CN115278876A - 一种在5g网络和uwb共同定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在5G网络和UWB共同定位的方法，属于无线通信技术领域，该方法在5G‑NR频段的CP‑OFDM信号中划分出预设长度的定位时间片；5G‑NR基站侧利用定位时间片下发UWB定位信号至终端UE；终端UE对接收到的UWB定位信号进行时延测量，并将时延测量结果上报网络侧；网络侧利用定位技术，根据终端UE上报的时延测量结果和5G‑NR基站对应的绝对位置精确计算出终端UE所在位置。本发明通过在5G‑NR频段中预留出一小段时间片给UWB定位信号进行传输定位，将5G‑NR和UWB技术同时融入到一个频谱中，避免相互干扰，实现严格的整网同步，减小了定位估计偏差出现的概率。

Description

一种在5G网络和UWB共同定位的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种在5G网络和UWB共同定位的方法。

背景技术

无线定位是指在无线移动通信网络中，通过对接收到的无线电波的特征参数进行测量，利用量到的无线信号数据，采用特定的算法对移动终端所处的地理位置进行估计，提供准备的终端位置信息和服务。

定位测量信息主要包括3类：时间类、角度类、场强类。定位算法按照定位建模及其求解方法，可以分为几何建模和概率分析两类。基于几何建模的方法，一般是根据测量的到达时间/时间差折算为距离/距离差、或者到达角等参数，构建联立几何方程，通过求解方程组得到估计位置。基于概率学理论，可采用射频图像或位置指纹匹配的方法。

无线定位在蜂窝网技术中越来越受到关注和重视，目前有很多种无线定位方法和技术，其中UWB技术的定位精度是最高的。UWB无线定位技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、***复杂度低，尤其是能提供非常精确的定位精度等优点，而成为未来无线定位技术的热点和首选。超宽带通信技术UWB(Ultra Wide band)是一种通过发送纳秒级别非正弦波窄脉冲来传输数据的无线载波通信技术，凭借10cm-15cm级别的定位精度优势，逐渐在定位和指向等应用场景发挥潜力。

现有5G***由于OFDM的信号特点，以及空口传输的多径时延，需要增加循环前缀（或者循环后缀），来克服多径造成的ISI。

CP（循环前缀）的长度设计，取决于***的最大多径时延是多少。CP的长度需要覆盖住最短路径和最长路径的路径传播差。

相对于带宽较窄发通信技术，UWB的宽带应用意味着连接的高稳定性，即使在拥挤的多径信号环境中，也能提供高精度的定位，受到的干扰可忽略不计。目前的5G-NR蜂窝无线接入网也在不断演进来得到更高的精度。但是目前的定位技术不能实现5G-NR和UWB的融合定位，定位精度有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在5G网络和UWB共同定位的方法，在5G-NR频段下行CP-OFDM信号中循环前缀（或者循环后缀）的范围内，预留出一小段时间片给UWB定位信号进行传输定位，将5G-NR和UWB技术同时融入到一个频谱中，并且避免相互干扰，充分利用两种技术的优缺点来达到更高的定位精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种在5G网络和UWB共同定位的方法，包括以下步骤：

步骤一：UWB定位信号规划，5G-NR在核心网侧规划出定位区域，选定一定数量的定位基站作为定位协作基站，对每个定位协作基站的UWB定位信号发送条件进行规划，然后将规划好的UWB定位信号发送条件分别通知到各个定位协作基站；

步骤二：信号预处理，定位协作基站接收到UWB定位信号发送条件后，在5G-NR频段的CP-OFDM信号中划分出预设长度的定位时间片，同时在5G下行信号中，预留时间片中不再加入CP时间片，而是发送对应的UWB定位信号；

步骤三：UWB定位信号通知，5G-NR基站侧通过高层信令将终端UE需要进行UWB定位信号时延检测的信息告知终端UE;

步骤四：定位信号下发，5G-NR各定位协作基站侧利用定位时间片下发UWB定位信号；

步骤五：时延值测量，终端UE对接收到的UWB定位信号进行时延测量，并将时延测量结果上报网络侧；

步骤六：终端定位解算，网络侧利用定位技术，根据终端UE上报的时延测量结果和5G-NR基站对应的绝对位置精确计算出终端UE所在位置。

具体的，所述步骤二具体包括：根据UWB定位信号的长度，在5G-NR频段CP-OFDM信号的循环前缀范围或循环后缀范围内，预留划分出与UWB定位信号长度相同的时间片作为定位时间片；同时在5G下行信号中，预留的时间片中不再加入CP，即CP时间片不再预留给UWB定位信号，而是发送对应的UWB定位信号。

