楊宇,陳明,劉大慶
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基于分布式LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)
楊宇1,陳明1,劉大慶2
(1. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)安徽有限公司,安徽 合肥 230088;2. 華為技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310052)
室內(nèi)定位技術(shù)在商業(yè)和安全領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用,但目前仍存在定位精度低、部署成本高等問(wèn)題,對(duì)此提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)定義在華為分布式皮基站之上,通過(guò)測(cè)量移動(dòng)終端設(shè)備到多個(gè)接入點(diǎn)的參考信號(hào)強(qiáng)度(RSRP)或時(shí)延(ToA)進(jìn)行定位。為克服LTE中上行功率控制對(duì)終端發(fā)射信號(hào)的影響,采用多信標(biāo)聯(lián)合解碼,將絕對(duì)的信號(hào)強(qiáng)度或時(shí)延轉(zhuǎn)換成信號(hào)強(qiáng)度差或時(shí)延差進(jìn)行定位;該系統(tǒng)依托廣泛部署的LTE網(wǎng)絡(luò),對(duì)處于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)的終端設(shè)備提供無(wú)縫的定位服務(wù),不依賴第三方軟件,并且不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在商場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)景下,使用時(shí)延差分(TDoA)技術(shù)的華為室內(nèi)定位系統(tǒng)的平均定位精度達(dá)到3~5 m,顯示出良好的應(yīng)用潛力。
室內(nèi)定位;分布式LTE網(wǎng)絡(luò);分布式皮基站;場(chǎng)強(qiáng)定位;時(shí)延定位
隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和移動(dòng)用戶數(shù)的增加,室內(nèi)定位技術(shù)成為近幾年研究的熱點(diǎn),與室外環(huán)境不同,信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種散射、反射以及衰減,這都給精確的室內(nèi)定位帶來(lái)困難。近幾年來(lái)涌現(xiàn)出許多室內(nèi)定位技術(shù),根據(jù)定位使用信號(hào)的不同,可以分為基于射頻信號(hào)的定位、紅外線定位、超聲波定位、圖像定位等,其中使用射頻信號(hào)的定位技術(shù)通用性強(qiáng)且部署成本較低,因而受到廣泛的關(guān)注。射頻信號(hào)定位又包括基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站定位[1-2]、Wi-Fi定位[3-4]、藍(lán)牙定位[5]、超寬帶定位等?;径ㄎ缓蚖i-Fi定位主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式:一種是通過(guò)記錄終端設(shè)備和3個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(AP)的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度或者時(shí)延[6-9],通過(guò)差分算法進(jìn)行三角定位;另一種是事先記錄已知位置點(diǎn)的信號(hào)特征(強(qiáng)度、時(shí)延等),建立位置點(diǎn)和信號(hào)特征的關(guān)系,通過(guò)對(duì)比信號(hào)特征獲取未知點(diǎn)的位置信息,即指紋定位[10-11]、基站定位和Wi-Fi定位一般可以達(dá)到米級(jí)的定位精度,但是在非直射環(huán)境(non line of sight,NLOS)情況下定位精度并不能得到保證。藍(lán)牙定位技術(shù)與Wi-Fi定位類似,通過(guò)基于藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的三角定位或者指紋定位實(shí)現(xiàn),需要終端裝備藍(lán)牙模塊,還需部署藍(lán)牙基站,最高可以達(dá)到亞米級(jí)定位精度。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)定位技術(shù)差異較大,定位采用超寬帶脈沖信號(hào),由多個(gè)傳感器采集信號(hào)到達(dá)時(shí)延和方位角等信息,并對(duì)位置進(jìn)行分析,超寬帶定位技術(shù)多徑分辨能力強(qiáng)、精度高,定位精度可達(dá)亞米級(jí)。上述定位方法各有利弊,分別適用于不同場(chǎng)合和應(yīng)用,其中基站定位可以復(fù)用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,提供覆蓋室內(nèi)和室外的無(wú)縫定位服務(wù),因而有更廣泛的應(yīng)用。
