本发明属于空间定位技术领域，具体涉及一种基于虚拟小区的室内三维定位方法及系统。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，提供基于地理位置信息的服务已经成为最具市场前景的业务之一。从传统的gps导航，到微信等基于地理位置的消费信息服务和社交软件，实现其功能的基础是通过终端等设备，来获得距离、角度等测量信息，并利用定位算法将这些测量信息转换成坐标信息。由于室内环境的特殊性与复杂性，gps在室内环境下无法定位，使得研究基于移动终端定位的方法尤为重要。
利用波束扫描实现定位，如申请号为cn201710697495.1的中国专利，该专利采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但二维波束中垂直方向的天线下倾角是固定的，只是利用水平方向的空域资源，能量的汇聚度不够高，从而限制了覆盖范围。
一种高精度三维实景室内外一体化定位方法及装置，如申请号为cn201610813895.x的中国专利，其方法是将gps定位结果引入室内，在室内选取gps坐标可测的几个基准点，以基准点为坐标原点建立平台坐标系；于基准点处引入激光三维扫描仪获取室内三维点云信息，将点云统一到平台坐标系；将超宽带室内定位系统坐标系与上述坐标数据作进一步坐标转换，完成室内目标定位。但该定位系统结构复杂，成本高，实施难度大。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于虚拟小区的室内三维定位方法及系统，该方法及系统解决了现有技术室内定位复杂且难度大的问题，能够有效改善系统的覆盖，进行快速定位。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于虚拟小区的室内三维定位方法，该方法包含：
步骤1(s100)：建立虚拟小区：根据待测接收终端和节点的相对位置，以及信道建立至少两个以上的虚拟小区，其中两个虚拟小区分别表示为虚拟小区k和j，该虚拟小区的虚拟基站包含：4个以上的节点，且至少有4个节点不在同一平面上；
步骤2(s200)：获得虚拟基站到接收终端的信道矩阵：获得虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵hkk，以及虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵hkj；
步骤3(s300)：根据对系统和速率r的寻优，获得虚拟基站的预编码矩阵wk；
步骤4(s400)：根据预编码对虚拟基站的发射信号进行波束形成；
步骤5(s500)：待测接收终端检测，以确定待测接收终端的位置。
在所述的步骤3中，所述的预编码矩阵wk的计算方法包含：
步骤1b(s321)：获得利己预编码矩阵wind；设定矩阵
步骤2b(s322)：获得利他预编码矩阵walt；求解齐次线性方程组hjkwalt＝0，其中，hjk是虚拟小区k的虚拟基站k到终端j的信道矩阵，得到该方程组的解为利他向量walt1，walt2，l，waltu，根据利他向量组成利他预编码矩阵walt＝[walt1walt2lwaltu]；
步骤3b(s323)：根据利己预编码矩阵wind在利他预编码矩阵walt上的映射，得到虚拟基站k的预编码矩阵wk。
其中，所述的利己预编码矩阵wind和利他预编码矩阵walt的维数根据所述的虚拟基站的发射天线数s和待测接收终端的接收天线数t确定；虚拟基站的发射天线数s≥虚拟基站的节点数目。
优选地，在所述的步骤(5)中，所述的待测接收终端检测，建立三维坐标系xyz，在所有节点中选取4个不在同一平面上的节点作为目标节点f，f＝1,2,3,4，以所述的待测接收终端到目标节点的距离为半径，以4个目标节点为球心，分别建立球体f，建立具有约束条件的三维空间球面方程组，求得约束条件方程组的解作为待测终端的位置坐标。
所述的约束条件基于目标节点坐标加权距离倒数，约束条件方程为：
z＝z0+δ·n(1)
式(1)中，n＝0，±1，±2，l，±n；n为步进尺度；n为最大步进尺度；δ为定位精度；
式(1)中，
优选地，在所述的步骤(5)中，所述的球体f的球面方程为：
式(2)中，xf、yf、zf为所述的球体f在三维坐标系xyz中的坐标，lf为利用距离损耗模型估计出待测接收终端到节点的距离。
在所述的步骤(5)中，求解在f＝1,2,3时，所述的公式(2)的解，表示为x解n,y解n,z解n，n＝0，±1，±2，l，±n；将x解n,y解n,z解n代入f＝4时公式(2)中，令x＝x解n，y＝y解n，z＝z解n，得到：
