后　茜，劉韋韋，丁　進

(桂林電子科技大學 信息科學實驗中心，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

(桂林電子科技大學 信息科學實驗中心，廣西 桂林 541004)

摘要非視距(NLOS)誤差是影響長期演進技術(LTE)終端定位精度的一個主要因素。鑒別NLOS誤差的主要目的是判斷觀測到達時間差(OTDOA)測量數(shù)據(jù)是否受到NLOS誤差的影響，以便對OTDOA測量數(shù)據(jù)進行下一步處理。分析了非視距誤差的模型以及非視距誤差對LTE用戶終端定位精度的影響，并用簡化的非視距誤差鑒別法來對NLOS誤差進行鑒別。仿真結果表明，簡化的非視距誤差鑒別算法實現(xiàn)簡單，且能準確地鑒別出非視距誤差。

關鍵詞非視距誤差；LTE終端；定位；鑒別算法

0引言

在實際應用中，如室內和鬧市區(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用戶終端定位精度的一個主要因素，由于其存在可產生上百米的定位誤差，是定位誤差的基本來源[1]，故如何鑒別NLOS誤差，從而提高終端抗干擾能力[2]已成為LTE用戶終端定位技術中需要解決的關鍵問題。

為了鑒別NLOS誤差，Borras等利用NLOS傳播時測量數(shù)據(jù)的標準差遠大于LOS環(huán)境下標準差這一特點來進行NLOS識別，但只能粗略的判斷是否存在NLOS誤差[1]。Li Cong 等提出了用OTDOA定位中的相對于參考位置的殘差來識別是否存在NLOS傳播，其優(yōu)點是每個基站只需要做一次測量就可進行識別，缺點是需要較多基站的參與[3]。Wylie利用NLOS傳播時多次測量數(shù)據(jù)的標準差遠大于LOS情況下測量數(shù)據(jù)標準差這一特點，計算多次采樣的樣本標準差，并和LOS標準差相比較來進行NLOS識別。但當一系列測量值中LOS和NLOS同時存在時，無法將它們區(qū)分開來[4]。Venkatraman S等提出了當NLOS誤差不是高斯分布時的假設檢驗算法，并且考慮了NLOS和LOS測量數(shù)據(jù)在時間上交替的情況。由于基站對移動臺一系列的測量時移動臺可能處于運動狀態(tài)，這時就不能簡單地判別為LOS傳播或NLOS傳播[5]。Li Xiong針對多基站AOA定位中NLOS識別提出了殘差分析判決法，原理與基于時間的定位相似[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檢驗識別出NLOS，并提出了使用高階統(tǒng)計參數(shù)來識別NLOS[7]。Hesse T提出了根據(jù)首達信號和次達信號各自的多普勒帶寬來檢測LOS傳播的算法[8]。以上非視距鑒別算法計算復雜度均比較高，且不易實現(xiàn)?，F(xiàn)有無線定位技術中[9-11]，大部分研究者未考慮如何鑒別定位過程中的非視距誤差，而是直接采用非視距誤差抑制算法來提高終端定位精度。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量數(shù)據(jù)后，再在定位過程中對這些數(shù)據(jù)進行處理，以提高定位精度。

由于傳統(tǒng)非視距誤差鑒別算法計算復雜度較高，且不易實現(xiàn)，故本文提出一種簡化的非視距誤差鑒別法，算法在殘差分析判決法的基礎上進行簡化，不需要較多基站參與，降低了方法的計算復雜度且該方法的有效性也得到了保證，通過實驗仿真驗證，簡化的非視距誤差鑒別法實現(xiàn)簡單，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)測得的用戶設備(User Equipment，UE)終端信號到達時間為：

(1)

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

。

(2)式中，τrms是由信道環(huán)境決定的均方根時延擴展，根據(jù)環(huán)境的不同，它與NLOS引起的附加延時誤差有一定的比例關系，τrms可由Greenstein模型來產生[12,13]：

τrms=T1dεy。

(3)式中，T1為d=1 km處時延擴展的中值；d為UE與eNodeB之間的距離；ε為一個常數(shù)，取值為0.5(無單位)；y為一個均值為零、標準差為σy(取值4 dB)的對數(shù)正態(tài)分布隨機變量。T1取值以及平均時延與附加時延的比值(無單位)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誤差對定位精度的影響

