移動通信基站定位技術

利用移動通信基站進行定位是近年來移動通信套用發展的新方向，也是第三代移動通信研究的一個重要方向。隨著移動通信技術的發展，人們在全球範圍內建立了大量的通信基站，利用通信基站作為無線定位基站成為移動通信網路提供LBS業務的新途徑，使得移動通信終端也具備了定位功能，並進一步降低了移動定位的成本，增強了移動通信功能的實用性。

基本介紹

• 中文名：移動通信基站定位技術
• 外文名：Positioning technology of mobile communication base station
• 套用學科：移動通信
• 分類種類：3種

基本原理

移動通信基站定位從定位計算的原理上大致可以分為3種類型：基於三角關係和運算的定位技術、基於場景分析的定位技術和基於臨近關係的定位技術。

基於三角關係和運算的定位技術

這種定位技術根據測量得出的數據，利用幾何三角關係計算被測物體的位置，它是最主要的也是套用最為廣泛的一種定位技術。基於三角關係和運算的定位技術可以細分為兩種：基於距離測量的定位技術和基於角度測量的定位技術。

（1）基於距離測量的定位技術

這種定位技術首先需要測量己知位置的參考點（A、B、C 3點）與被測物體之間的距離，然後利用三角知識計算被測物體的位置。具體而言，距離測量的方法包括：直接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；測量參考點與被測物體之間的無線電波傳播時間；測量無線電波能量從參考點與被測物體之間的衰減。

（2）基於角度測量的定位技術

基於角度的定位技術與基於距離測量的定位技術在原理上是相似的，兩者主要的不同在於前者測量的主要是角度，而後者測量的是距離。一般來說，如果要計算被測物體的平面位置（即二維位置），則需要測量兩個角度和一個距離（虛線表示）。

基於場景分析的定位技術

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，並用一個資料庫把這些信息集成在一起。觀察者根據待定位物體所在位置的特徵查詢資料庫，並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徵資料庫和匹配規則，它本質上是一種模式識別方法。

基於臨近關係的定位技術

基於臨近關係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的臨近關係來定位。這種定位技術通常需要標識系統的輔助，以特定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路中的Cell ID。

場強定位法

這種方法主要是利用移動目標靠近或遠離基站時所帶來的信號衰減變化來估計移動目標的方位。如果移動目標發出的信號功率已知，那么在另一點測量信號功率時，就可以利用一定的傳播模型估計出移動目標與該點的距離。

定位原理

場強定位法的理論依據是無線信號的大尺度傳播模型。在大尺度傳播模型中，如果基站採用全向天線，則基站信號功率的衰減為信號傳播距離的函式。因此，根據基站發射功率和移動目標接收功率，便可計算出信號的傳播距離，移動目標則位於以基站為圓心，兩者距離為半徑的圓上。對不在同一直線上的3個基站進行測量，由此確定的3個圓的交點即為移動目標的位置。

定位精度

場強定位方法是定位技術中最不可靠的一種。在蜂窩網路中，場強測量值的誤差通常較大，由於小區基站的扇形特性，天線有可能傾斜以及無線系統的不斷調整，多徑和陰影效應，都會對信號場強產生不同程度的影響；由於陰影衰落效應，若採用不合適的路徑損耗模型時會造成較大的標準偏差。

使用條件

場強定位方法適用於已有標準信號強度測量報告的系統。在GSM中，可以在移動終端處於激活狀態下，直接利用標準測量報告就可滿足定位需求，系統升級簡單，且不需改動現有移動終端，但在定位準確度要求較高時不宜採用這種技術。

蜂窩小區定位

獲取移動目標當前所在小區的ID從而得到其位置信息，是最簡單的一種定位方法，也是當今無線網路中廣泛採用的定位技術。另外，它也能為基於位置的計費和信息需求提供服務。由於小區是任何無線蜂窩系統的固有特性，只需對當前系統作很少改動就可適用這種技術。起源蜂窩小區定位技術可以發展為基於網路或基於移動目標的實現方式。前者由網路獲取移動目標所處於小區的ID，無需對移動目標作任何改動，但這樣只能在移動目標處於激活態下才能進行。後者需要在每個小區廣播本小區基站的地理坐標，移動目標根據所在小區的廣播信息，獲知自己的位置信息。

