LTE中基于TA測量的終端定位研究*

張 海，王冬海

（杰創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

定時提前（Timing Advance，TA），一般用于終端（User Equipment，UE）的上行傳輸，指為了將UE上行包在希望的時間到達基站（Evolved NodeB，eNB），預估由于距離引起的射頻傳輸時延，提前相應時間發(fā)出數(shù)據(jù)包。上行傳輸?shù)囊粋€重要特征是不同UE在時頻上正交多址接入（Orthogonal Multiple Access），即來自同一小區(qū)的不同UE的上行傳輸之間互不干擾。

為了保證上行傳輸?shù)恼恍?，避免小區(qū)內(nèi)干擾，eNB要求來自同一子幀但不同頻域資源的不同UE的信號到達eNB的時間基本上是對齊的。eNB只要在循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）范圍內(nèi)接收到UE所發(fā)送的上行數(shù)據(jù)，就能夠正確地解碼上行數(shù)據(jù)，因此，上行同步要求來自同一子幀的不同UE的信號到達eNB的時間都落在CP之內(nèi)。

TA物理表征的是UE與天線端口之間的距離。1Ts對應的時間提前量距離等于（3×108×1/（15 000×2 048））/2=4.89 m。含義就是距離=傳播速度（光速）×1Ts/2（上下行路徑和）。TA命令值對應的距離都是參照1Ts來計算的。如果TA=1，那么

表征的距離為16×4.89 m=78.12 m，同時可以計算得到在初始接入階段，UE與網(wǎng)絡的最大接入距離，即小區(qū)最大半徑1 282×78.12 m=100.156 km。

既然TA可以表示發(fā)送上行信號的終端和接收基站的距離，就可以通過非合作接收技術從空口無線信號接收上下行信號，并利用TA特性對終端實現(xiàn)精確定位。

1 定位原理

1.1 基站發(fā)送TA時機

第一種情況是隨機接入過程中，通過隨機接入響 應（Random Access Response，RAR） 的 Timing Advance Command字段發(fā)送給UE。這種情況下，eNB通過測量接收到的preamble來確定TA值，RAR的Timing Advance Command字段共11 bit（如圖1所示），對應TA索引值的范圍是0～1 282。這個過程為可以稱為初始上行同步。

圖1 RAR幀格式

第二種情況是業(yè)務進行中的TA調(diào)整。雖然在隨機接入過程中，UE與eNB取得了上行同步，但上行信號到達eNB的timing可能會隨著時間發(fā)生變化，比如高速移動中的UE，其與eNB的傳輸延遲會不斷變化；還有當前傳輸路徑消失，切換到新的的傳輸路徑。例如在建筑物密集的城市，走到建筑的轉(zhuǎn)角時，這種情況就很可能發(fā)生；還有UE的晶振偏移，長時間的偏移累積可能導致上行定時出錯；另外，由于UE移動而導致的多普勒頻移也會導致同步偏差。因此，UE需要不斷地更新其上行定時提前量，以保持上行同步。TA命令的信息為6 bit，即TA的范圍在0～63之間。TA命令表征Nta的調(diào)整量。

時間提前量值可能為正或為負。由TA調(diào)整量式（2）可知，調(diào)整正向最大TA距離為32×16×4.89 m=2.5 km，調(diào)整負向最大的TA距離為-31×16×4.89 m=-2.42 km，調(diào)整的精度為78.12 m。

1.2 TA定位原理

根據(jù)TA值的定義可知UE離基站的距離為初始值經(jīng)過調(diào)整后的值，假定該值為TA。當定位基站后，UE的位置為以基站為圓心，以TA為半徑的圓上。但由于eNB給出的UE的TA值是一個精度為78.12 m的范圍值，因此準確UE定位在以基站為圓心，以TA為中心半徑，以78.12 m為寬度的圓環(huán)上。如圖2所示。

圖2 終端UE到基站的位置

當以基站為原點，UE的位置為（x，y），則UE的定位滿足如下不等式：

由于UE是在圖1的圓環(huán)上的位置，可以是A點、B點或C點或是圓環(huán)上的任意一個點上，假定TA為2 km，根據(jù)式（3）可計算出終端在約100萬平方米的圓環(huán)上，因此單依據(jù)該值是無法準確定位到終端UE。

