通信人家园

标题: UMTS直放站对定位业务支持的研究 [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2005-7-30 20:23

作者: scayer 标题: UMTS直放站对定位业务支持的研究

UMTS直放站对定位业务支持的研究
Study on Location Service with UMTS Repeater in Radio Zone
刘利平,陈建杰,邰春玲

摘要：文章提出了一种支持直放站覆盖区域内移动台定位的观测到达时间差(OTDOA)方法。该方法首先在直放站中配置直放站相关信息，导入服务无线网络控制器(SRNC)侧定位实体数据库，并以OTDOA定位算法获得一个移动台的位置估计；然后利用除参考基站或直放站之外的两个基站或直放站之间的双曲线验证获得另外一个位置估计，并记两次位置估计距离为误差；取所有假设通路方式误差的最小值为实际误差，此时的估计位置即为最终的移动台位置。通过该方法可提高直放站范围内移动台的定位精度。

关键词：移动通信；直放站；定位；观测到达时间差

Abstract:A method called Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) for identifying the position of a mobile terminal with a repeater in the radio zone is put forward. After the information about the repeater is configured and export to the database of the Serving Radio Network Controller (SRNC), a position of a mobile terminal would be estimated with the OTDOA algorithm. Then another estimated position can be obtained by verifying the hyperbola between another two base stations or repeaters (not the base stations or repeaters which have already been referenced). The distance between the two estimated positions is regarded as an error. By computing the data of supposed signal routes and choosing the least error as the real error, the final position of a mobile terminal can be located. With the new method, the positioning of mobile terminals with repeaters in radio zone can be improved greatly.

Key words:mobile communication; repeater; positioning; OTDOA

随着移动通信产业的发展，业务的创新已经成为网络和技术发展的根本推动力。同时，新业务的运营模式正在发生变化，需要健康的价值链作为新业务发展的保证。目前，话音业务仍是移动通信业务的主体，各种新型移动增值业务和移动数据业务则是移动通信市场强劲的经济增长点，其中，与用户位置相关的业务将会获得迅速发展。据预测，到2006年，基于位置的业务在移动通信业务中的用户数排名将升至第二，成为渗透率仅次于语音业务的增值业务。因此，无线定位技术将成为第三代移动通信系统中的一个重要支撑技术和经济增长点。

定位业务[1]是指移动网络通过特定的定位技术获取移动终端的地理位置信息(经纬度坐标)，提供给移动用户本人、通信系统或第三方，并借助一定的电子地图信息的支持，为移动用户提供与其位置相关的呼叫或非呼叫类业务。通用移动通信系统(UMTS)无线定位[2]技术主要有基于小区识别(Cell ID)的定位技术、观测到达时间(OTDOA)定位技术和网络辅助全球定位系统(AGPS)定位技术。移动通信网络根据定位客户请求定位的服务质量(QoS)和网络自身状况，选择一种或几种定位技术的混合策略为客户提供定位服务。

鉴于目前无论2G还是3G移动通信定位系统还没有很好地解决直放站[3，4]对定位的支持问题，因此研究直放站对定位技术的支持有很重要的意义。

1 直放站对定位的影响
在无线通信的覆盖区域的弱信号区和盲区，运营商为了提供更好的网络覆盖，会引入直放站[5]以消除盲区或提高信号质量。但由于直放站对无线信号传输方向的改变和传输时延的增加，因此，在直放站覆盖范围的定位精度将大大下降甚至会产生对移动台错误的定位。在WCDMA系统所支持的3种定位方案[6]中，只要涉及到利用信号传输时延来估算位置的技术就应该考虑直放站对定位精度的影响。下面分别分析直放站对3种定位方案的影响。

1.1 对基于小区识别定位技术的影响
在基于小区识别定位技术的定位方法中，定位实体依据服务基站的小区标识估计移动台的位置。服务基站和小区的信息通过寻呼、位置更新、小区更新等手段获得，然后将小区标识映射为具体的地理位置区域范围。为了提高基于Cell ID定位方法的定位精度，在频分复用(FDD)模式下，还可以通过RTT(往返传输时间，3GPP描述了如何通过移动台和基站配合测量获得这个时间)来进一步提高定位精度。此时如果信号通过直放站转发，那么测量的RTT就不能直接用来估算移动台的位置区域。但由于Cell ID方案本身就是一种粗定位精度的方案(一般情况定位精度为500 m～2 000 m左右，同时还要视小区的覆盖范围和覆盖方向确定)，所以直放站的存在只会使定位精度更加粗糙，因此对于Cell ID定位方案可以暂时不予考虑直放站影响。

