基于OTDOA的NB-IoT定位功能研究及实现

2020-02-27董帝烺许绍松张力方中国联通福建分公司福建泉州6000中国联通福建分公司福建福州50000中国联通网络技术研究院北京00048

邮电设计技术 2020年1期

董帝烺，许绍松，张力方，赵元（.中国联通福建分公司，福建泉州 6000；.中国联通福建分公司，福建福州 50000；.中国联通网络技术研究院，北京 00048）

0 引言

移动通信多年来一直服务于人的通信，随着社会和技术的发展，物与物的通信需求催生了万物互联的物联网。产业的升级、城市的智能化、人民生活的智慧化使得物联网近年来高速蓬勃发展。根据GSMA的预测，2025 年全球物联网市场规模将达到1.1 万亿美元，在全球范围内将会有138亿工业物联网的连接，其中63亿在亚太地区和中国，占总数的65%。

物联网通信技术从通信的距离来分，主要分为用于短距离通信的ZigBee、蓝牙、Wi-Fi 等和用于长距离通信的GPRS、NB-IoT、eMTC、Lora、SigFox 等，这些长距离通信的物联网又称为低功耗广域网（LPWAN），GPRS、NB-IoT、eMTC 工作在授权频段，而Lora、SigFox工作在非授权频段。目前NB-IoT 越来越受运营商和设备制造商的青睐，已逐步发展成为物联网技术的主流。窄带物联网NB-IoT 技术出现在2016 年6 月份冻结的3GPP R13 版本，基于LTE 网络进行精简，使得NB-IoT 技术在低功耗、大连接、低成本、广覆盖等方面更具有优势。

在移动通信中，基于位置服务（Location Based Ser⁃vice）技术已经广泛应用。随着物联网业务需求的发展，如物流跟踪、共享单车定位应用等，定位能力逐渐成为运营商和客户的重要需求［1］。目前在定位技术中最成熟并且广泛应用的当属GPS，但由于相当多的物联网终端应用在室内，卫星信号弱无法定位，并且对于物联网终端考虑的是低成本和低功耗，增加GPS 系统势必增加终端成本，因此，需要研究通过基站进行物联网终端定位的技术。2017 年6 月，3GPP R14 版本增加了NB-IoT 的定位服务技术，提供了E-CID 和OT⁃DOA 2种定位解决方案。

1 NB-IoT的定位方法

在NB-IoT 的第1 个版本R13 中，下行公共信号或信道无法满足边缘覆盖的定位需求，但在R14版本，增加了定位参考信号（PRS——Positioning Reference Sig⁃nal），支持增强的小区标志（E-CID）定位技术和观察到达时间差（OTDOA——Observed Time Difference Of Arrival）定位技术［2］。在这2 种方法中，E-CID 是利用基站或UE 测量参考信号强度，结合传播模型来计算基站与终端的距离，这种定位技术实现起来比较简单，但受限于参考信号强度的测量和传播模型的计算，定位的精度不高。而OTDOA 的定位方法是基于时延的测量，定位精度一般比E-CID 定位高，本文主要基于OTDOA 进行研究，对于E-CID 的定位方法不展开介绍和分析。

在NB-IoT 的部署方式中，有基于LTE 的带内部署、保护带部署和独立部署3种方式，目前考虑到物联网终端对于深度覆盖和边缘覆盖的需求，现网都是以独立部署方式进行部署，这种部署方式更有利于NBIoT 的定位技术，本文也是基于独立部署方式的NBIoT进行研究。

1.1 OTDOA定位技术

OTDOA 最早应用在LTE R9版本，它通过终端从2个不同小区接收下行链路信号之间观察到的时间间隔来进行定位计算。3GPP在R9中专门引入了定位参考信号（PRS）用于终端测量，终端基于参考信号测量时间差（RSTD），再由位置服务器计算估计位置［3］。

图1 OTDOA定位技术示意图

如图1所示，终端在τ1时刻接收来自eNB1的信号，τ2时刻接收来自eNB2的信号，那么终端观察到的来自eNB2到eNB1的时间差为τ2-τ1。观察的时间差在地理上对应2 个小区接收信号路径的差距，在几何上以实线的双曲线表示。由于观察的时间差有分辨度的差距，因此用虚线双曲线具有一定的宽度来表示，说明了测量的不确定性。同理，终端观察到的来自eNB3到eNB1的时间差为τ3-τ1，形成第2 条实线双曲线和虚线的双曲线范围。这2条实线双曲线相交的点就是终端位置，而2 组虚线双曲线交叉的区域（灰色阴影区域）就是估计的终端位置。要实现OTDOA 定位，最少需要来自3 个小区的测量，才能形成2 条双曲线的交叉，同时交叉区域直接影响到OTDOA的定位精度。

