CN102256352A - 基于物理层管道技术的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物理层管道技术的定位方法，属于数字信息传输技术领域。该定位方法在各基站之间指定发送定位数据的物理层管道；将定位数据当做业务数据输入物理层管道进行编码、调制，通过射频信道传输；接收端进行时域帧同步并提取业务数据配置参数，对携带定位数据的物理层管道进行解调；根据解调结果获取包含距离信息的序列，再对此序列进行自相关及差分计算，去除相位信息，得到传输时延的估计值，估计移动终端与各基站之间的伪距；采用到达时间定位法或到达时间差定位法确定移动终端的三维坐标位置。该方案利用物理层管道技术多业务传输的优势，算法简单、兼容性强、适用范围广，能实现精确的定位功能，具有较强的可行性与实用性。

Description

基于物理层管道技术的定位方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，具体涉及一种基于物理层管道技术的定位方法。

背景技术

在各种无线定位系统中，采用的定位思路基本上是相同或相似的，都是通过检测移动台和多个基站之间传播信号的特征参数(如电波场强，传播时间或时间差，入射角等)来估计出目标移动台的几何位置。根据定位时采用的不同特征参数，通常可供选择的基本定位方法包括：单元标识(Cell ID)技术、到达时间(TOA)定位法、到达时间差(TDOA)定位法、场强定位法、到达角度(AOA)定位法。

其中，如图2所示，TOA定位方法是通过测量移动台信号到达基站的传播时间来获得以基站为圆心的圆，多个基站得到的多个圆轨迹的交点即为移动台位置。TOA定位法定位精度较高，对现有网络改动小，但对移动台和基站之间的同步有较高要求。

如图3所示，TDOA定位方法是通过检测移动台信号到达多个基站的时间差来获得多个以基站为焦点的双曲线，并求解这些双曲线的交点来确定移动台的位置。由于TDOA定位法利用信号到达不同接收机的时间差，所以不要求移动台和基站之间精确的时间同步，可降低成本并仍能保证一定的定位精度。目前在移动通信网络中TDOA、TOA定位法受到广泛关注和深入研究。

GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。然而由于GPS信号以相对低功率电平(小于100瓦)和通过较大距离发送，接收到的信号强度就相对较弱(当由全向天线接收时大约为-160dBm)，这使得GPS定位技术在某些情况下不太有效。因此在出现障碍物或在建筑物内时，该信号仅勉强可用或不可用。

2006年6月，我国颁布了数字电视地面广播传输强制性标准DTMB，该标准的核心技术是清华大学提出的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术(参考中国发明专利ZL01124144.6)，该多载波技术的帧体部分采用OFDM调制方式，并首次提出了保护间隔内填充PN序列，取代了传统OFDM系统中的循环前缀。由于PN序列在接收端已知，因而可用于系统同步和信道估计。与传统的基于CP-OFDM技术相比，TDS-OFDM无需在频域插入导频信号，从而提高了OFDM的频谱利用率，克服了多载波系统传输效率低的缺点。

相比于GPS定位系统，采用数字电视信号进行定位有以下优点：数字电视信号功率比GPS信号高约40dB，在卫星系统无法达到的室内环境仍可以定位；所有电视信号发射台能保证同步；多径是GPS的主要错误来源，而DTTB标准采用的OFDM技术具有抗多径的能力；DTV信号的工作频率低，并因此而具有更好的传播特性更强的衍射，较少受到丘陵影响并且具有更大的视界，具有穿过建筑物和汽车更好的传播特性。

2009年欧洲颁布的下一代地面数字电视传输标准DVB-T2中采用了物理层管道(Physical Layer Pipe，PLP)技术。如图3所示，物理层管道是DVB-T2系统中的时分复用传输通道，不同的业务数据流输入不同的物理层管道，在各自的物理层管道中进行编码、调制，并经过射频信道进行传输，从而实现多业务传输。接收端则根据需要，对所需的物理层管道进行解调与解码，得到其中传输的业务数据，从而实现多业务传输。其主要特点在于：物理层中包含多个物理层管道，需要对多个数据流分别处理。相对于传统数字电视广播系统中基于TS流复用的多业务传输方式，基于物理层管道的多业务传输具有许多明显的优势，如可以适应不同用户、服务与接收设备的差异，支持物理层管道的灵活配置，使得系统在传输时可以根据需要对各个物理层管道的参数配置进行动态调整，从而增加了多业务传输的灵活性、降低了接收机的功耗。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高现有定位技术的适用性，增加其灵活性以及准确性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于物理层管道技术的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

