CN112637759B - 一种基于NB-IoT的用户设备定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NB‑IoT的用户设备定位系统，定位系统包括：5G固定基站、参考位置基站、云端、后台位置服务器以及用户设备；5D固定基站用于获取参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息，并将参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息上传至云端；云端用于将参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息发送至后台位置服务器；后台位置服务器用于根据参考位置基站的已知位置信息和参考位置基站的定位位置信息计算参考位置基站的定位误差，并基于参考位置基站的定位误差和用户设备的定位位置信息计算用户设备的精确位置信息。本发明中的上述系统通过设置参考位置基站能够提高用户设备的定位精度。

Description

一种基于NB-IoT的用户设备定位系统

技术领域

本发明涉及地理定位领域，特别是涉及一种基于NB-IoT的用户设备定位系统。

背景技术

5G应用普及和各种智能化应用对用户设备有位置信息需求，无线通讯技术可以用于实现定位功能，专利CN110999432A描述了无线通讯技术实现定位的技术方法。窄带物联网(NB-IoT)是第三代合作项目(3GPP)开发的一种在5G网络上的低功耗，窄带通讯协议，允许在蜂窝网络上进行大规模的机器类型通信(mMTC)。与LTE相比，NB-IoT主要是通过将信号带宽限制为180khz，通过允许多毫秒的重复传输来扩展覆盖范围。

5G基站在3GPP定义的第14版本中包含基站位置信息，并引入了对蜂窝的观测到港时差(OTDOA)定位的支持。这样OTDOA和基站位置信息可以确定移动用户设备(UE)的位置信息，5G网络可以提供基于位置的服务。窄带物联网NB-IoT采用sub-G通讯技术和窄带，可以覆盖数公里大面积范围。从而提供大面积定位服务。特别是在全球定位系统(GPS)信号或北斗信号可能不可用的室内。对UE和基于位置的服务越来越多的使用已经提出了更高精确的定位要求。

然而，窄信号带宽、支持扩展覆盖的苛刻以及低成本物联网设备要求，对NB-IoT系统设计都是挑战。特别是基于现有5GNB-IOT系统定位服务，即使在UE发送的定位报告增加OTDOA分辨率，也很难满足分辨率在几米范围，或小于1m的地位精度要求。

基于卫星的定位系统，例如GPS或北斗系统，在室外定位的商用领域已被广泛应用，不过它有一个明显缺陷是很难用于室内定位，或者在一些有障碍物的地方，信号差或无法覆盖，而且一般民用的精度也不够高(10米左右)，相对于室内导航的要求(1米左右)还有一段距离。

基于UWB的定位系统，解决了室内定位的问题和定位精度的要求，但是室内需要布置多个UWB基站，成本和功耗仍然限制了它在低成本定位领域的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于NB-IoT的用户设备定位系统，提高用户设备的定位精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于NB-IoT的用户设备定位系统，所述定位系统包括：

5G固定基站、参考位置基站、云端、后台位置服务器以及用户设备；

所述5D固定基站用于获取参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息，并将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息上传至所述云端；

所述云端用于将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息发送至后台位置服务器；

所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述参考位置基站的定位误差和所述用户设备的定位位置信息计算所述用户设备的精确位置信息。

可选的，所述参考位置基站为多个。

可选的，所述后台位置服务器还用于根据用户设备与每个所述参考位置基站的距离加权计算每个参考位置基站的定位误差，并根据所述每个参考位置基站的定位误差计算所述用户设备的精确位置信息。

可选的，所述5G固定基站和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯；

所述用户设备和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯。

可选的，所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述定位误差计算所述用户设备的精确位置信息具体包括：

获取参考位置基站的已知位置信息；

将所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息做差，得到参考位置基站的定位误差；

获取用户设备的定位位置信息；

将所述定位位置信息和所述参考位置基站的定位误差做差，得到用户设备的精确位置信息。

可选的，所述后台位置服务器还用于根据用户设备与每个所述参考位置基站的距离加权计算每个参考位置基站的定位误差，并根据所述每个参考位置基站的定位误差计算所述用户设备的精确位置信息具体采用以下公式：

LSUM＝L₁+L₂+…+L_n

C₁＝Coef*(1-L₁/LSUM)

