無線定位系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析

謝新梅 宋榮方


南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)


　　摘要：本文首先介紹了無線定位系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，接著分析其關(guān)鍵技術(shù)(基于終端和基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù))和性能，最后簡要討論了基于位置的移動定位服務(wù)發(fā)展優(yōu)勢及應(yīng)用前景。


　　關(guān)鍵詞：基于位置的服務(wù)LBS，輔助GPS，增強型觀察時間差E－OTD，公共安全應(yīng)答點PSAP，首次鎖定時間TTFF



1 引言


　　地理定位、方位定位和無線定位這些名詞今天被廣泛地用來描述確定一個移動臺(MS)所在位置的能力。位置一般包含了和MS有關(guān)的坐標，坐標可以是二維或三維的，通常包含了與MS所在位置的經(jīng)度和緯度的有關(guān)信息。無線定位技術(shù)最初是為了滿足遠程航海的導(dǎo)航等要求而產(chǎn)生的。全球定位系統(tǒng)GPS的出現(xiàn)使得無線定位技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，定位精度得到大幅度提高，精度可達10米以內(nèi)。國外對于無線定位在移動通信中的應(yīng)用也有所要求，例如，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）強制要求所有無線業(yè)務(wù)提供商，在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作。全球三大通信廠商:愛立信、摩托羅拉和諾基亞于2000年10月成立了"位置信息互操作論壇LIF（Location Interoperability Forum）"，其目標是在全球范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)和終端上提供基于位置的服務(wù)LBS(Location Based Service)。歐洲電信標準化協(xié)會ETSI對GSM系統(tǒng)的無線定位也提出了一系列標準。GPS已經(jīng)成為室內(nèi)環(huán)境中一項非常成功的定位技術(shù)，而現(xiàn)今GPS與無線網(wǎng)絡(luò)融合起來形成的LBS熱，使得移動定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)作為最具有潛力的移動增值業(yè)務(wù)而迅速發(fā)展。


2 無線定位系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)


　　無線定位系統(tǒng)的功能性體系結(jié)構(gòu)必須具備兩個功能單元：1）移動臺(MS)的位置估計，2）和網(wǎng)絡(luò)共享某些屬性的此位置估計信息。定位系統(tǒng)測量來自移動終端的無線電波的有關(guān)參數(shù)，同時系統(tǒng)測量某些固定接收器或者某些固定發(fā)送器發(fā)送到移動接收器的無線電波參數(shù)。因此有兩種辦法可以獲得對MS的實際位置信息的估計：①自我定位系統(tǒng)，即常被稱為基于移動終端為中心的定位系統(tǒng)，MS通過測量自己相對某個已知位置發(fā)送器的距離或者方向來確定自己的位置(例如GPS接收器)。②遠距離定位系統(tǒng)，即常被叫做基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，它采用很多地理定位基站(GBS)一起來確定MS位置,可以通過分析接收信號的強度、信號相位以及到達時間等屬性來確定MS的距離，至于MS的方向則可以通過接收信號的到達角來獲得，最終系統(tǒng)根據(jù)每個接收器測量到的移動終端的距離或者方向來聯(lián)合計算移動終端的位置。自我定位系統(tǒng)也可以使用相似的方法。


　　圖1演示了一個無線定位系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的例子。一個定位服務(wù)提供商為用戶提供位置信息和位置感知服務(wù)。每當用戶提出申請要求有關(guān)某個MS的位置信息時，定位服務(wù)提供商將首先聯(lián)絡(luò)位置控制中心，查詢MS的位置坐標。用戶可能是希望跟蹤某一移動設(shè)備的商業(yè)用戶，或者是試圖應(yīng)答一個E-911電話的公共安全應(yīng)答點PSAP (Public Safety Answering Point)。然后位置控制中心收集所需的信息來計算MS的位置，此信息可能是諸如接收信號強度、BS ID、信號的TOA等參數(shù)。根據(jù)MS過去的信息，一系列BS可被用來尋呼MS，并且直接或者間接獲得定位參數(shù)。這些BS有時候被稱為地理定位基站(GBS)。一旦收集到這些信息，位置控制中心就能夠以某一精確度確定MS的位置，并且把此信息反饋給定位服務(wù)提供商。服務(wù)提供商然后可以利用此信息為用戶可視化顯示MS的位置。





