LTE定位技术

摘要：这篇文章首先从现有市场和未来应用两方面,提出了LTE终端无线定位技术的研究背景和应用意义；比较了现有的各种无线定位系统及它们所采用的定位技术；概况了LTE系统所具有的特点；然后分析了LTE标准定位协议（LPP）所提出的解决方案和处理流程；最后阐述了LTE终端无线定位技术所面临的困难和挑战。关键词：LTE系统无线定位定位方法由于无线信道所具有的不确定性，使得无线信号在传送过程中会受到噪声干扰、路径损耗、多径衰落和阴影衰落等因素影响，这些干扰将进一步导致无线信号的功率衰减和时延扩展，造成无线定位系统很难达到较高的定位精度。尽管在该领域的研究工作困难重重，但是该项技术应用前景广泛，研究它仍然具有重要的实际意义。首先，第三代移动通信技术已经进入商用阶段，“演进型3G”（E3G）技术成为通信行业的关注焦点，其中，以OFDM为核心的长期演进(LTE)技术已经成为研究领域的热点。最近十年，移动通信业一直保持稳步快速的增长，随着技术的继续发展，3G移动通信产品终将全面占据市场，LTE技术在3G时代必然得到大量应用。其中，位置服务作为增值业务之一，也将继续创造价值，除了车辆导航，目标跟踪等传统业务，交互式游戏、地理信息处理、交通报告以及娱乐消息等新业务都将成为增长点，带给用户更加丰富的3G体验。预计2012年，全球过半用户将体验到3G终端定位服务带来的便利。其次，不断增加的用户对定位业务的需求与现有定位系统资源的落后和定位方式的单一化产生矛盾。随着基站数目的增加、移动终端的智能化，用户对移动台定位的要求越来越高。1996年，美国联邦通信委员会（FCC）公布了E-911（Emergencycall‘911’）法规，对定位服务做出了详细规定，要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67%；在2001年以后，定位系统必须提供更高的定位精度：基于移动台主动发送位置信息的定位方式，在67%的概率下定位精度为50m，在95%的概率下定位精度为150m；基于网络的定位方式，在67%的概率下定位精度为100m，在95%的概率下定位精度为300m。美国FCC的这一规定明确了提供E-911定位服务是3G网络必备的基本功能。此外，欧洲和日本的相关组织也对定位服务做了相应要求，并在很多方面达成一致。另外，如今的定位主要集中在利用GPS系统实现定位功能，方式过于单一，定位时间比较长，基于LTE网络的定位可以丰富定位方式，缩短位置找寻时间，使相关业务，如车辆寻路、餐馆位置查询等得到更好地应用。第三、有利于国防建设和国家安全。现代战争越来越趋向于信息战和情报战，位置信息往往是重要的情报信息。在战场上，截获敌方发送的无线电信号，解得敌方位置，是军队作战的重要保证。陆军单兵作战，通过定位系统，获知同伴地理位置，实现对敌方的突袭。现代社会，截获不法分子无线电信号，预防和获知不法分子的违法行为，对国家和人民的生命财产安全同样意义重大。在重点地区进行布网监控，可以有效阻止不法分子的破坏行动。1各种无线定位系统及基本定位技术无线定位技术基本原理是：已知的多个固定信标（如基站、定位服务中心）或移动台通过采集无线信号中的定位参数，实现对目标位置的解算或估计。1.1无线定位系统目前，主要的无线定位系统可分为以下几类：1.1.1网络定位系统此类系统主要是固定信标利用从移动台发送的上行链路信号，获取定位参数，进行目标位置解算，也被称为被动定位系统。其定位过程是多个固定信标同时检测和采集移动台发送信号，各信标通过相同的方法提取定位参数，随后送到网络中的定位服务中心（LocationServer），解算得到移动台位置信息。整个过程，移动台只负责发送信号，不参与解信号工作，并且会受到信号远近效应的影响。1.1.2移动台定位系统此类系统主要是移动台利用从固定信标发送的下行链路信号，获取定位参数信息，进行目标位置解算，也被称为主动定位系统。