基于蜂窩移動通信系統單基站定位技術研究

劉利國 梁景遠 韓勇

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基于蜂窩移動通信系統單基站定位技術研究

劉利國 梁景遠 韓勇

中國聯合網絡通信有限公司棗莊市分公司，山東 棗莊 277100

蜂窩無線通訊技術的發展為移動通信系統的功能性產生重要影響，將其應用于移動電話中，不會浪費頻譜資源，定位時也不會受到周圍遮擋物的影響，定位的可靠性大大提升，分析了幾種常用的蜂窩無線定位方法，并研究了基于蜂窩移動通信系統單基站定位技術。

蜂窩移動通信系統；單基站；定位技術

隨著信息技術的發展，無線定位技術越來越成熟，并被廣泛應用于交通、軍事等領域中。近幾年，通訊技術發展迅速，移動通訊用戶數量逐漸增多，對移動定位功能的需求也越來越大，對移動臺定位技術的研究逐漸深入。由于GPS定位技術涉及到成本、體積、功耗等諸多問題，其被應用于移動定位中的可能性不大，蜂窩無線定位技術則表現出了更多的優勢，因此對該項技術進行深入研究是非常有必要的。

1 幾種常用的蜂窩無線定位方法

首先是對信號強度進行測量，這是一種比較原始的方法，信號的衰減強度越明顯[1]，說明移動臺與基站之間的距離就越遠。幾個基站共同測量、計算，對結果進行融合，就可以得到移動臺的位置。其次是對信號到達角度進行測量，也就是平時我們所說的AOA，測量過程中需要將單元陣列作為基礎。測量不同基站的AOA時，會得到一個三角形，將三角形的幾何關系作為依據進行推斷，為了實現這一目標，得到移動單元的位置。最后是對無線電波的到達時間進行測量，這種方法利用了無線電波的傳播特征。實際應用中，為了提高測量的準確性，一般還會對差分到達時間進行測量，也就是我們平時所說的TDOA，主要是起到一種補償作用，滿足時間參考要求。

2 基于蜂窩移動通信系統單基站定位技術

2.1 AOA的獲取

首先是常規方法，其中比較典型的就是波束成型法，該種方法的最大優勢就是運算量小，目前被應用于雷達系統中。缺點就是分辨能力不強，會受到Raleigh限的制約，在一個波束寬度內，它是無法識別多個目標的，也就是說其精確定位能力不夠強。其次是參數模型法，將信號特征作為依據，利用AR模型對信號過程進行擬合，根據擬合結果對方位進行估計。如果信噪比較高、數據長度也足夠的話，往往能夠取得良好的預估效果。第三是子空間類方法，其將協方差矩陣特性作為基礎，大大提高了目標的分辨能力，這種方法不會受到Raleigh的制約，得到的方位參與非常準確，幾乎不會出現偏差。這種方法在定位領域中具備良好的應用前景。最后是解卷積方法，其將輸出數據作為兩種參數的函數卷積，一是目標信號，二是信道傳遞參數。根據這種函數關系來估計目標方位。

2.2 TOA的獲取

首先是模糊度圖法，其中比較常用的就是匹配濾波法，這種方法最大的優勢就是比較容易實現，算法算對簡單，從目前的情況來看也是最廣泛的應用方法。其缺點就是同時分辨多個目標的能力差，同時發射信號也會對分辨能力產生影響。其次是解卷積方法，需要先構造濾波器，接收到數據經過濾波器之后進行解卷積運算，得到定位數值。這種方法對濾波器穩定性有較高要求。再次是時延頻率法，就是在一定頻率范圍內，將發射信號與接收數據的頻譜進行對比，用高分辨方法來分析對比結果，得到估計值，實現定位。最后是特征結構法，其將方差矩陣特征作為基礎，并引入了MUSIC估算法，完成對相關參數的高分辨估計。這種方法的最大優點就是定位準確，但中間環節相對復雜，因此運算量比較大。

2.3 TDOA/AOA定位原理

其屬于一種混合定位系統，該種系統中共包含三個部分，一是基站，二是移動臺，三是定位設備。其中的定位設備屬于一種車載裝置，可以在移動過程中使用，主要用于定位發起和實現，是系統中最關鍵的部分，另外兩部分則是被動參與到定位中[2]。具體定位原理如下：

首先是獲取定位坐標，其中基站坐標表示為（xa，ya），由數據庫存儲和提供；定位設備的坐標表示為（x0，y0），是由GPS提供。二者定位精度相對準確，一般可以將誤差控制在10米內。根據兩點間距離公式可以計算出二者的距離。

其次是距離之和L1+L2，在授時系統的支持下，可以實現PN碼同步，這種同步幾乎不會出現誤差。定位過程中，移動臺會對基站進行監聽，獲取下行路線，進而得到PN碼，最終得到時鐘基準。由于延遲特性，所得到的時鐘基準會相對落后，落后的時差基本是固定的[3]，具體大小由L1決定。定位設備從功能上說與基站有一定的相似性，要求其時鐘基準和網絡同步，定位過程中，設備會對移動臺上行鏈路進行監控，與上一步一樣，會得到一個PN碼，得到時鐘基準，獲取時差，具體大小由L1和L2共同決定。

第三是獲取達到角，從列陣天線上獲取。

第四，從以上分析中我們可以看出，定位設備以及基站之間的距離是已知的，定位設備與移動臺、基站與移動臺的距離之和是已知的，達到角是已知的，定位設備與基站的坐標也是已知的。三者之間構成了一個三角形，根據角度、邊長關系就可以求得L1和L2的具體數值，得到移動臺的坐標，完成定位。以上就是單基站定位的基本原理，這一過程中使用了單臺定位設備。為了降低誤差，實際運用中可以使用多個定位設備，進行多次計算后求得平均值，這樣誤差會更小。

目前蜂窩無線定位技術被廣泛應用在移動通信系統中，可以滿足人們對定位功能的需求。值得注意的是，該項技術中所使用的設備具有可移動的特征，如果待測目標的位置不發生改變，可以通過改變定位設備的位置實現多點測量，效果與同時使用多臺定位設備是一樣的。

[1]牛志升，周盛.能效與資源優化的超蜂窩移動通信系統新架構及其技術挑戰[J].中國科學:信息科學，2012（10）:1191 -1203.

[2]周江，顧芳明.無線電定位技術在蜂窩通信系統中的應用及實現[J].通信技術，2003（04）:66-67.

[3]呂文明.試析無線蜂窩通信系統中的定位技術[J].科技創業家，2013（15）:115.

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