基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)研究

劉利國 梁景遠(yuǎn) 韓勇

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基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)研究

劉利國 梁景遠(yuǎn) 韓勇

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司棗莊市分公司，山東 棗莊 277100

蜂窩無線通訊技術(shù)的發(fā)展為移動(dòng)通信系統(tǒng)的功能性產(chǎn)生重要影響，將其應(yīng)用于移動(dòng)電話中，不會(huì)浪費(fèi)頻譜資源，定位時(shí)也不會(huì)受到周圍遮擋物的影響，定位的可靠性大大提升，分析了幾種常用的蜂窩無線定位方法，并研究了基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)。

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；單基站；定位技術(shù)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線定位技術(shù)越來越成熟，并被廣泛應(yīng)用于交通、軍事等領(lǐng)域中。近幾年，通訊技術(shù)發(fā)展迅速，移動(dòng)通訊用戶數(shù)量逐漸增多，對移動(dòng)定位功能的需求也越來越大，對移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)的研究逐漸深入。由于GPS定位技術(shù)涉及到成本、體積、功耗等諸多問題，其被應(yīng)用于移動(dòng)定位中的可能性不大，蜂窩無線定位技術(shù)則表現(xiàn)出了更多的優(yōu)勢，因此對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究是非常有必要的。

1 幾種常用的蜂窩無線定位方法

首先是對信號強(qiáng)度進(jìn)行測量，這是一種比較原始的方法，信號的衰減強(qiáng)度越明顯[1]，說明移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離就越遠(yuǎn)。幾個(gè)基站共同測量、計(jì)算，對結(jié)果進(jìn)行融合，就可以得到移動(dòng)臺(tái)的位置。其次是對信號到達(dá)角度進(jìn)行測量，也就是平時(shí)我們所說的AOA，測量過程中需要將單元陣列作為基礎(chǔ)。測量不同基站的AOA時(shí)，會(huì)得到一個(gè)三角形，將三角形的幾何關(guān)系作為依據(jù)進(jìn)行推斷，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，得到移動(dòng)單元的位置。最后是對無線電波的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行測量，這種方法利用了無線電波的傳播特征。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高測量的準(zhǔn)確性，一般還會(huì)對差分到達(dá)時(shí)間進(jìn)行測量，也就是我們平時(shí)所說的TDOA，主要是起到一種補(bǔ)償作用，滿足時(shí)間參考要求。

2 基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)單基站定位技術(shù)

2.1 AOA的獲取

首先是常規(guī)方法，其中比較典型的就是波束成型法，該種方法的最大優(yōu)勢就是運(yùn)算量小，目前被應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。缺點(diǎn)就是分辨能力不強(qiáng)，會(huì)受到Raleigh限的制約，在一個(gè)波束寬度內(nèi)，它是無法識別多個(gè)目標(biāo)的，也就是說其精確定位能力不夠強(qiáng)。其次是參數(shù)模型法，將信號特征作為依據(jù)，利用AR模型對信號過程進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合結(jié)果對方位進(jìn)行估計(jì)。如果信噪比較高、數(shù)據(jù)長度也足夠的話，往往能夠取得良好的預(yù)估效果。第三是子空間類方法，其將協(xié)方差矩陣特性作為基礎(chǔ)，大大提高了目標(biāo)的分辨能力，這種方法不會(huì)受到Raleigh的制約，得到的方位參與非常準(zhǔn)確，幾乎不會(huì)出現(xiàn)偏差。這種方法在定位領(lǐng)域中具備良好的應(yīng)用前景。最后是解卷積方法，其將輸出數(shù)據(jù)作為兩種參數(shù)的函數(shù)卷積，一是目標(biāo)信號，二是信道傳遞參數(shù)。根據(jù)這種函數(shù)關(guān)系來估計(jì)目標(biāo)方位。

