遠(yuǎn)距離同頻干擾基站定位方法研究（上）

摘要：目前東南沿海地區(qū)大氣波導(dǎo)效應(yīng)引起的遠(yuǎn)距離同頻干擾現(xiàn)象多發(fā)，影響用戶網(wǎng)絡(luò)體驗，而消除干擾的第一步就是要對遠(yuǎn)處同頻干擾源進(jìn)行定位。針對這一問題，利用被動雷達(dá)測距原理，提出了一種基于TDOA的三通道基站被動定位系統(tǒng)，利用GCC時延估計算法間接得出接收機(jī)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(jìn)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。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離同頻干擾，基站定位，廣義互相關(guān)時延估計，TDOA無線定位基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61501172)；中央高?；緲I(yè)務(wù)費項目(2015B04514)1引言中國移動采用的TD-LTE系統(tǒng)有對頻譜利用率高、上網(wǎng)速度快等優(yōu)點。然而，隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各種過去在小范圍應(yīng)用中不會出現(xiàn)的干擾也隨之產(chǎn)生。通過對目前東南沿海地區(qū)多發(fā)的移動4G大面積同頻干擾現(xiàn)象進(jìn)行研究后初步判斷，是大氣波導(dǎo)效應(yīng)[1]引起了遠(yuǎn)距離同頻干擾現(xiàn)象。該干擾影響了本地基站的上行用戶隨機(jī)接入時隙以及上行業(yè)務(wù)時隙，導(dǎo)致移動4G用戶大規(guī)模掉線、無法順利切換等嚴(yán)重問題的發(fā)生，影響了用戶網(wǎng)絡(luò)體驗。為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，需抑制或消除遠(yuǎn)距離同頻干擾，以減少其對通信質(zhì)量的影響。而抑制或消除干擾的第一步就是對產(chǎn)生遠(yuǎn)距離同頻干擾的遠(yuǎn)端干擾基站進(jìn)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(shè)備笨重、投資高、速度慢、工作量大。文獻(xiàn)[5]提出在本地小區(qū)的UpPTS(UpPresentationTimeStamp，上行導(dǎo)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(qū)的PCI，從而定位出干擾源。該方法雖然可以準(zhǔn)確定位干擾源小區(qū)，但通過在幀號上周期性地發(fā)送特征序列，會使信道利用率降低。文獻(xiàn)[6]提出根據(jù)受擾的最后一個OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiple，正交頻分復(fù)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(yuǎn)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(wěn)定。綜上所述，為能快速準(zhǔn)確地定位出遠(yuǎn)端干擾基站，本文研究被動雷達(dá)(passiveradar)測距原理，發(fā)現(xiàn)被動雷達(dá)自身不輻射電磁波，故可通過接收由目標(biāo)反射或輻射而來的信號進(jìn)行定位，隱蔽性能良好，不易被發(fā)現(xiàn)。若雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)自身是一個輻射源，則系統(tǒng)可以通過直接檢測其發(fā)射的信號進(jìn)行定位，如WIMAX信號[6-9]、CDMA[10]、GSM信號[11-19]，而TD-LTE信號也被考慮用來做被動雷達(dá)的照射源[20]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于TDOA(TimeDifferenceofArrival，到達(dá)時間差)[21]的三通道基站被動定位系統(tǒng)，并進(jìn)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(xù)進(jìn)一步消除遠(yuǎn)距離同頻干擾打下了基礎(chǔ)。本算法不會增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，無需頻譜分配、無電磁污染、低成本，對于目前移動4G的服務(wù)質(zhì)量改善有所幫助。2三通道基站被動定位系統(tǒng)簡介2.1系統(tǒng)整體框架根據(jù)被動雷達(dá)的基本原理，定位系統(tǒng)自身不發(fā)射電磁波，而是利用被測基站發(fā)射的LTE信號作為系統(tǒng)輻射源來進(jìn)行定位。系統(tǒng)通過三個射燈天線進(jìn)行基站信號的接收，TD-LTE接收機(jī)接收1880MHz—1920MHz的基站高頻信號，以20MHz～60MHz中頻信號進(jìn)行輸出，并以150MHz進(jìn)行高速采樣傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)端有相配的軟件來采集相應(yīng)的信號，并將每一路采集到的信號數(shù)據(jù)以txt格式進(jìn)行保存，以便將數(shù)據(jù)用GCC(GeneralizedCrossCorrelation，廣義互相關(guān))時延估計算法[22]和TDOA無線定位算法在Matlab中進(jìn)行處理。