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. 中國移動通信集團安徽有限公司，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、部署成本高等問題，對此提出了一種基于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，通過測量移動終端設(shè)備到多個接入點的參考信號強度（RSRP）或時延（ToA）進行定位。為克服LTE中上行功率控制對終端發(fā)射信號的影響，采用多信標聯(lián)合解碼，將絕對的信號強度或時延轉(zhuǎn)換成信號強度差或時延差進行定位；該系統(tǒng)依托廣泛部署的LTE網(wǎng)絡(luò)，對處于無線網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)的終端設(shè)備提供無縫的定位服務(wù)，不依賴第三方軟件，并且不會對網(wǎng)絡(luò)性能造成影響。實驗結(jié)果顯示，在商場等室內(nèi)場景下，使用時延差分（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；場強定位；時延定位

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和移動用戶數(shù)的增加，室內(nèi)定位技術(shù)成為近幾年研究的熱點，與室外環(huán)境不同，信號在室內(nèi)環(huán)境傳播過程中會經(jīng)歷各種散射、反射以及衰減，這都給精確的室內(nèi)定位帶來困難。近幾年來涌現(xiàn)出許多室內(nèi)定位技術(shù)，根據(jù)定位使用信號的不同，可以分為基于射頻信號的定位、紅外線定位、超聲波定位、圖像定位等，其中使用射頻信號的定位技術(shù)通用性強且部署成本較低，因而受到廣泛的關(guān)注。射頻信號定位又包括基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站定位[1-2]、Wi-Fi定位[3-4]、藍牙定位[5]、超寬帶定位等?；径ㄎ缓蚖i-Fi定位主要有兩種實現(xiàn)方式：一種是通過記錄終端設(shè)備和3個以上的網(wǎng)絡(luò)接入點（AP）的無線信號強度或者時延[6-9]，通過差分算法進行三角定位；另一種是事先記錄已知位置點的信號特征（強度、時延等），建立位置點和信號特征的關(guān)系，通過對比信號特征獲取未知點的位置信息，即指紋定位[10-11]、基站定位和Wi-Fi定位一般可以達到米級的定位精度，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。藍牙定位技術(shù)與Wi-Fi定位類似，通過基于藍牙網(wǎng)絡(luò)的三角定位或者指紋定位實現(xiàn)，需要終端裝備藍牙模塊，還需部署藍牙基站，最高可以達到亞米級定位精度。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，由多個傳感器采集信號到達時延和方位角等信息，并對位置進行分析，超寬帶定位技術(shù)多徑分辨能力強、精度高，定位精度可達亞米級。上述定位方法各有利弊，分別適用于不同場合和應(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%以上的移動流量來自室內(nèi)，如商場、機場、辦公區(qū)域等，這也使分布式LTE網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)場景的覆蓋率逐步提高，另一方面，精確的室內(nèi)定位也有著越來越多的需求，比如企業(yè)用戶希望為員工提供無所不在的移動辦公環(huán)境，室內(nèi)大眾消費場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)級實現(xiàn)。該定位系統(tǒng)在分布式LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之上增加一個定位錨點服務(wù)器（service anchor，SVA），實現(xiàn)信息收集、算法實現(xiàn)、結(jié)果上報等功能。LTE+SVA的定位系統(tǒng)架構(gòu)也提供了一個通用的硬件平臺，通過算法開發(fā)可以實現(xiàn)多種定位技術(shù)，比如場強三角定位、時延定位、指紋定位等。該定位系統(tǒng)利用已有的分布式LTE網(wǎng)絡(luò)，為處于無線資源控制（radio resource control，RRC）連接態(tài)的終端用戶提供廣泛無縫的定位服務(wù)，不影響網(wǎng)絡(luò)性能。為測試該定位系統(tǒng)的性能，在商場、辦公室等室內(nèi)場景進行了廣泛的現(xiàn)場測試，測試結(jié)果顯示，基于TDoA的定位系統(tǒng)在商場場景下平均定位精度達到3~5 m。

