一種基于智能切換天線（LTE/NR）實現(xiàn)信號跟蹤的方法

摘要：隨著“信息化”“數(shù)字化”的蓬勃發(fā)展，各種基于無線信號進行位置跟蹤的應用需求被提出，其中亟待解決的關鍵問題有兩個：一是最低成本建設，二是提高跟蹤的精度。對此，提出了一種基于智能切換天線實現(xiàn)LTE/NR信號跟蹤的方法，該方法通過片載切換開關電路取代了體積較大、時延較長的邏輯控制電路，實現(xiàn)天線之間的任意切換。采用低功率發(fā)射，極大地降低了成本、減少了環(huán)境干擾，提升了使用壽命?？蓱糜诓煌炀€之間時分切換的場景，有利于產(chǎn)品更精確控制切換時間，使用一臺設備即可精準跟蹤終端信號的出現(xiàn)位置。

關鍵詞：信號跟蹤；切換天線；時分切換；LTE；NR

一、前言

隨著移動網(wǎng)絡及智能設備的發(fā)展，人們的位置信息成為諸多應用的關鍵信息。位置信息作為記錄人們生活軌跡的重要數(shù)據(jù)成為多種應用的核心數(shù)據(jù)源。位置信息分為室外位置信息與室內(nèi)位置信息，室外位置信息可以應用于智慧城市系統(tǒng)、出行導航系統(tǒng)、基于位置信息的廣告服務和便民服務等；室內(nèi)位置信息服務可以應用于智慧家庭、室內(nèi)信號跟蹤、室內(nèi)導航、室內(nèi)安全、醫(yī)療監(jiān)控等多個領域[1]。目前主流的室內(nèi)信號跟蹤技術有Wi-Fi、藍牙、ZigBee、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB），射頻識別（RFID）等[2]。這些技術都需要目標攜帶額外的硬件，基站安裝在一個固定的地方，作為位置的基準點。標簽安裝在被跟蹤的人員身上，通過基站獲取標簽的位置，通過標簽也可以知道自己的位置[3]。Wi-Fi技術則需要終端打開Wi-Fi，在實際使用時存在局限性。但是現(xiàn)在的終端幾乎實時開啟LTE/NR信號，本文基于LTE/NR信號對終端進行跟蹤，通用性更強。

二、信令跟蹤原理

（一）TA

定時提前（Timing Advance，TA），一般用于終端（User Equipment，UE）的上行傳輸，指為了將終端上行包在希望的時間到達基站（Evolved NodeB，eNB），預估由于距離引起的射頻傳輸時延，提前發(fā)出數(shù)據(jù)包。既然TA可以表示發(fā)送上行信號的終端和接收基站的距離，就可以通過非合作接收技術從空口無線信號接收上下行信號，并利用TA特性對終端實現(xiàn)精確跟蹤[4]?；靖鶕?jù)RRCSetupRequest消息來判斷此條RRC鏈接就是目標終端[5]，從而持續(xù)解析上行信道的場強。在此過程中，基站會不斷地跟目標終端進行信令交互，讓目標持續(xù)產(chǎn)生上行數(shù)據(jù)。

（二）終端接入流程

終端處于空閑狀態(tài)，且在多個小區(qū)間移動時，會通過小區(qū)重選保證能夠一直連接在信號最好的小區(qū)。而重選過程中需要使用的2種算法：S準則與R準則。

S準則：只有SrxLev大于0且Squal大于0 的小區(qū)才能夠被終端接入。

R準則：終端計算出所有符合S準則的小區(qū)的R值，并按照R大小進行排序，排在第一位的小區(qū)將被認為是最優(yōu)小區(qū)。

為了判斷小區(qū)，終端必須開啟測量，這是終端初始接入小區(qū)和重選接入小區(qū)的前提。終端連接到服務小區(qū)（宏站）后，會持續(xù)測量服務小區(qū)的RSRP/RSRQ。以便終端重新選擇合適的小區(qū)（重選或切換）。測量又分同頻測量、異頻高優(yōu)先級測量、異頻同優(yōu)先級或者低優(yōu)先級測量。然后，根據(jù)重選優(yōu)先級的不同，重選可以分為往高優(yōu)先級小區(qū)重選、同優(yōu)先級小區(qū)重選、往低優(yōu)先級小區(qū)重選。其中，往高優(yōu)先級小區(qū)重選是綠色方案，對于現(xiàn)網(wǎng)的干擾最小。

往高優(yōu)先級小區(qū)重選，需要滿足如下條件：

1.SIB3中有字段threshServingLowQ，且終端已在服務小區(qū)駐留超過1s。

2.鄰小區(qū)滿足Srxlevgt;ThreshX， HighP，且持續(xù)時間超過t-ReselectionEUTRA。

舉例說明：

服務小區(qū)SIB5中38950頻點的threshX-High為8，換算為16；Qrxlevmin為-62，換算為-124；t-ReselectionEUTRA為1。

