專利名稱：一種tdoa的估計方法、系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種TDOA(Time Difference ofArrival，到達時間差)的估計方法、系統(tǒng)和裝置。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中蜂窩無線定位是一種極其重要的地面無線定位方式，它利用分布廣泛的蜂窩無線通信基礎(chǔ)設(shè)施完成定位，不需要專門的用戶端設(shè)備，也不需要另外組建網(wǎng)絡(luò)，對于運營商和用戶來說成本極低。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中為移動臺提供二維定位服務(wù)的基本定位方法有RSS(Received Signal Strength，接收信號的強度)定位，TOA(Time of Arrival，到達時間)定位，TDOA定位，AOA(Angle of Arrival，信號到達角)定位等。
蜂窩無線定位技術(shù)方案按照定位實施主體可以劃分為兩類基于移動臺的定位與基于網(wǎng)絡(luò)的定位。基于移動臺的定位也稱為前向鏈路定位，即移動臺利用來自基站的信號計算出自己的位置?；诰W(wǎng)絡(luò)的定位也稱為反向鏈路定位，實現(xiàn)方式為網(wǎng)絡(luò)利用移動臺傳來的信號計算出移動臺的位置。無論采用何種定位方案，蜂窩無線定位系統(tǒng)中基本定位方法和技術(shù)都是相同的或相似的，都是通過檢測某種信號的特征測量值實現(xiàn)對移動臺的位置估計。
TDOA定位具有TOA定位的優(yōu)點，同時又對系統(tǒng)同步要求要低得多，減小了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，從而降低了定位系統(tǒng)的成本，對以低附加成本為特點的蜂窩無線定位系統(tǒng)具有特殊意義。TDOA定位方法通過測量移動臺到兩個基站之間或兩個基站的信號到移動臺之間的時延差，利用雙曲線方程確定用戶的位置，因而TDOA測量的精度直接決定TDOA定位方法的性能。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)信號的特點和時頻處理框架，為有效提高TDOA的估計精度和降低其復雜度提供了基礎(chǔ)。為了便于比較和分析各種不同TDOA估計與定位方法，首先介紹TDOA定位系統(tǒng)原理與模型，然后給出TDOA估計中的信號傳輸模型。
在現(xiàn)有技術(shù)中給出由MS(Mobile Station，移動臺)利用上行鏈路向LMU(Location Measurement Unit，定位測量單元)發(fā)送測距信號，由BS(BaseStation，基站)完成用戶定位的U-TDOA方法，它是一種基于網(wǎng)絡(luò)的蜂窩無線定位算法。
如圖1所示為U-TDOA(UplinkTime Difference of Arrival，上行到達時間差)定位方法的小區(qū)設(shè)置示意圖，在定位過程中，移動臺MS首先向各個相鄰LMU發(fā)送定位信號(很多情況下LMU就是BS)。LMU檢測到定位信號之后可以直接將接收信號或測量獲得的TOA時間經(jīng)過某指定時延傳輸給無線網(wǎng)絡(luò)控制中心，由該控制中心安排計算TDOA數(shù)值，并根據(jù)各個LMU坐標最終計算得到MS的位置坐標信息。
在TDOA定位方法中，TDOA估計的性能直接決定TDOA定位方法的性能?，F(xiàn)有技術(shù)中給出了兩種進行基于GRP(Geolocation Reference Point，定位參考點)的TDOA定位的方案。
其中，現(xiàn)有技術(shù)一為利用無線局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)分組的前導(Preamble)OFDM符號作為測距信號，接收端通過對前導符號的相關(guān)檢測，估計出TOA，再利用TOA估計出TDOA。
現(xiàn)有技術(shù)一在估計TOA時，采用滑動相關(guān)處理估計TOA，在高斯白噪聲信道中估計性能較好，但在寬帶無線多徑信道中滑動相關(guān)處理的峰值與第一徑不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，所以TOA估計的性能會嚴重下降；并且估計出的TOA的分辨率由采樣間隔決定，要提高估計精度，必須進行過采樣，這使系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度大大增加。另外，上述TDOA的估計方法雖然用到了OFDM信號，但僅用到了OFDM符號在時域的相關(guān)特性，未充分利用OFDM信號在頻域的特性。
為了提高距離分辨率和估計精度，現(xiàn)有技術(shù)二利用時延對OFDM系統(tǒng)頻域的各個子信道中的數(shù)據(jù)影響和信道的統(tǒng)計特性，采用最大似然方法來估計TOA，再利用TOA估計出TDOA。
