LTE定位关键技术专业资料.doc

摘要：这篇文章一方面从既有市场和将来应用两方面,提出了LTE终端无线定位技术研究背景和应用意义；比较了既有各种无线定位系统及它们所采用定位技术；概况了LTE系统所具备特点；然后分析了 LTE 原则定位合同（LPP）所提出解决方案和解决流程；最后阐述了LTE终端无线定位技术所面临困难和挑战。

核心词：LTE系统  无线定位  定位办法   

由于无线信道所具备不拟定性，使得无线信号在传送过程中会受到噪声干扰、途径损耗、多径衰落和阴影衰落等因素影响，这些干扰将进一步导致无线信号功率衰减和时延扩展，导致无线定位系统很难达到较高定位精度。尽管在该领域研究工作困难重重，但是该项技术应用前景广泛，研究它依然具备重要实际意义。  一方面，第三代移动通信技术已经进入商用阶段，“演进型 3G”（E3G）技术成为通信行业关注焦点，其中，以 OFDM 为核心长期演进(LTE)技术已经成为研究领域热点。近来十年，移动通信业始终保持稳步迅速增长，随着技术继续发展，3G 移动通信产品终将全面占据市场，LTE 技术在 3G 时代必然得到大量应用。 其中，位置服务作为增值业务之一，也将继续创造价值，除了车辆导航，目的跟踪等老式业务，交互式游戏、地理信息解决、交通报告以及娱乐消息等新业务都将成为增长点，带给顾客更加丰富 3G 体验。预测 年，全球过半顾客将体验到 3G 终端定位服务带来便利。   

另一方面，不断增长顾客对定位业务需求与既有定位系统资源落后和定位方式单一化产生矛盾。随着基站数目增长、移动终端智能化，顾客对移动台定位规定越来越高。1996 年，美国联邦通信委员会（FCC）发布了 E-911（Emergency call ‘911’）法规，对定位服务做出了详细规定，规定在 年10 月 1 日前，各种无线蜂窝网络必要能对发出 E-911 紧急呼喊移动台提供精度在 125m 内定位服务，并且满足此定位精度概率应不低于 67%；在 年后来，定位系统必要提供更高定位精度：基于移动台积极发送位置信息定位方式，在 67%概率下定位精度为 50m，在95%概率下定位精度为 150m；基于网络定位方式，在67%概率下定位精度为 100m，在 95%概率下定位精度为300m。美国 FCC 这一规定明确了提供 E-911 定位服务是 3G 网络必备基本功能。此外，欧洲和日本有关组织也对定位服务做了相应规定，并在诸多方面达到一致。此外，如今定位重要集中在运用 GPS 系统实现定位功能，方式过于单一，定位时间比较长，基于 LTE 网络定位可以丰富定位方式，缩短位置找寻时间，使有关业务，如车辆寻路、餐馆位置查询等得到更好地应用。   第三、有助于国防建设和国家安全。当代战争越来越趋向于信息战和情报战，位置信息往往是重要情报信息。在战场上，截获敌方发送无线电信号，解得敌方位置，是军队作战重要保证。陆军单兵作战，通过定位系统，获知同伴地理位置，实现对敌方突袭。当代社会，截获不法分子无线电信号，防止和获知不法分子违法行为，对国家和人民生命财产安全同样意义重大。在重点地区进行布网监控，可以有效制止不法分子破坏行动。  

1各种无线定位系统及基本定位技术  无线定位技术基本原理是：已知各种固定信标（如基站、定位服务中心）或移动台通过采集无线信号中定位参数，实现对目的位置解算或预计。
1.1无线定位系统  当前，重要无线定位系统可分为如下几类：
1.1.1网络定位系统  此类系统重要是固定信标运用从移动台发送上行链路信号，获取定位参数，进行目的位置解算，也被称为被动定位系统。其定位过程是各种固定信标同步检测和采集移动台发送信号，各信标通过相似办法提取定位参数，随后送到网络中定位服务中心（Location Server），解算得到移动台位置信息。整个过程，移动台只负责发送信号，不参加解信号工作，并且会受到信号远近效应影响。   

1.1.2移动台定位系统 此类系统重要是移动台运用从固定信标发送下行链路信号，获取定位参数信息，进行目的位置解算，也被称为积极定位系统。其定位过程是各种固定信标同步发送定位参照信号，移动台检测和采集信号并解算出有关参数，然后将参数送到定位服务中心，解算移动台位置信息。整个过程，移动台始终处在积极呼喊状态，并且需要进行定位参数求解。此类系统移动台设计较复杂，定位参数也需要依照特定需求进行特殊设计。

1.1.3网络辅助定位系统 此类系统也是基于在移动端定位方式，其定位过程是一方面由各种固定信标检测和采集移动台发送信号，再将解得定位参数反送回移动台，移动台运用自身集成定位模块进行位置解算。此类系统中，移动台既是信号发送者，又是最后位置信息解算者，整个网络辅助移动台获得定位参数信息。  