1.2 窄带定位参考信号NPRS

早在3GPP R9 版本为了实现终端OTDOA 的定位方法，引入了定位参考信号PRS，在NB-IoT 的R14 版本中，3GPP 也采用了和LTE 的PRS 相似的设计，NPRS信号基于物理小区标识（PCI）生成QPSK 调制的伪随机序列，映射到时频网络中的RE。NPRS 的循环前缀只能使用正常的CP，NPRS 在天线端口2006 上传输。根据3GPP TS 36.211，NPRS信号序列定义为［4］：

式中：

ns——时隙号

l——该时隙的OFDM符号位置

m——m=0,1,...,

c(i)——由长度为31 的Gold 序列生成的伪随机序列，它的初始状态取决于PCI、ns、l和循环前缀CP 类型，生成的方式如下：

图2 独立部署方式NPRS信号映射位置图

从图2中可以看出，NPRS 信号呈对角线方式进行映射，在每一个符号和子载波都有存在，这种结构减少了相邻小区定位信号之间的干扰，增强了相邻小区NPRS 信号的侦听测量。在独立部署方式下，单个定位子帧每个符号都能作为NPRS 符号，而相比带内部署方式，单个定位子帧中只有8个符号可以作为NPRS符号［5］，因此独立部署方式的NPRS比带内部署方式高10lg（14/8）=2.43 dB。

1.3 参考信号时间差测量RSTD

在3GPP TS 36.214 中规定了用于OTDOA 定位的参考信号时间差测量，RSTD 被定义为2 个小区（参考小区和测量小区）之间的相对定时差，计算为从2个不同小区接收的2 个子帧边界之间的最小时间差Tsub⁃frameRxj-TsubframeRxi，其中TSubframeRxj是UE 从相邻小区j接收一个子帧的开始的时间，TSubframeRxi是UE 从参考小区i接收到与从小区j接收的子帧最接近的一个子帧的相应开始的时间［6］。不同于LTE 系统，NB-IoT中RSTD的测量只能在RRC空闲态。

1.4 定位的计算

在图1中，假设终端的位置为［x0，y0］，eNodeBj的位置为［xj，yj］，信号从eNodeBj传输到终端位置的时延为τj，距离为Rj，j=1，2，3，其中Rj=τj×c，c代表光速。那么可以得到：

考虑到，

通过求解以上2 个方程组，就可以求出［x0，y0］的位置。

1.5 NB-IoT定位相比LTE存在的问题

NB-IoT 的定位方法是直接借鉴LTE 系统，但由于NB-IoT是窄带系统，相比LTE的定位存在一些不足。

a）时延分辨度问题。LTE 常用带宽为20 MHz，子载波间隔为15 kHz，FFT 采样频率为2 048，系统的采样率为15 000×2 048=30.72 MHz，可以达到时延的分辨度为1 个TS 为32.5 ns。而NB-IoT 系统的带宽只有180 kHz，在子载波15 kHz 的间隔，FFT 采样频率为128，系统的采样率为15 000×128=1.92 MHz，可以达到的时延分辨度为16 个TS，约520.8 ns。时延分辨度直接影响定位精度，为了提高定位精度，未来NB-IoT 可以采用更高的采样率，但也会带来硬件成本的增加。

b）广覆盖的问题。一般来说，NB-IoT 系统设计时就比LTE 增加了20 dB 的覆盖增强能力，但相当多的物联网终端常常处于室内深度覆盖或边缘覆盖的区域，相比LTE，信噪比更低，对定位也带来更大的挑战。

c）信号的多径和非视距问题。无线信号在空间传播经常受到建筑物、树木等的遮挡，有直射、反射、衍射等多种传播方式，存在多径和非视距的传输。产生的多径分量会对时延的估计造成干扰，非视距的传输增加了时延估计算法的复杂度。

d）大量定位需求的问题。NB-IoT 系统在设计初期就是为了适应大连接的需求，但如果在一个小区内大量终端有定位需求，将会使得NB-IoT系统需要分配更多的网络资源用于定位，并且大量的定位测量和计算也对系统的计算能力带来挑战。

2 NB-IoT定位方法的实现

核心网的升级改造使NB-IoT 网络具备R14 版本的定位功能特性，目前已经完成了基于NB-IoT R14版本的定位技术外场测试，实现了NB-IoT定位技术的同时对测量结果进行了分析。

