黎海涛 张平(北京邮电大学无线新技术研究室 北京 100876)
摘 要 本文首先介绍了移动通信系统中无线定位技术的应用，讨论了基于移动台和网络的两种无线定位方案，对几类常用的无线定位方法进行了分析，分别阐述了GSM和CDMA两种蜂窝系统中无线定位的应用特点，最后提出了无线定位技术中有待进一步研究的课题。
关键词 蜂窝系统 无线定位 CDMA GSM
1 引言
无线定位在军事和民用技术中已获得了广泛应用。现有的定位和导航系统有：雷达，塔康，Loran C，VORTAC，JTIDS(联合战术信息分布系统)，GPS等。对地面移动用户的定位来说，这些技术中以GPS最为重要。近年来GPS发展很快，其单点定位精度达20～40m。但是把GPS功能集成到移动台上需全面更改设备和网络，增加成本；且用户同时持有移动电话和GPS手机很不方便，所以移动用户及设备生产商和网络运营商希望能直接由移动台实现定位。
直接利用移动台进行定位已研究多年，近年来，由于对移动台用户定位的需求增加，进一步推动了无线定位的研究。1996年美国联邦通信委员会(FCC)颁布了E-911法规，要求2001年10月1日起蜂窝网络必须能对发出紧急呼叫的移动台提供精度在125m内、准确率达到67％的位置服务。1998年又提出了定位精度为400m、准确率不低于90%的服务要求。1999年FCC对定位精度提出新的要求：对基于网络定位的精度为100m、准确率达67% ，精度300m、准确率达95%；对基于移动台的定位为精度50m、准确率67% ，精度150m、准确率95%。FCC的规定大大推动了蜂窝无线定位技术的发展。在蜂窝系统中实现对移动台的定位除了满足E－911定位需求外，还具有以下重要用途：(1)基于移动台位置的灵活计费,可根据移动台所在不同位置采取不同的收费标准。(2)智能交通系统(ITS)，ITS系统可以方便提供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务。(3)优化网络与资源管理，精确监测移动台，使网络更好决定进行小区切换的最佳时刻。同时，根据其位置动态分配信道，提高频谱利用率，对网络资源进行有效管理。(4)信息服务，对移动台和旅行者定位并向其提供所在区域的信息及其它服务。
自E-911法规颁布以来，由于政府的强制性要求和市场利益的驱动，对提供定位服务的研究日益得到重视，无线定位受到人们的广泛关注，各大通信公司、许多大学和研究所均投入了对此项技术的研究。本文综述了在蜂窝移动网络中实现无线定位的实施方案、定位方法、应用特点，针对该技术的发展，提出了研究中有待解决的关键问题和思路。
2 两种无线定位方案
对移动台的定位是通过检测移动台和基站之间传播信号的特征参数来获得其几何位置，根据进行定位估计位置不同将定位方案分为基于移动台的定位和基于网络的定位。
(1) 基于移动台的定位
移动台利用来自基站的信号计算出自己的位置称为基于移动台的定位，也称前向链路定位。它根据接收到的多个已知位置基站发射信号携带的与移动台位置有关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据算法对移动台进行定位估计。移动台定位技术包括全球定位系统(GPS)、基于移动台发送、接收信号的定时或角度的覆盖三角技术(TOA、E-OTD)以及起源蜂窝小区(COO)。目前在无线网络广泛使用的技术是起源蜂窝小区，该方案已被用来满足美国第一阶段的“911”紧急服务需求、基于位置的付账和一些需要位置信息的服务。
(2) 基于网络的定位
网络利用移动台传来的信号计算出移动台位置的定位称为基于网络的定位,这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个基站同时检测移动台发射的信号，并对这些信号进行精确的到达时间(TOA)的测量，把各接收信号携带的与移动台位置有关的特征信息送到一个定位服务中心进行处理，得到移动台的位置估计。定位服务中心可看作事务处理器，它对来自不同移动台的位置测量请求,选择适当的定位接收机对指定的移动台进行所需定位区测量,收集来自定位接收机的定位区测量，将所有信息进行综合得到定位测量,并把该定位测量传送给发出请求的移动台。采用基于网络的定位系统优点是无需修改移动台。
从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成GPS接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理单元。基于网络的反向链路定位方案只需对蜂窝网络设备做适当扩充、修改，无需改动移动台，能利用现有蜂窝系统实现。
3 无线定位方法
在蜂窝系统中采用的定位技术主要有以下几类。
(1) 场强定位
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，根据多个距离值可以估算移动台的位置。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形、车辆等因素都会对信号功率产生影响，故这种方法的精度较低。
(2) 起源蜂窝小区(COO)
COO的最大优点是它确定位置信息的响应时间快(3s左右)，而且COO不用对移动台和网络进行升级就可以直接向现有用户提供基于位置的服务。但是，COO与其它技术相比，其精度是最低的。在这个系统中，基站所在的蜂窝小区作为定位单位，定位精度取决于小区的大小。
