試論無線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)

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

　　【關(guān)鍵詞】無線蜂窩通信系統(tǒng)　角度到達定位　抵達時間差定位

　　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)星信號處于遮擋狀態(tài)，此時為了獲得到目標(biāo)的準確信息，可以考慮采取其他的輔助定位方式。比如說，利用偽衛(wèi)星技術(shù)，該技術(shù)實質(zhì)上就是指安置在地面上的地基發(fā)射站，它發(fā)射的信號與GPS的信號相類似，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。此時可以考慮采用無線蜂窩通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在城市中應(yīng)用成熟，基站信號好。因基站可以發(fā)射信號，目標(biāo)可以利用基站的信號信息，確定目標(biāo)的位置，即可以采用無線蜂窩通信系統(tǒng)來彌補GPS定位技術(shù)的不足，從而準確獲取目標(biāo)的位置信息。

　　無線蜂窩通信系統(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)，即基于移動臺的定位技術(shù);一種是基于上行鏈路的定位技術(shù)，即基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。基于移動臺的定位技術(shù)要求移動臺參與定位參數(shù)的測量以及測量值的求解計算。基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出移動終端所處的位置，通常必須利用3個或3個以上蜂窩基站接收手機信號的定位參數(shù)，即到達時間、角度或強度。

　　1　基于移動臺的定位技術(shù)

　　現(xiàn)已提出的基于移動臺的方法主要有：基于下行鏈路增強觀測時間差定位方法、基于下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法、基于GPS作為輔助的定位技術(shù)等。

　　2　基于移動網(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定位和基于時間提前量定位的方法、上行鏈路信號到達時間定位方法、上行鏈路信號到達時間差定位方法以及上行鏈路信號到達角度定位方法等。

　　2.1　AOA

　　角度到達[1](AOA，Arrival of Angle)定位方式是根據(jù)信號到達的角度，測定出運動目標(biāo)的位置。在AOA定位方式中，只要測量出運動目標(biāo)與兩個基站的信號到達角度參數(shù)信息，就可以獲取目標(biāo)的位置。蜂窩移動網(wǎng)的AOA定位方式，指的是基站接收機利用基站的天線陣列，接收不同陣元的信號相位信息，并測算出運動目標(biāo)的電波入射角，從而構(gòu)成一根從接收機到發(fā)射機的徑向連線，即測位線，目標(biāo)終端的二維位置坐標(biāo)可通過兩根測位線的交點獲得。

　　2.2　TOA

　　抵達時間[2](TOA，Time of Arrival)定位方式也稱為基站三角定位方式，通過測量從運動目標(biāo)發(fā)射機發(fā)出的無線電波，到達多個(3個及以上)基站接受機的傳播時間，來確定出運動目標(biāo)的位置。已知電波傳播速度為c，假設(shè)運動目標(biāo)與基站之間的傳播時間為t，運動目標(biāo)位于以基站為圓心，以移動終端到基站的電波傳輸距離ct為半徑的定圓上，則可由3個基站定位圓的交點，來確定目標(biāo)移動的二維位置。TOA定位方式中，為了根據(jù)發(fā)射信號到達基站的接收時間，來確定出信號的傳播時間，要求運動目標(biāo)發(fā)射機在發(fā)射信號中，加有發(fā)射的時間戳信息。這種定位方式的定位精度取決于，各基站和運動目標(biāo)的時鐘的精度，以及各基站接收機和運動目標(biāo)發(fā)射機時鐘間的同步。

　　TOA算法要求參加定位的各個基站在時間上要嚴格同步，由于電磁波的傳播速率很高，微小的誤差將會在算法中放大，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使圓無法交匯，或者交匯處不是一點而是一個區(qū)域。因此TOA對系統(tǒng)同步的要求很高，并且需要在信號中加時間戳(要求基站之間的同步)，而實際參加定位的基站一般在3個以上，誤差是不可避免的。這時候可以利用GPS對基站進行校正并利用其他補償算法來估計位置，提高算法的精確度，但同時增加系統(tǒng)的開銷和算法復(fù)雜程度，因此單純的TOA算法在實際中應(yīng)用很少。

　　2.3　TDOA

　　抵達時差[3](TDOA，Time Difference of Arrival)定位方式通過測量目標(biāo)移動終端發(fā)射機到達不同基站接收機的傳播時差，來確定運動目標(biāo)的位置信息。TDOA定位方式中，不需要移動終端與基站間的精確同步，也不需要在上行信號中加時間戳信息，還可以消除或減少目標(biāo)移動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)移動終端定位于兩個基站為焦點的雙曲線方程上。確定目標(biāo)移動終端的二維坐標(biāo)需要至少建立兩個雙曲線方程(至少3個基站)，兩條雙曲線交點即為目標(biāo)移動終端的二維坐標(biāo)。

　　TDOA算法是對TOA算法的改進，他不是直接利用信號到達時間來確定目標(biāo)的位置信息，而是用多個基站接收到信號的時間差信息來確定目標(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臺到達2個基站的時間TOA信息，知道移動臺的坐標(biāo)位置，以及至少三個基站的坐標(biāo)位置，取其差值來獲得。這時仍需要基站時間的嚴格同步，但是當(dāng)兩基站間移動信道傳輸特性相似時，可減少由多徑效應(yīng)帶來的誤差。

　　第二種形式是在實際應(yīng)用中，往往很難做到基站與移動臺的同步，此時可以采用相關(guān)估計得到TDOA值，即將一個移動臺接收到的信號，與另一個移動臺接收到的信號進行相關(guān)運算，從而得到TDOA的值。這種算法可以在基站和移動臺不同步時，估計出TDOA的值，再進行定位計算能獲得較高精度。

　　對于蜂窩網(wǎng)中的移動臺定位而言，TDOA更具有實際意義，這種方法對網(wǎng)絡(luò)的要求相對較低，并且定位精度較高，目前已經(jīng)成為研究的熱點。

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

　?、倏梢栽谠捯艉涂刂菩诺郎线M行測量;

　　②適用于多種移動電話制式下實現(xiàn)該技術(shù)，不需要對蜂窩通信的標(biāo)準進行修改，容易在所有蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中擴展;

　?、蹖υ邢到y(tǒng)改動不大，不需要改變用戶端和蜂窩的基礎(chǔ)設(shè)施及蜂窩天線，安裝費用少;

　　④測試精度不受距離影響，對多徑干擾敏感度低;對功率變化不敏感，信號衰減對測時精度影響小;抗多徑效應(yīng)和市區(qū)遮擋效應(yīng)強，因此在信號接收去不會出現(xiàn)盲點;

　?、菅訒r小，其定位時間在3s之內(nèi)。

　　【參考文獻】

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　　[3]李嶸崢.無線蜂窩通信系統(tǒng)中移動臺定位技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2011，01，10.