移动通信系统中的无线定位技术及其应用

董 峰

（郑州城市职业学院，河南 郑州 452370）

1 概念界定

1.1 无线定位系统

无线定位系统是指利用无线电波直线恒速传播特性，通过测量固定或运动物体的位置以进行定位的技术。无线定位有雷达、无线电测向、无线电导航系统以及全球定位系统等，是实现定位应用的基础。

1.2 无线定位技术

无线定位技术是一项新的短距离无线通信技术，是无线定位系统的一部分。无线定位技术具有定位精准高、覆盖范围广、实时性好、穿透力强以及通信能力强等应用优势，应用范围更广。狭义上讲，无线定位技术的应用场合必须已知各节点物理位置的坐标信息，由传感网络通过内部节点之间的互相测距和信息交换构建全网节点，从而实现高精度和低成本的目的。广义上讲，无线网络的定位包括自身和监控目标的双重定位。目标定位的重点在于目标跟踪，需要在自身定位的基础上结合多角度进行测距和定位。无线定位方法主要包括基于测距与不测距的定位、基于部署场合的定位以及基于信息采集的定位[1]。

1.3 移动定位技术

移动定位技术是利用无线移动通信网络，测量接收到的无线电波的一些参数，根据特定的算法精确测定某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置，以便为移动终端用户提供相应的位置信息服务或进行实时的监测和跟踪。常见的定位技术包括基于移动网络的定位技术、基于移动终端的定位技术以及混合定位技术3种。移动定位技术是基于无线定位技术与移动通信技术的新兴技术。为方便开展移动通信业务，部分移动业务将其与无线定位系统相结合。

2 无线定位技术的定位性能及定位误差

2.1 定位性能

无线定位技术的定位性能包括定位精度、覆盖范围、刷新速度、功耗以及代价5个指标。定位精度指标主要是提供位置信息，包括相对精度和绝对精度，且直接影响定位的精准度。GPS室外的绝对精度为1～10 m，实际应用到导航系统中的定位精度为5 m，室内的定位精度为30 cm。假设两节点间的距离为20 m，定位进度为2 m，则相对进度为定位进度的10%。相对精度是一个变化着的指标，未知位置节点的网络影响着定位精度的误差。覆盖范围是一项与定位精度相反的指标。例如，无线蓝牙的定位精度为5 m，覆盖范围可以达到150 m。定位精度越大，它的覆盖范围越小。刷新速度指位置信息刷新的频率，影响用户位置的使用情况。功耗是计算传感网络消耗能量的指标，而代价指标主要指定位系统的算法代价。算法代价的指标包括安装时间、配置时间、定位时间、网络节点数量、硬件尺寸以及实现定位系统的算法的基础设施、节点设备及总费用等[2]。

时间定位法是无线定位技术实现精确定位的主要方法，包括二维平面内和三维平面内的时间差定位。二维平面内的定位通过信号到达两测量站的时间差确定一条双曲线，再利用双曲线产生的交点实现定位；三维平面内的定位通过信号到达多个基站后产生多条双曲线，再通过双曲线线面相交的点实现定位。

2.2 定位误差

无线定位误差原因较多，包括基站位置误差、基站间同步误差、天气及气候的影响、移动台时钟误差、定位算法误差以及基站天线的影响等。其中，部分误差难以确定和避免，无法消除只能减少。定位误差产生的根本原因是产生了三边测量误差。三边测量误差越大，信号传播和定位时产生的误差就越大。因此，加强控制和改进三边测量法是减小误差的关键。

3 移动通信系统中无线定位技术的应用

3.1 神经网络系统中的无线定位技术

蜂窝网络是第二代移动通信系统的主要通信方式，包括移动站、基站子系统以及网络子系统3个部分。蜂窝网络的建设与发展为无线定位技术提供了更好的信息传输服务，吸引了更多的GSM用户和CDMA用户，而这些用户是移动定位业务订购的主要对象。它在技术方面应用了无线局域网技术、超声波技术、RFID技术以及红外技术等，将室内的定位精度提高到10 m以内。基于蜂窝移动网络无线定位技术主要包括时间定位、强度定位以及混合定位。其中，时间定位技术在目前移动通信系统中应用最广泛。以基站为圆心，通过测量基站到移动台的信号传播速度计算二者之间的距离，再利用时间转化的距离确定交点坐标的位置，从而得到移动台的二维位置坐标。强度定位是利用信号强度与移动台到基站距离的反比关系估算移动台的位置坐标。定位精度地域时间定位技术主要应用TDOA定位算法、AOA定位算法、TDOA/AOA定位算法、TOA/AOA定位算法以及蜂窝无线定位算法等[3]。

