多徑效應(yīng)影響下的UTDoA優(yōu)化算法研究

摘要：隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，定位精度在眾多應(yīng)用場景中愈發(fā)重要。本文旨在探索多徑效應(yīng)影響下的UTDoA優(yōu)化算法，以提高定位的準確性和可靠性。通過為多徑效應(yīng)影響下的UTDoA定位技術(shù)提供有效的優(yōu)化方案，為實現(xiàn)更高精度的無線定位平臺提供理論支持。

關(guān)鍵詞：UTDoA定位技術(shù)；定位平臺；無線通信；信號處理；位置服務(wù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.018

中圖分類號：TN 929.5" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on Optimization Algorithm for UTDoA under the Influence of Multipath Effects

TONG Rui1， XIE Guyang2， CHENG Xuefeng1， GE Xiangcheng1， PANG Yong2

（1. Anhui Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Hefei 230061， China;

2. China Telecom Intelligent Network Co.， Ltd.， Nanjing 210006， China）

Abstract： With the continuous development of wireless communication technology， positioning accuracy has become increasingly important in numerous application scenarios. This paper aims to explore optimization algorithms for UTDoA （Uplink Time Difference of Arrival） under the influence of multipath effects， in order to improve the accuracy and reliability of positioning. By providing effective optimization solutions for UTDoA positioning technology affected by multipath effects， this study provides theoretical support for the implementation of wireless positioning platforms with higher accuracy.

Keywords： UTDoA positioning technology; positioning platform; wireless communication; signal processing; location-based services

0" "引言

室內(nèi)場景作為人們生活和工作的重要場所，對5G網(wǎng)絡(luò)的需求日益增長。對于企業(yè)和機構(gòu)來說，室內(nèi)定位技術(shù)可以實現(xiàn)對資產(chǎn)、設(shè)備和人員的實時跟蹤和管理，提高運營效率和管理水平。例如，在倉庫中可以快速定位貨物，提高庫存管理效率；在醫(yī)院中可以實時跟蹤醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護人員，提高醫(yī)療服務(wù)的響應(yīng)速度。同時，定位技術(shù)的應(yīng)用也將促進其他產(chǎn)業(yè)的智能化升級，如物流、零售、醫(yī)療等，為經(jīng)濟的發(fā)展注入新的動力。

1" "研究現(xiàn)狀

5G LCS定位技術(shù)逐漸成為定位技術(shù)研究的焦點。在城市場景的惡劣工作條件下，這些作為獨立技術(shù)應(yīng)用的方法無法達到5G Release 16所考慮的定位精度基線[1]，即80%的用戶設(shè)備（UE）的水平定位誤差低于10米。在這種情況下，基于定時和基于角度的方法的組合備受關(guān)注。不幸的是，由于在室內(nèi)傳輸中存在大量的非視距（NLoS）條件，在存在網(wǎng)絡(luò)同步誤差的情況下，其可實現(xiàn)的定位能力主要受到密集多徑效應(yīng)的限制[2]。大多數(shù)用于NLoS環(huán)境中基于距離的目標定位的算法需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，這增加了計算復(fù)雜性，從而增加了執(zhí)行時間。本文將著重關(guān)注室內(nèi)定位技術(shù)，以提高室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的定位精度為目標，為綜合性定位平臺提供高效算法的理論支撐。

2" "UTDoA增強算法信號模型

在許多室內(nèi)場景中，我們選擇UTDoA技術(shù)主要是因為它能在不增加用戶設(shè)備負擔(dān)的前提下，提供較為準確和廣泛覆蓋的定位服務(wù)。雖然它存在一些缺點，但通過合理的基站部署和信號處理技術(shù)，可以在一定程度上減小這些問題的影響，從而為室內(nèi)定位提供一種有效的解決方案。

2.1 UTDoA定位算法

到達時間差（UTDoA）定位技術(shù)的基本原理是：以兩個接收基站的位置為焦點，由兩個基站測定的TDoA值確定一對雙曲線，需要定位的目標移動臺就在這對雙曲線的某一條分支上。因此，只需通過求兩組TDoA值確定的兩對雙曲線的交點就可以得到移動用戶的位置[3]。

2.2 UTDoA增強算法測量值計算

由于在實際的使用過程中，基站接收到的信號來源于多個移動臺（MS）設(shè)備以及大量的環(huán)境噪聲信號的疊加。單個移動臺設(shè)備的信號中也包含若干個經(jīng)過不同頻路徑到達接收基站的信號分量。因此我們需要用相關(guān)方法來度量定位單個用戶信號并測得時延值[4]。

我們將測距誤差與移動臺設(shè)備到接收基站的歐式距離相加，來模擬到達時間的可觀測量，其計算方式如下：

（1）

式中，n代表對應(yīng)的基站序列號；表示目標移動臺發(fā)射信號到達第n個基站的估計時間；表示目標移動臺與第i個基站和第1個基站之間的距離差值的估計量；代表電磁波的傳播速度；代表第n個基站的物理空間位置；代表移動臺設(shè)備的位置；是接收器之間的時延量；代表第n個基站的同步誤差；代表第n個基站的時延估計誤差。