所述的待测接收终端在三维坐标系xyz中的坐标为：
其中，n＝0，±1，±2，l，±n，||表示取绝对值，
优选地，在所述的步骤3b中，在所述的t＝1时，所述的预编码矩阵
优选地，当所述的t＝2时，所述的预编码矩阵wk＝[wk1wk2]，其中，
优选地，在所述的步骤3中，所述的系统和速率r为：
式中，hkk为虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵，hkj为虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，
优选地，所述的系统和速率r的计算方法，包含：
步骤1a(s311)：定义接收终端k的速率rk为
步骤2a(s312)：根据速率rk获得系统和速率r，r为
优选地，在所述的步骤4中，所述的虚拟基站k发射的信号波束为：wk·s，其中，s为虚拟基站k发射的信号。
本发明还提供了一种基于虚拟小区的室内三维定位系统，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和待测接收终端；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；所述的虚拟小区的虚拟基站含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；所述的待测接收终端用于接收虚拟基站的节点发射的信号。
其中，所述的待测接收终端包含：信道矩阵建立模块，其用于建立所述的节点与待测接收终端的信道矩阵；预编码模块，其用于获取最优的系统和速率r，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过所述的预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得待测接收终端的位置。
其中，所述的预编码模块采用所述的基于虚拟小区的室内三维定位方法获得预编码；所述的终端位置计算模块采用所述的基于虚拟小区的室内三维定位方法计算待测接收终端的位置。
本发明的基于虚拟小区的室内三维定位方法及系统，解决了现有技术室内定位复杂且难度大的问题，具有以下优点：
(1)本发明的系统及方法，基于分布式天线的虚拟小区可以有效改善系统的覆盖，缩短平均接入距离，减少路径损耗，也降低信令开销对干扰协调的影响；
(2)本发明的系统及方法采用利己预编码矩阵在利他预编码矩阵上的映射，以使得到的预编码以趋向于利己的值空间为辅，以抑制干扰为主；
(3)本发明的系统及方法，基于具有约束条件的三维空间球面方程的空间坐标估计法，根据实际系统的定位精度需求，设置约束条件参数，利用步进遍历选择法，快速求解球面方程组，实施简洁，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的基于虚拟小区的室内三维定位方法的流程图。
图2为本发明获得预编码的流程图。
图3为本发明的基于建立三维空间球进行定位的示意图。
图4为本发明一实施例虚拟基站k通过两个传输层给终端k发送数据的示意图。
图5为本发明的系统和速率的计算方法的流程图。
图6为本发明的基于虚拟小区的室内三维定位系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种基于虚拟小区的室内三维定位方法，如图1所示，为本发明的基于虚拟小区的室内三维定位方法的流程图，该方法包含：
步骤1(s100)：建立虚拟小区：根据待测接收终端和节点的相对位置，以及信道建立至少两个以上的虚拟小区，其中两个虚拟小区分别表示为虚拟小区k和j，该虚拟小区的虚拟基站包含：4个以上的节点，且至少有4个节点不在同一平面上；
步骤2(s200)：获得虚拟基站到接收终端的信道矩阵：获得虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵hkk，以及虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵hkj；
步骤3(s300)：根据对系统和速率r的寻优，获得虚拟基站的预编码矩阵wk；
步骤4(s400)：根据预编码对虚拟基站的发射信号进行波束形成；
步骤5(s500)：待测接收终端检测，以确定待测接收终端的位置；
如图2所示，为本发明获得预编码的流程图，在步骤3中，预编码矩阵wk的计算方法包含：
步骤1b(s321)：获得利己预编码矩阵wind；设定矩阵
