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常用的移动定位方式

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发表于 2006-12-2 15:08:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
  由蜂窝移动通信网与GPS、地理信息系统(GIS)相结合所提供的移动定位业务,是未来移动运营商提供的一个重要支撑业务。该业务能够在目标移动台处于空闲或通话状态下获取其地理位置等信息。利用移动定位信息,运营商可以向用户提供各种移动数据增值业务,包括:紧急救援、车辆调度、汽车导航、物流、智能交通和位置环境信息查询等业务。1 常用的移动定位方式

  在蜂窝移动通信网中常用的移动定位方式为:

1.1 CELL-ID定位方式

  CELL-ID定位方式是最简单的一种定位方式,它根据目标移动终端所处小区标识(CELL-ID)来确定移动用户的位置。在蜂窝移动通信系统数据库(HLR或VLR)中登记有各移动终端所处蜂窝小区的小区标识,并在小区切换后及时进行更新。定位中心若需查寻某一目标移动终端的位置,只要查寻系统数据库,即可获得该移动终端所处的小区标识,定位中心可根据该基站小区的中心位置和覆盖范围对该移动终端进行定位。另外,若基站将小区位置信息广播给小区范围内所有的移动终端,这些移动终端用户就能知道自己的位置(间接自主定位)。

  CELL-ID定位方式基于网络定位方案,其主要优点是无需对移动网络与移动终端进行修改,易于实现;有很好的覆盖性与可靠性;响应时间短,整个定位过程仅需1秒左右。其缺点为定位精度较差且依赖于基站覆盖区域的大小,一般定位精度在数百米。在基站分布较少的地区,如郊区和农村很难获得理想的定位精度。

1.2 AoA 定位方式

  角度到达(AoA Arrival of An-gle)定位方式根据信号到达的角度(方向)来测定目标移动终端的位置。在AoA定位方式中,只要测量出目标移动终端距两个基站的信号到达角度,就可确定移动终端的位置。虽然在理论上讲这种信号到达角度的测量(即测向)在基站与移动终端均可进行,但测向需要采用定向天线,而移动终端不便采用定向天线。蜂窝移动网的AoA定位方式具体做法如图1所示,基站接收机利用基站天线阵列,通过对不同阵元所接收到的信号相位,测算出目标移动终端电波入射角,从而构成一条从基站接收机到目标移动终端发射机间的径向连线(测位线),目标移动终端的二维坐标为二条测位线的交点。

  AoA 定位方式基于网络定位方案,优点为改善了天线增益模式和话音质量,可以工作在话音信道上,无需高精度系统定时;其缺点为,需要基站天线阵列的支持,每个基站需要4~12组的天线阵列,实现比较复杂,投资较大。AoA定位方式受多径传播的影响最大,不适合用于高楼林立的城市等电波传播环境复杂的地区。而在郊区或农村,一般基站安装位置很高以提供大范围的覆盖,且移动终端受到的多径干扰较小,AoA测量不会有太大的误差,可达到100~200m的定位精度。

1.3 ToA定位方式

  抵达时间(ToA Time of Ar-rival)定位方式亦称为基站三角定位方式,通过测量从目标移动终端发射机发出的无线电波,到达多个(3个或3个以上)基站接收机的传播时间来确定目标移动终端的位置。电波传播速度已知为c(3×108m/s),假设目标移动终端与基站之间的传播时间为t,如图2所示,目标移动终端位于以基站为圆心,以移动终端到基站的电波传输距离ct为半径的定位圆上,则可由三个基站定位圆的交点来确定目标移动终端的二维位置。ToA定位方式要求目标移动终端发射机在发射信号中加有发射时间戳,以便根据该信号到达基站的接收时间来确定信号的传播时间。ToA定位方式的精度取决于各基站和目标移动终端的时钟的精度,以及各基站接收机和目标移动终端发射机时钟间的同步来实现精确的定位。若有1μs的时钟精度或同步误差将导致300m的定位误差。