　　為了提供無線定位服務(wù)，傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)必須進行體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，如圖2所示，MSC把位置參數(shù)傳遞給E－911業(yè)務(wù)的選擇路由器，由路由器負責(zé)發(fā)送信息到適當?shù)腜SAP。PSAP根據(jù)收到的位置參數(shù)來查詢一個自動位置信息（ALI）數(shù)據(jù)庫，并返回此位置和與MS有關(guān)的信息。在PSAP上可以附加地理信息業(yè)務(wù)（GIS），可以可視化細微地顯示公路、街道、地址和管轄區(qū)域等等。最終一個無線智能網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)絡(luò)可以合并起來通過無線網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)接入地理信息系統(tǒng)。從BS/GBS向PSAP傳遞數(shù)據(jù)有很多種方法，如傳統(tǒng)電信支撐網(wǎng)－7號信令系統(tǒng)，數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)GPRS等等。





3 無線定位關(guān)鍵技術(shù)分析


　　無線定位技術(shù)是通過對接收到的無線電波的一些參數(shù)進行測量，根據(jù)特定的算法以判斷出被測物體的位置，測量參數(shù)一般包括傳輸時間、幅度、相位和到達角等。而定位精度取決于測量的方法。蜂窩移動通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)主要有：基于終端的定位技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。



3.1 基于終端的定位技術(shù)


　　基于終端的定位技術(shù)主要指移動終端計算出自己所處的位置，即自我/個人手機定位技術(shù)。這種技術(shù)主要有GPS、輔助GPS（Assisted GPS）和增強型觀察時間差E－OTD（Enhanced Observed Time Difference）等幾種方法。


　　1） GPS：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是70年代初美國出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要是利用幾顆衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)計算一個移動用戶的位置，即經(jīng)度、緯度和高度。原始數(shù)據(jù)可以由終端處理，也可以送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)處理。一般用于車輛導(dǎo)航和手持設(shè)備。如圖4所示GPS通過四個衛(wèi)星定位,并采用基于到達時間（TOA）的機理。接收機的位置和時鐘偏差表達式如圖3所示：







　　其中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4為已知衛(wèi)星P1、P2、P3、P4測量出的偽距，C為光速，dti為已知衛(wèi)星時鐘與GPS時間偏差，dt為未知接收機與GPS時間偏差。衛(wèi)星的時鐘偏差由接收機從衛(wèi)星導(dǎo)頻信息中取得。平方根項代表衛(wèi)星與接收機之間距。對于GPS接收機有四種主要功能：①用偽距決定衛(wèi)星與接收機之間距離；②從衛(wèi)星發(fā)出的信息中提取TOA；③求出衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)（信號到達時），計算衛(wèi)星的位置；④確定接收機位置和接收機時鐘偏差。


　　2） 輔助GPS：E-911業(yè)務(wù)最初制定的時候允許選擇傳統(tǒng)的GPS，但是缺點在于采用GPS直接對MS定位，首次鎖定時間TTFF（Time to First Fix）有可能需要10分鐘左右，并且依賴于MS能看到什么樣的衛(wèi)星星座，同時在城市的狹窄樓宇之間使用GPS時會出現(xiàn)問題。為了解決這個問題將衛(wèi)星導(dǎo)航與無線蜂窩融合形成的新技術(shù)，即輔助GPS(A－GPS) 將GPS與無線手機組合在一起，如圖4所示，在此技術(shù)中蜂窩網(wǎng)絡(luò)里一個和MS可以看到同—衛(wèi)星的實體（基站BS）被激活來協(xié)助GPS接收器工作，通過預(yù)測一個MS可以看到什么信號并且向MS發(fā)送此信息，輔助GPS也可以使網(wǎng)絡(luò)實體能夠比MS檢測到信號強度更微弱的信號并且向MS發(fā)送一個靈敏度輔助消息。此外它通過告知MS當前所能看到的衛(wèi)星和將要用于同步的編碼相位來減少MS的衛(wèi)星搜索空間。利用輔助GPS作定位，傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，使得定位時間降至幾秒鐘。輔助GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助GPS，與獨立的GPS相比，以網(wǎng)絡(luò)為核心的方法能夠提供更快的首次鎖定位置的時間TTFF，它使用固定位置GPS接收機獲得移動終端的補充信息數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)使移動用戶接收機不必譯碼實際消息就可以進行定時測量。AGPS現(xiàn)在已作為移動定位候選技術(shù)，正在成為基于AMPS和IS－95蜂窩電話的標準。并且即將有可能被TDMA標準所采納。


