蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)及應(yīng)用

一、前言

　　近年來(lái)，隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，蜂窩無(wú)線定位技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。這主要?dú)w因于政府的強(qiáng)制性要求和市場(chǎng)本身的驅(qū)動(dòng)。 FCC于1996年10月頒布了無(wú)線E9ll呼叫應(yīng)急服務(wù)功能，其核心是要求所有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須分階段的提供緊急呼叫用戶的經(jīng)緯度位置信息。針對(duì)E911定位需求的具體實(shí)施，各國(guó)主要大公司均就 GSM、IS-95 CDMA以及第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)始制定各自的定位實(shí)施方案。特別是 3GPP和3GPP2上對(duì)定位的要求更加具體化，這也是對(duì)蜂窩無(wú)線定位市場(chǎng)潛力的肯定。另一方面，移動(dòng)通信用戶對(duì)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的需求日益迫切。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)能夠在移動(dòng)臺(tái)處于空閑狀態(tài)或通話狀態(tài)的情況卜獲取其地理位置等信息，利用移動(dòng)臺(tái)的定位信息，運(yùn)營(yíng)商可以1hJ用戶提供各種增值業(yè)務(wù)，如位置環(huán)境信息查詢、緊急救援、智能交通、廣告發(fā)布等等，同時(shí)還可以作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、維護(hù)和管理的輔助數(shù)據(jù)。到目前為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展�？梢灶A(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年內(nèi)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的移動(dòng)業(yè)務(wù)將得以迅猛的發(fā)展。

　　二、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)

　　利用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的方法主要有三類(lèi)，(l)基于電波場(chǎng)強(qiáng)的定位技術(shù)；(2)基于電波到達(dá)入射角(AOA)的定位技術(shù)；(3)基于電波到達(dá)時(shí)間(TOA)或到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位技術(shù)。

　　1．場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)

　　電波場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)根據(jù)移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)強(qiáng)度與移動(dòng)臺(tái)至基站的距離成反比關(guān)系，通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值可以估算出收發(fā)信機(jī)之間的距離，由多個(gè)距離測(cè)量值(至少三個(gè))可以估算移動(dòng)臺(tái)的位置。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確的反映服務(wù)傳播范圍內(nèi)的無(wú)線電波傳播模型，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。除此之外，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜、無(wú)線系統(tǒng)的不斷調(diào)整以及地理環(huán)境、車(chē)輛等因素都會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。由于移動(dòng)通信環(huán)境中電波傳播的復(fù)雜性，決定了這？技術(shù)在定位精度上的局限性，但是由于該技術(shù)比較簡(jiǎn)單易行、在對(duì)精度要求不是很高的情況下仍被采用。為了改善其性能，人們開(kāi)始研究利用電波傳播中的射線跟蹤方法來(lái)逛一步提高定位的精度。

　　2．到達(dá)入射角的定位技術(shù)

　　電波到達(dá)入射角的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來(lái)測(cè)出移動(dòng)臺(tái)來(lái)波信號(hào)的人射角、構(gòu)成從基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，即測(cè)位線，這兩條連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。由于兩條直線只能相交于？點(diǎn)，這種方法不會(huì)產(chǎn)生定位模糊性。但是它需要在每個(gè)小區(qū)基站上放置 4？ 12組的天線陣。這些天線陣？起工作，從而確定移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)相對(duì)于基站的角度。當(dāng)有多個(gè)基站都發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)源時(shí)，那么它們分別從基站引出射線，這些射線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。AOA的優(yōu)點(diǎn)在于它僅需要兩個(gè)基站參與便可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位，同時(shí)不存在移動(dòng)臺(tái)位置的模糊性問(wèn)題。但是該技術(shù)需要在現(xiàn)有的基站增加天線陣列，由此增加了大量的建設(shè)費(fèi)用。與此同時(shí)，電波到達(dá)入射角估計(jì)會(huì)受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無(wú)線信號(hào)波陣面扭曲的影響，移動(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，基站定位角度的微小偏差也會(huì)導(dǎo)致定位距離的較大誤差。

　　3．到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)

　　到達(dá)時(shí)間／到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。到達(dá)時(shí)間定位技術(shù)通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)以直線到達(dá)基站的時(shí)間，根據(jù)電磁波在空中的傳播速度可以得到移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離。移動(dòng)臺(tái)即位于以基站為圓心，移動(dòng)臺(tái)到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過(guò)多個(gè)基站進(jìn)行上述測(cè)量計(jì)算，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可出三個(gè)圓的交點(diǎn)確定。到達(dá)時(shí)問(wèn)定位技術(shù)要求接收信號(hào)的基站知道移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間，并要求基站有非常精確的時(shí)鐘。為了克服這一缺點(diǎn)，人們提出了到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)，它是通過(guò)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位的，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)的位置，這就大大降低了對(duì)時(shí)間同步要求。很明顯，移動(dòng)臺(tái)一定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線上。所以通過(guò)建立兩個(gè)以上雙曲線方程，求解雙曲線的交點(diǎn)即可得到移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。

