TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位技術(shù)研究

2014-09-27 08:23王維猛焦榮華李曉輝

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年8期

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(shù)，使用單個(gè)服務(wù)基站實(shí)現(xiàn)對(duì)UE的DOA?TOA定位，克服了傳統(tǒng)定位方法的缺點(diǎn)。主要對(duì)TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究。分析TD?SCDMA系統(tǒng)DOA?TOA定位基本原理和實(shí)現(xiàn)流程，重點(diǎn)研究物理層信息幀結(jié)構(gòu)、智能天線技術(shù)和上行同步等DOA?TOA定位關(guān)鍵技術(shù)，最后研究了DOA?TOA定位方法，并對(duì)不同環(huán)境下其定位誤差性能進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞： TD?SCDMA；定位技術(shù)；單基站； DOA； TOA

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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(luò)進(jìn)入商用階段，定位業(yè)務(wù)成為3G眾多業(yè)務(wù)中主打業(yè)務(wù)之一。因此，各運(yùn)營商都在積極制定相應(yīng)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(chǔ)上建立了相應(yīng)的定位網(wǎng)絡(luò)，各項(xiàng)技術(shù)都相對(duì)比較成熟，一些定位業(yè)務(wù)也已開始展開。擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD?SCDMA系統(tǒng)是世界上首先同時(shí)采用時(shí)分雙工、同步碼分多址技術(shù)和智能天線技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。伴隨著人們對(duì)無線定位的需求越來越迫切，同時(shí)為使TD?SCDMA標(biāo)準(zhǔn)與其他3G標(biāo)準(zhǔn)相抗衡，TD?SCDMA無線定位業(yè)務(wù)已然成為目前研究的重點(diǎn)。關(guān)于我國TD?SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，基于上行導(dǎo)頻序列的同步技術(shù)和智能天線等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，使其可用單個(gè)服務(wù)基站實(shí)現(xiàn)DOA?TOA定位，既利用了TD?SCDMA系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)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(gè)基站進(jìn)行參與，即圖中的Node B，位置為[(x0,y0,z0)]，UE為待定位移動(dòng)臺(tái)，位置為[(x,y,z)]，[r]為移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于基站的距離（TOA），[θ]為移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)相對(duì)于x軸正向的水平方位角（DOA），[h]為基站和移動(dòng)臺(tái)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(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)確估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)基站所需的時(shí)間[t]和信號(hào)到達(dá)的水平方位角度[θ]，那么可通過式（1）對(duì)移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)[(x,y,z)]進(jìn)行求解，實(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)于DOA?TOA定位方法中TOA和DOA的估計(jì)與重構(gòu)。移動(dòng)臺(tái)發(fā)送上行導(dǎo)頻和突發(fā)序列，經(jīng)過無線信道的傳輸?shù)竭_(dá)基站?；就ㄟ^基于上行同步序列的相關(guān)峰檢測(cè)進(jìn)行TOA估計(jì)，并判別估計(jì)TOA中是否存在NLOS誤差，從而確定是否進(jìn)行NLOS誤差的抑制。TD?SCDMA系統(tǒng)采用了智能天線技術(shù)，使其可以利用相應(yīng)的DOA估計(jì)算法估計(jì)DOA，然后根據(jù)散射體分布模型進(jìn)行TOA和DOA的重構(gòu)。最終，基于重構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)

2.1物理層信息幀結(jié)構(gòu)

TD?SCDMA系統(tǒng)的物理信道采用了系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時(shí)隙/碼四層結(jié)構(gòu)形式。一個(gè)系統(tǒng)幀由72個(gè)幀長為10 ms的無線幀組成。同時(shí)又將每個(gè)無線幀分為兩個(gè)長度為5 ms的子幀。我國TD?SCDMA標(biāo)準(zhǔn)所定義的碼片速率是1.28 Mchip/s，則一個(gè)子幀可容納6 400個(gè)碼片。如圖3所示，毎一個(gè)子幀又由7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和DwPTS，GP，UpPTS 三個(gè)特殊時(shí)隙組成，其中DwPTS時(shí)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(hù)間隔組成，UpPTS時(shí)隙由長為 128 chip的上行同步序列SYNC?UL和長度為32 chip的保護(hù)間隔組成[2?3]。三個(gè)特殊時(shí)隙具體作用分別是：DwPTS是為下行導(dǎo)頻和同步而設(shè)計(jì)的下行導(dǎo)頻時(shí)隙；UpPTS是在隨機(jī)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(dǎo)頻時(shí)隙；GP是保護(hù)時(shí)隙。

