CN106658713B - 基于多参数估计的单基站移动用户定位方法 - Google Patents

基于多参数估计的单基站移动用户定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明采用一种基于多参数估计的单基站移动用户定位方法。该方法首先使用到达时间（TOA）区分出直径到达信号，然后采用到达角（AOA）估计技术测算出直径信号的到达角，从而获知移动用户相对于基站的方位。接着，分别使用TOA和信道状态信息（CSI）测算出单基站与移动用户之间的距离，并对通过TOA测出的距离和CSI测出的距离进行加权处理得到加权距离。最后，结合测算出的到达角和加权距离，估算得到移动用户的位置。本发明提出的定位方法只需要一个基站，通过结合TOA、AOA以及CSI这三种测量参数，减少了基站的个数以及多径效应的影响，在降低成本的同时提高了定位精度。

Description

基于多参数估计的单基站移动用户定位方法
技术领域
本发明涉及移动通信、无线定位技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，人们对移动用户定位的需求日益增长。许多移动用户定位方法都是基于到达角(AOA)，到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)以及混合TDOA/AOA测量参数，但是这些测量参数在非视距(NLOS)或者多径环境中的运行效果并不好，并且都至少要从三个基站获得所需的测量值，既提高了成本又不能保证良好的定位精度。因此基于单基站的移动用户定位方法应运而生。
Li等人使用迭代泰勒级数展开法进行移动用户定位，但是该方法需要对移动用户的位置进行初始估计，而该估计容易受到收敛问题的影响。Seow等人提出一种综合的NLOS定位方案和最小二乘估计器对移动用户进行定位，但该方法比较复杂，而且当有一条移动用户的定位线垂直于x轴时，该方法无法实现。Miao等人提出了一种基于最小二乘解的移动用户位置估计方法，但是该方法在所得到的TOA,AOA和AOD的测量误差比较大时，运行效果不佳。
发明内容
为了解决多基站数目受限而无法精确定位的问题，本发明提出一种基于多参数估计的单基站移动用户定位方法。首先，使用到达时间(TOA)区分直径到达信号，然后采用到达角(AOA)估计技术测算出直径信号的到达角，即根据天线阵列中各阵元接收的数据估计协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，获得特征值和特征向量，找出协方差矩阵最小特征值的数目与其相对应的特征向量，寻找与协方差矩阵的特征向量正交的阵列方向向量，获知移动用户相对于基站的方位。接着，分别使用TOA和信道状态信息(CSI)测算出单基站与移动用户之间的距离。在使用CSI测距中，对频域CSI进行平方加权平均处理，获得有效的CSI，即CSIeff，然后建立基站与移动用户之间的距离d和CSIeff之间的多项式数学模型，并在线下利用已知用户与基站之间的距离和测得的CSIeff建立方程组，求解该数学模型中的参数。然后利用该数学模型，根据实时CSIeff，估算出基站与移动用户之间的距离d，并对通过TOA测出的距离和CSI测出的距离进行加权处理，使用TOA时间同步误差期望和CSI信道估计误差期望分别作为通过TOA测出的距离和CSI测出的距离的加权因子，由于移动用户与基站之间很难实现同步，因此通过CSI测得的距离的加权因子较大，从而获得加权距离。最后，结合测算出的到达角和加权距离，估算得到移动用户的位置。
附图说明
图1基于多参数估计的单基站移动用户定位原理图。
图2基于到达角(AOA)估计直径到达信号到达角的原理图。
图3基于信道状态信息(CSI)测算单基站与移动用户之间距离的原理图。
具体实施方式
本发明所述的基于多参数估计的单基站移动用户定位方法，包含以下几个步骤：
1.使用到达时间(TOA)区分直径到达信号，所需时间短的信号即为直径到达信号。
2.使用到达角(AOA)估计直径到达信号的到达角，获得移动用户相对于基站的方位。根据天线阵列中各阵元接收的数据估计协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，获得特征值和特征向量，寻找与协方差矩阵的特征向量正交的阵列方向向量，从而确定了移动用户相对于基站的方位。
3.使用TOA，根据公式d＝c×t(c为光速)测算出单基站与移动用户之间的距离。
4.使用信道状态信息(CSI)测算出单基站与移动用户之间的距离。首先，对实验采集得到的CSI在频域进行平方加权平均处理，从而获得有效的CSI，即CSIeff，这样就能够利用频率分集来补偿小范围内的衰落影响。其中CSIeff的计算如下所示：
Figure BDA0001212397420000021
公式中的f0是中心频率，fk是第k个子载波的频率，|Hk|是第k个子载波CSI的幅度值。
然后建立基站与移动用户之间的距离d和CSIeff之间的数学模型，并用多项式函数进行简化，有d＝f(CSIeff)。由于大部分信号能量只集中在公式的前几项，所以我们只需保留公式的前4项即可，则有：
d＝a0+a1CSIeff+a2(CSIeff)2+a3(CSIeff)3 (2)
对于未知系数a0,a1,a2,a3，在线下利用已知用户与基站之间的距离和测得的CSIeff建立方程组进行求解。最后，利用该数学模型，根据实时CSIeff，估算出基站与移动用户之间的距离d。
5.对通过TOA测出的距离和CSI测出的距离进行加权处理得到加权距离。使用TOA时间同步误差期望和CSI信道估计误差期望分别作为通过TOA测出的距离和CSI测出的距离的加权因子。由于移动用户与基站之间很难实现同步，因此通过CSI测得的距离的加权因子较大。
6.结合测算出的到达角和加权距离，估算得到移动用户的位置。

