CN101986756A - 一种基于时间反转信号的无线定位方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在无线通信系统中基于时间反转信号的移动台定位方法。该方法使用两个固定基站之间的信道冲击响应的时间反转信号作为定位信号有效成分，移动台在所在位置处向固定基站中的接收方发送该时反冲击响应，根据接收到的信号相关峰值和距离的函数关系求出移动台和基站之间的距离，从而建立定位方程。本发明能够适应在非视距传播比较严重的区域进行定位的需要，相较于传统的基于到达时间、到达角度和到达信号强度的方法，能够减小测量和计算处理的工作量，并提高定位精度。

Description

一种基于时间反转信号的无线定位方案

技术领域

本发明属于电子技术领域，如无线通信、移动通信等，特别涉及无线蜂窝通信、无线传感器网络、无线局域网等移动通信网络系统中对移动台的定位。

背景技术

无线通信中对移动台的定位是一个重要的应用，不仅用户本身希望获得自身的位置信息，网络运营商等其他相关者也希望获得移动台用户的位置信息，以开展有关业务。

无线定位技术中，一般通过测量无线电信号的强度、到达时间、到达方位角等定位观测量来获得定位所需的观测量。在城市或建筑物内部具有较多障碍物的环境下，无线电信号在传播中会经历障碍物的反射、折射、散射等过程，形成信号的非直线传播，称为非视距(NLOS)传播。在非视距传播路径较多的情况下，会严重影响所测得的定位观测量(指信号强度、到达时间、到达方向角)与移动台位置之间的相关关系，从而造成定位的误差。在无法区分非视距传播(NLOS)和视距传播(LOS)信号的情况下，传统的定位技术试图减轻非视距传播的影响，主要包括利用定位观测量的统计特性的定位技术和利用信号传播特征的“指纹”定位技术。对于前一种方法，中国专利公开号CN1413058“利用信号达到时间和时间差估计移动台位置的方法及装置”中提出一种方法，根据移动台连接的所有基站的到达时间TOA与相对主基站的到达时间差TDOA的测量值，获取有关统计信息，再根据统计信息构造运算矩阵，两次使用加权线性最小二乘法估计移动台的位置，最后利用最小距离差挑选最终位置估计值。该方法在能够准确测量到达时间的情况下有较好的效果，但是定位的测量量比较大，计算过程也比较复杂，同时基于TOA的测量要求测量过程中有很好的时间同步；“指纹”定位技术通过测量在所关心的定位区域中的大量位置点所发射的信号，建立不同位置点发射信号的“指纹”特征数据库，然后利用实际定位时测得的信号的特征与“指纹”库中的特征对比，从而进行定位。文献“RADAR：An In-Building RF-based User Location and Tracking System”(INFOCOM 2000.Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communication Societies.Proceeding.IEEE.pp.775-784.vol.2.)描述了一种基于信道测量强度的指纹定位技术。该文中提出的方法在较小的空间内有较好的定位结果，但是需要进行大量的测量，建立所考察区域内大量采样点的“信号指纹”，以进行实测信号的比对。

这些传统的抑制非视距影响的定位技术，实际应用中存在很多缺点，如需要进行大量测量，或定位解算过程复杂，或者信号的指纹数据库由于障碍物位置改变而失效等，其定位效果仍然很低，尤其是，这些技术都是在接收到测量信号以后进行抑制非视距误差的处理，在发射被测量的无线电信号之前，均没有针对信号的非视距传播作专门的处理。

本发明针对在非视距传播比较严重的环境下的定位问题，使被定位的移动台在发射信号前针对非视距传播对信号进行预先处理，从而降低定位误差。本发明相对于传统抑制非视距定位误差的技术，具有处理过程简单，无需大量测量，无需建立大量信号特征数据库的特点，并且可以做到随时适应环境改变、快速实时定位。

发明内容

A.发明目的：本发明的目的是提供一种基于时间反转信号的针对移动通信终端的定位方案，用于在无线通信网络(例如蜂窝通信网、传感器网络、无线局域网等)中对移动台进行定位，特别是在非视距传播严重的环境。本发明主要利用了时间反转信号的时空聚焦特性，用于降低在较为严重的无线电信号非视距传播环境下进行定位的误差，同时也降低非视距环境下定位的数据处理工作量，并增强定位方案对环境改变的适应能力。

