无线通信系统中的定位技术与应用

本书从无线定位技术的原理入手，系统地介绍了无线定位技术的推导、算法、模型与应用，具有较强的参考性、专业性。全书内容共分为9章，靠前章为绪论，主要介绍了几种典型的定位导航系统。第2章主要介绍了无线定位技术的原理。第3章主要介绍了定位参数测量和提取的过程。第4章主要介绍了四种典型的位置估计算法。第5章主要介绍了移动终端的位置跟踪方法。第6章主要介绍了无线系统定位涉及的场景和估计仿真模型。第7章主要介绍了几种不错定位算法。第8章主要介绍了几种典型通信系统中的无线定位算法。第9章主要介绍了各种基于无线定位技术的应用。本书材料丰富，体系科学完整，内容新颖翔实，知识系统全面，兼备系统性、实用性和指导性。
本书可作为电信运营商、技术投资商、服务提供规划者、设备开发工程师、物联网及互联网服务提供商、电信公司，以及无线服务提供商的技术参考书或培训教材，也可作为高等院校通信与信息系统专业的高校本科生、研究生教材。

前言
译者序
原书前言
第1章绪论
1.1地面定位系统
1.1.1DECCA
1.1.2LORAN
1.1.3OMEGA
1.2卫星定位系统
1.2.1GPS
1.2.2格洛纳斯
1.2.3伽利略
1.3GNSS增强系统
1.3.1差分全球导航卫星系统（DGNSS）
1.3.2广域增强系统（WAAS）
1.3.3欧洲同步卫星导航覆盖服务（EGNOS）
1.3.4多功能卫星增强系统（MSAS）
1.3.5GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN）
1.4关键环境
第2章定位原理
2.1传播时间
2.1.1到达时间（TOA）
2.1.2到达时间差（TDOA）
2.1.3往返到达时间（RTTOA）
2.1.4圆形定位与双曲线定位对比
2.2到达角（AOA）
2.2.1二维
2.2.2三维
2.2.3上行链路中的到达角
2.2.4非视距传播问题
2.3指纹
2.3.1蜂窝小区标识
2.3.2接收信号强度（RSS）
2.3.3功率时延谱（PDP）
第3章测量和参数提取
3.1参数估计
3.1.1估计问题
3.1.2克拉美罗下限（CRLB）
3.2传播时间
3.2.1时间估计的克拉美罗下限
3.2.2高斯白噪声中的定时估计
3.3到达角（AOA）
3.3.1均匀线阵天线
3.3.2加性高斯白噪声中的AOA估计
3.3.3AOA估计中的克拉美罗下限
第4章位置估计
4.1三角测量法
4.1.1理想情况下的三角测量法
4.1.2误差测量下的三角测量法
4.2三边测量法
4.2.1理想测量下的三边测量法
4.2.2误差测量下的三边测量法
4.3多点定位法
4.3.1理想测量下的多点定位法
4.3.2误差测量下的多点定位法
4.4指纹定位法
4.5性能边界及评估标准
4.5.1方均根误差
4.5.2累积分布函数
4.5.3圆概率误差
4.5.4定位克拉美罗下限
4.5.5精度因子
4.5.6复杂度
第5章位置跟踪
5.1卡尔曼滤波
5.2扩展卡尔曼滤波
5.3粒子滤波
5.4其他的扩展算法
5.4.1网格算法
5.4.2二阶扩展卡尔曼滤波算法
5.4.3无迹卡尔曼滤波
5.4.4高斯混合滤波算法
5.4.5Rao-Blackwell算法
5.4.6地图匹配算法
第6章场景与模型
6.1场景
6.1.1乡村环境
6.1.2城市环境
6.1.3室外向室内渡越
6.1.4室内环境
6.2信道特征
6.2.1信道测量
6.2.2射线跟踪
6.3信道模型
6.4移动模型
第7章高级定位算法
7.1混合数据融合
7.1.1混合数据融合概述
7.1.2多源衍生算法扩展
7.1.3仿真结果
7.2协作定位
7.2.1协作定位概述
7.2.2集中式协作定位实例
7.2.3仿真结果
7.3多径与非视距效应缓解
第8章系统
8.1GSM
8.1.1系统参数
8.1.2测量参数
8.1.3TA
8.1.4增强型观测时间差（EOTD）
8.1.5上行链路到达时间（UTOA）
8.1.6AGNSS
8.1.7克拉美罗下限
8.2UMTS
8.2.1系统参量
8.2.2测量项
8.2.3Cell-ID与增强型Cell-ID
8.2.4OTDOA
8.2.5UMTS与GSM比较
8.2.6克拉美罗下限
8.33GPP-LTE
8.3.1系统参数
8.3.2测量项
8.3.3同步
8.3.4克拉美罗下限
8.3.5性能结果
8.4其他广域及中程系统
8.4.1WiMAX
8.4.2WLAN
8.5短距离系统
8.5.1蓝牙
8.5.2ZigBee
8.5.3UWB
8.5.4RFID与NFC
8.6标准化
第9章应用
9.1宏分集
9.1.1蜂窝分集
9.1.2蜂窝OFDM中基于位置的同步
9.1.3位置感知自适应通信系统
9.2无线资源管理
9.2.1基于位置的小区间干扰协调
9.2.2位置辅助中继选择方案
9.3移动性管理
9.3.1Wi-Fi和LTE中位置辅助切换预测算法
9.3.2场景
9.3.3结果总结
9.4紧急呼叫
9.5基于位置服务
9.5.1移动及位置感知广告
9.5.2社交网络
9.5.3导航与路线规划
9.5.4手机游戏
9.5.5其他突破性的应用
9.5.6未来应用
参考文献
附录英文缩略语

