CN108169709B - 一种基于分布式天线的室内三维定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式天线的无线室内定位方法，利用分布式天线并结合三维波束，实现室内实时空间定位，分布式天线组有效改善了系统的覆盖，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；天线单元散布在小区中放置，缩短了平均接入距离，减少了路径损耗。基于天线下倾角修正的3D预编码构造方法，在求出的预编码中包含了水平维和垂直维的信道信息，以及下倾角的影响，从而有效抑制干扰，提升系统整体性能。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。基于球心‑外心连线交点及距离加权的形心空间坐标估计法，准确度较高，易于工程实现。

Description

一种基于分布式天线的室内三维定位方法

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三维定位方法。

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。如在机场大厅、展厅和公共场所快速找到安全出口、电梯。室内找车位、停车和计时计费。商店根据顾客的位置向顾客推送关于商品的促销活动、排队预约和支付服务。大型建筑物应急疏散、公共安全和灾后救援等。

目前的大多数定位算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。

利用波束扫描实现定位，如申请号为201710697495.1的专利。该专利采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但二维波束中垂直方向的天线下倾角是固定的，只是利用水平方向的空域资源，能量的汇聚度不够高，从而限制了覆盖范围。

基于三维环境模型匹配的室内定位方法，如申请号为201410831889.8的专利。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。

一种高精度三维实景室内外一体化定位方法及装置，如申请号为201610813895.X的专利，其方法是将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。

综上所述方法均不适用于环境复杂、定位精准、实时性要求高的室内三维定位。

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方法，利用分布式天线并结合三维波束，实现室内实时空间定位。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

1、一种基于分布式天线的室内三维定位方法，包含有基带处理单元(BBU，Building Base band Unite)、分布式天线组(DAS，Distributed Antenna Sets)，以及终端Q，BBU通过馈线与室内每个分布式天线组相连成的定位系统，天线组分别接收单天线终端Q发送的sounding信号，BBU通过天线组得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理，其中设天线组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，其特征在于，该基于该系统的室内三维定位方法，包括以下步骤：

步骤1、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由上行链路信道估计得到天线组DAS_k，水平维信道矩阵H_h,1,H_h,2,…,H_h,N_k，其中H_h,i表示第i行天线到移动终端Q的信道矩阵，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,N_k，则根据下式选择天线组DAS_k的水平维预编码子矩阵：

式中，上角标H为共轭转置算子，tr()表示求矩阵的迹，w_c为码字,codebook为码本，即LTE协议中的码本，∈为属于符号，

表示使后面这个式子达到最大值时的w_c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，则天线组DAS_k的水平维预编码矩阵为：

同理，可以由上行链路信道估计得到天线组DAS_k垂直维信道矩阵

其中H_v,i表示第i列天线到移动终端Q的信道矩阵，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,M_k，则根据下式选择DAS_k天线组的垂直维预编码初始矩阵：

即

一般平面天线阵列可通过下倾角调整天线的垂直发射方向，下倾后的天线阵列将给垂直维的每列天线带来一个影响因子δ，假设天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的下倾角为θ_k，则：

式中，e为Euler指数，约等于2.718；

π为圆周率，约等于3.1415；λ为无线电波的波长，于是，得到天线组DAS_k的垂直维预编码子矩阵：

式中，运算符·为点积符号；则天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵为：

天线组DAS_k针对终端Q的预编码矩阵为:

式中，

为Kronecker积符号，则基站针对终端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；

步骤2、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·s₁,W₁·s₂,…,W_K·s_K]

在室内定位时，基站发射信号一般为简单的天线组序号及天线组位置坐标等；可以采用以下发射方式：

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；

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；

步骤3、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l_k，k＝1,2,…,K，分别以天线组DAS_k为圆心，距离l_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；

实际上，取四个不在同一平面上四个天线组即满足定位需求，设移动终端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l₁、l₂、l₃和l₄；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l₁、l₂、l₃和l₄为半径的球面方程组；

