張 海，王冬海

（杰創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

定時(shí)提前（Timing Advance，TA），一般用于終端（User Equipment，UE）的上行傳輸，指為了將UE上行包在希望的時(shí)間到達(dá)基站（Evolved NodeB，eNB），預(yù)估由于距離引起的射頻傳輸時(shí)延，提前相應(yīng)時(shí)間發(fā)出數(shù)據(jù)包。上行傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特征是不同UE在時(shí)頻上正交多址接入（Orthogonal Multiple Access），即來(lái)自同一小區(qū)的不同UE的上行傳輸之間互不干擾。

為了保證上行傳輸?shù)恼恍?，避免小區(qū)內(nèi)干擾，eNB要求來(lái)自同一子幀但不同頻域資源的不同UE的信號(hào)到達(dá)eNB的時(shí)間基本上是對(duì)齊的。eNB只要在循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）范圍內(nèi)接收到UE所發(fā)送的上行數(shù)據(jù)，就能夠正確地解碼上行數(shù)據(jù)，因此，上行同步要求來(lái)自同一子幀的不同UE的信號(hào)到達(dá)eNB的時(shí)間都落在CP之內(nèi)。

TA物理表征的是UE與天線端口之間的距離。1Ts對(duì)應(yīng)的時(shí)間提前量距離等于（3×108×1/（15 000×2 048））/2=4.89 m。含義就是距離=傳播速度（光速）×1Ts/2（上下行路徑和）。TA命令值對(duì)應(yīng)的距離都是參照1Ts來(lái)計(jì)算的。如果TA=1，那么

表征的距離為16×4.89 m=78.12 m，同時(shí)可以計(jì)算得到在初始接入階段，UE與網(wǎng)絡(luò)的最大接入距離，即小區(qū)最大半徑1 282×78.12 m=100.156 km。

既然TA可以表示發(fā)送上行信號(hào)的終端和接收基站的距離，就可以通過(guò)非合作接收技術(shù)從空口無(wú)線信號(hào)接收上下行信號(hào)，并利用TA特性對(duì)終端實(shí)現(xiàn)精確定位。

1 定位原理

1.1 基站發(fā)送TA時(shí)機(jī)

第一種情況是隨機(jī)接入過(guò)程中，通過(guò)隨機(jī)接入響 應(yīng)（Random Access Response，RAR） 的 Timing Advance Command字段發(fā)送給UE。這種情況下，eNB通過(guò)測(cè)量接收到的preamble來(lái)確定TA值，RAR的Timing Advance Command字段共11 bit（如圖1所示），對(duì)應(yīng)TA索引值的范圍是0～1 282。這個(gè)過(guò)程為可以稱為初始上行同步。

圖1 RAR幀格式

第二種情況是業(yè)務(wù)進(jìn)行中的TA調(diào)整。雖然在隨機(jī)接入過(guò)程中，UE與eNB取得了上行同步，但上行信號(hào)到達(dá)eNB的timing可能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，比如高速移動(dòng)中的UE，其與eNB的傳輸延遲會(huì)不斷變化；還有當(dāng)前傳輸路徑消失，切換到新的的傳輸路徑。例如在建筑物密集的城市，走到建筑的轉(zhuǎn)角時(shí)，這種情況就很可能發(fā)生；還有UE的晶振偏移，長(zhǎng)時(shí)間的偏移累積可能導(dǎo)致上行定時(shí)出錯(cuò)；另外，由于UE移動(dòng)而導(dǎo)致的多普勒頻移也會(huì)導(dǎo)致同步偏差。因此，UE需要不斷地更新其上行定時(shí)提前量，以保持上行同步。TA命令的信息為6 bit，即TA的范圍在0～63之間。TA命令表征Nta的調(diào)整量。

時(shí)間提前量值可能為正或?yàn)樨?fù)。由TA調(diào)整量式（2）可知，調(diào)整正向最大TA距離為32×16×4.89 m=2.5 km，調(diào)整負(fù)向最大的TA距離為-31×16×4.89 m=-2.42 km，調(diào)整的精度為78.12 m。

