无线定位系统及其关键技术分析

2019-11-03 09:12:59

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供稿：网友

谢新梅宋荣方

南京邮电学院通信与信息系统专业

　　摘要：本文首先介绍了无线定位系统体系结构，接着分析其关键技术(基于终端和基于网络的定位技术)和性能，最后简要讨论了基于位置的移动定位服务发展优势及应用前景。

　　关键词：基于位置的服务LBS，辅助GPS，增强型观察时间差E－OTD，公共安全应答点PSAP，首次锁定时间TTFF

1 引言

　　地理定位、方位定位和无线定位这些名词今天被广泛地用来描述确定一个移动台(MS)所在位置的能力。位置一般包含了和MS有关的坐标，坐标可以是二维或三维的，通常包含了与MS所在位置的经度和纬度的有关信息。无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的。全球定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度提高，精度可达10米以内。国外对于无线定位在移动通信中的应用也有所要求，例如，美国联邦通信委员会（FCC）强制要求所有无线业务提供商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作。全球三大通信厂商:爱立信、摩托罗拉和诺基亚于2000年10月成立了"位置信息互操作论坛LIF（Location InterOperability Forum）"，其目标是在全球范围内的无线网络和终端上提供基于位置的服务LBS(Location Based Service)。欧洲电信标准化协会ETSI对GSM系统的无线定位也提出了一系列标准。GPS已经成为室内环境中一项非常成功的定位技术，而现今GPS与无线网络融合起来形成的LBS热，使得移动定位服务产业作为最具有潜力的移动增值业务而迅速发展。

2 无线定位系统体系结构

　　无线定位系统的功能性体系结构必须具备两个功能单元：1）移动台(MS)的位置估计，2）和网络共享某些属性的此位置估计信息。定位系统测量来自移动终端的无线电波的有关参数，同时系统测量某些固定接收器或者某些固定发送器发送到移动接收器的无线电波参数。因此有两种办法可以获得对MS的实际位置信息的估计：①自我定位系统，即常被称为基于移动终端为中心的定位系统，MS通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置(例如GPS接收器)。②远距离定位系统，即常被叫做基于网络的定位系统，它采用很多地理定位基站(GBS)一起来确定MS位置,可以通过分析接收信号的强度、信号相位以及到达时间等属性来确定MS的距离，至于MS的方向则可以通过接收信号的到达角来获得，最终系统根据每个接收器测量到的移动终端的距离或者方向来联合计算移动终端的位置。自我定位系统也可以使用相似的方法。

　　图1演示了一个无线定位系统体系结构的例子。一个定位服务提供商为用户提供位置信息和位置感知服务。每当用户提出申请要求有关某个MS的位置信息时，定位服务提供商将首先联络位置控制中心，查询MS的位置坐标。用户可能是希望跟踪某一移动设备的商业用户，或者是试图应答一个E-911电话的公共安全应答点PSAP (Public Safety Answering Point)。然后位置控制中心收集所需的信息来计算MS的位置，此信息可能是诸如接收信号强度、BS ID、信号的TOA等参数。根据MS过去的信息，一系列BS可被用来寻呼MS，并且直接或者间接获得定位参数。这些BS有时候被称为地理定位基站(GBS)。一旦收集到这些信息，位置控制中心就能够以某一精确度确定MS的位置，并且把此信息反馈给定位服务提供商。服务提供商然后可以利用此信息为用户可视化显示MS的位置。

图1 无线定位系统体系结构

　　为了提供无线定位服务，传统的移动网络的骨干网必须进行体系结构上的调整，如图2所示，MSC把位置参数传递给E－911业务的选择路由器，由路由器负责发送信息到适当的PSAP。PSAP根据收到的位置参数来查询一个自动位置信息（ALI）数据库，并返回此位置和与MS有关的信息。在PSAP上可以附加地理信息业务（GIS），可以可视化细微地显示公路、街道、地址和管辖区域等等。最终一个无线智能网络或者数据骨干网络可以合并起来通过无线网络骨干网接入地理信息系统。从BS/GBS向PSAP传递数据有很多种方法，如传统电信支撑网－7号信令系统，数据骨干网GPRS等等。

