LTE终端定位技术及测试方法探讨

2014-08-02刘吉雯李露文

移动通信 2014年11期

关键词：一致性终端定位

刘吉雯　李露文

【摘要】

主要对LTE移动终端定位技术和方法做出总结，同时对影响LTE移动终端定位性能的各种因素进行分析，结合中国电信LTE移动终端需求现状和部署情况，对LTE移动终端的定位性能的测试方法进行总结并给出相应的建议。

【关键词】

LTE SUPL A-GNSS

1 概述

随着智能手机在全球范围内的快速普及，手机已成为人们生活当中不可或缺的一部分，基于位置服务的应用更是当下最为流行的移动应用之一。与此同时，随着LTE时代的到来，LTE的发展和部署对终端定位的要求进一步提高，也对定位测试方法提出了新的要求。

移动定位技术的发展经历了多个阶段。最初的定位技术主要基于服务蜂窝小区（如CELL-ID），这种技术可以快速计算终端位置，但是精度较低。随后出现的定位技术主要基于卫星信号（如GNSS），这种技术定位精准，但需要搜星使得首次定位时间（TTFF）过长。随后这两种定位技术融合产生了A-GNSS（辅助GNSS）技术，相对于GNSS定位，A-GNSS能够更快地实现定位，因此，A-GNSS技术成为了最主要的移动定位解决方案。

3GPP LTE Release 9规范定义了3种手机定位技术：ECID、A-GNSS和OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，观察到达时间差），同时还定义了一种全新的定位协议LPP（LTE定位协议），下面分别对定位技术及定位协议进行简单的介绍。

1.1 ECID

ECID（增强型小区ID）是在LTE无线标准R9中引入的定位功能。Cell-ID定位方法已经在R9以前的版本中实现，而ECID集成了一些目前已经可用的测量技术，包括RTT（往返时间）、AOA（到达角度）等，从而使定位精度的提高成为可能。终端将服务小区ID、时间提前量（UE发送和接收的时间差）、标识、估计时间和邻小区功率报告给网络（ESMLC）。eNodeB可以向ESMLC报告其它的信息，如AOA等。ESMLC根据以上信息和已经确定的小区基站位置信息估计UE的位置信息。

1.2 A-GNSS

GNSS（全球导航卫星系统）是一种以卫星为基础的无线电导航系统，GNSS接收机需要捕获至少4颗卫星才能计算出终端的三维位置，这种捕获过程需要消耗终端较多的电量，同时首次定位时间较长。A-GNSS通过结合移动网络与传统卫星来进行定位，利用基地台代送辅助卫星信息，可以缩减GNSS捕获卫星信号的时间，显著提升了GNSS的性能。目前A-GNSS主要支持两套卫星系统，即美国的GPS和俄罗斯的Glonass。

1.3 OTDOA

OTDOA是一种根据3个基站与移动终端信号传播时间差值进行定位的技术。通过测量UE到两个基站的无线信号传播时间差（TDOA，Time Difference of Arrival）来计算移动终端到两个基站的距离差。

该技术的定位精度比CELL-ID方法要高，但受到环境的影响，在郊区和农村定位精度较高；在城区由于高大建筑物较多，电波传播环境不好，信号一般要经过折射或反射才能从基站到达移动台，定位精度较差。

由于LTE是同步系统，有利于OTDOA的使用，同时因为OTDOA不依赖于GNSS信号，弥补了GNSS在室内无法定位的缺陷，OTDOA成为了GNSS之外各运营商另一个强制要求的LTE定位技术。

OTDOA的定位流程如图1所示：

1.4 LPP定位协议

LPP作为通用定位通信协议，主要功能是在网络与终端之间交互定位辅助数据和定位信息。LPP既可以在控制平面也可以在用户平面使用。控制平面的实现方式需要用到专用控制信道，需对多个网元进行软硬件升级从而支持定位相关的控制平面信令，因此会显著增加移动网络成本，相对而言，用户平面的实现方式更容易被商业化。