目前LTE網(wǎng)絡(luò)已在全球范圍內(nèi)廣泛部署,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)70%以上的移動(dòng)流量來(lái)自室內(nèi),如商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、辦公區(qū)域等,這也使分布式LTE網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)場(chǎng)景的覆蓋率逐步提高,另一方面,精確的室內(nèi)定位也有著越來(lái)越多的需求,比如企業(yè)用戶希望為員工提供無(wú)所不在的移動(dòng)辦公環(huán)境,室內(nèi)大眾消費(fèi)場(chǎng)所希望為用戶提供室內(nèi)導(dǎo)航、業(yè)務(wù)推送等差異化服務(wù),但是目前室內(nèi)定位功能在LTE網(wǎng)絡(luò)中的部署率并不高。本文介紹一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng),該定位功能定義在華為分布式皮基站之上,是室內(nèi)定位功能在LTE網(wǎng)絡(luò)中的首次商業(yè)級(jí)實(shí)現(xiàn)。該定位系統(tǒng)在分布式LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之上增加一個(gè)定位錨點(diǎn)服務(wù)器(service anchor,SVA),實(shí)現(xiàn)信息收集、算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)果上報(bào)等功能。LTE+SVA的定位系統(tǒng)架構(gòu)也提供了一個(gè)通用的硬件平臺(tái),通過(guò)算法開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)多種定位技術(shù),比如場(chǎng)強(qiáng)三角定位、時(shí)延定位、指紋定位等。該定位系統(tǒng)利用已有的分布式LTE網(wǎng)絡(luò),為處于無(wú)線資源控制(radio resource control,RRC)連接態(tài)的終端用戶提供廣泛無(wú)縫的定位服務(wù),不影響網(wǎng)絡(luò)性能。為測(cè)試該定位系統(tǒng)的性能,在商場(chǎng)、辦公室等室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示,基于TDoA的定位系統(tǒng)在商場(chǎng)場(chǎng)景下平均定位精度達(dá)到3~5 m。
首先對(duì)LTE+SVA的室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,華為數(shù)字化分布式LTE網(wǎng)絡(luò)是為室內(nèi)場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的新型室分覆蓋系統(tǒng),由微型射頻拉遠(yuǎn)單元(pico remote radio unit,pRRU)、CPRI匯聚單元(remote hub,rHUB)以及基帶單元(base band unit,BBU)組成,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中微型射頻拉遠(yuǎn)單元實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)處理功能,以上行為例,微型射頻單元在遠(yuǎn)端將接收到的終端射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后通過(guò)網(wǎng)線將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絽R聚單元進(jìn)行匯聚,數(shù)字信號(hào)匯聚之后傳輸?shù)交鶐卧M(jìn)行處理,相比于傳統(tǒng)室分系統(tǒng),避免了射頻信號(hào)在線纜中的長(zhǎng)距離傳播,減少了信號(hào)在線纜中的損耗,更有利于提升上下行的信噪比;并且數(shù)字化的微型射頻單元使基站能夠區(qū)分每個(gè)射頻單元接收到的終端信號(hào),也為射頻單元粒度的室內(nèi)定位提供硬件基礎(chǔ)。匯聚單元實(shí)現(xiàn)多路射頻單元信號(hào)的匯聚,為了節(jié)省基帶資源,匯聚單元會(huì)將射頻單元傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字合路,一個(gè)匯聚單元設(shè)備最多可連接8臺(tái)射頻單元,除此之外,匯聚單元還為射頻單元提供基于網(wǎng)線的遠(yuǎn)程供電(power on Ethernet,POE),網(wǎng)線供電使射頻單元的部署更為靈活?;鶐卧?jiǎng)t實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的處理以及信令流程的控制和發(fā)送,在定位系統(tǒng)中,基帶單元還負(fù)責(zé)定位數(shù)據(jù)的收集和上報(bào)。
圖1 基于分布式LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)
定位錨點(diǎn)服務(wù)器(SVA)是實(shí)現(xiàn)定位功能的硬件設(shè)備主體,SVA從基帶單元收集定位所需的數(shù)據(jù),然后按照一定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到位置信息并上報(bào)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,處于網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器對(duì)接SVA,接收用戶位置信息并提供基于位置的服務(wù)(location based service,LBS),SVA部署簡(jiǎn)單,不需要改變?cè)蠰TE室分網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),不增加終端設(shè)備的運(yùn)算負(fù)擔(dān),對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響小。
