CN110392356A - 一种基于波束匹配的室内定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波束匹配的室内定位方法，该方法包含：(S100)基站根据基带处理单元接收到的上行sounding信号估计信道，获得天线组的水平维预编码矩阵和垂直维预编码矩阵，生成天线组的预编码矩阵；(S200)根据移动终端的预编码矩阵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之间的距离，得到以天线组为圆心，距离为半径的4个球，求得以4个不在同一平面上的天线组为顶点的三棱锥的重心，求这4个球球心和三棱锥重心连线与4个球面的内侧交点，以内侧交点的质心作为移动终端的位置坐标。本发明的方法准确度高，实施简洁，易于工程实现。

Description

一种基于波束匹配的室内定位方法
技术领域
本发明涉及一种室内定位方法，具体涉及一种基于波束匹配的室内定位方法。
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。
当前，普遍采用卫星定位方式实现移动终端定位，终端内置的卫星定位模块通过与在轨卫星同步的伪随机码序列测量与确定位置的在轨卫星的信号传输时延以计算终端与该卫星的距离，综合与多颗在轨卫星的距离计算终端的位置。但是，在室内时，终端难以接收到GPS信号，导致卫星定位在室内环境失效，而且通过接收天馈引入卫星信号到室内，其计算出的时延较大，很难估计出终端的精确位置。
为此，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：
(1)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，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；
(2)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，其方法为：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；
该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。
综上所述，上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
本发明的目的是提供一种基于波束匹配的室内定位方法，该方法解决了现有定位方法复杂的问题，其覆盖广，准确度高，能够实现室内实时三维定位。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于波束匹配的室内定位方法，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DASk，k＝1,……,N，N≥4，该天线组DASk均采用平面阵列，阵元数为Mk×Nk，Mk为平面天线阵列的行数，Nk为平面天线阵列的列数，阵元间距为d；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)基站根据基带处理单元接收到的上行sounding信号估计信道，获得天线组DASk的水平维预编码矩阵和垂直维预编码矩阵，将水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积，生成天线组DASk的预编码矩阵，根据天线组DASk各预编码矩阵，构造基站针对移动终端的预编码矩阵；
(S200)设k＝1,2,3,4的4个天线组DASk为不在同一平面上的天线组，根据移动终端的预编码矩阵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DASk之间的距离lk，得到以天线组DASk为圆心，距离lk为半径的4个球，求得以4个不在同一平面上的天线组DASk为顶点的三棱锥的重心(x重,y重,z重)，求这4个球球心和三棱锥重心连线与4个球面的内侧交点4个内侧交点与三棱锥的重心的欧式距离分别为p1、p2、p3和p4，以4个内侧交点的质心作为待定位的移动终端的位置坐标(x,y,z)，加权系数η1,η2,η3,η4为：
则，所述移动终端的位置坐标为：
在步骤(S100)中，获得所述水平维预编码矩阵的方法包含：
根据水平维信道矩阵，将水平维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与水平维特征向量最接近的波束所对应的码字，为所求水平维预编码子矩阵，根据水平维预编码子矩阵得到天线组DASk的水平维预编码矩阵；
所述水平维预编码子矩阵为：
式(1)中，n＝1,2,…,Nk，上角标H为共轭转置符号，||为绝对值符号，|| ||为范数符号，wc为码字，γh,n为水平维信道矩阵Hh,n的水平维特征向量，codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的wc取值；
则，所述天线组DASk的水平维预编码矩阵为：T为转置符号；
在步骤(S100)中，获得所述垂直维预编码矩阵的方法包含：
根据垂直维信道矩阵，将垂直维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与垂直维特征向量最接近的波束所对应的码字，为所求垂直维预编码子矩阵，根据垂直维预编码子矩阵得到天线组DASk的垂直维预编码矩阵；
所述垂直维预编码子矩阵为：
式(2)中，m＝1,2,…,Mk，γv,m为垂直维信道矩阵Hv,m的垂直维特征向量
则，所述天线组DASk的垂直维预编码矩阵为：T为转置符号；
在步骤(S100)中，所述水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积，为：
