CN110267196B - 一种基于三维码映射的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维码映射的室内定位方法，该方法包含：(S100)基站根据接收到的上行信号估计信道，生成天线组Ant_k的特征向量矩阵，将天线组Ant_k的特征向量矩阵映射成三维码，匹配，得到近似的码字三维码，得到天线组Ant_k的预编码矩阵W；(S200)根据预编码矩阵W对基站发射信号进行波束形成；(S300)通过距离损耗模型求得移动终端与4个不在同一平面上的天线组Ant_k之间的距离l_k，得到以天线组Ant_k为圆心，距离l_k为半径的4个球，建立三维空间球面方程组，利用修正的极大似然法求解，得到三维坐标，对该三维坐标的z值修正，得到移动终端的三维坐标的估计值。本发明的方法利用分布式天线并结合三维码映射的波束匹配方式，实现室内实时空间定位。

Description

一种基于三维码映射的室内定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位方法，具体涉及一种基于三维码映射的室内定位方法。

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，研究设计出其它方式的室内定位，如利用波束扫描实现定位，中国专利CN201710697495.1公开采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但是，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。还有，中国专利CN201610813895.X，公开了高精度三维实景室内外一体化定位方法及装置，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。但是，该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。

为増加空间分辨率，基站必须设置大规模天线阵列，相应的波束全集中码字的个数也达到了10²甚至更高幂次。一般利用信道信息进行波束匹配时，采用的是逐一计算选取最优波束的遍历方法，该种方法需要遍历码本，在3D波束形成计算过程中相当耗时。

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定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维码映射的室内定位方法，该方法解决了现有定位方法复杂的问题，利用分布式天线并结合三维码映射的波束匹配方式，实现室内实时空间定位。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于三维码映射的室内定位方法，该方法针对的定位系统包含：基带处理单元、分布式天线组和移动终端；其中，所述分布式天线组包含：至少4个不在同一平面上的天线组Ant_k，k＝1,……,N，N≥4，该天线组Ant_k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；所述基带处理单元通过馈线与分布式天线组中每个天线组相连，其通过天线组得到移动终端发送的sounding信号后，进行相应的处理，该方法包含：

(S100)基站根据接收到的上行sounding信号估计信道，获得水平维或垂直维信道矩阵，求得水平维或垂直维信道矩阵的特征向量，进行归一化处理，形成水平维或垂直维特征向量矩阵，将水平维和垂直维特征向量矩阵进行Kronecker乘积，生成天线组Ant_k的特征向量矩阵，将天线组Ant_k的特征向量矩阵映射成三维码，将该三维码与码本三维码集进行匹配，得到近似的码字三维码，从而得到天线组Ant_k的预编码矩阵W；

(S200)根据天线组Ant_k的预编码矩阵W对基站发射信号进行波束形成；

(S300)通过RSSI距离损耗模型求得待定位的移动终端与4个不在同一平面上的天线组Ant_k之间的距离l_k，得到以天线组Ant_k为圆心，距离l_k为半径的4个球，建立三维空间球面方程组，利用修正的极大似然法求解，得到三维坐标(x,y,z)，采用基于时间序列分析方法对该三维坐标的z值修正，得到移动终端的三维坐标的估计值。

在步骤(S300)中，所述修正的极大似然法为：

(x,y,z)≈(A^TA)^-1A^TB (5)；

式中，上角标-1为矩阵求逆符号，T为转置符号；

(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)分别为四个天线组Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄的坐标。