LTE+SVA是一個(gè)通用的室內(nèi)定位平臺(tái),通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)多種定位技術(shù),比如基于RSRP的定位、ToA定位、指紋定位等,本文主要討論RSRP和ToA定位,其他技術(shù)也可以在LTE+SVA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),作為未來(lái)研究的課題。
場(chǎng)強(qiáng)三角定位技術(shù)通過(guò)獲取室內(nèi)多個(gè)pRRU獨(dú)立測(cè)量的移動(dòng)基站(mobile station,MS)或者用戶設(shè)備(user equipment,UE)上行信號(hào)強(qiáng)度,結(jié)合pRRU的室內(nèi)坐標(biāo)和高度,計(jì)算出用戶終端在室內(nèi)的位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)傳播模型,傳播距離與路徑損耗(path loss,PL)的關(guān)系可表示為:
由于LTE網(wǎng)絡(luò)中上行功率控制的存在,移動(dòng)終端在不同干擾場(chǎng)景、不同位置,上行發(fā)射功率會(huì)不盡相同,因此無(wú)法通過(guò)接收信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度來(lái)判斷終端設(shè)備與pRRU的距離。由于MS發(fā)射的信號(hào)同時(shí)被多個(gè)pRRU接收并測(cè)量,pRRU收到上行信號(hào)強(qiáng)度和MS到pRRU的距離有關(guān),兩個(gè)pRRU收到的信號(hào)差可以轉(zhuǎn)換成MS到兩個(gè)pRRU距離比例:
路徑損耗還可以由發(fā)射功率—接收功率得到,即:
PL1=Tx-RSRPAP1(4)
PL2=Tx-RSRPAP2(5)
所以PL2?PL1可以表示為:
即:
dm1= RSRPAP2-RSRPAP1(8)
通過(guò)一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)對(duì)(兩個(gè)pRRU)的信號(hào)差值,計(jì)算出描述移動(dòng)終端可能的位置軌跡函數(shù),多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)對(duì)可以推導(dǎo)出多個(gè)移動(dòng)終端軌跡函數(shù),其中的交點(diǎn)就是移動(dòng)終端的位置。
從計(jì)算過(guò)程可以看出,場(chǎng)強(qiáng)三角定位算法一般需要4個(gè)不同pRRU接收到的電平強(qiáng)度。
通過(guò)獲取室內(nèi)多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量的移動(dòng)終端上行信號(hào)的到達(dá)時(shí)間,結(jié)合無(wú)線接入點(diǎn)的室內(nèi)坐標(biāo)和高度,可以計(jì)算移動(dòng)終端在室內(nèi)的位置。移動(dòng)用戶的到達(dá)時(shí)延是用戶上行測(cè)量參考信號(hào)(reference signal,RS)的到達(dá)時(shí)延,由于圖1所示室分系統(tǒng)采用數(shù)字射頻合路技術(shù),即將多個(gè)pRRU的數(shù)字射頻信號(hào)在rHUB上合路再傳輸?shù)交鶐卧狟BU進(jìn)行處理,以節(jié)省基帶資源。因此基站無(wú)法識(shí)別每個(gè)pRRU的測(cè)量結(jié)果,需要在pRRU端對(duì)RS信號(hào)做處理,使BBU能夠單獨(dú)測(cè)量來(lái)自每個(gè)pRRU的信號(hào)。通過(guò)RS輪詢測(cè)量的方法可以獲取pRRU粒度的時(shí)延結(jié)果,但是每個(gè)輪詢時(shí)刻只能獲取一個(gè)pRRU的測(cè)量結(jié)果,效率較低、時(shí)效性較差。這里采用RS ToA輪詢+RS時(shí)延合路的檢測(cè)方案。延時(shí)合路的原理就是在輪詢時(shí)刻,保留兩個(gè)pRRU的測(cè)量值,其中一個(gè)pRRU的測(cè)量信號(hào)增加一個(gè)人工時(shí)延,這樣基站就可以對(duì)2個(gè)pRRU的測(cè)量結(jié)果在時(shí)間上進(jìn)行區(qū)分。TDoA定位的原理如下。
根據(jù)“時(shí)間()×速度()=距離()”的定理可以得到MS到兩個(gè)AP的距離:
AP1×=1(11)
AP2×=2(12)
式(11)、式(12)相減即:
(AP1-AP2)×1-2(13)
將式(13)兩邊的變量用TDoA能夠獲得的量來(lái)表示:
AP1-AP2=ToA1-ToA2(14)
得到:
建立如下多個(gè)方程計(jì)算UE位置(UE,UE),即用戶終端在室內(nèi)的位置:
從式(18)可以看出,為確定一個(gè)移動(dòng)終端的位置,一般需要4個(gè)不同pRRU測(cè)得的時(shí)延信息。
由于BBU測(cè)量得到的時(shí)延包含了RS空口傳輸?shù)臅r(shí)間和信號(hào)處理的時(shí)間,所以基站測(cè)量得到的ToA在各個(gè)pRRU的時(shí)間起點(diǎn)是不同的,如果直接進(jìn)行ToA相減,得到的TDoA不能代表MS和pRRU之間的距離差,需要先扣除pRRU信號(hào)處理的時(shí)間,上述處理已在系統(tǒng)中完成,計(jì)算式中不再體現(xiàn)。