要滿足條件：Srxlevgt;ThreshX，HighP。

代入公式，即Qrxlevmeas-124gt;16。則終端測量到該鄰居的RSRP大于-108，且持續(xù)超過1秒，終端可往該小區(qū)重選。

鄰小區(qū)（38950）SIB1中Qrxlevmin為-63，換算為-126。鄰小區(qū)RSRP測量值Qrxlevmeas為-88，再次代入公式，即：Srxlev=-88-（-126）=38。

Srxlev=38gt;0。鄰小區(qū)Qqualmin參數(shù)未設置，默認無窮大，滿足Squalgt;0。

鄰小區(qū)滿足S準則，終端可以接入該小區(qū)。

當終端接入小區(qū)，并留下特征信息后，設備使用拒絕原因15將終端釋放，終端回原有網(wǎng)絡。釋放拒絕原因值使用15，由于3GPP協(xié)議的規(guī)定周期內(nèi)終端只會被采集一次，終端300秒內(nèi)不再接入小區(qū)。

三、天線選擇開關

選擇天線最直觀而又最容易的方法仍是使用圖1所示的開關S1，S1可以為普通的機械開關，也可以為常見的電子開關如CD4066，其中J1、J2、J3、J4、J5為高頻信號輸入、輸出接插件，外層屏蔽層接地，這時開關S1的高頻損耗不可忽視[5]。經(jīng)過對比，最終選擇成熟ADI HMC7992芯片。HMC7992是一款通用型、非反射式、0.1 GHz至6.0 GHz、單刀四擲（SP4T）硅開關，采用無引腳、表貼封裝。 該開關適合蜂窩基礎設施應用，提供45 dB（典型值）的高隔離度（2 GHz）和0.6 dB的低插入損耗（2 GHz）。 它提供高達6.0 GHz的出色功率處理能力，在5 V工作電壓時提供35 dBm的1 dB壓縮點（P1dB）輸入功率。

四、系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)架構

系統(tǒng)包括射頻芯片、切換開關電路、射頻接口電路。射頻芯片包括控制處理單元和信號處理單元，切換開關電路包括天線在位檢測模塊和開關電路模塊，射頻接口電路包括多路收發(fā)天線。

控制處理模塊與射頻處理模塊集成在射頻芯片中?？刂颇K負責設備的配置管理，并根據(jù)預設配置和實際硬件情況，控制信號的選通。射頻處理模塊負責LTE/NR協(xié)議中。設備啟動后，控制模塊根據(jù)用戶配置和天線在位檢測模塊的反饋值生成切換算法。

在切換算法生成以后，控制模塊通過GPIO將控制指令實時發(fā)送到切換開關電路。

（二）結構設計

射頻處理支持LTE TDD、LTE FDD、NR TDD與NR FDD，采用三塊基帶處理板，其中NR基帶板支持雙載波。每個載波基帶板根據(jù)TX與RX方向提供兩個RF接口，分別連接到對應的功放。功放同樣根據(jù)信號方向，將TX信號放大輸出到天線，將接收信號放大輸入給基帶板。針對室內(nèi)樓宇環(huán)境，采用低功率發(fā)射方案，每路功放的額定功率為500毫瓦。相比于高功率設備，低功率設備的成本更低、使用壽命更長、對環(huán)境的影響更小。與傳統(tǒng)的設計不同，將TX信號與RX信號分開處理。這是因為TX通路疊加了多路基帶板的放大信號，每一路基帶的功率雖然小，但多路疊加后總功率變大。高功率的輸入會給天線選擇開關的輸入端造成壓力，影響使用壽命。雖然可以選擇高功率的切換芯片，但芯片成本也會幾十倍地增加。另外當開關的輸入端為高功率時，開關的通道隔離度必須做到很高，否則會有信號從其他非選通通道泄漏，從而導致錯誤采集。單純增加硬件隔離度設計是不可商業(yè)化的，成本會大幅增加，同樣增加的還有設備的體積。由此帶來很多額外問題，譬如散熱、使用壽命等。經(jīng)過多次實踐調(diào)試，最終將TX與RX信號分開，TX信號保持長輸出（不切換），RX信號通過選擇開關輪詢選通接入。如此規(guī)避了選擇開關高功率輸入和通道隔離不徹底的實際問題。最重要的是，可以選用低階的芯片，簡化了結構設計，大幅縮小了整機成本。圖2是標準結構，4模3路輸出。這個結構是最簡模式。當需要擴充基帶，或者輸出通路時，只需要調(diào)整內(nèi)部結構中的功分/合入器件。主控板是整套系統(tǒng)的核心單元，負責所有設備的管理面控制。它與切換開關通過GPIO通信，主控板負責切換的時序。

