CN114374926B - 一种应用uwb定位的4g/5g通信基站融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1.基于UWB标准定位基站芯片和外接功放，实现增大UWB发射功率；步骤2.设计大功率UWB定位基站的硬件板卡；步骤3.在4G/5G基站原有结构中，通过RS232/485接口将4G/5G基站主板和大功率UWB定位基站硬件板卡相连通，步骤4设计一只与大功率UWB定位基站联通的双频天线等步骤。本发明所述方法，将通信系统和定位系统一网融合，实现两个系统和网络设备合一，一个基站既有通信功能，又有定位的功能，省去了单独建设定位网络，能够降低建设和维护的成本。

Description

一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法。

背景技术

就室内环境而言，高速移动通信和高精度定位都是较重要的业务类型；目前，室内环境下的高速数据通信，4G及5G的系统均有相应的解决方案且性能也在不断提升，满足移动用户日益增长的高带宽、低时延、大容量的通信需求。但是，在室内环境下无法接收卫星的信号，常用的卫星定位技术和方案，如GPS或北斗等无法支持室内定位的需求。4G及5G移动通信系统，虽然能够支持室内定位的业务，但目前主要基于Cell ID定位，定位精度均不高，不能满足室内米级以上的高精度定位的需要。

针对室内的高精度定位需求，目前已有一些专门的技术和解决方案，其中，UWB(Ultra Wideband)就是一种，UWB是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号；UWB发射功率非常小，低发射功率大大延长系统电源工作时间；UWB抗干扰性能强，UWB采用跳时扩频信号。系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声；在接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。同时，UWB的定位方法是基于TOF(Time of flight)算法，计算信号飞行时间的测距算法是通过测量两个异步收发器之间信号往返的飞行时间来估计距离的，属于双向测距技术，不同传统的定位技术主要依靠信号的强弱来判断定位目标的位置，但信号的强弱受外界的影响较大。基于路径时间的定位方式，可以大大提高定位精度，在有效的覆盖范围内，可以实现厘米级的精度定位。总之，UWB技术和TOF技术具有对信道衰落不敏感、系统复杂度低、定位精度高等优点，在室内、隧道和井下等域内，实现对人员、车辆等的米级精度的准确定位，并通过后台实现一系列的实时管理功能，从而提高井下环境的安全性及井下人员、车辆管理的效率。

目前，在室内环境下的高速移动通信及高精度定位均有解决方案，但是系统及定位网络是完全独立且不相关的，为了实现业务，需要部署通信和定位网络，并且用户还需要同时携带通信终端和定位终端两个设备，这样一来就存在着部署成本高,不仅定位基站和通信基站，其他外围设备(电源、传输等)等都需要部署两套。同时，还存在定位和通信信息不能互通，定位和通讯信息封闭在各自的网络内，无法互通，从而阻碍了进一步的有效利用和功能扩展。

现有技术中，专利申请公开号CN110926461A提出了一种基于超宽带室内定位方法和系统、导航方法和系统，建立局部坐标系，将室内三维模型放入局部坐标系中，基于TDOA算法或TOF算法获取定位标签在局部坐标系中的第一坐标，判断第一坐标位于虚拟线框内外，第一坐标位于虚拟线框内，选用TDOA算法获取定位标签在局部坐标系中的第二坐标，第一坐标位于虚拟线框外，选用TOF算法获取定位标签在局部坐标系中的第二坐标；相对于目前GPS定位，UWB具有很好的直线性，在复杂的室内环境中可以准确且有效的得到被定位目标的信息。该专利申请仍然存在定位和通信信息不能互通，定位和通讯信息封闭在各自的网络内，无法互通的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法，所述应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法包括以下步骤：

