CN102149192A

CN102149192A - 一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法

Info

Publication number: CN102149192A
Application number: CN2011100268100A
Authority: CN
Inventors: 王婷婷; 柯炜
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: CN102149192B

Abstract

本发明公开一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，步骤为：进行基站-移动台之间的长距离测量，由基站测量本基站与移动台之间的信号到达时间和达到角度值；利用TOA/AOA混合定位法计算出移动台的粗位置坐标，并经下行链路发送给该移动台；移动台与本小区内附近其它完成粗定位的移动台组成临时合作网络，进行移动台-移动台之间的短距离测量，通过信号强度测量获取移动台-移动台之间的距离信息：利用移动台之间的测距信息，采用弹簧模型算法对组成临时合作网络的所有移动台的粗位置坐标进行迭代修正，直至收敛，收敛值即为这些移动台的最后定位结果。此定位方法仅需要移动台所在小区的基站参与，利用移动台之间的短距离信息提高定位精度。

Description

一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法

技术领域

本发明属于蜂窝网络无线定位技术领域，特别涉及一种利用无线通信设施进行无线定位的方法。

背景技术

无线定位技术在搜索救援、智能交通、物流管理、地质勘探和国土开发、航海/航空导航等诸多领域都有广泛应用。如今在社会经济活动和日常生活的各个领域，具有空间位置特性的地理信息发挥着越来越大的作用，高精度的无线定位技术也越来越受到广泛关注。

在众多无线定位系统中，最著名的是把无线电发射源设置在各种轨道卫星上的定位系统，例如美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的伽利略(Galileo)系统、俄罗斯的GLONASS系统以及我国的“北斗”定位系统等，凭借着广域覆盖的巨大优势，将无线电定位技术发展到一个新的高度。尽管卫星定位技术已经在国民经济各个方面得到广泛应用，但是在应用领域由于受到各种接收误差的影响，需要通过其它辅助手段(例如建立差分基准站)才能达到所需的定位精度要求；同时在接收信号受到物理遮挡的情况下无法完成导航任务。因此，利用现有和即将建设的庞大的民用无线网络设施进行无线定位，不仅可以弥补卫星定位系统的不足，而且可以作为无线通信高附加值的服务。尤其是在美国联邦通信委员会颁布了E911(Emergency call 911)定位要求后，加上巨大市场利润的驱动，国内外出现了研究移动通信系统终端定位技术的热潮。典型的蜂窝无线网络定位信号测量方法有基于信号强度(RSS)、基于信号到达时间(TOA)、基于信号到达时间差(TDOA)、基于信号达到角度(AOA)的方法以及它们的混合方法。

现有的蜂窝定位系统大多要求多基站测量才能定位一个移动台，例如基于TOA或TDOA的二维平面定位都至少需要三个基站参与。然而由于蜂窝网络的主要目的是用来实现通信服务，并不是为定位服务专门设计的系统，所以蜂窝网络的一个主要设计原则就是让移动台和提供服务的主基站之间的信噪比尽可能的高，而其他基站和该移动台之间的信噪比尽可能地低，从而减轻蜂窝间干扰。这样一来，当使用上行链路作为定位信号时，邻近基站接收到的由目标移动台发出的定位信号的强度通常比该基站所在小区用户发出的信号强度低得多，也即邻近基站不仅无法收到足够强度的移动台信号进行参数估计，而且该基站所在小区用户信号成为强干扰；当使用下行链路作为定位信号时，目标移动台接收到的由邻近基站发送的定位信号同样比本小区基站下行链路信号强度低很多，本小区基站信号也将成为强干扰。这种情况直接导致的后果是定位设备无法收集到足够数量的参考基站信号进行定位，这也就是无线定位中的所谓侦听受限(hearability-restricted)问题。这一问题在基站密度低的环境或为解决远近效应而采用功率控制技术的系统中最容易出现。另外，增加参与定位的基站数量也会引起其它问题，如网络超负荷、同步困难、计算复杂度高等。

非视距(NLOS)误差是蜂窝网无线定位的另一个挑战。由于不是所有基站都有直射路径到达移动台，所以发射机和接收机之间的直线路径一旦被障碍物阻挡，发射信号要经过反射、折射、散射等才能达到接收机。如果按照传统的定位方法，根据接收到的NLOS信号对移动台进行定位，会产生很大的定位误差。根据Nokia公司的现场测量结果，在GSM网络环境中平均NLOS误差达到500-700米，KoreaTelecom公司在IS-95 CDMA网络中的测量结果也表明平均NLOS误差达到589米，都远远大于测量误差。在NLOS环境中，为提高定位精度，已提出不少方法来减轻或消除NLOS误差影响。其中最简单的方法是识别并丢弃NLOS测量结果，仅用挑选出的LOS测量值进行定位。但这种方法仅仅适用于有大量LOS路径的情形，当LOS测量值不足或根本没有LOS路径时这种方法就不再适用。因此，许多用来抑制NLOS误差影响的方法被提出，主要可以分为以下几类：

