蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)及應(yīng)用

1、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)及應(yīng)用一、前言近年來，隨著蜂窩移動(dòng)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?dú)w因于政府的強(qiáng)制性要求和市場本身的驅(qū)動(dòng)。FCC于1996年10月頒布了無線E9ll呼叫應(yīng)急服務(wù)功能，其核心是要求所有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(duì)E911定位需求的具體實(shí)施，各國主要大公司均就GSM、IS95CDMA以及第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開始制定各自的定位實(shí)施方案。特別是3GPP和3GPP

2、2上對(duì)定位的要求更加具體化，這也是對(duì)蜂窩無線定位市場潛力的肯定。另一方面，移動(dòng)通信用戶對(duì)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的需求日益迫切。蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)能夠在移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)的定位信息，運(yùn)營商可以1hJ用戶提供各種增值業(yè)務(wù)，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(shí)還可以作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、維護(hù)和管理的輔助數(shù)據(jù)。到目前為止，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展?？梢灶A(yù)

3、見在未來幾年內(nèi)，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的移動(dòng)業(yè)務(wù)將得以迅猛的發(fā)展。二、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)利用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位的方法主要有三類，(l)基于電波場強(qiáng)的定位技術(shù)；(2)基于電波到達(dá)入射角(AOA)的定位技術(shù)；(3)基于電波到達(dá)時(shí)間(TOA)或到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位技術(shù)。1場強(qiáng)定位技術(shù)電波場強(qiáng)定位技術(shù)根據(jù)移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)強(qiáng)度與移動(dòng)臺(tái)至基站的距離成反比關(guān)系，通過測(cè)量接收信號(hào)的場強(qiáng)值和已知信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場強(qiáng)值可以估算出收發(fā)信

4、機(jī)之間的距離，由多個(gè)距離測(cè)量值(至少三個(gè))可以估算移動(dòng)臺(tái)的位置。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確的反映服務(wù)傳播范圍內(nèi)的無線電波傳播模型，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)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(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。由于移動(dòng)通信環(huán)境中電波傳播的復(fù)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(duì)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(dá)入射角的定位技術(shù)電波到達(dá)入射角的定位技術(shù)利用基站的陣列天線來測(cè)出移動(dòng)臺(tái)來波信號(hào)的人射角、構(gòu)成從基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線，即測(cè)位線，這兩條連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。由于兩條直線只能相交于？點(diǎn)，這種方法不會(huì)產(chǎn)生定位模糊性。但是它需要在每個(gè)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(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)相對(duì)于基站的角度。當(dāng)有多個(gè)基站都發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)源時(shí)，那么它們分

6、別從基站引出射線，這些射線的交點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)的位置。AOA的優(yōu)點(diǎn)在于它僅需要兩個(gè)基站參與便可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位，同時(shí)不存在移動(dòng)臺(tái)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(shè)費(fèi)用。與此同時(shí)，電波到達(dá)入射角估計(jì)會(huì)受到由多徑和其它環(huán)境因素所引起的無線信號(hào)波陣面扭曲的影響，移動(dòng)臺(tái)距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，基站定位角度的微小偏差也會(huì)導(dǎo)致定位距離的較大誤差。3到達(dá)時(shí)間到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)到達(dá)時(shí)間／到達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)

7、的無線定位系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。到達(dá)時(shí)間定位技術(shù)通過測(cè)量從目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)以直線到達(dá)基站的時(shí)間，根據(jù)電磁波在空中的傳播速度可以得到移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離。移動(dòng)臺(tái)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(duì)位置、

8、移動(dòng)臺(tái)與基站之問的相對(duì)位置的差異造成的幾何精度因子(GDOP)的不同也會(huì)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(yán)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(duì)定位準(zhǔn)確度的影響。四、蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)應(yīng)用根據(jù)美國權(quán)威機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略集團(tuán)的最新預(yù)測(cè)，到2005年僅在歐洲市場無線定位服務(wù)市場的收入就可達(dá)到320億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出移動(dòng)運(yùn)

