一种基于无线信号到达时间的单程测距定位方法

1.本发明涉及无线通信领域，具体来说涉及移动设备的定位领域，更具体地说，涉及一种基于无线信号到达时间的单程测距定位方法。


背景技术：

2.对于无线定位系统，常见的定位方法大多是基于距离测量值的定位，基于距离测量值的定位可分为两类，一类是坐标位置的测量方法；另一类是与位置有关参数的测量方法，通过测量参数值间接测量距离，包括基于到达时间(time of arrival,toa)、到达时间差(time difference of arrival,tdoa)等的测量方法。
3.基于无线信号到达时间的定位方法的原理是通过测量信号从待定位标签(发射端)到基站(接收端)间的飞行时间(time of flight,tof)，再乘以信号在空中的传播速度来得到距离测量值，再通过解算非线性圆坐标方程组得到标签位置的估计。因此飞行时间测量不准确将带来极大的测量误差，这种测量误差在定位估计时由于非线性圆方程得到的解不够精确还会被进一步放大。当前基于无线信号到达时间的定位方法中测量不准确的主要原因包括待测标签与基站时钟不同步引起的误差，以及首径到达时间受多径和非视距传播(nlos)影响难以准确测量引起的误差等。不同测量方法测距精度的不同将直接影响最终的定位精度，因此合理选择测距方法提高测距精度显得尤为重要。
4.目前常用的基于无线信号到达时间的定位方法中，测距方式主要包括单程测距和双程测距两种。
5.单程测距(single-way ranging,swr)的原理图参见图1，其通过一次无线设备和基站间的信号交互(发送轮询数据包，poll)，然后基站发送测距数据包(ranging)给无线设备用于定位计算。无线设备首先记录下发送轮询数据包的时间戳ts，将轮询数据包发送给基站，经过飞行时间tf后基站接收到轮询数据包，记录下接收时间戳tr；基站经过延迟响应时间t
reply
后，返回测距数据包(ranging数据包)，测距数据包携带着基站接收轮询数据包的接收时间戳tr信息。无线设备接收测距数据包后进行解析计算飞行时间tof，再乘以光速得到端到端之间的距离，再基于测量的与多个基站的距离，可以通过非线性圆方程坐标解算得到无线设备的位置。或者，无线设备接收到测距数据包后，也可以将从多个基站测得的测距数据包内求解距离有关的时间戳信息发送给某个基站，由该基站确定无线设备的位置。实际上，由于传统单程测距方法设备间通过收发数据包来进行交互，数据包的封装和拆包过程需要耗费一定的时间，包括物理层、协议层对数据包的处理时延以及应用层的封装、拆包的时延。考虑数据包的处理时延和封装和拆包时延后，在考虑数据包封装和拆包时间情况下单程测距的原理图如图2所示，包括以下过程：
6.(1)无线设备发送轮询数据包
7.无线设备首先记录下发送时间戳ts，经时间t
pack
后将poll数据包封装发送给基站，经过真实飞行时间t
f(truth)
后基站接收到数据包，经过t
unpack
时间进行拆包数据解析，记录下接收时间戳tr。
8.(2)基站返回测距数据包
9.基站经过延迟响应时间t
reply
后，经过封装时间t
pack
向无线设备返回测距数据包，测距数据包携带着基站的到达时间戳tr信息，在经过t
f(truth)
时间后，无线设备接收到测距数据包并经过t
unpack
拆包解析。
10.(3)最终无线设备可计算飞行时间
11.tf＝t
f(truth)
+t
pack
+t
unpack
＝t
r-ts；
12.因此，由图2可以得出，理论的飞行时间与真实的飞行时间之间的测量误差为：
13.e1＝t
f-t
f(truth)
＝t
pack
+t
unpack
；
14.传统单程测距优点是操作简单，但这种测距方法受无线设备和基站时钟不同步影响较大，即时间戳ts与tr并非从同一时刻开始计时，进行差分时存在较大的误差，反映到定位估计误差上将进一步放大，因此测距精度较低。但是，单程测距具有测距时间短的优势，可以用于一些需要快速获得用户大致位置的场景。同时在测距过程中，无线设备和基站通常是以数据包的形式进行交互，而应用层内数据包的封装发送与拆包解析时长包含在了飞行时间tof的计算中，飞行时间tof极小的误差在换算为距离进行定位时会被放大，因此导致定位精度不佳。比如，可能导致最终的定位精度难以达到米级甚至亚米级。
