董帝烺，許紹松，張力方，趙 元（.中國(guó)聯(lián)通福建分公司，福建 泉州 6000；.中國(guó)聯(lián)通福建分公司，福建 福州 50000；.中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 00048）

0 引言

移動(dòng)通信多年來一直服務(wù)于人的通信，隨著社會(huì)和技術(shù)的發(fā)展，物與物的通信需求催生了萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)。產(chǎn)業(yè)的升級(jí)、城市的智能化、人民生活的智慧化使得物聯(lián)網(wǎng)近年來高速蓬勃發(fā)展。根據(jù)GSMA的預(yù)測(cè)，2025 年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.1 萬億美元，在全球范圍內(nèi)將會(huì)有138億工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的連接，其中63億在亞太地區(qū)和中國(guó)，占總數(shù)的65%。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)從通信的距離來分，主要分為用于短距離通信的ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi 等和用于長(zhǎng)距離通信的GPRS、NB-IoT、eMTC、Lora、SigFox 等，這些長(zhǎng)距離通信的物聯(lián)網(wǎng)又稱為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），GPRS、NB-IoT、eMTC 工作在授權(quán)頻段，而Lora、SigFox工作在非授權(quán)頻段。目前NB-IoT 越來越受運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商的青睞，已逐步發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主流。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 技術(shù)出現(xiàn)在2016 年6 月份凍結(jié)的3GPP R13 版本，基于LTE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精簡(jiǎn)，使得NB-IoT 技術(shù)在低功耗、大連接、低成本、廣覆蓋等方面更具有優(yōu)勢(shì)。

在移動(dòng)通信中，基于位置服務(wù)（Location Based Ser?vice）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，如物流跟蹤、共享單車定位應(yīng)用等，定位能力逐漸成為運(yùn)營(yíng)商和客戶的重要需求［1］。目前在定位技術(shù)中最成熟并且廣泛應(yīng)用的當(dāng)屬GPS，但由于相當(dāng)多的物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用在室內(nèi)，衛(wèi)星信號(hào)弱無法定位，并且對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端考慮的是低成本和低功耗，增加GPS 系統(tǒng)勢(shì)必增加終端成本，因此，需要研究通過基站進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)終端定位的技術(shù)。2017 年6 月，3GPP R14 版本增加了NB-IoT 的定位服務(wù)技術(shù)，提供了E-CID 和OT?DOA 2種定位解決方案。

1 NB-IoT的定位方法

在NB-IoT 的第1 個(gè)版本R13 中，下行公共信號(hào)或信道無法滿足邊緣覆蓋的定位需求，但在R14版本，增加了定位參考信號(hào)（PRS——Positioning Reference Sig?nal），支持增強(qiáng)的小區(qū)標(biāo)志（E-CID）定位技術(shù)和觀察到達(dá)時(shí)間差（OTDOA——Observed Time Difference Of Arrival）定位技術(shù)［2］。在這2 種方法中，E-CID 是利用基站或UE 測(cè)量參考信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合傳播模型來計(jì)算基站與終端的距離，這種定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但受限于參考信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量和傳播模型的計(jì)算，定位的精度不高。而OTDOA 的定位方法是基于時(shí)延的測(cè)量，定位精度一般比E-CID 定位高，本文主要基于OTDOA 進(jìn)行研究，對(duì)于E-CID 的定位方法不展開介紹和分析。

在NB-IoT 的部署方式中，有基于LTE 的帶內(nèi)部署、保護(hù)帶部署和獨(dú)立部署3種方式，目前考慮到物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)于深度覆蓋和邊緣覆蓋的需求，現(xiàn)網(wǎng)都是以獨(dú)立部署方式進(jìn)行部署，這種部署方式更有利于NBIoT 的定位技術(shù)，本文也是基于獨(dú)立部署方式的NBIoT進(jìn)行研究。