9、營商的現(xiàn)有單項(xiàng)增值服務(wù)可帶來的收入。此外，隨著人們對(duì)公共安全和緊急救援日益增長的需求，基于移動(dòng)定位的增值業(yè)務(wù)也開始得到業(yè)界越來越多的關(guān)注。近年來，隨著對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線定位技術(shù)研究的不斷深入，基于現(xiàn)有移動(dòng)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(dòng)臺(tái)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(dòng)運(yùn)營商開展基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的增值業(yè)務(wù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合移動(dòng)核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)

10、的網(wǎng)絡(luò)信息資源，移動(dòng)定位技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。從商業(yè)服務(wù)角度來說它主要可以分為個(gè)人定位應(yīng)用和企業(yè)級(jí)定位應(yīng)用。個(gè)人定位應(yīng)用通常是指面向移動(dòng)臺(tái)用戶提供定位服務(wù)，主要包括基于位置的信息查詢和發(fā)布、導(dǎo)購導(dǎo)游導(dǎo)航以及弱勢(shì)群體監(jiān)護(hù)和救助。企業(yè)級(jí)應(yīng)用則是一種面向集團(tuán)手機(jī)或?qū)Ｓ媒K端客戶提供定位服務(wù)，如交通監(jiān)控和車輛調(diào)度、防盜保安、基于位置差別收費(fèi)和欺詐管理等。下面將列舉幾種主要的具體應(yīng)用：1移動(dòng)臺(tái)位置敏感型計(jì)費(fèi)基于用戶位置的計(jì)費(fèi)方式將是未來移動(dòng)通信運(yùn)

11、營商拓展業(yè)務(wù)，吸引客戶的重要手段。不同的用戶在移動(dòng)電話的使用和收費(fèi)上對(duì)運(yùn)營商提出的要求也各不相同，運(yùn)營商為了適應(yīng)用戶的這種需求采取了不問的收費(fèi)方式來滿足各種用戶的需要，例如按照移動(dòng)臺(tái)使用的頻率和時(shí)間段不同實(shí)行不同的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。隨著移動(dòng)定位業(yè)務(wù)的提出，移動(dòng)通信運(yùn)營商又可以增加一種新型的收費(fèi)方式，即按移動(dòng)臺(tái)的使用位置靈活收費(fèi)，在呼叫頻率高的區(qū)域收取較高的通話費(fèi)，而在呼叫頻率低的區(qū)域收取較低的費(fèi)用，達(dá)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(yùn)營商擴(kuò)大業(yè)務(wù)，增加收入，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資源的經(jīng)濟(jì)效益最大化。基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以采用如廠的收費(fèi)策略，(l)在家里和／或辦公室內(nèi)，可以適當(dāng)降低通話價(jià)格，從而與固定電話運(yùn)營商展開競爭；(2)用戶進(jìn)行大范圍漫游時(shí)，則需支付較高的通信費(fèi)用；(3)在密集的商業(yè)區(qū)內(nèi)提高收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，減小該區(qū)域的系統(tǒng)負(fù)載；這種基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的計(jì)費(fèi)策略對(duì)于運(yùn)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(dòng)用戶的快速增長，移動(dòng)用戶的報(bào)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(jī)構(gòu)的1999年的調(diào)查報(bào)告顯示：有15%到40%的緊急呼叫(911)是來自于移動(dòng)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(yīng)答服務(wù)機(jī)構(gòu)(PSAP)無法獲知報(bào)警者的具體位置，移動(dòng)用戶也不能準(zhǔn)確地提供其所在的地理位置信息這將會(huì)大大延長PSAP的反應(yīng)時(shí)間，以至于不能給報(bào)警者以及時(shí)的救助。利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，報(bào)警者在撥打應(yīng)急服務(wù)號(hào)碼后，移動(dòng)定位系統(tǒng)就能立即識(shí)別出來，并對(duì)呼叫手機(jī)進(jìn)