　　3） E－OTD定位方法：是手機根據(jù)服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個基站的測量數(shù)據(jù)，算出它們之間的時間差，時間差被用于計算用戶相對于基站的位置。為了在終端上實現(xiàn)軟件計算定位算法，必須有足夠的處理能力和存儲容量。與E－OTD相關(guān)的基本量有三個：觀察時間差OTD、真實時間差RTD和地理位置時間差GTD。OTD是MS觀察到的兩個不同位置BS信號的接收時間差；RTD是兩個BS之間的系統(tǒng)時間差；GTD是兩個BS到MS由于距離差而引起的傳輸時間差。設(shè)d1為BS1與MS之間的距離，d2為BS2與MS之間的距離，則GTD=|d2－d1|/v（v為無線電波速度），那么上述三個量之間關(guān)系為：OTD=RTD+GTD；當基站都同步時，則RTD＝0。要取得正確結(jié)果，BS數(shù)目至少為三個，位于不同的地理位置，并且重要的一條是基站之間要同步。同步基站最常用的方法是基站安裝固定GPS接收機。采用E－OTD定位的精度可達125米并且不依賴于天氣，而GPS定位只能在天氣晴朗時效果良好。



3.2 基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)


　　基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出移動終端所處的位置。這種技術(shù)主要有CGI－TA、基于方向的定位技術(shù)（信號到達角AOA）、基于距離的定位技術(shù)（上行到達時間UL－TOA和到達時間差TDOA）和基于指紋的定位技術(shù)等幾種。


　　1） CGI－TA：CGI是小區(qū)全球識別碼，每個蜂窩小區(qū)有一個惟一的小區(qū)識別碼。CGI由位置區(qū)標志LAI和小區(qū)標志CI構(gòu)成。GSM系統(tǒng)中可以用作定位的參數(shù)還有一個是時間提前量TA。TA是由基站測量得到的結(jié)果，然后通知移動用戶提前一段時間（TA）發(fā)送數(shù)據(jù)，使得到達數(shù)據(jù)正好落入基站的接收窗口中，TA的目的是為了扣除基站與移動用戶之間的傳輸時延，因此利用TA可以估計MS和BS之間的距離。TA是以比特為單位的，1bit相當于550米的距離。由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，因此，利用TA定位的精度很低。由于網(wǎng)絡(luò)中已保存了這些數(shù)據(jù)，因此，把CGI和TA結(jié)合在一起定位移動用戶是一種簡單而且經(jīng)濟的定位方法，可以實現(xiàn)一些位置查詢業(yè)務(wù)，如顯示移動用戶所在區(qū)域內(nèi)的餐館、旅館等信息，定位精度取決于小區(qū)的大小和周圍的環(huán)境。


　　2） 基于方向的定位技術(shù)：AOA定位技術(shù)一般利用由兩個或更多基站通過測量接收信號的的到達方向來估計MS的位置，如圖5所示AOA定位方法可惟一確定一個二維定位點。MS發(fā)，BS1收，測量可得一條BS1到MS連線；同理可測量得到另一直線，兩直線相交產(chǎn)生定位角。采用此方法在障礙物較少的地區(qū)可以得到較高的準確度，但在障礙物較多的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大。另外，AOA技術(shù)要建立在智能天線的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)。接收器利用定向天線或者天線陣來測量接收器收到的目標發(fā)送器的信號的方向。如果方向測量的精度為± s，則接收器處的AOA測量可以把發(fā)送器位置限定在大約角度為2 s的視線信號路徑，兩個這樣的AOA測量將能鎖定目標位置。位置估計的精度依賴于發(fā)送器相對于接收器的位置。如果發(fā)送器恰好處在兩個接收器之間的直線上，則AOA測量將無法鎖定目標位置。因此通常采用多于兩個的接收器來提供定位精度。





