蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)及應用

1、蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)及應用一、前言近年來，隨著蜂窩移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，蜂窩無線定位技術(shù)越來越受到人們的重視。這主要歸因于政府的強制性要求和市場本身的驅(qū)動。FCC于1996年10月頒布了無線E9ll呼叫應急服務功能，其核心是要求所有移動通信網(wǎng)絡必須分階段的提供緊急呼叫用戶的經(jīng)緯度位置信息。針對E911定位需求的具體實施，各國主要大公司均就GSM、IS95CDMA以及第三代移動通信系統(tǒng)開始制定各自的定位實施方案。特別是3GPP和3GPP

2、2上對定位的要求更加具體化，這也是對蜂窩無線定位市場潛力的肯定。另一方面，移動通信用戶對移動定位業(yè)務的需求日益迫切。蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)能夠在移動臺處于空閑狀態(tài)或通話狀態(tài)的情況卜獲取其地理位置等信息，利用移動臺的定位信息，運營商可以1hJ用戶提供各種增值業(yè)務，如位置環(huán)境信息查詢、緊急救援、智能交通、廣告發(fā)布等等，同時還可以作為移動通信網(wǎng)絡運行、維護和管理的輔助數(shù)據(jù)。到目前為止，基于蜂窩網(wǎng)絡的無線定位技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進展?？梢灶A

3、見在未來幾年內(nèi)，基于蜂窩網(wǎng)絡定位技術(shù)的移動業(yè)務將得以迅猛的發(fā)展。二、蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)利用移動蜂窩網(wǎng)絡對移動臺定位的方法主要有三類，(l)基于電波場強的定位技術(shù)；(2)基于電波到達入射角(AOA)的定位技術(shù)；(3)基于電波到達時間(TOA)或到達時間差(TDOA)的定位技術(shù)。1場強定位技術(shù)電波場強定位技術(shù)根據(jù)移動臺接收的信號強度與移動臺至基站的距離成反比關(guān)系，通過測量接收信號的場強值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號的場強值可以估算出收發(fā)信

4、機之間的距離，由多個距離測量值(至少三個)可以估算移動臺的位置。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何建立一個能夠準確的反映服務傳播范圍內(nèi)的無線電波傳播模型，這在實際應用中很難實現(xiàn)。除此之外，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線有可能傾斜、無線系統(tǒng)的不斷調(diào)整以及地理環(huán)境、車輛等因素都會對定位精度產(chǎn)生影響。由于移動通信環(huán)境中電波傳播的復雜性，決定了這？技術(shù)在定位精度上的局限性，但是由于該技術(shù)比較簡單易行、在對精度要求不是很高的情況下仍被采用。為了改善其性能，人們

5、開始研究利用電波傳播中的射線跟蹤方法來逛一步提高定位的精度。2到達入射角的定位技術(shù)電波到達入射角的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來測出移動臺來波信號的人射角、構(gòu)成從基站到移動臺的徑向連線，即測位線，這兩條連線的交點即為目標移動臺的位置。由于兩條直線只能相交于？點，這種方法不會產(chǎn)生定位模糊性。但是它需要在每個小區(qū)基站上放置4？12組的天線陣。這些天線陣？起工作，從而確定移動臺發(fā)送信號相對于基站的角度。當有多個基站都發(fā)現(xiàn)了該信號源時，那么它們分

6、別從基站引出射線，這些射線的交點就是移動臺的位置。AOA的優(yōu)點在于它僅需要兩個基站參與便可實現(xiàn)移動臺定位，同時不存在移動臺位置的模糊性問題。但是該技術(shù)需要在現(xiàn)有的基站增加天線陣列，由此增加了大量的建設費用。與此同時，電波到達入射角估計會受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無線信號波陣面扭曲的影響，移動臺距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差也會導致定位距離的較大誤差。3到達時間到達時間差的定位技術(shù)到達時間／到達時間差的定位技術(shù)是基于蜂窩網(wǎng)絡

7、的無線定位系統(tǒng)應用最廣泛的一項技術(shù)。到達時間定位技術(shù)通過測量從目標移動臺發(fā)出的信號以直線到達基站的時間，根據(jù)電磁波在空中的傳播速度可以得到移動臺與基站之間的距離。移動臺即位于以基站為圓心，X=1X=2X=3X=4X=5鄉(xiāng)村98.3%86.3%57.1%33.8%16.7%郊區(qū)91.9%80.9%69.2%56.7%44.1%城市100.0%96.8%92.4%85.0%76.2%5幾何精度因子（GDOP）參與定位的各基站之間的相對位置、