原 书 前 言
随着智能手机和平板电脑的出现，例如苹果的iPhone、iPad和谷歌的Android设备，基于位置的服务已经被用户广泛使用。目前，这些服务使用的位置信息主要是由智能设备内置的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）接收器提供的。通常，智能设备中的GPS只有在晴朗无遮挡的天空视野下，才能很好地工作。除GPS之外，智能设备还可以支持很多其他的通信技术，例如GSM、UMTS、LTE、WiFi、蓝牙和NFC。这些通信技术在基于位置服务方面对GPS的功能进行了补充，尤其是在城市和室内环境中。因此，诸如苹果或谷歌等很多公司，已经开始利用WiFi热点和蜂窝基站的ID，提供一种快速（有时比较粗略）的首次定位。除此之外，监管机构，例如美国联邦通信委员会（FCC），也要求蜂窝通信网络运营商能够保证紧急呼叫及其中所需的测量位置的服务质量（参见1999年FCC文档）。因此，这种强烈的市场需求和监管法规极大地推动了当前和今后无线通信系统中的定位技术发展。
就个人而言，我们早在1997年就在德国航空航天中心（DLR）针对伽利略系统开展早期的信号设计方面的研究工作。2005年，我们开始关注基于无线通信进行定位，尤其是使用蜂窝通信技术进行定位，以补充GPS和未来的伽利略系统。由于我们的背景知识主要是信息、通信和信号处理方面的理论，所以我们不是很熟悉定位及其相应的信号处理方面具体的挑战和要求。例如通信工程师通常使用延时为0作为起点的延时线，对无线信道进行建模。他们不会考虑首次到达路径延时。该路径与发射机和接收机之间的距离成正比，对确定移动终端的位置FEI常重要。因此，本书反映了我们在使用无线通信进行定位上的学习过程，同时通过多个定位项目，也传递了我们的工作经验。
本书分为9章。通过第1章和第2章，读者可以快速了解并熟悉基于无线通信的定位。第1章，介绍了过去、现在和未来的卫星与地面无线定位系统，适用于卫星定位系统的应用环境。第2章，讨论了基本的定位原则。这些原则是当今各种无线系统定位的理论基础。
第3～5章，介绍了通信技术和信号处理方面的知识，以便读者可以更深入地理解基本的定位技术。第3章，介绍了无线通信系统中定位相关测量项的参数估计问题及相关公式。第4章，介绍了在假设移动终端不移动的情况下，使用测量值估计移动终端位置的算法。第5章，将第4章的静态定位过程扩展到移动终端动态位置跟踪的应用场景。
第6~9章讨论了一些更加高级的有关无线通信定位的主题。首先，第6章，详细讨论了卫星定位和无线通信系统定位工作的场景和环境。同时，还介绍了相应的无线信号传播模型和移动用户运动模型。其次，第7章，介绍了一些高级定位算法，例如卫星导航与无线通信定位混合数据融合、多移动终端协作定位以及多径与非视距效应缓解概念。随后，第8章，调查并统计了当前广泛部署和使用的以及今后将要部署和使用的基于各种无线通信系统的定位。ZUI后，本书在第9章介绍了基于无线通信定位的各种应用。目录目录