CN111225353B - 一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统及方法，该方法包含：(S100)设定终端处于宏基站覆盖范围中，根据终端与微基站的相对位置和信道条件建立虚拟小区，选择至少3个微基站组成虚拟小区；(S200)估计宏基站到终端的信道矩阵，估计宏基站到宏终端的信道矩阵，估计虚拟小区中微基站分别到终端的信道矩阵；(S300)根据最大信漏噪比准则和零空间映射准则，构造分层预编码；(S400)根据分层预编码进行波束形成；(S500)终端检测及空间定位。本发明的室内定位系统及方法能够抑制小区间干扰和小区内干扰，而且在降低预编码复杂度的同时，减少反馈开销，提升系统整体性能。

Description

一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位方法，具体涉及一种基于虚拟小区与宏小区协作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。目前的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。由于室内环境的特殊性与复杂性，使得室内三维定位技术面临需要克服室内环境因素对信号强度的影响，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，其公开了一种基于环境反向散射的室内定位方法和装置，其采用多天线标签，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。

中国专利CN201610813895.X，其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。但该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。

分层异构无线网络技术通过在宏基站周围部署微基站，提升能量效率，改善终端体验。为适应无线网络容量、频谱分配以及移动性支持，微基站需以终端为中心，并基于虚拟小区进行设计。分层异构无线组网通过改变现存网络拓扑结构，在部署宏基站的网络中引入低功率节点，提高系统容量，但却使得干扰环境更加复杂。也有考虑采用干扰对齐，或利用协作多点传输消除小区间干扰，但这些方法忽略了新的分层网络构架特殊性，如虚拟小区和控制面数据面分离，对解决宏小区和虚拟小区之间跨层干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统及方法，该方法解决了现有方法难以解决宏小区和虚拟小区之间跨层干扰的问题，能够抑制小区间干扰和小区内干扰，而且在降低预编码复杂度的同时，减少反馈开销，提升系统整体性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，该方法针对的室内定位系统包含：至少一个宏基站P_mac、一个包含至少三个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3的虚拟小区，及虚拟小区服务的终端U_v；所述宏基站和微基站作为节点，该系统中包含宏基站在内的至少有四个节点不在同一平面上；其中，所述微基站的覆盖半径小于所述宏基站的覆盖半径；所述终端U_v所属虚拟小区中的微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3共享终端U_v的数据，该终端U_v为待定位终端；该方法包含：

(S100)设定所述终端U_v处于所述宏基站P_mac覆盖范围中，根据所述终端U_v与微基站的相对位置和信道条件建立虚拟小区，选择至少3个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3组成虚拟小区；

(S200)估计所述宏基站P_mac到所述终端U_v的信道矩阵H_mv，估计所述宏基站P_mac到各宏终端U_uj的信道矩阵H_muj，j＝0……K，j为自然数，估计所述虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3分别到所述终端U_v的信道矩阵H_v1、H_v2、H_v3；

(S300)根据最大信漏噪比准则和零空间映射准则，构造分层预编码，包括：表层预编码w_表和里层预编码w_里，所述虚拟小区的终端U_v的表层预编码相同，且构造分层预编码满足：对所述虚拟小区周围宏终端U_uj做预编码时，所述虚拟小区的终端U_v所受干扰最小；预编码w为表层预编码w_表和里层预编码w_里的乘积，为w＝w_表·w_里；

(S400)根据分层预编码进行波束形成；

(S500)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U_v与各节点P_i(i＝1,2,……,L；L≥4)之间的距离l_i(i＝1,2,……,L；L≥4)，设微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3对应节点P_i(i＝1,2,3)，宏基站对应节点P₄，分别以各节点P_i(i＝1,2,3,4)为圆心，距离l_i(i＝1,2,3,4)为半径得到四个球，待定位终端在这四个球所围成的空间区域中，确定以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标为顶点的三棱锥外接球球心坐标，求出这四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点(x_gi,y_gi,z_gi)(i＝1,2,3,4)，求此四个交点的加权质心，作为待定位终端U_v的位置坐标；

