CN104822135A - 一种适用于nlos环境下的蜂窝网无线协作定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，该方法包括如下步骤：S1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台组成成员之间均能相互通信的协作定位组；S2、根据所述协作定位组中各待定位移动台与该移动台当前所属基站的距离和各待定位移动台之间的距离，利用协作定位算法计算所述协作定位组中各待定位移动台的坐标值；S3、重复步骤S1至S2，直至蜂窝网中所有待定位移动台均已定位。本发明所述技术方案不仅有效地提高NLOS环境下的定位精度，同时还能解决现有基站间协作定位技术在移动台和基站之间的上下行链路不能通信的情况下无法定位的问题。

Description

一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法
技术领域
本发明涉及室外蜂窝网无线定位领域。更具体地，涉及一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法。
背景技术
在蜂窝网无线定位中，由于通信网络环境下障碍物如建筑物、行人、汽车等的影响，信号产生反射、折射等现象，从而产生非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)误差，导致基于时间的测量值与真实值相比会有一个大的正偏差。这是影响定位精度的主要因素。因此，如何降低NLOS误差的影响成为提高定位精度的关键因素之一。
当前蜂窝网无线定位技术研究中，主要有三种技术方案：一是采用定位圆估计，利用锚节点通过一定的规则做圆，再通过所得到的多个定位圆之间的交点及定位直线的交点不断缩小未知节点的估算区域，直到得到包含未知节点的最小区域，取最小区域质心的位置作为未知节点的估算坐标。但是这种方案受NLOS的影响会导致定位误差很大。二是基于距离的定位，通过测量信道从基站到移动台的时间、角度等信息，得到其相应的距离信息再进行定位。但是该方案需要进行大量的数据采样和数据处理来建立所需的经验数据库，所需的计算量较大。三是基站间协作的定位，该定位方案需要至少三个基站且在基站和移动台之间的上下行链路中会存在干扰，甚至会出现移动台不能与基站进行通信，从而无法进行定位的情况。
因此，需要提供一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，在蜂窝小区NLOS环境下提高定位精度、降低成本，而且解决因移动台与基站不能进行通信，从而无法进行定位的情况。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，该方法包括如下步骤：
S1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台组成成员之间均能相互通信的协作定位组；
S2、根据所属协作定位组中各待定位移动台与该移动台当前所属基站的距离和各待定位移动台之间的距离，利用协作定位算法计算协作定位组中各待定位移动台的坐标值；
S3、重复步骤S1至S2，直至蜂窝网中所有待定位移动台均已定位。
优选地，步骤S1进一步包括如下子步骤：
S1.1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台，根据选出的移动台之间的距离判定选出的移动台之间是否均可以相互通信，若是则转入步骤S1.2；若否则在不能与其他选出的待定位移动台之间均可以相互通信的待定位移动台当前所属的蜂窝小区中重新选出一个待定位移动台；
S1.2、将选出的待定位移动台划入协作定位组。
优选地，步骤S1.1中根据选出的移动台之间的距离判定选出的移动台之间是否均可以相互通信的判定条件是若两移动台之间的距离小于等于300m，则两移动台之间可以通信。
优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：
S2.1、在协作定位组中随机选出三个待定位移动台分别设为第一移动台、第二移动台和第三移动台；
S2.2、利用到达时间定位法对第一移动台进行定位；
S2.3、分别利用第一移动台与第二移动台、第三移动台之间的距离和第二移动台、第三移动台与其当前所属基站之间的距离计算第二移动台和第三移动台的坐标值；
S2.4、在协作定位组中各已定位移动台中随机选出一个设为第一移动台，在协作定位组中各待定位移动台中随机选出两个待定位移动台分别设为第二移动台和第三移动台，重复步骤S2.3，直至协作定位组中所有待定位移动台均已进行定位。
优选地，步骤S2.3进一步包括如下子步骤：
