1、成都工業學院 通信工程系畢業設計論文畢業設計（論文）專 業 無線電技術 班 次 11612 姓 名 劉敦峰 指導老師 唐挺 成都工業學院二0一四年基于GSM網絡的定位系統的實現與研究摘要：自20世紀90年代以來,電子信息技術越來越多地滲入人類生活的各個方面, 尤其是隨著GSM蜂窩移動通信技術在中國特別是東南沿海地區的迅速普及,這為一些基于GSM網絡的功能開發提供了很大的發展空間。同時GPS全球衛星定位系統的民用化進程日益加快,特別是2001年5月1日,國外宣布從午夜開始停止SA(SEL ECTIVE AVAILABIL ITY)政策,即停止人為降低全球定位系統信號有效性的技術政策,民用定位精度

2、可比以前提高10倍以上,這為GPS的廣泛應用開拓了更廣闊的前景。如何將這兩種看似不相關的成熟技術結合起來,以解決GPS在應用中手持機中的定位數據只能留在自己手中,通過利用現代非常先進的GSM網絡進行傳輸,讓定位信息既能在手持和系統中主動顯示或傳輸,又能被有權訪問者隨時隨地訪問,以達到移動目標的定位信息無論遠近都可看、可訪、可存、可查的目的,這將在很大程度上擴大它的應用領域。本文主要針對基于GSM網絡的定位系統進行了簡單的理論分析,設計出實用可行的系統方案,建立了具體實施模型,描述了實現流程。關鍵詞 GSM網絡；定位技術 II目 錄第1章 緒論1第2章 GSM通信系統簡介32.1 GSM通信系統

3、的發展史32.2 GSM的系統功能52.3 GSM網絡系統構成5第3章 無線網絡定位技術簡介83.1 定位基本概念83.2 定位性能指標83.3 定位技術分類93.3.1 三角/雙曲線關系93.3.2 基于距離測量的定位技術93.3.3 基于角度測量的定位技術103.3.4 基于場景（信號指紋）分析的定位技術103.3.5 基于臨近關系的定位技術103.4 定位策略113.5 無線網絡定位技術113.5.1 蜂窩網絡定位技術113.5.2 Cell ID定位技術143.5.3 UTOA/UTDOA定位技術153.5.4 E-OTD定位技術153.5.5 智能天線AOA定位技術163.5.6 T

4、OA/TDOA定位技術163.5.7 AFLT定位技術163.5.8 WA-GPS定位技術173.6 主流定位技術小結173.7 結合無線傳播模型的融合定位17第4章 GSM網絡的定位技術194.1 GSM移動定位技術194.2 系統原理和方案214.2.1 基于網絡參數的定位技術214.2.2 系統方案224.2.3 算法總體框架244.2.4 數據預處理254.2.5 計算候選點與約束點26結 語30參考文獻31II第1章 緒論1.1 研究背景 目前國內移動網絡覆蓋了絕大多數地區，手機用戶已經超過3億，很多情況下，緊急救助是通過手機發出的。由于普通的手機還沒有定位功能，如果求助方本身不能說

5、出其所在的具體位置，將會耽誤救援工作。方便快捷地向移動目標提供與目標所處位置相關的信息，具有巨大的市場價值。隨著社會的快速發展，城市交通、公安指揮、物流網絡等系統的規模越來越大，其綜合性和復雜程度也越來越高，對系統資源進行高效、快捷、方便的調度，是達到高效經營和有效管理的必需手段。定位系統的綜合指標主要體現在系統功能、系統投入成本以及運行費用這三個方面。GPS定位系統的特點是：系統功能強大，定位精度高，但由于系統的投入大，故其應用難以大面積推廣。如果將GPS功能集成到移動平臺上，則需全面更改設備和網絡，增加成本；且用戶同時持有移動電話和GPS手機很不方便。所以直接通過移動臺實現定位，具有很大的

6、開發價值，移動通信的迅猛發展，也為實現系統功能和系統成本之間的平衡提供了很好的技術支持。 為了滿足對通信通信個人化及高速數據業務的迫切需要，第三代移動通信通信系統的標準（IMT-2000）制定和產品開發已成為全世界通信領域的熱點，實現移動終端的無線定位則是IMT-2000中一個重要研究課題。 根據美國聯邦通信委員會（FCC）的計劃，到2001年10月，所有蜂窩電話、個人通信系統、專用移動無線電的移動網絡許可運營商將以可定位概率67%，誤差為125m的精度要求為請求E-911的移動用戶提供位置信息1。 利用第三代移動通信系統將進一步提高定位精度。目前蜂窩網無線定位技術就算法來說已經較為完善，目前

7、的研究熱點主要集中在以下幾個方面： （1）基于3GPP協議的定位結構的設計。在第三代移動通信系統網絡全面鋪開后，基于3GPP協議，采用何種網絡結構進行定位既能保證定位精度，又能盡可能少的改動網絡結構的研究成為熱點。 （2）定位參數的提取。由于受多徑傳播、非視距傳播和多址干擾的影響，使得精確的定位參數提取比較困難。 目前已提出的多種算法對以上3種誤差進行抑制，但在建筑物較多的繁華市區定位精度仍不理想。 （3）對移動臺跟蹤服務研究。當移動臺處于移動狀態時，分次單獨定位容易出現各次定位計算結構相差較大，運動軌跡不連續。因此對移動臺跟蹤定位的研究顯得非常迫切。1.2 國內外研究現狀 無線定位技術的研究