1.1 OTDOA定位技術(shù)

OTDOA 最早應(yīng)用在LTE R9版本，它通過終端從2個(gè)不同小區(qū)接收下行鏈路信號(hào)之間觀察到的時(shí)間間隔來進(jìn)行定位計(jì)算。3GPP在R9中專門引入了定位參考信號(hào)（PRS）用于終端測(cè)量，終端基于參考信號(hào)測(cè)量時(shí)間差（RSTD），再由位置服務(wù)器計(jì)算估計(jì)位置［3］。

圖1 OTDOA定位技術(shù)示意圖

如圖1所示，終端在τ1時(shí)刻接收來自eNB1的信號(hào)，τ2時(shí)刻接收來自eNB2的信號(hào)，那么終端觀察到的來自eNB2到eNB1的時(shí)間差為τ2-τ1。觀察的時(shí)間差在地理上對(duì)應(yīng)2 個(gè)小區(qū)接收信號(hào)路徑的差距，在幾何上以實(shí)線的雙曲線表示。由于觀察的時(shí)間差有分辨度的差距，因此用虛線雙曲線具有一定的寬度來表示，說明了測(cè)量的不確定性。同理，終端觀察到的來自eNB3到eNB1的時(shí)間差為τ3-τ1，形成第2 條實(shí)線雙曲線和虛線的雙曲線范圍。這2條實(shí)線雙曲線相交的點(diǎn)就是終端位置，而2 組虛線雙曲線交叉的區(qū)域（灰色陰影區(qū)域）就是估計(jì)的終端位置。要實(shí)現(xiàn)OTDOA 定位，最少需要來自3 個(gè)小區(qū)的測(cè)量，才能形成2 條雙曲線的交叉，同時(shí)交叉區(qū)域直接影響到OTDOA的定位精度。

1.2 窄帶定位參考信號(hào)NPRS

早在3GPP R9 版本為了實(shí)現(xiàn)終端OTDOA 的定位方法，引入了定位參考信號(hào)PRS，在NB-IoT 的R14 版本中，3GPP 也采用了和LTE 的PRS 相似的設(shè)計(jì)，NPRS信號(hào)基于物理小區(qū)標(biāo)識(shí)（PCI）生成QPSK 調(diào)制的偽隨機(jī)序列，映射到時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)中的RE。NPRS 的循環(huán)前綴只能使用正常的CP，NPRS 在天線端口2006 上傳輸。根據(jù)3GPP TS 36.211，NPRS信號(hào)序列定義為［4］：

式中：

ns——時(shí)隙號(hào)

l——該時(shí)隙的OFDM符號(hào)位置

m——m=0,1,...,

c(i)——由長(zhǎng)度為31 的Gold 序列生成的偽隨機(jī)序列，它的初始狀態(tài)取決于PCI、ns、l和循環(huán)前綴CP 類型，生成的方式如下：

圖2 獨(dú)立部署方式NPRS信號(hào)映射位置圖

從圖2中可以看出，NPRS 信號(hào)呈對(duì)角線方式進(jìn)行映射，在每一個(gè)符號(hào)和子載波都有存在，這種結(jié)構(gòu)減少了相鄰小區(qū)定位信號(hào)之間的干擾，增強(qiáng)了相鄰小區(qū)NPRS 信號(hào)的偵聽測(cè)量。在獨(dú)立部署方式下，單個(gè)定位子幀每個(gè)符號(hào)都能作為NPRS 符號(hào)，而相比帶內(nèi)部署方式，單個(gè)定位子幀中只有8個(gè)符號(hào)可以作為NPRS符號(hào)［5］，因此獨(dú)立部署方式的NPRS比帶內(nèi)部署方式高10lg（14/8）=2.43 dB。

