CN102131289A - 一种基于快速时延参数搜索的lte终端无线定位*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，在频域相关器（202）中，与本地信号做频域相关，在判断器（203）中做相关峰值判断，并将反馈信息给到数据调整器（204），做滑动窗变换，判断得到最大峰值并记录下峰值所在位置，读取存储器（205）中的数据，并给到时域相关器（206）做时域相关运算，得到最大相关峰值并记录下时延位置，最后信号经过NLOS抑制器（207），抑制NLOS影响，并在计算器（208）中，解算出目标位置。本发明适合于LTE通信***，在不同噪声干扰环境下都有良好的应用价值，相对于传统工程***，本***定位速度快、定位精度高，有广泛的工程实现意义。

Description

一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***

技术领域

本发明属于通信技术领域，如移动通信、无线通信，特别涉及“演进型3G”无线通信***、LTE无线蜂窝通信、无线局域网等移动通信领域对移动台进行目标位置估计的一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***。

背景技术

LTE(Long Term Evolution，长期演进，被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术)，LTE终端无线定位主要是指通过解算基站发送的LTE下行链路信号来得到相关定位参数，进而确定移动台位置坐标。由于无线信道所具有不确定性，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了无线信号的功率衰减和时延扩展，造成无线定位***很难达到较高的定位精度。

如图1所示，其中101是***射频，102是传统的时域相关器，103是传统的频域相关器，104是计算器，做最后的定位解算。传统的定位参数求解的工作过程：信号经解调后，直接与本地定位参考信号进行时域相关操作，得到信号的时延粗估计，然后，将信号转换到频域，通过频域相关，对信号相位进行纠正的方法，得到信号时延的精确估计。传统的终端解算定位参数方法是通过对接收信号与本地信号做相关运算，判断相关峰位置，得到时延参数。针对LTE***，文献“A Novel Location Finding System for 3GPP LTE”中提出了一种解信号方法。该方法通过将小区搜索的导频信号与本地信号做时域相关运算，对时延参数进行求解。该方法的信号格式简单，可利用性较高，设备的硬件复杂度不高，易于实现，但是，计算复杂度较高，一次时延搜索所消耗的时间较长，迭代次数过多，不利于实时性要求较高的***。文献“A TDOA Location Scheme in OFDM Based WMANs”中提出了一种针对OFDM信号的解时延参数方法。该文献较全面地分析了解调多载波信号的方法，对于时延求解中，整数部分时延和小数部分时延的求解给出了完整的数学推导。但是该方法偏重于理论分析，推导过程很复杂，计算量较大，不利于工程实现，对于实际环境中的NLOS问题，也未能给出明确的抑制方法。第三代移动通信技术已经进入商用阶段，以OFDM为核心的LTE技术已经成为通信行业的关注焦点，在无线通信高速发展的今天，实时性、易实现是***设计追求的目标。

发明内容

本发明的主要目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种定位速度快、定位精度高的基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，包括***射频模块，频域相关器，判断器，数据调整器，存储器，时域相关器，NLOS抑制器，计算器，其中***解调出时域信号r后，经过傅里叶变换，变成频域信号R，在频域相关器中，与本地信号做频域相关，在判断器中做相关峰值判断，并将反馈信息给到数据调整器，做滑动窗变换，判断得到最大峰值并记录下峰值所在位置，读取存储器中的数据，并给到时域相关器做时域相关运算，得到最大相关峰值并记录下时延位置，最后信号经过NLOS抑制器，抑制NLOS影响，并在计算器中，解算出目标位置。

所述频域相关器是利用LTE下行链路的符号循环前缀(CP，Cycle Prefix)部分，使得滑动相关窗每次的调整步长为CP长度，并将接收信号与本地信号在频域进行相关运算。

所述时域相关器(206)将经过频域相关运算后的信号，变换到时域，滑动相关窗每次调整的步长为1个采样点，并将接收信号与本地信号在时域进行相关运算。

所述计算器用0.618法，做时延参数的精确估计，将接收信号的两倍采样点x₁、x₂分别与本地时域信号s(t)做相关运算，并不断更新相关结果peak1、peak2，判断peak1、peak2，若peak1≥peak2，则x₂向x₁方向移动0.382步长，并更新x₂采样点，记为x3，若peak1＜peak2，则x₁向x₂方向移动0.382步长，并更新x₁采样点，记为x3；采样点x3与本地时域信号s(t)做相关运算，得到峰值peak3，对应的时刻记为t3。

