CN106257956A - 一种基于双基站的用户设备定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于双基站的用户设备UE定位方法，包括：所述UE接收用于定位的两个基站发送的信号，确定两个基站信号的接收时间和发送时间；根据所述两个基站信号的接收时间和发送时间确定所述UE的两个待选坐标点(a1,b1)和(a2,b2)；两个基站分别获取所述UE的AOA角度信息k1和k2；根据所述UE的两个待选坐标点和AOA角度信息，计算两个待选坐标点分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离和，选择距离和较小的待选坐标点作为所述UE的位置坐标。应用本申请，能够基于双基站实现UE的准确定位。

Description

一种基于双基站的用户设备定位方法

技术领域

本申请涉及通信技术，特别涉及一种基于双基站中的用户设备定位方法。

背景技术

在无线通信系统中，对用户设备(UE)的很多处理需要获取用户的位置信息。用户位置信息的获取可以有多种方式，下面介绍两种：

(1)TA+AOA定位技术

CELL_ID定位方法是基于小区覆盖的定位方法，采用已知的服务小区地理信息估计目标UE的位置。TA+AOA在CELL_ID定位方法的基础上考虑了定时提前量以及来波方向的因素，从而达到更精确的定位目的。

基站通过智能天线得到UE发射信号的AOA，UE处于以基站为起点的射线上，且射线从正被方向逆时针旋转的角度为AOA。

TA的获得可以通过UE上报接收和发送的时间差加上基站测到的接收和发送的时间差来计算，或者通过专用随即介入过程由基站测量得到TA。TA乘以光速除以2，即可得到UE到基站之间的距离。再根据AOA的角度信息即可获得UE的位置信息。如图1所示。

(2)OTDOA定位技术

OTDOA定位方法通过检测3个不同基站到达的时间差来确定UE的具体位置。如图2所示，通过方程组 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1=(T_2-T_1)+\frac{\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{c}\\ {\mathrm{\τ}}_3-{\mathrm{\τ}}_1=(T_3-T_1)+\frac{\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}}{c}\end{array}\right.$ 即可计算出UE的二维地理坐标。其中c为光速，基站发送时间差(T_i-T₁)及各基站的位置坐标作为辅助数据。OTDOA方法要求同时有三个以上的基站参与定位参数的测量。

上述两种方法在实际应用中都有一定的限制和缺陷，对于TA+AOA的定位技术，需要比较精确的AOA的角度信息，角度信息的偏差对定位精度影响比较大，而通常智能天线获取的AOA角度信息会存在一定的偏差，因此实际应用中定位精度不高。OTDOA技术进行UE定位时，需要三基站协同才能精确定位，当仅有两个基站的时候，无法通过该方法实现对UE精确定位，该定位方法对基站的数目有限制。

发明内容

本申请提供一种基于双基站的用户设备定位方法，能够基于两个基站实现对UE的精确定位。

为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：

一种基于双基站的用户设备UE定位方法，包括：

获取用于定位的两个基站向所述UE发送位置定位信号的时间和所述UE接收定位信号的时间；获取两个基站分别测量得到的所述UE的AOA角度信息k1和k2，并获取两个基站的位置坐标信息；

根据所述两个基站发送的位置定位信号的接收时间和发送时间、所述两个基站的位置信息，确定所述UE的两个待选坐标点(a1,b1)和(a2,b2)；

根据所述UE的两个待选坐标点和AOA角度信息，计算两个待选坐标点分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离和，选择距离和较小的待选坐标点作为所述UE的位置坐标。

较佳地，所述确定所述UE的两个待选坐标点包括：

当所述两个基站的横坐标不相同时，解方程(m²+1)*y²+[2*(n-x₁)*m-2*y₁]*y+(n-x₁)²+y₁ ²-(τ₁-T₁)²*c²＝0确定y的两个解b1和b2，并根据x＝m*y+n计算x的两个解a1和a2；其中，m＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁)，n＝{x₂ ²-x₁ ²+y₂ ²-y₁ ²+c²*[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]/[2*(x₂-x₁)]}，(x1,y1)和(x2,y2)分别为所述两个基站的位置坐标，τ_i为所述两个基站信号的接收时间，T_i为所述两个基站信号的发送时间，c为光速；

