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定位技術(shù)的應用及分類(lèi) 近年來(lái)，隨著(zhù)用戶(hù)需求的增加，無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，推動(dòng)了對無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的研究及測距技術(shù)的發(fā)展。如何盡可能地利用現存網(wǎng)絡(luò )資源，低成本地實(shí)現對用戶(hù)的精確定位一直是研究的焦點(diǎn)�？偟膩�(lái)說(shuō)，實(shí)現無(wú)線(xiàn)定位主要有兩大類(lèi)解決方案，第一類(lèi)是由移動(dòng)站(MS)主導的定位技術(shù)。單從技術(shù)角度講，這種技術(shù)更容易提供比較精確的用戶(hù)定位信息，它可以利用現有的一些定位系統，例如，在移動(dòng)站中集成GPS接收機，從而利用現成的GPS信號實(shí)現對用戶(hù)的精確定位。但這類(lèi)技術(shù)需要在移動(dòng)站上增加新的硬件，這將對移動(dòng)站的尺寸和成本帶來(lái)不利的影響。第二類(lèi)是由基站(BS)主導的定位技術(shù)，這種解決方案需要對現存的基站、交換中心作出某種程度的改進(jìn)，但它可以兼容現有的終端設備。其可選用的具體實(shí)現技術(shù)主要包括：測量信號方向(信號的到達角度，簡(jiǎn)稱(chēng)AOA)的定位技術(shù)、測量信號功率的定位技術(shù)、測量信號傳播時(shí)間特性(到達時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)TOA；到達時(shí)間差，簡(jiǎn)稱(chēng)TDOA)的定位技術(shù)。為了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面數種技術(shù)的組合。由于第二類(lèi)的解決方案能更好的利用現有的網(wǎng)絡(luò )及其終端設備，因而具有更廣泛的應用前景，所以本文將以它作為討論的主要內容。 測量接收信號功率的定位技術(shù) 依據接收到的無(wú)線(xiàn)信號的功率是來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)定位的一種常用的方法。通過(guò)測量基站(BS)收到的來(lái)自移動(dòng)站(MS)的信號功率，以及它們之間無(wú)線(xiàn)信道的傳輸模型，可以估計出移動(dòng)站到基站的大致距離為d。這樣對一個(gè)基站BS(i)來(lái)講，移動(dòng)站必處于以BS(i)為圓心，d為半徑的圓上。當采用三個(gè)或三個(gè)以上的基站對同一個(gè)移動(dòng)站進(jìn)行測距時(shí)，即可以測得該移動(dòng)站的所在位置。 在這種方法中，無(wú)線(xiàn)信號傳輸過(guò)程中的多徑效應和通過(guò)障礙時(shí)產(chǎn)生的陰影效應是產(chǎn)生定位誤差的主要原因。在信號的傳輸方向上，多徑效應有時(shí)會(huì )使在相距僅0.5個(gè)波長(cháng)的兩點(diǎn)上信號強度相差30～40dB左右。為了克服多徑效應對測距的影響，對高速移動(dòng)中的無(wú)線(xiàn)用戶(hù)可以通過(guò)求得其信號功率的平均值來(lái)提高定位的準確性，但對于緩慢移動(dòng)甚至靜止的無(wú)線(xiàn)用戶(hù)有效的功率平均值是很難測得的。陰影效應是產(chǎn)生定位誤差的另一個(gè)主要原因，克服陰影效應的最主要的方法是預先測量每個(gè)基站周?chē)男盘柟β蕮p耗等高線(xiàn)。 在實(shí)際應用的CDMA系統中，為了減小近距離用戶(hù)對遠距用戶(hù)的干擾，必須要采用功率控制技術(shù)，在一些TDMA系統中，為了減小移動(dòng)站(MS)的功耗也應用了功率控制。