15.因此，需要对传统的基于无线信号到达时间toa的定位方法中单程测距过程进行改进，以提高定位精度。


技术实现要素：

16.因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于无线信号到达时间的单程测距定位方法。
17.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
18.根据本发明的第一方面，提供一种基于无线信号到达时间的定位方法，包括：由无线设备与多个基站进行测距交互，其中，无线设备采用参考信号的形式发送单程测距请求；由无线设备获取基站响应于单程测距请求而反馈的测距数据包，其中，所述测距数据包承载有由基站在物理层测量得到的参考信号的到达时间；基于多个基站反馈的测距数据包获得所述无线设备相对于所述基站的位置。
19.在本发明的一些实施例中，参考信号的达到时间采用在物理层测量参考信号的首径到达时间的方式得到。
20.在本发明的一些实施例中，所述方法包括：由无线设备以参考信号的形式广播单程测距请求，并记录单程测距请求的发送时间；由无线设备获取所述测距数据包，其中，所述测距数据包中参考信号的到达时间由基站在物理层测量单程测距请求的首径到达时间得到。
21.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：将相应的单程测距请求的到达时间减去其发送时间，得到用于定位计算的信号理论飞行时间。
22.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：根据信号理论飞行时间确定无线设备与相应基站的距离；根据无线设备与多个基站的距离以及多个基站的坐标，通过toa定位算法确定无线设备的位置。
23.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：在每次广播单程测距请求前，先将无
线设备与其通信范围内的基站进行时钟同步。
24.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：在无线设备发送的参考信号前配置承载参考信号的载波的载波参数，以针对不同无线设备传输参考信号的载波配置不同的物理层id；在基站收到相应的参考信号时，通过载波的物理层id识别参考信号的发送方的身份并关联记录参考信号的到达时间。
25.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：动态分配该基站中无线设备与物理层id的对应关系，其中，在无线设备进入该基站的覆盖范围时，为其分配的物理层id；在无线设备离开该基站的覆盖范围时，回收为其分配的物理层id。
26.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：将无线设备的物理层id与无线设备的ip地址或者mac地址绑定；在基站收到相应的参考信号时，通过载波的物理层id识别参考信号的发送方的身份，并通过与该物理层id绑定的ip地址或者mac地址将测距数据包反馈给对应的无线设备。
27.根据本发明的第二方面，提供一种无线通信系统，包括无线设备和多个基站，所述无线设备和所述多个基站被配置为利用第一方面所述的方法对无线设备进行定位。
28.与现有技术相比，本发明的优点在于：
29.本发明对传统的基于飞行时间的定位方法进行了改进，由无线设备与多个基站进行测距交互，在测距交互过程中，无线设备的单程测距请求采用参考信号的形式发送；由无线设备获取基站响应于单程测距请求而反馈的测距数据包，其中，所述测距数据包承载有由基站在物理层测量得到的参考信号的到达时间。在不经应用层对数据包封装发送与拆包解析的情况下，可以在物理层对参考信号获得更精确的发送时间和到达时间，进行获得更准确的信号理论飞行时间，提高基于无线信号到达时间的定位方法的定位精度。
