TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位技术研究

王维猛+焦荣华++李晓辉

摘要： TD⁃SCDMA系统主要采用上行同步和智能天线技术，使用单个服务基站实现对UE的DOA⁃TOA定位，克服了传统定位方法的缺点。主要对TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位关键技术进行分析和研究。分析TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位基本原理和实现流程，重点研究物理层信息帧结构、智能天线技术和上行同步等DOA⁃TOA定位关键技术，最后研究了DOA⁃TOA定位方法，并对不同环境下其定位误差性能进行了仿真分析。

关键词： TD⁃SCDMA； 定位技术； 单基站； DOA； TOA

中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A文章编号： 1004⁃373X（2014）08⁃0001⁃04

Research on DOA⁃TOA positioning techniques for TD⁃SCDMA system

WANG Wei⁃meng1，3， JIAO Rong⁃hua2， LI Xiao⁃hui1

（1. State Key Laboratory of Integrated Services Networks， Xidian University， Xian 710071， China;

2. Northwest Regional Administration of CAAC， Xian 710086， China;

3. The 54th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： TD⁃SCDMA system with the techniques of uplink synchronization and smart antenna can realize the DOA⁃TOA positioning of the UE by a single serving base station， and overcome the shortcomings of the traditional positioning methods. The DOA⁃TOA positioning techniques of TD⁃SCDMA system are analyzed and researched in this paper. The basic positioning principle and procedure of DOA⁃TOA positioning of TD⁃SCDMA system. An intensive study of the key technologies of DOA⁃TOA location in TD⁃SCDMA system is made， such as data frame structure of physical layer， uplink synchronization， smart antenna and so on. The DOA⁃TOA positioning method is researched. Simulation analysis of the positioning error was performed in different environments.

Keywords： TD⁃SCDMA; positioning technlogy; single base station; DOA; TOA

近年来，随着3G网络进入商用阶段，定位业务成为3G众多业务中主打业务之一。因此，各运营商都在积极制定相应的定位方案，如：WCDMA、CDMA2000系统等均在原有蜂窝通信网的基础上建立了相应的定位网络，各项技术都相对比较成熟，一些定位业务也已开始展开。拥有我国自主知识产权的TD⁃SCDMA系统是世界上首先同时采用时分双工、同步码分多址技术和智能天线技术的第三代移动通信系统[1]。伴随着人们对无线定位的需求越来越迫切，同时为使TD⁃SCDMA标准与其他3G标准相抗衡，TD⁃SCDMA无线定位业务已然成为目前研究的重点。关于我国TD⁃SCDMA标准，基于上行导频序列的同步技术和智能天线等技术的联合应用，使其可用单个服务基站实现DOA⁃TOA定位，既利用了TD⁃SCDMA系统自身结构特点，同时解决了沙漠、山区等基站稀疏区域多基站很难得到满足的困难，具有广泛应用前景。

1TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位基本原理

TD⁃SCDMA系统可以采用基于智能天线、上行同步等关键技术的DOA⁃TOA定位方法，其原理图如图1所示。此定位方法仅需要一个基站进行参与，即图中的Node B，位置为[(x0,y0,z0)]，UE为待定位移动台，位置为[(x,y,z)]，[r]为移动台相对于基站的距离（TOA），[θ]为移动台发出的信号相对于x轴正向的水平方位角（DOA），[h]为基站和移动台间的高度差。

在理想情况下，假定基站可以通过上行同步和智能天线等关键技术准确估计出移动台信号到达基站所需的时间[t]和信号到达的水平方位角度[θ]，那么可通过式（1）对移动台的位置坐标[(x,y,z)]进行求解，实现TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位：

[x=x0+r2-h2cosθ=x0+c2t2-h2cosθy=y0+r2-h2sinθ=y0+c2t2-h2sinθz=z0+h] （1）

图1 DOA⁃TOA定位原理图

TD⁃SCDMA系统实现DOA⁃TOA定位的具体流程如图2所示。流程图分上下两部分，对应于DOA⁃TOA定位方法中TOA和DOA的估计与重构。移动台发送上行导频和突发序列，经过无线信道的传输到达基站。基站通过基于上行同步序列的相关峰检测进行TOA估计，并判别估计TOA中是否存在NLOS误差，从而确定是否进行NLOS误差的抑制。TD⁃SCDMA系统采用了智能天线技术，使其可以利用相应的DOA估计算法估计DOA，然后根据散射体分布模型进行TOA和DOA的重构。最终，基于重构出的DOA和TOA等信息完成TD⁃SCDMA系统的DOA⁃TOA定位。