所述基于时间序列分析方法对z值修正为：

式中，z_t为t时刻由式(5)得到的值，

为t时刻及之前时间估计得到的所有z坐标的平均值，

为t-1时刻之前估计得到的所有z坐标的平均值。

优选地，所述特征向量矩阵映射成三维码的方法包含：

(S131)设置初始识别率η，初始识别率为最高级识别率；

(S132)在预编码码本对应的码本三维码集中搜寻相应的三维码，若搜寻到相应的三维码，则该三维码为所求三维码；若未搜寻到相应的三维码，则进行步骤(S133)；

(S133)将识别率η降一级；

(S134)判断识别率是否为最低级，如果否，则转至步骤(S132)进行；如果是，则进行步骤(S135)；

(S135)将宽波束对应的三维码设置为所求三维码。

优选地，所述映射的方式为：按先列后行将矩阵元素依次映射成三维码。

优选地，所述码本三维码集是预先把协议中的预编码码本按列进行映射得到的，并存储以备检索。

优选地，所述水平维信道矩阵和垂直维信道矩阵均由上行链路信道获得。

优选地，所述基站发射信号为s，则基站的发射信号波束为：W·s。

优选地，所述基站发射信号包含：简单的天线组序号及天线组位置坐标。

优选地，所述基站发射信号的发射方式包含：各天线组Ant_k上分别发射各自的序号和位置信息，或全部天线组Ant_k的序号和位置信息均在每个天线组上发射。

本发明的基于三维码映射的室内定位方法，解决了现有定位方法复杂的问题，具有以下优点：

(1)本发明方法，基于三维码映射的预编码构造方法，可以在预编码码本中快速搜索出与信道相匹配的码字，减小时延，提升系统整体性能；

(2)本发明方法，采用三维码映射，其能够容纳容量大，表示的数据更多，从而使编码容量有了大幅提高，也更适合与大容量的3D预编码互相映射；

(3)本发明方法，不需要对水平维和垂直维分别映射，简化了映射过程；

(4)本发明方法，基于修正的极大似然空间坐标估计法，简化方程组求解，并通过修正消弱了z坐标的数值震荡现象，估计精准，实施简洁，易于工程实现；

(5)本发明方法，采用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。

附图说明

图1为本发明的基于三维码映射的室内定位方法的流程图。

图2为本发明基于三维码映射构造预编码矩阵的流程图。

图3为本发明将特征向量矩阵映射成三维码的流程图。

图4为本发明将W_pq矩阵元素映射成彩色QR码。

图5为本发明的基于分布式天线组的室内定位系统的结构示意图。

图6为移动终端的定位流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1

一种基于三维码映射的室内定位方法，其针对基于分布式天线组的室内定位系统，如图5所示，为本发明的基于分布式天线组的室内定位系统的结构示意图，该系统包含：基带处理单元(BBU，Building Base band Unite)、分布式天线组(Ant)和移动终端Q。其中，分布式天线组由Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄四个天线组构成，BBU通过馈线与室内分布式天线组中的4个天线组相连。

天线组Ant_k(k＝1,2,…,4，k为天线组序号)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，且M_k＝4(k＝1,2,…,4)，N_k为平面天线阵列的列数，且N_k＝4(k＝1,2,…,4)。

天线组分别接收移动终端Q发送的sounding信号，BBU通过天线组得到移动终端Q发送的sounding信号后，进行相应的处理。如图1所示，为本发明的基于三维码映射的室内定位方法的流程图，该方法包含：

(S100)基站根据接收到的上行sounding信号估计信道(基站中的BBU接收到上行sounding信号)，并生成预编码矩阵，如图2所示，为本发明基于三维码映射构造预编码矩阵的流程图，包含：

(S110)获得水平维或垂直维信道矩阵。

具体地，由上行链路信道估计得到天线组Ant_k(k＝1,2,…,4)水平维信道矩阵H_h,1,H_h,2,…,H_h,4。其中，H_h,m(m＝1,2,…,M_k)表示第m行天线到移动终端Q的信道矩阵。同样地，得到垂直维信道矩阵H_v,1,H_v,2,…,H_v,4，其中，H_v,n(n＝1,2,…,N_k)表示第n列天线到移动终端Q的信道矩阵。

(S120)求得水平维或垂直维信道矩阵的特征向量，进行归一化处理，形成水平维或垂直维特征向量矩阵。

求得水平维信道矩阵H_h,m(m＝1,2,…,M_k)的水平维特征向量γ_h,m(m＝1,2,…,M_k)，对水平维特征向量γ_h,m进行归一化处理，然后形成水平维特征向量矩阵，为：