在加权质心计算时，加权因子μ₁、μ₂、μ₂、μ₄取距离误差因子与距离乘积的倒数，为：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为对应于l₁、l₂、l₃和l₄的距离误差因子；

则，待定位终端U_v的位置坐标，为：

优选地，在步骤(S300)中，所述表层预编码的构造方法包含：

(S310)构造宏小区的表层预编码：

在宏小区中，设终端U_v的信漏噪比为：

式中，w_mv,表为在宏小区中终端U_v的表层预编码，||H_mv·w_mv,表||²为期望信号功率，

为终端U_v泄漏到宏小区的终端U_uj的功率之和，|| ||表示求模值，σ²为高斯白噪声的方差；

根据最大信泄漏噪比原则，估计得到宏小区中基于终端U_v的表层预编码w_mv,表，为：

式中，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S320)构造虚拟小区的表层预编码：

在虚拟小区中，基于终端U_v的表层预编码w_vv,表，为：

式中，H_vv为虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3基于终端U_v的聚合信道，且H_vv＝[H_vv1,H_vv2,H_vv3]，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S330)构造宏小区的里层预编码：

设经过表层预编码，宏基站到终端U_v的等效信道为

估计等效信道的零空间，取零空间的列作为里层预编码；根据零空间影射准则，估计得到宏小区基于终端U_v的里层预编码，为：

式中，vec_min表示小特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S340)构造虚拟小区的里层预编码：

设经过表层预编码，虚拟基站到终端U_v之间的等效信道为

虚拟小区中基于终端U_v的里层预编码w_vv,表，为：

(S350)求宏小区中终端U_v的分层预编码w_mv和虚拟小区中终端U_v的分层预编码w_vv，为：w_mv＝w_mv,表·w_mv,里；w_vv＝w_vv,表·w_vv,里。

优选地，在步骤(S400)中，所述波束形成，设宏基站的发射信号为s_m，则宏基站的发射信号波束为：w_mv·s_m；设虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射的信号分别为s_v1、s_v2、s_v3，记为s_v＝[s_v1,s_v2,s_v3]，则所述微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射信号的聚合波束为：w_vv·s_v。

优选地，在步骤(S500)中，所述终端检测及空间定位的方法，包含：

(S510)取不在同一平面上的四个节点P_i(i＝1,2,……,L；L≥4)，四个坐标确定唯一的三棱锥；

(S520)利用距离损耗模型估计终端U_v到各节点的距离；

(S530)建立三维空间球面方程组，并估计距离误差因子：

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，为：

(S540)估计以四个节点的坐标为顶点的三棱锥的外接球球心坐标：

估计以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥的外接球球心坐标，为：

式中，

| |为行列式符号；

(S550)求出四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，并以距离倒数作为加权因子，求此4个交点的质心作为待定位终端的位置坐标；

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：

通过连线方程和球面方程联立方程，求得四个内侧交点的坐标(x_gi,y_gi,z_gi)(i＝1,2,3,4)。

优选地，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃>ρ₄。

优选地，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝1；所述ρ₄＝0.97。

本发明还提供了一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统，该室内定位系统包含：至少一个宏基站P_mac、一个包含至少三个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3的虚拟小区，及虚拟小区服务的终端U_v；所述宏基站和微基站作为节点，该系统中包含宏基站在内的至少有四个节点不在同一平面上；其中，所述微基站的覆盖半径小于所述宏基站的覆盖半径；所述终端U_v所属虚拟小区中的微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3共享终端U_v的数据。