起源蜂窩小區定位技術實際上是基於臨近關係的定位，它是根據移動終端所處的小區標識號（Cell ID）來確定移動終端的位置，無需對移動終端和網路進行升級，僅需在現有網路中增加一些定位軟體即可直接向現有的移動用戶提供最基本的基於位置的定位服務。

小區定位技術的定位精度取決於小區的大小，與其他方法相比，其精度最低，誤差一般大於125m。例如，在使用微小區的城市中心地區，小區直徑只有150m左右；而在使用宏蜂窩的業務量稀少的偏遠地區，小區直徑可以從幾公里到幾十公里，基於小區ID的定位很難滿足較高精度定位的需求。

基於小區ID的定位方法的最大優勢是回響十分快，它確定位置信息的回響時間約為3s左右，而且如果採用基於網路的實現方式，無需對手機升級，就可直接向現有用戶提供基於位置的服務。

到達角定位

信號到達角（Angle of Arrival，AOA）定位技術最初由軍方和政府機構共同研發，後來被運用到模擬無線通信中。由於數字移動通信具有信號短和信道共享的特點，該技術很難成功用於數字系統。該技術的一般版本叫“小縫隙方向尋找”。它需要在每個蜂窩小區的基站放置4～12組天線陣列，這些天線陣列共同工作，由此確定移動設備傳送信號相對基站的角度。當有不少於兩個基站都發現了該信號源的角度時，分別從這些基站的角度引出射線，這些射線的交點就是移動目標的位置。

定位原理

信號到達角定位技術是由兩個或更多基站通過測量接收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，即方位線。基站利用接收機天線陣列測出接收到的移動終端發射電波的入射角（信號的方向），構成從接收機（基站）到移動終端的徑向連線，即方位線。兩根連線的相交點即為移動終端的位置。兩個基站的到達角測量就能確定目標移動終端的位置。利用兩個或兩個以上接收機提供的到達角測量值，按到達角定位算法確定多條方位線的焦點，即為待定位移動終端的估計位置。

定位精度

當移動終端距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差會產生定位距離的較大誤差。多徑傳播和其他環境因素的影響，也會嚴重影響定位精度。在室內環境下，周圍的物體或牆體都會阻擋視距（Line of Sight，LOS）信號路徑，因此，到達角技術不適用於低成本的室內定位系統，較適合於多徑影響較小的郊區。

使用條件

到達角定位法需要在基站處架設昂貴的高精度智慧型天線陣列，在每個小區基站上需放置4～12組的天線陣，且只能從反向鏈路定位。

到達時間定位

信號到達時間（Time of Arrival，TOA）定位技術與場強定位技術的定位原理相類似，也是首先獲得移動目標到3個基站的距離，由此確定的3個圓的交點確定了移動目標的位置。不同之處在於TOA技術中測量的是移動目標上行信號到達基站的傳播時間。由於電波的傳播速率是已知的，將傳播時間與速率相乘即可直接計算出移動目標與基站的間距。為了精確地測量信號的傳播時間，TOA技術要求移動目標和基站的時間精確同步。

工作原理

信號到達時間定位方法是通過測量移動終端發出的定位信號（上行鏈路信號）到達多個基站的傳播時間來確定移動終端的位置，該方法至少需要3個基站。發射的信號在自由空間中的傳播速度為光速，當一個基站檢測到一個信號時可以確定其絕對的到達時間。如果同時知道移動終端發射信號的時間，則這兩個信號的時間差可以用來估計信號從移動終端到基站經歷的時間。經過3次（二維空間）或4次（三維空間）測量即可確定目標的位置。

定位精度

TOA定位技術的定位精度一般優於到達角度定位技術和起源蜂窩小區定位技術，回響時間比起源蜂窩小區定位或增強型觀測時間差定位法更長。多徑效應也限制了TOA定位技術的室內定位。

使用條件

TOA定位技術要求接收信號的基站知道信號的開始傳輸時刻，並要求移動終端和基站的時間精確同步。TOA定位技術無需改造現有移動終端，但不適用於沒有時鐘同步的系統（如GSM）。如果網路能夠為基站提供統一的時間參考，就可以套用TOA技術的一個變種：到達時間差TDOA定位技術。時間參考可通過安裝GPS設備或在網路中設定時間參考點來提供。