1.3 參考信號(hào)時(shí)間差測(cè)量RSTD

在3GPP TS 36.214 中規(guī)定了用于OTDOA 定位的參考信號(hào)時(shí)間差測(cè)量，RSTD 被定義為2 個(gè)小區(qū)（參考小區(qū)和測(cè)量小區(qū)）之間的相對(duì)定時(shí)差，計(jì)算為從2個(gè)不同小區(qū)接收的2 個(gè)子幀邊界之間的最小時(shí)間差Tsub?frameRxj-TsubframeRxi，其 中TSubframeRxj是UE 從 相鄰小區(qū)j接收一個(gè)子幀的開始的時(shí)間，TSubframeRxi是UE 從參考小區(qū)i接收到與從小區(qū)j接收的子幀最接近的一個(gè)子幀的相應(yīng)開始的時(shí)間［6］。不同于LTE 系統(tǒng)，NB-IoT中RSTD的測(cè)量只能在RRC空閑態(tài)。

1.4 定位的計(jì)算

在圖1中，假設(shè)終端的位置為［x0，y0］，eNodeBj的位置為［xj，yj］，信號(hào)從eNodeBj傳輸?shù)浇K端位置的時(shí)延為τj，距離為Rj，j=1，2，3，其中Rj=τj×c，c代表光速。那么可以得到：

考慮到，

通過求解以上2 個(gè)方程組，就可以求出［x0，y0］的位置。

1.5 NB-IoT定位相比LTE存在的問題

NB-IoT 的定位方法是直接借鑒LTE 系統(tǒng)，但由于NB-IoT是窄帶系統(tǒng)，相比LTE的定位存在一些不足。

a）時(shí)延分辨度問題。LTE 常用帶寬為20 MHz，子載波間隔為15 kHz，F(xiàn)FT 采樣頻率為2 048，系統(tǒng)的采樣率為15 000×2 048=30.72 MHz，可以達(dá)到時(shí)延的分辨度為1 個(gè)TS 為32.5 ns。而NB-IoT 系統(tǒng)的帶寬只有180 kHz，在子載波15 kHz 的間隔，F(xiàn)FT 采樣頻率為128，系統(tǒng)的采樣率為15 000×128=1.92 MHz，可以達(dá)到的時(shí)延分辨度為16 個(gè)TS，約520.8 ns。時(shí)延分辨度直接影響定位精度，為了提高定位精度，未來NB-IoT 可以采用更高的采樣率，但也會(huì)帶來硬件成本的增加。

b）廣覆蓋的問題。一般來說，NB-IoT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就比LTE 增加了20 dB 的覆蓋增強(qiáng)能力，但相當(dāng)多的物聯(lián)網(wǎng)終端常常處于室內(nèi)深度覆蓋或邊緣覆蓋的區(qū)域，相比LTE，信噪比更低，對(duì)定位也帶來更大的挑戰(zhàn)。

c）信號(hào)的多徑和非視距問題。無線信號(hào)在空間傳播經(jīng)常受到建筑物、樹木等的遮擋，有直射、反射、衍射等多種傳播方式，存在多徑和非視距的傳輸。產(chǎn)生的多徑分量會(huì)對(duì)時(shí)延的估計(jì)造成干擾，非視距的傳輸增加了時(shí)延估計(jì)算法的復(fù)雜度。

d）大量定位需求的問題。NB-IoT 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期就是為了適應(yīng)大連接的需求，但如果在一個(gè)小區(qū)內(nèi)大量終端有定位需求，將會(huì)使得NB-IoT系統(tǒng)需要分配更多的網(wǎng)絡(luò)資源用于定位，并且大量的定位測(cè)量和計(jì)算也對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力帶來挑戰(zhàn)。

2 NB-IoT定位方法的實(shí)現(xiàn)

核心網(wǎng)的升級(jí)改造使NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)具備R14 版本的定位功能特性，目前已經(jīng)完成了基于NB-IoT R14版本的定位技術(shù)外場(chǎng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了NB-IoT定位技術(shù)的同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.1 系統(tǒng)搭建