所述终端U_v为待定位终端，其是通过以下方法获得的：

将包含宏基站在内的不在同一平面上的四个节点P_i(i＝1,2,3,4)作为球心，假设微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3对应节点P_i(i＝1,2,3)，宏基站对应节点P₄，利用距离损耗模型估计得到的终端U_v到各节点的距离l_i作为半径，估计以四个节点P_i(i＝1,2,3,4)为顶点的三棱锥外接球球心坐标，并求取以4个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的加权质心(x_gi,y_gi,z_gi)(i＝1,2,3,4)，作为待定位终端U_v的位置坐标，为：

在加权质心计算时，加权因子μ₁、μ₂、μ₂、μ₄取距离误差因子与距离乘积的倒数，为：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为对应于l₁、l₂、l₃和l₄的距离误差因子。

优选地，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃>ρ₄。

优选地，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝1；所述ρ₄＝0.97。

本发明的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统及方法，解决了现有方法难以解决宏小区和虚拟小区之间跨层干扰的问题，具有以下优点：

(1)本发明的室内定位系统及方法，基于异构网虚拟小区，采用分层预编码抑制小区间干扰和小区内干扰，利用信漏噪比最大化准则，估计终端的表层预编码，以消除小区间干扰，利用零空间映射准则，估计终端的里层预编码，以消除小区内干扰，而且在降低预编码复杂度的同时，减少反馈开销，提升系统整体性能；

(2)本发明的室内定位系统及方法，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；

(3)本发明的室内定位系统及方法，引入的距离误差因子，可以均衡因宏基站和微基站与待定位终端距离差距较大，导致的估计距离偏差。

附图说明

图1为本发明基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统的示意图。

图2为本发明基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法的流程图。

图3为本发明基于球心-外心连线与球面交点的加权质心定位方法的示意图。

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

一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，如图1所示，为本发明基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统的示意图，该方法针对的室内定位系统包含：至少一个宏基站P_mac、一个包含至少三个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3的虚拟小区，及虚拟小区服务的终端U_v。其中，微基站的覆盖半径较小(例如50m)，宏基站的覆盖半径较大(例如1000m)，终端U_v所属虚拟小区中的微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3共享终端U_v的数据。在室内三维定位时，对应于终端U_v的虚拟小区和宏小区的节点数不少于4个，这里节点指宏基站或微基站，且至少包括一个宏基站。如图2所示，为本发明基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法的流程图，该方法包含：

(S100)设定终端U_v处于宏基站P_mac覆盖范围中，根据终端U_v与微基站的相对位置和信道条件建立虚拟小区，选择至少3个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3组成虚拟小区，保证至少3个微基站和至少一个宏基站不在同一平面上；

(S200)估计宏基站P_mac到终端U_v的信道矩阵H_mv，估计宏基站P_mac到宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK的信道矩阵H_mu1,H_mu2,…,H_muK，其中K为宏终端数，宏终端的数量也不受限制，估计虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3分别到终端U_v的信道矩阵H_v1、H_v2、H_v3；

(S300)根据最大信漏噪比准则和零空间映射准则，构造分层预编码，包括：表层预编码w_表和里层预编码w_里，表层预编码w_表可利用全局信道状态信息消除小区间干扰，同一小区终端的表层预编码相同，里层预编码w_里可通过本地瞬时信道状态信息来抑制小区内干扰，通过采用分层预编码消除层间干扰；设预编码w为表层预编码w_表和里层预编码w_里的乘积，即w＝w_表·w_里。

采用分层预编码消除层间干扰，需满足：对虚拟小区周围宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK做预编码时，虚拟小区终端U_v所受干扰最小；在虚拟小区中，对微小区终端U_v做预编码时，微小区周围宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK所受干扰最小。