目標移動臺發(fā)出的信號到達基站n和基站1的時間差的計算方式如下：

（2）

式中，代表第n個基站的時延估計誤差與第1個基站的時延估計誤差之間的差值。

2.3 多徑效應(yīng)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中測距誤差的主要來源是多徑傳播，這里著重描述由于多徑傳播引起的誤差對于UTDoA觀測量的影響[5]。由于定位系統(tǒng)主要在城市以及工業(yè)園區(qū)內(nèi)使用，故在觀測量描述中引入NLoS誤差（NLoS即非視距傳播，指的是由于待測目標與基站之間的電波傳播路徑會受到環(huán)境因素的影響，電波以反射、折射等方式進行傳播）。

考慮到NLoS的影響，時延估計器在一定范圍內(nèi)搜索接收信號頻率的峰值作為實際的接收信號時間[6]。由于反射信號的疊加強度變大，在計算上行到達時間差時，當(dāng)反射信號接收信號頻率的峰值超過直射信號波的峰值頻率時，搜索的到達時間差值是疊加反射波的到達時間差。而反射波計算的UTDoA值相比于視距路徑波會偏大，從而使得系統(tǒng)中計算得到的誤差偏大，的計算值的誤差也偏大，從而使得定位結(jié)果的精度降低。

2.4 非視距路徑誤差影響評估

下面介紹多徑效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達形式，假設(shè)要發(fā)送的基帶信號為，通過將發(fā)送信號與高頻載波相乘并取結(jié)果的實部，即為發(fā)送端最終發(fā)送的信號。

（3）

式中，是不同路徑信號幅度的衰減函數(shù)，主要由路徑損耗和陰影衰落確定；是信號路徑的上行到達時間差；是不同路徑下的多普勒相移，從式（3）可知，相比于原始信號，第路多徑信號的相位變化量為

（4）

將帶入的計算式中，得到接收信號的強度計算式：

（5）

式（5）可以轉(zhuǎn)換成輸入信號和信道響應(yīng)相互卷積的形式：

（6）

上面的卷積形式的接收信號可以理解為對于任意的發(fā)射時刻都有可能對時刻的接收信號產(chǎn)生貢獻。體現(xiàn)了時變信道的兩個影響因素：一是通信時間不同（不同），對應(yīng)信道狀態(tài)不同；二是傳播延時不同（不同），對應(yīng)信道狀態(tài)不同。

（7）

在最簡化的不隨時間發(fā)生變化的情況下，由不同路徑信號幅度的衰減函數(shù)退化為常系數(shù)。由不同路徑下的多普勒相移函數(shù)退化為常系數(shù)，是信號路徑的上行到達時間差。在最簡化的情況下，信道響應(yīng)不隨時間發(fā)生變化，這樣一來信道響應(yīng)就只與多徑時延有關(guān)。

2.5 非視距路徑誤差影響優(yōu)化

綜上兩節(jié)所述，在最簡化的情況下，我們可以通過優(yōu)化信號路徑的到達時間差的計算來削弱多徑效應(yīng)的影響，使得定位技術(shù)的誤差減小，從而使得精度上升。

在計算上行到達時間差時，在周期內(nèi)我們搜索信號強度最大值時，會對搜索算法進行一個修正。預(yù)先設(shè)置一個門限閾值，門限閾值的設(shè)定會由移動設(shè)備發(fā)射臺的發(fā)信信號強度決定。在周期內(nèi)搜索信號強度最大值時，過濾掉超過門限閾值的對應(yīng)ToA，使得的計算值更為接近視距路徑的上行到達時間差，進一步地，第n個基站的時延估計誤差與第1個基站的時延估計誤差之間的差值減小，從而使得定位目標在歐式距離空間中的偏差量減小，最終達到定位精度提高的目標。

3" "結(jié)束語

僅僅優(yōu)化信號路徑的到達時間差可能并不足以完全消除多徑效應(yīng)的影響。在實際應(yīng)用中，可以結(jié)合先進的信號處理算法。例如，采用自適應(yīng)濾波技術(shù)來識別和抑制多徑信號，或者利用盲源分離算法將不同路徑的信號分離出來，從而更準確地確定直達信號的到達時間差。另外，增加基站的密度和優(yōu)化基站的布局也能對定位精度產(chǎn)生積極影響。雖然優(yōu)化信號路徑的到達時間差可以在一定程度上削弱多徑效應(yīng)，提高定位技術(shù)的精度，但要實現(xiàn)更高精度的定位，還需要綜合考慮多種因素，結(jié)合先進的技術(shù)和方法，不斷進行創(chuàng)新和改進。

參考文獻

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[3] 李文彬.5G高精度UTDoA定位算法在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的探索及實踐[J].長江信息通信，2022，35（10）：45-48.

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[6] 張志良，孫棣華，張星霞.TDoA定位中到達時間及時間差誤差的統(tǒng)計模型[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2006，29（001）：85-88.

作者簡介：童" " 睿（1990-），男，漢族，安徽淮南人，碩士，高級工程師，研究方向為5G技術(shù)、定位技術(shù)。

謝谷陽（1998-），男，漢族，江蘇南京人，本科，工程師，研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)、DPI技術(shù)。

程學(xué)峰（1992-），男，漢族，安徽池州人，本科，高級工程師，研究方向為5G技術(shù)、定位技術(shù)。

葛相成（1992-），男，漢族，安徽宿州人，本科，高級工程師，研究方向為5G技術(shù)、定位技術(shù)。

龐" "勇（1984-），男，漢族，江蘇南京人，碩士，系統(tǒng)分析師，研究方向為5G網(wǎng)絡(luò)、云網(wǎng)融合。