次要同步訊號

次要同步訊號(Secondary Synchronization Signal, SSS)代表著細胞識別碼群 組(cell-ID group)的索引，也就是N_ID⁽¹⁾。SSS 由兩組長度為 31 的 BPSK 調變序列

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第三章

LTE/LTE-A 的定位及同步方法

定位技術首先源自於美國聯邦通訊委員會(US Federal Communications Commission, FCC)強制規定所有電信業者必須具備鎖定手機位置的功能，以便在 使用者撥打 911 急救電話時相關單位能透過此一技術來搜救使用者。FCC 在 Emergency 911 標準裡規範的定位準確度標準為:

 基於網絡為基礎(Network-based)的定位，準確度須達到 67%的使用者定位誤 差在 100 公尺之內，95%的使用者定位誤差在 300 公尺之內

 基於手持裝置為基礎(Handset-based)的定位，準確度須達到 67%的使用者定 位誤差在 50 公尺之內，95%的使用者定位誤差在 150 公尺之內

本章節將重點介紹 LTE/LTE-A 系統裡所定義的定位方法，以及基礎的細胞搜尋 (Cell Search)與同步流程

3.1 LTE/LTE-A 定位技術介紹

隨著手持行動裝置(mobile devices)逐漸成為日常生活裡不可或缺的一環，使 用者對行動裝置的應用程式需求也越來越高，其中，越來越多的應用都使用到了 定位技術，無論是本地搜索類應用，還是各種商業信息發布類應用，更不用說眾 多的交通導航類應用。定位服務(Location Based Service, LBS)的應用已經是當下 最為流行的移動應用之一。

其中，LTE/LTE-A 定位技術可以分成由基地台為基礎的定位(eNB-based)，

如強化細胞驗證法(Enhanced Cell ID, ECID)、由使用者為基礎的定位(UE-based)，

如輔助式全球衛星系統(Assisted Global Navigation Satellite System, A-GNSS)、或

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由使用者輔助定位(UE-assisted)，如觀測時間差定位(Observed Time Difference of Arrival)等[4][11]。

3GPP Release 9 除定義了 LTE 的定位技術，還定義了一種全新的定位協議 (LTE Positioning Protocol) [2]。LPP 能夠全面支持 LTE 中用到的定位技術(包括 ECID、A-GNSS 和 OTDOA)，它還支持 A-GNSS+OTDOA 的混合定位技術。基 於 4 個球面確定一個點的原理，手機在定位時需要 4 個參考點。在 LPP 協議的 支持下，在衛星可見性較好的地區(如市郊)，手機可以通過測量 4 顆衛星信號進 行定位;在衛星可見性較不好的地區(如市中心)，手機可以通過測量 2 顆可見衛星 信號及 2 個 LTE 基站信號進行定位;而在衛星不可見的室內，手機則通過 OTDOA 實現定位，如圖 3-1 所示。LPP 的優勢在於能夠保證手機終端在各種環境下都能 實現定位。

圖 3-3：LPP 定位協議

LPP 作為通用定位通信協議，主要功能在於在網絡與用戶端之間交互定位輔助數 據和定位信息。實際上它既可以在控制平面也可以在數據平面使用。相對來說，

控制平面的實現方式需要用到專用控制通道並且會顯著地增加移動網絡成本，因

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為多個網元需要在軟體和硬體上升級，才能支持這些定位相關的控制平面命令。

因此，用戶平面的實現方式更容易被用於商業應用。

3.1.1 強化細胞驗證法(ECID)定位

強化細胞驗證(Enhanced Cell ID, ECID)定位法[11]是傳統細胞驗證(Cell ID, CID)定位法的改良版本。傳統 CID 定位法利用蜂巢系統內每個細胞區段(sector) 都有不同的細胞識別碼(Cell ID)做基礎，一旦用戶與細胞內的伺服基地台(serving eNB)完成同步，系統即可知道用戶位於哪一個細胞內的哪一個區段，如此一來 用戶的位置便被鎖定在該基地台所服務的區域內。由於傳統 CID 定位法準確度 依賴於定位時為手機提供服務的基地台數量及範圍。因此在都市中 CID 的定位 準確度只能達到誤差 300 到 500 公尺的程度，在基地台數量稀少的市郊地帶甚至 會誤差好幾公里。因此，ECID 法在 3GPP release 9 裡被提出來加強此一方法。

ECID 定位方法主要利用訊號來回基地台及用戶的時間(Round Trip Time, RTT)及上行入射角度(Angle of Arrival, AoA)的資訊來輔助定位，以下分別介紹:

