一种基于多天线簇的新型LTE室内定位系统

吕亚娟，刘珊，胡荣贻，张文浩

（1.吉林医药学院计算机系，吉林 长春 132013；2.中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京100084）

一种基于多天线簇的新型LTE室内定位系统

吕亚娟1，刘珊2，胡荣贻2，张文浩2

（1.吉林医药学院计算机系，吉林 长春 132013；2.中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京100084）

随着移动互联网业务的迅速发展，位置服务需求越来越多样化，定位技术也变得越来越重要。LTE（long term evolution）室内蜂窝网络可以解决GPS（global positioning system）信号无法进入室内的问题，从而提供高精度的位置服务。LTE室内定位需要不同基站之间进行精确同步，这给室内网络部署带来了新的挑战。针对上述问题，提出了一种基于多天线簇的LTE新型无线定位系统，通过上行探测参考信号（sounding reference signal，SRS）获取信号到达时间差（time difference of arrival，TDOA）。该方法不需要簇间同步，可有效降低网络部署难度。其次，针对此系统设计了一种新的TDOA定位算法，可支持灵活的天线簇配置。最后，通过仿真及实验验证了该定位系统及算法的有效性，实验结果表明可实现米级室内定位精度。

LTE；室内定位；SRS；TDOA

1 引言

随着移动互联网的迅速发展，无线定位技术逐渐引起了网络运营商的关注。一方面，用户的位置信息能够协助网络优化及故障检测；另一方面，基于用户位置信息的业务运营和商业应用已经成为热点[1]。目前，LTE网络已在全球范围内部署[4]，基本实现室内外连续覆盖。在室外，GPS已经能做到较精准的定位，但由于GPS信号无法进入室内而使其在室内定位领域仍存在局限性[5]。因此，研究基于LTE网络的室内定位技术就显得尤为必要[6]。

2 系统模型

LTE定位系统模型如图1所示，主要由天线簇、无线定位模块及位置服务器3部分组成。不妨假设该系统共有M(M∈N)个天线簇，天线簇m(m=1,2,…,M)由Nm(Nm∈N, Nm≥2)个天线组成，每个天线簇配备一个无线定位模块，负责处理来自相应天线簇的上行SRS，完成射频前端信号处理及TDOA计算。位置服务器用于收集来自M个无线定位模块的定位参数，包括上行到达时间差（uplink-time difference of arrival，U-TDOA）等，通过所提定位算法获取用户位置，并完成用户位置信息的存储与更新。

图1 LTE定位系统模型

图2给出了定位系统的功能实现流程。首先，无线定位模块对天线簇接收的上行信号进行射频前端处理得到多用户基带模拟信号，再经过A/D转换得到多用户基带数字信号，借助从基站获取的多用户SRS的配置信息，实现单用户SRS的提取。将不同天线接收到的单用户时域信号与本地信号相关，得到信号到达不同天线的时间差（time difference of arrival，TDOA）、天线位置和相应的TDOA作为无线定位算法的输入参数，应用所提定位算法即可实现对用户的定位。用户位置信息通过有线/无线传输链路回传到用户位置信息服务器上，并且需要对用户位置信息数据库进行周期性（或触发性）更新。

3 LTE网络中SRS的相关性

SRS是LTE网络中的参考信号，一般用于上行链路的信道质量检测。eNode B发送srs-ConfigIndex信令通知终端待传输SRS的信号周期，周期值可选集为{2 ms，5 ms，10 ms，20 ms，40 ms，80 ms，160 ms，320 ms}[9]，终端则会根据配置参数在某个确定时隙的最后一个符号上发送SRS。该信号由ZC（Zadoff-Chu）序列产生，具有良好的自/互相关特性。

通过仿真评估LTE网络中SRS的相关性能。该仿真根据3GPP标准将待发送的SRS以及用户业务数据混合映射到一个LTE子帧中，由终端发送给网络。eNode B接收到上行时域信号并将其转化到频域，然后将接收信号和本地SRS进行相关运算。由于SRS良好的自相关特性，可获取较明显的相关峰。通过相关峰位置计算得到TDOA值。仿真信道模型为加性高斯白噪声（additive white Gaussian noise，AWGN）信道，基带采样速率为30.72 MHz。