1.2 对观测到达时间定位技术的影响
观测到达时间定位技术的定位原理如图1所示，通过测量出两个基站(和移动台相邻)与移动台之间信号到达的传播时延差OTDOA(被测量的信号由两个基站发射，同一移动台观测到达时间差)，得到移动台到这两个基站的距离差，由此便得到一对以这两个基站为焦点的双曲线，如图1基站A和基站C之间的实线双曲线。如果能测量到两组OTDOA值，那么就可以得到两对双曲线，双曲线交点即为移动台的两个估计位置。再用Cell ID或RTT技术进行取舍，得到其中一个估计位置。该方案定位的精度为200 m～500 m，较Cell ID方法其精度有很大提高。

   OTDOA的算法模型如下：
假设移动台测量到基站A和B的公共导频信道帧的观测到达时间差(SFN-SFN Observed Time Difference)简记为SFN-SFN OTDAB，基站A和B之间的相对同步差记为RTDAB (由基站或位置测量单元(LMU)测量)；再假设基站i (此处都是指天线中心)到移动台的距离标记为di，无线电波速率为υ，则移动台收到的来自基站A和基站B的公共导频信道帧(CPICH)头的时间差被定义为地理时间差为：

GTDAB=(dA-dB)/υ，这是由于基站与移动台的距离不同而引起的时间差。三者的关系是：
SFN-SFN OTDAB=RTDAB+GTDAB          (1)

其中SFN-SFN OTDAB由移动台测量，RTDAB由基站或LMU测量，GTDAB则包含了移动台的位置信息。基站天线中心的地理坐标是已知的，可以表达成：
dA-dB=常数    (2)

由此可见移动台的位置落在两个基站之间的一对双曲线上。如果有3个基站参与测量，就能构筑两对双曲线，它们的交点就是移动台的位置。测量参数本身的误差会导致计算结果有精度范围，实际位置估计用带状区域和相交的块状区域表达(精度范围)。在实际计算中，参与测量的基站数目越多，分布越均匀，测量精度越高。而且，一般要进行多次测量取其均值。

在OTDOA定位方案中，由于基站之间双曲线的确定需要测量不同基站公共导频信道帧号(SFN)的信号到达移动台的时间差(OTDOA)和往返传输时间(RTT)，因此，直放站的收发时延和信号转发方向的改变将严重影响OTDOA和RTT，也就是直放站对OTDOA这种定位方案影响是巨大的。因此，必须解决直放站对OTDOA定位方案的支持问题。

1.3 对AGPS定位技术的影响
AGPS定位技术实际上是利用移动通信网来传送GPS手持机快速搜索卫星所需的一些辅助信息进行定位的技术。UMTS陆地无线接入网(UTRAN)首先使用UTRAN参数，比如Cell ID，估计出移动台的大致位置，其目的既是为了减少移动台搜索卫星的时间，同时在全球定位系统(GPS)定位算法中提供一个初始的移动台时钟与卫星原子钟的钟差。然后，GPS算法以这个初始时钟差开始搜索算法不断修改时钟差，由于4颗卫星(4个方程)只有3个未知数(移动台经纬高度坐标)，最终4个方程全部满足即获得移动台位置，同时也实现移动台与卫星定时完全同步。由于AGPS方案需要测量UTRAN小区帧GPS定时并将其传给移动台，但直放站如果与这样的定位系统配合的话，其额外的时延和转发方向并不会影响时间的准确性，因此直放站对AGPS方案基本没有影响。

2 解决方案分析
在基于UMTS网络支持的3种定位方案的分析中，对直放站的支持，重心主要集中在直放站对OTDOA方案的支持上。在OTDOA方案中，定位实现的大部分功能实体在无线网络控制器(RNC)侧、基站侧和移动台侧，只是根据RNC的请求做一些公共的测量并返回结果给RNC用于计算移动台的估计位置，其中会涉及以下4个关于时间或时间差的测量值：

(1)SFN-SFN Observed Time Difference
SFN-SFN Observed Time Difference的测量(基于移动台测量)在移动台的天线处，对于定位所用到的测量值定义为TCPICHRx j -TCPICHRx i，表示从公共导频信道上测量到的小区j 与小区i 之间的时间差。该测量参数的单位为chip，精度为±0.5 chip。

