遠距離同頻干擾基站定位方法研究*

朱金秀，吳文霞，唐玥，楊語晨，毛歡歡，鄢然

遠距離同頻干擾基站定位方法研究*

朱金秀1，吳文霞1，唐玥1，楊語晨1，毛歡歡2，鄢然1

（1.河海大學，江蘇 常州 213022；2.東南大學，江蘇 南京 210000）

目前東南沿海地區大氣波導效應引起的遠距離同頻干擾現象多發，影響用戶網絡體驗，而消除干擾的第一步就是要對遠處同頻干擾源進行定位。針對這一問題，利用被動雷達測距原理，提出了一種基于TDOA的三通道基站被動定位系統，利用GCC時延估計算法間接得出接收機之間的波程差，繼而利用建立雙曲線組，其交點即為需定位的基站位置。進行實測后得出，干擾源定位距離誤差約為8.6%，大致可以定位出干擾基站的位置。

遠距離同頻干擾 基站定位 廣義互相關時延估計 TDOA無線定位

1 引言

中國移動采用的TD-LTE系統有對頻譜利用率高、上網速度快等優點。然而，隨著TD-LTE網絡的大規模部署，系統越來越復雜，各種過去在小范圍應用中不會出現的干擾也隨之產生。通過對目前東南沿海地區多發的移動4G大面積同頻干擾現象進行研究后初步判斷，是大氣波導效應[1]引起了遠距離同頻干擾現象。該干擾影響了本地基站的上行用戶隨機接入時隙以及上行業務時隙，導致移動4G用戶大規模掉線、無法順利切換等嚴重問題的發生，影響了用戶網絡體驗。為優化網絡，需抑制或消除遠距離同頻干擾，以減少其對通信質量的影響。而抑制或消除干擾的第一步就是對產生遠距離同頻干擾的遠端干擾基站進行定位[2]。

早期的干擾源定位方法是通過信號頻域分析提取干擾信號，并朝著干擾信號的方向逐步逼近，從而定位到干擾源[3-4]。這種方法雖然操作簡單，但是所需設備笨重、投資高、速度慢、工作量大。文獻[5]提出在本地小區的UpPTS（Up Presentation Time Stamp，上行導頻時隙）和正常上行子幀上通過檢測特征序列，解析干擾小區的PCI，從而定位出干擾源。該方法雖然可以準確定位干擾源小區，但通過在幀號上周期性地發送特征序列，會使信道利用率降低。文獻[6]提出根據受擾的最后一個OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple，正交頻分復用）符號，通過大致范圍的確定和受擾基站X2接口的信息交互，定位遠處干擾基站。此方法雖然不影響信道利用率，但耗時久，且不穩定。

綜上所述，為能快速準確地定位出遠端干擾基站，本文研究被動雷達（passive radar）測距原理，發現被動雷達自身不輻射電磁波，故可通過接收由目標反射或輻射而來的信號進行定位，隱蔽性能良好，不易被發現。若雷達系統的目標自身是一個輻射源，則系統可以通過直接檢測其發射的信號進行定位，如WIMAX信號[6-9]、CDMA[10]、GSM信號[11-19]，而TDLTE信號也被考慮用來做被動雷達的照射源[20]。在此基礎上，提出了一種基于TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）[21]的三通道基站被動定位系統，并進行了實驗驗證和誤差分析，初步解決了干擾源定位的問題，為后續進一步消除遠距離同頻干擾打下了基礎。本算法不會增加系統負擔，無需頻譜分配、無電磁污染、低成本，對于目前移動4G的服務質量改善有所幫助。

