4g网络中移动定位技术的分析与设计
本人签名： 日期： 摘 要近年来，定位服务给人们的出行和交流带来了巨大的方便，人们对位置服务的要求日益增长。随着移动通信网络不断发展，移动定位技术的应用已经越来越广泛。面对人们对定位服务不断增长的需求，新一代的移动通信对定位技术提供了全面的支持。而以时延参数为基础的定位技术成为LTE的主流定位技术之一，具有良好的发展前景，目前已成为研究的热点。本文简要介绍了移动通信中的定位技术，重点介绍了TDOA定位技术的原理与过程，并对LTE物理层关键技术进行了分析。在此基础上，利用MATLAB软件仿真TDOA方法定位的基本过程，包括设计基站的发射信号和移动终端的接收信号，计算各基站信号到达终端（UE）的时间，利用互相关技术求时延，画双曲线确定UE的位置等。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景与研究现状 1
1.2 论文结构及内容安排 2
第2章 无线定位技术简介 3
2.1 蜂窝无线定位技术 3
2.1.1场强检测定位技术(SSOA) 3
2.1.2 到达角度检测定位技术(AOA) 3
2.1.3 时延检测定位技术 4
2.1.4 混合定位技术 5
2.2 GPS定位技术 5
2.3 基站定位与GPS定位技术优缺点比较 6
2.4 影响无线定位精度的因素 7
2.5 本章小结 8
第3章 TDOA定位及关键技术分析 9
3.1 OFDM正交频分多址 9
3.2 LTE物理层下行链路传输资源结构 13
3.3 LTE物理链路定位参考信号分析 15
3.3.1 定位参考信号的产生 15
3.3.2 定位参考信号的资源映射 16
3.4 TDOA定位原理与过程 17
3.4.1 TDOA定位基本原理 17
3.4.2 时延估计技术 18
3.4.3 TDOA算法数学模型 19
3.
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4.4 常用TDOA基本算法 21
3.5 本章小结 25
第4章 TDOA定位仿真实现 27
4.1 为基站产生随机位置 27
4.2 定位参考信号的产生 28
4.3 发送端波形 29
4.4 接收端波形 30
4.5 时延估计 32
4.6 画双曲线 33
4.7 本章小结 34
第五章 总结与展望 35
参考文献 36
附录 38
第1章 绪论
1.1 课题背景与研究现状
移动通信系统自面世以来，一直以惊人的速度发展并朝着4G时代大步迈进，而位置服务在移动通信中占据了不可忽视的重要位置，随着移动通信网络不断发展，移动定位技术的应用已经越来越广泛。移动定位广阔的发展前景必然导致人们对移动定位技术的研究发展更加重视。移动通信的发展大大推动了移动定位技术的发展速度，美国联邦通信委员会(FCC)的一系列对移动定位的要求，大大促进了关于定位技术的研究与发展。面对人们对定位服务不断增长的需求，4G网络对定位技术也提供了全面的支持。
在移动通信方面，LTE(Long Time Evolution)正在到来。在3GPPLTERelease9规范中定义了3种手机定位技术：ECID、AGNSS和OTDOA。OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）相对来说是一个比较新的技术，它通过测量定位目标与至少两个基站参考信号（RS）的到达时间差（TDOA），通过已知的各基站位置建立关系式与方程组，从而计算出手机终端所在位置。
考虑到人们对定位服务日益增长的需求，接近4G标准的LTE凸显出对移动定位技术的支持[]。LTE具有以下优势：
1．支持LTE定位协议。LTE定位协议兼容了多种定位技术，包括对TDOA定位法、辅助卫星定位法等，根据用户要求的不同可以采用不同的定位技术。
2．定位参考信号的加入。物理层加入了专用的定位参考信号PRS，并为其分配特定的传输资源，有利于更精确地实现时延估计。
3．物理层采用了OFDM调制技术，系统频谱利用率提高，带宽增大，有助于提高定位精度。
4．LTE还采用多输入输出（MIMO）技术。多天线技术可以把空间域作为新资源，有助于提高频谱效率，多天线技术还丰富了可以用于定位的方法与手段。
