后　茜，劉韋韋，丁　進(jìn)

(桂林電子科技大學(xué) 信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004)

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LTE定位中非視距誤差的鑒別方法

后茜，劉韋韋，丁進(jìn)

(桂林電子科技大學(xué) 信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004)

摘要非視距(NLOS)誤差是影響長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)終端定位精度的一個(gè)主要因素。鑒別NLOS誤差的主要目的是判斷觀(guān)測(cè)到達(dá)時(shí)間差(OTDOA)測(cè)量數(shù)據(jù)是否受到NLOS誤差的影響，以便對(duì)OTDOA測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。分析了非視距誤差的模型以及非視距誤差對(duì)LTE用戶(hù)終端定位精度的影響，并用簡(jiǎn)化的非視距誤差鑒別法來(lái)對(duì)NLOS誤差進(jìn)行鑒別。仿真結(jié)果表明，簡(jiǎn)化的非視距誤差鑒別算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且能準(zhǔn)確地鑒別出非視距誤差。

關(guān)鍵詞非視距誤差；LTE終端；定位；鑒別算法

0引言

在實(shí)際應(yīng)用中，如室內(nèi)和鬧市區(qū)環(huán)境下，直射路徑往往受遮擋，NLOS傳播誤差便成為影響LTE用戶(hù)終端定位精度的一個(gè)主要因素，由于其存在可產(chǎn)生上百米的定位誤差，是定位誤差的基本來(lái)源[1]，故如何鑒別NLOS誤差，從而提高終端抗干擾能力[2]已成為L(zhǎng)TE用戶(hù)終端定位技術(shù)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

為了鑒別NLOS誤差，Borras等利用NLOS傳播時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于LOS環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)差這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行NLOS識(shí)別，但只能粗略的判斷是否存在NLOS誤差[1]。Li Cong 等提出了用OTDOA定位中的相對(duì)于參考位置的殘差來(lái)識(shí)別是否存在NLOS傳播，其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)基站只需要做一次測(cè)量就可進(jìn)行識(shí)別，缺點(diǎn)是需要較多基站的參與[3]。Wylie利用NLOS傳播時(shí)多次測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于LOS情況下測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差這一特點(diǎn)，計(jì)算多次采樣的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，并和LOS標(biāo)準(zhǔn)差相比較來(lái)進(jìn)行NLOS識(shí)別。但當(dāng)一系列測(cè)量值中LOS和NLOS同時(shí)存在時(shí)，無(wú)法將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)[4]。Venkatraman S等提出了當(dāng)NLOS誤差不是高斯分布時(shí)的假設(shè)檢驗(yàn)算法，并且考慮了NLOS和LOS測(cè)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上交替的情況。由于基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)一系列的測(cè)量時(shí)移動(dòng)臺(tái)可能處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)就不能簡(jiǎn)單地判別為L(zhǎng)OS傳播或NLOS傳播[5]。Li Xiong針對(duì)多基站AOA定位中NLOS識(shí)別提出了殘差分析判決法，原理與基于時(shí)間的定位相似[6]。J Caffery 等分為已知NLOS所占比例很小和不知NLOS所占比例2種情況討論，分別使用不同的假設(shè)檢驗(yàn)識(shí)別出NLOS，并提出了使用高階統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)識(shí)別NLOS[7]。Hesse T提出了根據(jù)首達(dá)信號(hào)和次達(dá)信號(hào)各自的多普勒帶寬來(lái)檢測(cè)LOS傳播的算法[8]。以上非視距鑒別算法計(jì)算復(fù)雜度均比較高，且不易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)中[9-11]，大部分研究者未考慮如何鑒別定位過(guò)程中的非視距誤差，而是直接采用非視距誤差抑制算法來(lái)提高終端定位精度。故本文中考慮一種非視距誤差鑒別法，鑒別出含非視距誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)后，再在定位過(guò)程中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高定位精度。

由于傳統(tǒng)非視距誤差鑒別算法計(jì)算復(fù)雜度較高，且不易實(shí)現(xiàn)，故本文提出一種簡(jiǎn)化的非視距誤差鑒別法，算法在殘差分析判決法的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，不需要較多基站參與，降低了方法的計(jì)算復(fù)雜度且該方法的有效性也得到了保證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，簡(jiǎn)化的非視距誤差鑒別法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能有效鑒別出含非視距誤差的基站。