S1：在发送端，在各基站之间指定用于发送定位数据的物理层管道；

S2：发送端将定位数据当做用于定位的业务数据输入所述被指定的物理层管道中进行编码、调制，并通过射频信道进行传输；

S3：在接收端，进行时域帧同步并提取业务数据的配置参数，根据提取得到的配置参数，对携带定位数据的物理层管道进行解调；

S4：根据解调结果获取包含距离信息的序列，再对此序列进行自相关及差分计算，去除相位信息，得到传输时延的估计值，根据估计值估计移动终端与各基站之间的伪距；

S5：根据伪距的估计结果，采用到达时间定位法或到达时间差定位法来确定移动终端的三维坐标位置。

所述步骤S2中，在需要传送定位数据的时频资源片内，只分配一个基站向相应的物理层管道输入定位数据，其余的基站则输入零信号；在下一次需要传送定位数据时，则再一次唯一分配另一个基站来进行物理层管道数据传送。

所述步骤S2中通过时分、频分或跳频方式来分配基站向相应物理层管道输入的定位数据；

在采用时分方式进行分配时，每个基站的定位业务只工作在对应时隙中，而在其余时隙处于休眠状态；

在采用跳频方式进行分配时，由已知伪随机序列来控制跳频图案。

所述时频资源片是连续若干个同一类型OFDM数据块的子载波组合。

所述步骤S2中，用于定位的业务数据和其他业务数据在物理层进行多业务复用，各个业务数据占据独立的物理层时频资源，并采用独立的编码、交织和星座映射方式。

所述步骤S2中，所述定位数据，其结构采用Walsh正交序列。

所述步骤S3中，所述配置参数包括：物理层管道的码率、编码方式、调制方式、交织深度、定位数据在超帧结构中的起始位置以及和长度信息；

接收端根据所述配置参数获取所需定位数据的资源位置，解调相应的数据。

所述步骤S4中的处理及自相关计算采用如下方式进行：

将解调结果在频域内先后均衡去掉发送端的定位数据、相应基站所对应的多径信道频域信道响应，得到包含距离信息的序列；

对所述包含距离信息的序列进行一步或多步自相关计算，然后进行差分计算，提取传输时延的估计值，根据所述估计值估计得到移动终端与基站之间的伪距。

所述步骤S5中，采用最大似然方法或最小二乘算法来确定三维坐标位置。

在发送端，各个基站占用相同的物理层信道来传送用于定位的业务数据；在接收端，通过不同的编码方式来区分不同的基站。

(三)有益效果

本发明技术方案借鉴PLP技术的基本想法，将定位数据当做一种用于定位的业务数据输入相应的物理层管道，占据独立的物理层时频资源。信令配置可以支持时分、频分、跳频三种复用方式。同时，为了实现区分各基站，在各个基站间采用复用的原理，即在需要传送定位信息的特定信号帧段内，只有一个发射机向相应的物理层管道输入定位数据，其他发射机输入零符号；在下一次需要传送定位数据时，由另一个发射机进行物理层管道传送。

该基于物理层管道技术的定位方法，对比现有的技术，具有以下有益效果：

首先，不同的业务可以使用不同的物理层管道中进行传输。定位数据可以采用与电视业务数据独立的编码、交织与映射方式，可根据需要选择不同的编码、交织与映射方式，以适应不同用户、服务与接收设备的差异；

其次，支持物理层管道的灵活配置，使得系统在传输时可以根据需要对各个物理层管道的参数配置进行动态调整，从而增加了多业务传输的灵活性。另外，通过配置信令获知了每个物理层管道的起始位置后，接收机可以只工作在对应的时间片上，从而可以降低接收机的功耗；

同时，各基站之间的时频资源片的分片复用，便于接收机区分各基站，并根据已知的用于定位的业务数据进行伪距估计。

总之，本定位方法具有物理层管道技术多业务传输的优势，算法简单、兼容性强、适用范围广，能实现精确定位，具有较强的可行性与实用性。此技术可应用于DTMB标准的扩展，这一增值功能将具有较明显的价值，特别是对DTMB竞争国际标准将会有积极的影响。

附图说明

图1为本发明技术方案中基于物理层管道技术的定位方法的流程图；

图2为TOA定位方法的原理示意图；

图3为TDOA定位方法的原理示意图；

图4为本发明实施例1中DVB-T2物理层管道主要模块示意图；

图5为本发明实施例1中DVB-T2物理层信令结构示意图；

图6为本发明实施例1中定位数据的物理层管道分配示意图；

图7为本发明实施例2中利用时分复用来区分发射机的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于物理层管道技术的定位方法，所述定位方法运用DVB-T2物理层管道技术可进行多业务传输的优势，将定位数据当做一种用于定位的业务数据来进行传送，并通过各基站之间时频资源片的分配来区分基站，从而实现了定位的功能。其中，所述定位数据为用于定位的已知符号。