8、始于20世紀60年代的自動車輛定位系統，隨后該技術在公共交通、出租車調度以及公安追蹤等范圍內廣泛應用。后來，隨著人們對基于位置的信息服務的需求增多，無線定位技術得到更多研究者的關注，近年來，隨著蜂窩移動系統的普及，定位技術開始應用于蜂窩系統設計、切換、服務區確定、交通監控等方面。當前的蜂窩無線定位系統中，為了避免對移動終端增加額外開銷，多采用的是基于網絡的定位方案，由多個基站同時接收檢測移動臺發出的信號，根據測量到的參數由網絡對移動臺進行定位估計。國外對于無線定位在移動通信中的應用也有所要求，例如，美國聯邦通信委員會（FCC）強制要求所有無線業務提供商，在移動用戶發出緊急呼叫時，必須向公共安全

9、服務系統提供用戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作。全球三大通信廠商:愛立信、摩托羅拉和諾基亞于2000年10月成立了“位置信息互操作論壇LIF（Location Interoperability Forum）”，其目標是在全球范圍內的無線網絡和終端上提供基于位置的服務LBS(Location Based Service)。歐洲電信標準化協會ETSI對GSM系統的無線定位也提出了一系列標準。GPS已經成為室內環境中一項非常成功的定位技術，而現今GPS與無線網絡融合起來形成的LBS熱，使得移動定位服務產業作為最具有潛力的移動增值業務而迅速發展。無線定位系統的功能性體系結構必須具備兩

10、個功能單元： 1)移動臺(MS、也稱定位節點)的位置估計。 2)和網絡共享某些屬性的此位置估計信息。定位系統測量來自移動終端的無線電波的有關參數，同時系統測量某些固定接收器或者某些固定發送器發送到移動接收器的無線電波參數。因此有兩種辦法可以獲得對MS的實際位置信息的估計：自我定位系統，即常被稱為基于移動終端為中心的定位系統，MS通過測量自己相對某個已知位置發送器的距離或者方向來確定自己的位置(例如GPS接收器)。遠距離定位系統，即常被叫做基于網絡的定位系統，它采用很多地理定位基站(GBS)一起來確定MS位置，可以通過分析接收信號的強度、信號相位以及到達時間等屬性來確定MS的距離，至于MS的方向

11、則可以通過接收信號的到達角來獲得，最終系統根據每個接收器測量到的移動終端的距離或者方向來聯合計算移動終端的位置。1.3 研究目標與內容 研究目標是實現基于GSM網絡的定位系統。 研究內容包括GSM網絡的相關技術簡介，無線網絡定位技術簡介，以及基于GSM網絡實現定位系統的原理和方法。第2章 GSM通信系統簡介2.1 GSM通信系統的發展史從20世紀20年代開始移動通信技術得到了發展，20世紀40年代進入了建設公用移動通信系統的階段。隨著移動通信的無線傳輸、信道管理及移動交換等技術的發展成熟，無繩電話、無線尋呼、陸地蜂窩移動通信、衛星移動通信等移動通信系統相繼發展起來。自20世紀80年代中期以來，

12、蜂窩移動通信從第一代的模擬蜂窩移動通信系統發展成第二代的數字蜂窩移動通信系統。作為歐洲一個數字蜂窩移動通信標準的GSM系統于1991年正式在歐洲面世，由于其公開的規范標準和諸多優點，很快就在全世界范圍內的到了廣泛的應用，實現了世界范圍內移動用戶的聯網漫游。截止2001年一季度我國移動用戶總數已達到1億戶（移動通信發展史如圖2-1所示）。GSM全名為Global System for Mobile Communications，俗稱"全球通"，是一種起源于歐洲的移動通信技術標準，是第二代移動通信技術，其開發目的是讓全球各地可以共同使用一個移動電話網絡標準 。GSM系列主要有G

13、SM900、DCS1800和PCS1900三部分，三者之間的主要區別是工作頻段的差異。蜂窩移動通信的出現可以說是移動通信的一次革命。其頻率復用大大提高了頻率利用率并增大系統容量，網絡的智能化實現了越區轉接和漫游功能，擴大了客戶的服務范圍，但上述模擬系統有四大缺點：各系統間沒有公共接口；很難開展數據承載業務；頻譜利用率低無法適應大容量的需求；安全保密性差，易被竊聽，易做“假機”。尤其是在歐洲系統間沒有公共接口，相互之間不能漫游，對客戶造成很大的不便。 GSM數字移動通信系統源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統在運營，例如北歐多國的NMT(北歐移動電話)和英國的TACS(全接入通

14、信系統)，西歐其它各國也提供移動業務。當時這些系統是國內系統，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統一使用移動電話，需要一種公共的系統，1982年，北歐國家向CEPT(歐洲郵電行政大會)提交了一份建議書，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業務規范。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會(ETSI)技術委員會下的“移動特別小組(Group Special Mobile)”，簡稱“GSM”，來制定有關的標準和建議書。 我國自從1992年在嘉興建立和開通第一個GSM演示系統，并于1993年9月正式開放業務以來，全國各地的移動通信系統中大多采用GSM系統，使得GSM系統成為目前我國最成熟和市場占有