1非視距誤差模型

在非視距傳播環(huán)境下，基站(eNodeB)測(cè)得的用戶(hù)設(shè)備(User Equipment，UE)終端信號(hào)到達(dá)時(shí)間為：

(1)

COST259信道模型又稱(chēng)T1P1信道模型，一般情況下可認(rèn)為由NLOS引起的附加延時(shí)誤差ηi服從指數(shù)分布：

。

(2)式中，τrms是由信道環(huán)境決定的均方根時(shí)延擴(kuò)展，根據(jù)環(huán)境的不同，它與NLOS引起的附加延時(shí)誤差有一定的比例關(guān)系，τrms可由Greenstein模型來(lái)產(chǎn)生[12,13]：

τrms=T1dεy。

(3)式中，T1為d=1 km處時(shí)延擴(kuò)展的中值；d為UE與eNodeB之間的距離；ε為一個(gè)常數(shù)，取值為0.5(無(wú)單位)；y為一個(gè)均值為零、標(biāo)準(zhǔn)差為σy(取值4 dB)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)變量。T1取值以及平均時(shí)延與附加時(shí)延的比值(無(wú)單位)在不同信道環(huán)境下的取值如表1所示。

表1　不同信道環(huán)境的Greenstein模型參數(shù)

2非視距誤差的鑒別

2.1NLOS誤差對(duì)定位精度的影響

當(dāng)可用于LTE用戶(hù)終端定位的基站數(shù)為N(N≥3)時(shí)，得到一組非線(xiàn)性定位方程。由于OTDOA測(cè)量值中包含有測(cè)量噪聲和NLOS傳播誤差，故方程的解不是相交于一點(diǎn)，雙曲線(xiàn)方程可表示為：

cτi,1=di-d1+ni+ei，i=2,…,N。

(4)

式中，c為光速；τi,1為OTDOA測(cè)量值；di為移動(dòng)臺(tái)和各個(gè)基站之間的距離；d1為移動(dòng)臺(tái)和服務(wù)基站之間的距離；ni為OTDOA測(cè)量噪聲，ni是均值為0，方差為σi的高斯隨機(jī)變量；ei為NLOS誤差。若基站eNodeBi到移動(dòng)臺(tái)的路徑為L(zhǎng)OS路徑，則ei為0。對(duì)于含有NLOS誤差的基站而言，ei是一個(gè)均值為unlos、方差為σnlos的正隨機(jī)變量，并且σnlos>σi。

式(4)中雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)決定一個(gè)不確定的陰影面積，而移動(dòng)臺(tái)便位于此陰影面積內(nèi)。若OTDOA測(cè)量值中的測(cè)量噪聲為零均值，方差很小的高斯變量，并且每個(gè)基站與移動(dòng)臺(tái)之間均為L(zhǎng)OS路徑，則陰影面積將會(huì)很小，雙曲線(xiàn)交點(diǎn)幾乎在真實(shí)位置上。但實(shí)際中，由于NLOS誤差的存在，使得含NLOS誤差的基站增加了額外的傳播距離，從而該基站所在雙曲線(xiàn)遠(yuǎn)離其本身雙曲線(xiàn)所在的真實(shí)位置，最后由于NLOS誤差而形成一條新的雙曲線(xiàn)[3]，如圖1所示。

在圖1中，假設(shè)基站3含有NLOS誤差，其余基站均為L(zhǎng)OS傳播，則由于非視距誤差的影響，將基站3所在雙曲線(xiàn)H3推移至H3′，使得雙曲線(xiàn)H2與H3′形成交點(diǎn)A，以及H4與H3′形成交點(diǎn)B，二者均遠(yuǎn)離移動(dòng)臺(tái)真實(shí)位置。因此，有必要鑒別含NLOS誤差的基站，從而提出減輕NLOS誤差的定位技術(shù)。

圖1　NLOS誤差對(duì)用戶(hù)終端位置估計(jì)的影響

2.2NLOS誤差的抑制

(5)

NLOS傳播鑒別步驟如下：

② 每種基站組合分別計(jì)算出終端的估計(jì)位置作為其參考位置，利用式(5)計(jì)算OTDOA的殘差，作為權(quán)值賦給組合內(nèi)的每個(gè)基站；

