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CDMA手机被动定位技术研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《CDMA手机被动定位技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西南交通大学硕士学位论文CDMA手机被动定位技术研究姓名:郄小丹申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:邓平西南交通大学硕士研究生学位论文第符等。

西南交通大学硕士学位论文CDMA手机被动定位技术研究姓名:郄小丹申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:邓平西南交通大学硕士研究生学位论文第页摘要本文基于对CDMA网络无线定位技术国内外研究现状的分析研究了一种以被动定位方式对目标手机进行准确定位的定位方法及其相关技术。CD姒手机被动定位技术是一种采用独立于CDMA蜂窝网络的单一定位站对目标手机以被动方式进行无线电定位的技术。该技术具有直接应用于公安、安全、海关、边防等部门的潜力对于这些部门加强信息收集有效提高对各种犯罪活动的监控和侦察能力将具有重要的现实意义。:通过对CDMAIx层信令协议的深入分析本文提出了一种基于CDMA网络的手机被动定位方案。该方案通过欺骗方式诱使目标手机向基站发射导频信号强度测量报告再从空中接口截获手机的这些测量信息结合定位站自身测量的各基站信号强度信息可以实现对目标手机的准确定位。无论手机处于通话状态还是待机状态只要目标手机和定位站在同一小区或相邻小区都能实现对手机的定位操作并且不被手机用户察觉。在对信道模型研究分析的基础上本文选择基于到达信号强度差(SSDOA)测量的定位技术进行了研究并针对Fang算法和Chart算法进行了仿真及性能分析。针对手机信号强度的测量问题论文还就手机的快速功率测量问题在测量算法方面进行了一定研究。最后论文在上述研究的基础上给出了CDMA手机被动定位系统的初步设计方案并对定位系统的原理作了详细的说明以及对系统的组成及模块结构作了初步设计。关键词:被动定位:到达信号强度差CDMA网络定位算法功率测量西南交通大学硕士研究生学位论文第Ⅱ页ABSTRACTBasedontheanalysistodomesticandOVCl"geasresearchstatusofCDMAwirelesslocationtechniquesthisthesisstudiesanaccuratemobilelocationmethodunderpassivelocationmode.ThepassivelocationtechnologyofCDMAmobilephonelocatestheobjectimdcrpassivelocationmodeemployingasinglelocationstationindependentofCDMAcellularnetworkThetechnologycallbedirectlyappliedtosuchbranchesaspublicsecurity,safety,customsandborderdefenseandhaspotentialandimportantsignificanceoneffectivelyimprovingtheabilitiesofstrengtheninginformationcollection,supervisingandreconnoiteringcrilneactivities.ThepassivelocationschemeformobilephonebasedonCDMAnetworkisproposedthroughdeepanalysisofCDMAlxlayerprotocols.Inthisschemetargetmobilephoneisdeceivedtoreportthepilotsigualstrengthmeasurementmessagetobasestation,meanwhilethismessageisinterceptedfromairinterfacebythelocationstation.Associatedwiththereceivedsignalstrengthmessageofeachbasestationmeasuredbythelocationstationtheaccuratepositionoftargetmobilephonecanbelocated.Aslongasthetargetmobilephoneandthelocationstationareinthe$ameoradjacentcellthelocationprocedurecanbe‘implementedwithoutbeingnoticedbyUSernomatterthephoneisundernormalworkingorstandingbystatus.Associatedwithanalysisofchannelmodels..thelocationtechnologybasednsignalslrengthdifferenceofardvalmeasurffmentisinvestigated.PerformancesofFangflgotithmandChartalgnfithraareevaluatedbysimulationonMATLABplatformFocusingOilmobilephonesignalstrengthmeasurementproblemthethesisputsomeresearchinfastpowermeasurementalgorithmofmobilephone.Finally,thedesignschemeofthispassivelocationsysteminCDMAnetworkisporward诵廿lexplanationoflocationprincipleindetail西南交通大学硕士研究生学位论文第m页andthesystemarchitectureandkeymodulesarcalsodefinedbasedOllabovestudy.Keywords:passivelocationSSDOACDMAnetworklocationalgorithm西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章引言.无线蜂窝定位技术的发展和国内外动态..无线蜂窝定位技术的发展定位技术是一项古老而又年轻的技术目前对于各种蜂窝手机虽然可以采用基于Cell.等蜂窝网络信息的粗略定位方式但由于定位精度的要求更多则趋向于采用无线电定位技术。针对蜂窝手机的无线电定位技术又可分为卫星定位技术和地面无线电定位技术。卫星定位技术利用GPS、GLONASS、北斗双星等卫星系统的多个卫星实现目标手机的三维定位地面无线电定位技术则通过测量无线电波在目标手机和基站之间的传播时间、时间差、信号强度路径损耗、相位、入射角等参数来实施对目标手机的二维或三维定位【l】。针对地面移动目标的无线电定位技术的研究始于年代的自动车辆定位(AvL)系统Ⅲ。年代以来蜂窝移动通信技术的快速发展促使手机用户快速增长迫切需要移动运营商为用户提供多种基于手机用户位置的增值服务为此要求蜂窝网络必须具备对移动台的定位功能。美国联邦通信委员会(FCC)于年月对手机的E.l定位需求进一步细化嘲对网络设备和手机生产厂商、网络运营商等对定位技术在网络设备和手机中的实施和支持以及定位精度等提出了明确要求和日程安排明确了提供El定位服务将是今后各种蜂窝网络特别是G网络必备的基本功能欧洲和日本也作了相应要求。目前移动台定位业务呈现出非常诱人的市场前景。其主要应用有:公共紧急救助电话服务(如美国的l、欧盟的等)。位置敏感性的计费服务操作。如北美的lS一是通过蜂窝小区的划分在移动用户登记的移动切换中心(MSCMobilesSwitchingCenter)完成账号登记的。西南交通大学硕士研究生学位论文第页蜂窝系统的设计和管理用户位置信息的准确确定以及这一信息的准确程度受到无线信号所通过的通信信道的影响。反过来分析影响移动用户位置准确度的原因又可以对蜂窝系统的设计和管理起到指导性的作用。商业求助电话服务。如汽车维修公司通常设立小时热线电话来为途中发生故障的车辆提供维修服务。被盗车辆跟踪系统。移动通信运营商对恶意欠费用户的跟踪和追查。对残疾人、高危人群、迷路者及儿童提供个人求助服务。如为野外迷路者提供路径指引以及提供走失儿童的确切位置等。智能运输系统实现合理的车辆调度避免交通堵塞和降低交通事故等。移动电子商务。如根据用户的请求指引用户到最近的一家餐馆就餐或到最近的一处自动提款机提款等。.移动定位是一种正在兴起蕴含无限商机的新兴技术根据美国权威机构战略集团的最新预测到年仅在欧洲市场无线定位服务市场的收入就可达到亿美元。因此近年来各国主要大公司均就GSM、IS.及G网络制定各自的定位实施方案ol特别是在GPP和GPP中对各种网络的定位功能要求更具体化要求提供基于Cell.ID、EOTD、OTDOAIPDL、网络辅助GPS等多种定位方法及多种精度的定位服务。目前中国移动已在部分地区开通了基于Cell.ID的定位服务It中国联通则在部分地区开通了基于Cell.ID和GPSone的定位服务及“定位之星”、“关爱之星”等多种增值服务嗍。..国内外研究动态及所需解决的问题近年来对蜂窝手机定位增值服务产生的迫切定位需求促使国内外掀起了研究手机定位技术的热潮。在GPP和GPP所要求的多种定位方法中基于CELL.ID的定位法只能提供用户所在小区的位置信息定位精度很低网络辅助GPS(GPSone)定位法借助GPS接收机在接收信号良好的情况下虽然能达到较高的定位精度但该方法要求手机中要集成GPS接收机在城市环境中许多无法同时观测到多个GPS卫星的位置则无法实现对手机的实西南交通大学硕士研究生学位论文第页时、准确的定位。而只要手机位于蜂窝小区的覆盖范围之内利用手机自身、一个或多个蜂窝基站或定位测量单元(uⅥu)基于某种无线电定位技术就能对手机实施较准确的定位。