【文章內(nèi)容簡介】 求方面規(guī)定：基于蜂窩網(wǎng)絡的定位方案 (不改動終端 )，要求在 67%的概率下定位精度不低于 150m， 95%的概率下定位精度不低于 300m；基于移動臺的定位方案 (可以改動終端 )，要求在 67%的概率下定位精度不低于 50m， 95%的概率下定位精度不低于 150m。美國 FCC 的這一規(guī) 定明確了提供 E911 定位服務將是今后各種蜂窩網(wǎng)絡，特別是 3G 網(wǎng)絡必備的基本功能 [1]。 FCC 的規(guī)定大大推動了蜂窩網(wǎng)無線定位技術的發(fā)展。在蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中實現(xiàn)對移動臺的定位除了滿足 E911 定位需求外還具有以下重要用途 [2]： (1) 基于移動臺位置的靈活計費，可根據(jù)移動臺所處位置采取不同的收費標準。 (2) 智能交通系統(tǒng) (ITS)， ITS 系統(tǒng)可以方便提供車輛及旅客位置、車輛調(diào)度、追蹤等服務。 (3) 優(yōu)化網(wǎng)絡與資源管理，精確監(jiān)測移動臺，使網(wǎng)絡更好決定進行小區(qū)切換的最佳時刻。同時，根據(jù)其位置動態(tài)分配信道 ，提高頻譜利用率，對網(wǎng)哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 2 絡資源進行有效管理。 (4) 信息服務，對移動臺和旅行者定位并向其提供所在區(qū)域的信息及其它服務。 (5) 在公安偵查活動中，可用于跟蹤被盜車輛及失蹤人員。 課題研究的目的和意義 我們需要的最基本信息就是：時間、地點和內(nèi)容。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的活動范圍越來越大，而且越來越不具確定性。這種移動性和不確定性給移動通信帶來市場和挑戰(zhàn)的同時，也為定位服務的開展和擴大帶來了無限商機。同時，對移動通信網(wǎng)本身來說，移動性管理一直是難點。如果知道了移動臺的精確位置，進行移動性管理就變得相對 簡單了，所以，無論是用戶的需求，還是運營商或網(wǎng)絡供應商的需要，都對定位服務的發(fā)展提出了迫切的要求。其主要應用有 [2]： 緊急救援 當移動手機或車載機持有者遇到緊急情況 (交通事故、車輛故障、遇劫及其它 )，撥打救援中心電話 (如中國的 1美國的 91日本的 411 等 )時，報警用戶往往不能提供自己的準確位置。移動通信網(wǎng)絡就在將該緊急呼叫發(fā)送到救援中心的同時，啟動位置服務并得到該用戶的具體位置，將位置信息和用戶的語音信息一并傳送給救援中心。這樣，救援中心就可以根據(jù)得到的位置信息，迅速、高效地給用戶提供緊急救援 服務，大大提高了救援的成功率。 移動黃頁查詢 互聯(lián)網(wǎng)的黃頁查詢是一項發(fā)展比較迅速的網(wǎng)絡增值服務。用戶通過互聯(lián)網(wǎng)查詢自己所在區(qū)域的各種信息，例如，附近的飯店、商場、附近各公司的電話號碼及所在位置等。移動互聯(lián)網(wǎng)技術與位置服務相結合，便可以實現(xiàn)移動黃頁查詢。移動通信網(wǎng)絡首先確定終端用戶的位置，然后在互聯(lián)網(wǎng)提供的信息中挑選出用戶所在區(qū)域的相關信息供用戶查詢。 位置相關計費 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 3 要實現(xiàn)公正、有效的計費是比較困難的。移動用戶在通信過程中占用了網(wǎng)絡資源，運營商需要就這一部分資源向用戶收取費用。用戶所占網(wǎng)絡資源的位置 (是處于高速公路上正快速移動，還是在家中，是處于話務比較繁忙的商業(yè)區(qū)，還是處于郊區(qū) )不 同，網(wǎng)絡給用戶提供的服務量就不同，所以相應的收費也應不同。但實際上運營商并不知道用戶的確切位置，無法判斷用戶所處的位置特征并實行位置相關計費。