無線電定位技術在蜂窩通信系統(tǒng)中的應用及實現(圖)

　定位技術的應用及分類
　　近年來，隨著用戶需求的增加，無線定位技術受到越來越多的關注，推動了對無線定位技術的研究及測距技術的發(fā)展。如何盡可能地利用現存網絡資源，低成本地實現對用戶的精確定位一直是研究的焦點?？偟膩碚f，實現無線定位主要有兩大類解決方案，第一類是由移動站(ms)主導的定位技術。單從技術角度講，這種技術更容易提供比較精確的用戶定位信息，它可以利用現有的一些定位系統(tǒng)，例如，在移動站中集成gps接收機，從而利用現成的gps信號實現對用戶的精確定位。但這類技術需要在移動站上增加新的硬件，這將對移動站的尺寸和成本帶來不利的影響。第二類是由基站(bs)主導的定位技術，這種解決方案需要對現存的基站、交換中心作出某種程度的改進，但它可以兼容現有的終端設備。其可選用的具體實現技術主要包括：測量信號方向(信號的到達角度，簡稱aoa)的定位技術、測量信號功率的定位技術、測量信號傳播時間特性(到達時間，簡稱toa；到達時間差，簡稱tdoa)的定位技術。為了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面數種技術的組合。由于第二類的解決方案能更好的利用現有的網絡及其終端設備，因而具有更廣泛的應用前景，所以本文將以它作為討論的主要內容。

測量接收信號功率的定位技術
　　依據接收到的無線信號的功率是來實現無線定位的一種常用的方法。通過測量基站(bs)收到的來自移動站(ms)的信號功率，以及它們之間無線信道的傳輸模型，可以估計出移動站到基站的大致距離為d。這樣對一個基站bs(i)來講，移動站必處于以bs(i)為圓心，d為半徑的圓上。當采用三個或三個以上的基站對同一個移動站進行測距時，即可以測得該移動站的所在位置。
　　在這種方法中，無線信號傳輸過程中的多徑效應和通過障礙時產生的陰影效應是產生定位誤差的主要原因。在信號的傳輸方向上，多徑效應有時會使在相距僅0.5個波長的兩點上信號強度相差30～40db左右。為了克服多徑效應對測距的影響，對高速移動中的無線用戶可以通過求得其信號功率的平均值來提高定位的準確性，但對于緩慢移動甚至靜止的無線用戶有效的功率平均值是很難測得的。陰影效應是產生定位誤差的另一個主要原因，克服陰影效應的最主要的方法是預先測量每個基站周圍的信號功率損耗等高線。
　　在實際應用的cdma系統(tǒng)中，為了減小近距離用戶對遠距用戶的干擾，必須要采用功率控制技術，在一些tdma系統(tǒng)中，為了減小移動站(ms)的功耗也應用了功率控制。在這樣的采用功率控制的蜂窩系統(tǒng)中，要實現用測量信號功率為基礎的定位技術，移動站必須以足夠高的精度告知基站其發(fā)射信號的功率，基站再由接收到的信號功率計算出信號傳輸過程中的損耗，進而推算出移動站到基站的距離估值，實現對無線用戶的定位。
測量接收信號方向(aoa)的定位術　　
　　測量信號的到達角度(angle of arr技ive，簡稱aoa)也是一種在蜂窩網中常用的定位技術。這種方法需要在基站采用專門的天線陣列來測量特定信號的來源方向。對于一個基站來講，aoa測量可以得出特定移動站所在方向，當兩個基站同時測量同一移動站所發(fā)出的信號時，兩個基站各自測量aoa所得的方向直線的焦點就是移動站所在的位置。盡管這種定位方法的原理非常簡單，但在實際的應用中存在一些難以克服的缺點。首先，aoa定位要求被測量的移動站與參與測量的所有基站之間，射頻信號是視線傳輸(los)的。非視線傳輸(nlos)將會給aoa定位帶來不可預測的誤差，參見圖1。即使是在以los傳輸為主的情況下，射頻信號的多徑效應依然會干擾aoa的測量。其次，由于天線設備角分辨率的限制，aoa的測量精度是隨著基站與移動站之間的距離的增加而不斷減小的。
　　
　　由于測量aoa的定位方法具有上述的特點，所以對于處于城市地區(qū)的微小區(qū)來講，引起射頻信號反射的障礙物多且其到移動站的距離與小區(qū)半徑可以相比，這樣就會引起比較大的角測量誤差。在這種情況下，基于aoa的定位方法沒有實際的意義。對于宏小區(qū)，因為其基站一般處于比較高的位置，與小區(qū)的半徑相比，引起射頻信號反射的障礙物多位于移動站附近，nlos傳輸引起的角測量誤差比較小。所以測量信號到達角度的定位方法多用于宏小區(qū)，或者與其他定位技術混合使用來提高定位的精度。

