NB-IoT的定位精度的影响因素及其估算方法

据不完全估计，75%的物联网用例需要或受益于定位信息。业内普遍认为50米的水平面定位精度是多数应用的基本需求。美国FCC E911对设备的定位精度提出了明确的要求：基于终端的定位技术50m@67%，150m@95%；基于网络的定位技术100m@67%，300m@95%。

一、各种定位技术对比

表1各种主要定位技术对比

二、R14引入的高精度定位技术

OTDOA和上行到达时间差(UTDOA)曾引起较大的争论，在综合考虑定位精度、UE复杂度、设备功耗、标准修改和网络改造等因素之后，由于OTDOA在定位精度和海量接入数量上的优势战胜了UTDOA，被最终确定为NB-IoT的高精度定位技术，二者的技术对比总结如表2。二者的定位原理一样，通过观测信号到达两个已知经纬度基站的时间差，即到达已知两个点的距离差值为定值的轨迹为双曲线，构建两条这样的双曲线，其交点为终端的位置。

表2 OTDOA和UTDOA技术对比

三、影响定位精度的主要因素

很显然定位要求能够测量到至少两个非同站的邻区，且定位精度直接受限于到达时间差(TOA)的测量精度，这是两个最核心的基本问题。以实际LTE网络为例，约30-50%的MR采样点的邻区数量少于2个（与设置的起测门限有关），基站间的同步时差低于5us即可(相当于1500m)，显然这样的网络是无法满足所需的定位精度要求的。

为此，NB-IoT在LTE的定位参考信号(PRS)的基础之上做了进一步优化，使窄带定位参考信号(NPRS)能够大概率测量到2个非同站的邻区，并设法提高基站间的同步精度，从理论上能满足所需的定位精度目标。

（一）PRS带宽

NB-IoT的定时要求：同频不大于15Ts，异频不大于21Ts。定时精度与SINR紧密相关，3GPP要求参考小区不低于-6dB，邻区不低于-13dB。进一步SINR又与带宽成正比，相同条件下NPRS带宽越大SINR值也越大。在满足测量要求的前提下，应尽可能减小NPRS的带宽以降低无效的开销。对于180kHz带宽受限的NB-IoT，增加PRS的连续子帧数(NPRS)或降低PRS的定位周期(TPRS)，加密NPRS的RE数可以获得目标的SINR值。典型取值TPRS=160ms，NPRS=6。需要指出的是，增加TPRS可降低系统开销，但会增加UE的测量响应时间(TTFF)和定位的不确定性。RSTD的测量误差取决于NPRS带宽、同频测量或异频测量，不同PRS带宽下的RSTD测量精度如表3。

表3不同PRS带宽的RSTD测量精度

（二）无线环境的时域色散

OTDOA的定位精度目前都是基于仿真给出的评估，基本上一千家公司就有一千个不同的值。仿真的精度受信道模型的影响很大，模型的时域色散越小，定位精度越高。目前的讨论是基于EPA1和ETU1两个信道模型的仿真结果，实际情况往往要复杂得多（特别是密集城区的反射、折射造成的多径带来的时域色散），定位精度也会下降很多。时域的色散即频域的选择性衰落，大带宽可以更好等区分两个不同的路径，比如20MHz可以较好区分相差10米左右的两个路径，因此带宽越大定位精度也越高。

（三）测量到的基站数量

LTE的PRS的接收信号时间差(RSTD)要求参考小区和相邻小区的SINR>-6dB，为提高NB-IoTNPRS对邻区的测量能力，SINR门限下降为-13dB，这样可大大降低小于2个邻区的测量采样点比例。提高可测量到的邻区数可以较好地减小RSTD的测量偏差和方差。为估算不同数量基站的定位精度，引入了几何精度因子(GDOP)表征测距误差造成的终端与基站间的距离矢量放大因子。3个基站GDOP典型值是1.8，5个基站GDOP典型值是0.9。假设RSTD的测量误差是50m，在3个基站的定位场景下，定位误差约为90m。

（四）基站间的同步精度

RSTD的测量精度主要取决于基站间的同步时间精度，高精度的定位需要基站间有纳秒(ns)的同步精度，3GPP要求定时精度不低于100ns。由于还存在射频放大、馈线传输等时延，GPS时钟基本可满足要求，北斗和1588v2可存在较大误差。

表4主要时钟定时精度

图1同步时间误差与定位误差的关系

表5 3GPP要求的各系统定时误差

（五）基站数据库精度

高精度的OTDOA需要定位服务器(LS)保存有高精度的基站数据库（包括经纬度和站高等），理想情况下要求站址偏差小于5m，站高(海拔高度)小于80m。这要求在登记基站的工参经纬度时必须严格要求精确到0.1s（即保持秒级小数点后两位，相当于3米）。而海拔高度的限制，也意味着NB-IoT的定位在我国的沿海平原地区的定位精度更高。

图2a基站经纬度误差与定位误差之间的关系

图2b基站海拔高度与定位误差之间的关系

注：使用无线干放、分布式天线、Relay等设备相当于增加了基站间距离。

（六）NPRS网络规划

NPRS规划主要是避免出现多个小区的NPRS出现冲突和混淆，良好的NPRS隔离度对于OTDOA的定位精度至关重要。3GPP为NPRS信号提供了3层隔离措施。

1、码域：每个小区赋予一个正交的伪随机QPSK序列，与OFDM的符号索引、时隙索引和NPRS ID有关。

2、频域：NPRS有6个频域偏置值（mod(PCI,6)），相邻小区应采用不同的频域偏置。

3、时域：当频域出现冲突时，轮流发射NPRS信号以增加了NPRS的复用因子，其代价是就是增加了TTFF时间。静默参数有静默图案(静默比特字符串)和静默周期。

（七）定时时延

影响定位时间的主要因素有定位周期TPRS、静默周期TREP和RSTD搜索窗口长度。定位时延越大，增加了定位结果的不确定性，即在此期间，UE可能发生了较大的移动。对于一般的抄表类低移动速率的应用，该问题不太突出。对于高移动速率的应用，如车联网，则是一个重要的设计点。

根据3GPP，RSTD搜索窗口长度同频为3个Ts，异频与NPRS的子帧偏置有关=ΔPRS×3×Ts。LPP内置的搜索窗口编码有14bit，对应的范围是±8192，约为±0.8ms，因此子帧偏置不要超过半个子帧（0.5ms）。

四、定位精度极限估算

假设一个同频的NB-IoT网络，所有eNB的空口时间同步精度-13dB。请估算该UE的OTDOA定位精度。

1、对于180kHz带宽的NPRS，RSTD测量精度（高斯白噪声AWGN信道）>15Ts（0.49us，约150m）。根据表x，σUE=120m

2、测量到5个非同站小区，GDOP=0.9

3、σBS=50ns*3*108=15m

4、σant=3m

5、σMP=0.1us*3*108=30m

6、总链路误差

7、σpos=GDOP*σ=0.9*52=112m

8、假设定位结果呈高斯分布，67%和95%对应的百分位数分别为0.97和1.96，因此相应的定位精度为：0.97*47=109m@67%，1.96*47=220m@95%