TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位技術研究

王維猛+焦榮華++李曉輝

摘要： TD?SCDMA系統(tǒng)主要采用上行同步和智能天線技術，使用單個服務基站實現(xiàn)對UE的DOA?TOA定位，克服了傳統(tǒng)定位方法的缺點。主要對TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位關鍵技術進行分析和研究。分析TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位基本原理和實現(xiàn)流程，重點研究物理層信息幀結(jié)構、智能天線技術和上行同步等DOA?TOA定位關鍵技術，最后研究了DOA?TOA定位方法，并對不同環(huán)境下其定位誤差性能進行了仿真分析。

關鍵詞： TD?SCDMA； 定位技術； 單基站； DOA； TOA

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A文章編號： 1004?373X（2014）08?0001?04

Research on DOA?TOA positioning techniques for TD?SCDMA system

WANG Wei?meng1，3， JIAO Rong?hua2， LI Xiao?hui1

（1. State Key Laboratory of Integrated Services Networks， Xidian University， Xian 710071， China;

2. Northwest Regional Administration of CAAC， Xian 710086， China;

3. The 54th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： TD?SCDMA system with the techniques of uplink synchronization and smart antenna can realize the DOA?TOA positioning of the UE by a single serving base station， and overcome the shortcomings of the traditional positioning methods. The DOA?TOA positioning techniques of TD?SCDMA system are analyzed and researched in this paper. The basic positioning principle and procedure of DOA?TOA positioning of TD?SCDMA system. An intensive study of the key technologies of DOA?TOA location in TD?SCDMA system is made， such as data frame structure of physical layer， uplink synchronization， smart antenna and so on. The DOA?TOA positioning method is researched. Simulation analysis of the positioning error was performed in different environments.

Keywords： TD?SCDMA; positioning technlogy; single base station; DOA; TOA

近年來，隨著3G網(wǎng)絡進入商用階段，定位業(yè)務成為3G眾多業(yè)務中主打業(yè)務之一。因此，各運營商都在積極制定相應的定位方案，如：WCDMA、CDMA2000系統(tǒng)等均在原有蜂窩通信網(wǎng)的基礎上建立了相應的定位網(wǎng)絡，各項技術都相對比較成熟，一些定位業(yè)務也已開始展開。擁有我國自主知識產(chǎn)權的TD?SCDMA系統(tǒng)是世界上首先同時采用時分雙工、同步碼分多址技術和智能天線技術的第三代移動通信系統(tǒng)[1]。伴隨著人們對無線定位的需求越來越迫切，同時為使TD?SCDMA標準與其他3G標準相抗衡，TD?SCDMA無線定位業(yè)務已然成為目前研究的重點。關于我國TD?SCDMA標準，基于上行導頻序列的同步技術和智能天線等技術的聯(lián)合應用，使其可用單個服務基站實現(xiàn)DOA?TOA定位，既利用了TD?SCDMA系統(tǒng)自身結(jié)構特點，同時解決了沙漠、山區(qū)等基站稀疏區(qū)域多基站很難得到滿足的困難，具有廣泛應用前景。

1TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位基本原理

TD?SCDMA系統(tǒng)可以采用基于智能天線、上行同步等關鍵技術的DOA?TOA定位方法，其原理圖如圖1所示。此定位方法僅需要一個基站進行參與，即圖中的Node B，位置為[(x0,y0,z0)]，UE為待定位移動臺，位置為[(x,y,z)]，[r]為移動臺相對于基站的距離（TOA），[θ]為移動臺發(fā)出的信號相對于x軸正向的水平方位角（DOA），[h]為基站和移動臺間的高度差。

在理想情況下，假定基站可以通過上行同步和智能天線等關鍵技術準確估計出移動臺信號到達基站所需的時間[t]和信號到達的水平方位角度[θ]，那么可通過式（1）對移動臺的位置坐標[(x,y,z)]進行求解，實現(xiàn)TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位：

