TD－SCDMA系统U－TDOA定位方法

李文龙，焦荣华，李晓辉

(1.西安电子科技大学ISN国家重点实验室，陕西西安 710071;2.民航西北空管局运行管理中心，陕西西安 710086)

随着移动通信技术的发展，丰富多彩的移动服务业务也应运而生，其中多种业务与无线移动定位服务相关。在TD－SCDMA系统中主要采用3种定位方法［1－3］:基于小区ID的定位方法;基于网络的 OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)定位方法;利用GPS模块定位的方法。在移动终端没有GPS模块时，基于网络的OTDOA定位方法能够提供较高的定位精度。因此，本文对基于网络的OTDOA定位方法进行了研究。

在OTDOA定位方法中，需选取合适的基站参与定位［4－5］，利用同步序列(SYNC)的相关性进行相关峰值的检测，估计出移动终端和基站之间的距离。由于基站和终端之间存在非视距(NLOS，Non－Line of Sight)传输，需利用估计距离判断是否为NLOS传输，若为NLOS传输则需利用LOS(Line of Sight)重构算法来消除NLOS传输的影响［6－7］。根据基站之间的距离建立双曲线方程组，对非线性方程组进行线性变换后可利用经典算法 Chan，Taylor［8－9］估算出移动终端的位置。

由于非服务基站到达移动终端之间的距离比较远，存在多径传输和非视距传输，在利用下行同步序列(SYNC－DL)进行定位时，还需引入下行链路空闲周期(IPDL)技术［10］以确保终端能够准确的检测到非服务基站的信号，使定位实现更加复杂。所以，本文提出了利用上行同步序列定位的上行到达时间差(UTDOA)定位方法，该方法实现简单，只需基站侧位置测量单元(LMU)利用上行同步序列(SYNC－DL)测距，并建立双曲线方程组计算终端位置。在定位过程中无需空闲周期(IPDL)技术对系统容量并无较大影响。且在多经传输和非视距传输情况下，有良好的定位性能。但其也存在缺点，基站不能同时检测多个终端信号，在一定时间内只能为固定的终端提供定位服务。因此适用于偏远，基站密度和用户密度较小的地区。

1 U－TDOA定位模型

图1为U－TDOA定位模型，BS1，BS2表示两个基站，在基站侧有位置测量单元(Location Measurement Unit，LMU)。以BS1和BS2为圆心的圆半径代表了时间t，其是信号从UE发射到每个位LMU的传输时间。半径的差值等于第一个LMU的t1和第一个LMU的t2的差值t1－t2。若画出并连接两圆之间的交点，得到的就是双曲线。双曲线是到两点具有固定差值点的集合。利用另外两个LMU再画出一条双曲线，这条双曲线与前一条双曲线的两个交点就是终端可能的所在位置，如果再画一条双曲线，则终端的可能位置会只有一个。参与定位的基站越多，则位置估计的精确性越高。

图1 U－TDOA定位模型

由此，建立U－TDOA数学模型:设有M个基站参与定位，其位置是已知的，可表示为(xi，yi)i=1，2，…，M，待定位的移动终端位置为(x，y)，则移动终端和各基站之间距离的平方可表示为

由式(1)可建立一个双曲线方程组，有3个基站参与定位时，双曲线的交点即为移动终端的位置。通过线性变换将其转化为非线性数学问题，通过文献［8～9］中的Chan和Taylor两种算法利用最小二乘估计可计算出移动终端的位置。参与定位的基站越多，可利用的冗余信息越多，而对移动终端的位置估计也越准确。

2 U－TDOA性能分析

在TD－SCDMA系统中，传统的支持网络定位的方法为利用空闲时隙定位的OTDOA－IPDL定位方法［10］，本文提出的U－TDOA定位方法实现简单，对终端设备无需任何改进，且定位性能在NLOS环境和传输环境较差的情况下适应性较强。本节将从TD－SCDMA同步技术和时隙结构出发，说明U－TDOA定位方法的性能在传输时延较大或信道质量较差的情况下能更好的实现对导频信号的检测，具有更高的定位性能。