在外場(chǎng)測(cè)試之前,對(duì)RSRP和TDoA定位技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真條件設(shè)置如圖2所示,設(shè)置一個(gè)邊長(zhǎng)為20 m的正方形區(qū)域,4臺(tái)pRRU分別放置在正方形區(qū)域的4個(gè)角上,掛高為4 m。在正方形區(qū)域內(nèi),均勻設(shè)置400個(gè)測(cè)試點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)之間的距離為1 m。在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上,單個(gè)時(shí)刻下pRRU的RSRP和ToA接收值是均值為理論值、標(biāo)準(zhǔn)差為3 dB的正態(tài)分布產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。
圖2 定位仿真示意
仿真定位精度如圖3所示,可以看出,兩種方法的平均定位精度比較接近,RSRP的平均誤差為4 m,TDoA的平均誤差為3.8 m。一般采用67%的累計(jì)概率來(lái)表征某一場(chǎng)景下的定位精度,按照這一標(biāo)準(zhǔn),RSRP方法的定位精度為4.3 m,TDoA的定位精度為3.5 m。整體來(lái)說(shuō),基于TDoA的定位精度略高于基于場(chǎng)強(qiáng)的定位精度,定位結(jié)果也更加穩(wěn)定。在實(shí)際場(chǎng)景中,定位精度受到多方面因素的影響,比如傳播環(huán)境、干擾噪聲、人體的陰影效應(yīng)以及天線方向圖的不規(guī)則程度等,為了評(píng)估該定位系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn),進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
圖3 仿真定位精度
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在一個(gè)大型室內(nèi)商場(chǎng)進(jìn)行,商場(chǎng)的平面圖如圖4所示,商場(chǎng)內(nèi)聚集了30多家商鋪,中間還設(shè)置有扶梯鏤空區(qū),電磁環(huán)境比較復(fù)雜,為測(cè)試室內(nèi)定位系統(tǒng)精度,在該區(qū)域內(nèi)共掛載了62臺(tái)pRRU設(shè)備,pRRU設(shè)備的點(diǎn)位也標(biāo)注在平面圖上。pRRU的平均距離可由式(19)計(jì)算:
其中,和分別代表區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度,為布置的pRRU設(shè)備數(shù),由此可計(jì)算得到pRRU的平均距離為20 m。定位系統(tǒng)的定位精度與pRRU的平均部署距離有直接關(guān)系,一般情況下,定位精度為1/4~1/3的pRRU平均距離,但是一般把平均距離設(shè)置為20 m左右,更低的pRRU距離并不能無(wú)限提高系統(tǒng)的定位精度,也會(huì)提高系統(tǒng)部署成本。在商場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)選取20個(gè)測(cè)試點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)平均分布在走廊、商鋪、樓梯等位置,在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行10次測(cè)試,以更好地測(cè)試定位的平均精度。
測(cè)試結(jié)果如圖5所示,其中圖5(a)給出了RSRP方法的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),圖5(b)給出了TDoA方法的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。按照67%的累計(jì)概率,RSRP的定位精度為5~10 m,而TDoA方法的定位精度為3~5 m,好于基于場(chǎng)強(qiáng)的定位方法。RSRP定位使用的是一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)所有資源塊(resource element,RE)的接收信號(hào)功率平均值,不會(huì)對(duì)多徑的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行區(qū)分,而TDoA定位能夠測(cè)量主徑信號(hào)的到達(dá)時(shí)延,對(duì)散射環(huán)境有較強(qiáng)的抗干擾能力,尤其是在直射徑比較明顯的場(chǎng)景下,因而取得較高的定位精度。RSRP方法得到的結(jié)果中,23%的測(cè)試點(diǎn)定位誤差小于3 m,而TDoA方法,45%的測(cè)試點(diǎn)定位精度小于3 m,這些測(cè)試點(diǎn)大部分集中在走廊等空曠區(qū)域內(nèi)。多徑散射環(huán)境對(duì)室內(nèi)定位精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,繼續(xù)提升系統(tǒng)在室內(nèi)的定位精度也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。
圖4 測(cè)試場(chǎng)地平面圖
