基于NB-IoT网络的定位技术研究

（武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205）

1 引言

在物联网时代，会有越来越多的设备接入网络，预计在2020年前后，全球物的连接数量将达到90亿之多。其中大量的接入设备有着非常强烈的定位追踪需求，如宠物跟踪器、特殊人群（主要为儿童和老人）跟踪器、电瓶车、共享单车等等。

对这些新增的设备进行定位，使用GPS显然开销过大，而且在常见的室内环境中，GPS往往由于信号衰落而无法正常运作。如果使用移动通信网络（GSM/UMTS/LTE）来定位，功耗是个问题，因为移动网络趋向于高速率、高带宽的体验，带来的结果就是高功耗、高成本等，这种趋势正好和物联网定位跟踪需求相悖。因此寻找一种功耗低、成本低且适用于室内外全天候环境下的物联网定位技术成为无线通信领域的重要研究课题。

NB-IoT技术满足了物联网接入设备的迫切需求，它只占用大约180 kHz的带宽来传输低速率业务，因此功耗低、成本也低。与此同时，它构建于运营商通信蜂窝网络，可以做到全面的室内外深度连续覆盖，能为海量物联网接入终端提供全天候的定位跟踪服务。

2 NB-IoT定位技术标准进展

从2015年开始，NB-IoT技术正式在3GPP立项并进行讨论，详细的标准演进情况如图1所示。

由图1可见，在3GPP R14版本中新增了NB-IoT定位功能，NB-IoT R14版本支持多种精确的定位方式（TA+AOA、OTDOA，但不包括UTDOA），其定位的实现沿用E-UTRAN的定位架构和协议。具体支持的定位方式包括：

（1）TA+AOA定位。该定位方法是根据UE所在基站的地理位置以及无线资源的相关测量结果，得到接入终端位置的估计。此类定位不需要终端支持但精度不高，一般误差能达到上百米。

（2）OTDOA定位。该定位方式需要接入终端和基站支持PRS，基站使用新的专用定位参考信号NBIoT NPRS，接入终端通过测量3个及以上的基站位置来进行精确定位，即三角定位。

3 NB-IoT定位技术原理

3.1 TA+AoA定位

TA（Timing Advance）+AoA（Angle of Arrival）定位是LTE所采用的一种定位方法。基站通过智能天线可以估算出接入终端发射信号的AoA。

同时，基站还能根据测量结果和终端上报的TA值（时间提前量）估计出接入终端与基站之间的传播距离。这样，综合两者的计算结果就可以进行接入终端定位，如图2所示：

图2 TA+AoA定位示意图

在NB-IoT技术中，规范同样支持基站进行TA和AoA测量。

TA测量分为两种类型Type 1和Type 2，Type 1通过终端测量上报的接收发送时间差并综合基站侧本身测量到的接收发送时间差来计算得出TA值；Type 2是通过专用随机接入过程由基站测量得到TA值，精度稍差但无需UE做额外上报。

AoA测量是基站根据所接收到的终端上行信号，测量信号到达角度相对于地理正北方向的角度。

得到这两个值之和即可以获得接入终端的位置，TA乘以光速c除以2，即表示接入终端同基站之间的距离L，终端就处于以基站为圆心，距离L为半径的圆周上。再根据AoA的角度信息即可进行定位追踪服务。

图1 NB-IoT标准进展

3.2 OTDOA定位

OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）定位也是LTE技术所采用的一种定位方法，原理是通过接入终端测量多个不同基站参考信号到达的时间差并结合基站坐标来确定终端位置。一般至少要进行三个基站的测量，测量的基站越多，测量精度越高，定位追踪的性能也越优，如图3所示：

