蜂窝系统无线定位原理及应用

西南交通大学移动通信研究所

邓平 范平志

1 引 言

1996年美国联邦通信委员会（FCC）公布了E-911（Emergency call‘911’）定位需求，其中要求在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％；并在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，表明提供E-911定位服务将是今后蜂窝网络必备的基本功能。该需求颁布以来，由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，各国公司就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定位需求的要求还有一定差距。目前国内对基于蜂窝网络的无线定位技术的研究还很有限，极少见到有关研究结果发表，因此对这一新技术的研究应引起我们的高度重视。

2 蜂窝系统中无线定位方案的确定

要在蜂窝移动通信系统中实现对移动台的定位功能，首先必须选择适当的定位系统类型、相应的定位技术及实施方案。

2.1 定位系统的选择

无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置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。根据进行定位估计的位置及定位数据用途的不同可将对移动台的定位方案分为两类：基于移动台的定位方案和基于网络的定位方案，与之对应有以下两类定位系统：

（1）基于移动台的定位系统

这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统。其定位过程是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。著名的GPS系统即属于这类系统。

（2）基于网络的定位系统

这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将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。自动车辆定位（AVL）系统即属这类系统。

从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成GPS接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件，还必须用适当方式将定位信息传送回蜂窝网络。基于网络的反向链路定位方案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庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，因而是E-911定位需求的首选。

2.2 定位方法的确定

在各种无线定位系统中，采用的基本定位技术都是类似的，通常可供选择的基本定位技术有：

（1）场强定位法

这种方法是通过测出接收信号的场强值和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发信机之间的距离，根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。

（2）基于电波传播时间（TOA或TDOA）的定位法

该方法是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间或时间差来确定目标移动台的位置。对于TDA方法，收发信机之间的距离可通过测出的电波传播时间获得：对于TDOA方法，则是

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。

（3）基于电波入射角（AOA）的定位法

该方法是在接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即测位线，待定位发射机的二维位置坐标可由两根测位线的交点获得。

（4）混合定位法

该法是在系统中同时利用不同类型的信号特征测量值，如TDA、AOA进行定位估计。在蜂窝网络中利用服务基站测得的TOA和AOA数据就能确定移动台的位置。

利用上述基本定位技术进行准确定位的前提是电波在收发信机之间能视距（LOS）传播。在蜂窝网络中，由于受非视距（NLOS）传播、多径效应和各种噪声干扰的影响，定位精度往往受到很大影响。

上述定位法中，场强定位法最简单，但定位精度较差；AOA定位法虽有一定精度，但接收设备较复杂；TOA定位法精度较高，但对时间同步有较高要求；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；混合定位法能满足一定的定位精度，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TOATDOA的反向链路定位法。

3 基于时间的定位法

由于在基于蜂窝网络的定位系统中通常采用精度较高的基于TOA或TDOA的定位法，下面简要介绍与之相关的基础理论。

3.1 TOA和TDOA的基本原理

TOA是基于这样的原理：电波从发射机传播到接收机的距离与电波传播时间成正比。若电波从目标发射机到第i个固定位置接收机的传播时间为ti，电波传播速度为c，发射机的位置坐标为x0，y0，接收机位置坐标为xi，yi，则发射机必定处在以xi，yi为圆心，以cti为半径的圆上。在多个接收机上进行上述计算，则目标发射机的二维位置坐标可由三个以上圆的相交点确定。TDOA则是通过检测电波到达两个接收机的时间差，而不是由到达的绝对时间来确定移动台的位置。发射机必定位于以两个接收机为焦点的双曲线方程上，确定发射机的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即为发射机的二维位置坐标。

3.2 TOA及TDOA估计值的获得

基于时间的定位法要求基站接收机从接收到的射频信号中提取准确的TOA或TDOA估计值。在蜂窝系统中可用于获得TOA或TDOA估计值的方法有相位测距法、脉冲测距法和扩频测距法、在CDMA蜂容系统中通常采用扩频测距法。

CDMA系统采用的扩频测距法通常有两种：一种是采用滑动相关器或匹配滤波器的时间粗探测方法，粗探测过程由滑动相关器、匹配滤波器或连续探测电路来实现，将时延估计值锁定在1个码片间隔内；另一种是采用延时锁相环（DLL）的精探测方法，精探测过程则由延时锁定环维持本地及输入PN序列的一致。该法在GPS系统中得到了成功应用。