③ 將每個(gè)基站從各個(gè)組合得到的權(quán)值相累加，得到各基站的總權(quán)值；

④ 對(duì)每個(gè)基站的總權(quán)值排序，總權(quán)值最大的基站即為含NLOS誤差的基站。

3算法仿真及分析

為了檢驗(yàn)在非視距環(huán)境下簡(jiǎn)化的殘差分析判決法對(duì)NLOS傳播的鑒別算法性能，對(duì)其進(jìn)行Matlab仿真。假設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榻?jīng)典的7基站，正六邊形蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，小區(qū)半徑為3 km。由于對(duì)稱(chēng)性，只考慮LTE節(jié)點(diǎn)位置在小區(qū)1/12區(qū)域內(nèi)均勻分布；OTDOA測(cè)量誤差服從均值為零，標(biāo)準(zhǔn)差為150 m的理想高斯分布，非視距誤差為視距傳播的5%。分別設(shè)第2個(gè)基站、第3個(gè)基站和第4個(gè)基站為NLOS傳播，其余基站均為L(zhǎng)OS傳播路徑，當(dāng)總加權(quán)最大時(shí)，則判定該基站含NLOS誤差，在NLOS誤差傳播環(huán)境下進(jìn)行3 000次Monte-Carlo仿真。仿真結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2　基站2含非視距誤差

圖3　基站3含非視距誤差

圖4　基站4含非視距誤差

仿真結(jié)果表明，基站2的總加權(quán)值最大，故判定基站2含NLOS誤差，與初始設(shè)定相符；基站3的總加權(quán)值最大，故判定基站3含NLOS誤差，與初始設(shè)定相符；基站4的總加權(quán)值最大，故判定基站4含NLOS誤差，與初始設(shè)定相符。

使用以上所提出的簡(jiǎn)化的殘差分析判決法來(lái)比較不同大小NLOS的錯(cuò)誤檢測(cè)率。設(shè)只有基站3含有NLOS誤差，其余基站均為L(zhǎng)OS傳播，基站3的非視距誤差大小分別為200 m、300 m、400 m和500 m，使用Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)法對(duì)用戶(hù)終端位置進(jìn)行定位。不同NLOS誤差大小下錯(cuò)誤檢測(cè)率如圖5所示。

圖5　NLOS誤差錯(cuò)誤檢測(cè)率的比較

由圖5可知，隨著NLOS誤差的增大錯(cuò)誤檢測(cè)率隨之下降，即NLOS誤差越大，越容易被檢測(cè)出來(lái)。另外，隨著基站數(shù)目的增加，NLOS錯(cuò)誤檢測(cè)率隨之增加，即基站數(shù)目越多，NLOS誤差越不容易被檢測(cè)出來(lái)。

4結(jié)束語(yǔ)

主要對(duì)非視距誤差模型、非視距誤差對(duì)LTE用戶(hù)終端定位精度所造成的影響以及對(duì)含非視距誤差的基站進(jìn)行鑒別幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述和分析的，并采用Matlab仿真來(lái)驗(yàn)證簡(jiǎn)化的殘差分析判決法對(duì)含非視距誤差的基站鑒別的能力。仿真結(jié)果表明，該算法能正確鑒定出含非視距誤差的基站，且算法簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化的殘差分析判決法的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)基站只需要做一次測(cè)量就可進(jìn)行鑒別，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同組合就相當(dāng)于多次測(cè)量，其鑒別能力高，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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后茜女，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

劉韋韋男，(1986—)，碩士研究生。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

引用格式：后茜，劉韋韋，丁進(jìn).LTE定位中非視距誤差的鑒別方法[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2016,46(1):8-11.

The Hierarchical Collaborative Localization Algorithm for Non-line-of-sight

Error Mitigation in LTE Cellular Network

HOU Qian，LIU Wei-wei，DING Jin

(GuangxiExperimentCenterofInformationScience,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

AbstractNLOS error is a major factor that affects the position accuracy of LTE terminals.The main purpose of NLOS error identification is to determine whether the OTDOA measured data is affected by NLOS error,then the OTDOA measured data can be further dealt with.The model of NLOS error is analyzed in this paper,the impact of NLOS error on the terminal position accuracy of LTE terminals is also analyzed in this paper.A simplified NLOS error identification method is used to identify NLOS error in this paper.Simulation results show that the simplified NLOS error identification method is easy to be implemented and the NLOS error can be accurately identified.

Key wordsNLOS error;LTE terminal;localization;identification method

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014GXNSFAA118387，2013GXNSFAA019334)；桂林電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(GDYCSZ201409)。

收稿日期：2015-10-16

中圖分類(lèi)號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)01-0008-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.02