CN103874199A - 一种利用循环前缀的无线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于到达时间差(TDOA)的无线定位方法。该方法利用现有通信系统中发射的调制信号中存在的循环前缀(CP)的自相关特性直接计算出目标站点到达定位基站的相对时间信息，然后由中心节点利用各定位基站测量到的时间信息计算出目标的具体位置。该方法按如下步骤实施：首先定位系统根据定位目标发射的信号特征确定信号中符号的长度和CP的长度；其次，利用信号CP的自相关特性进行自相关运算；根据自相关运算的峰值所对应的时间得出目标基站到达各个定位基站的相对时间；最后由相对时间信息采用TDOA定位算法获得目标的实际位置。和传统的方法相比，本发明的定位方法实现简单，计算复杂度低，可以实现实时定位与跟踪。

Description

一种利用循环前缀的无线定位方法

技术领域

本发明属于无线通信和信号处理技术领域，涉及无线通信系统中的定位，主要针对发射具有循环冗余前缀的无线信号的通信设备进行定位。 

背景技术

无线定位技术是利用接收到的无线电信号的参数获取定位信息，然后采用适当的定位算法计算出目标的位置。无线定位技术根据所获信号的参数以及定位系统的结构分为很多种，不管哪种定位技术，其基本原理都是类似的，即通过测量目标发射和接收的无线电信号来估计出目标和周围已知位置基站(或者接入点、卫星等)的相对几何关系如距离、角度等，从而最终确定目标的位置。那么根据无线信号的特性，常用的定位技术可以分为基于时间的定位方法，基于接收功率的定位方法，基于角度的定位方法。其中基于时间的定位技术是研究得最多的一种定位技术，即通过测量信号从发射端到接收端所用的时间或到达多个接收端的相对时间差来获取定位目标与基站的距离，从而进行定位的方法。基于时间的定位方法有优点，比如它的测量值比较稳定，不易受干扰，不太受传播环境的影响。其次它的测量也不是很复杂，在有些系统中有现存的时间参数比如GSM中的时间提前(TA)。根据时间信息可以算出目标与测量基站间的距离，因此基于时间的定位也称为基于距离的定位。 

基于时间的定位的方法中有分为TOA(到达时间)和TDOA(到达时间差)。TOA方法通过测量定位信号从发射端到接收端的时间来得到两者之间的距离，继而确定一个以发送端为圆心，以距离为半径的圆。通过多个基站的TOA测量，可以得到多个圆，这些圆的交点即为定位目标的位置。TOA需要发射端和接收端在时间上同步，因此往往实现上比较困难，尤其是当被定位的终端和定位节点间不属于同一个系统时信号的收发间没有同步机制。 

而TDOA通过测量由某两个基站发出的定位信号到达接收端的时间差来确定两个基站到达定位目标的距离差，从而进行定位的方法。该方法有时也被称为双曲线定位法，这是因为已知TDOA时，满足条件的定位目标到达两定位基站的距离差是一定的，因此定位目标在双曲线上。TDOA不需要被定位的终端和定位节点间实现同步，因此被广泛的应用到各种定位系统中，目前主要的基于时间的定位系统采用的都是基于TDOA的定位原理。 

基于TDOA的定位需要利用无线信号测量出发射端到多个接收端的传输时间差。考虑如图1中的定位系统中有多个基站根据定位目标发出的无线信号测量出定位目标到达定位基站的到达时间。假设定位基站是固定不动的，其位置已知，并且定位基站间是同步的。而定位目标为-图1TDOA定位方法示意图：里的定位基站可以是无线电监 测站或其它可以接收定位目标发出的无线电信号的任意接收机，但是定位基站不属于定位目标所属的通信系统，也即定位基站和目标间不存在任何通信，也不知道定位目标发射信号的具体内容，但可以利用目标信号的某些特性获得目标到达各个监测站点的时间差。对于通常的无线信号，由于定位基站不知道目标信号的具体内容，因此单个基站无法根据检测到的目标信号计算出时间信息。要获得TDOA算法需要的时间差，必需把各个基站的信号传送到某个中心节点做联合处理。但是这种方法需要建立起每个基站到中心节点的大容量的数据通道，成本很高，定位的实时性很差。如果每个基站能够计算出目标信号的时间信息，那么只要把时间信息传送到中心节点进行处理，这样传送的数据量很少，处理时延很短，可以很快的实现定位。目前许多通信系统采用OFDM(正交频分复用)调制或者单载波调制以提高频谱效率，例如无线局域网802.11a/g/n标准采用OFDM调制，第四代移动通信系统LTE则采用下行OFDM上行单载波调制。这些调制方法具有一个共同的特点，就是采用循环前缀(CP)来抑制无线信道的码间干扰如图2所示。循环前缀即把通信符号的时域信号的末尾一段信号复制加到该时域信号的前面，即s(t)＝s(t+T_sym)当t＝0～T_CP，T_sym为符号长度。利用CP信号的自相关特性，定位基站就可以计算出目标站点到达接收机的相对时间，然后送到中心节点通过某种TDOA的定位算法获得目标站点的位置。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，利用现有通信系统中调制信号中存在的CP的自相关特性计算出目标站点到达定位基站的相对时间信息，然后通过低速的通道传送到中心节点，中心节点利用TDOA定位算法来计算出目标的具体位置。和传统的方法相比，本发明的定位方法实现简单，定位基站和中心节点间不需要建立大容量的专用通道，成本大大降低，而且计算复杂度低，可以实现实时定位与跟踪。 

