蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)及應(yīng)用

1、、刖言近年來，隨著蜂窩移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，蜂窩無線定位技術(shù)越來越受到人們的重視。這主要歸因 于政府的強制性要求和市場本身的驅(qū)動。FCC于1996年10月頒布了無線E9ll呼叫應(yīng)急服務(wù)功能，其核 心是要求所有移動通信網(wǎng)絡(luò)必須分階段的提供緊急呼叫用戶的經(jīng)緯度位置信息。針對E911定位需求的具體 實施，各國主要大公司均就GSM、IS-95 CDMA以及第三代移動通信系統(tǒng)開始制定各自的定位實施方案。 特別是3GPP和3GPP2上對定位的要求更加具體化，這也是對蜂窩無線定位市場潛力的肯定。另一方面， 移動通信用戶對移動定位業(yè)務(wù)的需求日益迫切。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)能夠在移動臺處于空閑狀態(tài)或通話 狀態(tài)的

2、情況卜獲取其地理位置等信息，利用移動臺的定位信息，運營商可以1hJ用戶提供各種增值業(yè)務(wù)， 如位置環(huán)境信息查詢、緊急救援、智能交通、廣告發(fā)布等等，同時還可以作為移動通信網(wǎng)絡(luò)運行、維護(hù)和 管理的輔助數(shù)據(jù)。到目前為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。可以預(yù)見在 未來幾年內(nèi)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的移動業(yè)務(wù)將得以迅猛的發(fā)展。二、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)利用移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)對移動臺定位的方法主要有三類，基于電波場強的定位技術(shù)；(2)基于電波到達(dá)入 射角(AOA)的定位技術(shù)；(3)基于電波到達(dá)時間(TOA)或到達(dá)時間差(TDOA)的定位技術(shù)。1 場強定位技術(shù)電波場強定位技術(shù)根據(jù)移動臺接收的信號

3、強度與移動臺至基站的距離成反比關(guān)系，通過測量接收信號 的場強值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號的場強值可以估算出收發(fā)信機之間的距離，由多個距離測量值(至 少三個)可以估算移動臺的位置。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何建立一個能夠準(zhǔn)確的反映服務(wù)傳播范圍內(nèi)的無線 電波傳播模型，這在實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)。除此之外，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜、無線 系統(tǒng)的不斷調(diào)整以及地理環(huán)境、車輛等因素都會對定位精度產(chǎn)生影響。由于移動通信環(huán)境中電波傳播的復(fù) 雜性，決定了這？技術(shù)在定位精度上的局限性，但是由于該技術(shù)比較簡單易行、在對精度要求不是很高的 情況下仍被采用。為了改善其性能，人們開始研究利用電波傳播中的射線跟蹤方法

4、來逛一步提高定位的精 度。到達(dá)入射角的定位技術(shù)電波到達(dá)入射角的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來測出移動臺來波信號的人射角、構(gòu)成從基站到移動 臺的徑向連線，即測位線，這兩條連線的交點即為目標(biāo)移動臺的位置。由于兩條直線只能相交于？點，這 種方法不會產(chǎn)生定位模糊性。但是它需要在每個小區(qū)基站上放置4? 12組的天線陣。這些天線陣？起工 作，從而確定移動臺發(fā)送信號相對于基站的角度。當(dāng)有多個基站都發(fā)現(xiàn)了該信號源時，那么它們分別從基 站引出射線，這些射線的交點就是移動臺的位置。AOA的優(yōu)點在于它僅需要兩個基站參與便可實現(xiàn)移動臺 定位，同時不存在移動臺位置的模糊性問題。但是該技術(shù)需要在現(xiàn)有的基站增加天線陣列，由此