具体的，所述步骤一具体包括：5G-NR在核心网侧规划出定位区域，选定一定数量的定位基站作为定位协作基站，规划出每个定位协作基站的UWB定位信号发送条件，UWB定位信号发送条件包括UWB定位信号的发送时刻、信号格式、信号发送功率以及UWB定位信号在预留CP时间片中的预设长度；然后将规划好的UWB定位信号发送条件通知给各个定位协作协作基站或需要做UWB定位的终端UE。

具体的，所述步骤五具体包括：终端UE对接收到的每个UWB定位信号的时延参数进行测量，获得每个UWB定位信号对应的时延测量值，并将每个UWB定位信号的时延测量值分别上报到网络侧。

具体的，所述时延参数为UWB定位信号的到达时间和延迟。

具体的，所述定位技术包括E-CID定位、AOA定位、TOA定位和TDOA定位。

本发明的有益效果：

1.本发明是通过基站发送UWB定位信号，可以实现大量终端同时进行定位。理论上没有终端的个数限制。

2.本发明的定位方法通过预留出一小段时间片给UWB定位信号进行传输定位，将5G-NR和UWB技术同时融入到一个频谱中，并且避免相互干扰，充分利用两种技术的优缺点来达到更高的定位精度，可以实现严格的整网同步，减小了定位估计偏差出现的概率。

3.5G-NR设计的CP长度为了克服最恶劣的多径环境，而对于5G-NR密集布网的场景，特别是室分场景，CP长度是完全过剩的，将其中一小部分时间片预留分配给UWB定位信号对于多径场景下的性能没有影响。对于少量的SSB符号，其CP不用预留给UWB定位信号，来保证终端UE同步性能并不会受影响。在同步不受影响的情况下，其余下行信号在大量场景下，可以在CP减少一定时间片的情况下依然保持良好的通信质量。

4.相比于PRS等新的定位技术，本发明不会使用5G-NR数据承载资源来发送定位信号。因此对***的容量不会有影响，而PRS等技术，因为要使用数据承载的无线资源，因此在加入PRS定位技术后，***的下行容量就会大量降低。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是传统5G信号结构示意图；

图3是本发明CP-OFDM信号结构示意图；

图4是UWB定位信号分配示意图；

图5是终端信号定位示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一：

本实施例中，如图1所示，一种在5G网络和UWB共同定位的方法，包括以下步骤：

步骤一：UWB定位信号规划，5G-NR在核心网侧规划出定位区域，选定一定数量的定位基站作为定位协作基站，对每个定位协作基站的UWB定位信号发送条件进行规划，然后将规划好的UWB定位信号发送条件分别通知到各个定位协作基站。

该步骤主要规划出每个定位协作基站在什么时候发送UWB定位信号，以及什么格式的定位信号，以什么功率进行发射，预留CP时间片中的多少给UWB定位信号。然后将这些规划好的数据通知给各定位协作基站;

步骤二：信号预处理，定位协作基站在5G-NR频段的CP-OFDM信号中划分出预设长度的定位时间片，5G下行信号中，预留时间片中不再加入CP，而是发送对应的UWB定位信号。对于少量的SSB符号，其CP不用预留给UWB定位信号，以此来保证终端UE同步性能并不会受影响。

步骤三：UWB定位信号通知，5G-NR基站侧通过高层信令将终端UE需要进行UWB定位信号时延检测的信息告知终端UE。

步骤四：定位信号下发，5G-NR基站侧利用定位时间片下发UWB定位信号。

步骤五：时延值测量，终端UE对接收到的UWB定位信号进行时延测量，并将时延测量结果上报网络侧。

步骤六：终端定位解算，网络侧利用定位技术，根据终端UE上报的时延测量结果和5G-NR基站对应的绝对位置精确计算出终端UE所在位置。

本实施例中，以典型的100Mhz带宽，30khz子载波间隔、普通CP长度的5G***为例。一个TTI时间长度是500us，其包含了14个OFDM符号，每个符号，由原始信号和循环前缀2部分组成，原始信号长度为4096个时间片，循环前缀则是352个时间片或者288个时间片。每个时间片的时间长度是8.14ns。以288个时间片的CP长度为例，其设计是为了抵抗用户的最短路径和最长路径的传播时间差达到288*8.14ns，大约是2300ns。而绝大部分的信道模型，最大路径差不会超过1000ns。所以CP的长度设计，在大部分场景下，特别是密集组网的场景下，CP的长度是绰绰有余的。特别是，每个TTI的第一个symbol，起CP长度还要多64个时间片，达到352个时间片，冗余度就更大了。

