CN115550864A - 一种基于ue上行信号的5g nr室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统及方法，其在5G网络基础上增加5G网络感知设备和位置解算服务器，形成室内定位系统；该室内定位系统包括5G基站、至少一UE终端、至少一5G网络感知设备和位置解算服务器；所述5G基站包括基带处理单元、射频拉远单元和天线。本发明在现有5G网络基础上增加了感知网络，用于监测UE终端的上行信号，并对该信号进行测量及估计，最后进行UE位置解算，从而实现室内终端高精度定位。本发明部署简单，且定位精度高。

Description

一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于UE上行信号的5G NR上行信号的5G NR室内定位系统及方法。

背景技术

在室外卫星导航已经能够很好的满足高精度定位的需求，室内主要利用惯导、UWB、蓝牙等技术实现定位，但是它们要不定位精度差，要不需要额外固定设施，成本高昂。5G作为覆盖广泛的新一代通信网络，其定位优势有：利用高带宽、多天线等特点，实现高精准的位置服务；通过5G网络的通信能力、计算能力为定位服务赋能，提供场景化、商业化的新型定位服务。

由于在室内部署小基站进行信号覆盖和热点分流时，受制于室内的无线传播环境和部署成本的限制，再加上小基站天线数目少（通常不超过4T4R），3GPP建议的DL-AoD、UL-AoA方法测角精度差，因此使用价值不大。同时，DL-TDOA与UL-TDOA需要多基站之间时钟严格同步（1ns精度），技术实现难度较大，同时也带来了基站成本和部署成本的大幅上升。因此，传统的高精度定位方法在小基站上难以直接应用。此外，在3GPP R16定位框架下，定位请求从发起到位置结果返回需要UE、NG-RAN以及AMF/LMF等网元间大量的信息交互，使得一次定位耗时长达300ms，存在定位流程开销大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统及方法，其部署简单且定位精度高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其包括5G基站、至少一UE终端，所述定位系统还包括5G感知网络，该5G感知网络包括位置解算服务器和至少一5G网络感知设备；

所述UE终端与5G基站建立RRC连接，UE终端根据其所处状态向5G基站发送上行信号；

所述位置解算服务器与5G基站进行交互，实时获取UE终端的资源配置信息；所述位置解算服务器与5G网络感知设备连接，该位置解算服务器根据其获取的资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号；

所述5G网络感知设备监测UE终端上行信号，将数据上报位置解算服务器，位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息，并根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位；或者，所述5G网络感知设备监测UE终端上行信号并进行信号测量及估计，得到测量信息并上报位置解算服务器，所述位置解算服务器根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

所述UE终端的上行信号为SRS信号、PUCCH信道上的传输信令或者PUSCH信道上的业务信号。

所述5G基站包括基带处理单元、射频拉远单元和天线，所述UE终端通过天线与射频拉远单元进行RRC连接，所述射频拉远单元与基带处理单元建立RRC连接，所述基带处理单元与位置解算服务器进行通信连接。

所述UE终端的资源配置信息包括UE终端上行信号的时频资源配置、小区ID以及UE终端RNTI标识。

所述5G感知网络采用TDOA或AOA定位方法获得时延测量信息或角度测量信息。

所述5G网络感知设备包括RF射频模块、处理器、网络芯片和存储芯片，所述RF射频模块、网络芯片和存储芯片均连接处理器，所述网络芯片用于与位置解算服务器进行网络通信，所述RF射频模块用于采集UE终端的上行信号。

一种基于UE上行信号的5G NR室内定位方法，所述方法采用如上所述的室内定位系统实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1、UE终端与5G基站建立RRC连接，完成RRC连接后，UE终端向5G基站发送上行信号；

步骤2、位置解算服务器向5G基站获取UE资源配置信息，并根据该资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号；

步骤3、5G网络感知设备监测UE上行信号，将数据上报位置解算服务器；或者，所述5G网络感知设备监测UE上行信号，并进行信号测量及估计，得到测量信息，将测量信息上报位置解算服务器；

步骤4、位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息，并根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位；或者，所述位置解算服务器根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

