CN103874190A - 一种用户终端的定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种定位方法，基站和终端采用波束成型天线阵列进行信号收发，定位终端的方法包括：对于覆盖终端的每个基站，如果该基站与所述终端间的信号经反射体反射到达对端，则确定该基站的镜像基站的位置；根据与所述终端通过反射体反射进行信号传输的基站的镜像基站的位置和/或与所述终端进行直线传输的基站的位置、以及各所述基站与所述终端间的信号传输路径，确定所述终端的位置。在毫米波频段应用本发明，能实现非视距传输情况下终端的准确定位。

Description

一种用户终端的定位方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别是涉及一种用户终端（UE）的定位方法。

背景技术

波长从10毫米至1毫米、频率从30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的电磁波称为毫米波，利用毫米波进行通信的方法叫毫米波通信。毫米波通信分毫米波波导通信和毫米波无线电通信两大类。毫米波通信的优点是：1、可用频带极宽。毫米波段频带宽度为270吉赫（GHz），为整个短波波段的一万倍；2、方向性强，保密性好；3、干扰很小，几乎不受大气干扰、宇宙干扰和工业干扰的影响，因而通信稳定。

目前,60GHz毫米波通信的研发工作正日益活跃起来，IEEE802.11工作组就是针对60GHz毫米波制定IEEE802.11ad标准。该技术面向个人计算机（PC）、数字家电等应用，能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。今后在业内多家厂商的积极推动下，毫米波通信的应用将会不断扩展。

在实际应用中，尽管毫米波通信具有方向性强的特点，但是，氧衰和雨衰对毫米波通信影响也比较明显；同时，叶子也会对毫米波通信有影响。另外，毫米波的绕射性能比较差，在非视距传输（NLOS）情况下（即传输的天线没有直接相对，非点对点直线传输的情况），基本上无法通信。因此，在非视距情况下，如何利用毫米波对用户终端进行定位，就成了一个需要解决的问题。

目前，在非视距传输下无法借助毫米波进行定位。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种定位方法，在毫米波频段应用本发明，能实现非视距传输情况下终端的准确定位。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种定位方法，基站和终端采用波束成型天线阵列进行信号收发，定位终端的方法包括：

对于覆盖终端的每个基站，如果该基站与所述终端间的信号经反射体反射到达对端，则确定该基站的镜像基站的位置；

根据与所述终端通过反射体反射进行信号传输的基站的镜像基站的位置和/或与所述终端进行直线传输的基站的位置、以及各所述基站与所述终端间的信号传输路径，确定所述终端的位置。

综上所述，本发明提出的定位方法，在基站与终端之间的通信是利用反射体的反射实现信号传输时，先确定基站的镜像基站的坐标，然后，利用镜像基站的坐标以及相应的信号传输路径来对终端进行定位，从而能实现非视距传输情况下终端的准确定位。

附图说明

图1为本发明定位方法的流程示意图；

图2为基站与终端之间通过反射体反射来进行信号传输的示意图；

图3为基站与镜像基站的连线在水平面的投影与反射体在水平面上的投影关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是：对于覆盖终端的每个基站，如果基站与终端之间的通信是利用反射体的反射实现信号传输，则找出其对应的镜像基站的坐标，然后利用镜像基站的坐标以及相应的信号传输路径，对终端进行定位。

为实施本发明的定位方法，要求基站周围存在反射体，用于反射基站与被遮挡终端间的传输信号。反射体可以是建筑物等，优选反射性能较好的物体。其中，反射体可以为一个或多个，优选地，其位置和方向能够保证基站的反射信号能够覆盖小区内被遮挡的区域，从而利用相应的反射物实现基站信号在小区内的全覆盖。具体可以利用现有的建筑物等作为反射体，如果基站周围没有合适的反射物能够进行传输信号的反射，也可以额外设置反射体。同时，由于某些反射体（例如具有反射功能的建筑物）本身也可能成为遮挡物，对部分区域的直线通信造成障碍，因此在设置反射体时也要考虑到这方面的因素。具体根据上述原则如何选择反射体的位置和方向，属于本领域技术人员的常用技术手段，这里就不再赘述。

图1为本发明定位方法的流程示意图。其中，图1所示的流程中，以基站工作在毫米波频段为例，基站和均采用波束成形天线陈列进行信号的收发。如图1所示，定位终端的方法包括：

步骤101、对于覆盖终端的每个基站，如果该基站与所述终端间的信号经反射体反射到达对端，则确定该基站的镜像基站的位置。

这里需要说明的是，在实际应用中，覆盖终端的基站中，可能会有与终端之间不存在障碍物而直线传输的基站，也可能会有与终端之间存在障碍物而需要通过反射体反射来进行信号传输的基站（如图2所示）。对于前者，基站可以直接根据自身的坐标确定终端的坐标，而对于后者，由于传输路径非直线，而基站无法直接根据自身的坐标对终端进行定位。