所述NLOS抑制器(207)用设置噪声门限的方法，抑制NLOS噪声，先采集噪声与本地信号相关结果的均值：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{aver}=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j^2\\ d_j^2=\underset{t=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|s_w\left(t\right)\×n_j^{*}\left(t\right)|}^2,j=\mathrm{0,1},M-1\end{array}\right.$

再建立噪底L，噪底与噪声相关均值的关系为：

$6\mathrm{dB}=10{\log }_{10}\frac{L}{\mathrm{aver}}$

最后，认为峰值大于L的第一条相关峰径为信号的LOS径，其余的均为NLOS径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用CP信息和定位参考信号，通过接收端对收到信号做相关运算，求得时延参数，并进行移动台位置坐标解算。由于整个过程在小区搜索之前，所以利用CP信息，有利于定位参考的快速搜索；0.618法的应用，有利于时延精度的提高；NLOS抑制方法，有利于对接收信号LOS径的辨别。以上三个特点，使得本发明具有很高的工程意义和商业价值；从***设计角度，提出了一种迭代次数少，易于工程实现的方法。该方法处理过程简单，***易于实现，无需对信号进行多次测量，无需建立专门的数据库。在城市复杂环境中，对NLOS干扰具有良好的抑制作用，适应环境的能力强，实时性强；本发明用于LTE蜂窝通信网络中对移动台位置坐标进行估计，能够在较短的时间内，解算出移动台坐标，在非视距传播(NLOS)严重的环境下，通过相关峰门限检测的方法，确定视距传播(LOS)径，增强定位***抗NLOS干扰的能力。即该***有效利用LTE下行链路信号中的CP信息，实现在时间轴上对定位参考信号的快速搜索；再利用0.618法，寻找相关运算最大峰值，精确估计时延参数；然后利用NLOS抑制方法，可在NLOS环境中辨别出接收信号的LOS径；最后建立几何定位方程，求解出移动台位置坐标。本发明适合于LTE通信***，在不同噪声干扰环境下都有良好的应用价值，相对于传统工程***，本***定位速度快、定位精度高，有广泛的工程实现意义。

附图说明

图1为采用传统方式的无线终端定位参数求解图；

图2为本发明的***原理图；

201是***射频模块，202是频域相关器，203是判断器，204是数据调整器，205是存储器，206是时域相关器，207是NLOS抑制器，208是计算器；

图3是本发明中的频域相关器；

301是存储器，302是FFT模块，303是本地信号产生器，304是一组相关运算器，305是峰值判断器，306是滑动相关窗调整器；

图4是本发明中的时域相关器；

401是存储器，402是本地信号产生器，403是一组相关运算器，404是峰值判断器，405是滑动相关窗调整器；

图5是时延精估计示图；

图6是参与定位的基站和移动台分布示图；

图7是***的平台搭建框图；

图8是***处理流程图；

图9是LTE***带宽和资源块数目对应表；

图10是***中的参数配置。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，包括***射频模块201，频域相关器202，判断器203，数据调整器204，存储器205，时域相关器206，NLOS抑制器207，计算器208，其中***解调出时域信号r后，经过傅里叶变换，变成频域信号R，在频域相关器202中，与本地信号做频域相关，在判断器203中做相关峰值判断，并将反馈信息给到数据调整器204，做滑动窗变换，判断得到最大峰值并记录下峰值所在位置，读取存储器205中的数据，并给到时域相关器206做时域相关运算，得到最大相关峰值并记录下时延位置，最后信号经过NLOS抑制器207，抑制NLOS影响，并在计算器208中，解算出目标位置。

所述频域相关器202是利用LTE下行链路的符号循环前缀(CP，Cycle Prefix)部分，使得滑动相关窗每次的调整步长为CP长度，并将接收信号与本地信号在频域进行相关运算。