訊號來回時間(RTT)估計

藉由分析訊號前進時序(Time Advance, TA)在傳送以及接收段的時間差，即 可算出基地台與用戶的距離，如下圖所示:

圖 3-2：RTT 計算

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算出基地台與用戶距離後搭配原本的 Cell ID 資訊即可得到用戶在區段 (sector)內的位置，而準確度又依照計算一個基地台與用戶的距離差及三個基地台 與用戶的距離差分成兩種狀況如圖 3-3 所示:

圖 3-3：RTT-based ECID 示意圖

入射角(AoA)估計

入射角的估計是利用用戶傳給基地台的上行參考訊號，如探測參考訊號 (Sounding Reference Signal, SRS)及解調參考訊號(Demodulation Reference Signal, DM-RS)的入射角度來輔助定位出用戶在區段內的位置，如下圖所示:

圖 3-4：AoA-based ECID 示意圖

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ECID 定位法好處是當用戶在室內仍然可以使用，且實測上大約可以達到誤 差範圍在 150 公尺以內

3.1.2 輔助全球衛星(A-GNSS)定位

輔助全球衛星定位(Assisted Global Navigation Satellite System, A-GNSS) [11]

或者 A-GPS(Assisted Global Positioning System)即是前一代眾所皆知的 GNSS 系 統的改良。GNSS 定位法利用行動裝置內裝載的 GNSS 接收機(receiver)來偵測衛 星訊號，優點是準確度最高，通常誤差都在 30 公尺內。缺點是行動裝置不一定 有 GNSS 接收機且至少要與 4 顆衛星(三度空間有 4 個未知數: 經緯度，高度，

時間)有 LOS 路徑，也就是跟衛星之間不能有障礙物，才能夠順利定位。這對於 大樓林立的都市環境是一個很大的障礙，如圖 3-5 所示:

圖 3-5：都市內可直視衛星分布

GNSS 系統的另外一個問題是首次定位時間(Time to First Fix, TTFF)太長，也 就是系統在冷開機狀態下，開機之後完成第一次定位所需的時間。由於手持裝置

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內的 GNSS 接收機要偵測到衛星訊號需要一段不短的搜尋時間，甚至常常因為無 法直視到 4 個衛星而沒辦法做定位，因此輔助式衛星定位(A-GNSS) 因運而生。

輔助式衛星定位即利用基地台網絡(network)做為輔助資料以幫助初步的定 位，接著再用原本的 GNSS 系統來精確定位。如此一來大幅減低搜尋所有衛星所 花費的 TTFF。除了靈敏度及準確度的提升，由於開機搜尋的時間變短，也大幅 減低了定位時所損耗的電力。

3.1.3 觀測時間差(OTDOA)定位

觀測時間差(Observed Time Difference of Arrival)法[11][12][13]為前一代觀測 時間法(Time of Arrival, TOA)的改良。傳統 TOA 的定位係利用量測基地台之參考 訊號到達用戶端的時間(t)與光速(c)乘積得到基地台與用戶端的估測距離為一同 心圓，我們可以由式子(3.1)理解，其中𝑡_𝑖為某編號 i 基地台的訊號送到用戶端的 時間，𝑑_𝑖為某編號 i 基地台到該用戶的距離

2 2

( _i) ( _i)

i i

x x y y

t d

c c

  

 

(3.1)

2 2

ˆ_i ( _i) ( _i)

d  xx  yy (3.2) 再利用來自三個不同基地台之參考訊號形成三個同心圓後使用最小平方估測法 (Least-squares Estimation)等手段來估計用戶位置，如下圖所示:

圖 3-6：TOA 定位法

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TOA 定位法的缺點在於當基地台與用戶端之間的時間非同步(asynchronous) 時，雙方都無法知道發射訊號的絕對時間，自然也沒有辦法使用參考訊號抵達時 間來推測對方距離。TDOA 即利用相對時間差來改善這一個問題。由兩個不同基 地台同時發射參考訊號給用戶，兩者時間差(Reference Signal Time Difference, RSTD)形成一條單曲線(one of the hyperbola)，如式子(3.3)

( ) ( )

i j i M j M

t  t  t   t

(3.3a)

i j

 

 

(3.3b)

i dj

d c c

 

(3.3c)

2 2

2 2 ( ) ( )

(x xi) (y yi) x xj y yj

c c

  

  

 

(3.3d)