時間差定位

TOA定位技術不適用於沒有時鐘同步的系統（如GSM和UMTS TDD）。但只要網路能為基站提供統一的時間參考，還是可以套用TOA技術的一個變種：信號到達時間差（TDOA）技術。

上行鏈路信號到達時間差（TDOA）方法

上行鏈路信號到達時間差（TDOA）方法是一種基於移動終端上行信號的傳輸時間差的定位技術，是TOA技術的一個變種，通過計算信號從移動終端到不同基站的傳輸時間差來獲得位置信息的。TDOA技術需要測量的是移動目標上行信號到達不同基站的傳播時間差。根據移動目標信號經過不同路逕到達兩個基站的時間差，可以確定一個雙曲線，因此至少需要3個基站進行4次測量，以便確定兩條雙曲線，根據雙曲線的交點，可以確定移動目標的位置。基站的時間參考點可以通過安裝GPS設備或在網路中設定時間參考點來實現。

TDOA在市區提供的定位精度會比起源蜂窩小區定位好一些，但是卻需要比起源蜂窩小區定位法或增強型觀測時間差定位法更長的回響時間。定位業務繁忙時會對網路產生較大的信令負擔。信號到達時間差定位技術受多徑干擾的影響較大，在CDMA網路中使用的精度較高，因為CDMA網路本身具有抗多徑干擾能力，實測結果可達55m，有望進一步提高到10～20m左右。

TDOA技術要求所有參與定位的基站之間必須完全時間同步。但不需知道從移動終端發射的時間，也不需移動終端與基站之間的同步，在複雜環境下性能相對優越。TDOA技術無需對手機進行修改，因此可以直接向現有用戶提供定位服務。在AMPS、GSM、WCDMA、窄帶CDMA和CDMA2000網路中均可採用TDOA方法。由於TDOA定位方法精度較高，且只需對其網路端進行修改即可，因此，在沒有其他適合WCDMA網路的新型定位方法出現的情況下，到達時間差TDOA定位技術將成為WCDMA網路中的主導定位技術。

下行鏈路信號到達時間差（EOTD）技術

下行鏈路信號到達時間差技術又可稱為增強型觀測時間差（EOTD）定位法，是由移動終端執行測量，觀察不同基站信號到達時間差的技術。該技術在不同系統的標準中的名稱不同：在GSM中稱為增強型觀測時間差（EOTD）定位法，在UMTS中為到達觀測時間差（OTDOA）定位法，在CDMA2000中為高級前向鏈路三角測量法（AFLT）。

該定位方法是在較廣區域內的許多站點上，放置位置測量單元以覆蓋無線網路，每個LMU都有精確的定時源，為基站提供統一的時間參考，並輔助定位測量來實現定位的。移動終端和位置測量單元接收到來自至少3個基站的信號時，從每個基站到達移動終端和位置測量單元的時間差將被計算出來，由此估計出移動終端的位置。位置測量單元和基站的比例至少要保證每個基站都能看到一個位置測量單元。

EOTD定位法的定位精度比起源蜂窩小區（CELL-ID）定位法高50～125m，回響速度約為5s。EOTD定位法會受到市區的多徑效應的影響，特別是當沒有直達路徑的情況下，將影響定位精度。當處於郊區時，移動終端周圍基站很少時，該定位方法可能完全失效。

資料庫定位

相關資料庫定位（DCM）技術是一種通用技術，可以用於任何無線蜂窩網路中。它一般不能支持現有的移動目標，其最終性能很大程度上取決於匹配算法的優劣和位置伺服器的計算和存儲能力，建立信號指紋資料庫並對其進行持續的擴充和維護，是提高定位系統性能必不可少的開銷。

相關資料庫定位技術的基本原理是：建立一個位置信息相關資料庫，存儲定位系統覆蓋範圍內每個位置所觀察到無線信號的特徵信息；當需要定位時，移動目標測量周圍環境的無線信號信息並把測量結果傳送到位置伺服器；位置伺服器將測量結果與資料庫中內容進行比較匹配，與測量結果一致的信號特徵信息所對應的位置區域就是移動目標當前的位置。針對不同的通信系統，信號特徵信息（或稱信號指紋）可以包含信號強度、信號延時和信道脈衝回響，以及其他任何移動目標可觀測的與位置相關的無線信號信息（如GPS衛星信號）。