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淺析無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統中的定位技術(shù)
【論文關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統 角度到達定位 抵達時(shí)間差定位
【論文摘要】本文論述了無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統中的兩種定位體制，并重點(diǎn)介紹基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )定位技術(shù)的常用定位方法，即AOA、TOA、TDOA定位方法，同時(shí)分析各種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
要想獲取到目標的具體位置信息，一般都是采用GPS定位信息，但當目標處在高樓聳立的城市之間，GPS的部分衛星信號處于遮擋狀態(tài)，此時(shí)為了獲得到目標的準確信息，可以考慮采取其他的輔助定位方式。比如說(shuō)，利用偽衛星技術(shù)，該技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是指安置在地面上的地基發(fā)射站，它發(fā)射的信號與GPS的信號相類(lèi)似，但該種技術(shù)需要架設額外的設施;采用DTV技術(shù)，由于大城市環(huán)境中，DTV設施資源也有限。此時(shí)可以考慮采用無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統，該系統在城市中應用成熟，基站信號好。因基站可以發(fā)射信號，目標可以利用基站的信號信息，確定目標的位置，即可以采用無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統來(lái)彌補GPS定位技術(shù)的不足，從而準確獲取目標的位置信息。
無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統中的定位技術(shù)主要有兩種體制。一種是基于下行鏈路的定位技術(shù)，即基于移動(dòng)臺的定位技術(shù);一種是基于上行鏈路的定位技術(shù)，即基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)�；谝苿�(dòng)臺的定位技術(shù)要求移動(dòng)臺參與定位參數的測量以及測量值的求解計算�；诜涓C網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò )根據測量數據計算出移動(dòng)終端所處的位置，通常必須利用3個(gè)或3個(gè)以上蜂窩基站接收手機信號的定位參數，即到達時(shí)間、角度或強度。
1、基于移動(dòng)臺的定位技術(shù)
現已提出的基于移動(dòng)臺的方法主要有：基于下行鏈路增強觀(guān)測時(shí)間差定位方法、基于下行鏈路空閑周期觀(guān)測到達時(shí)間差方法、基于GPS作為輔助的定位技術(shù)等。
2、基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)
基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )的定位方法目前主要有：基于Cell-ID定位和基于時(shí)間提前量定位的方法、上行鏈路信號到達時(shí)間定位方法、上行鏈路信號到達時(shí)間差定位方法以及上行鏈路信號到達角度定位方法等。
2.1 AOA
角度到達[1](AOA，Arrival of Angle)定位方式是根據信號到達的角度，測定出運動(dòng)目標的位置。在A(yíng)OA定位方式中，只要測量出運動(dòng)目標與兩個(gè)基站的信號到達角度參數信息，就可以獲取目標的位置。蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的AOA定位方式，指的是基站接收機利用基站的天線(xiàn)陣列，接收不同陣元的信號相位信息，并測算出運動(dòng)目標的電波入射角，從而構成一根從接收機到發(fā)射機的徑向連線(xiàn)，即測位線(xiàn)，目標終端的二維位置坐標可通過(guò)兩根測位線(xiàn)的交點(diǎn)獲得。
2.2 TOA