為進一步提升定位的準確性需要增加接收機R，將接收機R置于確定的位置（x1，y1），再監(jiān)控接收UE的上行信號到達R的時刻t1，根據(jù)監(jiān)控到目標UE的TA值可以準確的計算出目標的發(fā)送時刻范圍t2，如圖3所示，目標UE的位置定位滿足如下等式：

其中，c為光速3×10^8 m/s。

由于t2是一個范圍值，則t2時間傳輸?shù)淖畲笈c最小值間的差距為78.12 m，t1及t2的測量準確度為30.72 Ms/s采樣誤差。即t1與t2間測量的誤差小于2×(3×108×1/(15 000×2 048))=19.56 m。因此式（4）右邊的

最大值與最小值間的最大差異為97.68 m。

圖3 終端在基站與接收機聯(lián)合下的定位

通過引入定位接收機R聯(lián)合TA的定位方式，使目標終端的位置變?yōu)镻1或P2區(qū)域的位置（2個圓環(huán)交際區(qū)）。P1近似面積為0.76萬平方米，此時定位的面積精度是只通過TA定位精度的65倍。即定位目標時間消耗在理論值上為原來的1/65，且定位的區(qū)域大小將不受TA值的影響。

通過調(diào)整定位接收機R1的位置，再次測試目標UE的上行信號，如圖4所示增加一次接收機R2測試，可有效排除P1和P2中的一個區(qū)域，進一步提高定位精度。

2 TA測量

2.1 UE上行信號

UE在發(fā)上行信號前，UE已經(jīng)處于下行同步，即UE已經(jīng)通過監(jiān)控eNB的下行廣播或系統(tǒng)信息等信道已經(jīng)與eNB進行了同步，但此時UE不清楚接收的下行同步信號由于傳輸距離經(jīng)過多長時間從eNB傳遞給UE的，UE還無法判斷需要多大的定時提前量TA，因此第一次時，UE會以固定的定時提前量TA發(fā)送隨機接入請求PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道），在eNB端接收到該用戶的PRACH后，eNB端需要做同步，由于PRACH占用的帶寬為1.25 kHz×839=1 048.75 kHz，當采用30.72 MHz的采樣率時，需要做16倍的抽取轉(zhuǎn)換到1.92 Ms/s，在PRACH的0.8 ms時間內(nèi)采樣的點數(shù)由24 576個抽樣到1 536個點，因此當采用FFT變換后，每個采樣點的的頻率為1.92 MHz/1536=1.25 kHz，恰好和子載波間隔相等，當做PRACH的ZC序列同步時，只需要同步中間的839個子載波。且同步后同步的精度為1個樣點，即1/1.92 MHz的時間精度，映射到傳輸距離為3×108×1/1.92×106m/2=78.12 m，當采用 PRACH進行測量時，測量精度只有78.12 m。

圖4 3點定位算法示意圖

eNB在完成目標UE的PRACH同步后，通過同步位置在時域上的指示即知道UE的上下行路徑傳輸延時總和，從而在RAR（MSG2）中將TA值下發(fā)給目標UE，UE根據(jù)收到的TA值調(diào)整發(fā)射的時間窗口。最終實現(xiàn)UE同時到達eNB。

根據(jù)1.2節(jié)TA定位原理，只需要UE發(fā)送上行信號即可實現(xiàn)定位功能，如可檢測上行信號PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行鏈路控制信道）/PUSCH（Physical Uplink Share CHannel，物理上行共享信道）/SRS（Sounding Reference Signal，信道探測參考信號）/DMRS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號）/CQI（Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量指示）等，由eNB給出UE的絕對參考定位位置，然后通過定位接收機的相對時延進一步準確鎖定UE位置。

2.2 TA估計

基站位置估計可以采用3種方法：

第一種采用已知UE位置計算基站位置的反向TA定位方法，即采用定位接收機發(fā)送隨機接入請求，基站返回RAR中TA值來確定基站位置，由于定位接收機可以采用GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）做設備自身定位。通過調(diào)整定位接收機的位置形成3點定位基站的方法估計出基站位置。

第二種為TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）方法，即采用帶GPS秒脈沖定時的雙定位接收機檢測從基站發(fā)出的同一信號的時間差。

