淺析無線蜂窩通信系統中的定位技術

論文類別:工學論文 > 通信學論文
論文標簽:通信系統論文
論文作者: 田安紅 楊華芬
上傳時間:2013/1/18 8:19:00

 【論文關鍵詞】無線蜂窩通信系統 角度到達定位 抵達時間差定位

  【論文摘 要】本文論述了無線蜂窩通信系統中的兩種定位體制,並重點介紹基於移動網絡定位技術的常用定位方法,即AOA、TOA、TDOA定位方法,同時分析各種定位方法的優缺點。
  要想獲取到目標的具體位置信息,一般都是采用GPS定位信息,但當目標處在高樓聳立的城市之間,GPS的部分衛星信號處於遮擋狀態,此時為了獲得到目標的準確信息,可以考慮采取其他的輔助定位方式。比如說,利用偽衛星技術,該技術實質上就是指安置在地面上的地基發射站,它發射的信號與GPS的信號相類似,但該種技術需要架設額外的設施;采用DTV技術,由於大城市環境中,DTV設施資源也有限。此時可以考慮采用無線蜂窩通信系統,該系統在城市中應用成熟,基站信號好。因基站可以發射信號,目標可以利用基站的信號信息,確定目標的位置,即可以采用無線蜂窩通信系統來彌補GPS定位技術的不足,從而準確獲取目標的位置信息。
  無線蜂窩通信系統中的定位技術主要有兩種體制。一種是基於下行鏈路的定位技術,即基於移動臺的定位技術;一種是基於上行鏈路的定位技術,即基於移動網絡的定位技術。基於移動臺的定位技術要求移動臺參與定位參數的測量以及測量值的求解計算。基於蜂窩網絡的定位技術是指網絡根據測量數據計算出移動終端所處的位置,通常必須利用3個或3個以上蜂窩基站接收手機信號的定位參數,即到達時間、角度或強度。
  1 基於移動臺的定位技術
  現已提出的基於移動臺的方法主要有:基於下行鏈路增強觀測時間差定位方法、基於下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法、基於GPS作為輔助的定位技術等。
  2 基於移動網絡的定位技術
  基於蜂窩網絡的定位方法目前主要有:基於Cell-ID定位和基於時間提前量定位的方法、上行鏈路信號到達時間定位方法、上行鏈路信號到達時間差定位方法以及上行鏈路信號到達角度定位方法等。
  2.1 AOA
  角度到達[1](AOA,Arrival of Angle)定位方式是根據信號到達的角度,測定出運動目標的位置。在AOA定位方式中,只要測量出運動目標與兩個基站的信號到達角度參數信息,就可以獲取目標的位置。蜂窩移動網的AOA定位方式,指的是基站接收機利用基站的天線陣列,接收不同陣元的信號相位信息,並測算出運動目標的電波入射角,從而構成一根從接收機到發射機的徑向連線,即測位線,目標終端的二維位置坐標可通過兩根測位線的交點獲得。
  2.2 TOA
  抵達時間[2](TOA,Time of Arrival)定位方式也稱為基站三角定位方式,通過測量從運動目標發射機發出的無線電波,到達多個(3個及以上)基站接受機的傳播時間,來確定出運動目標的位置。已知電波傳播速度為c,假設運動目標與基站之間的傳播時間為t,運動目標位於以基站為圓心,以移動終端到基站的電波傳輸距離ct為半徑的定圓上,則可由3個基站定位圓的交點,來確定目標移動的二維位置。TOA定位方式中,為了根據發射信號到達基站的接收時間,來確定出信號的傳播時間,要求運動目標發射機在發射信號中,加有發射的時間戳信息。這種定位方式的定位精度取決於,各基站和運動目標的時鐘的精度,以及各基站接收機和運動目標發射機時鐘間的同步。
  TOA算法要求參加定位的各個基站在時間上要嚴格同步,由於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。傳播中的多徑幹擾、NLOS以及噪聲等幹擾造成的誤差會使圓無法交匯,或者交匯處不是一點而是一個區域。因此TOA對系統同步的要求很高,並且需要在信號中加時間戳(要求基站之間的同步),而實際參加定位的基站一般在3個以上,誤差是不可避免的。這時候可以利用GPS對基站進行校正並利用其他補償算法來估計位置,提高算法的精確度,但同時增加系統的開銷和算法復雜程度,因此單純的TOA算法在實際中應用很少。

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  2.3 TDOA
  抵達時差[3](TDOA,Time Difference of Arrival)定位方式通過測量目標移動終端發射機到達不同基站接收機的傳播時差,來確定運動目標的位置信息。TDOA定位方式中,不需要移動終端與基站間的精確同步,也不需要在上行信號中加時間戳信息,還可以消除或減少目標移動終端與基站間由於信道所造成的共同誤差。在該定位方式中,將目標移動終端定位於兩個基站為焦點的雙曲線方程上。確定目標移動終端的二維坐標需要至少建立兩個雙曲線方程(至少3個基站),兩條雙曲線交點即為目標移動終端的二維坐標。
  TDOA算法是對TOA算法的改進,他不是直接利用信號到達時間來確定目標的位置信息,而是用多個基站接收到信號的時間差信息來確定目標的位置信息,與TOA算法相比,它不需要加入專門的時間戳信息,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臺到達2個基站的時間TOA信息,知道移動臺的坐標位置,以及至少三個基站的坐標位置,取其差值來獲得。這時仍需要基站時間的嚴格同步,但是當兩基站間移動信道傳輸特性相似時,可減少由多徑效應帶來的誤差。
  第二種形式是在實際應用中,往往很難做到基站與移動臺的同步,此時可以采用相關估計得到TDOA值,即將一個移動臺接收到的信號,與另一個移動臺接收到的信號進行相關運算,從而得到TDOA的值。這種算法可以在基站和移動臺不同步時,估計出TDOA的值,再進行定位計算能獲得較高精度。
  對於蜂窩網中的移動臺定位而言,TDOA更具有實際意義,這種方法對網絡的要求相對較低,並且定位精度較高,目前已經成為研究的熱點。
  從上面的分析可以看出,TDOA定位技術具有如下優點:
  ①可以在話音和控制信道上進行測量;
  ②適用於多種移動電話制式下實現該技術,不需要對蜂窩通信的標準進行修改,容易在所有蜂窩網通信系統中擴展;
  ③對原有系統改動不大,不需要改變用戶端和蜂窩的基礎設施及蜂窩天線,安裝費用少;
  ④測試精度不受距離影響,對多徑幹擾敏感度低;對功率變化不敏感,信號衰減對測時精度影響小;抗多徑效應和市區遮擋效應強,因此在信號接收去不會出現盲點;
  ⑤延時小,其定位時間在3s之內。
  

參考文獻


  [1]楊洪娟.蜂窩網絡無線定位技術的研究[D].哈爾濱工業大學,2009,6.
  [2]記越峰,等.現代通信技術[M].北京郵電大學出版社,2002.
  [3]李嶸崢.無線蜂窩通信系統中移動臺定位技術研究與實現[D].北京郵電大學,2011,01,10.

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