本发明的定位方法具体描述如下： 

1)假设目标站点发射的基带信号是s(t)，信号经过一定的信道延迟(取决于目标和定位基站间的距离)到达第i个定位基站的接收端，在接收端经过AD采样成为离散的数字信号y_i(k)＝α_is(k+Δ_i)+w_i(k)，其中α_i是信号的衰减，Δ_i为延时，w_i(k)是噪声和干扰之和。假设带有循环前缀的符号长度为T_sym，CP长度为T_CP，那么我们可以做如下的相关运算获得到达的相对时间。 

$A_i\left(\mathrm{\τ}\right)=\left|\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i)y_i^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+T_{\mathrm{sym}})\right|$

$=|{\left|{\mathrm{\α}}_i\right|}^2\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}s(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i)s^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+T_{\mathrm{sym}})+{w_i}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)|$

由于CP的自相关特性s(t)＝s(t+T_sym)当t＝0～T_CP，当τ＝-Δ_i时， 

出现一个峰值，因此到达时间Δ_i可以根据A_i(τ)的峰值估算得到。 

${\mathrm{\Δ}}_i=-\arg \underset{\mathrm{\τ}}{\max }\left(A_i\left(\mathrm{\τ}\right)\right)$

2)上面的估计到达时间的公式中，我们只考虑了利用一个符号的CP做相关运算，然后根据峰值来估算出到达时间，而由于在实际通信系统中CP的长度都很有限，因此在信噪比不高的情况下，只利用一个符号的CP做相关运算其可靠性不高，因此本发明考虑将多个连续符号中的CP的相关值做累加来提高峰值。令 

${A_i}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left|\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}}))y_i^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}})+T_{\mathrm{sym}})\right|$

一般累积的符号数M取决于通信信号帧的长度，而对于如地面数字电视这样的连续传输系统，这取决于计算的复杂度、接收信噪比和要求的延迟。对于到达时间的估算的精度则越长越好。累积效果如图3，累积6次的峰值均值比明显比单次相关结果要高，因此峰值检测的结果更可靠。 

3)对每个定位基站都可以采用上述方法计算得出目标到达接收机的时间Δ_i，这些 值通过其它通道传送到一个中心节点，然后中心节点就可以根据TDOA计算方法计算出目标基站的确切位置。常用的计算方法如最小二乘法和泰勒技术展开法等。 

4)对于到达时间Δ_i的计算，在实际中由于接收端往往不知道接收到的信号是属于哪个符号，因此当信道延迟之间相差整数个符号长度时，即Δ_i-Δ_j＝k(T_sym+T_CP)，k是一个整数，这时接收端无法知道相差多少个整数符号长度，因而定位算法可能计算出多个目标位置，这种不确定性可以通过其它方法来解决，比如利用目标信号到达不同基站的角度信息来确定目标的大体位置。或者在对移动目标的跟踪算法实现中也可以利用目标的过去的位置信息来解决到达时间的整数倍符号长度的不确定性。在实际通信系统中，一个传输符号的长度换算成距离是很长的，例如LTE系统中一个符号长度为66.7μs，相当于20公里，而地面数字广播就更长了。因此只要定位区域不是太大的话，很容易能够解决上述的不确定性。 

5)对于系统其它信息的获取，例如CP长度和符号长度，可以根据信号的其它特性获得。比如可以根据信号的发射频率和带宽可以大致知道该通信终端使用的是WiFi通信还是LTE通信或其它通信系统。然后根据其通信系统的标准参数获得CP长度和符号长度。 

本发明的有益效果主要体现在以下两个方面： 

1)提出利用现有通信系统中调制信号中存在的CP的自相关特性直接计算出目标站点到达定位基站的相对时间信息，然后把时间信息送到中心节点定位。和传统的方法相比，本发明的定位方法实现简单，定位基站和中心节点间不需要建立大容量的专用通道，成本大大降低，而且计算复杂度低，可以实现实时定位与跟踪 

2)提出把连续的多个符号存在的CP相关值做相加累积以提高相关峰值的相对幅度，克服低信噪比的检测困难，当累积符号增加时，可以大大提高检测的可靠性。 

附图说明

图1是本发明定位方法的系统示意图。 

图2是定位方法流程图 

图3是带有循环前缀的通信信号结构图。 

图4给出单次自相关结果和6次累计相关结果。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明： 

如图1所示，本发明利用多个定位基站接收到的目标站点发射的无线信号进行定位。目标站点与定位基站间没有通信，因此基站不知道目标站点发射信号的详细信息。目标站点为一通过无线方式通信的站点或者移动终端。目标站点的通信信号格式具有循环前缀，如LTE、无线局域网802.11a/g/n、地面数字广播DVB-T等。 

