一种基于5G的单基站定位方法

一种基于5g的单基站定位方法
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于5g的单基站定位方法。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，位置信息逐渐成为人们赖以生存和发展的重要信息。基于位置的服务应运而生，成为一种具有良好的发展前景的新兴移动互联网产业。无人驾驶、智慧医疗、智慧物流与仓储等多种应用场景，对位置服务提出了更高定位性能的精细化需求，在定位精度、可靠性以及位置服务的可用范围等方面都提出了更高标准。因此，快速并且准确地获得移动终端的位置信息的需求变得日益迫切。尽管我国的北斗导航系统、美国的全球定位系统等己经解决室外场景的大部分定位与导航难题，但卫星信号在城市峡谷等复杂环境下信号传输衰减较快、甚至被完全遮挡，从而难以提供高性能、可持续的位置服务。联合多基站的定位方法大大提升定位服务的范围和精度，但对终端接收基站的数目有要求。在只有一个基站可以提供服务的情况下，如何获取准确的位置信息成为研究热点。工业界和学术界都在寻求高精度、高可靠性的单基站定位技术，以期实现全覆盖的导航定位服务。
3.基站定位技术，主要分为两类：一种是指纹库构建与匹配，另外一种是信号参数估计。第一种指纹库构建与匹配主要是通过提前在特定位置区域采集特征参数，将特征参数与位置信息的一一对应关系建立指纹库。在需要定位服务时，利用实时采集到的特征参数与指纹库中的特征参数相匹配，选取匹配度最高的作为定位结果。利用指纹进行定位的方法要进行离线指纹的提取与采集。同时在匹配过程中，环境因素的改变会导致指纹库失效的问题。第二种利用信号的估计参数和基站的坐标，从而进行移动终端位置的解算。用于估算车辆和基站之间的相对距离，再与基站的绝对位置进行匹配，以此得到所测车辆的绝对位置。每种测量技术都有其准确度和复杂程度。
4.在单基站定位技术不断发展的情况下，对定位精度要求越来越高。目前，单基站方法缺少与网络5g特点的结合，例如massivemimo、毫米波、超密集网络。
5.5g网络发展趋势已经如火如荼，利用新的技术特点来解决定位问题是研宄的热点。为了满足不同场景下的通信交互需求，5g采用了一系列关键技术：毫米波具有更大的频谱资源开发空间，能够提供更高的传输带宽和更多的接入设备；大规模天线技术通过波束成形提升在某个方向上的增益，补齐了毫米波强衰减性的缺陷；虽然己有较多的有关5g定位技术的研究，但缺少单基站定位方面的研宄。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于5g的单基站定位方法。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种基于5g的单基站定位方法，所述定位方法包括：
8.利用时分复用技术测算圆形天线阵列的阵列方向矢量；
9.根据所述阵列方向矢量利用基于正交频分复用技术信号的多子载波进行测距，获得测距结果；
10.根据所述测距结果制定基于5g的单基站定位方案。
11.可选的，所述利用时分复用技术测算圆形天线阵列的阵列方向矢量具体包括：
12.采用基于时分复用技术的布置圆形天线阵列，以一个天线布置在圆心，确定为圆心天线，其余6根天线均匀地分布在圆周上；
13.将所述圆心天线作为参考天线，并分别计算信号到达其余所述天线的相位差，获得阵列的方向矢量a(θ,φ)；
[0014][0015]
其中，俯仰角θ为原点到信源的连线与z轴之间的夹角，方位角φ为原点到信源的连线在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，r为圆形天线阵阵的半径，m为阵列中的天线个数，γm＝2πm/m(m＝0,1,...,m-1)为天线与x轴之间的夹角；
[0016]
根据所述方向矢量a(θ,φ)采用music算法得到信号的测角信息。
[0017]
可选的，所述根据所述阵列方向矢量利用基于正交频分复用技术信号的多子载波进行测距具体包括：
[0018]
构建包括移动节点r和固定节点s的基于5g的单基站定位系统，所述移动节点r上配置有接收正交频分复用技术信号和发送测角信号的天线，所述固定节点s上配置有发射正交频分复用技术信号和接收测角信号的天线；
[0019]
初始化所述固定节点s向所述移动节点r所发送的正交频分复用技术信号的带宽为b，中心频率为fc，正交频分复用技术信号包含的子载波的数量为n，n≥4；