S2.3.1、以第二移动台与其当前所属基站之间的距离为半径且以该基站为圆心画第一圆，再以第一移动台和第二移动台之间距离为半径且以第一移动台为圆心画第二圆，若第一圆和第二圆之间有两个交点，则第二移动台的两个可能的坐标值分别为该两个交点的坐标值；若第一圆和第二圆之间有一个交点，则第二移动台的坐标值即为该交点坐标值；若第一圆和第二圆之间无交点，则第二移动台的坐标值取第一移动台与第二移动台的当前所属基站连线中点的坐标值；
S2.3.2、以第三移动台与其当前所属基站之间的距离为半径且以该基站为圆心画第三圆，再以第一移动台和第三移动台之间距离为半径且以第一移动台为圆心画第四圆，若第三圆和第四圆之间有两个交点，则第三移动台的两个可能的坐标值分别为该两个交点的坐标值；若第三圆和第四圆之间有一个交点，则第三移动台的坐标值即为该交点坐标值；若第三圆和第四圆之间无交点，则第三移动台的坐标值取第一移动台与第三移动台的当前所属基站连线中点的坐标值；
S2.3.3、若第一圆和第二圆之间与第三圆和第四圆之间均有两个交点，则利用第二移动台和第三移动台之间的通信得到第二移动台和第三移动台之间的真实距离，并分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离，分别计算第二移动台和第三移动台之间的真实距离与各可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的第二移动台和第三移动台可能的坐标值分别作为最终得到的第二移动台和第三移动台的坐标值；
若第一圆和第二圆之间或第三圆和第四圆之间的一组有两个交点且另一组有一个交点时，则利用第二移动台和第三移动台之间的通信得到第二移动台和第三移动台之间的真实距离，并分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值与坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离，分别计算第二移动台和第三移动台之间的真实距离与各可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的第二移动台或第三移动台可能的坐标值作为最终得到的第二移动台或第三移动台的坐标值。
优选地，步骤S2.3.3中分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值计算第二移动台和第二移动台之间的各可能的距离的方法为：第二移动台和第三移动台之间的可能的距离为第二移动台可能的坐标值与第二移动台可能的坐标值平方相减。
优选地，步骤S2.3.3中利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值与坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离的方法为：第二移动台和第三移动台之间可能的距离为第二移动台可能的坐标值与第三移动台坐标值平方相减或第二移动台坐标值与第三移动台可能的坐标值平方相减。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案结合定位圆算法，在NLOS环境下使得定位精度有效提高。现有的基站间协作定位算法成本高，且在基站和移动台之间的上下行链路中会存在干扰，甚至会出现移动台与基站不能进行通信，从而无法进行定位的情况。本发明所述技术方案采用移动台间的协作定位，不仅能提高定位精度、降低成本，而且能很好地解决因移动台与基站不能进行通信，从而无法进行定位的情况。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出蜂窝网定位流程图。
图2示出蜂窝小区定位环境示例图。
图3示出协作定位组示例图。
图4示出适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法中协作定位算法示例图。
图5示出适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法性能对比图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法包括以下步骤：
Step1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台组成成员之间均能相互通信的协作定位组；
Step2、根据协作定位组中各待定位移动台与该移动台当前所属基站的距离和各待定位移动台之间的距离，利用协作定位算法计算协作定位组中各待定位移动台的坐标值；
Step3、重复步骤Step1-Step2，直至蜂窝网中所有待定位移动台均已定位。
其中
步骤Step1包括如下子步骤：