但隨著定位服務的發(fā)展，與位置有關的計費也必將發(fā)展起來。 對網(wǎng)絡欺詐者定位和防盜打管理 對移動通信運營商來說，移動用戶惡意欠費、移動電話盜打是困擾已久的問題。利用移動定位技術可以對惡意欠費用戶進行定位，以迅速抓住欺詐者，并有效地監(jiān)測和制止盜打。 車輛導航和智能運輸系統(tǒng) (ITS) 移動通信網(wǎng)提供的位置服務能滿足車輛導航和跟蹤。為每一輛 (或列 )需要導航和跟蹤的汽車 (或列車 )安裝一個移動車載臺，然后通信網(wǎng)為這些車載臺提供位置信息，并將這些信息通過通信網(wǎng)絡傳輸給交通管理的調(diào)度中心，便可快速地在車輛和調(diào)度中心之間建立協(xié)調(diào)的運行管理和導航。在移動蜂窩系統(tǒng)中提供對移動臺的定位服務后 ITS 就可利用移動定位技術，對車隊運輸系統(tǒng)中的車輛和移動資源進行定位，提供車輛及旅客位置信息，檢測交通事故和塞車，以實現(xiàn)智能化管理與調(diào)度。 優(yōu)化蜂窩移動通信系統(tǒng)設計 移動通信網(wǎng)的移動性管理一直是網(wǎng)絡的難點問題。如果 網(wǎng)絡知道移動臺的精確位置，進行移動性管理就變得相對簡單，也有助于對移動臺進行有效的信道分配，使無線資源的利用程度更高。另外，如果能夠?qū)崟r地得到移動臺的位置信息，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的動態(tài)、智能分配，增強網(wǎng)絡性能，提高網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。 可以相信，隨著定位技術的發(fā)展，位置服務的其它潛在應用還將不斷涌現(xiàn)。由于定位服務的深遠影響，國際標準化組織對移動臺定位非常重視，對哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 4 此展開了專項研究，并加快了制定相關功能規(guī)范和信令接口標準的進程。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)無線定位問題，迫切希望得到較完善的實用技術 ，但是要在移動通信網(wǎng)中實現(xiàn)移動終端的精確定位尚有許多技術難點亟待解決。在 CDMA 系統(tǒng)中，移動終端定位技術主要需要解決以下幾方面的問題： 多徑傳播 無線信號的多徑傳播現(xiàn)象會使得基于角度和時間的定位方法產(chǎn)生較大的誤差。其主要原因是多徑傳播會對測量代表收發(fā)雙方實際距離和方位的直射路徑 (LOS)信號的角度和時延產(chǎn)生較大的干擾。傳統(tǒng)的傳播時延測量一般采用接收信號和參考信號相關的方法獲得，當多徑信號時延很近時，多徑傳播有可能導致相關函數(shù)出現(xiàn)多個峰值或主值的展寬，因此導致時延測量精度下降。針對多徑信號的時延估計和到達 角度估計，許多研究者在此方面做了大量的工作。從研究現(xiàn)狀來看，在各種無線環(huán)境下如何進一步提高對多徑的分辨率仍需要做進一步的研究。 非視距路徑傳播 (NLOS) 無論是測向定位還是測距定位，視距傳播信號是正確定位的基礎。因此，由于移動終端和基站間的直射路徑被阻擋而導致的信號非視距路徑傳播會對基于角度和時間的定位方法帶來很大的誤差，并且是誤差的主要來源。迄今為止，對于非視距路徑傳播帶來誤差的抑制，國內(nèi)外研究者已經(jīng)做了大量的工作并提出了若干抑制方法，但仍然沒有一個有效的方法來解決這一問題。 多址干擾 在 CDMA 系統(tǒng)中，多址干擾是影響系統(tǒng)性能和容量的主要因素。當對定位信號進行測量時，多址干擾的存在仍然會對測量結果產(chǎn)生較大的干擾。在上行鏈路表現(xiàn)為鄰近基站無法得到移動終端發(fā)出的定位信號；在下行鏈路表現(xiàn)為服務基站信號會對鄰近基站發(fā)出的定位信號產(chǎn)生強烈的干擾，使得當移動終端距離服務基站較近時，無法接收到鄰近基站定位信號。