因此目前对蜂窝手机定位技术的研究主要是基于蜂窝网络对手机进行无线电定位技术的研究【“】。从检索的文献来看对各种体制的蜂窝手机既可以采用下行、也可以采用上行链路进行定位既可以由手机根据接收到的各蜂窝基站在下行链路发射信号的特征信息对其自身位置进行自定位也可以由蜂窝网络根据各基站在上行链路检测的手机发射信号的特征信息对手机进行定位M.一在蜂窝网中对手机进行无线电定位的基本定位技术有场强法、AOA法、TDOA或TOA法、混合定位法等多种方法II】其中基于电波传播时间的TDOA和TOA定位法由于在蜂窝网中易于实现且精度相对较高而受到更多的关注和深入的研究。但是在手机用户集中的城市环境中信道环境比较恶劣手机和参与定位的多个基站之问受多径传播、非视距(NLOS)传播及CDMA系统中多址干扰(MAI)等多种因素的影响通常很难准确测出TDOA等电波特征信息总是存在一定的不确定误差使对手机的定位估计无法达到最大似然估计从而降低定位精度。此外定位算法造成的误差参与定位的各基站之间、手机与基站之间相对位置的差异造成的几何精度因子(GDOP)的不同时间同步误差、测量设备带来的误差、多普勒频移、信道衰落效应等的综合影响都将影响TDOA测量值以及及定位结果的准确性。为此近年来人们对上述问题开展了广泛深入的研究出现了抗多径的高分辨率的频率估计、最小均方估计(LMs)、扩展的卡尔曼滤波(EKF)、高阶谱估计、高阶累积量、RtMuSIC、TLS.ESPRIT等方法抗NLOs传播的统计信息方法、加权方法、约束方法、滤波方法、多径利用、TRELLIS搜索、手机位置几何限制关系约束等方法【..t抗多址干扰与远近效应的PowerUp方法、IPDL方法抗远近效应延时估计器与多用户检测器、天线阵列MAI消除方法、线性平滑等方法等,,为提高定位算法性能出现的似然函数方法【、混合定位与数据融合方法等。利用无线电定位技术对蜂窝手机进行定位的方式有两种一种是手机用户主动发起的定位称为主动定位方式另一种则是在手机用户不知情的情况下由蜂窝网或专用定位设备对用户手机的定位称为被动定位方式。对蜂西南交通大学硕士研究生学位论文第页窝手机进行定位的方法也有两种一种是利用目标手机所属的蜂窝网络的多个基站或专门设置的测量单元对目标进行定位另一种则是建立具有多个接收站的专用定位网络或单个的定位台站对目标进行定位【l】。前者由于可利用现有的蜂窝网络资源既可采用主动定位也可采用手机用户允许的被动定位实现相对容易后者由于需要建立专门的定位网络或台站通过空中截获的目标手机信息对手机进行定位且只能采用被动定位实现相对困难。本项研究对于我们把握时代脉搏赶超国外蜂窝移动通信和信号侦测的先进技术填补国内空白具有重要意义。自事件以来保障国家和民众的安全反恐和预防犯罪提高对犯罪分子的监控和侦察能力是有关部门面I临的一项非常重要和艰巨的工作而本项研究的成果将能直接应用于公安、安全、海关、边防等部门对于有效提高对各种犯罪活动的监控和侦察能力具有十分重要的意义。目前无线蜂窝定位技术就定位算法方面来看研究已经比较成熟但是在被动定位实现方面还需要解决以下几个问题:被动定位方案的设计。受保护用户隐私的有关法规的约束网络允许手机用户对各种定位业务进行选择利用各种鉴权方式对网络定位功能进行筛选和屏蔽网络对手机用户的被动定位必须要得到用户的授权及许可有时还需要用户使用的必须是具有某种定位功能的手机fl这就使得公安、安全、边防等特殊业务部门在对将手机作为通信工具的犯罪分子或嫌疑人进行定位跟踪时如果犯罪分子或嫌疑人具有一定的反侦察知识就无法使用蜂窝网和手机自身提供的定位功能对目标手机进行定位、跟踪、监控。为此需要建立独立于蜂窝网络的专用定位网络或台站在定位目标不知情的情况下实现对目标手机的准确被动定位【l。定位参数的获取方法究。定位算法方面虽然已经研究的比较充分但是如果获取的定位参数不准确那么定位精度显然会降低。由于多径传播、非视距传播和多址干扰现象的存在使得精确的定位参数较为困难。这些方面还需要进一步的研究。无线信道模型方面的研究。由于无线信道的复杂性定位精度受到信道的影响。要提高定位精度必须充分研究信道模型如采用信号方向角度定位必须研究角度扩散模型采用信号到达时间定位必须研究时间散射模型采用西南交通大学硕士研究生学位论文第页功率强度定位需要研究功率损耗模型。因此对于这方面还有大量的研究工作需要完成。.论文主要内容与章节安排本文是针对专用单站定位设备通过被动方式实现对目标手机的高精度准确定位方面的研究主要就上述有关被动定位方案设计和定位算法方面需要解决的问题进行了深入的研究和分析。本文首先设计出了基于CDMAIx网络的被动定位方案以及定位系统的初步设计。而后在此基础上选用了和该定位方案相适用的定位算法'一基于到达信号强度差(SSDOA)测量的定位技术。由于受电波的衰落效应和多普勒频移的影响信号强度测量值通常具有较大的随机测量误差且实际的信道环境和理论模型往往具有一定的差异使得这种定位方法的定位精度通常不高。本文通过场强做差的方式来减少对信道模型的依赖从而大大减小定位参数测量误差并与性能较高的定位算法相结合进行仿真和分析。本论文主要分为以下几个部分讨论这几个部分也是作者在硕士阶段所做的主要工作。第二章论述了各种可以用于无线蜂窝通信系统的定位方法并且对各种方法进行归纳总结和比较其中主要比较了各种方法的性能和适用范围。