圖3 TD?SCDMA子幀結(jié)構(gòu)圖

2.2上行同步

上行同步技術(shù)是指上行鏈路中同一時(shí)隙內(nèi)不同距離用戶所發(fā)送的上行信號(hào)能夠同步到達(dá)基站端。對(duì)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?yàn)橥ㄟ^上行同步可以降低不同用戶間的多址接入干擾，達(dá)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(jī)后，基站首先在DwPTS時(shí)隙上發(fā)送SYNC?DL信號(hào)，UE在DwPTS時(shí)隙上接收相應(yīng)信號(hào)，實(shí)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(duì)常規(guī)時(shí)隙的干擾，UE初次發(fā)送采取以開環(huán)的形式在UpPTS時(shí)隙上發(fā)送UpPCH信號(hào)，發(fā)送定時(shí)由基站和UE間的信號(hào)衰落特性估計(jì)出，或者將其設(shè)定為固定的發(fā)送時(shí)間提前量；

（3）基站端檢測(cè)UpPTS時(shí)隙上的UpPCH信號(hào)，測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)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(shí)間和功率，從而實(shí)現(xiàn)基站和多個(gè)UE的上行同步。

2.3智能天線

智能天線最初用于雷達(dá)、聲吶及軍事通信領(lǐng)域，是一種空分多址技術(shù)。它使用一系列低增益天線陣元，調(diào)整天線加權(quán)權(quán)值，產(chǎn)生空間定向波束，使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)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(jì)。通過智能天線，可在整個(gè)小區(qū)內(nèi)對(duì)不同用戶形成不同的賦形波束，實(shí)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(shí)，使用智能天線可以根據(jù)接收信號(hào)矢量的特性估計(jì)當(dāng)前各個(gè)用戶的DOA，增強(qiáng)了UE的定位精度。

TD?SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個(gè)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(shí)時(shí)跟蹤用戶，獲得較高的增益。

3TD?SCDMA系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)位置的確定

3.1TOA估計(jì)

根據(jù)TD?SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，DwPTS，UpPTS，GP在幀結(jié)構(gòu)中的位置是固定的，且組成序列SYNC?UL，SYNC?DL具有較強(qiáng)的自相關(guān)性，利用幀結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)，可進(jìn)行基于相關(guān)峰檢測(cè)的TOA估計(jì)。在發(fā)射時(shí)鐘與接收時(shí)鐘嚴(yán)格同步的前提下，通過計(jì)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(hào)的識(shí)別和抑制

在無線定位系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)和基站之間的傳輸環(huán)境對(duì)定位精度有很大影響。在實(shí)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(hào)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(gè)正的附加時(shí)延量。為使測(cè)量數(shù)據(jù)有效且定位結(jié)果準(zhǔn)確，需要對(duì)NLOS傳播進(jìn)行判別，并對(duì)其誤差進(jìn)行抑制，減小對(duì)定位精度的影響。關(guān)于NLOS的識(shí)別和抑制，分析Wylie識(shí)別算法和LOS重構(gòu)算法。

3.2.1Wylie識(shí)別算法

Wylie識(shí)別算法利用NLOS傳播時(shí)TOA多次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于LOS環(huán)境測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差這一特點(diǎn)進(jìn)行NLOS識(shí)別[9]。假定基站在特定時(shí)間內(nèi)所得到的TOA測(cè)量數(shù)據(jù)為[ri(i=0,1,2,…,K-1)]，利用最小二乘技術(shù)進(jìn)行[N]階多項(xiàng)式擬合，那么可求出[N]階多項(xiàng)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(jì)算平滑后的距離與觀測(cè)所得距離的標(biāo)準(zhǔn)差為：