其定位过程是多个固定信标同时发送定位参考信号，移动台检测和采集信号并解算出相关参数，然后将参数送到定位服务中心，解算移动台位置信息。整个过程，移动台始终处于主动呼叫状态，并且需要进行定位参数求解。此类系统的移动台设计较复杂，定位参数也需要根据特定需求进行特殊设计。1.1.3网络辅助定位系统此类系统也是基于在移动端的定位方式，其定位过程是首先由多个固定信标检测和采集移动台发送的信号，再将解得的定位参数反送回移动台，移动台利用自身集成的定位模块进行位置解算。此类系统中，移动台既是信号的发送者，又是最终位置信息的解算者，整个网络辅助移动台获得定位参数信息。1.1.4移动台辅助定位系统此类系统是基于网络的定位方式，其定位过程是由多个固定信标发送定位参考信号，移动台检测和采集接收到的信号，并解算得到定位参数，最后将定位参数送回网络，由主信标计算出目标位置。此系统需要移动台解算定位参数，但不需要进行位置坐标的最后求解。1.2基本定位技术以上各类定位系统，所采用的定位思路基本相似，都是通过解算已获得信号中的某种定位参数，实现对移动台位置坐标的估计，其采用的定位技术主要有以下这些1.2.1场强检测定位技术此类技术主要是根据信号强度与信号传输距离呈反比的关系，来进行移动台位置的估计。其实现方法是多个接收机通过检测发射机发送的信号，采集多个信号强度，通过构造信号强度与传输距离的关系式，计算出信号传输距离值，最后将距离值作为定位参数，进行位置解算。由于在实际环境中，无线信道的不确定性很强，此类方法的距离估计很难达到较高的精度，所以接收机和发射机需要不断调整传输信号的方式和强度值，来满足特定信道环境下的定位精度。但由于此类技术设计成本较低，实现较容易，所以常用做辅助定位技术作为定位系统的一种参考。1.2.2角度检测定位技术(AOA)此类技术主要是接收天线根据收到信号的入射角度判断移动台的方向，进而进行位置坐标的估计。其实现方法是接收天线阵利用检测到的多个信号入射角，判断信号的到来方向，通过多个方向值，计算出目标的位置，如图1.1所示。这种技术需要天线阵的加入，对接收端的系统设计提出很高的要求，若与其他定位技术结合使用，此技术能够实现单接收机定位功能。在中、短距离定位系统中，AOA定位技术具有优势，但是在长距离定位系统中，信号入射角的微小偏差会导致目标位置估计的较大偏差，这也造成了此技术在长距离定位系统中使用的局限性。1.2.3时延检测定位技术时延检测定位技术是目前定位系统中使用较为广泛的一项技术，其原理是接收机利用检测到的多个信号时延，建立定位方程组，进行目标位置的解算。时延检测又分到达时延（TOA）检测和到达时延差（TDOA）检测两种，其中，TOA检测方式需要网络有严格的时间同步，系统设计的复杂度较高，TDOA检测是TOA检测方式的改进，降低了网络的时间同步要求，易于工程实现，技术实现如图1.2。基于时延检测技术产生了很多经典定位算法。1.2.4混合定位技术混合定位技术是将以上的两种或三种定位技术混合使用，如TOA-TDOA、TDOA-AOA、TOA-AOA等，检测并提取相关定位参数，用于定位解算。目前，混合定位技术是无限定位研究领域的新趋势，具有光明的发展前景。2LTE系统的特点2.1LTE物理层帧结构与时隙结构3GPP工作组对LTE技术的研究工作主要集中在物理层，空中接口协议和网络架构几个方面，目前的LTE物理层技术研究主要针对频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种双工方式，这里介绍下FDD帧结构和时隙结构。图2.1所示为FDD帧结构。在FDD帧结构中，10个长度为1ms的子帧组成一个无线帧，每个子帧又是由2个长度为0.5ms的时隙组成，时隙的编号分别为0~19。图2.2所示的是一个时隙中传输的信号。这部分信号是由子载波和OFDM符号组成，其中，DLRBN大小由小区中下行传输带宽的配置决定。循环前缀长度和子载波间隔决定了一个时隙中的OFDM符号个数，如表1所示。