无线网络定位技术

无线网络定位技术

标签： 应用 LBS 2011-03-24 17:30

阎啸天于蓉蓉武威

（中国移动通信有限公司研究院业务所）

摘 要介绍了位置信息和定位性能分析指标等基本概念，根据定位原理与策略的差异对各种定位方法进行分类，概要阐述和比较说明了蜂窝网络、无线局域网络(WLAN）拓扑环境下各种常用定位系统和技术的原理、发展现状与特点，重点比较分析了WLAN中基于信号强度定位技术的分类、特点与性能，最后总结展望了无线网络中定位技术的研究和应用。

关键词无线网络，定位技术，无线局域网，指纹

1. 引言

随着无线通信技术的发展和数据处理能力的提高，基于位置的服务成为最具发展潜力的移动互联网业务之一。无论在室内还是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置信息和提供位置服务的需求变得日益迫切。通信和定位两大系统正在相互融合、相互促进。利用无线通信和参数测量确定移动终端位置，而定位信息又可以用来支持位置业务和优化网络管理，提高位置服务质量和网络性能。所以，在各种不同的无线网络中快速、准确、健壮地获取移动位置信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。

2. 定位基本概念

移动定位涉及移动无线通信、数学、地理信息和计算机科学等多个学科的知识，某些有关移动定位的基本概念比较容易混淆，因此有必要首先澄清一些基本概念。

2.1物理位置和抽象位置

定位系统提供的位置信息可以分为两类：物理意义上的位置信息和抽象意义上的位置信息。所谓物理意义上的位置信息，就是指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数据。例如，GPS可以测得一幢建筑物位于北纬

，东经

，海拔50米处。相对而言，抽象的位置信息可以表达为：这栋建筑物

位于公园的树林中或校园的主教学楼附近等。

从应用程序的角度讲，不同的应用程序需要的位置信息抽象层次也不尽相同，有些只需要物理位置信息；而有些则需要抽象意义上的位置信息，单纯的物理位置信息对它们来说是透明的，或是没有意义的。当然，物理位置信息可以在附加信息库的帮助下，转换并映射为抽象层次的位置信息。

2.3定位性能指标

定位精度和定位准确度是两个紧密联系的概念，它们之间的关系类似于数理统计学中置信区间和置信水平之间的关系。严格说来，如果孤立的指出某个定位系统的定位精度或定位准确度，都是没有意义的。典型的正确描述应该是：A定位系统可以在95%的概率（置信水平）下达到10m的定位精度。其中，“95%”描述的是定位准确度。定位精度越高，相应的定位准确度就越低，反之亦然。通过增加定位设备的密度或综合使用多种不同的定位技术，可以同时提高定位系统的精度和准确度。一般说来，室内应用所需定位精度要比室外应用高。

3.定位技术分类

3.1定位原理

无线定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。定位精度取决于测量的方法。从定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。 3.1.1三角/双曲线关系

这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角或双曲线关系的定位技术可以细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。

3.1.1.1 基于距离测量的定位技术

这种定位技术先要测量已知位置的参考点（A,B,C三点）与被测物体之间的距离(R1,R2,R3)，然后利用三角知识计算被测物体的位置。具体说来，距离测量的方法有三种：

(1)直接测量

这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。例如，机器人移动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。 (2)传播时间

在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。这种测量方法需要注意的问题有如下几个：(a)无线电波（在非视距NLOS环境中）的传播特性。一般的解决方法是增加测量次数，求出统计意义上的测量值。(b)时钟精度。(c)时钟同步。参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同。 (3)无线电波能量衰减

已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射端距离接收端之间的距离。例如，在理想传播环境下，无线电波的衰减与1/r2成正比（r为传播距离）。 实际上，无线电波在空间传播时能量的衰减受多种因素影响，相比传播时间测量方法没有优势。

3.1.1.2 基于角度测量的定位技术

基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的。两者主要的不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么则需要测量两个角度和一个距离。同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么则需要测量三个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列等。 3.1.2基于场景（信号指纹）分析的定位技术

这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。Microsoft的RADAR无线局域网定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。 3.1.3基于临近关系的定位技术

基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的Cell ID。假设待定位物体分别位于三个Cell中。由于各个Cell中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在Cell可以粗略确定其位置（即Cell中参考点