上述构造表层预编码的方法，包含：

(S310)构造宏小区的表层预编码：

在宏小区中，设终端U_v的信漏噪比为：

式中，w_mv,表为在宏小区中终端U_v的表层预编码，||H_mv·w_mv,表||²为期望信号功率，

为终端U_v泄漏到宏小区的终端(U_u1,U_u2,…,U_uK)的功率之和，|| ||表示求模值，σ²为高斯白噪声的方差。

根据最大信泄漏噪比原则，估计得到宏小区中基于终端U_v的表层预编码w_mv,表：

式中，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆。

(S320)构造虚拟小区的表层预编码：

虚拟小区中基于终端U_v的表层预编码w_vv,表：

式中，H_vv为虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3基于终端U_v的聚合信道，且H_vv＝[H_vv1,H_vv2,H_vv3]，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆。

(S330)构造宏小区的里层预编码：

设经过表层预编码，宏基站到终端U_v的等效信道为

估计等效信道的零空间，取零空间的列作为里层预编码，具体如下：

根据零空间影射准则，估计得到宏小区基于终端U_v的里层预编码：

式中，vec_min表示小特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆。

(S340)构造虚拟小区的里层预编码：

设经过表层预编码，虚拟基站到终端U_v之间的等效信道为

虚拟小区中基于终端U_v的里层预编码w_vv,表：

式中，H_vv为虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3基于终端U_v的聚合信道，且H_vv＝[H_vv1,H_vv2,H_vv3]，vec_min表示小特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆。

(S350)求宏小区中终端U_v的分层预编码w_mv和虚拟小区中终端U_v的分层预编码w_vv，为：

w_mv＝w_mv,表·w_mv,里；

w_vv＝w_vv,表·w_vv,里。

对终端进行表层预编码和里层预编码处理，可以分别降低小区间干扰和小区内干扰。

(S400)根据分层预编码进行波束形成：设宏基站的发射信号为s_m，则宏基站的发射信号波束为：w_mv·s_m；设虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射的信号分别为s_v1、s_v2、s_v3，记为s_v＝[s_v1,s_v2,s_v3]，则微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射信号的聚合波束为：w_vv·s_v。

(S500)终端检测及空间定位

如图3所示，为本发明基于球心-外心连线与球面交点的加权质心定位方法的示意图，通过RSSI距离损耗模型求得待定位终端U_v与各节点(宏基站和微基站)P_i(i＝1,2,……,L；L≥4)之间的距离l_i(i＝1,2,……,L；L≥4)，假设微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3对应节点P_i(i＝1,2,3)，宏基站对应节点P₄，分别以各节点P_i(i＝1,2,3,4)为圆心，距离l_i(i＝1,2,3,4)为半径得到四个球，实际的待定位终端在这四个球所围成的空间区域中；再估计以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥外接球球心坐标(x_外,y_外,z_外)；然后，求出这四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的加权质心，作为待定位终端U_v的位置坐标。

上述终端检测及空间定位的方法，包含：

(S510)取不在同一平面上的四个节点P_i(i＝1,2,……,L；L≥4)，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，四个节点P₁、P₂、P₃和P₄是预先布置的且不在同一个平面上；

(S520)利用距离损耗模型估计终端U_v到各节点的距离：

设终端U_v的坐标为(x,y,z)，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)，则利用距离损耗模型估计出终端U_v到各节点P₁、P₂、P₃和P₄的距离分别为l₁、l₂、l₃和l₄；

(S530)建立三维空间球面方程组，并估计距离误差因子：

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，为：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为对应于l₁、l₂、l₃和l₄的距离误差因子，通常微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3距离终端U_v较近，估计出的距离值准确度较高，赋予较大的系数，这里取ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝1；宏基站P_mac距离终端U_v较远，估计出的距离值准确度相对较低，赋予较小的系数，这里取ρ₄＝0.97。

理论上，根据上述估计得到的终端U_v与四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的欧式距离l₁、l₂、l₃和l₄，求解得到终端U_v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，采用基于球心和外心连线与球面交点的加权质心算法进行估计。

(S540)估计以四个节点的坐标为顶点的三棱锥的外接球球心坐标

估计以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥的外接球球心坐标，即外心坐标(x_外,y_外,z_外)

