無線定位系統(tǒng)在移動通信工程中的應(yīng)用

摘 要:隨著人們對基于位置的信息服務(wù)的需求增多，無線定位技術(shù)得到越來越多的研究者的關(guān)注。利用用戶的位置信息，不但能為移動用戶提供安全保障，還可以增加移動通信系統(tǒng)性能、有效管理網(wǎng)絡(luò)資源、調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量、實現(xiàn)靈活收費、提供信息服務(wù)等。本文主要就無線定位系統(tǒng)在移動通信中的應(yīng)用進行討論。

關(guān)鍵詞:無線定位系統(tǒng) 蜂窩移動網(wǎng) 應(yīng)用

中圖分類號:G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-1875(2008)04-090-03

一、無線定位系統(tǒng)概述

定位通常是指確定某個物體在某一參考坐標(biāo)系中的位置，而無線電定位就是根據(jù)接收到的無線電信號的強度、相位、時間等參數(shù)，通過特定方法計算出移動用戶的位置。

最初的定位系統(tǒng)主要用于為飛機、艦船以及軍事用途等專用目的提供定位服務(wù)，作為其代表的典型定位系統(tǒng)有Loran-c， Omega， Tacan， Radar及VOR/DME等。20世紀(jì)60年代后，很多軍用技術(shù)被轉(zhuǎn)化和引入民用，因此出現(xiàn)了如自動車輛定位(AVL)系統(tǒng)的民用無線定位系統(tǒng)，并且在公共交通管理、貨物運輸、公安追蹤及出租車調(diào)度等范圍中廣泛應(yīng)用。

近年來，無線蜂窩通信網(wǎng)的發(fā)展，特別是第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)全面取代了第一代模擬無線通信系統(tǒng)之后，網(wǎng)絡(luò)運營成本大幅度降低，移動用戶的消費也有明顯的下降，因而很大程度上推動了無線市場的發(fā)展，GSM和CDMA用戶的數(shù)量也發(fā)生了爆炸式的增加，這一點為定位服務(wù)提供了良好的基礎(chǔ)。同時，隨著e時代的到來和人們對生活需求不斷的提升，以及公共安全、緊急呼叫、出租調(diào)度等服務(wù)的要求，定位服務(wù)將擁有巨大的市場前景。

美國在1991年開始實施的智能運輸系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)中，提出了通過移動通信網(wǎng)提供定位業(yè)務(wù)的要求。1996年美國聯(lián)邦通信委員會公布了E-911定位要求，要求在2001年10月前各種無線蜂窩網(wǎng)，必須能對發(fā)出E-911緊急呼叫的移動臺提供定位服務(wù)，且精度在125米以內(nèi)的概率不低于67%，在2001年以后提供更高的定位精度與三維位置信息。該委員會于1998年及1999年兩次對標(biāo)準(zhǔn)進行了修改與補充。分別提出了定位精度在400米以內(nèi)的概率不低于90%的服務(wù)要求和進一步修改和細(xì)化E-911定位要求，不僅對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手機生產(chǎn)商、網(wǎng)絡(luò)運營商等對定位技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手機中的實施和支持提出了明確要求和目標(biāo)安排，而且根據(jù)定位的類型不同，對定位精度做出了更為明確的規(guī)定:定位設(shè)備基于蜂窩通信網(wǎng)絡(luò);不改動通信終端設(shè)備;定位精度在100米以內(nèi)的概率不低于67%，在150米以內(nèi)的概率不低于95%。

雖然目前基于蜂窩移動網(wǎng)的定位系統(tǒng)結(jié)合各種最新技術(shù)，能夠提供越來越高的精度，但是當(dāng)需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部，如辦公大樓內(nèi)，其定位精度就明顯下降了。因此，必須研究新的室內(nèi)定位技術(shù)以彌補GPS的不足。目前，常見的技術(shù)有IEEE 802.11為代表的無線局域網(wǎng)技術(shù)、紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)和RFID技術(shù)等，它們已能夠在室內(nèi)達(dá)到10米以內(nèi)的定位精度。

二、室內(nèi)定位

相比蜂窩移動網(wǎng)的無線定位，室內(nèi)定位算法起步較晚，但它立即引起了人們的極大關(guān)注。特別是在美國911事件中，由于無法與外界通信以及在室內(nèi)的位置不明確，致使很多消防人員最后葬身火海，室內(nèi)定位系統(tǒng)的重要作用和對它的急迫需要更顯現(xiàn)出來?，F(xiàn)在，各國政府紛紛投入巨大資金，開發(fā)室內(nèi)定位系統(tǒng)。如美國聯(lián)合世界著名公司Motorola和Intel分別就室內(nèi)定位系統(tǒng)的算法、軟件和硬件設(shè)備進行開發(fā)。

（1）室內(nèi)定位簡介

與戶外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境要復(fù)雜的多。建筑物的布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、裝飾裝修情況等都會對室內(nèi)定位的效果產(chǎn)生影響。因此，雖然室內(nèi)定位和室外定位有一定的共性，但是室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內(nèi)無線定位技術(shù)和室外定位技術(shù)的技術(shù)也有很大的不同。件設(shè)備，對多徑特征進行相關(guān)處理。在WLAN中，RSS己經(jīng)被用于作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的指紋識別信息。

（2）室內(nèi)定位的應(yīng)用

①可以將位置信息和無線局域網(wǎng)應(yīng)用軟件解中央服務(wù)器通過監(jiān)控?zé)o線標(biāo)簽和用戶的坐標(biāo)，把這些位置反饋給各種應(yīng)用軟件。例如，在倉庫中，定位系統(tǒng)可以使人們更便捷地找到物件;在醫(yī)院中，定位系統(tǒng)可以跟蹤醫(yī)生和護士的行蹤，以在緊急事件發(fā)生時，最高效地找到合適的人員。

室內(nèi)定位系統(tǒng)在災(zāi)難救援方面也顯示其優(yōu)越性。如前面提到的美國911事件、礦難事故、火災(zāi)救援等災(zāi)難處理中，若使用無線定位系統(tǒng)，就能將損失極大程度地降低。目前，赫立訊公司推出的無線定位方案己開始在煤礦行業(yè)中打開了市場。該公司利用其ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊，運用區(qū)域定位技術(shù)，通過定位網(wǎng)絡(luò)中的RSSI和無線信號質(zhì)量(LQI)等信息，隨時了解礦工的工作位置，同時還可以通過礦工身上的傳感器，接收并上報該區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓刃畔ⅰ?/p>

②WLAN的定位服務(wù)發(fā)展的另一個方向是消費者市場。例如，家長們非常歡迎一種能夠跟蹤到孩子行蹤的設(shè)備。例如在一個主題公園里，年幼的孩子乘家長不注意走到別的地方。利用定位系統(tǒng)，就可以方便地在一大群人中找到他。特別是有人拐走兒童時，這種系統(tǒng)的優(yōu)勢更是顯現(xiàn)出來。

③在零售超市中，利用位置信息的應(yīng)用軟件也十分令人興奮?？梢园堰@類系統(tǒng)部署到超市或大型零售商場。當(dāng)用戶進入商店，他們的無線PDA就能接收到一張地圖，指示用戶的精確位置，以及商品、洗手間、自動取款機等設(shè)施的布局，并提示去某一個位置的途徑。如果攜帶無線設(shè)備的親友也在同一家商店，那么該用戶還能看到他們的位置。在使用室內(nèi)定位系統(tǒng)時，保密問題應(yīng)該受到我們的特別關(guān)注。一些原本設(shè)計為幫助人們的系統(tǒng)可能因為忽略保密措施而受到不道德的操作者或黑客的非法利用。例如，若犯罪者能夠訪問監(jiān)測警力方位的系統(tǒng)，那么他們就能知道什么時候?qū)ο笕巳哼h(yuǎn)離警力，進行犯罪活動。

④室內(nèi)定位系統(tǒng)的例子很多，也有位置信息通信和室內(nèi)位置信息計算的安全性、定位精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)難題，需要得到進一步的研究和解決。

三、蜂窩移動網(wǎng)的無線定位

傳統(tǒng)第二代無線通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用為定位業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了良好的條件，然而，由于二代系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力較低，其所能提供的定位服務(wù)類型也受到限制。3G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力比2G系統(tǒng)有很大提高，為向用戶提供更豐富的信息提供了網(wǎng)絡(luò)帶寬的保證，使一些信息量較大的定位業(yè)務(wù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)成為可能如地圖顯示、實時導(dǎo)航、3D地圖服務(wù)等。因此，在移動用戶普及率高的今天，移動運營商不斷設(shè)法推出一些新的增值業(yè)務(wù)，以吸引用戶，定位服務(wù)正是其中的一個新亮點。

（1）蜂窩網(wǎng)定位簡介

根據(jù)定位所需的信息參數(shù)，可以分為基于時間的定位、基于場強的定位、基于入射角度的定位AOA以及混合定位。

①基于時間的定位，它是通過無線電信號傳播到多個接收機的到達(dá)時間(TOA)或時間差(TDOA)來確定移動臺的位置。TDOA算法是對TOA算法的改進，它不是直接利用信號到達(dá)時間，而是用多個基站接收到信號的時間差來確定移動臺位置，與TOA算法相比不需要加入專門的時間戳，定位精度也有所提高。TDOA值的獲取一般有2種形式: 第1種形式是利用移動臺到達(dá)2個基站的時間TOA，取其差值來獲得，這時仍需要基站時間的嚴(yán)格同步，但是當(dāng)兩基站間移動信道傳輸特性相似時，可減少由多徑效應(yīng)帶來的誤差。第2種形式是將一個移動臺接收到的信號與另一個移動臺接收到的信號進行相關(guān)運算，從而得到TDOA的值，這種算法可以在基站和移動臺不同步時，估計出TDOA的值，由于實際應(yīng)用中，往往很難做到基站與移動臺的同步，所以利用相關(guān)估計得到TDOA值，再進行定位計算能獲得較高精度。

