CN102625448B - 一种lte***中tdoa定位改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LTE***中TDOA定位改进方法，针对靠近小区中心的移动台在接收邻近小区信号时会受到服务基站信号的干扰从而造成定位精度下降这一问题，采用在接收端重建干扰并且对其进行消除的方法来改善下行链路信号的到达时间估计准确度以及定位精度。本发明有效提高了在多径传播以及NLOS环境下靠近小区中心移动台的定位精度，同时保证了位于小区边缘移动台的定位准确度。

Description

一种LTE***中TDOA定位改进方法

技术领域

本发明涉及蜂窝网无线定位方法，特别是涉及一种LTE***中TDOA定位改进方法。

技术背景

在蜂窝网中定位移动台时需要同时测量到包括服务基站和邻近基站信号在内的至少三个基站的信号参数，由于远近效应的存在，移动台越靠近服务基站，其接收邻近小区信号的困难就越大，而只有当移动台处在小区边缘时，才能够接收到较高质量的邻近小区信号。在移动台靠近服务基站的情况下，受服务基站信号以及传播环境的影响，移动台测量到的邻近基站信号的特征参数会存在很大的偏差，进而计算得到的移动台的位置误差也较大。在蜂窝网的诸多定位方法中，TDOA方法以其定位精度高、算法计算复杂性低、易于实现等诸多优点而受到越来越多的重视。然而由于无线传播环境的恶劣，不同的TDOA定位算法适用于不同的定位环境。对无线定位精度影响最大的两种传播环境为非视距以及多径传播环境，因此针对这两种传播环境，众多专家学者不断致力于TDOA定位算法的改进技术。

LTE蜂窝移动通信***中采用了OFDM技术，它是一种基于正交多载波的频分复用技术，其主要思想是将高速串行数据流串/并转换后，分割成大量的低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送，接收端依据正交载波特性分离多路信号。基于此技术我们致力于寻找能够有效抑制远近效应、NLOS和多径传播误差的TDOA算法。

发明内容

为避免以上现有技术的不足，本发明提出了一种LTE***中TDOA定位改进方法，针对移动台接收邻近基站信号时会受到服务基站信号、NLOS传播、多径传播以及噪声等干扰因素的影响，采用在信号接收端重建干扰并且对其进行消除的方法改善了下行链路信号的到达时间估计准确度以及定位精度。

本发明的技术手段如下：

一种LTE***中TDOA定位改进方法，该方法包括如下步骤：

1)对接收到的基站信号进行QAM调制和OFDM调制，得到调制信号x_t，n；

2)将所述调制信号发送到时变多径信道中，经过幅度衰减和信号延时，在接收端得到信号y(t)：

$y\left(t\right)=\underset{\mathrm{\μ}=1}{\overset{N_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P_{\mathrm{\μ}}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{\μ},p}{x}_{\mathrm{\μ}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},p})+n\left(t\right)$

3)将所述信号y(t)进行抽样得到信号Y_n；

4)对信号Y_n进行OFDM解调变换、提取导频变换、QAM解调变换得到比特数据流；

5)对所述比特数据流进行干扰消除操作，即再次对比特数据流进行QAM调制变换、***导频变换、根据上述提取得到的导频进行信道估计、干扰重建，对于某一个邻近基站μ，从接收信号中减去干扰信号，即得到经过干扰消除的该邻近基站的信号y_n；

6)所述导频信号x^p _μ分别与经过干扰消除的所述信号y_n滑动相关得到r_μ，n

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{\μ},k}^{p,*}{y}_{n+k}$

7)对于所述基站μ，选择相关峰值作为一帧内基站信号的传播延时估计值，即从所有τ_μ，n中选择最大值得到：

${{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1}=\arg \max \left|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}\right|$

8)对N_Franmes个帧的估计值求平均值，得到所述基站μ的信号传播延时估计值：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{\μ},1}=\frac{1}{N_{\mathrm{Frames}}}\underset{f=1}{\overset{N_{\mathrm{Frames}}}{\mathrm{\Σ}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1,f}$

9)利用估计得到的各个基站信号的传播延时，与信号传播速度c即光速相乘，得到移动台与各个基站之间的距离。

本发明具有的优点：

本发明有效提高了在多径传播以及NLOS环境下靠近小区中心移动台的定位精度，同时保证了位于小区边缘移动台的定位准确度。

附图说明

图1是本发明的方法实现原理框图。

图2是蜂窝网结构图。

图3(a)-3(b)是本发明的方法在视距(LOS)、NLOS以及多径传播环境下的信号传播延时误差的均方根和定位误差的累积分布函数仿真曲线图。

具体实施方式

以下对本发明这种LTE***中TDOA定位改进方法做详细的说明。LTE***中TDOA的定位方法按如下步骤实现：

1、干扰消除

比特数据流经过QAM调制后得到符号数据S_m，n(m＝0，1，····，N_C-1，n＝0，1，····，N_S-1，N_C和N_S分别表示所使用的OFDM载波数目和一帧中的OFDM符号数目)。采用Zadoff-chu序列作为导频，***导频信号后进行OFDM调制，包括串并变换、IFFT变换(变换长度为N_FFT)、并串变换以及***循环前缀(长度为N_GI)。其中IFFT变换实现了多路正交子载波的并行传输。经过OFDM调制后的信号可以表示为：

