移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1、移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用17目錄1 移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)綜述11.1定位基本概念11.1.1物理位置和抽象位置11.1.2定位性能指標(biāo)21.2定位技術(shù)分類21.2.1基于三角/雙曲線關(guān)系的定位技術(shù)21.2.2基于場(chǎng)景（信號(hào)指紋）分析的定位技術(shù)31.2.3基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)31.3定位策略32 移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展研究42.1蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)42.1.1 Cell ID定位技術(shù)52.1.2 UTOA/UTDOA定位技術(shù)72.1.3 E-OTD定位技術(shù)72.1.4智能天線AOA72.1.5信號(hào)衰減(Signal Attenuation)82.1.6 AGPS92.1.7基于數(shù)據(jù)融合的混合定

2、位92.1.8模式匹配102.2 無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN）定位技術(shù)102.2.1基于時(shí)間/角度測(cè)量的定位102.2.2基于信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)113移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)應(yīng)用143.1 安全方面的緊急救援和求助143.2追蹤方面的汽車(chē)導(dǎo)航、車(chē)輛追蹤、艦隊(duì)追蹤143.3計(jì)費(fèi)方面的基于位置和事件的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)143.4網(wǎng)絡(luò)性能方面的移動(dòng)性管理及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)153.5其他方面，如移動(dòng)黃頁(yè)查詢、防止手機(jī)盜打154 結(jié)語(yǔ)15致謝16參考文獻(xiàn)170引言移動(dòng)終端的位置信息是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵信息之一，利用移動(dòng)定位信息開(kāi)展的服務(wù)將是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的一種特色服務(wù)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，基于位置的服務(wù)成為

3、最具發(fā)展?jié)摿Φ囊苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一，無(wú)論在室內(nèi)還是室外環(huán)境下，快速準(zhǔn)確地獲得移動(dòng)終端的位置信息和提供位置服務(wù)的需求變得日益迫切。在通信和定位兩大系統(tǒng)正在相互融合、相互促進(jìn)的背景下，利用無(wú)線通信和參數(shù)測(cè)量來(lái)確定移動(dòng)終端位置，而定位信息又可以用來(lái)支持位置業(yè)務(wù)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，提高位置服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能。所以，在各種不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中快速、準(zhǔn)確、健壯地獲取移動(dòng)位置信息的定位技術(shù)及其定位系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。1 移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)綜述美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于1996年下達(dá)指示要求移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為移動(dòng)電話用戶提供E-911(緊急救援)服務(wù)，這就要求對(duì)所有移動(dòng)電話用戶實(shí)現(xiàn)定位功能，同時(shí)，F(xiàn)CC又于199

4、9年對(duì)定位精度做出新的要求。 FCC的這些舉措大大促進(jìn)了關(guān)于定位技術(shù)及其服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展，很多國(guó)家開(kāi)始致力于研究商用定位技術(shù)并推出了各具特色的商用定位服務(wù)。近幾年，全球移動(dòng)用戶的數(shù)量迅猛發(fā)展，為商用位置服務(wù)提供了極其誘人的市場(chǎng)前景。相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求救電話服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話服務(wù)、個(gè)人問(wèn)詢服務(wù)、車(chē)輛導(dǎo)航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù)等等。移動(dòng)定位涉及移動(dòng)無(wú)線通信、數(shù)學(xué)、地理信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，某些有關(guān)移動(dòng)定位的基本概念比較容易混淆，因此有必要首先澄清一些基本概念。1.1定位基本概念1.1.1物理位置和抽象位置定位系統(tǒng)提供的位置信息可以分為兩類：物理意義上的位置信息和抽

5、象意義上的位置信息。所謂物理意義上的位置信息，就是指被定位物體具體的物理或數(shù)學(xué)層面上的位置數(shù)據(jù)。例如，GPS可以測(cè)得一幢建筑物位于北緯，東經(jīng)，海拔50米處。相對(duì)而言，抽象的位置信息可以表達(dá)為：這棟建筑物位于公園的樹(shù)林中或校園的主教學(xué)樓附近等。從應(yīng)用程序的角度講，不同的應(yīng)用程序需要的位置信息抽象層次也不盡相同，有些只需要物理位置信息；而有些則需要抽象意義上的位置信息，單純的物理位置信息對(duì)它們來(lái)說(shuō)是透明的，或是沒(méi)有意義的。當(dāng)然，物理位置信息可以在附加信息庫(kù)的幫助下，轉(zhuǎn)換并映射為抽象層次的位置信息。1.1.2定位性能指標(biāo)定位精度和定位準(zhǔn)確度是兩個(gè)緊密聯(lián)系的概念，它們之間的關(guān)系類似于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中置信區(qū)