C₂＝Coef*(1-L₂/LSUM)

C_n＝Coef*(1-L_n/LSUM)

UERR＝C₁*E₁+C₂*E₂+…+C_n*E_n

其中，L₁,L₂,…,L_n分别表示用户设备到n个参考位置基站之间的距离，C₁,C₂,…,C_n分别表示每个参考位置基站定位误差对UE误差的纠正系数，E₁,E₂,…,E_n分别表示n个参考位置基站的定位误差，UERR表示用户设备的精确位置信息。

可选的，所述参考位置基站还用于作为中继发射接收点，扩展所述5G固定基站覆盖不到的位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述系统是对现有NB-IoT定位规范的扩展，既保留了NB-IoT射频通讯的优点、克服其他定位技术的局限，又提高了NB-IoT定位的可用性。而且它允许在系统定位精度和新增成本之间作很大程度的权衡，因而能够在很多现有技术不可用的环境里找到应用，通过设置参考位置基站极大地提高了用户设备的定位精度。

附图说明

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

图1为本发明实施例基于NB-IoT的用户设备定位系统结构示意图；

图2为本发明实施例计算用户设备的精确位置信息流程图；

图3为本发明实施例用户设备与5G固定基站和参考基站通讯示意图；

图4为本发明实施例参考位置基站与5G固定基站和用户设备通讯示意图；

图5为本发明实施例用户设备与3个参考基站通讯并上传信息示意图

图6为本发明实施例位置参考信息基站作为中继基站延伸5G固定基站通讯到远处位置服务区，以及服务区处位置参考基站可以用卫星确定位置信息，以此来定位用户设备位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

本发明的目的是提供一种基于NB-IoT的用户设备定位系统，提高用户设备的定位精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于NB-IoT的用户设备定位系统结构示意图，如图1所示，所述定位系统包括：

5G固定基站、参考位置基站、云端、后台位置服务器以及用户设备；

所述5D固定基站用于获取参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息，并将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息上传至所述云端；

所述云端用于将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息发送至后台位置服务器；

所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述参考位置基站的定位误差和所述用户设备的定位位置信息计算所述用户设备的精确位置信息。

如图1所示，参考位置基站RE415，用户设备UE430和每个5G固定基站(405，420，425)共同组成一个系统400。

具体的，参考位置基站RE415，用户设备UE430和每个5G固定基站(405，420，425)通过NB-IoT通讯技术450通讯，其中，405作为主基站，负责上传信息到云端，UE415通过主基站405上传信息，非基站420和基站425。在宏小区内固定参考位置基站RE415和用户设备UE450通过5G固定基站405，把位置相关信息(PRS)上传到云端460，然后到后台位置服务器480，定位参考位置基站RE位置。这样，根据参考位置基站RE已知道位置和NB-IoT定位位置的误差，用户设备UE位置减去参考位置基站RE的误差，这个误差可以用来修正用户设备UE的定位误差，推出用户设备UE的精确位置，提高定位精度。

具体的，所述参考位置基站为多个；

所述5G固定基站和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯；

所述用户设备和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯。

所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述定位误差计算所述用户设备的精确位置信息，如图2所示，具体包括：

获取参考位置基站的已知位置信息；

将所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息做差，得到参考位置基站的定位误差；

获取用户设备的定位位置信息；

将所述定位位置信息和所述参考位置基站的定位误差做差，得到用户设备的精确位置信息。

具体的，所述后台位置服务器还用于根据用户设备与每个所述参考位置基站的距离加权计算每个参考位置基站的定位误差，并根据所述每个参考位置基站的定位误差计算所述用户设备的精确位置信息具体采用以下公式：

LSUM＝L₁+L₂+…+L_n

C₁＝Coef*(1-L₁/LSUM)

C₂＝Coef*(1-L₂/LSUM)

C_n＝Coef*(1-L_n/LSUM)

UERR＝C₁*E₁+C₂*E₂+…+C_n*E_n

其中，

L₁,L₂,…,L_n分别表示用户设备到n个参考位置基站之间的距离，C₁,C₂,…,C_n分别表示每个参考位置基站定位误差对UE误差的纠正系数，E₁,E₂,…,E_n分别表示n个参考位置基站的定位误差，UERR表示用户设备的精确位置信息。

