CDMA蜂窝网无线定位技术的研究

浙江海洋学院电子工程系 何林娜 尹伟
　　1 引言

　　移动用户在蜂地区范围内有可能发生紧急事件需要呼叫求援，地区公安或关应急部门应该能够立即利用无线电波测定发出呼叫的移动用户的位置，以便及赶往呼叫地点查有实情进行援助。此事有关人身安全、具有重要的现实意义。1996年美国联邦通信委员会（FCC）作出规定，要求各蜂窝网提供者配合当地公共安全应答点（RSAP），对移动电话用户的紧急呼叫实施应急业务，代号为E-911（Emergency call“911”），于1998年开始实行。要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67％。其余33％将在2001年以后，提供更高的定位精度及三维位置信息。欧洲和日本也作了相应的要求，提供E-911定位服务将是今后蜂窝移动通信系统必备的基本功能。各国公司对GSM、IS-95和3G等网络制定了各自的实施方案，取得了一定的成果，但和E-911的要求还有一定的差距。总之，蜂窝移动通信系统无线定位问题，近年已被提到议事日程上，迫切希望得到较完善的实用技术。

　　2 无线定位技术

　　无线定位有多种技术，首先应该提到“全球定位系统”（GPS,Global Positioning System）。GPS是美国国防部研制的第二代卫星导航定位系统，它为全球用户提供全天候、连续、实时的高精度位置、速度和时间信息。目前，GPS定位技术除了广泛应用于飞机和水面船只的导航定位外，在陆地车辆的导航定位中也获得了广泛的应用。GPS接受机是根据轨道运行的24颗卫星网发出4个或更多个L频段信号的到达时间（TOA,TIME OF ARRIVAL）来估计其位置，测量精度约在50m以内。但由于成本、体积、复杂性、功耗和易受射频干扰等原因，以及在城市环境，有高楼大厦、林荫遮挡卫星信号导致GPS的功能失效，不能正常定位。

　　蜂窝网无线定位系统中，对移动台的定位是通过检测移动台和蜂窝网内多个蜂窝区的无线电基站收发信机之间传播信号的特征参数来估计目标移动台的几何位置，这种技术可以利用信号到达时间（TOA），即移动台发出的信号无线电波到达多个蜂窝区基站的时间，以确定移动台现在的位置。也可以利用到达时间的差，根据多个TDOA数据对应的多条双曲线的交点来估计目标移动台的位置，这就不再需要移动台有准确的参考时间。另一种技术是利用到达角度。每个无线电基站各装备天线阵列，通过天线阵列测出电波的入射角，构成一根从接受机到发射机的径向连线，即测位线，待定发出信号的移动台的位置可由两根测位线的交点获得。一般地说，AOA定位法虽有一定精度，但要求每一基站各自设置天线阵列，并且准确校准，接收设备比较复杂。TOA定位法精度较高，但要求各基站间利用GPS参考时间达到时间同步。TDOA定位法能消除对时间基准的依赖性，可以降低成本并仍保证一定的定位精度。AOA定位法如与TDOA定位法结合使用，就可以从较少基站获得的两种数据得到准确度较高的测位置，但在现有蜂窝系统中采用该法对网络设备的改动较大。故目前受到广泛关注和深入研究的是基于TOA或TDOA的定位法，该定位法只需对蜂窝网络设备作适当扩充、修改、不需要对现有移动台作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的资源，保护用户已有投资实现相对容易，因而是E-911定位需求首选。

　　3 CDMA蜂窝网的无线定位技术

　　CDMA蜂窝网是蜂窝移动通信系统的研究热点。它具有频率利用率高、系统容量大、覆盖范围广、网络建设成本低、话音质量好、支持数据业务能力强、传输可靠保密性能好、手机功率小、待机时间长和绿色环保等优点。在CDMA蜂窝移动通信系统中，每一蜂窝区无线基站至移动台的无线线路称为正向通路，而移动台至基站的上行线路称为反向通路。

　　（1）利用反向通路定位

　　由移动台发出预定信号，并由时间同步的几个基站接收机同时检测移动台发射的信号，从各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。但是，CDMA蜂窝通信系统有功率控制措施，移动台移近某一基站时，发射功率相应降低，影响其它基站的接收。补救办法是使移动台呼叫发射大功率的突发信号，使几个基站都能收到，但是在蜂窝网内有几个移动台同时呼叫请求定位时，如果都发大功率信号，又容易引起不稳定。