圖5 雙曲線定位（TDOA）

將兩臺接收機放置在已知位置，這兩臺接收機的位置相當于雙曲線的兩個焦點，基站發(fā)出的信號到2個接收機的信號時延差t1-t2（通過標準GPS定時參考，可得基站發(fā)出的信號到接收機的時間與參考間的時間差分別為t1，t2）的距離(t1-t2)×3×108是一個常量，標記為2a，兩臺接收機的距離|A1-A2|為常量，標記為2c，則基站的位置（x，y）即為雙曲線一側(cè)，滿足如下等式：

當將A1接收機移動到A3時，再次檢測基站到2個接收機的時間差即得到第二條雙曲線，該曲線為在將標準坐標軸旋轉(zhuǎn)一定角度后得到的坐標軸上，2條雙曲線的交點即為基站的準確位置P1，即如圖5所示的雙雙曲線交叉點P1。

第三種方法為簡單的測量下行信號強度和觀察基站塔天線定位基站。該方法在郊區(qū)和農(nóng)村等開闊地區(qū)較為可行，但在城市環(huán)境下由于建筑密集且天線較為隱蔽，較難發(fā)現(xiàn)基站并準確定位。

接收機對相對時延估計為目標用戶到接收機距離的估計，由于接收機與目標UE都同步于同一個基站的下行信號，為補償接收機與目標UE離基站的距離不一樣，需要對接收機補償TA1（接收機）-TA2（目標UE）的時間差。接收機需要提前或延后TA1-TA2的時間啟動定時器，當TA1-TA2是正值時，需要提前，當TA1-TA2是負值時，需要延后啟動目標發(fā)送信號的起始值定時器。當啟動定時器后，采用信號的相關算法，檢測目標UE的特征信號，如SRS/DMRS等信號，通過在本地產(chǎn)生一個與被檢測信號相同的信號序列，再講本地的信號序列與接收的信號序列進行相關，找到最大的相關峰值，即實現(xiàn)被檢測信號序列的同步，根據(jù)峰值的位置和信號采樣率即可計算出相對時延估計，如圖6中所示T1-T2。

圖6 接收機相對時延估計

2.3 誤差分析

定位誤差主要表現(xiàn)在參考信號的準確性，如基站定位的精度誤差影響整個TA定位的基準，但該基站定位如果采用文中的方案一、則對其影響的主要因素為GPS對接收機的定位準確性、TA定位的基礎誤差78.12 m的準確性，以及多次TA定位的綜合誤差等。若采用方案二的基站定位，則GPS定時的準確性，設備間距離測量的準確性，甚至設備內(nèi)部的數(shù)據(jù)的處理相位等都是引起誤差的因素。

定位接收機的定位誤差主要是定時提向量的計算的引入的TA采樣誤差，其次是對目標UE上行信號采集時，是否可以采用高速采樣（解決定位精度問題），且在高速采樣下有較好的信號相關性，從而準確的提取出信號的同步及時延等信息。

另外，實際的環(huán)境一定是多徑傳輸?shù)?，多徑傳輸?shù)母蓴_也會產(chǎn)生嚴重的定位誤差，采用定位接收機在相同的地點測試多次時延差值和在不同的地點測試來降低多徑的影響，但很難消除。

2.4 技術難點

目標用戶確認是定位的難點，在不影響目標正常通信的情況下，如何區(qū)分空中的無線空口信號是指定的目標信號，由于當前LTE在正常的通信過程中很少直接暴露通信雙方的身份信息，取而代之的是 TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity， 臨時移動用戶標識），而且想查看目標的信息內(nèi)容需要執(zhí)行雙向鑒權，內(nèi)容查看也行不通。只能通過在鑒權前的一些信令信息解決目標身份確認的問題。如尋呼過程、監(jiān)控PRACH、RAR等過程提取TMSI等用戶臨時標志用于目標用戶區(qū)分。

3 結 語

基于TA的終端UE定位由于系統(tǒng)相對較為簡單，不必解析LTE中眾多的信令過程，只需要解析RAR中的相關參數(shù)即可得出TA的值，從而得到大致的目標位置，通過進一步的采樣終端的上行信號，檢測到達的時間差即可更準確的定位到終端UE。且整個過程不影響終端UE的通信，對用戶無干擾，因此該方法在公共安全領域具有很大的應用價值。