基站在下行导频时隙(DwPTS)发送的下行同步序列经一段时延τ后被移动终端接收。在移动终端进行初始上行同步时，为了让基站在规定的时间准时接收到移动终端在上行导频时隙(UpPTS)发送的上行同步序列，移动终端必须提前一段时间τ发送，如图2所示。

图2 基站和终端之间同步实现过程

传播延时τ是提前时间量，提前时间量是根据接收到的下行导频信息计算得出的，而计算的准确度受到多重因素的影响，计算结果难免会有误差，若有过大误差和传播时延τ就会影响到各个时隙内信息的正常传输，这也是在DwPTS，UpPTS内及两者之间设置GP保护间隔的原因，但如图3和图4所示，上行导频时隙和下行导频时隙的结构是有所区别的，上行导频时隙中用于传递信息的上行同步序列SYNC－UL码片数为128 chip;而下行导频时隙中SYNC－DL相应的码片数位64 chip。TD－SCDMA系统中，SYNC序列是一组具有良好正交性的PN序列，码片数越多则相关峰检测中的峰值越大，不易受到噪声的干扰而更好被检测，检测结果的错误概率则更小。当时间提前量计算错误或延时过大时，移动终端接收的下行导频信息将不完整，且会受到TS0内信息的干扰，而NB端接收到的上行导频信息也不完整，并将影响到TS1内信息的传输。

图3 DwPTS时隙结构

图4 UpPTS时隙结构

综上所述，利用不完整的导频序列进行相关峰检测必将导致检测性能的下降，而由于上行导频时隙内SYNC－UL的长度是其下行导频时隙内的两倍。所以，利用上行导频信息进行定位的U－TDOA定位法的定位性能要优于利用下行导频时隙定位的OTDOA－IPDL定位法。

3 仿真验证

经上述理论分析，通过仿真验证U－TDOA定位方法的性能，图5为U－TDOA定位方法仿真流程。首先利用TD－SCDMA上行导频序列SYNC－UP进行相关峰测距，利用Wylie识别算法判断是否为NLOS信号，若为NLOS信号通过LOS重构算法进行干扰抑制，实现TOA(Time of Arrival)重构，降低误差。最终建立双曲线数学模型，利用Chan，Tyalor经典算法进行求解，估算出移动终端的位置。本文从相关峰检测和定位性能两方面来对比U－TDOA定位方法与OTDOAIPDL定位方法。

图5 U－TDOA定位方法仿真流程

当移动终端和基站之间的传输时延较小时，OTDOA－IPDL和U－TDOA两种定位方法均可较好的实现定位。因此仿真是在小区半径和NLOS影响因子均较大的情况下进行的，并在传输时延较大的情况下对两种定位方法的定位性能进行了对比。

3.1 相关峰检测

设小区半径为3000 m，NLOS影响因子为2000 m，即 NLOS 误差在［0，2000］m 内服从均匀分布［7］，对OTDOA－IPDL和U－TDOA算法中NLOS信号的相关峰检测进行了分析。仿真中采用高斯多经信道，信噪比为－15 dB，多经时延由NLOS误差来决定。在仿真中选取最近的 4 个基站(BS1，BS2，BS3，BS4)参与定位，其分布如图6所示。

图6 基站分布图

移动终端初始位置为(200，300)m，且以3 km/h的速度离开服务基站(BS1)，水平速度vx=0.56 m/s，垂直速度vy=0.61 m/s，移动终端的活动范围在图6中的1/12黑色区域移动。只抽取定位过程中非视距传输过程中的一次相关峰检测进行对比，结果如图7和图8所示。图7为OTDOAIPDL定位方法的相关峰检测结果，图8为U－TDOA定位方法的检测结果。