因此必須對多哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 5 址干擾進行抑制。 CDMA 系統(tǒng)中多用戶檢測算法的目的就是最大程度的降低多址干擾的影響，但是目前大多數(shù)效果較好的多用戶檢測算法當用戶數(shù)量較多時，其運算量都非常大，實際實現(xiàn)較為困難。多址干擾也是當前 CDMA 蜂窩網(wǎng)的一個重要課題。 目前全球已經(jīng)有數(shù)十家公司研究和提供移動臺定位技術，愛立信公司、諾基亞公司和摩托羅拉公司于 2021 年 9 月發(fā)起成立了定位協(xié)作論壇 LIF，該論壇的目的就是為了促進移動臺定位業(yè)務的全球互聯(lián)互通，到 2021 年 11 月大會成立時，已經(jīng)有 73 家公司加入了該論壇。日本 NTT 公司和 TOHOKU大學自 1999 年合作進行了適用于 WCDMA 系統(tǒng)的在兩基站環(huán)境的基站搜索方法試驗。美國高通公司開發(fā)出了兩種用于 AGPS 定位技術的芯片 —MSM3300(for IS95)、 MSM5500(for CDMA2021 1x)，內(nèi)置 GPS 解碼， 2021年下半年發(fā)布， 2021 年 6 月在國內(nèi)推廣。中國移動通信有限責任公司目前已經(jīng)開通了移動定位實驗局，研究采用 TDOA(到達時間差 )和 CELL ID+TA(小區(qū)信息和時間提前量 )等技術的移動臺定位 [2]。 本文的主要工作 本文的主要研究工作包括： 對性能較好的基于 TDOA 定位的 Chan 算法進行研究，得出其在噪聲加大時，定位精度降低的原因： Chan 算法忽略了二次項誤差或二階以上分量。 根據(jù)遺傳算法的基本原理，研究目前性能較好且比較成熟的基于TDOA 定位的遺傳算法 ，直接對 TDOA 定位模型所推導出的似然函數(shù)進行操作，從而有效的提高了定位的精度，文中在高斯信道環(huán)境下對該算法進行仿真，并與 Chan 算法進行性能比較，仿真結果表明：該算法有效的提高了定位精度。 利用 Chan 算法的快速收斂特性，把 Chan 算法的輸出作為遺傳算法的輸入，以縮小搜索范圍，加快遺傳算法的收斂速度。在高斯信道環(huán)境下對其進行仿真，仿真結果表明：與 Chan 算法進行性能比較，該算法提高了定哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 6 位精度；與遺傳算法進行性能比較，該算法大大加快了收斂速度，基本達到了定位精度與收斂速度的折衷。 根據(jù)差分演進算法 (DE)的基本原理，研究基于 TDOA 定位的差分演進算法。該算法也是直接對 TDOA 定位模型所推導出的似然函數(shù)進行操作。將 Chan 算法的運算結果加入其中，研究 ChanDE 算法，使其收斂速度加快。文中在高斯信道環(huán)境下對該算法進行仿真，結果表明： ChanDE 算法比 Chan算法有更高的定位精度， ChanDE 算法比 GA 算法有更快的收斂速度。 利用免疫算法、退火機制和差分演進算法的演進優(yōu)勢，提出快速全局收斂的免疫差分演進算法，進而結合 Chan算法，設計了 ChanIDE算法。 該算法首先根據(jù)移動臺所處小區(qū)的半徑來確 定移動臺坐標范圍，然后采用似然函數(shù)的倒數(shù)作為適應值，浮點數(shù)編碼，用抗體矢量中的各分量代表待定坐標，在確定的坐標范圍內(nèi)進行搜索。實驗表明，算法性能穩(wěn)定，通過合理設置種群規(guī)模以及變異率，能找到逼近全局最優(yōu)點的解，相對于其它算法精度更高。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 7 第 2章 移動臺定位的基本方法 移動臺定位的兩種方案 目標移動臺或者多個已知坐標位置的固定基站發(fā)送定位信號，通過對定位信號的測量，獲得相應定位參數(shù)的估計后，利用適當?shù)奶幚矸椒▉慝@得移動臺在空間的位置，這就是移動臺定位技術的基本原理 [3]。 