蜂窝系统无线定位移动台误差累积函数.doc

业技术学院
综合毕业实践说明书（论文）

标题： 蜂窝无线定位技术的研究

系 别： 电子工程系
专 业： 电子信息技术
学 号：
姓 名：
指导教师：

年 月 日

25

摘 要

现如今，无线定位不仅是十大通信技术热点之一，而且也是第三代移动通信研究的重要方面。本文首先简要介绍无线定位技术出现的背景、原因及实际应用，并讨论了基于移动台、基于网络、混合定位三种定位系统。我们分析了一些常用的无线定位技术，比较它们的优劣，并指出了产生定位误差的来源。在本文中，重点分析了蜂窝系统定位技术中AOA、TOA、TDOA三种定位技术的原理，通过三种算法在matlab的仿真，比较它们的优劣性。最后，阐述了蜂窝系统中无线定位的应用，提出了无线定位技术有待进一步研究的课题。
关键词：蜂窝系统；无线定位；移动台；NLOS；误差累积函数
Abstract

Today wireless location is not only one of the ten popular telecommunication technologies, but also an important aspect of the third generation mobile telecommunication research. Firstly the paper generalizes the wireless location technology’s backgrounds, causes and practical applications, then discusses three kinds of wireless location schemes, including the location system based on the mobile station and the network, and the location system of admixture. We analyse several common mobile position technologies, compare their advantages and disadvantages, and point out the sources of error. In this paper, we analyse emphatically the principle of the celluar system’s position location techniques of TOA、TDOA、AOA, and compare their features by MATLAB. Finally, we expound the applications of the wireless location technology in the cellular system and point out some topics about wireless location which will be studied in the following days.
Keywords：celluar system；wireless location；mobile station；Not-Line-of-Sight；Cumulated Difference Function

目 录

摘要 1
Abstract 2
引言 4
1 无线定位的介绍 4
1.1 无线定位出现的背景与原因 5
1.2 无线定位的应用领域 5
1.3 现有的无线定位方案 6
2 现有的无线定位技术................................................ 8
2.1 全球定位系统GPS............................................ 8
2.2 辅助全球定位系统A-GPS 8
2.3 根据起源蜂窝小区COO 8
2.4 根据增强观测时间差E-OTD 9
2.5 根据波达时间TOA和波达时差TDOA 9
2.6 根据到达角AOA 10
2.7 根据场强定位 10
2.8 指纹定位 10
2.9 CGI－TA 10
3 几种无线定位技术的比较 11
4 产生定位误差的原因及对策 12
4.1 多径传播 13
4.2 NLOS传播 13
4.3 多址干扰 13
4.4 基站分布 13
5 AOA、TOA、TDOA方法与仿真 13
5.1 算法原理 13
5.2 仿真的基本设计 15
5.3 仿真结果与分析 17
6 定位系统在蜂窝系统中的组成与应用过程 21
7 关于无线定位技术的几点想法 21
7.1 智能网解决方案 21
7.2运营商对于无线定位技术的考虑 22
8 无线定位技术的总结和展望 22
结束语 23
致谢 24
参考文献 25