图3 OTDOA定位示意图

ΔT2和ΔT3可通过接入终端测量基站参考信号计算得到，三个基站的坐标也为固定数据，那么利用以上两个方程就可以求出x和y的值，即接入终端的二维地理坐标，从而达到定位追踪的目的。为了提高定位精度，NB-IoT规范定义了新的定参考信号NPRS（Narrowband Positioning Rference Signal），在OTDOA定位方式下，此信号专门用于终端进行基站信号测量。接入终端基于每个基站的NPRS来测量该基站信号到达该终端的时刻。NPRS的图样如图4所示。

图4 NB-IoT NPRS图样

由图4可知，当NB-IoT在LTE带内部署时，其NPRS导频图样重用原LTE技术的PRS（Positioning RS），但对于NB-IoT独立部署或保护带部署，NPRS填补了前3个符号的位置以及LTE系统CRS（Cellspecific RS）碰撞的位置。

通过合理的部署，NB-IoT的NPRS密度比LTE更大，这将会提高接入终端定位测量的精确性。此外，在进行定位测量时，接入终端不需要接收与定位无关的任何下行信号，也不需要发送任何上行信号，这样接入终端处理复杂度就能够大大地降低，非常有利于降低功耗和成本。

4 NB-IoT定位精度优化

前文介绍的两种NB-IoT定位技术，有着各自的优势和缺点。

TA+AoA易于实现，建设成本低，定位时延小，但是定位精度较差（＞150 m），只适用于初步定位、区域排查等对位置精度要求不高的应用场景。

OTDOA的定位精度比TA+AoA高（50 m～200 m），但是对终端设备硬件要求高，且对定位时延敏感，容易受多径干扰的影响，更适用于较开阔的地区。

根据行业内的经验，50 m的定位精度即可满足大多数应用的基本需求。但由于物联网定位应用在城区场景比较多，容易受多径效应的影响，因此精度一般达不到最优的50 m。在周边环境特别复杂的场景下，定位精度甚至会为200 m，所以平均来看OTDOA的精度只有100 m左右，这个水平是不能满足大多数应用需求的。针对物联网定位场景，找到一种实现简单的优化方案来提高定位的精度，是一个非常值得探讨的问题。

OTDOA的定位精度和其终端测量到的基站数量有关，为估算不同数量基站的定位精度，引入了几何精度因子（GDOP）表征测距误差造成的终端与基站间的距离矢量放大因子。通过实测和仿真得到了终端测量基站数量与定位精度的关系，如图5所示：

图5 精度与测量基站数的关系

由图5可知，测量到3个基站的GDOP典型值是1.8，5个基站GDOP典型值是0.9。假设OTDOA的定位测量误差是100 m，在3个基站的定位场景下，定位误差约为100的定位场景180 m。5个基站的情况下是90 m，如想要达到应用需要的50 m左右，其测量到的基站数至少要大于等于7个。一般来说，定位测量的门限需要参考小区和相邻小区的SINR差值大于-6 dB，针对物联网场景，为提高NB-IoT NPRS对邻区的测量能力，可以把SINR门限下降为-13dB，这样可提高可测量到的邻区数，从而较好地减小OTDOA的测量偏差和方差。但即使采取此类门限优化方案，要让所有终端都能够测量到7个基站也是很困难的。因此需要进一步对NB-IoT定位方案进行优化，本文针对物联网应用的业务特性和使用场景，提出了一种轮询测量的方案，此方案能够有效提高终端邻区测量的性能，并且在实现上也不需要基站做太多改动。方案的示意图如图6所示。

图6 轮询测量方案示意

由图6可知，在做NB-IoT站点规划时，按基站的小区物理ID模7来把基站进行编号，保证各基站按编号都散落分布，相邻的基站不雷同。由于物联网终端的业务不是连续的，常常几个小时，甚至几天才与基站触发一次通信。根据此业务特点，终端的服务基站并不需要时刻保持对终端的通信，因此为了进一步提高终端的测量能力，考虑在固定子帧中保留一段测量时段，在此时段内只有一个编号的基站能够发送下行信号，而其它基站都停止信号发射。即各基站按照编号轮流在这一时段内发射信号来保证终端能够精准测量到其NPRS。在物联网定位场景，此方案比爱立信的OTDOA-IPDL能够得到更优的性能，因为其不仅解决了服务小区对终端邻区测量的干扰，还进一步解决了邻区间的干扰。经过实测，采用此方案后，终端测量邻区数能够满足业务认可的50 m精度。轮询方案性能对比如表1所示：