8、移動臺與基站之問的相對位置的差異造成的幾何精度因子(GDOP)的不同也會影響定位算法的性能，造成定位精度的差異。特別是在高速公路附近，基站沿著高速公路直線分布的情況下，TDOA的定位精度將嚴重惡化。為此，人們提出采用TDOAAOA混合定位技術(shù)來克服這種由于基站地理位置帶來的對定位準確度的影響。四、蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)應用根據(jù)美國權(quán)威機構(gòu)戰(zhàn)略集團的最新預測，到2005年僅在歐洲市場無線定位服務市場的收入就可達到320億美元，遠遠超出移動運

9、營商的現(xiàn)有單項增值服務可帶來的收入。此外，隨著人們對公共安全和緊急救援日益增長的需求，基于移動定位的增值業(yè)務也開始得到業(yè)界越來越多的關(guān)注。近年來，隨著對蜂窩網(wǎng)絡無線定位技術(shù)研究的不斷深入，基于現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的無線定位的性能得到了很大的改善和提高，據(jù)筆者了解，現(xiàn)有的部分商用移動臺定位系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供約40米的定位精度，并且這一數(shù)據(jù)還將被逐步刷新。這就為移動運營商開展基于移動臺位置信息的增值業(yè)務提供了良好的技術(shù)基礎。結(jié)合移動核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)

10、的網(wǎng)絡信息資源，移動定位技術(shù)有著廣闊的應用前景。從商業(yè)服務角度來說它主要可以分為個人定位應用和企業(yè)級定位應用。個人定位應用通常是指面向移動臺用戶提供定位服務，主要包括基于位置的信息查詢和發(fā)布、導購導游導航以及弱勢群體監(jiān)護和救助。企業(yè)級應用則是一種面向集團手機或?qū)Ｓ媒K端客戶提供定位服務，如交通監(jiān)控和車輛調(diào)度、防盜保安、基于位置差別收費和欺詐管理等。下面將列舉幾種主要的具體應用：1移動臺位置敏感型計費基于用戶位置的計費方式將是未來移動通信運

11、營商拓展業(yè)務，吸引客戶的重要手段。不同的用戶在移動電話的使用和收費上對運營商提出的要求也各不相同，運營商為了適應用戶的這種需求采取了不問的收費方式來滿足各種用戶的需要，例如按照移動臺使用的頻率和時間段不同實行不同的資費標準。隨著移動定位業(yè)務的提出，移動通信運營商又可以增加一種新型的收費方式，即按移動臺的使用位置靈活收費，在呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費用，達到調(diào)節(jié)蜂窩系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)整體利用率的目的

12、，這將有利于運營商擴大業(yè)務，增加收入，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡資源的經(jīng)濟效益最大化?；谝苿优_位置信息的計費系統(tǒng)可以采用如廠的收費策略，(l)在家里和／或辦公室內(nèi)，可以適當降低通話價格，從而與固定電話運營商展開競爭；(2)用戶進行大范圍漫游時，則需支付較高的通信費用；(3)在密集的商業(yè)區(qū)內(nèi)提高收費標準，減小該區(qū)域的系統(tǒng)負載；這種基于移動臺位置信息的計費策略對于運營商和用戶而言是雙贏互惠的。2緊急救助近年來由于移動用戶的快速增長，移動用戶的報警呼

13、叫和求助呼叫的數(shù)量也急劇增加，據(jù)美國公眾安全機構(gòu)的1999年的調(diào)查報告顯示：有15%到40%的緊急呼叫(911)是來自于移動電話的，其每年呼叫總次數(shù)超過一千萬。但是，在很多情況下公眾安全應答服務機構(gòu)(PSAP)無法獲知報警者的具體位置，移動用戶也不能準確地提供其所在的地理位置信息這將會大大延長PSAP的反應時間，以至于不能給報警者以及時的救助。利用蜂窩網(wǎng)絡定位技術(shù)，報警者在撥打應急服務號碼后，移動定位系統(tǒng)就能立即識別出來，并對呼叫手機進