15、量最大得一種數字蜂窩系統。截至2002年11月，中國手機用戶2億，比2001年年底新增5509.2萬。目前我國主要的兩大GSM系統為GSM900及GSM1800，由于采用了不同頻率，因此適用的手機也不盡相同。不過目前大多數手機基本是雙頻手機，可以自由在這兩個頻段間切換。歐洲國家普遍采用的系統除GSM900和GSM1800另外加入了GSM1900，手機為三頻手機。在我國隨著手機市場的進一步發展，現也已出現了三頻手機，即可在GSM900GSM1800GSM1900三種頻段內自由切換的手機，真正做到了一部手機可以暢游全世界。 早期來看，GSM900發展的時間較早，使用的較多，反之GSM1800發展的

16、時間較晚。物理特性方面，前者頻譜較低，波長較長，穿透力較差，但傳送的距離較遠，而手機發射功率較強，耗電量較大，因此待機時間較短；而后者的頻譜較高，波長較短，穿透力佳，但傳送的距離短，其手機的發射功率較小，待機時間則相應地較長。 緊急呼叫是GSM系統特有的一種話音業務功能。即使在GSM手機設置了限制呼出和沒有插入用戶識別卡（SIM）的情況下，只要在GSM網覆蓋的區域內，用戶僅需按一個鍵，便可將預先設定的特殊號碼（如110、119、120等）發至相應的單位（警察局、消防隊、急救中心等）。這一簡化的撥號方式是為在緊急時刻來不及進行復雜操作而專門設計的。AMPSTACSNMT其它GSMCDMA IS9

17、5TDMAIS-136PDC第一代 80年代模擬第二代 90年代數字第三代 IMT-2000UMTSWCDMACDMA2000需求驅動需求驅動模擬技術數字技術語音業務寬帶業務TD-SCDMA圖2-1 移動通信發展史2.2 GSM的系統功能GSM是一種提供話音、數據、補充業務等多種服務的系統。話音業務是GSM系統提供的基本業務，允許用戶在世界范圍內任何地點能同固定電話用戶、移動電話用戶以及專用網用戶進行雙向通話聯系。從電話中派生出的另一項業務是語音信箱，聲音信息被存儲，以備收方提取，在呼叫不能接通時，用戶可將聲音信息存入GSM的語音信箱；或者用戶直接接入語音信箱。 數據業務提供了固定用戶和ISD

18、N用戶所能享用的大部分業務，包括文字、圖象、傳真、計算機文件、訪問Internet等服務。補充業務如來電顯示、呼叫追蹤、短消息業務等。GSM通信系統可以與各種公用通信網互連互通，尤其與ISDN的兼容性，可提供更多的業務，各種接口規范明確，網絡適合未來數字化發展的要求。GSM組網結構靈活方便，能更有效地使用無線頻率，抗干擾性強，通信質量高，能提供相當好的話音質量。采用了鑒權、語音加密等技術使用戶信息安全性得到保證。在采用GSM系統的所有國家范圍內，可提供穿越國界的自動漫游功能。用戶終端更小、更輕便、功能更強。2.3 GSM網絡系統構成（1）系統組成蜂窩移動通信系統主要由交換網路子系統（NSS）、

19、無線基站子系統（BSS）和移動臺（MS）三大部分組成，如圖2-3所示。其中NSS和BSS之間的接口為“A”接口，BSS與MS之間的接口為”Um“接口。圖2-2 蜂窩移動通信系統的組成GSM網絡系統主要有以下幾個方面構成： 1）移動臺（MS）：包括手持機和傳統的車載臺，它們通過無線電波與基地站系統（BSS）通信。 2）基地站系統（BSS）包括基地收發站（BTS）和基地站控制器（BSC）。通常幾個BTS處在同一地點，形成2-4個扇形小區，共用一套發射天線。BSC通過微波鏈路與BTS連接，BSC和BTS之間的接口稱之為A-bis接口，通常，1個BSC可以控制20-30個BTS。一群BSS將向移動交換

20、中心（MSC）報告，由MSC控制不同小區的業務運營。每個MSC都有1個VLR（訪問位置寄存器），所有遠離自己所屬小區的手機都被登錄到VLR中，以便網絡知道到哪兒去找它們。MSC同時連接著歸屬位置寄存器（HLR）、身份鑒定中心（AUC）和設備號識別寄存器（EIR），這樣系統就可以知道是否是合法的用戶和手機，避免了被盜用的手機和故障的手機進入了網絡中。 3）其它設備：比如操作維護中心（OMC）、網管中心（NMC），MSC同時也和其它的網絡接口，如陸地移動通信專網（PLMN）、公共電話交換網（PSTN）和綜合業務數字網（ISDN）。 注意：BTS、BSC、MSC、和公共網之間是通過實線相連接的（電纜

21、、光纖鏈路或微波鏈路），只有基站和手機之間的接口是空間接口。GSM系統框圖如圖2-3所示，A接口往右是NSS系統，它包括有移動業務交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AUC）和移動設備識別寄存器（EIR），A接口往左是BSS系統，它包括有基站控制器（BSC）和基站收發信臺（BTS）。Um接口往左是移動臺部分（MS），其中包括移動終端（MS）和客戶識別卡（SIM）。圖2-3 GSM系統框圖（2） GSM基本網絡系統GSM基本網絡系統如下圖2-4所示:圖2-4 GSM基本網絡系統（3）GSM信令網結構GSM網絡的信令結構如圖2-5所示：圖2-5 GSM