无线定位从最初的陆、海、空军事目的逐渐扩展到人们生活中的方方面面。随着移动通信的发展，基于移动网络的基站定位技术也迅速发展。移动定位技术最初是基于蜂窝小区的定位技术，可以快速定位，但是因为受复杂信道环境的影响，定位精度并不理想。之后出现了基于卫星信号的GNSS（全球卫星导航系统）定位技术，应用最为广泛的就是GPS全球定位系统，卫星定位系统可以精确地定位，但是在初次定位时需要搜星，这个过程持续时间较长因而导致初次定位不便。直到后来，两种定位技术进行了融合产生了新的定位技术，即AGNSS辅助卫星导航定位技术。使用这种技术进行定位的过程可以简单描述为移动终端搜星，卫星信号定位。移动终端进行快速搜星这一过程改善了卫星定位系统中搜星时间长的情况，然后通过卫星信号经过一系列过程计算出终端位置。AGNSS技术结合了以上两种定位技术的优点，有效提高了定位精度和定位速度。因此，目前AGNSS成了最主要的无线移动定位方案。
1.2 论文结构及内容安排
本文的主要内容如下：
第1章绪论，主要介绍了本课题的研究背景与移动定位技术的发展现状。
第2章介绍了蜂窝网无线定位技术和GPS定位技术，简要介绍了蜂窝网无线定位技术的原理，分析了基站定位和GPS定位的优缺点，最后分析了影响无线定位精度的主要因素。
第3章首先介绍了在定位过程中涉及到的LTE物理层关键技术，包括OFDM正交频分多址技术、物理层下行链路传输资源结构、定位参考信号的产生于资源映射等。然后主要介绍了TDOA定位技术原理及过程，包括定位数学模型，时延估计和常用的求解双曲线方程组的算法等。
第4章为程序设计和仿真部分，本章利用MATLAB软件，对TDOA定位的基本过程进行了仿真实现。包括产生基站随机位置，设置发送端和接收端波形，互相关法进行时延估计，生成双曲线等过程。
结束语对本课题进行了总结和展望。
第2章 无线定位技术简介
2.1 蜂窝无线定位技术
移动定位技术的最终目的是确定用户的实际位置信息，在这一过程中需要通过无线终端和无线通信技术的结合。移动台通过与多个已知位置基站进行交互，利用适当的处理方法对相应的测量参数进行处理，最后解算出移动目标的位置。无线定位的方法有多种，但从几何角度来说，各种无线定位方法都是通过检测信号的特征测量值来实现定位估计。
LTE基本定位技术有：场强检测定位技术，角度检测定位技术(AOA)，时延检测定位技术，混合定位技术等。
2.1.1场强检测定位技术(SSOA)
移动台接收信号的强度与移动台与基站之间的传输距离呈反比，场强检测定位方法正是利用这一原理来实现对移动台的位置估计[]。无线传输信道总是非理想的，受各种复杂因素的干扰，因此需要利用可靠性高的信道衰落模型，根据收发信号的场强值代入信道模型估算收发信号机之间的距离，由至少三个距离测量值可以估算移动台的位置。由于在实际环境中，无线信道具有很大的不确定性，建立一个准确描述信号传播路线的无线电传播模型是很难实现的，因此此类方法很难达到较高的估计精度，所以接收机和发射机需要不断调整传输信号以满足特定信道环境下的定位精度。但此类技术设计成本较低，容易实现，因此在对定位精度要求不高的情况下仍然被采用，也常用做辅助定位技术，作为对定位系统的一种参考。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景与研究现状 1
1.2 论文结构及内容安排 2
第2章 无线定位技术简介 3
2.1 蜂窝无线定位技术 3
2.1.1场强检测定位技术(SSOA) 3
2.1.2 到达角度检测定位技术(AOA) 3
2.1.3 时延检测定位技术 4
2.1.4 混合定位技术 5
2.2 GPS定位技术 5
2.3 基站定位与GPS定位技术优缺点比较 6
2.4 影响无线定位精度的因素 7
2.5 本章小结 8
第3章 TDOA定位及关键技术分析 9
3.1 OFDM正交频分多址 9
3.2 LTE物理层下行链路传输资源结构 13
3.3 LTE物理链路定位参考信号分析 15
3.3.1 定位参考信号的产生 15
3.3.2 定位参考信号的资源映射 16
3.4 TDOA定位原理与过程 17
3.4.1 TDOA定位基本原理 17
3.4.2 时延估计技术 18
3.4.3 TDOA算法数学模型 19
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
4.4 常用TDOA基本算法 21
3.5 本章小结 25
第4章 TDOA定位仿真实现 27
4.1 为基站产生随机位置 27
4.2 定位参考信号的产生 28
4.3 发送端波形 29
4.4 接收端波形 30
4.5 时延估计 32
4.6 画双曲线 33
4.7 本章小结 34
第五章 总结与展望 35
参考文献 36
附录 38
第1章 绪论
1.1 课题背景与研究现状
移动通信系统自面世以来，一直以惊人的速度发展并朝着4G时代大步迈进，而位置服务在移动通信中占据了不可忽视的重要位置，随着移动通信网络不断发展，移动定位技术的应用已经越来越广泛。移动定位广阔的发展前景必然导致人们对移动定位技术的研究发展更加重视。移动通信的发展大大推动了移动定位技术的发展速度，美国联邦通信委员会(FCC)的一系列对移动定位的要求，大大促进了关于定位技术的研究与发展。面对人们对定位服务不断增长的需求，4G网络对定位技术也提供了全面的支持。
