TD－SCDMA系統(tǒng)U－TDOA定位方法

李文龍，焦榮華，李曉輝

(1.西安電子科技大學(xué)ISN國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071;2.民航西北空管局運(yùn)行管理中心，陜西西安 710086)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，豐富多彩的移動(dòng)服務(wù)業(yè)務(wù)也應(yīng)運(yùn)而生，其中多種業(yè)務(wù)與無線移動(dòng)定位服務(wù)相關(guān)。在TD－SCDMA系統(tǒng)中主要采用3種定位方法［1－3］:基于小區(qū)ID的定位方法;基于網(wǎng)絡(luò)的 OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)定位方法;利用GPS模塊定位的方法。在移動(dòng)終端沒有GPS模塊時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)的OTDOA定位方法能夠提供較高的定位精度。因此，本文對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的OTDOA定位方法進(jìn)行了研究。

在OTDOA定位方法中，需選取合適的基站參與定位［4－5］，利用同步序列(SYNC)的相關(guān)性進(jìn)行相關(guān)峰值的檢測，估計(jì)出移動(dòng)終端和基站之間的距離。由于基站和終端之間存在非視距(NLOS，Non－Line of Sight)傳輸，需利用估計(jì)距離判斷是否為NLOS傳輸，若為NLOS傳輸則需利用LOS(Line of Sight)重構(gòu)算法來消除NLOS傳輸?shù)挠绊懀?－7］。根據(jù)基站之間的距離建立雙曲線方程組，對(duì)非線性方程組進(jìn)行線性變換后可利用經(jīng)典算法 Chan，Taylor［8－9］估算出移動(dòng)終端的位置。

由于非服務(wù)基站到達(dá)移動(dòng)終端之間的距離比較遠(yuǎn)，存在多徑傳輸和非視距傳輸，在利用下行同步序列(SYNC－DL)進(jìn)行定位時(shí)，還需引入下行鏈路空閑周期(IPDL)技術(shù)［10］以確保終端能夠準(zhǔn)確的檢測到非服務(wù)基站的信號(hào)，使定位實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜。所以，本文提出了利用上行同步序列定位的上行到達(dá)時(shí)間差(UTDOA)定位方法，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，只需基站側(cè)位置測量單元(LMU)利用上行同步序列(SYNC－DL)測距，并建立雙曲線方程組計(jì)算終端位置。在定位過程中無需空閑周期(IPDL)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)容量并無較大影響。且在多經(jīng)傳輸和非視距傳輸情況下，有良好的定位性能。但其也存在缺點(diǎn)，基站不能同時(shí)檢測多個(gè)終端信號(hào)，在一定時(shí)間內(nèi)只能為固定的終端提供定位服務(wù)。因此適用于偏遠(yuǎn)，基站密度和用戶密度較小的地區(qū)。

1 U－TDOA定位模型

圖1為U－TDOA定位模型，BS1，BS2表示兩個(gè)基站，在基站側(cè)有位置測量單元(Location Measurement Unit，LMU)。以BS1和BS2為圓心的圓半徑代表了時(shí)間t，其是信號(hào)從UE發(fā)射到每個(gè)位LMU的傳輸時(shí)間。半徑的差值等于第一個(gè)LMU的t1和第一個(gè)LMU的t2的差值t1－t2。若畫出并連接兩圓之間的交點(diǎn)，得到的就是雙曲線。雙曲線是到兩點(diǎn)具有固定差值點(diǎn)的集合。利用另外兩個(gè)LMU再畫出一條雙曲線，這條雙曲線與前一條雙曲線的兩個(gè)交點(diǎn)就是終端可能的所在位置，如果再畫一條雙曲線，則終端的可能位置會(huì)只有一個(gè)。參與定位的基站越多，則位置估計(jì)的精確性越高。

圖1 U－TDOA定位模型

由此，建立U－TDOA數(shù)學(xué)模型:設(shè)有M個(gè)基站參與定位，其位置是已知的，可表示為(xi，yi)i=1，2，…，M，待定位的移動(dòng)終端位置為(x，y)，則移動(dòng)終端和各基站之間距離的平方可表示為

由式(1)可建立一個(gè)雙曲線方程組，有3個(gè)基站參與定位時(shí)，雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)終端的位置。通過線性變換將其轉(zhuǎn)化為非線性數(shù)學(xué)問題，通過文獻(xiàn)［8～9］中的Chan和Taylor兩種算法利用最小二乘估計(jì)可計(jì)算出移動(dòng)終端的位置。參與定位的基站越多，可利用的冗余信息越多，而對(duì)移動(dòng)終端的位置估計(jì)也越準(zhǔn)確。

