CN111357216B - 用于定位通信设备的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供了一种用于定位通信设备的方法和设备。根据本公开的实施例，在没有信号的相位信息的情况下，通信设备可以基于从另一通信设备接收的信号的强度水平与接收信号的角度之间的关联来确定另一通信设备的方向，以获得更高的准确性。根据本公开的实施例，通信设备可以基于MUSIC算法在没有接收信号的相位信息的情况下确定另一通信设备的方向。根据本公开的实施例，该方法还可以在多路径场景中实现。

Description

用于定位通信设备的方法和设备
技术领域
本公开的实施例总体上涉及通信技术，并且更具体地，涉及用于定位通信设备的方法和设备。
背景技术
随着通信技术的发展，通信业务量也大大增加。响应于通信业务的增长，第三代合作伙伴计划(3GPP)提出了新的移动通信标准，例如，第五代(5G)移动通信标准。在5G通信系统中，通信设备的定位(特别是室内通信设备的定位)引起了广泛的关注。如今，一些5G项目包括室内导航，高精度定位以及诸如心率之类的人体运动感应。需要进一步研究5G通信系统中通信设备的定位，以提高测量精度。
发明内容
总体上，本公开的实施例涉及一种用于定位通信设备的方法和相应的通信设备
在第一方面，本公开的实施例提供了一种方法。该方法包括：通过第一通信设备的天线以多个角度从第二通信设备接收多个信号，该天线被依次切换到多个角度；确定多个信号的强度水平与多个角度之间的关联；以及在没有多个信号的相位信息的情况下，基于关联确定第二通信设备相对于第一通信设备的方向。
在第二方面，本公开的实施例提供了一种通信设备。该网络设备包括：至少一个控制器；以及与至少一个处理器耦合的存储器，述存储器中存储指令，指令在由至少一个处理器执行时，使网络设备执行以下动作：通过第一通信设备的天线以多个角度从第二通信设备接收多个信号，该天线被依次切换到多个角度；确定多个信号的强度水平与多个角度之间的关联；在没有多个信号的相位信息的情况下，基于关联确定第二通信设备相对于第一通信设备的方向。
在第三方面，本公开的实施例提供一种计算机可读介质。所述计算机可读介质上存储指令，指令在由机器的至少一个处理单元执行时使所述机器实现：通过第一通信装置的天线以多个角度从第二通信装置接收多个信号，天线依次切换到多个角度；确定多个信号的强度水平与多个角度之间的关联；在没有多个信号的相位信息的情况下，基于关联确定第二通信设备相对于第一通信设备的方向。
当结合附图进行阅读时，从以下对具体实施方式的描述中，本公开的实施方式的其他特征和优点也将变得显而易见，附图以示例的方式示出了本公开的实施方式的原理。
附图说明
以示例的方式呈现了本公开的实施例，并且在下文中参照附图更详细地解释了它们的优点，其中
图1示出了根据本公开实施例的通信系统的示意图；
图2示出了传统通信系统的信号处理的框图；
图3示出了人对声源进行定位的系统的示意图；
图4示出根据本公开的实施例的通信设备；
图5示出了根据本公开实施例的天线的辐射方向图；
图6示出了根据本公开实施例的用于定位通信设备的方法的流程图；
图7示出了根据本公开实施例的通信系统的示意图；以及
图8A和图8B示出根据本公开的实施例的仿真结果的示意图。
在所有附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
现在将参考几个示例实施例来讨论本文描述的主题。应当理解，仅出于使本领域技术人员能够更好地理解并因此实现本文所述主题的目的来讨论这些实施例，而不是暗示对主题范围的任何限制。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“包括有”和/或“包含有”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
还应注意，在一些替代实现中，提到的功能/动作可以不按图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，顺序示出的两个功能或动作实际上可以同时执行或者有时可以相反的顺序执行。