但是現(xiàn)有技術(shù)二利用信道估計中所包含小數(shù)采樣間隔的時延信息，利用MUSIC算法的思想構(gòu)造出最大似然估計算法估計出小數(shù)采樣間隔的時延，以提高時延的估計性能，利用了OFDM系統(tǒng)的時頻特性。但在估計TOA時，估計前需要知道第一路徑為零時延的OFDM系統(tǒng)頻域子信道的自相關(guān)矩陣和噪聲的方差，這些信息通常不易得到；且TOA估計中需要計算多個矩陣的逆運算、多個矩陣的乘和矩陣奇異值分解等復雜運算，復雜度高。在OFDM蜂窩通信系統(tǒng)中，上述TDOA的估計方法對定時誤差非常敏感，要求定時必須足夠精確，否則包含時間誤差信息的信道估計存在符號間干擾和子載波間干擾，會嚴重降低最大似然算法的估計性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種TDOA的估計方法、系統(tǒng)和裝置，以解決現(xiàn)有的TDOA定位方法精度低、算法復雜度高的問題。
為達到上述目的，本發(fā)明實施例一方面提供一種到達時間差TDOA的估計方法，包括以下步驟接收定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻是所述定位參考點根據(jù)系統(tǒng)前導符號進行定時檢測并利用包含基于定位的服務(wù)LBS序列的正交頻分復用OFDM符號進行定時誤差估計獲取的；根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA。
另一方面，本發(fā)明實施例還提供一種TDOA的估計系統(tǒng)，包括基站BS和至少三個定位參考點，所述BS，用于接收定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA，并為所述定位參考點提供采樣時鐘信號；所述定位參考點，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測并利用包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并將所述數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果發(fā)送給所述BS。
再一方面，本發(fā)明實施例還提供一種定位參考點，包括估計模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測并利用所述包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻；發(fā)送模塊，用于將所述估計模塊的估計結(jié)果發(fā)送給BS。
再一方面，本發(fā)明實施例還提供一種BS，包括接收模塊，用于接收定位參考點發(fā)送的數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果；計算模塊，用于根據(jù)所述接收模塊接收的不同定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組到達時刻計算TDOA。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例具有以下優(yōu)點通過本發(fā)明實施例，定位參考點對接收到的系統(tǒng)前導符號進行定時檢測，然后利用包含LBS訓練序列的OFDM符號進行定時誤差估計，估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻，再由基站根據(jù)不同定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，計算TDOA，從而獲得移動臺的具體位置坐標，本發(fā)明實施例提出的方法不需要信道的自相關(guān)函數(shù)和噪聲等有關(guān)信息的輔助，對OFDM數(shù)據(jù)分組的定時誤差不敏感，定位估計精度高，算法復雜度低。



圖1為現(xiàn)有技術(shù)U-TDOA網(wǎng)絡(luò)設(shè)置結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明實施例小區(qū)設(shè)置示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例LBS訓練序列的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例包含LBS訓練序列的OFDM符號結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例包含LBS訓練序列的OFDM幀結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例TDOA的估計方法的流程圖； 圖7為本發(fā)明實施例利用TDOA估計值進行定位的方法的流程圖； 圖8所示，為本發(fā)明實施例TDOA的估計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施例方式 