(3) 增强观测时间差分(E-OTD)
E-OTD是通过放置位置接收器实现的，它们分布在较广区域内的许多站点上，作为位置测量单元以覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源，当移动台和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达移动台和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值被用来产生几组交叉双曲线，由此估计出移动台位置。E-OTD会受到市区多径效应的影响。这时，多径使信号波形畸变并引入延迟，导致E-OTD在决定信号观测点上比较困难。E-OTD定位精度比COO高50～125m。但它的响应速度较慢(5s)，且需要改进移动台。
(4) 到达时间(TOA)和时间差(TDOA)
基于网络的定位系统中通常采用精度较高的TOA或TDOA定位法。TOA中，移动台位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。在多个基站进行上述计算，则移动台的二维位置坐标可由三个圆的交点确定。TOA要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精确的时钟。TOA提供的定位精度比COO高，但是它的响应时间比COO或E-OTD更长(约10s)。TDOA是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，降低了时间同步要求。移动台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，两条双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。直接利用TOA或TDOA估计值求解上述非线性定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或双曲线可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用最小均方误差算法，通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。特别是TDOA定位由于不要求移动台和基站之间的同步，在误差环境下性能相对优越，在蜂窝通信系统的定位中倍受关注。
基于时间的定位要求基站从接收到的射频信号中提取准确的时延估计值。获得时延的方法有两种：一种是采用滑动相关器或匹配滤波器的时间粗探测方法，粗探测过程由滑动相关器、匹配滤波器或连续探测电路来实现，将时延估计值锁定在1个码片间隔内；另一种是采用延时锁相环(DLL)的精探测方法，精探测由DLL维持本地及输入PN序列一致。
(5) 到达角(AOA)
在基站通过阵列天线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，两根连线的交点即为待定位移动台的位置。这种方法不会产生二义性，因为两条直线只能相交于一点。它需要在每个小区基站上放置4～12组的天线阵，这些天线阵一起工作，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的缺点是到达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会导致定位距离的较大误差。
(6) GPS辅助定位(A-GPS)
网络将GPS辅助信息发送到移动台，移动台得到GPS信息，计算出自身精确位置，并将信息发送到网络。A-GPS有移动台辅助和移动台自主两种方式。移动台辅助GPS定位是将传统GPS接收机的大部分功能转移到网络上实现。网络向移动台发送短的辅助信息，包括时间、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些信息经移动台GPS模块处理后产生辅助数据，网络处理器利用辅助数据估算出移动台的位置。自主GPS定位的移动台包含一个全功能的GPS接收器，具有移动台辅助GPS定位的所有功能，再加上卫星位置和移动台位置计算功能。A-GPS的优点是网络改动少，网络不需增加其它设备，网络投资少，定位精度高。由于采用了GPS系统，定位精度较高，理论上可达到5～10m。缺点是现有移动台均不能实现A-GPS定位方式，需要更换，从而使移动台成本增加。
其他还有一些利用扇区波束、切换过程等的定位方法，但其精度对大多数定位应用来说是不够的。在以上介绍的定位方法中，场强定位法最简单，但定位精度较差；AOA定位虽有一定精度，但接收设备较复杂；TOA定位精度较高，但对时间同步要求较高；TDOA能消除对时间基准的依赖，可降低成本并仍保证一定的定位精度。故目前受到广泛关注和深入研究的是基于TOA或TDOA的网络定位，下面讨论其在蜂窝网络中的应用。
4 无线定位的应用
(1) GSM中的无线定位
