概述無線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)
要想獲取到目標(biāo)的具體位置信息,一般都是采用GPS定位信息,但當(dāng)目標(biāo)處在高樓聳立的城市之間,GPS的部分衛(wèi)星信號處于遮擋狀態(tài),此時(shí)為了獲得到目標(biāo)的準(zhǔn)確信息,可以考慮采取其他的輔助定位方式。比如說,利用偽衛(wèi)星技術(shù),該技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是指安置在地面上的地基發(fā)射站,它發(fā)射的信號與GPS的信號相類似,但該種技術(shù)需要架設(shè)額外的設(shè)施;采用DTV技術(shù),由于大城市環(huán)境中,DTV設(shè)施資源也有限。此時(shí)可以考慮采用無線蜂窩通信系統(tǒng),該系統(tǒng)在城市中應(yīng)用成熟,基站信號好。因基站可以發(fā)射信號,目標(biāo)可以利用基站的信號信息,確定目標(biāo)的位置,即可以采用無線蜂窩通信系統(tǒng)來彌補(bǔ)GPS定位技術(shù)的不足,從而準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的位置信息。
無線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)主要有兩種體制。一種是基于下行鏈路的定位技術(shù),即基于移動(dòng)臺的定位技術(shù);一種是基于上行鏈路的定位技術(shù),即基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)?;谝苿?dòng)臺的定位技術(shù)要求移動(dòng)臺參與定位參數(shù)的測量以及測量值的求解計(jì)算?;诜涓C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(jì)算出移動(dòng)終端所處的位置,通常必須利用3個(gè)或3個(gè)以上蜂窩基站接收手機(jī)信號的定位參數(shù),即到達(dá)時(shí)間、角度或強(qiáng)度。
1 基于移動(dòng)臺的定位技術(shù)
現(xiàn)已提出的基于移動(dòng)臺的方法主要有:基于下行鏈路增強(qiáng)觀測時(shí)間差定位方法、基于下行鏈路空閑周期觀測到達(dá)時(shí)間差方法、基于GPS作為輔助的定位技術(shù)等。
2 基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)
基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位方法目前主要有:基于Cell-ID定位和基于時(shí)間提前量定位的方法、上行鏈路信號到達(dá)時(shí)間定位方法、上行鏈路信號到達(dá)時(shí)間差定位方法以及上行鏈路信號到達(dá)角度定位方法等。
2.1 AOA
角度到達(dá)[1](AOA,Arrival of Angle)定位方式是根據(jù)信號到達(dá)的角度,測定出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。在AOA定位方式中,只要測量出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與兩個(gè)基站的信號到達(dá)角度參數(shù)信息,就可以獲取目標(biāo)的位置。蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的AOA定位方式,指的是基站接收機(jī)利用基站的天線陣列,接收不同陣元的信號相位信息,并測算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的電波入射角,從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線,即測位線,目標(biāo)終端的二維位置坐標(biāo)可通過兩根測位線的交點(diǎn)獲得。
2.2 TOA
抵達(dá)時(shí)間[2](TOA,Time of Arrival)定位方式也稱為基站三角定位方式,通過測量從運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線電波,到達(dá)多個(gè)(3個(gè)及以上)基站接受機(jī)的傳播時(shí)間,來確定出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。已知電波傳播速度為c,假設(shè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與基站之間的傳播時(shí)間為t,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位于以基站為圓心,以移動(dòng)終端到基站的電波傳輸距離ct為半徑的定圓上,則可由3個(gè)基站定位圓的交點(diǎn),來確定目標(biāo)移動(dòng)的二維位置。TOA定位方式中,為了根據(jù)發(fā)射信號到達(dá)基站的接收時(shí)間,來確定出信號的傳播時(shí)間,要求運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號中,加有發(fā)射的時(shí)間戳信息。這種定位方式的定位精度取決于,各基站和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)鐘的精度,以及各基站接收機(jī)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)射機(jī)時(shí)鐘間的同步。
