基于GSM的無線定位技術(shù)<2>

基于GSM的無線定位技術(shù)<2>
四、三種GSM定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及比較
實現(xiàn)GSM定位需要解決許多方面的復(fù)雜問題。下面將介紹三種不同的可用于GSM移動臺定位的
系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu):基于移動臺的,基于網(wǎng)絡(luò)的及混合定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同將對下部設(shè)備的造價、
覆蓋范圍、系統(tǒng)容量、可同時定位的用戶數(shù)產(chǎn)生很大影響。一個給定的定位應(yīng)用的需求將決
定哪里需要定位信息,對于每一個被跟蹤目標(biāo)的位置更新率,需要跟蹤的目標(biāo)數(shù)及定位信息的
凈價值。
4、1基于移動臺的定位
移動臺利用來自基站的信號計算出它自己的位置的情況被稱為基于移動臺的定位。這是自定
位系統(tǒng)的一種。有許多方法可以用來進(jìn)行位置計算,但TDOA是最基本的一種方法。對于利用
TDOA的基于移動臺的定位系統(tǒng),需要對GSM設(shè)備進(jìn)行兩個基本的改進(jìn)。首先要改進(jìn)移動臺,使
其可以進(jìn)行高精度的TDOA的測量。并且這種測量需要多徑抑制算法。相應(yīng)的在移動臺里要有
一個稱為定位函數(shù)的的特殊函數(shù),此函數(shù)可以精確的確定TDOA及其它一些可能的信號參數(shù)。
這可以通過對突發(fā)傳輸進(jìn)行處理進(jìn)而確定訓(xùn)練序列的開始時刻來得到。
第二個改進(jìn)是由于網(wǎng)絡(luò)同步的需要。這里有兩種選擇,第一種是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)格的同步。這
可以通過很多方法實現(xiàn),其中包括在每個基站使用GPS時間發(fā)送/接收機(jī)。
另一種選擇是給移動臺提供有關(guān)網(wǎng)絡(luò)同步的信息。這可以使用一個特殊的監(jiān)測接收機(jī)來實現(xiàn),
該接收機(jī)可以測量不同基站間的時間差,并通過GSM的短信息業(yè)務(wù)(SMS)或?qū)ず魳I(yè)務(wù)(PS)把這
些時間數(shù)據(jù)傳送給移動臺(圖2-b)。
上面只是描述了使用TDOA的系統(tǒng)的基本的操作。為了實現(xiàn)具有高精度和覆蓋范圍的蜂窩定位
系統(tǒng),集成許多其它來源的信息是必要的。完成這種集成的一種關(guān)鍵部分是一個可將不同來源
的信息進(jìn)行混合的復(fù)雜的軟件,它被稱為混合函數(shù)。這些信息中的一個重要的信息就是基站的
位置,這在進(jìn)行時間測量時是必須的。其它一些可以用來提高精度及解決二義性的可能的信息
來源包括信號強(qiáng)度及扇區(qū)信息等。在基于移動臺的定位的實際實現(xiàn)中,系統(tǒng)對每個基站的數(shù)據(jù)
庫進(jìn)行維護(hù),并且把諸如基站位置及相鄰頻率的分配表等信息傳送給移動臺是必要的。
在很多時候,其它地方可能需要由移動臺計算出的定位信息。這時定位信息可通過SMS由移動
臺傳到其它地方。這將構(gòu)成一個間接遠(yuǎn)程定位系統(tǒng),但網(wǎng)絡(luò)不必知道定位信息正在如此使用。
4、2基于網(wǎng)絡(luò)的定位
利用移動臺傳來的信號計算出移動臺的位置的定位稱為基于網(wǎng)絡(luò)的定位,并且這構(gòu)成一種遠(yuǎn)程
定位系統(tǒng)。GSM的基于網(wǎng)絡(luò)的定位的最簡單的實現(xiàn)也是基于TDOA方法的。在這種情況下,需要幾
個分布在移動臺周圍的定位接收機(jī)來監(jiān)測由移動臺傳來的信號,并對這些信號進(jìn)行精確的TOA的
測量。在每個定位接收機(jī)中需要一個定位函數(shù)。該函數(shù)將對上行鏈路中來自通話中的移動臺的
突發(fā)流進(jìn)行處理。
定位服務(wù)中心將從不同的TOA測量中得出TDOA,進(jìn)而得出定位估計。因此,混合函數(shù)將在定位服
務(wù)中心使用。定位服務(wù)中心可被看作事務(wù)處理器。它來自不同計算機(jī)的對位置測量的請求,選
擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ唤邮諜C(jī)對指定的移動臺進(jìn)行所需的定位區(qū)測量,收集來自定位接收機(jī)的的定位區(qū)
測量,將所有信息進(jìn)行綜合來得到定位測量,并把該定位測量傳送給發(fā)出請求的計算機(jī)。定位服
務(wù)中心與GSM的移動業(yè)務(wù)交換中心是處于同一分層的。
與基于移動臺的定位相同,在這里同步同樣是一個問題。如果是同步網(wǎng)絡(luò),則在每個基站應(yīng)該有
一個可唯一標(biāo)定給定頻道中給定的TCH突發(fā)信號的TOA的時鐘。在非同步網(wǎng)絡(luò)中,則需要有一種
機(jī)制用來使在每個定位接收機(jī)中的時鐘同步(如圖2-c)。
采用基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有許多好處。首先它提供了一種無需對移動臺進(jìn)行改進(jìn)的定位方
法。另外,如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc安全措施,定位網(wǎng)絡(luò)還可提供許多基于地點的服務(wù),如對交通
堵塞的監(jiān)測,為移動用戶提供諸如路途向?qū)е�類的服�?wù)等等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)測出移動臺的位置后,它可
通過SMS將此信息回傳給移動臺,這樣就構(gòu)成一個間接自定位系統(tǒng)。
4、3混合定位
混合定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是將自定位系統(tǒng)與遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的不同方面相結(jié)合而構(gòu)成的。一個可行的
混合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是使定位函數(shù)位于在移動臺中而混合函數(shù)則處于LSC之中。當(dāng)LSC向某一移動