LPP能够全面支持LTE中用到的定位技术，此外还支持A-GNSS+OTDOA的混合定位技术。在LPP协议的支持下，在卫星可见性较好的地区（如郊区），手机可以通过测量4颗卫星信号进行定位；在卫星可见性较不好的地区（如市区），手机可以通过测量2颗可见卫星信号及2个LTE基站信号进行定位；而在卫星不可见的室内，手机则可通过OTDOA实现定位，从而确保手机终端在各种环境下都能实现定位。

LPP在用户平面的应用是通过SUPL（安全用户平面定位）协议实现的，LPP消息作为SUPL消息的承载（Payload），是定位信息的实际载体。SUPL的最初版本SUPL1.0并不支持LTE网络，而SUPL2.0作为升级版本可以支持LTE，同时也支持LPP定位协议以及OTDOA、Wi-Fi等新的定位技术。同时，SUPL2.0还能够兼容现有的所有定位协议和技术，例如在LPP之外，它同样支持当前正在2G、3G网络中广泛使用的定位协议（如RRLP、RRC、IS-801）。因此，只要SLP和SMLC可以支持其中的任意一种通用定位协议，SUPL2.0就可以在该网络中被部署，而无论是2G、3G还是4G网络。在LTE部署的最初阶段，由于LTE的部署不可能一蹴而就，需要从现有网络平滑过渡，SUPL2.0对各种协议的兼容性保证了从各制式网络到LTE网络的平滑无缝过渡。LTE定位网络架构如图2所示。

1.5 中国电信移动通信网络定位技术特点

中国电信的移动通信网络包括CDMA1x/EVDO到LTE网络，覆盖了2G、3G、4G的网络。然而，定位技术在2G、3G网络中采用的是基于高通技术的V1/V2用户面的协议，网络定位服务器包括了MPC/PDE服务器网元设备。到了LTE网络，需要过渡到LTE的SUPL2.0协议来进行定位。积极的方面是SUPL2.0支持IS-801的封装，因此可以平滑过渡到SUPL2.0协议支持用户面定位。此外，2G、3G网络也支持基于Cell-ID和AFLT的多小区定位技术。因此，从定位能力的角度来讲，LTE网络支持的定位能力，在2G、3G网络中都已经具备，区别是定位协议和承载定位流程的网络不同。endprint

在实际应用中，不同的定位技术应用在不同的定位环境中，定位性能肯定也有所不同，如图3所示：

图3 不同定位技术的定位精度与适用性对比

从上图可以看出，主要的定位应用还是集中在A-GNSS方面，根据中国电信移动通信网络的发展特点，后续将着重讨论不同阶段的定位测试方法。

2 LTE终端定位能力的关

键问题分析

随着LTE时代的到来，LTE移动终端将会变得越来越复杂，终端除了需要支持原有的2G、3G网络外，还需要支持尽可能多的LTE频段。根据所使用的不同网络类型、不同环境，终端需采用不同的定位技术来进行定位。针对LTE移动终端的定位性能，可以从软硬件设计、天线性能和业务间的相互影响等几个方面来考虑。

2.1 系统硬件和软件设计对移动终端定位性能的影响

随着全球卫星导航系统的发展，目前已经有包括美国的GPS，俄罗斯的GLONASS和中国的北斗全球卫星导航系统可以使用，移动终端也开始支持多种辅助全球卫星导航系统的定位，继而出现了A-GPS，A-GLONASS和A-Beiou的应用需求。

移动终端硬件设计需要考虑支持多种辅助全球卫星导航系统的支持能力，因为不同的卫星导航系统的工作频段、无线接入制式不同，因此在硬件设计上需要考虑不同卫星导航系统间的干扰进而确保移动终端的多种辅助卫星导航系统的射频性能。

在LTE移动终端上，所有的这些辅助定位系统与网络的融合都是通过LPP协议实现的，而LPP在用户平面的应用是通过SUPL协议实现的。目前，几乎所有的移动应用都具备移动辅助定位的功能，并且都是承载在SUPL2.0协议之上，因此，移动终端需要严格按照OMA标准规范中定义的SUPL2.0的协议要求实现软件设计，才能确保后续移动终端定位应用的成功部署。

