摘要：隨著“信息化”“數(shù)字化”的蓬勃發(fā)展，各種基于無(wú)線信號(hào)進(jìn)行位置跟蹤的應(yīng)用需求被提出，其中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)：一是最低成本建設(shè)，二是提高跟蹤的精度。對(duì)此，提出了一種基于智能切換天線實(shí)現(xiàn)LTE/NR信號(hào)跟蹤的方法，該方法通過(guò)片載切換開(kāi)關(guān)電路取代了體積較大、時(shí)延較長(zhǎng)的邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)天線之間的任意切換。采用低功率發(fā)射，極大地降低了成本、減少了環(huán)境干擾，提升了使用壽命?？蓱?yīng)用于不同天線之間時(shí)分切換的場(chǎng)景，有利于產(chǎn)品更精確控制切換時(shí)間，使用一臺(tái)設(shè)備即可精準(zhǔn)跟蹤終端信號(hào)的出現(xiàn)位置。

關(guān)鍵詞：信號(hào)跟蹤；切換天線；時(shí)分切換；LTE；NR

一、前言

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及智能設(shè)備的發(fā)展，人們的位置信息成為諸多應(yīng)用的關(guān)鍵信息。位置信息作為記錄人們生活軌跡的重要數(shù)據(jù)成為多種應(yīng)用的核心數(shù)據(jù)源。位置信息分為室外位置信息與室內(nèi)位置信息，室外位置信息可以應(yīng)用于智慧城市系統(tǒng)、出行導(dǎo)航系統(tǒng)、基于位置信息的廣告服務(wù)和便民服務(wù)等；室內(nèi)位置信息服務(wù)可以應(yīng)用于智慧家庭、室內(nèi)信號(hào)跟蹤、室內(nèi)導(dǎo)航、室內(nèi)安全、醫(yī)療監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域[1]。目前主流的室內(nèi)信號(hào)跟蹤技術(shù)有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB），射頻識(shí)別（RFID）等[2]。這些技術(shù)都需要目標(biāo)攜帶額外的硬件，基站安裝在一個(gè)固定的地方，作為位置的基準(zhǔn)點(diǎn)。標(biāo)簽安裝在被跟蹤的人員身上，通過(guò)基站獲取標(biāo)簽的位置，通過(guò)標(biāo)簽也可以知道自己的位置[3]。Wi-Fi技術(shù)則需要終端打開(kāi)Wi-Fi，在實(shí)際使用時(shí)存在局限性。但是現(xiàn)在的終端幾乎實(shí)時(shí)開(kāi)啟LTE/NR信號(hào)，本文基于LTE/NR信號(hào)對(duì)終端進(jìn)行跟蹤，通用性更強(qiáng)。

二、信令跟蹤原理

（一）TA

定時(shí)提前（Timing Advance，TA），一般用于終端（User Equipment，UE）的上行傳輸，指為了將終端上行包在希望的時(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，提前發(fā)出數(shù)據(jù)包。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)精確跟蹤[4]。基站根據(jù)RRCSetupRequest消息來(lái)判斷此條RRC鏈接就是目標(biāo)終端[5]，從而持續(xù)解析上行信道的場(chǎng)強(qiáng)。在此過(guò)程中，基站會(huì)不斷地跟目標(biāo)終端進(jìn)行信令交互，讓目標(biāo)持續(xù)產(chǎn)生上行數(shù)據(jù)。

（二）終端接入流程

終端處于空閑狀態(tài)，且在多個(gè)小區(qū)間移動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)小區(qū)重選保證能夠一直連接在信號(hào)最好的小區(qū)。而重選過(guò)程中需要使用的2種算法：S準(zhǔn)則與R準(zhǔn)則。

S準(zhǔn)則：只有SrxLev大于0且Squal大于0 的小區(qū)才能夠被終端接入。

R準(zhǔn)則：終端計(jì)算出所有符合S準(zhǔn)則的小區(qū)的R值，并按照R大小進(jìn)行排序，排在第一位的小區(qū)將被認(rèn)為是最優(yōu)小區(qū)。

為了判斷小區(qū)，終端必須開(kāi)啟測(cè)量，這是終端初始接入小區(qū)和重選接入小區(qū)的前提。終端連接到服務(wù)小區(qū)（宏站）后，會(huì)持續(xù)測(cè)量服務(wù)小區(qū)的RSRP/RSRQ。以便終端重新選擇合適的小區(qū)（重選或切換）。測(cè)量又分同頻測(cè)量、異頻高優(yōu)先級(jí)測(cè)量、異頻同優(yōu)先級(jí)或者低優(yōu)先級(jí)測(cè)量。然后，根據(jù)重選優(yōu)先級(jí)的不同，重選可以分為往高優(yōu)先級(jí)小區(qū)重選、同優(yōu)先級(jí)小區(qū)重選、往低優(yōu)先級(jí)小區(qū)重選。其中，往高優(yōu)先級(jí)小區(qū)重選是綠色方案，對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)的干擾最小。

