试论无线蜂窝通信系统中的定位技术

宁静分享 2015-08-10 18:28:18

　　【摘　要】本文论述了无线蜂窝通信系统中的两种定位体制，并重点介绍基于移动网络定位技术的常用定位方法，即AOA、TOA、TDOA定位方法，同时分析各种定位方法的优缺点。

　　【关键词】无线蜂窝通信系统　角度到达定位　抵达时间差定位

　　要想获取到目标的具体位置信息，一般都是采用GPS定位信息，但当目标处在高楼耸立的城市之间，GPS的部分卫星信号处于遮挡状态，此时为了获得到目标的准确信息，可以考虑采取其他的辅助定位方式。比如说，利用伪卫星技术，该技术实质上就是指安置在地面上的地基发射站，它发射的信号与GPS的信号相类似，但该种技术需要架设额外的设施;采用DTV技术，由于大城市环境中，DTV设施资源也有限。此时可以考虑采用无线蜂窝通信系统，该系统在城市中应用成熟，基站信号好。因基站可以发射信号，目标可以利用基站的信号信息，确定目标的位置，即可以采用无线蜂窝通信系统来弥补GPS定位技术的不足，从而准确获取目标的位置信息。

　　无线蜂窝通信系统中的定位技术主要有两种体制。一种是基于下行链路的定位技术，即基于移动台的定位技术;一种是基于上行链路的定位技术，即基于移动网络的定位技术。基于移动台的定位技术要求移动台参与定位参数的测量以及测量值的求解计算。基于蜂窝网络的定位技术是指网络根据测量数据计算出移动终端所处的位置，通常必须利用3个或3个以上蜂窝基站接收手机信号的定位参数，即到达时间、角度或强度。

　　1　基于移动台的定位技术

　　现已提出的基于移动台的方法主要有：基于下行链路增强观测时间差定位方法、基于下行链路空闲周期观测到达时间差方法、基于GPS作为辅助的定位技术等。

　　2　基于移动网络的定位技术

　　基于蜂窝网络的定位方法目前主要有：基于Cell-ID定位和基于时间提前量定位的方法、上行链路信号到达时间定位方法、上行链路信号到达时间差定位方法以及上行链路信号到达角度定位方法等。

　　2.1　AOA

　　角度到达[1](AOA，Arrival of Angle)定位方式是根据信号到达的角度，测定出运动目标的位置。在AOA定位方式中，只要测量出运动目标与两个基站的信号到达角度参数信息，就可以获取目标的位置。蜂窝移动网的AOA定位方式，指的是基站接收机利用基站的天线阵列，接收不同阵元的信号相位信息，并测算出运动目标的电波入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即测位线，目标终端的二维位置坐标可通过两根测位线的交点获得。

　　2.2　TOA

　　抵达时间[2](TOA，Time of Arrival)定位方式也称为基站三角定位方式，通过测量从运动目标发射机发出的无线电波，到达多个(3个及以上)基站接受机的传播时间，来确定出运动目标的位置。已知电波传播速度为c，假设运动目标与基站之间的传播时间为t，运动目标位于以基站为圆心，以移动终端到基站的电波传输距离ct为半径的定圆上，则可由3个基站定位圆的交点，来确定目标移动的二维位置。TOA定位方式中，为了根据发射信号到达基站的接收时间，来确定出信号的传播时间，要求运动目标发射机在发射信号中，加有发射的时间戳信息。这种定位方式的定位精度取决于，各基站和运动目标的时钟的精度，以及各基站接收机和运动目标发射机时钟间的同步。

　　TOA算法要求参加定位的各个基站在时间上要严格同步，由于电磁波的传播速率很高，微小的误差将会在算法中放大，使定位精度大大降低。传播中的多径干扰、NLOS以及噪声等干扰造成的误差会使圆无法交汇，或者交汇处不是一点而是一个区域。因此TOA对系统同步的要求很高，并且需要在信号中加时间戳(要求基站之间的同步)，而实际参加定位的基站一般在3个以上，误差是不可避免的。这时候可以利用GPS对基站进行校正并利用其他补偿算法来估计位置，提高算法的精确度，但同时增加系统的开销和算法复杂程度，因此单纯的TOA算法在实际中应用很少。

　　2.3　TDOA

　　抵达时差[3](TDOA，Time Difference 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，来确定运动目标的位置信息。TDOA定位方式中，不需要移动终端与基站间的精确同步，也不需要在上行信号中加时间戳信息，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。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。

　　TDOA算法是对TOA算法的改进，他不是直接利用信号到达时间来确定目标的位置信息，而是用多个基站接收到信号的时间差信息来确定目标的位置信息，与TOA算法相比，它不需要加入专门的时间戳信息，定位精度也有所提高。TDOA值的获取目前一般都有以下两种形式：

　　第一种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA信息，知道移动台的坐标位置，以及至少三个基站的坐标位置，取其差值来获得。这时仍需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似时，可减少由多径效应带来的误差。

　　第二种形式是在实际应用中，往往很难做到基站与移动台的同步，此时可以采用相关估计得到TDOA值，即将一个移动台接收到的信号，与另一个移动台接收到的信号进行相关运算，从而得到TDOA的值。这种算法可以在基站和移动台不同步时，估计出TDOA的值，再进行定位计算能获得较高精度。

　　对于蜂窝网中的移动台定位而言，TDOA更具有实际意义，这种方法对网络的要求相对较低，并且定位精度较高，目前已经成为研究的热点。

　　从上面的分析可以看出，TDOA定位技术具有如下优点：

　　①可以在话音和控制信道上进行测量;

　　②适用于多种移动电话制式下实现该技术，不需要对蜂窝通信的标准进行修改，容易在所有蜂窝网通信系统中扩展;

　　③对原有系统改动不大，不需要改变用户端和蜂窝的基础设施及蜂窝天线，安装费用少;

　　④测试精度不受距离影响，对多径干扰敏感度低;对功率变化不敏感，信号衰减对测时精度影响小;抗多径效应和市区遮挡效应强，因此在信号接收去不会出现盲点;

　　⑤延时小，其定位时间在3s之内。

　　【参考文献】

　　[1]杨洪娟.蜂窝网络无线定位技术的研究[D].哈尔滨工业大学,2009,6.