CN111107495A

CN111107495A - 基于5g的用户终端、导航定位系统及导航定位方法

Info

Publication number: CN111107495A
Application number: CN201911214761.6A
Authority: CN
Inventors: 陈泓渊; 施渊籍; 胡金龙; 石晶林
Original assignee: Nanjing Zhongke Crystal Communication Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Zhongke Crystal Communication Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN111107495B

Abstract

本发明公开了一种基于5G的用户终端、导航定位系统及导航定位方法，该方法包括用户终端确定服务于用户终端的多个5G微基站；并从多个所述5G微基站中选择距离所述用户终端最近的5G微基站；根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标；通过5G微基站向5G核心网发送导航请求，所述导航请求包括用户终端的识别信息、位置坐标和目的地地址；用户终端通过5G微基站接收来自5G核心网根据所述导航请求计算出的导航路径信息或无法识别的提示信息；用户终端根据所述导航路径信息选择路径导航。利用5G超密集组网的特点，能有效地解决用户终端导航定位不准确，甚至无法定位的问题。

Description

基于5G的用户终端、导航定位系统及导航定位方法

技术领域

本发明涉通信技术领域，特别涉及一种基于5G的用户终端、导航定位系统及导航定位方法。

背景技术

人们去一些陌生的地方之前，常常采用定位导航方式规划出行路线。现有的定位导航设备较多使用GPS技术，但如果遇到天气不佳的情况、或者处于高架桥的下面、过江隧道、高楼旁边的角落、地下车库等看不见天空的场景时，GPS信号弱或者没有信号，导致导航定位不准确，甚至出现无法定位的情况。

随着5G通信网络技术的发展，同等覆盖范围下5G所需5G基站的数量将是4G的3～4倍，在高架桥、隧道、车库等GPS信号差的地方均可安装5G基站，增加信号的强度，5G基站的位置坐标是确定的，通过5G基站来定位的方式在一定程度上能避免利用GPS技术定位的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是GPS信号弱或没有信号时，导致导航定位不准确，甚至无法定位的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了基于5G的导航定位方法，包括：确定服务于用户终端的多个微5G基站，并从多个所述5G微基站中选择距离所述用户终端最近的5G微基站；

根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标；

通过所述被选择的5G微基站向5G核心网发送导航请求，所述导航请求包括用户终端的识别信息、位置坐标和目的地地址；所述用户终端通过所述被选择的5G微基站接收来自5G核心网根据所述导航请求计算出的导航路径信息或无法识别的提示信息；

根据所述导航路径信息选择路径导航。

在上述方法中，所述确定服务于用户终端的多个5G微基站，并从多个所述5G微基站中选择距离所述用户终端最近的5G微基站的步骤，包括：

当所述用户终端进入多个所述5G微基站的覆盖区域内时，所述用户终端与多个所述5G微基站进行通讯，多个所述5G微基站向所述用户终端发送信号，所述用户终端接收并保存所述信号，并根据所述被接收到的信号的强度值选择距离所述用户终端最近的5G微基站。

在上述方法中，根据所述信号的强度值选择距离所述用户终端最近的5G微基站的步骤，还包括：所述被选择的5G微基站的数量至少是三个。

在上述方法中，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：所述用户终端根据所述被选择的5G微基站发送的所述信号的强度值计算所述被选择的5G微基站到所述用户终端的距离。

在上述方法中，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：所述用户终端根据所述被选择的5G微基站的位置坐标以及所述被选择的5G微基站到所述用户终端的距离，并基于RSSI极大似然估计定位算法计算所述用户终端的位置坐标。

在上述方法中，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：当所述用户终端基于RSSI极大似然估计定位算法计算所述用户终端的位置坐标的个数大于预定值时，所述用户终端根据所述被计算的用户终端的位置坐标，并基于加权质心定位算法计算所述用户终端的最终的位置坐标。

本发明还提供了一种用户终端，包括5G模块及存储在5G模块上的计算机程序，所述5G模块执行所述计算机程序实现如上述任意一项所述的导航定位方法。

本发明还提供了一种基于5G的导航定位系统，5G核心网、5G微基站以及如上所述的用户终端。

本发明还提供了一种基于5G的导航定位方法，应用于上述导航定位系统，该系统包括5G核心网、5G微基站和用户终端，多个所述5G微基站向所述用户终端发送信号，所述信号包括伪距信号和所述5G微基站的位置坐标；

