基于蜂窝移动通信系统单基站定位技术研究

刘利国 梁景远 韩勇



基于蜂窝移动通信系统单基站定位技术研究

刘利国 梁景远 韩勇

中国联合网络通信有限公司枣庄市分公司，山东 枣庄 277100

蜂窝无线通讯技术的发展为移动通信系统的功能性产生重要影响，将其应用于移动电话中，不会浪费频谱资源，定位时也不会受到周围遮挡物的影响，定位的可靠性大大提升，分析了几种常用的蜂窝无线定位方法，并研究了基于蜂窝移动通信系统单基站定位技术。

蜂窝移动通信系统；单基站；定位技术

随着信息技术的发展，无线定位技术越来越成熟，并被广泛应用于交通、军事等领域中。近几年，通讯技术发展迅速，移动通讯用户数量逐渐增多，对移动定位功能的需求也越来越大，对移动台定位技术的研究逐渐深入。由于GPS定位技术涉及到成本、体积、功耗等诸多问题，其被应用于移动定位中的可能性不大，蜂窝无线定位技术则表现出了更多的优势，因此对该项技术进行深入研究是非常有必要的。

1 几种常用的蜂窝无线定位方法

首先是对信号强度进行测量，这是一种比较原始的方法，信号的衰减强度越明显[1]，说明移动台与基站之间的距离就越远。几个基站共同测量、计算，对结果进行融合，就可以得到移动台的位置。其次是对信号到达角度进行测量，也就是平时我们所说的AOA，测量过程中需要将单元阵列作为基础。测量不同基站的AOA时，会得到一个三角形，将三角形的几何关系作为依据进行推断，为了实现这一目标，得到移动单元的位置。最后是对无线电波的到达时间进行测量，这种方法利用了无线电波的传播特征。实际应用中，为了提高测量的准确性，一般还会对差分到达时间进行测量，也就是我们平时所说的TDOA，主要是起到一种补偿作用，满足时间参考要求。

2 基于蜂窝移动通信系统单基站定位技术

2.1 AOA的获取

首先是常规方法，其中比较典型的就是波束成型法，该种方法的最大优势就是运算量小，目前被应用于雷达系统中。缺点就是分辨能力不强，会受到Raleigh限的制约，在一个波束宽度内，它是无法识别多个目标的，也就是说其精确定位能力不够强。其次是参数模型法，将信号特征作为依据，利用AR模型对信号过程进行拟合，根据拟合结果对方位进行估计。如果信噪比较高、数据长度也足够的话，往往能够取得良好的预估效果。第三是子空间类方法，其将协方差矩阵特性作为基础，大大提高了目标的分辨能力，这种方法不会受到Raleigh的制约，得到的方位参与非常准确，几乎不会出现偏差。这种方法在定位领域中具备良好的应用前景。最后是解卷积方法，其将输出数据作为两种参数的函数卷积，一是目标信号，二是信道传递参数。根据这种函数关系来估计目标方位。

2.2 TOA的获取

首先是模糊度图法，其中比较常用的就是匹配滤波法，这种方法最大的优势就是比较容易实现，算法算对简单，从目前的情况来看也是最广泛的应用方法。其缺点就是同时分辨多个目标的能力差，同时发射信号也会对分辨能力产生影响。其次是解卷积方法，需要先构造滤波器，接收到数据经过滤波器之后进行解卷积运算，得到定位数值。这种方法对滤波器稳定性有较高要求。再次是时延频率法，就是在一定频率范围内，将发射信号与接收数据的频谱进行对比，用高分辨方法来分析对比结果，得到估计值，实现定位。最后是特征结构法，其将方差矩阵特征作为基础，并引入了MUSIC估算法，完成对相关参数的高分辨估计。这种方法的最大优点就是定位准确，但中间环节相对复杂，因此运算量比较大。

2.3 TDOA/AOA定位原理

其属于一种混合定位系统，该种系统中共包含三个部分，一是基站，二是移动台，三是定位设备。其中的定位设备属于一种车载装置，可以在移动过程中使用，主要用于定位发起和实现，是系统中最关键的部分，另外两部分则是被动参与到定位中[2]。具体定位原理如下：

首先是获取定位坐标，其中基站坐标表示为（xa，ya），由数据库存储和提供；定位设备的坐标表示为（x0，y0），是由GPS提供。二者定位精度相对准确，一般可以将误差控制在10米内。根据两点间距离公式可以计算出二者的距离。

其次是距离之和L1+L2，在授时系统的支持下，可以实现PN码同步，这种同步几乎不会出现误差。定位过程中，移动台会对基站进行监听，获取下行路线，进而得到PN码，最终得到时钟基准。由于延迟特性，所得到的时钟基准会相对落后，落后的时差基本是固定的[3]，具体大小由L1决定。定位设备从功能上说与基站有一定的相似性，要求其时钟基准和网络同步，定位过程中，设备会对移动台上行链路进行监控，与上一步一样，会得到一个PN码，得到时钟基准，获取时差，具体大小由L1和L2共同决定。

第三是获取达到角，从列阵天线上获取。

第四，从以上分析中我们可以看出，定位设备以及基站之间的距离是已知的，定位设备与移动台、基站与移动台的距离之和是已知的，达到角是已知的，定位设备与基站的坐标也是已知的。三者之间构成了一个三角形，根据角度、边长关系就可以求得L1和L2的具体数值，得到移动台的坐标，完成定位。以上就是单基站定位的基本原理，这一过程中使用了单台定位设备。为了降低误差，实际运用中可以使用多个定位设备，进行多次计算后求得平均值，这样误差会更小。

目前蜂窝无线定位技术被广泛应用在移动通信系统中，可以满足人们对定位功能的需求。值得注意的是，该项技术中所使用的设备具有可移动的特征，如果待测目标的位置不发生改变，可以通过改变定位设备的位置实现多点测量，效果与同时使用多台定位设备是一样的。

[1]牛志升，周盛.能效与资源优化的超蜂窝移动通信系统新架构及其技术挑战[J].中国科学:信息科学，2012（10）:1191 -1203.

[2]周江，顾芳明.无线电定位技术在蜂窝通信系统中的应用及实现[J].通信技术，2003（04）:66-67.

[3]吕文明.试析无线蜂窝通信系统中的定位技术[J].科技创业家，2013（15）:115.

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