基于Alamouti编码的移动台无线定位方法

陈驰宇,解培中,李 汀

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于Alamouti编码的移动台无线定位方法

陈驰宇,解培中,李 汀

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于移动台位置的服务已经广泛融入人们的生活。目前基站定位主要作为GPS定位的补充，然而在低信噪比环境下，基站定位方法受信道影响具有较大定位误差。为了充分利用LTE系统中基站发送端多天线特点，提升定位精度，文中提出了一种基于Alamouti空时编码技术的OFDM-MIMO系统的移动台定位方案。首先给出了通用的无线定位系统模型及定位算法，其次研究了Alamouti编码译码过程及其对无线定位系统性能的影响，最后通过仿真，与传统OFDM系统定位方案进行性能对比。结果表明，较传统定位方案，基于Alamouti编码的移动台无线定位方法可以在低信噪比环境下显著降低定位参考信号误码率，提升定位系统性能。

Alamouti空时编码；广义互相关算法；时延估计；无线定位

1 概 述

随着无线通信业务的蓬勃发展，基于移动台位置的服务(LBS)，如微信摇一摇、滴滴打车、高德地图等手机应用也越来越多，LBS逐渐成为人们日常生活、出行的一部分。无线定位的精度决定了LBS的服务质量，逐步提高的定位精度促进了LBS的更广泛应用。目前三大运营商相继推出了4G网络，中国已经有了比较完备的LTE产业链。随着基站数目的增多，移动终端的智能化，运营商所能提供的定位精度以及用户对无线定位业务的要求都在提高。

到达时延差(TDOA)定位法具有定位精度高和移动台与基站同步要求低的特点，被广泛应用。文中提出的基于Alamouti编码的移动台无线定位方法同样以TDOA定位法为基础。无线定位精度主要受时延估计精度的影响[1]，因而目前对于无线定位技术的研究多集中在提高时延估计精度上。针对时延估计问题，文献[2]提出了两步求解法。在粗时延估计时，为提高定位速度，首先对频域采样信号以保护间隔长度Ncp滑动相关，找出时延估计初始点t1，然后在时域上以t1-Ncp作为起点，以单个采样点做滑动相关，最终找到整数倍采样点时延估计；针对精时延估计，运用0.618插值法获得小数倍采样点的时延，提高采样精度。文献[3]针对LTE系统下行链路信号多径衰落严重的情况，提出了一种基于信噪比门限值获取首达路径的算法，并在此基础上针对首达路径衰落严重的情况，提出一种基于信噪比门限和标准峰值的选择性门限定位法。文献[4]提出了一种数据融合方案，综合考虑TDOA、TOA、AOA、RSS的测量结果，运用最小均方误差原则为不同测量结果分配权重，对测量结果进行优化。文献[5]提出一种基于MIMO技术的时延估计算法，利用多天线技术降低信号传输过程中的误码率，提升信号的互相关性，在低信噪比情况下优化无线定位系统性能。

针对尺寸较小、能耗要求高的手机终端设备，文中提出一种基于Alamouti编码的无线定位方案。该方案采用双发单收模式，发射端对OFDM调制信号进行Alamouti编码，接收端采用最大比合并译码、OFDM解调获得定位参考信号；通过对两路基站到达信号互相关运算提取到达时延差；最后通过Chan算法获取移动台位置信息。

仿真表明，在低信噪比情况下，采用Alamouti编码可以较大程度地优化定位参考信号的互相关特性，提升定位精度。

2 相关工作

2.1 定位参考信号模型

一个TDOA信号由两路定位参考信号(PRS)通过相关运算获得。PRS针对OFDM系统设计，对发射方和接收方均已知，无线定位系统利用这段信号进行相关操作，获取到达时延差值，得到两基站距离移动台的位置差。

小区定位参考信号存在于所有的下行链路帧结构上，由一到四根天线发送[6]。其定义如下：

(1)

式中：X为小区定位参考信号；s为QPSK调制的31位GOLD序列；p为天线端口号；b为基站号；k为载波序号；m和m'为GOLD序列的标号；l为小于ns的OFDM信号数。

通过快速傅里叶变换可以将定位参考信号转化到时域：

(2)

