陳馳宇,解培中,李 汀

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于Alamouti編碼的移動臺無線定位方法

陳馳宇,解培中,李 汀

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于移動臺位置的服務(wù)已經(jīng)廣泛融入人們的生活。目前基站定位主要作為GPS定位的補(bǔ)充，然而在低信噪比環(huán)境下，基站定位方法受信道影響具有較大定位誤差。為了充分利用LTE系統(tǒng)中基站發(fā)送端多天線特點，提升定位精度，文中提出了一種基于Alamouti空時編碼技術(shù)的OFDM-MIMO系統(tǒng)的移動臺定位方案。首先給出了通用的無線定位系統(tǒng)模型及定位算法，其次研究了Alamouti編碼譯碼過程及其對無線定位系統(tǒng)性能的影響，最后通過仿真，與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)定位方案進(jìn)行性能對比。結(jié)果表明，較傳統(tǒng)定位方案，基于Alamouti編碼的移動臺無線定位方法可以在低信噪比環(huán)境下顯著降低定位參考信號誤碼率，提升定位系統(tǒng)性能。

Alamouti空時編碼；廣義互相關(guān)算法；時延估計；無線定位

1 概 述

隨著無線通信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，基于移動臺位置的服務(wù)(LBS)，如微信搖一搖、滴滴打車、高德地圖等手機(jī)應(yīng)用也越來越多，LBS逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ?、出行的一部分。無線定位的精度決定了LBS的服務(wù)質(zhì)量，逐步提高的定位精度促進(jìn)了LBS的更廣泛應(yīng)用。目前三大運營商相繼推出了4G網(wǎng)絡(luò)，中國已經(jīng)有了比較完備的LTE產(chǎn)業(yè)鏈。隨著基站數(shù)目的增多，移動終端的智能化，運營商所能提供的定位精度以及用戶對無線定位業(yè)務(wù)的要求都在提高。

到達(dá)時延差(TDOA)定位法具有定位精度高和移動臺與基站同步要求低的特點，被廣泛應(yīng)用。文中提出的基于Alamouti編碼的移動臺無線定位方法同樣以TDOA定位法為基礎(chǔ)。無線定位精度主要受時延估計精度的影響[1]，因而目前對于無線定位技術(shù)的研究多集中在提高時延估計精度上。針對時延估計問題，文獻(xiàn)[2]提出了兩步求解法。在粗時延估計時，為提高定位速度，首先對頻域采樣信號以保護(hù)間隔長度Ncp滑動相關(guān)，找出時延估計初始點t1，然后在時域上以t1-Ncp作為起點，以單個采樣點做滑動相關(guān)，最終找到整數(shù)倍采樣點時延估計；針對精時延估計，運用0.618插值法獲得小數(shù)倍采樣點的時延，提高采樣精度。文獻(xiàn)[3]針對LTE系統(tǒng)下行鏈路信號多徑衰落嚴(yán)重的情況，提出了一種基于信噪比門限值獲取首達(dá)路徑的算法，并在此基礎(chǔ)上針對首達(dá)路徑衰落嚴(yán)重的情況，提出一種基于信噪比門限和標(biāo)準(zhǔn)峰值的選擇性門限定位法。文獻(xiàn)[4]提出了一種數(shù)據(jù)融合方案，綜合考慮TDOA、TOA、AOA、RSS的測量結(jié)果，運用最小均方誤差原則為不同測量結(jié)果分配權(quán)重，對測量結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]提出一種基于MIMO技術(shù)的時延估計算法，利用多天線技術(shù)降低信號傳輸過程中的誤碼率，提升信號的互相關(guān)性，在低信噪比情況下優(yōu)化無線定位系統(tǒng)性能。