$x_{t,n}=\frac{1}{\sqrt{N_{\mathrm{FFT}}}}\underset{m=0}{\overset{N_C-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{m,n}\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πm}(t-N_{\mathrm{GI}})}{N_{\mathrm{FFT}}}\right)---\left(1\right)$

其中t＝0，1，…，N_FFT+N_GI-1，n＝0，1，…，N_S-1。

N_BS个基站的下行链路信号经过调制发送到时变多径信道中，以不同的路径和时延到达接收端，并且每个基站信号包含若干条路径，则接收到的信号可以表示为：

$y\left(t\right)=\underset{\mathrm{\μ}=1}{\overset{N_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P_{\mathrm{\μ}}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{\μ},p}{x}_{\mathrm{\μ}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},p})+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中a_μ，p和τ_μ，p分别表示基站μ的第p条路径的幅度和传播延时，μ＝1，2，···，N_BS，p＝1，2，···，P_μ。n(t)是均值为零，方差为N₀/2的加性高斯白噪声。接收信号为N_BS个基站的多径信号以及噪声的叠加。

在接收端对接收信号进行接收处理，进行一系列相反的变换，即模数变换、OFDM解调(去保护间隔以及FFT变换)、提取导频(用于信道估计)、QAM解调，最终将信号恢复为比特数据流。

移动台在接收某一邻近基站的信号时，其他邻近基站尤其是服务基站的信号会对该基站信号产生干扰，影响信号的接收质量，有时甚至会接收不到该基站的信号。另外，基站信号在复杂的移动通信环境中传播时，会引起多径效应和NLOS传播，这对于估算信号传播时间是非常不利的，进而会造成较大的移动台位置估计误差。为了减少以上干扰以及噪声的影响，采用干扰消除技术，在LTE通信***中加入干扰消除反馈端。对恢复得到的信息比特流再次进行QAM调制，并且***提取得到的各个基站的导频序列。利用信道估计的结果重建信号的传播环境，即邻近基站尤其是服务基站信号干扰、多径干扰、NLOS干扰以及噪声。重建干扰经过OFDM调制，从接收信号中将其减去，从而得到了该基站的有用信号。采用这样的方法，可以较精确地将各个邻近基站μ(μ＝2，3，···，N_BS)发出的信号相互区分出来。

特别地，由于移动台接收到的服务基站信号质量是最好的，在接收端不需要采用干扰消除技术即可得到服务基站的信号。

2、时间估计

若采用干扰消除技术，将各个邻近基站的导频信号分别与经过干扰消除的接收信号滑动相关得到：也即

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{\μ},k}^{p,*}{y}_{n+k}---\left(3\right)$

其中x^p _μ表示基站μ的导频信号，y_n表示经过干扰消除的接收信号的抽样信号，μ＝2，···，N_BS，n＝0，1，···，(N_FFT+N_GI)N_Symbols-1。

图2是蜂窝网结构图，对于服务基站以及不采用干扰消除技术的情况，对信号传播延时进行估计时不采用图1所示的反馈端，同样采用公式(3)直接将接收信号与导频信号进行滑动相关运算。

对于第μ个基站，选择相关峰值作为一帧内基站信号的传播延时估计值，即从所有τ_μ，n中选择最大值得到：

${{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1}=\arg \max \left|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}\right|---\left(4\right)$

由于各个基站信号不会在同一抽样时刻到达接收端，每一帧的传播时延估计值存在偏差，因此对N_Franmes个帧的估计值求平均值，最终得到基站μ的信号传播延时估计值：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{\μ},1}=\frac{1}{N_{\mathrm{Frames}}}\underset{f=1}{\overset{N_{\mathrm{Frames}}}{\mathrm{\Σ}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1,f}---\left(5\right)$

3、移动台位置估算

利用估计得到的各个基站信号的传播延时，可以计算出各个基站信号相对于基站1(服务基站)到达移动台的时间差(TDOA)，即其中μ＝2，···，N_BS。将时间差与光速c相乘，得到信号传播距离差。文章采用加权最小二乘法估算用户的位置坐标。设(X_i，Y_i)为基站坐标(i＝1，2，···，N_BS)，(x，y)为待估计的移动台坐标。基于已经得到的信号传播距离差，建立定位方程组：