图2 支持移动定位服务的GSM移动骨干网结构

3 无线定位关键技术分析

　　无线定位技术是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法以判断出被测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位和到达角等。而定位精度取决于测量的方法。蜂窝移动通信系统中的定位技术主要有：基于终端的定位技术和基于网络的定位技术。

3.1 基于终端的定位技术

　　基于终端的定位技术主要指移动终端计算出自己所处的位置，即自我/个人手机定位技术。这种技术主要有GPS、辅助GPS（Assisted GPS）和增强型观察时间差E－OTD（Enhanced Observed Time Difference）等几种方法。

　　1） GPS：全球卫星定位系统GPS是70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要是利用几颗卫星的测量数据计算一个移动用户的位置，即经度、纬度和高度。原始数据可以由终端处理，也可以送到网络侧处理。一般用于车辆导航和手持设备。如图4所示GPS通过四个卫星定位,并采用基于到达时间（TOA）的机理。接收机的位置和时钟偏差表达式如图3所示：

　　其中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4为已知卫星P1、P2、P3、P4测量出的伪距，C为光速，dti为已知卫星时钟与GPS时间偏差，dt为未知接收机与GPS时间偏差。卫星的时钟偏差由接收机从卫星导频信息中取得。平方根项代表卫星与接收机之间距。对于GPS接收机有四种主要功能：①用伪距决定卫星与接收机之间距离；②从卫星发出的信息中提取TOA；③求出卫星的星历数据（信号到达时），计算卫星的位置；④确定接收机位置和接收机时钟偏差。

　　2）辅助GPS：E-911业务最初制定的时候允许选择传统的GPS，但是缺点在于采用GPS直接对MS定位，首次锁定时间TTFF（Time to First Fix）有可能需要10分钟左右，并且依赖于MS能看到什么样的卫星星座，同时在城市的狭窄楼宇之间使用GPS时会出现问题。为了解决这个问题将卫星导航与无线蜂窝融合形成的新技术，即辅助GPS(A－GPS) 将GPS与无线手机组合在一起，如图4所示，在此技术中蜂窝网络里一个和MS可以看到同—卫星的实体（基站BS）被激活来协助GPS接收器工作，通过预测一个MS可以看到什么信号并且向MS发送此信息，辅助GPS也可以使网络实体能够比MS检测到信号强度更微弱的信号并且向MS发送一个灵敏度辅助消息。此外它通过告知MS当前所能看到的卫星和将要用于同步的编码相位来减少MS的卫星搜索空间。利用辅助GPS作定位，传输一些辅助数据，这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口，使得定位时间降至几秒钟。辅助GPS是网络辅助GPS，与独立的GPS相比，以网络为核心的方法能够提供更快的首次锁定位置的时间TTFF，它使用固定位置GPS接收机获得移动终端的补充信息数据，辅助数据使移动用户接收机不必译码实际消息就可以进行定时测量。AGPS现在已作为移动定位候选技术，正在成为基于AMPS和IS－95蜂窝电话的标准。并且即将有可能被TDMA标准所采纳。

　　3） E－OTD定位方法：是手机根据服务小区基站和周围几个基站的测量数据，算出它们之间的时间差，时间差被用于计算用户相对于基站的位置。为了在终端上实现软件计算定位算法，必须有足够的处理能力和存储容量。与E－OTD相关的基本量有三个：观察时间差OTD、真实时间差RTD和地理位置时间差GTD。OTD是MS观察到的两个不同位置BS信号的接收时间差；RTD是两个BS之间的系统时间差；GTD是两个BS到MS由于距离差而引起的传输时间差。设d1为BS1与MS之间的距离，d2为BS2与MS之间的距离，则GTD=|d2－d1|/v（v为无线电波速度），那么上述三个量之间关系为：OTD=RTD+GTD；当基站都同步时，则RTD＝0。要取得正确结果，BS数目至少为三个，位于不同的地理位置，并且重要的一条是基站之间要同步。同步基站最常用的方法是基站安装固定GPS接收机。采用E－OTD定位的精度可达125米并且不依赖于天气，而GPS定位只能在天气晴朗时效果良好。