图2 LTE定位系统的功能实现流程

在3GPP标准中，LTE的SRS有两种工作模式：时分发送和码分发送[10]。不同模式下SRS的相关运算仿真结果如图3所示。在时分模式（图3（a））中，最大相关峰较容易提取，来自其他终端的信号不会对其造成明显干扰；然而在码分模式（图3（b））中，SRS相关峰之间间距相对较近，约为410 ns，且副峰与最大峰峰值大小接近，因而难以提取相关峰位置信息。这里可以通过时间提前量（time advance，TA）辅助实现相关峰提取[11]，也就是说，基站将用户终端的TA信息发送给无线定位模块，该模块可根据TA参数值缩小峰值检测的时间范围。当TA＜410 ns时，该方法可有效提取相关峰。

LTE的采样速率为30.72 MHz，按照该速率采样后的相关运算结果，其定位精度最高只能达到9 m左右，无法满足高精度定位要求。本文使用过采样方法，得到更多的样本点，缩小样本点之间的时间差，获取更高的定位精度。图4仿真了SRS在默认采样率30.72 MHz以及过采样情况下的相关性能，仿真结果表明，过采样得到的相关曲线更加平滑，能够提高所得峰值时间的精确性。实际上，过采样并不能够获取更多的信息熵，因为30.72 MHz的采样速率已经满足奈奎斯特采样定理，这里只是通过增加样本点密集度来提高时间差的分辨率。

4 定位算法

图3 SRS在时分和码分模式下的相关性能

假设此定位系统中每个天线簇有Nm个天线，x是待估计终端的位置，‖x-xn‖表示天线n和MT之间的真实距离，n=1,2,…,Nm。选取天线1作为锚点，天线n和天线1之间真实距离差可以表示为hn(x)=‖x-xn‖-‖x-x1‖，每簇天线内距离差则可表示为,其中[·]T代表转置运算。测量距离差矩阵r如式（1）所示，其中ε是服从正态分布)的测量误差[12]。

图4 SRS在非过采样及过采样情况下的相关性能

将h(x)在初始点 x0进行一阶泰勒展开近似，如式（2）所示。其中H0是h(x)在点x0处的Jacobian矩阵。

因此，式（1）能够表达为：

为加强对入海水道工程的安全管理，确保安全度汛，必须进一步提高巡查人员的业务素质，对巡查人员要定期集中培训和监督指导，培训合格才能上岗，并定期对巡查工作进行考核。通过培训和考核，进一步规范巡查记录活动，提高巡查人员的素质和责任心，提高巡查人员的安全防范意识和应急管理能力，确保工程安全运行，确保入海水道沿线人民生命财产安全。

其中，y是r的线性估计，x能够通过非线性最小二乘迭代算法来求得[12-15]，如式（4），其中 R是 ε的协方差矩阵，(·)-1表示矩阵逆运算。

若定位系统存在M个天线簇，可以将M个天线簇得到的信息合并通过式（4）计算MT的位置，式（4）中的参数y、H0、ε则分别替换为：

该定位算法可灵活适用于单簇到多簇天线的定位。对于多簇接收天线的情况，实际上可以做进一步的算法优化研究，比如剔除明显错误或坏的TDOA值、选取合理的参考天线等[16]。这将在很大程度上降低冗余信息对算法迭代性能的影响，提高算法的计算效率。同时，该算法不需要基站间的高精度同步。定位系统中若要达到3 m的定位精度，至少需要纳秒级同步，这会给硬件实现及网络部署带来较大挑战。该算法可有效支持多天线簇定位系统，只需实现小范围的簇内同步，能够大幅度降低实际布网难度。

5 仿真与实验

5.1 仿真分析

本文通过仿真以及实验验证了所提系统及算法的有效性。首先，定位系统的仿真场景为长4.5 m、宽2 m的室内环境，共部署A、B两簇天线，簇A包含4个天线，簇B包含2个天线，天线簇的位置及用户位置如图5所示。假设每根天线的测量误差服从独立同分布，不同终端的SRS采用时分工作模式，信号采样率设置为2倍过采样。基于上述仿真场景，通过两组仿真分别分析了天线簇数目和用户位置对定位性能的影响。

图5 定位仿真场景

首先评估不同天线簇数目对于定位性能的影响，这里假设用户随机分布。单天线簇（簇 A包括4根天线）和双天线簇（簇A和簇B）的定位性能对比如图6所示。从图6中可以看出，双天线簇平均定位误差约为0.2 m，而单天线簇的定位误差平均约为0.28 m。相对于单天线簇，双天线簇的定位精度可提高20%（δ2=1）～25%（δ2=10）。