由于定位功能需要采集參考信號(hào),而FDD小區(qū)RS信號(hào)是默認(rèn)關(guān)閉的,所以定位功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有一定的影響,但這種影響非常小,經(jīng)過(guò)測(cè)試,小區(qū)上行吞吐率的負(fù)面影響小于5%。
圖5 測(cè)試定位精度
本文介紹了一種基于分布式LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)依托于廣泛分布LTE室分系統(tǒng),在原有通信系統(tǒng)之上增加一個(gè)定位錨點(diǎn)服務(wù)器,不改變?cè)型ㄐ畔到y(tǒng)架構(gòu),部署成本低,對(duì)處于網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)的終端用戶提供無(wú)縫定位功能,不依賴第三方軟件,且定位功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,基于TDoA的定位系統(tǒng)在商場(chǎng)場(chǎng)景下,實(shí)現(xiàn)3~5 m的定位精度,滿足一般的室內(nèi)定位需求,同時(shí)發(fā)現(xiàn)在多重墻壁阻隔的情況下,定位誤差較大且不夠穩(wěn)定,這也是未來(lái)優(yōu)化的重點(diǎn)。
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An indoor positioning system based on distributed LTE network
YANG Yu1, CHEN Ming1, LIU Daqing2
1. China Mobile Group Anhui Co., Ltd., Hefei 230088, China 2. Huawei Technologies Co., Ltd., Hangzhou 310052, China
Indoor positioning technology has important applications in the business and security fields, but there are still existing problems with low positioning accuracy and high deployment costs. An indoor positioning system based on long term evolution ( LTE ) network was introduced. The system was defined on the Huawei distributed pico base station and was used to measure the reference signal strength (RSRP) or time of arrival (ToA) of mobile terminals to multiple access points. To overcome the uplink power control in LTE network, the absolute RSRP or ToA was converted to differential values. The system relied on widely deployed LTE networks to provide seamless location services to terminal devices in a wireless network connection state. It didn’t rely on third-party software or affect network performance. The experimental results show that the average positioning accuracy of Huawei indoor positioning system using time difference of arrival (TDoA) can reach 3~5 m in indoor scenarios such as shopping malls, showing good application potential.
indoor positioning, distributed long term evolution network, distributed pico base station, field strength positioning, delay positioning
TN966
A
10.11959/j.issn.1000?0801.2018185
楊宇(1983?),男,中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司安徽分公司網(wǎng)絡(luò)部規(guī)劃室經(jīng)理、工程師,主要研究方向?yàn)镚SM、TD-SCDMA、TD-LTE通信技術(shù)、室內(nèi)外定位、HMI技術(shù)等。
陳明(1982?),男,中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司安徽分公司工程師,主要研究方向?yàn)門D-LTE通信技術(shù)、信號(hào)仿真、室內(nèi)外定位、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)等。
劉大慶(1985?),男,博士,華為技術(shù)有限公司工程師,主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論、天線、5G通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)等。
2018?03?06;
2018?05?24