一種基于多天線簇的新型LTE室內(nèi)定位系統(tǒng)

呂亞娟，劉珊，胡榮貽，張文浩

（1.吉林醫(yī)藥學院計算機系，吉林 長春 132013；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100084）

一種基于多天線簇的新型LTE室內(nèi)定位系統(tǒng)

呂亞娟1，劉珊2，胡榮貽2，張文浩2

（1.吉林醫(yī)藥學院計算機系，吉林 長春 132013；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100084）

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，位置服務(wù)需求越來越多樣化，定位技術(shù)也變得越來越重要。LTE（long term evolution）室內(nèi)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以解決GPS（global positioning system）信號無法進入室內(nèi)的問題，從而提供高精度的位置服務(wù)。LTE室內(nèi)定位需要不同基站之間進行精確同步，這給室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署帶來了新的挑戰(zhàn)。針對上述問題，提出了一種基于多天線簇的LTE新型無線定位系統(tǒng)，通過上行探測參考信號（sounding reference signal，SRS）獲取信號到達時間差（time difference of arrival，TDOA）。該方法不需要簇間同步，可有效降低網(wǎng)絡(luò)部署難度。其次，針對此系統(tǒng)設(shè)計了一種新的TDOA定位算法，可支持靈活的天線簇配置。最后，通過仿真及實驗驗證了該定位系統(tǒng)及算法的有效性，實驗結(jié)果表明可實現(xiàn)米級室內(nèi)定位精度。

LTE；室內(nèi)定位；SRS；TDOA

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，無線定位技術(shù)逐漸引起了網(wǎng)絡(luò)運營商的關(guān)注。一方面，用戶的位置信息能夠協(xié)助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及故障檢測；另一方面，基于用戶位置信息的業(yè)務(wù)運營和商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)成為熱點[1]。目前，LTE網(wǎng)絡(luò)已在全球范圍內(nèi)部署[4]，基本實現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)覆蓋。在室外，GPS已經(jīng)能做到較精準的定位，但由于GPS信號無法進入室內(nèi)而使其在室內(nèi)定位領(lǐng)域仍存在局限性[5]。因此，研究基于LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)就顯得尤為必要[6]。

2 系統(tǒng)模型

LTE定位系統(tǒng)模型如圖1所示，主要由天線簇、無線定位模塊及位置服務(wù)器3部分組成。不妨假設(shè)該系統(tǒng)共有M(M∈N)個天線簇，天線簇m(m=1,2,…,M)由Nm(Nm∈N, Nm≥2)個天線組成，每個天線簇配備一個無線定位模塊，負責處理來自相應(yīng)天線簇的上行SRS，完成射頻前端信號處理及TDOA計算。位置服務(wù)器用于收集來自M個無線定位模塊的定位參數(shù)，包括上行到達時間差（uplink-time difference of arrival，U-TDOA）等，通過所提定位算法獲取用戶位置，并完成用戶位置信息的存儲與更新。

圖1 LTE定位系統(tǒng)模型

圖2給出了定位系統(tǒng)的功能實現(xiàn)流程。首先，無線定位模塊對天線簇接收的上行信號進行射頻前端處理得到多用戶基帶模擬信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到多用戶基帶數(shù)字信號，借助從基站獲取的多用戶SRS的配置信息，實現(xiàn)單用戶SRS的提取。將不同天線接收到的單用戶時域信號與本地信號相關(guān)，得到信號到達不同天線的時間差（time difference of arrival，TDOA）、天線位置和相應(yīng)的TDOA作為無線定位算法的輸入?yún)?shù)，應(yīng)用所提定位算法即可實現(xiàn)對用戶的定位。用戶位置信息通過有線/無線傳輸鏈路回傳到用戶位置信息服務(wù)器上，并且需要對用戶位置信息數(shù)據(jù)庫進行周期性（或觸發(fā)性）更新。

3 LTE網(wǎng)絡(luò)中SRS的相關(guān)性

SRS是LTE網(wǎng)絡(luò)中的參考信號，一般用于上行鏈路的信道質(zhì)量檢測。eNode B發(fā)送srs-ConfigIndex信令通知終端待傳輸SRS的信號周期，周期值可選集為{2 ms，5 ms，10 ms，20 ms，40 ms，80 ms，160 ms，320 ms}[9]，終端則會根據(jù)配置參數(shù)在某個確定時隙的最后一個符號上發(fā)送SRS。該信號由ZC（Zadoff-Chu）序列產(chǎn)生，具有良好的自/互相關(guān)特性。

通過仿真評估LTE網(wǎng)絡(luò)中SRS的相關(guān)性能。該仿真根據(jù)3GPP標準將待發(fā)送的SRS以及用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)混合映射到一個LTE子幀中，由終端發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。eNode B接收到上行時域信號并將其轉(zhuǎn)化到頻域，然后將接收信號和本地SRS進行相關(guān)運算。由于SRS良好的自相關(guān)特性，可獲取較明顯的相關(guān)峰。通過相關(guān)峰位置計算得到TDOA值。仿真信道模型為加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise，AWGN）信道，基帶采樣速率為30.72 MHz。