本發(fā)明實施例面向OFDM蜂窩通信系統(tǒng)或其它無線OFDM系統(tǒng)，設(shè)計出用于TDOA估計的LBS(Location Based Services，基于定位的服務(wù))訓練序列和包含LBS訓練序列的幀格式，提出基于該LBS訓練序列的TDOA估計的技術(shù)方案，本發(fā)明實施例提出的方法不需要信道的自相關(guān)函數(shù)和噪聲等有關(guān)信息的輔助，對OFDM數(shù)據(jù)分組的定時誤差不敏感，定位估計精度高，算 如圖2所示，為本發(fā)明實施例小區(qū)設(shè)置示意圖，由于一個BS可以在小區(qū)中擁有多個RS(Relay Station，中繼站)輔助接收，因此本發(fā)明實施例使用多個RS作為定位參考點。
本發(fā)明實施例利用3個RS作為定位參考點，不需要在定位中使用多個BS，因此不需要在網(wǎng)絡(luò)中增加BSC(Base Station Controller，基站控制器)控制。RS通過同樣的線纜與BS相連，BS與各RS之間的信號傳輸時延已知，其時鐘由BS時鐘統(tǒng)一提供，由已知的傳輸時延加以修正。各個RS測得各自收到的定位信號后將TOA傳送回BS，由BS統(tǒng)一處理完成TDOA估計。由于請求LBS(Location Based Services，基于定位的服務(wù))的MS會隨機均勻地分布在小區(qū)中，因此為了使LBS性能穩(wěn)定，RS應(yīng)該盡量均勻分布在小區(qū)中。同時由于處于各RS組成的多邊形內(nèi)的MS的定位精度要高于處于多邊形外的MS，RS應(yīng)與BS保持一定的距離。
如圖3所示，為本發(fā)明實施例LBS訓練序列的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明實施例提供了用于TDOA估計的LBS訓練序列以及含有LBS訓練序列的OFDM幀格式 1、LBS訓練序列的構(gòu)建 本發(fā)明實施例中的LBS訓練序列包含兩個基本的OFDM符號，每個符號的基本數(shù)據(jù)采用CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation，恒定幅度零自相關(guān))序列，第二符號是第一個符號的循環(huán)移位序列。若OFDM系統(tǒng)符號長度為N，循環(huán)前綴的長度為G，長度為N的CAZAC序列表達式為
其中，M是與N互質(zhì)的整數(shù)。
對于LBS中基本數(shù)據(jù)可直接選取長度為N(N＝2m)的CAZAC序列，也可選為IFT(Inverse Fourier Transform，傅立葉反變換)之后的CAZAC序列。對于奇數(shù)長度的CAZAC序列，也可以用于長度為N的LBS基本數(shù)據(jù)，首先選取長度為N-1的CAZAC序列，在序列最前面插入數(shù)據(jù)0，構(gòu)成長度為N的序列，然后通過IFT獲得長度為N的基本數(shù)據(jù)。
2、LBS訓練序列的特點 如圖4所示，為本發(fā)明實施例包含LBS訓練序列的獨特OFDM符號結(jié)構(gòu)示意圖，其中A表示圖3所示的LBS訓練序列中的子數(shù)據(jù)序列z0，z1，...，zG-1，B表示LBS訓練序列中的子數(shù)據(jù)序列zG，...，zN-G，C表示LBS訓練序列中的子數(shù)據(jù)序列zN-G+1，...，zN-1。由圖4可以看出，第一個OFDM符號以C為循環(huán)前綴，第二個OFDM符號以A為循環(huán)前綴，第二個OFDM符號的數(shù)據(jù)是第一個OFDM符號的數(shù)據(jù)在時域上的循環(huán)移位，且循環(huán)移位了G次，第一個OFDM符號的數(shù)據(jù)與第二個OFDM符號的數(shù)據(jù)存在交疊。在TDOA估計中，這種具有前綴的OFDM符號，當定時偏移在一個循環(huán)前綴內(nèi)時，不會引入符號間干擾，且可將定時偏移反映到頻域各個子信道的相位中。這種獨特結(jié)構(gòu)優(yōu)于其它的用于定時和信道估計的訓練符號。本發(fā)明實施例提出的包含LBS序列的OFDM符號不僅可用于TDOA估計領(lǐng)域，還可用于信道估計、定時同步估計和頻偏估計等場景。
峰均比是OFDM系統(tǒng)的一項重要指標，本發(fā)明實施例中的LBS訓練序列采用CAZAC序列，當采用偶數(shù)長度的CAZAC序列或?qū)ζ溥M行IFT后的序列時，LBS訓練序列的峰均比為1，而采用奇數(shù)長度的CAZAC序列或?qū)ζ溥M行IFT后的序列時，LBS訓練序列的峰均比約為1.004。低峰均比特性使得LBS訓練序列的頻域數(shù)據(jù)不會受到放大器非線性的影響，可用于上行或下行鏈路，或其它非OFDM系統(tǒng)。
