CN114114150A - 一种面向通信感知一体化的无线定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向通信感知一体化的无线定位方法，包括以下步骤：用户设备向基站发射5G NR信号；基站利用发送信号中携带的导频估计出接收信号的信道状态信息矩阵；然后使用MUSIC方法估计出接收信号的DOA以及FTO；基站根据估计出的DOA和FTO，以最小的FTO作为LOS径；基站利用波束成形算法，抑制其他到达方向的信号，计算出LOS方向信号的功率，并根据该功率以及路径损耗模型估计出TOA以此进行粗略的定位。基站根据估计出的DOA利用波束成形技术导向发射感知信号并在估计出的粗略的TOA时间窗口进行回波接收，最后利用回波信号进行精确的时间估计和定位。

Description

一种面向通信感知一体化的无线定位方法
技术领域
本发明属于通信感知和无线定位技术领域，具体涉及一种基于5GNR信号的单基站TOA和DOA联合参数估计以及感知信号探测辅助的高精度定位技术。
背景技术
现有的TOA估计主要有利用用户手机和基站之间进行时间戳信息交互，利用不同子载波由于传输时延引起的相位差等方法。但是利用时间戳信息这种方法需要用户手机和基站之间的时间严格同步，并且会受到处理时延的影响；而利用不同子载波由于传输时延引起的相位差这种方法估计的精度较低，并且会受到载波初相不同的影响，不能够满足实际的应用场景。
随着5GNR技术投入商用，天线规模大幅度增加，因此对于DOA的估计精度会大幅度提高，这有利于我们对发射信号经过多径到达基站的到达角度的分辨；并且大规模多路输入多路输出对于波束形成技术的应用提供了条件，有利于本发明对TOA的估计。
此外通信与感知系统因系统功能及规格等需求的差异，在双工能力以及射频通道的频偏、相噪、非线性等指标需求均有较大的差异。因此系统在设计之初就要平衡好通信和感知需求，全双工等性能。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种面向通信感知一体化的无线定位方法，该通信感知一体化的定位技术可以较好地解决通信与感知系统的全双工能力，利用多天线和波束形成技术能够实现TOA估计。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种面向通信感知一体化的无线定位方法包括如下步骤：
步骤1：用户向基站发射第五代新空口5GNR信号；
步骤2：基站估计出接收信号的信道状态信息矩阵，将信道状态信息矩阵进行平滑，然后利用多信号分类MUSIC方法估计出接收信号的到达方向DOA以及小数符号定时偏差FTO；
步骤3：基站根据步骤2得到的DOA和FTO，以最小的FTO作为视距LOS径，利用波束成形方法，抑制其他到达方向的信号，并计算出LOS方向信号的功率；
步骤4：基站根据LOS方向信号功率以及不同场景建立不同的路径损耗模型估计出粗略到达时间TOA；
步骤5：基站根据估计出的DOA，利用波束成形技术导向发射感知信号，并在估计出的粗略TOA的时间窗口进行回波接收，并根据时间戳和感知信号探测时间估计出精确的TOA以及位置；
步骤6：基站根据用户的移动速度不断地调整改变时间窗口以便进行实时感知定位。
其中：
所述步骤2中，利用信道状态信息矩阵估算接收信号的DOA以及FTO的步骤具体包括：对信道状态信息矩阵进行平滑，即在信道状态信息矩阵上选取一个矩阵窗口，并将该矩阵窗口中的元素作为新矩阵的一列，将该矩阵窗口依次从左向右从上至下进行滑动得到新的矩阵，以增加快拍数，提高分辨率，然后利用MUSIC算法以信号子空间与噪声子空间的正交性为基础，划分空间来估算出信号的DOA和FTO。
所述步骤3中的波束形成算法是利用步骤2中得到的LOS径的DOA作为期望信号方向，以此作为基站接收波束的约束方向，抑制其他到达方向信号的功率并保持LOS径信号功率不变；使用MVDR方法，利用波束的“置零条件”强迫接收阵列波束方向图的“零点”指向所有干扰信号方向得到权向量的约束公式并计算出基站各天线的权重来合并各天线接收到的基带信号，但并不仅限于MVDR方法，能够满足保持LOS径信号功率不变，抑制其他方向信号功率的算法即可。
所述步骤4中的路径损耗模型使用的是通过引入随着环境而改变的路径损耗指数n来修正自由空间路径损耗模型的对数距离路径损耗模型。
所述步骤5中基站在发射完感知信号后能继续为其他用户提供通信或感知服务，仅需在估计出的粗略的TOA时间窗口暂停服务并开启回波接收模式即可。
所述步骤5中基站发射的感知信号是OFDM信号或是雷达信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明利用多天线和波束形成技术能够实现TOA估计。
2.本发明在进行TOA估计的时候不需要用户设备和基站之间的时间严格同步。
3.本发明可以解决通信与感知系统的双工能力限制，在对某个用户进行感知探测信号发射后仍可为其他用户提供通信或感知服务，仅需在回波接收的短暂时间窗口内暂停服务进行回波接收即可。
