CN115642998A - 一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，包括：基站和用户建立通信，通过导频分配使发送端和接收端能获得实时的信道状态信息。在基站根据信道状态信息估计用户位置的同时，可以根据信道状态同时设计当前情况下的最优动态导频比例，在下一轮传输中实现更高的系统吞吐量和定位精度。本发明的有益效果是：本发明能够在统一频段同时实现定位与通信两种功能，通过不断迭代优化工作模式，提升实时定位精度与通信速率以满足系统需求；并且，本发明实时迭代的工作方式可以实现对用户位置的持续高精度追踪。

Description

一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法
技术领域
本发明涉及毫米波无线通信与定位技术领域，更确切地说，它涉及一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法。
背景技术
在无线通信系统中，为了提升数据传输速率和降低数据传输延迟，获取移动终端的精确位置信息变得非常有用，而且精准的定位也可以提升信道估计精度，进而提高无线通信系统的性能。
在涉及到定位需求的应用系统中（例如自动驾驶系统），同时需要通信系统和定位系统两套硬件设备。在通信过程中，用户需要估计瞬时信道状态信息，这一步骤通过在传输信号插入导频实现。导频是一段收发端事先约定的信号，因此不能传递数据。当基站或用户接收到导频信号时，可以根据导频信号的衰落估计出信道状态信息。一般而言，插入导频的数量越多信道估计精度越高，而插入过多的导频又会挤占数据传输的空间，降低数据传输的效率。
发明内容
在利用信道估计定位的通信系统中，上下行信号均需要插入导频，而信号中导频的比例会显著影响通信与定位的性能。传统只用于通信的信号结构没有考虑定位的需求，会最大化压缩导频占比。针对这一问题，本发明提出一种基于毫米波频段的联合通信与定位导频分配方法，可以在同时考虑通信与定位需求的前提下动态调整导频比例，获得更精确的目标位置估计。
第一方面，提供了一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，包括：
步骤1、用户与基站建立通信，基站接收到用户发送的上行信号；
步骤2、基站根据所述上行信号，获取上行信道状态信息，利用参数估计算法计算出所述上行信号的时延、发射角和到达角，并根据此时基站的空间位置坐标计算出用户的坐标；
步骤3、基站根据用户通信的需求，利用交替优化算法计算出满足用户通信需求且同时最大化定位精度的上下行导频分配方案；
步骤4、基站将导频分配方案连同用户数据一同在下行链路发送给用户，同时基站根据导频分配方案调整自身工作模式，准备接收下一个周期的信号；
步骤5、用户接收到来自基站的下行信号，获取下行信道状态信息，利用参数估计算法计算出下行信号的时延、发射角和到达角，并根据接收到基站的空间位置坐标计算出用户的坐标；然后根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计；
步骤6、用户根据位置估计和导频分配调节自身工作模式，开始下一周期的数据传输，返回步骤2。
作为优选，步骤1中，用户发送的上行信号会通过多条路径到达基站，基站接收到的信号表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为上行信号的发射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为路径增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为导向矢量，F是上行波束成形矩阵，N是高斯噪声，Y是接收信号,S是发送信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是上行信号的路径时延。
作为优选，所述路径包括视距路径和非视距路径。
作为优选，步骤2中，所述参数估计算法包括多信号分类算法（Multi-SignalClassification，MUSIC）和基于旋转不变技术的信号参数估计算法。
作为优选，步骤3中，基站根据信道状态信息、视距路径参数、通信性能要求与定位性能需求优化导频比例。
作为优选，步骤5中，所述根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计，包括：对上行估计位置和下行估计位置取平均值，或者根据上行信号和下行信号的信噪比进行加权平均。
作为优选，步骤5中，所述获取下行信道状态信息，包括：对下行信号进行信道估计以获取下行信道状态信息，或者将步骤2中的上行信道状态信息作为下行信道状态信息。
第二方面，提供了一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配系统，用于执行第一方面所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，包括基站与至少一个用户，所述基站与所述用户之间通信连接。
第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法。
本发明的有益效果是：本发明能够在统一频段同时实现定位与通信两种功能，通过不断迭代优化工作模式，提升实时定位精度与通信速率以满足系统需求；并且，本发明实时迭代的工作方式可以实现对用户位置的持续高精度追踪。
附图说明
图1为本发明所适用的应用场景系统架构示意图；
图2为本发明所采用的用户与基站系统工作流程图；
图3为本发明中采用本发明方案与不采用的仿真对比图；
图4为本发明仿真中上下行联合定位的导频资源分配图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配系统，如图1所示，包括：基站s与至少一个用户（如用户i与用户j），基站与用户之间通信连接。基站向用户发送的信号可以通过不同路径到达，如图1中的直射路径或非直射路径。