（三）軟件設計

無線信號的切換，不是想象中的立刻有與立刻無兩種狀態(tài)。關閉基帶信號，指的是關閉發(fā)射機的發(fā)射，但之前產(chǎn)生的信號還存在于空間，需要一定時間后能量才會消失。因此在TDD的時隙設計中發(fā)射轉接收時需要加入一個保護間隔，避免自己發(fā)射的信號被自己接收。在本系統(tǒng)中也存在類似問題，切換開關可以在微秒級別完成一次天線切換，但是軟件的處理通常是毫秒甚至秒級別的，這就會出現(xiàn)當前軟件正在處理天線1的數(shù)據(jù)，但因為發(fā)生切換，底層通知軟件這是天線2的數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯亂。

圖3是軟件通用切換時序圖，其中GI是保護間隔，默認配置100毫秒。軟件啟動后，先切換到天線1，在切換到天線2前進入保護間隔，以此類推。

實際調(diào)試時保護間隔有種實現(xiàn)方式，最常見的是關閉整機的發(fā)射。但實際使用時存在問題，基帶板與主控板間通過網(wǎng)絡協(xié)議進行通信，基帶板接收到主控板下發(fā)的停止命令，再到實際關閉發(fā)射，這段時間不可精確控制。雖然可以通過加大保護間隔的方式應對，但這樣做提高了占空比，犧牲了整體的效率。一個有效的解決方案是將切換開關的一路接負載，保護間隔時將天線接入到該通道，既阻斷了外部通信，也精確控制了保護時間。

最初情況下，每個天線采集停留的時間，需要保證最低2秒。需要保證終端RRC接入信令Atach request Msg到采集到終端信息，最后采集設備發(fā)出RRCConnectionRelese，一個完整的信令流程走完，否則不能保證采集終端信息。但初調(diào)試的采集率并不高，因為按正常年輕人步行速率1秒1.5米計算，通過10米的距離需要6.6秒，通過5米的距離需要3.3秒。在樓宇中，信號的覆蓋距離往往就是5～10米間，部分車庫可以達到15米。這就導致輪詢天線1時，其他天線下的行人快速通過，未能被系統(tǒng)感知。通過仔細分析信令流程發(fā)現(xiàn)，時間主要消耗在信號測量階段，即終端進入信號覆蓋區(qū)域后需要至少1秒的時間測量信號，滿足重選條件后才會接入小區(qū)。而接入小區(qū)耗時很短，只需要150毫秒左右。為此改進了方案，即下行信號長發(fā)，終端進入?yún)^(qū)域就會開始測量信號，未輪詢到該區(qū)域時，終端實際處于待接入狀態(tài)，只要信號切換到該區(qū)域，終端可以在150毫秒內(nèi)完成接入。

150毫秒是單個終端接入時間，考慮到并發(fā)接入，調(diào)整單個天線停留的時間（輪詢周期定時器）為600毫秒到1秒。這個參數(shù)需要根據(jù)時間場景進行調(diào)整，譬如3天線覆蓋，最短覆蓋距離為5米，那么設置輪詢周期定時器為1秒時，信號占空2.3秒（0.1+1+0.1+1+0.1）后回歸，可以滿足行人3.3秒的通過時間。

當信號覆蓋區(qū)域大于5米，可以增加輪詢周期定時器。當覆蓋天線路數(shù)增多時，就需要縮短該定時器。但天線路數(shù)并不能夠無限增加，需要根據(jù)實際場景進行規(guī)劃，一般公式為：（T1+0.1）×（n-1）lt;T2，T1為輪詢周期，n為天線數(shù)，T2為最小通過時間。按最小通過時間5秒，最小輪詢周期600毫秒計算，最大天線數(shù)為8路。

基帶板通過通信協(xié)議實時上報采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲模塊，基帶板功能獨立，感知不到外部的天線切換操作。輪詢控制模塊同樣功能獨立，它只負責輪詢控制，并將當前的天線ID與時間寫入共享內(nèi)存。數(shù)據(jù)存儲模塊，負責將兩部分數(shù)據(jù)進行整合，根據(jù)時間將不同時間段內(nèi)采集的數(shù)據(jù)歸納到不同的天線集合中。

采集到的所有終端信息都會與采集時間和天線編號綁定，最終根據(jù)天線編號與位置的對應關系，即可描繪出終端的移動軌跡。

五、實際應用及總結

以獨棟高層（小高層）建筑物為例，共有2個地面單元門，共用一個地下車庫入口，即總入口為3個。想要跟蹤所有出入行為，必須覆蓋所有的入口，因為行人可以從車庫進，再從車庫坐電梯或者走樓梯上高樓，反向亦然。這種情況下，不管是電梯中的攝像頭還是車庫入口的車輛識別系統(tǒng)，都無法檢測、記錄該行人的蹤跡。在實際部署場景下，經(jīng)過多輪驗證，設計的系統(tǒng)可以滿足設計目標，即在合理移動速度下可以達到97%以上的采集準確率。

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作者單位：江蘇省泰州市公安局

責任編輯：周航