附图说明
30.以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
31.图1为现有的单程测距的原理图；
32.图2为在考虑数据包封装和拆包时间情况下现有的单程测距的原理图；
33.图3为根据本发明实施例的基于无线信号到达时间的定位方法中的单程测距场景下的原理示意图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.如在背景技术部分提到的，现有的基于无线信号到达时间的定位方法中，由于在交互过程中所有的通信都采用数据包，数据包的封装发送与拆包解析的时长包含在了飞行时间的计算中，导致定位精度不佳。为提高基于飞行时间的定位方法的定位精度，本发明对传统的基于飞行时间的定位方法进行了改进，由无线设备与多个基站进行测距交互，在测距交互过程中，无线设备的单程测距请求采用参考信号的形式发送；由无线设备获取基站响应于单程测距请求而反馈的测距数据包，其中，所述测距数据包承载有由基站在物理层
测量得到的参考信号的到达时间。在不经应用层对数据包封装发送与拆包解析的情况下，可以在物理层对参考信号获得更精确的发送时间和到达时间，进行获得更准确的信号理论飞行时间，提高基于无线信号到达时间的定位方法的定位精度。
36.根据本发明的一个实施例，本发明提供一种基于无线信号到达时间的定位方法，包括：由无线设备与多个基站进行测距交互，在测距交互过程中，无线设备的单程测距请求采用参考信号的形式发送；由无线设备获取基站响应于单程测距请求而反馈的测距数据包，其中，所述测距数据包承载有由基站在物理层测量得到的参考信号的到达时间。该方法还包括：根据基于多个基站反馈的测距数据包对无线设备进行定位。例如，一种基于无线信号到达时间的定位方法，包括：由无线设备与多个基站进行测距交互，其中，无线设备采用参考信号的形式发送单程测距请求；由无线设备获取基站响应于单程测距请求而反馈的测距数据包，其中，所述测距数据包承载有由基站在物理层测量得到的参考信号的到达时间；基于多个基站反馈的测距数据包获得所述无线设备相对于所述基站的位置。优选的，参考信号的到达时间采用在物理层测量参考信号的首径到达时间的方式得到。例如，设定参考信号的功率强度阈值，按照功率强度阈值来确定首径到达时间，将最先到达且功率强度大于等于功率强度阈值的径到达的时间作为参考信号的首径到达时间。此处仅用于示意，本领域用于测量信号的首径到达时间的其他技术均可采用，此处不再赘述。该实施例的技术方案至少能够实现以下有益技术效果：本发明对传统的基于无线信号到达时间的定位方法进行改进，将无线设备与基站中的单程测距请求的信号采用参考信号的形式发送，并且在物理层测量参考信号的到达时间，由此，避免将数据包的封、拆时延计算到信号理论飞行时间中，提高基于无线信号到达时间的定位方法的定位精度。
37.根据本发明的一个实施例，参考信号(reference signal，rs)，是在物理层配置时频资源发出的信号，在本发明中，参考信号是指在物理层配置时频资源发出的用于基于无线信号到达时间进行定位的参考信号。通常，参考信号常用于信道估计(导频)、信道探测等。本发明中，参考信号可以是为了实现基于无线信号到达时间的定位方法而在无线通信系统原有的参考信号之外额外增加的信号。例如，在4g lte的参考信号srs、dmrs、crs等之外额外增加本发明的参考信号，并设置相关的规则实现参考信号的发送和识别。又例如，在5g nr的参考信号dm－rs、pt－rs、csi－rs、t－rs、s－ts等之外额外增加本发明的参考信号。以5g nr为例，本发明的参考信号的基本参数可依据3gpp 5g nr物理层协议38.211\214或者其他版本的协议进行配置，本发明对此不作赘述。在时频映射关系中，最基本的单位为资源单元(resource element，简称re)，定义为频域上的一个子载波及时域上的一个符号。在5g nr中，频域上多个资源单元组成资源块(resource block，rb\prb)。如频域上连续12个资源单元组成一个资源块。由多个资源块构成资源栅格(resource grid)，资源栅格表示整个时频域映射结构。参考信号的帧结构中，一个帧(frame)包含n个子帧(subframe)，基本帧结构以时隙(slot)为基本颗粒度，一个帧内可以设置不同的时隙个数，时隙个数不同，时隙绝对时间长度随之改变。子帧内包含的时隙个数可由参数μ决定，表示每个子帧中包含2