本步骤中，对于与终端间需要通过反射体反射传输的基站，需要确定出相应的镜像基站的坐标。而镜像基站可以视为虚拟的与终端进行直线传输的基站，其与终端间的虚拟传输路径与实际基站与终端间的真实传输路径长度相同，因此，可以利用实际基站与终端间的传输路径以及虚拟基站的坐标，对终端进行准确定位。

较佳地，可以采用下述方法来确定各基站的镜像基站位置，具体包括：

步骤1011、确定基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角β。

这里需要说明的是，在实际应用中基站发送的信号通过反射体反射后到达终端，相应地，终端发送的信号经反射体反射后到达基站。由于基站和终端均采用波束成形天线阵列，因此可以控制信号的发送方向，当确定通过某一方向的信号发射可以被对端正确接收后，即可以在下次信号发送时仍然按照相同的波束成形方向进行信号的接收和发送，从而能够在终端和基站间确定出一条相对固定的信号传输路径。本步骤中，需要确定基站侧进行信号发送和接收的波束成形方向在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角β。

步骤1012、确定反射体在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角的候选集合Ω＝{β，β+Δ,…,β+(M-1)·Δ,β+(M-1)·Δ}，其中，Δ为预设的夹角间隔，或者

这里需要说明的是，由于确定镜像基站的坐标需要获知反射体在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角，而该夹角无法测量到，因此在本步骤中需要根据预设的夹角间隔，来确定候选的夹角集合，这样在后续步骤中通过分别计算各候选夹角对应的镜像基站的坐标，然后再根据终端入射信号的波达方向AOA，来确定出正确的镜像基站的坐标。

所述夹角间隔Δ可由本领域人员根据实际需要设置合适取值，Δ值越大候选的夹角数量少，算法复杂度小，但是会降低所确定的镜像基站位置的准确度，Δ值越小候选的夹角数量多，会提高所确定的镜像基站位置的准确度，但是会导致算法复杂度增加。

步骤1013、对于所述候选集合中的每个夹角αm，计算对应的反射体在水平面投影的法线与基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面上的投影的夹角γ_m＝90°+α_m-β；确定对应的基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d。

较佳地，可以采用下述方法确定对应的基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d：

方法一：按照d＝2L·cos(90°+α_m-β)，计算基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d。

其中，所述L为基站到反射点的连线在水平面的投影长度。

较佳地，可以采用下述方法确定基站到反射点的连线在水平面的投影长度L：

步骤x1、计算当反射点分别位于反射体的两侧边上时，基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面的投影与系统坐标系Y轴的夹角β′和β″。

步骤x2、根据所述β′和β″，计算 ${(A\·\left(\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}-\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}^{\′}-{\mathrm{\β}}^{\′\′}}\right))}^2={\left(L^{\′}\right)}^2+L^2-2\·L^{\′}\·L\·\cos ({\mathrm{\β}}^{\′}-\mathrm{\β})$ 得到所述L，其中，A为反射体的宽，L′为夹角β′对应的一侧反射点与基站的连线在水平面的投影长度。

方法二、

计算当反射点分别位于反射体的任一侧边上时，基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面的投影与系统坐标系Y轴的夹角β′；

确定所述夹角β′对应的一侧反射点与基站的连线在水平面的投影长度L′，以及该投影与系统坐标系X轴的夹角λ；

计算基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d＝2L′·cos(α_m+λ)。

在实际应用中，所述夹角β′、投影长度L′以及夹角λ，可预先测量得到，具体方法为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

这里需要说明的是，如图3所示，实际上预设的反射体的角度就等于反射体在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角，基站与镜像基站的连线在水平面的投影与水平方向（即系统坐标系X轴方向）的夹角等于反射体在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角α_m，而且，反射体在水平面的投影是以基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度一半d/2为半径以基站为圆心的圆切线，这样，就可以计算基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d＝2L′·cos(α_m+λ)。

步骤1014、对于所述候选集合中的每个夹角α_m，计算方程组

得到对应的镜像基站的坐标（x′_m，y′_m），其中，（x，y）为基站的坐标。

步骤1015、从所有所述夹角α_m对应的镜像基站的坐标（x′_m，y′_m）中，选择最接近所述终端入射信号的波达方向AOA反向延长线的坐标，作为基站的镜像基站坐标。

步骤102、根据与所述终端通过反射体反射进行信号传输的基站的镜像基站的位置和/或与所述终端进行直线传输的基站的位置、以及各所述基站与所述终端间的信号传输路径，确定所述终端的位置。