则有

式中，

| |为行列式符号。

(S550)求出上述四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，并以距离倒数作为加权因子，求此4个交点的质心作为待定位终端的位置坐标。

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(1)、(5)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(2)、(6)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(3)、(7)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(4)、(8)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μ₁、μ₂、μ₂、μ₄取距离误差因子与距离乘积的倒数，为：

则，待定位终端U_v三维坐标的估计值为:

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 (9)

1.一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，该方法针对的室内定位系统包含：至少一个宏基站P_mac、一个包含至少三个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3的虚拟小区，及虚拟小区服务的终端U_v；所述宏基站和微基站作为节点，该系统中包含宏基站在内的至少有四个节点不在同一平面上；其中，所述微基站的覆盖半径小于所述宏基站的覆盖半径；所述终端U_v所属虚拟小区中的微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3共享终端U_v的数据，该终端U_v为待定位终端；该方法包含：

(S100)设定所述终端U_v处于所述宏基站P_mac覆盖范围中，根据所述终端U_v与微基站的相对位置和信道条件建立虚拟小区，选择至少3个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3组成虚拟小区；

(S200)估计所述宏基站P_mac到所述终端U_v的信道矩阵H_mv，估计所述宏基站P_mac到各宏终端U_uj的信道矩阵H_muj，j＝0……K，j为自然数，K为宏终端数，估计所述虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3分别到所述终端U_v的信道矩阵H_v1、H_v2、H_v3；

(S300)根据最大信漏噪比准则和零空间映射准则，构造分层预编码，包括：表层预编码w_表和里层预编码w_里，所述虚拟小区的终端U_v的表层预编码相同，且构造分层预编码满足：对所述虚拟小区周围宏终端U_uj做预编码时，所述虚拟小区的终端U_v所受干扰最小；在虚拟小区中，对微小区终端U_v做预编码时，微小区周围宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK所受干扰最小；预编码w为表层预编码w_表和里层预编码w_里的乘积，为w＝w_表·w_里；

(S400)根据分层预编码进行波束形成；

(S500)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U_v与各节点P_i之间的距离l_i，i＝1,2,……,L；L≥4；设微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3对应节点P_i，i＝1,2,3；宏基站对应节点P₄，分别以各节点P_i为圆心，距离l_i为半径得到四个球，i＝1,2,3,4，待定位终端在这四个球所围成的空间区域中，确定以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标为顶点的三棱锥外接球球心坐标，求出这四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点(x_gi,y_gi,z_gi)，i＝1,2,3,4，求此四个交点的加权质心，作为待定位终端U_v的位置坐标；

在加权质心计算时，加权因子μ₁、μ₂、μ₂、μ₄取距离误差因子与距离乘积的倒数，为：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为对应于l₁、l₂、l₃和l₄的距离误差因子；

则，待定位终端U_v的位置坐标，为：

2.根据权利要求1所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，在步骤(S300)中，所述表层预编码的构造方法包含：

(S310)构造宏小区的表层预编码：

在宏小区中，设终端U_v的信漏噪比为：

式中，w_mv,表为在宏小区中终端U_v的表层预编码，||H_mv·w_mv,表||²为期望信号功率，

为终端U_v泄漏到宏小区的终端U_uj的功率之和，||||表示求模值，σ²为高斯白噪声的方差；

根据最大信漏噪比原则，估计得到宏小区中基于终端U_v的表层预编码w_mv,表，为：

式中，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S320)构造虚拟小区的表层预编码：

在虚拟小区中，基于终端U_v的表层预编码w_vv,表，为：

式中，H_vv为虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3基于终端U_v的聚合信道，且H_vv＝[H_v1,H_v2,H_v3]，vec_max表示大特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S330)构造宏小区的里层预编码：

设经过表层预编码，宏基站到终端U_v的等效信道为

估计等效信道的零空间，取零空间的列作为里层预编码；根据零空间映射准则，估计得到宏小区基于终端U_v的里层预编码，为：

式中，vec_min表示小特征根对应的特征矢量，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示求逆；