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)为顶点的三棱锥外接球球心坐标，即外心坐标(x_外,y_外,z_外)；求出上述四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，记为

和

求此4个内侧交点的形心作为待测终端的位置坐标；采用基于空间球的三维加权形心方法进行估计，加权系数η₁,η₂,η₃,η₄取距离的倒数，即

则待测点Q三维坐标的估计值为:

本发明的有益效果：

1)分布式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；天线单元散布在小区中放置，缩短了平均接入距离，减少了路径损耗。

2)基于天线下倾角修正的3D预编码构造方法，在求出的预编码中包含了水平维和垂直维的信道信息，以及下倾角的影响，从而有效抑制干扰，提升系统整体性能。

3)本发明的三维波束，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。

4)基于球心-外心连线交点及距离加权的形心空间坐标估计法，准确度较高，实施简洁，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明一种基于分布式天线组的室内定位系统结构图。

图3是本发明基于球心-外心连线与球面交点的形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。

图2是本发明一种基于分布式天线组的室内定位系统结构图，该系统包含有基带处理单元(BBU，Building Base band Unite)、分布式天线组(DAS，Distributed AntennaSets)由DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄等四个天线组构成，以及终端Q。BBU通过馈线与室内分布式天线组中的4个天线组相连。

设天线组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。

天线组分别接收终端Q发送的sounding信号，BBU通过天线组得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理。

图1是本发明方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1、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)根据水平维信道矩阵，得到天线组DAS_k的水平维预编码矩阵

由上行链路信道估计得到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)水平维信道矩阵

其中H_h,i(i＝1,2,…,N_k)表示第i行天线到移动终端Q的信道矩阵，则根据下式选择天线组DAS_k的水平维预编码子矩阵：

式中，上角标H为共轭转置算子，tr()表示求矩阵的迹，w_c为码字,codebook为码本(如LTE协议中的码本)，∈为属于符号，

表示使后面这个式子达到最大值时的w_c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。

则天线组DAS_k的水平维预编码矩阵为：

1.2)根据垂直维信道矩阵，得到天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵

由上行链路信道估计得到天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)垂直维信道矩阵

其中H_v,i(i＝1,2,…,M_k)表示第i列天线到移动终端Q的信道矩阵，则根据下式选择DAS_k天线组的垂直维预编码初始矩阵：

记

一般平面天线阵列可通过下倾角调整天线的垂直发射方向，下倾后的天线阵列将给垂直维的每列天线带来一个影响因子δ，假设天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的下倾角为θ_k，则：

式中，e为Euler指数，约等于2.718；

π为圆周率，约等于3.1415；λ为无线电波的波长。

于是，得到天线组DAS_k的垂直维预编码子矩阵：

式中，运算符·为点积符号。

则天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵为：

1.3)水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积，得到天线组DAS_k的预编码矩阵

天线组DAS_k针对终端Q的预编码矩阵为:

式中，

为Kronecker积符号。

1.4)根据天线组DAS_k的各预编码矩阵，构造基站针对终端Q的预编码矩阵基站针对终端Q的预编码矩阵为:

W＝[W₁,W₂,…,W_K]

即W₁、W₂、W₃和W₄分别为预编码矩阵W的列。

步骤2、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·s₁,W₁·s₂,…,W₄·s₄]

在室内定位时，基站发射信号一般为简单的天线组序号及天线组位置坐标等；可以采用以下发射方式：

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；

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；

步骤3、移动终端检测及空间定位

如图3所示，通过RSSI距离损耗模型求得待定位终端Q与天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)之间的距离l_k(k＝1,2,…,4)，分别以天线组DAS_k(k＝1,2,…,4)为圆心，距离l_k(k＝1,2,…,4)为半径得到四个球，实际的待定位终端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)为顶点的三棱锥外接球球心坐标(x_外,y_外,z_外)；然后求出这四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的形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，进而确定出唯一的移动终端位置坐标；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)利用距离损耗模型估计终端Q到各个天线组的距离