測量信號傳播時間特性的定位技術
　　最后一類主要的定位技術是通過測量基站到移動站之間射頻信號傳輸時間特性來實現的。這類定位技術實現起來比較容易，與aoa相比較，在同等條件下(參與定位的基站數目相同)能夠提供更高的定位精度，因而在實際中應用得最廣泛。它主要有兩種具體的實現手段。第一種是測量信號到達時間(toa)，即由基站向移動站發(fā)出特定的測距命令或指令信號，并要求移動站對該指令進行響應?；緯o錄下由發(fā)出測距指令到收到移動站確認信號所花費的時間t，該時間主要由射頻信號在環(huán)路上的傳播時延、移動站的響應時延和處理時延、基站的處理時延組成。如果能夠準確地得到移動站和基站的響應和處理時延，就可以算出射頻信號的環(huán)路傳播時延td。因為無線電波在空氣中以光速c傳播，所以基站與移動站之間的距離估值dm=c*td/2。當有三個基站參與測量時，就可以根據三角定位法來確定移動站所在的區(qū)域，如圖2所示。
　　由于這種定位方法是以時間為基準的，多徑效應和非視線傳輸(nlos)所帶來的傳輸時延增加是產生測距和定位誤差的主要原因，所以在實際的系統(tǒng)中，測距結果dm一般都要大于基站與移動站之間的實際距離d。為了克服nlos以及多徑效應帶來的不利影響，提高定位精度，參與同次定位的基站數目n一般都要大于3，這樣可以縮小圖2中陰影區(qū)域的面積。另外對于每次測量的結果都要應用一些定位算法，使定位估計值在某種準則下達到誤差最小。例如，t是每個基站測得的toa，i為參與測量的基站編號，在某坐標系下，移動站的位置估計是(x，y)，基站i的位置是(xi，yi)。以函數fi=c*ti-作為基站bs測距的性能測度，也就是基站bs的測距誤差。在理想狀態(tài)下，即當(x，y)是移動站的實際位置，并且移動站到每一個基站無線信號都是視線傳輸(los)的，那么對每一個參與測量的基站來講，fi應該為零。但在實際中，由于受到nlos傳輸和多徑效應的影響，一般不可能求得(x，y)使fi=0(i=1，2，...，n)都成立。所以整個定位系統(tǒng)來講，可以用參與定位的基站的測距誤差的加權平方和f作為系統(tǒng)性能測度函數，并以使f最小的(x，y)作為一次定位測量的結果。式中ai是基站bs在測量結果中的加權系數，其大小反映了bs到ms測距的精確性和可信程度。
　　另一種基于信號傳輸時間特性的定位方法是測量不同基站接收到同一移動站的定位信號的時間差(tdoa)，并由此計算出移動站到不同基站的距離差。移動站到任何兩個基站的距離差d可以在兩個基站之間給出一條雙曲線，移動站一定處于該曲線之上。當同時有n個基站參與測距時(n≥3)，由多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對用戶位置的估計，如圖3所示。這種方法要求所有參與測量的基站的時鐘是嚴格同步的。與toa相比，它的主要好處是不需要精確地求得基站和移動站的響應和處理時延。與toa一樣，tdoa的定位誤差也是主要來自射頻信號的非視線傳輸和多徑效應。解決這一問題的主要途徑也是通過增加參與定位的基站數目和采用高精度的估計算法。
結束語
　　本文主要介紹了數種利用現有蜂窩系統(tǒng)中向用戶提供定位服務的基本方法，這些方法不需要改動現有的移動通信終端，但它們都需要對現有的網絡設備做出某種程度的改進。在實際的系統(tǒng)中，可以根據用戶對定位精度的要求、無線傳輸的環(huán)境、成本的變化來選用一種或幾種技術的組合來實現對用戶的定位。一般說來，toa/tdoa能夠提供比較高的定位精度，并且也較容易實現，因而應用較為廣泛，現存的cdma系統(tǒng)多采用這種方法。