采用上述方案后，本发明在现有5G网络基础上增加了5G感知网络，用于监测UE终端的上行信号，并对该信号进行测量及估计，最后进行UE位置解算，从而实现室内终端高精度定位。本发明部署简单，且定位精度高。

附图说明

图1为本发明室内定位系统原理框图；

图2为5G网络感知设备的原理框图；

图3为本发明的定位流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明揭示了一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其包括5G基站、至少一UE终端、5G感知网络，该5G感知网络包括位置解算服务器和至少一5G网络感知设备其中，5G网络感知设备部署在室内。5G基站包括基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）和天线。

UE终端通过天线与射频拉远单元建立RRC连接，射频拉远单元（RRU）与基带处理单元（BBU）进行RRC信令传输；UE终端根据其所处状态进行业务上传及信令交互。

在UE终端与5G基站进行交互的过程中，位置解算服务器与基带处理单元（BBU）进行交互，实时获取UE终端的资源配置信息；位置解算服务器根据该资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号。5G网络感知设备监测UE上行信号，将数据上报位置解算服务器，或者根据上行信号进行信号测量及估计，得到测量信息，然后将测量信息上报位置解算服务器；位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息或者从感知设备获取测量信息，根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

UE终端的资源配置信息包括UE终端上行信号的时频资源配置、小区ID以及UE终端RNTI标识。

5G网络感知设备包括RF射频模块、处理器、网络芯片和存储芯片，所述RF射频模块、网络芯片和存储芯片均连接处理器，所述网络芯片用于与位置解算服务器进行网络通信，所述RF射频模块用于采集UE终端的上行信号。

5G感知网络在获取UE终端的上行信号后采用TDOA/AOA定位方法获得时延或角度测量信息。TDOA/AOA定位方法均为现有的定位方法，本文将不过多赘述。但为了使本发明技术方案更加清楚、完整，以下将以AOA定位方法中的UL-AOA定位为例进行详细说明。

在5G感知设备监测到UE上行信号后，使用UL-AOA定位技术，对信号进行切换天线接收，通过阵列天线中不同天线之间的相位差，实现角度测量。具体地，在接收端将天线阵列接收信号通过 DFT 变换到频域，利用信道估计得到信道的频率响应（CFR），对信道的频率响应采用超分辨率算法估计信号各径的AOA。由于信号是多径、多载波信号，对各载波的AOA 估计在载波间进行处理，再结合各径脉冲响应的幅值，选出属于首径的AOA 估计。超分辨率算法采用常用的MUSIC算法，其根据采样序列自相关矩阵的奇异值分解（SVD），将特征空间划分为互补正交的信号子空间和噪声子空间，利用子空间的正交性获得频谱估计的结果，理论上具有无限小的频率分辨率。该MUSIC算法通过下式定义的伪谱（Pseudo-Spectrum）曲线的R个峰值估计出待估计数据：

式中

是信号空间在噪声空间上的投影。通过此 MUSIC算法估计便可获得天线阵列的接收信号的到达角AOA信息。

使用UL-TDOA定位方法，5G网络感知设备在接收端利用接收信号与本地参考信号进行滑动相关，将相关峰值对应时刻作为时延估计值。

根据以上获得的参数估计即可对UE位置进行解算，实现定位。

如图3所示，基于上述定位系统，本发明还揭示了一种基于UE上行信号的5G NR室内定位方法，包括以下步骤：

步骤1、UE终端与5G基站建立RRC连接，完成RRC连接后，UE终端向5G基站发送上行信号；

步骤2、位置解算服务器向5G基站获取UE资源配置信息，并根据该资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号；

步骤3、5G网络感知设备监测UE上行信号，将数据上报位置解算服务器；或者，所述5G网络感知设备监测UE上行信号，并进行信号测量及估计，得到测量信息，将测量信息上报位置解算服务器；

步骤4、位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息，并根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位；或者，所述位置解算服务器根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

UE终端与5G基站建立RRC连接前，5G基站的射频拉远单元和基带处理单元先建立RRC连接。

本发明只是在5G网络基础上添加5G网络感知设备，其与现网的主要连接处是位置解算服务器与基带处理单元（BBU）进行通信获取UE的资源配置信息，通过此信息进行准确感知UE上行信号，不需要对现网进行更改。所以无需对射频拉远单元进行更改，不对现有网络造成影响即可实现室内精准定位。

