下载

2下载券

加入VIP
  • 专属下载券
  • 上传内容扩展
  • 资料优先审核
  • 免费资料无限下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 CDMA无线定位系统的基站选择算法

CDMA无线定位系统的基站选择算法.doc

CDMA无线定位系统的基站选择算法

742631333
2018-09-10 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《CDMA无线定位系统的基站选择算法doc》,可适用于工程科技领域

CDMA无线定位系统的基站选择算法摘 要在基于CDMA网络的无线定位系统中当移动终端处于多个基站的侦收范围时会面临定位基站的选择问题基站选择的优化可以减少系统资源的占用并且直接影响系统定位性能。文中提出采用精度因子的基站选择算法通过实测验证具有较高的稳定性并可提高系统的定位精度和实时性对定位系统的基站架设和系统设计有实际的指导意义。AbstractBasedonitsCDMAnetworkinthewirelesspositioningsystem,whenmoremobileterminalsatthebaseofthescopeofreconnaissancewillbefacingthechoiceofpositioningofBasicstations,stationschosentooptimizecanreducetheuseofresourcessystem,anddirectlyaffectthepositioningsystemperformanceThearticlesuggestedthebaseDilutionofPrecisionchoicealgorithm,ithasahighstabilitythroughahighaltitudetestandcanenhancetherealtimeandpositioningaccuracyofsystem,andithaslotsofpracticalguidanceforstationsinstalledandthesystemdesignofpositioningsystem关键词CDMA网络无线定位系统几何精度因子到达时间(TOA)到达时间差(TDOA) KeywordsCDMAnetworkWirelesspositioningsystemGeometricDilutionofPrecisionTimeofarrivalTimedifferentofarrival目录AbstractKeywords引言主要的CDMA定位技术基于CellID(小区识别)的技术基于信号强度的方法AOA(Angleofarrival)基于传播时间的方法TOA(TimeofArrival)TDOA(TimeDifferentofArrival)基于GPS系统的定位技术混合定位CDMA定位技术的比较与选择CDMA无线定位系统的定位算法 TOA或TDOA的测量值的获得定位算法的数学模型矢量法计算几何精度因子多基站选择算法影响定位误差的主要因素 多径传播 非视距信号(NLOS)传播远近效应与多址接入的影响结束语谢辞参考文献引言 近几年来移动通信手机定位业务引起了人们的普遍关注并因其广泛的应用前景得到了很快的发展。现有的移动手机定位从根本上看分为基于手持机和基于网络两大类,本文针对的是基于CDMA网络的手机定位技术。 定位的基本过程分为信号特征值测量和位置信息的解算。信号特征值测量包括信号到达时间(TOA即TimeofArrival)、到达时间差(TDOA,即TimeDifferenceofArrival)、到达角度(AOA,即AngleofArrival)、信号强度(SS即SignalStrength)等目前通常采用TOA或TDOA测量。位置信息解算是根据上述测量信息所进行的位置估计。    基于网络的手机定位系统的定位精度受以下几种因素的影响:信号特征值测量的精度、信号的传播中受到多径、非视距传播等的影响、测量基站分布的几何结构等。其中基站分布的几何结构通常采用几何精度因子(GDOP即GeometricDilutionofPrecision)来衡量是影响定位精度的关键因素之一。在不考虑高度因素的情况下GDOP可以用水平精度因子(HDOP即HorizontalDilutionofPrecision)来简化。    本文首先介绍移动通信系统中无线定位技术的应用然后讨论了几种常用的无线定位方案并较详细地介绍了基于时间的两种方案TOA及TDOA的定位算法。讨论基于CDMA网络下的无线定位采用简单有效的HDOP的矢量算法作为多基站情况下的基站选择依据实际测试表明这种基站选择算法对于位置信息的估计具有较好的稳定性和更优的定位性能能提高定位精度加快收敛速度并且算法简单易行。 主要的CDMA定位技术 无线定位技术是通过对接受到的无线电波的某些参数进行测量根据特定的算法以判断出北测物体的位置测量参数一般包括传输时间、幅度、相位、和到达角等等。定位精度主要取决于测量的方法。基于CellID(小区识别)的技术在目前CDMA网络中BSC(基站控制中心)会在移动台的位置更新、呼叫处理、短消息传送以及切换等过程中将用户所在基站扇区的CellID传送MSC(移动交换中心)。