第三章通过对CDMAx层信令协议的深入分析提出了一种基于CDMA网络的手机被动定位方案并对整个定位系统做了初步设计。通过第三章定位方案的确立选择基于到达信号强度差(SSDOA)测量的定位算法进行研究因此论文第四章对基于场强差的定位算法进行仿真并对其性能进行了分析。最后在第五章主要阐述作者在手机快速测量信号功率算法方面所作做的工作。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章基本定位实现方法及比较定位作为无线电探测的一个重要课题有大量科学工作者进行研究同时也提出了大量的定位方法。由于蜂窝移动通信移动台定位自身具有一定特殊性因此有些方法适合于移动台定位有些方法并不适合还有些方法需要进行适当改进。由于不同移动通信网络之间的区别所以采用的定位方法不一样如在GSM移动通信系统和CDMA移动通信系统中采用的方法就不一样。作者在本章对常用的各种适用于蜂窝移动通信移动台定位方法进行了归纳比较和总结同时针对蜂窝通信系统的特点将部分方法的求解公式做了进一步的完善和推导。最后还对各种定位方法的性能、适用于各种蜂窝通信系统的情况进行了总结比较。另外需要说明的是当前蜂窝通信系统中对移动台定位服务的要求都限于二雒坐标系中因此本章讨论的这些方法也都限于二维坐标系中当然从二维坐标系推广到三维坐标系中也并不困难。.基本定位方法近年来出现的大量定位算法大多由以下三种基本定位算法衍生而来在本小节就对基本的定位方法做一简要介绍。..圆周定位方法圆周定位方法的几何解释如图.所示若测量得到基站(.BsBaseStation)与移动台(MsMobileStation)之问距离r则可以认为移动台处于以基站为圆心半径为r的圆周上。由几何知识可知三个圆可以相交于一点这个交点就是移动台所处位置因此只需要测量出移动台与周围相邻的三个基站之间的距离即可实现对移动台的定位。西南交通大学硕士研究生学位论文第页圆周定位方法其算法求解公式推导如下设移动台位置坐标为(xy)基站位置坐标为(xiyOi=。移动台与各基站之间距离为rj则可以得到方程(工一t)(yYj)=‘i=()图圆周定位方法图.双曲线定位方法上式中xiyiri均为已知量理论上方程(.)中的两个未知数X和Y仅需要两个方程即可求解但是解出结果中存在模糊因此至少需要三个方程求解取掉模糊。设i,将(.)展开为三个方程求解方程组可得到移动台位置坐标xY。.=p日岱其中=降捌方程(.)可以采用最小二乘方法求解得()J:均nM一一屯砖而一一一吒吩一一^‘..............L=HHr川、JrL=J石y............L中其西南交通大学硕士研究生学位论文第页彳=%一而而一而XM一毛y一y、乃一ylyM一乳H=‘一r一而十工一Yyrt一r一而tX一YYi一ru一而h一Y助由上述分析可以看出圆周定位关键是获取准确的移动台与基站之间的距离参数r获取参数r可采用以下两种方法。.电磁波信号从基站传输到移动台或者从移动台传输到基站存在一定功率损耗该损耗与电磁波通过的环境和传输距离存在一定关系。可以根据功率损耗模型公式和测量到的功率损耗值计算出移动台和基站之间的距离。.通过测量电磁波在基站和移动台之间传输时间t则根据下式可以计算出移动台与基站之间的距离r。=ct()其中c=米/秒为光传播速度。该方法可以在同步CDMA"系统中使用如IS.TD.SCDMA系统中该方法也被称为基于到达时间(TOATimeofArrival)定位。..双曲线定位图.所示为双曲线定位方法的几何解释若已知移动台到两个基站晚l和Bs之间的距离差则可以得出移动台位于以两个基站为焦点的双曲线上。根据测量到的距离差的正负可以进一步确定移动台处于双曲线的左分支上还是在双曲线的右分支上。再测出另一组双曲线则可以通过求解两组双曲线交点得到移动台的位置。双曲线定位方法的数学描述如下设移动台坐标(xy)基站坐标(xiYi)i=,距离差riIi=。则可以得到以下方程,Jtxx,)(y一只)一(工一毛)()Y)=rni()对(.)式的求解主要是将非线性化求解常用方法有Taylor级数展开求解西南交通大学硕士研究生学位论文第页Fang方法和Chart方法。距离差的获取可以采用如下方法通过测量电磁波到达两个基站Bsl和Bs的时间差tl得到根据以下公式求得。r=ct,()由于WCDMA系统存在异步工作方式并不能准确测量到TOA信息咽此可以采用该方法’该方法也被称为基于信号到达时间差(TDOATimeDifferenceofArrive)定位。由于蜂窝通信中多径现象移动台发射的信号很难直接达到基站因此信号传输时间存在误差并且该误差始终是非负的很难通过积累处理抵消。而如果利用TDOA进行定位由于测量的是两个信号传输延时差因此该误差被减小且有正也有负所以可以通过积累处理提高精度。..方向角度定位图.所示为基于方位角定位方法的几何解释通过测量移动台发射信号到达基站的角度可以确定移动台处于以通过基站与法线之间夹角.为口的直线上。再寻找~条这样直线则可以确定移动台处于两条直线交点的位置。设移动台坐标(xy)基站坐标(x{Yi)i=,移动台与基站之间夹角为只i=。则可以得到方程。