6、間和置信水平之間的關(guān)系。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，如果孤立的指出某個(gè)定位系統(tǒng)的定位精度或定位準(zhǔn)確度，都是沒(méi)有意義的。典型的正確描述應(yīng)該是：A定位系統(tǒng)可以在95%的概率（置信水平）下達(dá)到10m的定位精度。其中，“95%”描述的是定位準(zhǔn)確度。定位精度越高，相應(yīng)的定位準(zhǔn)確度就越低，反之亦然。通過(guò)增加定位設(shè)備的密度或綜合使用多種不同的定位技術(shù)，可以同時(shí)提高定位系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。一般說(shuō)來(lái)，室內(nèi)應(yīng)用所需定位精度要比室外應(yīng)用高。1.2定位技術(shù)分類無(wú)線定位技術(shù)通過(guò)對(duì)無(wú)線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法來(lái)判斷被測(cè)物體的位置。測(cè)量參數(shù)一般包括無(wú)線電波的傳輸時(shí)間、幅度、相位和到達(dá)角等。定位精度取決于測(cè)量的方法。從定位原理的

7、角度來(lái)看，定位技術(shù)大致可以分為三種類型：基于三角關(guān)系和運(yùn)算的定位技術(shù)、基于場(chǎng)景分析的定位技術(shù)和基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)。1.2.1基于三角/雙曲線關(guān)系的定位技術(shù)這種定位技術(shù)根據(jù)測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，利用幾何三角或雙曲線關(guān)系計(jì)算被測(cè)物體的位置，它是最主要的、也是應(yīng)用最為廣泛的一種定位技術(shù)?；谌腔螂p曲線關(guān)系的定位技術(shù)可以細(xì)分為兩種：基于距離測(cè)量的定位技術(shù)和基于角度測(cè)量的定位技術(shù)。基于距離測(cè)量的定位技術(shù)先要測(cè)量已知位置的參考點(diǎn)（A，B，C三點(diǎn)）與被測(cè)物體之間的距離(R1，R2，R3)，然后利用三角知識(shí)計(jì)算被測(cè)物體的位置。具體說(shuō)來(lái)，距離測(cè)量的方法有直接測(cè)量、傳播時(shí)間、無(wú)線電波能量衰減三種方法。直接測(cè)量通過(guò)

8、物理動(dòng)作和移動(dòng)來(lái)測(cè)量參考點(diǎn)與被測(cè)物體之間的距離。例如，機(jī)器人移動(dòng)自己的探針，直到觸到障礙物，并把探針移動(dòng)的距離作為自己與障礙物之間的一個(gè)距離參數(shù)。傳播時(shí)間測(cè)量法是在已知傳播速度的情況下，無(wú)線電波傳播的距離與它傳播的時(shí)間成正比。這種測(cè)量方法需要注意幾個(gè)問(wèn)題：(a)無(wú)線電波（在非視距NLOS環(huán)境中）的傳播特性。一般的解決方法是增加測(cè)量次數(shù)，求出統(tǒng)計(jì)意義上的測(cè)量值。(b)時(shí)鐘精度。(c)時(shí)鐘同步。參與同一個(gè)定位過(guò)程的參考點(diǎn)之間必須保證時(shí)鐘的同。無(wú)線電波能量衰減測(cè)量方式是通過(guò)已知發(fā)射電波的強(qiáng)度，在接收方測(cè)量收到的電波強(qiáng)度，以此估計(jì)出發(fā)射端距離接收端之間的距離。例如，在理想傳播環(huán)境下，無(wú)線電波的衰減與1

9、/r2成正比（r為傳播距離）。實(shí)際上，無(wú)線電波在空間傳播時(shí)能量的衰減受多種因素影響，相比傳播時(shí)間測(cè)量方法沒(méi)有優(yōu)勢(shì)?；诮嵌鹊亩ㄎ患夹g(shù)與基于距離測(cè)量的定位技術(shù)在原理上是相似的。兩者主要的不同在于前者測(cè)量的主要是角度，而后者測(cè)量的是距離。一般來(lái)說(shuō)，如果要計(jì)算被測(cè)物體的平面位置（即二維位置），那么則需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)角度和一個(gè)距離。同理，如果要計(jì)算被測(cè)物體的立體位置（即三維位置），那么則需要測(cè)量三個(gè)角度和一個(gè)距離?；诮嵌葴y(cè)量的定位技術(shù)需要使用方向性天線，如智能天線陣列等。1.2.2基于場(chǎng)景（信號(hào)指紋）分析的定位技術(shù)這種定位技術(shù)對(duì)定位的特定環(huán)境進(jìn)行抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數(shù)描述定位環(huán)境中的各個(gè)

10、位置，并用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)把這些信息集成在一起。業(yè)界習(xí)慣上將上述形式化和量化后的位置特征信息形象地稱為信號(hào)“指紋”。觀察者根據(jù)待定位物體所在位置的“指紋”特征查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)特定的匹配規(guī)則確定物體的位置。由此可以看出，這種定位技術(shù)的核心是位置特征數(shù)據(jù)庫(kù)和匹配規(guī)則，它本質(zhì)上是一種模式識(shí)別方法。Microsoft的RADAR無(wú)線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)就是一個(gè)典型的基于場(chǎng)景分析的定位系統(tǒng)。1.2.3基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)基于臨近關(guān)系進(jìn)行定位的技術(shù)原理是：根據(jù)待定位物體與一個(gè)或多個(gè)已知位置參考點(diǎn)的臨近關(guān)系來(lái)定位。這種定位技術(shù)通常需要標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的輔助，以唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)確定已知的各個(gè)位置。這種定位技術(shù)最常見(jiàn)的例子是移動(dòng)蜂