2 三通道基站被動定位系統簡介

2.1 系統整體框架

根據被動雷達的基本原理，定位系統自身不發射電磁波，而是利用被測基站發射的LTE信號作為系統輻射源來進行定位。系統通過三個射燈天線進行基站信號的接收，TD-LTE接收機接收1 880 MHz—1 920 MHz的基站高頻信號，以20 MHz～60 MHz中頻信號進行輸出，并以150 MHz進行高速采樣傳輸至上位機。上位機端有相配的軟件來采集相應的信號，并將每一路采集到的信號數據以txt格式進行保存，以便將數據用GCC（Generalized Cross Correlation，廣義互相關）時延估計算法[22]和TDOA無線定位算法在Matlab中進行處理。首先將三通道采集的信號數據導入，使用GCC時延估計算法對其兩兩進行時延估計并乘以電磁波速c得到基站到接收機1、2、3之間的波程差。最后使用TDOA無線定位算法確定任意兩對雙曲線，雙曲線的交點即為所求基站位置。三通道被動定位系統基本流程如圖1所示：

圖1 三通道被動定位系統基本流程圖

2.2 TDOA無線定位技術

本系統采用的TDOA無線定位算法是一種利用時間差進行定位的方法，對時間基準無依賴，成本低，且能滿足精度要求。通過GCC時延估計算法可得到信號到達各個接收點的時間差（乘以波速得波程差），由于到兩個不同點之間的差值為固定的值，符合雙曲線上一點到兩焦點之間的距離差為固定值的特點，故由此可以作出以接收點（位置已知）為焦點，波程差為實軸的雙曲線，雙曲線的交點即為被測站的位置。此方法具有計算量較小、定位精度較高，同時也有助于實現實時系統的優點，是目前無線定位法中常用的方法。根據被測基站到接收點之間的信號到達時間差來定位被測站，該方法中的接收點數目最少為3個，且位置均已知，利用測量到的接收點時間之間的差值來計算被測站到達接收站之間的波程差，再由波程差列出多條（至少兩條）雙曲線，當接收天線為定向天線時，雙曲線能確定唯一交點即為被測站。本系統中的三通道被動定位算法基本原理圖如圖2所示：

圖2 三通道基站被動定位算法基本原理圖

黑點為三個接收機，紅點為移動的TD-LTE基站。TD-LTE信號從基站傳播到接收天線，從左至右分別為接收機3、2、1。接收天線1、2之間相距d1，接收天線2、3之間相距d2，基站到接收機1、2、3之間的波程差分別為Δd12、Δd13、Δd23。雙曲線上的一點到兩焦點之間的波程差為固定值，故由此可以確定一對雙曲線。

假設，基站到任意兩個接收天線之間的波程差Δd12、Δd13、Δd23是固定且已知的。現以接收天線1為坐標原點，則三個接收天線坐標從右至左分別為(0, 0)、(x2, y2)、(x3, y3)，故可以分別列出三個雙曲線，從理論上考慮，只要兩個雙曲線就能確定一對交點，所以只考慮兩個雙曲線方程，如公式(1)、公式(2)所示：

上式中(xo1, yo1)、(xo2, yo2)分別為兩個雙曲線的中心，即分別為接收天線1、2和接收天線1、3的中點。此時，兩對雙曲線確定兩對交點，由到達天線的時延差值的正負可以剔除一對交點。該方法中采用的接收天線是定向天線，通過剔除與接收天線接收方向不一致的交點后，可以確定唯一一個交點，此點即是基站所在的位置，由公式(1)、公式(2)便可計算出基站相對于坐標軸原點的坐標，從而實現定位。要注意的是，這里得到的波程差是基站到接收機之間的波程差而非基站到天線之間的波程差，要得到基站到接收點之間的波程差還需減去天線到接收機之間的電纜長度。

上述算法中假設Δd12、Δd13、Δd23為已知，而事實上Δd12、Δd13、Δd23需要通過估計時延差Δt12、Δt13、Δt23得到。時延估計則由本系統的TD-LTE接收機采集到的三路信號處理可得，下一小節將對此進行介紹。

2.3 廣義互相關時延估計方法

TDOA無線定位算法計算量較小，定位精度較高，同時也有利于實現實時系統，然而使用該方法首先要進行TDE（Time Delay Estimation，時間延遲估計），即獲取被測站發射信號到達各接收點的時間差，其精確性直接影響到定位的準確與否。時延估計由本系統的TD-LTE接收機采集到的三路信號處理得到。本系統采用廣義互相關時延估計法，計算量小，在該方法所設定的實驗條件下具有較好的實驗估計精度，原理如下：