圖2 LTE定位系統(tǒng)的功能實現(xiàn)流程

在3GPP標準中，LTE的SRS有兩種工作模式：時分發(fā)送和碼分發(fā)送[10]。不同模式下SRS的相關(guān)運算仿真結(jié)果如圖3所示。在時分模式（圖3（a））中，最大相關(guān)峰較容易提取，來自其他終端的信號不會對其造成明顯干擾；然而在碼分模式（圖3（b））中，SRS相關(guān)峰之間間距相對較近，約為410 ns，且副峰與最大峰峰值大小接近，因而難以提取相關(guān)峰位置信息。這里可以通過時間提前量（time advance，TA）輔助實現(xiàn)相關(guān)峰提取[11]，也就是說，基站將用戶終端的TA信息發(fā)送給無線定位模塊，該模塊可根據(jù)TA參數(shù)值縮小峰值檢測的時間范圍。當TA＜410 ns時，該方法可有效提取相關(guān)峰。

LTE的采樣速率為30.72 MHz，按照該速率采樣后的相關(guān)運算結(jié)果，其定位精度最高只能達到9 m左右，無法滿足高精度定位要求。本文使用過采樣方法，得到更多的樣本點，縮小樣本點之間的時間差，獲取更高的定位精度。圖4仿真了SRS在默認采樣率30.72 MHz以及過采樣情況下的相關(guān)性能，仿真結(jié)果表明，過采樣得到的相關(guān)曲線更加平滑，能夠提高所得峰值時間的精確性。實際上，過采樣并不能夠獲取更多的信息熵，因為30.72 MHz的采樣速率已經(jīng)滿足奈奎斯特采樣定理，這里只是通過增加樣本點密集度來提高時間差的分辨率。

4 定位算法

圖3 SRS在時分和碼分模式下的相關(guān)性能

假設(shè)此定位系統(tǒng)中每個天線簇有Nm個天線，x是待估計終端的位置，‖x-xn‖表示天線n和MT之間的真實距離，n=1,2,…,Nm。選取天線1作為錨點，天線n和天線1之間真實距離差可以表示為hn(x)=‖x-xn‖-‖x-x1‖，每簇天線內(nèi)距離差則可表示為,其中[·]T代表轉(zhuǎn)置運算。測量距離差矩陣r如式（1）所示，其中ε是服從正態(tài)分布)的測量誤差[12]。

圖4 SRS在非過采樣及過采樣情況下的相關(guān)性能

將h(x)在初始點 x0進行一階泰勒展開近似，如式（2）所示。其中H0是h(x)在點x0處的Jacobian矩陣。

因此，式（1）能夠表達為：

為加強對入海水道工程的安全管理，確保安全度汛，必須進一步提高巡查人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，對巡查人員要定期集中培訓和監(jiān)督指導，培訓合格才能上崗，并定期對巡查工作進行考核。通過培訓和考核，進一步規(guī)范巡查記錄活動，提高巡查人員的素質(zhì)和責任心，提高巡查人員的安全防范意識和應(yīng)急管理能力，確保工程安全運行，確保入海水道沿線人民生命財產(chǎn)安全。

其中，y是r的線性估計，x能夠通過非線性最小二乘迭代算法來求得[12-15]，如式（4），其中 R是 ε的協(xié)方差矩陣，(·)-1表示矩陣逆運算。

若定位系統(tǒng)存在M個天線簇，可以將M個天線簇得到的信息合并通過式（4）計算MT的位置，式（4）中的參數(shù)y、H0、ε則分別替換為：

該定位算法可靈活適用于單簇到多簇天線的定位。對于多簇接收天線的情況，實際上可以做進一步的算法優(yōu)化研究，比如剔除明顯錯誤或壞的TDOA值、選取合理的參考天線等[16]。這將在很大程度上降低冗余信息對算法迭代性能的影響，提高算法的計算效率。同時，該算法不需要基站間的高精度同步。定位系統(tǒng)中若要達到3 m的定位精度，至少需要納秒級同步，這會給硬件實現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)部署帶來較大挑戰(zhàn)。該算法可有效支持多天線簇定位系統(tǒng)，只需實現(xiàn)小范圍的簇內(nèi)同步，能夠大幅度降低實際布網(wǎng)難度。

5 仿真與實驗

5.1 仿真分析

本文通過仿真以及實驗驗證了所提系統(tǒng)及算法的有效性。首先，定位系統(tǒng)的仿真場景為長4.5 m、寬2 m的室內(nèi)環(huán)境，共部署A、B兩簇天線，簇A包含4個天線，簇B包含2個天線，天線簇的位置及用戶位置如圖5所示。假設(shè)每根天線的測量誤差服從獨立同分布，不同終端的SRS采用時分工作模式，信號采樣率設(shè)置為2倍過采樣。基于上述仿真場景，通過兩組仿真分別分析了天線簇數(shù)目和用戶位置對定位性能的影響。