Claims (4)

1.基于多参数估计的单基站移动用户定位方法，其特征在于包含以下步骤：
S1：使用到达时间(TOA)区分直径到达信号；
S2：使用到达角(AOA)估计直径到达信号的到达角，获得移动用户相对于基站的方位；
S3：分别使用TOA和信道状态信息(CSI)测算出单基站与移动用户之间的距离，包括使用信道状态信息(CSI)测算出单基站与移动用户之间的距离，首先，对实验采集得到的CSI在频域进行平方加权平均处理，从而获得有效的CSI，即CSIeff，以利用频率分集来补偿小范围内的衰落影响，然后建立基站与移动用户之间的距离d和CSIeff之间的数学模型，并用多项式函数进行简化，有d＝a0+a1CSIeff+a2(CSIeff)2+a3(CSIeff)3，对于未知系数a0,a1,a2,a3，在线下利用已知用户与基站之间的距离和测得的CSIeff建立方程组进行求解，最后，利用该数学模型，根据实时CSIeff，估算出基站与移动用户之间的距离d；
S4：对通过TOA测出的距离和CSI测出的距离进行加权处理得到加权距离；
S5：结合测算出的到达角和加权距离，估算得到移动用户的位置。
2.如权利要求1所述的基于多参数估计的单基站移动用户定位方法，所述步骤S2进一步包括：根据天线阵列中各阵元接受的数据估计协方差矩阵，然后进行特征值分解，在阈值中确定最小特征值，从而来估计入射信号的个数，计算出MUSIC空间谱，即得出到达角。
3.如权利要求1所述的基于多参数估计的单基站移动用户定位方法，所述步骤S3进一步包括：首先，对采集到的CSI在频域进行平方加权平均处理，获得有效的CSI(CSIeff)；然后建立基站与移动用户之间的距离d和CSIeff之间的多项式数学模型，并在线下利用已知用户与基站之间的距离和测得的CSIeff建立方程组，求解该数学模型中的参数；最后，利用该数学模型，根据实时CSIeff，估算出基站与移动用户之间的距离d。
4.如权利要求1所述的基于多参数估计的单基站移动用户定位方法，所述步骤S4进一步包括：使用TOA时间同步误差期望和CSI信道估计误差期望分别作为通过TOA测出的距离和CSI测出的距离的加权因子，由于移动用户与基站之间很难实现同步，因此通过CSI测得的距离的加权因子较大。
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