Step1.1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台，根据选出的移动台之间的距离判定选出的移动台之间是否均可以相互通信(本实施例中设移动台间可通信范围为小于等于300m，大于300m则认为移动台间不可通信)，若是则转入步骤Step1.2；若否则在不能与其他选出的待定位移动台之间均可以相互通信的待定位移动台当前所属的蜂窝小区中重新选出一个待定位移动台；
Step1.2、将选出的待定位移动台划入协作定位组。
步骤Step2包括如下子步骤：
Step2.1、在协作定位组中随机选出三个待定位移动台分别设为M1、M2和M3；
Step2.2、利用到达时间定位法(Time Of Arrival，TOA)对待定位移动台M1进行定位；
Step2.3、分别利用移动台M1与待定位移动台M2、M3之间的距离和M2、M3与其当前所属基站之间的距离计算M2和M3的坐标值；
Step2.4、在协作定位组中各已定位移动台中随机选出一个设为M1，在协作定位组中各待定位移动台中随机选出两个待定位移动台分别设为M2和M3，重复步骤Step2.3，直至协作定位组中所有待定位移动台均已定位；
而如果只剩一个待定位移动台的话则将其设为M2且在各已定位移动台中随机选出一个设为M3，相当于移动台M3的位置坐标只有一个可能值，重复步骤Step2.3计算出M2的坐标值。且只有一个待定位移动台的情况下可以得到更高的定位精度。
步骤Step2.3包括如下子步骤：
Step2.3.1、计算待定位移动台M2的坐标值：首先以M2与其当前所属基站之间的距离为半径且以该基站为圆心画圆，可知M2一定在该圆上，再以M1和M2之间距离为半径且以M1为圆心画圆，若两圆之间有两个交点，则M2的坐标值为其中之一交点坐标值，即M2有两个可能的坐标值；若两圆之间有一个交点，则M2的坐标值即为该交点坐标值；若两圆之间无交点，则M2的坐标值取M1与M2的当前所属基站的连线中点坐标值；
Step2.3.2、计算M3的坐标值，计算方法如计算M2的坐标值的步骤Step2.3.1；
Step2.3.3、若步骤Step2.3.1和Step2.3.2计算得到的两组圆之间均有两个交点时，则得到四组可能的坐标值，此时利用两个待定位移动台M2和M3之间的通信得到M2和M3之间的真实距离，并分别利用步骤Step2.3.1和Step2.3.2得到的四组可能的坐标值计算M2和M3之间的四个可能的距离，分别计算M2和M3之间的真实距离与四个可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的一组坐标值作为最终得到的M2、M3坐标值，其中利用步骤Step2.3.1和Step2.3.2得到的四组可能的坐标值计算M2和M3之间的四个可能的距离的方法为：M2和M3之间可能的距离为M2可能的坐标值与M3可能的坐标值平方相减；
若两组圆中一组之间有两个交点且另一组之间有一个交点时，则得到两组可能的坐标值，此时利用两待定位移动台M2和M3之间的通信得到M2和M3之间的真实距离，并分别利用步骤Step2.3.1和Step2.3.2得到的两组可能的坐标值计算M2和M3之间的两个可能的距离，分别计算M2和M3之间的真实距离与两个可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的一组坐标值作为最终得到的M2、M3坐标值，其中利用步骤Step2.3.1和Step2.3.2得到的两组可能的坐标值计算M2和M3之间的两个可能的距离的方法为：M2和M3之间可能的距离为M2可能的坐标值与M3坐标值平方相减或M2坐标值与M3可能的坐标值平方相减。
下面通过代入具体的仿真过程对本实施例提供的适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法作进一步的说明：
在本次仿真过程中，适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法包括如下步骤：
步骤1、建模蜂窝网传播环境——建立蜂窝网的二维坐标模型，各基站和移动台分别在模型中以点表示，并随机选择一个已确定位置的移动台(有效点)作为蜂窝网的二维坐标模型的坐标原点
首先确定传播背景环境，取舍那些干扰因素；测量并记录传播环境和蜂窝小区的尺寸，得出蜂窝网传播环境的草图；将各基站和移动台做近似点处理，得到二维蜂窝网传播环境示意图。如图2所示，为方便后续操作，建立合适的二维直角坐标系，本实施例选择基站2，即BS2作为坐标原点。
设定初始基站BS1、BS2、BS3的坐标分别为、(0,0)、；初始化移动台坐标，为提高随机点的有效性(保证移动台间的有效通信距离)，限定待定位的各移动台的坐标范围为(0,450)，y坐标范围为(0,500)；随机次数为1000次；
步骤2、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台组成成员之间均能相互通信的协作定位组，如图3所示，具体步骤如下：
