非視距環(huán)境下的無線定位算法及其性能分析.pdf

1、利用移動(dòng)臺(tái)的位置信息，除了可以為移動(dòng)用戶提供安全保障外，還可以增加系統(tǒng)性能，有效地管理網(wǎng)絡(luò)資源、調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量，提供基于位置信息的多種多樣增值服務(wù)。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位通常需要兩步，首先根據(jù)不同的定位類型，估計(jì)相應(yīng)的定位參數(shù)；然后根據(jù)估計(jì)出的定位參數(shù)，采用相應(yīng)的定位算法進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)的位置估計(jì)。在現(xiàn)代無線通信環(huán)境(特別是城市移動(dòng)環(huán)境)中，因受非視距(NLOS)多徑傳播、幾何精度因子等多種不利因素的影響，使得現(xiàn)有各種移動(dòng)終端(MS)定位方法都不可避免

2、地受到很大影響，導(dǎo)致其定位性能顯著下降，難以在非視距多徑條件下達(dá)到E-911定位精度要求。本論文主要針對無線定位過程中的第二步，致力于克服非視距多徑環(huán)境下的定位誤差，提出了一些精度高的無線定位算法并對其性能進(jìn)行了深入分析。 本文首先在分析NLOS多徑傳播對TOA/TDOA定位算法影響的基礎(chǔ)上，研究了克服NLOS誤差的新型無線定位算法。第一種克服NLOS誤差的定位算法是基于視距環(huán)境下經(jīng)典Chan和Taylor算法的協(xié)同定位算法。其

3、中，Chan是一種具有解析表達(dá)式解的非遞歸定位算法，具有計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，而且在視距傳播環(huán)境下是最大似然(ML)估計(jì)的高精度定位方法，但在NLOS多徑環(huán)境下其定位精度顯著下降。Taylor級(jí)數(shù)展開法是一種需要初始估計(jì)位置的遞歸算法，能夠適用于各種信道環(huán)境，在初始估計(jì)位置與實(shí)際位置接近的情況下能較快地收斂，得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，但當(dāng)初始位置選擇不好時(shí)算法將很難保證收斂。本文提出的協(xié)同定位算法，首先采用Chan氏算法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為T

4、aylor級(jí)數(shù)展開算法的初始值，然后采用Taylor級(jí)數(shù)展開算法再次對MS進(jìn)行定位估計(jì)。為了避免少數(shù)情況下Taylor算法定位結(jié)果的發(fā)散問題，本文提出了根據(jù)Chan和Taylor級(jí)數(shù)展開算法的定位結(jié)果進(jìn)行系數(shù)加權(quán)，然后根據(jù)加權(quán)系數(shù)對兩種定位方法位置估計(jì)值進(jìn)行處理，得出MS最終的位置估計(jì)值。研究結(jié)果表明，本文提出的協(xié)同定位方法在信道環(huán)境惡劣的情況下具有很高的定位精度，并能克服Taylor級(jí)數(shù)展開定位算法的發(fā)散問題。 本文第二種克服

5、NLOS多徑影響的定位算法是基于幾何約束關(guān)系的ML定位算法。該算法基于TOA測量值，首先利用任意3個(gè)TOA值，根據(jù)TOA值與移動(dòng)臺(tái)位置、基站位置之間的幾何關(guān)系，估計(jì)得到移動(dòng)臺(tái)的所有可能位置。然后利用ML算法，從所有可能位置中選擇出一個(gè)最有可能是移動(dòng)臺(tái)真實(shí)位置的估計(jì)值作為最后的定位結(jié)果。該算法能夠獲得最佳的估計(jì)值，可降低ML，計(jì)算復(fù)雜性，不需要移動(dòng)臺(tái)初始位置，能有效抑制NLOS誤差，從而提高定位精度。本算法不需要確切知道TOA的條件概率密

6、度函數(shù)，而且對TOA的條件概率密度函數(shù)參數(shù)誤差不敏感。由于受多徑傳播環(huán)境和功率控制等因素的影響，基于無線接收信號(hào)強(qiáng)度的定位算法精度受限。但由于其定位技術(shù)容易實(shí)施，費(fèi)用較小，不需要對移動(dòng)終端和基站硬件進(jìn)行修改，仍然大量應(yīng)用于GSM等無線通信網(wǎng)絡(luò)。本文針對現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了在不改變蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，如何利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供的參數(shù)獲得更高的定位精度。論文提出了基于場強(qiáng)差輔之以GDOP加權(quán)的數(shù)據(jù)融合定位方法，采用信號(hào)場強(qiáng)差作為

7、基本的定位方法，采用GDOP加權(quán)對定位中間結(jié)果進(jìn)行處理。通過利用某城市GSM網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)定位誤差小于300米時(shí)。采用本文提出的數(shù)據(jù)融合方法定位精度比常用的CI+TA方法提高了近8％。若對測量報(bào)告進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行定位，本文提出的方法在67％的概率下，定位誤差小于225米，定位精度高于其它方法。論文還對基于場強(qiáng)差的標(biāo)準(zhǔn)定位算法定位精度進(jìn)行了分析，得出了其CRLB界。 接著，論文討論了基于幾何

8、結(jié)構(gòu)的單次反射圓環(huán)模型，該模型是一種適用于對各種定位算法進(jìn)行分析的信道模型。通過對該模型的傳播時(shí)延特征進(jìn)行分析，本文提出了一種基于圓散射模型的TOA重構(gòu)方法來克服非視距對定位的影響。研究結(jié)果表明，這種方法在信道環(huán)境差的情況下能夠有效地提高無線定位精度。 由于未來無線通信將是不同網(wǎng)絡(luò)的融合與集成，網(wǎng)絡(luò)中各無線終端可以通過高速無線鏈路進(jìn)行互相協(xié)作以完成通信任務(wù)，也可能通過協(xié)作提高多徑環(huán)境下的無線定位精度。為此，本文研究了無線傳感器網(wǎng)

9、絡(luò)和無線蜂窩系統(tǒng)的協(xié)作定位問題。論文首先在分析現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的基礎(chǔ)上，針對其中的DV-Distance算法進(jìn)行了研究，提出了一種改進(jìn)的差分DV-Distance算法，使得算法定位精度明顯提高。針對下一代蜂窩通信系統(tǒng)中的協(xié)作定位，論文提出了一種高精度協(xié)作定位算法，并對其性能進(jìn)行仿真分析。 最后，論文對無線定位系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了研究。由于未來多種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)并存是必然趨勢，從定位服務(wù)而言，希望與具體移動(dòng)通信物理網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，并希