图7 OTDOA－IPDL相关峰检测

SYNC－DL长度为64 chip，为满足TD－SCDMA系统中1/8 chip的同步精度，需要对DwPTS进行8倍的采样。所以进行相关峰检测时，理想情况相关峰值为64×8=512，如图7中虚线所示。图中的实线表示对实际接收信道的相关峰检测，高斯信道信噪比为－15 dB时，噪声功率较高，相关峰值不能较好的检测，故可能会出现误检。SYNC－UL长度为128 chip，理想情况相关峰值为128×8=1024，如图8中虚线所示。图中实线表示对实际接收信道的相关峰检测，在信噪比为－15 dB时，噪声峰值在400以下，与相关峰值1024有较大的差距，所以能够有效地对NLOS信号进行相关峰检测，并可对移动终端与LMU之间的距离进行正确估计，在与OTDOA－IPDL中DwPTS相关峰检测对比，性能有明显提高。

图8 U－TDOA相关峰检测

3.2 定位性能分析

对信道环境对定位性能的影响进行仿真分析。仿真环境为:小区半径为3000 m，测量误差为60 m，NLOS干扰因子为2000 m，即NLOS误差在0～2000 m范围内服从均匀分布高斯信道的信噪比变化范围为(－10 dB，10 dB)。

图9为OTDOA－IPDL定位方法利用下行导频序列进行定位之后的仿真结果，从图中可看出，传输时延较大，信道环境较差，信噪比＜－4 dB时，在比仿真环境中，定位算法无法进行准确定位，由于噪声功率较高，下行导频序列峰值为512，在进行相关峰检测时，出错的概率较大，严重影响了定位性能。

图9 SNR对OTDOA－IPDL定位性能的影响

图10为U－TDOA定位方法利用上行导频序列进行定位之后的仿真结果，从图中可看出，在小区半径、基站到达UE之间的数据传输时延均较大，且信噪比较差的情况下，OTDOA－IPDL定位方法的定位性能已超出了定位精度的要求，无法准确地对UE进行定位。而在SNR较低的情况下，U－TDOA定位方法的定位性能明显优于OTDOA－IPDL定位方法。因导频序列的长度不同，直接影响到了相关峰的检测结果，UTDOA定位方法在传输环境较差的情况下，仍可对UE进行较为精确的定位。所以在偏远地区，基站密度优于较小的情况下，可利用U－TDOA定位方法满足用户的定位服务需求。

图10 SNR对U－TDOA定位性能的影响

4 结束语

本文所提U－TDOA定位方法完全依靠网络服务，能够在现有终端不进行任何改动的情况下实现定位。从相关峰检测和定位性能两方面对所提UTDOA定位方法与传统的OTDOA－IPDL定位方法进行对比仿真，验证了U－TDOA定位方法在定位性能方面的优越性。但其定位相关的计算均由基站和网络来完成，这会增加运营商的设备成本。

［1］ 谢显中.TD－SCDMA第三代移动通信系统技术与实现［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］ ZHAO Y.Standardization of mobile phone positioning for 3G systems［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(7):108－116.

［3］ 胡可刚，王树勋，刘立宏.移动通信中的无线定位技术［J］.吉林大学学报:信息科学版，2005，23(4):378 －384.

［4］ 邓平，余立建.蜂窝定位系统GDOP性能分析［J］.西南交通大学学报，2005，40(2):184 －188.

［5］ 赵琨，何青益.基于GDOP的三站时差定位精度分析［J］.无线电工程，2012，42(5):15 －17.

［6］ 段凯宇，张力军.一种在NLOS环境下提高精度的TDOA定位方法［J］.南京邮电学院学报，2005，25(5):15－19.

［7］ JIANG H，XU J，LI Z.NLOS mitigation method for TDOA measurement［C］.IEEE IIH －MSP，2010:196 －199.

［8］ WADE H F.Position location solutions by taylor series estimation［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1976，12(12):187 －194.

［9］ CHAN Y，HO K.A Simple and efficient estimator for hyperbolic location［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，1996，42(8):1905 －1915.

［10］ SUN G，CHEN J，GUO W，et al.Signal processing techniques in network－aided positioning:a survey of state－of－theart positioning designs ［J］.Signal Processing Magazine，IEEE，2005，22(4):12 －23.

［11］王建辉，陈乐然.一种新的蜂窝网NLOS误差抑制算法［J］.电子与信息学报，2008，30(6):1424 －1427.