設信號x(k)和y(k)是接收機1和接收機2接收到的基站信號，則x(k)和y(k)可以表示為：

其中，s(k)是接收到的基站信號，n1(k)和n2(k)是系統中的噪聲信號。對x(k)和y(k)進行卷積，可得：

卷積運算符合分配律，則公式(5)可化為：

顯然，信號s(k)和s(k-D)之間是有相關性的，由于ni(k)為隨機噪聲，所以s(k)與ni(k)不相關，公式(6)等式右邊后三項可忽略不計，即：

又因為信號s(k)和s(k-D)的互相關函數即為源信號的自相關函數的移位，所以有：

公式(8)中，Rss(k)表示基站源信號s(k)的自相關函數。又因為Rss(k-D)≤Rss(0)，所以當k=D時，相關函數值最大，此時的k值即為基站信號到達兩個接收點的時延差估計值。由此可以將三通道信號兩兩互相關，獲得時延差估計值Δt12、Δt13、Δt23，再將時延差乘以波速即可得到波程差Δd12、Δd13、Δd23，從而建立雙曲線。對TD-LTE接收機接收的三路信號進行時延估計的流程如圖3所示：

圖3 GCC數據處理流程圖

3 測試和結果分析

3.1 定位系統測試

如圖4所示，定位系統的主要硬件包括移動基站、接收天線、TD-LTE接收機和上位機四部分。TD-LTE接收機和上位機實物如圖5所示。

如圖6所示，定位系統軟件部分包括基于MFC（Microsoft Foundation Classes，微軟基礎類庫）框架的信號采集軟件與Matlab信號處理軟件。對回傳的txt文檔進行讀取，并用GCC法進行時延估計得到三個接收機兩兩之間的波程差，通過輸入三個接收機的坐標，利用上文所述的TDOA定位算法實現基站位置的定位，計算出基站距離坐標原點的距離與角度。

在實測中定位到移動基站是位于河海大學常州校區圖書館屋頂的移動TD-LTE的F頻段（1 880 MHz—1 900 MHz）基站。接收天線是定向的射燈天線，裝置在學校招待所屋頂，如圖7所示。

圖4 三通道基站被動定位系統概念圖

圖5 TD-LTE接收機與上位機實物圖

圖6 三通道基站被動定位系統軟件框圖

圖7 測試基站與接收天線圖

如圖7所示，利用紅外線測距儀多次測量，得到X2≈11.3 m，Y3≈0.5 m，X3≈12.1m；以接收天線1為原點，則三個接收天線的坐標分別為(0, 0)，(-11.3, 0)，(-23.4, 0.5)。

實測步驟如下：

（1）將TD-LTE接收機各模塊以及與接收天線端口的連線連接好，然后撥動信號采集板上的開關，直到信號采集板上的綠燈亮起，表明程序加載正確。

（2）安裝串口驅動軟件。需要說明的是，只有在電腦上初次使用上位機時需要執行此步驟。

（3）初始化上位機，配置“數據存儲路徑”和“串口號”兩個參數，如圖8所示：

圖8 上位機初始化界面

（4）通過上位機進行數據采集和回傳，回傳結束如圖9所示：

圖9 數據回傳結束示意圖

（5）處理采集到的數據。數據內容為三個通道的采集數據，保存路徑為之前設置的數據存儲路徑。記錄文件名，并將數據代入相應的threetarget.fig程序，運行結果如圖10所示，接著進行如下操作：1）選擇三路信號輸入；2）點擊GCC按鈕獲得波程差；3）輸入三個接收天線坐標；4）點擊TDOA按鈕獲得基站坐標、距離與角度。

圖10 三通道基站被動定位算法初始界面

3.2 測試結果分析

河海大學常州校區在百度地圖中的顯示比例為1 cm: 20 m。經過測量，取河海大學招待所屋頂與河海大學圖書館的直線距離約為8 cm，則按比例得出d≈160 m。

如圖11所示，實驗結果為：基站坐標(7, 146)，距離為146.168 m，角度為87.255°，表示基站位于坐標原點的西偏南87.255°方向，距原點146.168 m處。與從百度地圖所得的160 m相比，距離誤差約為8.6%，相位誤差約為12.4%。實驗結果表明，該定位法大致可以定位出已知基站的位置。