B.技术方案：本发明的定位方案由定位信号设计方法及终端定位方法两部分组成。

一、定位信号设计方法：

定位信号设计方法是按照时间反转的原理设计一种特殊的无线传输信号，其步骤为：

1.1.首先指定一个基站为定位基站，另一个基站为通信基站，测量通信基站到定位基站的信道冲击响应；

1.2.记录第1.1步得到的信道冲击响应及该响应的最大值，将该最大值缩小一定比例作为功率控制目标电平值；

1.3.将信道冲击响应进行AD模数转换后，做时间反转处理，得到时反冲击信道响应序列，在该序列前或后附加上该冲击响应对应的通信基站的识别码，以及功率控制目标电平值，得到移动台的对应于该通信基站的定位信号；

二、终端定位方法：

终端定位方法可以按时间顺序分为前期准备阶段、定位测量阶段和定位解算阶段内的方法，即首先进行前期准备，再进行定位测量，最后执行定位解算。

a.前期准备阶段：

本阶段的目的是建立在考察区域内移动台在各采样点发射信号时定位基站的接收信号最大测量值与采样点到通信基站中心的距离的对应关系，其步骤为：

2.1.选定一个能被多个通信基站覆盖的区域作为考察区域，并确定这些基站的坐标；

2.2 选择一个通信基站作为被测基站，选择一个定位基站并始终保持不变，利用本方案中的定位信号设计方法得到对应该通信基站的定位信号；并且选择通信基站位置处作为第一次测量使用的采样点，令i＝0，L₀＝0；

2.3.移动台在选定的采样点上向定位基站发射具有一定电平幅度的非定位信号，并通过定位基站的反馈进行功率控制，保证信号到达定位基站时具有定位信号中指明的功率控制目标电平值，从而得到移动台在此采样点应该使用的发射功率电平；

2.4.移动台在采样点向定位基站发射定位信号，其中的时反冲击响应经过数模AD变换成为模拟波形，并且该波形的最大值为上一步确定的发射功率电平，其他时刻的值成比例的缩放；

2.5.定位基站记录移动台在采样点发射定位信号时，其测量到的定位信号中的时反冲击响应的信号相关峰强度的最大值Si(当i＝0时，S0为定位信号在通信基站处发射时定位基站测得的最大相关峰强度)；同时也记录信号中的通信基站识别码；

2.6.在本考察区域内重新选择一个距选定的通信基站不同距离的采样点，令i的值增加1，测量并记录该采样点到通信基站的距离Li，重复步骤2.3到2.6，直到所选取的到通信基站不同距离的采样点数大于一个不小于3的数；

2.7.进行后处理，按以下步骤得到相关峰信号强度与采样点到选定的通信基站距离之间的函数关系：

----2.7.1：设定位基站接收到的信号的最大相关峰强度S与移动台到通信基站之间的距离L满足如下的函数关系(以下将其称为相关峰-距离函数关系)：

S＝aS₀e^-bL                  ………………………(1)

其中S0是在前述步骤2.5中移动台在通信基站处发射定位信号时定位基站测得的最大信号强度，e是自然对数的底数，a，b是定位关系系数，此时为未知数；

----2.7.2：将测得的各非通信基站处的采样点对应的最大接收信号强度(S1，S2，……)与对应的距离(L1，L2，……)代入上述函数关系式(1)，通过解方程得到定位关系系数a，b，并记录下该通信基站识别码与系数S0，a，b的对应关系。

2.8.选择可覆盖本区域的另一个不同的通信基站，并保持定位基站不变，重复步骤2.3到2.7(包括2.7所属的分步骤2.7.1到2.7.2)，得到对应各通信基站的定位信号相关峰-距离函数关系。

b.定位测量阶段：

本阶段限定移动台的位置在前期准备阶段选择的区域内，测量方法的步骤为：

2.10.选择在前期准备阶段测试过的能覆盖本移动台的一个通信基站，定位基站保持不变，设计对应该通信基站的定位信号，并记录该基站的坐标；

2.11.移动台位置保持不变，向定位基站发射具有一定电平幅度的非定位信号，并通过定位基站的反馈进行功率控制，保证信号到达定位基站时具有定位信号中指明的功率控制目标电平值，从而得到移动台在此采样点应该使用的发射功率电平；

