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摘 要:随着人们对基于位置的信息服务的需求增多,无线定位技术得到越来越多的研究者的关注。利用用户的位置信息,不但能为移动用户提供安全保障,还可以增加移动通信系统性能、有效管理网络资源、调节系统容量、实现灵活收费、提供信息服务等。本文主要就无线定位系统在移动通信中的应用进行讨论。
关键词:无线定位系统 蜂窝移动网 应用
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-1875(2008)04-090-03
一、无线定位系统概述
定位通常是指确定某个物体在某一参考坐标系中的位置,而无线电定位就是根据接收到的无线电信号的强度、相位、时间等参数,通过特定方法计算出移动用户的位置。
最初的定位系统主要用于为飞机、舰船以及军事用途等专用目的提供定位服务,作为其代表的典型定位系统有Loran-c, Omega, Tacan, Radar及VOR/DME等。20世纪60年代后,很多军用技术被转化和引入民用,因此出现了如自动车辆定位(AVL)系统的民用无线定位系统,并且在公共交通管理、货物运输、公安追踪及出租车调度等范围中广泛应用。
近年来,无线蜂窝通信网的发展,特别是第二代数字移动通信系统全面取代了第一代模拟无线通信系统之后,网络运营成本大幅度降低,移动用户的消费也有明显的下降,因而很大程度上推动了无线市场的发展,GSM和CDMA用户的数量也发生了爆炸式的增加,这一点为定位服务提供了良好的基础。同时,随着e时代的到来和人们对生活需求不断的提升,以及公共安全、紧急呼叫、出租调度等服务的要求,定位服务将拥有巨大的市场前景。
美国在1991年开始实施的智能运输系统通信标准中,提出了通过移动通信网提供定位业务的要求。1996年美国联邦通信委员会公布了E-911定位要求,要求在2001年10月前各种无线蜂窝网,必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供定位服务,且精度在125米以内的概率不低于67%,在2001年以后提供更高的定位精度与三维位置信息。该委员会于1998年及1999年两次对标准进行了修改与补充。分别提出了定位精度在400米以内的概率不低于90%的服务要求和进一步修改和细化E-911定位要求,不仅对网络设备和手机生产商、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目标安排,而且根据定位的类型不同,对定位精度做出了更为明确的规定:定位设备基于蜂窝通信网络;不改动通信终端设备;定位精度在100米以内的概率不低于67%,在150米以内的概率不低于95%。
虽然目前基于蜂窝移动网的定位系统结合各种最新技术,能够提供越来越高的精度,但是当需要定位的物体位于建筑物内部,如办公大楼内,其定位精度就明显下降了。因此,必须研究新的室内定位技术以弥补GPS的不足。目前,常见的技术有IEEE 802.11为代表的无线局域网技术、红外技术、超声波技术和RFID技术等,它们已能够在室内达到10米以内的定位精度。
二、室内定位
相比蜂窝移动网的无线定位,室内定位算法起步较晚,但它立即引起了人们的极大关注。特别是在美国911事件中,由于无法与外界通信以及在室内的位置不明确,致使很多消防人员最后葬身火海,室内定位系统的重要作用和对它的急迫需要更显现出来。现在,各国政府纷纷投入巨大资金,开发室内定位系统。如美国联合世界著名公司Motorola和Intel分别就室内定位系统的算法、软件和硬件设备进行开发。
（1）室内定位简介
与户外环境相比,室内环境要复杂的多。建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。因此,虽然室内定位和室外定位有一定的共性,但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求,使得室内无线定位技术和室外定位技术的技术也有很大的不同。件设备,对多径特征进行相关处理。在WLAN中,RSS己经被用于作为室内定位系统的指纹识别信息。
（2）室内定位的应用
①可以将位置信息和无线局域网应用软件解中央服务器通过监控无线标签和用户的坐标,把这些位置反馈给各种应用软件。例如,在仓库中,定位系统可以使人们更便捷地找到物件;在医院中,定位系统可以跟踪医生和护士的行踪,以在紧急事件发生时,最高效地找到合适的人员。
室内定位系统在灾难救援方面也显示其优越性。如前面提到的美国911事件、矿难事故、火灾救援等灾难处理中,若使用无线定位系统,就能将损失极大程度地降低。目前,赫立讯公司推出的无线定位方案己开始在煤矿行业中打开了市场。该公司利用其ZigBee无线网络模块,运用区域定位技术,通过定位网络中的RSSI和无线信号质量(LQI)等信息,随时了解矿工的工作位置,同时还可以通过矿工身上的传感器,接收并上报该区域瓦斯浓度变化等信息。
②WLAN的定位服务发展的另一个方向是消费者市场。例如,家长们非常欢迎一种能够跟踪到孩子行踪的设备。例如在一个主题公园里,年幼的孩子乘家长不注意走到别的地方。利用定位系统,就可以方便地在一大群人中找到他。特别是有人拐走儿童时,这种系统的优势更是显现出来。