如图1所示，所述定位方法包括如下步骤：

S1：在发送端，各基站协调发送机制，协调发送定位业务信息所占用的物理层管道，即，在各基站之间指定用于发送定位数据的物理层管道；

S2：发送端将定位数据的序列当做一种用于定位的业务数据输入所述被指定的物理层管道(PLP)中进行编码、调制，并通过射频信道进行传输；

如图4所示，为DVB-T2系统的物理层管道示意图；为了保证各基站所发送用于定位的业务数据的正交性，在需要传送定位数据的时频资源片内，只分配一个基站向相应的物理层管道输入定位数据，其余的基站则输入零信号；在下一次需要传送定位数据时，则再一次唯一分配另一个基站来进行物理层管道数据传送，这样可以保证各基站所发送用于定位的业务数据的正交性，从而实现各基站之间的区分。用于定位的业务数据和其他业务数据在物理层进行多业务复用，各个业务数据占据独立的物理层时频资源，并采用独立的编码、交织和星座映射方式，以满足不同条件下的传输需求。所述时频资源片是连续若干个同一类型OFDM数据块的子载波组合；所述定位数据的结构采用Walsh正交序列。

其中，通过时分、频分或跳频方式来分配基站向相应物理层管道输入的定位数据，以满足不同业务的设计需求；在采用时分方式进行分配时，每个基站的定位业务只工作在对应时隙中，而在其余时隙处于休眠状态；为达到在频率选择性衰落信道下的最优传输，在采用跳频方式进行分配时，由已知伪随机序列来控制跳频图案。

其中，在发送端，各个基站还可以占用相同的物理层信道来传送用于定位的业务数据；在接收端，通过不同的编码方式来区分不同的基站。

S3：在接收端，进行时域帧同步并提取业务数据的配置参数，根据提取得到的配置参数，对携带定位数据的物理层管道进行解调；

其中，所述配置参数提供了物理层管道的各种参数，包括：物理层管道的码率、编码方式、调制方式、交织深度、定位数据在超帧结构中的起始位置以及和长度信息；传输时可以根据需要对各个物理层管道的参数进行动态配置，并通过物理层信令将配置后的参数传送给接收机。接收端根据所述配置参数获取所需定位数据的资源位置，解调相应的数据，可有效降低接收机功耗。

如图5所示，为物理层信令结构。在接收机对DVB-T2信号进行解调时，首先通过P1符号完成符号定时同步，从而确定帧的起始位置，随后通过P2符号的解调获取每个物理层管道的参数，并根据这些参数的指示从P2符号之后的数据符号中对携带所需业务的物理层管道进行解调。其中，L1前信令提供L1后信令接收和解码所需要的信息，L1后信令为接收端提供寻找物理层管道所需要的信息，包括物理层管道的码率、编码方式、调制方式、交织深度、定位数据在超帧结构中的起始位置以及和长度信息。

S4：根据解调结果获取包含距离信息的序列，再对此序列，即对定位数据分配的指定子片进行自相关及差分计算，去除相位信息，得到不同基站对应的传输时延的估计值，再根据估计值估计移动终端与各基站之间的伪距；

其中，自相关计算采用如下方式进行：

步骤S4021：将解调结果在频域内先后均衡去掉发送端的定位数据、相应基站所对应的多径信道频域信道响应信息，得到包含距离信息的序列；

步骤S402：对所述包含距离信息的序列进行一步或多步自相关计算，然后进行差分计算，提取传输时延的估计值，根据所述估计值估计得到移动终端与基站之间的伪距。

S5，根据伪距的估计结果，采用到达时间定位法或到达时间差定位法来确定移动终端的三维坐标位置。

其中，所述步骤S5中采用最大似然方法或最小二乘算法来确定三维坐标位置。

下面，结合DVB-T2标准的定位方法对上述方法的过程进行具体描述：

在发送端，首先基站间协调发送定位数据所占用的物理层时频资源，然后发送端将定位数据当做一种用于定位的业务数据送入指定的物理层管道中进行编码、调制，并经过射频信道进行传输，如图6所示，本方案采用时分方式进行配置，即在业务占据连续若干个同一类型OFDM数据块的所有子载波；

在接收端，首先进行时域帧同步和配置信息的提取，根据提取得到的参数，对携带定位业务的物理层管道进行解调；对定位数据进行自相关及差分计算，进而去除相位信息，得到传输时延的估计值，估计得到终端和各基站之间的伪距，伪距的具体估计方法可以是：

估计方式一：

$R_k=\frac{Y_k}{H_{m,k}{P}_{m,k}}=\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k{\mathrm{\θ}}_m)+W_k,k\∈\mathrm{\ψ}$

${\mathrm{\θ}}_m=\frac{N}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{R}_k^{*}{R}_{k+1}\right\}$