2.1 系统搭建

在NB-IoT 定位研究测试中，为了实现定位功能，需要增加移动网管位置中心（GMLC——Gateway Mo⁃bile Location Center）和演进的服务移动位置中心（ESMLC——Evolved Serving Mobile Location Center）。GMLC 提供外部LCS 客户端到移动网络的接入，将位置请求和应答转发到用户当前的MME，并负责LCS 客户端的认证和鉴权。E-SMLC 将客户端请求的位置要求转化为相应的测量参数，对返回的位置估计测量进行计算，得出定位结果和精度，系统的架构如图3 所示。

图3 NB-IoT定位的系统架构图

在本次进行的NB 定位测试研究中，GMLC 和ESMLC 都是新建的服务器，同时对原有的eNodeB 升级到最新的R14版本，连接到新建的EMS网管。

2.2 测试区域选择

为了方便研究NB-IoT定位功能和测试，测试区域选择在城区，参考3GPP TS 36.133 对于上行底噪要求在-123 dBm/15kHz 以下，信号包含RSRP：-100 dBm～-132 dBm范围。最终测试区域选择在图4所示区域。

选择的整个测试区域南北走向550 m，东西走向250～300 m，测试范围共有6 个NB-IoT 站点，站间距平均为964 m，测试区域的站点小区PCI 在图4 中用红色标识，NB-IoT 的PCI 和LTE 的一致，PCI 避免了mod3的干扰。

图4 NB-IoT定位站点分布及测试区域

2.3 OTDOA信令流程

基于OTDOA 定位的信令流程参考3GPP TS 36.355 LTE 定位协议（LPP），在实际测试过程中有些改进，整体流程如图5所示。

整个OTDOA定位的信令过程：

a）位置服务器请求终端定位能力，通过下行NAS层的Downlink generic NAS transport 消息，内带otdoa-RequestCapabilities信元，要求终端提供定位能力。

b）终端反馈定位能力，通过Uplink generic NAS transport 消息，内带otdoa-ProvideCapabilities 信元，反馈终端定位支持的频段，是否支持RSTD、NPRS 和在空闲态的测量。

c）定位服务器通过下行NAS消息反馈ACK，表示接收到终端的定位能力反馈。

d）定位服务器通过下行NAS消息，请求终端进行定位requestLocationInformation。

e）终端通过上行NAS 消息，请求服务器发送定位辅助数据otdoa-RequestAssistanceData。

f）服务器通过下行NAS信息提供辅助数据otdoa-ProvideAssistanceData，包含邻小区和参考小区的小区ID、预期的TOA 及其不确定性，NPRS 配置索引、发送的连续NPRS子帧的数量，以及其他可选的信息［7］。

g）终端释放RRC 连接进入空闲态进行RSTD 测量，测量完毕后，终端重新建立RRC 连接，并通过上行NAS上报测量结果，包含服务小区和邻区的RSTD。

h）定位服务器根据终端上报的RSTD 测量结果，在服务器侧计算经纬度并呈现，通过下行NAS 消息告知终端定位结果。

图5 OTDOA定位的信令消息图

2.4 测试结果

在进行定位的测试中，每一次的定位测试，需要通过分析每一条测试信令，确认定位流程，找出定位服务器给出的终端定位经纬度，并与在现场使用GPS定位的经纬度进行分析对比。在6 个终端测试点中，进行了60 次的定位测量。定位的结果如图6 所示，蓝色标识为GPS的经纬度，黄色标识为OTDOA定位的经纬度。

图6 OTDOA定位结果展示图

从图6 可以看到OTDOA 计算定位后的黄色点与蓝色测试点的分布情况，黄色定位点与蓝色测试点的聚合程度反映出定位的精度。从整体上来分析，在本次OTDOA 的定位测试中，16.67%的测试点达到50 m以内的定位精度，45%的测试点达到100 m 以内的定位精度，66.67%的测试点达到150 m以内的定位精度，88.33%的测试点达到200 m 以内的定位精度（见图7）。

2.5 结果分析

从上面的结果可以看到OTDOA 定位精度还有待提升，对定位精度影响很大的因素为RSTD 的测量。在本次定位测试的一些信令分析中，RSTD 测量值RSTD=6 316。

图7 OTDOA定位精度比例分布图

根据3GPP TS 36.133 R14 Table 9.1.10.3-1：RSTD report mapping［8］，RSTD=6316 映射到测量值为-40，在RSTD_2260 到RSTD_10451的范围内resolutionStep 为0.5，因此RSTD 对应到-20 个Ts，1 个Ts 的传播距离大约是9.8 m，20 个Ts 的距离为196 m，这符合测试结果88.33%的测试点达到200 m以内的定位精度。