μ
个时隙。根据本发明的一个实施例，参考信号占用的资源空间为一个子载波内的一个符号，即一个re；或者，参考信号占用的资源空间为一个子载波内的多个符号；又或者，参考信号占用的资源空间为多个子载波内的多个符号。在实际应用过程中，还可以根据通信系统或者协议的具体情况来设置参考信号。除子载波数量、符号数量，一些通信系统或者协议还有
其他的参数可以设置，例如，在5g中，除了对参考信号占用的子载波数量和符号数量外，还可灵活配置不同的子载波间隙(sub-carrier spacing,scs)、单位时隙上的符号数(symbol)和/或梳状尺寸(comb size)来实现不同的时频域资源配置(pattern)，以满足利用参考信号进行定位以及与系统原有参考信号进行区分的需求。例如，配置后，参考信号在资源栅格中表示为顺序排列或交错结构排列。另外，对于其他协议标准下的参考信号设计，可能还有不同的参考信号的设置方式和规则，可根据具体的情况灵活配置，根据本发明的一个实施例，参考信号是在物理层通过配置子载波数量、子载波间隔、符号数量、时隙长度、符号的循环前缀长度或者其组合而发出的用于定位的信号。
38.根据本发明的一个实施例，提供一种基于无线信号到达时间的定位方法，其采用单程测距的方式进行定位，包括：由无线设备以参考信号的形式广播单程测距请求，并记录单程测距请求的发送时间；由无线设备获取所述测距数据包，其中，所述测距数据包中参考信号的到达时间由基站在物理层测量单程测距请求的首径到达时间得到。例如，由无线设备以参考信号的形式广播单程测距请求，并记录单程测距请求的发送时间；由基站在物理层测量单程测距请求的首径到达时间，并将其作为单程测距请求的到达时间；由基站将单程测距请求的到达时间封装到测距数据包并以非参考信号的形式发送给无线设备用于定位计算。优选的，在单程测距时，可由无线设备获取测距数据包，将单程测距请求的到达时间减去单程测距请求的发送时间，得到用于定位计算的信号理论飞行时间。应当理解，本发明中执行定位的计算不限于无线设备本身，例如，如果某个基站需要获得无线设备的位置，可以由无线设备获取多个基站的测距数据包后，将多个测距数据包发送给需要获得无线设备的位置的基站，由基站基于多个测距数据包对无线设备进行定位。
39.下面结合图3来进一步说明单程测距的过程，根据本发明的一个实施例，该方法中，单程测距对应的测距交互过程包括：由无线设备以参考信号的形式广播单程测距请求，并记录单程测距请求的发送时间；由基站在物理层测量单程测距请求的首径到达时间，并将其作为单程测距请求的到达时间；由基站将单程测距请求的到达时间封装到测距数据包并以非参考信号的形式发送给无线设备用于定位计算。优选的，在单程测距时，可由无线设备获取测距数据包，将单程测距请求的到达时间减去单程测距请求的发送时间，得到用于定位计算的信号理论飞行时间。应当理解，本发明中执行定位的计算不限于无线设备本身，例如，如果某个基站需要获得无线设备的位置，可以由无线设备获取多个基站的测距数据包后，将多个测距数据包发送给需要获得无线设备的位置的基站，由基站基于多个测距数据包对无线设备进行定位。
40.如图3所示，单程测距对应的测距交互过程包括：无线设备发射参考信号trs(对应于单程测距请求)给基站，其中，无线设备记录下发送参考信号trs的信号发送时间戳(对应于单程测距请求的发送时间)；经飞行时间后参考信号trs到达基站，基站在物理层记录下接收参考信号trs的信号到达时间戳(对应于参考信号(单程测距请求)的到达时间)；基站向无线设备发送测距数据包(ranging数据包)，其中，测距数据包含有信号到达时间戳无线设备根据信号发送时间戳和信号到达时间戳确定信号飞行时间(对应于信号理论飞行时间)并确定无线设备与基站的距离，其中，信号飞行时间