蜂窝无线定位技术的研究

引言
在美国，911是非常重要、也非常知名的紧急求助电话。每当人们在遇到紧急情况时总是会想到它。不管用户处于何地，只要使用有线电话拨打这个号码，系统便可以在接通电话的同时，用非常短的时间确定用户所在地，并从数据库中获取一些相关的信息，为救援人员提供重要的帮助。这项紧急求助电话业务，有效地保护了公众的人身和财产安全。这就是我们平时所讲的定位技术。
随着移动通信的发展,无线蜂窝网的覆盖面越来越广,移动电话的普及率越来越高，移动电话呼叫“110”、“120”、“119”等报警电话求援的比例大幅上升,移动电话在报告突发事件中的地位也就越来越重要。因此，蜂窝移动通信网络对拨打紧急呼叫电话的用户具有定位能力是非常有意义的。
近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。
美国联邦政府通信委员会(FCC)于1996年10月颁布了无线E911(Emergency call 911）呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM、IS-95 CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。例如，全球三大通信厂商——爱立信、摩托罗拉和诺基亚就于2000年10月成立了“位置信息互操作论坛LIF（Location Interoperability Forum）”，其目标是在全球范围内的无线网络和终端上提供基于位置的业务。
另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态的情况下获取其地理位置等信息，利用移动台的定位信息，运营商可以为用户提供各种增值业务，如智能交通、紧急情况救援、位置环境信息查询、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。现今GPS与无线网络融合起来形成的LBS热，使得移动定位服务产业作为最具有潜力的移动增值业务而发展起来。
到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未来的几年里内，基于蜂窝移动定位技术的移动业务将得以迅猛发展。
1 无线定位的介绍
无线定位就是在一定范围内确定蜂窝移动电话用户的地理位置。无线定位服务的巨大魅力正是在于能在正确的时间、正确的地点把正确的信息发送给正确的人。
1.1 无线定位出现的背景与原因
(1)政府法规:FCC于1996年6月采用了一条规定，要求所有的移动网络运营商必须对一切“911”呼叫紧急服务提供位置信息。
(2)客户需求:对于手机用户来说，实现无线定位可以在获得原有的话音服务之外，获得基于位置的服务。
(3)运营商之间的竞争:对于移动通信网络运营商来说，这无疑会为他们找到更多的经济增长点，增强了移动通信网络运营商之间的竞争力。
(4)技术进步:手机、网络和定位技术现在取得的持续进步，使得实现无线定位在技术上成为可能。
1.2 无线定位的应用领域
在蜂窝移动通信中的无线定位业务都要用到无线定位技术。目前来说，无线定位常应用在以下一些方面:
1.2.1 跟踪业务
警方对犯罪嫌疑人的追踪、走失儿童和老人的寻找；车辆运行线路的监控；追踪丢失了的移动台及拖欠巨额话费的移动台；交通部门可以通过车上的移动终端设备，通过定位系统测出某道路的车流量，对交通状况进行实时的监控，并向该区域内的司机报告道路的拥塞情况等。
1.2.2 基于位置的收费标准
在计费时，可以根据所在位置的不同，来收取不同的通话费。这样，可以有效地提高蜂窝系统的运营竞争力，吸引更多的新用户，刺激用户的消费，达到调节蜂窝系统容量、提高系统竞争力的目的。
1.2.3 智能交通运输系统
智能交通系统能够方便的提供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务，改变以前频带资源浪费、投资过多的状况。例如，出租公司可以利用Location Finder将出租车派往需要服务的最近的地点。
1.2.4 优化网络资源管理
精确监测移动台，网络可以更好地决定进行小区切换的最佳时刻。同时，根据其位置动态地分配各信道，有效地提高了频谱的利用率。从长远来说，通过对移动台的长期定位观察可以为系统蜂窝的合理布局、构建以及系统资源配置等提供重要的实践数据，使蜂窝系统高效运行，并逐步趋于完善。
1.2.5 信息查询服务
移动定位技术从传统的导航功能逐渐扩展到基于位置信息增值业务的载体。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位置由关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。移动用户可以根据自己的终端设备，查询自己需要的信息。比如外出旅游时，查询最近的饭店、接收当地的天气、获得路况信息；在异地身体不适时，查询附近的医院等。这种信息查询服务对于用户来说，是很常用的，能为人们的生活带来极大的方便。
1.2.6 公共安全应用
当用户在遇到一些紧急情况而又不知道或无法告知位置时，只要其手机支持支持位置服务，可以进行紧急呼叫来保障自己的人身安全。当呼叫人员的位置被确定以后，就可以在较短的时间内实施快捷、有效的救援计划，大大提高了救援的成功率。除此之外，无线定位技术还可以用于报警信息的发布，向危险地区的移动用户发布火山爆发、洪水、山体滑坡、道路危险等信息。因此，在蜂窝系统中，定位与紧急呼叫的结合是很有必要的。
1.2.7 移动终端防盗打管理
采用无线定位技术，通信运营部门可以有效地对盗打现象进行监测和制止。当发现盗打号码现象发生时，可以在不禁止移动电话使用的前提下，利用无线网络自己记录盗打的准确时间和地点。同时，这也为司法机关破案提供了一个更有力的证据。
1.3 现有的无线定位方案
蜂窝移动通信在全球范围内应用广泛，有很多成功的商用系统，因此在蜂窝移动通信系统中应用无线定位技术有很大意义和价值。
根据进行定位估计的位置的不同，可以将定位系统分为以下几类。
1.3.1 基于移动台的定位系统
移动用户
基站2
222
同步信号
基站3
基站1