步骤1、基于UWB标准定位基站芯片和外接功放，实现增大UWB发射功率；

步骤2、设计大功率UWB定位基站的硬件板卡；

步骤3、在4G/5G基站原有结构中，通过RS232/485接口将4G/5G基站主板和大功率UWB定位基站硬件板卡相连通；

步骤4、设计一只与大功率UWB定位基站联通的双频天线；

步骤5、UWB定位基站通过和定位标签的通信，基于TTOF算法，确定每一个定位标签相对于UWB基站的距离信息；

步骤6、UWB定位基站将所有标签的位置信息数据进行整理并按照IP包的格式进行打包，通过RS232或485接口将打包的定位信息传输给4G/5G基站，并通过4G/5G基站的传输通路将定位数据传输至后台的定位服务器；

步骤7、基于UWB定位基站通过4G/5G的传输系统传输定位数据，需要在4G/5G网管服务器后台设置一个数据识别模块，将定位数据识别出来推送至UWB定位后台服务器；

步骤8、UWB定位后台服务器，基于定位基站的坐标信息，通过多个基站对一个标签距离数据的三角几何计算方法，计算出每个定位标签的绝对位置信息；

步骤9、基于4G/5G的移动通信功能，定位服务器将定位信息推送至通信终端；

步骤10、通过通信终端(4G/5G智能手机)和定位卡/定位标签，设置在室内人员、车辆、设备上的定位卡/定位标签的进行物理/逻辑绑定，从而实现定位和通信功能的融合，使Web前端获得室内人员、车辆、设备定位信息。

进一步的，步骤1所述UWB标准定位基站芯片为DECAWAVE-DW1000芯片，外接功放包括：功放漏极电压供电模块及功放模块，基站功率放大器中预设有功放输出功率与漏压的对应关系，且其中还包括：功放输出功率获取模块及功放漏极电压主控模块，功放输出功率获取模块用于将接收到的小区最大发射功率信息发送给功放漏极电压主控模块；功放漏极电压主控模块用于根据功放输出功率与漏压的对应关系得到与接收到的小区最大发射功率相对应的漏极电压值后，控制功放漏极电压供电模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放漏极电压供电模块用于在功放漏极电压主控模块的控制下，向功放模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放模块用于工作在漏极电压值的电压下。

进一步的，步骤2所述硬件板卡至少包括USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路，USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路均与I2C总线连接，移动设备(车辆、人员)还通过USB总线与USB转I2C电路连接，ADC电路用于采集传感器信号并通过USB转I2C电路将其发送给移动设备，GPIO电路用于根据移动设备发送的命令驱动对应的开关工作,PWM电路用于将移动设备发送的脉宽调制信号输出到对应的外部设备中。

进一步的，步骤2所述大功率UWB定位基站的硬件板卡配置能够实现RS232或485通信接口功能。

进一步的，步骤4所述双频天线包括双频天线单元，每个双频天线单元包括一个或多个水平极化双频天线振子、位于水平极化双频天线振子外侧的第一频段反射单元和第二频段反射单元、与第一频段反射单元对应的第一频段开关单元以及与第二频段反射单元对应的第二频段开关单元；控制单元，控制单元通过控制各个开关单元的开启和关断以改变每个双频天线单元的辐射方向图。

进一步的，步骤4所述双频天线的一个频点是4G/5G通信基站的频点2.1GHz或/3.5GHz,另一个频点是UWB定位基站的工作频段4.9GHz。

进一步的，步骤5所述TOF算法包括如下步骤：

步骤5.1A节点UWB测距传感器A向远程B节点UWB测距传感器B发送一个数据包，当B节点收到数据包时，将发送一个确认以响应B节点收到的数据包；

步骤5.2A节点测量出从发送数据包到接收确认的时间，这段消耗总时间记为TTOT时间，B节点记录了B从收到数据包到B回应确认消息的这个时间段的时间，记为TTAT，用TTOT总时间减去周转时间TTAT即为双方的数据包在飞行中经历的往返时间，记为TRTT时间，设定每个方向发生的飞行时间TTOF等于50％的往返时间，如下式(2)所示：