　　（2）利用正向通路定位

　　由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。利用正向通路进行定位可以避免CDMA系统功率控制引起的困难。在这种方法中，每个基站都广播一个导引伪噪声序列（pilot PN sequence），但各有预定的偏移。各个基站是同步的，移动台应该能够识别收到信号来自哪个基站。在典型的IS-95中，移动台设置4个rake接受机搜寻指，其中3个用来接收进入的信号，余下1个则用来搜索多径信号和越区切换侯选基站。在系统运行时，移动台跟踪其附近的最强导引信号。它从基站接到导引信号测量请求通知后，立即把收到的所有导引信号的情况向该基站汇报，其中包括每一导引的值及其相对于该基站所发导引号偏移的PN相位。利用该基站发出的导引信号作为参考相位，又根据附近基站所发导引信号的PN偏移，有可能估算移动台的TDOA。这就是说，只要移动台能检测、锁定和汇报至少3个不同基站所发导引信号的相位，就有可能对移动台作出定位估测。这种估测的误差，主要来自各基站的同步定时误差，包括PN相位分辨不够精细和接收信号的多径传播和非视线传播。为了保证准确度，要求利用GPS时间基准作为参考，限制各基站的同步误差不大于几十纳秒。

　　（3）为了估测移动台位置，也可考虑无线电波到达角定位技术，由几个基站各自的天线阵列测量移动台所发信号的到达角。但是，蜂窝区内无线电波传移动台周围形成散射环有一定的半径。从移动台散射环周边到达基站的角度与从环中心到达基站的角度有差异，使AOA定位方法发生困难。如果基站天线建筑较高，AOA定位法还可能利用，但在微蜂窝区，安装基站的位置很低，AOA定位法几乎无法使用另外，移动台的散射环半径a必须小于200m，才能进行定位而误差不致于过大。

　　4 无线定位误差产生的原因及解决方法

　　造成无线定位系统估测误差的主要原因是无线电波的多径传播、非视线（NLOS,Non line of Sight）传播和多址干扰等，如何降低这些因素的影响是提高无线定位精度的关键。

　　（1）多径传播对测量到达角和测量信号强度的准确度都有较大影响。对于测量TOA和TDOA，虽然移动台与基站之间无线电波有视线路径，多径传播对定时测量也会引起误差。如欲精确测量传播时延，多径效应也有影响。现在已经研究出了一些减轻蜂窝网中多径传播影响的有效方法。

　　（2）即使在无多径效应和采用高精度定时技术的情况下，NLOS传播也会引起TOA或TDOA测量误差。因此，减小NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。在城市里，高楼大厦林立，信号在移动台与基站之间很可能是NLOS传播，移动台发出的信号不能直接到达基站，而是经过反射或衍射到达基站，其路程距离必然比直接路程长。为了辨别是LOS传播还是NLOS传播，可以测算TOA的标准偏差，一般情况是准偏差远大于LOS传播的，利用测距误差统计的先验信息就可对两种路程作出区别，将一段时间内的NLOS传播测量值调节到接近LOS传播的测量值。

　　（3）在各种蜂窝移动通信系统中，都存在着多址干扰。特别在CDMA蜂窝网，所有移动台使用同一频带，仅扩频码不同。而且CDMA有远近效应，移动台离基站越近，发射功率越小，受到多址干扰越大。在使用时延锁定环路的情况下，多址干扰影响很大，当蜂窝网内几个蜂窝区的基站测量某一移动台的位置时，每一基站收到覆盖区内其它移动台的干扰信号，影响基站测量TOA/TDOA的准确度。可以采用在E-911呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，改进软切换方式，利用抗远近效应延时估计器与多用户检测器等方法减少多径干扰。这种多址干扰也是当前研究CDMA蜂窝网的一个重要课题。

　　5结束语

　　通过研究CDMA蜂窝网的无线定位技术，即可以满足E-911的定位需求，提高移动用户的安全保障，又可以将其应用于对移动用户位置的灵活计费、智能运输系统（ITS）、蜂窝网络的设计和规划等领域，但目前该项技术和E-911定位需求还有一定差距，许多问题还有待于进一步深入研究。

摘自《无线电工程》2001.5