3、包含LBS訓練序列的幀結(jié)構(gòu) 如圖5所示，為本發(fā)明實施例包含LBS訓練序列的OFDM幀格式的示意圖，本發(fā)明實施例提出的包含LBS訓練序列的OFDM幀結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)有OFDM傳輸標準中的幀結(jié)構(gòu)的形式一致，因而在系統(tǒng)中，可將LBS訓練序列以數(shù)據(jù)符號的形式插入到現(xiàn)有的OFDM傳輸幀中，接收端通過增加LBS數(shù)據(jù)檢測裝置，即可獲得相應(yīng)的信息，因此只需對OFDM通信系統(tǒng)的鏈路層進行非常小的改動，不需要對現(xiàn)有的OFDM物理層傳輸標準進行修改，即可將定位功能集成到現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中。
在基于OFDM傳輸標準的系統(tǒng)中，若進行定位服務(wù)，可將LBS訓練序列以數(shù)據(jù)符號的形式嵌入到標準的OFDM傳輸幀中。如圖5所示，LBS訓練序列的位置可在前導符號和信號域之后，也可在數(shù)據(jù)負載中的任一位置，具體的位置可由系統(tǒng)或服務(wù)協(xié)議統(tǒng)一規(guī)定。LBS訓練序列在OFDM幀中所處的位置不影響接收端TDOA估計的性能。
如圖6所示，為本發(fā)明實施例TDOA的估計方法的流程圖，本發(fā)明實施例針對現(xiàn)在和未來的OFDM蜂窩通信系統(tǒng)，提出了一種新的TDOA的估計方法，其思想是，在接收端利用定時檢測和定時誤差估計，獲得定位分組到達時刻，利用多個定位參考點的定位分組到達時刻估計它們之間TDOA。本發(fā)明實施例以多個RS作為定位參考點。定時誤差估計是在定時檢測的基礎(chǔ)上，從接收的信號中提取包含LBS序列的OFDM符號進行信道估計，利用這些包含定時誤差信息的信道估計值，定義代價函數(shù)，通過采用搜索估計出小數(shù)采樣間隔的誤差，再將估計出的小數(shù)采樣間隔的誤差補償?shù)焦烙嫼蟮男诺老禂?shù)中，并變換到時域，通過搜索估計出的整數(shù)采樣間隔的誤差，從而獲得定位分組的到達時刻，最后利用估計出的LBS訓練序列到達多個RS或LMU的時刻來估計不同RS或LMU之間TDOA數(shù)值。本發(fā)明實施例提出的TDOA的估計方法包括以下六個步驟 步驟S601，利用OFDM系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測，估計出接收端信號的到達時刻ti′； 在步驟S601中利用系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測。若移動臺在t0時刻發(fā)射包含LBS訓練序列的OFDM符號，RSi或LMUi在ti時刻收到定位分組。接收端采用離散化處理，若采樣間隔為Ts，則定位分組到達時刻ti可以表示為 ti＝t0+τi，0＝MiTs+Δτi，0 式中Mi為RSi或LMUi中采樣時鐘的序號，τi，0為移動臺與RSi之間距離引起的傳播時延，Δτi，0為一個采樣間隔之內(nèi)的時延。第i個定位接收端通過對分組中的前導符號中定時訓練符號檢測，得到分組到達時刻ti′可以表示為 ti′＝Mi′Ts (3) 式中Mi′為接收端檢測到OFDM符號時采樣時鐘序號。
與真實的到達時刻相比，定時帶來的誤差為 Δti＝ti-ti′＝(Mi-Mi′)Ts+Δτi，0＝ΔMiTs+Δτi，0 (4) 在具體系統(tǒng)中，Mi′的檢測可以由對應(yīng)標準規(guī)定的幀定時符號與幀定時步驟實現(xiàn)。如在IEEE 802.16系統(tǒng)中幀定時通過OFDM幀的長前導碼的訓練序列實現(xiàn)。除此之外不需要其他特定的符號與步驟，也沒有特殊條件限制。
步驟S602，基于LBS訓練序列的信道估計，即在步驟S601定時檢測的基礎(chǔ)上，對接收端接收的OFDM符號進行FT(Fourier Transform，傅立葉變換)變換之后，在頻域中進行信道估計； 在步驟S602中使用包含LBS訓練序列的OFDM符號進行信道估計，若移動臺到定位接收點之間的無線信道復基帶沖擊響應(yīng)為h(t)，移動臺發(fā)射的包含LBS序列的等效復基帶OFDM符號為z(t)，則接收信號為 令n(t)＝0，若定時相檢測對于真實到達時刻的誤差為Δti，則從OFDM符號分組中取出的LBS序列信號為 yi′(t)＝y(tǒng)i(t-Δti) (6) 由于包含LBS序列信號的OFDM符號具有循環(huán)前綴和后綴結(jié)構(gòu)，因此只要Δti不大于循環(huán)前綴的長度G，經(jīng)過采樣和FT變換后，則包含LBS序列的OFDM符號的頻域信號可以表示為 式中 利用包含LBS序列的OFDM符號得到的信道估計為 在信道估計中，整數(shù)個采樣間隔的誤差ΔMi在時域上使長度為N的信道沖擊響應(yīng)離散采樣序列循環(huán)移位，而小數(shù)個采樣間隔的誤差Δτi，0使時延擴展長度為G的多徑信道能量擴散到長度為N的信道響應(yīng)采樣序列中。