其中TTI（Transport Time Interval）是指传输时间间隔。TTI是WCDMA***引入的，是无线设备的工作节拍。每个TTI，设备的链路层与物理层之间交换一次数据。

WCDMA的TTI为10ms，HSPA的TTI为2ms，LTE的TTI压缩到1ms，5G NR的TTI可变，最大为0.5ms。

本实施例中，方法主要是在5G-NR频段内下行的CP-OFDM信号中，在循环前缀或者循环后缀的范围内，预留出一小段时间片，留给UWB定位信号来做传输做为定位。

比如在每个TTI的第一个OFDM符号，其352个CP符号的前64个时间片，不用来做OFDM信号的循环前缀部分（响应的，第一个符号的循环前缀就只有288个时间片了），将这64个时间片保留划分出来作为定位时间片，用来发送UWB定位信号。

而UWB定位信号的脉冲长度，是纳秒级，所以预留的64个时间片，足够发送一个UWB定位信号了。

这样的好处是将5G-NR和UWB技术同时融入到一个频谱中，并且避免相互干扰，可以充分利用两种技术的优缺点来达到更高的定位精度。

并且，本发明是在5G-NR基站侧下发UWB定位信号，这样做的好处是UWB定位信号本身也是严格整网对齐的（5G***自身提供了严格的整网时间对齐功能）。所以当多个协作站以一定的规律轮流下发UWB定位信号，并且用户UE测量每一个UWB定位信号的时延参数，再上报汇总到网络侧后，网络侧可以根据当前UE上报的这次基站的UWB定位信号的时延测量值，以及这些基站对应的绝对位置，通过传统的定位方案（比如TDOA），精确的计算出UE的位置。

相比于传统的UWB定位，本发明具有2个好处：

1.本发明方法是基站发送UWB定位信号，而不是大部分UWB定位模型中，是终端侧发送UWB定位信号。基站侧发送的好处就是可以大量终端同时进行定位。理论上没有终端的个数限制。

2.即使使用网络侧发送UWB定位信号的纯UWB定位***，由于其产业结构不大，很难做到像5G基站这么好的严格整网同步。当整网同步不好的时候，就会出现定位估计偏差。本发明的方法可以实现严格的整网同步。

本实施例中，如图2所示，传统的5G信号，一个TTI的每个OFDM符号（symbol）的前面，都会加入一段CP，用来克服多径问题。

本实施例中，将CP里的其中一部分时间片，不作为循环前缀使用，而是把这部分时间片预留划分出来发送UWB定位信号，其划分后的信号组成结构如图3所示。

基站广播UWB定位信号给所有终端，需要在每个TTI中，寻找分析出每个OFDM符号前段中预留给UWB定位信号的时间片数量，以及剩余分配给CP部分的时间片数量。UE需要在通过SS同步后，找到OFDM符号边界，此时边界需要去掉预留给UWB的那部分时间片。

找到新的边界后，就可以去掉UWB定位信号所在时间片范围内的IQ数据，用正常的OFDM符号内的IQ数据来做OFDM波形解析（FFT变换），这样就可以继续保持5G***的OFDM特点和优势，并且只要最大多径时延依然在预留的CP长度保护内，就没有任何的性能损失。

同时，此时用户还可以通过UWB接收机，得到UWB定位信号的脉冲边缘，从而进行UWB定位信号的相关计算。

实施例二：

在实施例一提供的方法基础上，本实施例给出了如何利用多个基站发送不同的UWB定位信号来实现高精度定位的示例：

如图4和图5所示，通过将一个TTI中14个OFDM符号的UWB区域，发送不同的UWB定位信号，以及分配给不同的基站（小区）。

对于一个TTI的5G信号，其有14个OFDM符号，每个符号都预留出了一小片给UWB定位信号的时间片。图4和图5中的方框图形代表基站，编号分别为a，b，c，d，e，f，g，h，不同编号的基站对应不同的时间点，每个基站发送其自有的UWB定位信号。比如基站h，只在符号7的CP前面的UWB区间发送UWB定位信号，其余时间不发送UWB定位信号。基站g只在符号6的CP前面的UWB区间发送UWB定位信号，其余时间不发送UWB定位信号，以此类推。