5、增加了大 量的建設(shè)費用。與此同時，電波到達(dá)入射角估計會受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無線信號波陣面扭 曲的影響，移動臺距離基站較遠(yuǎn)時，基站定位角度的微小偏差也會導(dǎo)致定位距離的較大誤差。到達(dá)時間侄U達(dá)時間差的定位技術(shù)到達(dá)時間/到達(dá)時間差的定位技術(shù)是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)。到達(dá)時間 定位技術(shù)通過測量從目標(biāo)移動臺發(fā)出的信號以直線到達(dá)基站的時間，根據(jù)電磁波在空中的傳播速度可以得 到移動臺與基站之間的距離。移動臺即位于以基站為圓心，移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。 通過多個基站進(jìn)行上述測量計算，移動臺的二維位置坐標(biāo)可出三個圓的交點確定。到達(dá)時問定位技術(shù)要求 接收信號的基

6、站知道移動臺發(fā)送信號的時間，并要求基站有非常精確的時鐘。為了克服這一缺點，人們提 出了到達(dá)時間差的定位技術(shù)，它是通過檢測移動臺信號到達(dá)兩個基站的時間差來實現(xiàn)移動臺定位的，而不 是到達(dá)的絕對時間來確定移動臺的位置，這就大大降低了對時間同步要求。很明顯，移動臺一定位于以兩 個基站為焦點的雙曲線上。所以通過建立兩個以上雙曲線方程，求解雙曲線的交點即可得到移動臺的二維 位置坐標(biāo)。以上兩種基于時間的定位技術(shù)的只要求基站能夠從接收到的射頻信號中準(zhǔn)確的提取時延估計值，而無 需對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加以大規(guī)模的改造就可以實現(xiàn)對移動臺的高精度定位，因此成為了蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位 技術(shù)的研究重點。TruePosition公

7、司所提供40米精度的定位業(yè)務(wù)就是采用了 U-TDOA定位技術(shù)。三、影響定位精度的主要因素由于移動通信系統(tǒng)的通信環(huán)境復(fù)雜多變，因此各種依賴于通信信號測量的定位技術(shù)都受到各中因素的 影響。1 .多徑傳傳播影響蜂窩無線定位的？個基本因素之一就是多徑傳播問題。在移動信道中，由于反射物體和散射體的 存在會產(chǎn)生一個不斷變化的環(huán)境，使得信號能量在幅值、相位和時間延遲方面產(chǎn)生彌散。這些效應(yīng)導(dǎo)致發(fā) 射信號經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收天線時的形式各異，顯示出不同的時間和空間方位。不問的多徑分量的隨 機幅值和相位引起信號強度的擾動，從而產(chǎn)生小尺度衰落和信號畸變，使接收信號的信噪比嚴(yán)重下降，最 終影響定位精度。多徑傳播是造

8、成定位誤差的主要原因，因此多徑干擾的抑止是定位的關(guān)鍵技術(shù)之？。NLOS傳播導(dǎo)致定位錯誤的另一個重要因素是移動臺和基站之間的信號為非視距傳播(NLOS)信號。LOS傳播是得 到準(zhǔn)確的信號特征測量值的必要條件。但是在城市和近郊，移動臺和多個基站之間實現(xiàn)LOS傳播通常是很 困難的，更多的情況是通過反射和折射的方式進(jìn)行傳播的，從而影響了到達(dá)場強，接收電波的到達(dá)方向， 以及電波傳播時間。在這樣環(huán)境下，即便沒有多徑干擾且系統(tǒng)能提供足夠高的定時精度也同樣會導(dǎo)致定位 測量誤差。CDMA多址接入干擾由于CDMA系統(tǒng)個的各用戶均使用同一頻段，這種高容量也帶來了遠(yuǎn)近效應(yīng)和多址干擾。多址干擾 會嚴(yán)重影響定位測量信號估

9、計。在CDMA系統(tǒng)中通常采用功率控制來克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，但由于無線定位需要 多個基站同時監(jiān)測移動臺發(fā)射的信號，功率控制只對服務(wù)基站起作用，對非服務(wù)基站，移動臺的信號仍然 受到嚴(yán)重的多址干擾，因而影響常規(guī)接收機的性能。研究表明，多址干擾會嚴(yán)重影響TOA和TDOA的定 位精度。參與定位的基站數(shù)的限制本文所述的定位技術(shù)需要至少兩個或三個以上基站的參與。但是，在基站稀疏的環(huán)境下很難同時存在 多個基站參與移動臺定位，即使在基站稠密的城市環(huán)境中，也可能由于建筑物的遮擋而無法接收到視距傳 播的信號。另外，由于CDMA系統(tǒng)采用了功率控制技術(shù)來克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)移動臺靠近服務(wù)基站時，其它 基站就很難接收到移動臺發(fā)出的