步驟S603，小數(shù)采樣間隔的定時誤差估計，即利用步驟S602估計出的信道系數(shù)的變換定義代價函數(shù)，利用代價函數(shù)搜索的方法估計出小數(shù)采樣間隔的定時誤差； 由步驟S602可知，小數(shù)采樣間隔的定時誤差Δτi，0使多徑信道沖擊響應(yīng)的能量擴散到最大時延擴展外，擴散的能量數(shù)值與Δτi，0的數(shù)值有關(guān)。當Δτi，0的數(shù)值越小時，在長度為N的信道沖擊響應(yīng)采樣序列的子序列hG，...，hN-G包含的能量越小。因此，在本發(fā)明實施例中，利用泄漏到時域信道沖擊響應(yīng)最大時延擴展外的幅度和定義代價函數(shù)，通過代價函數(shù)搜索估計小數(shù)采樣間隔誤差。
代價函數(shù)的定義為 式中當Δτ＝Δτi，0時，代價函數(shù)C(Δτ)最小。因而Δτi，0的估計值可以表示為 Δτ在-0.5Ts到0.5Ts的范圍內(nèi)變化，以步長Sτ＝Ts/L進行L步搜索，可以搜索到使代價函數(shù)最小的τf min，其分辨率為Sτ＝Ts/L。為了進一步提高分辨率，本發(fā)明采用代價函數(shù)在最小值處左右的數(shù)值之差進一步估計定時誤差，估計出Δτi，0為 步驟S604，整數(shù)采樣間隔的定時誤差估計，即將上步估計出的小數(shù)采樣間隔定時誤差補償?shù)筋l域信道系數(shù)中，然后再將信道系數(shù)變換到時域中，利用自適應(yīng)門限，估計出整數(shù)采樣間隔的定時誤差； 步驟S604對整數(shù)采樣間隔的定時誤差進行了估計，其利用步驟S603中估計出的小數(shù)部分

對步驟S602中估計出的信道進行補償，再進行IFT(InverseFourier Transform，傅立葉反變換)，得到只含有整數(shù)個采樣間隔誤差的信道沖擊響應(yīng)采樣序列 然后，對(12)式的信道沖擊響應(yīng)序列，通過搜索信道沖擊響應(yīng)的起點，即第一樣值來估計出整數(shù)采樣間隔誤差ΔMi。由于無線信道中多徑傳播的影響，在OFDM定時檢測中，通常給出的是沖擊響應(yīng)中最大樣值的出現(xiàn)時刻；若最大樣值不是第一個樣值，這時產(chǎn)生的整數(shù)部分定時誤差ΔMi使采樣序列長度為N的沖擊響應(yīng)序列向左循環(huán)移位。為了搜索到第一徑，定義序列hi，k′，k＝0，...，N-1向右進行e次循環(huán)移位的序列X(e)，定義一個自適應(yīng)搜索門限Mth，若信道的離散沖擊響應(yīng)序列的最大模值為A，噪聲電平為B，則Mth可以表示為 Mth＝B+A/L(13) 式中L的數(shù)值根據(jù)信道統(tǒng)計模型，信道沖擊響應(yīng)的離散抽樣序列中最大值與第一個樣值功率之比來確定。ΔMi的估計為 式中X(e，1)是循環(huán)移位序列X(e)的第一個數(shù)據(jù)。
因此，Δti的估計為 步驟S605，到達時刻估計，即利用步驟S601、步驟S603和步驟S604估計出的結(jié)果計算出定位分組的到達時刻； 第i定位參考點收到移動臺發(fā)過來的定位分組的到達時刻為 步驟S606，利用不同RS估計出的到達時刻值計算出到達時間差(TDOA)值。
第i個定位參考點和第i+1定位參考點收到移動臺發(fā)過來的定位分組的時延差為 本發(fā)明實施例還對利用TDOA估計值進行定位的方法進行了介紹，本發(fā)明實施例以單步LS(Least Square，最小二乘)定位方法為例進行介紹。
假設(shè)有M個定位參考點任意分布在2維空間中，令RS1為主定位參考點，設(shè)第i個定位參考點的抽樣觀測值為 ui(k)＝s(k-ti)+ηi(k)，i＝1，2，...，M(18) s(k)是自移動臺發(fā)出的信號，ti是到第i個定位參考點接收機的時延，ηi(k)為加性高斯白噪聲。假設(shè)信號與噪聲之間相互獨立，是零均值平穩(wěn)高斯隨機過程。設(shè)t＝[t2，1，t3，1，...，tM，1]T是TDOA估計值向量。其中 ti，1＝ti-t1(19) t的協(xié)方差矩陣Q為 其中0到Ω是處理信號頻率帶寬，T是觀測時間。tr(*)是矩陣*的跡。S(ω)是信號的功率譜密度，N(ω)＝diag{N1(ω)，N2(ω)，...，NM(ω)}是噪聲功率譜矩陣。Np(ω)是矩陣N(ω)的右下角(M-1)×(M-1)的部分，I是與Np(ω)同型的單位矩陣。
假設(shè)沒有噪聲時的{*}為{*}0，ti，j將表示為 i，j＝1，2...，M(21) 式中ni，j代表噪聲(時延估計誤差)分量。定義噪聲分量為n＝[n2，1，n3，1，...，nM，1]T。因為TDOA估計器是無偏的，所以n的均值為0，協(xié)方差矩陣等于Q。
根據(jù)前面已知定義，設(shè)用于定位的定位參考點數(shù)目為M個(M≥4)，定位參考點RSi(坐標(xi，yi))到MS(坐標(x0，y0))的真實距離分別為Ri。RSi與RS1到MS距離差分別為Ri1＝Ri-R1，那么有 定位參考點RSi(坐標(xi，yi))到MS(坐標(x0，y0))的真實距離分別的平方和為 其中 設(shè)c為開放空間中的光速，RSi與RS1的傳輸時間差為TDOAi1，則 Ri，1＝TDOAi1·c＝Ri-R1(25) 式(25)定義一組非線性方程，根據(jù)這可以解得(x0，y0)。