所述时域相关器(206)将经过频域相关运算后的信号，变换到时域，滑动相关窗每次调整的步长为1个采样点，并将接收信号与本地信号在时域进行相关运算。

所述计算器208用0.618法，做时延参数的精确估计，将接收信号的两倍采样点x₁、x₂分别与本地时域信号s(t)做相关运算，并不断更新相关结果peak1、peak2，判断peak1、peak2，若peak1≥peak2，则x₂向x₁方向移动0.382步长，并更新x₂采样点，记为x3，若peak1＜peak2，则x₁向x₂方向移动0.382步长，并更新x₁采样点，记为x3；采样点x3与本地时域信号s(t)做相关运算，得到峰值peak3，对应的时刻记为t3。

所述NLOS抑制器207用设置噪声门限的方法，抑制NLOS噪声，先采集噪

声与本地信号相关结果的均值：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{aver}=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j^2\\ d_j^2=\underset{t=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|s_w\left(t\right)\×n_j^{*}\left(t\right)|}^2,j=\mathrm{0,1},M-1\end{array}\right.$

再建立噪底L，噪底与噪声相关均值的关系为：

$6\mathrm{dB}=10{\log }_{10}\frac{L}{\mathrm{aver}}$

最后，认为峰值大于L的第一条相关峰径为信号的LOS径，其余的均为NLOS径。

本发明的具体实施方式是针对实际工程应用，下面通过一个具体案例，给出LTE终端无线定位的具体操作过程。

本发明的组成：由LTE无线终端的定位参数求解(包括图2中的频域相关器202、判断器203、数据调整器204、存储器205、时域相关器206)、NLOS(非视距)干扰抑制(为图2中的NLOS抑制器207)、移动台位置坐标解算(为图2中的计算器208)三部分组成，NLOS影响抑制通过NLOS抑制器207进行误差抑制；定位解算部分通过计算器208进行移动台位置坐标的计算。

一、定位参数求解阶段：

本发明的定位参数求解是基于频域快速搜索和时域相关的模式，包括射频、解调器、本地信号产生器、相关运算器、存储器。

LTE无线终端定位参数求解的工作过程：如图2所示，首先，***产生本地信号，本地信号的格式按照收发端的约定，与LTE发端信号的定位参考格式相同。同时将本地参考信号作为滑动窗，窗口长度为符号长度。接着，***解调从射频处得到的信号，并将信号按相关窗长度，做频域相关处理，重复以上步骤，判断记录下的相关峰值，找到其中最大的一个，并记录该最大值的时刻t_c1，相关窗滑动搜索次数为

这是本发明的主要创新点之一。然后，存储器根据反馈信息，将存储的时域数据通过相关运算器，得到时域相关峰，滑动窗逐点移动，记录下相关峰值，并判断其中的最大值，为了更好地找到定位参考符号的起始点，本地相关窗滑动搜索范围为[t_c1-N_CP，t_c1+N_CP)，记录下最大值所在的时刻t_c2，即为时延值，这是本发明的创新点之一。整个搜索过程所消耗的最大搜索次数为最后，将信号通过时延精估计器，得到时延精确估计结果。

频域快速搜索的工作原理：如图3所示，***解调从射频处得到的信号，***将接收到的时域信号r(t)依次通过滑动窗，对后续接收到的N个数据做快速傅里叶变换(FFT)，变换到频域，对信号做频域非相干累积，记录下相关峰值，并在时域移动CP(循环前缀)步长N_CP，重复以上步骤，判断出最大的相关峰值，并记录该最大值的时刻t_c1

时域搜索的工作原理：如图4所示，根据反馈信息，将存储器数据传出，按照相关窗长度做非相干累积，记录下最大相关峰值所在时刻。

时延精估计器(时延精估计器位于计算器内)的工作原理：时延参数精估计的目的是让接收端对时延参数的估计达到更高的精度。时延粗估计只能满足一个采样周期的时延估计精度，对于更高精度的时间要求，需要对接收信号再进行时延精估计处理。如图5所示，首先，对信号做2倍采样，接着，把采样数据分为两组，分别对应两组采样点x₁和x₂。然后用0.618插值法，对采样点进行更新，得到最佳相关峰值，并记录下相关峰值所在时刻t_f。此时的t_f即为时延估计的最终结果。

