CN108769937B - 一种基于虚拟小区的室内定位系统及方法 - Google Patents

一种基于虚拟小区的室内定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟小区的室内定位系统及方法，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和接收终端；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；虚拟小区含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；接收终端用于接收虚拟小区发射的节点发射的信号。其中，接收终端包含：信道矩阵建立模块，其用于建立节点与接收终端的信道矩阵；预编码模块，其用于获取最优的系统和速率R，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得接收终端的位置。本发明的系统及方法能够在分布式天线的情况下，有效降低信令开销对干扰协调的影响，还能提升系统整体性能，准确度较高。

Description

一种基于虚拟小区的室内定位系统及方法
技术领域
本发明属于空间定位技术领域，具体涉及一种基于虚拟小区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。目前，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。但是，由于室内环境的特殊性和复杂性，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影响的问题，进而给用户提供高精度、低复杂度、立体化的定位服务。
中国专利CN201710697495.1，公开了一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置，该专利采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但是，由于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。
中国专利CN201610813895.X，公开了一种高精度三维实景室内外一体化定位方法及装置，该方法是将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。但是该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。
在分布式天线场景下，每一根天线可以视为一个微小区，在大规模天线组的情况下，对多个微小区进行管理是一个复杂的过程，会导致在部署干扰协调时产生信令开销和时延。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟小区的室内定位系统及方法，该系统及方法解决了分布式天线场景下定位复杂的问题，能够实现室内某一时刻的空间定位。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于虚拟小区的室内定位系统，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和待测接收终端；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；所述的虚拟小区的虚拟基站含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；所述的待测接收终端用于接收虚拟基站的节点发射的信号。
其中，所述的待测接收终端包含：信道矩阵建立模块，其用于建立所述的节点与待测接收终端的信道矩阵；预编码模块，其用于获取最优的系统和速率R，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过所述的预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得待测接收终端的位置。
优选地，所述的系统和速率R(即系统的和速率)为：
式中，Hkk为虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵，Hkj为虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差。
优选地，所述的预编码包含：利己预编码利他预编码虚拟基站k的预编码wk。
其中，所述的利己预编码为：式中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置。
其中，所述的利他预编码为：式中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量。
其中，所述的虚拟基站k的预编码wk为：式中，dot()表示求内积运算。
优选地，所述的虚拟基站k发射的信号波束为：wk·s，其中，s为虚拟基站k发射的信号。
优选地，所述的空间定位，其以所述的待测接收终端到节点的距离为半径，以各个节点为球心，分别建立球体i，i＝1,2……L，L≥4，并建立各节点形成的多面体的外接球体a，以球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点进行加权质心，以预编码的对应分量的模值作为加权因子，确定待测接收终端的位置。
本发明还提供了一种基于虚拟小区的室内定位方法，该方法包含：
步骤1(S100)：建立虚拟小区：根据待测接收终端和节点的相对位置，以及信道建立至少两个以上的虚拟小区，其中两个虚拟小区分别表示为虚拟小区k和j，该虚拟小区的虚拟基站包含：4个以上的节点，且至少有4个节点不在同一平面上；
步骤2(S200)：获得虚拟基站到接收终端的信道矩阵：获得虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵Hkk，以及虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵Hkj；
步骤3(S300)：根据对系统和速率R的寻优，获得虚拟基站的预编码；
步骤4(S400)：根据预编码对虚拟基站的发射信号进行波束形成；
步骤5(S500)：移动待测接收终端检测，并以所述的待测接收终端到节点的距离为半径，以各个节点为球心，分别建立球体i，i＝1,2……L，L≥4，并建立各节点形成的多面体的外接球体a，以球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点进行加权质心，确定待测接收终端的位置。
根据权利要求6所述的基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，在步骤3中，所述的系统和速率R的计算方法，包含：
步骤1A(S 311)：定义接收终端k的速率Rk为式中，Hkk为虚拟小区k中虚拟基站k到待测接收终端k的信道矩阵，Hkj为虚拟小区j中虚拟基站j到待测接收终端k的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差；
步骤2A(S 312)：根据速率Rk获得系统和速率R，R为
优选地，所述的系统和速率R的寻优方法，包含：