11、窩通信網(wǎng)絡(luò)中的Cell ID。假設(shè)待定位物體分別位于三個(gè)Cell中。由于各個(gè)Cell中參考點(diǎn)的位置已知，所以根據(jù)待定位物體所在Cell可以粗略確定其位置（即Cell中參考點(diǎn)的位置）。除了Cell ID以外，其他的例子還有Xerox PareTAB System、Carnegie Mellon Andrew、Active Badge等。1.3定位策略從定位策略的角度來(lái)看，定位技術(shù)/系統(tǒng)可以分為基于移動(dòng)終端的定位和基于網(wǎng)絡(luò)的定位兩種?；谝苿?dòng)終端的定位是指，定位計(jì)算由移動(dòng)終端自主完成，移動(dòng)終端能夠自行確定自身當(dāng)前的位置。基于網(wǎng)絡(luò)的定位主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集待定位移動(dòng)終端的信息并計(jì)算移動(dòng)終端的當(dāng)前位置。

12、如果再對(duì)以上兩種定位策略進(jìn)行細(xì)分，前一種定位策略又可以分為基于移動(dòng)終端的定位和網(wǎng)絡(luò)輔助定位兩種；而后一種定位策略又可以分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位和移動(dòng)終端輔助定位兩種。2 移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展研究不同的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)定位有著不同的業(yè)務(wù)需求和定義，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、物理層和MAC層設(shè)計(jì)對(duì)定位技術(shù)也提出了不同的挑戰(zhàn)。按照不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑F(xiàn)有定位系統(tǒng)可以分為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)輔助的定位系統(tǒng)。2.1蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)目前，實(shí)現(xiàn)蜂窩無(wú)線定位主要有三大類解決方案：（1）基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，如基于CellID和時(shí)間提前量（TA）的方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）方法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（T

13、DOA）方法以及上行鏈路信號(hào)到達(dá)角度（AOA）方法，這些解決方案需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)做部分改進(jìn)，但卻可以兼容現(xiàn)有移動(dòng)終端；（2）基于移動(dòng)臺(tái)的定位方法。用于GSM中的下行鏈路增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)差定位方法（E-OTD）、用于WCDMA下行鏈路空閑周期觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差方法（OTDOA-IPDL）等；（3）以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU、QZSS等為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)集成了衛(wèi)星定位的輔助設(shè)備。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，第二類和第三類方法更容易提供較為精確的用戶定位信息，但這些技術(shù)需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，也存在對(duì)移動(dòng)臺(tái)改動(dòng)的需求，這將對(duì)移動(dòng)臺(tái)體積、功耗、成本帶來(lái)影響。各類定位方法已經(jīng)在不同蜂窩

14、網(wǎng)絡(luò)中被標(biāo)準(zhǔn)化。3GPP對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)選擇了基于CellID和時(shí)間提前量、上行TOA、E-OTD、輔助GPS(AGPS)等方案，而為WCDMA網(wǎng)絡(luò)選擇了基于CellID、OTDOA-IPDL、AGPS等方法。GSM網(wǎng)絡(luò)中與定位相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括3GPPTS09.02和3GPPTS03.71，3G網(wǎng)絡(luò)中還有3GPPTS25.331系列規(guī)范對(duì)位置服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)和相關(guān)定位流程進(jìn)行了規(guī)定。這類主要介紹幾種主要蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位方法和其性能的比較，見(jiàn)表1。表1 幾種主要蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位方法及其性能比較定位技術(shù)精度水平（m）冷啟速度（s）適用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境備 注CellID100-30001-3不限精度受制于扇區(qū)大小，魯棒性

15、較差Cell ID+TA/RTT5501-5GSM/GPRS精度較Cell ID有所改進(jìn)，仍低于其他方法20-60UMTS(WCDMA，TD-SCDMA)UTDOA50-1505-10GSM/WCDMA/TD-SCDMAGSM/TD-SCDMA需增加LMU，LMU與SMLC之間接口私有E-OTD50-3005-10GSM需添加LMU(/3BTS)，建設(shè)成本高AOA50-5001-5不限MSC支持Lg接口，定向天線支持AOA測(cè)量，受環(huán)境影響較大，用于配合其他方法指紋(NMR、模式匹配)50-3005-10不限控制平面需支持Lupc接口，需要大量離線訓(xùn)練數(shù)據(jù)，或使用路徑模型計(jì)算距離智能天線遜于AG

16、PS，優(yōu)于傳統(tǒng)三角定位5-10不限網(wǎng)絡(luò)側(cè)需MIMO支持，只需單個(gè)基站，T(D)OA/AOA測(cè)量，或統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)多徑信號(hào)參數(shù)與用戶位置間關(guān)系數(shù)據(jù)融合優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)時(shí)、測(cè)角定位5-10測(cè)量數(shù)據(jù)(TOA/TDOA/AOA）或系統(tǒng)級(jí)(GPS+CDMA）融合需結(jié)合多種定位技術(shù)和設(shè)備，以提供T(D)OA/AOA等測(cè)量支持AGPS信號(hào)好：5-2005-20不限開(kāi)闊區(qū)域定位精度/準(zhǔn)確度最高，室內(nèi)、密集地區(qū)定位情況較差2.1.1 Cell ID定位技術(shù)Cell ID技術(shù)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的一種定位方法，由于其對(duì)終端定位的結(jié)果是終端服務(wù)小區(qū)基站的位置，所以定位精度隨扇區(qū)大小而變化，特點(diǎn)是速度快，應(yīng)用簡(jiǎn)單，精度較差，通常與