2.2 TOA的獲取

首先是模糊度圖法，其中比較常用的就是匹配濾波法，這種方法最大的優(yōu)勢就是比較容易實(shí)現(xiàn)，算法算對簡單，從目前的情況來看也是最廣泛的應(yīng)用方法。其缺點(diǎn)就是同時(shí)分辨多個(gè)目標(biāo)的能力差，同時(shí)發(fā)射信號也會(huì)對分辨能力產(chǎn)生影響。其次是解卷積方法，需要先構(gòu)造濾波器，接收到數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波器之后進(jìn)行解卷積運(yùn)算，得到定位數(shù)值。這種方法對濾波器穩(wěn)定性有較高要求。再次是時(shí)延頻率法，就是在一定頻率范圍內(nèi)，將發(fā)射信號與接收數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行對比，用高分辨方法來分析對比結(jié)果，得到估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)定位。最后是特征結(jié)構(gòu)法，其將方差矩陣特征作為基礎(chǔ)，并引入了MUSIC估算法，完成對相關(guān)參數(shù)的高分辨估計(jì)。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是定位準(zhǔn)確，但中間環(huán)節(jié)相對復(fù)雜，因此運(yùn)算量比較大。

2.3 TDOA/AOA定位原理

其屬于一種混合定位系統(tǒng)，該種系統(tǒng)中共包含三個(gè)部分，一是基站，二是移動(dòng)臺(tái)，三是定位設(shè)備。其中的定位設(shè)備屬于一種車載裝置，可以在移動(dòng)過程中使用，主要用于定位發(fā)起和實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，另外兩部分則是被動(dòng)參與到定位中[2]。具體定位原理如下：

首先是獲取定位坐標(biāo)，其中基站坐標(biāo)表示為（xa，ya），由數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和提供；定位設(shè)備的坐標(biāo)表示為（x0，y0），是由GPS提供。二者定位精度相對準(zhǔn)確，一般可以將誤差控制在10米內(nèi)。根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式可以計(jì)算出二者的距離。

其次是距離之和L1+L2，在授時(shí)系統(tǒng)的支持下，可以實(shí)現(xiàn)PN碼同步，這種同步幾乎不會(huì)出現(xiàn)誤差。定位過程中，移動(dòng)臺(tái)會(huì)對基站進(jìn)行監(jiān)聽，獲取下行路線，進(jìn)而得到PN碼，最終得到時(shí)鐘基準(zhǔn)。由于延遲特性，所得到的時(shí)鐘基準(zhǔn)會(huì)相對落后，落后的時(shí)差基本是固定的[3]，具體大小由L1決定。定位設(shè)備從功能上說與基站有一定的相似性，要求其時(shí)鐘基準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)同步，定位過程中，設(shè)備會(huì)對移動(dòng)臺(tái)上行鏈路進(jìn)行監(jiān)控，與上一步一樣，會(huì)得到一個(gè)PN碼，得到時(shí)鐘基準(zhǔn)，獲取時(shí)差，具體大小由L1和L2共同決定。

第三是獲取達(dá)到角，從列陣天線上獲取。

第四，從以上分析中我們可以看出，定位設(shè)備以及基站之間的距離是已知的，定位設(shè)備與移動(dòng)臺(tái)、基站與移動(dòng)臺(tái)的距離之和是已知的，達(dá)到角是已知的，定位設(shè)備與基站的坐標(biāo)也是已知的。三者之間構(gòu)成了一個(gè)三角形，根據(jù)角度、邊長關(guān)系就可以求得L1和L2的具體數(shù)值，得到移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)，完成定位。以上就是單基站定位的基本原理，這一過程中使用了單臺(tái)定位設(shè)備。為了降低誤差，實(shí)際運(yùn)用中可以使用多個(gè)定位設(shè)備，進(jìn)行多次計(jì)算后求得平均值，這樣誤差會(huì)更小。

目前蜂窩無線定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可以滿足人們對定位功能的需求。值得注意的是，該項(xiàng)技術(shù)中所使用的設(shè)備具有可移動(dòng)的特征，如果待測目標(biāo)的位置不發(fā)生改變，可以通過改變定位設(shè)備的位置實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，效果與同時(shí)使用多臺(tái)定位設(shè)備是一樣的。

[1]牛志升，周盛.能效與資源優(yōu)化的超蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)新架構(gòu)及其技術(shù)挑戰(zhàn)[J].中國科學(xué):信息科學(xué)，2012（10）:1191 -1203.

[2]周江，顧芳明.無線電定位技術(shù)在蜂窩通信系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2003（04）:66-67.

[3]呂文明.試析無線蜂窩通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013（15）:115.

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