第55卷第6期 2015年6月 电讯技术 Telecommunication Engineering VoI.55.No.6 June,2015 doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.06.006 引用格式:毛永毅,张晓佳.一种基于场强差的移动台定位改进算法[J].电讯技术,2015,55(6):618—622.[MAO Yongyi,ZHANG Xiaojia.An Improved Mobile Station Positioning Algorithm Based OFt Field Strength Difference[J].Telecommunication Engineering,2015,55(6):618—622.] 一种基于场强差的移动台定位改进算法 毛永毅,张晓佳料 (西安邮电大学电子工程学院,西安710061) 摘要:为了解决传统的移动台定位过程中信号的传播误差对定位精度的影响。提出了一种基于移 动台与服务基站之间的场强差来确定移动台位置的改进算法 小波变换在信号消噪处理中可以取 得良好的效果,通过选择合适的小波函数和分解层数,对测量得到的场强差进行分解和重构.然后用 经典Chan算法确定移动台位置,大大降低了传播误差对定位精度的影响。仿真表明,该算法能很好 地抑制传播误差,其定位效果比直接使用Chan算法更加稳定。 关键词:移动台定位;传播误差;小波变换;场强差;Chan算法 中图分类号:TN929.53 文献标志码:A 文章编号:1001—893X(2015)06—0618—05 An Improved Mobile Station Positioning Algorithm Based on Field Strength Diference MAO Yongyi,ZHANG Xiaojia (Department of Electronic Information Engineering,Xi an University of Posts and Telecommunications,Xi an 710061,China) Abstract:In order to solve the influence of signal propagation error on mobile station positioning precision, an improved algorithm is proposed which is based on field strength difference between the mobile station and the base station to get the position of the mobile station.The wavelet transform has a good effect on the signal de-noising.By selecting the suitable wavelet function and decomposition layers,the measured field difference is decomposed and reconstructed.Then the classical Chan algorithm is used to get the position of mobile station,which can greatly reduce the effect of the propagation error on the positioning precision.The simulation results show that the algorithm can effectively suppress the propagation error and its performance is more stable than that of directly using Chan algorithm in the same environment. Key words:mobile station positioning;propagation error;wavelet transform;field strength difference;Chan algorithm 1 引 言 目前,国内外对无线定位的理论研究已经相当 成熟,实践应用覆盖各个领域。但由于信号在传播 过程中受到传播误差、多径效应、非视距误差等干扰 从而使得移动台定位的准确率大大降低。因此,如 何提高定位精度也越来越成为人们关注的焦点。常 用的定位方法有到达时间(Time of Arrival,TOA)定 位 、时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)定 的影响。测量信号与实际信号之间会有一定的偏差, 位 、到达角度(Angle of Arrival,AOA)定位 、场 收稿日期:2015一O卜27;修回日期:2015—04—07 Received date:2015—01—27;Revised date:2015—04—07 基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(2009JM8015);陕西省教育厅专项科研项目(2010JK815) Foundation Item:The Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2009JM8015);The Special Scientiifc Research Project for Education Department of Shaanxi Province(2010JK815) 通讯作者:358829805@qq.con Corresponding author:358829805@qq.com ・618・ 第55卷 毛永毅.