只=切n(芝丝)U=)(.)X一鼍求解方程(.)可得H:彳一目Lyj.()该方法也被称为基于AOA(ArriveofAngle)定位方法信号入射角度的获取可以采用空间谱估计的方法如多重信号分类法(MUSICMultiple西南交通大学硕士研究生学位论文第页signalclassification)旋转不变技术估计信号参数(ESPRITEstimatingsignalparametersviarotationalinvarianeetechniques)等方法。但是要测量信号到达角度接收需要使用阵列天线同时由于通信链路上存在遮挡物很难有直达波信号到达因此电波入射角度存在一定偏差导致测量出的角度存在较大误差故此方法很少单独使用。BBLYXX圈方位角定位方法’图.圆周直线定位方法.多参数混合定位方法除了上述基本定位方法外还有一些数据融合定位技术这些技术一般是将几种基本定位方法进行组合使用以提高定位精度或者扩大定位服务适用范围。..圆周直线定位方法圆周直线定位方法是通过测量移动台与基站之间的距离r可以得到移动台处于以基站为圆心.r为半径的圆周上。再测量出移动台与基站之间的夹角口则可以得到一条直线。求解圆与直线之间的交点就可以确定出移动台的位置坐标其几何解释如图所示。.该方法求解公式推导如下设移动台坐标为(xy)基站坐标为(xlY)移动台与基站之间距离为r夹角为口。可以得到方程西南交通大学硕士研究生学位论文第l页求解方程组(.)可以得tall(力=£旦苫一而瓜j丁瓦弓了=.一r后嘉YYl/()f)求解结果(.)式存在模糊可以根据服务小区或小区扇区信息去掉模糊解该方法的优点是只需要一个基站参与定位。但同样基站需要使用阵列天线该方法也仅适合于同步蜂窝通信系统同时存在角度误差对定位结果精度影响较大的问题。..双曲线直线定位方法双曲线直线定位方法是通过测量移动台到两个基站之间的距离差可以得到移动台位于以两个基站为焦点的双曲线上根据r的正负可以确定移动台在双曲线组的哪一支曲线上再测量入射角度得到一条直线。通过确定交点位置可以得到移动台位置坐标其几何解释如图.所示。设移动台坐标(xy)基站坐标(xiyi)i=l距离差rl入射角度。得到如下方程t缸(D:YYlxxI()厄j了瓦弓y一瓜二丁石巧了=。方程(.)求解也需要线性化处理最少只需要个基站就可以完成定位计算。当仅有两个基站参与定位时可以通过合理设定坐标系简化定位计算也就是简化方程(.)的求解。西南交通大学硕士研究生学位论文第页圈双曲线直线定位方法圈双曲线直线定位坐标系建立若按图建立坐标系则(.】)式可以简化为tan(O)妄()Xf.、(石一屯)一Y)一工y=l由方程(.)可以较为方便的解出移动台坐标为y=习意杀隶杀丽叫印图双曲线直线定位坐标系建立若按图.建立坐标系定位结果计算可以进一步简化为()西南交通大学硕士研究生学位论文第页y=瓦而蔷丽r石i丽tan(研.其他定位方法..信标辅助定位()在蜂窝网络中设定一些信标如图.根据这些信标可以有两种定位的方法。一种是直接根据移动台最接近的信标实现定位服务该定位方法一般比较粗糙很少单独使用但在某些实际情况下相当实用如在蜂窝通信中存在一些通信信号覆盖不到的地方如地下停车场、电梯等地方为了增加覆盖一般采用增加“直放站”给以解决这样“直放站”就可以作为定位的信标。另一种方法是信标位置直接参与定位计算实现定位功能。图信标辅助定位方法图GPS辅助定位方法西南交通大学硕士研究生学位论文第页..GPS辅助定位利用卫星进行定位的GPS技术经过多年的发展已经在各个领域得到了广泛的应用。GPS能够实现三维定位提供较高的定位精度以及全球覆盖范围。它要求在定位时用户设备必须至少能够接收到四颗以上GPS卫星的信号这在大多数情况下都是能够满足的同时用户需要专门的GPS信号接收机。一对于GPS定位技术而言其优点是:定位精度高(民用m一m、军用<m)覆盖范围广。其缺点是:用户设备能耗大这对于可携带设备而言就意味着更大的体积和更短的待机时间。由于GPS信号很弱所以当用户处于繁华的城区或室内时定位精度和定位成功概率下降很快。另外GPS接收机首次定位时间过长也使得纯粹的GPS技术对于E.一类的应用是不合适的。差分GPS技术的提出是为了消除或显著降低一些影响GPS系统定位精度的公共误差(如卫星钟误差、星历数据误差、选择可用性措施引入的误差等)提高GPS系统的定位精度。其原理是使用基准接收机来消除GPS定位中的公共误差。固定的本地GPS基准接收机已知自己的地理坐标并用GPS对自身的定位结果和自身真实的地理位置的差值作为GPS定位的公共误差修正值对于和本地GPS基准接收机处于同一区域用相同的四颗卫星进行定位的移动接收机来说二者存在着相同的公共误差因此可以使用由基准接收机得到的公共误差修正值来修正移动接收机的定位结果提高系统的定位精度。在移动通信系统的实现中一般可以将本地基准GPS接收机安放在基站上同时将定位误差修正值传送给移动台或者移动定位中心(MLCMobileLocationCentre)以便对同一区域移动台的定位估计结果进行修正。利用GPS技术实现定位的另一个问韪是启动时间(StartupTime)过慢能耗过大并且在城区和室内定位成功概率多低等缺点网络辅助GPS技术(AGPS)的提出正是为了克服以上困难。