arch4011676 NLOS附加时延误差抑制技术提案.docx

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arch4011676NLOS附加时延误差抑制技术提案

无线通信技术工作委员会TC5-WG1-2003-007Q

WG1工作组

会议名称WG1全会

会议地点：

北京，会议时间：

2003年8月27日~8月29日

题目：

NLOS附加时延误差抑制技术提案

来源：

华为技术有限公司

目的：

对3GPP协议进行补充，使其支持NLOS误差抑制技术，从而进一步提高移动台定位精度

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diaoxinxi@

1背景介绍

在诸多影响移动台（基于蜂窝网的和基于GPS的）定位精度的因素中，NLOS误差对定位精度的降低最为严重，也最难以有效地抑制（MITIGATION）。

FCC规定：

定位误差小于50米的定位次数要大于67%；定位误差小于150米的定位次数要大于95%。

外场测试结果和理论分析都表明，要达到FCC规定的这个定位精度指标，必须有效地抑制NLOS误差对定位精度的影响，但是现有3GPP协议，如25.305/25.302/25.331，并不能对NLOS误差抑制技术提供完整的支持，其具体缺陷如下。

根据完成位置估计的不同位置，3GPP移动台定位技术规范（25.305）把一移动台定位划分为两种基本模式：

基于移动台的（UEbased）定位模式和移动台辅助（UEassisted）的定位模式。

在基于移动台的定位模式下，移动台完成最终的位置估计；在移动台辅助模式下，由网络侧（如移动台定位中心）来完成最终的位置估计，移动台只完成位置估计所需要的测量。

对于基于移动台的定位模式，无需补充现有协议即可以实现对NLOS误差的抑制，对于移动台辅助的定位模式，现有协议的缺陷是无法支持NLOS附加时延误差（和多径引入的TOA附加时延误差）的上报，因此，移动台定位中心无法使用移动台测量的误差量来抑制NLOS误差对定位精度的影响。

基于WCDMA网络的TOA＋TDOA定位体制和基于卫星的TOA定位体制是3GPP技术规范采用的两种主要体制。

图1给出的是TOA+TDOA定位体制的工作原理示意图，图2是AGPS采用的TOA定位模式的工作原理示意图。

在移动台辅助模式下，现有协议无法支持这两种定位体制下的NLOS误差抑制，因此，限制了系统定位精度的进一步提高。

具体地讲，在移动台辅助定位模式下，现有3GPP技术规范在支持NLOS误差抑制方面的缺陷为：

1）不支持TOA+TDOA定位体制下TOA（图1中的RTT）附加时延误差的上报；

2）不支持AGPS采用的TOA定位模式下TOA附加时延误差的上报。

在25.331协议中，信元“UEpositioningGPSmeasuredresults”中包含一个必选的“Multipathindicator”,该信元只可以给出三档NLOS误差范围，无法给出NLOS误差的具体估计值，因此，“Multipathindicator”信元只可以用于在接收到的卫星较多时挑选NLOS误差较小的卫星定位信号，当接收到的卫星个数较少时，如只有三个，就无法通过挑选卫星来提高定位精度，此时只有通过NLOS误差校正技术来提高定位精度，但是现有协议规定的“Multipathindicator”因给出的误差刻度范围太大而无法用于NLOS误差矫正。

为了使定位精度得到全面提高，除了要对NLOS信道的TOA附加时延误差（NLOS误差）进行抑制之外，对LOS和准LOS信道下的TOA附加时延误差也要进行抑制，因此，在本提案中，对这三种信道下的TOA附加时延误差的抑制都进行了讨论。