1.2 TA定位原理

根據(jù)TA值的定義可知UE離基站的距離為初始值經(jīng)過(guò)調(diào)整后的值，假定該值為TA。當(dāng)定位基站后，UE的位置為以基站為圓心，以TA為半徑的圓上。但由于eNB給出的UE的TA值是一個(gè)精度為78.12 m的范圍值，因此準(zhǔn)確UE定位在以基站為圓心，以TA為中心半徑，以78.12 m為寬度的圓環(huán)上。如圖2所示。

圖2 終端UE到基站的位置

當(dāng)以基站為原點(diǎn)，UE的位置為（x，y），則UE的定位滿足如下不等式：

由于UE是在圖1的圓環(huán)上的位置，可以是A點(diǎn)、B點(diǎn)或C點(diǎn)或是圓環(huán)上的任意一個(gè)點(diǎn)上，假定TA為2 km，根據(jù)式（3）可計(jì)算出終端在約100萬(wàn)平方米的圓環(huán)上，因此單依據(jù)該值是無(wú)法準(zhǔn)確定位到終端UE。

為進(jìn)一步提升定位的準(zhǔn)確性需要增加接收機(jī)R，將接收機(jī)R置于確定的位置（x1，y1），再監(jiān)控接收UE的上行信號(hào)到達(dá)R的時(shí)刻t1，根據(jù)監(jiān)控到目標(biāo)UE的TA值可以準(zhǔn)確的計(jì)算出目標(biāo)的發(fā)送時(shí)刻范圍t2，如圖3所示，目標(biāo)UE的位置定位滿足如下等式：

其中，c為光速3×10^8 m/s。

由于t2是一個(gè)范圍值，則t2時(shí)間傳輸?shù)淖畲笈c最小值間的差距為78.12 m，t1及t2的測(cè)量準(zhǔn)確度為30.72 Ms/s采樣誤差。即t1與t2間測(cè)量的誤差小于2×(3×108×1/(15 000×2 048))=19.56 m。因此式（4）右邊的

最大值與最小值間的最大差異為97.68 m。

圖3 終端在基站與接收機(jī)聯(lián)合下的定位

通過(guò)引入定位接收機(jī)R聯(lián)合TA的定位方式，使目標(biāo)終端的位置變?yōu)镻1或P2區(qū)域的位置（2個(gè)圓環(huán)交際區(qū)）。P1近似面積為0.76萬(wàn)平方米，此時(shí)定位的面積精度是只通過(guò)TA定位精度的65倍。即定位目標(biāo)時(shí)間消耗在理論值上為原來(lái)的1/65，且定位的區(qū)域大小將不受TA值的影響。

通過(guò)調(diào)整定位接收機(jī)R1的位置，再次測(cè)試目標(biāo)UE的上行信號(hào)，如圖4所示增加一次接收機(jī)R2測(cè)試，可有效排除P1和P2中的一個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步提高定位精度。

2 TA測(cè)量

2.1 UE上行信號(hào)

UE在發(fā)上行信號(hào)前，UE已經(jīng)處于下行同步，即UE已經(jīng)通過(guò)監(jiān)控eNB的下行廣播或系統(tǒng)信息等信道已經(jīng)與eNB進(jìn)行了同步，但此時(shí)UE不清楚接收的下行同步信號(hào)由于傳輸距離經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間從eNB傳遞給UE的，UE還無(wú)法判斷需要多大的定時(shí)提前量TA，因此第一次時(shí)，UE會(huì)以固定的定時(shí)提前量TA發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機(jī)接入信道），在eNB端接收到該用戶的PRACH后，eNB端需要做同步，由于PRACH占用的帶寬為1.25 kHz×839=1 048.75 kHz，當(dāng)采用30.72 MHz的采樣率時(shí)，需要做16倍的抽取轉(zhuǎn)換到1.92 Ms/s，在PRACH的0.8 ms時(shí)間內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)由24 576個(gè)抽樣到1 536個(gè)點(diǎn)，因此當(dāng)采用FFT變換后，每個(gè)采樣點(diǎn)的的頻率為1.92 MHz/1536=1.25 kHz，恰好和子載波間隔相等，當(dāng)做PRACH的ZC序列同步時(shí)，只需要同步中間的839個(gè)子載波。且同步后同步的精度為1個(gè)樣點(diǎn)，即1/1.92 MHz的時(shí)間精度，映射到傳輸距離為3×108×1/1.92×106m/2=78.12 m，當(dāng)采用 PRACH進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度只有78.12 m。