在這樣的采用功率控制的蜂窩系統中，要實(shí)現用測量信號功率為基礎的定位技術(shù)，移動(dòng)站必須以足夠高的精度告知基站其發(fā)射信號的功率，基站再由接收到的信號功率計算出信號傳輸過(guò)程中的損耗，進(jìn)而推算出移動(dòng)站到基站的距離估值，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的定位。 測量接收信號方向(AOA)的定位術(shù) 測量信號的到達角度(Angle Of Arr技ive，簡(jiǎn)稱(chēng)AOA)也是一種在蜂窩網(wǎng)中常用的定位技術(shù)。這種方法需要在基站采用專(zhuān)門(mén)的天線(xiàn)陣列來(lái)測量特定信號的來(lái)源方向。對于一個(gè)基站來(lái)講，AOA測量可以得出特定移動(dòng)站所在方向，當兩個(gè)基站同時(shí)測量同一移動(dòng)站所發(fā)出的信號時(shí)，兩個(gè)基站各自測量AOA所得的方向直線(xiàn)的焦點(diǎn)就是移動(dòng)站所在的位置。盡管這種定位方法的原理非常簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的應用中存在一些難以克服的缺點(diǎn)。首先，AOA定位要求被測量的移動(dòng)站與參與測量的所有基站之間，射頻信號是視線(xiàn)傳輸(LOS)的。非視線(xiàn)傳輸(NLOS)將會(huì )給AOA定位帶來(lái)不可預測的誤差，參見(jiàn)圖1。 即使是在以L(fǎng)OS傳輸為主的情況下，射頻信號的多徑效應依然會(huì )干擾AOA的測量。其次，由于天線(xiàn)設備角分辨率的限制，AOA的測量精度是隨著(zhù)基站與移動(dòng)站之間的距離的增加而不斷減小的。 由于測量AOA的定位方法具有上述的特點(diǎn)，所以對于處于城市地區的微小區來(lái)講，引起射頻信號反射的障礙物多且其到移動(dòng)站的距離與小區半徑可以相比，這樣就會(huì )引起比較大的角測量誤差。在這種情況下，基于A(yíng)OA的定位方法沒(méi)有實(shí)際的意義。對于宏小區，因為其基站一般處于比較高的位置，與小區的半徑相比，引起射頻信號反射的障礙物多位于移動(dòng)站附近，NLOS傳輸引起的角測量誤差比較小。所以測量信號到達角度的定位方法多用于宏小區，或者與其他定位技術(shù)混合使用來(lái)提高定位的精度。 測量信號傳播時(shí)間特性的定位技術(shù) 最后一類(lèi)主要的定位技術(shù)是通過(guò)測量基站到移動(dòng)站之間射頻信號傳輸時(shí)間特性來(lái)實(shí)現的。這類(lèi)定位技術(shù)實(shí)現起來(lái)比較容易，與AOA相比較，在同等條件下(參與定位的基站數目相同)能夠提供更高的定位精度，因而在實(shí)際中應用得最廣泛。它主要有兩種具體的實(shí)現手段。第一種是測量信號到達時(shí)間(TOA)，即由基站向移動(dòng)站發(fā)出特定的測距命令或指令信號，并要求移動(dòng)站對該指令進(jìn)行響應�；緯�(huì )紀錄下由發(fā)出測距指令到收到移動(dòng)站確認信號所花費的時(shí)間T，該時(shí)間主要由射頻信號在環(huán)路上的傳播時(shí)延、移動(dòng)站的響應時(shí)延和處理時(shí)延、基站的處理時(shí)延組成。如果能夠準確地得到移動(dòng)站和基站的響應和處理時(shí)延，就可以算出射頻信號的環(huán)路傳播時(shí)延Td。因為無(wú)線(xiàn)電波在空氣中以光速c傳播，所以基站與移動(dòng)站之間的距離估值dm=c*Td/2。當有三個(gè)基站參與測量時(shí)，就可以根據三角定位法來(lái)確定移動(dòng)站所在的區域，如圖2所示。 由于這種定位方法是以時(shí)間為基準的，多徑效應和非視線(xiàn)傳輸(NLOS)所帶來(lái)的傳輸時(shí)延增加是產(chǎn)生測距和定位誤差的主要原因，所以在實(shí)際的系統中，測距結果dm一般都要大于基站與移動(dòng)站之間的實(shí)際距離d。