要识别各UE终端，需要知道UE终端的RNTI特殊标识，而UE日常会进行RRC重连，也就意味着UE经常会重新接入，UE RNTI会发生变化，因此，5G网络感知设备需要及时知道实时的UE标识。

5G的小区带宽为100MHz,信道带宽跨度较大，而UE终端不是一直处于大数据量传输的状态，如果一直给UE终端分配满带宽就会造成资源浪费，因此基站根据各UE终端实时状态来分配自适应带宽，由于各UE终端的使用状态不同，因此所使用的资源空间位置也不会相同。因为UE的上行信号分布在时频资源中，其有时间和频率的位置选择的空间，5G网络感知设备要从空口快速定位UE上行信号就需要知道各UE上行信号实时资源位置。

该感知网络与基站BBU进行数据交互，实时获取以上所需信息，根据UE配置信息即可实现快速获取UE上行信号，大大加快设备定位速度，减少定位时延，提高定位实时性。

现网UE上行信号有用于信道质量检测和估计及波束管理的SRS参考信号、传输信令的PUCCH信道以及业务传输的PUSCH信道上的信号，UE终端上行信号最小频度为ms级别，完全可满足定位信号需求，不需要UE终端上传特定信号用于定位，大大节省定位资源开销。

本发明利用感知网络进行定位，将定位功能从传统定位方案中的基站中独立出来，减轻基站负载，同时增加了定位灵活性，利于后期维护与升级。

基于UE上行信号的5G NR室内定位方案实现了不需要特定的定位资源即可实现室内终端精准定位，定位精度可达米级。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其包括5G基站、至少一UE终端，其特征在于：所述定位系统还包括5G感知网络，该5G感知网络包括位置解算服务器和至少一5G网络感知设备；

所述UE终端与5G基站建立RRC连接，UE终端根据其所处状态向5G基站发送上行信号；

所述位置解算服务器与5G基站进行交互，实时获取UE终端的资源配置信息；所述位置解算服务器与5G网络感知设备连接，该位置解算服务器根据其获取的资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号；

所述5G网络感知设备监测UE终端上行信号，将数据上报位置解算服务器，位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息，并根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位；或者，所述5G网络感知设备监测UE终端上行信号并进行信号测量及估计，得到测量信息并上报位置解算服务器，所述位置解算服务器根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其特征在于：所述UE终端的上行信号为SRS信号、PUCCH信道上的传输信令或者PUSCH信道上的业务信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其特征在于：所述5G基站包括基带处理单元、射频拉远单元和天线，所述UE终端通过天线与射频拉远单元进行RRC连接，所述射频拉远单元与基带处理单元建立RRC连接，所述基带处理单元与位置解算服务器进行通信连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其特征在于：所述UE终端的资源配置信息包括UE终端上行信号的时频资源配置、小区ID以及UE终端RNTI标识。

5.根据权利要求1所述的一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其特征在于：所述5G感知网络采用TDOA或AOA定位方法获得时延测量信息或角度测量信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于UE上行信号的5G NR室内定位系统，其特征在于：所述5G网络感知设备包括RF射频模块、处理器、网络芯片和存储芯片，所述RF射频模块、网络芯片和存储芯片均连接处理器，所述网络芯片用于与位置解算服务器进行网络通信，所述RF射频模块用于采集UE终端的上行信号。

7.一种基于UE上行信号的5G NR室内定位方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1-6任一所述的室内定位系统实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1、UE终端与5G基站建立RRC连接，完成RRC连接后，UE终端向5G基站发送上行信号；

步骤2、位置解算服务器向5G基站获取UE资源配置信息，并根据该资源配置信息配置5G网络感知设备监测UE终端的上行信号；

步骤3、5G网络感知设备监测UE上行信号，将数据上报位置解算服务器；或者，所述5G网络感知设备监测UE上行信号，并进行信号测量及估计，得到测量信息，将测量信息上报位置解算服务器；

步骤4、位置解算服务器根据上报数据进行信号测量及估计，得到测量信息，并根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位；或者，所述位置解算服务器根据测量信息进行位置解算，完成UE终端的室内定位。

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