2 LTE+SVA室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)

首先對LTE+SVA的室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)進行簡單介紹，華為數(shù)字化分布式LTE網(wǎng)絡(luò)是為室內(nèi)場景開發(fā)的新型室分覆蓋系統(tǒng)，由微型射頻拉遠單元（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。其中微型射頻拉遠單元實現(xiàn)射頻信號處理功能，以上行為例，微型射頻單元在遠端將接收到的終端射頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過網(wǎng)線將數(shù)字信號傳輸?shù)絽R聚單元進行匯聚，數(shù)字信號匯聚之后傳輸?shù)交鶐卧M行處理，相比于傳統(tǒng)室分系統(tǒng)，避免了射頻信號在線纜中的長距離傳播，減少了信號在線纜中的損耗，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)分每個射頻單元接收到的終端信號，也為射頻單元粒度的室內(nèi)定位提供硬件基礎(chǔ)。匯聚單元實現(xiàn)多路射頻單元信號的匯聚，為了節(jié)省基帶資源，匯聚單元會將射頻單元傳輸過來的數(shù)字射頻信號進行數(shù)字合路，一個匯聚單元設(shè)備最多可連接8臺射頻單元，除此之外，匯聚單元還為射頻單元提供基于網(wǎng)線的遠程供電（power on Ethernet，POE），網(wǎng)線供電使射頻單元的部署更為靈活。基帶單元則實現(xiàn)基帶信號的處理以及信令流程的控制和發(fā)送，在定位系統(tǒng)中，基帶單元還負責定位數(shù)據(jù)的收集和上報。

圖1 基于分布式LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)

定位錨點服務(wù)器（SVA）是實現(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數(shù)據(jù)進行處理得到位置信息并上報網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，處于網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器對接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部署簡單，不需要改變原有LTE室分網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不增加終端設(shè)備的運算負擔，對網(wǎng)絡(luò)性能的影響小。

3 定位技術(shù)原理

LTE+SVA是一個通用的室內(nèi)定位平臺，通過軟件開發(fā)可以實現(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平臺上實現(xiàn)，作為未來研究的課題。

3.1 基于RSRP的場強三角定位

場強三角定位技術(shù)通過獲取室內(nèi)多個pRRU獨立測量的移動基站（mobile station，MS）或者用戶設(shè)備（user equipment，UE）上行信號強度，結(jié)合pRRU的室內(nèi)坐標和高度，計算出用戶終端在室內(nèi)的位置。根據(jù)經(jīng)驗傳播模型，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，移動終端在不同干擾場景、不同位置，上行發(fā)射功率會不盡相同，因此無法通過接收信號的絕對強度來判斷終端設(shè)備與pRRU的距離。由于MS發(fā)射的信號同時被多個pRRU接收并測量，pRRU收到上行信號強度和MS到pRRU的距離有關(guān)，兩個pRRU收到的信號差可以轉(zhuǎn)換成MS到兩個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）

通過一個無線接入點對（兩個pRRU）的信號差值，計算出描述移動終端可能的位置軌跡函數(shù)，多個無線接入點對可以推導(dǎo)出多個移動終端軌跡函數(shù)，其中的交點就是移動終端的位置。

從計算過程可以看出，場強三角定位算法一般需要4個不同pRRU接收到的電平強度。

3.2 TDoA定位

通過獲取室內(nèi)多個無線接入點獨立測量的移動終端上行信號的到達時間，結(jié)合無線接入點的室內(nèi)坐標和高度，可以計算移動終端在室內(nèi)的位置。移動用戶的到達時延是用戶上行測量參考信號（reference signal，RS）的到達時延，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pRRU的數(shù)字射頻信號在rHUB上合路再傳輸?shù)交鶐卧狟BU進行處理，以節(jié)省基帶資源。因此基站無法識別每個pRRU的測量結(jié)果，需要在pRRU端對RS信號做處理，使BBU能夠單獨測量來自每個pRRU的信號。通過RS輪詢測量的方法可以獲取pRRU粒度的時延結(jié)果，但是每個輪詢時刻只能獲取一個pRRU的測量結(jié)果，效率較低、時效性較差。這里采用RS ToA輪詢+RS時延合路的檢測方案。延時合路的原理就是在輪詢時刻，保留兩個pRRU的測量值，其中一個pRRU的測量信號增加一個人工時延，這樣基站就可以對2個pRRU的測量結(jié)果在時間上進行區(qū)分。TDoA定位的原理如下。

根據(jù)“時間（）×速度（）=距離（）”的定理可以得到MS到兩個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能夠獲得的量來表示：

AP1-AP2=ToA1-ToA2（14）

得到：

建立如下多個方程計算UE位置（UE，UE），即用戶終端在室內(nèi)的位置：

從式（18）可以看出，為確定一個移動終端的位置，一般需要4個不同pRRU測得的時延信息。

由于BBU測量得到的時延包含了RS空口傳輸?shù)臅r間和信號處理的時間，所以基站測量得到的ToA在各個pRRU的時間起點是不同的，如果直接進行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信號處理的時間，上述處理已在系統(tǒng)中完成，計算式中不再體現(xiàn)。