圖5 定位仿真場景

首先評估不同天線簇數(shù)目對于定位性能的影響，這里假設(shè)用戶隨機分布。單天線簇（簇 A包括4根天線）和雙天線簇（簇A和簇B）的定位性能對比如圖6所示。從圖6中可以看出，雙天線簇平均定位誤差約為0.2 m，而單天線簇的定位誤差平均約為0.28 m。相對于單天線簇，雙天線簇的定位精度可提高20%（δ2=1）～25%（δ2=10）。

圖6 單天線簇與雙天線簇定位性能比較

然后評估用戶位置對定位精度的影響。用戶在天線覆蓋區(qū)域內(nèi)沿著特定軌跡點{P1(0,1)，P2(2,1)，P3(3,1)，P4(3.5,1)，P5(4.5,1)}移動，圖7給出了用戶在不同位置時定位誤差。仿真結(jié)果表明，當用戶處于天線簇中心位置{P3(3,1)，P4(3.5,1)}時，定位精度要優(yōu)于其他區(qū)域，誤差只有0.06 m；而當用戶移動到天線覆蓋的邊緣位置{P1(0,1)}時，定位誤差明顯增大，平均誤差約為0.32 m。可見，定位性能與天線分布及目標用戶位置密切相關(guān)。在實際系統(tǒng)中，建議盡量加大簇內(nèi)天線間距，且使天線簇有效覆蓋熱點區(qū)域。

圖7 不同區(qū)域內(nèi)用戶定位性能比較

5.2 實驗驗證

實驗環(huán)境為階梯會議室（長12.2 m、寬17 m、高3.8 m），會議室部署兩簇天線，如圖8所示。選擇10個定位目標點，對每個點做多次重復獨立測量，多次測量值聚合計算得到最終定位結(jié)果，測試結(jié)果如圖9所示。圖9中五角星圓心表示目標點實際位置，圓的半徑為 3 m，圖9（a）中圓點表示50次重復獨立測量得到的定位結(jié)果，圖 9（b）中圓點表示最終定位結(jié)果。表1對定位結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，可見，單次測量定位誤差小于3 m的概率約為80%，最終定位結(jié)果的最大誤差為3 m，最小誤差為0.47 m，平均誤差為1.30 m。由于真實環(huán)境的復雜性,信號的傳播可能受到多徑等因素影響，實驗室測試誤差相對較大，但均在3 m以內(nèi)，可以滿足室內(nèi)高精度定位的基本需求。

圖8 階梯會議室測試場景

6 結(jié)束語

圖9 定點測試多次測量結(jié)果

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)

本文提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)的新型室內(nèi)定位系統(tǒng)，并在實驗室搭建了原型進行性能驗證，該系統(tǒng)不要求基站間精確同步，且在基站側(cè)處理數(shù)據(jù)相對降低了終端能耗，所提TDOA定位算法可支持靈活的天線簇配置。該系統(tǒng)實現(xiàn)的基本原理是利用LTE上行SRS作為探測信號，通過對接收信號射頻前端處理、TDOA計算及定位算法得到終端位置，實現(xiàn)用戶的高精度定位。仿真及實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可達到3 m內(nèi)的定位精度，同時能夠大幅度降低網(wǎng)絡(luò)部署難度。實際網(wǎng)絡(luò)部署時需要運營商給定位單元提供相關(guān)參數(shù)，如 SRS配置、帶寬等，再通過合理的天線部署及天線簇劃分，實現(xiàn)較好的用戶定位性能。

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[作者簡介]

呂亞娟（1982-），女，吉林醫(yī)藥學院計算機系講師，主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘。

胡榮貽（1990-），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向為無線移動通信技術(shù)、室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)研發(fā)等。

劉珊（1991-），女，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向為無線移動通信技術(shù)、室內(nèi)高精度定位技術(shù)等。

張文浩（1989-），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院工程師，主要研究方向為無線通信技術(shù)、室內(nèi)高精度定位技術(shù)等。

A novel LTE indoor location system based on multip le antenna clusters

LV Yajuan1,LIU Shan2,HU Rongyi2,ZHANG Wenhao2
1.Computer Science Department of Jilin Medical College,Changchun 132013,China 2.Network Research Institute of China Unicom,Beijing 100084,China

With the rapid development of mobile internet services,demands of location service are becoming more diversified,then the location technologies become the key to satisfy the requirements.Long term evolution(LTE) indoor networks can solve the problem that GPS(global positioning system)signal can’t arrive in indoor and provide high precision location service.However,LTE indoor location system need high precision synchronization among different base stations,and this is a new challenge for indoor network deployment.To solve the problem,a new LTE wireless location system based on multiple antenna clusters was proposed.The system could get TDOA(time difference of arrival)through uplink SRS(sounding reference signal)and it didn’t need synchronization between different clusters which reduced the difficulty of network deployment.Then,a new location algorithm was designed which could support flexible antenna configuration.Finally,simulations and experimental measurements were given to verify the efficiency of the system and algorithm.Results show that meter indoor location accuracy can be realized.

LTE,indoor location,SRS,TDOA

TN929.5

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017037

2016-11-28；

2017-01-16

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(No.2016YFB0502000)

Foundation Item:The National Key Research and Development Plan(No.2016YFB0502000)