示例地，基站配备天线64根，用户配备天线16根，时分双工周期10us，包含28个符号，包括导频符号与数据符号。此外，本实施例假设用户发射信号天线端功率15dbm，基站发射功率65dbm，环境背景噪声-170dbm。以基站为原点，横向为x轴，纵向为y轴。用户初始位置与基站距离500m，具体坐标为(-400,300)。在移动场景的鲁邦性测试下，用户会以不同的初始速度向x轴正方向移动，除此之外，本实施例假设用户位于初始位置且不发生变化。当用户向基站发送上行数据时，会同时向用户发送自身的通信速率需求。
实施例2：
由于信道状态信息包含了部分物理空间的信息（例如接收端相对于发送端的角度），因此可以利用信道状态信息对用户定位，即通信定位一体化。
本发明提出了在一种毫米波频段下联合通信与定位的导频分配方法。该方法可以发送导频从信道中提取用户位置，同时根据定位结果反向更新用户端发送信号中的导频分配，在满足通信需求的前提下最大化定位精度。此外，该方法可以将定位的过程融入通信的过程，这只需要一套天线设备即可完成，从而降低了硬件成本和功耗。
具体地，一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，如图2所示，包括：
步骤1、用户与基站建立通信，基站接收到用户发送的上行信号。
步骤1中，用户发送的上行信号会通过多条路径到达基站，基站接收到的信号表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 132366DEST_PATH_IMAGE002
为上行信号的发射角，
Figure 49507DEST_PATH_IMAGE003
为对应的路径增益，
Figure 94823DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 755612DEST_PATH_IMAGE005
为导向矢量，表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，△Rx是对信号波长归一化之后的接收天线间距。同理，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
△Tx是对信号波长归一化之后的发射天线间距。此外，F是上行波束成形矩阵，N是高斯噪声，Y是接收信号，S是发送信号，
Figure 101142DEST_PATH_IMAGE006
是上行信号的路径时延。
步骤1中，每条路径的信号强度衰减由公式导出，在省略不同路径的角标i下，表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是方差为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，均值为0的高斯随机变量；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为路径参数。路径包括视距路径和非视距路径。对于视距路径，本实施例取
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；对于非视距路径，本实施例取
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。在一个实际场景中可能存在大量的非视距路径，为了简化模型，本实施例仅选取单次反射产生的非视距路径，通常多次反射会导致该路径的信号迅速衰减，而接收方从视距路径和单反射的非视距路径中获得的信号包含了接收方可以接到所有信号功率的90%以上。
步骤2、基站根据上行信号，获取上行信道状态信息，利用参数估计算法计算出上行信号的时延τ1、发射角φ1和到达角θ1，并根据此时基站的空间位置坐标计算出用户的坐标。基站本地保存有自身的空间位置信息，假设该位置的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，以基站接收天线朝向为Y轴正方向，可以计算出用户的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。
步骤2中，参数估计算法包括多信号分类算法和基于旋转不变技术的信号参数估计算法。
步骤3、基站根据用户通信的需求，利用交替优化算法计算出满足用户通信需求且同时最大化定位精度的上下行导频分配方案。
步骤3中，基站根据信道状态信息、视距路径参数、通信性能要求与定位性能需求优化导频比例。
示例地，通过步骤2和步骤3，基站接收到用户的上行信号之后，对上行信道状态信息矩阵H进行估计，并通过多信号分类算法计算出功率最大的路径，即视距路径的接收角、发射角与时延并转换成对应的用户相对位置。此外，基站通过粒子群算法，优化得到此情况下最优的上下行导频占比。
步骤4、基站将导频分配方案连同用户数据一同在下行链路发送给用户，同时基站根据导频分配方案调整自身工作模式，准备接收下一个周期的信号。
步骤5、用户接收到来自基站的下行信号，获取下行信道状态信息，利用参数估计算法计算出下行信号的时延τ2、发射角φ2和到达角θ2，并根据接收到基站的空间位置坐标
Figure 549703DEST_PATH_IMAGE018
计算出用户的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；然后根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计。
步骤5中，根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计，包括：对上行估计位置和下行估计位置取平均值，或者根据上行信号和下行信号的信噪比，得出两者的可信度，并基于此加权得到上下行融合的用户位置估计。
鉴于上下行链路之间存在互易性，故利用上行链路估计出来的信道信息可直接用于下行链路，此时上下行联合的算法可以退化成仅上行或仅下行定位的算法。因此获取下行信道状态信息的方式多种多样，包括：用户端重复步骤2中的位置估计部分，计算出基于下行信道状态信息的位置估计，即对下行信号进行信道估计以获取下行信道状态信息，或者将步骤2中的上行信道状态信息作为下行信道状态信息。
步骤6、用户根据位置估计和导频分配调节自身工作模式，开始下一周期的数据传输，返回步骤2。
本发明在不同通信速率要求下定位精度如图3所示，对比固定导频的波束成形算法性能，可以看出动态导频可以在通信要求较低的情况下显著提升定位性能，图4则示出了上下行联合定位的导频资源分配情况。

