CN117750308A - 一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介质 - Google Patents

一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介质 Download PDF

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CN117750308A CN202211117732.XA CN202211117732A CN117750308A CN 117750308 A CN117750308 A CN 117750308A CN 202211117732 A CN202211117732 A CN 202211117732A CN 117750308 A CN117750308 A CN 117750308A
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陈诗军
郁光辉
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杨杰
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Abstract

本申请实施例提供了一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介质，其中，该方法包括：根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取所述信道估计的信道参数；基于所述信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数；根据预设回波几何模型确定所述视距径量测参数和所述非视距径量测参数的关联关系矩阵；基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。本申请实施例通过视距径量测信息以及非视距径量测信息同时实现终端设备位置信息确定以及环境信息的感知，可提高定位精度，增强通信信息的丰富程度，可提高用户的使用体验。

Description

一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介 质。
背景技术
随着第五代通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)在全球范 围内得到广泛推广，毫米波频谱提供的大带宽，大规模天线技术(Massive MIMO)提供的高 方向性传输以及密集部署的基站为用户提供了较高数据传输速率以及广阔覆盖范围的通信网 络。对于即将到来的下一代无线通信网络，通过共享蜂窝网络的软硬件资源以实现对环境的 感知逐渐成为一个趋势。更加可靠的通信能力能够为感知提供其所需要的更加精确的测量信 息，下一代无线通信网络中通信和感知相辅相成，为用户提供更快速可靠的服务。对于终端 设备(User Equipment，UE)的定位，目前已经有较多的研究，通常可以通过基于***的视 距(Line of Sight，LOS)径量测实现对UE的定位，在下一代无线通信网络中需要同时利用 非视距(Non Line of Sight，NLOS)径量测，进而实现对UE的定位，并且需要根据纳入的 NLOS径量测信息实现环境感知。目前NLOS径在传播过程中可捕获一定的环境信息，该环境 信息可用于动作、姿态的感知以及环境中散射体的定位等。此外，随着大规模天线阵列部署 和高频段频谱的分配，在毫米波无线通信***中基站(BaseStation,BS)对信道在角度和 时延域的分辨率将大大增强，为同时实现定位和环境感知提供了基础。然而，目前第五代通 信技术的研究主要集中于UE的定位，对诸如散射体的定位并未过多关注。
发明内容
本申请实施例的主要目的在于提出一种终端定位与感知方法、电子设备和存储介质，以 通过视距径量测信息以及非视距径量测信息同时实现终端设备位置信息确定以及环境信息的 感知，可提高定位精度，增强通信信息的丰富程度，可提高用户的使用体验。
本申请实施例提供了一种终端定位与感知方法，其中，该方法包括：
根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取所述信道估计的信道参数；
基于所述信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数；
根据预设回波几何模型确定所述视距径量测参数和所述非视距径量测参数的关联关系矩 阵；
基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。
本申请实施例还提供了一种电子设备，其中，该电子设备包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器质性，使得所述一个或多个处理器实现 如本申请实施例中任一所述的终端定位与感知方法。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质存储有 一个或多个程序，所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，以实现如本申请实施 例中任一所述的终端定位与感知方法。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种终端定位与感知的场景示意图；
图2是本申请实施例提供的一种终端定位与感知方法的流程图；
图3是本申请实施例提供的另一种终端定位与感知方法的流程图；
图4是本申请实施例提供的一种终端定位与感知方法的示例图；
图5是本申请实施例提供的一种终端定位与感知装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”后缀仅为了有 利于本发明的说明，其本身没有特有的意义，因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
图1是本申请实施例提供的一种终端定位与感知的场景示意图，基站与终端进行上行通 信，整个传输环境中存在多个散射体，该散射体可以包括建筑物、树木以及移动目标等，在 毫米波通信***中，路径损耗较严重，在该场景下仅考虑LOS径和单次反射的NLOS径。终端 设备发送的信号一部分直接到达基站形成LOS径，一部分经过散射体反射后到达基站形成单 次NLOS径，基站可以基于回波信号进行信道估计，从而获得终端到基站的上行链路信道LOS 径和NLOS径参数信息，通过获取到的参数信息可以用于上行链路信道空间的矩阵构建。具体 的，可以定义基站坐标为bn，n＝1,2,...,N，并且假设N个BS的时钟完全同步。u°表示UE 的位置，表示UE的速度，假设介于第n个BS和UE之间的第l个散射体的位置为/>总共 有/>个散射体，其中Ln表示第n个BS对应的散射体的个数。则多径信道可建模为：