式中，k＝1,2,…,K，为Kronecker积符号；
则，所述天线组DASk的预编码矩阵为W＝[W1,W2,…,WK]。
优选地，所述水平维信道矩阵Hh,n由上行链路信道获得。
优选地，所述垂直维信道矩阵Hv,m由上行链路信道获得。
优选地，在步骤(S200)中，设基站发射信号为s＝[s1,s2,…,s4]，其中信号s1,s2,…,s4分别为k＝1,2,…,4的天线组DASk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]。
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DASk上分别发射各自的序号和位置信息，或全部天线组DASk的序号和位置信息均在每个天线组上发射。
优选地，设四个天线组DAS1、DAS2、DAS3和DAS4的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，则所述三棱锥的重心坐标(x重,y重,z重)，为：
优选地，所述球心与三棱锥的重心的连线方程为：
球心(xk,yk,zk)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
通过将连线方程与球面方程联立求解得到内侧交点
本发明的基于波束匹配的室内定位方法，解决了现有定位方法复杂的问题，具有以下优点：
(1)本发明的方法，基于特征向量与预编码码字波束匹配的水平维和垂直维预编码矩阵的预编码构造方法，能够快速准确的搜索到对应的预编码码字，提高了效率；
(2)本发明的方法，基于球心-重心连线交点及距离加权的质心空间坐标估计法，准确度高，实施简洁，易于工程实现；
(3)本发明的方法，采用分布式天线，能够有效改善系统的覆盖，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为本发明的基于波束匹配的室内定位方法的流程图。
图2为本发明基于特征向量与码字所对应波束匹配以构造预编码矩阵的流程图。
图3为本发明基于球心-重心连线与球面交点的质心定位的流程图。
图4为本发明的基于波束匹配的室内定位系统的结构示意图。
图5本发明基于球心-重心连线与球面交点的质心定位的示意图。
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
一种基于波束匹配的室内定位方法，其针对基于波束匹配的室内定位系统，如图4所示，为本发明的基于波束匹配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(DAS，Distributed Antenna Sets)和移动终端Q。其中，分布式天线组由DAS1、DAS2、DAS3和DAS4四个天线组构成，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DASk(k＝1,2,…,4)均采用平面阵列，阵元数为Mk×Nk，Mk为平面天线阵列的行数，Nk为平面天线阵列的列数，阵元间距为d；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，为本发明的基于波束匹配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(基站中的BBU接收到上行sounding信号)估计信道，并生成预编码矩阵，如图2所示，为本发明基于特征向量与码字所对应波束匹配以构造预编码矩阵的流程图，具体如下：
(S110)根据水平维信道矩阵，将水平维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，得到天线组DASk的水平维预编码矩阵；
具体地，水平维信道矩阵Hh,n(n＝1,2,…,Nk)的水平维特征向量为γh,n(n＝1,2,…,Nk)，n为平面天线阵列中天线列数，将水平维特征向量γh,n(n＝1,2,…,Nk)与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与γh,n(n＝1,2,…,Nk)最接近的波束所对应的码字，为所求水平维预编码子矩阵：
式(1)中，n＝1,2,…,Nk，上角标H为共轭转置符号，||为绝对值符号，||||为范数符号，wc为码字，codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的wc取值，式(1)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子矩阵。
天线组DASk的水平维预编码矩阵为：T为转置符号；
(S120)根据垂直维信道矩阵，将垂直维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，得到天线组DASk的垂直维预编码矩阵；
具体地，垂直维信道矩阵Hv,m(m＝1,2,…,Mk)的垂直维特征向量为γv,m(m＝1,2,…,Mk)，m为平面天线阵列中天线行数，将垂直维特征向量γv,m(m＝1,2,…,Mk)与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与γv,m(m＝1,2,…,Mk)最接近的波束所对应的码字，为所求垂直维预编码子矩阵：
式(2)中，m＝1,2,…,Mk，上角标H为共轭转置符号，||为绝对值符号，||||为范数符号，wc为码字，codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的wc取值，式(2)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子矩阵。
则天线组DASk的垂直维预编码矩阵为：T为转置符号。