所述用户终端接收并保存来自多个所述5G微基站发送的所述信号；并根据所述被接收到的信号的强度值选择多个距离所述用户终端最近的5G微基站；根据所述被选择的5G微基站的位置坐标计算所述用户终端的初始位置坐标；

所述用户终端向所述被选择的5G微基站发送导航请求，所述导航请求包括用户终端的识别信息、初始位置坐标和目的地地址；

所述被选择的5G微基站接收所述导航请求，并将所述导航请求上报至5G核心网；

所述5G核心网接收并解析所述导航请求后，计算出导航路径信息，所述5G核心网将所述导航路径信息发送至所述被选择的5G微基站；

所述被选择的5G微基站接收所述导航路径信息，并将所述导航路径信息发送至所述用户终端；

所述用户终端接收所述导航路径信息后，选择路径开始导航。

在上述方法中，所述5G核心网接收并解析所述导航请求后，计算出导航路径信息的步骤，还包括，所述5G核心网判断所述目的地地址是否在5G网络的覆盖范围内；若是，5G核心网计算所述导航路径信息；若否，5G核心网通过所述被选择的5G微基站向所述用户终端发送无法识别目的地的提示信息。

与现有技术相比，本发明利用5G超密集组网的特点，通过5G微基站来确定用户终端的位置坐标，并通过5G微基站和5G核心网进行导航，5G微基站与用户终端之间能够实时通讯，导航路径可实时更新，能有效地解决用户终端导航定位不准确，甚至无法定位的问题。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为4G基站和5G微基站的分布状况示意图；

图2为本发明第一方面实施例中基于5G的定位系统的整体结构框图；

图3为本发明第一方面实施例中5G微基站有唯一交点的示意图；

图4为本发明第一方面实施例中5G微基站有三个交点的示意图；

图5为本发明第二方面实施例中基于5G的定位方法的流程图；

图6为本发明第三方面实施例中基于5G的导航系统的整体结构框图；

图7为本发明第四方面实施例中基于5G的导航方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于5G的用户终端、导航定位系统及导航定位方法，以解决现有技术中GPS信号弱或没有信号时，导致导航定位不准确，甚至无法定位的问题。

以下结合优选实例及其附图对本发明的一种基于5G的用户终端、导航定位系统及导航定位方法进行详细说明。

电磁波的显著特点是频率越高，波长越短，越趋近于直线传播，即绕射能力越差。频率越高，在传播介质中的衰减也越大。例如卫星通信和GPS导航(波长1cm左右)，如果遇到遮挡物，信号就会中断。卫星通信必须瞄准卫星方向，否则哪怕方向稍有偏差，都会影响信号质量。

移动通信如果用了高频段电磁波，那么其传输距离就会大幅度缩短，覆盖能力就会大幅度减弱，相应的，其覆盖范围也会大幅度缩小。5G通信技术就是采用毫米波，高频段的电磁波进行传输，这样其传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱，因此覆盖同一个区域所需的5G基站数量将大大超过4G基站数量。图1为4G基站和5G基站的分布状况示意图，与4G基站相比，5G基站分布超密集。本发明就是利用5G基站分布超密集的特点。

5G基站分为宏基站和微基站，在基站数量相同的情况下，宏基站的成本较高。所以为了减轻网络建设方面的成本压力，多数情况下选用5G微基站。目前5G微基站在室内环境中常能看到，但到了5G时代后，会大量安装5G微基站，5G微基站随处可见。

在目前的移动通信网络中，即使是两个人面对面拨打对方的手机或手机对传照片，其控制信令和数据包都是通过基站进行中转的，而采用5G技术的通信技术后，同一5G微基站下的两个用户终端，可直接进行D2D(device to device)通信，即设备到设备的通信，其中只有控制信令需经基站中转，数据包则直接从用户终端到用户终端。

本发明的第一方面实施例提供了一种基于5G的定位系统，如图2所示，该定位系统包括用户终端1以及包围在用户终端1周围的5G微基站2，在图2中仅示例了3个5G微基站，本实施例中对5G微基站的数量并不限定。

其中，5G微基站2用于保存微基站本身的位置坐标，以及用于向用户终端1发送信号，该信号包括向用户终端1发送信号的5G微基站2的位置坐标和伪距信号，伪距信号指的是向用户终端1发送信号的5G微基站2与用户终端1之间的大概距离。

用户终端1包括5G模块及存储在5G模块上的计算机程序，5G模块使5G微基站2与用户终端1之间可直接进行D2D通信。在本实施例中，5G模块的具体结构可以理解为包括硬件和软件两个部分，硬件部分为5G芯片；软件部分为通过代码实现的5G协议栈软件。当5G协议栈软件加载运行在5G芯片上时就形成了5G模块。