10、定位測量信號。表1給出了各種環(huán)境下所能參與移動臺定位的基站數(shù)量的統(tǒng)計情況。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在鄉(xiāng)村或郊區(qū)同 時存在三個或三個以上基站與移動臺保持聯(lián)系的可能性較小。為此，摩托羅拉公司提出了將目標(biāo)移動臺發(fā) 射功率瞬時調(diào)到最大的Power Up方法來加以改善。表1各種環(huán)境下不同X取值統(tǒng)計表區(qū)域X表示能夠同時接收到信號功率大于-100dBm的基站數(shù)X=1 X=2 X=3 X=4 X=5鄉(xiāng)村98.3% 86.3%57.1% 33.8%16.7%郊區(qū)91.9% 80.9%69.2% 56.7%44.1%城市100.0% 96.8%92.4% 85.0%76.2%5 .幾何精度因子（GDOP）參與定位的各基站之

11、間的相對位置、移動臺與基站之問的相對位置的差異造成的幾何精度因子（GDOP） 的不同也會影響定位算法的性能，造成定位精度的差異。特別是在高速公路附近，基站沿著高速公路直線 分布的情況下，TDOA的定位精度將嚴(yán)重惡化。為此，人們提出采用TDOA/AOA混合定位技術(shù)來克服這 種由于基站地理位置帶來的對定位準(zhǔn)確度的影響。四、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)應(yīng)用根據(jù)美國權(quán)威機構(gòu)戰(zhàn)略集團(tuán)的最新預(yù)測，到2005年僅在歐洲市場無線定位服務(wù)市場的收入就可達(dá)到 320億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出移動運營商的現(xiàn)有單項增值服務(wù)可帶來的收入。此外，隨著人們對公共安全和緊急 救援日益增長的需求，基于移動定位的增值業(yè)務(wù)也開始得到業(yè)界越來越多的關(guān)

12、注。近年來，隨著對蜂窩網(wǎng) 絡(luò)無線定位技術(shù)研究的不斷深入，基于現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的無線定位的性能得到了很大的改善和提高，據(jù) 筆者了解，現(xiàn)有的部分商用移動臺定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供約40米的定位精度，并且這一數(shù)據(jù)還將被逐步刷 新。這就為移動運營商開展基于移動臺位置信息的增值業(yè)務(wù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合移動核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息資源，移動定位技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。從商業(yè)服務(wù)角度來 說.它主要可以分為個人定位應(yīng)用和企業(yè)級定位應(yīng)用。個人定位應(yīng)用通常是指面向移動臺用戶提供定位服 務(wù)，主要包括基于位置的信息查詢和發(fā)布、導(dǎo)購導(dǎo)游導(dǎo)航以及弱勢群體監(jiān)護(hù)和救助。企業(yè)級應(yīng)用則是一種 面向集團(tuán)手機或?qū)Ｓ媒K端客戶提供定位

13、服務(wù)，如交通監(jiān)控和車輛調(diào)度、防盜保安、基于位置差別收費和欺 詐管理等。下面將列舉幾種主要的具體應(yīng)用：1 .移動臺位置敏感型計費基于用戶位置的計費方式將是未來移動通信運營商拓展業(yè)務(wù)，吸引客戶的重要手段。不同的用戶在移 動電話的使用和收費上對運營商提出的要求也各不相同，運營商為了適應(yīng)用戶的這種需求采取了不問的收 費方式來滿足各種用戶的需要，例如按照移動臺使用的頻率和時間段不同實行不同的資費標(biāo)準(zhǔn)。隨著移動 定位業(yè)務(wù)的提出，移動通信運營商又可以增加一種新型的收費方式，即按移動臺的使用位置靈活收費，在 呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費用，達(dá)到調(diào)節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、 提高系統(tǒng)