表1 轮询方案性能对比

5 NB-IoT定位系统方案

如果在新增的物联网设备上直接使用传统GPS和运营商移动信号来定位，那么势必会带来高成本、高功耗、场景局限性等问题，这些缺点非常不利于物联网设备进行大规模投放，所以业内急需一个能匹配物联网场景的定位方案。结合上文分析，利用NB-IoT技术来实现物联设备定位追踪是一个非常好的思路。因此本文提出了一种基于NB-IoT网络的定位解决方案，其技术方案如图7所示。

图7 NB-IoT定位方案系统架构

图8 NB-IoT网络部署方案

大的帮助。同时，NB-IoT的窄带宽保证了在同样功耗下，信号传输的距离更长，这样终端就只需很小功率就能保证与基站进行通信。由此可见，从降低功耗或降低成本的角度来看，NB-IoT都是非常适合物联网定位需求的技术。

基站利用NB-IoT网络获取物联网设备定位测量结果后，就可以将定位测量结果和定位相关配置通过有线或无线的回传方式传输到核心网和云端的定位服务器。定位服务器对接入设备产生的位置信息进行备份和维护，经过处理后的相关定位信息会推送给用户移动客户端APP和后台人员使用。

用户APP是软件层面上对定位信息的应用，其可以实现的功能至少包括：

（1）定时查询：选定目标设备，控制设备每隔一定时间回传一个定位数据。

（2）电子围栏：限制设备进入或离开某特定区域，否则设备会自动发送报警状态信息。

（3）轨迹回放：设备的定位信息在服务器中都有轨迹记录，可选定时段进行回放查询。

以上就是本文NB-IoT定位方案的系统架构和所需网元介绍，如要进行完整的定位操作，上述各网元间还需进行必要的信令交互，其基本流程如图9所示。

如图9所示，首先用户需开启APP与基站建立TCP连接，随后可通过APP来配置选定的定位目标终端并通知基站和定位服务器来发起定位。

图9 NB-IoT定位方案信令流程

定位服务器会向终端发送定位能力请求消息，请求获取终端的定位能力信息。终端收到后向反馈其定位能力信息。定位服务器就根据终端上报的定位能力信息和用户配置的定位策略为终端选择合适的定位方式。当终端使用TA+AoA定位时，基站发消息要求终端上报的测量量包括RSRP和接收发送时间差。当终端使用OTDOA定位时，终端需测量多个基站的接受发送时间差。终端按照要求完成测量后，将结果上报给定位服务器。

在接收终端定位测量信息的同时，定位服务器还向NB-IoT基站请求定位配置信息，包括小区号、频点号、基站坐标、NPRS配置等。当定位服务器将基站和终端的反馈信息都收到后就可以利用这些信息计算出定位结果，然后向请求定位追踪服务的用户转发目标终端的定位信息，从而完成整个定位流程。

如上所述，本方案充分利用了NB-IoT技术的特点和优势，合理地解决了物联网设备定位所遇到的若干痛点。随着NB-IoT技术规范进一步的演进，方案接下来会重点针对高移动性物联设备的定位进行持续优化。

6 结束语

本文主要对定位技术在NB-IoT网络中的应用进行了探讨和分析，列举了利用NB-IoT技术来进行定位追踪的可行性和优越性，并提出了一种基于NB-IoT网络的定位解决方案。该方案适用于物联网场景，能够弥补GPS卫星定位、运营商公网定位等技术的缺陷，从而能够满足各种物联网定位需求。因此基于NB-IoT网络的定位技术也将成为未来物联设备定位追踪技术的发展方向。