針對尺寸較小、能耗要求高的手機(jī)終端設(shè)備，文中提出一種基于Alamouti編碼的無線定位方案。該方案采用雙發(fā)單收模式，發(fā)射端對OFDM調(diào)制信號進(jìn)行Alamouti編碼，接收端采用最大比合并譯碼、OFDM解調(diào)獲得定位參考信號；通過對兩路基站到達(dá)信號互相關(guān)運算提取到達(dá)時延差；最后通過Chan算法獲取移動臺位置信息。

仿真表明，在低信噪比情況下，采用Alamouti編碼可以較大程度地優(yōu)化定位參考信號的互相關(guān)特性，提升定位精度。

2 相關(guān)工作

2.1 定位參考信號模型

一個TDOA信號由兩路定位參考信號(PRS)通過相關(guān)運算獲得。PRS針對OFDM系統(tǒng)設(shè)計，對發(fā)射方和接收方均已知，無線定位系統(tǒng)利用這段信號進(jìn)行相關(guān)操作，獲取到達(dá)時延差值，得到兩基站距離移動臺的位置差。

小區(qū)定位參考信號存在于所有的下行鏈路幀結(jié)構(gòu)上，由一到四根天線發(fā)送[6]。其定義如下：

(1)

式中：X為小區(qū)定位參考信號；s為QPSK調(diào)制的31位GOLD序列；p為天線端口號；b為基站號；k為載波序號；m和m'為GOLD序列的標(biāo)號；l為小于ns的OFDM信號數(shù)。

通過快速傅里葉變換可以將定位參考信號轉(zhuǎn)化到時域：

(2)

則接收端獲得的對于基站的接收信號為：

(3)

目前關(guān)于無線定位的文章多為單輸入單輸出，即Nb=0，沒有充分利用發(fā)送端的多天線，造成資源的浪費。通過Alamouti編碼可以對發(fā)送端進(jìn)行多天線分集，利用發(fā)送端的多天線特性，獲得信噪比增益，提升無線定位系統(tǒng)的性能。

2.2 無線定位誤差原因

無線定位系統(tǒng)的誤差由多方面原因產(chǎn)生，包括非視距傳輸、多徑傳輸、多址干擾等[7]。多徑傳輸對基于時間的定位系統(tǒng)(TOA、TDOA)有很大影響，即使定位基站和移動臺間存在LOS路徑，它也會導(dǎo)致時延估計誤差。傳統(tǒng)時延估計大多是通過互相關(guān)提取時間參數(shù)，當(dāng)接收信號處于同一個碼片內(nèi)時，如果次達(dá)信號強(qiáng)度大于首達(dá)信號,相關(guān)時延估計法提取的可能是次達(dá)信號時延。多徑傳輸問題的解決方法很多，主要包括高分辨率頻譜估計[8]和最小均方估計；非視距傳輸(NLOS)是指發(fā)射信號經(jīng)過反射和衍射傳輸以大于直射路徑的傳播距離到達(dá)接收端，通常發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境(如墻壁家具阻擋)或建筑物密集的室外環(huán)境(如城市地區(qū))。NLOS傳播獲得的時延會附加一個正的偏差，在GSM典型系統(tǒng)中的定位誤差達(dá)到400～700 m[9]。針對NLOS誤差的解決方法主要是通過先驗信息對NLOS信號進(jìn)行LOS重構(gòu)或者在定位算法中降低NLOS信號的權(quán)值；多址干擾存在于所有的小區(qū)通信系統(tǒng)中。CDMA小區(qū)中，用戶通過使用不同的傳播碼字共用相同頻段，遠(yuǎn)近效應(yīng)十分明顯。不同移動臺收到的服務(wù)信號以不同的強(qiáng)度傳輸，導(dǎo)致近端用戶信號更加難以恢復(fù),在無線定位中同樣會導(dǎo)致近端時延估計誤差較大。

(4)