其中，vn,l、τn,l分别表示第l条路径的增益、多普勒频率以及时延， 分别为第l条路径的方位AOA、俯仰AOA、方位AOD和俯仰AOD，和 />分别对应接收和发送的导向矢量。在公式(1)中，当l＝0时，表示LOS径模 型；当l＝1,2,...,Ln时，表示NLOS径模型。
图2是本申请实施例提供的一种终端定位与感知方法的流程图，本申请实施例可以是用 于终端位置信息确定以及环境信息感知的情况，该方法可以由终端定位与感知装置来执行， 该装置可以通过软件和/或硬件来实现，参见图2，本申请实施例提供的方法具体包括如下步 骤：
步骤110、根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取信道估计的信道参数。
其中，回波信号可以是通过不同传输路径到达基站的信号，回波信号可以包括终端发送 的直接到达基站的信号以及终端发送的且仅经过一个反射体反射到达基站的信号。信道参数 可以是反映信号传输状态的信息，可以包括路径增益、多普勒频率、时延以及角度等。
在本申请实施例中，可以接收回波信号，并对回波信号进行信道估计从而确定出路径增 益、多普勒频率、时延以及角度等信道参数。
步骤120、基于信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数。
在本申请实施例中，可以按照确定出的信道确定视距径量测参数以及非视距径量测参数， 在一个实施例中，可以按照确定出的信道参数确定上行链路信道空间，可以在上行链路信道 空间内通过已获取的信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数。例如，可以通过 基站处信号到达时间以及多普勒频率确定视距径量测参数。
步骤130、根据预设回波几何模型确定视距径量测参数和非视距径量测参数的关联关系 矩阵。
其中，预设回波几何模型可以为上行链路的空间几何关系的模型，预设回波几何模型可 以由空间内基站、反射体、UE的位置关系确定。关联关系矩阵可以包括标识视距径量测参数 和非视距径量测参数之间的关联关系的信息，关联关系矩阵内元素可以包括视距径量测参数、 非视距径量测参数、定位信息以及环境感知信息等。
在本申请实施例，可以按照预设回波几何模型的空间几何关系确定视距径量测参数以及 非视距径量测参数之间的对应关系，可以将该对应关系表示为关联关系矩阵。
步骤140、基于关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。
在本申请实施例中，可以通过对关联关系矩阵进行处理，从而确定出定位信息以及环境 感知信息，其中，定位信息可以标识终端设备所处的位置以及终端设备的移动速度，环境感 知信息可以包括散射***置信息。在一个示例性的实施方式中，通过关联关系矩阵确定定位 信息和环境感知信息的方式可以包括通过加权最小二乘法求解关联关系矩阵，还可以通过梯 度下降法等方式确定。
在本申请实施例中，根据接收到的回波信号进行信道估计，从而确定信道参数，按照信 道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数，按照回波几何模型确定视距径量测参数 以及非视距径量测参数的关联关系矩阵，根据求解关联关系矩阵确定出定位信息以及环境感 知信息，本申请实施例通过视距径量测信息以及非视距径量测信息同时实现终端设备位置信 息确定以及环境信息的感知，可提高定位精度，增强通信信息的丰富程度，可提高用户的使 用体验。
在一个示例性的实施方式中，信道参数包括以下至少之一：路径增益、多普勒频率、时 延、角度。
在一些实施例中，视距径量测参数包括以下至少之一：到达时间差参数、到达频率差参 数、到达角参数。
在一些实施例中，非视距径量测参数包括以下至少之一：到达角参数、离去角参数。
在一些实施例中，定位信息包括终端位置信息、速度信息，所述环境感知信息包括散射 ***置信息。
在一些实施例中，预设回波几何模型包括以下至少之一：
视距径到达时间差量测参数等式；视距径到达频率差量测参数等式；视距径到达角量测 参数等式；非视距径到达角量测参数等式；非视距径离去角量测参数等式。
图3是本申请实施例提供的另一种终端定位与感知方法的流程图，本申请实施例是在上 述申请实施例基础上的具体化，参见图3，本申请实施例提供的方法具体包括如下步骤：
步骤210、根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取信道估计的信道参数。
步骤220、基于信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数。
步骤230、根据预设回波几何模型确定视距径量测参数和非视距径量测参数的关联关系 矩阵。
步骤240、按照预设量测噪声模型在关联关系矩阵内增加误差向量。
其中，误差向量可以包括通信模型受到噪声影响而产生的误差，预设量测噪声模型可以 是用于在预设回波几何模型内添加噪声影响的模型，预设量测噪声模型可以由高斯白噪声确 定。
在本申请实施例中，由于实际通信环境中信号传输的信道存在噪声，可以通过协方差为 Q的高斯白噪声作为预设量测噪声模型，可以按照该预设量测噪声模型在确定出的关联关系 矩阵内添加误差向量，使得视距径量测参数和非视距径量测参数的关联关系矩阵可以受到噪 声的影响。
步骤250、按照加权最小二乘估计器解析关联关系矩阵以确定定位信息和环境感知信息。
其中，加权最小二乘(Weighted Least Squares，WLS)估计器可以内置有加权最小二乘 方法，该估计器可以通过对待求解模型进行加权使之成为一个新的不存在异方差性的模型， 然后采用最小二乘估计估算求解。
在本申请实施例中，可以调用预先设置的加权最小二乘估计器对关联关系矩阵进行求解， 从而确定出定位信息和环境感知信息。
进一步的，在一些实施例中，可以仅通过NLOS径量测信息定位与环境感知，在这种情况 下，要求NLOS径的数量大于或等于3，且NLOS径由至少两个基站测取，可以通过已知的基 站位置实现UE定位以及环境感知。
图4是本申请实施例提供的一种终端定位与感知方法的示例图，参见图4，终端定位与 感知的具体过程可以包括如下步骤：
步骤1：根据BS接收到的回波信号进行信道估计，利用信道参数获取LOS径量测参数， 以第一个BS处的到达时间、多普勒频率为参考，分别获取到达时间差(TimeDifference Of Arrival，TDOA)，到达频率差(Frequency Difference Of Arrival，FDOA)参数。
然后根据角度关系，获取LOS径的到达角(Angle of Arrival，AOA)参数。