臺發(fā)出請求時,該移動臺將對來自不同基站的突發(fā)傳輸進(jìn)行TOA的測量。之后這些測量值將傳輸
給LSC,在那里進(jìn)行TDOA的測量并計算出此移動臺的位置估計值。
如同基于移動臺的定位,這里同樣需要某種方式的同步。適用于基于移動臺定位的同步方法對于
混合定位結(jié)構(gòu)同樣適用。圖2-d顯示了使用同步基站傳輸?shù)幕旌隙ㄎ幌到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。
混合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個變形是數(shù)字光標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳輸信號的拷貝,并使用不同拷貝的
互相關(guān)進(jìn)行TDOA的計算來替代了定位區(qū)信息的傳輸。此系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)試驗已達(dá)到了100m以
下的定位精度。
4、4三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較
上面對基于GSM的無線定位的三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的介紹,接下來將對這三種結(jié)構(gòu)從幾個主
要方面進(jìn)行一些比較
●這三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的投資上是不同的。所有這三種系統(tǒng)都需要某種形式的同步,除非
采用TDOA的方法。但只有基于網(wǎng)絡(luò)的和混合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)才需要LSC�；�于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)則不需要對
移動臺進(jìn)行改進(jìn),這意味著它具有定位現(xiàn)在移動電話的潛能。對于每一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu),定位函數(shù)與
混合函數(shù)是處于不同地點的。
●提供遠(yuǎn)程定位是基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)與混合系統(tǒng)的固有能力,而基于移動臺只有通過SMS或其它數(shù)
據(jù)通信的設(shè)備將定位信息回傳才能做到這一點。但反過來,只有基于移動臺的系統(tǒng)才具有提供自
定位的固有能力,另外兩種系統(tǒng)只有通過SMS或其它方式將數(shù)據(jù)從LSC傳到移動臺才能提供間接自
定位。  
●由于基于移動臺的系統(tǒng)是被動自定位系統(tǒng),所有處理均在移動臺中完成,移動臺沒有進(jìn)行傳輸
的必要,因此理論上可通過此方式進(jìn)行定位的移動臺的個數(shù)是沒有限制的。這意味著對于移動臺
來說進(jìn)行連續(xù)性定位測量是很值得的,并且這比間歇性定位測量的精度要高�；旌鲜较到y(tǒng)也是被
動系統(tǒng),故它可以跟蹤許多移動臺,但移動臺則必須向LSC傳送定位區(qū)信息。在系統(tǒng)一級進(jìn)行的處
理的數(shù)量是相當(dāng)小的,因為對于定位來講處理負(fù)載主要是定位區(qū)的計算,而混合函數(shù)則承擔(dān)相對
而言少得多的處理負(fù)載。因此,混合系統(tǒng)應(yīng)該可以支持大量的移動臺并且移動臺應(yīng)該可以進(jìn)行連
續(xù)的定位測量。由每個被定位的移動臺傳給LSC的數(shù)據(jù)量將決定可支持的移動臺的數(shù)量的上限。
對于基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng),為了進(jìn)行測量移動臺必須傳輸信號,并且所有的處理都將在網(wǎng)絡(luò)中完成。
這表明可以進(jìn)行連續(xù)定位測量的移動臺將不多。
●如果在定位區(qū)測量中只使用BCCH和/或SCH,則基于移動臺的系統(tǒng)及混合系統(tǒng)將不受跳頻的影響。
基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)則需事先知道跳頻序列以便正確的對頻率變化進(jìn)行追蹤。
●對于跳頻的情況,只有基于網(wǎng)絡(luò)的方法對發(fā)射功率控制算法很敏感(假設(shè)基于移動臺的系統(tǒng)和
混合系統(tǒng)只使用BCCH和/或SCH)。這時,基于網(wǎng)絡(luò)的GSM定位系統(tǒng)的性能將有所下降。
●基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)與混合系統(tǒng)可在LSC中使用非常復(fù)雜的混合函數(shù),訪問保存了大量與定位測量
相關(guān)的信息資源的大型數(shù)據(jù)庫。而在基于移動臺的系統(tǒng)中使用這么多信息源則是相當(dāng)困難的。
五、GSM無線定位技術(shù)面臨的問題及發(fā)展前景
為了建立一個可靠的、精確的、高覆蓋率的GSM定位系統(tǒng)將面臨許多問題。包括技術(shù)的與非技術(shù)
的。技術(shù)問題主要包括如何減少或消除同步誤差、多徑影響及相鄰信道的干擾等;而非技術(shù)性問
題則主要是標(biāo)準(zhǔn)化、隱私及安全性問題。
對于GSM定位系統(tǒng),現(xiàn)在可達(dá)到的精度在100m左右。隨著更多技術(shù)人員的加入及技術(shù)的發(fā)展,定位
精度將會大幅度提高。如果技術(shù)性問題及非技術(shù)性問題都可以被解決,則基于GSM的定位系統(tǒng)的發(fā)
展前景將十分光明。另外,如果系統(tǒng)具有很高的經(jīng)濟(jì)價值的話,那么這將導(dǎo)致第三代定位系統(tǒng)的發(fā)
展,從而在未來的移動電話及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中切實考慮進(jìn)定位的需要。


作者:陶鵬
     北方交通大學(xué)電信學(xué)院運(yùn)輸自動化科學(xué)技術(shù)研究所