图2 TD⁃SCDMA DOA⁃TOA定位基本流程

2TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位关键技术

2.1物理层信息帧结构

TD⁃SCDMA系统的物理信道采用了系统帧、无线帧、子帧和时隙/码四层结构形式。一个系统帧由72个帧长为10 ms的无线帧组成。同时又将每个无线帧分为两个长度为5 ms的子帧。我国TD⁃SCDMA标准所定义的码片速率是1.28 Mchip/s，则一个子帧可容纳6 400个码片。如图3所示，毎一个子帧又由7个常规时隙和DwPTS，GP，UpPTS 三个特殊时隙组成，其中DwPTS时隙由长度为64 chip的下行同步序列SYNC⁃DL和长度为32 chip的保护间隔组成，UpPTS时隙由长为 128 chip的上行同步序列SYNC⁃UL和长度为32 chip的保护间隔组成[2⁃3]。三个特殊时隙具体作用分别是：DwPTS是为下行导频和同步而设计的下行导频时隙；UpPTS是在随机接入以及切换的过程中均用于建立UE和基站间初始同步的上行导频时隙；GP是保护时隙。

图3 TD⁃SCDMA子帧结构图

2.2上行同步

上行同步技术是指上行链路中同一时隙内不同距离用户所发送的上行信号能够同步到达基站端。对于TD⁃SCDMA系统，上行同步可以使其系统性能得到一定提升，因为通过上行同步可以降低不同用户间的多址接入干扰，达到提升小区容量和增加小区半径的目的[3⁃5]。

TD⁃SCDMA系统上行同步基本原理为：

（1） UE开机后，基站首先在DwPTS时隙上发送SYNC⁃DL信号，UE在DwPTS时隙上接收相应信号，实现下行同步；

（2） 由于UE不知道其和基站之间的距离，为降低对常规时隙的干扰，UE初次发送采取以开环的形式在UpPTS时隙上发送UpPCH信号，发送定时由基站和UE间的信号衰落特性估计出，或者将其设定为固定的发送时间提前量；

（3） 基站端检测UpPTS时隙上的UpPCH信号，测量信号到达时刻和接收功率等信息，并将这些信息通过FPACH信道反馈给UE；

（4） UE接收基站通过FPACH信道发 送来的信息，并以此确定下次发射的时间和功率，从而实现基站和多个UE的上行同步。

2.3智能天线

智能天线最初用于雷达、声呐及军事通信领域，是一种空分多址技术。它使用一系列低增益天线阵元，调整天线加权权值，产生空间定向波束，使波束主瓣对准有用信号到达方向，旁瓣对准干扰信号到达方向，达到提升信干噪比的目的[3，6⁃8]。

智能天线的功能主要体现在两方面：波束赋形和来波方向估计。通过智能天线，可在整个小区内对不同用户形成不同的赋形波束，实线空分多址，从而有效降低小区内和小区间同频用户之间的干扰，提升通信质量。同时，使用智能天线可以根据接收信号矢量的特性估计当前各个用户的DOA，增强了UE的定位精度。

TD⁃SCDMA系统的智能天线是由8个阵元组成的均匀圆阵（UCA），可根据用户在小区内的分布位置产生定向波束实时跟踪用户，获得较高的增益。

3TD⁃SCDMA系统移动台位置的确定

3.1TOA估计

根据TD⁃SCDMA系统帧结构特点可知，DwPTS，UpPTS，GP在帧结构中的位置是固定的，且组成序列SYNC⁃UL，SYNC⁃DL具有较强的自相关性，利用帧结构这一特点，可进行基于相关峰检测的TOA估计。在发射时钟与接收时钟严格同步的前提下，通过计算接收序列SYNC⁃UL起始位置与发送序列SYNC⁃UL起始位置的码片差值，就可得到距离估算值。

3.2NLOS信号的识别和抑制

在无线定位系统中，移动台和基站之间的传输环境对定位精度有很大影响。在实际信道环境中，建筑物、树木、车辆等障碍物使得LOS传输很难得到保证，信号只能以反射、散射等方式传输，这就是NLOS传播。NLOS误差由NLOS传播引起，是一个正的附加时延量。为使测量数据有效且定位结果准确，需要对NLOS传播进行判别，并对其误差进行抑制，减小对定位精度的影响。关于NLOS的识别和抑制，分析Wylie识别算法和LOS重构算法。

3.2.1Wylie识别算法

Wylie识别算法利用NLOS传播时TOA多次测量的标准差远大于LOS环境测量标准差这一特点进行NLOS识别[9]。假定基站在特定时间内所得到的TOA测量数据为[ri(i=0,1,2,…,K-1)]，利用最小二乘技术进行[N]阶多项式拟合，那么可求出[N]阶多项式拟合系数[a(n)N-1n=0] ，从而得到平滑曲线：