[x=x0+r2-h2cosθ=x0+c2t2-h2cosθy=y0+r2-h2sinθ=y0+c2t2-h2sinθz=z0+h] （1）

圖1 DOA?TOA定位原理圖

TD?SCDMA系統(tǒng)實現(xiàn)DOA?TOA定位的具體流程如圖2所示。流程圖分上下兩部分，對應于DOA?TOA定位方法中TOA和DOA的估計與重構。移動臺發(fā)送上行導頻和突發(fā)序列，經(jīng)過無線信道的傳輸?shù)竭_基站?；就ㄟ^基于上行同步序列的相關峰檢測進行TOA估計，并判別估計TOA中是否存在NLOS誤差，從而確定是否進行NLOS誤差的抑制。TD?SCDMA系統(tǒng)采用了智能天線技術，使其可以利用相應的DOA估計算法估計DOA，然后根據(jù)散射體分布模型進行TOA和DOA的重構。最終，基于重構出的DOA和TOA等信息完成TD?SCDMA系統(tǒng)的DOA?TOA定位。

圖2 TD?SCDMA DOA?TOA定位基本流程

2TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位關鍵技術

2.1物理層信息幀結(jié)構

TD?SCDMA系統(tǒng)的物理信道采用了系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時隙/碼四層結(jié)構形式。一個系統(tǒng)幀由72個幀長為10 ms的無線幀組成。同時又將每個無線幀分為兩個長度為5 ms的子幀。我國TD?SCDMA標準所定義的碼片速率是1.28 Mchip/s，則一個子幀可容納6 400個碼片。如圖3所示，毎一個子幀又由7個常規(guī)時隙和DwPTS，GP，UpPTS 三個特殊時隙組成，其中DwPTS時隙由長度為64 chip的下行同步序列SYNC?DL和長度為32 chip的保護間隔組成，UpPTS時隙由長為 128 chip的上行同步序列SYNC?UL和長度為32 chip的保護間隔組成[2?3]。三個特殊時隙具體作用分別是：DwPTS是為下行導頻和同步而設計的下行導頻時隙；UpPTS是在隨機接入以及切換的過程中均用于建立UE和基站間初始同步的上行導頻時隙；GP是保護時隙。

圖3 TD?SCDMA子幀結(jié)構圖

2.2上行同步

上行同步技術是指上行鏈路中同一時隙內(nèi)不同距離用戶所發(fā)送的上行信號能夠同步到達基站端。對于TD?SCDMA系統(tǒng)，上行同步可以使其系統(tǒng)性能得到一定提升，因為通過上行同步可以降低不同用戶間的多址接入干擾，達到提升小區(qū)容量和增加小區(qū)半徑的目的[3?5]。

TD?SCDMA系統(tǒng)上行同步基本原理為：

（1） UE開機后，基站首先在DwPTS時隙上發(fā)送SYNC?DL信號，UE在DwPTS時隙上接收相應信號，實現(xiàn)下行同步；

（2） 由于UE不知道其和基站之間的距離，為降低對常規(guī)時隙的干擾，UE初次發(fā)送采取以開環(huán)的形式在UpPTS時隙上發(fā)送UpPCH信號，發(fā)送定時由基站和UE間的信號衰落特性估計出，或者將其設定為固定的發(fā)送時間提前量；

（3） 基站端檢測UpPTS時隙上的UpPCH信號，測量信號到達時刻和接收功率等信息，并將這些信息通過FPACH信道反饋給UE；

（4） UE接收基站通過FPACH信道發(fā) 送來的信息，并以此確定下次發(fā)射的時間和功率，從而實現(xiàn)基站和多個UE的上行同步。

2.3智能天線

智能天線最初用于雷達、聲吶及軍事通信領域，是一種空分多址技術。它使用一系列低增益天線陣元，調(diào)整天線加權權值，產(chǎn)生空間定向波束，使波束主瓣對準有用信號到達方向，旁瓣對準干擾信號到達方向，達到提升信干噪比的目的[3，6?8]。

