CN108337197A - 一种直射径提取方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直射径提取方法及装置，涉及无线定位领域，所述方法包括：基站接收来自终端的定位参考信号；所述基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值；所述基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量；所述基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。本发明实施例根据能量窗中的能量分布情况确定并提取直射径，能够有效逼近真实直射径的信号传输时延，提高无线定位的精度。

Description

一种直射径提取方法及装置
技术领域
本发明涉及无线定位领域，特别涉及一种直射径提取方法及装置。
背景技术
随着移动互联网的发展，人们对定位和导航功能的需求将越来越高。以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)和北斗为代表的室外定位技术已经获得广泛应用，但在复杂的室内或封闭环境下，如大型候车室、大型会场、体育馆、大型写字楼、地下矿井等场景，由于信号遮挡衰减严重，仍然无法定位。但是这些复杂的室内环境，需要通信网满足随时随地的热点覆盖，因此可以利用通信系统基站进行室内定位。
基于三角定位原理的到达时间(Time of Arrival，TOA)和到达时间差(TimeDifference of Arrival，TDOA)的定位方法是比较常用的定位技术，其测量基站与终端之间的信号传输时延值，然后根据信号传输时延值估计基站和终端的实际距离，从而估计定位终端的位置，TOA和TDOA技术在系统中一般的终端都可以实现。
在实际系统中，基于无线信号传播时间的模型受到室内复杂环境中的多径影响非常大，受到多径干扰后，测量的基站与终端之间的信号传输时延值会有很大误差，导致定位精度大大降低。
现有技术中，常利用训练序列的相关性，检测最早到达径，具体是通过在接收端搜索接收信号与本地参考训练序列的相关谱峰值来确定TOA。该方法只适用于存在直射径且直射径为最强径，然而城市蜂窝小区中，传输条件恶劣，此时多径干扰严重，TOA估计误差较大。
发明内容
根据本发明实施例提供的一种直射径提取及装置，通过找到多径信号中直射径，解决在复杂环境中无线定位受到多径干扰而导致较大误差的问题。
根据本发明实施例提供的一种直射径提取方法，包括：
基站接收来自终端的定位参考信号；
所述基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值；
所述基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量；
所述基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。
优选地，所述的基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值包括：
对所述定位参考信号和本地定位参考信号进行最小二乘信道估计，得到信道估计值。
优选地，所述的基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量包括：
所述基站对所述信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值；
所述基站对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值；
所述基站利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量。
优选地，所述的计算能量窗及所述能量窗中分布的能量包括：
所述基站根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗；
所述基站通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
优选地，所述的基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径包括：
所述基站将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量；
所述基站搜索所述能量窗中能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。
根据本发明实施例提供的存储介质，其存储用于实现上述直射径提取的方法的程序。
根据本发明实施例提供的一种直射径提取装置，包括：
接收模块，用于接收来自终端的定位参考信号；
信道估计模块，用于利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值；
能量计算模块，用于利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量；
直射径提取模块，用于根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。
优选地，所述信道估计模块具体用于对所述定位参考信号和本地定位参考信号进行最小二乘信道估计，得到信道估计值。
优选地，所述能量计算模块进一步包括：
插值子模块，用于对所述信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值；
离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)IDFT子模块，用于对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值；
能量窗确定子模块，用于利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量。
优选地，所述能量窗确定子模块具体用于根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗，然后通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
优选地，所述直射径提取模块具体用于将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量，并搜索所述能量窗中能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。
本发明实施例提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例根据能量窗中的能量分布情况，确定并提取直射径，能够有效逼近真实直射径的信号传输时延，提高无线定位的精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的直射径提取方法框图；
图2是本发明实施例提供的直射径提取装置框图；
图3是本发明另一实施例提供的直射径提取装置框图；
