911是非常重要、也非常知名的紧急求助电话。每当人们在遇到紧急情况时总是会想到它。不管用户处于何地，只要使用有线电话拨打这个号码，系统便可以在接通电话的同时，用非常短的时间确定用户所在地，并从数据库中获取一些相关的信息，为救援人员提供重要的帮助。这项紧急求助电话业务，有效地保护了公众的人身和财产安全。这就是我们平时所讲的定位技术。随着移动通信的发展,无线蜂窝网的覆盖面越来越广,移动电话的普及率越来越高，移动电话呼叫“110”、“120”、“119”等报警电话求援的比例大幅上升,移动电话在报告突发事件中的地位也就越来越重要。因此，蜂窝移动通信网络对拨打紧急呼叫电
2、话的用户具有定位能力是非常有意义的。近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。美国联邦政府通信委员会(FCC)于1996年10月颁布了无线E911(Emergency call 911）呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM、IS-95 CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。例如，全球三大通信厂商爱立信、摩托罗拉和诺基亚就于2000年10月成立了“位置信息互操作论坛LIF（Locati
3、on 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业务。另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。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，运营商可以为用户提供各种增值业务，如智能交通、紧急情况救援、位置环境信息查询、广告发布等等，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。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发展起来。到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未
4、来的几年里内，基于蜂窝移动定位技术的移动业务将得以迅猛发展。1 无线定位的介绍无线定位就是在一定范围内确定蜂窝移动电话用户的地理位置。无线定位服务的巨大魅力正是在于能在正确的时间、正确的地点把正确的信息发送给正确的人。1.1 无线定位出现的背景与原因(1)政府法规:FCC于1996年6月采用了一条规定，要求所有的移动网络运营商必须对一切“911”呼叫紧急服务提供位置信息。(2)客户需求:对于手机用户来说，实现无线定位可以在获得原有的话音服务之外，获得基于位置的服务。(3)运营商之间的竞争:对于移动通信网络运营商来说，这无疑会为他们找到更多的经济增长点，增强了移动通信网络运营商之间的竞争力。(4
5、)技术进步:手机、网络和定位技术现在取得的持续进步，使得实现无线定位在技术上成为可能。1.2 无线定位的应用领域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。目前来说，无线定位常应用在以下一些方面:1.2.1 跟踪业务警方对犯罪嫌疑人的追踪、走失儿童和老人的寻找；车辆运行线路的监控；追踪丢失了的移动台及拖欠巨额话费的移动台；交通部门可以通过车上的移动终端设备，通过定位系统测出某道路的车流量，对交通状况进行实时的监控，并向该区域内的司机报告道路的拥塞情况等。1.2.2 基于位置的收费标准在计费时，可以根据所在位置的不同，来收取不同的通话费。这样，可以有效地提高蜂窝系统的运营竞争力，吸引更多
6、的新用户，刺激用户的消费，达到调节蜂窝系统容量、提高系统竞争力的目的。1.2.3 智能交通运输系统智能交通系统能够方便的提供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务，改变以前频带资源浪费、投资过多的状况。例如，出租公司可以利用Location Finder将出租车派往需要服务的最近的地点。1.2.4 优化网络资源管理精确监测移动台，网络可以更好地决定进行小区切换的最佳时刻。同时，根据其位置动态地分配各信道，有效地提高了频谱的利用率。从长远来说，通过对移动台的长期定位观察可以为系统蜂窝的合理布局、构建以及系统资源配置等提供重要的实践数据，使蜂窝系统高效运行，并逐步趋于完善。1.2.5 信息查询服务移
7、动定位技术从传统的导航功能逐渐扩展到基于位置信息增值业务的载体。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，将从各接收信号携带的某种与移动台位置由关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。移动用户可以根据自己的终端设备，查询自己需要的信息。比如外出旅游时，查询最近的饭店、接收当地的天气、获得路况信息；在异地身体不适时，查询附近的医院等。这种信息查询服务对于用户来说，是很常用的，能为人们的生活带来极大的方便。1.2.6 公共安全应用当用户在遇到一些紧急情况而又不知道或无法告知位置时，只要其手机支持支持位置服务，可以进行紧急呼叫来保障自己的人身安全。当呼叫人员
8、的位置被确定以后，就可以在较短的时间内实施快捷、有效的救援计划，大大提高了救援的成功率。除此之外，无线定位技术还可以用于报警信息的发布，向危险地区的移动用户发布火山爆发、洪水、山体滑坡、道路危险等信息。因此，在蜂窝系统中，定位与紧急呼叫的结合是很有必要的。1.2.7 移动终端防盗打管理采用无线定位技术，通信运营部门可以有效地对盗打现象进行监测和制止。当发现盗打号码现象发生时，可以在不禁止移动电话使用的前提下，利用无线网络自己记录盗打的准确时间和地点。同时，这也为司法机关破案提供了一个更有力的证据。1.3 现有的无线定位方案蜂窝移动通信在全球范围内应用广泛，有很多成功的商用系统，因此在蜂窝移动通
9、信系统中应用无线定位技术有很大意义和价值。根据进行定位估计的位置的不同，可以将定位系统分为以下几类。1.3.1 基于移动台的定位系统移动用户基站2222同步信号基站3基站1图1 基于移动台的定位方案在蜂窝网络中，这类系统也称为前向链路定位系统。如图1所示。携带与移动台位置有关的特征信息，通过多个已知位置的发射机发射给移动台。移动台根据其所接收到的信号，确定其与各发射机之间的几何位置关系。接着，移动台根据一些相关算法，对其自身位置进行定位估计，由移动台自身掌握其自己的位置信息。1.3.2 基于网络的定位系统在蜂窝网络中，这类系统也称为反向链路定位系统。如图2所示。基站3基站1定位中心移动用户同步