圖4 3點(diǎn)定位算法示意圖

eNB在完成目標(biāo)UE的PRACH同步后，通過(guò)同步位置在時(shí)域上的指示即知道UE的上下行路徑傳輸延時(shí)總和，從而在RAR（MSG2）中將TA值下發(fā)給目標(biāo)UE，UE根據(jù)收到的TA值調(diào)整發(fā)射的時(shí)間窗口。最終實(shí)現(xiàn)UE同時(shí)到達(dá)eNB。

根據(jù)1.2節(jié)TA定位原理，只需要UE發(fā)送上行信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)定位功能，如可檢測(cè)上行信號(hào)PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行鏈路控制信道）/PUSCH（Physical Uplink Share CHannel，物理上行共享信道）/SRS（Sounding Reference Signal，信道探測(cè)參考信號(hào)）/DMRS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號(hào)）/CQI（Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量指示）等，由eNB給出UE的絕對(duì)參考定位位置，然后通過(guò)定位接收機(jī)的相對(duì)時(shí)延進(jìn)一步準(zhǔn)確鎖定UE位置。

2.2 TA估計(jì)

基站位置估計(jì)可以采用3種方法：

第一種采用已知UE位置計(jì)算基站位置的反向TA定位方法，即采用定位接收機(jī)發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求，基站返回RAR中TA值來(lái)確定基站位置，由于定位接收機(jī)可以采用GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）做設(shè)備自身定位。通過(guò)調(diào)整定位接收機(jī)的位置形成3點(diǎn)定位基站的方法估計(jì)出基站位置。

第二種為TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）方法，即采用帶GPS秒脈沖定時(shí)的雙定位接收機(jī)檢測(cè)從基站發(fā)出的同一信號(hào)的時(shí)間差。

圖5 雙曲線定位（TDOA）

將兩臺(tái)接收機(jī)放置在已知位置，這兩臺(tái)接收機(jī)的位置相當(dāng)于雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)，基站發(fā)出的信號(hào)到2個(gè)接收機(jī)的信號(hào)時(shí)延差t1-t2（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GPS定時(shí)參考，可得基站發(fā)出的信號(hào)到接收機(jī)的時(shí)間與參考間的時(shí)間差分別為t1，t2）的距離(t1-t2)×3×108是一個(gè)常量，標(biāo)記為2a，兩臺(tái)接收機(jī)的距離|A1-A2|為常量，標(biāo)記為2c，則基站的位置（x，y）即為雙曲線一側(cè)，滿足如下等式：

當(dāng)將A1接收機(jī)移動(dòng)到A3時(shí)，再次檢測(cè)基站到2個(gè)接收機(jī)的時(shí)間差即得到第二條雙曲線，該曲線為在將標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)一定角度后得到的坐標(biāo)軸上，2條雙曲線的交點(diǎn)即為基站的準(zhǔn)確位置P1，即如圖5所示的雙雙曲線交叉點(diǎn)P1。

第三種方法為簡(jiǎn)單的測(cè)量下行信號(hào)強(qiáng)度和觀察基站塔天線定位基站。該方法在郊區(qū)和農(nóng)村等開(kāi)闊地區(qū)較為可行，但在城市環(huán)境下由于建筑密集且天線較為隱蔽，較難發(fā)現(xiàn)基站并準(zhǔn)確定位。