在本申请实施例中，LOS径的离去角(Angle of Departure，AOD)参数与AOA参数等价， 在此处不作描述。
步骤2：利用信道参数获取NLOS径量测参数，主要包括AOA和AOD参数
由于NLOS径的AOA和AOD参数对应的传输路径不同，几何关系也相应的不同。
步骤3：建立信道LOS径TDOA量测参数等式，已知等式两边同时平方，得到/>又由于/>得到
引入角度向量等式两边同乘 />得到
由于TDOA量测以第一个BS为参考，则可以建立N-1个TDOA量测等式。
步骤4：建立信道LOS径FDOA量测参数等式，得到
同样，由于FDOA量测以第一个BS为参考，则可以建立N-1个FDOA量测等式。
步骤5：建立信道LOS径AOA量测参数等式，得到
其中，
由于获得了N个BS的俯仰和方位角的AOA量测信息，则可以建立2N个AOA量测等式。
步骤6：建立信道NLOS径AOA量测参数等式，得到
其中， 由于共获取了Ns个NLOS径的AOA量测 信息，则可以建立2Ns个NLOS径的AOA量测等式。
步骤7：建立信道NLOS径AOD量测参数等式，得到
其中，
由于共获取了Ns个NLOS径的AOD量测信息，则可以建立2Ns个NLOS径的AOD量测等式。
步骤8：将上述伪线性等式(8)、(9)、(10)、(11)和(12)整理成矩阵形式
h＝Gx° (13)
其中，h为上述伪线性等式中不 含有x°的项，G为x°的系数矩阵。
步骤9：上述情形下，伪线性等式个数为4(N+Ns)-2，待估计参数为6+3Ns个。通常情况下，等式个数大于待估计参数个数，且不同的信道参数有着不同的估计方差。因此使用WLS 估计器求解上述超定问题。
步骤10：在实际环境下，信道不可能是无噪的。假定量测噪声建模为m＝m°+Δm，其中Δm是均值为零，协方差矩阵为Q的高斯白噪声，使用含噪声量测替换线性等式h＝Gx°，得到误差向量
其中和/>表示含有量测噪声。
步骤11：利用WLS估计器得到待估计参数的解为
其中，为加权矩阵。忽略e的二次项和高阶项后，e可近似为
e≈BΔm (16)
其中，矩阵B可通过对误差向量e的泰勒展开获得解析解。最终加权矩阵表示为W＝(BQBT)-1。
实际求解过程中，由于矩阵B与待求解参数有关，无法直接获得权重矩阵W。首先初始 化加权矩阵W(0)＝Q-1，利用WLS估计器获得UE和散射体的初步估计，再根据初步估计结果获取矩阵B，然后根据矩阵B更新加权矩阵W，将上述迭代过程进行1到2次便可以获得较为准确的解。
在本申请实施例中，通过联合LOS径和NLOS径量测信息，仅利用一步WLS估计器可实现 对UE和散射体的同时定位，从而简化了信息估计流程，可降低***处理开销。由于联合LOS 径和NLOS径的量测信息，使用NLOS径量测信息的辅助定位，可提升UE的定位精度。
图5是本申请实施例提供的一种终端定位与感知装置的结构示意图，该装置可执行本申 请任意实施例提供的终端定位与感知方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。该装 置可以由软件和/或硬件实现。本申请实施例提供的装置具体包括：信道估计模块301、径量 测模块302、关系建立模块303和信息确定模块304。
信道估计模块301，用于根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取所述信道估计的 信道参数。
径量测模块302，用于基于所述信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数。
关系建立模块303，用于根据预设回波几何模型确定所述视距径量测参数和所述非视距 径量测参数的关联关系矩阵。
信息确定模块304，用于基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。
本申请实施例，通过信道估计模块根据接收到的回波信号进行信道估计，从而确定信道 参数，径量测模块按照信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数，关系建立模块 按照回波几何模型确定视距径量测参数以及非视距径量测参数的关联关系矩阵，信息确定模 块根据求解关联关系矩阵确定出定位信息以及环境感知信息，本申请实施例通过视距径量测 信息以及非视距径量测信息同时实现终端设备位置信息确定以及环境信息的感知，可提高定 位精度，增强通信信息的丰富程度，可提高用户的使用体验。
在一些实施例中，还包括：误差模块，用于按照预设量测噪声模型在所述关联关系矩阵 内增加误差向量。
在一些实施例中，信道参数包括以下至少之一：路径增益、多普勒频率、时延、角度。
在一些实施例中，视距径量测参数包括以下至少之一：到达时间差参数、到达频率差参 数、到达角参数。
在一些实施例中，非视距径量测参数包括以下至少之一：到达角参数、离去角参数。
在一些实施例中，定位信息包括终端位置信息、速度信息，所述环境感知信息包括散射 ***置信息。
在一些实施例中，信息确定模块304具体用于：按照加权最小二乘估计器解析所述关联 关系矩阵以确定所述定位信息和所述环境感知信息。
本申请实施例所提供的终端定位与感知装置可执行本发明任意实施例所提供的终端定位 与感知方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
图6是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备包括处理器60、存 储器61；电子设备中处理器60的数量可以是一个或多个，图6中以一个处理器60为例；电 子设备中处理器60、存储器61可以通过总线或其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
存储器61作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及 模块，如本申请实施例中的终端定位与感知方法对应的程序、本申请实施例中的传输装置对 应的模块(信道估计模块301、径量测模块302、关系建立模块303和信息确定模块304)。 处理器60通过运行存储在存储器61中的软件程序、指令以及模块，从而执行电子设备的各 种功能以及数据处理，即实现上述的终端定位与感知方法。
存储器61可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至 少一个功能所需的程序；存储数据区可存储根据电子设备的使用所创建的数据等。此外，存 储器61可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储 器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器61可进一步包括相 对于处理器60远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子设备。上述网络 的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