具体的，所述参考位置基站还用于作为中继发射接收点，扩展所述5G固定基站覆盖不到的位置。

图3为本发明实施例无线通信定位系统示意图，为本发明提出的利用NB-IoT无线通讯技术实现定位，包括用户设备UE210和5G固定基站(215，220，235)，用户设备210和三个5G固定基站通过NB-IoT无线通讯技术260通讯，通过5G固定基站发送的基站位置参考信息(PRS)和发送时间差(OTDOA)产生位置信息报告，用户设备210通过主机站，也即5G固定基站215上传到后台位置服务器，系统中增加了参考位置基站RE225，其功能等同于5G固定基站，位置信息确定，可以用来校准用户设备UE210的位置。用户设备UE210和位置参考基站RE225通讯，用户设备UE210送到后台位置服务器的位置信息也包括用户设备UE210和参考位置基站RE225的位置信息。

本发明中描述的三个5G基站215，220，235支持3GPP版本14，发送的信息包含有基站位置信息。本发明中描述的用户设备UE210可以是带有NB-IOT通讯设备的移动个人，移动无线电发射台，等等移动节点。定位区间为数公里范围的宏小区，可以替代卫星定位，节省用户设备UE功耗不用和卫星通讯定位，也特别适用于卫星定位覆盖不到的地方，或5G基站缺少地方，如工厂，山区，边界地区，小区等。

图4是本发明是提出的定位方法中，参考位置基站RE335也和每个5G基站(305，320，325)通过NB-IoT通讯技术350通讯发送PRS位置信息，通过后台位置服务器计算出其位置，通过已知位置，可以估算出其定位误差。这个误差可以用来修正用户设备UE的定位误差，提高定位精度。

为了提高定位精度，可以增加参考位置点或参考定位基站RE。图5示出了在定位系统中，包括3个参考位置基站RE620，用户设备UE660和每个参考位置基站RE620用NB-IoT技术650通讯，产生相对位置信息报告，参考位置基站RE和用户设备UE都和5G固定基站605通讯位置信息PRS，上传位置信息报告，其中用户设备UE报告包括和每个参考位置基站RE的相对位置信息。5G固定基站605上传信息到后台位置服务器，后台位置服务器计算出每个参考位置基站RE的位置信息，根据已知每个参考位置基站RE的位置信息，推出每个参考位置基站RE的定位误差，后台位置服务器计算出用户设备UE和每个参考位置基站RE的距离，以及用户设备UE的位置信息，然后再根据每个参考位置基站RE的定位误差，可以按距离加权误差，来推出用户设备UE的精确位置。例如，用户设备UE和三个参考位置基站RE的距离分别是L1，L2和L3，三个参考位置基站RE的定位误差分别是E1，E2，和E3，这样可以一级近似UE的定位是UERR，具体公式如下：

LSUM＝L1+L2+L3

C1＝0.5*(1-L1/LSUM)

C2＝0.5*(1–L2/LSUM)

C3＝0.5*(1–L3/LSUM)

UERR＝C1*E1+C2*E2+C3*E3

为了更准确计算出用户设备UE的位置信息，参考位置基站RE的定位误差也可以根据参考位置基站RE和用户设备UE之间的距离加权计算每个参考位置基站RE的定位误差，推出用户设备UE的定位误差，从而计算出用户设备UE的准确位置。

后台位置服务器根据用户设备UE和5G固定基站通讯的位置信息，推出用户设备UE的位置，同时推出用户设备UE和每个参考位置基站RE的相对位置，然后根据用户设备UE和每个参考位置基站RE的距离，加权减去每个参考位置基站RE的位置误差，这样可以精确推出用户设备UE的位置，参考位置基站RE数量越多，用户设备UE推出的位置越精确。