如图2所示，定位基站首先通过目标信号的频点、带宽等信息获取其通信制式，然后确定通信采用的符号长度和CP长度。接收信号经过变频后在基带通过AD变换器采样，然后对采样信号y_i(k)作CP长度的滑动自相关运算 

${A_i}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left|\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}}))y_i^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}})+T_{\mathrm{sym}})\right|$

根据自相关结果得出其峰值对应的时间，由此得出目标到达基站的相对时间。 

${\mathrm{\Δ}}_i=-\arg \underset{\mathrm{\τ}}{\max }\left({A_i}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\right)$

上述累积的符号数M取决于通信信号帧的长度，而对于如地面数字电视这样的连续传输系统，这取决于计算的复杂度、接收信噪比和要求的延迟。对于到达时间估算的精度越长越好。对每个定位基站都可以采用上述方法计算得出目标到达接收机的时间Δ_i，这些值通过其它通道传送到一个中心节点，然后中心节点就可以通过某种TDOA定位算法计算出目标基站的确切位置。对于信道延迟之间相差整数个符号长度带来的不确定性可以利用其他方法解决，如可以通过目标信号到达不同基站的角度信息或者到达不同定位基站的信号强度来确定目标的大体位置来解决。然后中心节点就可以根据TDOA计算方法计算出目标基站的确切位置。常用的计算方法如最小二乘法和泰勒技术展开法等。图3给出了带有CP的通信系统的信号结构，图4给出了利用多个连续符号的相关累积的效果，在低信噪比条件下可以很可靠的获得峰值位置。 

Claims (1)

1.一种利用循环前缀的无线定位方法。利用现有通信系统中发射的调制信号中存在的循环前缀(CP)的自相关特性直接计算出目标站点到达定位基站的相对时间信息，然后通过基于到达时间差(TDOA)的定位算法计算出目标的具体位置的定位方法。该方法按如下步骤进行：

1)假设目标站点发射的基带信号是s(t)，信号经过一定的信道延迟后到达定位基站的接收端，在接收端通过AD采样后的数字信号为y_i(k)＝α_is(k+Δ_i)+w_i(k)，其中Δ_i到达第i个定位基站的延迟，α_i是信号经过信道的衰减，w_i(k)表示噪声和干扰之和。假设通信信号一个符号长度为T_sym，CP长度为T_CP，那么我们可以通过做如下的相关运算获得到达的相对时间。

$A_i\left(\mathrm{\τ}\right)=\left|\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i)y_i^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+T_{\mathrm{sym}})\right|$

由于CP的特性(s(t)＝s(t+T_sym)当t＝0～T_CP)，当τ＝-Δ_i时，A_i(τ)会出现一个峰值，如图3所示。因此到达时间Δ_i可以根据A_i(τ)的峰值估算得到。

${\mathrm{\Δ}}_i=-\arg \underset{\mathrm{\τ}}{\max }\left(A_i\left(\mathrm{\τ}\right)\right)$

2)上面的估计到达时间的公式中，我们只考虑了利用一个符号的CP做相关运算，然后根据峰值来估算出到达时间，而由于在实际通信系统中CP的长度都很有限，因此在信噪比不高的情况下，只利用一个符号的CP做相关运算其可靠性不高，因此本发明考虑将多个连续符号中的CP的相关值做累加来提高峰值。令

${A_i}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left|\underset{m-0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{T_{\mathrm{CP}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}}))y_i^{*}(\mathrm{\τ}+k+{\mathrm{\Δ}}_i+m(T_{\mathrm{sym}}+T_{\mathrm{CP}})+T_{\mathrm{sym}})\right|$

一般累积的符号数M取决于通信信号帧的长度，而对于如地面数字电视这样的连续传输系统，这取决于计算的复杂度、接收信噪比和要求的延迟。对于到达时间的估算的精度则越长越好。

3)对每个定位基站都可以采用上述方法计算得出目标到达接收机的时间Δ_i，这些值通过其它通道传送到一个中心节点，然后中心节点就可以通过某种TDOA定位算法计算出目标基站的确切位置。

4)对于到达时间Δ_i的计算，在实际中由于接收端往往不知道接收到的信号是属于哪个符号，因此当信道延迟之间相差整数个符号长度时，即Δ_i-Δ_j＝k(T_sym+T_CP)，k是一个整数，这时接收端无法知道相差多少个整数符号长度，因而定位算法可能计算出多个目标位置，这种不确定性可以通过其它方法来解决，比如利用目标信号到达不同基站的角度信息或者到达不同定位基站的信号强度来确定目标的大体位置。在对移动目标的跟踪算法实现中也可以利用目标的过去的位置信息来解决到达时间的整数倍符号长度的不确定性。

5)对于系统其它信息的获取，例如CP长度和符号长度，可以根据信号的其它特性获得。比如可以根据信号的发射频率和带宽可以大致知道该通信终端使用的是WiFi通信还是LTE通信或其它通信系统。然后根据其通信系统的标准参数获得CP长度和符号长度。

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