当所述两个基站的横坐标相同时，将y＝{[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]*c²-y₁ ²+y₂ ²}/[2*(y₂-y₁)]代入 $\left\{\begin{array}{c}{({\mathrm{\τ}}_1-T_1)}^2*c^2={(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2\\ {({\mathrm{\τ}}_2-T_2)}^2*c^2={(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2\end{array}\right.,$ 计算x的两个解a1和a2以及y的两个解b1和b2。

较佳地，计算待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为： $d_{11}=(k_1*a_1-b_1-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1},d_{12}=(k_2*a_1-b_1-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1},$ 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d11+d12；

计算待选坐标点(a2,b2)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为 $d_{21}=(k_1*a_2-b_2-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1},d_{22}=(k_2*a_2-b_2-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1},$ 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d21+d22。

较佳地，所述获取AOA角度信息k1和k2包括：向基站发送AOA测量请求，并接收基站反馈的AOA角度信息。

由上述技术方案可见，本申请中，首先根据用于定位的两个基站发送的信号确定两个基站的信号收发时间，再据此计算出UE的两个待选坐标点；然后，根据两个基站到UE的AOA角度，计算两个待选坐标点分别到两个基站的AOA线性直线的距离和，选择距离和较小的待选坐标点作为UE的位置坐标。通过上述方式，一方面通过两个基站的信号时间差确定两个坐标点，另一方面再依据AOA信息进一步确定UE的精确位置，因此可以实现基于两个基站的精确定位。

附图说明

图1为TA+AOA定位方法的原理示意图；

图2为OTDOA定位方法的原理示意图；

图3为本申请中用户设备定位方法的原理示意图；

图4为本申请中用户设备定位方法中UE位于两基站连线上的示意图；

图5为本申请定位方法中精确定位的原理示意图；

图6为本申请中用户设备定位方法的基本流程示意图；

图7为应用本申请定位方法的实际信令流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。

首先推导本申请进行UE定位的理论算法：

(1)通过2个不同基站的信号到达时间差确定UE位置信息为两个待选点

如图3所示，假设UE的坐标为(x,y)，基站i的位置坐标为(x_i,y_i)，基站i发送信号的时间为T_i，UE接收到该信号的时间为τ_i。由基站i可得：

$({\mathrm{\τ}}_i-T_i)*c=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}$ (其中，c为光速) (1)

因此可以得到基于基站1和基站2信息的方程组：

$\{\begin{array}{c}({\mathrm{\τ}}_1-T_1)*c=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ ({\mathrm{\τ}}_2-T_2)*c=\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}\end{array}---\left(2\right)$

将方程组(2)中各式两边平方得到：

$\left\{\begin{array}{c}{({\mathrm{\τ}}_1-T_1)}^2*c^2={(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2\\ {({\mathrm{\τ}}_2-T_2)}^2*c^2={(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2\end{array}\right.---\left(3\right)$

解方程组(3)可得：

A.当x₁≠x₂时,可得x＝m*y+n (4)

其中:m＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁) (5)

n＝{x₂ ²-x₁ ²+y₂ ²-y₁ ²+c²*[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]/[2*(x₂-x₁)]} (6)

将公式(4)代入方程组(3)式一中，可得一元二次方程：

(m²+1)*y²+[2*(n-x₁)*m-2*y₁]*y+(n-x₁)²+y₁ ²-(τ₁-T₁)²*c²＝0 (7)

解方程式(7)，并将其结果代入公式(4)中，可得两组解A(a1，b1)和B(a2，b2)。

B.当x₁＝x₂时，因为基站1和基站2是两个不同的基站，所以有y₁≠y₂。可得：

y＝{[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]*c²-y₁ ²+y₂ ²}/[2*(y₂-y₁)] (8)

将式(8)代入方程组(3)式一中，可得到方程组的两组解A(a1，b1)和B(a2，b2)。即UE只能处于A和B两个位置中的一个位置。

当UE位于两基站连线上时，如图4所示，方程组的两组解将重合为一组解，该值即为UE的位置信息。

(2)根据基站AOA角度信息辅助精确定位UE位置信息

如图5所示，由基站1的坐标位置信息(x₁,y₁)，以及基站1测量得到的方向信息k1,推出经过基站1且沿AOA角度的线性方程(直线L1)为：

k₁*x-y-k₁*x₁+y₁＝0 (9)

