CN111928854B - 基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统，首先对N个接入点分别进行角度估计，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值，然后通过接入点子集搜索来提取可靠的出发角，并根据出发角估计室内用户位置，再利用用户、接入点位置与到达角、出发角之间的几何关系，交叉验证每个接入点的角度估计值并更新角度估计，得到精度高的角度估计结果，使得在波束成型阶段提高其增益。

Description

基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统。

背景技术

毫米波波段频谱资源丰富，可以支持超高速的无线通信。毫米波通信主要依靠视距传播，其通信可靠性极易受遮挡效应影响，使得毫米波的角度估计会有精度误差，误差大小通常与导频长度成反比。较长的导频开销则会带来有效通信时间的减少，接入点的通信属性决定了其不能像定位锚点一样不间断发射导频。此外，毫米波易受障碍物遮挡等外在因素影响。如果在训练的过程中受到遮挡，训练所得的结果，即到达角(Angle of arrival)和出发角(Angle of departure)，将出现较大偏差。

传统单接入点毫米波角度估计方案，角度参数估计精度较低，且基于此的定位算法易受低精度角度估计的影响，造成较大定位误差甚至定位算法不收敛。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中单接入点毫米波角度估计的方法角度参数估计精度较低，造成较大定位误差的缺陷，从而提供一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，包括如下步骤：

对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径的到达角和出发角的余弦值；

基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦值误差最小；

利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。

在一实施例中，构建最小二乘法作为室内定位算法来估计用户位置

通过以下公式计算：

s.t.v_n∈{0，1}

其中，

为基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的出发角的余弦值，

p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量，

为用户到第n个接入点的视距径的方向向量，v_n为二进制选择标识符，取值为0或1，

决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始出发角估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

在一实施例中，利用所述用户位置的坐标同时基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径出发角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户的位置坐标，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量。

在一实施例中，利用所述用户位置的坐标同时基于到达角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户位置，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_MT为用户端的均匀线性阵列天线的方向向量。

在一实施例中，所述

用户端的均匀线性阵列天线的方向向量e_MT通过用户端的精度较高的方向传感器获得。

在一实施例中，当用户端没有方向传感器或方向传感器精度较低时，所述用户端的均匀线性阵列天线的方向向量e_MT通过解如下优化问题获得：

s.t.v_n∈{0，1}

||e_MT||₂＝1

其中，

为基于到达角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的到达角的余弦值，p_n为第n个接入点的位置坐标，

为从估计的用户坐标

到第n个接入点的视距径

方向向量，v_n为二进制选择标识符，取值为0或1，

决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始到达角的余弦估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

第二方面，本发明实施例提供一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计系统，包括：

单接入点训练角度估计模块，用于对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径的到达角和出发角的余弦值；

用户位置获取模块，用于基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦值误差最小；

基于位置信息的角度重构模块，用于利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明公开了一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法及系统，首先对N个接入点分别进行角度估计，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值，然后通过接入点子集搜索来提取可靠的出发角，并根据出发角估计室内用户位置，再利用用户、接入点位置与到达角、出发角之间的几何关系，交叉验证每个接入点的角度估计值并更新角度估计，得到精度高的角度估计结果，使得在波束成型阶段提高其增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法的一个具体示例的工作流程图；

图2为本发明实施例中视距径的到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系示意图；

图3为本发明实施例中基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计系统的一个具体示例的模块组成图；

图4为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

多接入点是一种降低毫米波信号遮挡，提高毫米波通信信号覆盖率的可行方案。除了降低毫米波通信中断问题，多接入点也为高精度室内定位提供了一种解决方案。由于多个接入点到用户之间的角度在几何上是相互关联的，利用好这样的关系可以交叉验证每个接入点的估计值，以提升一些接入点的角度估计精度，在波束成型阶段提高其增益。因此，多接入点毫米波通信需要一种角度估计增强方案。基于此，

本发明实施例提供一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S10：对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。

本发明实施例中接入点发送训练导频，用户接收，采用现有的单接入点训练方法对N个接入点依次进行波束训练，得到接入点至用户端的视距径误差较大的到达角的余弦值

和出发角的余弦值

即

步骤S20：基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦值误差最小。

本发明实施例中，根据出发角的余弦值

估计用户位置坐标

为了从N个节点出发点估计

中找出较为可靠的，剔除误差偏大的，定位算法将构建如下最小二乘法以估计用户位置

s.t.v_n∈{0，1}

其中，

为基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的出发角的余弦值，其中p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)天线的方向向量。

为用户到第n个接入点的视距径方向向量，v_n为二进制选择标识符，决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始AoD估计值。约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

其中，到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系如图2所示，根据其几何关系，φ_n，θ_n的数值可以通过e_n，p_n，e_MT，p四个参量获得。接入点安装时其位置坐标p_n以及方向向量e_n均可通过测量被精确获取，该信息可以通过sub6-GHz传输给用户，因此可以将其视为已知变量，室内环境下用户的位置坐标p不可知，本发明实施例将通过φ_n的估计值以及p_n，e_n获得位置坐标的估计值。该步骤从N个接入点中挑选出不小于3个接入点的子集来估计用户位置，使该位置估计值带来的归一化到达角余弦值误差最小，即列出所有可能的接入点子集数，再使用传统定位算法计算出该子集下的用户位置，最后依次计算其归一化到达角余弦值误差，并从中挑出最小值。

步骤S30：利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。

本发明实施例利用所述用户位置的坐标同时基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径出发角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户的位置坐标，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量。