[si=n=0N-1a(n)tni] （2）

可计算平滑后的距离与观测所得距离的标准差为：

[σ=1Ki=0K-1(si-ri)2] （3）

当移动台和基站之间的传输路径为LOS传播时，测量距离相对于实际距离的偏差为系统标准测量误差[n][-αm≤n≤αm]；然而，在 NLOS环境下，NLOS误差[NLOSi(m)] [0≤NLOSi(m)≤βm]和标准测量误差[n]同时存在。NLOS误差是一个正的具有较大标准差的随机变量，则NLOS环境下距离测量值相对于平滑值的偏差将非常大，判决条件为：

[H0: σm≤βσmH1: σm>βσm] （4）

式中[β∈(1.05~1.10)。]

当假设[H0]成立时，则基站接收到的是LOS信号；当假设[H1]成立时，则基站接收到的是NLOS信号。

3.2.2基于NLOS识别的LOS重构算法

基于NLOS识别的LOS重构算法的实质为根据TOA测量误差的取值范围对经过最小二乘平滑后的曲线进行修正，使修正后的曲线尽可能接近其实际距离变化曲线。当基站和移动台间为NLOS传输时，TOA测量误差中NLOS误差和系统标准测量噪声同时存在，那么其取值范围[9]是[-αm≤n+NLOSi(m)≤βm+αm] 。

由此可知LOS重构算法分两步进行：

（1） 根据式（2）对TOA多次测量所得数据，使用最小二乘算法对其进行[N]阶多项式拟合，得到拟合平滑后的曲线；

（2） 利用系统标准测量误差[αm]的范围对NLOS误差进行纠正，具体为：对测量数据进行拟合平滑后，计算每个测量时刻测量值和平滑值之间的偏差[ri-si]。假定观测时间足够长，以满足可找出最大偏差出现时刻。在测量时间间隔比较大且无相关性的情况下，此偏差非常接近[βm+αm]，此时TOA测量取值为测量曲线的最小值点，为[Li-am]。

根据误差取值范围，通过将平滑后的曲线垂直下移使它穿过最大偏差点，然后再向上移动[am]，得到的修正曲线将非常接近于LOS环境下的距离估计值。

3.3移动台位置的确定

如图1所示，考虑[h=0]简化模型，设基站的位置为[(x0,y0)]，待定位移动台的位置为[(x,y)]。TD⁃SCDMA系统智能天线技术的采用可以估计出移动台相对于基站所处的角度[θ]，上行同步技术可根据相关峰检测估计出TOA，经过NLOS识别和抑制后TOA估计值为[r]，结合式（1）所示定位原理，那么移动台位置为：

[x=rcosθ+x0y=rsinθ+y0]（5）

4TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位误差分析

TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位精度主要受DOA估计误差和TOA估计误差影响，如图4所示，其误差范围是图示阴影部分。图5是DOA估计误差和TOA估计误差对RMSE的影响曲面。

图4 DOA⁃TOA定位精度示意图

图5 DOA⁃TOA估计误差下的RMSE曲面

关于对DOA⁃TOA定位性能的仿真，主要分传播环境为LOS和NLOS两种情形考虑：

（1） LOS传播环境。对于LOS环境，考虑两种计算模式：一是基于单次测量的TOA和估计的DOA进行定位；二是对TOA多次测量，进行最小二乘拟合，然后结合估计的DOA进行定位见图6。对于最小二乘拟合的必要性，对比不同标准测量误差（10~90 m）下RMSE曲线见图7。

图6 LOS环境下不同处理算法的RMSE比较

图7 不同标准测量误差下不同处理方式的比较

由图6可以看出，经过多次测量然后进行最小二乘拟合的定位性能明显优于基于单次测量的直接定位。这是因为通过多次测量和最小二乘拟合，可以减小标准测量误差对定位性能的影响。同时由图7可看出，随着系统标准测量误差的增大，基于单次测量的DOA⁃TOA定位所产生的误差也增大，而基于多次测量、进行最小二乘拟合，然后进行DOA⁃TOA定位所产生的误差基本不变。也就是说，系统标准测量误差越大，进行多次测量并最小二乘拟合的必要性越大，可以通过牺牲测量次数来补偿标准测量误差所带来的定位误差。