在一些实施例中，电子设备具体为基站或基站集群，基站或基站集群可以位于空间内不 同位置。
本申请实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在 由计算机处理器执行时用于执行一种终端定位与感知方法。
在一种实施方式中，所述信号生成方法包括：
根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取所述信道估计的信道参数；
基于所述信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数；
根据预设回波几何模型确定所述视距径量测参数和所述非视距径量测参数的关联关系矩 阵；
基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助 软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施 方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以 软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机 的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory, RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人 计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的信号生成方法。
值得注意的是，上述装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行 划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具 体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、装置、设备中 的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。
在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组 件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组 件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信 号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成 电路。相应的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质 (或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算 机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据) 的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包 括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或 其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并 且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通 常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据 信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上内容参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领 域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明 的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种终端定位与感知方法，其特征在于，所述方法包括：
根据接收到的回波信号进行信道估计，并获取所述信道估计的信道参数；
基于所述信道参数确定视距径量测参数以及非视距径量测参数；
根据预设回波几何模型确定所述视距径量测参数和所述非视距径量测参数的关联关系矩阵；
基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：
按照预设量测噪声模型在所述关联关系矩阵内增加误差向量。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述信道参数包括以下至少之一：路径增益、多普勒频率、时延、角度。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述视距径量测参数包括以下至少之一：到达时间差参数、到达频率差参数、到达角参数。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述非视距径量测参数包括以下至少之一：到达角参数、离去角参数。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述定位信息包括终端位置信息、速度信息，所述环境感知信息包括散射***置信息。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于所述关联关系矩阵确定定位信息和环境感知信息，包括：
按照加权最小二乘估计器解析所述关联关系矩阵以确定所述定位信息和所述环境感知信息。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预设回波几何模型包括以下至少之一：
视距径到达时间差量测参数等式；
视距径到达频率差量测参数等式；
视距径到达角量测参数等式；
非视距径到达角量测参数等式；
非视距径离去角量测参数等式。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8中任一所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述方法。
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