試論無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)

　　【摘　要】本文論述了無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中的兩種定位體制，并重點(diǎn)介紹基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的常用定位方法，即AOA、TOA、TDOA定位方法，同時(shí)分析各種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　【關(guān)鍵詞】無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)　角度到達(dá)定位　抵達(dá)時(shí)間差定位

　　要想獲取到目標(biāo)的具體位置信息，一般都是采用GPS定位信息，但當(dāng)目標(biāo)處在高樓聳立的城市之間，GPS的部分衛(wèi)星信號(hào)處于遮擋狀態(tài)，此時(shí)為了獲得到目標(biāo)的準(zhǔn)確信息，可以考慮采取其他的輔助定位方式。比如說(shuō)，利用偽衛(wèi)星技術(shù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是指安置在地面上的地基發(fā)射站，它發(fā)射的信號(hào)與GPS的信號(hào)相類似，但該種技術(shù)需要架設(shè)額外的設(shè)施;采用DTV技術(shù)，由于大城市環(huán)境中，DTV設(shè)施資源也有限。此時(shí)可以考慮采用無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在城市中應(yīng)用成熟，基站信號(hào)好。因基站可以發(fā)射信號(hào)，目標(biāo)可以利用基站的信號(hào)信息，確定目標(biāo)的位置，即可以采用無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)GPS定位技術(shù)的不足，從而準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的位置信息。

　　無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)主要有兩種體制。一種是基于下行鏈路的定位技術(shù)，即基于移動(dòng)臺(tái)的定位技術(shù);一種是基于上行鏈路的定位技術(shù)，即基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)?；谝苿?dòng)臺(tái)的定位技術(shù)要求移動(dòng)臺(tái)參與定位參數(shù)的測(cè)量以及測(cè)量值的求解計(jì)算。基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出移動(dòng)終端所處的位置，通常必須利用3個(gè)或3個(gè)以上蜂窩基站接收手機(jī)信號(hào)的定位參數(shù)，即到達(dá)時(shí)間、角度或強(qiáng)度。

　　1　基于移動(dòng)臺(tái)的定位技術(shù)

　　現(xiàn)已提出的基于移動(dòng)臺(tái)的方法主要有：基于下行鏈路增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差定位方法、基于下行鏈路空閑周期觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差方法、基于GPS作為輔助的定位技術(shù)等。

　　2　基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

　　基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方法目前主要有：基于Cell-ID定位和基于時(shí)間提前量定位的方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差定位方法以及上行鏈路信號(hào)到達(dá)角度定位方法等。

　　2.1　AOA

　　角度到達(dá)[1](AOA，Arrival of Angle)定位方式是根據(jù)信號(hào)到達(dá)的角度，測(cè)定出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。在AOA定位方式中，只要測(cè)量出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與兩個(gè)基站的信號(hào)到達(dá)角度參數(shù)信息，就可以獲取目標(biāo)的位置。蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的AOA定位方式，指的是基站接收機(jī)利用基站的天線陣列，接收不同陣元的信號(hào)相位信息，并測(cè)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的電波入射角，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線，即測(cè)位線，目標(biāo)終端的二維位置坐標(biāo)可通過(guò)兩根測(cè)位線的交點(diǎn)獲得。

　　2.2　TOA

　　抵達(dá)時(shí)間[2](TOA，Time of Arrival)定位方式也稱為基站三角定位方式，通過(guò)測(cè)量從運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)線電波，到達(dá)多個(gè)(3個(gè)及以上)基站接受機(jī)的傳播時(shí)間，來(lái)確定出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。已知電波傳播速度為c，假設(shè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與基站之間的傳播時(shí)間為t，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位于以基站為圓心，以移動(dòng)終端到基站的電波傳輸距離ct為半徑的定圓上，則可由3個(gè)基站定位圓的交點(diǎn)，來(lái)確定目標(biāo)移動(dòng)的二維位置。TOA定位方式中，為了根據(jù)發(fā)射信號(hào)到達(dá)基站的接收時(shí)間，來(lái)確定出信號(hào)的傳播時(shí)間，要求運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號(hào)中，加有發(fā)射的時(shí)間戳信息。這種定位方式的定位精度取決于，各基站和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)鐘的精度，以及各基站接收機(jī)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘間的同步。