17、其他定位結(jié)合使用，統(tǒng)稱為基于Cell ID的定位技術(shù)。這類定位技術(shù)是Cell ID技術(shù)的補(bǔ)充和改進(jìn)。在移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)蜂窩小區(qū)都有一個(gè)惟一的，利用移動(dòng)終端所在Cell對(duì)應(yīng)的Cell ID就可以粗略確定移動(dòng)終端的位置。如圖 1所示。GSM/GPRS系統(tǒng)中可以用作定位的另一個(gè)參數(shù)是時(shí)間提前量(TA)，UMTS系統(tǒng)中與之對(duì)應(yīng)的是回路測(cè)量時(shí)間（RoundTripTime，RTT）。TA和RTT兩者皆是利用基站傳送到手機(jī)的時(shí)間補(bǔ)償（Time Offset）來(lái)測(cè)量BTS與手機(jī)之間的距離，分析移動(dòng)臺(tái)所在的區(qū)域。TA以比特為單位，1bit相當(dāng)于550米的距離；RTT以比特為單位，WCDMA 3.84M

18、碼片速率下1bit相當(dāng)于20米的距離；TD-SCDMA 1.28M碼片速率下1bit相當(dāng)于60米的距離。把Cell ID和TA/RTT結(jié)合在一起是一種簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的方法。所有終端都可使用這種方法定位，這是其一大優(yōu)點(diǎn)。但這種技術(shù)的定位精度取決于小區(qū)大小和周?chē)沫h(huán)境，通常只能用于粗略定位。NMR（Network Measurement Report）也稱E-CGI（Enhanced Cell Global Identification），從本質(zhì)講是一種具有自主和指紋定位兩種模式的技術(shù)。這種技術(shù)是對(duì)CellID以及CellID+ TA/RTT的增強(qiáng)。NMR指紋定位離線學(xué)習(xí)階段，終端在確定位置的樣本點(diǎn)處

19、對(duì)各相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采集和記錄，并將樣本點(diǎn)處服務(wù)小區(qū)Cell ID、各相鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)精確位置歸檔；進(jìn)入在線定位階段，終端實(shí)時(shí)測(cè)量和收集相鄰小區(qū)的NMR數(shù)據(jù)并上報(bào)網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢與所檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度最為接近的樣本點(diǎn)的位置，作為最終定位結(jié)果。如圖2所示。圖1 Cell定位技術(shù)原理圖2 NMR鄰小區(qū)測(cè)量定位原理2.1.2 UTOA/UTDOA定位技術(shù)上行鏈路到達(dá)時(shí)間(UTOA)定位方法是由基站測(cè)量移動(dòng)終端信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。該方法要求至少有三個(gè)基站參與測(cè)量，每個(gè)基站增加一個(gè)位置測(cè)量單元LMU，LMU測(cè)量終端發(fā)出的接入突發(fā)脈沖或常規(guī)突發(fā)脈沖的到達(dá)時(shí)刻。LMU可以和BTS結(jié)合在一起，也可分開(kāi)放置

20、。由于每個(gè)BTS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移動(dòng)終端的位置。TDOA測(cè)量的是移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)到達(dá)不同BTS的傳輸時(shí)間差，而不是單純的傳輸時(shí)間。UTOA定位需要終端和參與定位的LMU之間精確同步，而TDOA通常只需參與定位的BTS間同步即可。另外，這兩種定位還要求在所有基站上安裝LMU，因此成本較高。2.1.3 E-OTD定位技術(shù)增強(qiáng)型觀察時(shí)間差(Enhanced Observed Time Difference， E-OTD)只能用于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，使用這種技術(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)基站上放置位置測(cè)量單元（Location Measuremnet Unit，LMU）作為參考

21、點(diǎn)。如圖表 3所示。每個(gè)參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源。E-OTD的運(yùn)作方式是以移動(dòng)終端測(cè)量來(lái)自至少3個(gè)LMU的信號(hào)，根據(jù)各LMU到達(dá)移動(dòng)終端的時(shí)間差值所產(chǎn)生的交叉雙曲線可以計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置。圖3 E-OTD系統(tǒng)原理E-OTD方案可以提供比CellID高得多的定位精度在50米到125米之間。但是它的定位響應(yīng)速度較慢，往往需要約5秒的時(shí)間。另外，它需要對(duì)移動(dòng)終端軟件進(jìn)行更新，這意味著現(xiàn)存的移動(dòng)用戶無(wú)法通過(guò)該技術(shù)獲得基于位置的服務(wù)。2.1.4智能天線AOA基站通過(guò)陣列天線測(cè)出移動(dòng)臺(tái)到達(dá)無(wú)線電波信號(hào)的入射角，從而構(gòu)成基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，兩條連線的交點(diǎn)即為待定位移動(dòng)臺(tái)的位置。這種方法不會(huì)產(chǎn)生二義性，