[0020]
根据所述固定节点s向所述移动节点r发送的正交频分复用技术信号参数，选取n个子载波中三个频率为f＝{f1,fj,f3}子载波作为测距子载波a＝{a(1),a(j),a(3)}，a上传输的数据为c＝{c(1),c(j),c(3)}：
[0021][0022]fj
＝f2＝fc[0023][0024]
其中，表示向下取整，a(j)表示s发送的第j个频率为fj的测距子载波，c(j)表示a(j)上的传输数据；
[0025]
计算所述测距子载波a经过信道的周期数，具体包括：设所述移动节点r接收所述固定节点s所发送的第j个测距子载波a(j)经过信道衰减后的测距子载波为r(j)，并根据a(j)和r(j)计算测距子载波a(j)在信道传输过程中所经历的周期数t(j)，a对应的周期数集
合为t＝{t(1),t(j),t(3)}，其中t(j)为整数；
[0026]
根据所述周期数计算所述固定节点s与所述移动节点r间的距离d。
[0027]
可选的，所述根据所述周期数计算所述固定节点s与所述移动节点r间的距离d具体包括：
[0028]
读取测距子载波a(j)的数据帧格式文件中的相位信息，得到测距子载波a的相位信息集合其中为所述固定节点s发送a(j)时的相位信息；
[0029]
读取所述移动节点r接收到的测距子载波r(j)的数据帧格式文件中的相位信息，得到所述测距子载波r(j)三个经过信道衰减后的测距子载波的相位信息集合其中，为所述移动节点r接收所述固定节点s发送的a(j)的测距子载波r(j)的相位信息；
[0030]
计算与的相位差并根据和周期数t(j)计算a(j)对应的s与r的距离集合d＝{d(1),d(j),d(3)}，其中d(j)为a(j)对应的s与r的之间的距离；
[0031]
设距离差阈值为δd
min
，并判断|d(1)-d(j)|≤δd
min
且|d(1)-d(3)|≤δd
min
且|d(j)-d(3)|≤δd
min
是否成立，若是，计算d(1)、d(j)和d(3)的平均值d，得到固定节点s到移动节点r的距离；
[0032]
否则，计算移动节点r接收s发送的a(j)的相位观测值，得到相位观测值集合并对三个相位观测值和进行线性合并，得到相位观测值φ，其中，为移动节点r接收s发送的a(j)的相位观测值；
[0033]
计算φ对应的波长观测值，获得波长观测值λ；
[0034]
并根据φ和λ，计算所述固定节点s到所述移动节点r的距离d。
[0035]
可选的，所述根据所述测距结果制定基于5g的单基站定位方案具体包括：
[0036]
消息类型包括：由所述移动节点r发起的一个测角信号消息poll message；
[0037]
由所述固定节点s给所述移动节点r发的正交频分复用技术信号消息response message；
[0038]
在基于5g的单基站定位系统中，收发应答过程如下：
[0039]
所述固定节点s处于listen for poll状态，等待接收所述测交信号消息poll message；
[0040]
所述移动节点r发起一条所述测角信号消息poll message；
[0041]
所述固定节点s在接收到poll message后，给相应的所述移动节点r发送一条所述正交频分复用技术信号消息response message；
[0042]
所述固定节点s向所述移动节点r发送的正交频分复用技术信号中需携带s的自身位置、测角信息；
[0043]
根据所述自身位置、所述测角信息和所述测距信息，解得所述移动节点r的估计位置。
[0044]
可选的，所述固定节点s发送的第j个频率为fj的测距子载波a(j)，其表达式为：
[0045]
其中，exp(
·
)表示指数函数。
[0046]
可选的，所述计算测距子载波a(j)在信道传输过程中所经历的周期数t(j)，计算公式为：
[0047][0048]
可选的，所述测距子载波a(j)对应的所述固定节点s与所述移动节点r之间的距离d(j)，计算公式为：
[0049]
其中，是频率为fj的测距子载波a(j)的波长。
[0050]
可选的，所述移动节点r接收所述固定节点s发送的a(j)的相位观测值所述固定节点s对应的相位观测值φ，计算公式分别为：
[0051][0052][0053]
n＝xn(1)+yn(2)+zn(3)
[0054]
ε＝xε(1)+yε(2)+zε(3)
[0055]