步骤2.1、首先在基站BS1和其小区边界点连线中心的直线上取一点作为待定位移动台M1的位置，可得M1的坐标值设置为(150-h/2,)，则设定已知位置的M1为MS1,这样可以降低计算的复杂度并提高仿真效率，h为三小区交汇点和移动台中心的距离。
根据各小区边界线方程判断所得到的1000个移动台的坐标分处于哪个小区，并将当前所属基站为BS2、BS3的两组移动台的坐标值分别存储于矩阵B2、B3当中；在B2、B3中各随机取出一组坐标值，并与M1进行组合，得到其横坐标集合为MT_x＝[M1_x,M2_x,M3_x]，纵坐标集合为MT_y＝[M1_y,M2_y,M3_y]；最后可得集合MT_xy＝[MT_x,MT_y]；
步骤2.2、根据两点间距离公式求M1与M2、M1与M3、M2与M3之间的距离，并分别记为d12、d13、d23，以及M1与其当前所属基站BS1之间的距离D1、M2与BS2之间的距离D2、M3与BS3之间的距离D3；
选择合适的有效通信范围，本实施例以H＝300m为移动台可相互通信的有效距离值；
判断移动台的有效性。在矩阵MT_xy中选取一组坐标值，进一步判断移动台间是否可以相互通信，设移动台间通信有效距离H＝300m，判断所取的三组移动台之间的距离是否均小于H。如果任何一组距离值大于H，则不能通信，需重新选择；如果三组距离值均小于H，则可相互通信，该组坐标为有效移动台坐标；
步骤2.3、将分别从各移动台组选出的移动台划入协作定位组。
步骤3、根据协作定位组中各待定位移动台与该移动台当前所属基站的距离和各待定位移动台之间的距离，利用协作定位算法计算各待定位移动台的坐标值，如图4所示，具体步骤如下：
步骤3.1、步骤2.1中已设定仿真过程中待定位移动台M1的位置为(150-h/2,)，在协作定位组中随机选出两个待定位移动台分别设为M2和M3；
步骤3.2、计算M2的坐标值：确定移动台的可能位置坐标。以BS2为圆心，D2为半径画圆，可得M2的一个可能的范围圆C1(BS2，D2)，然后以M1为圆心，d12为半径画圆C2，通过判断两圆C1、C2是否有交点来确定M2的可能位置坐标。若两圆有两个交点，则M2的位置坐标可以写为m2,1、m2,2，需要进一步确定M2的具体位置坐标；若两圆只有一个交点，则M2的位置即为该点，但是该情况通常出现在理想环境当中，现实环境中由于测量误差和干扰的存在则无法达到；若两圆无交点，则M2的位置坐标取M1与M2的当前所属基站(主基站)BS2的连线中点；
步骤3.3、通过步骤3.2中解算M2位置坐标的方法可得M3的可能位置坐标，以BS3为圆心，D3为半径画圆，可得M3的一个可能的范围圆C3(BS3，D3)，然后以M1为圆心，d13为半径画圆C4，通过判断两圆C3、C4是否有交点来确定M3的可能位置坐标。当两圆有两个交点时，则M3的位置坐标可以写为m3,1、m3,2，需要进一步确定M3的具体位置坐标；若两圆有一个交点，则M3的位置即为该点；若两圆无交点，则M3的位置坐标取M1与M3的当前所属基站(主基站)BS3的连线中点；
步骤3.4、当步骤3.2和步骤3.3计算得到的两组圆均有两个交点时，将M2、M3可能的坐标值经排列组合的方法可分为四组坐标值，记作集合A＝{m2,1,m3,1；m2,1,m3,2；m2,2,m3,1；m2,2,m3,2}；
根据两点间距离公式，令集合A中每组M2与M3可能的坐标值平方相减，得到M2和M3之间四个可能的距离：d(1)＝m2 2,1-m2 3,1、d(2)＝m2 2,1-m2 3,2、d(3)＝m2 2,2-m2 3,1、d(4)＝m2 2,2-m2 3,2，再利用这四个M2和M3之间可能的距离分别与d23相减求差值，将差值的绝对值最小时对应的一组M2、M3可能的坐标值分别作为待定位移动台M2、M3最终定位值；
步骤3.5、在协作定位组中随机选出两个未确定位置的移动台分别设为M2和M3，重复步骤3.2至3.4，直至协作定位组中的各待定位移动台均已确定位置。
步骤4、重复步骤2至步骤3，直至各待定位移动台均已定位。
图5所示为本实施例的仿真结果，其中，□代表本实施例提供的适用于NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法曲线，△代表采用最小二乘法所得到的均方根误差曲线，●代表采用CRLB(克拉美罗界)曲线。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台组成成员之间均能相互通信的协作定位组；
S2、根据所属协作定位组中各待定位移动台与该移动台当前所属基站的距离和各待定位移动台之间的距离，利用协作定位算法计算所述协作定位组中各待定位移动台的坐标值；
S3、重复步骤S1至S2，直至蜂窝网中所有待定位移动台均已定位。
2.根据权利要求1所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括如下子步骤：