③在零售超市中,利用位置信息的应用软件也十分令人兴奋。可以把这类系统部署到超市或大型零售商场。当用户进入商店,他们的无线PDA就能接收到一张地图,指示用户的精确位置,以及商品、洗手间、自动取款机等设施的布局,并提示去某一个位置的途径。如果携带无线设备的亲友也在同一家商店,那么该用户还能看到他们的位置。在使用室内定位系统时,保密问题应该受到我们的特别关注。一些原本设计为帮助人们的系统可能因为忽略保密措施而受到不道德的操作者或黑客的非法利用。例如,若犯罪者能够访问监测警力方位的系统,那么他们就能知道什么时候对象人群远离警力,进行犯罪活动。
④室内定位系统的例子很多,也有位置信息通信和室内位置信息计算的安全性、定位精度、系统稳定性等技术难题,需要得到进一步的研究和解决。
三、蜂窝移动网的无线定位
传统第二代无线通信网络的广泛使用为定位业务的发展提供了良好的条件,然而,由于二代系统数据传输能力较低,其所能提供的定位服务类型也受到限制。3G系统的数据传输能力比2G系统有很大提高,为向用户提供更丰富的信息提供了网络带宽的保证,使一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可能如地图显示、实时导航、3D地图服务等。因此,在移动用户普及率高的今天,移动运营商不断设法推出一些新的增值业务,以吸引用户,定位服务正是其中的一个新亮点。
（1）蜂窝网定位简介
根据定位所需的信息参数,可以分为基于时间的定位、基于场强的定位、基于入射角度的定位AOA以及混合定位。
①基于时间的定位,它是通过无线电信号传播到多个接收机的到达时间(TOA)或时间差(TDOA)来确定移动台的位置。TDOA算法是对TOA算法的改进,它不是直接利用信号到达时间,而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置,与TOA算法相比不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。TDOA值的获取一般有2种形式: 第1种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA,取其差值来获得,这时仍需要基站时间的严格同步,但是当两基站间移动信道传输特性相似时,可减少由多径效应带来的误差。第2种形式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算,从而得到TDOA的值,这种算法可以在基站和移动台不同步时,估计出TDOA的值,由于实际应用中,往往很难做到基站与移动台的同步,所以利用相关估计得到TDOA值,再进行定位计算能获得较高精度。
关键词:无线定位系统 蜂窝移动网 应用
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-1875(2008)04-090-03
一、无线定位系统概述
定位通常是指确定某个物体在某一参考坐标系中的位置,而无线电定位就是根据接收到的无线电信号的强度、相位、时间等参数,通过特定方法计算出移动用户的位置。
最初的定位系统主要用于为飞机、舰船以及军事用途等专用目的提供定位服务,作为其代表的典型定位系统有Loran-c, Omega, Tacan, Radar及VOR/DME等。20世纪60年代后,很多军用技术被转化和引入民用,因此出现了如自动车辆定位(AVL)系统的民用无线定位系统,并且在公共交通管理、货物运输、公安追踪及出租车调度等范围中广泛应用。
近年来,无线蜂窝通信网的发展,特别是第二代数字移动通信系统全面取代了第一代模拟无线通信系统之后,网络运营成本大幅度降低,移动用户的消费也有明显的下降,因而很大程度上推动了无线市场的发展,GSM和CDMA用户的数量也发生了爆炸式的增加,这一点为定位服务提供了良好的基础。同时,随着e时代的到来和人们对生活需求不断的提升,以及公共安全、紧急呼叫、出租调度等服务的要求,定位服务将拥有巨大的市场前景。
美国在1991年开始实施的智能运输系统通信标准中,提出了通过移动通信网提供定位业务的要求。1996年美国联邦通信委员会公布了E-911定位要求,要求在2001年10月前各种无线蜂窝网,必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供定位服务,且精度在125米以内的概率不低于67%,在2001年以后提供更高的定位精度与三维位置信息。该委员会于1998年及1999年两次对标准进行了修改与补充。分别提出了定位精度在400米以内的概率不低于90%的服务要求和进一步修改和细化E-911定位要求,不仅对网络设备和手机生产商、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目标安排,而且根据定位的类型不同,对定位精度做出了更为明确的规定:定位设备基于蜂窝通信网络;不改动通信终端设备;定位精度在100米以内的概率不低于67%,在150米以内的概率不低于95%。