22、網信令結構第3章 無線網絡定位技術簡介 無線定位服務是從美國開始啟動和發展起來的。1996年，美國聯邦通信委員會(FCC)強制要求所有無線業務提供商，在移動用戶發出緊急呼叫時，必須向公共安全服務系統提供用戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作，并要求到2010年10月，67%的呼叫定位精度達到125m。此后，日本、德國、法國、瑞典、芬蘭等國家紛紛推出各具特色的商用定位服務。隨著無線系統的發展和移動用戶的不斷增加，對定位業務的需求也與日俱增，例如公共安全、緊急救援服務、基于位置的計費、資產管理、欺詐檢測和路由向導等業務，而不同的定位業務對定位精度的要求不相同，相應地，所需的定位技術也

23、不同，例如基于位置的計費，要求的定位精度不高，使用CELL-ID定位技術即可實現；而路由向導要求比較高的定位精度，只能使用GPS(Global Position System)定位技術和混合定位技術才能實現。這些需求大大推動了定位技術的發展，經過多年對無線定位的研究，現已開發出了多種定位技術，并在此基礎上，各種各樣的定位業務和應用也蓬勃發展起來。3.1 定位基本概念移動定位涉及移動無線通信、數學、地理信息和計算機科學等多個學科的知識，某些有關移動定位的基本概念比較容易混淆，因此有必要首先澄清一些基概念。定位系統提供的位置信息可以分為兩類：物理意義上的位置信息和抽象意義上的位置信息。所謂物理意義

24、上的位置信息，就是指被定位物體具體的物理或數學層面上的位置數據。例如，GPS可以測得一幢建筑物位于北緯35°，東經104°，海拔50米處。相對而言，抽象的位置信息可以表達為：這棟建筑物位于公園的樹林中或校園的主教學樓附近等。從應用程序的角度講，不同的應用程序需要的位置信息抽象層次也不盡相同有些只需要物理位置信息；而有些則需要抽象意義上的位置信息，單純的物理位置信息對它們來說是透明的，或是沒有意義的。當然，物理位置信息可以在附加信息庫的幫助下，轉換并映射為抽象層次的位置信息。3.2 定位性能指標 定位精度和定位準確度是兩個緊密聯系的概念，它們之間的關系類似于數學區間和置信水平

25、之間的關系。嚴格說來，如果孤立的指出某個定位系統的定位精度或定位準確度，都是沒有意義的。典型的正確描述應該是：A定位系統可以在95%的概率（置信水平）下達到10m的定位精度。其中，“95%”描述的是定位準確度。定位精度越高，相應的定位準確度就越低，反之亦然。通過增加定位設備的密度或綜合使用多種不同的定位技術，可以同時提高定位系統的精度和準確度。一般說來，室內應用所需定位精度要比室外應用高。3.3 定位技術分類 無線定位技術通過對無線電波的一些參數進行測量，根據特定的算法來判斷被測物體的位置。測量參數一般包括無線電波的傳輸時間、幅度、相位和到達角等。定位精度取決于測量的方法。從定位原理的角度來看

26、，定位技術大致可以分為三種類型：基于三角關系和運算的定位技術、基于場景分析的定位技術和基于臨近關系的定位技術。目前階段，CDMA系統主流的定位技術包括CELL-ID, TOA/TDOA(time deference of arrival)，AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)，WA-GPS(Wireless Assisted Global Position System)定位技術以及融合定位技術。3.3.1 三角/雙曲線關系 這種定位技術根據測量得出的數據，利用幾何三角或雙曲線關系計算被測物體的位置，它是最主要的、也是應用最為廣泛的一種定位技術。基

27、于三角或雙曲線關系的定位技術可以細分為兩種：基于距離測量的定位技術和基于角度測量的定位技術。3.3.2 基于距離測量的定位技術這種定位技術先要測量已知位置的參考點（A,B,C三點）與被測物體之間1,R2,R3)，然后利用三角知識計算被測物體的位置。具體說來，距離測量的法有三種：(1)直接測量 這種方法通過物理動作和移動來測量參考點與被測物體之間的距離。例如，機器人移動自己的探針，直到觸到障礙物，并把探針移動的距離作為自己與障礙物之間的一個距離參數。(2)傳播時間 在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。這種測量方法需要注意的問題有如下幾個：(a)無線電波（在非視距NLO

28、S環境中）的傳播特性。一般的解決方法是增加測量次數，求出統計意義上的測量值。(b)時鐘精度。(c)時鐘同步。參與同一個定位過程的參考點之間必須保證時鐘的同。(3)無線電波能量衰減 已知發射電波的強度，在接收方測量收到的電波強度，以此估計出發射端距離接收端之間的距離。例如，在理想傳播環境下，無線電波的衰減與1/r2成正比（r為傳播距離）。 實際上，無線電波在空間傳播時能量的衰減受多種因素影響，相比傳播時間測量方法沒有優勢。3.3.3 基于角度測量的定位技術 基于角度的定位技術與基于距離測量的定位技術在原理上是相似。兩者主同在于前者測量的主要是角度，而后者測量的是距離。一般來說，如果要計算被測物體