4 仿真分析

在外場測試之前，對RSRP和TDoA定位技術(shù)進行仿真驗證。仿真條件設(shè)置如圖2所示，設(shè)置一個邊長為20 m的正方形區(qū)域，4臺pRRU分別放置在正方形區(qū)域的4個角上，掛高為4 m。在正方形區(qū)域內(nèi)，均勻設(shè)置400個測試點，每個點之間的距離為1 m。在每一個測試點上，單個時刻下pRRU的RSRP和ToA接收值是均值為理論值、標準差為3 dB的正態(tài)分布產(chǎn)生的隨機數(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%的累計概率來表征某一場景下的定位精度，按照這一標準，RSRP方法的定位精度為4.3 m，TDoA的定位精度為3.5 m。整體來說，基于TDoA的定位精度略高于基于場強的定位精度，定位結(jié)果也更加穩(wěn)定。在實際場景中，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，為了評估該定位系統(tǒng)在實際環(huán)境中的表現(xiàn)，進行了廣泛的現(xiàn)場測試。

圖3 仿真定位精度

5 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試在一個大型室內(nèi)商場進行，商場的平面圖如圖4所示，商場內(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，為測試室內(nèi)定位系統(tǒng)精度，在該區(qū)域內(nèi)共掛載了62臺pRRU設(shè)備，pRRU設(shè)備的點位也標注在平面圖上。pRRU的平均距離可由式（19）計算：

其中，和分別代表區(qū)域的長度和寬度，為布置的pRRU設(shè)備數(shù)，由此可計算得到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距離并不能無限提高系統(tǒng)的定位精度，也會提高系統(tǒng)部署成本。在商場內(nèi)隨機選取20個測試點，測試點平均分布在走廊、商鋪、樓梯等位置，在每個測試點上進行10次測試，以更好地測試定位的平均精度。

測試結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）給出了RSRP方法的測試結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，圖5（b）給出了TDoA方法的測試結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)。按照67%的累計概率，RSRP的定位精度為5~10 m，而TDoA方法的定位精度為3~5 m，好于基于場強的定位方法。RSRP定位使用的是一個OFDM符號內(nèi)所有資源塊（resource element，RE）的接收信號功率平均值，不會對多徑的信號強度進行區(qū)分，而TDoA定位能夠測量主徑信號的到達時延，對散射環(huán)境有較強的抗干擾能力，尤其是在直射徑比較明顯的場景下，因而取得較高的定位精度。RSRP方法得到的結(jié)果中，23%的測試點定位誤差小于3 m，而TDoA方法，45%的測試點定位精度小于3 m，這些測試點大部分集中在走廊等空曠區(qū)域內(nèi)。多徑散射環(huán)境對室內(nèi)定位精度產(chǎn)生嚴重的影響，繼續(xù)提升系統(tǒng)在室內(nèi)的定位精度也是未來研究的重點。

圖4 測試場地平面圖

由于定位功能需要采集參考信號，而FDD小區(qū)RS信號是默認關(guān)閉的，所以定位功能對網(wǎng)絡(luò)性能有一定的影響，但這種影響非常小，經(jīng)過測試，小區(qū)上行吞吐率的負面影響小于5%。

圖5 測試定位精度

6 結(jié)束語

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)之上增加一個定位錨點服務(wù)器，不改變原有通信系統(tǒng)架構(gòu)，部署成本低，對處于網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)的終端用戶提供無縫定位功能，不依賴第三方軟件，且定位功能對網(wǎng)絡(luò)性能的影響小。通過現(xiàn)場測試，基于TDoA的定位系統(tǒng)在商場場景下，實現(xiàn)3~5 m的定位精度，滿足一般的室內(nèi)定位需求，同時發(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，這也是未來優(yōu)化的重點。

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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，中國移動通信集團有限公司安徽分公司網(wǎng)絡(luò)部規(guī)劃室經(jīng)理、工程師，主要研究方向為GSM、TD-SCDMA、TD-LTE通信技術(shù)、室內(nèi)外定位、HMI技術(shù)等。

陳明（1982?），男，中國移動通信集團有限公司安徽分公司工程師，主要研究方向為TD-LTE通信技術(shù)、信號仿真、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，主要研究方向為電磁場理論、天線、5G通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)等。

2018?03?06；

2018?05?24