22、因?yàn)閮蓷l直線只能相交于一點(diǎn)。這種信號(hào)到達(dá)角(Angle of Arrival， AOA)定位方法需要在每個(gè)小區(qū)基站處放置412組天線陣列，這些天線一起工作，從而確定移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)相對(duì)于基站的角度。AOA通常用來(lái)確定一個(gè)二維位置。移動(dòng)終端發(fā)，BTS1收，測(cè)量可得一條BTS1到移動(dòng)終端的連線；移動(dòng)終端發(fā)，BTS2收，測(cè)量得到另一直線，兩直線相交產(chǎn)生定位角。BTS1和BTS2坐標(biāo)位置已知，以正北為參考方向，順時(shí)針為0360度，逆時(shí)針為-0-360度，由此可獲得以移動(dòng)終端、BTS1和BTS2為三點(diǎn)的三角關(guān)系。AOA方法在障礙物較少的地區(qū)可以獲得較高的定位精度，但在障礙物較多的環(huán)境中，由于無(wú)線傳輸存在多

23、徑效應(yīng)，則誤差增大。移動(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致定位距離的較大誤差。另外，AOA技術(shù)必需使用智能方向天線。2.1.5信號(hào)衰減(Signal Attenuation)這種定位技術(shù)利用移動(dòng)終端靠近基站或遠(yuǎn)離基站時(shí)引起的信號(hào)衰減變化來(lái)估計(jì)移動(dòng)終端的位置，又被稱為場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)。由于多數(shù)移動(dòng)終端的天線是多向發(fā)送的，因此信號(hào)功率會(huì)向所有方向迅速消散。如果移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)功率已知，那么在另一點(diǎn)測(cè)量信號(hào)功率時(shí)，就可以利用一定的傳播模型估計(jì)出移動(dòng)終端與該點(diǎn)之間的距離。然而，測(cè)定傳送功率會(huì)隨著小區(qū)基站的扇形特性、天線傾斜以及無(wú)線系統(tǒng)的調(diào)整而不斷變化。而且，信號(hào)同時(shí)受到其它因素（如穿越墻壁、植物

24、、金屬、玻璃、車(chē)輛等）的影響。最后，功率測(cè)量電路無(wú)法區(qū)分多個(gè)方向接收到的功率，例如直接到達(dá)的信號(hào)功率和反射到達(dá)的信號(hào)功率。因此，根據(jù)信號(hào)衰減進(jìn)行定位被認(rèn)為是最不可靠的方法。圖4 信號(hào)衰減定位中路徑損耗觀測(cè)值及其回歸曲線與模型曲線對(duì)比關(guān)系2.1.6 AGPSA-GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位的簡(jiǎn)稱，這種方法需要網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)臺(tái)都能夠接收GPS信號(hào)。如圖表 5所示，A-GPS的基本原理是：網(wǎng)絡(luò)向移動(dòng)臺(tái)提供輔助GPS信息，包括GPS信號(hào)捕獲和GPS衛(wèi)星與接收機(jī)間站星偽距測(cè)量的輔助數(shù)據(jù)（如：GPS捕獲輔助數(shù)據(jù)、GPS定位輔助信息、GPS靈敏度輔助信息、GPS衛(wèi)星工作狀況等），以及移動(dòng)臺(tái)位置解算的輔助信息，如

25、：GPS衛(wèi)星星歷、GPS導(dǎo)航電文、GPS衛(wèi)星歷書(shū)等，利用這些信息，移動(dòng)臺(tái)可以快速捕獲衛(wèi)星，并獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，繼而將位置測(cè)量估計(jì)信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位服務(wù)器，由它最終計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)所處位置。由于位置計(jì)算于網(wǎng)絡(luò)側(cè)完成，移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào)捕獲接收的復(fù)雜度大幅降低，并能夠節(jié)省功耗。圖5 AGPS系統(tǒng)原理在開(kāi)闊環(huán)境中，如城郊或鄉(xiāng)村，多徑和遮擋是可以忽略的，A-GPS的定位精度能夠達(dá)到10米左右甚至更優(yōu)； 若移動(dòng)臺(tái)處于城區(qū)環(huán)境，無(wú)遮擋并且多徑效應(yīng)影響較小，定位精度將在3070米左右；若接收環(huán)境位于室內(nèi)或其他多徑和遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，移動(dòng)臺(tái)難以捕獲到足夠的衛(wèi)星信號(hào)，A-GPS無(wú)法完成捕獲和定位，這是其最大的局限

26、性。與前CellID和E-OTD等定位技術(shù)相比，A-GPS定位方法的響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)，在冷啟動(dòng)情況下，A-GPS定位響應(yīng)時(shí)間為1030秒；正常工作狀態(tài)下，響應(yīng)時(shí)間為310秒左右。A-GPS的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)側(cè)改動(dòng)少，網(wǎng)絡(luò)不需增加其他設(shè)備，投資較少，定位精度高（理論上可達(dá)510米）。缺點(diǎn)是移動(dòng)臺(tái)需相應(yīng)軟硬件支持，從而增加移動(dòng)臺(tái)的成本和功耗。2.1.7基于數(shù)據(jù)融合的混合定位移動(dòng)通信中復(fù)雜的信道環(huán)境使得在諸多基于測(cè)量信號(hào)特征參量的無(wú)線定位方法中，僅靠一種基本定位算法很難取得最佳定位精度，而通過(guò)利用一種或幾種不同定位算法對(duì)不同測(cè)量參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以進(jìn)一步提高定位精度。具體講是利用T(D)OA、AOA(可含