UE则会在一直测量UWB定位信号的到达时间和延迟。假如UE处在上图5所示的中间区域，那么UE就会在一个TTI内，听到8个基站的UWB定位信号，并且计算出8个UWB定位信号的到达时延（由于每个UWB定位信号的都是经过严格时间对齐的基站发送出来的）。

然后UE将所有的UWB定位信号的时延信息上报给网络侧，网络侧是知道所有基站的绝对位置，再根据UE到每个基站的时延，利用传统成熟的定位技术（如TDOA），就可以精确的计算出用户的位置。

从2G到4G，蜂窝网络的定位技术主要有:E-CID、AOA、TOA、TDOA等。 E-CID 由于基站的经纬度是已知的,根据Cell ID就可以大致锁定手机的位置。但一个小区的覆盖范围很大,通常几百米到几公里，仅基于Cell ID的定位误差非常大，所有有了E-CID定位技术。传统基站分为三个扇区，一个扇区对应一个小区，每扇区通常120度，每个小区都有不同的识别码（Cell ID）。

由于基站的经纬度是已知的，根据Cell ID就可以大致锁定手机的位置。但一个小区的覆盖范围很大，通常几百米到几公里，仅基于Cell ID的定位误差非常大，所有有了E-CID定位技术。E-CID，Enhanced Cell-ID，指基于Cell ID的增强定位技术，包括Cell ID+RTT、Cell+RTT+AoA等。

到达角定位AOA（Angle-of-Arrival）是基于对电磁波到达方向的测量，最终实现发射目标的位置确认。根据不同天线阵列类型和算法，实现不同的定位方式。线阵能够实现平面入射角度的测量，面阵能够实现立体空间的入射角度测量。

AOA定位方法不顾及强度，只测量信号来波方向，不受强度影响，不受电池影响，不受天线方向影响，通过角度确定唯一位置，通过多个角度获得更准确的绝对位置，是蓝牙标准规范下的新的定位技术手段，根据精度和布设条件，布设间距可调节，最远可达近20米。该技术在两个以上的位置点设置方向性天线或阵列天线，获取终端发射的无线电波信号角度信息，然后通过交汇法估计终端的位置。它只需利用两个天线阵列就能完成目标的初始定位，与TDOA等技术的定位体制相比，***结构简单，但要求天线阵具有高度灵敏度和高空间分辨率。建筑物分别密集、高度和地形地貌对AOA的定位精度影响较大，在室内、城区及乡村地区，AOA的典型值分别为360度、20度和1度。随着基站与终端之间的距离增加，AOA的定位精度逐渐降低。AOA定位误差主要由城市的多径传播及***误差造成，可通过预先校正来抵消***误差的影响，而建筑物密集地区的多径效应一直是困扰天线通信的难题，智能天线可在一定程度上减小多径干扰的影响，但由于实现复杂和设备成本的问题，尚未广泛应用。因此，AOA技术虽然结构简单，但是在城市蜂窝定位***中并未得到应用。

TOA手机定位技术是指利用GPS定位技术或者基站定位技术对手机进行定位的一种技术。基于GPS的定位方式是利用手机上的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现手机定位的。基站定位则是利用基站对手机的距离的测算距离来确定手机位置的。后者不需要手机具有GPS定位能力，但是精度很大程度依赖于基站的密度，有时误差会超过一公里。前者定位精度较高。此外还有利用Wifi在小范围内定位的方式。TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。

具体实现步骤：

（1）要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发 出的接入突发信号；

（2）各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差（RTD）；

（3）根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差（TDOA），得出精确位置， 并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：LMU的地理位置和各 LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差（RTD）参数。

LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收 接入突发信号。此时，手机在业务信道（可能会处于跳频方式）上，以特定功率发送达70个接入脉 冲（时长320ms）。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测 量成功概率和测量精度。采用分集技术（如天线分集和跳频），可降低多径效应的影响，提高测量 精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度 要 求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需 要的手机位置，再将位置信息和误差范围发送回应用。

TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有 多 种：LMU既可集成在BTS内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与 BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。

TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)，就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的绝对时间差，就能作出以监测站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。

不同于TOA，TDOA（到达时间差）是通过检测信号到达两个基站的绝对时间差，而不是到达的飞行时间来确定移动台的位置，降低了信号源与各个监测站的时间同步要求，但提高了各个监测站的时间同步要求。采用三个不同的基站可以测到两个TDOA，移动站位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。

该定位技术可应用于各种移动通信***，尤其适用于CDMA***，CDMA***用扩频方式将信号频谱扩展到很宽的范围，使***具有较强的抗多径能力。CDMA属"非功率敏感***"，信号衰减对时间测量的精度影响较小。TDOA法与TOA法比较优点之一是:当计算TDOA值时，计算误差对所有的基站是相同的且其和为零，这些误差包括公共的多径时延和同步误差。 但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得与服务基站相邻的参与定位的另一基站接收到的功率非常小（即相邻基站的SNR太小），造成比较大的测量误差。

TDOA算法是对TOA算法的改进，他不是直接利用信号到达时间，而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置，与TOA算法相比他不需要加入专门的时间戳，定位精度也有所提高。TDOA值的获取一般有2种形式：

第1种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA，取其差值来获得，这时仍需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似时，可减少由多径效应带来的误差。

第2种形式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算，从而得到TDOA的值，这种算法可以在基站和移动台不同步时，估计出TDOA的值，由于实际应用中，往往很难做到基站与移动台的同步，所以利用相关估计得到TDOA值，再进行定位计算能获得较高精度。对于蜂窝网中的移动台定位而言，TDOA更具有实际意义，这种方法对网络的要求相对较低，并且定位精度较高。因此，TDOA定位技术是本发明的优选定位方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，包括：

步骤一：UWB定位信号规划，5G-NR在核心网侧规划出定位区域，选定一定数量的定位基站作为定位协作基站，对每个定位协作基站的UWB定位信号发送条件进行规划，然后将规划好的UWB定位信号发送条件分别通知到各个定位协作基站；

步骤二：信号预处理，定位协作基站接收到UWB定位信号发送条件后，在5G-NR频段的CP-OFDM信号中划分出预设长度的定位时间片，同时在5G下行信号中，预留时间片中不再加入CP时间片，而是发送对应的UWB定位信号；

步骤三：UWB定位信号通知，5G-NR基站侧通过高层信令将终端UE需要进行UWB定位信号时延检测的信息告知终端UE;

步骤四：定位信号下发，5G-NR各定位协作基站侧利用定位时间片下发UWB定位信号；

步骤五：时延值测量，终端UE对接收到的UWB定位信号进行时延测量，并将时延测量结果上报网络侧；

步骤六：终端定位解算，网络侧利用定位技术，根据终端UE上报的时延测量结果和5G-NR基站对应的绝对位置精确计算出终端UE所在位置。

2.根据权利要求1所述的一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：根据UWB定位信号的长度，在5G-NR频段CP-OFDM信号的循环前缀范围或循环后缀范围内，预留划分出与UWB定位信号长度相同的时间片作为定位时间片；同时在5G下行信号中，预留的时间片中不再加入CP，即CP时间片不再预留给UWB定位信号，而是发送对应的UWB定位信号。

3.根据权利要求1所述的一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：5G-NR在核心网侧规划出定位区域，选定一定数量的定位基站作为定位协作基站，规划出每个定位协作基站的UWB定位信号发送条件，UWB定位信号发送条件包括UWB定位信号的发送时刻、信号格式、信号发送功率以及UWB定位信号在预留CP时间片中的预设长度；然后将规划好的UWB定位信号发送条件通知给各个定位协作协作基站或需要做UWB定位的终端UE。

4.根据权利要求1所述的一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：终端UE对接收到的每个UWB定位信号的时延参数进行测量，获得每个UWB定位信号对应的时延测量值，并将每个UWB定位信号的时延测量值分别上报到网络侧。

5.根据权利要求4所述的一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，所述时延参数为UWB定位信号的到达时间和延迟。

6.根据权利要求1所述的一种在5G网络和UWB共同定位的方法，其特征在于，所述定位技术包括E-CID定位、AOA定位、TOA定位和TDOA定位。

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