蜂窝网络无线定位技术及应用.docx
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蜂窝网络无线定位技术及应用
蜂窝网络无线定位技术及应用
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=4X=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。
常永宇样宁
摘要描述了CDMA系统的主要定位技术及其特点，对各种定位技术进行了比较和分析，提出了选择方案，并在此基础上介绍了其承载的应用。
关键词CDMA定位技术
1引言
无线定位服务是从美国开始启动和发展起来的。
1996年，美国联邦通信委员会（FCC）强制要求所有无线业务提供商，在移动用户出发紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度达到125m。
此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。
随着无线系统的发展和移动用户的不断增加，对定位业务的需求也与日俱增，例如公共安全、紧急救援服务、基于位置的计费、资产管理、欺诈检测和路由向导等等业务，而不同的定位业务对定位精度的要求不相同，相应地，所需的定位技术也不同，例如基于位置的计费要求的定位精度不高，使用CELLID（小区识别）定位技术即可实现；而路由向导要求比较高的定位精度，只能使用GPS（GlobalPositioningSystem）定位技术和混合定位技术才能实现。
这些需求大大推动了定位技术的发展，经过多年对无线定位的研究，现已开发出了多种定位技术，并在此基础上，各种各样的定位业务和应用也蓬勃发展起来。
2主要的CDMA定位技术
无线定位技术是通过对接受到的无线电波的某些参数进行测量，根据特定的算法以判断出北测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位、和到达角等等。
定位精度主要取决于测量的方法。
2.1基于CellID的技术
在目前CDMA网络中，BSC会在移动台的位置更新、呼叫处理、短消息传送以及切换等过程中将用户所在基站扇区的CellID传送给MSC。
这种方法实现简单，终端侧不需要作任何软硬件的修改，网络侧不需要增加新我得网络实体。
但定位精度不高，定位范围与扇区覆盖相同，在城市基站密集区定位的半径可达到400m左右，在基站密度较低的郊区等地，定位精度非常低，因此只能提供对定位精度要求不高的定位业务，如基于小区位置的计费，无法实现高级的应用。
2.2AOA（Angleofarrival）
由两个或更多基站通过测量接受信号的到达角来估计移动用户的位置。
接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即测位线，移动台的二维位置坐标可通过两根测位线的交点获得。
AOA方法需要在网络侧增加智能天线（SA）才可实现；在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大，定位精度较低，尤其是当移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。
2.3TOA（TimeofArrival）
是一种基于方向链路的定位方法，通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动用户的位置。
只需三个以上的基站接收到移动台的信号，就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。
TOA定位精度与基站的地理位置分布关系很大，当球体之间相交角为90度时，精度最高。
但它对所有接收器相同的误差没有进行处理，误差较大。
2.4TDOA（TimeDifferentofArrival）
是另一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。
TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。
但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。
目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-911呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，可以提高定位精度，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。
2.5AFLT（AdvancedForwardLinkTrilateration）技术
是一种基于前向链路的定位方法，在定位操作时，手机同时监听多个基站（至少三个基站）的导频信息，利用码片时延来确定手机到附近基站的距离，最后用三角定位法算出用户的位置。
AFLT定位技术，需要在网络中增加新的实体，利用导频信息算出移动台的位置，这些实体包括PDE（PositionDelterminingEntity）和MPC（MobilePositioningCenter）。
PDE获得导频信息的方式主要有两种：
（1）按照IS-801协议定义的传送方式给MSC，再由MSC传送给PDE，这种方式需要移动台新增支持IS-801协议的功能。
（2）利用A接口的消息，将用于定位的参数传送给MSC，再由MSC传送给PDE。
这种方式，不需要移动台支持IS-801协议，但需要在A接口上支持这些参数的传输，A接口的Release版本中已经定义了传送这些参数的消息。
移动台需要软件升级，同时，根据PDE获得导频信息方式的不同决定移动台是否需要支持IS-801协议，网络侧需要支持IS-801协议，定位算法可以放在移动台上或者网络侧。
其定位精度介于小区识别和GPS定位技术之间，定位半径一般在200至400m左右，最高可达到100m。
影响精度的主要因素是基站密度和地形环境，如在大城市基站密集的地方，定位精度相对高。
2.6基于GPS系统的定位技术
目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。
基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。
因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。
其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。
2.7混合定位
混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中，目前CDMA系统采用的主流方法是GPS和AFLT混合定位的方式，可简称为网络辅助混合定位。
它结合了基于网络的非GPS定位技术和基于GPS的网络辅助定位技术的优点。
在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的优势，提供基于基站信号，或者GPS和基站信号混合的方式定位，实现在复杂环境下（如室内、城市高楼之间）的精确定位。
如果同时利用智能化算法可以获取更佳的定位效果。
例如，当移动台只能接收到两个基站的信号时，通常无法定位移动台，但是网络可以根据过去移动台的方向和速度，结合基站信号来唯一确定移动台的位置。
而且还可以利用来自无线网络的一些重要信息加快处理进程，缩短卫星数据采集时间。
3CDMA定位技术的比较与选择
以上介绍的七种定位技术，所能达到的定位精度不同、适用的环境不同，对终端和网络的要求也不同。
在选择定位技术时，应根据各种定位技术的特点、不同的定位业务需求及终端和网络的实际情况，选取不同的定位技术方案。
表1就各种定位技术的特点作了一个简单的比较：
表1 CDMA定位技术的比较
独特业务优势有：
1、用户不需要作任何的前期应用系统和GIS系统（地理信息系统）建设投资，而其他类似的应用服务需用户进行应用系统的建设。
这为中小企业用户节省了至少20-30万的前期建设投资。
2、用户只需是电信的CDMA用户、拥有gpsOne手机终端，即可使用星图服务。
目前市场上支持星图服务的手机终端价格在1000元左右，远低于传统的GPS+通信模块终端价格。
星图业务的主要适用应用有：
销售人员跟踪管理、看护医疗人员管理、野外巡视人员管理、班车调度管理、观光导游人员管理、物流配送、押运货物管理等。
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瓦莱丽贝内特（），软件工程师，IBM软件集团
瓦莱丽班尼特是IBM普适计算的软件工程师在研究三角园，北卡罗来纳州。
她曾在她的3各种软件开发和项目管理职位年的IBM职业生涯。
瓦莱丽已经从教堂山北卡罗来纳大学应用科学学士学位。
您可以联系她。
郑家富五车（），软件工程师，IBM软件集团
郑家富五车是IBM普适计算的软件工程师在研究三角园，北卡罗来纳州。
他曾在各种硬件，软件，建筑位置，他17年的IBM职业生涯。
安德鲁和代表参加，例如互联网工程任务组，Java技术，无线接入协议和开放式地理信息系统协会在许多论坛的IBM。
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摘要：
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标签这个！
更新我干重的利益（登录|这是什么？
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日期：
2002年3月1日
级别：
初级
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..公司简介
与日趋增长都在每用户收入（ARPU）和用户数量，无线运营商及其合作伙伴的平均收入困难的挑战，面对正在开发一种新产品，服务主机，基于数据业务的服务模式。
定位服务，提供信息，具体到一个位置，是这个组合的关键部分。
基于位置的服务提供了许多机会。
对于移动用户，一些地点的例子为基础的服务：
•请求，如ATM或餐厅最近的业务或服务，
•接收警报，如对气体或塞车时警告销售的通知
•寻找一个好友
阿最大的好处是，移动用户不需要手动指定的邮政编码或其他位置标识符使用基于位置的服务。
对于运营商，基于位置的服务提供附加价值的功能，如服务：
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