R_i，1＝cΔτ_i＝R_i-R₁  i＝2，…，N    (6)

其中：

$R_i=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2}---\left(7\right)$

R_i为基站i与移动台之间的距离。

根据相关文献推导的结果，可以得到：

$R_{i,1}^2+{2R}_{i,1}{R}_1={-2X}_{i,1}x-{2Y}_{i,1}y+K_i-K_1---\left(8\right)$

其中

$K_i=X_i^2+Y_i^2---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{i,1}=X_i-X_1\\ Y_{i,1}=Y_i-Y_1\end{array}\right.---\left(10\right)$

令

$p={[x,y,r]}^T=[{x,y,\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2}]}^T---\left(11\right)$

可以得到：

h_c＝G_cp+ε_c                    (12)

其中

$h_c=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{2,1}}^2-(K_2-K_1)\\ R_{\mathrm{3,1}}^2-(K_3-K_1)\\ \·\·\·\\ R_{N_{\mathrm{BS}},1}^2-(K_{N_{\mathrm{BS}}}-K_1)\end{array}\right]$ $G_c=\left[\begin{array}{ccc}{X}_{\mathrm{2,1}}& Y_{\mathrm{2,1}}& R_{\mathrm{2,1}}\\ X_{\mathrm{3,1}}& Y_{\mathrm{3,1}}& R_{\mathrm{3,1}}\\ & \·\·\·& \\ X_{N_{\mathrm{BS}},1}& Y_{N_{\mathrm{BS}},1}& R_{N_{\mathrm{BS}},1}\end{array}\right]---\left(13\right)$

ε_c为具有TDOA噪声的误差矢量。

用TDOA测量值误差的协方差矩阵Q来近似代替误差ε_c的协方差矩阵ψ_s，可以得到p的估计：

p＝(G_c ^TQ^-1G_c)^-1G_c ^TQ^-1h_c        (14)

最终得到移动台的估计位置坐标

$\left\{\begin{array}{c}\hat{x}=p\left(1\right)\\ \hat{y}=p\left(2\right)\end{array}\right.---\left(15\right)$

图3(a)-3(b)是本发明的方法在视距(LOS)、NLOS以及多径传播环境下的信号传播延时误差的均方根和定位误差的累积分布函数仿真曲线图。可以看出采用本发明这种方法，有效提高了在多径传播以及NLOS环境下靠近小区中心移动台的定位精度，同时保证了位于小区边缘移动台的定位准确度。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种LTE***中TDOA定位改进方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)对接收到的基站信号进行QAM调制和OFDM调制，得到调制信号x_t,n；

2)将所述调制信号发送到时变多径信道中，经过幅度衰减和信号延时，在接收端得到信号y(t)：

$y\left(t\right)=\underset{\mathrm{\μ}=1}{\overset{N_{\mathrm{BS}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P_{\mathrm{\μ}}}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{\μ},p}{x}_{\mathrm{\μ}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},p})+n\left(t\right)$

其中a_μ，p和τ_μ，p分别表示基站μ的第p条路径的信号幅度和传播延时，μ＝1，2，...，N_BS，p＝1，2，...，P_μ，n(t)是均值为零，方差为N₀/2的加性高斯白噪声，接受信号为N_BS个基站的多径信号以及噪声的叠加；

3)将所述信号y(t)进行抽样得到信号Y_n；

4)对信号Y_n进行OFDM解调变换、提取导频变换、QAM解调变换得到比特数据流；

5)对所述比特数据流进行干扰消除操作，即再次对比特数据流进行QAM调制变换、***导频变换、根据上述提取得到的导频进行信道估计、干扰重建，对于某一个邻近基站μ，从接收信号中减去干扰信号，即得到经过干扰消除的该邻近基站的信号y_n；

6)导频信号x^p _μ分别与经过干扰消除的所述信号y_n滑动相关得到r_μ，n

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}=\underset{k=0}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{\μ},k}^{p,*}{y}_{n+k}$

7)对于所述基站μ，选择相关峰值作为一帧内基站信号的传播延时估计值，即从所有τ_μ，n中选择最大值得到：

${{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1}=\arg \max \left|{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ},n}\right|$

8)对N_Franmes个帧的估计值求平均值，得到所述基站μ的信号传播延时估计值：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{\μ},1}=\frac{1}{N_{\mathrm{Frames}}}\underset{f=1}{\overset{N_{\mathrm{Frames}}}{\mathrm{\Σ}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}^{\′}}_{\mathrm{\μ},1,f}$

9)利用估计得到的各个基站信号的传播延时，与信号传播速度c即光速相乘，得到移动台与各个基站之间的距离。