4.本发明的感知信号并不仅限于OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)信号或雷达信号，也可以是其他形式的信号。
附图说明
图1为实施例一中的场景区域布置图；
图2为实施例一中均匀线性天线阵列接收信号示意图；
图3为实施例一中MVDR波束形成算法仿真结果图；
图4为实施例一中的LOS径的TOA误差的CDF图；
图5为实施例一中的基站通信感知系统下的回波接收时间窗口图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供了一种通信感知一体化的定位方法。基站接收来自用户的5G NR信号，估计出信道状态信息矩阵并利用MUSIC算法估计出DOA和FTO。然后基站利用波束形成计算出LOS径的信号功率，并根据对数距离路径损耗模型估计出TOA。基站发射感知信号，并在估计出的粗略TOA的时间窗口进行回波接收，并根据时间戳和感知信号探测时间估计出精确的TOA以及位置，并根据用户的移动速度不断地调整改变时间窗口进行实时感知定位。
该无线定位方法包括如下步骤：
步骤1：用户向基站发射第五代新空口5G NR信号；
步骤2：基站估计出接收信号的信道状态信息矩阵，将信道状态信息矩阵进行平滑，然后利用多信号分类MUSIC方法估计出接收信号的到达方向DOA以及小数符号定时偏差FTO；具体包括：对信道状态信息矩阵进行平滑，即在信道状态信息矩阵上选取一个矩阵窗口，并将该矩阵窗口中的元素作为新矩阵的一列，将该矩阵窗口依次从左向右从上至下进行滑动得到新的矩阵，以增加快拍数，提高分辨率，然后利用MUSIC算法以信号子空间与噪声子空间的正交性为基础，划分空间来估算出信号的DOA和FTO。
步骤3：基站根据步骤2得到的DOA和FTO，以最小的FTO作为视距LOS径，利用波束成形方法，抑制其他到达方向的信号，并计算出LOS方向信号的功率；具体是利用步骤2中得到的LOS径的DOA作为期望信号方向，以此作为基站接收波束的约束方向，抑制其他到达方向信号的功率并保持LOS径信号功率不变；使用MVDR方法，利用波束的“置零条件”强迫接收阵列波束方向图的“零点”指向所有干扰信号方向得到权向量的约束公式并计算出基站各天线的权重来合并各天线接收到的基带信号，但并不仅限于MVDR方法，能够满足保持LOS径信号功率不变，抑制其他方向信号功率的算法即可。
步骤4：基站根据LOS方向信号功率以及不同场景建立不同的路径损耗模型估计出粗略到达时间TOA；所述的路径损耗模型使用的是通过引入随着环境而改变的路径损耗指数n来修正自由空间路径损耗模型的对数距离路径损耗模型。
步骤5：基站根据估计出的DOA，利用波束成形技术导向发射感知信号，并在估计出的粗略TOA的时间窗口进行回波接收，并根据时间戳和感知信号探测时间估计出精确的TOA以及位置；所述基站在发射完感知信号后能继续为其他用户提供通信或感知服务，仅需在估计出的粗略的TOA时间窗口暂停服务并开启回波接收模式即可。所述基站发射的感知信号是OFDM信号或是雷达信号。
步骤6：基站根据用户的移动速度不断地调整改变时间窗口以便进行实时感知定位。
以下基于实施例，对本发明方法进行具体说明。
实施例一：
本实施例中，考虑多径的情况，基站配置有M根天线。基站估计出的信道状态信息可以表示为：
Figure BDA0003375962720000041
其中，m表示第m根天线，n表示第n个子载波，p表示第p路径，αp表示第p条路径的信道衰减，fc表示载波频率，τp表示第p条路径的TOA，d表示相邻天线的间距，θp表示第p条路径的DOA，c表示光速，Δf表示子载波间隔，Δp表示p条路径的FTO。结合多接收天线和多载波，定义信道状态信息矩阵为：
Figure BDA0003375962720000042
其中，N为子载波个数，Hm,n表示第m根天线，第n个子载波对应的信道状态信息值。
为了提高DOA和FTO的估计分辨率，需要对信道状态信息矩阵进行平滑，然后根据MUSIC算法估计出θp和Δp。以最小的Δp所对应的θp作为LOS径的到达方向。
本发明的特点在于估计出LOS径信号的到达方向后，利用多天线技术进行波束形成能够起到将LOS径信号提取出来的效果。根据波束形成将多个天线的信号进行合并，计算合并后信号的功率，即为直达径信号的功率。这样由于没有多径衰落的影响，能够很好的利用路径损耗模型，根据功率计算出用户设备和基站之间的距离。
本发明的另外一个特点是采用的波束形成技术并没有改变LOS径的信号功率，而是仅抑制了其他路径信号的功率。
本发明的较大的一个特点是可以较好地解决通信与感知系统的全双工能力，基站在获得用户设备的方向和距离后，根据波束成形技术将感知信号导向用户设备，在此期间仍可为其他用户提供通信或感知服务。根据上述功率计算出用户设备和基站之间的距离制定出一个回波接收窗口。在该时间窗口内，暂停对其他用户的服务进行回波接收，并通过感知探测信号的发收时间估计出准确的飞行时间，从而进行精确的定位。
(1)场景为20m×10m的室内环境，用户设备发射子载波间隔为15kHz，带宽为10MHz的一个时隙的5G NR信号，载波频率为5GHz.