2.2 移动终端定位天线对终端定位性能的影响

LTE引入了MIMO技术，LTE移动终端必须部署多于一个天线，天线配置的性能直接影响OTDOA的性能，相同的原理也适用于GNSS天线。影响天线性能的相关因素包括干扰问题、天线形状和天线摆放位置等，这些因素必须在移动终端的硬件设计阶段予以考虑从而确保获得天线的最优性能。即使具备最好性能接收机的移动终端，如果因为天线或者设备形状等因素造成射频性能问题，也会使移动终端整体性能受到影响。此外，体积较小的移动终端需要支持的射频频段越来越多，那么形状因素、性能降级等问题都会对移动终端的定位性能带来极大的挑战。

2.3 通信网络的收发信机对移动终端定位性能的影响

目前移动终端硬件底板面积越来越小，但需要部署的天线数目和种类却越来越多，包括2G/3G、LTE、Wi-Fi、Bluetooth、NFC、FM和GNSS等天线。所有的模块一起工作，之间势必会产生干扰，进而影响彼此的性能。而在这些模块中，GPS的信号强度比传统通信信号强度要弱几十万倍，性能极易受到影响。例如，在Verizon部署LTE移动终端时，由于LTE运行在700MHz以上，二次谐波直接落到了GPS的工作频段1.5GHz上，Verizon在验证测试中发现最早的LTE移动终端在LTE业务发起后，LTE网络占用的频段对GPS信号产生了强大的干扰，造成终端GPS基本不具备定位能力，因此，Verizon不得不在终端准入测试中对移动终端定位性能进行严格的检测并对LTE网络的信道配置进行调整。此外，Band24是GNSS L1频段邻频。以上都直接说明定位性能存在潜在挑战。

移动终端硬件平台各个模块并发工作时，对整体平台的底噪会有进一步的抬升，这个抬升对于传统的无线通信模块如Wi-Fi、Bluetooth、FM、NFC等没有较大的影响，因为这些传统的通信模块可以通过自适应调整适应噪声水平的提高。但是定位模块GNSS的接收机由于是单向接收，只能被动接收，当底噪提高时，将直接影响接收机的载噪比C/N，从而极大的降低GNSS接收机灵敏度。

3 LTE移动终端定位功能和性能测试方

法总结

3.1 标准定义的测试要求

3GPP TS 37.571-1定义了LTE控制平面定位的测试标准，包括A-GNSS，OTDOA和ECID的最低性能测试要求，主要包括：

（1）A-GNSS接收机性能：A-GNSS（如A-GPS+A-GLONASS+A-Beidou）接收机必须在一个具备各种挑战的场景下进行性能测试，如低导航卫星覆盖功率水平、低可见卫星数目、多种GNSS卫星或者低HDOP等场景下。接收机灵敏度在实际定位应用环境中扮演着重要的角色，因此需要对接收机的灵敏度进行测试。

（2）OTDOA性能：OTDOA性能更大程度的依赖于参考信号时间差（RSTD）测量精度。这直接关系到定位参考信号（PRS）的获取，这在某些无线环境如衰落、变化带宽和小区时间偏移等条件下变得十分困难。为了确保OTDOA在各种无线环境下工作正常，PRS获取和RSTD测量必须确保准确性和可信性。

（3）ECID性能：ECID依赖于基于回环时间（RTT）的UE和eNodeB估计距离。决定回环时间的主要测量是时间提前量，因此移动终端必须向服务小区报告发送和接收时间差的测量值。这个值的测量精度将会影响整个位置计算结果的精度。

（4）混合A-GNSS+OTDOA接收机性能：一些移动设备支持混合定位能力包括A-GNSS和OTDOA定位进而在没有足够可用导航卫星数目的情况下提高定位性能。通过合并OTDOA和A-GNSS测量，一种基于混合测量值的位置信息可以通过计算获得。为了达到这种定位能力，接收机必须同时具备精确获取PRS和卫星信号（多种导航卫星系统星群）的能力。

LTE终端定位最低性能主要测试内容如表1所示：endprint

表1 LTE终端定位最低性能主要测试内容

A-GNSS ECID OTDOA

主要测试

内容标称精度测试

灵敏度测试

动态范围测试

多径测试

移动场景测试 TDD模式下发送和接收的时间差报告测试

FDD模式下发送和接收的时间差报告测试 RSTD（参考信号时间差）测量报告测试

测试终端

模式 UE-Assisted

UE-Based UE-Assisted UE-Assisted

在完成性能验证后，下一步需要对终端与网络设备之间定位协议交互的一致性进行验证，以确保移动定位业务的顺利部署。LTE终端主要使用LPP和SUPL2.0协议来进行定位数据交互，包括从网络获取辅助定位数据，终端向网络上报测量结果及其他定位相关信息等。如前面提到的，LTE网络运营商既需要支持控制平面定位服务，还需要支持用户平面定位服务。这就意味着无论是控制面还是用户面都需要进行完整测试进而保证真实网络环境下的数据交互的可信性。

3GPP TS 37.571-2定义了LPP协议信令一致性测试内容，主要测试目标是验证LPP协议在各种呼叫流程下的一致性，包括通知、隐私检查、定位能力传输、错误处理、辅助数据传输以及定位测量等流程。

除了3GPP TS 37.571-2外，OMA SUPL2.0 ETS也定义了一系列协议测试用例。SUPL2.0是独立于空口的协议，因此ETS测试用例针对了多种接口和定位协议。

此外，还应对终端GPS天线性能进行测试，CTIA A-GPS OTA测试规范的前期版本（3.1版）规定了GSM、CDMA及WCDMA设备中A-GPS OTA测试的相关要求，而3.2.1版本增加了支持附加协议的相关要求，该协议规定了LTE网络上A-GPS的精确定位，包括SUPL2.0及对RRLP和LPP的支持。

3.2 端到端移动终端定位性能测试

端到端定位性能是指整体系统性能，如响应时间、定位精度等。尽管接收机性能和协议一致性已经通过标准定义规范的验证，但仍不能确保端到端的性能可以被接受。有很多因素可能影响优化精度和响应时间。比如优化定位精度将可能以牺牲响应时间为代价，反之亦然。进一步，LTE定位需要在多种不同定位模式如A-GNSS、OTDOA、ECID和OTDOA+A-GNSS混合定位能力间进行优化，在这个优化过程中存在各种权衡，这使得提高端到端性能变得非常具有挑战性。

3.3 运营商准入测试的要求

除了基于标准的性能、协议测试外，运营商通常还需要制定特殊的测试标准。某些复杂的呼叫流程在E-UTRAN部署中会有冲突，这种冲突可能变成一些定位方面的问题点。常见场景包括业务间的相互影响、弱GPS或者蜂窝网络环境或者移动场景等。运营商可能更关心某些特定的呼叫流程（如混合OTDOA+A-GNSS定位）。针对这些场景制定的准入测试用例是帮助运营商比较手机性能的关键，同时也是移动终端选型的关键因素。

4 结束语

基于标准的最低性能，协议一致性测试对于移动终端定位能力评估非常重要。为了能够准确评估移动终端在真实网络环境下的定位能力，在变化场景中和超出标准定义的呼叫流程条件下进行类似真实网络环境的天线性能、接收机性能、测量准确性、协议一致性、端到端性能等测试是十分必要的。如何模拟真实用户在近似真实网络环境下的移动终端定位性能测试将会是未来运营商面临的一个亟待解决的重要问题。

参考文献：

[1] 3GPP TS 37.351-1. Universal Terrestrial Radio Access （UTRA） and Evolved UTRA （E-UTRA） and Evolved Packet Core （EPC）； User Equipment （UE） conformance specification for UE positioning； Part1：Conformance test specification[S]. 2012.

[2] 3GPP TS 37.351-2. Universal Terrestrial Radio Access （UTRA） and Evolved UTRA （E-UTRA） and Evolved Packet Core （EPC）； User Equipment （UE） conformance specification for UE positioning；Part2：Protocol conformance[S]. 2012.

[3] Ronald Borsato， Michael D.Foegelle. LTE， Positioning and the Implications for GNSS Over-the-Air Testing. InsideGNSS， 2012.

[4] CTIA. CTIA Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance V3.3[Z]. 2013.endprint