在本实施例中，用户终端1的范围比较宽泛，只要用户终端1具备5G模块即可，例如用户终端1可以是可穿戴设备或其它能够向用户提供语音或数据的设备或者车辆等。其中，可穿戴设备是直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。例如，智能手表、智能手环、智能眼镜等。

用户终端1用于接收并保存来自多个5G微基站2的信号，并根据接收的信号的强度值选择k(k≥3)个发送信号最强的5G微基站；根据被选择的k个5G微基站发送的信号的强度值计算被选择的5G微基站分别到用户终端的距离；根据被选择的k个5G微基站分别到用户终端的距离以及5G微基站的位置坐标，用户终端1基于极大似然算法计算用户终端1的位置坐标。

在本实施例中，向用户终端发送信号的强度最强的5G微基站也即是距离用户终端最近的5G微基站。

用户终端1用于接收并保存来自5G微基站2的信号后的计算过程均由用户终端上1的5G模块上进行，具体计算过程如下：

假设用户终端1的位置坐标为(x,y)，k个5G微基站2的位置坐标分别为(x_i,y_i)，用户终端1根据被选择的k个5G微基站2发送的信号的强度值计算被选择的5G微基站2分别到用户终端1的距离r_i，计算公式如下：

其中，i＝1,2…k，

RSSI是用户终端1接收信号的强度值，用户终端1的5G模块的芯片中有专门读取RSSI值的寄存器，RSSI值通过5G模块直接读取获得。5G模块对用户终端1接收到的来自5G微基站的信号的强度进行排序，选择前k个RSSI值。A是5G微基站2和用户终端1相隔1米时的信号强度，n是环境衰减因子，在不同的环境下具有不同的值。在本实施例中，A和n为已知值。用户终端1根据k个RSSI值计算出k个r值，即r₁,r₂,r₃……r_i。

用户终端1计算出k个r之后，利用极大似然算法计算用户终端1的位置坐标。计算公式如下：

由k个圆的方程组成的方程组求解用户终端1的位置坐标，可将上述方程转化为：AX＝B求解，

X＝(x,y)^T

得出X_i＝(A^TA)^-1A^TB，其中，X_i＝(X_0i,Y_0i)，i＝1,2…k。

在基于RSSI值计算被选择的5G微基站2到用户终端1的距离的过程中，距离越近，信号损耗相对较少，用户终端1的定位精度就越高，这说明5G微基站2的位置不同对定位精度所起的作用也不同。为提高定位精度，引入加权思想，在上述位置坐标的计算公式中引入权重因子w_i，令

则用户终端1的位置坐标为

在本实施例中，用户终端1接收并保存来自多个5G微基站2的信号，并根据接收的信号的强度值选择三个发送信号最强的5G微基站2；根据被选择的三个5G微基站2发送的信号的强度值计算被选择的5G微基站2分别到用户终端1的距离；根据被选择的三个5G微基站2分别到用户终端的距离并利用极大似然算法中的三角定位算法计算用户终端1的位置坐标。

假设用户终端1的位置坐标为(x,y)，三个5G微基站2的位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，用户终端1根据被选择的三个5G微基站2发送的信号的强度值计算被选择的5G微基站2分别到用户终端1的距离r₁,r₂,r₃。计算公式如下：

r＝10^{((abs(RSSI)-A)/(10*n))}

用户终端1根据三个RSSI值计算出r₁,r₂,r₃。

用户终端1计算出r₁,r₂,r₃之后，利用三角定位算法计算用户终端1的位置坐标，计算公式如下：

由三个圆的方程组成的方程组求解用户终端1的位置坐标，当方程组有唯一解时，如图3所示，相当于三个圆有唯一的交点，该唯一的交点即为用户终端1的位置坐标。

当方程组有m(m>1)组解时，例如方程组有三组解时，如图4所示，相当于三个圆有三个不同的交点，用户终端1根据这三个交点的坐标利用质心算法计算用户终端1的唯一位置坐标。假设三个交点的位置坐标为(x′₁,y′₁)、(x′₂,y′₂)、(x′₃,y′₃)，计算公式如下：

为提高定位精度，引入加权思想，在上述位置坐标的计算公式中引入权重因子w_i，

其中

经上述计算，即可得到用户终端1的最终的位置坐标。

本发明的第二方面实施例提供了一种基于5G的定位方法，应用于定位系统，该定位系统包括5G微基站2和具有5G模块的用户终端1。如图5所示，该定位方法包括以下步骤：

S100、用户终端进入多个5G微基站的覆盖区域内时，用户终端通过5G模块自动与多个5G微基站进行通讯，多个5G微基站同时向用户终端发送信号，该信号包括伪距信号和5G微基站的位置坐标。