图1 基于移动台的定位方案
在蜂窝网络中，这类系统也称为前向链路定位系统。如图1所示。
携带与移动台位置有关的特征信息，通过多个已知位置的发射机发射给移动台。移动台根据其所接收到的信号，确定其与各发射机之间的几何位置关系。接着，移动台根据一些相关算法，对其自身位置进行定位估计，由移动台自身掌握其自己的位置信息。
1.3.2 基于网络的定位系统
在蜂窝网络中，这类系统也称为反向链路定位系统。如图2所示。
基站3
基站1
定位中心
移动用户
同步信号
基站2

图2 基于网络的定位方案
多个固定位置的接收机，同时检测移动台所发射的信号。接着，将各接收信号携带的某种与移动台位置由关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，最后计算出移动台的估计位置。
1.3.3 混合定位系统
混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中。例如综合AOA和TDOA，由于这种方法充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差，因此具有比较高的准确度。如果把GPS定位技术和GSM系统定位技术应用相结合，则实现的定位精度和定位应用会更好，见图3。

图3 混合定位示意图
从上述各定位系统的基本特征可以看出，采用基于移动台的定位方案,必须对现有的移动台进行适当的修改，还必须用适当方式将定位信息传送回蜂窝网络。基于网络的定位方案只需要对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，并不需要对移动台作修改，能充分利用现有蜂窝系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，因而是开展移动定位服务的首选。
2 现有的无线定位技术
蜂窝移动通信系统中,一些基本的定位技术主要有以下几种。
2.1 全球定位系统GPS(Global Positioning System）
无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的，全球定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃。全球卫星定位系统GPS是美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，民用GPS一般可以获得5-40米的精度。定位一般采用四颗定位卫星，GPS定位是基于到达时间（TOA）机理。四个卫星定位，接收机的位置和时钟偏差表达式见（1）——（4）。
（1）
（2）
（3）
（4）
其中、、、为已知卫星，、、、为测量出的伪距，为光速，为已知卫星时钟与GPS时间偏差，为未知位置接收机与GPS时间偏差。卫星的时钟偏差由接收机从卫星导频信息中取得。平方根项代表卫星与接收机之间的距离。
2.2 辅助全球定位系统A-GPS(Assisted Global Positioning System)
GPS移动用户定位计算
提供辅助数据
测量单元
BTS

图4 A-GPS原理图
采用GPS直接对MS定位，首次定位可能需要时间较长。利用辅助GPS定位，传输一些辅助数据，这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口，减少定位所需时间[2]。
A-GPS是网络辅助GPS，如图4所示。
2.3 根据起源蜂窝小区COO(Cell of Origin)
COO技术无需对手机和网络进行修改，因此它可以被用来向当前的移动用户提供位置发现系统。但是，COO与其它技术相比，其精度却是最低的。
在这个系统中，移动网络基站所在的蜂窝小区作为呼叫者的定位单位。这样，定位精度就必需取决于小区的大小。COO的最大优点是它确定位置信息的响应时间十分快（3秒左右），而且COO不用对手机和网络进行升级就可以直接向现存用户提供基于位置的服务。
2.4 根据增强观测时间差E-OTD(Enhanced Observed Time Difference)
E-OTD是通过放置位置接收器或参考点实现的，这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上，作为位置测量单元覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源，当手机和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达手机和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值可以被用来产生几组交叉双曲线，并由此估计出手机的位置。
E-OTD会受到多径效应的影响，多径将会扭曲信号传输路径并加入延迟，导致E-OTD在决定信号观测点上比较困难。
E-OTD方案可以提供比COO高得多的定位精度，在50米到125米之间。但是它的响应速度较慢，往往需要约5秒的时间。另外，它需要对手机进行改进。
2.5 根据波达时间TOA(Time of Arrival)和波达时差TDOA(Time Different of Arrival)

图5 TOA示意图
BTS2
BTS3
BTS1

图6 TDOA示意图

基于网络的定位系统中常采用精度较高的TOA和TDOA定位法，如图5及图6所示。TOA中，移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。在多个基站进行上述运算，则移动台的位置可以由三个圆的交点确定。TOA要求接收信号的基站、移动台知道信号的开始传输时刻，并要求基站有非常精确的时钟。TOA提供的定位精度毕COO高，但是它的响应时间比COO或E-OTD更长（约10s）。TDOA是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这也就降低了对时间同步的要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的位置需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线的交点即为移动台的位置[1]。
2.6 根据到达角AOA(Angle of Arrival)
在基站通过阵列天线测出移动台来波信号的入射角，构成从基站到移动台的径向连线，两根连线的交点即为待定移动台的位置。如图7所示。
B-A
B
BTS1
N
BTS2
A