往高優(yōu)先級(jí)小區(qū)重選，需要滿足如下條件：

1.SIB3中有字段threshServingLowQ，且終端已在服務(wù)小區(qū)駐留超過(guò)1s。

2.鄰小區(qū)滿足Srxlevgt;ThreshX， HighP，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)t-ReselectionEUTRA。

舉例說(shuō)明：

服務(wù)小區(qū)SIB5中38950頻點(diǎn)的threshX-High為8，換算為16；Qrxlevmin為-62，換算為-124；t-ReselectionEUTRA為1。

要滿足條件：Srxlevgt;ThreshX，HighP。

代入公式，即Qrxlevmeas-124gt;16。則終端測(cè)量到該鄰居的RSRP大于-108，且持續(xù)超過(guò)1秒，終端可往該小區(qū)重選。

鄰小區(qū)（38950）SIB1中Qrxlevmin為-63，換算為-126。鄰小區(qū)RSRP測(cè)量值Qrxlevmeas為-88，再次代入公式，即：Srxlev=-88-（-126）=38。

Srxlev=38gt;0。鄰小區(qū)Qqualmin參數(shù)未設(shè)置，默認(rèn)無(wú)窮大，滿足Squalgt;0。

鄰小區(qū)滿足S準(zhǔn)則，終端可以接入該小區(qū)。

當(dāng)終端接入小區(qū)，并留下特征信息后，設(shè)備使用拒絕原因15將終端釋放，終端回原有網(wǎng)絡(luò)。釋放拒絕原因值使用15，由于3GPP協(xié)議的規(guī)定周期內(nèi)終端只會(huì)被采集一次，終端300秒內(nèi)不再接入小區(qū)。

三、天線選擇開(kāi)關(guān)

選擇天線最直觀而又最容易的方法仍是使用圖1所示的開(kāi)關(guān)S1，S1可以為普通的機(jī)械開(kāi)關(guān)，也可以為常見(jiàn)的電子開(kāi)關(guān)如CD4066，其中J1、J2、J3、J4、J5為高頻信號(hào)輸入、輸出接插件，外層屏蔽層接地，這時(shí)開(kāi)關(guān)S1的高頻損耗不可忽視[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)比，最終選擇成熟ADI HMC7992芯片。HMC7992是一款通用型、非反射式、0.1 GHz至6.0 GHz、單刀四擲（SP4T）硅開(kāi)關(guān)，采用無(wú)引腳、表貼封裝。 該開(kāi)關(guān)適合蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，提供45 dB（典型值）的高隔離度（2 GHz）和0.6 dB的低插入損耗（2 GHz）。 它提供高達(dá)6.0 GHz的出色功率處理能力，在5 V工作電壓時(shí)提供35 dBm的1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB）輸入功率。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括射頻芯片、切換開(kāi)關(guān)電路、射頻接口電路。射頻芯片包括控制處理單元和信號(hào)處理單元，切換開(kāi)關(guān)電路包括天線在位檢測(cè)模塊和開(kāi)關(guān)電路模塊，射頻接口電路包括多路收發(fā)天線。

控制處理模塊與射頻處理模塊集成在射頻芯片中?？刂颇K負(fù)責(zé)設(shè)備的配置管理，并根據(jù)預(yù)設(shè)配置和實(shí)際硬件情況，控制信號(hào)的選通。射頻處理模塊負(fù)責(zé)LTE/NR協(xié)議中。設(shè)備啟動(dòng)后，控制模塊根據(jù)用戶配置和天線在位檢測(cè)模塊的反饋值生成切換算法。

