哈尔滨工程大学本科生毕业论文
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
无线定位技术的研究与应用开始于20世纪60年代的自动车辆定位(AVL)系统。80年代以来，随着人们对智能交通运输系统(ITS)的需要及蜂窝移动通信系统的出现，对无线定位技术有了新的要求。蜂窝网络定位技术发展的原动力是美国联邦通信委员会(FCC)于1996年提出的E-911(Emergency call‘911’)紧急呼叫的定位需求，要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的事件概率不低于67%；在2001年以后，系统必须提供更高的定位精度及三维位置信息。1999年12月，FCC 99-245对E-911需求进一步细化，对网络设备和手机生产厂商、网络运营商等对定位技术在网络设备和手机中的实施和支持提出了明确要求和日程安排。在定位精度要求方面规定：基于蜂窝网络的定位方案(不改动终端)，要求在67%的概率下定位精度不低于150m，95%的概率下定位精度不低于300m；基于移动台的定位方案(可以改动终端)，要求在67%的概率下定位精度不低于50m，95%的概率下定位精度不低于150m。美国FCC的这一规定明确了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G网络必备的基本功能[1]。
FCC的规定大大推动了蜂窝网无线定位技术的发展。在蜂窝网通信系统中实现对移动台的定位除了满足E-911定位需求外还具有以下重要用途[2]：
(1) 基于移动台位置的灵活计费，可根据移动台所处位置采取不同的收费标准。
(2) 智能交通系统(ITS)，ITS系统可以方便提供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务。
(3) 优化网络与资源管理，精确监测移动台，使网络更好决定进行小区切换的最佳时刻。同时，根据其位置动态分配信道，提高频谱利用率，对网络资源进行有效管理。
1
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
(4) 信息服务，对移动台和旅行者定位并向其提供所在区域的信息及其它服务。
(5) 在公安侦查活动中，可用于跟踪被盗车辆及失踪人员。
1.2 课题研究的目的和意义
我们需要的最基本信息就是：时间、地点和内容。随着社会经济的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不具确定性。这种移动性和不确定性给移动通信带来市场和挑战的同时，也为定位服务的开展和扩大带来了无限商机。同时，对移动通信网本身来说，移动性管理一直是难点。如果知道了移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相对简单了，所以，无论是用户的需求，还是运营商或网络供应商的需要，都对定位服务的发展提出了迫切的要求。其主要应用有[2]：
1、紧急救援
当移动手机或车载机持有者遇到紧急情况(交通事故、车辆故障、遇劫及其它)，拨打救援中心电话(如中国的110、美国的911、日本的411等)时，报警用户往往不能提供自己的准确位置。移动通信网络就在将该紧急呼叫发送到救援中心的同时，启动位置服务并得到该用户的具体位置，将位置信息和用户的语音信息一并传送给救援中心。这样，救援中心就可以根据得到的位置信息，迅速、高效地给用户提供紧急救援服务，大大提高了救援的成功率。
2、移动黄页查询
互联网的黄页查询是一项发展比较迅速的网络增值服务。用户通过互联网查询自己所在区域的各种信息，例如，附近的饭店、商场、附近各公司的电话号码及所在位置等。移动互联网技术与位置服务相结合，便可以实现移动黄页查询。移动通信网络首先确定终端用户的位置，然后在互联网提供的信息中挑选出用户所在区域的相关信息供用户查询。
3、位置相关计费
要实现公正、有效的计费是比较困难的。移动用户在通信过程中占用了
2
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
网络资源，运营商需要就这一部分资源向用户收取费用。用户所占网络资源的位置(是处于高速公路上正快速移动，还是在家中，是处于话务比较繁忙的商业区，还是处于郊区)不同，网络给用户提供的服务量就不同，所以相应的收费也应不同。但实际上运营商并不知道用户的确切位置，无法判断用户所处的位置特征并实行位置相关计费。但随着定位服务的发展，与位置有关的计费也必将发展起来。
4、对网络欺诈者定位和防盗打管理
对移动通信运营商来说，移动用户恶意欠费、移动电话盗打是困扰已久的问题。利用移动定位技术可以对恶意欠费用户进行定位，以迅速抓住欺诈者，并有效地监测和制止盗打。
5、车辆导航和智能运输系统(ITS)