(S340)构造虚拟小区的里层预编码：

设经过表层预编码，虚拟基站到终端U_v之间的等效信道为

虚拟小区中基于终端U_v的里层预编码w_vv,里，为：

(S350)求宏小区中终端U_v的分层预编码w_mv和虚拟小区中终端U_v的分层预编码w_vv，为：w_mv＝w_mv,表·w_mv,里；w_vv＝w_vv,表·w_vv,里。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，在步骤(S400)中，所述波束形成，设宏基站的发射信号为s_m，则宏基站的发射信号波束为：w_mv·s_m；设虚拟小区中微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射的信号分别为s_v1、s_v2、s_v3，记为s_v＝[s_v1,s_v2,s_v3]，则所述微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3发射信号的聚合波束为：w_vv·s_v。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，在步骤(S500)中，所述终端检测及空间定位的方法，包含：

(S510)取不在同一平面上的四个节点P_i，i＝1,2,……,L；L≥4，四个坐标确定唯一的三棱锥；

(S520)利用距离损耗模型估计终端U_v到各节点的距离；

(S530)建立三维空间球面方程组，并估计距离误差因子：

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，为：

(S540)估计以四个节点的坐标为顶点的三棱锥的外接球球心坐标：

估计以四个节点P₁、P₂、P₃和P₄的坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和(x₄,y₄,z₄)为顶点的三棱锥的外接球球心坐标，为：

式中，

i＝1,2,3,4，||为行列式符号；

(S550)求出四个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共4个内侧交点，并以距离倒数作为加权因子，求此4个交点的质心作为待定位终端的位置坐标；

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：

通过连线方程和球面方程联立方程，求得四个内侧交点的坐标(x_gi,y_gi,z_gi)，i＝1,2,3,4。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃>ρ₄。

6.根据权利要求5所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位方法，其特征在于，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝1；所述ρ₄＝0.97。

7.一种基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统，其特征在于，该室内定位系统包含：至少一个宏基站P_mac、一个包含至少三个微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3的虚拟小区，及虚拟小区服务的终端U_v；所述宏基站和微基站作为节点，该系统中包含宏基站在内的至少有四个节点不在同一平面上；

其中，所述微基站的覆盖半径小于所述宏基站的覆盖半径；所述终端U_v所属虚拟小区中的微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3共享终端U_v的数据；

采用分层预编码消除层间干扰，需满足：对虚拟小区周围宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK做预编码时，虚拟小区终端U_v所受干扰最小；在虚拟小区中，对微小区终端U_v做预编码时，微小区周围宏终端U_u1,U_u2,…,U_uK所受干扰最小；

所述终端U_v为待定位终端，其是通过以下方法获得的：

将包含宏基站在内的不在同一平面上的四个节点P_i作为球心，i＝1,2,3,4；假设微基站P_mic1、P_mic2、P_mic3对应节点P_i，i＝1,2,3，宏基站对应节点P₄；利用距离损耗模型估计得到的终端U_v到各节点的距离l_i作为半径，估计以四个节点P_i为顶点的三棱锥外接球球心坐标，i＝1,2,3,4，并求取以4个球球心与三棱锥外接球球心连线与球面的交点，共四个内侧交点，求此四个交点的加权质心(x_gi,y_gi,z_gi)，i＝1,2,3,4，作为待定位终端U_v的位置坐标，为：

在加权质心计算时，加权因子μ₁、μ₂、μ₂、μ₄取距离误差因子与距离乘积的倒数，为：

式中，ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄分别为对应于l₁、l₂、l₃和l₄的距离误差因子。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统，其特征在于，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃>ρ₄。

9.根据权利要求7所述的基于虚拟小区与宏小区协作的室内定位系统，其特征在于，所述ρ₁＝ρ₂＝ρ₃＝1；所述ρ₄＝0.97。

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