CDMA地面移动通信用户定位技术研究

论文摘要

无线电定位技术具有悠久的发展历史，而蜂窝移动通信系统的技术进步和业务拓展推动了定位技术在民事应用领域的研究与发展。1996年美国FCC制定颁布了E-911规范，随后第三代蜂窝移动通信系统将定位服务纳入标准草案，使用户定位技术得到了国内外科研机构、通信设备生产商以及通信运营商更多的研究与关注。蜂窝移动通信系统用户定位技术不仅可以为普通民众提供位置信息服务，紧急救助和物品跟踪功能，也为保障国家安全和打击犯罪提供有效手段。 本论文主要研究CDMA蜂窝移动通信系统用户定位技术的理论与实践问题，特别是对第三方（被动）定位系统的设计与实现相关的若干问题进行了探索。研究重点包括cdma2000 1x系统上行链路用户信号的可测性，参数估计和用户位置估计的理论限，视距传播环境和非视距传播环境下的定位算法，移动用户的跟踪定位以及第三方（被动）定位试验系统的设计实现与场地测试。 首先，对CDMA蜂窝移动通信系统中的信号捕获概率问题进行了详细论述。定义了“平均联合捕获概率”和“平均联合累积捕获概率”，并将其作为衡量CDMA定位系统覆盖能力的指标，推导了不同功率控制方案下的信号捕获概率。结合cdma2000 1x网络的实际规划，仿真分析了CDMA系统的功率控制方案、小区半径、网络负载（多址干扰）和信噪比目标值等多种因素对多站定位体制用户信号联合捕获概率的影响。在此基础上，提出了利用反向接入信道进行定位系统设计的思想，并针对第三方（被动）定位系统，给出了站址选择的基本原则与建议。 其次，推导了参数估计的克拉美罗界。获得参数的能力以及参数估计的精度是决定定位技术可行性和定位精度的关键因素。根据空时无线通信矢量信道模型，本文给出了单用户和多用户条件下接收信号的模型，并推导了多径、多天线和分数阶采样条件下，时延、幅度、到达角、平均功率等参数的克拉美罗界并分析了其渐近性能。对于信道参数估计性能界的理论推导，为定位性能的分析奠定了基础。 第三，在参数估计的基础上，推导了无偏估计状态下单用户和多用户位置估计的克拉美罗界，并给出了单参数定位体制（TOA、TDOA、AOA、SOA）及混合参数定位体制（TOA／AOA、TDOA／AOA和SOA／AOA）下，定位估计性能界的解析表达式。 第四，对视距环境下多种基于多传感器的定位算法进行了详细分析，并提出了两种应用于蜂窝系统的用户定位算法：基于最小二乘估计的TDOA速迭代定位算法和基于线性校正最小二乘的TDOA／AOA定位算法。采用蒙特卡罗方法仿真了TDOA和AOA的测量精度、误差分布特性及参与定位的基站数量等参数对算法定位性能的影响，分析了算法的收敛性能，并与球面相交、球面差值、Friedlander、平方校正等多种常用定位算法进行了分析比较。 第五，非视距传播使参数估计的结果不再是无偏估计，所以本文根据蜂窝系统散射模型推导了宏蜂窝和微蜂窝环境中非视距误差的分布，采用渐近均方根误差作为衡量指标，

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 表目录
• 图目录
• 主要缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 蜂窝移动通信系统的定位技术体制
• 1.3 影响定位精度的误差来源
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 论文的主要贡献与组织结构
• 1.5.1 论文的主要贡献
• 1.5.2 论文的组织结构
• 第二章 cdma2000 1x系统信号可测性分析
• 2.1 cdma2000 1x系统空中接口及网络拓扑
• 2.1.1 cdma2000 1x空中接口特性
• 2.1.2 cdma2000 1x信道结构
• 2.1.3 cdma2000 1x系统的功率控制
• 2.2 路径损耗模型
• 2.3 联合捕获概率
• 2.4 上行链路信号可测性仿真分析
• 2.4.1 功率控制的影响
• 2.4.2 小区半径的影响
• 2.4.3 信噪比的影响
• 2.4.4 网络负载对可测性的影响
• 2.5 第三方（被动）定位系统信号可测性分析
• 2.6 结论
• 第三章 CDMA参数估计与定位估计的克拉美罗界
• 3.1 信道模型与信号模型
• 3.1.1 信道模型
• 3.1.2 信号模型
• 3.2 参数估计的克拉美罗界
• 3.2.1 单用户参数估计的CRLB
• 3.2.2 多用户参数估计的CRLB
• 3.2.3 小结
• 3.3 定位估计的克拉美罗界
• 第四章 LOS环境下的用户定位
• 4.1 常用定位算法及特点分析
• 4.1.1 TDOA定位数学模型
• 4.1.2 泰勒级数展开算法
• 4.1.3 基于最小二乘的非递归算法
• 4.1.4 直接求解算法
• 4.1.5 算法小结
• 4.2 一种基于线性校正最小二乘的TDOA/AOA混合定位算法
• 4.2.1 算法模型
• 4.2.2 算法流程
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 一种基于最小二乘的TDOA快速迭代定位算法
• 4.3.1 算法描述
• 4.3.2 仿真分析
• 4.3.3 结论
• 4.4 小结
• 第五章 NLOS环境下的用户定位
• 5.1 NLOS分布模型
• 5.1.1 理想分布
• 5.1.2 散射环境下的NLOS统计模型
• 5.2 NLOS对定位性能的影响
• 5.2.1 渐近均方误差
• 5.2.2 NLOS环境下的定位性能
• 5.3 一种基于到达时刻差值的NLOS误差抑制算法
• 5.3.1 算法模型
• 5.3.2 假设检验
• 5.3.3 LOS/NLOS状态转移模型
• 5.3.4 算法仿真
• 5.4 基于伪线性卡尔曼滤波的混合参数定位算法
• 5.4.1 扩展卡尔曼滤波
• 5.4.2 伪线性卡尔曼滤波
• 5.4.3 观测平台自身定位精度误差的影响
• 5.4.4 初始条件设置
• 5.4.5 切换状态下的连续跟踪问题
• 5.4.6 仿真与分析
• 第六章 定位试验系统的设计与实现
• 6.1 定位试验系统设计
• 6.1.1 体制选择
• 6.1.2 系统组成
• 6.1.3 设计思路
• 6.1.4 定位流程
• 6.2 定位系统测试及结果分析
• 6.2.1 标准场地测试
• 6.2.2 城市环境测试
• 6.3 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果