(2)假设每次生成1条LOS径，3至5条NLOS径，并且室内环境的信噪比为20dB。
(3)基站接收端配置24根天线进行接收信号，归一化载波频率偏差为0.3，利用MUSIC算法估计出DOA和FTO。以最小的FTO的径作为LOS径。
(4)基站使用MVDR算法进行波束形成，并根据对数距离路径损耗模型计算出TOA。
(5)将该实施例进行5000次Monte Carlo试验仿真，LOS径的TOA的误差CDF图如图4所示。
(6)基站使用波束成形技术将感知信号波束导向用户设备并发射，在回波接收窗口到达前可以继续提供通信或感知的服务，在回波接收窗口到达时进行回波接收并估计出精确的信号飞行时间进行定位。
(7)基站根据用户的移动速度不断地调整改变时间窗口进行实时感知定位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于，该无线定位方法包括如下步骤：
步骤1：用户向基站发射第五代新空口5G NR信号；
步骤2：基站估计出接收信号的信道状态信息矩阵，将信道状态信息矩阵进行平滑，然后利用多信号分类MUSIC方法估计出接收信号的到达方向DOA以及小数符号定时偏差FTO；
步骤3：基站根据步骤2得到的DOA和FTO，以最小的FTO作为视距LOS径，利用波束成形方法，抑制其他到达方向的信号，并计算出LOS方向信号的功率；
步骤4：基站根据LOS方向信号功率以及不同场景建立不同的路径损耗模型估计出粗略到达时间TOA；
步骤5：基站根据估计出的DOA，利用波束成形技术导向发射感知信号，并在估计出的粗略TOA的时间窗口进行回波接收，并根据时间戳和感知信号探测时间估计出精确的TOA以及位置；
步骤6：基站根据用户的移动速度不断地调整改变时间窗口以便进行实时感知定位。
2.根据权利要求1所述的面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于：步骤2中，利用信道状态信息矩阵估算接收信号的DOA以及FTO的步骤具体包括：对信道状态信息矩阵进行平滑，即在信道状态信息矩阵上选取一个矩阵窗口，并将该矩阵窗口中的元素作为新矩阵的一列，将该矩阵窗口依次从左向右从上至下进行滑动得到新的矩阵，以增加快拍数，提高分辨率，然后利用MUSIC算法以信号子空间与噪声子空间的正交性为基础，划分空间来估算出信号的DOA和FTO。
3.根据权利要求1所述的面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于：所述步骤3中的波束形成算法是利用步骤2中得到的LOS径的DOA作为期望信号方向，以此作为基站接收波束的约束方向，抑制其他到达方向信号的功率并保持LOS径信号功率不变；使用MVDR方法，利用波束的“置零条件”强迫接收阵列波束方向图的“零点”指向所有干扰信号方向得到权向量的约束公式并计算出基站各天线的权重来合并各天线接收到的基带信号，但并不仅限于MVDR方法，能够满足保持LOS径信号功率不变，抑制其他方向信号功率的算法即可。
4.根据权利要求1所述的面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于：所述步骤4中的路径损耗模型使用的是通过引入随着环境而改变的路径损耗指数n来修正自由空间路径损耗模型的对数距离路径损耗模型。
5.根据权利要求1所述的面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于：所述步骤5中基站在发射完感知信号后能继续为其他用户提供通信或感知服务，仅需在估计出的粗略的TOA时间窗口暂停服务并开启回波接收模式即可。
6.根据权利要求1所述的面向通信感知一体化的无线定位方法，其特征在于：所述步骤5中基站发射的感知信号是OFDM信号或是雷达信号。
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