CN109040965B - 一种基于三维波束的室内多用户定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三维波束的室内多用户定位方法，包括以下步骤：步骤一：节点端分别进行基于3D预编码的多波束轮询扫描，并发送扫描信息，该扫描信息包括节点的id和位置信息；步骤二：移动终端对接收到的节点信号进行检测；步骤三：移动终端进行三维空间位置估计。本发明基于多用户的波束分组扫描方法，可以同时为多个用户提供良好的定位服务，提高了室内定位系统的定位效率。

Description

一种基于三维波束的室内多用户定位方法

技术领域

本发明室内定位技术领域，具体涉及一种基于三维波束的室内多用户定位方法。

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，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。当前的大多数定位算法只是针对无线二维网络展开研究的，然而在实际应用中无线网络节点也会经常处于三维环境中，这些场合下需要提供移动终端的三维位置信息，研究人员提出了许多基于射频识别的室内定位解决方案。

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。

多用户多输入多输出技术充分利用多天线提供的空间自由度，通过时频资源复用方式有效提高系统的平均吞吐量。当基站采用均匀线性阵列结构时，波束的下倾角固定，只能在水平的二维平面内进行波束赋型；它能够区分不同水平角度的用户，但是不能区分同一水平角度，不同距离的两个用户。

申请号为201711106986.0，发明名称为：一种基于三维波束的室内定位方法，公开了一种采用三维波束扫描来定位的方法，但是该方法其定位效率低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种定位效率高的基于三维波束的室内多用户定位方法。

一种基于三维波束的室内多用户定位方法，包括以下步骤：

步骤一：节点端分别进行基于3D预编码的多波束轮询扫描，并发送扫描信息，该扫描信息包括节点的id和位置信息；

步骤二：移动终端对接收到的节点信号进行检测；

步骤三：移动终端进行三维空间位置估计；

其中，步骤一包括：

步骤a:构造3D预编码,3D预编码码本W_3D通过垂直维度码本与水平维度码本的Khatri-Rao积得到：

W_3D＝W_vΘW_h＝{c₀,c₁,…,c_i1,…,c_i2,…}

其中Θ表示Khatri-Rao积，W_h为水平维度码本，W_v为垂直维度码本；

步骤b:按照组间波束尽可能垂直，组内波束尽可能平行的原则对W_3D中的码字进行分组；

两波束之间的夹角等同为对应码字之间的夹角，即为：

c_i1∈W_3D，c_i2∈W_3D，且i1≠i2

步骤c:根据波束子组数，将波束覆盖球面平均分区

步骤d:针对两个用户，选择波束子组对，两个波束子组内的子波束分别垂直或具有一定的夹角；

步骤e:对于波束子组对，子波束依次轮询扫描，即节点的原始信号S通过3D预编码码字进行加权，将选择出的两个子波束通过叠加的方式共用同一时频资源，并映射到相应的天线端口；

步骤f:变换其他波束子组对，子波束依次轮询扫描，直到所有波束子组扫描完毕，并分别将扫描信息映射到相应的天线端口。

进一步地，如上所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，所述步骤二包括：对移动终端接收到的信号的所有节点进行组合，每四个节点作为一个组合。

进一步地，如上所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，所述步骤三包括：

对于移动终端Q₁相关的每个组合采用四个节点定位算法求出终端坐标的初估计坐标值；

对初估计坐标值用基于距离倒数加权求均值的方法进行优化，最终得到移动终端Q₁的位置坐标。

进一步地，如上所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，对所述移动终端Q₁的初估计坐标值采用最小二乘法对数据进行修正处理。

有益效果：

本发明基于多用户的波束分组扫描方法，可以同时为多个用户提供良好的定位服务，提高了室内定位系统的定位效率。波束分组可以同时采用多波束扫描，由于在实际实施中，随着波束的增多，实现过程会比较复杂，故本发明方法仅涉及2个波束情形进行扫描，这样较之常规的单波束方式能同时服务更多的待定位用户(或称终端)，从而提高了定位效率。同时，分组波束采用多波束比之全向波束或单波束方式，更有针对性，波束指向更为准确指向带定位用户，效果更好，从而提升了服务质量。