第一类是LOS重构法。Wylie等人提出了一种根据一段时间内的距离测量值，采用N阶多项式平滑，计算出距离的标准差，与已知测量噪声的标准差比较，识别LOS/NLOS情形，并进一步根据距离测量值的残差进行LOS重构(M.P.Wylie and J.Holtzmann，“Thenon-line-of-sight problem in mobile location estimation，”InProceedings of the IEEE International Conference on UniversalPersonal Communications，September 1996，vol.2，pp.827-831.)。另有根据各时间段内的测量值，用卡尔曼滤波方法平滑距离值，通过分析噪声方差判断LOS/NLOS情形，并重构LOS距离值，从而得到位置的估计值。这类方法均基于NLOS环境下的距离标准差大于LOS环境下的距离标准差的事实，但标准差的阈值设定靠主观经验值或通过大量实验总结得到，设定不当容易造成错误识别；

第二类是模型误差法。Al-Jazzar利用不同的散射模型(圆环模型、圆盘模型、截断高斯分布模型等)获得基于TOA信号在某一模型下的概率密度函数(S.Al-Jazzar，J.Caffery，and H.-R.You，“Scattering-model-based methods for TOA location in NLOSenvironments，”IEEE Transactions on Veh.Technol.，vol.56，no.2，pp.583-593，March 2007.)。利用概率密度函数得到NLOS误差的统计特性，进而估计移动台的位置。由于实际信道要远复杂于上述模型，因此该方法仅在与模型近似的环境中才能获得较好的结果；

第三类是残差加权算法。Pi-Chun Chen等人提出了一种利用定位残差对定位结果进行加权，以降低NLOS误差的不利影响，提高定位精度的残差加权算法(P.-C.Chen，“A non-line-of-sight errormitigation algorithm in location estimation，”In Proceedingsof the IEEE Wireless Communications and Networking Conference，September 1999，vol.1，pp.316-320.)。但该算法要求有多个基站参与测量，提供多个TOA测量值。然而在实际中由于基站密度低(如郊区)或采取功率控制等，移动台能够接收到的基站信号是有限的；

第四类是混合定位算法。在不同的信道和网络环境中，TOA、TDOA、AOA和RSS测量值具有不同的误差统计特性，检测精度也各不相同，因此综合各种定位方法的优点，有望提高对移动台的定位精度。LiCong等人把泰勒级数展开法推广应用于TDOA/AOA混合定位问题，与单纯采用TDOA方法相比，在一定条件下取得了定位性能的改进(C.Liand W.Zhang，“Hybrid TDOA/AOA mobile user location forwideband CDMA cellular systems，”IEEE Transactions onWireless Communications，vol.1，no.3，pp.439-447，July2002.)。然而在NLOS效应严重的环境中，AOA测量值误差较大，尤其是对邻近基站测量的AOA影响更大，此时对采用多基站定位的算法，其性能改善有限；

第五类是指纹(Fingerpring)定位法。该方法预先测量定位区域内某些已知位置节点的RSS值，并保存在数据库中。当有移动台进入时，测量得到的RSS值与数据库中的记录值比较，得出相应位置坐标。该方法的优点是当数据库建立完善时，定位精度较高。其缺点在于建设成本较高，并且要经常维护更新，尤其是当环境发生较大改变时，几乎要重建数据库，工作量很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对现有蜂窝网络无线定位技术中存在的不足，提供一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，其仅需要移动台所在小区的基站参与，利用移动台之间的短距离信息提高定位精度。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，包括如下步骤：

(1)进行基站-移动台之间的长距离测量，由移动台所在小区基站测量本基站与移动台之间的信号到达时间和达到角度值；

(2)利用TOA/AOA混合定位法计算出移动台的粗位置坐标，并经下行链路发送给该移动台；

(3)移动台与本小区内附近其它完成粗定位的移动台组成临时合作网络，进行移动台-移动台之间的短距离测量，通过信号强度测量获取移动台-移动台之间的距离信息：

(4)利用移动台之间的测距信息，采用弹簧模型算法对组成临时合作网络的所有移动台的粗位置坐标进行迭代修正，直至收敛，收敛值即为这些移动台的最后定位结果。

上述步骤(1)中，基站与移动台之间的信号到达时间值为真实时延、时延测量误差与NLOS误差的总和，基站与移动台之间的达到角度值为真实达到角度、角度测量误差与非视距误差的总和。