首先將三通道采集的信號數(shù)據(jù)導(dǎo)入，使用GCC時延估計算法對其兩兩進(jìn)行時延估計并乘以電磁波速c得到基站到接收機(jī)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(tǒng)基本流程如圖1所示：圖1三通道被動定位系統(tǒng)基本流程圖2.2TDOA無線定位技術(shù)本系統(tǒng)采用的TDOA無線定位算法是一種利用時間差進(jìn)行定位的方法，對時間基準(zhǔn)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(dá)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(xiàn)實時系統(tǒng)的優(yōu)點，是目前無線定位法中常用的方法。根據(jù)被測基站到接收點之間的信號到達(dá)時間差來定位被測站，該方法中的接收點數(shù)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(dá)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(dāng)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(tǒng)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(jī)，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(jī)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(jī)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(shè)，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?，F(xiàn)以接收天線1為坐標(biāo)原點，則三個接收天線坐標(biāo)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(，)、(，)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(dá)天線的時延差值的正負(fù)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(biāo)軸原點的坐標(biāo)，從而實現(xiàn)定位。要注意的是，這里得到的波程差是基站到接收機(jī)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(jī)之間的電纜長度。上述算法中假設(shè)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(tǒng)的TD-LTE接收機(jī)采集到的三路信號處理可得，下一小節(jié)將對此進(jìn)行介紹。2.3廣義互相關(guān)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(xiàn)實時系統(tǒng)，然而使用該方法首先要進(jìn)行TDE(TimeDelayEstimation，時間延遲估計)，即獲取被測站發(fā)射信號到達(dá)各接收點的時間差，其精確性直接影響到定位的準(zhǔn)確與否。時延估計由本系統(tǒng)的TD-LTE接收機(jī)采集到的三路信號處理得到。本系統(tǒng)采用廣義互相關(guān)時延估計法，計算量小，在該方法所設(shè)定的實驗條件下具有較好的實驗估計精度，原理如下：設(shè)信號x(k)和y(k)是接收機(jī)1和接收機(jī)2接收到的基站信號，則x(k)和y(k)可以表示為：x(k)=s(k)+n1(K)(3)y(k)=s(k-D)+n2(k)(4)其中，s(k)是接收到的基站信號，n1(k)和n2(k)是系統(tǒng)中的噪聲信號。對x(k)和y(k)進(jìn)行卷積，可得：Rxy(k)=x(k)y(k)=(s(k)+n1(k))(s(k-D)+n2(k))(5)卷積運算符合分配律，則公式(5)可化為：Rxy(k)=s(k)s(k-D)+s(k)n2(k)+n1(k)s(k-D)+n1(k)n2(k)(6)顯然，信號s(k)和s(k-D)之間是有相關(guān)性的，由于ni(k)為隨機(jī)噪聲，所以s(k)與ni(k)不相關(guān)，公式(6)等式右邊后三項可忽略不計，即：Rxy(k)=s(k)s(k-D)(7)又因為信號s(k)和s(k-D)的互相關(guān)函數(shù)即為源信號的自相關(guān)函數(shù)的移位，所以有：Rxy(k)=E[s(k)，s(k-D)]=Rss(k-D)(8)公式(8)中，Rss(k)表示基站源信號s(k)的自相關(guān)函數(shù)。又因為Rss(k-D)≤Rss(0)，所以當(dāng)k=D時，相關(guān)函數(shù)值最大，此時的k值即為基站信號到達(dá)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(guān)，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(jī)接收的三路信號進(jìn)行時延估計的流程如圖3所示：圖3GCC數(shù)據(jù)處理流程圖3測試和結(jié)果分析3.1定位系統(tǒng)測試如圖4所示，定位系統(tǒng)的主要硬件包括移動基站、接收天線、TD-LTE接收機(jī)和上位機(jī)四部分。TD-LTE接收機(jī)和上位機(jī)實物如圖5所示。圖4三通道基站被動定位系統(tǒng)概念圖圖5TD-LTE接收機(jī)與上位機(jī)實物圖圖