　　3） 基于距離的定位技術(shù)：MS和接收器之間的距離的估計可以通過接收信號強度、UL－TOA以及TDOA技術(shù)獲得。TOA定位方法與E－OTD較為類似，差別在于UL－TOA由基站測量終端數(shù)據(jù)的到達時間。該方法要求至少有三個基站參與測量，如圖6所示，如果基站接收器與移動臺之間的距離估計值為di，移動臺可以被定位在以接收器為中心，半徑為di的圓上。每個基站增加一個位置測量單元LMU，LMU測量終端發(fā)送的接入突發(fā)脈沖或常規(guī)突發(fā)脈沖的到達時刻，LMU可以和BS結(jié)合在一起，也可分開放置。由于每個BS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出MS位置。TDOA測量的是移動用戶發(fā)射信號到達不同BS之間的傳輸時間差，而不是傳輸時間。UL－TOA定位方法需要MS和參與定位的BS相互之間精確同步，而TDOA則不需要。具體主要采用以下三種方法來實現(xiàn)：
　�、� TOA方法：利用發(fā)射的信號在空氣傳播速度來確定發(fā)送器和接收器之間的距離。這就是目前GPS接收器中所采用的稍做修改的TOA技術(shù)，當一個GBS檢測一個信號時可以確定其絕對的TOA。如果同時知道MS發(fā)射信號的時間，則這兩個信號的時間差可以用來估計信號從MS到GBS經(jīng)歷的時間。確定移動臺的位置需要三次不同的測量。TOA技術(shù)可以提供以移動臺為中心的圓，或者以固定收發(fā)機為中心的圓。


　�、� 信號強度方法：如果MS發(fā)射的功率是已知的，則在GBS處測量RSS值可以根據(jù)已知的數(shù)學(xué)模型提供發(fā)送器和接收器之間距離估計，這樣的數(shù)學(xué)模型描述了無線信號與距離有關(guān)的路徑損耗特性。但由于存在多徑損耗，并且陰影衰落效應(yīng)對此模型將造成較大的標準偏差。


　�、� 接收信號相位方法：收到信號的相位也可以用來作為定位參數(shù)，通過用輔助的參考接收器測量載波的相位，差分GPS（DGPS）與標準的GPS相比，可以把定位精確度從20米提高到1米。但信號相位的周期特性會導(dǎo)致相位模糊，而在DGPS里模糊的載波相位測量被用來對范圍測量進行細調(diào)�？梢圆捎孟辔环椒ú⒔Y(jié)TOA/TDOA或者RSS方法來細調(diào)位置估計，同樣多徑效應(yīng)導(dǎo)致相位測量時產(chǎn)生較大誤差�！�





　　4） 基于指紋的定位技術(shù)：最近，信號指紋技術(shù)被采納作為另—種定位的技術(shù)。接收到的信號由于其對地形和傳播時障礙物具有依賴性，因而呈現(xiàn)出非常強的站點特殊性。因此對于每一個位置來說，該信道的多徑結(jié)構(gòu)對每一個位置是惟一的，如果同樣的射頻信號被從該位置發(fā)射，這樣的多徑特征可以被認為是該位置的指紋或者特征簽名。這—屬性被一些專用系統(tǒng)利用來開發(fā)一個適用于某一特定服務(wù)區(qū)域的與位置網(wǎng)格有關(guān)的“特征簽名數(shù)據(jù)庫”。移動臺發(fā)射射頻信號，由于多徑條件會產(chǎn)生散射，對這些射頻信號進行測量并且收集所有這些多徑傳播分量。根據(jù)這些多徑分量得到一個位置模式特征簽名，然后把這個位置特征簽名和預(yù)置的特征簽名數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較，就可以確定其位置。對位置模式特征進行連續(xù)的測量能夠提供跟蹤功能。