张晓佳:一种基于场强差的移动台定位改进算法 第6期 强(Field Strength of Arrival,SOA)[4 3定位、场强差 (Field Strength Difference of Arrival,SDOA)定位 等。场强差定位方法由于无需添加其他物理设备, a(hm) i3.2[1g….75 : 一4.97,f> ̄300 MHz; (3) f8.29【lg(1.54h )] 1.1,f ̄<300 MHz 成本低,通过改进算法就可以得到较高的定位精度, 因此得到了广泛应用。 郊区: ,J = 一2[1g(f/28)] 一5.4; 半开阔地: (4) 小波变换 可以通过母小波函数对信号进行 平移和尺度变化处理,从信号中提取有用信息,不仅 L = 一4.78[1g )] -18.331g )-40.98。(5) 处理速度快而且精度高,因此应用也越来越广泛。 本文通过小波变换来修正信号的传播误差,再利用 修正过的场强差值运用经典Chanl8]算法来进行移 3场强差值定位算法 图1为本文定位算法模型,该方案既不需要增 动台位置估计,最后用Matlab对该算法进行仿真, 并对仿真结果进行分析比较。 加额外的硬件设备也无需时间同步。图中BS0为 服务基站。MS为被定位移动台。 2信道模型 实际生活中,信号在传播过程中会受到多种障 碍物影响.使得实际接收到的信号与源信号有很大 的误差,导致通过这些信号得到的定位结果精度很 低。场强信号传播过程中受传播误差影响较大,一 个好的传播模型可以很大程度上抑制传播误差,因 此需对不同的传播环境匹配不同的传播模型,并加 以不同的修正因子来进一步减小误差。常用的模型 有Okumura Hata模型l9]、Okumura模型、COST一 图1场强差定位模型 Fig.1 The field strength difference positioning model 在本文提出的基于场强差的定位改进算法中, 假设由服务基站测量得到的附近各基站场强强度为 231Hata模型[1o]、WIM模型、Egli模型、wamsh模型 等。Okumura模型在预测城区信号时应用最为广 E ={E吲,E 跎,…, },其中E 是服务基站上 泛。适用频率为150~1920 MHz。距离为1~ 100 km,天线高度为30~1000 m。 Okumura Hata模型是对Okumura模型的改进。 报的第n个基站的场强强度,由移动台测量得到的 附近各服务基站的场强强度为E ={E㈣,E , …,E 。 },其中E 是移动台测得的第n个基站的 该模型是根据实际测量数据建立的模型,能提供比 较全的数据,在实际移动台定位中得到了广泛应用。 该模型公式为 场强强度,而各邻近基站的实际发射场强强度为E ={E ,E ,…,E },E 为第n个基站的场强发射强 LBs:201gE一201gEBs, (6) (7) (8) 度。将服务基站所上报的场强强度衰减系数表示为 那么。由移动台所上报的场强衰减系数表示为 LMs=201gE一201gEMs。 由上述两式可以得到 LBS- Ms=201gEMS--201gEBs。 L :69.55+26.161g(fc)一13.821g(h6)一a(h )+ [44.9-6.551g(h6)]lg(d)。 (1) 式中 是载波中心频率(MHz);hm是移动台天线的 有效高度(m); 是基站天线的有效高度(m);d是 移动台与基站之间的距离(km);a(h )是移动台天 线的高度修正因子,在不同的传播环境下有不同的 根据上文中的Okumura Hata传播损耗模型有 201gEMS--201gEBs=(44.9-6.551gh6)(1gdBso_Bs-lgdMs—Bs)。 取值,不同情况近似值如下: 中小城市修正: a(h )=(1.1lg )-0.7) 一(1.561g(fc)一0.8); (2) (9) 式中,dMS-BS和dBS0-BS分别表示移动台到各基站的距离 和服务基站到各基站的距离.其中服务基站与各基站 的距离为已知,根据公式(9)可以得到d 瑚的估计 值,然后再利用Chan算法进行移动台位置估计。 ・大城市修正: 619・ 电讯技术 4算法描述 4.1小波变换原理 小波变换理论是当今信号处理领域和数学领域 中发展迅猛的新领域,其应用相当广泛。小波变换 其实就是用一些特殊的函数作为基,然后将得到的 信号数据变换为级数系列从而发现其频谱特性并用 来实现其相应的数据处理。通过将不需要的频带上 的小波系数置零处理或是赋予足够小的权重.从而 有效地抑制噪声。 设 ( )满足下列条件: (1) (t)是一平方可积函数,即 ( )∈L (R); (2)0<r o 『 Ⅲ, I<o。。 上面两个条件为小波变换的可容性条件, (t) 经过傅里叶变换得到 (∞),q5(t)被称为小波母函 数或小波函数。 设小波消噪的原理模型为 s(X)=.厂( )+ ・e( )。 (10) 式中,s( )是实际得到的含有噪声的信号;e( )是 此刻的噪声信号,一般处在信号的高频部分;厂( ) 是去除噪后的信号,一般处在信号的低频部分。 对 (x)进行小波分解,如图2所示,最终得到 的ea3为近乎平稳的信号,分布在信号的低频段; cdl、d2、ed3则是噪声主要成分,处在信号的高频 段。所以如果要滤除噪声就要选择合适的门限值对 其系数进行对应的处理,然后通过小波逆变换,重构 出原始信号。 图2小波变换的三层分解结构 Fig.2 The three layers decomposition structure of wavelet transform 对时变信号I厂(t)∈L2(R)进行正交小波分解[】 得到 ,v 八 ): , , (¨+Z ci, , (£)。(11) …式中,Ⅳ为小波分解的层数,d 为小波分解系数,c 为小波尺度分解系数。 4.2小波消噪步骤 设 (t )为在ti时刻的场强测量值,则有 x(t )=s(f )+M( )+NLOS(t )。 (12) .620. 式中,s(t )是ti时刻的真实测量值;“(t )是ti时刻的 传播误差,是零均值且服从高斯分布的随机序列。 (1)由各个基站得到的输入向量为:S= [SDOA1,SDOA2,SDOA3,SDOA4,SDOA5,SDOA6, SDOA7],先确定分解层数,选择合适的小波对上述 场强差信号进行小波变换,由此得到其小波系数; (2)利用如下经验公式_1 来计算不同尺度下的 均方误差: 0 =median(I d 1)/0.6745; (13) (3)由上述步骤得到的均方误差,使用如下计 算方法算出不同尺度系数的阈值,从而求出新的小 波系数: A =0。厕/ln( +1); (14) (4)对上述阈值处理后的小波系数进行逆小波 变换.把各层小波高频系数和低频系数进行信号重 构,即可估计出原始信号。 4.3基于小波分析的Chan定位算法 由于信号在传播过程中受传播误差影响较大, 对场强差定位精度影响较大,利用小波变换来修正 场强测量数据,进一步减小测量值中的传播误差,再 通过经典Chan算法进行位置估计.定位精度将会得 到有效提高。具体的定位步骤如下: (1)先由测量得到K组带有传播误差的场强差 数据,确定合适的小波函数和分解层数,通过小波变 换对其进行正交小波分解得到对应的小波系数; (2)用上述方法计算阈值,对得到的新的小波 系数进行逆变换,重构出滤除噪声的场强差信号值; (3)利用修正后的数据运用经典Chan算法进 行移动台位置估计。 s定位算法性能仿真与分析 在衡量定位算法的性能时,一般需要一个统一 有效的性能指标来对定位算法的结果进行公平公正 的评价。本文采用均方根误差(RMSE)法,其他常 用的还有几何精度因子法、克拉美一罗下界和圆误 差概率衡量误差等。 RMSE方法计算简单,定位准确率相对较高,该 值越小证明定位算法的精确度越高,该值稳定说明 算法具有稳定性,因此本文采用均方根误差作为算 法的性能指标。 设MS的坐标为( ,Y),( ,Y )为MS的估计坐 标,则均方根误差RMSE可表示为 RMSE: ̄/ [( — ) +(y-y ) ]。 (15) 第55卷 毛永毅,张晓佳:一种基于场强差的移动台定位改进算法 第6期 对本文提出的基于小波变换的场强差定位改进 算法进行Matlab跟踪仿真以验证该算法的可靠性。 本次仿真采用Daubechies小波对信号进行三层分 解.小区半径选取常用宏蜂窝小区半径1000~ 3000 m.并与未采用小波变换优化的Chan算法进 行对比。 图3为当小区半径不同时,本文基于小波变换 的场强差定位改进算法与经典Chan算法定位结果 对比图。由图可知,本文改进算法的性能明显优于 直接采用Chan算法定位。随着小区半径的扩大,传 播误差会随着传播距离的增加而不断增加,而小波 变换可以很好地抑制这种误差,所以该算法在小区 半径增加时仍然能够保持平稳的定位性能。 甥 莶 小区半径/In 图3不同小区半径下定位算法比较 Fig.3 RMSE of the positioning algorithm under different cell radius 图4为测量误差不同时,本文所采用的定位方 法与直接采用Chan算法定位结果对比图。由仿真 结果可以看出,随着测量误差的不断增大,定位性能 也会逐渐下降,但是相对于直接采用Chan算法定 位,本文的移动台定位改进算法均方根误差增长缓 慢.效果更加稳定,说明小波变换可以很好地消除传 播误差对信号的影响。 测量误 ̄fftts 图4不同测量误差下定位算法比较 Fig.4 RMSE of the positioning algorithm under different measurement error 6结束语 本文提出了一种基于场强差的移动台定位改进 算法。针对不同的传播环境有不同的传播因子,使得 定位结果更加精确,从而减小了传播误差以及系统 测量误差对定位精度的影响;然后结合小波变换来 修正测量数据,进一步减小误差;最后利用Chan算 法进行位置估计。从实验的模拟仿真可以看出,本 文提出的算法相对于直接采用经典Chan算法定位 精度更高。性能更稳定,有良好的可行性,但是在测 量误差为0.4 Ixs时,会出现较大奇异误差,本文尚难 以解释。这也是下一步研究的课题。 参考文献: [1] 何燕,胡捍英,周山.对抗NLOS误差的TOA/AOA混合无 线定位算法[J].电讯技术,2006,46(6):167—17t. 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