CN106093862A - 一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统 - Google Patents

一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统，方法包括：根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。本发明实现了快速的室内定位，并且极大的提高了定位的准确性，尤其适用于多个基站分别设置于不同的高度；而且，有效的降低了算法的复杂程度。

Description

一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统
技术领域
本发明涉及移动通讯技术领域，尤其涉及一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统。
背景技术
目前，室内定位变得越来越热门，传统的室内定位算法有GNSS(GlobalNavigation Satellite System，即全球卫星导航系统)、E-CID及OTDOA(Observed TimeDifference ofArrival，即可观察到达时间差分)等。
在无明显空间的高密度环境中(例如室内或森林内)，GNSS则不可用，任何基于GNSS的定位技术变得不可靠。
3GPP的Rel-9(Release 9 2009Q4对SAES的增强、WiMAX与LTE/UMTS的互操作性，含MIMO的DC-HSDPA、DC-HSUPA)中对时间提前量的测量得到了改善，因此出现了第一类型测量法和第二类型测量法。在第二类型测量法中通过在随机存储阶段接收PRACH(PhysicalRandom Access Channel，即物理随机接入信道)报头对时间提前量进行预估。在第一类型测量法中则定义为eNB(evolved Node B，即演进型基站)的接收-传输时间差异(其为正数或复数)，以及终端的接收-传输时间差异(其为正数)之和。基站首先测量其本身的时间差异，并且将时间差异上报至设备中，并进行时间超前量/上行时间(其是MAC特征量，即物理地址特征量)指令的校正，用户设备也测量并上报其传输时间差异。基站的时间差异及用户设备的传输时间差异在第一类型的时间提前量中则被允许进行计算，并与往返时延(RoundTrip Time，简记为RTT)一致。往返时延被发送至定位服务器，其中用户设备与基站之间的距离d通过d＝c*RTT/2计算得到，c为光速。
OTDOA(Observed Time Difference ofArrival，即可观察到达时间差分)是GNSS信号在因缺乏清晰的边界或视野时无法使用时而常用的方法。在OTDOA中使用相邻单元(即相邻的eNB)得到相对于服务单元的可观察到达时间差分。目前的解决方案中，常使用带间或带内基站测量。在将来的网络中使用LTE-A CA(LTEAdvanced Carrier Aggregation，及改进的LTE载波聚合)时，OTDOA可被用于扩展测量的LTE-A CC’s(LTE-A ComponentCarriers，即改进的LTE载波元件)。
在这种定位方法中，是基于特定基准信号的到达时间差分(TDOA，即TimeDifferent OfArrival)进行预估，特定基准信号是嵌入到来自不同基站的全体下行信号。每一到达时间差分都用一个双曲线来表示，其中两个关键点(F1，F2)表示被测量的两个基站。这种测量方法至少需要三对基站，而且分别对应于三个基站的三条双曲线的交点才是设备的定位位置(请参考图1中的A-B、A-C及B-C这三对基站)。
尽管OTDOA可以覆盖三维坐标轴，但是这一算法的复杂程度极高。因为定位函数是基于双曲面，而非基于双曲线。目前，OTDOA这一算法仅局限于二维范围内，即只包括x轴和y轴，并不包括z轴。在室内场景中，用户设备和基站之间的距离远大于天线高度，这意味着天线/基站的高度对室内场景定位准确性基本无影响。
在室内场景中，基站和用户设备有时候不在同一级(或同一层)上，故天线/基站的高度极大的影响了室内定位的准确性，还有可能出现因使用如图2所示分布式天线系统(DistributedAntenna System，简记为DAS)中的传统无源天线而导致的严重现象，其中因容量需求而需部署一些小型的基站以作为热点。传统的DAS中只有一个单元ID，如果选择这些天线作为参考基站，定位误差较大。但是每一小型基站拥有专属的单元ID，这使得OTDOA算法的使用就变得很方便。如图2所示，有4个小型基站被分别置于不同的楼层，其中第三楼(Floor 3)中设置small cell eNB1，第二楼(Floor 2)中设置small cell eNB2和smallcell eNB3，第一楼(Floor 1)中设置small cell eNB4。例如，我们需对UE1(用户设备1)进行定位时，UE1能接收来自不同基站的信号，OTDOA算法是个极佳的选择。但是由于基站分部在不同的楼层，故无法判断哪一基站对定位准确性的影响最大。
因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统，旨在解决现有技术中室内定位中当多个基站分部在不同高度时，无法判断哪一基站对定位准确性的影响最大的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其中，所述方法包括以下步骤：
A、根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；
B、根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其中，所述步骤A具体包括：
A1、根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离；
A2、根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离；
A3、根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其中，所述步骤B具体包括：
B1、根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离；
B2、根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离；
B3、根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其中，所述步骤A还包括判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
一种增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其中，包括：
转化模块，用于根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；