在NB-IoT 定位研究測(cè)試中，為了實(shí)現(xiàn)定位功能，需要增加移動(dòng)網(wǎng)管位置中心（GMLC——Gateway Mo?bile Location Center）和演進(jìn)的服務(wù)移動(dòng)位置中心（ESMLC——Evolved Serving Mobile Location Center）。GMLC 提供外部LCS 客戶端到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的接入，將位置請(qǐng)求和應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)到用戶當(dāng)前的MME，并負(fù)責(zé)LCS 客戶端的認(rèn)證和鑒權(quán)。E-SMLC 將客戶端請(qǐng)求的位置要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)，對(duì)返回的位置估計(jì)測(cè)量進(jìn)行計(jì)算，得出定位結(jié)果和精度，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 NB-IoT定位的系統(tǒng)架構(gòu)圖

在本次進(jìn)行的NB 定位測(cè)試研究中，GMLC 和ESMLC 都是新建的服務(wù)器，同時(shí)對(duì)原有的eNodeB 升級(jí)到最新的R14版本，連接到新建的EMS網(wǎng)管。

2.2 測(cè)試區(qū)域選擇

為了方便研究NB-IoT定位功能和測(cè)試，測(cè)試區(qū)域選擇在城區(qū)，參考3GPP TS 36.133 對(duì)于上行底噪要求在-123 dBm/15kHz 以下，信號(hào)包含RSRP：-100 dBm～-132 dBm范圍。最終測(cè)試區(qū)域選擇在圖4所示區(qū)域。

選擇的整個(gè)測(cè)試區(qū)域南北走向550 m，東西走向250～300 m，測(cè)試范圍共有6 個(gè)NB-IoT 站點(diǎn)，站間距平均為964 m，測(cè)試區(qū)域的站點(diǎn)小區(qū)PCI 在圖4 中用紅色標(biāo)識(shí)，NB-IoT 的PCI 和LTE 的一致，PCI 避免了mod3的干擾。

圖4 NB-IoT定位站點(diǎn)分布及測(cè)試區(qū)域

2.3 OTDOA信令流程

基于OTDOA 定位的信令流程參考3GPP TS 36.355 LTE 定位協(xié)議（LPP），在實(shí)際測(cè)試過程中有些改進(jìn)，整體流程如圖5所示。

整個(gè)OTDOA定位的信令過程：

a）位置服務(wù)器請(qǐng)求終端定位能力，通過下行NAS層的Downlink generic NAS transport 消息，內(nèi)帶otdoa-RequestCapabilities信元，要求終端提供定位能力。

b）終端反饋定位能力，通過Uplink generic NAS transport 消息，內(nèi)帶otdoa-ProvideCapabilities 信元，反饋終端定位支持的頻段，是否支持RSTD、NPRS 和在空閑態(tài)的測(cè)量。

c）定位服務(wù)器通過下行NAS消息反饋ACK，表示接收到終端的定位能力反饋。

d）定位服務(wù)器通過下行NAS消息，請(qǐng)求終端進(jìn)行定位requestLocationInformation。

e）終端通過上行NAS 消息，請(qǐng)求服務(wù)器發(fā)送定位輔助數(shù)據(jù)otdoa-RequestAssistanceData。

f）服務(wù)器通過下行NAS信息提供輔助數(shù)據(jù)otdoa-ProvideAssistanceData，包含鄰小區(qū)和參考小區(qū)的小區(qū)ID、預(yù)期的TOA 及其不確定性，NPRS 配置索引、發(fā)送的連續(xù)NPRS子幀的數(shù)量，以及其他可選的信息［7］。

g）終端釋放RRC 連接進(jìn)入空閑態(tài)進(jìn)行RSTD 測(cè)量，測(cè)量完畢后，終端重新建立RRC 連接，并通過上行NAS上報(bào)測(cè)量結(jié)果，包含服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的RSTD。

h）定位服務(wù)器根據(jù)終端上報(bào)的RSTD 測(cè)量結(jié)果，在服務(wù)器側(cè)計(jì)算經(jīng)緯度并呈現(xiàn)，通過下行NAS 消息告知終端定位結(jié)果。