　　TOA算法要求參加定位的各個(gè)基站在時(shí)間上要嚴(yán)格同步，由于電磁波的傳播速率很高，微小的誤差將會(huì)在算法中放大，使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS以及噪聲等干擾造成的誤差會(huì)使圓無(wú)法交匯，或者交匯處不是一點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域。因此TOA對(duì)系統(tǒng)同步的要求很高，并且需要在信號(hào)中加時(shí)間戳(要求基站之間的同步)，而實(shí)際參加定位的基站一般在3個(gè)以上，誤差是不可避免的。這時(shí)候可以利用GPS對(duì)基站進(jìn)行校正并利用其他補(bǔ)償算法來(lái)估計(jì)位置，提高算法的精確度，但同時(shí)增加系統(tǒng)的開(kāi)銷和算法復(fù)雜程度，因此單純的TOA算法在實(shí)際中應(yīng)用很少。

　　2.3　TDOA

　　抵達(dá)時(shí)差[3](TDOA，Time Difference of Arrival)定位方式通過(guò)測(cè)量目標(biāo)移動(dòng)終端發(fā)射機(jī)到達(dá)不同基站接收機(jī)的傳播時(shí)差，來(lái)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息。TDOA定位方式中，不需要移動(dòng)終端與基站間的精確同步，也不需要在上行信號(hào)中加時(shí)間戳信息，還可以消除或減少目標(biāo)移動(dòng)終端與基站間由于信道所造成的共同誤差。在該定位方式中，將目標(biāo)移動(dòng)終端定位于兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上。確定目標(biāo)移動(dòng)終端的二維坐標(biāo)需要至少建立兩個(gè)雙曲線方程(至少3個(gè)基站)，兩條雙曲線交點(diǎn)即為目標(biāo)移動(dòng)終端的二維坐標(biāo)。

　　TDOA算法是對(duì)TOA算法的改進(jìn)，他不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)的位置信息，而是用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差信息來(lái)確定目標(biāo)的位置信息，與TOA算法相比，它不需要加入專門的時(shí)間戳信息，定位精度也有所提高。TDOA值的獲取目前一般都有以下兩種形式：

　　第一種形式是利用移動(dòng)臺(tái)到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間TOA信息，知道移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)位置，以及至少三個(gè)基站的坐標(biāo)位置，取其差值來(lái)獲得。這時(shí)仍需要基站時(shí)間的嚴(yán)格同步，但是當(dāng)兩基站間移動(dòng)信道傳輸特性相似時(shí)，可減少由多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差。

　　第二種形式是在實(shí)際應(yīng)用中，往往很難做到基站與移動(dòng)臺(tái)的同步，此時(shí)可以采用相關(guān)估計(jì)得到TDOA值，即將一個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)，與另一個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而得到TDOA的值。這種算法可以在基站和移動(dòng)臺(tái)不同步時(shí)，估計(jì)出TDOA的值，再進(jìn)行定位計(jì)算能獲得較高精度。

　　對(duì)于蜂窩網(wǎng)中的移動(dòng)臺(tái)定位而言，TDOA更具有實(shí)際意義，這種方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求相對(duì)較低，并且定位精度較高，目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

　　從上面的分析可以看出，TDOA定位技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?、倏梢栽谠捯艉涂刂菩诺郎线M(jìn)行測(cè)量;

　?、谶m用于多種移動(dòng)電話制式下實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，不需要對(duì)蜂窩通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，容易在所有蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中擴(kuò)展;

　?、蹖?duì)原有系統(tǒng)改動(dòng)不大，不需要改變用戶端和蜂窩的基礎(chǔ)設(shè)施及蜂窩天線，安裝費(fèi)用少;

　?、軠y(cè)試精度不受距離影響，對(duì)多徑干擾敏感度低;對(duì)功率變化不敏感，信號(hào)衰減對(duì)測(cè)時(shí)精度影響小;抗多徑效應(yīng)和市區(qū)遮擋效應(yīng)強(qiáng)，因此在信號(hào)接收去不會(huì)出現(xiàn)盲點(diǎn);

　?、菅訒r(shí)小，其定位時(shí)間在3s之內(nèi)。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]楊洪娟.蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009,6.

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　　[3]李嶸崢.無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2011，01，10.