其主要思想是建立一个GPS参考网络该网络中所有的接收机都能够清楚的观测到空中的卫星并且保持连续的工作整个网络于无线通信网络相连。当处于移动台内部的GPS接收机开始定位时GPS参考网络根据移动台的大致位置将定位辅助信息(例如差分西南交通大学硕士研究生学位论文第页GPS校正数据、移动台大致位置、可见卫星列表、卫星信号多普勒频率以及相应的搜索窗口等)通过无线通信网络传送给移动台以协助移动台内的GPS接收机定位。移动台根据这些辅助信息可以大致知道自己的位置以及所需要搜索的卫星的范围因此可以大大减小搜索的范围和搜索窗的宽度提高定位的响应速度。使用这种结构移动台在每次定位前都可以获得必要的辅助数据所以在两次定位间歇期间GPS接收机可以保持休眠状态从而大幅度降低移动台的能耗延长待机时间在实际系统当中GPS接收机可以安放在基站上形成GPS参考网络并与无线通信网络相连。其结构如图所示。利用GPS技术可以实现高精度的定位但是需要在现有的移动台中嵌入GPS模块显然将增加定位成本在移动用户对定位精度要求不高的情况下采用GPS辅助的方法实现定位服务则经济可行性较低。同时GPS信号在室内屏蔽很严重很难实现室内环境下准确定位。..推算定位通过连续收集移动台的某种信息然后通过推算得到移动台的位置信息。该方法优点是仅仅需要一个基站参与定位服务但是要求移动台处于移动状态才能够实施定位计算。图.给出了一种利用角度信息推算的定位方法的几何解释如图所示每隔一段时间进行一次测量设移动台与基站之间夹角为ii=,.移动台起始坐标为(xy)移动台匀速运动其速度为(v。、ry)采样间隔为T基站坐标为(OO)。则存在以下方程XiTvtan(e,)=上i=,.().Y十l』Vj(.)式存在个未知数理论上只需要个线性不相关的方程就可以解出所有未知数模糊问题也可以通过服务小区扇区信息或者增加采样数据予以解决。如果移动台处于加速度运动状态设加速度为(’')则方程()可改写为西南交通大学硕士研究生学位论文第页tanfO,):xiTvy{v,一(iT)f:l..()yiTv{v(fr)理论上只需要个线性不相关的方程就可以解出(.)式中全部未知数。但此方法得到的移动台定位信息精度较差尤其角度扩散会严重影响算法稳定性。图推算定位方法.定位方法性能指标及比较考察一种定位方法的性能主要需要评估算法的定位精度、实现复杂度和适用范围三个方面。下面就这三个方面做一论述。..定位精度为了准确评价各种定位算法的性能需要首先确定评价定位准确率的指标当前定位精度一般采用以下几种指标进行描述。均方误差(MSE)设移动台坐标(xy)估计值(量夕)则均方误差表达式为:MSE=研一j)一力】()MSE是一种常用的评价估计性能的检测量它反映了估计值与准确值的分散程度。但是当估计值(量多)中存在个别较大误差值时会导致MSE增大故采用MSE并不能准确描述定位结果性能因此人们提出了圆概率误差来西南交通大学硕士研究生学位论文第页描述定位性能。圆概率误差(CEP)假如以移动台坐标(xy)为圆心半径为r的圆内出现的概率为%那么这个半径r就被称之为圆概率误差。CEP有以下几种估算式(设瓦>坑)aCEP=o.(仃盯。).n默苗孔()o.s印溉毒nsCEP=.(以一)x(.i)CEP=.max(o'吒)O.min(ax吒)()其中疋和点分别为定位结果在x坐标上和Y坐标上的方差上面几种估计方法中(.)式精度最高误差小于%(.)和(.)计算相对简单但是误差高一些一般误差小于%。落入误差圆概率落入误差圆概率定义为结果落入以移动台坐标位置为圆心误差r为半径的园内的概率。前面提到的FCC要求的定位精度就是按此方法确定的。如概率%的情况下定位精度m则表示定位结果落在以移动台位置为圆心半径为m的园内概率为%。定位精度的几何稀释(GDoP)任何一种定位系统对不同空间位置的目标其定位精度是不同的。这就意味着目标位置的定位误差与移动台相对于基站的几何关系是密切相关的。不同几何布局的基站对同一空间位置上的移动台其定位误差是不同的因此需要研究定位误差与定位基站几何布局之间的关系。为了描述定位误差与几何的关系定义一个名词“定位精度的几何稀释”即GDOP(GeometricalDilutionofPrecision)其在二维平面内的表达式如下GDOP=(《g)()其中正和坑分别为定位结果在x坐标上和Y坐标上的方差。西南交通大学硕士研究生学位论文第页表定位方法比较实现复杂度适用范围定位方法需要最需要定位参算法复适用服务适用情况少基站阵列数获取杂度系统质量数天线复杂度圆周定位无简单中等GSM较好宏蜂窝CDMA微蜂窝双曲线定位无中等复杂CDMA最好宏蜂窝微蜂窝方位角定位要较复杂简单CDMA较差宏蜂窝圆周直线定l要中等中等CDMA较好宏蜂窝位方法双曲线直线要复杂较复杂CDMA较好宏蜂窝定位方法信标辅助定无简单简单GSM较差微蜂窝位CDMA微微蜂窝电子地图辅I无简单中等GSM中等特殊环境助定位CDMAGPS辅助定l无复杂中等GSM好任何室外位CDMA环境’推算定位l要中等复杂CDMA较差移动台运动西南交通大学硕士研究生学位论文第页..实现复杂度和适用范围作者将上面讨论的各种定位方法的实现复杂度和适用范围进行归纳比较结果如表.所示。