移动通信网提供的位置服务能满足车辆导航和跟踪。为每一辆(或列)需要导航和跟踪的汽车(或列车)安装一个移动车载台，然后通信网为这些车载台提供位置信息，并将这些信息通过通信网络传输给交通管理的调度中心，便可快速地在车辆和调度中心之间建立协调的运行管理和导航。在移动蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后ITS就可利用移动定位技术，对车队运输系统中的车辆和移动资源进行定位，提供车辆及旅客位置信息，检测交通事故和塞车，以实现智能化管理与调度。
6、优化蜂窝移动通信系统设计
移动通信网的移动性管理一直是网络的难点问题。如果网络知道移动台的精确位置，进行移动性管理就变得相对简单，也有助于对移动台进行有效的信道分配，使无线资源的利用程度更高。另外，如果能够实时地得到移动台的位置信息，就可以实现网络资源的动态、智能分配，增强网络性能，提高网络的服务质量。
可以相信，随着定位技术的发展，位置服务的其它潜在应用还将不断涌现。由于定位服务的深远影响，国际标准化组织对移动台定位非常重视，对此展开了专项研究，并加快了制定相关功能规范和信令接口标准的进程。
3
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
1.3 国内外的研究现状
蜂窝网移动通信系统无线定位问题，迫切希望得到较完善的实用技术，但是要在移动通信网中实现移动终端的精确定位尚有许多技术难点亟待解决。在CDMA系统中，移动终端定位技术主要需要解决以下几方面的问题：
1、多径传播
无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位方法产生较大的误差。其主要原因是多径传播会对测量代表收发双方实际距离和方位的直射路径(LOS)信号的角度和时延产生较大的干扰。传统的传播时延测量一般采用接收信号和参考信号相关的方法获得，当多径信号时延很近时，多径传播有可能导致相关函数出现多个峰值或主值的展宽，因此导致时延测量精度下降。针对多径信号的时延估计和到达角度估计，许多研究者在此方面做了大量的工作。从研究现状来看，在各种无线环境下如何进一步提高对多径的分辨率仍需要做进一步的研究。
2、非视距路径传播(NLOS)
无论是测向定位还是测距定位，视距传播信号是正确定位的基础。因此，由于移动终端和基站间的直射路径被阻挡而导致的信号非视距路径传播会对基于角度和时间的定位方法带来很大的误差，并且是误差的主要来源。迄今为止，对于非视距路径传播带来误差的抑制，国内外研究者已经做了大量的工作并提出了若干抑制方法，但仍然没有一个有效的方法来解决这一问题。
3、多址干扰
在CDMA系统中，多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素。当对定位信号进行测量时，多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的干扰。在上行链路表现为邻近基站无法得到移动终端发出的定位信号；在下行链路表现为服务基站信号会对邻近基站发出的定位信号产生强烈的干扰，使得当移动终端距离服务基站较近时，无法接收到邻近基站定位信号。因此必须对多址干扰进行抑制。CDMA系统中多用户检测算法的目的就是最大程度的降低多址干扰的影响，但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较
4
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
多时，其运算量都非常大，实际实现较为困难。多址干扰也是当前CDMA蜂窝网的一个重要课题。
目前全球已经有数十家公司研究和提供移动台定位技术，爱立信公司、诺基亚公司和摩托罗拉公司于2000年9月发起成立了定位协作论坛LIF，该论坛的目的就是为了促进移动台定位业务的全球互联互通，到2000年11月大会成立时，已经有73家公司加入了该论坛。日本NTT公司和TOHOKU大学自1999年合作进行了适用于WCDMA系统的在两基站环境的基站搜索方法试验。美国高通公司开发出了两种用于A-GPS定位技术的芯片—MSM3300(for IS-95)、MSM5500(for CDMA2000 1x)，内置GPS解码，2000年下半年发布，2001年6月在国内推广。中国移动通信有限责任公司目前已经开通了移动定位实验局，研究采用TDOA(到达时间差)和CELL ID+TA(小区信息和时间提前量)等技术的移动台定位[2]。
1.4 本文的主要工作
本文的主要研究工作包括：
1、对性能较好的基于TDOA定位的Chan算法进行研究，得出其在噪声加大时，定位精度降低的原因：Chan算法忽略了二次项误差或二阶以上分量。
2、根据遗传算法的基本原理，研究目前性能较好且比较成熟的基于TDOA定位的遗传算法，直接对TDOA定位模型所推导出的似然函数进行操作，从而有效的提高了定位的精度，文中在高斯信道环境下对该算法进行仿真，并与Chan算法进行性能比较，仿真结果表明：该算法有效的提高了定位精度。
3、利用Chan算法的快速收敛特性，把Chan算法的输出作为遗传算法的输入，以缩小搜索范围，加快遗传算法的收敛速度。在高斯信道环境下对其进行仿真，仿真结果表明：与Chan算法进行性能比较，该算法提高了定位精度；与遗传算法进行性能比较，该算法大大加快了收敛速度，基本达到了定位精度与收敛速度的折衷。
5