CN108168559A - 一种基于分布式天线的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式天线的无线室内定位系统及方法，系统包含有基站、天线组以及终端，基站通过馈线与室内每个天线连接，天线组分别接收终端发送的sounding信号，基站通过天线组得到终端发送的信号后，进行相应的处理，天线组均采用平面阵列；方法是基站根据接收到的上行sounding信号估计信道并生成预编码矩阵：然后根据预编码矩阵进行波束形成，最后进行终端检测及空间定位：本发明利用分布式天线并结合三维智能波束，实现室内实时空间定位，适用于复杂环境，具有定位精准、实时性好的优点。

Description

一种基于分布式天线的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，具体涉及一种基于分布式天线的室内定位系统及方法。

背景技术

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。目前的大多数定位方法是针对二维平面展开研究的，然而在实际应用中常常需要提供节点的三维位置信息，室内三维定位技术较二维平面定位具有更大的实用价值。由于室内环境的特殊性与复杂性，使得室内三维定位技术面临克服室内环境因素对信号强度的影响，进而给用户提供高精度、低复杂度、立体化的定位服务。

申请号为201410831889.8的中国专利，利用传感器采集到的三维信息进行室内环境建模、位置分析与信息标定，用户收集当前场景信息，通过与三维环境模型信息进行对比与特征匹配，实现用户的室内定位，该方法需要建立精确的三维环境模型，且定位估计过程繁琐；申请号为201610813895.X的中国专利，是将GPS定位结果引入室内，在室内选取GPS坐标可测的几个基准点，以基准点为坐标原点建立平台坐标系；于基准点处引入激光三维扫描仪获取室内三维点云信息，将点云统一到平台坐标系；将超宽带室内定位系统坐标系与上述坐标数据作进一步坐标转换，完成室内目标定位，但该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。

上述方法均不适用于复杂环境，具有定位不精准、实时性差的缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于分布式天线的无线室内定位系统及方法，利用分布式天线并结合三维智能波束，实现室内实时空间定位，适用于复杂环境，具有定位精准、实时性好的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于分布式天线组的室内定位系统，包含有基站、天线组DAS_k以及终端Q，基站通过馈线与室内每个天线连接，天线组DAS_k分别接收终端Q发送的sounding信号，基站通过天线组得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理；

所述的天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)均采用平面阵列，K为天线组数，阵元数为M_k×N_k，M_k为平面天线阵列的行数，N_k为平面天线阵列的列数，阵元间距为d。

一种基于分布式天线组的室内定位系统的定位方法，包括以下步骤：

第一步，基站根据接收到的上行sounding信号估计信道并生成预编码矩阵：

1.1)由上行链路信道估计得到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的水平维信道矩阵H_k,h(k＝1,2,…,K)，则根据下式选择第k天线组的水平维预编码矩阵：

式中，上角标T为转置算子，trace()表示求矩阵的迹，w_i为码字,codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的w_i取值，上式表示在码本中选择使得目标函数值最大的码字作为预编码矩阵；

1.2)由上行链路信道估计值得到终端到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的垂直方向的波达角θ_k，则根据下式选择垂直维预编码矩阵：

式中，e为Euler(欧拉)指数，约等于2.718；j为虚数单位λ为无线电波的波长；

1.3)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)针对终端Q的预编码矩阵分别为:

W_k＝W_k,h⊙W_k,v k＝1,2,…,K

式中，W_k,h为天线组DAS_k的水平维预编码矩阵，W_k,v为天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵，⊙为Khatri-Rao积符号；

1.4)基站针对终端Q的预编码矩阵为:

W＝[W₁ W₂…W_K]

即W₁、W₂、…、W_K分别为预编码矩阵W的列；

第二步，根据预编码矩阵进行波束形成：

假设基站发射信号为s＝[s₁,s₂,…,s_K]，其中信号s₁,s₂,…,s_K分别为天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射的信号，则基站的发射信号波束为:

W·s＝[W₁·s₁W₁·s₂…W_K·s_K]

在室内定位时，基站发射信号为天线组序号及天线组位置坐标，采用以下发射方式：

a)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射不同的信号，即分别发射各自的序号和位置信息；

b)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射相同的信号，即全部天线组的序号和位置信息均在每个天线组上发射；

第三步，移动终端检测及空间定位：

通过接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)距离损耗模型求得待定位终端Q与天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)之间的距离d_k(k＝1,2,…,K)，分别以天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)为圆心，距离d_k(k＝1,2,…,K)为半径得到K个球，实际的待定位终端在这K个球所围成的空间区域中；

3.1)取四个不在同一平面上四个天线组即满足定位需求；

3.2)设终端Q的坐标为(x,y,z)，四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)；

则利用接收信号强度RSSI距离损耗模型估计出终端Q到各个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄；

3.3)建立三维空间球面方程组：

三维空间以天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为球心，分别以d₁、d₂、d₃和d₄为半径的球面方程组；

3.4)估计以四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥内切球球心坐标，即内心坐标(x_内,y_内,z_内)；