D_m＝θ_mT_sc

估计方式二：

$R_k=\frac{Y_k}{H_{m,k}{P}_{m,k}}=\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}k{\mathrm{\θ}}_m)+W_k,k\∈\mathrm{\ψ}$

${\mathrm{\θ}}_m=\frac{N}{2\mathrm{\π\Δ}}\arg \left\{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{R}_k^{*}{R}_{k+\mathrm{\Δ}}\right\}$

D_m＝θ_mT_sc

其中，Ψ为携带用于定位的业务数据的标号集合，m为对应基站的标号，Y_k为接收序列，P_m，k为基站m使用的用于定位服务的定位数据(频域)，H_m，k为基站m对应多径信道的频域信道响应，T_s为接收机采样间隔，θ_m为基站m与终端之间的延迟抽样数，c为电磁波传播速度3×10⁸m/s，D_m为相应的距离估计。

最后采用TOA或TDOA的传统定位方法，即可实现DVB-T2系统下的三维坐标位置。

本发明的实施例利用物理层管道技术多业务传输的优势，实现了精确定位，算法具有较强的可行性与实用性和较广的适用范围。

实施例2

本发明实施例是基于OFDM超帧结构的定位方法。

用于定位的业务数据的物理层管道分配可同时支持时分、频分、跳频三种方式，以满足不同业务的设计需求。特别的，为了进一步降低功耗，可以选择时分模式，每个基站的定位业务只需工作在对应时隙中，而其他时间可处于休眠状态；为达到在频率选择性衰落信道下的最优传输，可采用跳频模式。跳频图案由已知伪随机序列控制。本实施例中采用时分的模式。

如图7所示，为了实现各基站之间的区分，在需要传送定位信息的物理层管道内，只有一个发射机向相应的管道内输入用于定位的定位数据，其他发射机输入零符号；在下一次需要传送定位数据时，由另一个发射机进行物理层管道传送。其中，如图7(a)所示，发射机#1发送的用于定位的业务数据占用前两个时间段的所有时频资源，发射机#2、#3、#4占用的时频资源片依次类推，如图7(b)、7(c)、7(d)所示，各个发射机用于定位的业务数据与电视业务数据占用相互独立的时频资源。具体的定位算法及步骤与实施例1基本相同。

用于定位业务的定位数据选用Walsh正交序列。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

S1：在发送端，在各基站之间指定用于发送定位数据的物理层管道；

S2：发送端将定位数据当做用于定位的业务数据输入所述被指定的物理层管道中进行编码、调制，并通过射频信道进行传输；

S3：在接收端，进行时域帧同步并提取业务数据的配置参数，根据提取得到的配置参数，对携带定位数据的物理层管道进行解调；

S4：根据解调结果获取包含距离信息的序列，再对此序列进行自相关及差分计算，去除相位信息，得到传输时延的估计值，根据估计值估计移动终端与各基站之间的伪距；

S5：根据伪距的估计结果，采用到达时间定位法或到达时间差定位法来确定移动终端的三维坐标位置。

2.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，在需要传送定位数据的时频资源片内，只分配一个基站向相应的物理层管道输入定位数据，其余的基站则输入零信号；在下一次需要传送定位数据时，则再一次唯一分配另一个基站来进行物理层管道数据传送。

3.如权利要求2所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中通过时分、频分或跳频方式来分配基站向相应物理层管道输入的定位数据；

在采用时分方式进行分配时，每个基站的定位业务只工作在对应时隙中，而在其余时隙处于休眠状态；

在采用跳频方式进行分配时，由已知伪随机序列来控制跳频图案。

4.如权利要求2所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述时频资源片是连续若干个同一类型OFDM数据块的子载波组合。

5.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，用于定位的业务数据和其他业务数据在物理层进行多业务复用，各个业务数据占据独立的物理层时频资源，并采用独立的编码、交织和星座映射方式。

6.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述定位数据，其结构采用Walsh正交序列。

7.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述配置参数包括：物理层管道的码率、编码方式、调制方式、交织深度、定位数据在超帧结构中的起始位置以及和长度信息；

接收端根据所述配置参数获取所需定位数据的资源位置，解调相应的数据。

8.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S4中的处理及自相关计算采用如下方式进行：

将解调结果在频域内先后均衡去掉发送端的定位数据、相应基站所对应的多径信道频域信道响应信息，得到包含距离信息的序列；

对所述包含距离信息的序列进行一步或多步自相关计算，然后进行差分计算，提取传输时延的估计值，根据所述估计值估计得到移动终端与基站之间的伪距。

9.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用最大似然方法或最小二乘算法来确定三维坐标位置。

10.如权利要求1所述的基于物理层管道技术的定位方法，其特征在于，在发送端，各个基站占用相同的物理层信道来传送用于定位的业务数据；在接收端，通过不同的编码方式来区分不同的基站。

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