移動通信系統中的無線定位技術及其應用

董 峰

（鄭州城市職業學院，河南 鄭州 452370）

1 概念界定

1.1 無線定位系統

無線定位系統是指利用無線電波直線恒速傳播特性，通過測量固定或運動物體的位置以進行定位的技術。無線定位有雷達、無線電測向、無線電導航系統以及全球定位系統等，是實現定位應用的基礎。

1.2 無線定位技術

無線定位技術是一項新的短距離無線通信技術，是無線定位系統的一部分。無線定位技術具有定位精準高、覆蓋范圍廣、實時性好、穿透力強以及通信能力強等應用優勢，應用范圍更廣。狹義上講，無線定位技術的應用場合必須已知各節點物理位置的坐標信息，由傳感網絡通過內部節點之間的互相測距和信息交換構建全網節點，從而實現高精度和低成本的目的。廣義上講，無線網絡的定位包括自身和監控目標的雙重定位。目標定位的重點在于目標跟蹤，需要在自身定位的基礎上結合多角度進行測距和定位。無線定位方法主要包括基于測距與不測距的定位、基于部署場合的定位以及基于信息采集的定位[1]。

1.3 移動定位技術

移動定位技術是利用無線移動通信網絡，測量接收到的無線電波的一些參數，根據特定的算法精確測定某一移動終端或個人在某一時間所處的地理位置，以便為移動終端用戶提供相應的位置信息服務或進行實時的監測和跟蹤。常見的定位技術包括基于移動網絡的定位技術、基于移動終端的定位技術以及混合定位技術3種。移動定位技術是基于無線定位技術與移動通信技術的新興技術。為方便開展移動通信業務，部分移動業務將其與無線定位系統相結合。

2 無線定位技術的定位性能及定位誤差

2.1 定位性能

無線定位技術的定位性能包括定位精度、覆蓋范圍、刷新速度、功耗以及代價5個指標。定位精度指標主要是提供位置信息，包括相對精度和絕對精度，且直接影響定位的精準度。GPS室外的絕對精度為1～10 m，實際應用到導航系統中的定位精度為5 m，室內的定位精度為30 cm。假設兩節點間的距離為20 m，定位進度為2 m，則相對進度為定位進度的10%。相對精度是一個變化著的指標，未知位置節點的網絡影響著定位精度的誤差。覆蓋范圍是一項與定位精度相反的指標。例如，無線藍牙的定位精度為5 m，覆蓋范圍可以達到150 m。定位精度越大，它的覆蓋范圍越小。刷新速度指位置信息刷新的頻率，影響用戶位置的使用情況。功耗是計算傳感網絡消耗能量的指標，而代價指標主要指定位系統的算法代價。算法代價的指標包括安裝時間、配置時間、定位時間、網絡節點數量、硬件尺寸以及實現定位系統的算法的基礎設施、節點設備及總費用等[2]。

時間定位法是無線定位技術實現精確定位的主要方法，包括二維平面內和三維平面內的時間差定位。二維平面內的定位通過信號到達兩測量站的時間差確定一條雙曲線，再利用雙曲線產生的交點實現定位；三維平面內的定位通過信號到達多個基站后產生多條雙曲線，再通過雙曲線線面相交的點實現定位。

2.2 定位誤差

無線定位誤差原因較多，包括基站位置誤差、基站間同步誤差、天氣及氣候的影響、移動臺時鐘誤差、定位算法誤差以及基站天線的影響等。其中，部分誤差難以確定和避免，無法消除只能減少。定位誤差產生的根本原因是產生了三邊測量誤差。三邊測量誤差越大，信號傳播和定位時產生的誤差就越大。因此，加強控制和改進三邊測量法是減小誤差的關鍵。

3 移動通信系統中無線定位技術的應用

3.1 神經網絡系統中的無線定位技術

蜂窩網絡是第二代移動通信系統的主要通信方式，包括移動站、基站子系統以及網絡子系統3個部分。蜂窩網絡的建設與發展為無線定位技術提供了更好的信息傳輸服務，吸引了更多的GSM用戶和CDMA用戶，而這些用戶是移動定位業務訂購的主要對象。它在技術方面應用了無線局域網技術、超聲波技術、RFID技術以及紅外技術等，將室內的定位精度提高到10 m以內。基于蜂窩移動網絡無線定位技術主要包括時間定位、強度定位以及混合定位。其中，時間定位技術在目前移動通信系統中應用最廣泛。以基站為圓心，通過測量基站到移動臺的信號傳播速度計算二者之間的距離，再利用時間轉化的距離確定交點坐標的位置，從而得到移動臺的二維位置坐標。強度定位是利用信號強度與移動臺到基站距離的反比關系估算移動臺的位置坐標。定位精度地域時間定位技術主要應用TDOA定位算法、AOA定位算法、TDOA/AOA定位算法、TOA/AOA定位算法以及蜂窩無線定位算法等[3]。