根據(jù)上式，因此公式(23)可重新寫為 上式減去公式(24)在i＝1時的量，得到 其中xi，1＝xi-x1，yi，1＝y(tǒng)i-y1。式(26)是未知變量為x0，y0和Ri的一組線性方程組。令為未知參數(shù)向量，其中zp＝[x0，y0]T。考慮TDOA誤差，由公式(26)得到誤差向量是 其中 假設(shè)沒有噪聲時的{*}為{*}0，ni，j代表噪聲(時延估計誤差)分量。定義噪聲分量為n＝[n2，1，n3，1，...，nM，1]T，則故Ψ可以表示為 Ψ＝cDn+0.5c2nΘn(29) Θ代表Schur乘積。由廣義互相關(guān)檢測的TDOA測量值通常為高斯數(shù)據(jù)，服從近似的高斯分布，因此噪聲矢量n也服從近似的正態(tài)分布，誤差矢量的協(xié)方差矩陣便可算出。在實踐中條件因此上式中的第二項可以忽略，變?yōu)?
由于za中元素滿足公式(24)，因此公式(28)仍然是x0，y0的非線性方程。Chan算法解決這個非線性問題的方法是，首先假定x、y和R1之間是相互獨立的，通過LS求解。然后對計算的結(jié)果加入公式(24)的條件，重新求一次LS，得到最終解。這兩步過程是發(fā)射機定位的真實ML估計器的近似。
考慮za中元素相互獨立，za的最大似然(ML)估計為
上式也可認為是公式(28)的廣義LS解。但由于B是未知量，包含RS與移動臺之間的真實距離，因此也不能或得

的值。當移動臺遠離RS時，每個Ri0近似為R0，則D＝R0I，所以上式近似為 另一方面，如果移動臺距離RS很近時，首先根據(jù)公式(31b)得到的初始解估計矩陣D。然后根據(jù)公式(31a)求最終解。
如圖7所示，為本發(fā)明實施例利用TDOA估計值進行定位的方法的流程圖，如圖7所示，MS在LBS開始之后首先產(chǎn)生包含LBS訓練序列的OFDM幀，同時向所有的本小區(qū)內(nèi)用于定時的RS及BS發(fā)送該幀。信號各自經(jīng)過多徑信道，到達接收天線。各定位RS與BS在接收到定位幀之后首先利用幀同步進行精定時和粗定時，利用得到的數(shù)據(jù)與已知發(fā)送數(shù)據(jù)估計信道參數(shù)。根據(jù)Δti搜索方法搜索得到小數(shù)倍采樣周期的傳輸時延，并根據(jù)門限確定定時誤差，由此計算TDOA并用TDOA定位算法計算MS坐標位置，具體步驟如下 步驟S701，定位服務(wù)開始。
步驟S702，生成前導符號和信號領(lǐng)域。
步驟S703，生成定位符1和2。
步驟S704，定位信號通過多徑信道HK。
步驟S705，信號加入高斯白噪聲。
步驟S706，各RS與BS利用TDOA估計方法來估計TDOA。
步驟S707，利用TDOA定位算法估計MS坐標。
步驟S708，定位服務(wù)完成。
如圖8所示，為本發(fā)明實施例TDOA的估計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括基站BS1和至少三個定位參考點2， BS1，用于接收定位參考點2估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并根據(jù)不同定位參考點2估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA，并為定位參考點2提供采樣時鐘信號； 定位參考點2，用于根據(jù)系統(tǒng)的OFDM前導符號進行定時檢測以及利用包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并將該數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果發(fā)送給BS1。
其中，BS1包括接收模塊11，用于接收定位參考點2發(fā)送的數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果； 計算模塊12，用于根據(jù)接收模塊11接收的不同定位參考點2估計的數(shù)據(jù)分組到達時刻計算TDOA。
其中，BS1還包括位置確定模塊13，用于根據(jù)計算模塊12計算的TDOA通過定位算法確定移動臺的位置。
其中，BS1還包括時鐘提供模塊14，用于為定位參考點2提供采樣時鐘。
其中，定位參考點2包括估計模塊21，用于根據(jù)系統(tǒng)的OFDM前導符號進行定時檢測以及利用包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻； 發(fā)送模塊22，用于將估計模塊21的估計結(jié)果發(fā)送給BS1。
其中，估計模塊21包括定時檢測子模塊211，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測；信道估計子模塊212，用于根據(jù)定時檢測子模塊211的檢測結(jié)果，利用包含LBS序列的具有循環(huán)前綴和后綴的OFDM符號將接收信號變換到頻率域，以進行包含定時誤差的信道估計； 小數(shù)估計子模塊213，用于利用信道估計子模塊212的估計結(jié)果對小數(shù)采樣間隔的定時誤差進行估計； 整數(shù)估計子模塊214，用于根據(jù)小數(shù)估計子模塊213的估計結(jié)果對整數(shù)采樣間隔的定時誤差進行估計。