（2） NLOS传播环境。下面讨论定位基站为NLOS的情形，进行了图8所示的仿真。

图8 NLOS误差抑制前后定位RMSE比较

图8用基于LOS重构NLOS抑制算法，对比NLOS误差抑制前后的定位RMSE曲线，可看出在NLOS误差抑制前，信噪比在-15 dB以上时，定位误差RMSE在500 m以上，进行基于LOS重构的NLOS误差抑制后，定位误差RMSE明显下降，NLOS误差抑制后定位误差RMSE在30~60 m之间，主要受信噪比和标准测量误差的影响。

5结语

本文主要研究了TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位算法。在此仅使用单个服务基站便可实现对UE的定位，节省了无线资源。主要分析和研究了DOA⁃TOA定位的关键技术⁃上行同步和智能天线技术，并研究了NLOS环境下NLOS信号识别和抑制算法，提出了在LOS环境和NLOS环境下分别用于提升定位精度的方法，保证了不同环境下均可实现对UE的高精度定位。

参考文献

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[11] 钱锟，杨育红.基于TD⁃SCDMA系统的单基站定位算法[J].电子技术应用，2007（3）：91⁃93.

[12] 杨书伟，张曙光，张文婷.TD⁃SCDMA系统中的单基站定位技术[J].电脑与电信，2009（8）：24⁃26.

由图6可以看出，经过多次测量然后进行最小二乘拟合的定位性能明显优于基于单次测量的直接定位。这是因为通过多次测量和最小二乘拟合，可以减小标准测量误差对定位性能的影响。同时由图7可看出，随着系统标准测量误差的增大，基于单次测量的DOA⁃TOA定位所产生的误差也增大，而基于多次测量、进行最小二乘拟合，然后进行DOA⁃TOA定位所产生的误差基本不变。也就是说，系统标准测量误差越大，进行多次测量并最小二乘拟合的必要性越大，可以通过牺牲测量次数来补偿标准测量误差所带来的定位误差。

（2） NLOS传播环境。下面讨论定位基站为NLOS的情形，进行了图8所示的仿真。

图8 NLOS误差抑制前后定位RMSE比较

图8用基于LOS重构NLOS抑制算法，对比NLOS误差抑制前后的定位RMSE曲线，可看出在NLOS误差抑制前，信噪比在-15 dB以上时，定位误差RMSE在500 m以上，进行基于LOS重构的NLOS误差抑制后，定位误差RMSE明显下降，NLOS误差抑制后定位误差RMSE在30~60 m之间，主要受信噪比和标准测量误差的影响。

5结语

本文主要研究了TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位算法。在此仅使用单个服务基站便可实现对UE的定位，节省了无线资源。主要分析和研究了DOA⁃TOA定位的关键技术⁃上行同步和智能天线技术，并研究了NLOS环境下NLOS信号识别和抑制算法，提出了在LOS环境和NLOS环境下分别用于提升定位精度的方法，保证了不同环境下均可实现对UE的高精度定位。

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[12] 杨书伟，张曙光，张文婷.TD⁃SCDMA系统中的单基站定位技术[J].电脑与电信，2009（8）：24⁃26.

由图6可以看出，经过多次测量然后进行最小二乘拟合的定位性能明显优于基于单次测量的直接定位。这是因为通过多次测量和最小二乘拟合，可以减小标准测量误差对定位性能的影响。同时由图7可看出，随着系统标准测量误差的增大，基于单次测量的DOA⁃TOA定位所产生的误差也增大，而基于多次测量、进行最小二乘拟合，然后进行DOA⁃TOA定位所产生的误差基本不变。也就是说，系统标准测量误差越大，进行多次测量并最小二乘拟合的必要性越大，可以通过牺牲测量次数来补偿标准测量误差所带来的定位误差。

（2） NLOS传播环境。下面讨论定位基站为NLOS的情形，进行了图8所示的仿真。

图8 NLOS误差抑制前后定位RMSE比较

图8用基于LOS重构NLOS抑制算法，对比NLOS误差抑制前后的定位RMSE曲线，可看出在NLOS误差抑制前，信噪比在-15 dB以上时，定位误差RMSE在500 m以上，进行基于LOS重构的NLOS误差抑制后，定位误差RMSE明显下降，NLOS误差抑制后定位误差RMSE在30~60 m之间，主要受信噪比和标准测量误差的影响。

5结语

本文主要研究了TD⁃SCDMA系统DOA⁃TOA定位算法。在此仅使用单个服务基站便可实现对UE的定位，节省了无线资源。主要分析和研究了DOA⁃TOA定位的关键技术⁃上行同步和智能天线技术，并研究了NLOS环境下NLOS信号识别和抑制算法，提出了在LOS环境和NLOS环境下分别用于提升定位精度的方法，保证了不同环境下均可实现对UE的高精度定位。

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