在切換算法生成以后，控制模塊通過(guò)GPIO將控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送到切換開(kāi)關(guān)電路。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射頻處理支持LTE TDD、LTE FDD、NR TDD與NR FDD，采用三塊基帶處理板，其中NR基帶板支持雙載波。每個(gè)載波基帶板根據(jù)TX與RX方向提供兩個(gè)RF接口，分別連接到對(duì)應(yīng)的功放。功放同樣根據(jù)信號(hào)方向，將TX信號(hào)放大輸出到天線，將接收信號(hào)放大輸入給基帶板。針對(duì)室內(nèi)樓宇環(huán)境，采用低功率發(fā)射方案，每路功放的額定功率為500毫瓦。相比于高功率設(shè)備，低功率設(shè)備的成本更低、使用壽命更長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境的影響更小。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同，將TX信號(hào)與RX信號(hào)分開(kāi)處理。這是因?yàn)門(mén)X通路疊加了多路基帶板的放大信號(hào)，每一路基帶的功率雖然小，但多路疊加后總功率變大。高功率的輸入會(huì)給天線選擇開(kāi)關(guān)的輸入端造成壓力，影響使用壽命。雖然可以選擇高功率的切換芯片，但芯片成本也會(huì)幾十倍地增加。另外當(dāng)開(kāi)關(guān)的輸入端為高功率時(shí)，開(kāi)關(guān)的通道隔離度必須做到很高，否則會(huì)有信號(hào)從其他非選通通道泄漏，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤采集。單純?cè)黾佑布綦x度設(shè)計(jì)是不可商業(yè)化的，成本會(huì)大幅增加，同樣增加的還有設(shè)備的體積。由此帶來(lái)很多額外問(wèn)題，譬如散熱、使用壽命等。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐調(diào)試，最終將TX與RX信號(hào)分開(kāi)，TX信號(hào)保持長(zhǎng)輸出（不切換），RX信號(hào)通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)輪詢選通接入。如此規(guī)避了選擇開(kāi)關(guān)高功率輸入和通道隔離不徹底的實(shí)際問(wèn)題。最重要的是，可以選用低階的芯片，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅縮小了整機(jī)成本。圖2是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，4模3路輸出。這個(gè)結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)模式。當(dāng)需要擴(kuò)充基帶，或者輸出通路時(shí)，只需要調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的功分/合入器件。主控板是整套系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)所有設(shè)備的管理面控制。它與切換開(kāi)關(guān)通過(guò)GPIO通信，主控板負(fù)責(zé)切換的時(shí)序。

（三）軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線信號(hào)的切換，不是想象中的立刻有與立刻無(wú)兩種狀態(tài)。關(guān)閉基帶信號(hào)，指的是關(guān)閉發(fā)射機(jī)的發(fā)射，但之前產(chǎn)生的信號(hào)還存在于空間，需要一定時(shí)間后能量才會(huì)消失。因此在TDD的時(shí)隙設(shè)計(jì)中發(fā)射轉(zhuǎn)接收時(shí)需要加入一個(gè)保護(hù)間隔，避免自己發(fā)射的信號(hào)被自己接收。在本系統(tǒng)中也存在類(lèi)似問(wèn)題，切換開(kāi)關(guān)可以在微秒級(jí)別完成一次天線切換，但是軟件的處理通常是毫秒甚至秒級(jí)別的，這就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前軟件正在處理天線1的數(shù)據(jù)，但因?yàn)榘l(fā)生切換，底層通知軟件這是天線2的數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。

圖3是軟件通用切換時(shí)序圖，其中GI是保護(hù)間隔，默認(rèn)配置100毫秒。軟件啟動(dòng)后，先切換到天線1，在切換到天線2前進(jìn)入保護(hù)間隔，以此類(lèi)推。

實(shí)際調(diào)試時(shí)保護(hù)間隔有種實(shí)現(xiàn)方式，最常見(jiàn)的是關(guān)閉整機(jī)的發(fā)射。但實(shí)際使用時(shí)存在問(wèn)題，基帶板與主控板間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，基帶板接收到主控板下發(fā)的停止命令，再到實(shí)際關(guān)閉發(fā)射，這段時(shí)間不可精確控制。雖然可以通過(guò)加大保護(hù)間隔的方式應(yīng)對(duì)，但這樣做提高了占空比，犧牲了整體的效率。一個(gè)有效的解決方案是將切換開(kāi)關(guān)的一路接負(fù)載，保護(hù)間隔時(shí)將天線接入到該通道，既阻斷了外部通信，也精確控制了保護(hù)時(shí)間。