这种方法实现简单终端侧不需要作任何软硬件的修改网络侧不需要增加新我得网络实体。但定位精度不高定位范围与扇区覆盖相同在城市基站密集区定位的半径可达到m左右在基站密度较低的郊区等地定位精度非常低因此只能提供对定位精度要求不高的定位业务如基于小区位置的计费无法实现高级的应用。基于信号强度的方法  理论依据是:信号强度随着传播距离的增加而衰减可用一个已知的信道模型来表示。根据已知的信道模型通过测量接收信号强度和发射信号强度就可以知道接收端与发射端之间的距离。根据多个距离测量值就可估计出移动台的位置。但由于基站小区或者扇区的特性天线、地形、建筑物、车辆等都对信号强度产生影响所以此方法的精度较差。AOA(Angleofarrival) 在基站阵列天线上测得移动台的来波方向即来波的入射角每个入射角就确定了基站天线阵列与移动台之间的径向连线天线只需个阵列就可以确定移动台的位置如图所示个入射角αβ就确定了移动台的位置。特别是采用智能天线的算法可以得到相当精度的AOA测量值。对一般的基站天线AOA估计的精度不高且易受到多径传播等其它环境的影响。一旦在基站上测得的入射角度有微小的偏差就会导致较大的定位位置偏差。AOA方法需要在网络侧增加智能天线(SA)才可实现在障碍物较多的环境中由于无线传输存在多径效应则误差增大定位精度较低尤其是当移动台距离基站较远时基站定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。基于传播时间的方法SHAPE*MERGEFORMATSHAPE*MERGEFORMATTOA(TimeofArrival)移动台与基站之间的距离是由信号在它们之间一次单程的传播时间决定的。移动台几何位置上位于以基站为圆心以此距离为半径的圆周上。有另个基站就会有另个圆与前个圆相交得到个交点移动台可能在这个交点的其中个的位置上。这时产生了二义性需要根据先验知识舍去其中个交点或者利用第个基站得到第个圆与前个圆一起决定唯一的个交点得到移动台的位置如图所示节点B为估计的位置。  这是一种基于方向链路的定位方法通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动用户的位置。只需三个以上的基站接收到移动台的信号就可以利用三角定位算法计算出移动台的位置。TOA定位精度与基站的地理位置分布关系很大当球体之间相交角为度时精度最高。但它对所有接收器相同的误差没有进行处理误差较大。TDOA(TimeDifferentofArrival)它是另一种基于反向链路的定位方法通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置。移动台位于以这个基站为焦点的双曲线上。确定移动台的位置至少需要条双曲线。例如个基站确定了条相互独立的双曲线此条双曲线的交点即为移动台的位置如图所示。  TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差在通常情况下定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小使得相邻基站接受到的功率非常小造成比较大的测量误差即相邻基站接受到的功率非常小造成比较大的测量误差即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。目前针对这种情况已有了一些解决办法如在E呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大可以提高定位精度但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。基于GPS系统的定位技术  目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位即定位时网络通过跟踪GPS卫星信号解调出GPS导航信号并将这些信息传送给移动台移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星接收到卫星信号后计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。  基于GPS系统的定位技术其优点是定位精度较高定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术可提供对定位精度要求较高的业务如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块并且需要支持IS协议网络侧需要增加PDE和MPC定位精度受终端所处环境的影响较大如用户在室内或在高大建筑物之间时由于可见的GPS卫星数量较少定位精度将降低甚至无法完成定位。混合定位  混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中目前CDMA系统采用的主流方法是GPS和AFLT混合定位的方式可简称为网络辅助混合定位。它结合了基于网络的非GPS定位技术和基于GPS的网络辅助定位技术的优点。在野外可以利用GPS定位提供高精度的位置信息同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度在城市可以利用基站密集的优势提供基于基站信号或者GPS和基站信号混合的方式定位实现在复杂环境下(如室内、城市高楼之间)的精确定位。  如果同时利用智能化算法可以获取更佳的定位效果。例如当移动台只能接收到两个基站的信号时通常无法定位移动台但是网络可以根据过去移动台的方向和速度结合基站信号来唯一确定移动台的位置。而且还可以利用来自无线网络的一些重要信息加快处理进程缩短卫星数据采集时间。CDMA定位技术的比较与选择以上介绍的七种定位技术所能达到的定位精度不同、适用的环境不同对终端和网络的要求也不同。在选择定位技术时应根据各种定位技术的特点、不同的定位业务需求及终端和网络的实际情况选取不同的定位技术方案。CDMA无统的线定位系定位算法 TOA或TDOA的测量值的获得  基于时间的定位方法关键在于准确地估计TOA或TDOA。传统的方法是利用信号相关的技术来获得。  设基站BSA接收从移动台发射来的但带有噪声nA(t)的信号d(t)其接收信号可表示为SA(t)=d(t)+nA(t)。基站BSB接收同样的但有延时τ的信号其叠加噪声为nB(t)那么它所接收的信号可以表示为SB(t)=d(t-τ)+nB(t)。对这个信号作相关得:   ()使CAB()最大时的即得到TOA。  TOA估计的原理与扩频接收机对随机码PN的捕获和跟踪算法原理相似。时延(即TOA)的估计分为以下两步。  ①粗捕获时用滑动相关器、匹配滤波器或序贯探测电路对在一个码片内的时延进行测定。  ②精捕获时用锁时延环(DLL)或T抽头环(TDL)将本地产生的PN序列和接收的PN序列保持对齐。定位算法的数学模型本文采用CDMA无线定位系统基于TOA测量采用最小二乘法进行位置估算。这里对定位算法进行简要的说明。通过已知的数学模型(f(x,l))可以得到一组未知的参数x的估计。建立方程如下:()这里是待估计参数的估计值是测量参数的估计值。这些估计的准为:()式中=为测量参数的估计误差Cl为测量参数的协方差矩阵。 出于简化计算考虑对上述非线性模型f(x,l)线性化。当采用泰勒级数近似去除所有二阶项及高阶项得到:式中w=f(x,l)≠为闭合残差向量 为估计参数的估计误差为第一个设计矩阵()为第二个设计矩阵通过方程()和()可以导出: ()这里为拉各朗日相关向量。解可得:()解可得:()联合解方程()、()、()、()可以得到结论: ()()()   上述等式适合于在观测量和估计参数之间的关系未知的一般情况。而观测量可以表示为估计参数的函数因此第二个设计矩阵B等于负单位矩阵-I。在已知x下可以测量观测值l,并计算w=f(x,l)于是可得: ()()()()()()这里为估计方差为自由度其值等于测量值个数减去未知数个数。()()()矩阵、、、分别为参数估计误差的协方差矩阵、校正参数的协方差矩阵、校正测量的协方差矩阵和测量误差的协方差矩阵。 由上述定位算法可知为了得到需定位的移动台的二维坐标值需要至少个TOA测量值。 本文采用的测试定位系统的定位算法基于以上原理得到TOA测量值后在进行位置估算中首先选择一个参考基站(例如BS)采用TOA差分得到TDOAi=TOAiTOA建立模型如下: ()进行线性化并采用上述迭代最小二乘法求出未知量。 矢量法计算几何精度因子以个基站为例阐述矢量法计算几何精度因子的算法。首先以MS所在位置为原点建立直角坐标系以东(east)方向为横坐标轴以北(north)方向为纵坐标轴MS与个BS的连线与北向(y轴正向)形成的夹角为、、,如图所示。SHAPE*MERGEFORMAT定义定位基站(BS)和待定位的移动台(MS)所形成的方向矢量为 ()建立计算精度因子的方向失量矩阵为:()在更普遍的情况下方向矢量矩阵可以表示为 ()()几何精度因子可以由以下公式计算: ()()()()()多基站选择算法    根据第三节中所述定位算法采用基于时间的定位技术时利用3个基站的测量信息即可确定未知移动台的平面坐标(x,y)在可得到的定位基站多于个时可以采用基站选择算法。在定位算法的实施中基站的几何结构直接影响系统可得到的定位精度根据这一关系在定位基站多于个时我们可以采用几何精度因子HDOP来进行基站择。   算法实施的步骤如下:    ()对N(N≥)个基站进行组合得到k=CN种基站组合()采用任意个基站或者其他方式得到对移动台位置的一个初始估计()利用初始估计计算在不同基站组合下的k个相应的HDOP值 ()对若干个HDOP进行比较选取其中具有最小HDOP值的基站组合 ()采用此基站组合对移动台进行进一步的精确位置估计。 影响定位误差的主要因素影响无线定位算法的主要因素包括多径传播、非视距信号传播、多址接入干扰、远近效应等。 多径传播  多径传播主要影响基于AOA的定位算法和信号强度的定位算法这很容易理解。当然它也影响基于时间的定位算法。纵使移动台与基站之间传播的是视距信号多径传播也可能影响时延估计的准确性。这是因为传统的时延估计都是通过作相关技术来实现的。假设多径传播的第径信号到达的时间与第径信号到达的时间的间隔在个码片内且第径信号功率大于第径信号功率传统的时延鉴相器只能检测到第径信号。