同理，由基站2坐标位置(x₂,y₂)，以及基站2测量得到的方向信息k2，得到经过基站2且沿AOA角度的线性方程(直线L2)为：

k₂*x-y-k₂*x₂+y₂＝0 (10)

提取(1)中计算得到的两组解A(a1，b1)和B(a2，b2)，分别计算点A和B到两直线的距离。A到L1的距离为：

$d_{11}=(k_1*a_1-b_1-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1}---\left(11\right)$

A到L2的距离为：

$d_{12}=(k_2*a_1-b_1-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1}---\left(12\right)$

B到L1的距离为：

$d_{21}=(k_1*a_2-b_2-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1}---\left(13\right)$

B到L2的距离为：

$d_{22}=(k_2*a_2-b_2-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1}---\left(14\right)$

若(d₁₁+d₁₂)<(d₂₁+d₂₂),则A(a1，b1)为UE的位置坐标，反之，若(d₁₁+d₁₂)>(d₂₁+d₂₂)，则B(a2，b2)为UE的位置坐标。

上述即为本申请中UE定位方法的理论算法，下面介绍本申请中基于上述理论算法给出的UE定位方法的具体实现。图6为本申请中基于双基站的UE定位方法的基本流程示意图，如图6所示，该流程包括：

步骤601，获取UE接收用于定位的两个基站向UE发送位置定位的信号的时间和UE接收定位信号的时间，确定两个基站信号的接收时间和发送时间。

这里，为实现UE的定位，用于定位的两个基站向UE发送位置定位信号，UE接收相应的位置定位信号。为进行后续计算需要先获取位置定位信号的发送时间和接收时间。一般地，可以从基站获取发送时间，从UE获取接收时间，当然实际应用中不仅限于此。

步骤602，获取两个基站分别测量得到的UE的AOA角度信息k1和k2，并获取两个基站的位置坐标信息。

本步骤中基站测量AOA角度信息的方式可以采用现有方式进行，这里不再赘述，且本申请对具体实现方式不做限定。

步骤603，根据两个基站发送的位置定位信号的接收时间和发送时间、两个基站的位置信息，确定UE的两个待选坐标点(a1,b1)和(a2,b2)。

本步骤中确定两个待选坐标点的方式如前面的(1)中所述。

具体地，当两个基站的横坐标不相同时，解方程(m²+1)*y²+[2*(n-x₁)*m-2*y₁]*y+(n-x₁)²+y₁ ²-(τ₁-T₁)²*c²＝0确定y的两个解b1和b2，并根据x＝m*y+n计算x的两个解a1和a2；其中，m＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁)，n＝{x₂ ²-x₁ ²+y₂ ²-y₁ ²+c²*[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]/[2*(x₂-x₁)]}，(x1,y1)和(x2,y2)分别为两个基站的位置坐标，τ_i为两个基站信号的接收时间，T_i为两个基站信号的发送时间，c为光速。

当两个基站的横坐标相同时，将y＝{[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]*c²-y₁ ²+y₂ ²}/[2*(y₂-y₁)]代入 $\left\{\begin{array}{c}{({\mathrm{\&tau;}}_1-T_1)}^2*c^2={(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2\\ {({\mathrm{\&tau;}}_2-T_2)}^2*c^2={(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2\end{array}\right.,$ 计算x的两个解a1和a2以及y的两个解b1和b2。

步骤604，根据UE的两个待选坐标点和AOA角度信息，计算两个待选坐标点分别到两个基站的AOA线性直线的距离和，选择距离和较小的待选坐标点作为UE的位置坐标。

本步骤中计算到AOA线性直线的距离和的方式如前面(2)中所述。

具体地，计算待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为： $d_{11}=(k_1*a_1-b_1-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1},d_{12}=(k_2*a_1-b_1-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1},$ 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d11+d12；计算待选坐标点(a2,b2)分别到两个基站的AOA线性直线的距离为 $d_{21}=(k_1*a_2-b_2-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1},$ $d_{22}=(k_2*a_2-b_2-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1},$ 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d21+d22。