图4是本发明实施例提供的时延计算流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的直射径提取方法框图，如图1所示，步骤包括：
步骤S101：基站接收来自终端的定位参考信号。
步骤S102：基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值。
具体地说，基站通过将收到的定位参考信号和本地定位参考信号进行最小二乘(Least Square，LS)信道估计，得到信道估计值，该信道估计值为频域的信道估计值。
步骤S103：基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量。
具体地说，基站对所述信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值，并利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量。其中，所述基站根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗，并通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
进一步说，基站在进行由频域到时域的变换处理之前，对所述频域的信道估计值进行插值处理，得到插值后的频域的信道估计值。
步骤S104：基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。
具体地说，基站将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量，并搜索所述能量窗中能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。也就是说，基站将能量窗中第一个出现的能量大于门限能量的能量径作为直射径。
也就是说，为了消除无线定位系统中多径干扰对无线定位带来的影响，本实施例通过多径分离，在多径干扰中寻找直射径，达到消除多径干扰的目的。具体地说，本实施例在测量信号传输时延值之前，首先采用频域信道估计插值方法，然后进行IDFT操作，提升时域信道估计分辨率，最后根据多径能量在时域的分布特点，设定相应门限，利用直射径到达时间早的特性将直射径提取出来，从而相当于将多径环境变为视距环境，提高定位精度。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤S101至步骤S104。其中，所述的存储介质可以为ROM/RAM、磁碟、光盘等。
图2是本发明实施例提供的直射径提取装置框图，如图2所示，包括：接收模块、信道估计模块、能量计算模块和直射径提取模块。
接收模块，用于接收来自终端的定位参考信号，所述定位参考信号可以是信道探测参考信号(Sounding Reference Signal，SRS)，也可以是解调参考信号(DemodulationReference Signal，DMRS)。
信道估计模块，用于对接收的参考信号进行频域LS信道估计，具体地说，信道估计模块利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，具体是对上述两个信号进行LS信道估计，得到信道估计值，该信道估计值为频域的信道估计值。
能量计算模块，用于利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量。
直射径提取模块，用于直射径门限的确定和直射径提取，具体地说，直射径提取模块根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径，具体是将搜索的能量窗中能量大于门限能量的第一个能量径作为直射径。
在利用无线通信网实现终端定位期间，复杂环境中定位受到多径干扰，导致无线定位存在较大误差，通过本实施例的提取直射径的方法，能够找到多径信号中直射径，从而将多径环境变换为视距环境，提高TOA和TDOA等室内定位方法的精度。
图3是本发明另一实施例提供的直射径提取装置框图，如图3所示，与图2所述实施例比较，能量计算模块进一步包括：插值子模块、IDFT子模块、能量窗确定模块。
插值子模块，用于对上述频域信道估计进行插值操作，具体地说，插值子模块对信道估计模块输出的频域的信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值。
IDFT子模块，用于将上述插值子模块的输出转换为信道估计时域值(即时域的信道估计值)，具体地说，IDFT子模块对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值。
能量窗确定子模块，用于计算信号能量分布及确定能量窗的大小，具体地说，能量窗确定子模块利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量，也就是说，能量窗确定子模块具体用于根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗，然后通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
直射径提取装置在接收定位参考信号后，一般执行如下步骤：
步骤一：信道估计模块对收到的定位参考信号做最小二乘信道估计。
具体地说，将收到的定位参考信号与本地定位参考信号做LS信道估计，其中，定位参考信号不限于SRS和DMRS。
步骤二：插值子模块利用插值方法对LS信道估计值(即频域的信道估计值)进行插值。
采用的插值方法可以为补零插值或三次样条插值，插值后的信道估计值点数可为1024或2048。
步骤三：IDFT子模块通过IDFT将插值后的频域信道估计值变换到时域。
步骤四：能量窗确定子模块计算时域信道估计值的能量分布以及能量窗。
具体地说，对于定位终端，时域信道估计能量会是一个冲击响应，时域能量都分布在能量窗内，本实施例的能量窗指信号期望分布的区域，能量窗外是噪声。
步骤五：直射径提取模块在能量窗内，提取直射径，并估计传输时延。
具体地说，根据多径特性，每个多径在时域上表现为一个冲击响应峰值，时域能量为这些多径能量的叠加值，能量最高峰为参考信号接收点。
若为视距环境，则只有一个信号峰值，直射径就是最大能量径。若为多径环境，则直射径有以下几个特征：1.直射径在时域上是一个峰值能量点；2.直射径能量不会太低，应高于最大能量径乘以某个门限值(即门限系数)；3.直射径时延比最大能量径时延要小。根据这三个特点，设定一个合理的门限，寻找时延小于最大能量径、能量超过合理门限(即门限能量)的能量峰值点，这样找到的能量峰值点就是直射径，然后根据该能量峰值点，估计传输时延。
此外，本发明实施例还提供了一种直射径提取装置，包括处理器以及存储有所述处理器可执行指令的存储器；其中，当所述处理器执行指令时，执行如下操作：接收来自终端的定位参考信号；利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值，该信道估计值为频域的信道估计值；对所述频域的信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值；对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值；利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量；将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量；在所述能量窗中搜索能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。