3.5)求出上述四个球球心与三棱锥内切球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，记为和求此4个内侧交点的重心作为待测终端的位置坐标，

则四个内侧交点的重心坐标，即为移动终端Q的位置坐标：

本发明的有益效果：

a)分布式的天线组有效改善了系统的覆盖，尤其在不利于传播的环境中，相较于集中天线结构，可以通过天线组的分布来调整覆盖区域内的功率分布，降低终端的平均发射功率，对终端的省电也起到辅助作用。

b)分布式的天线组采用单一基站，解决了通常多基站室内定位中多基站难以同步的问题，达到高精度对待定位终端进行室内定位。

c)基于Khatri-Rao积的3D预编码构造方法在水平维保证了码字相互正交，在垂直维准确指向待定位终端，从而有效抑制干扰，提升系统整体性能。

d)本发明的三维智能波束，在传统水平维波束的基础上，增加了垂直维的波束，提高了待定位终端的有用信号接收功率，增大覆盖空间，具有较好的抗室内多径效果。

e)基于球心-内心连线交点重心的空间坐标估计法，准确度较高，实施简洁，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明系统的结构图。

图2是本发明方法的流程图。

图3是本发明天线组发射的三维波束示意图。

图4是本发明基于球心-内心连线与球面交点的重心定位方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1，一种基于分布式天线组的室内定位系统，包括基带处理单元BBU(Building Base band Unite)的基站和由DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄四个天线组构成的天线组DAS(Distributed Antenna Sets)，基带处理单元BBU(Building Base band Unite)通过馈线与室内的天线组DAS_k中的天线连接，天线组DAS_k分别接收终端Q发送的sounding信号，基带处理单元BBU通过分布式天线组DAS_k得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理；

所述的天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)均采用平面阵列，阵元数为M_k×N_k，M_k为平面天线阵列的行数，N_k为平面天线阵列的列数，阵元间距为d。

参照图2，一种基于分布式天线组的室内定位系统的定位方法，包括以下步骤：

第一步，基站根据接收到的上行sounding信号估计信道：

1.1)由上行链路信道估计得到分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)水平维预编码矩阵H_k,h(k＝1,2,…,4)，则根据下式选择分布式天线组k的水平维预编码矩阵：

式中，上角标T为转置算子，trace()表示求矩阵的迹，w_i为码字,codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的w_i取值，上式表示在码本中选择使得目标函数值最大的码字作为预编码矩阵；

1.2)由上行链路信道估计值得到终端Q到天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)的垂直方向的波达角θ_k，则根据下式选择垂直维预编码矩阵：

式中，e为Euler(欧拉)指数，约等于2.718；j为虚数单位π为圆周率，约等于3.1415；λ为无线电波的波长；

1.3)天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)针对终端Q的预编码矩阵分别为:

W_k＝W_k,h⊙W_k,v k＝1,2,…,4

式中，W_k,h为天线组DAS_k的水平维预编码矩阵，W_k,v为天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵，⊙为Khatri-Rao积符号；

1.4)基站针对终端Q的预编码矩阵为:

W＝[W₁ W₂ W₃ W₄]

即W₁、W₂、W₃和W₄分别为预编码矩阵W的列；

第二步，根据预编码矩阵进行波束形成：

假设基站发射信号为s＝[s₁,s₂,…,s₄]，其中信号s₁,s₂,…,s₄分别为分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)上发射的信号，则基站的发射信号波束为:

W·s＝[W₁·s₁W₁·s₂…W₄·s₄]

在室内定位时，基站发射信号为天线组序号及天线组位置坐标，采用以下发射方式：

a)分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)上发射不同的信号，即分别发射各自的序号和位置信息；

b)分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)上发射相同的信号，即全部天线组的序号和位置信息均在每个天线组上发射；

参照图3，图3为k＝1时，天线组DAS₁发射的三维波束；k＝2,3,4时，天线组DAS_k发射的三维波束与此类似；

第三步，移动的终端Q检测及空间定位：

如图4所示，通过RSSI距离损耗模型求得待定位终端Q与分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)之间的距离d_k(k＝1,2,…,4)，分别以分布式天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)为圆心，距离d_k(k＝1,2,…,4)为半径得到四个球，实际的待定位的终端Q在这四个球所围成的空间区域中；再估计以四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥内切球球心坐标(x_内,y_内,z_内)；然后求出这四个球球心与三棱锥内切球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的重心作为待测终端的位置坐标；

3.1)验证四个天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)的坐标不在同一平面上，四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的终端Q位置坐标；实际上，四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄是预先布置的且不在同一个平面上；

3.2)设终端Q的坐标为(x,y,z)，四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)；

则利用接收信号强度RSSI距离损耗模型估计出终端Q到各个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄；

3.3)建立三维空间球面方程组：

三维空间以天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为球心，分别以d₁、d₂、d₃和d₄为半径的球面方程：