步骤1B(S321)：获得利己预编码式中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置；
步骤2B(S322)：获得利他预编码式中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量；
步骤3B(S323)：根据利他预编码在利己预编码上的映射，得到虚拟基站k的预编码wk，式中，dot()表示求内积运算。
优选地，在步骤4中，所述的虚拟基站k的发射信号表示为s，该虚拟基站k的发射信号波束为:wk·s。
优选地，在步骤5中，所述的半径利用距离损耗模型进行确定；以所述的预编码的对应分量的模值作为加权因子，所述的待测接收终端k的三维坐标为：
本发明的基于虚拟小区的室内定位系统及方法，解决了解决了分布式天线场景下定位复杂的问题，具有以下优点：
(1)本发明的系统及方法，基于分布式天线的虚拟小区可以有效改善系统的覆盖，缩短平均接入距离，减少路径损耗，也降低信令开销对干扰协调的影响；
(2)本发明的系统及方法采用利己利他预编码方法，能够平衡待测接收终端的信号最大化和干扰最小化，从而有效抑制干扰，提升系统整体性能；
(3)本发明的系统及方法，基于球心-外心连线交点的加权质心空间坐标估计法，利用加权因子体现各节点对质心位置的影响,反映它们之间的内在关系，准确度较高，实施简洁，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的基于虚拟小区的室内定位系统的结构示意图。
图2为本发明的基于虚拟小区的室内定位方法的流程图。
图3为本发明的系统和速率的计算方法的流程图。
图4为本发明获得预编码的流程图。
图5为本发明的基于球心-外心连线与球面交点的加权质心定位的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种基于虚拟小区的室内定位系统，如图1所示，为本发明的基于虚拟小区的室内定位系统的结构示意图，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和待测接收终端(终端k)；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；虚拟小区的虚拟基站含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；待测接收终端用于接收虚拟基站的节点发射的信号。
其中，待测接收终端包含：信道矩阵建立模块，其用于建立节点与待测接收终端的信道矩阵；预编码模块，其用于获取最优的系统和速率R，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得待测接收终端的位置。
系统和速率R为：
式中，Hkk为虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵，Hkj为虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差。
预编码包含：利己预编码利他预编码虚拟基站k的预编码wk。
其中，利己预编码为：式中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置。利他预编码为：式中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量。虚拟基站k的预编码wk为：式中，dot()表示求内积运算。
虚拟基站k发射的信号波束为：wk·s，其中，s为虚拟基站k发射的信号。
在空间定位时，其以待测接收终端到节点的距离为半径，以各个节点为球心，分别建立球体i，i＝1,2……L，L≥4，并建立各节点形成的多面体的外接球体a，以球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点进行加权质心，以预编码的对应分量的模值作为加权因子，确定待测接收终端的位置。
一种基于虚拟小区的室内定位方法，如图2所示，为本发明的基于虚拟小区的室内定位方法的流程图，其采用如上所述的定位系统，该方法具体步骤如下：
步骤1(S100)：建立虚拟小区：根据终端k(待测接收终端)和节点的相对位置，以及信道建立至少两个以上的虚拟小区，其中两个虚拟小区分别表示为虚拟小区k和j，该虚拟小区k的虚拟基站k的包含：4个以上的节点Pi，i＝1,2……L，L≥4，且至少有4个节点不在同一平面上；
步骤2(S200)：获得基站到终端的信道矩阵：估计虚拟小区k中虚拟基站k到终端k(待测终端)的信道矩阵Hkk，以及虚拟小区j中虚拟基站j到终端k的信道矩阵Hkj；
步骤3(S300)：根据对系统和速率R的寻优，获得预编码；
其中，如图3所示，为本发明的系统和速率的计算方法的流程图，获得系统和速率R的方法为：
步骤1A(S 311)：定义终端k的速率Rk为：
式(1)中，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差；
步骤2A(S 312)：根据速率Rk获得系统和速率R，R为：
其中，对系统和速率R优化，获得最大化和速率求解，但一般需要求解复杂的拉格朗日方程，为简化计算，采用如图4所示的方法，图4为本发明获得预编码的流程图，实际采用的方法，具体如下：
步骤1B(S321)：估计利己预编码
式(3)中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置；
步骤2B(S322)：估计利他预编码
式(4)中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置。
(S323)根据利他预编码在利己预编码上的映射，得到虚拟基站k的预编码wk：
式中，dot()表示求内积运算，当该虚拟小区k包含4个节点Pi时，即L＝4时，记wk＝[wk1,wk2,wk3,wk4]。
步骤4(S400)：根据预编码进行波束形成，假设虚拟基站k的发射信号为s，则虚拟基站k的发射信号波束为:wk·s；
步骤5(S500)：移动终端检测及空间定位，具体如下：
首先，验证节点Pi(i＝1,2,3……L，L≥4)的坐标不在同一平面上；
其次，利用距离损耗模型估计终端k到各节点Pi的距离。假设移动终端k的坐标为(x,y,z)，当L＝4时，四个节点P1、P2、P3和P4的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，利用距离损耗模型估计出终端k到各节点P1、P2、P3和P4的距离分别为l1、l2、l3和l4。
然后，建立三维空间球面方程组。如上，当L＝4时，三维空间以节点P1、P2、P3和P4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k与四个节点P1、P2、P3和P4的距离l1、l2、l3和l4，求解得到移动终端k的坐标，上述方程组求解获得空间4个球面的相交点。
接着，确定以四个节点的坐标为顶点的三棱锥的外接球球心坐标(x外,y外,z外)，如下：
式中，| |为行列式符号。
最后，求出上述L个球的球心与L个节点连接构成的棱锥或多面体的外接球球心连线与L个球的球面的交点，并以预编码的对应分量的模值作为加权因子，求此L个交点的加权质心作为待测终端的位置坐标。
如图5所示，为本发明的基于球心-外心连线与球面交点的加权质心定位的示意图，当L＝4时，四个节点连线构成三棱锥，该三棱锥外接球球心(外心)与上述步骤S513中的四个球的球心的连线方程，具体如下：