2.12.移动台位置保持不变向定位基站发射定位信号，其中的时反冲击响应经过数模DA变换成为模拟波形，并且该波形的最大值为上一步确定的发射功率电平，其他时刻的值成比例的缩放；

2.13.定位基站记录移动台发射定位信号时，其测量到的定位信号中的时反冲击响应的信号相关峰强度的最大值S_k(k＝1，2，……，表示发射第k个通信基站的定位信号时测量到的最大相关峰强度值)，同时也记录信号中的通信基站识别码；

2.14.定位基站保持不变，选择在前期准备阶段中测试过的能覆盖移动台的另一个通信基站，k值增加1，重复步骤2.10-2.13，直到所选择的通信基站数k大于等于2。

c.定位解算阶段：

计算步骤为：

2.11.根据定位测量阶段所记录的通信基站识别码得到所使用的通信基站的参数S0，a，b，并按照(1)式的反函数式(2)计算得到移动台与通信基站之间的距离：

L_k＝-(1/b_k)lna_k(S_k/S_0k)  ………………………………………(2)

其中L_k是移动台到通信基站k的距离，a_k，b_k，S_0k是通信基站k对应的定位关系式(1)中的参数，S_k是步骤2.13中移动台发射通信基站k对应的定位信号时定位基站测得的定位信号最大相关峰强度。

2.12.假定在前述定位测量阶段移动台总共发射了对应n个通信基站的定位信号，在得到这n个通信基站到移动台的距离(L₁，L₂，......，L_n)的基础上，根据几何距离公式建立如下定位方程：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}+{\mathrm{\ϵ}}_1\\ L_2=\sqrt{{\left({x-x}_2\right)}^2+{(y-y_2)}^2}+{\mathrm{\ϵ}}_2\\ .........\\ L_n=\sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2}+{\mathrm{\ϵ}}_n\end{array}\right.\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中(x，y)表示移动台的平面坐标，为需要求解的未知数；(ε₁，ε₂，......，ε_n)为测量误差；(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，......，(x_n，y_n)为通信基站的坐标，该坐标已在定位测量阶段获得；(L₁，L₂，......，L_n)为步骤2.11中计算得到的移动台与通信基站的距离。

2.13.解上述方程，得到移动台坐标。

C.本方案的工作原理：

本方案的定位利用了时间反转信号的时空聚焦特性。由于定位中发射的定位信号是信道冲击响应的逆序信号，因此信号在从移动台到定位基站的传播过程中相当于完成了一次通信基站到定位基站的信道冲击响应与当前信道冲击响应的相关运算，定位基站测量到的信号强度最大值实际上是信号相关运算的峰值。由于信道具有弱相关性质，根据随机信号理论，与通信基站到定位基站的原信道冲击响应完全相同的信号，其相关峰值最大。因此只有当移动台在靠近其定位信号对应的通信基站的位置处发射信号，接收到的相关峰值才有最大值，而移动台离通信基站越远，相关峰值越小。本发明中利用指数衰减关系模拟相关峰值与距离的关系，并将其用于移动台的定位。

D.本发明的益处：

本发明利用时反冲击响应信号进行无线定位，利用相关峰强度值求解距离测量值，相对于利用强度测量值求解距离，精度有所提高；同时相对于信号指纹或信号地图定位法来说，需要的采样点大大减小。因此在非视距传播比较严重的区域，其定位过程中的计算和测量工作量大大减少，而精度有所提高。

E.具体实施方式：

本发明中的方案是一个整体，其中定位信号设计方法应用在定位方法的前期准备阶段和测量阶段的步骤中。本方案的一种具体实施如图6、图7、图8所示。

图7表示定位信号设计过程。在定位信号设计过程中，当需要设计对应通信基站1的定位信号时，首先让通信基站1通过链路7向定位基站4发射信道训练信号，定位基站根据接收到的信号估计出链路7的信道冲击响应，记录该冲击响应的最大值，将该最大值作为功率控制目标电平值(即信号到达定位基站时应该具有的功率电平值)；然后对冲击响应数字化后做时间反转处理，并附加通信基站1的识别码和功率控制目标电平值，形成对应通信基站1的定位信号帧；将该信号作为通信的内容(即传送的均为数字信号)传送给通信基站1，该基站存储该信号，并在需要定位的时候将该定位信号作为通信的内容广播给移动台。图8是上述设计的定位信号的帧结构。