TTOF＝TRTT/2＝(TTOT-TTAT)/2……(2),

通过上式(2)计算出TTOF后，根据D＝T×c，其中,T代表TTOF，c代表光速为3×108ms-1，以此能够计算出节点A与节点B之间的距离。

进一步的，步骤7所述数据识别模块包括条码识读模块、RFID识读模块。

进一步的，步骤8所述计算每个定位标签的绝对位置信息的计算方法如下：

已知定位基站的三个点的位置(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，标签的位置(x0,y0)到三点距离d1,d2,d3；

根据勾股定理，得到点(x0,y0)的计算如下式(2)：

(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d12

(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d22……(2),

(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d32

通过计算机迭代的方式求出满足精度要求的解(x0,y0)，从而实现室内人员、车辆、设备进行定位、存储及处理，通过GIS界面进行相应的呈现。

进一步的，步骤10所述定位卡/定位标签为UWB定位标签为RFID。

相对于现有技术，本发明所述应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法具有的优越效果如下：

1、本发明所述应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法，将通信系统和定位系统一网融合，实现两个系统和网络设备合一，一个基站既有通信功能，又有定位的功能，省去了单独建设定位网络，能够显著降低建设和维护的成本；

2、本发明所述应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法，通信系统和定位系统一网融合，手机和定位标签绑定，定位的位置信息可以通过通信网络推送到手机，再配合手机上井下地图的下载，从而为实现井下定位，井下导航，井下叫车等一系列基于位置的功能实现奠定了基础；同时，将井下人员车辆的位置和集群功能相结合，能够产生基于多种基于位置的集群通信，创造性的改变了井下人员调度的工作模式，进一步的提高调度效率。

附图说明

图1为本发明所述一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法进行清楚、完整地描述。

如图1所示，所述一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合方法，包括以下步骤：

步骤1、基于UWB标准定位基站芯片和外接功放，实现增大UWB发射功率，UWB标准定位基站芯片为DECAWAVE-DW1000芯片，外接功放包括：功放漏极电压供电模块及功放模块，基站功率放大器中预设有功放输出功率与漏压的对应关系，且还包括：功放输出功率获取模块及功放漏极电压主控模块，功放输出功率获取模块用于将接收到的小区最大发射功率信息发送给功放漏极电压主控模块；功放漏极电压主控模块用于根据功放输出功率与漏压的对应关系得到与接收到的小区最大发射功率相对应的漏极电压值后，控制功放漏极电压供电模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放漏极电压供电模块用于在功放漏极电压主控模块的控制下，向功放模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放模块用于工作在漏极电压值的电压下；

步骤2、设计大功率UWB定位基站的硬件板卡，硬件板卡至少包括USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路，USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路均与I2C总线连接，移动设备(车辆、人员)还通过USB总线与USB转I2C电路连接，ADC电路用于采集传感器信号并通过USB转I2C电路将其发送给移动设备，GPIO电路用于根据移动设备发送的命令驱动对应的开关工作,PWM电路用于将移动设备发送的脉宽调制信号输出到对应的外部设备中；

步骤3、在4G/5G基站原有结构中，通过RS232/485接口将4G/5G基站主板和大功率UWB定位基站硬件板卡相连通；

步骤4、设计一只与大功率UWB定位基站联通的双频天线，双频天线包括双频天线单元，每个双频天线单元包括：一个或多个水平极化双频天线振子、位于水平极化双频天线振子外侧的第一频段反射单元和第二频段反射单元、与第一频段反射单元对应的第一频段开关单元以及与第二频段反射单元对应的第二频段开关单元；控制单元，控制单元通过控制各个开关单元的开启和关断以改变每个双频天线单元的辐射方向图；