智能天線的功能主要體現(xiàn)在兩方面：波束賦形和來波方向估計。通過智能天線，可在整個小區(qū)內(nèi)對不同用戶形成不同的賦形波束，實線空分多址，從而有效降低小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間同頻用戶之間的干擾，提升通信質(zhì)量。同時，使用智能天線可以根據(jù)接收信號矢量的特性估計當前各個用戶的DOA，增強了UE的定位精度。

TD?SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個陣元組成的均勻圓陣（UCA），可根據(jù)用戶在小區(qū)內(nèi)的分布位置產(chǎn)生定向波束實時跟蹤用戶，獲得較高的增益。

3TD?SCDMA系統(tǒng)移動臺位置的確定

3.1TOA估計

根據(jù)TD?SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構特點可知，DwPTS，UpPTS，GP在幀結(jié)構中的位置是固定的，且組成序列SYNC?UL，SYNC?DL具有較強的自相關性，利用幀結(jié)構這一特點，可進行基于相關峰檢測的TOA估計。在發(fā)射時鐘與接收時鐘嚴格同步的前提下，通過計算接收序列SYNC?UL起始位置與發(fā)送序列SYNC?UL起始位置的碼片差值，就可得到距離估算值。

3.2NLOS信號的識別和抑制

在無線定位系統(tǒng)中，移動臺和基站之間的傳輸環(huán)境對定位精度有很大影響。在實際信道環(huán)境中，建筑物、樹木、車輛等障礙物使得LOS傳輸很難得到保證，信號只能以反射、散射等方式傳輸，這就是NLOS傳播。NLOS誤差由NLOS傳播引起，是一個正的附加時延量。為使測量數(shù)據(jù)有效且定位結(jié)果準確，需要對NLOS傳播進行判別，并對其誤差進行抑制，減小對定位精度的影響。關于NLOS的識別和抑制，分析Wylie識別算法和LOS重構算法。

3.2.1Wylie識別算法

Wylie識別算法利用NLOS傳播時TOA多次測量的標準差遠大于LOS環(huán)境測量標準差這一特點進行NLOS識別[9]。假定基站在特定時間內(nèi)所得到的TOA測量數(shù)據(jù)為[ri(i=0,1,2,…,K-1)]，利用最小二乘技術進行[N]階多項式擬合，那么可求出[N]階多項式擬合系數(shù)[a(n)N-1n=0] ，從而得到平滑曲線：

[si=n=0N-1a(n)tni] （2）

可計算平滑后的距離與觀測所得距離的標準差為：

[σ=1Ki=0K-1(si-ri)2] （3）

當移動臺和基站之間的傳輸路徑為LOS傳播時，測量距離相對于實際距離的偏差為系統(tǒng)標準測量誤差[n][-αm≤n≤αm]；然而，在 NLOS環(huán)境下，NLOS誤差[NLOSi(m)] [0≤NLOSi(m)≤βm]和標準測量誤差[n]同時存在。NLOS誤差是一個正的具有較大標準差的隨機變量，則NLOS環(huán)境下距離測量值相對于平滑值的偏差將非常大，判決條件為：

[H0: σm≤βσmH1: σm>βσm] （4）

式中[β∈(1.05~1.10)。]

當假設[H0]成立時，則基站接收到的是LOS信號；當假設[H1]成立時，則基站接收到的是NLOS信號。

3.2.2基于NLOS識別的LOS重構算法

基于NLOS識別的LOS重構算法的實質(zhì)為根據(jù)TOA測量誤差的取值范圍對經(jīng)過最小二乘平滑后的曲線進行修正，使修正后的曲線盡可能接近其實際距離變化曲線。當基站和移動臺間為NLOS傳輸時，TOA測量誤差中NLOS誤差和系統(tǒng)標準測量噪聲同時存在，那么其取值范圍[9]是[-αm≤n+NLOSi(m)≤βm+αm] 。