本發(fā)明實施例提出了一套完整的在OFDM蜂窩系統(tǒng)中TDOA估計與定位的方法，移動臺通過將LBS訓練序列以O(shè)FDM數(shù)據(jù)的形式嵌入到OFDM傳輸分組中，定位參考接收點通過定時檢測和對收到的LBS訓練序列進行處理后，可以估計出定位分組的到達時刻，再由基站的定位處理中心根據(jù)不同定位參考接收點收到定位分組的時刻，通過計算得到TDOA，并利用LS定位算法得到MS具體位置的坐標。
本發(fā)明實施例的特點在于設(shè)計出了具有前綴和后綴的結(jié)構(gòu)獨特的LBS訓練序列，將定時誤差反映到LBS訓練序列的頻域數(shù)據(jù)中，且不受符號間干擾和子載波間干擾的影響。在TDOA估計中，利用結(jié)構(gòu)獨特的TDOA訓練符號的頻域數(shù)據(jù)，獲得包含定時誤差信息的信道估計，定義了代價函數(shù)和自適應(yīng)門限，通過代價函數(shù)和門限搜索估計出定時同步誤差，從而獲得高精確定位分組到達時刻。本發(fā)明實施例估計出的TDOA分辨率高，定位估計精度高，復雜度低。所設(shè)計的LBS訓練序列與OFDM傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)符號結(jié)構(gòu)完全相同，便于將本發(fā)明實施例中的TDOA估計方案集成到OFDM通信系統(tǒng)中，并且仿真結(jié)果表明本發(fā)明實施例的精度超過了IEEE802.16m中對定位精度的需求，可應(yīng)用于工程實踐。
通過以上的實施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)，當然也可以通過硬件，但很多情況下前者是更佳的實施方式?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述的方法。
以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是，本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種到達時間差TDOA的估計方法，其特征在于，包括以下步驟
接收定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻是所述定位參考點根據(jù)系統(tǒng)前導符號進行定時檢測并利用包含基于定位的服務(wù)LBS序列的正交頻分復用OFDM符號進行定時誤差估計獲取的；
根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA。
2、如權(quán)利要求1所述TDOA的估計方法，其特征在于，所述根據(jù)系統(tǒng)前導符號進行定時檢測包括根據(jù)所述OFDM數(shù)據(jù)幀中的前導符號對接收端信號進行定時檢測，估計信號的到達時刻。
3、如權(quán)利要求1所述TDOA的估計方法，其特征在于，所述利用包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計具體包括
利用所述包含LBS序列的具有循環(huán)前綴和后綴的OFDM符號將所述接收信號變換到頻率域，以進行包含所述定時誤差的信道估計；
利用所述信道估計的結(jié)果估計小數(shù)采樣間隔的定時誤差；
根據(jù)所述小數(shù)采樣間隔的定時誤差的估計結(jié)果進行整數(shù)采樣間隔的定時誤差的估計。
4、如權(quán)利要求3所述TDOA的估計方法，其特征在于，所述利用信道估計的結(jié)果估計小數(shù)采樣間隔的定時誤差具體包括定義代價函數(shù)，通過所述代價函數(shù)估計所述小數(shù)采樣間隔的定時誤差。
5、如權(quán)利要求3所述TDOA的估計方法，其特征在于，所述根據(jù)小數(shù)采樣間隔的定時誤差的估計結(jié)果進行整數(shù)采樣間隔的定時誤差的估計具體包括
根據(jù)所述小數(shù)采樣間隔的定時誤差的估計結(jié)果對所述信道估計的結(jié)果進行補償；
對補償后的信道估計結(jié)果進行傅立葉反變換得到包含整數(shù)采樣間隔的信道沖擊響應(yīng)采樣序列；
通過設(shè)置自適應(yīng)搜索門限對循環(huán)移位后的信道沖擊響應(yīng)采樣序列進行搜索，確定整數(shù)采樣間隔的定時誤差。
6、如權(quán)利要求1所述TDOA的估計方法，其特征在于，在所述根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA之后，還包括根據(jù)所述TDOA通過定位算法確定移動臺的位置。