(S130)将水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积， 为Kronecker积符号，得到天线组DASk的预编码矩阵；
(S140)根据天线组DASk各预编码矩阵，构造基站针对移动终端Q的预编码矩阵，W＝[W1,W2,…,WK]，W1、W2……WK分别为预编码矩阵W的列；
进一步地，在步骤(S110)中，由上行链路信道得到天线组DASk的水平维信道矩阵再获得水平维信道矩阵Hh,n(n＝1,2,…,Nk)的水平维特征向量γh,n；其中，Hh,n(n＝1,2,…,Nk)表示第n列天线到移动终端Q的信道矩阵。
进一步地，在步骤(S120)中，由上行链路信道得到天线组DASk(k＝1,2,…,K)垂直维信道矩阵再获得垂直维信道矩阵Hv,m(m＝1,2,…,Mk)的垂直维特征向量γv,m(m＝1,2,…,Mk)；其中，Hv,m(m＝1,2,…,Mk)表示第m行天线到移动终端Q的信道矩阵。
(S200)根据预编码矩阵进行波束形成；
具体地，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DASk(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]。
进一步地，在室内定位时，基站发射信号包含：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DASk(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DASk(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)基于球心-重心连线与球面交点的质心定位，获得待定位的移动终端Q的位置：通过RSSI距离损耗模型求得待定位的移动终端Q与天线组DASk(k＝1,2,…,4)之间的距离lk(k＝1,2,…,4)，分别以天线组DASk(k＝1,2,…,4)为圆心，距离lk(k＝1,2,…,4)为半径得到四个球，待定位的移动终端Q在这四个球所围成的空间区域中；获得以四个天线组DAS1、DAS2、DAS3和DAS4的坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)为顶点的三棱锥重心坐标(x重,y重,z重)，然后求出这四个球球心与三棱锥重心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的质心作为待定位的移动终端Q的位置坐标。
进一步地，如图3所示，为本发明基于球心-重心连线与球面交点的质心定位的流程图，包含：
(S310)验证四个天线组DASk(k＝1,2,…,4)的坐标不在同一平面上；
通过四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的移动终端Q的位置坐标；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。
(S320)利用距离损耗模型计算终端Q到各个天线组的距离；
设待定位的移动终端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)，利用距离损耗模型计算出移动终端Q到各个天线组DAS1、DAS2、DAS3和DAS4的距离分别为l1、l2、l3和l4；
(S330)建立三维空间球面方程组；
如图5所示，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为半径的球面方程为：
理论上，根据上述移动终端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，上述方程组求解视为求空间4个球面的相交点。但是，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。因此，本发明采用基于球心和重心连线与球面交点的质心算法进行计算。
(S340)确定以四个天线组的坐标为顶点的三棱锥的重心坐标；
具体地，计算以四个天线组DAS1、DAS2、DAS3和DAS4的坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)为顶点的三棱锥的重心坐标(x重,y重,z重)，为：
(S350)求出上述四个球球心和三棱锥重心的连线与球面的交点，共4个内侧交点，并以距离倒数作为加权系数，求此4个交点的质心作为待测终端的位置坐标；
具体地，球心(x1,y1,z1)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
球心(x2,y2,z2)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
球心(x3,y3,z3)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
球心(x4,y4,z4)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
将(3)、(7)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(4)、(8)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(5)、(9)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(6)、(10)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，记为设p1为球心(x1,y1,z1)与重心(x重,y重,z重)间的欧式距离。