由此可知LOS重構算法分兩步進行：

（1） 根據(jù)式（2）對TOA多次測量所得數(shù)據(jù)，使用最小二乘算法對其進行[N]階多項式擬合，得到擬合平滑后的曲線；

（2） 利用系統(tǒng)標準測量誤差[αm]的范圍對NLOS誤差進行糾正，具體為：對測量數(shù)據(jù)進行擬合平滑后，計算每個測量時刻測量值和平滑值之間的偏差[ri-si]。假定觀測時間足夠長，以滿足可找出最大偏差出現(xiàn)時刻。在測量時間間隔比較大且無相關性的情況下，此偏差非常接近[βm+αm]，此時TOA測量取值為測量曲線的最小值點，為[Li-am]。

根據(jù)誤差取值范圍，通過將平滑后的曲線垂直下移使它穿過最大偏差點，然后再向上移動[am]，得到的修正曲線將非常接近于LOS環(huán)境下的距離估計值。

3.3移動臺位置的確定

如圖1所示，考慮[h=0]簡化模型，設基站的位置為[(x0,y0)]，待定位移動臺的位置為[(x,y)]。TD?SCDMA系統(tǒng)智能天線技術的采用可以估計出移動臺相對于基站所處的角度[θ]，上行同步技術可根據(jù)相關峰檢測估計出TOA，經(jīng)過NLOS識別和抑制后TOA估計值為[r]，結(jié)合式（1）所示定位原理，那么移動臺位置為：

[x=rcosθ+x0y=rsinθ+y0]（5）

4TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位誤差分析

TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位精度主要受DOA估計誤差和TOA估計誤差影響，如圖4所示，其誤差范圍是圖示陰影部分。圖5是DOA估計誤差和TOA估計誤差對RMSE的影響曲面。

圖4 DOA?TOA定位精度示意圖

圖5 DOA?TOA估計誤差下的RMSE曲面

關于對DOA?TOA定位性能的仿真，主要分傳播環(huán)境為LOS和NLOS兩種情形考慮：

（1） LOS傳播環(huán)境。對于LOS環(huán)境，考慮兩種計算模式：一是基于單次測量的TOA和估計的DOA進行定位；二是對TOA多次測量，進行最小二乘擬合，然后結(jié)合估計的DOA進行定位見圖6。對于最小二乘擬合的必要性，對比不同標準測量誤差（10~90 m）下RMSE曲線見圖7。

圖6 LOS環(huán)境下不同處理算法的RMSE比較

圖7 不同標準測量誤差下不同處理方式的比較

由圖6可以看出，經(jīng)過多次測量然后進行最小二乘擬合的定位性能明顯優(yōu)于基于單次測量的直接定位。這是因為通過多次測量和最小二乘擬合，可以減小標準測量誤差對定位性能的影響。同時由圖7可看出，隨著系統(tǒng)標準測量誤差的增大，基于單次測量的DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差也增大，而基于多次測量、進行最小二乘擬合，然后進行DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差基本不變。也就是說，系統(tǒng)標準測量誤差越大，進行多次測量并最小二乘擬合的必要性越大，可以通過犧牲測量次數(shù)來補償標準測量誤差所帶來的定位誤差。

（2） NLOS傳播環(huán)境。下面討論定位基站為NLOS的情形，進行了圖8所示的仿真。

圖8 NLOS誤差抑制前后定位RMSE比較

圖8用基于LOS重構NLOS抑制算法，對比NLOS誤差抑制前后的定位RMSE曲線，可看出在NLOS誤差抑制前，信噪比在-15 dB以上時，定位誤差RMSE在500 m以上，進行基于LOS重構的NLOS誤差抑制后，定位誤差RMSE明顯下降，NLOS誤差抑制后定位誤差RMSE在30~60 m之間，主要受信噪比和標準測量誤差的影響。

5結(jié)語

本文主要研究了TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位算法。在此僅使用單個服務基站便可實現(xiàn)對UE的定位，節(jié)省了無線資源。主要分析和研究了DOA?TOA定位的關鍵技術?上行同步和智能天線技術，并研究了NLOS環(huán)境下NLOS信號識別和抑制算法，提出了在LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境下分別用于提升定位精度的方法，保證了不同環(huán)境下均可實現(xiàn)對UE的高精度定位。

參考文獻

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[12] 楊書偉，張曙光，張文婷.TD?SCDMA系統(tǒng)中的單基站定位技術[J].電腦與電信，2009（8）：24?26.