  ToA定位方式基于网络定位方案,其优点为使用现有蜂窝移动通信网络与移动终端,在市区定位精度较高;其缺点为要求精确的时间同步,要用时间戳区分信号的发射时间(增加上行链路数据量),且响应时间较长。

1.4 TDoA定位方式

  抵达时差(TDoA Time Differ-ence of Arrival)定位方式通过测量目标移动终端发射机到达不同基站接收机的传播时差,而不是确切的时间,来确定目标移动终端的位置。故TDoA定位方式不需要移动终端与基站间的精确同步,亦不需要在上行信号中加时间戳,还可以消除或减少目标移动终端与基站间由于信道所造成的共同误差。如图3所示,在该定位方式中,将目标移动终端定位于两个基站为焦点的双曲线方程上。确定目标移动终端的二维坐标需要至少建立两个双曲线方程(至少3个基站),两条双曲线交点即为目标移动终端的二维坐标。


  上述TDoA定位方式基于网络定位方案,其优点为定位精度较高,不要求移动终端与基站之间的精确同步,易于实现,在非理想环境下性能相对优越;缺点是为了保证基站的定时精度,需改造基站设备。

1.5 A-GPS定位方式

  GPS的定位精度高,但响应时间较长。当GPS接收机启动后,对卫星的搜索时间很长甚至大于10分钟,这对于一些紧急应用,例如119报警显然是无法接受的。但是可以建立一个与移动通信网相连接的GPS参考网络,用以缩短GPS接收机的响应时间和提高定位精度。

  A-GPS(Assistant-GPS)定位是在手机中内置GPS接收机,在移动台网络定位与GPS参考网络辅助下进行GPS定位的综合定位技术。移动通信网将GPS参考网络所产生的辅助定位数据如差分校正数据、卫星运行状况等参数传送给移动台,再将移动网数据库中移动台的近似位置或基站小区的位置传送给移动台。移动台在接收到上述信息后,根据其近似位置和当前的卫星状态,可以在几秒钟内捕获到卫星的导航信号。移动台还根据GPS参考网络发来的差分校正数据用以校正定位数据,使得A-GPS达到最高的定位精确度:在室外可接收到卫星信号情况下,A-GPS定位精确度为5~30m。

1.6 GPSone定位方式

  GPSone为CDMA-1X网络中的一种定位方式,是基于GPS定位与网络定位的混合定位方式,该定位技术为A-GPS和基站三角定位技术的合成。由于CDMA-1X网络为同步网络,所有基站均采用GPS校准的精确时钟,GPSone平台根据基站下行信号的传播延时,加上A-GPS技术,可以快速、精确地计算出手机位置。其室外精度达10m左右,在收不到GPS信号的室内情况下也可达到50m左右。

1.7 指纹定位

  指纹定位亦称数据库相关定位,是新近提出的一种定位技术,它为不同位置发出的信号特征参数建立数据库,通过将实际接收信号与数据库中的信号特征参数进行对比来实现移动终端的定位。

  多径传播是造成定位误差的主要原因之一,如何采取适当措施降低多径传播的影响是提高定位精度的关键因素。而基于接收信号指纹的定位技术却恰恰利用多径传播来构建位置信息。这是因为多径对地形和传播时的障碍物具有依赖性,因此呈现出非常强的站点特殊性。对于每个位置而言,该信道的多径结构是唯一的,这样的多径特征可被认为是该位置的指纹。

  指纹定位的实施一般可以分为两个阶段:第一阶段为数据采集阶段,主要工作是采集所需定位区域各位置的信号特征参数,例如:信号场强、多径相角分量功率、多径迟延分量功率等,形成位置指纹数据库,每一组指纹信息对应一个特定的位置。第二阶段为实施阶段和完成定位阶段,利用接收机测定接收信号的参数,采用相应的匹配算法来确定与数据库中哪一组数据相匹配,从而得出用户的实际位置。