抵達時(shí)間[2](TOA，Time of Arrival)定位方式也稱(chēng)為基站三角定位方式，通過(guò)測量從運動(dòng)目標發(fā)射機發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波，到達多個(gè)(3個(gè)及以上)基站接受機的傳播時(shí)間，來(lái)確定出運動(dòng)目標的位置。已知電波傳播速度為c，假設運動(dòng)目標與基站之間的傳播時(shí)間為t，運動(dòng)目標位于以基站為圓心，以移動(dòng)終端到基站的電波傳輸距離ct為半徑的定圓上，則可由3個(gè)基站定位圓的交點(diǎn)，來(lái)確定目標移動(dòng)的二維位置。TOA定位方式中，為了根據發(fā)射信號到達基站的接收時(shí)間，來(lái)確定出信號的傳播時(shí)間，要求運動(dòng)目標發(fā)射機在發(fā)射信號中，加有發(fā)射的時(shí)間戳信息。這種定位方式的定位精度取決于，各基站和運動(dòng)目標的時(shí)鐘的精度，以及各基站接收機和運動(dòng)目標發(fā)射機時(shí)鐘間的同步。
TOA算法要求參加定位的各個(gè)基站在時(shí)間上要嚴格同步，由于電磁波的傳播速率很高，微小的誤差將會(huì )在算法中放大，使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS以及噪聲等干擾造成的誤差會(huì )使圓無(wú)法交匯，或者交匯處不是一點(diǎn)而是一個(gè)區域。因此TOA對系統同步的要求很高，并且需要在信號中加時(shí)間戳(要求基站之間的同步)，而實(shí)際參加定位的基站一般在3個(gè)以上，誤差是不可避免的。這時(shí)候可以利用GPS對基站進(jìn)行校正并利用其他補償算法來(lái)估計位置，提高算法的精確度，但同時(shí)增加系統的開(kāi)銷(xiāo)和算法復雜程度，因此單純的TOA算法在實(shí)際中應用很少。
2.3 TDOA
抵達時(shí)差[3](TDOA，Time Difference of Arrival)定位方式通過(guò)測量目標移動(dòng)終端發(fā)射機到達不同基站接收機的傳播時(shí)差，來(lái)確定運動(dòng)目標的位置信息。TDOA定位方式中，不需要移動(dòng)終端與基站間的精確同步，也不需要在上行信號中加時(shí)間戳信息，還可以消除或減少目標移動(dòng)終端與基站間由于信道所造成的共同誤差。在該定位方式中，將目標移動(dòng)終端定位于兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)方程上。確定目標移動(dòng)終端的二維坐標需要至少建立兩個(gè)雙曲線(xiàn)方程(至少3個(gè)基站)，兩條雙曲線(xiàn)交點(diǎn)即為目標移動(dòng)終端的二維坐標。
TDOA算法是對TOA算法的改進(jìn)，他不是直接利用信號到達時(shí)間來(lái)確定目標的位置信息，而是用多個(gè)基站接收到信號的時(shí)間差信息來(lái)確定目標的位置信息，與TOA算法相比，它不需要加入專(zhuān)門(mén)的時(shí)間戳信息，定位精度也有所提高。TDOA值的獲取目前一般都有以下兩種形式：
第一種形式是利用移動(dòng)臺到達2個(gè)基站的時(shí)間TOA信息，知道移動(dòng)臺的坐標位置，以及至少三個(gè)基站的坐標位置，取其差值來(lái)獲得。這時(shí)仍需要基站時(shí)間的嚴格同步，但是當兩基站間移動(dòng)信道傳輸特性相似時(shí)，可減少由多徑效應帶來(lái)的誤差。
第二種形式是在實(shí)際應用中，往往很難做到基站與移動(dòng)臺的同步，此時(shí)可以采用相關(guān)估計得到TDOA值，即將一個(gè)移動(dòng)臺接收到的信號，與另一個(gè)移動(dòng)臺接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運算，從而得到TDOA的值。這種算法可以在基站和移動(dòng)臺不同步時(shí)，估計出TDOA的值，再進(jìn)行定位計算能獲得較高精度。
對于蜂窩網(wǎng)中的移動(dòng)臺定位而言，TDOA更具有實(shí)際意義，這種方法對網(wǎng)絡(luò )的要求相對較低，并且定位精度較高，目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。
從上面的分析可以看出，TDOA定位技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
�、倏梢栽谠�(huà)音和控制信道上進(jìn)行測量;
�、谶m用于多種移動(dòng)電話(huà)制式下實(shí)現該技術(shù)，不需要對蜂窩通信的標準進(jìn)行修改，容易在所有蜂窩網(wǎng)通信系統中擴展;
�、蹖υ邢到y改動(dòng)不大，不需要改變用戶(hù)端和蜂窩的基礎設施及蜂窩天線(xiàn)，安裝費用少;
�、軠y試精度不受距離影響，對多徑干擾敏感度低;對功率變化不敏感，信號衰減對測時(shí)精度影響小;抗多徑效應和市區遮擋效應強，因此在信號接收去不會(huì )出現盲點(diǎn);
�、菅訒r(shí)小，其定位時(shí)間在3s之內。
【參考文獻】
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