2 U－TDOA性能分析

在TD－SCDMA系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的支持網(wǎng)絡(luò)定位的方法為利用空閑時(shí)隙定位的OTDOA－IPDL定位方法［10］，本文提出的U－TDOA定位方法實(shí)現(xiàn)簡單，對(duì)終端設(shè)備無需任何改進(jìn)，且定位性能在NLOS環(huán)境和傳輸環(huán)境較差的情況下適應(yīng)性較強(qiáng)。本節(jié)將從TD－SCDMA同步技術(shù)和時(shí)隙結(jié)構(gòu)出發(fā)，說明U－TDOA定位方法的性能在傳輸時(shí)延較大或信道質(zhì)量較差的情況下能更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)的檢測，具有更高的定位性能。

基站在下行導(dǎo)頻時(shí)隙(DwPTS)發(fā)送的下行同步序列經(jīng)一段時(shí)延τ后被移動(dòng)終端接收。在移動(dòng)終端進(jìn)行初始上行同步時(shí)，為了讓基站在規(guī)定的時(shí)間準(zhǔn)時(shí)接收到移動(dòng)終端在上行導(dǎo)頻時(shí)隙(UpPTS)發(fā)送的上行同步序列，移動(dòng)終端必須提前一段時(shí)間τ發(fā)送，如圖2所示。

圖2 基站和終端之間同步實(shí)現(xiàn)過程

傳播延時(shí)τ是提前時(shí)間量，提前時(shí)間量是根據(jù)接收到的下行導(dǎo)頻信息計(jì)算得出的，而計(jì)算的準(zhǔn)確度受到多重因素的影響，計(jì)算結(jié)果難免會(huì)有誤差，若有過大誤差和傳播時(shí)延τ就會(huì)影響到各個(gè)時(shí)隙內(nèi)信息的正常傳輸，這也是在DwPTS，UpPTS內(nèi)及兩者之間設(shè)置GP保護(hù)間隔的原因，但如圖3和圖4所示，上行導(dǎo)頻時(shí)隙和下行導(dǎo)頻時(shí)隙的結(jié)構(gòu)是有所區(qū)別的，上行導(dǎo)頻時(shí)隙中用于傳遞信息的上行同步序列SYNC－UL碼片數(shù)為128 chip;而下行導(dǎo)頻時(shí)隙中SYNC－DL相應(yīng)的碼片數(shù)位64 chip。TD－SCDMA系統(tǒng)中，SYNC序列是一組具有良好正交性的PN序列，碼片數(shù)越多則相關(guān)峰檢測中的峰值越大，不易受到噪聲的干擾而更好被檢測，檢測結(jié)果的錯(cuò)誤概率則更小。當(dāng)時(shí)間提前量計(jì)算錯(cuò)誤或延時(shí)過大時(shí)，移動(dòng)終端接收的下行導(dǎo)頻信息將不完整，且會(huì)受到TS0內(nèi)信息的干擾，而NB端接收到的上行導(dǎo)頻信息也不完整，并將影響到TS1內(nèi)信息的傳輸。

圖3 DwPTS時(shí)隙結(jié)構(gòu)

圖4 UpPTS時(shí)隙結(jié)構(gòu)

綜上所述，利用不完整的導(dǎo)頻序列進(jìn)行相關(guān)峰檢測必將導(dǎo)致檢測性能的下降，而由于上行導(dǎo)頻時(shí)隙內(nèi)SYNC－UL的長度是其下行導(dǎo)頻時(shí)隙內(nèi)的兩倍。所以，利用上行導(dǎo)頻信息進(jìn)行定位的U－TDOA定位法的定位性能要優(yōu)于利用下行導(dǎo)頻時(shí)隙定位的OTDOA－IPDL定位法。

3 仿真驗(yàn)證

經(jīng)上述理論分析，通過仿真驗(yàn)證U－TDOA定位方法的性能，圖5為U－TDOA定位方法仿真流程。首先利用TD－SCDMA上行導(dǎo)頻序列SYNC－UP進(jìn)行相關(guān)峰測距，利用Wylie識(shí)別算法判斷是否為NLOS信號(hào)，若為NLOS信號(hào)通過LOS重構(gòu)算法進(jìn)行干擾抑制，實(shí)現(xiàn)TOA(Time of Arrival)重構(gòu)，降低誤差。最終建立雙曲線數(shù)學(xué)模型，利用Chan，Tyalor經(jīng)典算法進(jìn)行求解，估算出移動(dòng)終端的位置。本文從相關(guān)峰檢測和定位性能兩方面來對(duì)比U－TDOA定位方法與OTDOAIPDL定位方法。

圖5 U－TDOA定位方法仿真流程

當(dāng)移動(dòng)終端和基站之間的傳輸時(shí)延較小時(shí)，OTDOA－IPDL和U－TDOA兩種定位方法均可較好的實(shí)現(xiàn)定位。因此仿真是在小區(qū)半徑和NLOS影響因子均較大的情況下進(jìn)行的，并在傳輸時(shí)延較大的情況下對(duì)兩種定位方法的定位性能進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 相關(guān)峰檢測

