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基于GSM的无线定位技术<2>
四、三种GSM定位系统结构及比较
实现GSM定位需要解决许多方面的复杂问题。下面将介绍三种不同的可用于GSM移动台定位的
系统物理结构:基于移动台的,基于网络的及混合定位。系统结构的不同将对下部设备的造价、
覆盖范围、系统容量、可同时定位的用户数产生很大影响。一个给定的定位应用的需求将决
定哪里需要定位信息,对于每一个被跟踪目标的位置更新率,需要跟踪的目标数及定位信息的
净价值。
4、1基于移动台的定位
移动台利用来自基站的信号计算出它自己的位置的情况被称为基于移动台的定位。这是自定
位系统的一种。有许多方法可以用来进行位置计算,但TDOA是最基本的一种方法。对于利用
TDOA的基于移动台的定位系统,需要对GSM设备进行两个基本的改进。首先要改进移动台,使
其可以进行高精度的TDOA的测量。并且这种测量需要多径抑制算法。相应的在移动台里要有
一个称为定位函数的的特殊函数,此函数可以精确的确定TDOA及其它一些可能的信号参数。
这可以通过对突发传输进行处理进而确定训练序列的开始时刻来得到。
第二个改进是由于网络同步的需要。这里有两种选择,第一种是对网络进行严格的同步。这
可以通过很多方法实现,其中包括在每个基站使用GPS时间发送/接收机。
另一种选择是给移动台提供有关网络同步的信息。这可以使用一个特殊的监测接收机来实现,
该接收机可以测量不同基站间的时间差,并通过GSM的短信息业务(SMS)或寻呼业务(PS)把这
些时间数据传送给移动台(图2-b)。
上面只是描述了使用TDOA的系统的基本的操作。为了实现具有高精度和覆盖范围的蜂窝定位
系统,集成许多其它来源的信息是必要的。完成这种集成的一种关键部分是一个可将不同来源
的信息进行混合的复杂的软件,它被称为混合函数。这些信息中的一个重要的信息就是基站的
位置,这在进行时间测量时是必须的。其它一些可以用来提高精度及解决二义性的可能的信息
来源包括信号强度及扇区信息等。在基于移动台的定位的实际实现中,系统对每个基站的数据
库进行维护,并且把诸如基站位置及相邻频率的分配表等信息传送给移动台是必要的。
在很多时候,其它地方可能需要由移动台计算出的定位信息。这时定位信息可通过SMS由移动
台传到其它地方。这将构成一个间接远程定位系统,但网络不必知道定位信息正在如此使用。
4、2基于网络的定位
利用移动台传来的信号计算出移动台的位置的定位称为基于网络的定位,并且这构成一种远程
定位系统。GSM的基于网络的定位的最简单的实现也是基于TDOA方法的。在这种情况下,需要几
个分布在移动台周围的定位接收机来监测由移动台传来的信号,并对这些信号进行精确的TOA的
测量。在每个定位接收机中需要一个定位函数。该函数将对上行链路中来自通话中的移动台的
突发流进行处理。
定位服务中心将从不同的TOA测量中得出TDOA,进而得出定位估计。因此,混合函数将在定位服
务中心使用。定位服务中心可被看作事务处理器。它来自不同计算机的对位置测量的请求,选
择适当的定位接收机对指定的移动台进行所需的定位区测量,收集来自定位接收机的的定位区
测量,将所有信息进行综合来得到定位测量,并把该定位测量传送给发出请求的计算机。定位服
务中心与GSM的移动业务交换中心是处于同一分层的。
与基于移动台的定位相同,在这里同步同样是一个问题。如果是同步网络,则在每个基站应该有
一个可唯一标定给定频道中给定的TCH突发信号的TOA的时钟。在非同步网络中,则需要有一种
机制用来使在每个定位接收机中的时钟同步(如图2-c)。
采用基于网络的定位系统结构有许多好处。首先它提供了一种无需对移动台进行改进的定位方
法。另外,如果采用适当的方法与安全措施,定位网络还可提供许多基于地点的服务,如对交通
堵塞的监测,为移动用户提供诸如路途向导之类的服务等等。当网络测出移动台的位置后,它可
通过SMS将此信息回传给移动台,这样就构成一个间接自定位系统。