虽然目前基于蜂窝移动网的定位系统结合各种最新技术,能够提供越来越高的精度,但是当需要定位的物体位于建筑物内部,如办公大楼内,其定位精度就明显下降了。因此,必须研究新的室内定位技术以弥补GPS的不足。目前,常见的技术有IEEE 802.11为代表的无线局域网技术、红外技术、超声波技术和RFID技术等,它们已能够在室内达到10米以内的定位精度。
二、室内定位
相比蜂窝移动网的无线定位,室内定位算法起步较晚,但它立即引起了人们的极大关注。特别是在美国911事件中,由于无法与外界通信以及在室内的位置不明确,致使很多消防人员最后葬身火海,室内定位系统的重要作用和对它的急迫需要更显现出来。现在,各国政府纷纷投入巨大资金,开发室内定位系统。如美国联合世界著名公司Motorola和Intel分别就室内定位系统的算法、软件和硬件设备进行开发。
（1）室内定位简介
与户外环境相比,室内环境要复杂的多。建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。因此,虽然室内定位和室外定位有一定的共性,但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求,使得室内无线定位技术和室外定位技术的技术也有很大的不同。件设备,对多径特征进行相关处理。在WLAN中,RSS己经被用于作为室内定位系统的指纹识别信息。
（2）室内定位的应用
①可以将位置信息和无线局域网应用软件解中央服务器通过监控无线标签和用户的坐标,把这些位置反馈给各种应用软件。例如,在仓库中,定位系统可以使人们更便捷地找到物件;在医院中,定位系统可以跟踪医生和护士的行踪,以在紧急事件发生时,最高效地找到合适的人员。
室内定位系统在灾难救援方面也显示其优越性。如前面提到的美国911事件、矿难事故、火灾救援等灾难处理中,若使用无线定位系统,就能将损失极大程度地降低。目前,赫立讯公司推出的无线定位方案己开始在煤矿行业中打开了市场。该公司利用其ZigBee无线网络模块,运用区域定位技术,通过定位网络中的RSSI和无线信号质量(LQI)等信息,随时了解矿工的工作位置,同时还可以通过矿工身上的传感器,接收并上报该区域瓦斯浓度变化等信息。
②WLAN的定位服务发展的另一个方向是消费者市场。例如,家长们非常欢迎一种能够跟踪到孩子行踪的设备。例如在一个主题公园里,年幼的孩子乘家长不注意走到别的地方。利用定位系统,就可以方便地在一大群人中找到他。特别是有人拐走儿童时,这种系统的优势更是显现出来。
③在零售超市中,利用位置信息的应用软件也十分令人兴奋。可以把这类系统部署到超市或大型零售商场。当用户进入商店,他们的无线PDA就能接收到一张地图,指示用户的精确位置,以及商品、洗手间、自动取款机等设施的布局,并提示去某一个位置的途径。如果携带无线设备的亲友也在同一家商店,那么该用户还能看到他们的位置。在使用室内定位系统时,保密问题应该受到我们的特别关注。一些原本设计为帮助人们的系统可能因为忽略保密措施而受到不道德的操作者或黑客的非法利用。例如,若犯罪者能够访问监测警力方位的系统,那么他们就能知道什么时候对象人群远离警力,进行犯罪活动。
④室内定位系统的例子很多,也有位置信息通信和室内位置信息计算的安全性、定位精度、系统稳定性等技术难题,需要得到进一步的研究和解决。
三、蜂窝移动网的无线定位
传统第二代无线通信网络的广泛使用为定位业务的发展提供了良好的条件,然而,由于二代系统数据传输能力较低,其所能提供的定位服务类型也受到限制。3G系统的数据传输能力比2G系统有很大提高,为向用户提供更丰富的信息提供了网络带宽的保证,使一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可能如地图显示、实时导航、3D地图服务等。因此,在移动用户普及率高的今天,移动运营商不断设法推出一些新的增值业务,以吸引用户,定位服务正是其中的一个新亮点。
（1）蜂窝网定位简介
根据定位所需的信息参数,可以分为基于时间的定位、基于场强的定位、基于入射角度的定位AOA以及混合定位。
①基于时间的定位,它是通过无线电信号传播到多个接收机的到达时间(TOA)或时间差(TDOA)来确定移动台的位置。TDOA算法是对TOA算法的改进,它不是直接利用信号到达时间,而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置,与TOA算法相比不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。TDOA值的获取一般有2种形式: 第1种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA,取其差值来获得,这时仍需要基站时间的严格同步,但是当两基站间移动信道传输特性相似时,可减少由多径效应带来的误差。第2种形式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算,从而得到TDOA的值,这种算法可以在基站和移动台不同步时,估计出TDOA的值,由于实际应用中,往往很难做到基站与移动台的同步,所以利用相关估计得到TDOA值,再进行定位计算能获得较高精度。