步骤5、UWB定位基站通过和定位标签的通信，基于TTOT算法确定每一个定位标签相对于UWB基站的距离信息，TTOT算法如下：

步骤5.1A节点UWB测距传感器A向远程B节点UWB测距传感器B发送一个数据包，当B节点收到数据包时，会发送一个确认来响应这个数据包；

步骤5.2A节点测量出从发送数据包到接收确认的时间，这段消耗总时间记为TTOT时间，B节点记录了B从收到数据包到B回应确认消息的这个时间段的时间，记为TTAT，用TTOT总时间减去周转时间TTAT就是双方的数据包在飞行中度过的往返时间，记为TRTT时间，设定每个方向发生的飞行时间TTOF等于50％的往返时间，如下式(2)所示：

TTOF＝TRTT/2＝(TTOT-TTAT)/2……(2),

按照上式(2)计算出TTOF后，根据D＝T×c，其中,T代表TTOF，c代表光速为3×108ms-1，以此能够计算出节点A与节点B之间的距离；

步骤6、UWB定位基站将所有标签的位置信息数据进行整理并按照IP包的格式进行打包，通过RS232或485接口将打包的定位信息传输给4G/5G基站，并通过4G/5G基站的传输通路将定位数据传输至后台的定位服务器；

步骤7、UWB定位基站通过4G/5G的传输系统传输定位数据，传输定位数据需要在4G/5G网管服务器后台设置一个数据识别模块，数据识别模块包括条码识读模块、RFID识读模块，数据识别模块将定位数据识别出来推送至UWB定位后台服务器；

步骤8、UWB定位后台服务器，基于定位基站的坐标信息，通过多个基站对一个标签距离数据的三角几何计算方法，计算出每个定位标签的绝对位置信息；计算方法如下：

已知定位基站的三个点的位置(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，标签的位置(x0,y0)到三点距离d1,d2,d3；

根据勾股定理，得到点(x0,y0)的计算如下式(2)：

通过计算机迭代的方式求出满足精度要求的解(x0,y0)，从而实现室内人员、车辆、设备进行定位、存储及处理，通过GIS界面进行相应的呈现；

步骤9、基于4G/5G的移动通信功能，定位服务器将定位信息推送至通信终端；

步骤10、通过通信终端(4G/5G智能手机)和定位卡/定位标签，设置在室内人员、车辆、设备上的定位卡/定位标签的进行物理/逻辑绑定，从而实现定位和通信功能的融合，使Web前端获得室内人员、车辆、设备定位信息。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用UWB定位的4G/5G通信基站融合的方法，其特征在于，所述应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法包括以下步骤：

步骤1、基于UWB标准定位基站芯片和外接功放，实现增大UWB发射功率，UWB标准定位基站芯片为DECAWAVE-DW1000芯片，外接功放包括：功放漏极电压供电模块及功放模块，基站功率放大器中预设有功放输出功率与漏压的对应关系，且其中还包括：功放输出功率获取模块及功放漏极电压主控模块，功放输出功率获取模块用于将接收到的小区最大发射功率信息发送给功放漏极电压主控模块；功放漏极电压主控模块用于根据功放输出功率与漏压的对应关系得到与接收到的小区最大发射功率相对应的漏极电压值后，控制功放漏极电压供电模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放漏极电压供电模块用于在功放漏极电压主控模块的控制下，向功放模块输出电压值等于漏极电压值的电压；功放模块用于工作在漏极电压值的电压下；

步骤2、设计大功率UWB定位基站的硬件板卡，硬件板卡至少包括USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路，USB转I2C电路、ADC电路、GPIO电路、PWM电路均与I2C总线连接，移动设备还通过USB总线与USB转I2C电路连接，ADC电路用于采集传感器信号并通过USB转I2C电路将其发送给移动设备，GPIO电路用于根据移动设备发送的命令驱动对应的开关工作,PWM电路用于将移动设备发送的脉宽调制信号输出到对应的外部设备中；