N

图7 AOA示意图
这种方法不会产生二义性，因为两根直线只能交于一点。它需要在每个小区基站上放置4-12组的天线阵，这些天线阵一起工作，从而确定移动台发射信号相对于基站的角度。当有两个或两个以上基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线的交点就是移动台的位置。AOA的缺点是到达角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致定位距离的较大误差。
2.7 根据场强定位
移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，根据多个距离值可以估算出移动台的位置。
然而，这项技术被认为是定位技术中最不可靠的一种。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，通过计算功率损耗而确定移动台的位置的过程会十分复杂。而且信号并不只因为传输距离而产生衰减，其它的因素如穿越墙、车辆等都会对信号强度产生影响。功率测量电路也无法区分多个方向接收到的功率，如直接的和反射的。
2.8 指纹定位
指纹定位亦称数据库相关定位。它能为处于不同位置发出的信号特征参数建立数据库，通过将实际接收到的信号和数据库进行比较来实现移动台的定位。接收到的信号由于其对地形和传播时障碍物具有依赖性，因而呈现出非常强的站点特殊性。因此对于每一个位置来说，该信道的多径结构对每一个位置是惟一的，如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征可以被认为是该位置的指纹或者特征签名。
指纹定位的实施大致分两个阶段:
第一个阶段是数据采集，主要是采集一些需要定位区域各个位置的信号的一些特征参数，建立一个位置指纹数据库。其中，每一个指纹信息，都对应着一个特定的位置；第二个阶段是实时阶段及完成定位阶段。通过所测定的信号参数，采取相应的配置算法来确定与数据库的哪一条数据互相匹配，以此来确定用户的实际位置情况。
2.9 CGI－TA(Cell Global Identity-Timing Advance)
CGI是小区全球识别码，每个蜂窝小区有一个惟一的小区识别码。CGI由位置区识别LAI和小区识别CI构成，即:
LAI＋CI＝MCC＋MNC＋LAC＋CI
TA是一个时间提前量的定位参数。它是由基站测量得到的结果，这样可以减少基站与移动用户之间的传输时延。因此，利用TA可以估计MS和BS之间的距离。但是，无线传输中不可避免的多径效应，使得利用TA进行定位精度很低。因此，把移动台所处的小区ID号和TA结合在一起来定位移动用户，是一种简单而且经济的定位方法。移动台所处的小区ID 号是网络中已有的信息，移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会将该移动台与该小区ID号对应起来。结合TA，在小区的覆盖半径内得出粗略的位置。在此基础上，可以实现一些位置查询业务，如显示移动用户所在区域内的餐馆、旅馆等信息，定位精度则取决于小区的大小和周围的环境。
3几种无线定位技术的比较
不同的技术类型各有优缺点。下表1对不同的技术类型进行了总结和比较。

表1 不同的技术方案的优缺点
技术方案
优点
缺点

GPS

技术成熟可靠，定位精度高，不需要增加网络设备。
是依赖于美国的GPS全球卫星；城市环境和室内环境下，可能会产生卫星信号无法到达等问题；须将GPS系统集于MS中，提高了移动终端的造价，提高了功耗；集成GPS天线也带来一些问题。