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：
将式(6)、(10)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(7)、(11)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(8)、(12)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(9)、(13)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质心方法进行估计，加权因子η1,η2,η3,η4取预编码的对应分量的模值，即
(η1,η2,η3,η4)＝(||wk1||,||wk2||,||wk3||,||wk4||)
则待测终端k三维坐标的估计值为:
综上所述，本发明的基于虚拟小区的室内定位系统及方法，该系统及方法能够在分布式天线的情况下，能够有效改善系统的覆盖，降低信令开销对干扰协调的影响，还能有效抑制干扰，提升系统整体性能，准确度较高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于虚拟小区的室内定位系统，其特征在于，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和待测接收终端；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；所述的虚拟小区的虚拟基站含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；所述的待测接收终端用于接收虚拟基站的节点发射的信号；
所述的待测接收终端包含：
信道矩阵建立模块，其用于建立所述的节点与待测接收终端的信道矩阵；
预编码模块，其用于获取最优的系统和速率R，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过所述的预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得待测接收终端的位置；
所述的空间定位，其以所述的待测接收终端到节点的距离为半径，以各个节点为球心，分别建立球体i，i＝1,2……L，L≥4，并建立各节点形成的多面体的外接球体a，以球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点进行加权质心，以预编码的对应分量的模值作为加权因子，确定待测接收终端的位置。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟小区的室内定位系统，其特征在于，所述的系统和速率R为：
式中，Hkk为虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵，Hkj为虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差；K为待测接收终端的数量。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟小区的室内定位系统，其特征在于，所述的预编码包含：利己预编码利他预编码虚拟基站k的预编码wk；
所述的利己预编码为：式中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置；
所述的利他预编码为：式中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量；Hjk为虚拟小区k的虚拟基站k到终端j的信道矩阵；
所述的虚拟基站k的预编码wk为：式中，dot()表示求内积运算。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟小区的室内定位系统，其特征在于，所述的虚拟基站k发射的信号波束为：wk·s，其中，s为虚拟基站k发射的信号。
5.一种基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1(S100)：建立虚拟小区：根据待测接收终端和节点的相对位置，以及信道建立至少两个以上的虚拟小区，其中两个虚拟小区分别表示为虚拟小区k和j，该虚拟小区的虚拟基站包含：4个以上的节点，且至少有4个节点不在同一平面上；
步骤2(S200)：获得虚拟基站到接收终端的信道矩阵：获得虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵Hkk，以及虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵Hkj；
步骤3(S300)：根据对系统和速率R的寻优，获得虚拟基站的预编码；
步骤4(S400)：根据预编码对虚拟基站的发射信号进行波束形成；
步骤5(S500)：移动待测接收终端检测，并以所述的待测接收终端到节点的距离为半径，以各个节点为球心，分别建立球体i，i＝1,2……L，L≥4，并建立各节点形成的多面体的外接球体a，以球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点进行加权质心，以所述的预编码的对应分量的模值作为加权因子，确定待测接收终端的位置。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，在步骤3中，所述的系统和速率R的计算方法，包含：
步骤1A(S 311)：定义接收终端k的速率Rk为式中，Hkk为虚拟小区k中虚拟基站k到待测接收终端k的信道矩阵，Hkj为虚拟小区j中虚拟基站j到待测接收终端k的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，为高斯白噪声的方差；
步骤2A(S 312)：根据速率Rk获得系统和速率R，R为其中，K为接收终端k的数量。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，所述的系统和速率R的寻优方法，包含：
步骤1B(S321)：获得利己预编码 式中，vecmax表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置；
步骤2B(S322)：获得利他预编码 式中，vecmin表示小特征根对应的特征矢量；Hjk为虚拟小区k的虚拟基站k到终端j的信道矩阵；
步骤3B(S323)：根据利他预编码在利己预编码上的映射，得到虚拟基站k的预编码wk，式中，dot()表示求内积运算。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，在步骤4中，所述的虚拟基站k的发射信号表示为s，该虚拟基站k的发射信号波束为:wk·s。
9.根据权利要求5-8中任意一项所述的基于虚拟小区的室内定位方法，其特征在于，在步骤5中，所述的半径利用距离损耗模型进行确定；设定所述节点为4个，球体i和球体a的球心连接与球体i球面的交点为Gi(xgi、ygi、zgi)，且该交点为距离其它球体的球心距离近的点，加权因子ηi＝‖wki‖，所述的待测接收终端k的三维坐标为：
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