本发明基于距离倒数的多节点均衡估计法，使得在多个节点环境中，充分利用各节点的信息，减少了由于不平衡的位置关系而引入的误差。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法的定位框图；

图3是本发明的波束分组示意图；

图4是本发明三维波束分组扫描示意图；

图5(a)是本发明的期望目标为(-30°,11.25°)和(30°,11.25°)两个方向的三维波束扫描图；

图5(b)是本发明的期望目标为(-30°,11.25°)和(30°,11.25°)两个方向的三维波束扫描在水平面的等高线图；

图5(c)是本发明的期望目标为(-30°,33.75°)和(30°,33.75°)两个方向的三维波束扫描图；

图5(d)是本发明的期望目标为(-30°,33.75°)和(30°,33.75°)两个方向的三维波束扫描在水平面的等高线图；

图5(e)是本发明的期望目标为(-30°,56.25°)和(30°,56.25°)两个方向的三维波束扫描图；

图5(f)是本发明的期望目标为(-30°,56.25°)和(30°,56.25°)两个方向的三维波束扫描在水平面的等高线图；

图5(g)是本发明的期望目标为(-30°,78.75°)和(30°,78.75°)两个方向的三维波束扫描图；

图5(h)是本发明的期望目标为(-30°,78.75°)和(30°,78.75°)两个方向的三维波束扫描在水平面的等高线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例提供的应用于基于三维波束的室内多用户定位方法流程图，该定位方法包括以下步骤：

步骤101：节点以三维多波束扫描方式发送信息；

步骤102：移动终端对接收到的信号进行检测；

步骤103：移动终端进行三维空间估计。

图2为本发明方法的定位框图，该系统中包含有室内接入节点以及移动终端。其中，所述终端Q₁,Q₂，为区域内多个终端中的任意一组终端。

实施例的节点可以为欲定位环境周围的基站等，移动终端为具有读写功能的装置。

参照图1，一种基于三维波束的室内多用户定位方法，包括以下步骤：

第一步，节点以三维多波束扫描方式发送信息：节点T₁,T₂,T₃,T₄端分别进行基于3D预编码的多波束轮询，节点T₁,T₂,T₃,T₄发送的信息包括节点的id和位置信息等；

a)构造3D预编码

离散傅里叶变换码本的波束指向在圆周上均匀分布，适合水平方向上的波束赋形。由于垂直方向上波束的角度可调节范围较小，且分布也不均匀，离散傅里叶变换码本不适合垂直方向的波束赋形。这里采用基于垂直空间分割的码本，以充分利用空间垂直方向上的自由度。

水平维度码本采用基于离散傅里叶变换的码本，即W_h：

式中c_hm是水平维度的码字，

N_h为水平方向的天线数，M为码本中水平维度的码字数量。

设垂直维度码本W_v：

W_v＝{c_v0,c_v1,…,c_vk,…,c_v(K-1)}

式中c_vk是垂直维度的码字，

垂直维度的码本的波束以节点为中心，形成围绕节点的K个环形区域，每个区域有对应的下倾角。其中S_k为第k个环形中心到节点的水平距离，H_BS为节点天线高度，H_MS为移动终端高度，d为节点天线垂直阵元间距，λ为波长。N_v为垂直方向的天线数，K为码本中垂直维度的码字数量。

则3D预编码码本W_3D通过垂直维度码本与水平维度码本的Khatri-Rao积得到：

W_3D＝W_vΘW_h＝{c₀,c₁,…,c_i1,…,c_i2,…}

其中Θ表示Khatri-Rao积，c₀,c₁,…,c_i1,…,c_i2为组成码本W_3D的码字。

b)基于多用户的波束分组

按照组间波束尽可能垂直(波束之间夹角为90度)，组内波束尽可能平行(波束之间夹角尽可能小)的原则对W_3D中的码字进行分组，为便于说明，假设一个波束对应一个码字。两波束之间的夹角(这里指波束最大波峰之间的夹角)，等同为对应码字之间的夹角，即为：