A-GPS
网络设备改动少，投资少；技术成熟可靠，定位精度高；定位时间较GPS方式短。
现有的手机不能实现A-GPS定位方式，必须进行更换；手机增加GPS定位方式，必须增加相应的硬件，使得成本增加，自然也会增加功耗和体积；存在一定的安全风险。
COO
无需对网络和手机进行修改，响应时间短。
定位精度取决于所在小区的大小；与其它技术相比较，其精度最低。
场强定位
无需对网络和手机进行修改。
信号强度受基站的扇形特性、天线角度以及环境因素影响大，距离远时误差更大，定位精度低。
E-OTD
网络初始投资少；不需要增加硬件模块和附件，现有手机只需要对软件进行更新。
现有手机不能适用于E-OTD定位方式，需要更新或全部替换软件；受RTD和几何距离参数的影响，定位精度较低；多径效应影响定位精度。
TOA
100％兼容现有手机，不必做任何改动即可实现定位；较为精确。
初始投资高；需要对网络硬件和软件进行相应改动，如增加定位测量单元LMU；现有GSM网要实现同步还需要进行改造；业务量大时网络负担加重。
TDOA
兼容现有手机，较为精确。不要求移动台和基站的同步。
需要对网络硬件和软件进行相应改动。
AOA
无需对手机进行修改。
需要复杂的天线，向蜂窝基站增加天线阵列不美观也不方便管理。
指纹定位
所需定位基站少，一个基站即可实现定位，且定位精度较高，不需要改变移动台
前期工作量大，不适应环境变化快的区域
CGI－TA
定位过程简单，比较经济
精度不高，定位精度受小区大小和周围环境的影响
4 产生定位误差的原因及对策
在蜂窝移动通信系统中, 造成定位误差的主要原因有多径传播、NLOS传播、多址干扰等。提高定位精度的关键是如何采取适当的措施降低这些因素的影响，同时这也是无线定位技术研究的首要问题[8]。
4.1 多径传播
多路径传播效应是指在移动台附近的物体反射了移动台发射的信号，如果此反射过的信号也传送至基站的接收器，将使得基站接收到的信号像是从反射物的方向传过来，造成基站的误判或混淆。多径传播是引起AOA的定位算法及场强法定位不准确的基本原因。对基于时间的定位法来说,即使在MS和BS之间电波可以视距传播,多径传播也会引起时间测量误差。目前已出现了一些对付多径传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计及扩展的卡尔曼滤波等。
4.2 NLOS传播
NLOS传播是影响定位精度的主要原因，它会引起TOA或TDOA测量误差。因此，如何降低NLOS传播的影响也是提高定位精度的关键。目前降低NLOS传播的影响通常有多种方法，如利用测距误差统计的先验信息就可将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值；降低LS算法中NLOS测量值的权重等。
4.3 多址干扰
在CDMA系统中，多址干扰在基于时间的定位系统中，会影响时间初捕获和延时锁相环的工作。功率控制的采用使多个非服务基站将难于同时正确测量TOA或TDOA测量值。目前已出现了一些探索解决该问题的方法，如在定位时将移动台发射功率瞬间调到最大。
4.4 基站分布
移动台的定位一般要求同时与三个或三个以上基站相关处理。由于蜂窝系统用于通信设计时主要考虑移动台与一个基站联系，当需要切换时，才会与临近的几个基站联系，目前的网络在有些地区可能难于保证移动台与三个以上基站的联系。
5 AOA、TOA、TDOA方法与仿真
5.1 算法原理
5.1.1 AOA
AOA定位技术一般利用由两个或更多基站通过测量接收信号的到达方向来估计MS的位置，如图8所示。AOA定位方法可以唯一确定一个二维定位点。MS发，BS1收，测量可得一条BS1到MS连线。同理，可测量得到另一条直线，两直线相交产生定位角，便可得知移动台位置。位置估计的精度依赖于发送器相对于接收器的位置。如果发送器恰好处于两个接收器之间的直线上，则AOA测量将无法锁定目标位置。因此，通常采用多于两个的接收器来提供定位精度[7]。

图8 AOA算法原理示意图
5.1.2 TOA
设移动台与基站之间信号传播时间为t，则移动台与基站的距离应该为R=ct（c为电磁波在空间中传播速度），移动台应该位于以基站为中心，以R为半径的圆。
得到TOA的方程式为
（5）
其中()为基站的位置，（）为移动台位置。令三个以上的基站执行此种量测，可得到（6）。
联立方程组:

（6）

解出()即为移动台位置，如图9所示。

图9 TOA算法示意图
TOA算法要求参加定位的各个基站在时间上要严格同步，由于电磁波的传播速率很高，微小的误差将会在算法中放大，使定位精度大大降低。传播中的多径干扰、NLOS以及噪声等干扰造成的误差会使圆无法交汇，或者交汇处不是一点而是一个区域，如图10所示。这两种误差，NLOS误差是最主要的误差来源；若测量存在NLOS误差，一定要将之清除，才可能得到所需的定位精确度。

图10 产生定位误差时示意图
5.1.3 TDOA
TDOA技术的原理是利用双曲线的特性：双曲线上的点到两焦点距离之差为定值。设两基站测量到的行动台信号到达时间差为,则
（7）
其中为基站与基站测量到的信号传播范围差值,为光速，为基站测量到的信号传播时间，为基站测量到的信号传播距离；根据双曲线的原理可知
（8）
若有两组以上基站测量，则可得联立方程组：