  指纹定位的优点是所需的定位基站少,一个基站即可实现定位,定位精度高,且不需要改变移动终端。其缺点为前期工作量很大,且不适合环境变化太快的区域。指纹定位的定位精度取决于数据库的大小,要提高测量精度,需要在离线阶段时对定位区域做详细的测量,建立庞大的数据库。数据库必须定期或不定期进行更新,因为一旦电波的传播环境发生改变,如新的高大建筑物出现、天气变化或室内布置的改变,接收参数亦为随着改变。
2 移动定位技术的发展与改进

  目前移动定位技术有两个发展方向:扩大定位网络的覆盖面和提高定位精度。大多数的移动定位方式需要有3个以上的基站信息。若在定位时参与的基站不够,则导致定位无法完成,这使定位的覆盖面受到限制。另外,由于无线电波传播环境的复杂性,影响定位精度的因素非常多,如何采取适当的措施减小电波传播的影响,是研究移动定位的重要课题。

2.1 基站分布对定位覆盖的影响

  基站分布是影响定位覆盖范围的重要因素。解决基站分布问题可采用基于GPS定位或者混合定位方式。在基站分布稀少的农村地区,GPS往往能较好地发挥作用。混合定位,如AoA定位和基于时间的定位相结合亦可有效解决基站分布问题,即使是一个基站亦能采用AoA+ToA(到达角度和时延)产生位置的估算结果。还可利用智能化算法提高定位的成功率,例如:在参与定位的基站数目不够的情况下,可利用移动终端先前位置、运动速度/方向、运动轨迹、小区切换等信息辅助定位。

  另外,即使有足够多的基站参与定位,定位基站的几何分布亦会影响到定位精度。对于这种情况的解决的办法是研究基站选择算法,在有多个基站参与定位时选取最佳的基站组合,并用于设计基站的架设和系统设计。

2.2 多径传播对定位精度的影响

  多径传播是由于在收、发信机周围存在各种静止和运动的物体,使无线电波经过反射、折射、衍射等多个途径到达接收机,使接收机接收到的信号为多个无线电信号的矢量和。对于时延小于一个码片的多径分量,CDMA接收机不能将其分离,从而使相关波形的峰值点出现偏离,造成ToA估算的误差。多径传播也是AoA定位误差的主要来源,目前已提出了多种抑制多径,提高定位精度的方法。例如:采用延迟锁相环分离时延小于一个码片时间的多径分量,以及Root-MUSIC、ESPRIT和扩展卡尔曼滤波(EKF)算法等。

2.3 NLOS传播对定位精度的影响

  NLOS(Non Line Of Sight)传播是由于地形或建筑物的阻挡,无线电波不能在移动终端与基站之间直线传播,而是经过反射或衍射非直线传播的。在这种情况下,信号实际传播距离和传播时间均比直线传播大,从而使实际测到的移动终端与基站之间的距离,远大于它们之间的直线(LOS)距离。为了抑制NLOS的影响,可先进行NLOS的识别,即测出在NLOS传播时多次距离测量值和直线距离的偏差值,然后对NLOS传播测量值进行校正,使用测量值的平滑与重构将NLOS测量校正到LOS附近。

2.4 多址干扰对定位测量的影响

  GSM与CDMA系统中都存在多址干扰,但在CDMA系统中的多址干扰要大得多,这是因为在CD-MA系统中各用户使用相同载频频率造成的。多址干扰会严重影响到达时间的粗捕获,亦会造成可测性的问题。对移动终端进行功率控制虽然能减少多址干扰,但功率控制只对服务的基站起作用,移动终端和非服务基站之间的信号还是很弱的,故往往造成定位的基站数目不够而无法定位。目前亦提出了许多解决该问题的方法,如在定位瞬间将移动终端发射功率提高到最大值,或让服务基站在一定时间内中断发送数据,以方便移动终端接收远方的基站数据等技术。

  由蜂窝移动通信网所提供的移动定位业务,是蜂窝移动通信网的一个重要支撑业务。其应用范围正在渗透到各行各业乃至人们的日常生活之中。随着3G技术的不断发展,移动定位业务普遍被业界看好,已成为众多移动增值业务中的一个亮点。预计未来的移动位置业务将成为仅次于语音业务的第二大业务,并将对人们的生活习惯产生革命性的影响。
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