S1.1、在各蜂窝小区中分别选出一个待定位移动台，根据选出的移动台之间的距离判定选出的移动台之间是否均可以相互通信，若是则转入步骤S1.2；若否则在不能与其他选出的待定位移动台之间均可以相互通信的待定位移动台当前所属的蜂窝小区中重新选出一个待定位移动台；
S1.2、将选出的待定位移动台划入协作定位组。
3.根据权利要求2所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S1.1中所述根据选出的移动台之间的距离判定选出的移动台之间是否均可以相互通信的判定条件是若两移动台之间的距离小于等于300m，则两移动台之间可以通信。
4.根据权利要求1所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括如下子步骤：
S2.1、在协作定位组中随机选出三个待定位移动台分别设为第一移动台、第二移动台和第三移动台；
S2.2、利用到达时间定位法对第一移动台进行定位；
S2.3、分别利用第一移动台与第二移动台、第三移动台之间的距离和第二移动台、第三移动台与其当前所属基站之间的距离计算第二移动台和第三移动台的坐标值；
S2.4、在协作定位组中各已定位移动台中随机选出一个设为第一移动台，在协作定位组中各待定位移动台中随机选出两个待定位移动台分别设为第二移动台和第三移动台，重复步骤S2.3，直至协作定位组中所有待定位移动台均已进行定位。
5.根据权利要求4所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S2.3进一步包括如下子步骤：
S2.3.1、以第二移动台与其当前所属基站之间的距离为半径且以该基站为圆心画第一圆，再以第一移动台和第二移动台之间距离为半径且以第一移动台为圆心画第二圆，若第一圆和第二圆之间有两个交点，则第二移动台的两个可能的坐标值分别为该两个交点的坐标值；若第一圆和第二圆之间有一个交点，则第二移动台的坐标值即为该交点坐标值；若第一圆和第二圆之间无交点，则第二移动台的坐标值取第一移动台与第二移动台的当前所属基站连线中点的坐标值；
S2.3.2、以第三移动台与其当前所属基站之间的距离为半径且以该基站为圆心画第三圆，再以第一移动台和第三移动台之间距离为半径且以第一移动台为圆心画第四圆，若第三圆和第四圆之间有两个交点，则第三移动台的两个可能的坐标值分别为该两个交点的坐标值；若第三圆和第四圆之间有一个交点，则第三移动台的坐标值即为该交点坐标值；若第三圆和第四圆之间无交点，则第三移动台的坐标值取第一移动台与第三移动台的当前所属基站连线中点的坐标值；
S2.3.3、若第一圆和第二圆之间与第三圆和第四圆之间均有两个交点，则利用第二移动台和第三移动台之间的通信得到第二移动台和第三移动台之间的真实距离，并分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离，分别计算所述第二移动台和第三移动台之间的真实距离与各可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的第二移动台和第三移动台可能的坐标值分别作为最终得到的第二移动台和第三移动台的坐标值；
若第一圆和第二圆之间或第三圆和第四圆之间的一组有两个交点且另一组有一个交点时，则利用第二移动台和第三移动台之间的通信得到第二移动台和第三移动台之间的真实距离，并分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值与坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离，分别计算所述第二移动台和第三移动台之间的真实距离与各可能的距离的差值，将差值的绝对值最小时所对应的第二移动台或第三移动台可能的坐标值作为最终得到的第二移动台或第三移动台的坐标值。
6.根据权利要求5所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S2.3.3中所述分别利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值计算第二移动台和第二移动台之间的各可能的距离的方法为：第二移动台和第三移动台之间的可能的距离为第二移动台可能的坐标值与第二移动台可能的坐标值平方相减。
7.根据权利要求5所述的适用于非视距NLOS环境下的蜂窝网无线协作定位方法，其特征在于，所述步骤S2.3.3中所述利用步骤S2.3.1和S2.3.2得到的各可能的坐标值与坐标值计算第二移动台和第三移动台之间的各可能的距离的方法为：第二移动台和第三移动台之间可能的距离为第二移动台可能的坐标值与第三移动台坐标值平方相减或第二移动台坐标值与第三移动台可能的坐标值平方相减。
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