根據(jù)進行定位估計位置的不同，可 以將移動臺的定位方案分為基于網(wǎng)絡的定位和基于移動臺的定位 [4]。 基于網(wǎng)絡的定位 通過移動臺傳來的信號計算出移動臺位置的定位稱為基于網(wǎng)絡的定位，也稱為上行鏈路定位系統(tǒng)。這種定位方案是依據(jù)由多個基站同時檢測移動臺發(fā)射的信號，對這些信號進行精確的到達時間 (TOA)的測量，并把這些信息送到一個定位服務中心進行處理，以得到移動臺的估計位置?；诰W(wǎng)絡的定位技術包括基于到達時間 (TOA)定位技術、基于到達時間差 (TDOA)定位技術、基于到達角 (AOA)的技術等。 基于移動臺的定位 移動臺利用來自 基站的信號計算出自己的位置的定位稱為基于移動臺的定位，也稱為下行鏈路定位系統(tǒng)。這種定位方案是移動臺根據(jù)自己接收到的多個已知位置基站發(fā)射信號攜帶的與移動臺位置有關的特征信息來確定其與各基站之間的幾何位置關系，再根據(jù)算法對移動臺自己進行定位估計。基于移動臺定位的系統(tǒng)對每個基站的數(shù)據(jù)庫進行維護，把諸如基站位置和相鄰頻率的分配表等信息傳送給移動臺，構成一個定位系統(tǒng)。移動臺定位技術包括全球定位系統(tǒng) (GPS)、基于到達時間的定位技術 (TOA)以及起源蜂窩小區(qū)(COO)。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 8 移動臺定位技術 各種無線電定位系統(tǒng)中， 都是通過檢測某種信號的特征測量值實現(xiàn)對移動臺的定位估計，采用的基本定位方法和技術都是相同或相似的。從幾何角度來看，確定目標在二維平面內(nèi)的位置可以由兩條或多條曲線相交得到。為方便敘述，本文后面章節(jié)將待定位的目標稱為移動臺，將參與定位的蜂窩網(wǎng)絡基站稱為基站。 在蜂窩網(wǎng)絡中為移動臺提供的地面二維定位服務，通?？晒┻x擇的基本定位方法有以下幾種。 基于場強測量的定位方法 基于場強測量的定位方法，首先要測量出網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)不同位置上場強的分布，并保存在數(shù)據(jù)庫中，定位時只需要將接收機所測量到的場強與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，根據(jù)匹配的結果就能確定出移動臺的大致位置。這種定位方法對環(huán)境的變化很敏感，而且該方法在多徑衰落信道條件下的定位精度不高。因此，該方法沒有得到廣泛的重視和應用。 基于傳播時間測量的定位方法 電磁波以恒速 ( sm103 8 /? )傳播，顯然電磁波傳播的距離與傳播的時間成正比。所以我們只需要測量基站與移動臺之間信號的傳播時間，就可以得到它們之間的距離。如果基站位置己知，就可以得到移動臺的估計位置?；趥鞑r間測量的定位方法包括 TOA(Time Of Arrival)定位、 TDOA(Time Difference Of Arrival)位和 TOA+TDOA 定位。 所謂 TOA 定位就是測量出兩個 (或多個 )基站與移動臺之間的信號傳播時間，從而得到兩個 (或多個 )基站到移動臺距離的估計值，以基站為圓心，到移動臺的距離為半徑畫圓，多個圓的交點就是移動臺的估計位置 [4]。當出現(xiàn)哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 9 多個圓不交于同一點時，可以采用一定的方法消除奇異解而得到一個準確的估計位置。其定位原理如圖 (1)所示，圖中 B B B3 代表基站， MS 代表移動臺的位置估計， R R R3分別表示基站 B B B3到移動臺 MS 的距離估計。 圖 各種定位方法原理圖 TDOA 定位法是通過測量電波從移動臺 (MS)傳播到兩個基站 (BS)的傳播時間差 (也可以 測量出兩個不同基站信號到達移動臺的傳播時間差 )來確定移動臺的位置的 ，由該傳播時間差對應的距離差可以得到一條以這兩個基站為焦點的雙曲線。