為了克服NLOS以及多徑效應帶來(lái)的不利影響，提高定位精度，參與同次定位的基站數目N一般都要大于3，這樣可以縮小圖2中陰影區域的面積。另外對于每次測量的結果都要應用一些定位算法，使定位估計值在某種準則下達到誤差最小。例如，T是每個(gè)基站測得的TOA，i為參與測量的基站編號，在某坐標系下，移動(dòng)站的位置估計是(x，y)，基站i的位置是(xi，yi)。以函數fi=c*Ti-作為基站BS測距的性能測度，也就是基站BS的測距誤差。在理想狀態(tài)下，即當(x，y)是移動(dòng)站的實(shí)際位置，并且移動(dòng)站到每一個(gè)基站無(wú)線(xiàn)信號都是視線(xiàn)傳輸(LOS)的，那么對每一個(gè)參與測量的基站來(lái)講，fi應該為零。但在實(shí)際中，由于受到NLOS傳輸和多徑效應的影響，一般不可能求得(x，y)使fi=0(i=1，2，...，N)都成立。所以整個(gè)定位系統來(lái)講，可以用參與定位的基站的測距誤差的加權平方和F作為系統性能測度函數，并以使F最小的(x，y)作為一次定位測量的結果。式中ai是基站BS在測量結果中的加權系數，其大小反映了BS到MS測距的精確性和可信程度。 另一種基于信號傳輸時(shí)間特性的定位方法是測量不同基站接收到同一移動(dòng)站的定位信號的時(shí)間差(TDOA)，并由此計算出移動(dòng)站到不同基站的距離差。移動(dòng)站到任何兩個(gè)基站的距離差d可以在兩個(gè)基站之間給出一條雙曲線(xiàn)，移動(dòng)站一定處于該曲線(xiàn)之上。當同時(shí)有N個(gè)基站參與測距時(shí)(N≥3)，由多個(gè)雙曲線(xiàn)之間的交匯區域就是對用戶(hù)位置的估計，如圖3所示。這種方法要求所有參與測量的基站的時(shí)鐘是嚴格同步的。與TOA相比，它的主要好處是不需要精確地求得基站和移動(dòng)站的響應和處理時(shí)延。與TOA一樣，TDOA的定位誤差也是主要來(lái)自射頻信號的非視線(xiàn)傳輸和多徑效應。解決這一問(wèn)題的主要途徑也是通過(guò)增加參與定位的基站數目和采用高精度的估計算法。 結束語(yǔ) 本文主要介紹了數種利用現有蜂窩系統中向用戶(hù)提供定位服務(wù)的基本方法，這些方法不需要改動(dòng)現有的移動(dòng)通信終端，但它們都需要對現有的網(wǎng)絡(luò )設備做出某種程度的改進(jìn)。在實(shí)際的系統中，可以根據用戶(hù)對定位精度的要求、無(wú)線(xiàn)傳輸的環(huán)境、成本的變化來(lái)選用一種或幾種技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現對用戶(hù)的定位。一般說(shuō)來(lái)，TOA/TDOA能夠提供比較高的定位精度，并且也較容易實(shí)現，因而應用較為廣泛，現存的CDMA系統多采用這種方法。 參考文獻 1 Domenico Porcino. Philips Research Laboratories. “Standardisation of Location Technologies”Mobile Location Wrokshop June 2001 2 James J. Caffery. Jr. and Gordon L. Stuber.“Overview of Radiolocation in CDMA Cellular Systems”. IEEE Communications Magazine April 1998 pp.38 - 45 3 “An Overview of Wireless Indoor Geolocation Techniques and Systems”. Kaven Pahlavan. Xinrong Li. Mika Ylianttila. Ranvir Chana. And Matti Latva-aho. Mobile and Wireless Communications Networks. IFIP-TC6/European commission NETWORKING 2000 International Workshop. MWCN 2000. Paris France. May 2000 |