同样地，求得垂直维信道矩阵H_v,n(n＝1,2,…,N_k)的垂直维特征向量γ_v,n(n＝1,2,…,N_k)，对垂直维特征向量γ_v,n进行归一化处理，然后形成垂直维特征向量矩阵，为：

(S120)求水平维特征向量矩阵与垂直维特征向量矩阵的Kronecker乘积，得到特征向量矩阵。

具体地，水平维特征向量矩阵Γ_h与垂直维特征向量矩阵Γ_v的Kronecker乘积为：

式中，kron()为Kronecker乘积符号，当M_k＝4，N_k＝4(k＝1,2,…,4)时，特征向量矩阵Γ为16×16阶矩阵。

(S130)将特征向量矩阵Γ映射成三维码Γ^e。

具体地，映射方式为：按先列后行将矩阵元素依次映射成三维码Γ^e。

(S140)将求得的三维码Γ^e与码本三维码集

进行匹配，得到近似的码字三维码

从而得到天线组Ant_k(k＝1,2,…,4)的预编码矩阵W。

码本三维码集

是预先将协议中的预编码码本中的一对码字进行映射得到的，并存储以备检索。可以采用下述映射方式：设W_p、W_q(p≠q)为预编码码本中的一对码字，将W_p、W_q进行Kronecker乘积，再将乘积结果按先列后行映射成三维码。

因此，码本三维码集

中的每一个三维码与预编码码本中的一对码字是互相对应的。实际应用中，利用三维码的快速搜索特性能够及时求得所需预编码。

具体地，如图3所示，在步骤(S130)中，将特征向量矩阵映射成三维码的流程包含：

(S131)设置初始识别率η，如设置为η＝90％，即匹配正确不低于90％；

(S132)判断在预编码码本对应的三维码集中是否搜寻到相应的三维码：如果是，转步骤(S136)，则该三维码即为所求三维码；如果否，则转步骤(S133)；

(S133)将识别率降一级，设为η-10％；

(S134)判断识别率η是否为最低级(如最低级的识别率η＝50％)：如果否，则转步骤(S132)；如果是，则到步骤(S135)；

(S135)将宽波束对应的三维码设置为所求三维码，此时，表明没有搜索到合适的三维码，则取为宽波束对应的三维码，因宽波束具有更宽泛的覆盖特征，尽管会损失一些增益；

(S136)得到所求三维码。

进一步地，预编码映射成三维码的实施过程，具体如下：

假设两个预编码码字分别为：

求W_p、W_q的Kronecker乘积，为：

上式中，j为虚数单位，W_pq为16×4阶矩阵。

按先列后行将W_pq矩阵元素映射成三维码，这里三维码为彩色QR码(三维码的构成原理参考常规方式，这里不再赘述)，映射结果如图4所示(由于附图无色彩，故显示不出彩色QR码的效果)。

(S200)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Ant_k(k＝1,2,…,4)上发射的信号，则基站的发射信号波束为：W·s

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，可以采用以下发射方式：天线组Ant_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Ant_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。

(S300)移动终端检测及空间定位。

通过RSSI距离损耗模型求得待定位终端Q与天线组Ant_k(k＝1,2,…,4)之间的距离l_k(k＝1,2,…,4)，分别以天线组Ant_k(k＝1,2,…,4)为圆心，距离l_k(k＝1,2,…,4)为半径得到四个球，实际的待定位移动终端Q在这四个球所围成的空间区域中。

如图6所示，为移动终端的定位流程图，包含：

(S310)验证四个天线组Ant_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Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄是预先布置的且不在同一个平面上。

(S320)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Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄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Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄。

(S330)建立三维空间球面方程组

三维空间以天线组Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄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Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄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，采用修正的极大似然法进行估计。

(S340)利用修正的极大似然法求解上述方程组，得到移动终端Q三维坐标。

(x,y,z)≈(A^TA)^-1A^TB (5)