(2)RTT
RTT值的测量(基于基站测量)在基站的天线处。

RTT =TRx -TTx，其中，TTx为基站开始向移动台传送下行专用物理信道(DPCH)帧的时刻，TRx为基站收到对应的最近到达的上行专用物理控制信道(DPCCH)帧开始的时刻。RTT的单位为chip，精度为±0.5 chip。

(3)SFN-SFN Observed Time Difference
SFN-SFN Observed Time Difference的测量(基于基站测量或基于LMU测量)在基站或LMU的天线处，对于定位所用到的测量值定义为TCPICHRx j -TCPICHRx i，表示从公共导频信道上测量到的小区j 与小区i 之间的时间差。该参数的单位为chip，精度为±0.5 chip。

(4)UE Rx-Tx Time Difference
UE Rx-Tx Time Difference的测量(基于移动台测量)在移动台的天线处，为移动台最早收到所测量的下行DPCH帧与移动台发送上行DPCCH/DPDCH帧之间的时间差。根据参考无线链路的不同，该测量值分成类型1和类型2。类型2定义其参考无线链路为移动台所有激活集中最早到达的链路，也就是指经过最少反射，空中延时最短的链路，符合位置测量原理的要求，所以位置计算使用该测量值的类型2。其单位为chip。

直放站的引入只会影响前两个测量值的准确性，因此，解决直放站对定位支持问题就是获得去除直放站影响的实际测量有效值。由于直放站只是对射频信号的透明中继，因此对于RNC、基站、移动台，人们测量时并不知其是否存在。可以设想，在测量时，如果能识别本次测量是否经过直放站中继，就能获得实际的测量有效值，问题也就迎刃而解。现在解决问题的思路就在于由谁来识别和如何识别的问题，侧重点应该集中在RNC、基站、直放站、移动台4者之间或者4者配合识别直放站是否转发信号。下面讨论前两个测量：

(1)对于SFN-SFN Observed Time Difference(基于移动台测量)的修正

经过直放站中继然后修正。在不改变3G 移动台标准的前提下，由移动台单独来考虑测量信号是否经过直放站中继然后修正测量值几乎是不可能的。
由RNC修正。由于3GPP标准规定测量值由移动台直接通过高层信令(经基站，对基站是透明)传给RNC，那么SFN-SFN Observed Time Difference(基于移动台测量)的测量有效值就必须由RNC想办法修正。本文设计了一种假设信号通路方式并加以验证的方法来识别移动台与基站之间的信号是否经过直放站中转。该方法无需在现有直放站增加任何硬件，只需直放站提供自身的一些参数即可完成对移动台定位的支持。

(2)对于RTT(基于基站测量)的修正

由基站来修正。
由RNC来修正。

还有其他方法可以实现直放站对定位业务的支持，例如，在直放站中增加定位中频、基带处理模块。基带处理模块解调出导频信号的帧并加入直放站信息后重新调制再转发，同时在基站或移动台侧识别加入的信息，即可获得该信号是否经过直放站中继。但该方法实现复杂、难度大而且成本高(把一部分基站的功能搬迁到直放站)，其对于解决直放站对定位OTDOA方案的支持作用有多大需进一步商榷。

3 假设验证信号通路方式的OTDOA定位方案
在对直放站对OTDOA方案影响的详细分析的基础上，本文提出一种假设验证移动台与基站之间信号通路方式的OTDOA定位方案。

在直放站监控系统中设置关于直放站信息的数据，包括直放站位置、施主基站/直放站、覆盖范围、转发方向角、天线俯仰角、收发时延(TRPT)以及直放站与施主基站之间的传输时延(TUTRAN-RPT)等。同时为了减少直放站与网络之间的信息交互，缩短定位服务响应时间，直放站入网时将该信息导入在SRNC侧的定位实体数据库中。为了便于描述和说明，本文定义了两个经常提到的概念：误差、第3对双曲线。误差定义为移动台的一个估计位置和另一个估计位置之间的距离，第3对双曲线定义为每次应用OTDOA算法进行位置估计时除参考基站(直放站)以外的两个基站(直放站)之间的双曲线。

解决思路为：由图1中可以看出基站B和基站C之间的双曲线并未应用，可利用此双曲线对刚才获的移动台的估计位置进行验证(要求以基站B为参考基站重新按OTDOA的方案重新测量获得基站B、C之间的双曲线)，如果估计位置正确，那么该双曲线应该也经过估计位置区域。