S110、用户终端接收并保存来自多个5G微基站发送的信号，并根据被接收到的信号的强度值选择多个距离所述用户终端最近的5G微基站。

在该步骤中，距离用户终端最近的5G微基站也即是向用户终端发送信号的强度最强的5G微基站。

S120、用户终端根据被选择的多个5G微基站发送的信号的强度值，计算被选择的5G微基站到用户终端的距离。

S130、用户终端根据多个被选择的5G微基站的位置坐标以及多个被选择的5G微基站到用户终端的距离，计算用户终端的位置坐标。

S140、用户终端判断被计算的位置坐标的个数是否等于预定值，若位置坐标值的个数等于预定值，则该坐标值即为用户终端的最终位置坐标。若位置坐标的个数大于预定值，则用户终端继续进行计算。在该步骤中，预定值为1。

S150、用户终端根据所得的多个位置坐标进一步计算出用户终端的最终的位置坐标。

根据本发明的定位系统及定位方法，利用5G超密集组网的特点，能有效地解决用户终端定位不准确，甚至无法定位的问题。

本发明的第三方面实施例提供了一种基于5G的导航系统，如图6所示，该导航系统包括用户终端1、5G微基站2和5G核心网3。

其中，用户终端1包括5G模块及存储在5G模块上的计算机程序，5G模块使5G微基站2与用户终端1之间可直接进行D2D通信。在本实施例中，5G模块的具体结构可以理解为包括硬件和软件两个部分，硬件部分为5G芯片；软件部分为通过代码实现的5G协议栈软件。当5G协议栈软件加载运行在5G芯片上时就形成了5G模块。

在本实施例中，用户终端1的范围比较宽泛，只要用户终端具备5G模块即可，例如用户终端1可以是可穿戴设备或其它能够向用户提供语音或数据的设备或者车辆等。其中，可穿戴设备是直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。例如，智能手表、智能手环、智能眼镜等。

5G核心网3指的是所有5G微基站2和用户终端1构成的网络中用于管理数据的网络部分，5G核心网3的主要作用是管理5G微基站2发送的呼叫请求或数据请求，并将呼叫请求或数据请求分配到不同的网络上。需要说明的是，5G网络覆盖下的各个5G微基站2之间，5G微基站2与用户终端1之间，以及不同的用户终端1之间均可进行D2D通信。

用户终端1通过第一方面实施例中的定位系统以及第二方面实施例中的定位方法进行定位，以获得并保存用户终端1的初始位置坐标，用户终端1输入目的地后，向5G微基站2发送导航请求，导航请求中包括用户终端1的识别信息、初始位置坐标和目的地地址。5G微基站2再将导航请求发送至5G核心网3进行处理。

5G核心网3接收来自5G微基站2的导航请求之后，确定用户终端1从初始位置坐标到目的地地址的导航路径，并确定导航路径途径的每一个5G微基站2覆盖范围内的子路径，并将确定的每一个5G微基站2覆盖范围内的子路径生成的路径集合和用户终端1的识别信息一起发送给该5G微基站2，当该5G微基站2与用户终端1建立信号连接时，该5G微基站2将路径集合发送至用户终端1，实现对用户终端1的路径导航。

5G微基站2接收来自5G核心网3发送的用户终端1的识别信息和路径集合，并将其发送至用户终端1，用户终端1接收来自5G微基站2的路径集合后，选择出行路径。用户终端1确定出行路径后，5G微基站2将该出行路径中的道路拥堵信息和途经场所信息实时发送至用户终端1。

需要说明的是，5G微基站2预先存储了该5G微基站2覆盖范围内的所有道路的地图信息，可利用本发明中的定位方法对5G微基站2覆盖范围内的各道路的交通流量进行统计，若5G微基站2下接入的用户终端1数量越多，则表明该区域人流或车流量较大。

利用5G模块的导航定位技术，用户终端1上不需设置GPS模块和蓝牙模块，只需配置5G模块即可实现用户终端1与用户终端1之间的通信，多个用户终端1可进行组网，共享导航定位结果，从而实现一人导航多人共享的功能。