理论上，根据上述估计得到的终端Q与四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的欧式距离d₁、d₂、d₃和d₄，求解得到移动终端Q的坐标，上述方程组求解可视为求空间4个球面的相交点；在实际应用中，由于存在测量误差，四个球可能不准确相交于一点，为此，采用基于球心和内心连线与球面交点的重心算法进行估计；

3.4)估计以四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥内切球球心坐标，即内心坐标(x_内,y_内,z_内)，

则有

式中，p_i(i＝1,2,...,4)分别为三棱锥顶点(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)所对的侧面面积；

3.5)求出上述四个球球心与三棱锥内切球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，求此4个交点的重心作为待测终端的位置坐标；

球心(x₁,y₁,z₁)与内心(x_内,y_内,z_内)的连线方程：

球心(x₂,y₂,z₂)与内心(x_内,y_内,z_内)的连线方程：

球心(x₃,y₃,z₃)与内心(x_内,y_内,z_内)的连线方程：

球心(x₄,y₄,z₄)与内心(x_内,y_内,z_内)的连线方程：

将(1)、(5)式联立求解得到两个交点g₁、g₂，取g₁、g₂中距离其它三个(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)球心近的交点为内侧交点，记为

将(2)、(6)式联立求解得到两个交点g₃、g₄，取g₃、g₄中距离其它三个(x₁,y₁,z₁)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)球心近的交点为内侧交点，记为

将(3)、(7)式联立求解得到两个交点g₅、g₅，取g₅、g₅中距离其它三个(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)和(x₄,y₄,z₄)球心近的交点为内侧交点，记为

将(4)、(8)式联立求解得到两个交点g₇、g₈，取g₇、g₈中距离其它三个(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)球心近的交点为内侧交点，记为

则四个内测交点的重心坐标，即为移动终端Q的位置坐标：

本发明可克服目前室内定位存在的定位方法复杂，定位精度较低等问题，具有覆盖广、抗多径效果好、可扩展性强等特点，可以实现室内实时高精度定位。

Claims (2)

1.一种基于分布式天线组的室内定位系统，包含有基站、天线组DAS_k以及终端Q，其特征在于：基站通过馈线与室内每个天线连接，天线组DAS_k分别接收终端Q发送的sounding信号，基站通过天线组得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理；

所述的天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)均采用平面阵列，K为天线组数，阵元数为M_k×N_k，M_k为平面天线阵列的行数，N_k为平面天线阵列的列数，阵元间距为d。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线组的室内定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，基站根据接收到的上行sounding信号估计信道并生成预编码矩阵：

1.1)由上行链路信道估计得到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)水平维预编码矩阵H_k,h(k＝1,2,…,K)，则根据下式选择第k天线组的水平维预编码矩阵：

式中，上角标T为转置算子，trace()表示求矩阵的迹，w_i为码字,codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的w_i取值，上式表示在码本中选择使得目标函数值最大的码字作为预编码矩阵；

1.2)由上行链路信道估计值得到终端到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的垂直方向的波达角θ_k，则根据下式选择垂直维预编码矩阵：

式中，e为Euler(欧拉)指数，约等于2.718；j为虚数单位λ为无线电波的波长；

1.3)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)针对终端Q的预编码矩阵分别为:

W_k＝W_k,h⊙W_k,v k＝1,2,…,K

式中，W_k,h为天线组DAS_k的水平维预编码矩阵，W_k,v为天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵，⊙为Khatri-Rao积符号；

1.4)基站针对终端Q的预编码矩阵为:

W＝[W₁ W₂ … W_K]

即W₁、W₂、…、W_K分别为预编码矩阵W的列；

第二步，根据预编码矩阵进行波束形成：

假设基站发射信号为s＝[s₁,s₂,…,s_K]，其中信号s₁,s₂,…,s_K分别为天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射的信号，则基站的发射信号波束为:

W·s＝[W₁·s₁W₁·s₂…W_K·s_K]

在室内定位时，基站发射信号为天线组序号及天线组位置坐标，采用以下发射方式：

a)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射不同的信号，即分别发射各自的序号和位置信息；

b)天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)上发射相同的信号，即全部天线组的序号和位置信息均在每个天线组上发射；

第三步，移动终端检测及空间定位：

通过接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)距离损耗模型求得待定位终端Q与天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)之间的距离d_k(k＝1,2,…,K)，分别以天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)为圆心，距离d_k(k＝1,2,…,K)为半径得到K个球，实际的待定位终端在这K个球所围成的空间区域中；

3.1)取四个不在同一平面上四个天线组即满足定位需求；

3.2)设终端Q的坐标为(x,y,z)，四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)；

则利用接收信号强度RSSI距离损耗模型估计出终端Q到各个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄；

3.3)建立三维空间球面方程组：

三维空间以天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为球心，分别以d₁、d₂、d₃和d₄为半径的球面方程组；

3.4)估计以四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥内切球球心坐标，即内心坐标(x_内,y_内,z_内)；

3.5)求出上述四个球球心与三棱锥内切球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，记为和求此4个内侧交点的重心作为待测终端的位置坐标，

则四个内侧交点的重心坐标，即为终端Q的位置坐标：