则接收端获得的对于基站的接收信号为：

(3)

目前关于无线定位的文章多为单输入单输出，即Nb=0，没有充分利用发送端的多天线，造成资源的浪费。通过Alamouti编码可以对发送端进行多天线分集，利用发送端的多天线特性，获得信噪比增益，提升无线定位系统的性能。

2.2 无线定位误差原因

无线定位系统的误差由多方面原因产生，包括非视距传输、多径传输、多址干扰等[7]。多径传输对基于时间的定位系统(TOA、TDOA)有很大影响，即使定位基站和移动台间存在LOS路径，它也会导致时延估计误差。传统时延估计大多是通过互相关提取时间参数，当接收信号处于同一个码片内时，如果次达信号强度大于首达信号,相关时延估计法提取的可能是次达信号时延。多径传输问题的解决方法很多，主要包括高分辨率频谱估计[8]和最小均方估计；非视距传输(NLOS)是指发射信号经过反射和衍射传输以大于直射路径的传播距离到达接收端，通常发生在室内环境(如墙壁家具阻挡)或建筑物密集的室外环境(如城市地区)。NLOS传播获得的时延会附加一个正的偏差，在GSM典型系统中的定位误差达到400～700 m[9]。针对NLOS误差的解决方法主要是通过先验信息对NLOS信号进行LOS重构或者在定位算法中降低NLOS信号的权值；多址干扰存在于所有的小区通信系统中。CDMA小区中，用户通过使用不同的传播码字共用相同频段，远近效应十分明显。不同移动台收到的服务信号以不同的强度传输，导致近端用户信号更加难以恢复,在无线定位中同样会导致近端时延估计误差较大。

(4)

3 Alamouti编码与时延估计

3.1 定位参考信号的Alamouti编码

发射端天线分集，利用不同天线发送信号所具备的相关性为无线传输系统提供了额外的信号传输副本，提升系统带宽和信号传输质量。将该方案应用于无线定位系统则可以降低定位参考信号的传输误码率，减弱发送序列的频域畸变，提升时延估计精度，改善定位性能。

两个连续信号x1和x2按以下空时码字矩阵编码：

(5)

假设信道增益在连续的两个信号传输周期内不变，那么接收信号在连续的两个信号周期可以表示为：

(6)

合并接收端收到的信号，则：

(7)

其中，h1，h2为信道增益，可以通过信道估计求出。

图1为文中提出的Alamouti编码系统框图。

该方案结合了OFDM与多天线技术，通过OFDM调制降低信道频率选择性衰落，并运用发射天线空间分集减轻衰落，提高链路可靠性，优化系统定位性能。

文中提出的编码方案针对下行链路无线定位，对于上行链路无线定位方案，该编码同样有效。移动台发射端采用单发模式，基站接收端由于不需要考虑计算复杂度，可以采用四根接收天线，在获得更高的分集增益的同时也获得了多天线增益。由于上行链路无线定位发射源为手机，考虑到辐射发热等因素发射功率通常较低，接收端获得信噪比较低的情况下，其对定位性能的提升更加明显。

图1 Alamouti编码框图

3.2 时延参量提取

TDOA定位模型又称双曲线定位模型，若两基站到达移动台时延差值为τ，则移动台位于到两基站距离差为c*τ的双曲线轨迹上。两组或两组以上的双曲线组的交点即为移动台的位置，若交点不惟一可运用最小均方误差求值，或通过几何法取舍。TDOA信号为两基站到达移动台的时延差，不涉及移动台时间参数，因而与TOA定位方案相比，TDOA定位方案对时间同步要求较低，更容易实现。

移动台接收信号为：

(8)

其中，Nr+1表示参与定位的基站数。

(9)

GOLD序列在频域和时域都具有很好的自相关特性，因而相关器可以很容易地检测到相关峰值。找出到达相关峰值时的采样点：

(10)

(11)

3.3 Chan算法位置估计

Chan算法是一种具有解析表达式的非递归算法，适用于时延误差服从零均值高斯分布的情况。Chan算法运算效率高，适用于三个及三个以上基站情况，当基站数达到四个及以上时，其定位误差接近CRLB(克拉美罗下界)，因而广泛应用于视距定位情况的分析计算，针对非视距定位情况也有许多优化算法。