GSM系统具有知道用户所在小区的基本定位能力，采用TOA定位方法后，能提高定位精度。TOA定位的过程是，移动台在业务信道上发出接入突发信号，定位测量单元(LMU)接收到信号到达的绝对时间后，得到相对时间差(RTD)，移动定位服务中心(SMLC)计算突发信号到达时间差(TDOA)，得到精确位置。当移动台要获得移动台的位置时，向SMLC发出请求，移动台号码和定位精度要求。SMLC根据测量的TOA参数及其误差值可计算出移动台位置，再将位置信息和误差范围发回请求的移动台。TOA定位需要附加硬件LMU，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有多种：LMU既可集成在基站内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与基站共享天线，通过空中接口实现网络间通信。对于GSM定位系统，目前定位精度可达100m。
(2) CDMA系统的无线定位
IS-95中上行链路由接入信道和反向业务信道组成，理论上它们都可作为无线定位的接入信号。但反向业务信道仅在呼叫进程中才能利用，故CDMA无线定位中采用了接入信道信号。反向接入信道发起同基站的通信，以接入信道中的自动登记数据作为定位信号，而不利用反向业务信道的信息实现定位，这就不需要基站传递和处理信息给移动台而消耗系统资源，且利用自动注册数据在移动台处于空闲状态时可获得定位信息。在cdma2000中，在网络控制命令下，移动台把GPS的测试结果和CDMA 无线信号的测试结果报告给网络。网络处理这些信息并根据这些信息确定移动台的位置，移动台和网络之间的信息交换通过突发完成。在CDMA系统中采用TDOA定位也面临一些问题，如由于功控，当移动台靠近基站时信号功率降低，使得当移动台离开一个基站而向另一个基站靠近时TOA测量精度下降。
5 无线定位的发展 在蜂窝网络中，非视距(NLOS)传播、多径效应和多址干扰等因素降低了定位精度，如何克服这些因素的影响是无线定位研究的关键。
(1)多径传播。多径是移动台定位主要误差源，各种定位法均会由于多径传播引起时间测量误差。窄带系统中各多径分量重叠将造成相关峰位置偏差，宽带系统能够在一定程度上实现对各多径分量分离，据此可以改善定位精度。但是若反射分量大于直达分量、干扰影响等均会引起精度降低。目前已提出一些抗多径传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计及扩展的卡尔曼滤波 (EKF)等。
(2) NLOS传播。即使在无多径效应和采用高精度定时的情况下，NLOS传播也会引起TOA或TDOA测量误差。因此，如何降低NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低NLOS传播影响的方法有利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值；降低LS算法中NLOS测量值的权重，在LS算法中增加约束项等。
(3) 在CDMA系统中，多址干扰在基于时间的定位系统中会严重影响时间粗捕获和延时锁相环的工作。CDMA的功控对其通信功能来说可大大降低多址干扰，但对定位来说，采用功率控制使多个参与定位基站难于同时正确测量TOA或TDOA。因为移动台必须与多基站联合工作，而功控仅联系一个基站，因而作用较小。可以采用临时提高求救手机功率的办法克服远近效应，但在有多个呼叫时此法不适用。
(4) 基站覆盖。移动台定位一般要求同时与3个或3个以上基站相关处理。现有蜂窝系统用于通信设计时主要考虑移动台仅与一个基站联系，仅在小区边沿需要切换才与邻近几个基站联系。它尽量使移动台收到强的基站导引信号以保持相干接收，同时，在切换到另一基站前收到相邻基站导引信号尽量小。目前的网络在有些地区如乡村地区覆盖差，在城市地区由于多径等因素有时也可能难于保证移动台与3个以上的基站的联系。无线定位与网络设计密切相关。
自无线定位服务提出以来，人们除了进行理论上的研究外，一些公司还开展了以第二代移动通信系统为平台的现场试验。如美国TruePosition公司，针对AMPS体制，采用TDOA方法，1997年在New Jersey地区用24个基站进行试验，在3000实际911呼叫和80000个试验呼叫中，定位误差为600英尺。Lucent公司针对IS-95 CDMA系统，利用TDOA方法，1997年在New Jersey和New York郊镇进行了实验，精度接近TruePosition的结果。1999年日本NTT公司和TohoKu大学合作，采用WCDMA系统，在两基站环境下，利用三步法实现了准确率达90%、基站搜索时间小于0.7s的基站搜索方法实验。
我们看到，基于蜂窝系统的无线定位技术虽然提出时间较短，但已在理论和实验上取得较大进展。在即将商用化的第三代移动通信系统中，如何实现高精度的定位，并将定位业务集成到网络中，是一个崭新的课题，有许多问题需要做进一步研究。这方面的课题包括：无线定位方法的研究；克服定位误差的方法的研究；针对不同系统的定位实施方案研究。在蜂窝无线定位技术研究中的一个基本的原则是希望增加定位业务不致于使网络基础设施改变和增加投资太大。定位要求及技术实现方法应该与标准研究相结合并确立统一标准，以更好地安排空中接口、网络结构和各种功能子系统组成。
摘自《电信科学》
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