上述步骤(2)中，设(x_s，y_s)表示基站坐标，则移动台的粗位置坐标(x_i，y_i)由下式求得：

x_i＝x_s+d_icosθ_i

y_i＝y_s+d_isinθ_i

其中，d_i＝c×t_i，其中t_i表示基站与第i个移动台之间的信号到达时间，c为光速；θ_i表示第i个移动台与基站之间的达到角度值。

上述步骤(3)中，移动台-移动台之间的短距离测量的过程为：某一移动台向周围广播其位置信息和发射功率大小，周围能够接收到其信号的移动台记录下前述移动台的位置坐标和发射功率大小，并测量接收功率大小，通过发射和接收功率之间的关系计算本移动台和前述移动台之间的距离；前述步骤在组成临时合作网络的各移动台之间重复进行，最终所有移动台互相获知对方坐标。

采用上述方案后，本发明突破了以往蜂窝网络定位方法仅利用基站和移动台之间长距离信息的局限，把移动台与移动台之间的短距离信息也纳入到定位中来，通过移动台之间的合作提高定位精度。本发明不同于通常消除NLOS误差的方法，不是单纯通过改进算法或加入NLOS误差的先验信息等来减小定位误差，而是利用移动台之间的合作来提高定位精度，具有以下有益效果：

(1)本发明的方法仅需要主基站参与，克服了多基站定位时因出现侦听受限(hearability-restricted)情况而导致无法定位的问题，尤其适合于基站密度较低的环境和采用功率控制技术的蜂窝网络系统；

(2)由于基站(BS)和移动台(MS)之间的距离可达几百到几千米，而移动台(MS)和移动台(MS)之间距离一般在几十米，这就大大增加了MS-MS之间存在视距路径的概率。本发明利用较精确的MS-MS之间短距离测量值，对位置坐标进行调整，可以修正BS-MS之间长距离测量值带来的误差，提高定位精度；

(3)本发明的方法可以同时对多个移动台的坐标进行精细调整，一次迭代过程可以完成多个移动台的定位，提高了定位效率；

(4)本发明仅需要在基站端安装天线阵列，对移动台无此要求，从而可大大降低安装成本；同时，由于移动台和其所在小区的基站距离较近，因此用移动台所在小区基站测量本基站与移动台之间的AOA值误差不大。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本方明中所应用的定位系统示意图；

图3是本发明中所应用的弹簧受力示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下将结合附图及具体实施例对本发明的工作流程及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，包括如下步骤：

(1)进行基站-移动台(BS-MS)之间的长距离测量，由移动台所在小区基站测量本基站与移动台之间的信号到达时间(TOA)和达到角度(AOA)值；

在本实施例中，应用环境如图2所示，这是典型的六边形蜂窝结构，蜂窝半径为1000m，7个基站的坐标分别为(0m，0m)，(1500m，866m)，(1500m，-866m)，(0m，1732m)，(0m，-1732m)，(-1500m，866m)和(-1500m，-866m)。所述各基站所在小区内均包含N个移动台(N为自然数)，分别记为C_i(i＝1，2，…，N)，当某一个移动台(设为C1)向本小区基站发送定位请求，在基站接收到定位请求后，由基站测量本基站和移动台之间的TOA和AOA值。

t_i＝t_d，i+t_n，i+t_b，i

θ_i＝θ_d，i+θ_n，i+θ_b，i

其中，t_i表示基站与第i个移动台之间的TOA值，则基站与该移动台之间的距离为d_i＝c×t_i，其中t_d，i为BS-MS之间的真实时延，t_n，i为时延测量误差，t_b，i为NLOS误差，c为光速；θ_i表示第i个移动台与基站之间的AOA值，θ_d，i为BS-MS之间的真实达到角度，θ_n，i为角度测量误差，θ_b，i为非视距误差。

(2)利用TOA/AOA混合定位法计算出移动台的粗位置坐标；

设(x_s，y_s)表示基站坐标，则移动台的粗位置坐标(x_i，y_i)可由下式求得：

x_i＝x_s+d_icosθ_i

y_i＝y_s+d_isinθ_i

所得移动台C₁的位置坐标，经下行链路发送给该移动台C₁。

(3)移动台与本小区内附近其它完成粗定位的移动台组成临时合作网络，进行移动台-移动台(MS-MS)之间的短距离测量，通过信号强度(RSS)测量获取移动台-移动台之间的距离信息：

