蜂窝网络无线定位技术及应用

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一、前言
    近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。
    这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。FCC于1996年10月颁布了无线E9ll呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM、IS-95CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。特别是 3GPP和3GPP2上对定位的要求更加具体化，这也是对蜂窝无线定位市场潜力的肯定。另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态的情况卜获取其地理位置等信息，利用移动台的定位信息，运营商可以1hJ用户提供各种增值业务，如位置环境信息查询、紧急救援、智能交通、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未来几年内，基于蜂窝网络定位技术的移动业务将得以迅猛的发展。
    二、蜂窝网络无线定位技术
    利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类，(l)基于电波场强的定位技术；(2)基于电波到达入射角(AOA)的定位技术；(3)基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的定位技术。
    1．场强定位技术
    电波场强定位技术根据移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，由多个距离测量值(至少三个)可以估算移动台的位置。这一技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无线电波传播模型，这在实际应用中很难实现。除此之外，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地理环境、车辆等因素都会对定位精度产生影响。由于移动通信环境中电波传播的复杂性，决定了这？技术在定位精度上的局限性，但是由于该技术比较简单易行、在对精度要求不是很高的情况下仍被采用。为了改善其性能，人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法来逛一步提高定位的精度。
    2．到达入射角的定位技术
    电波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出移动台来波信号的人射角、构成从基站到移动台的径向连线，即测位线，这两条连线的交点即为目标移动台的位置。由于两条直线只能相交于？点，这种方法不会产生定位模糊性。但是它需要在每个小区基站上放置4？12组的天线阵。这些天线阵？起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。AOA的优点在于它仅需要两个基站参与便可实现移动台定位，同时不存在移动台位置的模糊性问题。但是该技术需要在现有的基站增加天线阵列，由此增加了大量的建设费用。与此同时，电波到达入射角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较大误差。
    3．到达时间/到达时间差的定位技术
    到达时间／到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以得到移动台与基站之间的距离。移动台即位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，移动台的二维位置坐标可出三个圆的交点确定。到达时问定位技术要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间，并要求基站有非常精确的时钟。为了克服这一缺点，人们提出了到达时间差的定位技术，它是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来实现移动台定位的，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这就大大降低了对时间同步要求。很明显，移动台一定位于以两个基站为焦点的双曲线上。所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到移动台的二维位置坐标。
    以上两种基于时间的定位技术的只要求基站能够从接收到的射频信号中准确的提取时延估计值，而无需对现有的网络设备加以大规模的改造就可以实现对移动台的高精度定位，因此成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。TruePosition公司所提供40米精度的定位业务就是采用了U-TDOA定位技术。
    三、影响定位精度的主要因素
    由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各中因素的影响。
    1．多径传传播
    影响蜂窝无线定位的？个基本因素之一就是多径传播问题。在移动信道中，由于反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位和时间延迟方面产生弥散。这些效应导致发射信号经过不同的路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不问的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落和信号畸变，使接收信号的信噪比严重下降，最终影响定位精度。多径传播是造成定位误差的主要原因，因此多径干扰的抑止是定位的关键技术之？。
    2．NLOS传播
    导致定位错误的另一个重要因素是移动台和基站之间的信号为非视距传播(NLOS)信号。LOS传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。但是在城市和近郊，移动台和多个基站之间实现LOS传播通常是很困难的，更多的情况是通过反射和折射的方式进行传播的，从而影响了到达场强，接收电波的到达方向，以及电波传播时间。在这样环境下，即便没有多径干扰且系统能提供足够高的定时精度也同样会导致定位测量误差。
    3．CDMA多址接入干扰
    由于CDMA系统个的各用户均使用同一频段，这种高容量也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响定位测量信号估计。在CDMA系统中通常采用功率控制来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍然受到严重的多址干扰，因而影响常规接收机的性能。研究表明，多址干扰会严重影响TOA和TDOA的定位精度。