如本文所使用的，术语“通信网络”是指遵循任何适当的通信标准的网络，诸如长期演进(LTE)、高级LTE(LTE-A)、宽带码分多址(WCDMA)、高速分组访问(HSPA)等等。此外，可以根据任何适当的通信协议来执行通信网络中终端设备与的网络设备之间的通信，包括但不限于第一代(1G)、第二代(2G)、2.5G、2.75G、第三代(3G)、第四代(4G)、4.5G、未来的第五代(5G)通信协议和/或当前已知或将来要开发的任何其他协议。
本公开的实施例可以应用于各种通信系统。考虑到通信的快速发展，当然还将存在可以实施本公开的未来通信技术和系统。不应将本公开的范围限制为仅上述系统。
术语“通信设备”是指网络设备，其包括但不限于通信系统中的基站(BS)、网关、管理实体和其他合适的设备。术语“基站”或“BS”表示节点B(NodeB或NB)、演进型NodeB(eNodeB或eNB)、远程无线电单元(RRU)、无线电头(RH)、远程无线头(RRH)、中继站、低功率节点诸如，毫微微小区(femto)，微微小区(pico)等。
术语“通信设备”还可以指包括但不限于“用户设备(UE)”和能够与网络设备通信的其他合适的终端设备。举例来说，“终端设备”可以指终端、移动终端(MT)、用户站(SS)、便携式用户站、移动站(MS)或接入终端(AT)。
图1示出了可以在其中实现本公开的实施例的环境的示意图。作为通信网络的一部分的环境100包括网络设备110以及一个或多个终端设备120-1、120-2、...、120-N(统称为“终端设备”120。应当注意，环境100还可以包括为了清楚起见而省略的其他元件。网络设备110与终端设备120进行通信。应当理解，图1所示的网络设备和终端设备的数目是出于说明的目的而给出的，而没有任何限制。网络100可以包括任何合适数目的网络设备和终端设备。
环境100中的通信可以根据任何适当的通信协议来实现，包括但不限于第一代(1G)蜂窝通信协议、第二代(2G)蜂窝通信协议、第三代(3G)蜂窝通信协议、第四代(4G)蜂窝通信协议和第五代(5G)蜂窝通信协议等，无线局域网通信协议(例如，电气与电子工程师协会(IEEE)802.11等)和/或当前已知的或在将来开发的其他协议。此外，通信可以利用任何适当的无线通信技术，包括但不限于：码分多址(CDMA)、频分多地址(FDMA)、时分多地址(TDMA)、频分双工器(FDD)、时间划分双工器(TDD)、多输入多输出(MIMO)、正交频分多址(OFDMA)和/或任何当前已知或将来将要开发的技术。
如上所述，需要对5G通信系统中的定位通信设备进行进一步的研究。通常，利用超宽带(UWB)技术进行定位可以精确到厘米级。但是，由于诸如无线保真(Wi-Fi)设备之类的通信设备具有有限的带宽(例如20MHz)，因此这种通信设备的定位只能精确到米级别。在存在多径的情况下，这种通信设备的定位精度可能仅为15米。因此，需要提高定位通信的准确性。
已经使用合成孔径雷达(SAR)来提高定位通信的准确性。然而，受传统的合成孔径雷达技术启发的通信平台定位方法存在在信号处理中引入相位误差的问题。
图2示出了传统信号处理系统200的示例框图。信号处理系统200可以包括天线210和数字信号处理部分201。数字信号处理部分201可以包括自动增益控制器(AGC)220、采样器230、数据分组检测器240、中心频率补偿(CFO)校正器250和正交频分复用(OFDM)接收器260。在由天线210接收的信号处理期间，数字信号处理部分201可能会引入相位误差。例如，采样器230可能在采样期间产生相位误差。类似地，分组检测器240、CFO校正器250和OFDM接收器260也可能引入相位误差。
指纹技术(fingerprinting)已被用于定位通信设备。但是，由于指纹技术需要预先存储一些与环境有关的信息，因此，如果环境变化很大，指纹技术将无法准确定位通信设备。
如上所述，用于定位通信设备的传统方法需要接收信号的相位信息。发明人发现相位信息难以确定。在某些情况下，甚至无法检测到相位信息。与相位信息不同，可以准确确定接收信号的强度。因此，需要利用接收信号的强度信息来提高通信设备的定位精度。
发明人的灵感来自于人类对声源的定位。图3示出了由人320来定位声源310的系统300的示意图。通常，在大多数可听频率范围(20Hz-20kHz)中，人耳能够估计声源的精度高达1°。对于更高的频率(高于3kHz)，头部的性能类似于低通滤波器，这意味着一只耳朵在不受头部影响的情况下接收信号，而另一只耳朵在低通滤波器之后接收信号。如图3所示，来自声源310的信号分别到达右耳3010和左耳3020。右耳3010处的信号和左耳3020处的信号的相位和幅度不同。人320能够利用相位和幅度信息的组合来精确地定位声源310。