(9)

解出（）即为行动台位置。
TDOA系统中时间差的取得有两种方式：第一种是直接利用两个基站的TOA相减取得；第二种是利用两基站接收信号相关取得TDOA参数的方式。第二种方法精确度较高，实际应用较为广泛。求出TDOA参数后，求出联立方程组的解即可。
5.2 仿真的基本设计
5.2.1 AOA算法的仿真设计思想

图11 AOA仿真设计思想示意图
AOA算法是在接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度，形成一根从接收机到发射机的方向线，即测位线，由2个基站得到的2个测位线的交点就是移动台的位置。因此，要用AOA算法实现定位,只需两个基站即可。只是，当移动台在两基站连线上,不能实现定位。在这种情况下，我们需要灵活地选择其他的基站来重新定位。现假设一组两个基站BS1和BS2以及移动台MS，位置如图11所示。
实际当中要利用AOA实现定位，需要多组基站（每组两个），分别定位确定出移动台坐标，然后取最优解。在本次仿真中，为比较各种算法的优劣性，我们并不是利用多组解取优的思路，我们取一组基站，多次改变移动台的位置，分别实现定位。在每次定位中，相当于基站与移动台的实际位置都是已知的，分别求得准确的方位角和。两条测位线斜率分别为tan和tan。在这过程中，要考虑到如多径传播、NLOS等对基站判断接收信号的来波方向的影响，我们将其归结到方位角和的判断上，即两条测位线斜率的变化上，方位角分别变化和，则斜率将分别变为tan（+）和tan（+），计算得到移动台的位置坐标，然后与真实位置相比较得出误差距离，作误差累积函数。
5.2.2 TOA算法的仿真设计思想
TOA定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度，可以得到移动台与基站之间的距离R。移动台即位于以基站为圆心，R为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，移动台的二维位置坐标可出三个圆的交点确定。
实际中要利用TOA实现定位，需取多组基站（每组三个），分别定位确定出移动台坐标，然后取最优解。在本次仿真中，类似于上述AOA仿真中的思路，取一组（三个）基站，基站位置不变，而只改变移动台位置，根据TOA原理分别实现定位。在定位过程中需要考虑系统误差（主要是时钟不同步）、多径传播、NLOS等的影响。我们将所有误差归结到基站接收到信号的时间上，即由于先前我们假设了基站、移动台的位置均已知，故可以计算出在不考虑任何误差下移动台到基站的时间，误差的大小以来量度，到达时间的不同导致了圆半径的不同，即，准确的移动台到基站的距离应为（为电磁波在空间中的传播速度），而考虑了误差后变为，此时，用于定位的三个圆基本不可能会交于一点，如图12所示，也就不能准确地得出移动台的位置。

图12 产生定位误差示意图
这时可以采用最小二乘之类的方法取得最佳值，这里我们采用的是重心法（重心法的方法首先是先分别求出每两个基站测量之距离所决定的圆的交点，若交于两点，则以靠近第三基站的那一点为交点；第二步再将三个交点取算术平均数即得到三个交点的重心），求得移动台坐标。将计算所得的移动台的位置坐标与真实位置相比较得出误差距离，作误差累积函数。
5.2.3 TDOA算法的仿真设计思想
TDOA定位技术，是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来实现移动台定位的，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这也就大大降低了对时间同步的要求。因为移动台一定是位于以两个基站为焦点的双曲线上，所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到移动台的二维位置坐标。
实际当中要利用TDOA实现定位，需取多组基站（每组三个），分别定位确定出移动台坐标，然后取最优解。在本次仿真中，类似于上述AOA、TOA仿真思路，取一组（三个）基站，即基站位置不变，而只改变移动台位置，根据TDOA原理分别实现定位。在定位过程中，因为系统误差(主要是时钟不同步)相减抵消可不计，故只需要考虑多径传播，NLOS等的影响，将所有误差归结到基站接收到的信号的时间不同上。如图13所示。

图13 TDOA仿真设计思想示意图
同理，可以采用最小二乘之类的方法取得最佳值，这里依然采用重心法求得移动台坐标。然后作误差累积函数。
5.3 仿真结果与分析
5.3.1 AOA
（1）基站的坐标分别为（0，0），（800，0），每条曲线的误差角度分别为1度、2度、3度、10度。仿真结果如下所示:

