非視距環(huán)境下的無線定位算法及其性能分析.pdf

1、利用移動臺的位置信息，除了可以為移動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)。實現(xiàn)移動臺定位通常需要兩步，首先根據(jù)不同的定位類型，估計相應(yīng)的定位參數(shù)；然后根據(jù)估計出的定位參數(shù)，采用相應(yīng)的定位算法進行移動臺的位置估計。在現(xiàn)代無線通信環(huán)境(特別是城市移動環(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式解的非遞歸定位算法，具有計算量小的優(yōu)點，而且在視距傳播環(huán)境下是最大似然(ML)估計的高精度定位方法，但在NLOS多徑環(huán)境下其定位精度顯著下降。Taylor級數(shù)展開法是一種需要初始估計位置的遞歸算法，能夠適用于各種信道環(huán)境，在初始估計位置與實際位置接近的情況下能較快地收斂，得到準確的計算結(jié)果，但當初始位置選擇不好時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氏算法進行定位計算，計算結(jié)果作為T

4、aylor級數(shù)展開算法的初始值，然后采用Taylor級數(shù)展開算法再次對MS進行定位估計。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級數(shù)展開算法的定位結(jié)果進行系數(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值進行處理，得出MS最終的位置估計值。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TOA值，根據(jù)TOA值與移動臺位置、基站位置之間的幾何關(guān)系，估計得到移動臺的所有可能位置。然后利用ML算法，從所有可能位置中選擇出一個最有可能是移動臺真實位置的估計值作為最后的定位結(jié)果。該算法能夠獲得最佳的估計值，可降低ML，計算復(fù)雜性，不需要移動臺初始位置，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，基于無線接收信號強度的定位算法精度受限。但由于其定位技術(shù)容易實施，費用較小，不需要對移動終端和基站硬件進行修改，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差輔之以GDOP加權(quán)的數(shù)據(jù)融合定位方法，采用信號場強差作為

7、基本的定位方法，采用GDOP加權(quán)對定位中間結(jié)果進行處理。通過利用某城市GSM網(wǎng)絡(luò)的實際測試數(shù)據(jù)對模型進行了分析驗證。結(jié)果表明，當定位誤差小于300米時。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％。若對測量報告進行預(yù)處理后再進行定位，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。論文還對基于場強差的標準定位算法定位精度進行了分析，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行分析的信道模型。通過對該模型的傳播時延特征進行分析，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算法進行了研究，提出了一種改進的差分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，并對其性能進行仿真分析。 最后，論文對無線定位系統(tǒng)平臺進行了研究。由于未來多種移動通信網(wǎng)絡(luò)并存是必然趨勢，從定位服務(wù)而言，希望與具體移動通信物理網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，并希