其中，上角标-1为矩阵求逆符号，T为转置符号。

在利用极大似然法求解过程中，对于移动终端x方向和y方向的位置，模型有较好的精确度。但是对于z方向，求出的移动终端的坐标存在明显的不合理的数值震荡。其原因在于：z坐标相对于x，y坐标变化不大，且z坐标的量级远小于x，y坐标的量级，其中A^TA的条件数较大，导致求得的z方向的坐标存在数值震荡现象。

采用基于时间序列分析方法对z修正，得到当前时刻z轴坐标为：

式中z_t为t时刻由式(5)估计得到的值，

为t时刻及之前时间估计得到的所有z坐标的平均值，

为t-1时刻之前估计得到的所有z坐标的平均值。

从而得到待测点Q三维坐标的估计值(x,y,z)。

本发明的方法具有覆盖广、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。

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 (8)

1.一种基于三维码映射的室内定位方法，该方法针对的定位系统包含：基带处理单元、分布式天线组和移动终端；其中，所述分布式天线组包含：至少4个不在同一平面上的天线组Ant_k，k＝1,……,N，N≥4，该天线组Ant_k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；所述基带处理单元通过馈线与分布式天线组中每个天线组相连，其通过天线组得到移动终端发送的sounding信号后，进行相应的处理，其特征在于，该方法包含：

(S100)基站根据接收到的上行sounding信号估计信道，获得水平维或垂直维信道矩阵，求得水平维或垂直维信道矩阵的特征向量，进行归一化处理，形成水平维或垂直维特征向量矩阵，将水平维和垂直维特征向量矩阵进行Kronecker乘积，生成天线组Ant_k的特征向量矩阵，将天线组Ant_k的特征向量矩阵映射成三维码，将该三维码与码本三维码集进行匹配，得到近似的码字三维码，从而得到天线组Ant_k的预编码矩阵W；

(S200)根据天线组Ant_k的预编码矩阵W对基站发射信号进行波束形成；

(S300)通过RSSI距离损耗模型求得待定位的移动终端与4个不在同一平面上的天线组Ant_k之间的距离l_k，得到以天线组Ant_k为圆心，距离l_k为半径的4个球，建立三维空间球面方程组，利用修正的极大似然法求解，得到三维坐标(x,y,z)，采用基于时间序列分析方法对该三维坐标的z值修正，得到移动终端的三维坐标的估计值；

在步骤(S300)中，所述修正的极大似然法为：

(x,y,z)≈(A^TA)^-1A^TB (5)；

式中，上角标-1为矩阵求逆符号，T为转置符号；

其中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)分别为四个天线组Ant₁、Ant₂、Ant₃和Ant₄的坐标；

所述基于时间序列分析方法对z值修正为：

式中，z_t为t时刻由式(5)得到的值，

为t时刻及之前时间估计得到的所有z坐标的平均值，

为t-1时刻之前估计得到的所有z坐标的平均值。

2.根据权利要求1所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述特征向量矩阵映射成三维码的方法包含：

(S131)设置初始识别率η，初始识别率为最高级识别率；

(S132)在预编码码本对应的码本三维码集中搜寻相应的三维码，若搜寻到相应的三维码，则该三维码为所求三维码；若未搜寻到相应的三维码，则进行步骤(S133)；

(S133)将识别率η降一级；

(S134)判断识别率是否为最低级，如果否，则转至步骤(S132)进行；如果是，则进行步骤(S135)；

(S135)将宽波束对应的三维码设置为所求三维码。

3.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述映射的方式为：按先列后行将矩阵元素依次映射成三维码。

4.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述码本三维码集是预先把协议中的预编码码本按列进行映射得到的，并存储以备检索。

5.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述水平维信道矩阵和垂直维信道矩阵均由上行链路信道获得。

6.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述基站发射信号为s，则基站的发射信号波束为：W·s。

7.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述基站发射信号包含：简单的天线组序号及天线组位置坐标。

8.根据权利要求1或2所述的基于三维码映射的室内定位方法，其特征在于，所述基站发射信号的发射方式包含：各天线组Ant_k上分别发射各自的序号和位置信息，或全部天线组Ant_k的序号和位置信息均在每个天线组上发射。

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