二、NLOS干扰抑制

NLSO干扰抑制的工作原理：对接收到的信号做相关运算，得到相关峰值，在复杂城市环境下，信号由于经过多径传播从多条路径到达接收端(NLOS影响)，使得接收端在解信号时，会在时间轴上出现多个相关峰，这对时延估计精度影响很大。NLOS抑制方法的目的是从多条相关峰中得到LOS径，其大致思想为，接收端先计算空间噪声与本地信号相关运算的均值，再在此基础上设置底噪门限，然后依据底噪门限对的定位相关峰值做判断。

具体操作方法：首先在信号到来之前，***采集噪声信号，并将噪声信号与本地参考信号做相关运算，记录相关运算结果。接着，将相关运算结果均值作为底噪均值，并令底噪门限L为底噪均值的6dB。最后，判定相关峰值大于底噪门限的第一条相关峰径为接收信号的直射径。

通过此方法，抑制城市复杂环境中的NLOS干扰影响。

三、移动台位置坐标解算阶段：

移动台位置坐标解算的目的是通过代数或几何方法，获得移动台位置坐标，完成目标位置估计。

图6是参与定位的基站和移动台分布示图。参与定位的基站共有四个，其中一个主定位服务站(如基站A)，三个辅定位服务站(如基站B、基站C、基站D)。主站(如基站A)与移动台距离最近，移动台收到主站到达的信号强度最大，主站的功能主要有：(1)确定移动台的扇区；(2)确定临近参与定位的辅基站位置；(3)提供定位参数。辅站由另外三个基站(如基站B、基站C、基站D)组成。辅站与移动台的距离稍远，移动台收到辅站的信号强度相对较弱，辅站的功能是协助主站发送定位参考信号并完成定位。

图7所示是***的平台搭建框图，***是根据LTE下行物理信道FDD帧结构规范，建立链路；***选择采集/存储方式，对接收信号进行定位参数提取，***的发送和接收均利用一个天线端口。

在基站端，LTE***物理层基带处理器首先对每个子帧进行初始化：扰码序列产生器对待传输的码字加扰，生成比特块，再对比特块符号进行信道编码与交织。初始化完成后，使用QPSK进行信号调制，得到频域复值信号；接着，将复值信号映射到传输层，这里使用的传输分集是FDD模式；再经过预编码处理，将信号映射到天线端口的向量块上；最后，进行RE资源映射、OFDM组帧和数模变换操作，将信号发送到空间信道。

LTE***带宽与资源块数目有如图9的对应关系，本发明***选择的参数选取如图10所示。LTE通过设置不同的子载波数目实现从1.4MHz到20MHz的不同的***带宽，选择10MHz的***带宽，一方面可以保证时延估计精度较高，另一方面***设计的可实现性较强。本发明***选择如图10所示的参数，一方面参考了LTE物理层协议对于***设计的相关规定，另一方面通过这样的设计，可以快速解得时延参数信息。

图8为***处理流程图。***对接收信号首先做2倍采样，再利用频域快速搜索方法，搜索定位参考信号的CP部分，接着利用时域搜索方法，搜索定位参考信号的符号起始位置，然后利用0.618法，搜索信号的最佳相关峰位置，最后利用NLOS抑制方法，判别出LOS径信号。这样，***得到信号的时延参数信息。将提取出的时延参数，交给计算器，进一步估计出目标位置。

如图2所示，***解调器解调出时域信号后r，经过傅里叶变换，变成频域信号R，在频域相关器202中，与本地信号做频域相关，在判断器203中做相关峰值判断，并将反馈信息给到数据调整器204(数据调整器204主要做本地滑动窗的滑动调整)，做滑动窗变换，判断得到最大峰值并记录下峰值所在位置，读取存储器205中的数据，并给到时域相关器206做时域相关运算，得到最大相关峰值并记录下时延位置，最后信号经过NLOS抑制器207，抑制NLOS影响，并在计算器208中，解算出目标位置。

如图3所示，频域相关器主要由存储器(301)，FFT模块(302)，本地信号产生器(303)，相关运算器组(304)，峰值判断器(305)，滑动相关窗调整(306)构成，其中时域信号r经过FFT(快速傅里叶变换)模块302后，得到一组频域信号{R₁，R₂，…，R_N}，本地信号产生器303按照相关窗的长度产生本地频域信号S，并经相关运算器304(相关运算器1、相关运算器2….相关运算器N)做频域相关累积运算，得到的相关峰值在峰值判断器305中进行判断，并反馈信息给滑动相关窗调整器306，调整的步长为N_CP，直到找到最大的相关结果，经存储器301记录下结果所在时延位置。