图14（误差角度）-a 图14（误差角度）-b

图14（误差角度）-c 图14（误差角度）-d
(2)若2个基站确定的定位，基站的坐标分别为（0，0），（8000，0），每条曲线的误差角度分别为1度、2度、3度、10度。仿真结果如下所示:

图15（误差角度）-a 图15（误差角度）-b

图15（误差角度）-c 图15（误差角度）-d
结论:从仿真图可以看出，定位的精度随着误差角度的增大而增大，随着基站间距的增大而迅速增大。
AOA方法的主要误差来源有系统本身角度解析度造成的误差和多路径传播效应造成的误差，但最主要的误差来源是多路径传播效应。采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度，但是在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大。
5.3.2 TOA
3个基站所确定的定位，基站的坐标分别为（0，0），（4000，8000），（8000，0）。每条曲线的相对时延分别为:到3个基站都为0.03(图16-a)；到1个基站为0.06，到另2个基站为0.03(图16-b)。仿真结果如下所示:

图16（相对时延）-a 图16（相对时延）-b
结论：从图16中的仿真结果可以看出，当三基站均为LOS环境时，定位误差较小，系统效能最优。
误差源可分为两部分[10]：
一是测量杂讯，可以使用平均值为零的某种随机变数来模型化，表示为:
-αm≤n(t)≤αm。其中，-αm为测量杂讯的最大值，nm(t)表示时间t时基站m的测量杂讯；
二是NLOS造成的误差，此部分是传播环境存在非视距所造成的，误差值为大于零的实数，可表示为：0≤NLOS(t)≤βm。其中βm为NLOS误差的最大值，NLOS(t)表示时间t时基站m的NLOS误差。
因此，当三基站均为LOS环境时误差来源只有测量杂讯，而测量杂讯均值为零，故定位较为准确。
5.3.3 TDOA
3个基站所确定的定位，基站的坐标分别为（0，0），（4000，8000），（8000，0）。每条曲线的相对时延分别为:到3各基站都为0.012（图17-a）；到1个基站为0.03，到另2个基站为0.0012（图17-b）；到1个基站为0.012，到另2个基站为0.03（图17-c）；到3个基站都为0.03（图17-d）。

图17（相对时延）-a 图17（相对时延）-b

图17（相对时延）-c 图17（相对时延）-d
结论：从仿真图可以看出，在只有一个基站为NLOS情况下，系统的效能反而较3个基站都为NLOS环境时效能差；但当2个基站或3个基站为NLOS环境时，造成误差值较小。出现这种现象的原因类同于TOA。
5.3.4 AOA、TOA、TDOA仿真结果与比较
比较三种仿真结果可以发现，同样基于距离定位的TDOA定位效能优于TOA，而基于方向定位的AOA在多径干扰较小的情况下效能要优于距离定位，但在多径干扰较严重时（基站之间距离较远时）定位效能很差。
6 定位系统在蜂窝系统中的组成与应用过程
移动台
移动台
位置请求信息
蜂窝网
短消息业务中心
蜂窝网
短消息业务中心
位置信息

应用服务器
定位系统的组成主要包括:手机、蜂窝网络、短消息业务中心、应用服务器。见图18所示。

图18 定位过程原理图

其中应用服务器是系统的核心，负责与移动台交互、计算出移动台的经纬度坐标。
定位过程可以概括为以下几点:
1、移动台发出请求位置信息的短消息请求；
2、定位服务器通过与被定位目标的信息交互计算出经纬度坐标；
3、定位服务器把用户的个性化信息和经纬坐标与电子地图结合得出有意义的信息；
4、将此信息通过短消息回复给用户。
7 关于无线定位技术的几点想法
7.1 智能网解决方案
对于移动定位业务，没有任何一种技术是可以一统天下的，它们各有自己的特点和适用范围。针对不同的环境和情况，需要不同的技术。将这些技术和采用这些技术的不同系统互相合作，就需要引入智能网的解决方案。
智能网解决方案的原理是针对用户对于定位精度的不同需求以及现有技术的定位能力，如图19所示，用一个叫做移动定位中心的设备将定位技术的选择和应用的选择隔离起来。
用户需要的是基于无线定位技术的定位业务，能够满足他某些需要的业务就可以了。至于如何选择技术，则交由智能网决定。例如，当用户需要得到一项定位业务服务时，根据其对定位精度的要求和用户终端的能力，选择某项定位技术来满足用户的需要。这样，将有效地结合各种无线