其中，ρ表示所述固定节点s到所述移动节点r的几何距离的真值，ε(j)为相位观测值的相位噪声，n(j)为相位观测值的相位模糊性，n为相位观测值φ的相位模糊性，ε为相位观测值φ的相位噪声，x,y,z为线性合并系数。
[0056]
可选的，所述固定节点s对应的波长观测值λ，所述固定节点s与所述移动节点r之间的距离d，计算公式分别为：
[0057][0058]
d＝(n+φ+ε)λ
[0059]
其中，相位观测值φ为所述固定节点s对应的相位观测值，n为相位观测值φ的相位模糊性，ε为相位观测值φ的相位噪声，x,y,z为线性合并系数。
[0060]
本发明提供的一种基于5g的单基站定位方法，所述定位方法包括：利用时分复用技术测算圆形天线阵列的阵列方向矢量；根据所述阵列方向矢量利用基于正交频分复用技术信号的多子载波进行测距，获得测距结果；根据所述测距结果制定基于5g的单基站定位方案。节约了子载波资源，可将用于通信使用，同时还减少了子载波相位的测量量，减少了测距所用的时间，提高了测距效率。
[0061]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够
更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0062]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0063]
图1为本发明实施例提供的一种基于5g的单基站定位方法设计图；
[0064]
图2为本发明实施例提供的一种基于5g的单基站定位方法流程图；
[0065]
图3为本发明采用的基于tdm圆形天线阵列进行阵列方向矢量测算示意图；
[0066]
图4为本发明中测距子载波的数据帧格式文件图。
具体实施方式
[0067]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0068]
本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。
[0069]
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0070]
如图1所示，参照图1-4，本发明主要包括如下步骤：
[0071]
步骤1)利用tdm圆形天线阵列进行阵列方向矢量测算：
[0072]
(1)采用基于tdm的6+1圆形天线阵列：
[0073]
本实施例中所采用的基于tdm的6+1圆形天线阵列如图3所示，以一个天线布置在圆心，其余6根天线均匀的分布在圆周上。将该天线阵列布置在基站上，在移动节点端安装测角信号发射天线。其中心天线永久保持工作状态，其余圆周上的天线通过一种开关切换的方法，切换接收测量各个天线上的信号。天线切换开关在接受到首次来波信号后，以δt的间隔依次切换到各个天线，则天线在t1,t2......tn时刻会接收到n个信号。通过时分键控的天线设计可以减少功率，从而降低成本。采用中心天线进行测距，其余天线进行doa估计，由于中心天线一直保持工作状态，所以可以连续获得测距信息。并且保持切换开关切换频率与测距周期同步。但是在实际环境中，可能由于目标运动和环境原因导致部分信号断续和遗失。为了验证阵列天线系统的鲁棒性，在仿真中使部分天线接收不到数据，经仿真后仍可得到良好的测角精度，证实了系统的良好的鲁棒性。
[0074]
(2)计算天线阵列方向矢量：
[0075]
基站接收到移动节点发送的测角信号后，将圆心的天线作为参考天线，并分别计算信号到达各个天线的相位差，得到阵列的方向矢量a(θ,φ)：
[0076][0077]
其中，俯仰角θ为原点到信源的连线与z轴之间的夹角，方位角φ则是原点到信源的连线在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，r为圆形天线阵阵的半径，m为阵列中的天线个数，γm＝2πm/m(m＝0,1,...,m-1)为天线与x轴之间的夹角。
[0078]
步骤2)利用基于5g通信的ofdm信号的多子载波进行测距：
[0079]
(1)构建基于5g的ofdm信号的测距系统：
[0080]
构建包括移动节点r和基站s的基于ofdm信号的测距系统，r上配置有接收ofdm信号的天线，s上配置有发射ofdm信号的天线。
[0081]
(2)初始化基站s向移动节点r发送的ofdm信号参数：
[0082]