3.1.1 TDOA定位算法

TDOA定位算法利用时间差进行定位，以信号源到各个监测站的距离为信号位置，先测量信号到达监测站的时间，之后确定信号源距离和绝对时间，利用双曲线的交点进行定位。TDOA算法图解如图1所示，常用的TDOA取值方法如下：

3.1.2 AOA定位算法

AOA定位算法是一种基于信号到达角度的定位算法，是典型的基于测距的方法。根据硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算信号接收节点与锚阶段之间的相对角度，如图2所示。采用三角测量法计算位置节点的位置实现无线定位，计算公式如下：

图2 AOA定位算法图解

3.1.3 TDOA/AOA定位算法

TDOA定位方法主要是根据测量接收信号在基站和移动台之间的到达时间转换为距离进行定位。该方法至少需要3个基站才能计算目标的位置。AOA定位方法，要是测量信号移动台和基站之间的到达角度，而以基站为起点形成的射线必经过移动台，两条射线的交点即为移动台的位置。该方法只需2个基站就可以确定MS的估计位置。TDOA算法与AOA算法为基本算法，当能够同时获取到TDOA信号和AOA信号时，可以采用这两种混合定位的算法进行定位，从而确定移动台的准确位置。

3.1.4 TOA/AOA定位算法

TOA定位算法依赖节点之间信号传播的时间差实现目标定位，主要应用于室内无线定位。与TDOA算法不同的是，TOA利用圆周和圆球的曲面交点实现精准定位，在TDOA双曲线交点定位的基础上进行定位。TOA定位算法对移动通信系统的带宽要求较高，超宽带系统为信号传输提供了良好条件，测量时的分辨率极高，进一步提升了定位的精准度。

TOA定位算法依据测量接收信号分别到达基站和移动台的时间，将时间转换为距离，由三边距离确定目标位置，主要应用于多基站间的定位。应用TOA定位算法时，移动通信系统至少要满足3个基站，详细定位如图3所示。当能够同时获取到TOA信号参数和AOA信号参数时，可以混合使用两种算法以提高定位的精准性[4]。

图3 TOA算法图解

3.2 数据融合中的无线定位技术

数据融合中的无线定位技术是利用定位估计数据融合模型实现TOA和TDOA数据的测量及融合，利用TOA和TDOA定位算法确定TOA值和TDOA值，从而实现对目标位置的混合定位，计算方程如下：

其中：x0与表示TOA和TDOA定位算法的平均值；xm表示TOA和TDOA定位算法的方差；xc表示数据融合定位后的估值；σc表示数据融合定位后的方差值。

部分地区的移动基站数量设置有限，基站信号只覆盖了一部分区域，无法满足移动定位的需求。因此，为了提高数据融合定位的精准度，将GPS定位技术与数据融合定位系统相结合，由GPS提供终端信号，可利用GPS的测量值计算TOA值与TDOA值，从而有效提高基站覆盖范围移动台的定位精度。

4 移动通信无线定位业务的应用

4.1 紧急救援

位置服务功能是移动通信系统的新业务，可利用基于蜂窝定位技术的移动无线定位技术，开发移动通信设备的位置服务功能。当用户遇到紧急状况拨打电话请求紧急救援时，用户手中具有位置服务功能的移动设备与卫星基站间通过信号传播锁定目标位置，从而向救援人员提供精准的定位。救援人员根据定位进行搜索，有助于提高搜索效率，缩短救援时间[5]。

4.2 车辆导航与智能交通系统

随着城市交通压力的增加，智能交通管理系统的应用需求明显上升。智能交通管理系统需要通过定位获取车流的信息数据，结合获取到的动态化车流参数进行路线规划和推荐，完成车辆的分流和交通的减压。现代汽车的车载导航可以为智能交通管理系统提供准确的定位，这种导航定位与跟踪功能通过移动无线定位技术实现。汽车安装移动车载平台后，只要在基站覆盖范围内，移动通信系统就可以借助移动台和基站之间的距离实现对车辆的定位，并将定位信息传输给智能交通管理系统车辆调度中心，作为交通分流管理的依据。

5 结 论

无线定位技术依靠传感网络确定位置信息，节点的位置是传感网络用于数据监测的关键。传感网络在接收到无线信号的时间、强度以及相位等参数时，应用神经网络技术和数据融合网络技术的定位算法计算移动用户的精准位置，定位系统再将位置传输给移动通信系统，从而实现无距离的位置锁定。将移动定位业务应用于紧急救援、车辆导航以及智能交通系统，可实现移动定位业务对用户的定位服务，可以为用户提供更多的移动通信业务。移动通信定位业务的应用场合将随着网络通信技术的提升而不断扩大，实现多个基站信号的发射与接收，从而提高移动通信设备的定位精度。届时，移动定位业务将从个人用户推向商用，从而得到更加广泛的应用。