TOA算法要求參加定位的各個(gè)基站在時(shí)間上要嚴(yán)格同步,由于電磁波的傳播速率很高,微小的誤差將會在算法中放大,使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS以及噪聲等干擾造成的誤差會使圓無法交匯,或者交匯處不是一點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域。因此TOA對系統(tǒng)同步的要求很高,并且需要在信號中加時(shí)間戳(要求基站之間的同步),而實(shí)際參加定位的基站一般在3個(gè)以上,誤差是不可避免的。這時(shí)候可以利用GPS對基站進(jìn)行校正并利用其他補(bǔ)償算法來估計(jì)位置,提高算法的精確度,但同時(shí)增加系統(tǒng)的開銷和算法復(fù)雜程度,因此單純的TOA算法在實(shí)際中應(yīng)用很少。
2.3 TDOA
抵達(dá)時(shí)差[3](TDOA,Time Difference of Arrival)定位方式通過測量目標(biāo)移動(dòng)終端發(fā)射機(jī)到達(dá)不同基站接收機(jī)的傳播時(shí)差,來確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息。TDOA定位方式中,不需要移動(dòng)終端與基站間的精確同步,也不需要在上行信號中加時(shí)間戳信息,還可以消除或減少目標(biāo)移動(dòng)終端與基站間由于信道所造成的共同誤差。在該定位方式中,將目標(biāo)移動(dòng)終端定位于兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上。確定目標(biāo)移動(dòng)終端的二維坐標(biāo)需要至少建立兩個(gè)雙曲線方程(至少3個(gè)基站),兩條雙曲線交點(diǎn)即為目標(biāo)移動(dòng)終端的二維坐標(biāo)。
TDOA算法是對TOA算法的改進(jìn),他不是直接利用信號到達(dá)時(shí)間來確定目標(biāo)的位置信息,而是用多個(gè)基站接收到信號的時(shí)間差信息來確定目標(biāo)的位置信息,與TOA算法相比,它不需要加入專門的時(shí)間戳信息,定位精度也有所提高。TDOA值的獲取目前一般都有以下兩種形式:
第一種形式是利用移動(dòng)臺到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間TOA信息,知道移動(dòng)臺的坐標(biāo)位置,以及至少三個(gè)基站的坐標(biāo)位置,取其差值來獲得。這時(shí)仍需要基站時(shí)間的嚴(yán)格同步,但是當(dāng)兩基站間移動(dòng)信道傳輸特性相似時(shí),可減少由多徑效應(yīng)帶來的誤差。
第二種形式是在實(shí)際應(yīng)用中,往往很難做到基站與移動(dòng)臺的同步,此時(shí)可以采用相關(guān)估計(jì)得到TDOA值,即將一個(gè)移動(dòng)臺接收到的信號,與另一個(gè)移動(dòng)臺接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,從而得到TDOA的值。這種算法可以在基站和移動(dòng)臺不同步時(shí),估計(jì)出TDOA的值,再進(jìn)行定位計(jì)算能獲得較高精度。
對于蜂窩網(wǎng)中的移動(dòng)臺定位而言,TDOA更具有實(shí)際意義,這種方法對網(wǎng)絡(luò)的要求相對較低,并且定位精度較高,目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。
從上面的分析可以看出,TDOA定位技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
?、倏梢栽谠捯艉涂刂菩诺郎线M(jìn)行測量;
②適用于多種移動(dòng)電話制式下實(shí)現(xiàn)該技術(shù),不需要對蜂窩通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改,容易在所有蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中擴(kuò)展;
③對原有系統(tǒng)改動(dòng)不大,不需要改變用戶端和蜂窩的基礎(chǔ)設(shè)施及蜂窩天線,安裝費(fèi)用少;
?、軠y試精度不受距離影響,對多徑干擾敏感度低;對功率變化不敏感,信號衰減對測時(shí)精度影響小;抗多徑效應(yīng)和市區(qū)遮擋效應(yīng)強(qiáng),因此在信號接收去不會出現(xiàn)盲點(diǎn);
?、菅訒r(shí)小,其定位時(shí)間在3s之內(nèi)。