Claims (9)

1.一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，包括：
步骤1、用户与基站建立通信，基站接收到用户发送的上行信号；
步骤2、基站根据所述上行信号，获取上行信道状态信息，利用参数估计算法计算出所述上行信号的时延、发射角和到达角，并根据此时基站的空间位置坐标计算出用户的坐标；
步骤3、基站根据用户通信的需求，利用交替优化算法计算出满足用户通信需求且同时最大化定位精度的上下行导频分配方案；
步骤4、基站将导频分配方案连同用户数据一同在下行链路发送给用户，同时基站根据导频分配方案调整自身工作模式，准备接收下一个周期的信号；
步骤5、用户接收到来自基站的下行信号，获取下行信道状态信息，利用参数估计算法计算出下行信号的时延、发射角和到达角，并根据接收到基站的空间位置坐标计算出用户的坐标；然后根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计；
步骤6、用户根据位置估计和导频分配调节自身工作模式，开始下一周期的数据传输，返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，步骤1中，用户发送的上行信号会通过多条路径到达基站，基站接收到的信号表示为：
Figure 600566DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 981869DEST_PATH_IMAGE002
为上行信号的发射角，
Figure 336495DEST_PATH_IMAGE003
为路径增益，
Figure 145051DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 703072DEST_PATH_IMAGE005
为导向矢量，其中上角标H表示共轭向量，
Figure 373219DEST_PATH_IMAGE006
表示到达角，F是上行波束成形矩阵，N是高斯噪声，Y是接收信号，S是发送信号，
Figure 395401DEST_PATH_IMAGE007
是上行信号的路径时延。
3.根据权利要求2所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，所述路径包括视距路径和非视距路径。
4.根据权利要求3所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，步骤2中，所述参数估计算法包括多信号分类算法和基于旋转不变技术的信号参数估计算法。
5.根据权利要求4所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，步骤3中，基站根据信道状态信息、视距路径参数、通信性能要求与定位性能需求优化导频比例。
6.根据权利要求5所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，步骤5中，所述根据上行信道和下行信道估计的结果加权得到最后的位置估计，包括：对上行估计位置和下行估计位置取平均值，或者根据上行信号和下行信号的信噪比进行加权平均。
7.根据权利要求6所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，其特征在于，步骤5中，所述获取下行信道状态信息，包括：对下行信号进行信道估计以获取下行信道状态信息，或者将步骤2中的上行信道状态信息作为下行信道状态信息。
8.一种毫米波频段联合通信与定位的导频分配系统，其特征在于，用于执行权利要求1所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法，包括基站与至少一个用户，所述基站与所述用户之间通信连接。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1所述的毫米波频段联合通信与定位的导频分配方法。
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Guo Rongbin

Inventor after: Yin Rui

Inventor after: Yuan Jiantao

Inventor after: Shi Yexin

Inventor after: Wang Guan

Inventor after: Liu Shengli

Inventor before: Guo Rongbin

Inventor before: Yin Rui

Inventor before: Yuan Jiantao