    4．参与定位的基站数的限制
    本文所述的定位技术需要至少两个或三个以上基站的参与。但是，在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与移动台定位，即使在基站稠密的城市环境中，也可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。另外，由于CDMA系统采用了功率控制技术来克服远近效应，当移动台靠近服务基站时，其它基站就很难接收到移动台发出的定位测量信号。
    表1给出了各种环境下所能参与移动台定位的基站数量的统计情况。统计数据表明，在乡村或郊区同时存在三个或三个以上基站与移动台保持联系的可能性较小。为此，摩托罗拉公司提出了将目标移动台发射功率瞬时调到最大的PowerUp方法来加以改善。
    表1各种环境下不同X取值统计表
    区域　　　X表示能够同时接收到信号功率大于-100dBm的基站数
    　　　　　　X=1X=2X=3X=4 X=5
    乡村　　　98.3%86.3% 57.1% 33.8% 16.7%
    郊区　　　91.9%80.9% 69.2% 56.7% 44.1%
    城市　　　100.0%96.8%92.4% 85.0% 76.2%
    5．几何精度因子（GDOP）
    参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之问的相对位置的差异造成的几何精度因子(GDOP)的不同也会影响定位算法的性能，造成定位精度的差异。特别是在高速公路附近，基站沿着高速公路直线分布的情况下，TDOA的定位精度将严重恶化。为此，人们提出采用TDOA/AOA混合定位技术来克服这种由于基站地理位置带来的对定位准确度的影响。
    四、蜂窝网络无线定位技术应用
    根据美国权威机构战略集团的最新预测，到2005年仅在欧洲市场无线定位服务市场的收入就可达到320亿美元，远远超出移动运营商的现有单项增值服务可带来的收入。此外，随着人们对公共安全和紧急救援日益增长的需求，基于移动定位的增值业务也开始得到业界越来越多的关注。近年来，随着对蜂窝网络无线定位技术研究的不断深入，基于现有移动通信系统的无线定位的性能得到了很大的改善和提高，据笔者了解，现有的部分商用移动台定位系统已经能够提供约40米的定位精度，并且这一数据还将被逐步刷新。这就为移动运营商开展基于移动台位置信息的增值业务提供了良好的技术基础。
    结合移动核心网和互联网的网络信息资源，移动定位技术有着广阔的应用前景。从商业服务角度来说．它主要可以分为个人定位应用和企业级定位应用。个人定位应用通常是指面向移动台用户提供定位服务，主要包括基于位置的信息查询和发布、导购导游导航以及弱势群体监护和救助。企业级应用则是一种面向集团手机或专用终端客户提供定位服务，如交通监控和车辆调度、防盗保安、基于位置差别收费和欺诈管理等。下面将列举几种主要的具体应用：
    1．移动台位置敏感型计费
    基于用户位置的计费方式将是未来移动通信运营商拓展业务，吸引客户的重要手段。不同的用户在移动电话的使用和收费上对运营商提出的要求也各不相同，运营商为了适应用户的这种需求采取了不问的收费方式来满足各种用户的需要，例如按照移动台使用的频率和时间段不同实行不同的资费标准。随着移动定位业务的提出，移动通信运营商又可以增加一种新型的收费方式，即按移动台的使用位置灵活收费，在呼叫频率高的区域收取较高的通话费，而在呼叫频率低的区域收取较低的费用，达到调节蜂窝系统容量、提高系统整体利用率的目的，这将有利于运营商扩大业务，增加收入，实现移动通信网络资源的经济效益最大化。基于移动台位置信息的计费系统可以采用如厂的收费策略，
    (l)在家里和／或办公室内，可以适当降低通话价格，从而与固定电话运营商展开竞争；
    (2)用户进行大范围漫游时，则需支付较高的通信费用；
    (3)在密集的商业区内提高收费标准，减小该区域的系统负载；
    这种基于移动台位置信息的计费策略对于运营商和用户而言是双赢互惠的。
    2．紧急救助
    近年来由于移动用户的快速增长，移动用户的报警呼叫和求助呼叫的数量也急剧增加，据美国公众安全机构的1999年的调查报告显示：有15%到40%的紧急呼叫(911)是来自于移动电话的，其每年呼叫总次数超过一千万。但是，在很多情况下公众安全应答服务机构(PSAP)无法获知报警者的具体位置，移动用户也不能准确地提供其所在的地理位置信息这将会大大延长PSAP的反应时间，以至于不能给报警者以及时的救助。利用蜂窝网络定位技术，报警者在拨打应急服务号码后，移动定位系统就能立即识别出来，并对呼叫手机进行自动的快速定位，手机的位置信息就会被传输到PSAP，从而大大改善公众安全系统的反应能力。可以预计：蜂窝网络定位技术为公众安全提供了新的手段，这将会成为进一步扩大移动通信市场的又一推动力。
    3．移动黄页查询
    移动互联网技术与移动定位业务相结合，可以轻而易举地实现个性化的移动黄页查询。移动网络首先得到移动用户的位置信息，然后根据互联网提供的信息通过短消息或者电子地图的方式为用户提供其所处位置附近的相关信息，例如：提供离用户最近的餐馆、加油站、旅馆、自动取款机的位置以及用户所处区域的天气、交通状况等信息。
    4．网络规划和管理
    移动定位技术的另一个重要应用就是无线网络本身的规划和优化。由于移动通信网络的不断扩大，其频谱资源不易再扩展，无线网络的设计者必须对频率的再用进行精心的规划，以保证有效的覆盖，同时防止干扰和串话。利用蜂窝网络无线定位技术，用户的呼叫位置可以被确定，相应的处理该呼叫的蜂窝和接收到的信号功率也可以被确定。根据这些信息，系统规划人员就可以更好对网络进行规划、扩展、部署和运营。在微观上还能准确地监测移动台的移动情况，使网络方面能更好地决定什么时候进行切换。目前主要应用于网络优化以及对无线资源进行智能化管理和分配。
    5．智能交通系统（ITS）
    目前各大城市开始建设智能交通系统，来解决车辆和交通的管理、导航等问题。利用蜂窝网络无线定位技术，我们只需要在车辆上安装移动电话(或其收发模块)，就能够以最小的投资成本、最快的建设速度方便的实现ITS，提供监测交通事故，疏导交通，对车辆进行定位跟踪、调度和管理等服务，促进城市数字化的进程。这？应用对于出租车、公交车辆、警用车辆以及一些特种用途车辆的管理是非常有吸引力的。
    6．人员或物资的安全性管理
    在这一应用中、一种特殊的微型的收发信机(Widget)将用于取代手机。这种微型收发信机具有和手机相同的收发模块，但没有用户接口、如话筒，耳机，键盘和显示屏等，因此其体积小，隐蔽性强，成本也较低。这些微型的收发信机可由个人(如：老人和儿童)携带，或者被固定在各种物品(如：汽车和贵重资产)上，并间歇地收发信号。通过移动通信网络，有关部门就可以有效地实现对人员的安全监护，货物运输存放的监控和管理，提高货物运输和存放的安全性等。