该表只是给出定位算法实现的基本条件如时间信息的获取仅仅需要一个天线即可但如果有阵列天线参与测量时间信息当然可以大大提高测量精度。.本章小结本章首先讨论了各种定位算法实现的基本几何原理同时针对无线蜂窝定位特点将部分方法的求解公式做了进一步的完善和推导。并且讨论了几种定位精度表述的指标。最后作者对各种定位算法在无线蜂窝中的实现进行归纳和比较。西南交通大学硕士研究生学位论文第页.概述第章CDMA手机被动定位方案基于专用定位设备对CDMA手机的被动定位可以采用两种方案多站方案和单站方案。前者采用类似于蜂窝网的方式在特定的监控区域周围建立三个以上的固定信号接收站基于TDOA技术对目标手机进行定位后者则是利用一个具有良好机动性(车载)的单一定位站采用适当的定位技术对目标手机进行定位如图.所示。采用多测量站的被动定位方案由于与基站天线相比其测量站接收天线通常架设较低、体积小、增益低因而其信道环境更加险恶对目标信号进行捕获、跟踪、参数估计会遇到很多困难特别是在城市环境中远近效应和信号的可测性使得其工作很不稳定对目标的捕获和定位概率不高且由于只能监控固定区域无法机动移动使得其应用范围很有局限。受业务性质的限制考虑系统复杂性、快速机动性、实用性等要求基于单站的被动定位更适合满足有关业务部门的需要。图CI)I姒手机被动定位示意图在目前研究的各种针对蜂窝手机进行定位的主动或被动定位系统中多数都是基于TDOffTOA技术进行定位估计为此需要在多个定位站测量手机发射信号的特征信息或在手机测量多个基站发射信号的特征测量值。这种西南交通大学硕士研究生学位论文第页方案具有受GDOP影响较小定位精度较高等诸多优点但同时也存在组网复杂、不能机动、反应慢、受远近效应和可测性问题的影响大、监控区域固定且比较小等显著缺点.如果单站被动定位系统要采用TDOA/TOA技术则必须采用长基线的固定的天线阵列【】这样就无法满足定位站为车载和移动方便的要求。一副车载的天线阵列由于能测量的信息很有限只能测量一个手机发射信号的TOA、AOA和到达信号强度(SSOA)信息且TOA信息的测量还会面临同步等诸多困难因此这些信息还不足以实现对目标手机的准确定位。为此我们考虑充分利用蜂窝网络能提供的一些有用信息例如手机测量的多个基站信号强度信息实现对目标手机的单站定位。在现有的蜂窝网络中为实现小区切换的需要手机都要按一定周期测量周围多个基站发射信号的强度信息。对于GSM手机来说在通话或小区切换时手机都要主动向服务基站报告其定期测量的临近基站的BCCH信号强度对于CDMA手机则只有在小区切换时手机才会向服务基站报告其定期测量的临近基站的导频信号强度否则必须要服务基站发出协议中规定的相关指令手机才能上报】。为此我们希望通过欺骗方式诱使目标手机向基站发射导频信号强度测量报告再从空中接口截获手机咱勺这些测量信息结合定位站自身测量的各基站信号强度信息其天线阵测量的手机AOA信息和部分蜂窝网络系统信息就可能实现对目标手机的准确定位i无论手机处于通话状态还是待机状态只要目标手机和定位站在同d,区或相邻小区都能实现对手机的定位操作并且不被手机用户察觉目标手机位置还可以在电子地图(车载方式)上形象直观地显示出来还可以进行连续定位跟踪。.基于协议的可行性分析通过详细分析(MHzCDMAX数字蜂窝运动通信网空中接口技术要求层信令》中所述移动台与基站间的信令交互过程我们发现手机向基站发射的‘'PilotStrengthMeasurementMessage(PSMM导频信号强度测量报告)”这条信令中包含我们定位所需的定位参数。该信令用于向基站汇报有效集和候选集中每一个基站的信号强度它也用于向基站报告相邻集或剩余集西南交通大学硕士研究生学位论文第页中某个信号突然增强的基站的情况。当下列情况之一发生时移动台在反向话音信道中发送该信令:l、相邻集或剩余集中的某个基站的Pilot信号强度超过了门限TADD:、候选集中的某个基站的Pilot信号强度超过了有效集Pilot信号强度乘以TCOMPx.dB)、有效集中的某个基站的Piloff言号下降检测定时器计时至零、移动台在前向话音信道收到信令PilotMeasurementRequestOrder其中第四项中的PilotMeasurementRequestOrder信令是由服务基站向移动台发射的信令。由于我们的定位方案是被动定位而非由服务基站通过发送信令而定位移动台的主动定位所以这种情况不予考虑。前三种情况均为移动台在进行小区切换时发生的情况。由此看出我们确定的定位方案和小区切换有密切关系。因此下面就详细分析一下移动台进行小区切换的过程中是如何上报导频信号强度的...移动台在各状态下的越区切换过程移动台的工作分为初始态、空闲态、系统接续态和话音信道控制态四个状态。移动台在初始态主要是选择系统、初始化内部参数和采集导引信道信号及同步信道信息随后马上进入空闲态。所以移动台在小区边界活动时有可能处于空闲态、系统接续态和话音信道控制态这三种状态下面分别介绍移动台在不同状态下如何进行越区切换。a.移动台在空闲态下的越区切换空闲态下的移动台仍在监测基站的Pilot导引信号。当它发现邻近基站的信号强度足够大时就发生越区切换。在空闲态下对每一台移动台而言所有基站(及其PilotPN导引伪码序列的偏移)归并成三类:有效集、相邻集和剩余集。