1.1.4移动台辅助定位系统 此类系统是基于网络定位方式，其定位过程是由各种固定信标发送定位参照信号，移动台检测和采集接受到信号，并解算得到定位参数，最后将定位参数送回网络，由主信标计算出目的位置。此系统需要移动台解算定位参数，但不需要进行位置坐标最后求解。 1.2基本定位技术 以上各类定位系统，所采用定位思路基本相似，都是通过解算已获得信号中某种定位参数，实现对移动台位置坐标预计，其采用定位技术重要有如下这些  
1.2.1场强检测定位技术 此类技术重要是依照信号强度与信号传播距离呈反比关系，来进行移动台位置预计。其实现办法是各种接受机通过检测发射机发送信号，采集各种信号强度，通过构造信号强度与传播距离关系式，计算出信号传播距离值，最后将距离值作为定位参数，进行位置解算。由于在实际环境中，无线信道不拟定性很强，此类办法距离预计很难达到较高精度，因此接受机和发射机需要不断调节传播信号方式和强度值，来满足特定信道环境下定位精度。但由于此类技术设计成本较低，实现较容易，因此惯用做辅助定位技术作为定位系统一种参照。  

1.2.2角度检测定位技术(AOA)  此类技术重要是接受天线依照收到信号入射角度判断移动台方向，进而进行位置坐标预计。其实现办法是接受天线阵运用检测到各种信号入射角，判断信号到来方向，通过各种方向值，计算出目的位置，如图 1.1 所示。这种技术需要天线阵加入，对接受端系统设计提出很高规定，若与其她定位技术结合使用，此技术可以实现单接受机定位功能。在中、短距离定位系统中，AOA定位技术具备优势，但是在长距离定位系统中，信号入射角微小偏差会导致目的位置预计较大偏差，这也导致了此技术在长距离定位系统中使用局限性。

1.2.3时延检测定位技术   时延检测定位技术是当前定位系统中使用较为广泛一项技术，其原理是接受机运用检测到各种信号时延，建立定位方程组，进行目的位置解算。时延检测又分到达时延（TOA）检测和到达时延差（TDOA）检测两种，其中，TOA检测方式需要网络有严格时间同步，系统设计复杂度较高，TDOA 检测是 TOA检测方式改进，减少了网络时间同步规定，易于工程实现，技术实现如图1.2。基于时延检测技术产生了诸多典型定位算法。

1.2.4混合定位技术  混合定位技术是将以上两种或三种定位技术混合使用，如 TOA-TDOA、TDOA-AOA、TOA-AOA等，检测并提取有关定位参数，用于定位解算。当前，混合定位技术是无限定位研究领域新趋势，具备光明发展前景。

     2 LTE 系统特点

2.1 LTE物理层帧构造与时隙构造 3GPP 工作组对 LTE 技术研究工作重要集中在物理层，空中接口合同和网络架构几种方面，当前 LTE物理层技术研究重要针对频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种双工方式，这里简介下 FDD 帧构造和时隙构造。  图 2.1 所示为 FDD 帧构造。在 FDD 帧构造中，10个长度为 1ms 子帧构成一种无线帧，每个子帧又是由 2 个长度为 0.5ms 时隙构成，时隙编号分别为0~19。图 2.2 所示是一种时隙中传播信号。这某些信号是由子载波和 OFDM 符号构成，其中，DL RBN大小由社区中下行传播带宽配备决定。循环前缀长度和子载波间隔决定了一种 时隙中 OFDM 符号个数，如表 1 所示。

2.2下行链路采用 OFDM 符号  

LTE 下行链路采用 OFDM 符号，增大了信号带宽，定位算法里涉及到定位参数（如 TOA/TDOA）预计精度与信号带宽有关。LTE 下行链路最大信号带宽可以达到 20MHz，这对提高定位参数预计精度有极大好处。表 2给出了几种移动通信系统最大测距误差比较。

2.3 多输入多输出（MIMO）技术   
多天线阵使得 MIMO 技术在 LTE 系统中应用成为也许，多天线阵加入丰富了系统定位手段，不但有助于开发混合定位模型，并且有助于系统定位迅速实现。
2.4 LTE 各社区间采用了严格同步机制   
基站间同步问题是终端无线定位核心之一，3G 基站间采用了高精度同步方案，如 GPS 授时同步方案、北斗授时同步方案、1588 方案等，使得基站间时间同步问题得到较好解决，这有助于时延参数精确预计，对最后目的位置预计有较大影响。  

2.5 定位导频信号   

在 3GPP LTE R9 规范里，对定位导频信号做了专门规定，定位信号可以通过特定天线端口发送到接受端，这可以减小定位信号与有用数据之间互相干扰，让 LTE 定位商用化速度加快。   
3 LTE 原则定位解决方案及解决流程