4 無線定位系統(tǒng)的性能分析


　　電信網(wǎng)常常用服務(wù)質(zhì)量QOS（Quality of Service），業(yè)務(wù)分類COS（Class of Service），服務(wù)等級GOS（Grade of Service），平均比特錯誤率BER，容量，可靠性和覆蓋能力等等來評定網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的性能，同樣無線定位系統(tǒng)也有其性能指標，最重要的就是定位精確度，一般定義為位置準確區(qū)域周圍的不確定區(qū)域，經(jīng)過多次測量得到的百分比。例如67％的定位精確度能把MS定位在實際位置的50米范圍之內(nèi)，而95％的定位精確度能把MS定位在實際位置的1米范圍之內(nèi)。其他具體性能指標詳見表1。






5 基于位置的移動定位服務(wù)發(fā)展優(yōu)勢及應(yīng)用前景


　　無線定位技術(shù)是實現(xiàn)無線定位業(yè)務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)，基于位置的移動定位服務(wù)(LBS) ，尤其是使手機具有定位功能，實現(xiàn)無線通信與定位的融合，是通信與導(dǎo)航領(lǐng)域的一種發(fā)展大趨勢。對于用戶來說，由于移動定位業(yè)務(wù)使得移動用戶在外出行更加方便，遇到緊急情況可以得到更快的救援，因此，可以預(yù)見用戶在不久的將來會離不開移動定位業(yè)務(wù)。對運營商來說，利用無線定位技術(shù)可以給用戶提供新的具有吸引力的業(yè)務(wù)，使自己處于有利的競爭地位；利用移動定位可以根據(jù)話務(wù)模型優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低成本；結(jié)合移動定位的潛在業(yè)務(wù)很多，這樣運營商可以從中獲得更多的收益。從生產(chǎn)廠家來看，提供移動定位的產(chǎn)品會更具有市場競爭力。


　　目前較為實用的是綜合了上述定位技術(shù)中的兩種或多種方法在一個系統(tǒng)中的混合定位技術(shù)。例如綜合AOA和TDOA，由于這種方法充分利用了信號的到達角和到達基站的時間差，因此具有較高的準確度。實際上最好的辦法是將GPS定位功能與移動定位組合起來最為方便與有效。目前第3代移動通信系統(tǒng)CDMA2000無線手機和衛(wèi)星導(dǎo)航GPS組合在一起，形成全新的基于位置的移動定位服務(wù)產(chǎn)業(yè)在電信和移動運營增值業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)⒌玫角八�未有的發(fā)展。


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[6] 陶鵬 GSM無線定位技術(shù) 通訊世界 2001第6期



作者簡介：


　　1．謝新梅（1979-），女，湖南邵東人，南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)研究生，2001年畢業(yè)于南京郵電學(xué)院通信工程系，目前主要從事無線和移動IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全光互聯(lián)網(wǎng)的研究。


　　2．宋榮方（1964-），男，江蘇常州人。南京郵電學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)教授，2001年畢業(yè)于東南大學(xué)無線電工程專業(yè)博士研究生，目前主要從事智能無線互聯(lián)網(wǎng)，第四代移動通信標準、移動通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)、寬帶碼分多址通信和現(xiàn)代通信中得信號處理與智能信息處理研究，承擔(dān)國家自然基金項目（WCDMA關(guān)鍵技術(shù)研究）和原郵電部預(yù)研項目（WCDMA系統(tǒng)中時空聯(lián)合干擾抑制技術(shù)研究）各1項。在IEEE Electronics (China)，電子學(xué)報，通信學(xué)報，電子與信息學(xué)報，電波科學(xué)學(xué)報，電路與系統(tǒng)學(xué)報和信號處理等國際國內(nèi)權(quán)威刊物上發(fā)表論文數(shù)十篇�！�




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