基于GSM的无线定位技术<1>

基于GSM的无线定位技术<1>
陶鹏

摘 要:本文首先对GSM的一些概念及与定位有关的技术进行了简要介绍,其次概述性的介绍
了几种常用的无线定位方法,之后对基于GSM的无线定位的三种系统结构进行了分析与比较,
最后对基于GSM的无线定位技术所面临的问题与发展前景进行了概述。
关键词:GSM,无线定位,系统结构

一、前言
自1996年10月FCC(Federal Communication Commission,联邦通信委员会)制定了扩充无线
911业务条款以来,如何利用现有系统提供定位服务的研究在全球迅速发展起来。GSM做为第
二代移动通信系统中最为成熟的产品,在其发展的最初就被认定具有提供定位信息的潜能,
但直到最近才有几个组织开始研究如何利用GSM进行定位。利用GSM定位有其自身的特点,但
同时也面临着许多问题与挑战。本文对如何利用基于GSM的定位技术做了简明的介绍。
二、GSM概述
2、1GSM的基本概念
GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统)是由欧洲主要电信运
营者和制造厂家组成的标准化委员会在80年代设计,并于1992年在欧洲各国投入运行的。
GSM最初是做为欧洲数字移动台的标准发展起来的,现今已在世界各地广泛使用。GSM可分为
GSM900、GSM/PCS1900(北美GSM)及GSM/DCS1800(数字通信系统1800)。从定位的角度看,这三
种系统的特性是相似的,唯一的主要不同点就是载波的频率不同。因此在本文中对这三种系
统将统称为GSM。
GSM是一个非常复杂的通信系统,具有很多技术特点,由于篇幅所限,下面将只简要介绍一些与
定位密切相关的技术。
2、2GSM信道及与定位相关的技术
GSM900使用两个25MHz宽的频段,分别称为上行链路与下行链路。每一频段又分为125个频道,
载波间隔200KHz。GSM使用时分多址,每一个时隙577μs,每8个时隙组成一帧,而后这些帧再
组成复帧。
GSM定义了许多逻辑信道,每一个逻辑信道都有其特定的作用。其中主要有传送用户有效载
荷的业务信道(TCH,Traffic Channel);协调基站与移动台的相关及专用控制信道(ADCCH,
Associated and Dedicated Control Channel);建立链接的公用控制信道(CCCH,Common
Control Channel);用于建立同步的同步信道(SCH,Synchronisation Channel)及传送系统
参数的广播控制信道(BCCH,Broadcast Control Channel)等。这些逻辑信道中所包含的信
息以一种突发的结构来占用时隙。GSM以不同的格式定义了许多突发类型。在通用突发结构
中间位置的26位的训练序列对于定位尤其有用。这是一个为进行相关而选择的伪随机序列。
通过对本地训练序列与接收到的突发中的训练序列进行互相关,GSM接收机可以得到信道的
脉冲响应,定位接收机则可利用该相关曲线的峰值点的出现时刻做为突发的参考时间,进而
用于基于时间的定位测量中。当信号通过一个多路径信道传输时将时相关后的波形变形,从
而在任何时间测量中引入误差。因此定位接收机中需要多路径抑制算法。
GSM使用了很多方法来提高系统容量,其中一些方法亦可用于定位。下面简介三种主要方法:
1）扇形蜂房:在这种情况下,几个蜂房的基站被建在一个特定的位置,而每一个基站仅负责
该位置周围的一个扇形区域。通常的配置是由三个基站组成,每个基站提供120o的覆盖范围。
当使用这样的配置时,基站覆盖范围的限制则可为定位系统提供一些有用的额外信息。
2）慢速跳频:之所以称为慢速跳频是因为与比特相比频率跳跃率是缓慢的。每一个逻辑信
道可以根据分配好的跳频计划在不同的频道上对连续的突发脉冲进行传送。这种分集效应
对于GSM定位系统也是有利的,尤其在存在多路径时更是如此。
3）控制发射功率:这用来减小用户之间的干扰,并可以节省移动台的电能。控制发射功率的
方法也是通过减小干扰来辅助GSM定位系统的,但同时由于减少了远程定位系统中的可用的
基站数目,从而使系统性能有所下降。
对GSM的技术有兴趣的读者可参阅有关资料。下面将对几种常用的定位方法进行一些介绍。
三、常用定位方法