　　以上兩種基于時(shí)間的定位技術(shù)的只要求基站能夠從接收到的射頻信號(hào)中準(zhǔn)確的提取時(shí)延估計(jì)值，而無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加以大規(guī)模的改造就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的高精度定位，因此成為了蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)的研究重點(diǎn)。TruePosition公司所提供40米精度的定位業(yè)務(wù)就是采用了 U-TDOA定位技術(shù)。

　　三、影響定位精度的主要因素

　　由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信環(huán)境復(fù)雜多變，因此各種依賴(lài)于通信信號(hào)測(cè)量的定位技術(shù)都受到各中因素的影響。

　　1．多徑傳傳播

　　影響蜂窩無(wú)線定位的？個(gè)基本因素之一就是多徑傳播問(wèn)題。在移動(dòng)信道中，由于反射物體和散射體的存在會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的環(huán)境，使得信號(hào)能量在幅值、相位和時(shí)間延遲方面產(chǎn)生彌散。這些效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接收天線時(shí)的形式各異，顯示出不同的時(shí)間和空間方位。不問(wèn)的多徑分量的隨機(jī)幅值和相位引起信號(hào)強(qiáng)度的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生小尺度衰落和信號(hào)畸變，使接收信號(hào)的信噪比嚴(yán)重下降，最終影響定位精度。多徑傳播是造成定位誤差的主要原因，因此多徑干擾的抑止是定位的關(guān)鍵技術(shù)之？。

　　2．NLOS傳播

　　導(dǎo)致定位錯(cuò)誤的另一個(gè)重要因素是移動(dòng)臺(tái)和基站之間的信號(hào)為非視距傳播(NLOS)信號(hào)。LOS傳播是得到準(zhǔn)確的信號(hào)特征測(cè)量值的必要條件。但是在城市和近郊，移動(dòng)臺(tái)和多個(gè)基站之間實(shí)現(xiàn)LOS傳播通常是很困難的，更多的情況是通過(guò)反射和折射的方式進(jìn)行傳播的，從而影響了到達(dá)場(chǎng)強(qiáng)，接收電波的到達(dá)方向，以及電波傳播時(shí)間。在這樣環(huán)境下，即便沒(méi)有多徑干擾且系統(tǒng)能提供足夠高的定時(shí)精度也同樣會(huì)導(dǎo)致定位測(cè)量誤差。

　　3．CDMA多址接入干擾

　　由于 CDMA系統(tǒng)個(gè)的各用戶均使用同一頻段，這種高容量也帶來(lái)了遠(yuǎn)近效應(yīng)和多址干擾。多址干擾會(huì)嚴(yán)重影響定位測(cè)量信號(hào)估計(jì)。在CDMA系統(tǒng)中通常采用功率控制來(lái)克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，但由于無(wú)線定位需要多個(gè)基站同時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，功率控制只對(duì)服務(wù)基站起作用，對(duì)非服務(wù)基站，移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)仍然受到嚴(yán)重的多址干擾，因而影響常規(guī)接收機(jī)的性能。研究表明，多址干擾會(huì)嚴(yán)重影響 TOA和 TDOA的定位精度。

　　4．參與定位的基站數(shù)的限制

　　本文所述的定位技術(shù)需要至少兩個(gè)或三個(gè)以上基站的參與。但是，在基站稀疏的環(huán)境下很難同時(shí)存在多個(gè)基站參與移動(dòng)臺(tái)定位，即使在基站稠密的城市環(huán)境中，也可能由于建筑物的遮擋而無(wú)法接收到視距傳播的信號(hào)。另外，由于CDMA系統(tǒng)采用了功率控制技術(shù)來(lái)克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)靠近服務(wù)基站時(shí)，其它基站就很難接收到移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的定位測(cè)量信號(hào)。

　　表 1給出了各種環(huán)境下所能參與移動(dòng)臺(tái)定位的基站數(shù)量的統(tǒng)計(jì)情況。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在鄉(xiāng)村或郊區(qū)同時(shí)存在三個(gè)或三個(gè)以上基站與移動(dòng)臺(tái)保持聯(lián)系的可能性較小。為此，摩托羅拉公司提出了將目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率瞬時(shí)調(diào)到最大的Power Up方法來(lái)加以改善。