本发明的第四方面实施例提供了一种基于5G的导航方法，应用于导航系统，该导航系统包括用户终端1、5G微基站2和5G核心网3。如图7所示，该导航方法包括以下步骤：

S200、用户终端通过包围用户终端的多个5G微基站计算出用户坐标的初始位置坐标，用户终端保存初始位置坐标。此步骤中，用于确定用户终端的初始位置坐标的多个5G微基站视为源基站。

S210、用户终端输入目的地地址后，向源基站发送导航请求。其中，导航请求包括用户终端的识别信息、初始位置坐标和目的地地址。

S220、源基站接收来自用户终端的导航请求后，将导航请求上报至5G核心网。

S230、5G核心网接收来自源基站发送的导航请求后，5G核心网判断目的地地址是否在5G网络的覆盖范围内，若目的地地址在5G网络覆盖范围内，则由5G核心网进行计算并向源基站发送导航路径信息。在该步骤中，导航路径信息包括最优时间路径信息、最短距离路径信息和高速优先路径信息等。若目的地地址不在5G网络的覆盖范围内，则5G核心网向源基站发送无法识别目的地的提示信息。

S240、源基站接收来自5G核心网发送的导航路径信息或无法识别目的地的提示信息后，源基站将导航路径信息或无法识别目的地的提示信息发送至用户终端。

S250、若用户终端接收来自源基站的信息是无法识别目的地的提示信息，则导航结束。若用户终端接收来自源基站的信息是导航路径信息，则用户终端选择路径开始导航。

S260、用户终端开始导航并判断途径基站是否为被选择的导航路径上的基站，若途径基站是被选择的导航路径上的基站，则导航路径不发生变化，且每发生三次基站间切换时，用户终端主动从5G核心网更新路况信息。若途径基站不在被选择的导航路径上，则用户终端返回步骤S200重新执行。在该步骤中，三次基站间切换的范围在一公里以内。

根据本发明的导航系统以及导航方法，能够实时监测路况信息，提高导航精度。

本发明的第五方面实施例提供了一种用户终端，该用户终端包括5G模块及存储在5G模块上的计算机程序，5G模块执行计算机程序实现上述的定位方法和导航方法。在本实施例中，5G模块的具体结构可以理解为包括硬件和软件两个部分，硬件部分为5G芯片；软件部分为通过代码实现的5G协议栈软件。当5G协议栈软件加载运行在5G芯片上时就形成了5G模块。

上面结合附图对本实施例作了详细说明，但是本不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种基于5G的导航定位方法，其特征在于，包括：

确定服务于用户终端的多个5G微基站，并从多个所述5G微基站中选择距离所述用户终端最近的5G微基站；

根据所述导航路径信息选择路径导航。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定服务于用户终端的多个5G微基站，并从多个所述5G微基站中选择距离所述用户终端最近的5G微基站的步骤，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述信号的强度值选择距离所述用户终端最近的5G微基站的步骤，还包括：所述被选择的5G微基站的数量至少是三个。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：所述用户终端根据所述被选择的5G微基站发送的所述信号的强度值计算所述被选择的5G微基站到所述用户终端的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：所述用户终端根据所述被选择的5G微基站的位置坐标以及所述被选择的5G微基站到所述用户终端的距离，并基于RSSI极大似然估计定位算法计算所述用户终端的位置坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述被选择的5G微基站的位置坐标确定所述用户终端的位置坐标的步骤，还包括：当所述用户终端基于RSSI极大似然估计定位算法计算所述用户终端的位置坐标的个数大于预定值时，所述用户终端根据所述被计算的用户终端的位置坐标，并基于加权质心定位算法计算所述用户终端的最终的位置坐标。

7.一种用户终端，其特征在于，包括5G模块及存储在5G模块上的计算机程序，所述5G模块执行所述计算机程序实现如权利要求1至6中任意一项所述的导航定位方法。

8.一种基于5G的导航定位系统，其特征在于，包括5G核心网、5G微基站以及如权利要求7所述的用户终端。

9.一种基于5G的导航定位方法，应用于导航定位系统，该系统包括5G核心网、5G微基站和用户终端，其特征在于，

多个所述5G微基站向所述用户终端发送信号，所述信号包括伪距信号和所述5G微基站的位置坐标；

10.根据权利要求9所述的导航定位方法，其特征在于，所述5G核心网接收并解析所述导航请求后，计算出导航路径信息的步骤，还包括，所述5G核心网判断所述目的地地址是否在5G网络的覆盖范围内；若是，5G核心网计算所述导航路径信息；若否，5G核心网通过所述被选择的5G微基站向所述用户终端发送无法识别目的地的提示信息。