3.3 基本定位算法

基于时间的定位法如果直接利用TDA或TDOA估计值求解上述非线性的定位圆或定位双曲线方程

组来确定移动台的位置通常比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或定位双曲线可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用所谓最小平方（LS）误差算法。该算法通过使非线性误差函数的平方和函数取得最小值这一非线性最优化过程来估计移动台的位置。有多种递归算法可以进行求解，可根据具体应用灵活选择。

4 产生定位误差的原因及对策

在蜂窝移动通信系统中，造成定位误差的主要原因有多径传播，NLOS传播及多址干扰等，如何采取适当措施降低这些因素的影响是提高定位精度的关键，也是无线定位技术研究的首要问题。

（1）多径传播是引起AOA及场强法定位不准确的基本原因。

对基于时间的定位法来说，即使在MS和BS之间电波可以视距传播，多径传播也会引起时间测量误差。目前已出现了一些对付多径传播的有效方法。

（2）NLOS传播也是影响定位精度的主要原因。

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，如何降低NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低NLOS传播的影响通常有多种方法，如利用测距误差统计的先验信息就可将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值；降低LS算法中NLOS测量值的权重，在LS算法中增加约束项等。这些方法也是目前的研究热点。

（3）在CDMA系统中，多址干扰在基于时间的定位系统中会严重影响时间粗捕获，对延时锁相环的时间测量也有很大影响。

功率控制的采用使多个非服务基站难于同时正确测量TOA或TDOA测量值，目前已出现了一些探索解决该问题的方法，如在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。

5 无线定位技术的应用

在蜂窝系统中实现对移动台的定位功能除了满足E-911定位需求外，还可具有多种用途，既可方便移动台用户又可为企业提供商业机会，甚至还可能对蜂窝系统的设计策略产生很大影响。一般来说，在蜂窝系统中无线定位技术有以下用途：

（1）基于移动台位置的灵活计费。

网络管理中心在计费时根据移动台所在的不同位置收取不同的通话费，如在呼叫频率高的区域收取较高的通话费，而在呼叫频率低的区域收取较低的费用，达到调节蜂窝系统容量、提高系统竞争力的目的。

（2）提高用户的安全保障。

近年来由于移动用户的爆炸性增长，蜂窝系统中移动用户的报答呼叫和求助呼叫的数量也急剧增加。在很多情况下移动用户并不能准确说出其所在的位置，因此象有线电话那样能自动提供呼叫者的位置信息就显得尤其重要。这样将会使有关应急部门能及时找到呼叫者，采取响应的救助措施。

（3）智能运输系统（ITS）。

因智能运输系统中涉及到大量对车辆的定位处理，过去为此设计了AVL系统，为此要占用宝贵的频带资源，花费大量的硬件投资。在蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后，ITS系统中就可利用该功能来取代AVL系统，提供诸如车辆及旅客位置、车辆的调度管理、监测交通事故、疏导交通等服务。

（4）增强蜂窝性能。

在蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后，微观上能准确地监测移动台的移动，使网络方面能更好地决定什么时候进行小区间的切换，宏观上移动台的位置数据对蜂窝的规化具有很好的参考价值。

（5）蜂窝系统设计和资源管理。

蜂窝网络具备定位能力后，网络设计者能改进他们对蜂窝系统的设计规划能力。通过对呼叫移动台的定位，网络方面可根据其位置分配相应信道，从而提高频谱利用率，对网络资源进行更有效的管理。经营多种业务的公司在任何时间。任何位置能让用户自由选择最适合其需要的服务载体。

随着定位技术的发展，其它潜在的应用还将出现。

6 结 论

自E-911定位需求颁布以来，基于蜂窝网络的无线定位技术在国外得到广泛研究，定位技术自

身应用的重要性及对蜂窝网络设计和规划的有益促进作用得到了人们的认可。但目前该项技术和E-911定位需求还有一定差距，许多技术问题还有待深入研究。因而我们加强对基于蜂窝网络，特别是CDMA网络的无线定位技术的研究对于我们把握时代脉搏，赶超国外蜂窝移动通信的先进技术，填补国内空白具有重要意义。