　　表1 各種環(huán)境下不同X取值統(tǒng)計(jì)表

　　區(qū)域 　　　　 X表示能夠同時(shí)接收到信號(hào)功率大于-100dBm的基站數(shù)

　　　　　　　　　X=1 X=2 X=3 X=4 X=5

　　鄉(xiāng)村 　　　　 98.3% 86.3% 57.1% 33.8% 16.7%

　　郊區(qū) 　　 　　91.9% 80.9% 69.2% 56.7% 44.1%

　　城市 　　　　100.0% 96.8% 92.4% 85.0% 76.2%


　　5．幾何精度因子（GDOP）

　　參與定位的各基站之間的相對(duì)位置、移動(dòng)臺(tái)與基站之問(wèn)的相對(duì)位置的差異造成的幾何精度因子( GDOP)的不同也會(huì)影響定位算法的性能，造成定位精度的差異。特別是在高速公路附近，基站沿著高速公路直線分布的情況下，TDOA的定位精度將嚴(yán)重惡化。為此，人們提出采用 TDOA/AOA混合定位技術(shù)來(lái)克服這種由于基站地理位置帶來(lái)的對(duì)定位準(zhǔn)確度的影響。

四、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)應(yīng)用

　　根據(jù)美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略集團(tuán)的最新預(yù)測(cè)，到2005年僅在歐洲市場(chǎng)無(wú)線定位服務(wù)市場(chǎng)的收入就可達(dá)到320億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)有單項(xiàng)增值服務(wù)可帶來(lái)的收入。此外，隨著人們對(duì)公共安全和緊急救援日益增長(zhǎng)的需求，基于移動(dòng)定位的增值業(yè)務(wù)也開(kāi)始得到業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，隨著對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)研究的不斷深入，基于現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線定位的性能得到了很大的改善和提高，據(jù)筆者了解，現(xiàn)有的部分商用移動(dòng)臺(tái)定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供約40米的定位精度，并且這一數(shù)據(jù)還將被逐步刷新。這就為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的增值業(yè)務(wù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　結(jié)合移動(dòng)核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息資源，移動(dòng)定位技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。從商業(yè)服務(wù)角度來(lái)說(shuō)．它主要可以分為個(gè)人定位應(yīng)用和企業(yè)級(jí)定位應(yīng)用。個(gè)人定位應(yīng)用通常是指面向移動(dòng)臺(tái)用戶提供定位服務(wù)，主要包括基于位置的信息查詢和發(fā)布、導(dǎo)購(gòu)導(dǎo)游導(dǎo)航以及弱勢(shì)群體監(jiān)護(hù)和救助。企業(yè)級(jí)應(yīng)用則是一種面向集團(tuán)手機(jī)或?qū)Ｓ媒K端客戶提供定位服務(wù)，如交通監(jiān)控和車(chē)輛調(diào)度、防盜保安、基于位置差別收費(fèi)和欺詐管理等。下面將列舉幾種主要的具體應(yīng)用：

　　1．移動(dòng)臺(tái)位置敏感型計(jì)費(fèi)

　　基于用戶位置的計(jì)費(fèi)方式將是未來(lái)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商拓展業(yè)務(wù)，吸引客戶的重要手段。不同的用戶在移動(dòng)電話的使用和收費(fèi)上對(duì)運(yùn)營(yíng)商提出的要求也各不相同，運(yùn)營(yíng)商為了適應(yīng)用戶的這種需求采取了不問(wèn)的收費(fèi)方式來(lái)滿足各種用戶的需要，例如按照移動(dòng)臺(tái)使用的頻率和時(shí)間段不同實(shí)行不同的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。隨著移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的提出，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商又可以增加一種新型的收費(fèi)方式，即按移動(dòng)臺(tái)的使用位置靈活收費(fèi)，在呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費(fèi)，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費(fèi)用，達(dá)到調(diào)節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)整體利用率的目的，這將有利于運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)大業(yè)務(wù)，增加收入，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資源的經(jīng)濟(jì)效益最大化。基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以采用如廠的收費(fèi)策略，

　　(l)在家里和／或辦公室內(nèi)，可以適當(dāng)降低通話價(jià)格，從而與固定電話運(yùn)營(yíng)商展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)；

　　(2)用戶進(jìn)行大范圍漫游時(shí)，則需支付較高的通信費(fèi)用；

　　(3)在密集的商業(yè)區(qū)內(nèi)提高收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，減小該區(qū)域的系統(tǒng)負(fù)載；