图4示出了根据本公开的实施例的通信设备400。如图4所示，通信设备400包括一个或多个处理器420、耦合到(多个)处理器420的一个或多个存储器430、一个或多个发送器和/或接收器(TX/RX)450。TX/RX 450包括天线410。通信设备400可以被实现为网络设备110。通信设备也可以被实现为终端设备120。仅出于说明的目的，网络设备110被认为是第一通信设备，以及终端设备120被视为第二通信设备。应当理解，网络设备110和终端设备120都可以被视为第一通信设备以及第二通信设备。
网络设备110经由天线410以不同角度从终端设备120接收信号，以确定终端设备120相对于网络设备110的方向，而无需使用接收到的信号的相位信息，从而提高了终端设备120的定位精度。
特别地，网络设备110经由天线410从终端设备120接收信号。由于天线410被切换到不同的角度，因此网络设备110以不同的角度接收信号。网络设备110基于接收到的信号的强度与角度之间的关联来确定终端设备120的方向。与接收信号的相位信息相比，接收信号的强度和角度更精确，网络设备110以更高的精度确定终端设备120的方向。
图5示出了根据本公开的实施例的天线410的辐射方向图500。仅作为示例，天线410在本文中是指定向天线，并且辐射方向图500是定向天线的示例辐射方向图。
如图5所示，辐射方向图500可以包括主瓣5010(也称为“波束”)和旁瓣5020、旁瓣5030。天线410在主瓣5010的方向上具有最大增益。例如，如果信号沿着主瓣5010的方向传播，则天线410检测到更大的信号功率。如果信号沿旁瓣(例如，旁瓣5020)的方向传播，则天线410检测到较小的信号功率。也就是说，即使信号具有相同的功率，由天线410检测到的信号的功率也取决于信号的传播方向，换句话说，取决于信号相对于天线410的方向。
现在参考图6和图7描述本公开的一些示例实施例。图6示出根据本公开的实施例的用于定位通信设备的方法600的流程图。方法600可以在网络设备110或终端设备120处实现。仅出于说明的目的，以下描述描述了方法400在网络设备110处实现。图7示出了根据本公开的实施例的通信系统700。
在框610，网络设备110通过网络设备110的天线410以多个角度从终端设备120接收多个信号。天线410依次切换到多个角度。如图7所示，作为示例，天线410在方位平面R上旋转，并且天线410的初始方向可以被视为水平方向X，这意味着初始角度为零。在该示例中，多个角度例如是相对于水平方向X在逆时针方向上的角度。应当理解，可以以任何合适的方式确定水平方向。在示例实施例中，多个角度可以包括初始角度(0°)和360°的角度。
在一些实施例中，如果网络设备110以第一角度接收信号的持续时间超过预定时间阈值，则网络设备110将天线410切换到第二角度以继续接收信号。例如，如图6所示，网络设备110通过天线410以角度7010接收信号，这意味着天线410处于角度7010。在一段时间之后，网络设备110通过将天线410切换到角度7020以角度7020接收信号。可以以任何合适的方法来确定预定时间阈值。例如，如果终端设备120快速移动，则时间段可能非常短以减少错误。在其他实施例中，如果终端设备120移动相对较慢或是静止的，则时间段可以更长。
在示例实施例中，多个角度中的任意两个相邻角度之间的间隙是相同的。举例来说，多个角度包括0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°和360°，并且两个相邻角度之间的间隙为30°。应该理解，多个角度可以包括任何合适数目的角度。多个角度的数目与测量的精度有关。在示例实施例中，如果多个角度包括更多角度，则测量的精度得以提高。应当理解，如果天线410的3dB波束宽度更窄并且多个角度的数目较大，则测量精度进一步提高。
在其他实施例中，两个相邻角度之间的间隙可以不相同。例如，如果网络设备110可以预先确定终端设备120处于30°至90°的方向，则网络设备110可以增加30°至90°之间的角度数目。在该示例中，多个角度包括0°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、150°、210°、270°、330°和360°。应该理解，多个角度可以包括任何其他合适的角度值。
