5G上行TDOA定位算法的仿真和分析

3GPP 5G标准协议在R16版本制订了使用5G无线基站进行精确定位的需求和性能指标,并在R17版本进行了定位技术增强的描述。基于TDOA(Time Difference of Arrival)定位算法,归纳和推导直接解析方法和迭代方法求解双曲线构成的非线性方程组。同时面向5G室内和室外两个简化的应用场景,分别在二维平面和三维空间对算法的求解精度进行了仿真分析。仿真结果表明直接解析方法在二维平面上使用三个基站进行定位,三维空间上使用四个基站进行定位,室内和室外场景能够符合3GPP规定的性能指标。迭代方法在二维平面上室内和室外场景符合3GPP性能指标,但在三维空间上无法符合3GPP规定的性能指标。提出对三维空间上四基站定位算法的迭代方法的改进,引入初始统计的求解算法来设置迭代方法的初值,提升定位性能。进一步的仿真结果表明,改进后5G上行TDOA定位求解的迭代算法在三维空间的求解精度符合3GPP规定的性能指标。分析的多种TDOA求解算法也给5G基站的软件产品在x86或arm平台的实现提供了多样化选择,x86处理器和飞腾处理器上的性能测试表明,TDOA直接解析方法和迭代法实现为软件产品程序模块后,均可以在微秒级别完成计算。