3 Alamouti編碼與時延估計

3.1 定位參考信號的Alamouti編碼

發(fā)射端天線分集，利用不同天線發(fā)送信號所具備的相關(guān)性為無線傳輸系統(tǒng)提供了額外的信號傳輸副本，提升系統(tǒng)帶寬和信號傳輸質(zhì)量。將該方案應(yīng)用于無線定位系統(tǒng)則可以降低定位參考信號的傳輸誤碼率，減弱發(fā)送序列的頻域畸變，提升時延估計精度，改善定位性能。

兩個連續(xù)信號x1和x2按以下空時碼字矩陣編碼：

(5)

假設(shè)信道增益在連續(xù)的兩個信號傳輸周期內(nèi)不變，那么接收信號在連續(xù)的兩個信號周期可以表示為：

(6)

合并接收端收到的信號，則：

(7)

其中，h1，h2為信道增益，可以通過信道估計求出。

圖1為文中提出的Alamouti編碼系統(tǒng)框圖。

該方案結(jié)合了OFDM與多天線技術(shù)，通過OFDM調(diào)制降低信道頻率選擇性衰落，并運用發(fā)射天線空間分集減輕衰落，提高鏈路可靠性，優(yōu)化系統(tǒng)定位性能。

文中提出的編碼方案針對下行鏈路無線定位，對于上行鏈路無線定位方案，該編碼同樣有效。移動臺發(fā)射端采用單發(fā)模式，基站接收端由于不需要考慮計算復(fù)雜度，可以采用四根接收天線，在獲得更高的分集增益的同時也獲得了多天線增益。由于上行鏈路無線定位發(fā)射源為手機(jī)，考慮到輻射發(fā)熱等因素發(fā)射功率通常較低，接收端獲得信噪比較低的情況下，其對定位性能的提升更加明顯。

圖1 Alamouti編碼框圖

3.2 時延參量提取

TDOA定位模型又稱雙曲線定位模型，若兩基站到達(dá)移動臺時延差值為τ，則移動臺位于到兩基站距離差為c*τ的雙曲線軌跡上。兩組或兩組以上的雙曲線組的交點即為移動臺的位置，若交點不惟一可運用最小均方誤差求值，或通過幾何法取舍。TDOA信號為兩基站到達(dá)移動臺的時延差，不涉及移動臺時間參數(shù)，因而與TOA定位方案相比，TDOA定位方案對時間同步要求較低，更容易實現(xiàn)。

移動臺接收信號為：

(8)

其中，Nr+1表示參與定位的基站數(shù)。

(9)

GOLD序列在頻域和時域都具有很好的自相關(guān)特性，因而相關(guān)器可以很容易地檢測到相關(guān)峰值。找出到達(dá)相關(guān)峰值時的采樣點：

(10)

(11)

3.3 Chan算法位置估計

Chan算法是一種具有解析表達(dá)式的非遞歸算法，適用于時延誤差服從零均值高斯分布的情況。Chan算法運算效率高，適用于三個及三個以上基站情況，當(dāng)基站數(shù)達(dá)到四個及以上時，其定位誤差接近CRLB(克拉美羅下界)，因而廣泛應(yīng)用于視距定位情況的分析計算，針對非視距定位情況也有許多優(yōu)化算法。

(12)

(13)

由式(12)和式(13)得：

(14)

4 仿真與分析

定位參考信號采用QPSK調(diào)制的GOLD序列生成，F(xiàn)FT大小為512，信道為瑞利衰落信道。分別采用Alamouti編碼和SISO未編碼方案傳輸定位參考信號得到的誤碼率曲線。從圖2中可以看到，在SNR=-6時，相同誤碼率條件下，Alamouti編碼提供了大于2dB的信噪比增益，并且Alamouti編碼誤碼率曲線斜率大于未編碼情況，即隨SNR提升Alamouti編碼提供的信噪比增益更高。