图6 单天线簇与双天线簇定位性能比较

然后评估用户位置对定位精度的影响。用户在天线覆盖区域内沿着特定轨迹点{P1(0,1)，P2(2,1)，P3(3,1)，P4(3.5,1)，P5(4.5,1)}移动，图7给出了用户在不同位置时定位误差。仿真结果表明，当用户处于天线簇中心位置{P3(3,1)，P4(3.5,1)}时，定位精度要优于其他区域，误差只有0.06 m；而当用户移动到天线覆盖的边缘位置{P1(0,1)}时，定位误差明显增大，平均误差约为0.32 m。可见，定位性能与天线分布及目标用户位置密切相关。在实际系统中，建议尽量加大簇内天线间距，且使天线簇有效覆盖热点区域。

图7 不同区域内用户定位性能比较

5.2 实验验证

实验环境为阶梯会议室（长12.2 m、宽17 m、高3.8 m），会议室部署两簇天线，如图8所示。选择10个定位目标点，对每个点做多次重复独立测量，多次测量值聚合计算得到最终定位结果，测试结果如图9所示。图9中五角星圆心表示目标点实际位置，圆的半径为 3 m，图9（a）中圆点表示50次重复独立测量得到的定位结果，图 9（b）中圆点表示最终定位结果。表1对定位结果进行了统计分析，可见，单次测量定位误差小于3 m的概率约为80%，最终定位结果的最大误差为3 m，最小误差为0.47 m，平均误差为1.30 m。由于真实环境的复杂性,信号的传播可能受到多径等因素影响，实验室测试误差相对较大，但均在3 m以内，可以满足室内高精度定位的基本需求。

图8 阶梯会议室测试场景

6 结束语

图9 定点测试多次测量结果

表1 测试结果统计分析数据

本文提出了一种基于LTE网络的新型室内定位系统，并在实验室搭建了原型进行性能验证，该系统不要求基站间精确同步，且在基站侧处理数据相对降低了终端能耗，所提TDOA定位算法可支持灵活的天线簇配置。该系统实现的基本原理是利用LTE上行SRS作为探测信号，通过对接收信号射频前端处理、TDOA计算及定位算法得到终端位置，实现用户的高精度定位。仿真及实验结果表明，该系统可达到3 m内的定位精度，同时能够大幅度降低网络部署难度。实际网络部署时需要运营商给定位单元提供相关参数，如 SRS配置、带宽等，再通过合理的天线部署及天线簇划分，实现较好的用户定位性能。

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[作者简介]

吕亚娟（1982-），女，吉林医药学院计算机系讲师，主要研究方向为数据挖掘。

胡荣贻（1990-），男，中国联合网络通信有限公司网络技术研究院工程师，主要研究方向为无线移动通信技术、室内高精度定位系统研发等。

刘珊（1991-），女，中国联合网络通信有限公司网络技术研究院工程师，主要研究方向为无线移动通信技术、室内高精度定位技术等。

张文浩（1989-），男，中国联合网络通信有限公司网络技术研究院工程师，主要研究方向为无线通信技术、室内高精度定位技术等。

A novel LTE indoor location system based on multip le antenna clusters

LV Yajuan1,LIU Shan2,HU Rongyi2,ZHANG Wenhao2
1.Computer Science Department of Jilin Medical College,Changchun 132013,China 2.Network Research Institute of China Unicom,Beijing 100084,China

With the rapid development of mobile internet services,demands of location service are becoming more diversified,then the location technologies become the key to satisfy the requirements.Long term evolution(LTE) indoor networks can solve the problem that GPS(global positioning system)signal can’t arrive in indoor and provide high precision location service.However,LTE indoor location system need high precision synchronization among different base stations,and this is a new challenge for indoor network deployment.To solve the problem,a new LTE wireless location system based on multiple antenna clusters was proposed.The system could get TDOA(time difference of arrival)through uplink SRS(sounding reference signal)and it didn’t need synchronization between different clusters which reduced the difficulty of network deployment.Then,a new location algorithm was designed which could support flexible antenna configuration.Finally,simulations and experimental measurements were given to verify the efficiency of the system and algorithm.Results show that meter indoor location accuracy can be realized.

LTE,indoor location,SRS,TDOA

TN929.5

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017037

2016-11-28；

2017-01-16

国家重点研发计划基金资助项目(No.2016YFB0502000)

Foundation Item:The National Key Research and Development Plan(No.2016YFB0502000)