根据无线设备与多个基站的距离和多个基站的位置坐标解算非线性圆坐标方程组，确定无线设备的位置。可以看出，基站经过延迟响应时间t
delay
后向无线设备发送测距数据包，经封装时间t
pack
、真实飞行时间t
f(truth)
后，无线设备经时间t
unpack
对测距数据包进行拆包解析，测距数据包的发送和解析用时tf＝t
pack
+t
f(truth)
+t
unpack
；在第二接收时间解析出测距数据包中包含的信号到达时间戳可见，本发明的单程测距过程由于采用参考信号并在物理层记录参考信号的到达时间，无需考虑数据包的封装和拆包过程，从而精确测量参考信号的到达时间。同时，测距数据包的封装和解包时间未参与飞行时间的计算，因此不会对最终结果产生影响。本发明计算得到的理论飞行时间更接近真实飞行时间，飞行时间tof测量更为准确。优选的，单程测距是在基站和无线设备进行时钟同步的条件下进行的，以减少时钟不同步带来的误差。
41.为了在物理层记录相应参考信号的到达时间，提高记录信号的飞行时间的准确性，根据本发明的一个实施例，基于无线信号到达时间的定位方法包括：在无线设备发送的参考信号前配置承载参考信号的载波的载波参数，以针对不同无线设备传输参考信号的载波配置不同的物理层id；在基站收到相应的参考信号时，通过载波的物理层id识别参考信号的发送方的身份并关联记录参考信号的到达时间。该实施例的技术方案至少能够实现以下有益技术效果：本发明可以通过配置载波参数的方式为不同无线设备或者基站传输参考信号的载波配置不同的物理层id，在物理层添加识别逻辑，以在物理层识别发送方的身份并关联记录相应的参考信号的到达时间；由此，接收到参考信号的一方仅在物理层对参考信号的到达时间进行解析并记录以获得参考信号的到达时间；而不经过或者不采用在应用层解析数据包的形式获得参考信号的到达时间，可提高确定无线信号的飞行时间的准确性，提高确定无线信号的飞行时间的准确性，有利于后续更精确地定位。
42.为了减少离开基站覆盖范围的无线设备对物理层id的占用导致资源浪费，根据本发明的一个实施例，基于无线信号到达时间的定位方法还包括：动态分配该基站中无线设备的物理层id，其中，在无线设备进入该基站的覆盖范围时，为其分配的物理层id；在无线设备离开该基站的覆盖范围时，回收为其分配的物理层id。该实施例的技术方案至少能够实现以下有益技术效果：本发明动态分配该基站中无线设备的物理层id，可以节约存储资源并避免载波参数设置过于复杂，保障定位的效率。
43.为了在接收到单程测距请求后能够将测距数据包准确、快速地反馈给对应的发送方，根据本发明的一个实施例，将无线设备的物理层id与无线设备的ip地址或者mac地址绑定；在基站收到相应的参考信号时，通过载波的物理层id识别参考信号的发送方的身份，并通过与该物理层id绑定的ip地址或者mac地址将测距数据包反馈给对应的无线设备。
44.根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种无线通信系统，包括无线设备和多个基站，所述无线通信系统被配置为利用前述实施例的基于无线信号到达时间的定位方法对无线设备进行定位。例如，所述无线设备和/或所述多个基站被配置为利用前述实施例的基于无线信号到达时间的定位方法对无线设备进行定位。
45.需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
46.本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
47.计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
48.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。