4、3混合定位
混合定位的系统结构是将自定位系统与远程定位系统的不同方面相结合而构成的。一个可行的
混合定位系统结构是使定位函数位于在移动台中而混合函数则处于LSC之中。当LSC向某一移动
台发出请求时,该移动台将对来自不同基站的突发传输进行TOA的测量。之后这些测量值将传输
给LSC,在那里进行TDOA的测量并计算出此移动台的位置估计值。
如同基于移动台的定位,这里同样需要某种方式的同步。适用于基于移动台定位的同步方法对于
混合定位结构同样适用。图2-d显示了使用同步基站传输的混合定位系统结构。
混合定位系统结构的一个变形是数字光标系统。该系统通过传输信号的拷贝,并使用不同拷贝的
互相关进行TDOA的计算来替代了定位区信息的传输。此系统的静态与动态试验已达到了100m以
下的定位精度。
4、4三种系统结构的比较
上面对基于GSM的无线定位的三种系统结构进行了简要的介绍,接下来将对这三种结构从几个主
要方面进行一些比较
●这三种系统结构在基础结构的投资上是不同的。所有这三种系统都需要某种形式的同步,除非
采用TDOA的方法。但只有基于网络的和混合的系统结构才需要LSC。基于网络的系统则不需要对
移动台进行改进,这意味着它具有定位现在移动电话的潜能。对于每一种系统结构,定位函数与
混合函数是处于不同地点的。
●提供远程定位是基于网络的系统与混合系统的固有能力,而基于移动台只有通过SMS或其它数
据通信的设备将定位信息回传才能做到这一点。但反过来,只有基于移动台的系统才具有提供自
定位的固有能力,另外两种系统只有通过SMS或其它方式将数据从LSC传到移动台才能提供间接自
定位。
●由于基于移动台的系统是被动自定位系统,所有处理均在移动台中完成,移动台没有进行传输
的必要,因此理论上可通过此方式进行定位的移动台的个数是没有限制的。这意味着对于移动台
来说进行连续性定位测量是很值得的,并且这比间歇性定位测量的精度要高。混合式系统也是被
动系统,故它可以跟踪许多移动台,但移动台则必须向LSC传送定位区信息。在系统一级进行的处
理的数量是相当小的,因为对于定位来讲处理负载主要是定位区的计算,而混合函数则承担相对
而言少得多的处理负载。因此,混合系统应该可以支持大量的移动台并且移动台应该可以进行连
续的定位测量。由每个被定位的移动台传给LSC的数据量将决定可支持的移动台的数量的上限。
对于基于网络的系统,为了进行测量移动台必须传输信号,并且所有的处理都将在网络中完成。
这表明可以进行连续定位测量的移动台将不多。
●如果在定位区测量中只使用BCCH和/或SCH,则基于移动台的系统及混合系统将不受跳频的影响。
基于网络的系统则需事先知道跳频序列以便正确的对频率变化进行追踪。
●对于跳频的情况,只有基于网络的方法对发射功率控制算法很敏感(假设基于移动台的系统和
混合系统只使用BCCH和/或SCH)。这时,基于网络的GSM定位系统的性能将有所下降。
●基于网络的系统与混合系统可在LSC中使用非常复杂的混合函数,访问保存了大量与定位测量
相关的信息资源的大型数据库。而在基于移动台的系统中使用这么多信息源则是相当困难的。
五、GSM无线定位技术面临的问题及发展前景
为了建立一个可靠的、精确的、高覆盖率的GSM定位系统将面临许多问题。包括技术的与非技术
的。技术问题主要包括如何减少或消除同步误差、多径影响及相邻信道的干扰等;而非技术性问
题则主要是标准化、隐私及安全性问题。
对于GSM定位系统,现在可达到的精度在100m左右。随着更多技术人员的加入及技术的发展,定位
精度将会大幅度提高。如果技术性问题及非技术性问题都可以被解决,则基于GSM的定位系统的发
展前景将十分光明。另外,如果系统具有很高的经济价值的话,那么这将导致第三代定位系统的发
展,从而在未来的移动电话及网络设计中切实考虑进定位的需要。
作者:陶鹏
北方交通大学电信学院运输自动化科学技术研究所
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