3.1.1 TDOA定位算法

TDOA定位算法利用時間差進行定位，以信號源到各個監測站的距離為信號位置，先測量信號到達監測站的時間，之后確定信號源距離和絕對時間，利用雙曲線的交點進行定位。TDOA算法圖解如圖1所示，常用的TDOA取值方法如下：

3.1.2 AOA定位算法

AOA定位算法是一種基于信號到達角度的定位算法，是典型的基于測距的方法。根據硬件設備感知發射節點信號的到達方向，計算信號接收節點與錨階段之間的相對角度，如圖2所示。采用三角測量法計算位置節點的位置實現無線定位，計算公式如下：

圖2 AOA定位算法圖解

3.1.3 TDOA/AOA定位算法

TDOA定位方法主要是根據測量接收信號在基站和移動臺之間的到達時間轉換為距離進行定位。該方法至少需要3個基站才能計算目標的位置。AOA定位方法，要是測量信號移動臺和基站之間的到達角度，而以基站為起點形成的射線必經過移動臺，兩條射線的交點即為移動臺的位置。該方法只需2個基站就可以確定MS的估計位置。TDOA算法與AOA算法為基本算法，當能夠同時獲取到TDOA信號和AOA信號時，可以采用這兩種混合定位的算法進行定位，從而確定移動臺的準確位置。

3.1.4 TOA/AOA定位算法

TOA定位算法依賴節點之間信號傳播的時間差實現目標定位，主要應用于室內無線定位。與TDOA算法不同的是，TOA利用圓周和圓球的曲面交點實現精準定位，在TDOA雙曲線交點定位的基礎上進行定位。TOA定位算法對移動通信系統的帶寬要求較高，超寬帶系統為信號傳輸提供了良好條件，測量時的分辨率極高，進一步提升了定位的精準度。

TOA定位算法依據測量接收信號分別到達基站和移動臺的時間，將時間轉換為距離，由三邊距離確定目標位置，主要應用于多基站間的定位。應用TOA定位算法時，移動通信系統至少要滿足3個基站，詳細定位如圖3所示。當能夠同時獲取到TOA信號參數和AOA信號參數時，可以混合使用兩種算法以提高定位的精準性[4]。

圖3 TOA算法圖解

3.2 數據融合中的無線定位技術

數據融合中的無線定位技術是利用定位估計數據融合模型實現TOA和TDOA數據的測量及融合，利用TOA和TDOA定位算法確定TOA值和TDOA值，從而實現對目標位置的混合定位，計算方程如下：

其中：x0與表示TOA和TDOA定位算法的平均值；xm表示TOA和TDOA定位算法的方差；xc表示數據融合定位后的估值；σc表示數據融合定位后的方差值。

部分地區的移動基站數量設置有限，基站信號只覆蓋了一部分區域，無法滿足移動定位的需求。因此，為了提高數據融合定位的精準度，將GPS定位技術與數據融合定位系統相結合，由GPS提供終端信號，可利用GPS的測量值計算TOA值與TDOA值，從而有效提高基站覆蓋范圍移動臺的定位精度。

4 移動通信無線定位業務的應用

4.1 緊急救援

位置服務功能是移動通信系統的新業務，可利用基于蜂窩定位技術的移動無線定位技術，開發移動通信設備的位置服務功能。當用戶遇到緊急狀況撥打電話請求緊急救援時，用戶手中具有位置服務功能的移動設備與衛星基站間通過信號傳播鎖定目標位置，從而向救援人員提供精準的定位。救援人員根據定位進行搜索，有助于提高搜索效率，縮短救援時間[5]。

4.2 車輛導航與智能交通系統

隨著城市交通壓力的增加，智能交通管理系統的應用需求明顯上升。智能交通管理系統需要通過定位獲取車流的信息數據，結合獲取到的動態化車流參數進行路線規劃和推薦，完成車輛的分流和交通的減壓。現代汽車的車載導航可以為智能交通管理系統提供準確的定位，這種導航定位與跟蹤功能通過移動無線定位技術實現。汽車安裝移動車載平臺后，只要在基站覆蓋范圍內，移動通信系統就可以借助移動臺和基站之間的距離實現對車輛的定位，并將定位信息傳輸給智能交通管理系統車輛調度中心，作為交通分流管理的依據。

5 結 論

無線定位技術依靠傳感網絡確定位置信息，節點的位置是傳感網絡用于數據監測的關鍵。傳感網絡在接收到無線信號的時間、強度以及相位等參數時，應用神經網絡技術和數據融合網絡技術的定位算法計算移動用戶的精準位置，定位系統再將位置傳輸給移動通信系統，從而實現無距離的位置鎖定。將移動定位業務應用于緊急救援、車輛導航以及智能交通系統，可實現移動定位業務對用戶的定位服務，可以為用戶提供更多的移動通信業務。移動通信定位業務的應用場合將隨著網絡通信技術的提升而不斷擴大，實現多個基站信號的發射與接收，從而提高移動通信設備的定位精度。屆時，移動定位業務將從個人用戶推向商用，從而得到更加廣泛的應用。