有效集指移动台当前监测的基站相邻集由基站信令NeighborListMessage指定是那些有可能成为越区切换的候选基站剩余集是指所有剩下的、其PilotPN偏移是PILOT烈C值(由NeighborListMessage信令规定)整数倍的基站.西南交通大学硕士研究生学位论文第页.空闲态下移动台用一窗口(指PilotPN偏移大小)来搜寻有效集、相邻集、剩余集内的各基站Pilot信号一旦发现相邻集或剩余集内的某一基站Pilot信号强度比有效集中的大就进行越区切换。越区切换时移动台根据新基站的情况采取相应的措施。若新基站与原基站具有相同的配置(即NeighborListMessage信令中的NGHBRCONFIG=)则移动台即转入新的PilotPH偏移载波跟踪监测信道号相同的Paging信道若新基站与原基站配置不同(NGHBRCONFIG=)则移动台转入新的PilotPN偏移载波跟踪监测新基站的主Paging信道(即PAGECHAN=)若新基站与原基站载频不同(NGHBRCONFIG=)则移动台从当前的CDMAChannelListMessage信令中选取第一个CDMA信道号作为新的载波频率并跟踪监测其主Paging信道(即PAGECHAN=)若新基站不在相邻集或虽在相邻集但其情况不清楚(NGHBRCONFIG=)则移动台重新捕获载波。b.移动台在系统接续态下的切换移动台在系统接续态下只对基站的Pilot导引信号进行监测并更新切换列表但不报告移动台寻呼信道有效集中导引信号的强度。c.移动台在话音信道控制态下的越区切换在话音信道控制态下对每一个移动台而言系统内所有基站(及其PilotPN导引伪码序列的偏移)可分为有效集、候选集、相邻集和剩余集移动台只和有效集的基站建立通信链路但它保持监测其他集基站的Pilot导引信号的强度。同时移动台还根据越区切换过程进行的情况调整每个基站的类属。基站分为:.一有效集:指当前与移动台建立通信链路的那些基站。在一般状况下移动台的有效集通常只有一个基站而在越区切换过程中可能包含两个或更多的基站。因为在MSRAKE接收机中有三个分支有效导频集中最多有三个导频信号。IS.A允许有效集合最多有个导频其中每个导频共用一个RAKE分支。基站通过使用分配消息和/或切换指示消息(HDM)通知移动台有效集合的内容。候选集:当前不在有效导频集里但是已经被MS接收有足够的强度表明与之相联系的前向业务信道能被成功解调的导频。候选集合的最大导频数西南交通大学硕士研究生学位论文第页为个。相邻集:当前不在有效导频集或候选导频集但在越区切换时可能成为有效集或候选集的基站并且对切换来看与候选导频集的导频特性类似。导频的邻域都是在邻近地区的扇区或小区。相邻导频集的最多值为基站通过寻呼信道的系统参数消息给移动台发送初始邻域列表。剩余集:在当前CDMA指配频率上在当前系统里的所有可能导频集(P几OTINCs的整数倍)但不包括在相邻导频集候选导频集和有效导频集里的导频。导频在这些组中的移动是由MS对导频信号强度的估计以及一组门限来确定的通过服务扇区来协调这种移动。MS比较导频信号之间的强度以及每个导频功率与接收到的前向链路的总功率之比以此来对导频进行估计。下面简单介绍一下这组门限:导频检测门限(T.ADD):此参数用作MS决定什么时候将一个导频从邻集移动到候选集和送一个导频强度测量消息(PSMM)到基站。门限比较(TCOMP):当候选集中的一个导频比有效集中的一个导频高TCOMP/时MS送PSMM向基站指示该导频可以进入有效集。导频去掉门限(TDROP):如果一个有效集或候选集的导频强度低于TDROP那么移动台就开始一个与该导频对应的切换结束定时器。衰减定时器门限(TTDROP):一旦一个有效集或候选集的导频强度低于TDROPMS就开始一个对应于该导频的切换结束定时器若该定时器超过TTDROPMS发PSMM指示该导频切换结束希望把它从激活或候选集移到邻集。下面讲述一个移动台在话音信道控制态下的越区切换的实例。假设移动台开始在A导频小区内如图所示。图越区切换示意图西南交通大学硕士研究生学位论文第页移动台从基站A所在小区向基站B所在小区运动途中发生越区切换。切换过程中的移动台监测到的导频强度变化如图处理过程如下:在()时检测出新导频B的强度高于TADD这时就向基站A发信令PSMM并将B移入候选集。B导频越来越强当比A的信号强TCOMP/时向基站A发PSMM。并且在()时向移动台发送切换指示消息HDM。’()时发切换完成消息HCM同时将B放入有效集。导频A越来越弱在()检测到强度小于TDROP就启动定时器T.TDRoP。在()定时器超时A仍低于TDROP就向基站A和B发送PSMM。在()移动台收到切换指示消息。在()将导频A放入相邻集同时向基站A和B发送HCM。基站A拆去与该移动台的话音链路移动台只与基站B保持通信越区切换结束。导频强度‘‘\/\/kTADDTDROP时间()()()()()()()l相邻集脓选皋有效集I相邻集f图导频强度变化示意图综上所述我们要想获得PSMM必须使移动台在话音信道控制态下进行越区切换

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