接收機(jī)對(duì)相對(duì)時(shí)延估計(jì)為目標(biāo)用戶到接收機(jī)距離的估計(jì)，由于接收機(jī)與目標(biāo)UE都同步于同一個(gè)基站的下行信號(hào)，為補(bǔ)償接收機(jī)與目標(biāo)UE離基站的距離不一樣，需要對(duì)接收機(jī)補(bǔ)償TA1（接收機(jī)）-TA2（目標(biāo)UE）的時(shí)間差。接收機(jī)需要提前或延后TA1-TA2的時(shí)間啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)TA1-TA2是正值時(shí)，需要提前，當(dāng)TA1-TA2是負(fù)值時(shí)，需要延后啟動(dòng)目標(biāo)發(fā)送信號(hào)的起始值定時(shí)器。當(dāng)啟動(dòng)定時(shí)器后，采用信號(hào)的相關(guān)算法，檢測(cè)目標(biāo)UE的特征信號(hào)，如SRS/DMRS等信號(hào)，通過(guò)在本地產(chǎn)生一個(gè)與被檢測(cè)信號(hào)相同的信號(hào)序列，再講本地的信號(hào)序列與接收的信號(hào)序列進(jìn)行相關(guān)，找到最大的相關(guān)峰值，即實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)信號(hào)序列的同步，根據(jù)峰值的位置和信號(hào)采樣率即可計(jì)算出相對(duì)時(shí)延估計(jì)，如圖6中所示T1-T2。

圖6 接收機(jī)相對(duì)時(shí)延估計(jì)

2.3 誤差分析

定位誤差主要表現(xiàn)在參考信號(hào)的準(zhǔn)確性，如基站定位的精度誤差影響整個(gè)TA定位的基準(zhǔn)，但該基站定位如果采用文中的方案一、則對(duì)其影響的主要因素為GPS對(duì)接收機(jī)的定位準(zhǔn)確性、TA定位的基礎(chǔ)誤差78.12 m的準(zhǔn)確性，以及多次TA定位的綜合誤差等。若采用方案二的基站定位，則GPS定時(shí)的準(zhǔn)確性，設(shè)備間距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，甚至設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)的處理相位等都是引起誤差的因素。

定位接收機(jī)的定位誤差主要是定時(shí)提向量的計(jì)算的引入的TA采樣誤差，其次是對(duì)目標(biāo)UE上行信號(hào)采集時(shí)，是否可以采用高速采樣（解決定位精度問(wèn)題），且在高速采樣下有較好的信號(hào)相關(guān)性，從而準(zhǔn)確的提取出信號(hào)的同步及時(shí)延等信息。

另外，實(shí)際的環(huán)境一定是多徑傳輸?shù)?，多徑傳輸?shù)母蓴_也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的定位誤差，采用定位接收機(jī)在相同的地點(diǎn)測(cè)試多次時(shí)延差值和在不同的地點(diǎn)測(cè)試來(lái)降低多徑的影響，但很難消除。

2.4 技術(shù)難點(diǎn)

目標(biāo)用戶確認(rèn)是定位的難點(diǎn)，在不影響目標(biāo)正常通信的情況下，如何區(qū)分空中的無(wú)線空口信號(hào)是指定的目標(biāo)信號(hào)，由于當(dāng)前LTE在正常的通信過(guò)程中很少直接暴露通信雙方的身份信息，取而代之的是 TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity， 臨時(shí)移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)），而且想查看目標(biāo)的信息內(nèi)容需要執(zhí)行雙向鑒權(quán)，內(nèi)容查看也行不通。只能通過(guò)在鑒權(quán)前的一些信令信息解決目標(biāo)身份確認(rèn)的問(wèn)題。如尋呼過(guò)程、監(jiān)控PRACH、RAR等過(guò)程提取TMSI等用戶臨時(shí)標(biāo)志用于目標(biāo)用戶區(qū)分。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于TA的終端UE定位由于系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，不必解析LTE中眾多的信令過(guò)程，只需要解析RAR中的相關(guān)參數(shù)即可得出TA的值，從而得到大致的目標(biāo)位置，通過(guò)進(jìn)一步的采樣終端的上行信號(hào)，檢測(cè)到達(dá)的時(shí)間差即可更準(zhǔn)確的定位到終端UE。且整個(gè)過(guò)程不影響終端UE的通信，對(duì)用戶無(wú)干擾，因此該方法在公共安全領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。