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

cτi,1=di-d1+ni+ei，i=2,…,N。

(4)

式中，c為光速；τi,1為OTDOA測量值；di為移動臺和各個基站之間的距離；d1為移動臺和服務基站之間的距離；ni為OTDOA測量噪聲，ni是均值為0，方差為σi的高斯隨機變量；ei為NLOS誤差。若基站eNodeBi到移動臺的路徑為LOS路徑，則ei為0。對于含有NLOS誤差的基站而言，ei是一個均值為unlos、方差為σnlos的正隨機變量，并且σnlos>σi。

式(4)中雙曲線的交點決定一個不確定的陰影面積，而移動臺便位于此陰影面積內。若OTDOA測量值中的測量噪聲為零均值，方差很小的高斯變量，并且每個基站與移動臺之間均為LOS路徑，則陰影面積將會很小，雙曲線交點幾乎在真實位置上。但實際中，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遠離其本身雙曲線所在的真實位置，最后由于NLOS誤差而形成一條新的雙曲線[3]，如圖1所示。

在圖1中，假設基站3含有NLOS誤差，其余基站均為LOS傳播，則由于非視距誤差的影響，將基站3所在雙曲線H3推移至H3′，使得雙曲線H2與H3′形成交點A，以及H4與H3′形成交點B，二者均遠離移動臺真實位置。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。

圖1　NLOS誤差對用戶終端位置估計的影響

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算出終端的估計位置作為其參考位置，利用式(5)計算OTDOA的殘差，作為權值賦給組合內的每個基站；

③ 將每個基站從各個組合得到的權值相累加，得到各基站的總權值；

④ 對每個基站的總權值排序，總權值最大的基站即為含NLOS誤差的基站。

3算法仿真及分析

為了檢驗在非視距環(huán)境下簡化的殘差分析判決法對NLOS傳播的鑒別算法性能，對其進行Matlab仿真。假設LTE網(wǎng)絡拓撲為經(jīng)典的7基站，正六邊形蜂窩網(wǎng)結構，小區(qū)半徑為3 km。由于對稱性，只考慮LTE節(jié)點位置在小區(qū)1/12區(qū)域內均勻分布；OTDOA測量誤差服從均值為零，標準差為150 m的理想高斯分布，非視距誤差為視距傳播的5%。分別設第2個基站、第3個基站和第4個基站為NLOS傳播，其余基站均為LOS傳播路徑，當總加權最大時，則判定該基站含NLOS誤差，在NLOS誤差傳播環(huán)境下進行3 000次Monte-Carlo仿真。仿真結果如圖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

仿真結果表明，基站2的總加權值最大，故判定基站2含NLOS誤差，與初始設定相符；基站3的總加權值最大，故判定基站3含NLOS誤差，與初始設定相符；基站4的總加權值最大，故判定基站4含NLOS誤差，與初始設定相符。

使用以上所提出的簡化的殘差分析判決法來比較不同大小NLOS的錯誤檢測率。設只有基站3含有NLOS誤差，其余基站均為LOS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級數(shù)展開法對用戶終端位置進行定位。不同NLOS誤差大小下錯誤檢測率如圖5所示。

圖5　NLOS誤差錯誤檢測率的比較

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

4結束語

主要對非視距誤差模型、非視距誤差對LTE用戶終端定位精度所造成的影響以及對含非視距誤差的基站進行鑒別幾個方面來進行描述和分析的，并采用Matlab仿真來驗證簡化的殘差分析判決法對含非視距誤差的基站鑒別的能力。仿真結果表明，該算法能正確鑒定出含非視距誤差的基站，且算法簡單，簡化的殘差分析判決法的優(yōu)點是每個基站只需要做一次測量就可進行鑒別，對測量數(shù)據(jù)進行不同組合就相當于多次測量，其鑒別能力高，具有實際的應用價值。

參考文獻

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后茜女，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信技術。

劉韋韋男，(1986—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信技術。

引用格式：后茜，劉韋韋，丁進.LTE定位中非視距誤差的鑒別方法[J].無線電工程,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

作者簡介

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

收稿日期：2015-10-16

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0008-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.02