2.2下行链路采用OFDM符号LTE下行链路采用OFDM符号，增大了信号带宽，定位算法里涉及到的定位参数（如TOA/TDOA）的估计精度与信号带宽相关。LTE下行链路的最大信号带宽能够达到20MHz，这对提高定位参数估计精度有极大好处。表2给出了几种移动通信系统的最大测距误差比较。2.3多输入多输出（MIMO）技术多天线阵使得MIMO技术在LTE系统中的应用成为可能，多天线阵的加入丰富了系统的定位手段，不仅有利于开发混合定位模型，而且有助于系统定位的快速实现。2.4LTE各小区间采用了严格的同步机制基站间同步问题是终端无线定位的关键之一，3G基站间采用了高精度的同步方案，如GPS授时同步方案、北斗授时同步方案、1588方案等，使得基站间的时间同步问题得到很好解决，这有助于时延参数的准确估计，对最终的目标位置估计有较大影响。2.5定位导频信号在3GPPLTER9的规范里，对定位导频信号做了专门的规定，定位信号能够通过特定的天线端口发送到接收端，这可以减小定位信号与有用数据之间的相互干扰，让LTE定位的商用化速度加快。3LTE标准定位解决方案及处理流程3.1定位解决方案根据LTE定位协议，3GPP组织已经将增强型小区ID（E-CellID）定位方法、检测到达时间差（OTDOA）定位方法和全球卫星导航系统辅助（A-GNSS）定位方法列为三种标准化的定位解决方案。如图3.1所示。图中移动台需要进行的定位参数测量由具体的定位方法决定，卫星系统或基站作为固定信标，发送用于定位的参考信号，移动台解算接收信号，得到测量参数；定位服务中心的目的是获得一个或多个移动台位置信息，利用得到的测量参数或辅助信息，进行移动台位置坐标计算。定位方案的标准化为定位系统的设计提供了参考。3.1.1A-GNSS定位方法该方法用于集成了GNSS接收模块的移动台。当GNSS用于支持LTE的网络时，网络提供的辅助GNSS接收机对移动台定位性能的改善有：减少移动台GNSS启动和捕获时间，使定位过程显著加速；增加移动台GNSS灵敏度；相比于单独的GPS接收模块，辅助GNSS模块功耗更低。3.1.2OTDOA定位方法该方法是在基站端将定位参考加入到待发送的下行链路信号中，移动台对接收到的多个下行链路信号与本地信号做相关运算，解得TDOA值。由于定位参考信号已知，所以可以通过增加定位参考的功率来减弱远近效应对接收端的影响。此方法定位精度较高，目标搜索时间较短。3.1.3E-CellID定位方法增强型小区ID定位方法是根据移动台所在蜂窝网络的小区或扇区来断定移动台的位置坐标。小区搜索完成过后，基站能够得到移动台的小区信息，由于移动台可能存在于小区内的任何位置，所以该方法的定位精度取决于小区的面积大小。E-CellID定位方法成本低，移动台搜索时间短、易于实现、可信度高，所以能够用于定位系统粗略估计移动台位置。三种定位方法各有优势，在LTE定位系统里形成互补。在一次定位过程当中，对定位方法的选择取决于实际应用。表3是对三种定位方法特点的归纳。3.2定位处理流程在LTE定位系统中，不管是来自移动台定位请求还是网络呼叫，定位服务中心都将进行如下处理：(1)确定一个或多个参考基站，参与到一次定位过程中。(2)接收来自移动台或基站端求解得到的定位参数。(3)将定位参数发送到计算模块，对移动台位置进行解算。(4)执行坐标变换。(5)将位置解算结果送回LTE网络中，完成与位置信息相关的其他业务。移动台与定位服务中心之间的信令交互过程如图3.2所示。首先，定位服务中心向移动台发送定位能力请求信令，移动台收到信令后，回复相应的定位能力信息，包括可利用的硬件资源、定位解算能力、信号质量等。接着，移动台向定位服务中心发送定位辅助请求信息，定位服务中心收到信号后，回复相应辅助信息，其中包括对移动台位置的预判、相关地理信息、需要采用的定位方法以及定位参数的形式，这个过程会通过双方的多次交互来完成。最后，移动台解算定位信号，得到相关定位参数，并将参数回传给定位服务中心，利用相