图6示出了在定位系统中，参考位置基站720、730也可以是移动的基站或发射点，该发射点具有卫星定位功能，在移动过程中其位置信息可以通过卫星定位，用户设备UE790和参考位置基站RE720通讯，产生相对位置信息报告PRS，报告可以通过任何一个参考位置基站RE720，经参考位置基站RE730和5G固定基站770通讯，通讯技术760是NB-IOT技术，信息传到后台位置服务器计算出用户设备UE790和3个参考位置基站RE720的距离，然后再根据每个参考位置基站RE720的位置信息，可以推出用户设备UE790的精确位置。在该系统中，移动的参考位置基站720、730可以弥补在特定环境中，5G固定基站770的布置分布不足，或者说5G没有覆盖到的地方，可以通过移动基站，即参考位置基站730，利用NB-IoT远距离通讯特点，扩展定位区间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于NB-IoT的用户设备定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：

5G固定基站、参考位置基站、云端、后台位置服务器以及用户设备；

所述5G固定基站用于获取参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息，并将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息上传至所述云端；

所述云端用于将所述参考位置基站的定位位置信息以及用户设备的定位位置信息发送至后台位置服务器；

所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述参考位置基站的定位误差和所述用户设备的定位位置信息计算所述用户设备的精确位置信息；

所述参考位置基站为多个；

所述后台位置服务器还用于根据用户设备与每个所述参考位置基站的距离加权计算每个参考位置基站的定位误差，并根据所述每个参考位置基站的定位误差计算所述用户设备的精确位置信息；

所述后台位置服务器还用于根据用户设备与每个所述参考位置基站的距离加权计算每个参考位置基站的定位误差，并根据所述每个参考位置基站的定位误差计算所述用户设备的精确位置信息具体采用以下公式：

LSUM＝L₁+L₂+…+L_n

UERR＝C₁*E₁+C₂*E₂+…+C_n*E_n

其中，

L₁,L₂,…,L_n分别表示用户设备到n个参考位置基站之间的距离，C₁,C₂,…,C_n分别表示每个参考位置基站定位误差对UE误差的纠正系数，E₁,E₂,…,E_n分别表示n个参考位置基站的定位误差，UERR表示用户设备的定位误差；

利用NB-IoT无线通讯技术实现定位，包括用户设备UE 210和5G固定基站(215，220，235)，用户设备210和三个5G固定基站通过NB-IoT无线通讯技术260通讯，通过5G固定基站发送的基站位置参考信息(PRS)和发送时间差(OTDOA)产生位置信息报告；

利用NB-IoT无线通讯技术实现定位，包括用户设备和三个5G固定基站，用户设备和三个5G固定基站通过NB-IoT无线通讯技术通讯，通过5G固定基站发送的基站位置参考信息和发送时间差产生位置信息报告，位置信息报告包括用户设备和参考位置基站的位置信息；

参考位置基站是移动的基站或发射点，该发射点具有卫星定位功能，在移动过程中其位置信息可以通过卫星定位，用户设备和参考位置基站通讯，产生相对位置信息报告，相对位置信息报告可以通过任何一个参考位置基站，经参考位置基站和5G固定基站通讯，通讯技术是NB-IOT技术，信息传到后台位置服务器计算出用户设备和3个参考位置基站的距离，然后再根据每个参考位置基站的位置信息，可以推出用户设备的精确位置；在该系统中，移动的参考位置基站可以弥补在特定环境中，5G固定基站的布置分布不足，或者说5G没有覆盖到的地方，可以通过移动基站，即参考位置基站，利用NB-IoT远距离通讯特点，扩展定位区间。

2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的用户设备定位系统，其特征在于，所述5G固定基站和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯；

所述用户设备和所述参考位置基站之间采用NB-IoT技术通讯。

3.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的用户设备定位系统，其特征在于，所述后台位置服务器用于根据所述参考位置基站的已知位置信息计算所述参考位置基站的定位误差，并基于所述定位误差计算所述用户设备的精确位置信息具体包括：

获取参考位置基站的已知位置信息；

将所述参考位置基站的已知位置信息和所述参考位置基站的定位位置信息做差，得到参考位置基站的定位误差；

获取用户设备的定位位置信息；

将所述定位位置信息和所述参考位置基站的定位误差做差，得到用户设备的精确位置信息。

4.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的用户设备定位系统，其特征在于，所述参考位置基站还用于作为中继发射接收点，扩展所述5G固定基站覆盖不到的位置。

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