27、GPS)等多種特征參量測(cè)量值通過(guò)不同的定位算法對(duì)其進(jìn)行求解得到位置估計(jì)，再根據(jù)不同的融合準(zhǔn)則，利用各自的冗余信息，通過(guò)一定的規(guī)則進(jìn)行篩選與融合，得到最終位置。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的關(guān)鍵是確定切實(shí)可行的準(zhǔn)則和判決門(mén)限，在這方面需要結(jié)合課題的實(shí)際情況，在一定的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行大量的計(jì)算機(jī)仿真。目前，綜合或融合各種定位方法的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用各種測(cè)量數(shù)據(jù)或冗余測(cè)量信息得到比任何單一方法好的定位精度，是目前蜂窩移動(dòng)定位技術(shù)中比較好的折衷方案。2.1.8模式匹配AOA和TOA/TDOA定位技術(shù)在多徑傳播嚴(yán)重的環(huán)境下很難奏效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)Wireless Corp公司最早提出一項(xiàng)稱

28、為基于多徑信號(hào)收集和模式匹配算法的“指紋”定位方案。它主要通過(guò)在基站設(shè)置無(wú)線照相系統(tǒng)來(lái)分析接收信號(hào)的多徑模式，提取特征信息再和數(shù)據(jù)庫(kù)中先驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行模式匹配，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位。這種利用先驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)輔助定位方案的測(cè)量數(shù)據(jù)參數(shù)可以是TOA/TDOA，也可以是RSSI。2.2 無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN）定位技術(shù)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）是指以無(wú)線信道作傳輸媒介的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無(wú)線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。移動(dòng)用戶對(duì)信息的即時(shí)性和就地性的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，這就給基于WLAN系統(tǒng)的位置服務(wù)提供了

29、廣闊的發(fā)展空間。WLAN系統(tǒng)中定位技術(shù)主要有GPS衛(wèi)星定位、基于RSSI或TOA/TDOA/AOA的三角定位、信號(hào)強(qiáng)度定位等。其中，信號(hào)強(qiáng)度定位技術(shù)主要包括信號(hào)強(qiáng)度指紋/信號(hào)強(qiáng)度建模定位等兩類方法。2.2.1基于時(shí)間/角度測(cè)量的定位在WLAN低功率無(wú)線設(shè)備組成的高密度網(wǎng)中，由于各設(shè)備之間的同步很難實(shí)現(xiàn)，利用TDOA估計(jì)距離也很難實(shí)現(xiàn)。盡管可以通過(guò)測(cè)量TOA來(lái)估計(jì)距離，但是障礙密集地區(qū)如室內(nèi)等環(huán)境中用戶間距離較短，AP的覆蓋范圍往往不超過(guò)100米，無(wú)線電波的傳輸時(shí)延可以忽略不計(jì)，并存在較嚴(yán)重的衍射和繞射等非直線傳播情況，而且同一用戶信號(hào)的各條多徑分量在時(shí)間上相當(dāng)接近，需要對(duì)設(shè)備的分辨率進(jìn)行改進(jìn)以

30、區(qū)分。所以，精確的TOA或者TDOA估計(jì)，需要借助于更先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，影響信號(hào)傳播的障礙物很多，無(wú)線信號(hào)存在反射和散射。不同路徑分量的幅度、相位、到達(dá)時(shí)間和入射角各不相同，使接收的復(fù)合信號(hào)在幅度和相位上都產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，因此，AOA也不適于室內(nèi)無(wú)線定位。2.2.2基于信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)基于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的定位技術(shù)借助筆記本電腦、手機(jī)、MP4、PDA等用戶終端中WLAN協(xié)議的廣泛集成與WLAN近乎泛在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力得以快速發(fā)展和進(jìn)步。WLAN中用戶終端（主動(dòng)或被動(dòng)地）監(jiān)聽(tīng)其接收范圍內(nèi)接入點(diǎn)/熱點(diǎn)（AP）的信號(hào)，通過(guò)所接收到beacon frame中的SSID和MAC

31、地址來(lái)辨識(shí)所有AP，并根據(jù)RSSI判別相應(yīng)AP的信號(hào)強(qiáng)度。表格 2中是WLAN中用戶終端掃描所返回的AP及其屬性列表示例。WLAN中研究和應(yīng)用最為廣泛的信號(hào)強(qiáng)度定位技術(shù)便是基于上述監(jiān)聽(tīng)結(jié)果進(jìn)行的。表2 終端掃描所返回的AP及其屬性列表示例（1）信號(hào)強(qiáng)度指紋定位WLAN中首個(gè)定位系統(tǒng)RADAR由微軟研究院的Bahl等人于2000年設(shè)計(jì)提出，其使用的是信號(hào)強(qiáng)度指紋定位技術(shù)。指紋定位主要分為離線訓(xùn)練和在線定位兩個(gè)階段。離線階段在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，WLAN終端在有限個(gè)樣本點(diǎn)處從周?chē)腁P采集信號(hào)，測(cè)量從鄰近若干AP接收的信號(hào)強(qiáng)度，并記錄自身位置。同時(shí)，終端捕獲觀測(cè)AP MAC作為識(shí)別信息。然后將包含AP識(shí)別