3.2 基于网络的定位技术

　　基于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。这种技术主要有CGI－TA、基于方向的定位技术（信号到达角AOA）、基于距离的定位技术（上行到达时间UL－TOA和到达时间差TDOA）和基于指纹的定位技术等几种。

　　1） CGI－TA：CGI是小区全球识别码，每个蜂窝小区有一个惟一的小区识别码。CGI由位置区标志LAI和小区标志CI构成。GSM系统中可以用作定位的参数还有一个是时间提前量TA。TA是由基站测量得到的结果，然后通知移动用户提前一段时间（TA）发送数据，使得到达数据正好落入基站的接收窗口中，TA的目的是为了扣除基站与移动用户之间的传输时延，因此利用TA可以估计MS和BS之间的距离。TA是以比特为单位的，1bit相当于550米的距离。由于无线传输存在多径效应，因此，利用TA定位的精度很低。由于网络中已保存了这些数据，因此，把CGI和TA结合在一起定位移动用户是一种简单而且经济的定位方法，可以实现一些位置查询业务，如显示移动用户所在区域内的餐馆、旅馆等信息，定位精度取决于小区的大小和周围的环境。

　　2）基于方向的定位技术：AOA定位技术一般利用由两个或更多基站通过测量接收信号的的到达方向来估计MS的位置，如图5所示AOA定位方法可惟一确定一个二维定位点。MS发，BS1收，测量可得一条BS1到MS连线；同理可测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度，但在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大。另外，AOA技术要建立在智能天线的基础上才能实现。接收器利用定向天线或者天线阵来测量接收器收到的目标发送器的信号的方向。如果方向测量的精度为± s，则接收器处的AOA测量可以把发送器位置限定在大约角度为2 s的视线信号路径，两个这样的AOA测量将能锁定目标位置。位置估计的精度依赖于发送器相对于接收器的位置。如果发送器恰好处在两个接收器之间的直线上，则AOA测量将无法锁定目标位置。因此通常采用多于两个的接收器来提供定位精度。

图5 地理定位的AOA技术

　　3）基于距离的定位技术：MS和接收器之间的距离的估计可以通过接收信号强度、UL－TOA以及TDOA技术获得。TOA定位方法与E－OTD较为类似，差别在于UL－TOA由基站测量终端数据的到达时间。该方法要求至少有三个基站参与测量，如图6所示，如果基站接收器与移动台之间的距离估计值为di，移动台可以被定位在以接收器为中心，半径为di的圆上。每个基站增加一个位置测量单元LMU，LMU测量终端发送的接入突发脉冲或常规突发脉冲的到达时刻，LMU可以和BS结合在一起，也可分开放置。由于每个BS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出MS位置。TDOA测量的是移动用户发射信号到达不同BS之间的传输时间差，而不是传输时间。UL－TOA定位方法需要MS和参与定位的BS相互之间精确同步，而TDOA则不需要。具体主要采用以下三种方法来实现：　　① TOA方法：利用发射的信号在空气传播速度来确定发送器和接收器之间的距离。这就是目前GPS接收器中所采用的稍做修改的TOA技术，当一个GBS检测一个信号时可以确定其绝对的TOA。如果同时知道MS发射信号的时间，则这两个信号的时间差可以用来估计信号从MS到GBS经历的时间。确定移动台的位置需要三次不同的测量。TOA技术可以提供以移动台为中心的圆，或者以固定收发机为中心的圆。

　　② 信号强度方法：如果MS发射的功率是已知的，则在GBS处测量rss值可以根据已知的数学模型提供发送器和接收器之间距离估计，这样的数学模型描述了无线信号与距离有关的路径损耗特性。但由于存在多径损耗，并且阴影衰落效应对此模型将造成较大的标准偏差。

　　③ 接收信号相位方法：收到信号的相位也可以用来作为定位参数，通过用辅助的参考接收器测量载波的相位，差分GPS（DGPS）与标准的GPS相比，可以把定位精确度从20米提高到1米。但信号相位的周期特性会导致相位模糊，而在DGPS里模糊的载波相位测量被用来对范围测量进行细调。可以采用相位方法并结TOA/TDOA或者RSS方法来细调位置估计，同样多径效应导致相位测量时产生较大误差。　

