无线定位技术

学院：物理与光电工程学院 学号：21002124 姓名：李飞

摘 要：无线定位技术是第三代移动通信的重要技术之一, 已得到了欧洲电信标准化组织( ETSI )、美国电信电子行业协会(TIA / EA)和世界各大通信公司的广泛重视。该技术在现代社会中发挥着重要的作用。本文就无线定位有关的概念、原理及技术进行简要介绍, 着重说明3种典型基本的无线定位方法, 最后对无线定位技术的发展和应用做一展望。

关键字：无线定位、到达时间(TOA)、 到达时间差(TDOA)、电波入射角( AOA )

Abstract: Wireless position location technology is the important tech of the 3G Mobile Communication. It has been attached great importance to by ETSI, TIA / EA and world’s major telecom vendors. This technology plays an important role in modern society. This paper introduces the conception principle and technology of WPL,emphasizing three kinds of basic and classical WPL means. At last, give a outlook of development and usages of wireless position location.

Keywords: wireless location、time of arrival、time difference of arrival、angle of arrival

1 引言

1996年美国联邦通信委员会（FCC）公布了E—911定位需求[1], 要求在2001年以前, 各种无线蜂窝网络必须能对发出一紧急呼叫的移动台（MS）提供精度在内300m的定位概率不低于95%, 在125m内的概率应不低于67%, 并在2001年以后, 要求95%概率下的精度为125m, 67%概率下的精度为50m。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, 无线定位技术成为了研究的热点。此外, 无线定位技术还可以应用于城市交通导引, 车辆跟踪调度, 移动终端盗打防范, 移动网络管理和网络规划等领域, 同时可为移动通信运营部门提供增加运营收入的新手段。本文将对这一技术及其应用进行探讨。文章在第二部分将主要论述无线定位有关的概念、原理及技术；第三部分讨论常用的三种典型的基本定位技术：场强法、基于电波传播时间( TOA 或 TDOA ) 的定位法、基于电波入射角( AOA ) 的定位法；第四部分就无线定位技术的发展和应用作一展望；第五部分是参考文献。

2 无线定位技术

无线定位系统中对移动台的定位是通过分析移动台及固定接收机之间传播信号的参数来估计移动台的确切位置。现有的定位系统按移动通信结构分为基于移动通信网络的无线定位、基于移动台的无线定位、混合定位等。按工作的环境可分为室内的无线定位和室外的无线定位。下面做一简单介绍。 2.1 基于移动台的定位系统[2]

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。 2.2 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。 2.3 混合定位

该法是在系统中同时利用不同类型的信号特征测量值, 如TOA / AOA、 TDOA /AOA，甚至是GPS作为辅助，进行定位估计。

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, 如集成完整 GPS 的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, 虽然定位精度高, 用户对定位信息有绝对的控制权，但是成本昂贵。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大量资源,是一种较为可取的方案。 3 典型的基本无线定位方法 3.1 场强定位法

这种方法是通过测出接收信号的功率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间的距离, 根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。一次场强测量把移动台(即定位目标)约束在围绕基站的轨迹圆上,圆的半径由场强值确定。由于通常两个圆交点为两个,因此一般必须通过三个基站来确定目标位置。在实际应用的系统中, 为了克服远近效应, 必须要采用功率控制, 所以在理想情况下, 网络接收到的移动台功率是相同的, 这时移动台必须以足够高的精度告知基站其发射信号的功率,基站再由接收到的信号功率计算出信号传输过程中的损耗, 进而推算出移动站到基站的距离估值, 实现对无线用户的定位。

3.2 基于电波传播时间( TOA 或 TDOA ) 的定位法

根据几何原理, 如图1,以三个基站为圆心, 移动台为圆上一点, 可以确定三个圆, 圆半径等于测量到的往返时间的一半乘以光速,三圆相交即可估计目标位置。这就是 TOA 定位,可以看出,接收机需要知道信号传输的开始时刻才能测量往返时间, 因而要求参与定位的所有设备有非常严格的时钟同步。对于 TDOA ,若移动台MS到基站BS1、BS2、BS3的距