29、的平面位置（即二維位置），那么則需要測量兩個角度和一個距離。同理，如果要計算被測物體的立體位置（即三維位置），那么則需要測量三個角度和一個距離。基于角度測量的定位技術需要使用方向性天線，如智能天線陣列等。3.3.4 基于場景（信號指紋）分析的定位技術 這種定位技術對定位的特定環境進行抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數描述定位環境中的各個位置，并用一個數據庫把這些信息集成在一起。業界習慣上將上述形式化和量化后的位置特征信息形象地稱為信號“指紋”。觀察者根據待定位物體所在位置的“指紋”特征查詢數據庫，并根據特定的匹配規則確定物體的位置。由此可以看出，這種定位技術的核心是位置特征數據庫和匹配規則

30、，它本質上是一種模式識別方法。Microsoft的RADAR無線局域網定位系統就是一個典型的基于場景分析的定位系統。3.3.5 基于臨近關系的定位技術 基于臨近關系進行定位的技術原理是：根據待定位物體與一個或多個已知位置參考點的臨近關系來定位。這種定位技術通常需要標識系統的輔助，以唯一的標識來確定已知的各個位置。這種定位技術最常見的例子是移動蜂窩通信網絡中的Cell ID。假設待定位物體分別位于三個Cell中。由于各個Cell中參考點的位置已知，所以根據待定位物體所在Cell可以粗略確定其位置（即Cell中參考點的位置）。除了Cell ID以外，其他的例子還有Xerox PareTAB Sys

31、tem、Carnegie Mellon Andrew、Active Badge等。3.4 定位策略 從定位策略的角度來看，定位技術/系統可以分為基于移動終端的定位和基于與定位兩種。基于移動終端的定位是指定位計算由移動終端自主完成，移動終 能夠自行確定自身當前的位置。基于網絡的定位主要由網絡系統收集待定位移動終端的信息并計算移動終端的當前位置。如果再對以上兩種定位策略進行細分，前一種定位策略又可以分為基于移動終端的定位和網絡輔助定位兩種；而后一種定位策略又可以分為基于網絡的定位和移動終端輔助定位兩種。3.5 無線網絡定位技術 不同的無線移動網絡對定位有著不同的業務需求和定義，不同的網絡拓撲物理和

32、MAC層設計對定位技術也提出了不同的挑戰。按照不同的網絡拓撲形式，定位系統可以分為蜂窩網絡、WLAN和無線傳感器網絡輔助的定位系統。3.5.1 蜂窩網絡定位技術目前，實現蜂窩無線定位主要有三大類解決方案：1） 基于網絡的定位技術，如基于CellID和時間提前量（TA）的方法、上行鏈路信號到達時間（TOA）方法、上行鏈路信號到達時間差（TDOA）方法以及上行鏈路信號到達角度（AOA）方法，這些解決方案需要對現有網絡做部分改進，但卻可以兼容現有移動終端。 1、抵達時間TOA（time of Arrival）定位技術 它是基于測量信號從移動臺發送出去并到達消息測量單元（3個或更多基站）的時間來定位。

33、移動臺位于基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進行計算，移動臺的二維位置坐標可由3個圓的焦點確定。但是，與下面要介紹的增強型觀測時間差定位技術E-OTD不同的是，它沒有使用位置測量單元，因此，必須通過與在基站上安裝了全球衛星定位系統（GPS）或原子鐘的無線網絡之間的同步來實現。 2、角度到達AOA（Arrival of Angle）定位技術該技術根據信號到達的角度，確定移動臺相對于基站的角度關系，只要測量一個移動臺距兩個基站的信號到達角度，就可以確定出移動臺的的位置。信號到達角度測量需要定向天線，雖然理論上這種測量在基站和移動臺都可以進行，但為了保證輕便性，并不適宜

34、在移動終端上使用。角度到達定位技術是基于網絡的定位方案，優點是可以在語音信道上工作，不需要高精度的定時。但確定是需要復雜的天線，易出現定位忙點，實施成本較高。 3、抵達時間差異TDOA（Time difference of Arrival)定位技術 該定位技術是通過檢測信號到達兩個基站的時間差，而不是到達的絕對時間來確定移動臺位置的，降低了對時間的同步要求。移動臺定位以兩個基站為焦點的雙曲線方程上。確定移動臺的二維位置坐標需要建立兩個以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動臺的二維位置坐標。由于這種定位技術不要求移動臺和基站之間的同步。因此在誤差環境下性能相對優越，在蜂窩通信系統的定位技術中備受關注

35、。它也是基于網絡的定位方案，優點是精度較高，實現容易。確定是為了保證定時精度，需要改造基站設備。 4、增強型觀測時間差E-OTD定位技術。該技術的實現原理是：手機對服務小區基站和周圍幾個基站進行測量，算出測量數據之間的時間差，并用此計算用戶相對于基站的位置。增強型觀測時間差定位技術是基于網絡的定位方案，是目前使用最多的技術，也是歐洲電信標準化組織（ETSE）建議使用的主要技術。 2）基于移動臺的定位方法。用于GSM中的下行鏈路增強觀測時差定位方法（E-OTD）、用于WCDMA下行鏈路空閑周期觀測到達時間差方法（OTDOA-IPDL）等； 3）以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDO

36、U、QZSS等為代表的衛星定位系統，移動臺和網絡側集成了衛星定位的輔助設備。從技術角度來說，第二類和第三類方法更容易提供較為精確的用戶定位信息，但這些技術需要改進網絡的同時，也存在對移動臺改動的需求，這將對移動臺體積、功耗、成本帶來影響。 各類定位方法已經在不同蜂窩網絡中被標準化。3GPP對于GSM網絡選擇了基于CellID和時間提前量、上行TOA、E-OTD、輔助GPS(AGPS)等方案，而為WCDMA網絡選擇了基于CellID、OTDOA-IPDL、AGPS等方法。GS網絡中與定位相關的標準包括3GPPTS09.02和3GPPTS03.71，3G網絡中還有3GPPTS25.331系列規范對

37、位置服務系統的架構和相關定位流程進行了規定。下面重點介紹幾種主要蜂窩網絡定位方法和其性能的比較，見表格3-1。表格3-1 蜂窩網絡定位技術小結定位技術精度水平（m）冷啟速度（s）適用網絡環境備 注CellID100-30001-3不限精度受制于扇區大小，魯棒性較差Cell ID+TA5501-5GSM/GPRS精度較Cell ID有所改進，但需要添加LMU(/3BTS)，建設成本高Cell ID+RTT20-60UMTS(WCDMA,TD-SCDMA)精度較Cell ID有較大改進，但需要添加LMU(/3BTS)，建設成本高UTDOA50-1505-10GSM/WCDMA/TD-SCDMAGS

38、M/TD-SCDMA需增加LMU，LMU與SMLC之間接口私有E-OTD50-3005-10GSM需添加LMU(/3BTS)，建設成本高AOA50-5001-5不限MSC支持Lg接口，定向天線支持AOA測量，受環境影響較大，用于配合其他方法 指紋(NMR、模 式匹配)50-3005-10不限控制平面需支持Lupc接口，需要大量離線訓練數據,或使用路徑模型計算距離智能天線遜于AGPS優于傳統三角定位5-10不限網絡側需MIMO支持,只需單個基站，T(D)OA/AOA測量，或統計學習多徑信號參數與用戶位置間關系數據融合優于傳統測時、測角定位5-10測量數據(TOA/TDOA/AOA）或系統級(GP

39、S+CDMA）融合需結合多種定位技術和設備，以提供T(D)OA/AOA等測量支持AGPS信號好：5-2005-20不限開闊區域定位精度/準確度最高，室內、密集地區定位情況較差3.5.2 Cell ID定位技術 Cell ID技術是蜂窩網絡中最簡單的一種定位方法，它主要通過尋呼、定位區域更新、小區更新等事件來確定目標移動臺的主要服務蜂窩小區ID號2，從而確定用戶的位置，因此它的定位精度取決于蜂窩小區的半徑，一般其精度在100m2km不等。由于其對終端定位的結果是終端服務小區基站的位置，所以定位精度隨扇區大小而變化，特點是速度快，應用簡單，精度較差，通常與其他定位結合使用，統稱為基于Cell ID

40、的定位技術。這類定位技術是Cell ID技術的補充和改進,已經在許多國家(包括我國)的移動網絡中采用。在美國，它已經開始為第一階段的“E911”緊急服務提供支持。另外，它也開始為一些精度要求不高的定位業務提供服務。在移動蜂窩通信網絡中，每個蜂窩小區都有一個惟一的，利用移動終端所在Cell對應的Cell ID就可以粗略確定移動終端的位置。CELL-ID+RTT是在CELL-ID定位技術的基礎上的改進技術, 增加了時間量的計算處理，其時間精度最多只能控制到100287s，改善的效果并不明顯。因此CELL-ID定位技術一般作為輔助的定位方式,為精確定位提供輔助資訊。此類技術其優點在于無需對手機和網絡

41、進行修改，就可以向當前的移動用戶提供自動定位業務。但是，CELL-ID與其他技術相比，其精度卻是最低的,當需要精度較高的緊急定位服務時，CELL-ID就無法滿足要求了。 NMR（Network Measurement Report）也稱E-CGI（Enhanced Cell Global Identification），從本質講是一種具有自主和指紋定位兩種模式的技術。這種技術是對CellID以及CellID+ TA/RTT的增強。NMR指紋定位離線學習階段，終端在確定位置的樣本點處對各相鄰小區的信號強度進行采集和記錄，并將樣本點處服務小區Cell ID、各相鄰小區信號強度和對應精確位置歸檔；進

42、入在線定位階段，終端實時測量和收集相鄰小區的NMR數據并上報網絡側數據庫，查詢與所檢測信號強度最為接近的樣本點的位置，作為最終定位結果，如圖3-1所示。圖 3-1 NMR鄰小區測量定位原理3.5.3 UTOA/UTDOA定位技術上行鏈路到達時間(UTOA)定位方法是由基站測量移動終端信號到達的時間。該方法要求至少有三個基站參與測量，每個基站增加一個位置測量單元LMU，LMU測量終端發出的接入突發脈沖或常規突發脈沖的到達時刻。LMU可以和BTS結合在一起，也可分開放置。由于每個BTS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移動終端的位置。TDOA測量的是移動終端發射的信號到達不同BTS的傳輸

43、時間差，而不是單純的傳輸時間。UTOA定位需要終端和參與定位的LMU之間精確同步，而TDOA通常只需參與定位的BTS間同步即可。另外，這兩種定位還要求在所有基站上安裝LMU，因此成本較高。3.5.4 E-OTD定位技術 增強型觀察時間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)只能用于GSM/GPRS網絡，使用這種技術需要在網絡中的多個基站上放置位置測量單元（Location Measuremnet Unit,LMU）作為參考點。如圖表3所示。每個參考點都有一個精確的定時源。E-OTD的運作方式是以移動終端測量來自至少3個LMU的信號，根據各LMU到達