②基于場強的定位，該算法是通過測出接收信號的場強值和己知的信道衰落模型及發(fā)射信號的場強值估計收發(fā)信端的距離，根據(jù)多個距離值就可以得到目標(biāo)移動臺的位置。一次場強測量把移動臺鎖定在以基站為中心的軌道上，圓的半徑由場強值確定，一般通過3個基站就可以確定移動臺的位置。

③基于入射角度的定位AOA，AOA算法是在視距傳播的情況下，接收機通過天線陣列測出電磁波的入射角度，形成一根從接收機到發(fā)射機的方向線，即測位線，由2個基站得到的2個測位線的交點就是移動臺的位置。因此，AOA算法只需要2個基站就可以確定位置，而2條直線只有一個交點，不會出現(xiàn)軌跡有多個交點的現(xiàn)象，即定位的模糊性。但為了測量電磁波的入射角度，接收機的天線需要改進，必須配備方向性強的天線陣列、而且完全不適用于非視距傳播(NLOS)的情況。

④混合定位，前面幾種算法在蜂窩系統(tǒng)中都可以對移動臺的位置做出估計，但不同的信道環(huán)境中，幾種方法獲得的多種定位技術(shù)，采用多種電波特征的測量值對移動臺進行位置估計?；旌隙ㄎ坏牡湫屠邮侨肷浣嵌ㄎ环ㄅc時間的定位法的結(jié)合，如AOA與TDOA組合定位，可以克服由同步和多徑帶來的部分誤差，AOA與TDOA組合定位只需一個基站就可以確定移動臺的位置，但也存在和AOA定位算法一樣的問題，不能有效的用于非視距傳播情況。

這四種是無線定位的基本方法，他們對視距傳播情況均有良好的定位效果，但在實際環(huán)境中，絕大部分為非視距傳播。因此研究者們針對各種非視距傳播的環(huán)境，在以上方法的基礎(chǔ)上，提出了很多新的算法，以減小非視距傳播的影響。這些算法包括數(shù)據(jù)平滑方法，視距重構(gòu)方法，非視距加權(quán)方法，最大似然參數(shù)估計方法，不等式約束的非線性最優(yōu)化方法，視距重構(gòu)與平滑處理相結(jié)合的方法，基于隱含Markov模型的模式識別技術(shù)的定位方法等等。

（2）蜂窩網(wǎng)定位業(yè)務(wù)的應(yīng)用

經(jīng)過市場定位和業(yè)務(wù)開發(fā)，基于蜂窩網(wǎng)的無線定位技術(shù)有著豐富的發(fā)展空間，現(xiàn)在已經(jīng)基本確定的有以下幾項服務(wù)業(yè)務(wù)，如隨身保姆功能、緊急救援、車輛導(dǎo)航、安全管理、移動黃頁查詢、移動計費和優(yōu)化蜂窩系統(tǒng)資源等方面。

①隨身保姆功能:出于兒童和老人等社會弱勢群體的安全的考慮，監(jiān)護人或者社會福利工作者希望能隨時掌握他們的行蹤，這一需求在目前已經(jīng)相當(dāng)迫切，也就意味著在此方面蘊藏著一個巨大的市場。由一些小型的系統(tǒng)針對該市場進行開發(fā)了，但是基于定位技術(shù)的不夠成熟，特別是復(fù)雜環(huán)境下，視距傳播很少發(fā)生的情況時，定位的準(zhǔn)確性將被質(zhì)疑。因此，正確的高可靠性的定位算法的開發(fā)將具有很廣泛的價值和意義。

②緊急救援:用戶在不知道自己位置的情況下，只要其手機支持位置服務(wù)，用戶在撥打救援中心的電話(如我國的110、美國的911、日本的411電話)后，移動通信網(wǎng)絡(luò)就會在將該緊急呼叫發(fā)送到救援中心的同時，啟動支持位置服務(wù)的網(wǎng)元，得到用戶的具體位置，將該位置信息和用戶的語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、高效地開展救援活動，大大提高了救援的成功率。