离为d1、d2、d3 , 则只要知道基站BS1、BS2与移动台之间的距离差r1= d1-d2, 就可以确定一条以两个基站为焦点, 与两个焦点的距离差恒为 r1 的双曲线。r1 可以通过测量到达时间差来得到, 根据多个 TDOA 数据对应的多条双曲线的交点就能估计目标位置, 如图2。 这样只需要参与定位的基站有严格的时钟同步而不要求移动台也严格同步, 降低了同步要求。以上基于时间的定位法若直接利用 TOA 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, 实际应用中通常采用 LS(最小二乘)误差算法, 通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。 3.3 基于电波人射角（ AOA ）的定位法台位置。

该方法是在接收机通过接收机天线阵列测出电波相对某个方向的入射角, 如果方向测量精度是±β, 则接收机处的 AOA 测量就可把目标发射机位置限定在角度约 2β的视距信号路径, 这样两个及以上的接收机测量就能锁定目标。

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、 非视距传播、多址干扰及远近效应等。如TOA和TDOA的到达时间、AOA的到达角会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响, 从图3中可以看出移动台距离基站较远时,

基站定位角度的微小偏差会导致目标定位距离的较大误差, 而且这种技术需要像相位干涉或波束赋形等智能天线技术的支持。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。 4 无线定位技术的发展和应用

无线定位技术到目前已经有了很大的发展，就上述的几种基本的定位方法，开发了较为实用的算法，进行了很多可行性的实验。如CHAN 氏算法是一种具有解析解的非递归算法。当有4 个以上基站能进行有效TDOA 测量时,该算法能利用网络提供的所有TDOA 测量值, 并取得较好的定位功能[3]。还有人提出接收信号指纹[4] 的定位技术，即利用实际环境中地理位置的多径效应都有其特殊性,就象人的指纹一样,完全相同的非常罕见,因此通过对多径效应的实际测量,建立位置指纹库,当需要定位时将用户实测数据与位置指纹库数据进行对比即可确定出用户的实际位置，如channel impulse response (CIR)[5]。 Hiroyuki TSUJI 等人利用无人机作为高空平台（300-1000m），使用侧入射角的阵列天线（array antenna）进行AOA模拟实验,得到误差范围1.2m的MS定位[6]。

实现对移动台的定位功能有多种用途, 既可方便移动用户, 又能为企业提供商业机会。现在常用的有以下几种用途：1、基于移动台的灵活收费。网络管理中心根据移动台所处的不同位置收取不同的话费, 例如在呼叫频率较高的地区收取较高话费, 在呼叫频率较低的地收取较低话费,以及对移动用户漫游的收费等, 以此调节移动通

信系统的容量。2、更好地为用户服务。当用户遇到紧急事件需要呼叫求援, 又无法确切说明自己所处位置时,有关部门就可利用定位技术确定用户的具体位置, 快速采取相应救援措施,提高用户的安全保障。3、智能管理。在移动通信网中采用定位功能后, 己经将此充分利用到交通管理中,提供车辆定位、车辆调度管理、监测交通事故等服务, 为智能运输系统省了宝贵的频带资源, 节省了大量的硬件投资。4、大众服务。如就近服务例如就近购物, 就近银行, 就近餐饮, 就近加油站、维修点及交通信息给终端用户提供基于位置的最新交通状况[7]。随着科技的进步，无线定位技术将更加便利的服务于每个现代人。 5 参考文献

[1]谢纪刚、郭玮、杨世平《移动通信系统中的无线定位技术及其应

用》河北师范大学学报(自然科学版)，2001年3月第25卷第1 期 [2]龙海燕、张葡青《无线定位技术的物理基础及其关键技术分析》中山大学学报(自然科学版)，2005年5月第44卷 第3 期 [3]HEIKKi L“Cellular location techniques ” Information Technology MLW,2001

[4]谷静、毛永毅、李明远《无线定位技术》西安邮电学院学报 2002年7月第7卷 第3期

[5]Lei Qiu and Rodney A. Kennedy “RADIO LOCATION USING PATTERN MATCHING TECHNIQUES IN FIXED WIRELESS”COMMUNICATION NETWORKS 1-4244-0977-2/07/$25.00 c_ 2007 IEEE

[6]Hiroyuki TSUJI 、Derek GRAY、 Mikio SUZUKI 、Ryu MIURA “RADIO LOCATION ESTIMATION EXPERIMENT USING ARRAY ANTENNAS FOR HIGH ALTITUDE PLATFORMS”1-4244-1144-0/07/$25.00 ©2007 IEEE.

[7]丁文耀《无线定位技术原理及其在3G系统中的应用》2003年无线电工程 第33塞第10期