c_i1∈W_3D，c_i2∈W_3D，且i1≠i2

其中，|| ||表示求范数,c_i1，c_i2代表码本W_3D中的码字；

实际上，一个波束也可以由多个码字组合而形成。

将码本对应的波束平均分成G_N个波束子组，每一个波束子组包含N_b个子波束。

图3给出了一个波束分组的实施例，其中垂直维度的码字数K＝8，水平维度的码字数M＝32，将所有的波束分为8个子组，每一个子组包含32个子波束。

其中，波束子组B₁＝[b₁,b₂,…,b₃₂]，波束子组B₂＝[b₃₃,b₃₄,…,b₆₄]，……，波束子组B₈＝[b₂₂₅,b₂₂₆,…,b₂₅₆]，b_i(i＝1,2,…,256)为子波束。

c)定位空间划分

进一步根据波束子组数G_N＝8，将波束覆盖球面平均分为G_N＝8个区域。

d)3D波束分组扫描

图4为多用户数为2时的三维波束分组扫描实施例。

d1，针对两个用户，选择波束子组对，将G_N＝8个子组分成G_N/2＝4组，即{B₁，B₅}，{B₂，B₆}，{B₃，B₇}和{B₄，B₈}，两个波束子组内的子波束分别垂直(或具有一定的夹角)；

d2，对于波束子组对{B₁，B₅}，子波束依次轮询扫描，即依次用波束{b₁，b₁₂₉}，{b₂，b₁₃₀}，……，{b₃₂，b₁₆₀}进行扫描；即，节点的原始信号S通过3D预编码码字进行加权，将选择出的两个子波束通过叠加的方式共用同一时频资源，并映射到相应的天线端口，即叠加子波束的发射信号为：c₁·s+c₁₂₉·s，c₂·s+c₁₃₀·s，……，c₃₂·s+c₁₆₀·s，其中c_i∈W_3D i＝1,2,…,160。

变换波束子组对，分别为{B₂，B₆}，{B₃，B₇}和{B₄，B₈}，重复上述操作。

从而达到对室内需定位空间的覆盖。

如图5是本发明的三维多波束扫描的波束图，采用均匀平面阵，其中水平方向的天线数N_h＝32，垂直方向的天线数N_v＝8，阵元间距d＝λ/2。图5(a)、(b)中，波束1能量集中在期望目标的(-30°,11.25°)和(30°,11.25°)两个方向，即方位角为-30°，俯仰角为11.25°和方位角为30°，俯仰角为11.25°；图5(c)、(d)中，波束2能量集中在期望目标的(-30°,33.75°)和(30°,33.75°)两个方向，即方位角为-30°，俯仰角为33.75°和方位角为30°，俯仰角为33.75°；图5(e)、(f)中，波束3能量集中在期望目标的(-30°,56.25°)和(30°,56.25°)两个方向，即方位角为-30°，俯仰角为56.25°和方位角为30°，俯仰角为56.25°；图5(g)、(h)中，波束4能量集中在期望目标的(-30°,78.75°)和(30°,78.75°)两个方向，即方位角为-30°，俯仰角为78.75°和方位角为30°，俯仰角为78.75°。

第二步，移动终端对接收到的节点信号进行检测

实际检测时，对移动终端Q₁接收到的信号的所有节点进行组合，每四个节点作为一个组合，假设移动终端Q₁接收到T₁,T₂,T₃,T₄,T₅等五个节点的信号，则共有5种组合。

第三步，移动终端进行三维空间位置估计

3.1对于移动终端Q₁相关的每个组合采用四个节点定位算法求出终端坐标的初估计；

设移动终端Q₁的坐标为

Q₁与四个节点T₁,T₂,T₃,T₄的欧式距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄，四个节点T₁,T₂,T₃,T₄的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)，采用基于到达时间的距离估计方法，得到：

根据上述检测估计得到的移动终端Q₁与四个节点T₁,T₂,T₃,T₄的欧式距离l₁、l₂、l₃和l₄，求解得到移动终端Q₁的坐标，上述方程组求解可视为求空间4个球体的相交点。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，采用最小二乘法对数据进行修正处理。

于是，基于节点T₁,T₂,T₃,T₄的移动终端Q₁三维初估计坐标的最小二乘估计值为:

其中，

，()^-1表示求逆运算。

同理，得到

基于节点T₁,T₂,T₃,T₅的移动终端Q₁三维初估计坐标为：

基于节点T₁,T₂,T₄,T₅的移动终端Q₁三维初估计坐标为：

基于节点T₁,T₃,T₄,T₅的移动终端Q₁三维初估计坐标为：

基于节点T₂,T₃,T₄,T₅的移动终端Q₁三维初估计坐标为：

3.2对初估计坐标值用基于距离倒数加权求均值的方法进行优化，最终得到移动终端Q₁的位置坐标。

类似的，可以得到移动终端Q₂的坐标为

其中，

为基于节点T₁,T₂,T₃,T₅的移动终端Q₁三维初估计的x轴坐标，

为基于节点T₂,T₃,T₄,T₅的移动终端Q₁三维初估计的x轴坐标；同理，

为基于节点T₁,T₂,T₃,T₄的移动终端Q₁三维初估计得y轴坐标，

为基于节点T₁,T₂,T₃,T₅的移动终端Q₁三维初估计得y轴坐标，

为基于节点T₂,T₃,T₄,T₅的移动终端Q₁三维初估计得y轴坐标。

本发明基于距离倒数的多节点均衡估计法，使得在多个节点环境中，充分利用各节点的信息，减少了由于不平衡的位置关系而引入的误差。

以步骤3.2为例。常规方法：一般从5个节点T₁,T₂,T₃,T₄,T₅中取其中信号功率较大的4个节点(假设为T₁,T₂,T₃,T₄)进行估计，得到移动中端Q₁的位置坐标为：

本发明方法，在多个节点环境中，利用T₁,T₂,T₃,T₄,T₅各节点的信息，并采用基于距离倒数的多节点均衡估计法得到移动中端Q₁的位置坐标，从而减少了由于不平衡的位置关系而引入的误差。

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，具有功耗低、抗多径效果好、可扩展性强和便于维护等特点，可以实现室内多用户实时准确定位。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于三维波束的室内多用户定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：节点端分别进行基于3D预编码的多波束轮询扫描，并发送扫描信息，该扫描信息包括节点的id和位置信息；

步骤二：移动终端对接收到的节点信号进行检测；

步骤三：移动终端进行三维空间位置估计；

其中，步骤一包括：

步骤a:构造3D预编码,3D预编码码本W_3D通过垂直维度码本与水平维度码本的Khatri-Rao积得到：

W_3D＝W_vΘW_h＝{c₀,c₁,…,c_i1,…,c_i2,…}

其中Θ表示Khatri-Rao积，W_h为水平维度码本，W_v为垂直维度码本；c₀,c₁,…,c_i1,…,c_i2为组成码本W_3D的码字；

步骤b:按照组间波束尽可能垂直，组内波束尽可能平行的原则对W_3D中的码字进行分组；

两波束之间的夹角等同为对应码字之间的夹角，即为：

c_i1∈W_3D，c_i2∈W_3D，且i1≠i2

步骤c:根据波束子组数，将波束覆盖球面平均分区

步骤d:针对两个用户，选择波束子组对，两个波束子组内的子波束分别垂直或具有一定的夹角；

步骤e:对于波束子组对，子波束依次轮询扫描，即节点的原始信号S通过3D预编码码字进行加权，将选择出的两个子波束通过叠加的方式共用同一时频资源，并映射到相应的天线端口；

步骤f:变换其他波束子组对，子波束依次轮询扫描，直到所有波束子组扫描完毕，并分别将扫描信息映射到相应的天线端口。

2.根据权利要求1所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，其特征在于，

所述步骤二包括：对移动终端接收到的信号的所有节点进行组合，每四个节点作为一个组合。

3.根据权利要求2所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，其特征在于，所述步骤三包括：

对于移动终端Q₁相关的每个组合采用四个节点定位算法求出终端坐标的初估计坐标值；

对初估计坐标值用基于距离倒数加权求均值的方法进行优化，最终得到移动终端Q₁的位置坐标。

4.根据权利要求3所述的基于三维波束的室内多用户定位方法，其特征在于，对所述移动终端Q₁的初估计坐标值采用最小二乘法对数据进行修正处理。

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