　　這種基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的計(jì)費(fèi)策略對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和用戶而言是雙贏互惠的。

　　2．緊急救助

　　近年來(lái)由于移動(dòng)用戶的快速增長(zhǎng)，移動(dòng)用戶的報(bào)警呼叫和求助呼叫的數(shù)量也急劇增加，據(jù)美國(guó)公眾安全機(jī)構(gòu)的1999年的調(diào)查報(bào)告顯示：有15%到40%的緊急呼叫(911)是來(lái)自于移動(dòng)電話的，其每年呼叫總次數(shù)超過(guò)一千萬(wàn)。但是，在很多情況下公眾安全應(yīng)答服務(wù)機(jī)構(gòu)(PSAP)無(wú)法獲知報(bào)警者的具體位置，移動(dòng)用戶也不能準(zhǔn)確地提供其所在的地理位置信息這將會(huì)大大延長(zhǎng) PSAP的反應(yīng)時(shí)間，以至于不能給報(bào)警者以及時(shí)的救助。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，報(bào)警者在撥打應(yīng)急服務(wù)號(hào)碼后，移動(dòng)定位系統(tǒng)就能立即識(shí)別出來(lái)，并對(duì)呼叫手機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的快速定位，手機(jī)的位置信息就會(huì)被傳輸?shù)絇SAP，從而大大改善公眾安全系統(tǒng)的反應(yīng)能力�？梢灶A(yù)計(jì)：蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)為公眾安全提供了新的手段，這將會(huì)成為進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)通信市場(chǎng)的又一推動(dòng)力。

　　3．移動(dòng)黃頁(yè)查詢

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)定位業(yè)務(wù)相結(jié)合，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的移動(dòng)黃頁(yè)查詢。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)首先得到移動(dòng)用戶的位置信息，然后根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)提供的信息通過(guò)短消息或者電子地圖的方式為用戶提供其所處位置附近的相關(guān)信息，例如：提供離用戶最近的餐館、加油站、旅館、自動(dòng)取款機(jī)的位置以及用戶所處區(qū)域的天氣、交通狀況等信息。

　　4．網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理

　　移動(dòng)定位技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用就是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身的規(guī)劃和優(yōu)化。由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，其頻譜資源不易再擴(kuò)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者必須對(duì)頻率的再用進(jìn)行精心的規(guī)劃，以保證有效的覆蓋，同時(shí)防止干擾和串話。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)，用戶的呼叫位置可以被確定，相應(yīng)的處理該呼叫的蜂窩和接收到的信號(hào)功率也可以被確定。根據(jù)這些信息，系統(tǒng)規(guī)劃人員就可以更好對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃、擴(kuò)展、部署和運(yùn)營(yíng)。在微觀上還能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)情況，使網(wǎng)絡(luò)方面能更好地決定什么時(shí)候進(jìn)行切換。目前主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行智能化管理和分配。

　　5．智能交通系統(tǒng)（ITS）

　　目前各大城市開(kāi)始建設(shè)智能交通系統(tǒng)，來(lái)解決車(chē)輛和交通的管理、導(dǎo)航等問(wèn)題。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線定位技術(shù)，我們只需要在車(chē)輛上安裝移動(dòng)電話(或其收發(fā)模塊)，就能夠以最小的投資成本、最快的建設(shè)速度方便的實(shí)現(xiàn) ITS，提供監(jiān)測(cè)交通事故，疏導(dǎo)交通，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位跟蹤、調(diào)度和管理等服務(wù)，促進(jìn)城市數(shù)字化的進(jìn)程。這？應(yīng)用對(duì)于出租車(chē)、公交車(chē)輛、警用車(chē)輛以及一些特種用途車(chē)輛的管理是非常有吸引力的。

　　6．人員或物資的安全性管理

　　在這一應(yīng)用中、一種特殊的微型的收發(fā)信機(jī)(Widget)將用于取代手機(jī)。這種微型收發(fā)信機(jī)具有和手機(jī)相同的收發(fā)模塊，但沒(méi)有用戶接口、如話筒，耳機(jī)，鍵盤(pán)和顯示屏等，因此其體積小，隱蔽性強(qiáng)，成本也較低。這些微型的收發(fā)信機(jī)可由個(gè)人(如：老人和兒童)攜帶，或者被固定在各種物品(如：汽車(chē)和貴重資產(chǎn))上，并間歇地收發(fā)信號(hào)。通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)部門(mén)就可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的安全監(jiān)護(hù)，貨物運(yùn)輸存放的監(jiān)控和管理，提高貨物運(yùn)輸和存放的安全性等。