在实际应用中，可以由所述终端的服务基站或预设的专用于定位的网络实体确定所述终端的位置。当由服务基站确定终端的位置时，覆盖终端的其他各基站需要将其镜像基站坐标或基站自身的坐标（当基站与终端之间进行直线传输时）通知给服务基站。当由专用于网络定位的实体确定终端的位置时，覆盖终端的各基站需要将其镜像基站坐标或基站自身的坐标（当基站与终端之间进行直线传输时）通知给服务基站。

较佳地，步骤102中可以采用下述方法来确定终端的位置：

步骤1021、利用基站和终端间的信号传输方式和信号强度，确定用于定位的基站或镜像基站。

在实际应用中，覆盖终端的基站可以是一个或多个，当是多个时，可以选择一至三个基站或镜像基站对终端进行定位，用于定位的基站或镜像基站数量越多，定位的准确度也越高。

较佳地，可以采用下述方法确定用于定位的基站或镜像基站：

步骤y1、对于覆盖终端的每个基站，如果该基站与所述终端通过反射体反射进行信号传输，则将该基站的镜像基站确定为候选定位基站；如果该基站与所述终端进行直线传输，则将该基站确定为候选定位基站。

步骤y2、当所确定的候选定位基站数量大于3时，对所述候选定位基站按照接收信号强度的降序或信噪比（SNR）的降序进行排序，将前3个候选定位基站确定为用于定位的基站或镜像基站。

这里通过选择信号质量最好的基站或镜像基站来进行定位，可以提高定位的准确度。另外，在实际应用中，考虑到与终端进行直线传输的基站对终端定位的准确度较高，还可以按照下述策略进行选择用于定位的基站或镜像基站：优先选择候选定位基站中的实体基站，当基站数不够3个时，再从候选定位基站中的镜像基站里，选择接收信号质量好的作为于定位的镜像基站。

当所确定的候选定位基站数量不大于3时，从所述候选定位实体中选择N个作为用于定位的基站或镜像基站，N小于或等于候选定位基站数量。

这里如前所述，N越大定位的准确度也越高，本领域人员可根据实际需要选择合适的取值。

步骤1022、利用各所述用于定位的基站或镜像基站的坐标以及终端与各所述用于定位的基站或镜像基站间的信号传输路径，确定所述终端的位置。

在实际应用中，当用于定位的基站或镜像基站数量不同时，确定终端位置的方法也将不同。

较佳地，当用于定位的基站或镜像基站数量为三个时，计算 $\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_2)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_1)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_1)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_3)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_1)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_1)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}\right.,$ 可以得到所述终端的坐标(x_UE,y_UE)。

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)为用于定位的基站或镜像基站的坐标；R₂₁为终端与坐标为(x₂,y₂)的基站或镜像基站间的信号传输路径和终端与坐标为(x₁,y₁)的基站或镜像基站间的信号传输路径的长度差；R₃₁为终端与坐标为(x₃,y₃)的基站或镜像基站间的信号传输路径和终端与坐标为(x₁,y₁)的基站或镜像基站间的信号传输路径的长度差。

所述R₂₁和R₃₁可以通过测量到的终端到两基站间的信号传输时间差或路损差得到，具体方法为本领域人员所掌握，在此不再赘述。

较佳地，当用于定位的基站或镜像基站数量为两个时，可以采用下述方法确定所述终端的位置：

分别以两个用于定位的基站或镜像基站的坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)为圆心，以对应的与终端间的信号传输路径为半径作圆，得到两个圆。

计算两个圆的交点坐标，将最接近所述终端入射信号的波达方向AOA的交点坐标，作为所述终端的坐标。

具体的交点坐标的确定为本领域人员所掌握，在此不再赘述。

较佳地，当用于定位的基站或镜像基站数量为一个时，计算 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{UE}}=S\·\sin \mathrm{\θ}+x_1\\ y_{\mathrm{UE}}=S\·\cos \mathrm{\θ}+y_1\end{array}\right.,$ 得到所述终端的坐标(x_UE,y_UE)，其中，θ为所述终端入射信号的波达方向AOA角度，(x₁,y₁)为用于定位的基站或镜像基站的坐标，S为终端与用于定位的基站或镜像基站间的信号传输路径长度。

所述S可通过终端与用于定位的基站或镜像基站间的路损计算得到，具体方法为本领域人员所掌握，在此不再赘述。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种定位方法，其特征在于，基站和终端采用波束成型天线阵列进行信号收发，定位终端的方法包括：

对于覆盖终端的基站，如果该基站与所述终端间的信号经反射体反射到达对端，则确定该基站的镜像基站的位置；

根据与所述终端通过反射体反射进行信号传输的基站的镜像基站的位置和/或与所述终端进行直线传输的基站的位置、以及各所述基站与所述终端间的信号传输路径，确定所述终端的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述镜像基站的位置的方式包括：