[σ=1Ki=0K-1(si-ri)2] （3）

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和基站之間的傳輸路徑為LOS傳播時(shí)，測(cè)量距離相對(duì)于實(shí)際距離的偏差為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差[n]同時(shí)存在。NLOS誤差是一個(gè)正的具有較大標(biāo)準(zhǔn)差的隨機(jī)變量，則NLOS環(huán)境下距離測(cè)量值相對(duì)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(dāng)假設(shè)[H0]成立時(shí)，則基站接收到的是LOS信號(hào)；當(dāng)假設(shè)[H1]成立時(shí)，則基站接收到的是NLOS信號(hào)。

3.2.2基于NLOS識(shí)別的LOS重構(gòu)算法

基于NLOS識(shí)別的LOS重構(gòu)算法的實(shí)質(zhì)為根據(jù)TOA測(cè)量誤差的取值范圍對(duì)經(jīng)過最小二乘平滑后的曲線進(jìn)行修正，使修正后的曲線盡可能接近其實(shí)際距離變化曲線。當(dāng)基站和移動(dòng)臺(tái)間為NLOS傳輸時(shí)，TOA測(cè)量誤差中NLOS誤差和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量噪聲同時(shí)存在，那么其取值范圍[9]是[-αm≤n+NLOSi(m)≤βm+αm] 。

由此可知LOS重構(gòu)算法分兩步進(jìn)行：

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

（2）利用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差[αm]的范圍對(duì)NLOS誤差進(jìn)行糾正，具體為：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合平滑后，計(jì)算每個(gè)測(cè)量時(shí)刻測(cè)量值和平滑值之間的偏差[ri-si]。假定觀測(cè)時(shí)間足夠長，以滿足可找出最大偏差出現(xiàn)時(shí)刻。在測(cè)量時(shí)間間隔比較大且無相關(guān)性的情況下，此偏差非常接近[βm+αm]，此時(shí)TOA測(cè)量取值為測(cè)量曲線的最小值點(diǎn)，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(diǎn)，然后再向上移動(dòng)[am]，得到的修正曲線將非常接近于LOS環(huán)境下的距離估計(jì)值。

3.3移動(dòng)臺(tái)位置的確定

如圖1所示，考慮[h=0]簡(jiǎn)化模型，設(shè)基站的位置為[(x0,y0)]，待定位移動(dòng)臺(tái)的位置為[(x,y)]。TD?SCDMA系統(tǒng)智能天線技術(shù)的采用可以估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于基站所處的角度[θ]，上行同步技術(shù)可根據(jù)相關(guān)峰檢測(cè)估計(jì)出TOA，經(jīng)過NLOS識(shí)別和抑制后TOA估計(jì)值為[r]，結(jié)合式（1）所示定位原理，那么移動(dòng)臺(tái)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(jì)誤差和TOA估計(jì)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(jì)誤差和TOA估計(jì)誤差對(duì)RMSE的影響曲面。

圖4 DOA?TOA定位精度示意圖

圖5 DOA?TOA估計(jì)誤差下的RMSE曲面

關(guān)于對(duì)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(duì)于LOS環(huán)境，考慮兩種計(jì)算模式：一是基于單次測(cè)量的TOA和估計(jì)的DOA進(jìn)行定位；二是對(duì)TOA多次測(cè)量，進(jìn)行最小二乘擬合，然后結(jié)合估計(jì)的DOA進(jìn)行定位見圖6。對(duì)于最小二乘擬合的必要性，對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(cè)量然后進(jìn)行最小二乘擬合的定位性能明顯優(yōu)于基于單次測(cè)量的直接定位。這是因?yàn)橥ㄟ^多次測(cè)量和最小二乘擬合，可以減小標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差對(duì)定位性能的影響。同時(shí)由圖7可看出，隨著系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差的增大，基于單次測(cè)量的DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差也增大，而基于多次測(cè)量、進(jìn)行最小二乘擬合，然后進(jìn)行DOA?TOA定位所產(chǎn)生的誤差基本不變。也就是說，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差越大，進(jìn)行多次測(cè)量并最小二乘擬合的必要性越大，可以通過犧牲測(cè)量次數(shù)來補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jìn)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(gòu)NLOS抑制算法，對(duì)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(shí)，定位誤差RMSE在500 m以上，進(jìn)行基于LOS重構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(gè)服務(wù)基站便可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)鍵技術(shù)?上行同步和智能天線技術(shù)，并研究了NLOS環(huán)境下NLOS信號(hào)識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)UE的高精度定位。

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