設(shè)小區(qū)半徑為3000 m，NLOS影響因子為2000 m，即 NLOS 誤差在［0，2000］m 內(nèi)服從均勻分布［7］，對(duì)OTDOA－IPDL和U－TDOA算法中NLOS信號(hào)的相關(guān)峰檢測進(jìn)行了分析。仿真中采用高斯多經(jīng)信道，信噪比為－15 dB，多經(jīng)時(shí)延由NLOS誤差來決定。在仿真中選取最近的 4 個(gè)基站(BS1，BS2，BS3，BS4)參與定位，其分布如圖6所示。

圖6 基站分布圖

移動(dòng)終端初始位置為(200，300)m，且以3 km/h的速度離開服務(wù)基站(BS1)，水平速度vx=0.56 m/s，垂直速度vy=0.61 m/s，移動(dòng)終端的活動(dòng)范圍在圖6中的1/12黑色區(qū)域移動(dòng)。只抽取定位過程中非視距傳輸過程中的一次相關(guān)峰檢測進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為OTDOAIPDL定位方法的相關(guān)峰檢測結(jié)果，圖8為U－TDOA定位方法的檢測結(jié)果。

圖7 OTDOA－IPDL相關(guān)峰檢測

SYNC－DL長度為64 chip，為滿足TD－SCDMA系統(tǒng)中1/8 chip的同步精度，需要對(duì)DwPTS進(jìn)行8倍的采樣。所以進(jìn)行相關(guān)峰檢測時(shí)，理想情況相關(guān)峰值為64×8=512，如圖7中虛線所示。圖中的實(shí)線表示對(duì)實(shí)際接收信道的相關(guān)峰檢測，高斯信道信噪比為－15 dB時(shí)，噪聲功率較高，相關(guān)峰值不能較好的檢測，故可能會(huì)出現(xiàn)誤檢。SYNC－UL長度為128 chip，理想情況相關(guān)峰值為128×8=1024，如圖8中虛線所示。圖中實(shí)線表示對(duì)實(shí)際接收信道的相關(guān)峰檢測，在信噪比為－15 dB時(shí)，噪聲峰值在400以下，與相關(guān)峰值1024有較大的差距，所以能夠有效地對(duì)NLOS信號(hào)進(jìn)行相關(guān)峰檢測，并可對(duì)移動(dòng)終端與LMU之間的距離進(jìn)行正確估計(jì)，在與OTDOA－IPDL中DwPTS相關(guān)峰檢測對(duì)比，性能有明顯提高。

圖8 U－TDOA相關(guān)峰檢測

3.2 定位性能分析

對(duì)信道環(huán)境對(duì)定位性能的影響進(jìn)行仿真分析。仿真環(huán)境為:小區(qū)半徑為3000 m，測量誤差為60 m，NLOS干擾因子為2000 m，即NLOS誤差在0～2000 m范圍內(nèi)服從均勻分布高斯信道的信噪比變化范圍為(－10 dB，10 dB)。

圖9為OTDOA－IPDL定位方法利用下行導(dǎo)頻序列進(jìn)行定位之后的仿真結(jié)果，從圖中可看出，傳輸時(shí)延較大，信道環(huán)境較差，信噪比＜－4 dB時(shí)，在比仿真環(huán)境中，定位算法無法進(jìn)行準(zhǔn)確定位，由于噪聲功率較高，下行導(dǎo)頻序列峰值為512，在進(jìn)行相關(guān)峰檢測時(shí)，出錯(cuò)的概率較大，嚴(yán)重影響了定位性能。

圖9 SNR對(duì)OTDOA－IPDL定位性能的影響

圖10為U－TDOA定位方法利用上行導(dǎo)頻序列進(jìn)行定位之后的仿真結(jié)果，從圖中可看出，在小區(qū)半徑、基站到達(dá)UE之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延均較大，且信噪比較差的情況下，OTDOA－IPDL定位方法的定位性能已超出了定位精度的要求，無法準(zhǔn)確地對(duì)UE進(jìn)行定位。而在SNR較低的情況下，U－TDOA定位方法的定位性能明顯優(yōu)于OTDOA－IPDL定位方法。因?qū)ьl序列的長度不同，直接影響到了相關(guān)峰的檢測結(jié)果，UTDOA定位方法在傳輸環(huán)境較差的情況下，仍可對(duì)UE進(jìn)行較為精確的定位。所以在偏遠(yuǎn)地區(qū)，基站密度優(yōu)于較小的情況下，可利用U－TDOA定位方法滿足用戶的定位服務(wù)需求。

圖10 SNR對(duì)U－TDOA定位性能的影響

4 結(jié)束語

本文所提U－TDOA定位方法完全依靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，能夠在現(xiàn)有終端不進(jìn)行任何改動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)定位。從相關(guān)峰檢測和定位性能兩方面對(duì)所提UTDOA定位方法與傳統(tǒng)的OTDOA－IPDL定位方法進(jìn)行對(duì)比仿真，驗(yàn)證了U－TDOA定位方法在定位性能方面的優(yōu)越性。但其定位相關(guān)的計(jì)算均由基站和網(wǎng)絡(luò)來完成，這會(huì)增加運(yùn)營商的設(shè)備成本。

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