呂亞娟，劉珊，胡榮貽，張文浩

（1.吉林醫(yī)藥學(xué)院計(jì)算機(jī)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(xué)院計(jì)算機(jī)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(dòng)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(hào)無法進(jìn)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(jìn)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(duì)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(hào)（sounding reference signal，SRS）獲取信號(hào)到達(dá)時(shí)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(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定位系統(tǒng)及算法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)米級(jí)室內(nèi)定位精度。

LTE；室內(nèi)定位；SRS；TDOA

1 引言

隨著移動(dòng)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(yùn)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(yùn)營和商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)[1]。目前，LTE網(wǎng)絡(luò)已在全球范圍內(nèi)部署[4]，基本實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)覆蓋。在室外，GPS已經(jīng)能做到較精準(zhǔn)的定位，但由于GPS信號(hào)無法進(jìn)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(gè)天線簇，天線簇m(m=1,2,…,M)由Nm(Nm∈N, Nm≥2)個(gè)天線組成，每個(gè)天線簇配備一個(gè)無線定位模塊，負(fù)責(zé)處理來自相應(yīng)天線簇的上行SRS，完成射頻前端信號(hào)處理及TDOA計(jì)算。位置服務(wù)器用于收集來自M個(gè)無線定位模塊的定位參數(shù)，包括上行到達(dá)時(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)流程。首先，無線定位模塊對(duì)天線簇接收的上行信號(hào)進(jìn)行射頻前端處理得到多用戶基帶模擬信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到多用戶基帶數(shù)字信號(hào)，借助從基站獲取的多用戶SRS的配置信息，實(shí)現(xiàn)單用戶SRS的提取。將不同天線接收到的單用戶時(shí)域信號(hào)與本地信號(hào)相關(guān)，得到信號(hào)到達(dá)不同天線的時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)用戶位置信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(hào)，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(hào)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(huì)根據(jù)配置參數(shù)在某個(gè)確定時(shí)隙的最后一個(gè)符號(hào)上發(fā)送SRS。該信號(hào)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(píng)估LTE網(wǎng)絡(luò)中SRS的相關(guān)性能。該仿真根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(gè)LTE子幀中，由終端發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。eNode B接收到上行時(shí)域信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化到頻域，然后將接收信號(hào)和本地SRS進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)流程

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，LTE的SRS有兩種工作模式：時(shí)分發(fā)送和碼分發(fā)送[10]。不同模式下SRS的相關(guān)運(yùn)算仿真結(jié)果如圖3所示。在時(shí)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(hào)不會(huì)對(duì)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(duì)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(shí)間提前量（time advance，TA）輔助實(shí)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(shí)間范圍。當(dāng)TA＜410 ns時(shí)，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(yùn)算結(jié)果，其定位精度最高只能達(dá)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(diǎn)，縮小樣本點(diǎn)之間的時(shí)間差，獲取更高的定位精度。圖4仿真了SRS在默認(rèn)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(shí)間的精確性。實(shí)際上，過采樣并不能夠獲取更多的信息熵，因?yàn)?0.72 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(diǎn)密集度來提高時(shí)間差的分辨率。

4 定位算法

圖3 SRS在時(shí)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(gè)天線簇有Nm個(gè)天線，x是待估計(jì)終端的位置，‖x-xn‖表示天線n和MT之間的真實(shí)距離，n=1,2,…,Nm。選取天線1作為錨點(diǎn)，天線n和天線1之間真實(shí)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(yùn)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(diǎn) x0進(jìn)行一階泰勒展開近似，如式（2）所示。其中H0是h(x)在點(diǎn)x0處的Jacobian矩陣。

因此，式（1）能夠表達(dá)為：

為加強(qiáng)對(duì)入海水道工程的安全管理，確保安全度汛，必須進(jìn)一步提高巡查人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，對(duì)巡查人員要定期集中培訓(xùn)和監(jiān)督指導(dǎo)，培訓(xùn)合格才能上崗，并定期對(duì)巡查工作進(jìn)行考核。通過培訓(xùn)和考核，進(jìn)一步規(guī)范巡查記錄活動(dòng)，提高巡查人員的素質(zhì)和責(zé)任心，提高巡查人員的安全防范意識(shí)和應(yīng)急管理能力，確保工程安全運(yùn)行，確保入海水道沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