设p2为球心(x2,y2,z2)与重心(x重,y重,z重)间的欧式距离，p3为球心(x3,y3,z3)与重心(x重,y重,z重)间的欧式距离，p4为球心(x4,y4,z4)与重心(x重,y重,z重)间的欧式距离，采用基于空间球的三维加权质心方法进行计算，加权系数η1,η2,η3,η4取距离的倒数，为：
则，待测移动终端Q的三维坐标值为:
综上所示，本发明的方法克服了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，能够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)

1.一种基于波束匹配的室内定位方法，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DASk，k＝1,……,N，N≥4，该天线组DASk均采用平面阵列，阵元数为Mk×Nk，Mk为平面天线阵列的行数，Nk为平面天线阵列的列数，阵元间距为d；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)基站根据基带处理单元接收到的上行sounding信号估计信道，获得天线组DASk的水平维预编码矩阵和垂直维预编码矩阵，将水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积，生成天线组DASk的预编码矩阵，根据天线组DASk各预编码矩阵，构造基站针对移动终端的预编码矩阵；
(S200)设k＝1,2,3,4的4个天线组DASk为不在同一平面上的天线组，根据移动终端的预编码矩阵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DASk之间的距离lk，得到以天线组DASk为圆心，距离lk为半径的4个球，求得以4个不在同一平面上的天线组DASk为顶点的三棱锥的重心(x重,y重,z重)，求这4个球球心和三棱锥重心连线与4个球面的内侧交点i＝1,2,3,4，4个内侧交点与三棱锥的重心的欧式距离分别为p1、p2、p3和p4，以4个内侧交点的质心作为待定位的移动终端的位置坐标(x,y,z)，加权系数η1,η2,η3,η4为：
则，所述移动终端的位置坐标为：
在步骤(S100)中，获得所述水平维预编码矩阵的方法包含：
根据水平维信道矩阵，将水平维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与水平维特征向量最接近的波束所对应的码字，为所求水平维预编码子矩阵，根据水平维预编码子矩阵得到天线组DASk的水平维预编码矩阵；
所述水平维预编码子矩阵为：
式(1)中，n＝1,2,…,Nk，上角标H为共轭转置符号，| |为绝对值符号，|| ||为范数符号，wc为码字，γh,n为水平维信道矩阵Hh,n的水平维特征向量，codebook为码本，∈为属于符号，表示使后面这个式子达到最大值时的wc取值；
则，所述天线组DASk的水平维预编码矩阵为：上角标T为转置符号；
在步骤(S100)中，获得所述垂直维预编码矩阵的方法包含：
根据垂直维信道矩阵，将垂直维特征向量与码本中的码字所对应的波束进行匹配，找出与垂直维特征向量最接近的波束所对应的码字，为所求垂直维预编码子矩阵，根据垂直维预编码子矩阵得到天线组DASk的垂直维预编码矩阵；
所述垂直维预编码子矩阵为：
式(2)中，m＝1,2,…,Mk，γv,m为垂直维信道矩阵Hv,m的垂直维特征向量
则，所述天线组DASk的垂直维预编码矩阵为：上角标T为转置符号；
在步骤(S100)中，所述水平维预编码矩阵与垂直维预编码矩阵进行Kronecker乘积，为：
式中，k＝1,2,…,K，为Kronecker积符号；
则，所述天线组DASk的预编码矩阵为W＝[W1,W2,…,WK]。
2.根据权利要求1所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，所述水平维信道矩阵Hh,n由上行链路信道获得。
3.根据权利要求1所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，所述垂直维信道矩阵Hv,m由上行链路信道获得。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，在步骤(S200)中，设基站发射信号为s＝[s1,s2,…,s4]，其中信号s1,s2,…,s4分别为k＝1,2,…,4的天线组DASk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]。
5.根据权利要求4所述的基于波束匹配的室内定位方法，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。
6.根据权利要求5所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，所述基站发射信号的发射方式包含：各天线组DASk上分别发射各自的序号和位置信息，或全部天线组DASk的序号和位置信息均在每个天线组上发射。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，设四个天线组DAS1、DAS2、DAS3和DAS4的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，则所述三棱锥的重心坐标(x重,y重,z重)，为：
8.根据权利要求7所述的基于波束匹配的室内定位方法，其特征在于，所述球心与三棱锥的重心的连线方程为：
球心(xk,yk,zk)与重心(x重,y重,z重)的连线方程为：
通过将连线方程与球面方程联立求解得到内侧交点
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