的位置）。除了Cell ID以外，其他的例子还有Xerox PareTAB System、Carnegie Mellon Andrew、Active Badge等。

3.2定位策略

从定位策略的角度来看，定位技术/系统可以分为基于移动终端的定位和基于网络的定位两种。基于移动终端的定位是指定位计算由移动终端自主完成，移动终端能够自行确定自身当前的位置。基于网络的定位主要由网络系统收集待定位移动终端的信息并计算移动终端的当前位置。如果再对以上两种定位策略进行细分，前一种定位策略又可以分为基于移动终端的定位和网络辅助定位两种；而后一种定位策略又可以分为基于网络的定位和移动终端辅助定位两种。

4.无线网络定位技术

不同的无线移动网络对定位有着不同的业务需求和定义，不同的网络拓扑、物理层和MAC层设计对定位技术也提出了不同的挑战。按照不同的网络拓扑形式，现有定位系统可以分为蜂窝网络、WLAN和无线传感器网络辅助的定位系统。

4.1蜂窝网络定位技术

目前，实现蜂窝无线定位主要有三大类解决方案：1）基于网络的定位技术，如基于CellID和时间提前量（TA）的方法、上行链路信号到达时间（TOA）方法、上行链路信号到达时间差（TDOA）方法以及上行链路信号到达角度（AOA）方法，这些解决方案需要对现有网络做部分改进，但却可以兼容现有移动终端；2）基于移动台的定位方法。用于GSM中的下行链路增强观测时差定位方法（E-OTD）、用于WCDMA下行链路空闲周期观测到达时间差方法（OTDOA-IPDL）等；3）以GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU、QZSS等为代表的卫星定位系统，移动台和网络侧集成了卫星定位的辅助设备。从技术角度来说，第二类和第三类方法更容易提供较为精确的用户定位信息，但这些技术需要改进网络的同时，也存在对移动台改动的需求，这将对移动台体积、功耗、成本带来影响。

各类定位方法已经在不同蜂窝网络中被标准化。3GPP对于GSM网络选择了基于CellID和时间提前量、上行TOA、E-OTD、辅助GPS(AGPS)等方案，而为WCDMA网络选择了基于CellID、OTDOA-IPDL、AGPS等方法。GSM网络中与定位相关的标准包括3GPPTS09.02和3GPPTS03.71，3G网络中还有3GPPTS25.331系列规范对位置服务系统的架构和相关定位流程进行了规定。下面重点介绍几种主要蜂窝网络定位方法和其性能的比较，见表格 1。

表格 1 蜂窝网络定位技术小结

冷启 定位 精度水平 速度 技术 （m） （s） CellID 100-3000 1-3 Cell ID+ TA Cell ID+ RTT UTDOA 50-150 5-10 /TD-SCDMA E-OTD 50-300 5-10 AOA 指纹 (NMR、 50-300 5-10 模式 匹配) 智能 天线 逊于AGPS， 优于传统 三角定位 优于传统 数据 测时、 5-10 融合 测角定位 AGPS 信号好：5-20 5-200 测量数据(TOA/TDOA/AOA） 或系统级 (GPS+CDMA）融合 不限 开阔区域定位精度/准确度最高，室内、密集地区定位情况较需结合多种定位技术和设备，以提供T(D)OA/AOA等测量支持 5-10 不限 网络侧需MIMO支持,只需单个基站，T(D)OA/AOA测量，或统计学习多径信号参数与用户位置间关系 不限 控制平面需支持Lupc接口，需要大量离线训练数据,或使用路径模型计算距离 50-500 1-5 GSM 不限 不限 精度受制于扇区大小，鲁棒性较差 精度较Cell ID有所改进，但需要添加LMU(/3BTS)，建设成本高 适用网络环境 备 注 550 1-5 20-60 GSM/GPRS 精度较Cell ID有较大改进，但UMTS(WCDMA,TD-SCDMA) 需要添加LMU(/3BTS)，建设成本高 GSM/WCDMA GSM/TD-SCDMA需增加LMU，LMU与SMLC之间接口私有 需添加LMU(/3BTS)，建设成本高 MSC支持Lg接口，定向天线支持AOA测量，受环境影响较大，用于配合其他方法

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