如图4所示，时域相关器主要由存储器(401)，本地信号产生器(402)，相关运算器组(403)，峰值判断器(404)，滑动相关窗调整(405)构成。其中，时域信号r按照相关窗的长度，分成N段，本地信号产生器402产生时域本地信号，并在一组相关运算器403(相关运算器1、相关运算器2….相关运算器N)中，与信号做相关运算，并在峰值判断器404中判断相关峰值，将判断结果反馈给滑动相关窗调整器405调整滑动相关窗，最后得到最大相关峰值，经存储器301记录下峰值位置。

如图5所示，具体工作原理是：首先，把接收到的采样数据分为两种，分别对应两组采样点x₁和x₂。接着，将采样点x₁、x₂分别与本地时域信号s(t)做相关运算，得到相关运算结果peak1、peak2，对应的时刻记为t1、t2。然后，用0.618插值法进行采样点更新。操作方法：判断peak1、peak2，若peak1≥peak2，则x₂向x₁方向移动0.382步长，并更新x₂采样点，记为x3，若peak1＜peak2，则x₁向x₂方向移动0.382步长，并更新x₁采样点，记为x3；采样点x3与本地时域信号s(t)做相关运算，得到峰值peak3，对应的时刻记为t3。最后，当两个插值点的时间间隔

时，终止运算；否则，继续上述的操作。至此，得到的两个插值点的时间分别为t′_c1和t′_c2，最佳采样点所处的时间可用

来近似。

Claims (5)

1.一种基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，其特征在于：包括***射频模块(201)，频域相关器(202)，判断器(203)，数据调整器(204)，存储器(205)，时域相关器(206)，NLOS抑制器(207)，计算器(208)，其中***解调出时域信号r后，经过傅里叶变换，变成频域信号R，在频域相关器(202)中，与本地信号做频域相关，在判断器(203)中做相关峰值判断，并将反馈信息给到数据调整器(204)，做滑动窗变换，判断得到最大峰值并记录下峰值所在位置，读取存储器(205)中的数据，并给到时域相关器(206)做时域相关运算，得到最大相关峰值并记录下时延位置，最后信号经过NLOS抑制器(207)，抑制NLOS影响，并在计算器(208)中，解算出目标位置。

2.如权利要求1所述的基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，其特征在于：所述频域相关器(202)是利用LTE下行链路的符号循环前缀(CP，Cycle Prefix)部分，使得滑动相关窗每次的调整步长为CP长度，并将接收信号与本地信号在频域进行相关运算。

3.如权利要求1所述的基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，其特征在于：所述时域相关器(206)将经过频域相关运算后的信号，变换到时域，滑动相关窗每次调整的步长为1个采样点，并将接收信号与本地信号在时域进行相关运算。

4.如权利要求1所述的基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，其特征在于：所述计算器(208)用0.618法，做时延参数的精确估计，将接收信号的两倍采样点x₁、x₂分别与本地时域信号s(t)做相关运算，并不断更新相关结果peak1、peak2，判断peak1、peak2，若peak1≥peak2，则x₂向x₁方向移动0.382步长，并更新x₂采样点，记为x3，若peak1＜peak2，则x₁向x₂方向移动0.382步长，并更新x₁采样点，记为x3；采样点x3与本地时域信号s(t)做相关运算，得到峰值peak3，对应的时刻记为t3。

5.如权利要求1所述的基于快速时延参数搜索的LTE终端无线定位***，其特征在于：所述NLOS抑制器(207)用设置噪声门限的方法，抑制NLOS噪声，先采集噪声与本地信号相关结果的均值：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{aver}=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j^2\\ d_j^2=\underset{t=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|s_w\left(t\right)\×n_j^{*}\left(t\right)|}^2,j=\mathrm{0,1},M-1\end{array}\right.$

再建立噪底L，噪底与噪声相关均值的关系为：

$6\mathrm{dB}=10{\log }_{10}\frac{L}{\mathrm{aver}}$

最后，认为峰值大于L的第一条相关峰径为信号的LOS径，其余的均为NLOS径。

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