确定基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角β；

确定反射体在水平面上的投影与系统坐标系Y轴的夹角的候选集合Ω＝{β，β+Δ,…,β+(M-1)·Δ,β+(M-1)·Δ}，其中，Δ为预设的夹角间隔，

或者

对于所述候选集合中的每个夹角α_m，计算对应的反射体在水平面投影的法线与基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面上的投影的夹角γ_m＝90°+α_m-β，确定对应的基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d；

对于所述候选集合中的每个夹角α_m，计算方程组

得到对应的镜像基站的坐标（x′_m，y′_m），其中，（x，y）为基站的坐标；

从所有所述夹角α_m对应的镜像基站的坐标（x′_m，y′_m）中，选择最接近所述终端入射信号的波达方向AOA反向延长线的坐标，作为基站的镜像基站坐标。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定对应的基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d的方式包括：

按照d＝2L·cos(90°+α_m-β)，计算基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d，其中，L为基站到反射点的连线在水平面的投影长度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述基站到反射点的连线在水平面的投影长度L的方式包括：

计算当反射点分别位于反射体的两侧边上时，基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面的投影与系统坐标系Y轴的夹角β′和β″；

根据所述β′和β″，计算 ${(A\·\left(\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}-\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}^{\′}-{\mathrm{\β}}^{\′\′}}\right))}^2={\left(L^{\′}\right)}^2+L^2-2\·L^{\′}\·L\·\cos ({\mathrm{\β}}^{\′}-\mathrm{\β})$ 得到所述L，其中，A为反射体的宽，L′为夹角β′对应的一侧反射点与基站的连线在水平面的投影长度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定对应的基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d的方式包括：

计算当反射点分别位于反射体的任一侧边上时，基站发送或接收传输信号的波束成型方向在水平面的投影与系统坐标系Y轴的夹角β′；

确定所述夹角β′对应的一侧反射点与基站的连线在水平面的投影长度L′，以及该投影与系统坐标系X轴的夹角λ；

计算基站与镜像基站的连线在水平面的投影长度d＝2L′·cos(α_m+λ)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述终端的位置的方式包括：

利用基站和终端间的信号传输方式和信号强度，确定用于定位的基站或镜像基站；

利用各所述用于定位的基站或镜像基站的坐标以及终端与各所述用于定位的基站或镜像基站间的信号传输路径，确定所述终端的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定用于定位的基站或镜像基站的方式包括：

对于覆盖终端的每个基站，如果该基站与所述终端通过反射体反射进行信号传输，则将该基站的镜像基站确定为候选定位基站；如果该基站与所述终端进行直线传输，则将该基站确定为候选定位基站；

当所确定的候选定位基站数量大于3时，对所述候选定位基站按照接收信号强度的降序或SNR的降序进行排序，将前3个候选定位实体确定为用于定位的基站或镜像基站；

当所确定的候选定位基站数量不大于3时，从所述候选定位基站中选择N个作为用于定位的基站或镜像基站，N为小于或等于候选定位基站数量。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当用于定位的基站或镜像基站数量为三个时，计算 $\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_2)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_1)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_1)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_3)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_{\mathrm{UE}}-x_1)}^2+{(y_{\mathrm{UE}}-y_1)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}\right.,$ 得到所述终端的坐标(x_UE,y_UE)，其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)为用于定位的基站或镜像基站的坐标；R₂₁为终端与坐标为(x₂,y₂)的基站或镜像基站间的信号传输路径和终端与坐标为(x₁,y₁)的基站或镜像基站间的信号传输路径的长度差；R₃₁为终端与坐标为(x₃,y₃)的基站或镜像基站间的信号传输路径和终端与坐标为(x₁,y₁)的基站或镜像基站间的信号传输路径的长度差。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当用于定位的基站或镜像基站数量为两个时，确定所述终端的位置的方式包括：

分别以两个用于定位的基站或镜像基站的坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)为圆心，以对应的与终端间的信号传输路径为半径作圆，得到两个圆；

计算两个圆的交点坐标，将最接近所述终端入射信号的波达方向AOA的交点坐标，作为所述终端的坐标。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当用于定位的基站或镜像基站数量为一个时，计算 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{UE}}=S\·\sin \mathrm{\θ}+x_1\\ y_{\mathrm{UE}}=S\·\cos \mathrm{\θ}+y_1\end{array}\right.,$ 得到所述终端的坐标(x_UE,y_UE)，其中，θ为所述终端入射信号的波达方向AOA角度，(x₁,y₁)为用于定位的基站或镜像基站的坐标，S为终端与用于定位的基站或镜像基站间的信号传输路径长度。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述终端的服务基站或预设的专用于定位的网络实体确定所述终端的位置。

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