在移动通信方面，LTE(Long Time Evolution)正在到来。在3GPPLTERelease9规范中定义了3种手机定位技术：ECID、AGNSS和OTDOA。OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）相对来说是一个比较新的技术，它通过测量定位目标与至少两个基站参考信号（RS）的到达时间差（TDOA），通过已知的各基站位置建立关系式与方程组，从而计算出手机终端所在位置。
考虑到人们对定位服务日益增长的需求，接近4G标准的LTE凸显出对移动定位技术的支持[]。LTE具有以下优势：
1．支持LTE定位协议。LTE定位协议兼容了多种定位技术，包括对TDOA定位法、辅助卫星定位法等，根据用户要求的不同可以采用不同的定位技术。
2．定位参考信号的加入。物理层加入了专用的定位参考信号PRS，并为其分配特定的传输资源，有利于更精确地实现时延估计。
3．物理层采用了OFDM调制技术，系统频谱利用率提高，带宽增大，有助于提高定位精度。
4．LTE还采用多输入输出（MIMO）技术。多天线技术可以把空间域作为新资源，有助于提高频谱效率，多天线技术还丰富了可以用于定位的方法与手段。
无线定位从最初的陆、海、空军事目的逐渐扩展到人们生活中的方方面面。随着移动通信的发展，基于移动网络的基站定位技术也迅速发展。移动定位技术最初是基于蜂窝小区的定位技术，可以快速定位，但是因为受复杂信道环境的影响，定位精度并不理想。之后出现了基于卫星信号的GNSS（全球卫星导航系统）定位技术，应用最为广泛的就是GPS全球定位系统，卫星定位系统可以精确地定位，但是在初次定位时需要搜星，这个过程持续时间较长因而导致初次定位不便。直到后来，两种定位技术进行了融合产生了新的定位技术，即AGNSS辅助卫星导航定位技术。使用这种技术进行定位的过程可以简单描述为移动终端搜星，卫星信号定位。移动终端进行快速搜星这一过程改善了卫星定位系统中搜星时间长的情况，然后通过卫星信号经过一系列过程计算出终端位置。AGNSS技术结合了以上两种定位技术的优点，有效提高了定位精度和定位速度。因此，目前AGNSS成了最主要的无线移动定位方案。
1.2 论文结构及内容安排
本文的主要内容如下：
第1章绪论，主要介绍了本课题的研究背景与移动定位技术的发展现状。
第2章介绍了蜂窝网无线定位技术和GPS定位技术，简要介绍了蜂窝网无线定位技术的原理，分析了基站定位和GPS定位的优缺点，最后分析了影响无线定位精度的主要因素。
第3章首先介绍了在定位过程中涉及到的LTE物理层关键技术，包括OFDM正交频分多址技术、物理层下行链路传输资源结构、定位参考信号的产生于资源映射等。然后主要介绍了TDOA定位技术原理及过程，包括定位数学模型，时延估计和常用的求解双曲线方程组的算法等。
第4章为程序设计和仿真部分，本章利用MATLAB软件，对TDOA定位的基本过程进行了仿真实现。包括产生基站随机位置，设置发送端和接收端波形，互相关法进行时延估计，生成双曲线等过程。
结束语对本课题进行了总结和展望。
第2章 无线定位技术简介
2.1 蜂窝无线定位技术
移动定位技术的最终目的是确定用户的实际位置信息，在这一过程中需要通过无线终端和无线通信技术的结合。移动台通过与多个已知位置基站进行交互，利用适当的处理方法对相应的测量参数进行处理，最后解算出移动目标的位置。无线定位的方法有多种，但从几何角度来说，各种无线定位方法都是通过检测信号的特征测量值来实现定位估计。
LTE基本定位技术有：场强检测定位技术，角度检测定位技术(AOA)，时延检测定位技术，混合定位技术等。
2.1.1场强检测定位技术(SSOA)
移动台接收信号的强度与移动台与基站之间的传输距离呈反比，场强检测定位方法正是利用这一原理来实现对移动台的位置估计[]。无线传输信道总是非理想的，受各种复杂因素的干扰，因此需要利用可靠性高的信道衰落模型，根据收发信号的场强值代入信道模型估算收发信号机之间的距离，由至少三个距离测量值可以估算移动台的位置。由于在实际环境中，无线信道具有很大的不确定性，建立一个准确描述信号传播路线的无线电传播模型是很难实现的，因此此类方法很难达到较高的估计精度，所以接收机和发射机需要不断调整传输信号以满足特定信道环境下的定位精度。但此类技术设计成本较低，容易实现，因此在对定位精度要求不高的情况下仍然被采用，也常用做辅助定位技术，作为对定位系统的一种参考。
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