③車輛導(dǎo)航和智能交通系統(tǒng)(ITS): ITS中涉及到大量對車輛的定位處理，過去專門設(shè)計了AVL系統(tǒng)，為此要占用寶貴的頻帶資源，花費大量的硬件投資。移動通信網(wǎng)提供的位置服務(wù)能滿足山區(qū)和城市商業(yè)區(qū)的車輛導(dǎo)航和跟蹤，只要為每一輛或每一列需要導(dǎo)航和跟蹤的汽車或列車安裝一個移動車載臺，并提供較好的基站覆蓋。然后，通信網(wǎng)再為這些車載臺提供位置信息，并將這些信息通過通信網(wǎng)本身傳輸給負(fù)責(zé)交通管理的調(diào)度中心，就可以快速地在車和調(diào)度中心之間建立協(xié)調(diào)的運行管理和導(dǎo)航，從而取代AVL系統(tǒng)。目前，許多發(fā)達(dá)國家，如澳大利亞，已經(jīng)開始提供該項功能，給出租車調(diào)度系統(tǒng)使用，使用手機預(yù)定出租車的用戶不必提供當(dāng)前的位置，系統(tǒng)直接將定位結(jié)果送達(dá)調(diào)度臺和應(yīng)答的出租車。當(dāng)然，在高樓林立的發(fā)達(dá)城市，準(zhǔn)確的使用該系統(tǒng)還存在一些技術(shù)上的問題。

④安全管理:移動電話盜打?qū)τ脩艉瓦\營商都是一個困擾已久的問題。據(jù)估計，世界電信運營部門每年因移動電話盜打造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元。電信運營部門在發(fā)現(xiàn)盜打號碼后，可以利用無線網(wǎng)絡(luò)自動記錄盜打的準(zhǔn)確時間和地點，為司法機關(guān)破案提供有力的證據(jù)。對于利用手機進行敲詐、綁架勒索的案件，公安機關(guān)可以根據(jù)定位信息，做出最為及時的反應(yīng)?？梢院艽蟪潭壬希辛Φ亩糁拼祟惙缸镄袨榈陌l(fā)生。

⑤移動黃頁查詢:互聯(lián)網(wǎng)的黃頁查詢是一項發(fā)展比較迅速的網(wǎng)絡(luò)增值業(yè)務(wù)。用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)查詢自己所在區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)信息，包括附近有哪些飯店、商場、天氣情況、附近各公司的電話號碼、所在位置等等。移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與位置服務(wù)相結(jié)合，就可以輕而易舉地實現(xiàn)移動黃頁查詢。移動網(wǎng)絡(luò)首先定位出用戶所處的位置，然后再在互聯(lián)網(wǎng)提供的信息中節(jié)選出用戶所在地的相關(guān)信息供用戶查詢。固定黃頁查詢能夠得到的信息，移動黃頁查詢都可以得到。

⑥相關(guān)計費:目前，手機計費常常是根據(jù)時長和距離來進行的，這對移動用戶來說是非常不合理的。因為計費問題的產(chǎn)生本身是由于用戶占用了網(wǎng)絡(luò)的資源，用戶所占的網(wǎng)絡(luò)資源的位置特征(是處于話務(wù)比較繁忙的商業(yè)區(qū)，還是處于相對比較空閑的郊區(qū)，是處于高速公路上，正快速的移動，還是在家中)不同，網(wǎng)絡(luò)為這一次通話提供的服務(wù)量就不同。因此，運營商應(yīng)該根據(jù)用戶所占的網(wǎng)絡(luò)資源的位置特征，對用戶的通話進行計費。但實際上運營商在這方面的計費還沒有考慮，原因在于運營商不知道用戶的確切位置，無法判斷它所處的位置特征。隨著位置服務(wù)的發(fā)展，與位置有關(guān)的計費也將發(fā)展起來。

⑦優(yōu)化蜂窩系統(tǒng)資源:除了各種針對用戶提供的服務(wù)，定位系統(tǒng)對于移動通信網(wǎng)的移動性管理也具有巨大的意義。如果網(wǎng)絡(luò)本身知道移動臺的精確位置，進行移動性管理就變得相對簡單了。另一方面也有助于對移動臺進行有效的信道分配，使無線資源的利用程度更高。另外，如果能夠?qū)崟r地得到移動臺的位置信息，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)、智能分配。增強網(wǎng)絡(luò)性能，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。在無線資源管理(RRM)中，功率控制、接入允許控制(Call Admission Control)和小區(qū)覆蓋等都與用戶的具體位置相關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶位置已知時，覆蓋的有效性就可很容易的獲得。這對吞吐量(Throughput)平衡和多級QOS保證都有至關(guān)重要的影響?？梢韵嘈牛S著定位技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)的其它潛在應(yīng)用還將不斷涌現(xiàn)。

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