目前已有几种办法可以减轻多径干扰的影响这些包技术还待进一步的研究。 非视距信号(NLOS)传播  NLOS信号是指从发端发出的信号经过反射、衍射或散射后到达接收端它所经过的路径比直接到达的路径要长。NLOS信号主要影响TOA或TDOA的估计精度使得基于TOA或TDOA算法的定位估计成为有偏估计。解决的办法有以下几种。  ()由于用NLOS信号的测量值得到的距离标准方差往往比LOS信号的大因此可以根据此特性将NLOS和LOS信号区分开。如果有关于NLOS传播的基础知识就可以对NLOS传播信号进行修正使之成为较正确的LOS传播信号。  ()在使用最小二乘的算法时可以将NLOS传播信号的权重值减小。  ()增加约束项在LS算法中增加约束项。远近效应与多址接入的影响  对于数字蜂窝系统的用户定位即使有功率控制远近效应影响仍然存在从而带来较严重的多址接入干扰。设三个移动台MS、MS、MS各自的服务基站为BS、BS、BS且均进行了功率控制。由于TOA或TDOA算法要利用多基站来进行定位估计MS就要接入BS和BS但这个基站不是MS的服务基站MS就它们而言没有进行功率控制。同时MS又受到此两个基站本身内的移动台MS、MS的多址接入干扰。这样一来TOA或TDOA算法的定位精度无疑会降低。解决办法一是将移动台的发射功率调到最大以减轻远近效应及多址接入的影响二是进行软切换将移动台到个基站的业务平滑地过渡到另个基站上。但由于基于TOA或TDOA的定位算法至少需要个基站要将个基站的业务平滑地切换到另个基站上用这种方法不可能且目前移动通信中的软切换仅仅当移动台处于基站的边缘才会动作。  目前已有一些抗远近效应的定位算法它们是基于子空间技术的算法如MUSIC类算法基于将多用户检测和干扰互抵消相结合的算法。  综上所述在蜂窝移动通信网络中由于非视距信号传播、多径传播和多址接入等诸多因素的影响而降低了定位精度。如何克服这些因素的影响已经成为无线定位研究的关键所在。结束语 随着人们对定位应用的需求必定会促进基于网络的手机定位系统的发展如何提高定位系统性能同时有效利用系统资源是定位系统实施中的关键问题。   本文提出的基站选择算法通过上述理论分析和实测验证可提高定位精度加快位置解算中的收敛速度具有一致性强的特点并且实施容易系统开销较小。在实际应用中此算法还可以用于指导定位基站架设和系统设计并有助于在系统测试过程中进行精度估计具有很强的实际意义和实用价值。谢辞本论文的选题、设计和评估的整个过程中我都得到了周老师的精心指导周老师严谨的治学态度、渊博的学识令我受益匪浅。从这个项目研究中我学到了很多从书本上学不到的做研究做学问的知识在此真诚地向周老师表示衷心的感谢同时也向给予我很多帮助的乔等同学表示感谢!我将永远保留这段本科生生涯的美好时光!参考文献[]CafferyJStuberGLOverviewofRadioLocationinCDMACellularSystems[J]IEEECommunicationsMagazine,():~ []CafferyJJrWirelessLocationinCDMACellularRadioSystems[M]Boston:KluwerAcademicPublisher,~ []J ReedT RappaportAnOverviewofthechallengesandProgressinmeetingtheERequirementforLocationService[J]IEEECommunicationMagazine():~ []S Venkatraman,JCafferyLocationUsingLOSRangeEstimationinNLOSEnvironments[A]IEEEVTC[C]~ []WukKim,JangGyuLeeDirectEstimationofNLOSPropagationDelayforMobileStationLocation[J]ElectronicsLetters():~[]张贤达现代信号处理[M]北京:清华大学出版社~李圣马霏霏万晓榆数字蜂窝系统中的基于时间的定位算法重庆邮电学院学报,():~聂颖易强江红田增山熊思民CDMA无线定位系统通讯世界第期MS�EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT���图:基于AOA的定位方法节点A节点B�EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT���图:基于TOA的定位方法�EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT���图:基于TDOA的定位方法�EMBED*MERGEFORMAT���N�EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT����EMBEDEquationDSMT���MS图:BS和NS的分布unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

评分:

/12

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利