至此，本申请中基本的定位方法流程结束。

另外，触发UE定位以及应用上述定位方法的实际信令流程可以如图7进行。具体包括：

步骤1：UE通过NAS消息，向MME发起定位请求，请求获取自身的位置信息。

步骤2：MME向E-SMLC发起定位请求。

步骤3a/3b：E-SMLC查询并获取UE的定位能力信息。

步骤4：E-SMLC通过LPP提供辅助数据消息。LPP提供的辅助数据消息中可能包含以下信息：

a)参考小区的信息，包含参考小区的PCI、E-CGI、频点、PRS配置等信息。选取的参考小区并不局限于服务小区；

b)相邻小区信息列表，包含每个邻小区的PCI、E-CGI、频点、PRS配置等信息。

步骤5a/5b：E-SMLC请求并获得UE的位置定位信号的接收时间τ₁和τ₂。

其中，τ₁和τ₂分别是两个基站所发送信号的接收时间。

步骤6a/6b/6c：E-SMLC获取基站的相关测量结果。

其中，相关测量结果包括基站测量得到的UE的AOA角度信息k1和k2、双基站的位置坐标信息(x1,y1)和(x2,y2)以及基站的位置定位信号的发送时间T1和T2。

步骤7：在E-SMLC的请求下，基站完成AOA的测量。

步骤8：E-SMLC根据UE和基站的测量结果以及其他各方面的输入，计算出UE的位置信息。

本步骤中，由E-SMLC采用前述图6中步骤602和604的方式计算UE的位置坐标。

步骤9：E-SMLC将定位结果发给MME。

步骤10：MME将定位结果发给UE。

通过上述本申请的处理，利用双基站+AOA的定位方法既实现了对UE的精确定位，又降低了对基站个数(2个)的要求。本申请不但能克服单基站通过TA+AOA定位精度不够的缺点，又比OTDOA方法中要求的基站数目有所降低，同时能达到OTDOA方法的定位精度，实现对UE的精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双基站的用户设备UE定位方法，其特征在于，包括：

获取用于定位的两个基站向所述UE发送位置定位信号的时间和所述UE接收定位信号的时间；获取两个基站分别测量得到的所述UE的AOA角度信息k1和k2，并获取两个基站的位置坐标信息；

根据所述两个基站发送的位置定位信号的接收时间和发送时间、所述两个基站的位置信息，确定所述UE的两个待选坐标点(a1,b1)和(a2,b2)；

根据所述UE的两个待选坐标点和AOA角度信息，计算两个待选坐标点分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离和，选择距离和较小的待选坐标点作为所述UE的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述UE的两个待选坐标点包括：

当所述两个基站的横坐标不相同时，解方程(m²+1)*y²+[2*(n-x₁)*m-2*y₁]*y+(n-x₁)²+y₁ ²-(τ₁-T₁)²*c²=0确定y的两个解b1和b2，并根据x=m*y+n计算x的两个解a1和a2；其中，m=(y₂-y₁)/(x₂-x₁)，n={x₂ ²-x₁ ²+y₂ ²-y₁ ²+c²*[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]/[2*(x₂-x₁)]}，(x1,y1)和(x2,y2)分别为所述两个基站的位置坐标，τ_i为所述两个基站信号的接收时间，T_i为所述两个基站信号的发送时间，c为光速；

当所述两个基站的横坐标相同时，将y={[(τ₁-T₁)²-(τ₂-T₂)²]*c²-y₁ ²+y₂ ²}/[2*(y₂-y₁)]代入 $\left\{\begin{array}{c}{({\mathrm{\&tau;}}_1-T_1)}^2*c^2={(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2\\ {({\mathrm{\&tau;}}_2-T_2)}^2*c^2={(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2\end{array}\right.,$ 计算x的两个解a1和a2以及y的两个解b1和b2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为： 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d11+d12；

计算待选坐标点(a2,b2)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为 $d_{21}=(k_1*a_2-b_2-k_1*x_1+y_1)/\sqrt{{k_1}^2+1},$ $d_{22}=(k_2*a_2-b_2-k_2*x_2+y_2)/\sqrt{{k_2}^2+1},$ 则待选坐标点(a1,b1)分别到所述两个基站的AOA线性直线的距离为d21+d22。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取AOA角度信息k1和k2包括：向基站发送AOA测量请求，并接收基站反馈的AOA角度信息。