CDMA無線定位技術及其應用

2019-11-03 09:13:16

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常永宇樣寧　　摘要描述了CDMA系統的主要定位技術及其特點，對各種定位技術進行了比較和分析，提出了選擇方案，并在此基礎上介紹了其承載的應用。關鍵詞 CDMA 定位技術

1引言

　　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，在移動用戶出發緊急呼叫時，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2001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種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，所需的定位技術也不同，例如基于位置的計費要求的定位精度不高，使用CELL ID(小區識別)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 Positioning 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。

2主要的CDMA定位技術

　　無線定位技術是通過對接受到的無線電波的某些參數進行測量，根據特定的算法以判斷出北測物體的位置，測量參數一般包括傳輸時間、幅度、相位、和到達角等等。定位精度主要取決于測量的方法。

2.1基于Cell ID的技術

　　在目前CDMA網絡中，BSC會在移動臺的位置更新、呼叫處理、短消息傳送以及切換等過程中將用戶所在基站扇區的Cell ID傳送給MSC。這種方法實現簡單，終端側不需要作任何軟硬件的修改，網絡側不需要增加新我得網絡實體。但定位精度不高，定位范圍與扇區覆蓋相同，在城市基站密集區定位的半徑可達到400m左右，在基站密度較低的郊區等地，定位精度非常低，因此只能提供對定位精度要求不高的定位業務，如基于小區位置的計費，無法實現高級的應用。

2.2AOA(Angle of arrival)

　　由兩個或更多基站通過測量接受信號的到達角來估計移動用戶的位置。接收機通過天線陣列測出電波的入射角，從而構成一根從接收機到發射機的徑向連線，即測位線，移動臺的二維位置坐標可通過兩根測位線的交點獲得。

　　AOA方法需要在網絡側增加智能天線(SA)才可實現；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，定位精度較低，尤其是當移動臺距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差會導致測位線距離的較大誤差。

2.3TOA(Time of Arrival)

　　是一種基于方向鏈路的定位方法，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定位精度與基站的地理位置分布關系很大，當球體之間相交角為90度時，精度最高。但它對所有接收器相同的誤差沒有進行處理，誤差較大。

2.4TDOA(Time Different of Arrival)

　　是另一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測移動臺信號到達兩個基站的時間差來確定移動臺的位置，移動臺必定位于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，也就是說需要至少三個以上的基站接收到移動臺信號，而兩個雙曲線的交點即為移動臺的二維位置坐標。

　　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，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務基站近的移動臺發射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來的測量誤差。目前針對這種情況已有了一些解決辦法，如在E-911呼叫時將移動臺發射功率瞬間調到最大，可以提高定位精度，但會對CDMA網絡的容量有一定程度的影響。

2.5AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)技術

　　是一種基于前向鏈路的定位方法，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定位技術，需要在網絡中增加新的實體，利用導頻信息算出移動臺的位置，這些實體包括PDE(Position Deltermining Entity)和MPC(Mobile Positioning Center)。PDE獲得導頻信息的方式主要有兩種：

(1)按照IS-801協議定義的傳送方式給MSC，再由MSC傳送給PDE，這種方式需要移動臺新增支持IS-801協議的功能。

(2)利用A接口的消息，將用于定位的參數傳送給MSC，再由MSC傳送給PDE。這種方式，不需要移動臺支持IS-801協議，但需要在A接口上支持這些參數的傳輸，A接口的Release 版本中已經定義了傳送這些參數的消息。

　　移動臺需要軟件升級，同時，根據PDE獲得導頻信息方式的不同決定移動臺是否需要支持IS-801協議，網絡側需要支持IS-801協議，定位算法可以放在移動臺上或者網絡側。其定位精度介于小區識別和GPS定位技術之間，定位半徑一般在200至400m左右，最高可達到100m。影響精度的主要因素是基站密度和地形環境，如在大城市基站密集的地方，定位精度相對高。

2.6基于GPS系統的定位技術

　　目前比較實用的GPS定位技術是網絡輔助的GPS定位，即定位時，網絡通過跟蹤GPS衛星信號，解調出GPS導航信號，并將這些信息傳送給移動臺，移動臺利用這些信息可以快速的搜索到有效的GPS衛星，接收到衛星信號后，計算移動臺位置的工作可以由網絡實體或移動臺完成。

　　基于GPS系統的定位技術，其優點是定位精度較高，定位半徑可達到幾米、十幾米。因此利用該重定位技術，可提供對定位精度要求較高的業務，如電子地圖顯示用戶位置等。其缺點是需要移動臺內置GPS天線和GPS芯片等模塊，并且需要支持IS-801協議，網絡側需要增加PDE和MPC；定位精度受終端所處環境的影響較大，如用戶在室內或在高大建筑物之間時，由于可見的GPS衛星數量較少，定位精度將降低，甚至無法完成定位。

2.7混合定位

　　混合定位技術是綜合了上述定位技術中的兩種或多種方法在一個系統中，目前CDMA系統采用的主流方法是GPS和AFLT混合定位的方式，可簡稱為網絡輔助混合定位。它結合了基于網絡的非GPS定位技術和基于GPS的網絡輔助定位技術的優點。在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同時網絡側可以提供輔助信息來縮短定位時間和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的優勢，提供基于基站信號，或者GPS和基站信號混合的方式定位，實現在復雜環境下(如室內、城市高樓之間)的精確定位。

　　如果同時利用智能化算法可以獲取更佳的定位效果。例如，當移動臺只能接收到兩個基站的信號時，通常無法定位移動臺，但是網絡可以根據過去移動臺的方向和速度，結合基站信號來唯一確定移動臺的位置。而且還可以利用來自無線網絡的一些重要信息加快處理進程，縮短衛星數據采集時間。

3 CDMA定位技術的比較與選擇

　　以上介紹的七種定位技術，所能達到的定位精度不同、適用的環境不同，對終端和網絡的要求也不同。在選擇定位技術時，應根據各種定位技術的特點、不同的定位業務需求及終端和網絡的實際情況，選取不同的定位技術方案。表1就各種定位技術的特點作了一個簡單的比較：

表1　CDMA定位技術的比較　　

定位技術

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