其中，y是r的線性估計(jì)，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(yùn)算。

若定位系統(tǒng)存在M個(gè)天線簇，可以將M個(gè)天線簇得到的信息合并通過式（4）計(jì)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(duì)于多簇接收天線的情況，實(shí)際上可以做進(jìn)一步的算法優(yōu)化研究，比如剔除明顯錯(cuò)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(duì)算法迭代性能的影響，提高算法的計(jì)算效率。同時(shí)，該算法不需要基站間的高精度同步。定位系統(tǒng)中若要達(dá)到3 m的定位精度，至少需要納秒級(jí)同步，這會(huì)給硬件實(shí)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(shí)現(xiàn)小范圍的簇內(nèi)同步，能夠大幅度降低實(shí)際布網(wǎng)難度。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

5.1 仿真分析

本文通過仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)天線，簇B包含2個(gè)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(dú)立同分布，不同終端的SRS采用時(shí)分工作模式，信號(hào)采樣率設(shè)置為2倍過采樣?；谏鲜龇抡鎴鼍?，通過兩組仿真分別分析了天線簇?cái)?shù)目和用戶位置對(duì)定位性能的影響。

圖5 定位仿真場景

首先評(píng)估不同天線簇?cái)?shù)目對(duì)于定位性能的影響，這里假設(shè)用戶隨機(jī)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(duì)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(duì)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(píng)估用戶位置對(duì)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(diǎn){P1(0,1)，P2(2,1)，P3(3,1)，P4(3.5,1)，P5(4.5,1)}移動(dòng)，圖7給出了用戶在不同位置時(shí)定位誤差。仿真結(jié)果表明，當(dāng)用戶處于天線簇中心位置{P3(3,1)，P4(3.5,1)}時(shí)，定位精度要優(yōu)于其他區(qū)域，誤差只有0.06 m；而當(dāng)用戶移動(dòng)到天線覆蓋的邊緣位置{P1(0,1)}時(shí)，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(biāo)用戶位置密切相關(guān)。在實(shí)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(diǎn)區(qū)域。

圖7 不同區(qū)域內(nèi)用戶定位性能比較

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為階梯會(huì)議室（長12.2 m、寬17 m、高3.8 m），會(huì)議室部署兩簇天線，如圖8所示。選擇10個(gè)定位目標(biāo)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)做多次重復(fù)獨(dú)立測量，多次測量值聚合計(jì)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(biāo)點(diǎn)實(shí)際位置，圓的半徑為 3 m，圖9（a）中圓點(diǎn)表示50次重復(fù)獨(dú)立測量得到的定位結(jié)果，圖 9（b）中圓點(diǎn)表示最終定位結(jié)果。表1對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(shí)環(huán)境的復(fù)雜性,信號(hào)的傳播可能受到多徑等因素影響，實(shí)驗(yàn)室測試誤差相對(duì)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(huì)議室測試場景

6 結(jié)束語

圖9 定點(diǎn)測試多次測量結(jié)果

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)室搭建了原型進(jìn)行性能驗(yàn)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(duì)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(shí)現(xiàn)的基本原理是利用LTE上行SRS作為探測信號(hào)，通過對(duì)接收信號(hào)射頻前端處理、TDOA計(jì)算及定位算法得到終端位置，實(shí)現(xiàn)用戶的高精度定位。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可達(dá)到3 m內(nèi)的定位精度，同時(shí)能夠大幅度降低網(wǎng)絡(luò)部署難度。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)需要運(yùn)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(shí)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(xué)院計(jì)算機(jī)系講師，主要研究方向?yàn)閿?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?yàn)闊o線移動(dòng)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?yàn)闊o線移動(dòng)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?yàn)闊o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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(No.2016YFB0502000)

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