如果能測量到兩組 TDOA 值，那么便可以得到兩條雙曲線，這兩支雙曲線的交點即為移動臺的估計位置，其定位原理如圖 (2)所示。 TOA 定位有其局限性：第一，它要求發(fā)射機和接收機之間有精確的時間同步；第二，發(fā)射信號必須用時間標識 加以區(qū)分，使接收方能辨別出該信號是何時發(fā)出的。這兩點都不太容易實現(xiàn)，尤其是很難保證精確的時間同步。相比而言， TDOA 測量較好地解決了這些問題。它測量兩個基站同時發(fā)出的信號到達一個移動臺的時間差，因此對時間同步的要求比 TOA 要低，實現(xiàn)起來更容易，而且精度更高 [2]。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 10 基于信號到達角度測量的定位方法 該定位方法的原理如圖 (3)所示。這里所說的信號到達角度，從原理上講，既可以是基站信號到達移動臺的角度，也可以是移動臺信號到達基站的角度。但實際上由于接收機通常需要通過天線陣列來測量信號的到達角度，而天線陣列技術目前還不能集成到手機上，因此通常都是由基站來完成信號到達角度的測量，從而得到一根從接收機到發(fā)射機的徑向連線。當兩個基站均獲得了信號到達角度測量值后，便可以獲得移動臺的估計位置 [5]。 混合定位方法 混合定位方法，就是使用上面所述定位方法的組合，而不是單一的使用某種定位方法，比如使用 TOA+AOA只需要一個基站即可對移動臺進行定位，如圖 (4)所示。另外，也可以使用 TDOA+AOA 來進行定位。 除了上面介紹的幾種蜂窩網(wǎng)無線定位方法外，還有一種基于 CellID 的蜂窩無線定位方法。 CellID 是一種最簡單的定位方法，它根據(jù)移動臺所處的小區(qū) ID 號來確定用戶的位置。小區(qū) ID 號是網(wǎng)絡中已有的信息，移動臺在當前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會將該移動臺與當前的小區(qū) ID 號對應起來。只要系統(tǒng)能夠提供該小區(qū)基站的地理位置和小區(qū)的覆蓋半徑，并通過廣播消息的形式發(fā)送給小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己所處的大致位置，其定位精度取決于小區(qū)半徑。系統(tǒng)只要查詢數(shù)據(jù)庫便可獲取移動臺的位置。在繁華的商業(yè)區(qū)，由于無線通信系統(tǒng)采用了微型蜂窩小區(qū)結構，一個移動臺至少可以處于一個微型蜂窩小區(qū)的覆蓋之中 ，定位精度不超過 100 米；如果移動臺處于多個小區(qū)交叉覆蓋的地方，那么在知道這些小區(qū)的中心位置和覆蓋半徑的情況下，就可以很精確地得到移動臺的位置，定位精度可以達到 50 米甚至更小。所以，在城市商業(yè)區(qū)， CellID 定位完全能夠滿足精度要求。 CellID 是目前商業(yè)化應用最為廣泛的網(wǎng)絡定位技術。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 11 影響移動臺定位精度的主要原因 在蜂窩網(wǎng)絡中，非視距 (NLOS)傳播、多徑效應和多址干擾等因素降低了定位精度，如何克服這些因素的影響是無線定位研究的關鍵。 多徑傳播。多徑傳播是移動臺定位主要誤差源，各種定位 法均會由于多徑傳播引起時間測量誤差。窄帶系統(tǒng)中各多徑分量重疊將造成相關峰位置偏差，寬帶系統(tǒng)能夠在一定程度上實現(xiàn)對各多徑分量分離，據(jù)此可以改善定位精度。但是若反射分量大于直達分量、干擾影響等均會引起精度降低。目前已提出一些抗多徑傳播的有效方法，如高階譜估計、最小均方估計及擴展的卡爾曼濾波 (EKF)等。 非視距 (NLOS)傳播。即使在無多徑效應和采用高精度定時的情況下，NLOS 傳播也會引起 TOA 或 TDO