TOA+OTDOA定位体制示意图（引自资料【2】）

AGPS采用的TOA定位体制示意图

2TOA附加时延误差抑制技术工作原理

2.1概述

在实际应用中移动台可能在各种不同类型的信道下工作，根据TOA附加时延误差产生的机理和估计方法的不同，可以把信道分为三种类别：

LOS信道；准LOS信道和NLOS信道。

当移动台和定位信号发送装置处于LOS状态时，首径中包含的子径导致首径的重心后移，在TOA测量量中引入了附加时延误差；当移动台和定位信号发送装置处于准LOS状态时，TOA测量量中除了首径中包含的子径导致首径的重心后移分量外，还有信号的绕射（或衍射）路径引入的附加时延分量；当移动台和定位信号发送装置处于准NLOS状态时，TOA测量量中除了首径中包含的子径衰落导致的重心漂移移分量外，还有信号的反射路径引入的附加时延分量。

为了描述方便，将上述三种信道下由所述因素引入的TOA测量误差统称为TOA附加时延误差。

TOA附加时延误差抑制技术包括误差估计、误差矫正、加权位置估计和信道种类（LOS信道；准LOS信道和NLOS信道）识别这几个基本技术环节。

2.2TOA附加时延误差估计原理

2.2.1LOS信道下TOA附加时延误差估计原理

多径是LOS环境产生传播时延的原因。

当相关检测器对LOS环境下的TOA进行测量时，在直达径后面跟随的多径直接导致相关器输出峰值时间的滞后，因为由于分辨率的原因，此时相关器无法仅仅对首径跟踪，而是跟踪首径和其后的多径构成的能量中心。

确定一个恰当的时间参考点来估计质心相对于该参考点的后移量就可以估计出LOS信道下有多径引入的TOA附加时延误差的大小，如误差的均值和误差的方差。

2.2.2NLOS信道下TOA附加时延误差的估计原理

对NLOS信道下TOA附加时延误差

的估计利用的是NLOS信道下首径和和其之后若干径在时间漂移上的等价性。

NLOS信道下TOA附加时延误差

的随机性可以从图3给出的场测功率时延分布（PDP）的波形中直观地看出来。

图3给出的是在NLOS环境下同一个测试点（同一个位置）上进行5次测量得到的5个功率时延分布（每次测量间隔3秒钟，5次测量历时约15秒），图3中的“＋”号实线是场测功率时延分布（PDP），图3中的竖线表示径的峰值点和径前的凹点。

NLOS信道下同一点上进行5测量得到的功率时延分布（PDPNO1~5）

在NLOS环境下，由于首径和其后的径都是由众多子径叠加而成的，这些子径是独立同分布的，而且，根据散射体均匀分布的假设，这些子径的强度都是相当的，也就是无主导子径存在，在这种条件下，反射体的质心引入的TOA附加时延

满足指数分布；根据中心极限定理，由反射体产生的众多子径叠加引入的TOA附加时延（相对于

）

符合正态分布。

因此，NLOS信道下到达时间TOA的附加时延

=

+

，由于

和

是相对独立的随机变量，

的分布是指数分布和正态分布的卷积，见公式

（1）。

（1）

由于各个径所对应的空间上的散射体密度相同、各个径的信干比在统计意义上相同，这就决定了各个径的到达时间不但具有和公式

（1）相同的分步形式，而且具有相同的分布参数，因此，在NLOS环境下，首径和其后若干径的TOA附加时延是同分布的随机过程，这是进行NLOS信道下TOA附加时延误差估计的基本原理。

2.2.3准LOS信道下TOA附加时延误差的估计原理

在QUASI-LOS信道下，造成TOA附加时延误差的因素除了2.2.1节所述的多径引起相关器输出跟踪直达波和反射波的能量中心之外，还包括电波传播中的绕射引入的路径误差。

实际应用中，根据下面讨论的NLOS识别的结果，可以近似地使用LOS或NLOS信道下TOA附加时延估计方法来近似。

2.2.4信道识别的原理

信道识别就是确认移动台（或定位接收机）和基站（或卫星）之间是处于LOS信道、NLOS信道和准LOS信道的那一种。

进行信道识别所利用的物理机理是：

LOS信道、准LOS信道和NLOS信道下径的衰落强度是不同的，从LOS信道到准LOS信道再到NLOS信道，径的衰落经历一个从莱斯衰落到深度瑞利衰落的过程，根据这个物理现象，可以采用基于样本（径的幅度）变异系数（或离散系数）的信道识别方法。