圖5 OTDOA定位的信令消息圖

2.4 測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行定位的測(cè)試中，每一次的定位測(cè)試，需要通過分析每一條測(cè)試信令，確認(rèn)定位流程，找出定位服務(wù)器給出的終端定位經(jīng)緯度，并與在現(xiàn)場(chǎng)使用GPS定位的經(jīng)緯度進(jìn)行分析對(duì)比。在6 個(gè)終端測(cè)試點(diǎn)中，進(jìn)行了60 次的定位測(cè)量。定位的結(jié)果如圖6 所示，藍(lán)色標(biāo)識(shí)為GPS的經(jīng)緯度，黃色標(biāo)識(shí)為OTDOA定位的經(jīng)緯度。

圖6 OTDOA定位結(jié)果展示圖

從圖6 可以看到OTDOA 計(jì)算定位后的黃色點(diǎn)與藍(lán)色測(cè)試點(diǎn)的分布情況，黃色定位點(diǎn)與藍(lán)色測(cè)試點(diǎn)的聚合程度反映出定位的精度。從整體上來分析，在本次OTDOA 的定位測(cè)試中，16.67%的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到50 m以內(nèi)的定位精度，45%的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到100 m 以內(nèi)的定位精度，66.67%的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到150 m以內(nèi)的定位精度，88.33%的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到200 m 以內(nèi)的定位精度（見圖7）。

2.5 結(jié)果分析

從上面的結(jié)果可以看到OTDOA 定位精度還有待提升，對(duì)定位精度影響很大的因素為RSTD 的測(cè)量。在本次定位測(cè)試的一些信令分析中，RSTD 測(cè)量值RSTD=6 316。

圖7 OTDOA定位精度比例分布圖

根據(jù)3GPP TS 36.133 R14 Table 9.1.10.3-1：RSTD report mapping［8］，RSTD=6316 映射到測(cè)量值為-40，在RSTD_2260 到RSTD_10451的范圍內(nèi)resolutionStep 為0.5，因此RSTD 對(duì)應(yīng)到-20 個(gè)Ts，1 個(gè)Ts 的傳播距離大約是9.8 m，20 個(gè)Ts 的距離為196 m，這符合測(cè)試結(jié)果88.33%的測(cè)試點(diǎn)達(dá)到200 m以內(nèi)的定位精度。

3 NB-IoT定位的應(yīng)用

定位的功能提高了NB-IoT系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用潛力，按照NB-IoT定位精度，可以應(yīng)用于以下一些業(yè)務(wù)。

a）對(duì)定位精度要求很低，達(dá)到500 m 精度的情況下，可以用在無人放牧、植物狀態(tài)監(jiān)控等場(chǎng)景。

b）對(duì)定位精度要求比較適中，達(dá)到200 m 精度范圍內(nèi)，可以應(yīng)用在一些貨品倉儲(chǔ)、運(yùn)輸跟蹤、物流監(jiān)控等場(chǎng)景。

c）對(duì)定位精度要求比較高，達(dá)到100 m 精度的情況下，可以應(yīng)用在一些特殊人群看護(hù)、寵物跟蹤等場(chǎng)景。

d）對(duì)定位精度要求很高，達(dá)到50 m 精度的范圍內(nèi)，可以應(yīng)用在共享單車、可穿戴設(shè)備定位跟蹤、老人/兒童防走失等場(chǎng)景。

目前基于NB-IoT的定位技術(shù)，定位精度還不能和GPS 一較高下，對(duì)于超高精度定位需求，如1 m 的定位精度，目前只能利用GPS進(jìn)行定位。

4 結(jié)束語

本文對(duì)NB-IoT R14版本所提出的OTDOA 定位技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究。通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)OTDOA 的定位功能，并對(duì)定位測(cè)量精度進(jìn)行了分析，對(duì)于OTDOA 的定位精度提升，需要系統(tǒng)有更高的采樣率來減少時(shí)延分辨度，同時(shí)需要加強(qiáng)定位算法的研究用于提升定位精度。