最初情況下，每個(gè)天線采集停留的時(shí)間，需要保證最低2秒。需要保證終端RRC接入信令A(yù)tach request Msg到采集到終端信息，最后采集設(shè)備發(fā)出RRCConnectionRelese，一個(gè)完整的信令流程走完，否則不能保證采集終端信息。但初調(diào)試的采集率并不高，因?yàn)榘凑Ｄ贻p人步行速率1秒1.5米計(jì)算，通過(guò)10米的距離需要6.6秒，通過(guò)5米的距離需要3.3秒。在樓宇中，信號(hào)的覆蓋距離往往就是5～10米間，部分車(chē)庫(kù)可以達(dá)到15米。這就導(dǎo)致輪詢天線1時(shí)，其他天線下的行人快速通過(guò)，未能被系統(tǒng)感知。通過(guò)仔細(xì)分析信令流程發(fā)現(xiàn)，時(shí)間主要消耗在信號(hào)測(cè)量階段，即終端進(jìn)入信號(hào)覆蓋區(qū)域后需要至少1秒的時(shí)間測(cè)量信號(hào)，滿足重選條件后才會(huì)接入小區(qū)。而接入小區(qū)耗時(shí)很短，只需要150毫秒左右。為此改進(jìn)了方案，即下行信號(hào)長(zhǎng)發(fā)，終端進(jìn)入?yún)^(qū)域就會(huì)開(kāi)始測(cè)量信號(hào)，未輪詢到該區(qū)域時(shí)，終端實(shí)際處于待接入狀態(tài)，只要信號(hào)切換到該區(qū)域，終端可以在150毫秒內(nèi)完成接入。

150毫秒是單個(gè)終端接入時(shí)間，考慮到并發(fā)接入，調(diào)整單個(gè)天線停留的時(shí)間（輪詢周期定時(shí)器）為600毫秒到1秒。這個(gè)參數(shù)需要根據(jù)時(shí)間場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整，譬如3天線覆蓋，最短覆蓋距離為5米，那么設(shè)置輪詢周期定時(shí)器為1秒時(shí)，信號(hào)占空2.3秒（0.1+1+0.1+1+0.1）后回歸，可以滿足行人3.3秒的通過(guò)時(shí)間。

當(dāng)信號(hào)覆蓋區(qū)域大于5米，可以增加輪詢周期定時(shí)器。當(dāng)覆蓋天線路數(shù)增多時(shí)，就需要縮短該定時(shí)器。但天線路數(shù)并不能夠無(wú)限增加，需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行規(guī)劃，一般公式為：（T1+0.1）×（n-1）lt;T2，T1為輪詢周期，n為天線數(shù)，T2為最小通過(guò)時(shí)間。按最小通過(guò)時(shí)間5秒，最小輪詢周期600毫秒計(jì)算，最大天線數(shù)為8路。

基帶板通過(guò)通信協(xié)議實(shí)時(shí)上報(bào)采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，基帶板功能獨(dú)立，感知不到外部的天線切換操作。輪詢控制模塊同樣功能獨(dú)立，它只負(fù)責(zé)輪詢控制，并將當(dāng)前的天線ID與時(shí)間寫(xiě)入共享內(nèi)存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，負(fù)責(zé)將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整合，根據(jù)時(shí)間將不同時(shí)間段內(nèi)采集的數(shù)據(jù)歸納到不同的天線集合中。

采集到的所有終端信息都會(huì)與采集時(shí)間和天線編號(hào)綁定，最終根據(jù)天線編號(hào)與位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可描繪出終端的移動(dòng)軌跡。

五、實(shí)際應(yīng)用及總結(jié)

以獨(dú)棟高層（小高層）建筑物為例，共有2個(gè)地面單元門(mén)，共用一個(gè)地下車(chē)庫(kù)入口，即總?cè)肟跒?個(gè)。想要跟蹤所有出入行為，必須覆蓋所有的入口，因?yàn)樾腥丝梢詮能?chē)庫(kù)進(jìn)，再?gòu)能?chē)庫(kù)坐電梯或者走樓梯上高樓，反向亦然。這種情況下，不管是電梯中的攝像頭還是車(chē)庫(kù)入口的車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)，都無(wú)法檢測(cè)、記錄該行人的蹤跡。在實(shí)際部署場(chǎng)景下，經(jīng)過(guò)多輪驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，即在合理移動(dòng)速度下可以達(dá)到97%以上的采集準(zhǔn)確率。

參考文獻(xiàn)

[1]邵子灝，楊世宇，馬國(guó)杰.室內(nèi)信息服務(wù)的基礎(chǔ)——低成本定位技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2022，49（09）：228-235.

[2]何瑩瑩，保駿，劉朋，等.室內(nèi)定位技術(shù)在校園位置服務(wù)中的應(yīng)用與探索[J].科技與創(chuàng)新，2022（22）：22-28.

[3]趙爽.基于超寬帶技術(shù)的三維空間人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，42（04）：306-312.

[4]張海，王冬海.LTE中基于TA測(cè)量的終端定位研究[J].通信技術(shù)，2019，52（07）：1666-1670.

[5]崔建國(guó)，寧永香.基于PIN二極管的低損耗電子式天線開(kāi)關(guān)[J].山西電子技術(shù)，2023（01）：70-71+75.

作者單位：江蘇省泰州市公安局

責(zé)任編輯：周航