到达时间差分获取模块，用于根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其中，所述转化模块具体包括：
第一预估距离计算单元，用于根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离；
第二预估距离计算单元，用于根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离；
校正系数计算单元，用于根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其中，所述到达时间差分获取模块具体包括：
第一预估单元，用于根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离；
第二预估单元，用于根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离；
差分计算单元，用于根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其中，所述转化模块还用于判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
本发明所述的增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统，方法包括：根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。本发明实现了快速的室内定位，并且极大的提高了定位的准确性，尤其适用于多个基站分别设置于不同的高度；而且，有效的降低了算法的复杂程度。
附图说明
图1为现有技术中OTDOA算法的定位示意图。
图2为基站分布在不同楼层的示意图。
图3为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法较佳实施例的流程图。
图4为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法较佳实施例中将三维双曲面转化为二维双曲线的示意图。
图5为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法较佳实施例中当用户设备与基站处于同一高度时将三维双曲面转化为二维双曲线的示意图。
图6为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法较佳实施例中增强可观察到达时间差分定位的示意图。
图7为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统较佳实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图3，其为本发明所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法较佳实施例的流程图。如图3所示，所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，包括以下步骤：
步骤S100、根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；
步骤S200、根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
本发明的实施例中，不仅要消除基站/天线的高度对定位准确度的影响，还要减少低功率无线宽频头端设备(mRRH)中的聚焦点选择而导致的定位误差。为了消除基站/天线的高度对定位准确度的影响，可将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线。
显然，当多个基站均在同一水平高度时则形成二维双曲线，当只要有一个基站与基站不在同一水平高度时则形成三维双曲面。当形成三维双曲面时，算法的复杂程度则明显增加。此时，可通过将三维双曲面转化为二维双曲线时来消除基站不在同一水平高度的影响，到达时间差分(TDOA)由三维双曲面转化为了二维双曲线。
如图4所示，假设有2个基站，分别记为eNB1(也可记为BS1)和eNB2(也可记为BS2)，eNB1的高度为hBS1，eNB2的高度为hBS2，第一双曲线是三维双曲面的特征数据相对应的双曲线。如果能将第一双曲线转化为如图4所示中的第二双曲线时，则根据OTDOA算法eNB1与eNB2之间的RSTD(ReferenceSignalTimeDifference，即参考信号时差)为τeNB1_eNB2＝(a-b)/c，其中eNB1的高度为hBS1及eNB2的高度为hBS2都是已知值，而用户设备UE1与eNB2之间的距离是未知的。所以，可通过d＝c*RTT/2求出UE1与eNB2之间的距离，其中c为光速。
进一步的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法中，所述步骤S100具体包括：
步骤S101、根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离。
在步骤S101中，将第一往返时间记为τRTT_UE_eNB1，将第一预估距离记为则
步骤S102、根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离。
在步骤S102中，将第二往返时间记为τRTT_UE_eNB2，将第二预估距离记为则
步骤S103、根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
在步骤S103中，将时差预估的校正系数记为且将第一基站与第二基站的往返时间记为τeNB1_eNB2，则时差预估的校正系数
进一步的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法中，所述步骤S200具体包括：
步骤S201、根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离。
在步骤S201中，将第一修正距离记为则其中hBS1＝heNB1。
步骤S202、根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离。
在步骤S202中，将第二修正距离记为则其中hBS1＝heNB1。
步骤S203、根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
在步骤S203中，将到达时间差分记为则
如图5所示，当用户设备UE1与BS1处于同一水平高度，而BS2在另一水平高度时，则可简化步骤S100-S200的算法，BS2的水平高度对定位精度的影响忽略不计。
进一步的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法中，所述步骤S100还包括判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