32、信息、AP信號(hào)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)觀測(cè)樣本點(diǎn)位置等信息的先驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，建立信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。為提供較準(zhǔn)確和完整的指紋記錄，離線指紋的收集需以足夠密度覆蓋整個(gè)物理空間。基于上述采集好的信號(hào)指紋數(shù)據(jù)，在實(shí)際定位階段，定位終端掃描接收范圍內(nèi)的各個(gè)AP，并根據(jù)各AP的信號(hào)強(qiáng)度，在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中找出與所觀測(cè)AP信號(hào)強(qiáng)度最接近的一條指紋記錄，并將此記錄中的位置信息作為終端的位置。圖6 WLAN指紋定位技術(shù)原理指紋定位技術(shù)可以分為確定性、不確定性（或隨機(jī)性）方法。確定性方法直接求解兩者間的歐氏距離，返回與觀測(cè)值距離最小的一個(gè)樣本點(diǎn)或K個(gè)樣本點(diǎn)的綜合結(jié)果。在不確定性方法中，使用各種隨機(jī)性方法來(lái)處理RSSI測(cè)量中的不確定性，

33、繼而獲得終端位置的最大似然或最大后驗(yàn)概率或最小均方誤差估計(jì)。表3是針對(duì)三張常見(jiàn)指紋算法（KNN，Histogram，Kernel）的各項(xiàng)誤差統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)對(duì)比關(guān)系。表3 KNN/Histogram/Kernel算法誤差統(tǒng)計(jì)分析（2）信號(hào)強(qiáng)度建模定位WLAN中另一種定位技術(shù)被稱為信號(hào)強(qiáng)度建模定位。此類系統(tǒng)中記錄了AP的精確位置，在計(jì)算用戶位置時(shí)，較簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)各可見(jiàn)AP信號(hào)強(qiáng)度的差異直接對(duì)各AP的位置進(jìn)行加權(quán)平均得到用戶的粗略位置。較復(fù)雜的方法之一是：建立信號(hào)傳播規(guī)律的確定性模型并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的損耗來(lái)估計(jì)AP-用戶間傳播距離，繼而確定用戶位置。另一種方法是基于隨機(jī)技術(shù)，根據(jù)信號(hào)關(guān)于距離的統(tǒng)計(jì)分

34、布特性，得到對(duì)AP-用戶間距離的一個(gè)概率估計(jì)。如前所述，信號(hào)強(qiáng)度建模定位至少需要預(yù)知AP的標(biāo)識(shí)及其位置信息即建立AP數(shù)據(jù)庫(kù)，省去了指紋采集工作。建立AP位置數(shù)據(jù)庫(kù)的方法主要有：站址登記和路測(cè)。信號(hào)強(qiáng)度建模方法存在不可忽視的缺陷，其相比指紋定位雖然步驟簡(jiǎn)捷，但其定位精度受到AP位置精度和路徑傳播損耗模型精度的影響。而且，此方法中忽視了AP天線的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度在各方向的分布并不均勻的實(shí)際情況，即AP天線周?chē)煌较虻慕K端雖接收到AP的信號(hào)強(qiáng)度相同，但與AP的距離可能并不相同。上述這些因素（包括人體遮擋）都會(huì)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度建模定位精度產(chǎn)生不同程度的影響。圖7是具有代表性的信號(hào)強(qiáng)度指紋定位技術(shù)（RADAR）

35、、信號(hào)強(qiáng)度建模定位中確定性模型技術(shù)（Trilateration， Simplified path loss model）與隨機(jī)模型技術(shù)（Proposed）的定位性能對(duì)比測(cè)試情況。由圖中可見(jiàn)，RADAR指紋定位的平均性能相比模型定位而言更突出，但基于隨機(jī)性傳播模型的建模技術(shù)在經(jīng)過(guò)與RADAR的整合后，整體性能實(shí)現(xiàn)顯著的提升。圖7 WLAN信號(hào)強(qiáng)度指紋/模型定位性能對(duì)比關(guān)系3移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)應(yīng)用無(wú)線定位技術(shù)為移動(dòng)通信開(kāi)辟了更大的發(fā)展空間，提供了更多的商機(jī)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的位置服務(wù)可以包括從安全服務(wù)到付賬、信息追蹤、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)/視頻集成產(chǎn)品等方方面面。目前，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)已進(jìn)入最后的開(kāi)發(fā)階