初始化基站s向移动节点r所发送的ofdm信号的带宽为b，中心频率为fc，ofdm信号包含的子载波的数量为n，n≥4。本实施例中，设定ofdm信号的带宽b＝480mhz，中心频率fc＝5ghz，ofdm信号包含的子载波的数量为n＝121。
[0083]
(3)获取基站s向移动节点r发送的测距子载波：
[0084]
根据每个基站si向移动节点r发送的ofdm信号参数，选取n个子载波中三个频率为f＝{f1,fj,f3}子载波作为测距子载波ai＝{ai(1),ai(j),ai(3)}，ai上传输的数据为ci＝{ci(1),ci(j),ci(3)}：
[0085][0086]fj
＝f2＝fc[0087][0088]
其中，表示向下取整，ai(j)表示si发送的第j个频率为fj的测距子载波，ci(j)表示ai(j)上的传输数据。测距子载波ai(j)的表达式为：
[0089][0090]
其中，exp(
·
)表示指数函数，传输数据ci(j)的取值为qpsk星座上的值，三个测距子载波的频率是根据费雪信息f来选择的，其计算公式为：
[0091][0092]
其中ωc＝2πfc，n0是ofdm信号的噪声功率谱密度，e
t
是最大传输总能量，本实施例中n0＝1，e
t
＝1，由f的计算公式可知f
∝
fc，根据克拉美罗下界的定义，最大
化三个测距子载波的频率间距可以提高测距精度，因此本实施例中三个测距子载波的频率为f1＝4.76ghz，fj＝f2＝fc＝5ghz，f3＝5.24ghz。
[0093]
(4)计算测距子载波ai经过信道的周期数：
[0094]
设r接收si所发送的第j个测距子载波ai(j)经过信道衰减后的测距子载波为ri(j)，并根据ai(j)和ri(j)计算测距子载波ai(j)在信道传输过程中所经历的周期数ti(j)，则ai对应的周期数集合为ti＝{ti(1),ti(j),ti(3)}，其中ti(j)为整数。ti(j)的计算公式为：
[0095][0096]
(5)计算每个基站si与移动节点r间的距离di：
[0097]
(5a)读取测距子载波ai(j)的数据帧格式文件中ai(j)的相位信息，得到测距子载波ai的相位信息集合其中表示si发送ai(j)时的相位信息。测距子载波的数据帧格式文件图如图4所示：数据帧格式文件包括2个字节的帧头，其中帧头包括1个字节的设备id，其表示是哪个基站传来的信号；1个字节的检验帧，包含有信号被发送和接收时的相位信息，用于检验数据；发射天线的经纬高分别各8个字节，共计24个字节；子载波id一个字节，用来表示哪个测距子载波的信号。本实施例中，
[0098]
(5b)读取移动节点r接收到的测距子载波ri(j)的数据帧格式文件中ri(j)的相位信息，得到ri(j)三个经过信道衰减后的测距子载波的相位信息集合其中，表示移动节点r接收si发送的ai(j)的测距子载波ri(j)的相位信息。
[0099]
(5c)计算与的相位差并根据和周期数ti(j)计算ai(j)对应的si与r的距离集合di＝{di(1),di(j),di(3)}，其中di(j)表示ai(j)对应的si与r的之间的距离。di(j)的计算公式为：
[0100][0101]
其中，是频率为fj的测距子载波ai(j)的波长，本实施例中，
[0102]
(6d)设距离差阈值为δd
min
，并判断|di(1)-di(j)|≤δd
min
且|di(1)-di(3)|≤δd
min
且|di(j)-di(3)|≤δd
min
是否成立，若是，计算di(1)、di(j)和di(3)的平均值di，得到每个基站si到移动节点r的距离集合d＝{d1,
…
,di,
…dq
}，否则，执行步骤(5e)。di的计算公式为：
[0103][0104]
本实施例中，δd
min
＝0.05m。
[0105]
(5e)计算移动节点r接收si发送的ai(j)的相位观测值，得到相位观测值集合并对三个相位观测值和进行线性合并，得到相位观测值集合φ＝{φ1,
…
,φi,
…
,φq}，其中，表示移动节点r接收si发送的ai(j)的相位观测值，φi表示si对应的相位观测值。相位观测值φi的计算公式分别为：
[0106][0107][0108]
ni＝xni(1)+yni(2)+zni(3)
[0109]
εi＝xεi(1)+yεi(2)+zεi(3)
[0110]