设移动终端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l₁、l₂、l₃和l₄；

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l₁、l₂、l₃和l₄为半径的球面方程：

理论上，根据上述估计得到的移动终端Q与四个天线组DAS₁、DAS₂、DAS₃和DAS₄的欧式距离l₁、l₂、l₃和l₄，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，采用基于球心和外心连线与球面交点的形心算法进行估计。

3.4)估计以四个天线组的坐标为顶点的三棱锥的外接球球心坐标

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)为顶点的三棱锥的外接球球心坐标，即外心坐标(x_外,y_外,z_外)

则有

式中，

(i＝1,2,3,4)，||为行列式符号。

3.5)求出上述四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，并以距离倒数作为加权系数，求此4个交点的形心作为待测终端的位置坐标。

球心(x₁,y₁,z₁)与外心(x_外,y_外,z_外)的连线方程：

球心(x₂,y₂,z₂)与外心(x_外,y_外,z_外)的连线方程：

球心(x₃,y₃,z₃)与外心(x_外,y_外,z_外)的连线方程：

球心(x₄,y₄,z₄)与外心(x_外,y_外,z_外)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

采用基于空间球的三维加权形心方法进行估计，加权系数η₁,η₂,η₃,η₄取距离的倒数，即

则待测点Q三维坐标的估计值为:

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，可以实现室内实时三维定位。

Claims (1)

1.一种基于分布式天线的室内三维定位方法，包含有基带处理单元BBU、分布式天线组DAS，以及终端Q，BBU通过馈线与室内每个分布式天线组相连成的定位系统，天线组分别接收单天线终端Q发送的sounding信号，BBU通过天线组得到终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理，其中设天线组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，其特征在于，该基于该系统的室内三维定位方法，包括以下步骤：

步骤1、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由上行链路信道估计得到天线组DAS_k，水平维信道矩阵

其中H_h,i表示第i行天线到移动终端Q的信道矩阵，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,N_k，则根据下式选择天线组DAS_k的水平维预编码子矩阵：

式中，上角标H为共轭转置算子，tr()表示求矩阵的迹，w_c为码字,codebook为码本，即LTE协议中的码本，∈为属于符号，

表示使后面这个式子达到最大值时的w_c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，则天线组DAS_k的水平维预编码矩阵为：

同理，可以由上行链路信道估计得到天线组DAS_k垂直维信道矩阵

其中H_v,i表示第i列天线到移动终端Q的信道矩阵，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,M_k，则根据下式选择DAS_k天线组的垂直维预编码初始矩阵：

即

平面天线阵列可通过下倾角调整天线的垂直发射方向，下倾后的天线阵列将给垂直维的每列天线带来一个影响因子δ，假设天线组DAS_k(k＝1,2,…,K)的下倾角为θ_k，则：

式中，e为Euler指数，约等于2.718；

π为圆周率，约等于3.1415；λ为无线电波的波长，于是，得到天线组DAS_k的垂直维预编码子矩阵：

式中，运算符·为点积符号；则天线组DAS_k的垂直维预编码矩阵为：

天线组DAS_k针对终端Q的预编码矩阵为:

式中，

为Kronecker积符号，则基站针对终端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；

步骤2、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·s₁,W₂·s₂,…,W_K·s_K]

在室内定位时，基站发射信号为简单的天线组序号及天线组位置坐标；可以采用以下发射方式：

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；

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；

步骤3、移动终端检测及空间定位；

通过接收信号强度RSSI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l_k，k＝1,2,…,K，分别以天线组DAS_k为圆心，距离l_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；

实际上，取四个不在同一平面上四个天线组即满足定位需求，设移动终端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l₁、l₂、l₃和l₄；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l₁、l₂、l₃和l₄为半径的球面方程组；

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)为顶点的三棱锥外接球球心坐标，即外心坐标(x_外,y_外,z_外)；求出四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，记为

和

求此4个内侧交点的形心作为待测终端的位置坐标；采用基于空间球的三维加权形心方法进行估计，加权系数η₁,η₂,η₃,η₄取距离的倒数，即

则待测点Q三维坐标的估计值为:

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