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LTE筆記: LTE網路定位(7) ~ indoor positioning

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為了在室內與小細胞基地台的環境下提供定位資訊,3GPP組織於2014年成立了Study Group (Study on Indoor Positioning Enhancements for UTRA and LTE) 探討小細胞基地台在室內環境中的定位問題,比起之前36.809的Study Group,此次室內定位的標準制訂有更多廠商加入,且標準制定的討論更為密集,最後2015年9月完成了相對應的技術報告 (3GPP TR 37.857),同時,也建立Work Item (FS_UTRA_LTE_iPos_enh) 開始進行標準化,目前在3GPP網站上顯示其標準化的進度為13%,目前尚未對於既有的LTE協定進行提案與修正。 根據3GPP所提供的技術報告 (3GPP TR 37.857),探討了CID和OTDOA兩種定位方法在不同的應用情境下的定位誤差,其中,包含了大基地台 (Macro Cell) 和小基地台 (Smell Cell) 共存的室內外應用環境,同時,也包含了一種純粹室內的應用環境。考慮到我們的研究情境,我們將特別討論在室內的應用環境中LTE系統的定位應用。在TR 37.857的室內應用環境中,假設使用者均勻分布在許多四層樓建築中,每層樓皆為50公尺乘120公尺的格局,且內含4個小細胞基地台,這些建築將隨機的分佈在大基地台 (Macro Cell) 的服務區 (Cell) 中。在此應用環境中,所有的使用者終端都存在於室內的環境,模擬的定位水平中位誤差對於OTDOA而言,約為6至15公尺,對於CID而言,約為15公尺,詳細的模擬結果顯示於下圖[TR 37.857]。 左圖為使用CID的水平定位誤差,右圖為使用OTDOA的水平定位誤差

LTE筆記: LTE網路定位(6) ~ PRS

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定位基準信號(PRS)是新加入到LTE Release 9的功能之一,用來確認用radio access network通訊時信息的User Equipment (UE)的位置。PRS的重要性是使用PRS的UE可以支持須要使用所在位置的服務,像是導航,緊急呼叫等。PRS是一種控制訊號,根據設定,占用某些OFDM symbol,UE可以藉由對PRS訊號的接收與量測,估測UE到eNB之間的時間,轉換成OTDOA的資訊,對於UE的位置進行估測。 PRS主要分成三個步驟: UE 接收來自 cells的 PRS 包括Reference cell以及Neighbor cells,其中,Reference cell為服務基地台,而Neighbor cells為相鄰的基地台 以接收到的PRS為依據,UE量測Observed Time Difference of Arrival (OTDOA),並回傳RSTD給服務的基地台 從UE接收到 reported reference signal time difference (RSTD),然後eNodeB 透過LPP或是USRP將資訊送到遠方的位置伺服器進行計算

LTE筆記: LTE網路定位(5) ~ OTDOA

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到達時間差量測法 (OTDOA) 是一種定位方法的選擇。它利用觀察鄰近基地台的訊號(Positioning Reference Signal,PRS) 取得相對於服務基地台的到達時間差。根據此時間差以及基地台的地理位置,我們可以得到一組以兩個基地台為中心的雙曲線,根據至少三對的基地台的量測組合,我們可以根據最小平方法 (Least Square) 估計出使用者裝置的位置。

LTE筆記: LTE網路定位(4) ~ GPS

全球定位系統 (Global Positioning System),又稱全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System),簡稱 GPS或是GNSS。 是一個中距離圓型軌道衛星導航系統,可以為地球表面絕大部分地區 (98%) 提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。至少需要其中 3 顆衛星,就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度,所接收到的衛星訊號數越多,解碼出來的位置就越精確。可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。

LTE筆記: LTE網路定位(3) ~ E-CID

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CID (Cell ID)是根據服務基地台的地理座標,作為定位的資訊。 服務基地台的資訊可以透過位置更新 (TA updating,TAU) 的訊息或呼叫 (paging) 等方式獲得,這位置精度便會與基地台覆蓋範圍的大小有關。 在過往的行動網路中,只利用了行動裝置連上哪個服務基地台的資訊,這個方法在大基地台 (macro cell) 的架構下誤差很大,甚至無法滿足FCC所要求的精度 (50公尺),為了增進定位精確度LTE被提出時就定義了E-CID (Enhanced Cell ID)的定位方法,除了使用服務基地台的地理座標的資訊,同時利用量測的資訊,主要是:參考訊號功率 (Reference Signal Received Power,RSRP),或者到達時間差 (TDOA) 和時間前置 (Timing Advance,TADV) 的量測,或者來回時間 (Round Trip Time,RTT) 來估測使用者終端與基地台之間的距離,甚至可以利用到達角度 (Angle-of-Arrival,AoA) 的資訊來進行定位。

LTE筆記: LTE網路定位(2) ~ 架構與資料流程

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對於3GPP LTE網路以及其他既有的行動網路,有兩種不同的定位框架,第一種是藉由資料平面 (User Plane,U-Plane) 進行,例如: SUPL (Secure User Plane Location) 或是 LPP (LTE Positioning Protocol)。 其中,SUPL是一般用途的定位協議,由開放行動聯盟 (Open Mobile Alliance,OMA) 所制定,提供不同通訊系統一種共通的定位介面。 可以參考:  https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_User_Plane_Location 第二種則是藉由控制網路 (Control Plane,C-Plane) 進行,這一部分,對於不同的通訊網路,就採用不同的通訊協定,以LTE為例,仍舊是使用LPP通訊協定。 可以參考:  https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=2441 Ericson, “positioning with LTE”, September 2011

LTE筆記: LTE網路定位(1) ~ 總論

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在LTE的定位服務中,依據定位的發起者,可以分成三種類型:UE-based、UE-assisted以及eNB-assisted。 其中,eNB-assisted和UE-assisted分別表示定位時的量測的主體,可能是行動裝置 (UE) 或者是基地台 (eNB),UE-based則代表UE是位置估測的主體。 按照此類分類方法,GNSS定位為UE自行量測衛星訊號並計算定位結果,屬於UE-based定位方法,E-CID和OTDOA (包含UTDOA) 都是在E-SMLC中計算,將依據量測主體的不同而分成eNB-assisted和UE-assisted兩種方法。詳細的分類可以被歸類成以下表格。 Rohde & Schwarz , “LTE Location Based Services Technology Introduction”, April 2013