7、如權(quán)利要求1所述TDOA的估計方法，其特征在于，所述包含LBS訓練序列的OFDM符號包括帶有循環(huán)前綴的第一OFDM符號和第二OFDM符號，所述第二OFDM符號通過對所述第一OFDM符號的循環(huán)移位獲得，所述第二OFDM符號的循環(huán)前綴為所述第一OFDM符號的循環(huán)后綴。
8、一種TDOA的估計系統(tǒng)，其特征在于，包括基站BS和至少三個定位參考點，
所述BS，用于接收定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA，并為所述定位參考點提供采樣時鐘信號；
所述定位參考點，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測并利用包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻，并將所述數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果發(fā)送給所述BS。
9、如權(quán)利要求8所述TDOA的估計系統(tǒng)，其特征在于，所述BS包括
接收模塊，用于接收所述定位參考點發(fā)送的數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果；
計算模塊，用于根據(jù)所述接收模塊接收的不同定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組到達時刻計算TDOA。
10、如權(quán)利要求8所述TDOA的估計系統(tǒng)，其特征在于，所述定位參考點包括
估計模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測并利用所述包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻；
發(fā)送模塊，用于將所述估計模塊的估計結(jié)果發(fā)送給所述BS。
11、一種定位參考點，其特征在于，包括
估計模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測并利用所述包含LBS序列的OFDM符號進行定時誤差估計，以估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻；
發(fā)送模塊，用于將所述估計模塊的估計結(jié)果發(fā)送給BS。
12、如權(quán)利要求11所述定位參考點，其特征在于，所述估計模塊包括
定時檢測子模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)的前導符號進行定時檢測；
信道估計子模塊，用于根據(jù)所述定時檢測子模塊的檢測結(jié)果，利用包含所述LBS序列的具有循環(huán)前綴和后綴的OFDM符號將接收信號變換到頻率域，以進行包含所述定時誤差的信道估計；
小數(shù)估計子模塊，用于利用所述信道估計子模塊的估計結(jié)果對小數(shù)采樣間隔的定時誤差進行估計；
整數(shù)估計子模塊，用于根據(jù)所述小數(shù)估計子模塊的估計結(jié)果對整數(shù)采樣間隔的定時誤差進行估計。
13、一種BS，其特征在于，包括
接收模塊，用于接收定位參考點發(fā)送的數(shù)據(jù)分組到達時刻的估計結(jié)果；
計算模塊，用于根據(jù)所述接收模塊接收的不同定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組到達時刻計算TDOA。
14、如權(quán)利要求13所述BS，其特征在于，還包括位置確定模塊，用于根據(jù)所述計算模塊計算的TDOA通過定位算法確定移動臺的位置。
15、如權(quán)利要求13所述BS，其特征在于，還包括時鐘提供模塊，用于為所述定位參考點提供采樣時鐘。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種到達時間差TDOA的估計方法、系統(tǒng)和裝置，所述TDOA的估計方法包括以下步驟接收定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻是所述定位參考點根據(jù)系統(tǒng)前導符號進行定時檢測并利用包含基于定位的服務(wù)LBS序列的正交頻分復用OFDM符號進行定時誤差估計獲取的；根據(jù)不同定位參考點估計的所述數(shù)據(jù)分組的到達時刻計算TDOA。通過本發(fā)明實施例，定位參考點估計數(shù)據(jù)分組的到達時刻，再由基站根據(jù)不同定位參考點估計的數(shù)據(jù)分組的到達時刻，計算TDOA，進而獲得移動臺的具體位置坐標，從而解決了現(xiàn)有的定位算法精度低、復雜度高的問題。
文檔編號H04W64/00GK101541078SQ20081008507
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者任光亮, 浩 倪, 孫垂強, 王艷霞, 王光健, 張曉輝, 曾雁星, 梁偉光 申請人:華為技術(shù)有限公司, 西安電子科技大學