10、信号基站2图2 基于网络的定位方案多个固定位置的接收机，同时检测移动台所发射的信号。接着，将各接收信号携带的某种与移动台位置由关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，最后计算出移动台的估计位置。1.3.3 混合定位系统混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中。例如综合AOA和TDOA，由于这种方法充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差，因此具有比较高的准确度。如果把GPS定位技术和GSM系统定位技术应用相结合，则实现的定位精度和定位应用会更好，见图3。图3 混合定位示意图从上述各定位系统的基本特征可以看出，采用基于移动台的定位方案,必须对现有的移动台进行适当的修改，还
11、必须用适当方式将定位信息传送回蜂窝网络。基于网络的定位方案只需要对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，并不需要对移动台作修改，能充分利用现有蜂窝系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，因而是开展移动定位服务的首选。2 现有的无线定位技术蜂窝移动通信系统中,一些基本的定位技术主要有以下几种。2.1 全球定位系统GPS(Global Positioning System）无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的，全球定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃。全球卫星定位系统GPS是美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，民用GPS一般可以获得5-40米的精度。定位一般采用
12、四颗定位卫星，GPS定位是基于到达时间（TOA）机理。四个卫星定位，接收机的位置和时钟偏差表达式见（1）（4）。 （1） （2） （3） （4）其中、为已知卫星，、为测量出的伪距，为光速，为已知卫星时钟与GPS时间偏差，为未知位置接收机与GPS时间偏差。卫星的时钟偏差由接收机从卫星导频信息中取得。平方根项代表卫星与接收机之间的距离。2.2 辅助全球定位系统A-GPS(Assisted Global Positioning System)GPS移动用户定位计算提供辅助数据测量单元BTS图4 A-GPS原理图采用GPS直接对MS定位，首次定位可能需要时间较长。利用辅助GPS定位，传输一些辅助数据，
13、这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口，减少定位所需时间2。A-GPS是网络辅助GPS，如图4所示。2.3 根据起源蜂窝小区COO(Cell of Origin)COO技术无需对手机和网络进行修改，因此它可以被用来向当前的移动用户提供位置发现系统。但是，COO与其它技术相比，其精度却是最低的。在这个系统中，移动网络基站所在的蜂窝小区作为呼叫者的定位单位。这样，定位精度就必需取决于小区的大小。COO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COO不用对手机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。2.4 根据增强观测时间差E-OTD(Enhanced Obser
14、ved Time Difference)E-OTD是通过放置位置接收器或参考点实现的，这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上，作为位置测量单元覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源，当手机和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达手机和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值可以被用来产生几组交叉双曲线，并由此估计出手机的位置。E-OTD会受到多径效应的影响，多径将会扭曲信号传输路径并加入延迟，导致E-OTD在决定信号观测点上比较困难。E-OTD方案可以提供比COO高得多的定位精度，在50米到125米之间。但是它的响应速度较慢，往往需要约5秒的时间。另外，它需要对手机
15、进行改进。2.5 根据波达时间TOA(Time of Arrival)和波达时差TDOA(Time Different of Arrival)图5 TOA示意图BTS2BTS3BTS1图6 TDOA示意图基于网络的定位系统中常采用精度较高的TOA和TDOA定位法，如图5及图6所示。TOA中，移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。在多个基站进行上述运算，则移动台的位置可以由三个圆的交点确定。TOA要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精确的时钟。TOA提供的定位精度毕COO高，但是它的响应时间比COO或E-OTD更长（约10s）。TDOA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的位置，这也就降低了对时间同步的要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的位置需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线的交点即为移动台的位置1。2.6 根据到达角AOA(Angle of Arrival)在基站通过阵列天线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，两根连线的交点即为待定移动台的位置。如图7所示。B-A