3.1 定位解决方案  

依照 LTE 定位合同，3GPP 组织已经将增强型社区 ID（E-CellID）定位办法、检测到达时间差（OTDOA）定位办法和全球卫星导航系统辅助（A-GNSS）定位办法列为三种原则化定位解决方案。如图 3.1 所示。图中移动台需要进行定位参数测量由详细定位办法决定，卫星系统或基站作为固定信标，发送用于定位参照信号，移动台解算接受信号，得到测量参数；定位服务中心目是获得一种或各种移动台位置信息，运用得到测量参数或辅助信息，进行移动台位置坐标计算。定位方案原则化为定位系统设计提供了参照。

3.1.1A-GNSS 定位办法

该办法用于集成了GNSS接受模块移动台。当GNSS用于支持 LTE 网络时，网络提供辅助GNSS接受机对移动台定位性能改进有：减少移动台 GNSS启动和捕获时间，使定位过程明显加速；增长移动台GNSS敏捷度；相比于单独 GPS 接受模块，辅助GNSS模块功耗更低。

3.1.2 OTDOA 定位办法  

该办法是在基站端将定位参照加入到待发送下行链路信号中，移动台对接受到各种下行链路信号与本地信号做有关运算，解得TDOA值。由于定位参照信号已知，因此可以通过增长定位参照功率来削弱远近效应对接受端影响。此办法定位精度较高，目的搜索时间较短。

3.1.3 E-Cell ID定位办法  

增强型社区ID定位办法是依照移动台所在蜂窝网络社区或扇区来断定移动台位置坐标。社区搜索完毕过后，基站可以得到移动台社区信息，由于移动台也许存在于社区内任何位置，因此该办法定位精度取决于社区面积大小。E-Cell  ID 定位办法成本低，移动台搜索时间短、易于实现、可信度高，因此可以用于定位系统粗略预计移动台位置。

三种定位办法各有优势，在 LTE 定位系统里形成互补。在一次定位过程当中，对定位办法选取取决于实际应用。表3是对三种定位办法特点归纳。

3.2定位解决流程   

在 LTE 定位系统中，不论是来自移动台定位祈求还是网络呼喊，定位服务中心都将进行如下解决：   
(1) 拟定一种或各种参照基站，参加到一次定位过程中。  
(2) 接受来自移动台或基站端求解得到定位参数。   
(3) 将定位参数发送到计算模块，对移动台位置进行解算。  
(4) 执行坐标变换。   
(5) 将位置解算成果送回 LTE 网络中，完毕与位置信息有关其她业务。  

移动台与定位服务中心之间信令交互过程如图3.2所示。一方面，定位服务中心向移动台发送定位能力祈求信令，移动台收到信令后，回答相应定位能力信息，涉及可运用硬件资源、定位解算能力、信号质量等。接着，移动台向定位服务中心发送定位辅助祈求信息，定位服务中心收到信号后，回答相应辅助信息，其中涉及对移动台位置预判、有关地理信息、需要采用定位办法以及定位参数形式，这个过程会通过双方多次交互来完毕。最后，移动台解算定位信号，得到有关定位参数，并将参数回传给定位服务中心，运用有关定位参数完毕位置解算后，定位服务中心将最后移动台位置信息和有关批示发送给移动台。

4 LTE终端无线定位所面临难点  

终端无线定位除了需要研究 LTE 系统自身特点，还需要关注和分析影响定位精度重要噪声来源。

4.1信号远近效应   

由于移动台在一种社区内是随机分布，移动台与基站距离也会随机变化，若移动台接近基站，则收到下行链路信号较强，若移动台远离基站，则收到下行链路信号较弱。这种远近效应导致远端基站传送信号受到自由空间途径损耗限度不不大于近端基站，在发射功率相等状况下，近端基站无疑会对远端基站形成干扰。由于终端无线定位至少需要三个基站参加到定位参数获取中，因此信号远近效应势必对定位精度产生影响。  

4.2多径传播干扰   

在自由空间中，多径传播普遍存在。信号通过高大物体散射或折射到达接受端，使得接受机在不同步刻收到强度不一相似格式信号。多径传播对于时延预计影响很大，其会导致时延扩展、信号相位偏移和频率扩展。接受端可以通过频率预计或最小均方预计来减少多径传播影响，如 Root-MUSIC 算法和 ESPRIT算法，通过检测和辨别多径分量，来抑制多径传播影响。  

4.3非视距（NLOS）传播干扰   

与非视距（NLOS）传播相相应是视距（LOS）传播。LOS 传播指是发射机与接受机之间，在无任何阻碍物状况下，直线传播方式。LOS 传播是定位参数接受精准限度保证。

在都市环境下，由于高大建筑物存在，使得信号 NLOS 传播不可避免。NLOS问题浮现导致了接受信号很大不拟定性，不但定位参数会受到影响，并且信号强度值也会发生变化。近年来，国际上针对信号 NLOS 问题开展了广泛讨论，在定位系统中，比较有代表性解决办法是Wylie提出NLOS误差鉴别和抑制办法，针对特定环境和场景，用散射模型解决 NLOS 问题也是一种较好解决方向。