其中，ρi表示si到移动节点r的几何距离的真值，εi(j)表示的相位噪声，ni(j)表示的相位模糊性，ni表示φi的相位模糊性，εi表示φi的相位噪声，x,y,z为线性合并系数，线性合并系数的选择与测距子载波ai(j)的频率fj有关，线性合并系数计算公式如下：
[0111][0112]
其中t为任意非零常数，本实施例中，ρ1＝ρ2＝ρ3＝ρ4＝2m，ni∈[-0.1π，0.1π]，ε1＝ε2＝ε3＝0.01π，x＝0.476，y＝0.500，z＝0.524。
[0113]
(5f)计算φ对应的波长观测值，得到波长观测值集合λ＝{λ1,
…
,λi,
…
,λq}，并根据φ和λ，计算每个基站si到移动节点r的距离集合d＝{d1,
…
,di,
…dq
}，其中，λi表示si对应的波长观测值，di表示si与r之间的距离。λi和di的计算公式分别为：
[0114][0115]di
＝(ni+φi+εi)λi[0116]
其中，φi表示si对应的相位观测值，ni表示φi的相位模糊性，εi表示φi的相位噪声，x,y,z为线性合并系数，本实施例中，ni∈[-0.1π，0.1π]，ε1＝ε2＝ε3＝0.01π，x＝0.476，y＝0.500，z＝0.524。
[0117]
步骤3)基于5g的单基站定位方案：
[0118]
(1)主要的消息类型有两种：
[0119]
poll message：由移动节点r发起的一个测角信号消息，通知基站端进行测角估计。
[0120]
response message：由基站s给移动节点r发的ofdm信号消息，该信息中包含了对应的测角信息及基站自身位置，并可通过多载波完成测距工作。
[0121]
(2)具体的收发应答过程：
[0122]
在基于5g的单基站定位系统中，如图1所示，具体的收发应答过程如下：
[0123]
(b1)基站s处于listen for poll状态，等待接收poll message；
[0124]
(b2)移动节点r发起一条poll message，请求测角测距信息；
[0125]
(b3)基站s在接收到poll message后，给相应的移动节点r发送一条response message，包含有所需信息的ofdm信号消息。
[0126]
(a)基站s向移动节点r发送的ofdm信号中需携带s的自身位置、测角信息，节点r在收到s发送的ofdm信号后，加上得到的测距信息，即可解得移动节点r的估计位置。
[0127]
假设基站的位置为(xs,ys,zs)
t
，移动节点的估计位置为(xr,yr,zr)
t
，距离为d，俯仰角为θ，方位角为φ。由图3可得移动节点r的估计位置(xr,yr,zr)
t
为：
[0128][0129]
下面结合实验数据，对本发明的技术效果作进一步的说明：
[0130]
1、实验条件：
[0131]
实验环境是：面积为1000m2左右的连续室外田径场区域。
[0132]
硬件设备为：两台安装有外接天线的intel 5300网卡的华硕笔记本电脑，其中一台用于发送ofdm信号和接收测角信号的笔记本电脑安装有8根天线，另外一台用于发送测角信号和接收ofdm信号的电脑安装有2根天线。
[0133]
软件平台为：ubuntu 14.04操作系统和csitool工具箱模块。
[0134]
2、实验内容及结果分析：
[0135]
将本发明和现有技术进行定位均方根误差对比实验，其结果如表1所示。
[0136]
表1.本发明方法与现有定位方法误差表
[0137][0138]
定位误差计算公式为：
[0139][0140]
其中，σ表示本发明得到的估计位置与真实位置之间的误差，(xr,yr,zr)
t
表示移动节点r利用本发明方法测得的估计位置，(x
t
,y
t
,z
t
)
t
表示移动节点r的真实位置。
[0141]
结合表1所给的数值化表述可以看出，本发明在ofdm信号信噪比相同的情况下定位误差小于现有技术方法的定位误差。
[0142]
有益效果：本发明采用基于tdm的6+1圆形天线阵列进行阵列方向矢量测算，节省频谱资源，降低功耗；本发明所采用的阵列天线时分键控设计，在部分测角信号断续或遗失
下的doa估计表现依旧良好；同时，本发明通过使用基于5g通信的ofdm信号中的多子载波进行测距，减少了多个子载波测距时产生的相互干扰，提高了测距精度。通过以上方式，提高了定位精度，为未来单基站定位算法的研宄提供了新思路、新方法。
[0143]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。