通过对信号进行测量的结果可以有多种方法用来进行定位,并且这些方法可用于包括GSM在内
的任何一种蜂窝系统。其中最重要的几种测量传输时间、到达时间差(TDOA,time difference
of arrival),到达角(AOA,angle of arrival)以及载波相位(CP,carrier phase)。每一种测
量均可以确定一个移动台一定位于其上的定位区,多个测量的定位区的交点则可以确定移动台
的位置。当用来进行定位测量的基站的个数多于所要求的个数时,可用最小二乘法将这些测量
进行结合以得到更加精确的定位。反之由于交点不唯一,则可导致定位的二重性。下面将要讨
论的方法可用于自定位模式或远程定位模式,这取决于测量是在移动台进行还是在一个或多个
基站进行。并且假定基站与移动台位于同一平面上,这对大多数系统网络都是大致正确的。
3、1测量传输时间
这种方法涉及对信号由基站传输到移动台或由移动台传输到基站的时间的测量。替代的方法
可以对信号由信源传到目标再反射回信号源的往返时间进行测量,这将得出单程测量的两倍的
结果。前一种方法要求接收信号的基站/移动台知道信号将开始传输的确切时刻,并且要求接
收机具有非常稳定及精确的时钟。后一种方法则不会依赖于移动台与基站间同步,并且是测量
传输时间的常用方法。
这两种方法都将移动台的位置限制在以基站为圆心的一个圆周定位区上。如再有由另一个基
站得到的传输时间的测量值,则可以得出另一个定位圆周(如图1-a所示)。由图可知这两个圆
周交于两点,从而导致二义性。有许多方法可以消除这种二义性,包括使用有关移动台运动轨
迹的先前的信息,或利用第三个基站对信号传输时间进行测量。
3、2测量到达时间差
移动台可以对一系列的基站进行监听,并测量出每一对信号到达时间的差。例如,如果有三个
基站则可得出两个独立的TDOA的测量值。每一个TDOA的测量值可以确定一个移动台必位于其
上的双曲线定位区。两个双曲线定位区的交点则确定了移动台的位置(如图1-b)。以上所述描
述了一个自定位系统;反之则是一个远程定位系统。如果每个基站监听每个移动台的传输,并
记录下信号到达时间(TOA,time of arrival),再将此TOA传送给一个控制中心,在该控制中心
可计算出所需TDOA并得出双曲线,再由这些双曲线的交点即可确定移动台的位置。
在一定的条件下,两条双曲线也可能交于两点,从而带来二义性。与解决由传输时间测量带来
的二义性类似,这也可通过使用第三个TDOA或适当的先前信息来消除。
对于TDOA方法来讲,一个重要的问题是要使用某种方法在基站间建立同步,并且这与系统是远
程定位系统还是自定位系统无关。对于自定位系统,基站是发射者,所发射的信号必须在同一
时刻(或已知时间偏差)从所有基站发出;否则,TDOS的测量将对双曲线交点的位置带来偏差。
对于远程定位系统来讲,基站是接收器,由移动台发出的信号被每一个基站所检测,因此在接收
时钟之间必须有一个已知的时间关系,不然偏差同样将会产生。
图1 常用定位方法示意:a)传输时间(距离)的测量;b)TDOA的测量;c)到达角的测量;d)距离与
到达角测量相结合。A、B、C代表基站,移动台定位在X处。
3、3测量到达角
这包括在移动台对来自基站的信号进行到达角的测量或在基站对来自移动台的信号进行到达
角的测量。这两种情况都将得到由基站到移动台的一个直线定位区。另外一个AOA的测量将得
到第二条直线,两条直线的交点将得到定位点(如图1-c)。这种方法不会产生二义性,因为两条
直线只能相交于一点。
3、4测量载波相位
载波相位具有提供定位的潜能,并且误差要比使用载波波长小得多。使用载波相位定位的一个
问题是存在大量的二义性。定位接收可以测量所接收的信号的相位,但不能直接测量到发射器
与接收器之间相差的整周期数。对载波相位进行测量的另一个问题是需要对载波信号进行连
续的锁定,不然将带来定位误差。虽然有这些问题,但载波相位已被用来提供精确的定位,一个
很好的例子就是GPS。GSM定位中载波相位的应用将面临对经过高斯最小移频键控调制的信号
进行重建的问题,因为无法保证载波是连续的。
以上介绍了四种常用的定位方法。另外将不同的测量相结合也是可能的。一个普遍的例子就
是雷达,它将信号传输时间与到达角相结合从而得到定位点(如图1-d)。