14、整體利用率的目的，這將有利于運營商擴(kuò)大業(yè)務(wù)，增加收入，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)資源的經(jīng)濟(jì)效益 最大化?；谝苿优_位置信息的計費系統(tǒng)可以采用如廠的收費策略，在家里和/或辦公室內(nèi)，可以適當(dāng)降低通話價格，從而與固定電話運營商展開競爭；用戶進(jìn)行大范圍漫游時，則需支付較高的通信費用；在密集的商業(yè)區(qū)內(nèi)提高收費標(biāo)準(zhǔn)，減小該區(qū)域的系統(tǒng)負(fù)載；這種基于移動臺位置信息的計費策略對于運營商和用戶而言是雙贏互惠的。緊急救助近年來由于移動用戶的快速增長，移動用戶的報警呼叫和求助呼叫的數(shù)量也急劇增加，據(jù)美國公眾安 全機構(gòu)的1999年的調(diào)查報告顯示：有15%到40%的緊急呼叫(911)是來自于移動電話的，其每年呼叫總次 數(shù)超過一千萬

15、。但是，在很多情況下公眾安全應(yīng)答服務(wù)機構(gòu)(PSAP)無法獲知報警者的具體位置，移動用戶 也不能準(zhǔn)確地提供其所在的地理位置信息這將會大大延長PSAP的反應(yīng)時間，以至于不能給報警者以及時 的救助。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，報警者在撥打應(yīng)急服務(wù)號碼后，移動定位系統(tǒng)就能立即識別出來，并對 呼叫手機進(jìn)行自動的快速定位，手機的位置信息就會被傳輸?shù)絇SAP，從而大大改善公眾安全系統(tǒng)的反應(yīng)能 力。可以預(yù)計：蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)為公眾安全提供了新的手段，這將會成為進(jìn)一步擴(kuò)大移動通信市場的又 一推動力。移動黃頁查詢移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動定位業(yè)務(wù)相結(jié)合，可以輕而易舉地實現(xiàn)個性化的移動黃頁查詢。移動網(wǎng)絡(luò)首先 得到移動用戶的位置

16、信息，然后根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)提供的信息通過短消息或者電子地圖的方式為用戶提供其所處 位置附近的相關(guān)信息，例如：提供離用戶最近的餐館、加油站、旅館、自動取款機的位置以及用戶所處區(qū) 域的天氣、交通狀況等信息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理移動定位技術(shù)的另一個重要應(yīng)用就是無線網(wǎng)絡(luò)本身的規(guī)劃和優(yōu)化。由于移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，其 頻譜資源不易再擴(kuò)展，無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計者必須對頻率的再用進(jìn)行精心的規(guī)劃，以保證有效的覆蓋，同時防 止干擾和串話。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)，用戶的呼叫位置可以被確定，相應(yīng)的處理該呼叫的蜂窩和接 收到的信號功率也可以被確定。根據(jù)這些信息，系統(tǒng)規(guī)劃人員就可以更好對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃、擴(kuò)展、部署和 運營。在微觀上還能準(zhǔn)確地監(jiān)測移動臺的移動情況，使網(wǎng)絡(luò)方面能更好地決定什么時候進(jìn)行切換。目前主 要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及對無線資源進(jìn)行智能化管理和分配。5 .智能交通系統(tǒng)（ITS）目前各大城市開始建設(shè)智能交通系統(tǒng)，來解決車輛和交通的管理、導(dǎo)航等問題。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定 位技術(shù)，我們只需要在車輛上安裝移動電話（或其收發(fā)模塊），就能夠以最小的投資成本、最快的建設(shè)速度 方便的實現(xiàn)ITS,提供監(jiān)測交通事故，疏導(dǎo)交通，對車輛進(jìn)行定位跟蹤、調(diào)度和管理等服務(wù)，促進(jìn)城市數(shù) 字化的進(jìn)程。這？應(yīng)用對于