当设计其他通信基站如图7中2、3的定位信号时，其过程同上。

图6表示前期准备阶段的步骤。首先确定一个被三个通信基站101，201，301覆盖的区域，图中用该区域用灰色表示，虚线和实线的圆圈表示每个基站的信号覆盖范围。确定并记录下各基站101，201，301的坐标。本阶段的目的是建立各通信基站的时反冲击响应信号在不同距离上发射时接收信号相关峰强度值与距离的函数关系。因此针对每一个通信基站，在距该基站不同的距离上选择采样点，如图6中102，103，202，203，302，303所示，同时定位基站101，201，301所在的位置也作为一个特殊的采样点。以对通信基站101的测量为例，首先针对通信基站101设计出定位信号，并由通信基站广播给移动台。

移动台选择在各个不同的采样点发射同样的定位信号，首先在通信基站101所在的位置处发射。移动台每次在采样点发射定位信号之前，先测量出该采样点到通信基站101的距离；然后通过发射非定位信号(如信道训练信号)，并通过定位基站的反馈进行发射功率的调整，使定位基站接收到时其强度为定位信号中说明的功率电平值(该强度值在对该通信基站的整个测量过程中保持不变)。这样功率控制完成以后，就确定了移动台在该采样点101发射信号时应该采用的发射功率。

确定发射功率以后，移动台将定位信号中的数字化时反信道冲击响应进行DA变化，形成模拟波形信号，然后用已确定的发射功率调整发射定位信号的功率，使其波形最大值为该发射功率电平值，其他时间点上的波形幅度依次成比例缩小，然后向定位基站发射；

定位基站接收到以后，其测量到的强度值包含了发射的定位信号与信道冲击响应的相关峰值，从而反映了发射的信号与定位信号的逆序对应的信道冲击响应的相似程度。定位基站记录该最大强度值，以及该定位信号中包含的通信基站的识别码。

移动台在基站101位置处测量和发射完信号后，转移到下一个采样点如102、103处，重复以上的测量和发射过程。所使用的采样点数目要保证在三个以上，其中有一个为通信基站101所在的位置处。测量过程中保持所使用的定位信号(包括功率控制目标电平)不变。

定位基站在移动台发射信号时测量并记录移动台在每个采样点发射的定位信号强度相关值，当所有的采样点都记录完以后，将这些值及其相对应的测量距离代入公式1，利用非线性回归分析，或解方程的方法，可以求得公式1中的系数a，b，从而建立起关于通信基站101的相关峰-距离函数关系。

当对通信基站101的测量过程完成以后，继续测量其他通信基站如201，301，保证测量的通信基站的数量大于两个。测量过程中定位基站保持不变为401。如此则得到所考察区域的定位信号相关峰与距离的拟合函数关系(1)以及其反函数(2)。采样点越密，则得到的拟合关系越准确。

图7也表示本方案的定位测量过程。在定位测量过程中，移动台保持位置不变，依次发射对应某通信基站的定位信号。以通信基站1的信号为例，移动台5在发射定位信号之前需要确定应该使用的发射功率。移动台首先发射非定位信号(如信道训练信号)，通过信号中的功率控制目标电平和定位基站的反馈进行功率控制，获得需要的发射功率，从而保证定位基站接收到的信号具有指定的功率电平值。过程中移动台5到定位基站4的信号通过链路15发送，定位基站反馈的功率电平调整值通过链路16发送。

发射功率确定以后，移动台5发射该通信基站的定位信号，定位信号中的时反冲击响应已通过DA变换成为模拟波形，其最大值为已确定的发射功率电平值，其他值成比例缩小，然后再通过链路15发送出去。

定位基站接收信号，并记录接收到的信号的最大相关峰强度值，以及该信号中的通信基站识别码。

基站1的信号发送和记录完成以后，移动台继续发送对应通信基站2和3的信号，重复上述过程，得到三个通信基站的最大相关峰强度值。

利用函数关系式(2)和已经测得的相关峰强度值，可以求出移动台到通信基站1，2，3的距离，从而可以建立几何距离方程组(3)。该方程为非线性方程组，可以利用多种方法求解，如利用泰勒展开式进行线性化后进行迭代求解。