样本变异系数

表示径的幅度的标准差除以样本幅度的均值。

从LOS信道到准LOS信道再到NLOS信道，样本变异系数

遵循从小到大的规律。

场测表明，典型的NLOS信道的样本变异系数

大于0.3。

2.3误差抑制原理

对TOA附加时延误差的抑制分为两个环节，第一个环节是采用TOA附加时延误差均值的估计值进行误差矫正，得到零均值的TOA附加时延误差矫正残差；第二个环节是通过调整位置估计算法（如加权最小二乘估计算法）的加权矩阵来进一步抑制TOA附加时延误差矫正残差的影响。

对位置估计算法（如加权最小二乘估计算法）中加权矩阵的调整，可以分为TOA位置估计中加权矩阵的调整（对AGPS采用的TOA定位体制）和TOA+TDOA位置估计算法中的加权矩阵调整（对基于蜂窝网络的TOA＋TDOA定位体制）这两种情况。

3TOA附加时延误差抑制性能场测验证结果

3.1误差矫正结果

图4是根据金生楼顶11月29日测试数据绘出的矫正前后的TOA附加时延误差的CDF曲线和PDF曲线；图5是根据金桥小区场测数据绘出的校正前后的TOA附加时延误差的CDF曲线和PDF曲线；图6是根据家乐福一楼营业厅内场测数据绘出的校正前后的TOA附加时延误差的CDF曲线和PDF曲线。

图4、5、6中，上面的子图中的兰色实线是矫正前TOA测量量中包含的TOA附加时延误差的CDF曲线，红色“+”线是矫正后的误差（矫正残差）的CDF曲线；图4、5、6中子图中的兰色实线是矫正前TOA测量量中包含的TOA附加时延误差的PDF曲线，红色“+”线是矫正后的误差（矫正残差）的PDF曲线。

图4、5、6表明，LOS信道、准LOS信道和NLOS信道的TOA附加时延误差都可以通过矫正达到残差的零均值，这是TOA附加时延矫正追求的目标，因为均值为零的矫正残差实现了对TOA附加时延误差二阶原点矩的降低，从而可以有效地降低TOA附加时延误差对位置估计精度的影响。

LOS信道的误差矫正曲线：

（上）矫正前后的CDF曲线；（下）矫正前后的PDF曲线。

（金生楼顶11月29日测试）

QUASI-LOS信道的误差矫正曲线：

（上）矫正前后的CDF曲线；（下）矫正前后的PDF曲线。

（金桥小区12月12日~21日测试）

NLOS信道的误差矫正曲线：

（上）矫正前后的CDF曲线；（下）矫正前后的PDF曲线。

（家乐福一楼大厅12月26日测试）

3.2位置估计误差抑制性能场测验证结果

本节给出基于WCDMA定位系统的TOA附加时延误差抑制性能的场测验证结果。

基于WCDMA的验证采用的是TOA＋TDOA定位体制（见图1），其特点是只有一个TOA测量量可以采取附加时延误差抑制措施，对于TDOA测量量，由于其包含的已经是相减后的TOA附加时延误差的残差，对这个残差进行校正是目前的技术无法实现的。

图7、8、9是室外环境下TOA附加时延误差抑制性能的场测验证结果；图10是室内环境下TOA附加时延误差抑制性能的场测验证结果；图11是LOS环境下TOA附加时延误差抑制性能的场测验证结果。

在图7～10中，上面的子图中给出的兰色细实线表示的CDF曲线是校正前的位置估计结果，上面的子图中给出的红色粗实线表示的CDF曲线是校正后的位置估计结果；图7～10下面的子图中给出的兰色细实线表示的是校正前的位置估计误差，图7～10下面的子图中给出的红色粗实线表示的是校正后的位置估计误差。