圖2 定位參考信號誤碼率曲線

定位參考信號假設(shè)為QPSK調(diào)制的GOLD序列，仿真信號取采樣點個數(shù)為256，信道采用瑞利衰落模型，噪聲為加性復(fù)高斯白噪聲。兩路信號到達(dá)時間差為10個采樣點，移動臺收到的兩路信號信噪比相同且Alamouti編碼發(fā)送信號與未編碼方案基站采用相同發(fā)送功率。如圖3所示，當(dāng)SNR=-2dB時，兩種方案峰值均在10采樣間隔處，兩種方案都可以提取正確的時延信息；當(dāng)SNR=-6dB時，無編碼方案的相關(guān)峰值在30處，獲得錯誤的時延信息，而Alamouti編碼方案依然可以提取到正確相關(guān)峰值。

圖3 定位參考信號相關(guān)后的曲線

分別對無編碼方案和Alamouti編碼方案接收的定位參考信號做1 000次相關(guān)運算。定位參考信號采用QPSK調(diào)制的GOLD序列生成，F(xiàn)FT大小為512，信道為瑞利衰落信道，兩路時延差采用10個采樣點。若相關(guān)峰值恰好偏離y軸10個采樣點，則認(rèn)為正確獲得了時延差，正確定位次數(shù)加1。從圖4中可以看出，在低信噪比情況下，Alamouti編碼對定位性能的提升尤為明顯。對比發(fā)現(xiàn)，該編碼方案成功提取時延差次數(shù)與未編碼方案信噪比提升4dB后成功提取時延差次數(shù)相近。

圖4 1 000次仿真正確定位次數(shù)

分別對編碼方案和未編碼方案運用Chan算法進(jìn)行三基站定位。三個基站位置坐標(biāo)分別為(0，0)，(750，433)，(750，-433)，移動臺運動軌跡起始位置為(100，100)，終點位置為(600,600)，采樣點個數(shù)為100。如圖5所示，Alamouti編碼無線定位方案和無編碼無線定位方案相比，定位誤差均值分別為20m和8m左右，采用Alamouti編碼方案采樣點分布更接近真實軌跡。

圖5 定位軌跡

5 結(jié)束語

Alamouti發(fā)射端雙天線分集具有譯碼簡單、復(fù)雜度低的特點，已經(jīng)被LTE系統(tǒng)廣泛采用。文中基站端通過對定位參考信號Alamouti空時編碼，在信噪比較低的情況下，使移動臺獲得了較好的定位參考信號互相關(guān)峰值，易于提取時延參數(shù)，具有較高的實用價值。仿真結(jié)果表明，通過Alamouti空時編碼，可以降低接收端的定位參考信號誤碼率，降低定位誤差，并且在低信噪比情況下明顯提升了性能。

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Wireless Location Method for Mobile Station Based on Alamouti Coding

CHEN Chi-yu,XIE Pei-zhong,LI Ting

(College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The service based on mobile station location has been widely integrated into people’s lives.At present,the base station location is mainly used as a supplement to the GPS position,but in the low SNR environment,the base station location method has a large positioning error.In order to make full use of the multi antenna characteristics of base station in LTE system and improve the positioning accuracy,a mobile station positioning scheme with Alamouti space time encoding technology on OFDM-MIMO system is proposed in this paper.It first gives a general model of wireless positioning system and positioning algorithm,followed by the study of the Alamouti decoding process and its impact on the wireless positioning system performance,finally through simulation,this scheme is compared with the traditional OFDM system positioning scheme on performance.The results show that compared with the traditional positioning scheme,the mobile station based on Alamouti encoding can significantly reduce the bit error rate and improve the performance of the positioning system in low SNR environment.

Alamouti space-time coding;generalized cross correlation algorithm;time delay estimation;wireless localization

2015-06-01

2015-09-03

時間：2016-02-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271236)

陳馳宇(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為無線定位技術(shù)；解培中，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為電子系統(tǒng)和無線通信中的信號處理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1619.016.html

TP301

A

1673-629X(2016)03-0135-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.032