对于OTDOA定位方法，可结合图1的原理和图2的流程详细分析说明。基于前面对OTDOA技术的描述和分析，可利用图1所示两对双曲线以及Cell ID或RTT的取舍获得一个移动台的估计位置D。同时由于基站B和基站C之间的双曲线(第3对双曲线)在位置估计计算中并没有用到，可利用此双曲线进行验证。理论上，如果估计位置D正确，那么该双曲线应该也经过估计位置D。如图1所示假设引入一个直放站R为基站A服务，而网络系统和移动台均不知其存在(即不能获知移动台与基站的双向通信是否通过直放站R中转)，定位计算中心首先以图1描述的方式(不考虑直放站R的影响)进行位置估计计算，然后用基站B和基站C之间的第3对双曲线验证时也会有一个位置估计，计算并记录两次估计位置的误差。假设直放站R参与了该信号的传输，则以直放站R的位置代替基站A的位置后应用OTDOA方案重新计算位置估计，此时移动台收到基站A的信号的传输时间也应该减去TUTRAN-RPT和TRPT。同理，也用相应第3对双曲线验证得到另一个误差。两次误差比较，取误差较小的传输通路方式为移动台与基站的无线信号传输途径，获知无线信号是否通过直放站R中转传输，即可获得此传输通路下对移动台位置的估计。

同理，对于大部分工程规划的直放站布放(一个扇区配置一个直放站且没有级连)，最多只有8次计算和假设验证。也即移动台收到周围3个基站或其直放站信号的通路方式最多只有8种(穷举)可能组合。如图2所示，基站A有一个直放站X，基站B有一个直放站Y，基站A有一个直放站Z，移动台收到周围某一基站(或其直放站)的信号。因此，移动台同时收到周围3个基站(或其直放站)的信号共有8种组合通路方式：

(1)基站A、基站B、基站C
(2)基站A、基站B、直放站Z
(3)基站A、直放站Y、基站C
(4)直放站X、基站B、基站C
(5)基站A、直放站Y、直放站Z
(6)直放站X、直放站Y、基站C
(7)直放站X、基站B、直放站Z
(8)直放站X、直放站Y、直放站Z

分别对每种组合进行OTDOA运算获得移动台的一个位置估计，然后用相对应的第3对双曲线进行位置估计，获得另外一个位置估计。分别记录两个位置估计的误差，将8个误差的最小值时的通路方式组合为当前移动台实际接收到周围3个基站或其直放站信号的信号通路方式，并进行OTDOA，获的移动台的位置。

上述基于穷举和假设验证信号通路方式的测量、计算及验证的方法，对于直放站级连情况下(例如铁路沿线覆盖时)的定位精度问题也可得以提高。同时由于OTDOA方案的定位响应时间主要消耗在测量上而不是SRNC侧的位置估计计算上，因此，即使穷举也基本能达到与OTDOA方案相同的响应时间。

4 结束语
由于在直放站覆盖范围内移动台定位精度将大大下降甚至会产生对移动台错误的定位，因此，本文在详细对直放站对定位业务影响进行分析的基础上，提出一种假设验证的OTDOA定位方案，通过本文所述方法可以提高直放站在网时对移动台定位的准确度和精度，从而提高定位增值业务的服务质量。

5 参考文献
[1] 3GPP TR 25.305 Functional Stage 2 Specification of Location Services in UTRAN [S].
[2] 3GPP TS 22.071 Location Services (LCS): Service Description, Stage 1 [S].
[3] 3GPP TS 25.956 UTRA Repeater Planning Guidelines and System Analysis [S].
[4] 3GPP TS 25.106 UTRA Repeater Radio Transmission and Reception [S].
[5] 3GPP TS 25.143 UTRA Repeater Conformance Testing [S].
[6] 3GPP TS 23.171 Functional Stage 2 Description of Location Services in UMTS [S].

收稿日期：2004-11-15

作者简介：
刘利平，毕业于西安电子科技大学，硕士。现工作于中兴通讯股份有限公司技术中心。主要从事第3代移动通信网络管理系统和增值业务的研究和开发工作。主要研究领域有移动通信设备网络管理系统和无线定位技术等。已申请多项发明专利。

陈建杰，毕业于西安交通大学，学士。现工作于中兴通讯西安研究所，曾长期从事直放站设计工作。

邰春玲，中兴通讯股份有限公司西安研究所高级工程师，主要研究方向为控制软件、计算机通信与网间互连技术。

时间: 2005-8-2 08:30

作者: steel_008

我看完了...

通信人家园 (https://www.txrjy.com/)