44、移動終端的時間差值所產生的交叉雙曲線可以計算出移動臺的位置，如圖3-2所示。圖 3-2 E-OTD系統原理 E-OTD方案可以提供比CellID高得多的定位精度在50米到125米之間。但是它的定位響應速度較慢，往往需要約5秒的時間。另外，它需要對移動終端軟件進行更新，這意味著現存的移動用戶無法通過該技術獲得基于位置的服務。3.5.5 智能天線AOA定位技術基站通過陣列天線測出移動臺到達無線電波信號的入射角，從而構成基站到移動臺的徑向連線，兩條連線的交點即為待定位移動臺的位置。這種方法不會產生二義性，因為兩條直線只能相交于一點。這種信號到達角(Angle of Arrival, AOA)定位方法

45、需要在每個小區基站處放置412組天線陣列，這些天線一起工作，從而確定移動臺發送信號相對于基站的角度。AOA通常用來確定一個二維位置。移動終端發，BTS1收，測量可得一條BTS1到移動終端的連線；移動終端發，BTS2收，測量得到另一直線，兩直線相交產生定位角。BTS1和BTS2坐標位置已知，以正北為參考方向，順時針為0360度，逆時針為-0-360度，由此可獲得以移動終端、BTS1和BTS2為三點的三角關系。AOA方法在障礙物較少的地區可以獲得較高的定位精度，但在障礙物較多的環境中，由于無線傳輸存在多徑效應，則誤差增大。移動臺距離基站較遠時，定位角度的微小偏差會導致定位距離的較大誤差。另外，AO

46、A技術必需使用智能方向天線。3.5.6 TOA/TDOA定位技術 TOA/TDOA都是基于反向鏈路的定位方法，通過測量移動臺信號到達多個基站的傳播時間來確定移動用戶的位置。只需三個以上的基站接收到移動臺的信號，就可以利用三角定位算法計算出移動臺的位置。TOA與TDOA不同在于TDOA方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機上由于信道產生的共同誤差。在CDMA系統中采用此類技術其優點在于定位精度較高，且無需對終端升級，但需要在網絡測增加新的位置測量元LMU(Location MeasurementUnit).3.5.7 AFLT定位技術 AFLT定位技術是一種基于前向鏈路的

47、定位方法，在定位操作時，手機同時監聽多個基站(至少三個基站)的導頻信息，利用碼片時延來確定手機到附近基站的距離，最后用三角定位法算出用戶的位置。AFLT技術優點在于無需增加LMU、定位精度較高、定位快，但需要在網絡中增加新的實體，利用導頻信息算出移動臺的的位置，這些實體包括PDE(PositionDeltermining Entity)和MPC(Mobile PositioningCenter)，同時移動臺需要軟件升級。3.5.8 WA-GPS定位技術 WA-GPS技術融合了GPS高精度定位與蜂窩網高度密集覆蓋的特性，既保證了在城市范圍內蜂窩定位的精度，也擴大了GPS的覆蓋范圍，WA-GPS可

48、以通過蜂窩網絡的空中接口使終端獲得衛星的有效參數。另外，WA-GPS的響應時間明顯快于傳統的GPS。WAGPS技術其優點在于定位精度高，其缺點是成本太高，且需終端支持。3.6 主流定位技術小結 分析上述方法，我們不難發現，定位技術大范圍應用的瓶頸在于方案實施的方便性、成本以及定位精度。CELL-ID定位技術方案能幫助運營商在現有網絡中以最小的投入開展定位服務并能達到100的用戶覆蓋率，這在所有的定位技術中是獨一無二的。從實際應用情況上看，該技術在國內外都得到了最為廣泛的應用，例如國內許多運營商，包括移動、聯通、電信所開展的小區短信業務，就是基于CELL-ID定位技術實現的。但受其定位精度的限制

49、，所以就目前應用而言大多為基于位置的廣告信息服務以及公共信息服務等，對于許多對定位精度要求更高的業務，如110、119等無線報警緊急定位，CELL-ID的定位精度就無法滿足要求。除CELL-ID以外的其它定位方案相對CELL-ID技術而言定位精度相對較高，但實施起來都存在一定的困難，要么需要在網絡測增加硬件實體，要么需要終端的支持，很難得到更為廣泛的應用。因此，如何開拓一種實施簡單、成本低廉、具備100的用戶覆蓋率，又能提高定位精度的方法也是急需研究的一個方向。3.7 結合無線傳播模型的融合定位綜合考慮到定位方案實施的方便性和經濟性，本文提出一種新的融合定位思路，在充分利用CELL-ID定位思

50、路的方便性和可操作性的同時，引入無線傳播模型修正處理的方法，充分利用現有網絡的日常路測數據反饋至無線傳播模型進行模型修正，使無線傳播模型最大限度接近真實的情況，進而結合測量場強進行三角定位，在基于CELL-ID+RTT的基礎上，大大提高定位的精度。結合無線傳播模型融合定位方法的詳細步驟如下。第一步：需要確定所定位區域的無線傳播模型。如前所述，需要對COST231-Hata模型做進一步校正。第二步：通過信令監測獲取用戶測量報告以及小區，場強等信息。 通過信令獲取相關信息的步驟如下： 1) 通過采集CDMA2000網絡中的BTS與BSC之間的鏈路，及分析BTS定期給BSC發送的測量報告，可獲取需定