为了更清楚的理解本发明的技术方案，下面通过一具体实施例来说明。请参见图6，用户设备UE1位于Floor 2，eNB1位于Floor 3，eNB2和eNB3均位于Floor 2，则可记eNB1的坐标为(xj，yj，zj)，eNB2的坐标为(xi，yi，zi)，用户设备UE1的坐标记为，则其中由于用户设备UE1与eNB2位于同一水平高度则zj＝zi，RSTDi是用户设备UE1与eNB2的第一时差和用户设备UE1与eNB1的第二时差的参考信号时差，(Ti-Tj)是eNB1与eNB2之间的传输时间偏移，ni、nj则是用户设备UE1的到达时间误差，c是光速。
在同步网络中，(Ti-Tj)可看做0，且(ni-nj)可忽略，故
其中第一预估距离校正系数故第一修正距离到达时间差分
可见，本发明实现了快速的室内定位，并且极大的提高了定位的准确性，尤其适用于多个基站分别设置于不同的高度；而且，有效的降低了算法的复杂程度。
基于上述方法实施例，本发明还提供了一种增强可观察到达时间差分的室内定位系统。如图7所示，所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，包括：
转化模块100，用于根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；
到达时间差分获取模块200，用于根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
优选的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统中，所述转化模块100具体包括：
第一预估距离计算单元，用于根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离；
第二预估距离计算单元，用于根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离；
校正系数计算单元，用于根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
优选的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统中，所述到达时间差分获取模块200具体包括：
第一预估单元，用于根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离；
第二预估单元，用于根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离；
差分计算单元，用于根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
优选的，在所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统中，所述转化模块还用于判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
综上所述，本发明所述的增强可观察到达时间差分的室内定位方法及系统，方法包括：根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于该二维双曲线上；根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。本发明实现了快速的室内定位，并且极大的提高了定位的准确性，尤其适用于多个基站分别设置于不同的高度；而且，有效的降低了算法的复杂程度。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于所述二维双曲线上；
B、根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
2.根据权利要求1所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1、根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离；
A2、根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离；
A3、根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
3.根据权利要求2所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1、根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离；
B2、根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离；
B3、根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
4.根据权利要求1所述增强可观察到达时间差分的室内定位方法，其特征在于，所述步骤A还包括判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
5.一种增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其特征在于，包括：
转化模块，用于根据可观察到达时间差分，将由用户设备、第一基站和第二基站形成的三维双曲面转化为分别以第一基站底部和第二基站底部为焦点的二维双曲线，且用户设备位于所述二维双曲线上；
到达时间差分获取模块，用于根据用户设备与第一基站底部的第一距离及用户设备与第二基站底部的距离之差除以光速得到到达时间差分。
6.根据权利要求5所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其特征在于，所述转化模块具体包括：
第一预估距离计算单元，用于根据用户设备与第一基站的第一往返时间乘以光速再除以2，得到第一预估距离；
第二预估距离计算单元，用于根据用户设备与第二基站的第二往返时间乘以光速再除以2，得到第二预估距离；
校正系数计算单元，用于根据第一基站与第二基站的往返时间乘以光速再除以第二预估距离与第一预估距离之差，得到时差预估的校正系数。
7.根据权利要求6所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其特征在于，所述到达时间差分获取模块具体包括：
第一预估单元，用于根据得到用户设备与第一基站的第一修正距离；
第二预估单元，用于根据得到用户设备与第二基站的第二修正距离；
差分计算单元，用于根据第二修正距离与第一修正距离之差除以光速，得到到达时间差分。
8.根据权利要求5所述增强可观察到达时间差分的室内定位系统，其特征在于，所述转化模块还用于判断第一基站、及第二基站与用户设备是否处于同一高度，当第一基站与用户设备处于同一高度则选择第一基站作为参考基站，当第二基站与用户设备处于同一高度则选择第二基站作为参考基站。
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