在框620，网络设备110确定多个信号的强度水平和多个角度之间的关联。在示例实施例中，网络设备110可以使用接收信号强度指示符(RSSI)来确定接收信号的强度水平。以此方式，网络设备110以高精度确定接收信号的功率，并且可以提高终端设备120的定位精度。在其他实施例中，网络设备110可以确定以一定角度接收的信号的幅度，并获得幅度和角度之间的对应关系。
在框630处，网络设备110基于该关联来确定终端通信120相对于网络设备110的方向。在一些实施例中，网络设备110可以通过将接收到的信号划分为信号子空间和噪声子空间来确定终端设备120的方向。例如，网络设备110可以利用多信号分类(“MUSIC”)算法来确定终端设备120的方向。如上所述，在框620处，网络设备110确定多个信号的强度水平与多个角度之间的关联。也就是说，网络设备110获得信号强度与对应角度之间的关系，该关系在MUSIC算法中可被视为相控阵的转向向量。在其他实施例中，网络设备110可以经由旋转不变技术(ESPRIT)利用估计信号参数来确定终端设备120的方向。
这样，网络设备110基于接收到的信号的强度来确定终端设备120的方向，并且不依赖于接收信号的相位信息。如上所述，可能无法准确地获得相位信息，并且有时甚至无法获得相位信息。因此，与传统方法相比，本公开的实施例通过不依赖于相位信息来提高测量的准确性。
在示例实施例中，网络设备110可以基于关联来确定接收多个信号中具有最大强度水平的信号的角度。网络设备110可以基于确定的角度来确定方向。如上所述，如果来自终端设备120的信号沿着主瓣5010的方向传播，则天线410可以检测信号的最大功率。换句话说，检测到信号的最大功率的主瓣5010的方向是终端设备120的方向。在一些实施例中，网络设备110可以基于多路径场景中的关联来确定终端设备120的方向。
图8A和图8B示出了根据本公开的实施例的仿真结果。对于图8A所示的仿真结果，其仿真网络设备110以六个不同角度接收信号，并且天线410的3dB波束宽度为60°。对于图8B所示的仿真结果，其仿真网络设备110以十二个不同的角度接收信号，并且天线410的3dB波束宽度为33°。可以看出，两个仿真结果都表明终端设备120相对于网络设备110处于20°的方向。图8B中的仿真结果比图8A中的仿真结果更准确，因为图8B中的波束具有较窄的3dB波束宽度，并且图8B中的波束数目较大。
应当理解，本公开的实施例可以通过通信设备400的处理器420执行的计算机软件，或者通过硬件或者通过软件和硬件的组合来实现。如上所述，通信设备400包括一个或多个处理器420，耦合到处理器420的一个或多个存储器430，耦合到处理器420的一个或多个发送器和/或接收器450。
处理器420可以是适合于本地技术网络的任何类型，并且可以包括通用计算机，专用计算机，微处理器，数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器中的一个或多个，例如非限制性示例。通信设备400可以具有多个处理器，例如专用集成电路芯片，其在时间上随从于同步主处理器的时钟。
存储器430可以是适合于本地技术网络的任何类型，并且可以使用任何适当的数据存储技术来实现，例如非暂时性计算机可读存储介质，基于半导体的存储设备，磁存储设备和系统，作为非限制性示例，光学存储设备和系统，固定存储器和可移动存储器。
存储器430存储程序440的至少一部分。TX/RX 450用于双向通信。TX/RX 450具有至少一个天线以促进通信，尽管实际上在本申请中提到的接入节点可以具有多个天线。通信接口可以代表与其他网络元件通信所必需的任何接口。
假定程序440包括程序指令，当由关联的处理器420执行该程序指令时，使通信设备400能够根据本公开的实施例执行参照图6和图7的操作。即，本公开的实施例可以由可由通信设备300的处理器420执行的计算机软件，或者由硬件，或者由软件和硬件的组合来实现。