圖11 三通道基站被動定位結果

3.3 誤差分析

由于實驗室設備的限制，測量結果的精度有限，系統中的誤差主要分為相位誤差和幅度誤差，集中來自于噪聲干擾、天線位置和電纜長度的測量誤差。誤差產生的主要原因分析：1）天線之間的間距是通過激光測距儀測量天線外殼之間的間距得出，與理論上要求的天線相位中心點之間的距離相比，存在一定誤差，在轉換成絕對坐標的過程中也產生了誤差。2）在目標定位算法中，已經將三個天線到接收機的電纜長度差別考慮在內，然而，由于是先安裝后測量，對三根電纜長度的測量存在一定的誤差。3）由于目標與天線不在一個水平高度，且百度地圖的精確度有限，d與目標到天線之間實際距離存在一定的誤差。

為了降低誤差，提高定位精度，建議采用先預設好天線坐標，再架設天線的方案。安裝前就測定好電纜的精確長度，消除安裝環境對電纜長度測量的影響。在正式測量前，架設數個絕對坐標已知的信號源作為校準目標，用以校準整個三通道被動定位系統。

4 結束語

本文針對大氣波導所引起的TD-LTE遠距離同頻干擾源定位問題，結合被動雷達與無線定位的相關知識，提出一種三通道定位方法，用以實現對已知基站的定位。該三通道系統可接收1 880 MHz—1 920 MHz頻段的信號，并將其轉換為20 MHz～60 MHz的中頻信號進行輸出與采樣，采樣頻率為150 MHz，而后將三通道收集到的信號相互之間進行GCC運算，得到時延差后，再根據TDOA的原理進行定位。實際測試是通過安裝在河海大學常州校區招待所屋頂的三個射燈天線定位位于河海大學常州校區圖書館屋頂的移動TDLTE的F頻段基站，實驗結果表明，定位系統能定位移動F頻段基站，定位精度初步達到設計要求，后續研究還需要聚焦于降低誤差的問題。

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Research on Remote Co-Frequency Interference Base Station Positioning Method

ZHU Jinxiu1, WU Wenxia1, TANG Yue1, YANG Yuchen1, MAO Huanhuan2, YAN Ran1
(1. Hohai University, Changzhou 213022, China; 2. Southeast University, Nanjing 210000, China)

With the large-scale deployment of 4G networks, TD-LTE systems become more and more complicated. At present, the phenomenon of remote co-frequency interference caused by the atmosphere duct in the southeast coastal area often occurs with the influenced user network experience, while the first step to eliminate the interference is the locate the remote co-frequency interference. In view of this problem, a three-channel passive positioning system based on TDOA and the principle of passive radar was proposed. The wave path difference between receivers is calculated based on the GCC delay estimation algorithm to establish the hyperbola set, whose intersection points are the location of the base station to be localized. The practical measure demonstrates that its interference source localization distance error is about 8.6%. Based on the result, it can be deemed that the location of the base station is approximately completed.

remote co-frequency interference base station positioning generalized cross-correlation delay estimation TDOA wireless positioning

朱金秀：副教授，博士畢業于河海大學，現任河海大學物聯網工程學院碩士生導師，主要研究方向為壓縮感知、信號處理。

吳文霞：本科就讀于河海大學物聯網工程學院，主要研究方向為現代通信系統。

唐玥：博士畢業于新加坡南洋理工大學，現任河海大學物聯網工程學院講師，主要研究方向為數字波束雷達、天線與陣列天線、無線電定位等。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.016

TN957

A

1006-1010(2017)15-0086-06

朱金秀,吳文霞,唐玥,等. 遠距離同頻干擾基站定位方法研究[J]. 移動通信, 2017,41(15): 86-91.

國家自然科學基金資助項目（61501172）；中央高校基本業務費項目（2015B04514）

2017-01-03

責任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn