[科普中国]-移动通信基站定位技术

利用移动通信基站进行定位是近年来移动通信应用发展的新方向，也是第三代移动通信研究的一个重要方向。随着移动通信技术的发展，人们在全球范围内建立了大量的通信基站，利用通信基站作为无线定位基站成为移动通信网络提供LBS业务的新途径，使得移动通信终端也具备了定位功能，并进一步降低了移动定位的成本，增强了移动通信功能的实用性。1

基本原理移动通信基站定位从定位计算的原理上大致可以分为3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。2

基于三角关系和运算的定位技术

这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角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。基于三角关系和运算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。

（1）基于距离测量的定位技术

这种定位技术首先需要测量己知位置的参考点（A、B、C 3点）与被测物体之间的距离，然后利用三角知识计算被测物体的位置。具体而言，距离测量的方法包括：直接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；测量参考点与被测物体之间的无线电波传播时间；测量无线电波能量从参考点与被测物体之间的衰减。

（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），则需要测量两个角度和一个距离（虚线表示）。

基于场景分析的定位技术

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。观察者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库，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。

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，以特定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。

场强定位法这种方法主要是利用移动目标靠近或远离基站时所带来的信号衰减变化来估计移动目标的方位。如果移动目标发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出移动目标与该点的距离。

定位原理场强定位法的理论依据是无线信号的大尺度传播模型。在大尺度传播模型中，如果基站采用全向天线，则基站信号功率的衰减为信号传播距离的函数。因此，根据基站发射功率和移动目标接收功率，便可计算出信号的传播距离，移动目标则位于以基站为圆心，两者距离为半径的圆上。对不在同一直线上的3个基站进行测量，由此确定的3个圆的交点即为移动目标的位置。

定位精度场强定位方法是定位技术中最不可靠的一种。在蜂窝网络中，场强测量值的误差通常较大，由于小区基站的扇形特性，天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整，多径和阴影效应，都会对信号场强产生不同程度的影响；由于阴影衰落效应，若采用不合适的路径损耗模型时会造成较大的标准偏差。

使用条件场强定位方法适用于已有标准信号强度测量报告的系统。在GSM中，可以在移动终端处于激活状态下，直接利用标准测量报告就可满足定位需求，系统升级简单，且不需改动现有移动终端，但在定位准确度要求较高时不宜采用这种技术。

蜂窝小区定位获取移动目标当前所在小区的ID从而得到其位置信息，是最简单的一种定位方法，也是当今无线网络中广泛采用的定位技术。另外，它也能为基于位置的计费和信息需求提供服务。由于小区是任何无线蜂窝系统的固有特性，只需对当前系统作很少改动就可适用这种技术。起源蜂窝小区定位技术可以发展为基于网络或基于移动目标的实现方式。前者由网络获取移动目标所处于小区的ID，无需对移动目标作任何改动，但这样只能在移动目标处于激活态下才能进行。后者需要在每个小区广播本小区基站的地理坐标，移动目标根据所在小区的广播信息，获知自己的位置信息。

起源蜂窝小区定位技术实际上是基于临近关系的定位，它是根据移动终端所处的小区标识号（Cell ID）来确定移动终端的位置，无需对移动终端和网络进行升级，仅需在现有网络中增加一些定位软件即可直接向现有的移动用户提供最基本的基于位置的定位服务。

小区定位技术的定位精度取决于小区的大小，与其他方法相比，其精度最低，误差一般大于125m。例如，在使用微小区的城市中心地区，小区直径只有150m左右；而在使用宏蜂窝的业务量稀少的偏远地区，小区直径可以从几公里到几十公里，基于小区ID的定位很难满足较高精度定位的需求。

基于小区ID的定位方法的最大优势是响应十分快，它确定位置信息的响应时间约为3s左右，而且如果采用基于网络的实现方式，无需对手机升级，就可直接向现有用户提供基于位置的服务。

到达角定位信号到达角（Angle of Arrival，AOA）定位技术最初由军方和政府机构共同研发，后来被运用到模拟无线通信中。由于数字移动通信具有信号短和信道共享的特点，该技术很难成功用于数字系统。该技术的一般版本叫“小缝隙方向寻找”。它需要在每个蜂窝小区的基站放置4～12组天线阵列，这些天线阵列共同工作，由此确定移动设备发送信号相对基站的角度。当有不少于两个基站都发现了该信号源的角度时，分别从这些基站的角度引出射线，这些射线的交点就是移动目标的位置。3

定位原理信号到达角定位技术是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计移动用户的位置。接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即方位线。基站利用接收机天线阵列测出接收到的移动终端发射电波的入射角（信号的方向），构成从接收机（基站）到移动终端的径向连线，即方位线。两根连线的相交点即为移动终端的位置。两个基站的到达角测量就能确定目标移动终端的位置。利用两个或两个以上接收机提供的到达角测量值，按到达角定位算法确定多条方位线的焦点，即为待定位移动终端的估计位置。

定位精度当移动终端距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会产生定位距离的较大误差。多径传播和其他环境因素的影响，也会严重影响定位精度。在室内环境下，周围的物体或墙体都会阻挡视距（Line of Sight，LOS）信号路径，因此，到达角技术不适用于低成本的室内定位系统，较适合于多径影响较小的郊区。

使用条件到达角定位法需要在基站处架设昂贵的高精度智能天线阵列，在每个小区基站上需放置4～12组的天线阵，且只能从反向链路定位。

到达时间定位信号到达时间（Time of Arrival，TOA）定位技术与场强定位技术的定位原理相类似，也是首先获得移动目标到3个基站的距离，由此确定的3个圆的交点确定了移动目标的位置。不同之处在于TOA技术中测量的是移动目标上行信号到达基站的传播时间。由于电波的传播速率是已知的，将传播时间与速率相乘即可直接计算出移动目标与基站的间距。为了精确地测量信号的传播时间，TOA技术要求移动目标和基站的时间精确同步。4

工作原理信号到达时间定位方法是通过测量移动终端发出的定位信号（上行链路信号）到达多个基站的传播时间来确定移动终端的位置，该方法至少需要3个基站。发射的信号在自由空间中的传播速度为光速，当一个基站检测到一个信号时可以确定其绝对的到达时间。如果同时知道移动终端发射信号的时间，则这两个信号的时间差可以用来估计信号从移动终端到基站经历的时间。经过3次（二维空间）或4次（三维空间）测量即可确定目标的位置。

定位精度TOA定位技术的定位精度一般优于到达角度定位技术和起源蜂窝小区定位技术，响应时间比起源蜂窝小区定位或增强型观测时间差定位法更长。多径效应也限制了TOA定位技术的室内定位。

使用条件TOA定位技术要求接收信号的基站知道信号的开始传输时刻，并要求移动终端和基站的时间精确同步。TOA定位技术无需改造现有移动终端，但不适用于没有时钟同步的系统（如GSM）。如果网络能够为基站提供统一的时间参考，就可以应用TOA技术的一个变种：到达时间差TDOA定位技术。时间参考可通过安装GPS设备或在网络中设置时间参考点来提供。

时间差定位TOA定位技术不适用于没有时钟同步的系统（如GSM和UMTS TDD）。但只要网络能为基站提供统一的时间参考，还是可以应用TOA技术的一个变种：信号到达时间差（TDOA）技术。

上行链路信号到达时间差（TDOA）方法

上行链路信号到达时间差（TDOA）方法是一种基于移动终端上行信号的传输时间差的定位技术，是TOA技术的一个变种，通过计算信号从移动终端到不同基站的传输时间差来获得位置信息的。TDOA技术需要测量的是移动目标上行信号到达不同基站的传播时间差。根据移动目标信号经过不同路径到达两个基站的时间差，可以确定一个双曲线，因此至少需要3个基站进行4次测量，以便确定两条双曲线，根据双曲线的交点，可以确定移动目标的位置。基站的时间参考点可以通过安装GPS设备或在网络中设置时间参考点来实现。

TDOA在市区提供的定位精度会比起源蜂窝小区定位好一些，但是却需要比起源蜂窝小区定位法或增强型观测时间差定位法更长的响应时间。定位业务繁忙时会对网络产生较大的信令负担。信号到达时间差定位技术受多径干扰的影响较大，在CDMA网络中使用的精度较高，因为CDMA网络本身具有抗多径干扰能力，实测结果可达55m，有望进一步提高到10～20m左右。

TDOA技术要求所有参与定位的基站之间必须完全时间同步。但不需知道从移动终端发射的时间，也不需移动终端与基站之间的同步，在复杂环境下性能相对优越。TDOA技术无需对手机进行修改，因此可以直接向现有用户提供定位服务。在AMPS、GSM、WCDMA、窄带CDMA和CDMA2000网络中均可采用TDOA方法。由于TDOA定位方法精度较高，且只需对其网络端进行修改即可，因此，在没有其他适合WCDMA网络的新型定位方法出现的情况下，到达时间差TDOA定位技术将成为WCDMA网络中的主导定位技术。

下行链路信号到达时间差（EOTD）技术

下行链路信号到达时间差技术又可称为增强型观测时间差（EOTD）定位法，是由移动终端执行测量，观察不同基站信号到达时间差的技术。该技术在不同系统的标准中的名称不同：在GSM中称为增强型观测时间差（EOTD）定位法，在UMTS中为到达观测时间差（OTDOA）定位法，在CDMA2000中为高级前向链路三角测量法（AFLT）。

该定位方法是在较广区域内的许多站点上，放置位置测量单元以覆盖无线网络，每个LMU都有精确的定时源，为基站提供统一的时间参考，并辅助定位测量来实现定位的。移动终端和位置测量单元接收到来自至少3个基站的信号时，从每个基站到达移动终端和位置测量单元的时间差将被计算出来，由此估计出移动终端的位置。位置测量单元和基站的比例至少要保证每个基站都能看到一个位置测量单元。

EOTD定位法的定位精度比起源蜂窝小区（CELL-ID）定位法高50～125m，响应速度约为5s。EOTD定位法会受到市区的多径效应的影响，特别是当没有直达路径的情况下，将影响定位精度。当处于郊区时，移动终端周围基站很少时，该定位方法可能完全失效。5

数据库定位相关数据库定位（DCM）技术是一种通用技术，可以用于任何无线蜂窝网络中。它一般不能支持现有的移动目标，其最终性能很大程度上取决于匹配算法的优劣和位置服务器的计算和存储能力，建立信号指纹数据库并对其进行持续的扩充和维护，是提高定位系统性能必不可少的开销。

相关数据库定位技术的基本原理是：建立一个位置信息相关数据库，存储定位系统覆盖范围内每个位置所观察到无线信号的特征信息；当需要定位时，移动目标测量周围环境的无线信号信息并把测量结果发送到位置服务器；位置服务器将测量结果与数据库中内容进行比较匹配，与测量结果一致的信号特征信息所对应的位置区域就是移动目标当前的位置。针对不同的通信系统，信号特征信息（或称信号指纹）可以包含信号强度、信号延时和信道脉冲响应，以及其他任何移动目标可观测的与位置相关的无线信号信息（如GPS卫星信号）。6

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院