51、位的終端的所在位置所接收到的引導頻率的頻點值以及場強大小； 2) 分析其它相關信令如尋呼響應，業務請求等可獲取需定位終端的主服CELL-ID+RTT； 3) 通過小區的相關的配置信息如CELLID配置、頻點配置、地理位置信息等.要求經緯度不同的信息組除主服小區外至少兩組以上。第三步：融合無線傳播模型進行定位。 在經過第二步后，我們得到了式(7)的信息組，選取交叉的兩個信息組,相對每個信息組求得一個終端到基站的距離，即可得到終端距離軌跡曲線，再結合CELL-ID+RTT的軌跡區間，三組軌跡曲線即可求得終端的最終位置。如圖1所示。圖3-3 融合無線傳播定位示意圖 在圖3-3中，根據小區所在的經緯度

52、信息，加上測試終端到基站的距離，可求得相交區域，圖1中所示的兩條曲線與主服小區根據CELL-ID+RTT所求得的綠色軌跡條相交的綠色軌跡區域即為所定位終端的位置區域。 第4章 GSM網絡的定位技術 無線定位技術是實現無線定位業務的技術基礎，因此，在蜂窩移動通信中的無線定位業務都要用到無線定位技術。 從用戶角度來看，由于移動定位業務使得移動用戶在外出行更加方便，遇到緊急情況可以得到更快的救援，因此，可以預見用戶在不久的將來會離不開移動定位業務。 從運營商角度來看，利用無線定位技術可以給用戶提供新的具有吸引力的業務，使自己處于有利的競爭地位；利用移動定位可以根據話務模型優化網絡，降低成本；結合移動

53、定位的潛在業務很多，這樣運行商可以從中獲得更多的收益。從生產廠家來看，提供移動定位的產品會更具有市場競爭力。 GSM網絡已開始引入無線定位技術，2000年6月，愛立信宣布其移動定位系統首次投入商用，該系統為一系列全新的基于位置的業務敞開了大門。愛立信的移動定位系統(MPS)是一種基于服務器的解決方案，為標準的GSM網絡引入定位業務。該系統基于高容錯功能的平臺，能夠使用諸如輔助全球定位系統及其它多種不同的定位技術。該移動定位系統不需要對標準的GSM電話進行修改。4.1 GSM移動定位技術移動定位是指通過采集網絡中與移動臺（MS）位置相關的參數，并將這些數據傳送到定位中心，在電子地圖的支持下，通過

54、一定的算法，來確定用戶的實際位置(經緯度坐標數據)，據此，即可向用戶提供相應的服務。比如: 目標監控、智能調度、緊急救援、信息導航等。 GSM中常用的移動定位技術是: 增強型觀測時間差（E-OTD）技術，上行鏈路到達時間（UL-TOA）技術，到達時間差異TDOA(Time Difference Of Arrival)技術，到達角度（AOA）技術，GPS輔助定位(A-GPS)技術。E-OTD（Enhanced Observed Time Difference）通過MS檢測多個相鄰BTS的傳輸突發，并測出這些從各個不同的基站發出的信號到達該終端時所用的時間差，利用該時間差，終端設備通過調用E-OT

55、D算法計算出該移動終端用戶相對于這些基站所處的位置，位置計算可基于雙曲線方式或圓弧方式實現。E-OTD需要在GSM網絡中設置位置接收器作為位置測量單元，并且要分布在網絡內的許多站點上。每個參考點都有一個精確的定時源，當移動臺和位置測量單元接收到來自至少3個基站信號時，從每個基站到達移動臺和位置測量單元的時間差將被計算出來，這些差值被用來產生幾組交叉雙曲線，由此估計出移動臺位置。移動臺對鄰近的多個基站發送的無線脈沖到達的時間進行測量計算時，所有的基站都需要精確測量時間的間隔RTD（Real Time Differences），這樣才能對脈沖到達時間差進行精密計算。對各個基站的時間差的測量一般通過

56、移動臺完成，因此普通手機中的相關硬件需要更新。UL-TOA是基于測量信號從移動臺發送出去并到達消息測量單元(3個或更多基站)所用的時間t 來定位。移動臺位于以基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離ct為半徑的圓上。3個基站確定3個圓，這3個圓的交點就是移動臺的位置坐標，如圖4-1所示。但是，TOA要求知道移動臺發送信號和基站接受信號的準確時刻，由于GSM網絡不是同步網絡，基站為了得到精確的時鐘，則必須通過GPS或原子鐘的方式來實現同步。圖4-1 UL-TOA定位原理 TDOA定位技術是通過檢測信號到達兩個基站的時間差，由此得到以兩個基站為焦點的雙曲線方程。為確定移動臺的位置坐標，需要建立兩個以上雙曲線方程，兩條雙曲線交點即為移動臺的二維位置坐標。由于是利用信號到達的時間差（而不是絕對時間）來確定移動臺位置，因而降低了對時間的同步要求。其優點是精度較高，實現容易; 缺點是為了保證定時精度，需要改造基站設備。AOA技術通過基站的陣列天線測出移動臺來波信號的入射角，得出從基站到移動臺的徑向連線，兩個不同基站與MS確定兩條射線，這兩條射線的交點就是移動臺的位置。它需要在每個小區基站上放置412組