本发明实施例利用用户位置的坐标同时基于到达角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户的位置坐标，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_MT为用户端的均匀线性阵列(ULA)天线的方向向量。

由于用户终端的移动性，其均匀线性阵列天线的单位方向向量e_MT是时变的，当用户端的装备了精度较高的方向传感器时，e_MT的瞬时值可以获得；如果用户端没有方向传感器，或者方向传感器精度较低时，e_MT则不可知，需要用户通过其自身位置p，方向向量e_n与到达角之间的关系估计而得，可以通过解如下优化问题获得：

s.t.v_n∈{0，1}

||e_MT||₂＝1

其中

为基于几何关系获得的到达角的余弦值，其中p_n为第n个接入点的位置坐标，

为从估计的用户坐标

到第n个接入点的视距径方向向量，v_n为二进制选择标识符，决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始到达角的余弦估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

本发明实施例提供的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，首先对N个接入点采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值，然后通过接入点子集搜索来分别接入点出发角的余弦值，估计可靠性的室内定位算法定位用户位置，利用用户、接入点位置与到达角、出发角之间的几何关系，交叉验证每个接入点的估计值，使用户位置估计值带来的归一化出发角余弦误差最小，利用得到的用户位置更新角度估计，提升角度估计精度，使得在波束成型阶段提高其增益。

实施例2

本发明实施例提供一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计系统，如图3所示，包括：

单接入点训练角度估计模块10，用于对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。此模块执行实施例1中的步骤S10所描述的方法，在此不再赘述。

用户位置获取模块20，用于基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角的余弦值，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦误差最小。此模块执行实施例1中的步骤S20所描述的方法，在此不再赘述。

基于位置信息的角度重构模块30，用于利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值。此模块执行实施例1中的步骤30所描述的方法，在此不再赘述。

本发明实施例提供的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计系统，首先对N个接入点采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径到达角和出发角的余弦值，然后通过接入点子集搜索来分别接入点出发角的余弦值，估计可靠性的室内定位算法定位用户位置，利用用户、接入点位置与到达角、出发角之间的几何关系，交叉验证每个接入点的估计值，使用户位置估计值带来的归一化出发角余弦误差最小，利用得到的用户位置更新角度估计，提升角度估计精度，使得在波束成型阶段提高其增益。

实施例3

本发明实施例提供一种计算机设备，如图4所示，该设备可以包括处理器51和存储器52，其中处理器51和存储器52可以通过总线或者其他方式连接，图4以通过总线连接为例。

处理器51可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器51还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器52作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器51通过运行存储在存储器52中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例1中的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

存储器52可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器51所创建的数据等。此外，存储器52可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可选包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器51。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器52中，当被处理器51执行时，执行实施例1中的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

上述计算机设备具体细节可以对应参阅实施例1中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径的到达角和出发角的余弦值；

基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦值误差最小；

利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值；

其中，构建最小二乘法作为室内定位算法来估计用户位置

通过以下公式计算：

s.t.v_n∈{0，1}

其中，

为基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的出发角的余弦值，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量，

为用户到第n个接入点的视距径的方向向量，v_n为二进制选择标识符，取值为0或1，决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始出发角估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

2.根据权利要求1所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，其特征在于，利用所述用户位置的坐标同时基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径出发角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户的位置坐标，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量。

3.根据权利要求1所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，其特征在于，利用所述用户位置的坐标同时基于到达角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角的余弦值

通过以下公式计算：

其中，

为用户的位置坐标，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_MT为用户端的均匀线性阵列天线的方向向量。

4.根据权利要求3所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，其特征在于，所述用户端的均匀线性阵列天线的方向向量e_MT通过用户端的精度较高的方向传感器获得。

5.根据权利要求4所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法，其特征在于，当用户端没有方向传感器或方向传感器精度较低时，所述用户端的均匀线性阵列天线的方向向量e_MT通过解如下优化问题获得：

s.t.v_n∈{0，1}

||e_MT||₂＝1

其中，

为基于到达角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的到达角的余弦值，p_n为第n个接入点的位置坐标，

为从估计的用户坐标

到第n个接入点的视距径方向向量，v_n为二进制选择标识符，取值为0或1，决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始到达角的余弦估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

6.一种基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计系统，其特征在于，包括：

单接入点训练角度估计模块，用于对N个接入点依次采用单接入点波束训练，得到N个接入点至用户端的视距径的到达角和出发角的余弦值；

用户位置获取模块，用于基于预设室内定位算法从N个接入点中挑选出不小于预设个数接入点的子集出发角，来估计室内的用户位置，使所述用户位置估计值带来的出发角的余弦值误差最小；

基于位置信息的角度重构模块，用于利用所述用户位置的坐标同时基于到达角、出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系，更新估计N个接入点到用户端的视距径到达角和出发角的余弦值；

其中，构建最小二乘法作为室内定位算法来估计用户位置

通过以下公式计算：

s.t.ν_n∈{0，1}

其中，

为基于出发角与用户及接入点n位置之间的几何关系获得的出发角的余弦值，p_n为第n个接入点的位置坐标，e_n为第n个接入点的均匀线性阵列天线的方向向量，

为用户到第n个接入点的视距径的方向向量，v_n为二进制选择标识符，取值为0或1，决定是否在定位算法中引入第n个接入点的初始出发角估计值，约束

表示定位算法中至少需要有三个接入点。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1-5任一项所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-5任一项所述的基于多接入点的毫米波室内定位与角度估计方法。

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