由圖6可以看出，經(jīng)過多次測量然后進行最小二乘擬合的定位性能明顯優(yōu)于基于單次測量的直接定位。這是因為通過多次測量和最小二乘擬合，可以減小標準測量誤差對定位性能的影響。同時由圖7可看出，隨著系統(tǒng)標準測量誤差的增大，基于單次測量的DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差也增大，而基于多次測量、進行最小二乘擬合，然后進行DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差基本不變。也就是說，系統(tǒng)標準測量誤差越大，進行多次測量并最小二乘擬合的必要性越大，可以通過犧牲測量次數(shù)來補償標準測量誤差所帶來的定位誤差。

（2） NLOS傳播環(huán)境。下面討論定位基站為NLOS的情形，進行了圖8所示的仿真。

圖8 NLOS誤差抑制前后定位RMSE比較

圖8用基于LOS重構NLOS抑制算法，對比NLOS誤差抑制前后的定位RMSE曲線，可看出在NLOS誤差抑制前，信噪比在-15 dB以上時，定位誤差RMSE在500 m以上，進行基于LOS重構的NLOS誤差抑制后，定位誤差RMSE明顯下降，NLOS誤差抑制后定位誤差RMSE在30~60 m之間，主要受信噪比和標準測量誤差的影響。

5結(jié)語

本文主要研究了TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位算法。在此僅使用單個服務基站便可實現(xiàn)對UE的定位，節(jié)省了無線資源。主要分析和研究了DOA?TOA定位的關鍵技術?上行同步和智能天線技術，并研究了NLOS環(huán)境下NLOS信號識別和抑制算法，提出了在LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境下分別用于提升定位精度的方法，保證了不同環(huán)境下均可實現(xiàn)對UE的高精度定位。

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由圖6可以看出，經(jīng)過多次測量然后進行最小二乘擬合的定位性能明顯優(yōu)于基于單次測量的直接定位。這是因為通過多次測量和最小二乘擬合，可以減小標準測量誤差對定位性能的影響。同時由圖7可看出，隨著系統(tǒng)標準測量誤差的增大，基于單次測量的DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差也增大，而基于多次測量、進行最小二乘擬合，然后進行DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差基本不變。也就是說，系統(tǒng)標準測量誤差越大，進行多次測量并最小二乘擬合的必要性越大，可以通過犧牲測量次數(shù)來補償標準測量誤差所帶來的定位誤差。

（2） NLOS傳播環(huán)境。下面討論定位基站為NLOS的情形，進行了圖8所示的仿真。

圖8 NLOS誤差抑制前后定位RMSE比較

圖8用基于LOS重構NLOS抑制算法，對比NLOS誤差抑制前后的定位RMSE曲線，可看出在NLOS誤差抑制前，信噪比在-15 dB以上時，定位誤差RMSE在500 m以上，進行基于LOS重構的NLOS誤差抑制后，定位誤差RMSE明顯下降，NLOS誤差抑制后定位誤差RMSE在30~60 m之間，主要受信噪比和標準測量誤差的影響。

5結(jié)語

本文主要研究了TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位算法。在此僅使用單個服務基站便可實現(xiàn)對UE的定位，節(jié)省了無線資源。主要分析和研究了DOA?TOA定位的關鍵技術?上行同步和智能天線技術，并研究了NLOS環(huán)境下NLOS信號識別和抑制算法，提出了在LOS環(huán)境和NLOS環(huán)境下分別用于提升定位精度的方法，保證了不同環(huán)境下均可實現(xiàn)對UE的高精度定位。

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