移动台C₁接着向周围广播其位置信息和发射功率大小，周围能够接收到其信号的移动台分别记为C₂，C₃，…，C_N(设周围能接收到信号的移动台有N-1个)，这些移动台记录下C₁的位置坐标和发射功率大小，并测量接收功率大小，通过发射和接收功率之间的关系计算出它们和移动台C₁之间的距离，方法如下：

根据路径损耗模型，可知功率和距离间的关系为：

(L_p)_dB＝(L₀)_dB-10αlog₁₀(d/d₀)+μ

其中d₀为近地参考距离，L₀为距离为d₀时接收到的信号功率，本发明中d₀取得很小(可根据情况取值0.1m-1m)，L₀可以近似用发射功率代替；L_p是距离为d时接收到的信号功率，α是路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，它依赖于周围环境，根据文献一般α取2-5；μ是遮蔽因子，它是均值为零，标准偏差为σ_μ的正态随机变量。利用上式，根据发射和接收功率，就可以估计出某移动台与移动台C₁之间的距离。

然后移动台C₂，C₃，…，C_N分别向C₁发送应答信号(包括它们各自的位置坐标和发射功率大小)，C₁用同样方法可以得到C₂，C₃，…，C_N的位置坐标，以及它和C₂，C₃，…，C_N之间的距离大小。上述过程在C₂，C₃，…，C_N之间重复进行，直到选择出M(M≤N)个能够互相接收到对方信号的移动台，并且这M个移动台互相获知对方坐标。

(4)利用移动台之间的测距信息，采用弹簧模型算法对M个移动台的粗位置坐标同时进行迭代修正，直至收敛，收敛值即为这M个移动台最后定位结果：

采用弹簧模型(P，S)来描述移动台之间的无线连接，其中P表示粒子集，S表示弹簧集。此处粒子代表移动台，弹簧代表移动台之间的距离。p_i∈P表示临时合作网络中的第i个移动台，s_ij∈S相应地表示第i个和第j个移动台之间的距离。每个粒子有四个物理属性，即质量m、位置r、速度v和加速度a。对于弹簧s_ij，弹簧产生的力可以用下式表示：

其中l_ij0表示弹簧s_ij的原长，此处即为第i个和第j个移动台之间通过粗位置坐标计算得到的距离

l_ij表示弹簧s_ij的当前长度，此处即为第i个移动台通过RSS测量得到的它和第j个移动台之间的距离；k_ij表示弹性系数。因此-k_ij(l_ij-l_ij0)可以表示弹簧受力的大小，而

表示第i个粒子受力的方向。在临时合作网络中，每个粒子都和若干个粒子通过弹簧相连，当这些弹簧压缩或伸长时，就会在粒子上产生合力。

对于粒子p_i，其所受合力可以表示为：

图3给出了粒子的受力情况。根据该合力，可以得到粒子p_i的加速度：

粒子p_i的位置和速度可分别表示为：

离散函数形式可用下式表示：

当粒子p_i起初的合力不为0时，该合力就会牵引p_i运动到一个新的位置，同时合力也发生改变。此过程不断进行，直到粒子p_i运动到某一位置所受合力为0时，此时粒子不再运动，所处位置即为粒子的最后位置。临时合作网络中的其它粒子(移动台)采用同样方式同时进行位置坐标的调整，并且把新坐标发送给其它粒子(移动台)，同时连续进行相互间测距和计算各自所受的合力。实际应用中，只要粒子所受合力连续两次的变化量小于某个门限值，就可以认为粒子的位置不再改变，也即得到粒子(移动台)最终定位结果。需要指出的是，这里粒子(移动台)在力的作用下的运动过程是虚拟的，实际粒子(移动台)在弹簧模型算法执行过程中并未改变位置，只是将原来不准确的粗位置坐标不断调整到较正确的位置坐标。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基站与移动台之间的信号到达时间值为真实时延、时延测量误差与NLOS误差的总和，基站与移动台之间的达到角度值为真实达到角度、角度测量误差与非视距误差的总和。

3.如权利要求2所述的一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，设(x_s，y_s)表示基站坐标，则移动台的粗位置坐标(x_i，y_i)由下式求得：

x_i＝x_s+d_icosθ_i

y_i＝y_s+d_isinθ_i

4.如权利要求3所述的一种基于移动台合作的蜂窝网络无线定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中，移动台-移动台之间的短距离测量的过程为：某一移动台向周围广播其位置信息和发射功率大小，周围能够接收到其信号的移动台记录下前述移动台的位置坐标和发射功率大小，并测量接收功率大小，通过发射和接收功率之间的关系计算本移动台和前述移动台之间的距离；前述步骤在组成临时合作网络的各移动台之间重复进行，最终所有移动台互相获知对方坐标。