图4是本发明实施例提供的时延计算流程图，本发明实施例适用于基于三角定位原理的室内定位技术，通过对定位参考信号的信道估计进行频域插值，提高时域信道估计的分辨率，并从多径信号中提取出直射径，测量基站与终端之间的直射径的信号传输时延值，然后根据信号传输时延值估计基站和终端的实际距离。本发明实施例提取直射径以提升定位精度的步骤主要包括：
步骤101：定位终端(User Equipment，UE)向所有室内定位基站发送定位参考信号。定位参考信号可以是上行SRS信号，也可以是DMRS信号。
步骤102：基站接收UE的定位参考信号，假设收到的SRS有用的频域数据为Y(k)，通过以下步骤103_1至步骤103_7提取直射径并测量精确的传输时延。
步骤103_1：对用户u(即UE)的每个接收通道p的频域数据Y(u,p)(k)做最小二乘估计其中，k为定位参考信号子载波索引，X(u,p)(k)为本地导频序列基序列(相当于本地定位参考信号)。
步骤103_2：对LS估计值进行补零插值，其中M为SRS的频域点数，N为补零后的总点数，N＝1024。
步骤103_3：将频域信道估计值变换到时域，
步骤103_4：计算信道冲击响应窗，有效信道冲击响应窗包括前窗和后窗，Lw＝Lfore+Lpost，前窗长度可取Lfore＝[0.5Lc～0.8Lc]，后窗可取Lpost＝[0.2Lc～0.5Lc]；Lc为用于计算能量窗的系数，M为的频域点数，常规循环前缀(Cyclic Prefix，CP)时lcp＝144，扩展CP时lcp＝512。
步骤103_5：计算时域信号功率P(u,p)(n)(即时域信道估计值的能量)，公式如下：
P(u,p)(n)＝h(u,p)(n)*conj(h(u,p)(n))。
其中，conj()表示求共轭函数。
步骤103_6：多径分离寻找直射径，在时域信道估计窗长Lw内搜索超过最大峰值能量乘以门限值thr的对应位置，公式如下：
其中，arg()表示求位置函数，left表示求集合第一个元素，thr为相应的门限值。
步骤103_7：根据位置确定时延估计值Ta(u)，先计算一个端口上的时延值Ta(u,p)，公式如下：
再对各端口的时延值进行平均，得到基站与终端之间的信号传输时延值Ta(u)，公式如下：
其中，P为端口数量，即接收通道的数量。
根据本发明实施例提供的直射径提取技术，利用通信网络进行定位服务时，为了克服复杂环境带来的多径影响，在测量终端和基站之间的传输时延时，从多径信号中分离出直射径信号，用直射径信号进行时延估计，相当于将多径环境简化为视距环境，消除掉多径带来的误差，最后应用到三角定位方案计算定位终端的位置。
综上所述，本发明的实施例具有以下技术效果：
1.本发明实施例在直射径提取之前对定位参考信号的频域信道估计进行插值操作，降低了时延估计粒度；
2.本发明实施例通过寻找第一条超过时域信道估计最大能量径的门限的能量峰值点作为直射径，有效逼近真实直射径的时延，提高定位精度。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直射径提取方法，包括：
基站接收来自终端的定位参考信号；
所述基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值；
所述基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量；
所述基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的基站利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值包括：
对所述定位参考信号和本地定位参考信号进行最小二乘信道估计，得到信道估计值。
3.根据权利要求1所述的方法，所述的基站利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量包括：
所述基站对所述信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值；
所述基站对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值；
所述基站利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量。
4.根据权利要求3所述的方法，所述的计算能量窗及所述能量窗中分布的能量包括：
所述基站根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗；
所述基站通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，所述的基站根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径包括：
所述基站将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量；
所述基站搜索所述能量窗中能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。
6.一种直射径提取装置，包括：
接收模块，用于接收来自终端的定位参考信号；
信道估计模块，用于利用所收到的定位参考信号和本地定位参考信号，进行信道估计，得到信道估计值；
能量计算模块，用于利用所述信道估计值，确定信道估计值的能量窗及所述能量窗中分布的能量；
直射径提取模块，用于根据所述能量窗中分布的能量，确定直射径，并提取所述直射径。
7.根据权利要求6所述的装置，所述信道估计模块具体用于对所述定位参考信号和本地定位参考信号进行最小二乘信道估计，得到信道估计值。
8.根据权利要求7所述的装置，所述能量计算模块进一步包括：
插值子模块，用于对所述信道估计值进行插值处理，得到插值后的信道估计值；
IDFT子模块，用于对所述插值后的信道估计值进行由频域到时域的变换处理，得到时域的信道估计值；
能量窗确定子模块，用于利用所述时域的信道估计值，计算能量窗及所述能量窗中分布的能量；
其中，所述IDFT是离散傅里叶逆变换。
9.根据权利要求8所述的装置，所述能量窗确定子模块具体用于根据所述信道估计值，确定用于计算能量窗的系数，并根据所述用于计算能量窗的系数，计算前窗和后窗，通过将所述前窗和所述后窗相加，得到能量窗，然后通过将所述时域的信道估计值与其共轭相乘，得到所述能量窗中分布的能量。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的装置，所述直射径提取模块具体用于将所述能量窗中的最大峰值能量乘以门限系数，得到用于确定直射径的门限能量，并搜索所述能量窗中能量大于所述门限能量的第一个能量径作为直射径。
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