步骤3、在4G/5G基站原有结构中，通过RS232/485接口将4G/5G基站主板和大功率UWB定位基站硬件板卡相连通；

步骤4、设计一只与大功率UWB定位基站联通的双频天线，双频天线包括双频天线单元，每个双频天线单元包括：一个或多个水平极化双频天线振子、位于水平极化双频天线振子外侧的第一频段反射单元和第二频段反射单元、与第一频段反射单元对应的第一频段开关单元以及与第二频段反射单元对应的第二频段开关单元；控制单元，控制单元通过控制各个开关单元的开启和关断以改变每个双频天线单元的辐射方向图；每个双频天线单元包括：一个或多个水平极化双频天线振子、位于水平极化双频天线振子外侧的第一频段反射单元和第二频段反射单元、与第一频段反射单元对应的第一频段开关单元以及与第二频段反射单元对应的第二频段开关单元；双频天线的一个频点是4G/5G通信基站的频点2.1GHz或/3.5GHz,另一个频点是UWB定位基站的工作频段4.9GHz；

步骤5、UWB定位基站通过和定位标签的通信，基于TOF算法确定每一个定位标签相对于UWB基站的距离信息，TOF算法包括如下步骤：

步骤5.1A节点UWB测距传感器A向远程B节点UWB测距传感器B发送一个数据包，当B节点收到数据包时，将发送一个确认来响应这个数据包；

步骤5.2A节点测量出从发送数据包到接收确认的时间，这段消耗总时间记为TTOT时间，B节点记录了B从收到数据包到B回应确认消息的这个时间段的时间，记为TTAT，用TTOT总时间减去周转时间TTAT就是双方的数据包在飞行中度过的往返时间，记为TRTT时间，设定每个方向发生的飞行时间TTOF等于50％的往返时间，如下式所示：

TTOF＝TRTT/2＝(TTOT-TTAT)/2，

当计算出TTOF后，根据D＝T×c，其中,T代表TTOF，c代表光速为3×108ms-1，以此能够计算出节点A与节点B之间的距离；

步骤6、UWB定位基站将所有标签的位置信息数据进行整理并按照IP包的格式进行打包，通过RS232或485接口将打包的定位信息传输给4G/5G基站，并通过4G/5G基站的传输通路将定位数据传输至后台的定位服务器；

步骤7、基于UWB定位基站通过4G/5G的传输系统传输定位数据，在4G/5G网管服务器后台设置一个数据识别模块，将定位数据识别出来推送至UWB定位后台服务器；

步骤8、UWB定位后台服务器，基于定位基站的坐标信息，通过多个基站对一个标签距离数据的三角几何计算方法，计算出每个定位标签的绝对位置信息；计算方法如下：计算每个定位标签的绝对位置信息的计算方法如下：

已知定位基站的三个点的位置(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，标签的位置(x0,y0)到三点距离d1,d2,d3；

根据勾股定理，得到点(x0,y0)的计算如下式：

(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d12

(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d22

(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d32，

通过计算机迭代的方式求出满足精度要求的解(x0,y0)，从而实现室内人员、车辆、设备进行定位、存储及处理，通过GIS界面进行相应的呈现

步骤9、基于4G/5G的移动通信功能，定位服务器将定位信息推送至通信终端；

步骤10、通过通信终端和定位卡/定位标签，设置在室内人员、车辆、设备上的定位卡/定位标签的进行物理绑定，从而实现定位和通信功能的融合，使Web前端获得室内人员、车辆、设备定位信息。

2.按照权利要求1所述所述应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法，其特征在于，步骤2所述大功率UWB定位基站的硬件板卡配置能够实现RS232或485通信接口功能。

3.按照权利要求1所述所述应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法，其特征在于，步骤7所述数据识别模块包括条码识读模块、RFID识读模块。

4.按照权利要求1所述所述应用UWB定位的4G与5G通信基站融合的方法，其特征在于，步骤10所述定位卡/定位标签为UWB定位标签RFID。