36、段，蜂窩定位依靠第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和傳輸?shù)男畔?shí)體實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)，有著十分廣闊的應(yīng)用前景，具體可概括為以下幾個(gè)方面。3.1 安全方面的緊急救援和求助移動(dòng)的不確定性給人們的安全帶來(lái)了一定的威脅。隨著活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，這種威脅也越來(lái)越大。因此，危險(xiǎn)情況下的緊急求援就顯得尤為重要。只要用戶的手機(jī)支持移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，用戶就可以撥打救援中心的電話，如中國(guó)的110、美國(guó)的911、日本的411電話。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在將該緊急呼叫發(fā)送到救援中心的同時(shí)，會(huì)自動(dòng)支持移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的網(wǎng)元，將該位置信息和用戶的語(yǔ)音信息一并傳送給救援中心。救援中心接到呼叫后，根據(jù)得到的位置信息，就能快速、高效地開(kāi)展救援活動(dòng)，大大

37、提高成功率。按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的要求，美國(guó)所有基于網(wǎng)絡(luò)的定位業(yè)務(wù)在2002年10月1日前全部實(shí)現(xiàn)150m的精度。3.2追蹤方面的汽車(chē)導(dǎo)航、車(chē)輛追蹤、艦隊(duì)追蹤在人口密集的大城市里，交通阻塞的問(wèn)題急待解決，對(duì)車(chē)輛導(dǎo)航、智能交通的要求越來(lái)越迫切。為此發(fā)展出了智能交通系統(tǒng)ITS。而自動(dòng)車(chē)輛定位系統(tǒng)AVLS是智能交通系統(tǒng)的核心，將實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通流分配、定位導(dǎo)航、事故應(yīng)急、安全防范、車(chē)輛追蹤、車(chē)輛調(diào)度等功能。利用蜂窩定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)車(chē)輛定位系統(tǒng)將定位、通信、計(jì)算機(jī)信息處理與控制等構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，有利于多種信息的融合，并且在城市覆蓋和靈活方便的漫游管理等方面具有優(yōu)勢(shì)。3.3計(jì)費(fèi)方面的基于位置

38、和事件的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)基于用戶位置的靈活計(jì)費(fèi)系統(tǒng)將是未來(lái)移動(dòng)電話運(yùn)營(yíng)商拓展業(yè)務(wù)、吸引客戶的重要手段?，F(xiàn)在常用的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)有兩種：一是按移動(dòng)電話使用的頻率收費(fèi)；二是按移動(dòng)電話使用的通信時(shí)段收費(fèi)。隨著移動(dòng)電話定位業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，又可以增加一種新型的收費(fèi)方式，即按移動(dòng)電話的使用位置收費(fèi)。用戶在家里或辦公室使用移動(dòng)電話，因?yàn)橐苿?dòng)性低，收取的費(fèi)用就低；在所屬城市或某一固定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)通話，收費(fèi)將接近于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；而進(jìn)行大范圍漫游時(shí)，將要支付較高的費(fèi)用。3.4網(wǎng)絡(luò)性能方面的移動(dòng)性管理及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于通信網(wǎng)本身來(lái)說(shuō)，移動(dòng)臺(tái)位置信息也是非常重要的。通信網(wǎng)的移動(dòng)性管理一直是網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)問(wèn)題，主要原因是移動(dòng)臺(tái)位置的不確定性。如果

39、網(wǎng)絡(luò)知道移動(dòng)臺(tái)的精確位置，進(jìn)行移動(dòng)性管理就變得相對(duì)簡(jiǎn)單了，同時(shí)也有助于對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行有效的信道分配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)、智能分配，使無(wú)線資源的利用率更高。3.5其他方面，如移動(dòng)黃頁(yè)查詢、防止手機(jī)盜打移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)定位業(yè)務(wù)相結(jié)合，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)黃頁(yè)查詢。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)首先定位出用戶所處的位置，然后再根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)提供的信息選出用戶所在地的相關(guān)信息，供用戶查詢。移動(dòng)電話定位業(yè)務(wù)的開(kāi)展，對(duì)制止移動(dòng)電話的盜打非常有利。電信運(yùn)營(yíng)部門(mén)在發(fā)現(xiàn)盜打號(hào)碼后，可以不必禁止移動(dòng)電話的使用，而利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)記錄盜打的準(zhǔn)確時(shí)間和地點(diǎn)，從而為司法部門(mén)執(zhí)法提供最有力的證據(jù)。4 結(jié)語(yǔ)移動(dòng)定位技術(shù)在近幾年取得了很大的發(fā)展，尤

40、其是各種技術(shù)的混合研究和應(yīng)用，我們可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，加速技術(shù)突破的進(jìn)程。但就其商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，目前不過(guò)是剛剛起步，除了某些特定的跟蹤或監(jiān)測(cè)用途，作為民用的巨大商業(yè)潛力尚待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，在未來(lái)的手機(jī)業(yè)務(wù)中，位置業(yè)務(wù)服務(wù)很可能帶來(lái)巨大的商機(jī)，并給人們帶來(lái)極大的便利。基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)特別是基于CDMA網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)定位技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，涉及的內(nèi)容多，范圍廣。從對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的精度要求來(lái)看，由于受多徑、多址干擾，特別是NLOS傳播的影響，使各種信號(hào)特征測(cè)量值總是存在一定的偏差，從而使各種適用于特征測(cè)量值誤差服從零均值高斯分布的定位算法，如最小均方三角定位算法的性能顯著下降，無(wú)法取得對(duì)移動(dòng)臺(tái)位置的最大似然估計(jì)，使得對(duì)移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置出現(xiàn)較大的偏差。在一般