图6 基于距离的地理定位技术

　　4）基于指纹的定位技术：最近，信号指纹技术被采纳作为另—种定位的技术。接收到的信号由于其对地形和传播时障碍物具有依赖性，因而呈现出非常强的站点特殊性。因此对于每一个位置来说，该信道的多径结构对每一个位置是惟一的，如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征可以被认为是该位置的指纹或者特征签名。这—属性被一些专用系统利用来开发一个适用于某一特定服务区域的与位置网格有关的“特征签名数据库”。移动台发射射频信号，由于多径条件会产生散射，对这些射频信号进行测量并且收集所有这些多径传播分量。根据这些多径分量得到一个位置模式特征签名，然后把这个位置特征签名和预置的特征签名数据库中的数据进行比较，就可以确定其位置。对位置模式特征进行连续的测量能够提供跟踪功能。

4 无线定位系统的性能分析

　　电信网常常用服务质量QOS（Quality of Service），业务分类COS（Class of Service），服务等级GOS（Grade of Service），平均比特错误率BER，容量，可靠性和覆盖能力等等来评定网络和系统的性能，同样无线定位系统也有其性能指标，最重要的就是定位精确度，一般定义为位置准确区域周围的不确定区域，经过多次测量得到的百分比。例如67％的定位精确度能把MS定位在实际位置的50米范围之内，而95％的定位精确度能把MS定位在实际位置的1米范围之内。其他具体性能指标详见表1。

5 基于位置的移动定位服务发展优势及应用前景

　　无线定位技术是实现无线定位业务的技术基础，基于位置的移动定位服务(LBS) ，尤其是使手机具有定位功能，实现无线通信与定位的融合，是通信与导航领域的一种发展大趋势。对于用户来说，由于移动定位业务使得移动用户在外出行更加方便，遇到紧急情况可以得到更快的救援，因此，可以预见用户在不久的将来会离不开移动定位业务。对运营商来说，利用无线定位技术可以给用户提供新的具有吸引力的业务，使自己处于有利的竞争地位；利用移动定位可以根据话务模型优化网络，降低成本；结合移动定位的潜在业务很多，这样运营商可以从中获得更多的收益。从生产厂家来看，提供移动定位的产品会更具有市场竞争力。

　　目前较为实用的是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中的混合定位技术。例如综合AOA和TDOA，由于这种方法充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差，因此具有较高的准确度。实际上最好的办法是将GPS定位功能与移动定位组合起来最为方便与有效。目前第3代移动通信系统CDMA2000无线手机和卫星导航GPS组合在一起，形成全新的基于位置的移动定位服务产业在电信和移动运营增值业务领域将得到前所未有的发展。

参考文献

[1]Zagami JM,PARL S A,Bussgang JJ,et al. Providing universal location services using a wireless E-911 location network[J]. IEEE Commun. Mag,1998,(4)

[2]Reed J H,et al. An overview of the challenges and progress in meeting the E- 91 1 requirement for location service[J]. IEEE Commun. Mag,1998,(4)

[3]陆文远蜂窝移动电话定位技术与应用移动通信 2000第1期

[4]任丽萍无线定位技术TDOA及应用现代通信 2001第8期

[5] 张煦蜂窝网无线定位新技术电信快报 1999第3期

[6] 陶鹏 GSM无线定位技术通讯世界 2001第6期

作者简介：

　　1．谢新梅（1979-），女，湖南邵东人，南京邮电学院通信与信息系统专业研究生，2001年毕业于南京邮电学院通信工程系，目前主要从事无线和移动ip网络技术，全光互联网的研究。

　　2．宋荣方（1964-），男，江苏常州人。南京邮电学院通信与信息系统专业教授，2001年毕业于东南大学无线电工程专业博士研究生，目前主要从事智能无线互联网，第四代移动通信标准、移动通信网络与系统、宽带码分多址通信和现代通信中得信号处理与智能信息处理研究，承担国家自然基金项目（WCDMA关键技术研究）和原邮电部预研项目（WCDMA系统中时空联合干扰抑制技术研究）各1项。在IEEE Electronics (China)，电子学报，通信学报，电子与信息学报，电波科学学报，电路与系统学报和信号处理等国际国内权威刊物上发表论文数十篇。　

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