附图说明

图1为本方案中定位信号设计方法步骤的图示。

图2为本方案中终端定位方法各阶段顺序的图示。

图3是终端定位前期准备阶段的步骤。

步骤中的公式(1)为：

S＝aS₀e^-bL        ………………………(1)

其中S0是在前述步骤2.5中移动台在通信基站处发射定位信号时定位基站测得的最大信号强度，e是自然对数的底数，a，b是定位关系系数；

图4是终端定位测量阶段的步骤。

图5是终端定位定位解算阶段的步骤。

步骤中的公式(2)为：

L_k＝-(1/b_k)lna_k(S_k/S_0k)   ………………………………………(2)

其中L_k是移动台到通信基站k的距离，a_k，b_k，S_0k是通信基站k对应的定位关系式(1)中的参数，S_k是移动台发射通信基站k对应的定位信号时定位基站测得的定位信号最大相关峰强度

图6是前期准备阶段选择考察区域和采样点示意图，其中：

101，201，301：通信基站；

401：          定位基站；

102，103：对通信基站101进行测量时选择的采样点；

202，203：对通信基站201进行测量时选择的采样点；

302，303：对通信基站301进行测量时选择的采样点。

图7是终端定位过程的说明，其中：

1，2，3：通信基站；

4：      移动终端；

5：      定位基站；

6，8，10：定位基站到通信基站的通信链路；

7，9，11：通信基站到定位基站的通信链路；

12，13，14：通信基站到移动台的通信链路；

15：    移动台到定位基站的通信链路；

16：    定位基站到移动台的通信链路。

图8是定位信号的一种帧结构。

Claims (5)

1.一种无线通信系统中基于时间反转信号对移动台进行定位的方法，其特征在于：使用经过时间反转以后的通信基站和定位基站之间的信道冲击响应作为定位信号主要成分，利用多采样点测量来拟合移动台向定位基站发送的定位信号在真实信道中传送所产生的相关峰强度值与移动台和通信基站之间的距离的函数关系(以下简称相关峰强度-距离函数关系)，并进而用测得的相关峰强度值来反求移动台与通信基站之间的距离，然后用该距离建立定位方程。

2.如权利要求书第1项中所述的定位信号设计方法，其步骤为：

(1)首先指定一个基站为定位基站，另一个基站为通信基站，测量通信基站到定位基站的信道冲击响应；

(2)记录第(1)步得到的信道冲击响应及该响应的最大值，将该最大值缩小一定比例作为功率控制目标电平值；

(3)将信道冲击响应进行AD模数转换后，做时间反转处理，得到时反冲击信道响应序列，在该序列前或后附加上该冲击响应对应的通信基站的识别码，以及功率控制目标电平值，得到移动台的对应于该通信基站的定位信号

3.如权利要求书第1项所述的相关峰强度与距离的函数关系，即用下述函数关系式来表示传播通信基站到定位基站之间的时间反转信道冲击响应所产生的相关峰强度与通信-定位基站之间距离的关系：

S＝aS₀e^-bL

其中S₀是移动台在通信基站处发射定位信号时定位基站测得的最大信号相关峰强度值，e是自然对数的底数，a，b是常数系数；

4.一种求取权利要求书第1项和第3项中所述的相关峰强度-距离函数关系的方法，其特征在于：选取通信基站和定位基站之间不同距离的多个采样点，测量这些采样点到通信基站之间的距离，并测量移动台在这些采样点上发送定位信号时定位基站接收到的信号相关峰强度值，然后将测得的距离和信号相关峰强度值代入相关峰强度-距离函数关系表达式，通过解方程求得该函数关系中的未知参数a，b；

5.一种建立如权利要求书第1项中所述的定位方程的方法，其特征在于：根据测量到的相关峰强度和相关峰强度-距离函数关系的反函数，求取移动台到通信基站之间的距离，然后用该距离和几何距离公式建立定位方程。相关峰强度-距离函数的反函数关系如下式表示：

L＝-(1/b)lna(S/S₀)

其中S是移动台在待定位置处发射定位信号时定位基站测量得到的信号相关峰强度值，S₀是移动台在通信基站处发射定位信号时定位基站测得的信号相关峰强度值，ln是求自然对数的符号，a，b是常数系数。

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