图7给出的是信和小区TOA附加时延误差校正前后的定位误差曲线；

图8给出的是金桥小区TOA附加时延误差校正前后的定位误差曲线；

图9给出的是连城小区TOA附加时延误差校正前后的定位误差曲线；

图10给出的是家乐福室内TOA附加时延误差校正前后的定位误差曲线；

图11给出的是LOS信道下TOA附加时延误差校正前后的定位误差曲线；

TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（信和小区）

TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（金桥小区）

TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（连城小区）

室内环境下TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（家乐福）

LOS信道下TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善

分析图7～11中校正后的定位误差CDF曲线，可以看出：

1）无论是室外还是室内，150米点都可以达到FCC的技术指标95％，50米点除了金桥小区大于67％之外，其他小区的50米点在60％附近，低于FCC的技术指标67％；2）LOS信道下多径引入的TOA附加时延误差也得到的显著抑制，这对提高移动台在LOS环境下的定位精度（因体积限制无法采用扼止环天线）具有重要意义。

图7～11给出的性能改进，并没有体现出TOA附加时延抑制算法的最大潜力，因为在场测过程中，基站的径检测算法和UE的TDOA测量算法存在的缺陷导致TOA测量量的负值抖动过大，限制了抑制算法性能的发挥。

另外，限制NLOS误差抑制效果进一步提高的主要原因是：

在TDOA定位系统的测量量中，只有一个TOA（见图1的RTT）的NLOS误差可以矫正。

但是，在GPS系统中，所有的测量量中，所有的测量量都是TOA，因此，可以对参与定位的多个TOA的NLOS误差进行矫正，这就意味着在GPS系统中，NLOS误差抑制算法的潜在性能可以得到充分发挥，得到远优于TDOA系统的矫正效果。

3.3AGPS系统中TOA附加时延误差抑制性能简要分析

在AGPS系统中，为了使位置估计误差最小，要求参与定位的各个TOA附加时延矫正残差的1、2阶原点矩最小。

从图4、5、6给出的TOA附加时延误差矫正残差的CDF曲线可以看出，通过TOA附加时延误差矫正可以实现这个目标。

从理论上讲，由于TOA位置估计算法的输出是多个TOA交点的质心，当每个TOA的矫正残差的均值为为零时，由这样一些校正后的TOA的交点的质心和真实位置的误差也是零，于是，对AGPS采用的TOA系统来讲，由于卫星和移动台不在一个平面上，对参与定位的每个TOA附加时延误差的零均值矫正都可以带来位置估计性能的改善。

4对协议的补充建议

从WCDMA系统得到的场测验证结果表明，TOA附加时延误差抑制技术可以显著改善移动台的定位精度。

为了使3GPP技术规范能够支持这项技术，需要对3GPP规范做如下补充。

4.1UE辅助的TOA＋TDOA定位需要补充的NLOS误差测量量

为了使协议在UE辅助模式下支持TOA附加时延误差矫正，需要在Uu接口增加上报TOA附加时延误差值的信元，见图12，或者在Iub接口增加上报TOA附加时延误差值的信元，见图12。

LOS信道下TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（引自资料【2】）

4.2UE辅助的AGPS定位需要补充的NLOS误差测量量

为了使协议在UE辅助模式下支持TOA附加时延误差矫正，需要在Uu接口增加上报TOA附加时延误差值的信元，见图13。

LOS信道下TOA附加时延误差矫正对位置估计精度的改善（引自资料【2】）

参考资料清单

[1]TOA附加时延误差抑制算法场测验证报告，华为公司上海研究所文档室，2003/7/17

[2]3GPPTS25.305,“Stage2FunctionalSpecificationofUEPositioninUTRAN（Releace4）”v4.3.0,2002.03

[3]3GPPTS25.331,“RadioResourceControl（RRC）ProtocalSpecification（Releace4）”v4.7.0,2002.09