2 2 2 2

ˆ_ij ( _i) ( _i) ( _j) ( _j)

d  xx  yy  xx  yy

(3.4)

其中( , )x y 代表未知用戶位置，( , )x y_{i i} , ( ,x y_{j j})分別為兩個基地台的座標。利用 至少三個基地台兩兩形成的三條單曲線，再用最小平方法估測出用戶的位置，如 下圖所示:

圖 3-7：TDOA 定位法

由於 TDOA 必須使用來自不同基地台參考訊號之時間差來做估測，因此有

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一個限制是選定的基地台之間必須為同步系統(synchronous system)。TDOA 定位 其實早在 3G 規格裡就已經提出，但由於 3G 是一個非同步系統，所以沒有真的 付諸使用，直到 LTE 變成同步系統 OTDOA 的方式才真正得以實行。

3.1.4 LTE 定位技術準確度比較

上述幾種 LTE 規格裡定義的定位技術分別在不同情況下適用，且定位準確 度也各有不同。基本上來說，A-GNSS 的定位準確度最高，一般可以達到 10 公 尺到 50 公尺內的誤差，但在都市內且無法直視天空(non-line-of-sight to sky)及室 內(indoor)環境卻無法使用。ECID 及 OTDOA 在上述環境都可使用，不過在估測 基地台到用戶間距離時都會受到多重路徑干擾(multipath fading)的嚴重影響。

OTDOA 基本上來說準確度會比 ECID 好一些。誤差視不同環境而定大多在 50 公尺到 150 公尺之間，而 ECID 則如前述受到不同地區細胞大小及基地台分布疏 密的影響，一般而言越靠近郊區的定位準確度則越差。幾種定位技術的準確度及 適用區域比較如圖 3-8 所示

圖 3-8：LTE 定位技術準確度

由上圖可以發現 A-GNSS 的定位趨勢剛好跟 ECID 及 OTDOA 都相反，越靠

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近郊區因為遮蔽物少，直視天空機會增加，定位準確度也跟著提高。而 Wi-Fi 由 於使用固定網域，只要查詢用戶 IP 即可知道收受服務的位置，因此準確度也非 常高，但通常只能作為室內定位使用。OTDOA 及 A-GNSS 的準確度基本上都有 符合美國 FCC 單位的規定，ECID 則要看情況。詳細的比較可以參考文獻[14]

3.2 LTE/LTE-A 基礎細胞搜尋及同步流程介紹

LTE 下行(downlink)系統採用的是正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)技術，因此在接收端對於時間及頻率的同步要 求必須非常嚴謹，才能成功地解調接收訊號。細胞搜尋(cell search)即從用戶開啟 行動裝置之後，用戶裝置(User Device)必須找出訊號最強的基地台，使得行動裝 置與基地台達成頻率及時間同步，以便做後續與基地台通訊的步驟，而整個手機 在 LTE 系統裡進行的初步存取(initial access)流程如下圖所示。

圖 3-9：LTE 初步存取示意圖

完成初步的搜尋及同步之後，行動裝置其實仍然會持續搜尋的動作，隨時偵 測是否有鄰近基地台比現在攀附(camp-on)的基地台訊號更強，以方便進行通話 切換(handover)。

過去一些文獻提出創新的同步及細胞搜尋方法，譬如在 802.11n 及 802.16e 將收到的訊號與導引信號(preamble)利用改良式差分相關器(modified differential correlator)響應後得到頻率偏移的估測，可以有效抵抗多重路徑干擾及時間選擇 性衰減通道(time selective fading channel)的影響[15]，不過由於 LTE 裡沒有定義

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時域的導引信號，因此這邊並不多作介紹。

整個 LTE 的細胞搜尋過程大致可以分成三個步驟[16][17]，如圖 3-9 所示。

因為 LTE 的系統在 OFDM 架構下的循環前缀(Cyclic Prefix, CP)有分成延長 CP 及一般 CP，所以同步一開始必須先偵測 CP 的長度及所使用的 FFT 點數。而細 胞搜尋的第一個步驟是在時域上做符元時序(symbol timing)的初步估計，及小數

因為 LTE 的系統在 OFDM 架構下的循環前缀(Cyclic Prefix, CP)有分成延長 CP 及一般 CP，所以同步一開始必須先偵測 CP 的長度及所使用的 FFT 點數。而細 胞搜尋的第一個步驟是在時域上做符元時序(symbol timing)的初步估計，及小數

在文檔中 用於大規模天線LTE/A系統之用戶定位波束成型法 (頁 41-0)