(12)

(13)

由式(12)和式(13)得：

(14)

4 仿真与分析

定位参考信号采用QPSK调制的GOLD序列生成，FFT大小为512，信道为瑞利衰落信道。分别采用Alamouti编码和SISO未编码方案传输定位参考信号得到的误码率曲线。从图2中可以看到，在SNR=-6时，相同误码率条件下，Alamouti编码提供了大于2dB的信噪比增益，并且Alamouti编码误码率曲线斜率大于未编码情况，即随SNR提升Alamouti编码提供的信噪比增益更高。

图2 定位参考信号误码率曲线

定位参考信号假设为QPSK调制的GOLD序列，仿真信号取采样点个数为256，信道采用瑞利衰落模型，噪声为加性复高斯白噪声。两路信号到达时间差为10个采样点，移动台收到的两路信号信噪比相同且Alamouti编码发送信号与未编码方案基站采用相同发送功率。如图3所示，当SNR=-2dB时，两种方案峰值均在10采样间隔处，两种方案都可以提取正确的时延信息；当SNR=-6dB时，无编码方案的相关峰值在30处，获得错误的时延信息，而Alamouti编码方案依然可以提取到正确相关峰值。

图3 定位参考信号相关后的曲线

分别对无编码方案和Alamouti编码方案接收的定位参考信号做1 000次相关运算。定位参考信号采用QPSK调制的GOLD序列生成，FFT大小为512，信道为瑞利衰落信道，两路时延差采用10个采样点。若相关峰值恰好偏离y轴10个采样点，则认为正确获得了时延差，正确定位次数加1。从图4中可以看出，在低信噪比情况下，Alamouti编码对定位性能的提升尤为明显。对比发现，该编码方案成功提取时延差次数与未编码方案信噪比提升4dB后成功提取时延差次数相近。

图4 1 000次仿真正确定位次数

分别对编码方案和未编码方案运用Chan算法进行三基站定位。三个基站位置坐标分别为(0，0)，(750，433)，(750，-433)，移动台运动轨迹起始位置为(100，100)，终点位置为(600,600)，采样点个数为100。如图5所示，Alamouti编码无线定位方案和无编码无线定位方案相比，定位误差均值分别为20m和8m左右，采用Alamouti编码方案采样点分布更接近真实轨迹。

图5 定位轨迹

5 结束语

Alamouti发射端双天线分集具有译码简单、复杂度低的特点，已经被LTE系统广泛采用。文中基站端通过对定位参考信号Alamouti空时编码，在信噪比较低的情况下，使移动台获得了较好的定位参考信号互相关峰值，易于提取时延参数，具有较高的实用价值。仿真结果表明，通过Alamouti空时编码，可以降低接收端的定位参考信号误码率，降低定位误差，并且在低信噪比情况下明显提升了性能。

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Wireless Location Method for Mobile Station Based on Alamouti Coding

CHEN Chi-yu,XIE Pei-zhong,LI Ting

(College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The service based on mobile station location has been widely integrated into people’s lives.At present,the base station location is mainly used as a supplement to the GPS position,but in the low SNR environment,the base station location method has a large positioning error.In order to make full use of the multi antenna characteristics of base station in LTE system and improve the positioning accuracy,a mobile station positioning scheme with Alamouti space time encoding technology on OFDM-MIMO system is proposed in this paper.It first gives a general model of wireless positioning system and positioning algorithm,followed by the study of the Alamouti decoding process and its impact on the wireless positioning system performance,finally through simulation,this scheme is compared with the traditional OFDM system positioning scheme on performance.The results show that compared with the traditional positioning scheme,the mobile station based on Alamouti encoding can significantly reduce the bit error rate and improve the performance of the positioning system in low SNR environment.

Alamouti space-time coding;generalized cross correlation algorithm;time delay estimation;wireless localization

2015-06-01

2015-09-03

时间：2016-02-18

国家自然科学基金资助项目(61271236)

陈驰宇(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为无线定位技术；解培中，博士，副教授，研究生导师，研究方向为电子系统和无线通信中的信号处理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1619.016.html

TP301

A

1673-629X(2016)03-0135-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.032