尽管本说明书包含许多特定的实施细节，但是这些不应被解释为对任何公开或要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定公开的特定实施例可能特定的特征的描述。在单独的实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此宣称，但是在某些情况下可以从组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合。或子组合的变体。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以实现期望的效果。结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或打包成单个软件产品。多种软件产品。
当结合附图阅读时，鉴于前述描述，对本公开的前述示例性实施例的各种修改，改编对于相关领域的技术人员而言将变得显而易见。任何和所有修改仍将落入本公开的非限制性和示例性实施例的范围内。此外，受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导，本文所阐述的本公开的其他实施例将想到与本公开的这些实施例有关的本领域技术人员。
因此，应理解，本公开的实施例不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是出于限制的目的。

Claims (11)

1.一种在第一通信设备处实现的方法，包括：
通过所述第一通信设备的天线以多个角度从第二通信设备接收多个信号，所述天线被依次切换到所述多个角度，其中所述多个角度包括第一角度和第二角度；
响应于所述多个信号以所述第一角度被接收的持续时间超过预定时间阈值，将所述天线切换到所述第二角度以继续接收所述多个信号，其中所述预定时间阈值基于所述第二通信设备的移动速度；
确定所述多个信号的强度水平与所述多个角度之间的关联；以及
在没有所述多个信号的相位信息的情况下，基于所述关联确定所述第二通信设备相对于所述第一通信设备的方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述关联包括：
确定所述多个信号的振幅与所述多个角度之间的所述关联。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述方向包括：
基于所述关联，利用多信号分类（MUSIC）算法确定所述方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个角度中的任意两个相邻角度之间的间隙是相同的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述多个角度形成周角。
6.一种通信设备，包括：
至少一个处理器；以及
耦合到所述至少一个处理器的存储器，所述存储器在其中存储指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述通信设备执行动作，所述动作包括：
通过所述通信设备的天线以多个角度从另一通信设备接收多个信号，所述天线被依次切换到所述多个角度，其中所述多个角度包括第一角度和第二角度；
响应于所述多个信号以所述第一角度被接收的持续时间超过预定时间阈值，将所述天线切换到所述第二角度以继续接收所述多个信号，其中所述预定时间阈值基于所述另一通信设备的移动速度；
确定所述多个信号的强度水平与所述多个角度之间的关联；以及
在没有所述多个信号的相位信息的情况下，基于所述关联确定所述另一通信设备相对于所述通信设备的方向。
7.根据权利要求6所述的通信设备，其中确定所述关联包括：
确定所述多个信号的振幅与所述多个角度之间的所述关联。
8.根据权利要求6所述的通信设备，其中确定所述方向包括：
基于所述关联，利用多信号分类（MUSIC）算法确定所述方向。
9.根据权利要求6所述的通信设备，其中所述多个角度中的任意两个相邻角度之间的间隙是相同的。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的通信设备，其中所述多个角度形成周角。
11.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质在其上存储指令，所述指令在由机器的至少一个处理单元执行时使所述机器执行根据权利要求1-5中的任一项所述的方法。
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