步骤2b(s322)：获得利他预编码矩阵walt；求解齐次线性方程组hjkwalt＝0，其中，hjk是虚拟小区k的虚拟基站k到终端j的信道矩阵，得到该方程组的解为利他向量walt1，walt2，l，waltu，根据利他向量组成利他预编码矩阵walt＝[walt1walt2lwaltu]；
步骤3b(s323)：根据利己预编码矩阵wind在利他预编码矩阵walt上的映射，得到虚拟基站k的预编码矩阵wk；
利己预编码矩阵wind和利他预编码矩阵walt的维数根据虚拟基站的发射天线数s和待测接收终端的接收天线数t确定。虚拟基站的发射天线数s≥虚拟基站的节点数目。
本发明的系统及方法采用利己预编码矩阵在利他预编码矩阵上的映射，以使得到的预编码以抑制干扰为主。
进一步地，如图3所示，为本发明的基于建立三维空间球进行定位的示意图，根据本发明一实施例，在步骤(5)中，待测接收终端检测，建立三维坐标系xyz，在所有节点中选取4个不在同一平面上的节点作为目标节点f，f＝1,2,3,4，以待测接收终端到目标节点的距离为半径，以4个目标节点为球心，分别建立球体f，建立具有约束条件的三维空间球面方程组，求得约束条件方程组的解作为待测终端的位置坐标。具体地，选取虚拟小区的虚拟基站中的4个节点p1、p2、p3和p4，p1、p2、p3和p4不在同一平面上，在三维坐标系xyz中分别以节点p1、p2、p3和p4的坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)为球心，通过rssi距离损耗模型求得待定位终端k与虚拟基站k各节点p1、p2、p3和p4之间的距离分别为l1、l2、l3和l4，以l1、l2、l3和l4为半径，建立四个球，实际的待定位终端在这四个球所围成的空间区域中。
增加一个基于节点坐标加权距离倒数的约束条件方程：
z＝z0+δ·n(1)
式(1)中，n＝0，±1，±2，l，±n；n为步进尺度；n为最大步进尺度；δ为定位精度。
式(2)中，其中，l1、l2、l3为利用距离损耗模型估计出待测接收终端到各节点的距离；z1、z2、z3为所述球心在z轴上的坐标位置。
具体地，在上述4个节点p1、p2、p3和p4作为球心和l1、l2、l3和l4作为半径建立4个球时，
进一步地，根据本发明一实施例，在步骤(5)中，球体f的球面方程为：
式(2)中，xf、yf、zf为所述的球体f在三维坐标系xyz中的坐标，lf为利用距离损耗模型估计出待测接收终端到节点的距离。
在步骤(5)中，求解在f＝1,2,3时，公式(2)的解，表示为x解n,y解n,z解n，n＝0，±1，±2，l，±n；将x解n,y解n,z解n代入f＝4时公式(2)中，令x＝x解n，y＝y解n，z＝z解n，得到：
待测接收终端在三维坐标系xyz中的坐标为：
式(5)中，n＝0，±1，±2，l，±n，||表示取绝对值，
本发明的方法通过上述约束方程简化了方程的求解过程，将高度坐标z根据实际定位场景作了假设，减少了方程组的个数(由4个方程组变为3个，剩余的一个方程只用于验证)，使得可以快速求解。
具体地，在上述4个节点p1、p2、p3和p4作为球心和l1、l2、l3和l4作为半径建立4个球时，4个球体的球面方程为：
理论上，根据上述球面方程求空间4个球面的相交点，即为待测接收终端的坐标。但是，在实际应用中，由于存在测量误差，四个球可能不准确相交于一点，且求解上述方程组比较复杂。为此，采用基于实际环境的约束方程式(1)z＝z0+δ·n约束球面方程式(9)，进而简化求解过程。
求得方程组(6)、(7)、(8)和(1)的解为x解n,y解n,z解n，n＝0，±1，±2，l，±n，将x解n,y解n,z解n代入方程(9)的右边，对应得到估计距离l4,解n：
则得到待测接收终端k的坐标：
实际计算中，可以取n＝0开始，设定系统需求定位精度为0.3米，即δ＝0.3米，遍历高度区间[0,z0+δ·n]得到z解n，即所有遍历过程中的定位坐标与虚拟基站节点距离与测量计算的距离，两者的误差最小时，则对应的(x解n,y解n,z解n)作为最终定位坐标，从而在误差不很大的情况下，快速估计出待测接收终端k的三维位置信息。
进一步地，根据本发明一实施例，在步骤3b中，在t＝1时，预编码矩阵
步骤1b(s321)：虚拟基站k根据hkk估计得到利己预编码矩阵wind，为4×1维；
步骤2b(s322)：虚拟基站k根据hjk求解系数矩阵为4×1的齐次线性方程组得到利他预编码矩阵walt，为4×1维；
步骤3b(s323)：虚拟基站k根据利己预编码矩阵在利他预编码矩阵上的映射，得到虚拟基站1的预编码矩阵
进一步地，根据本发明一实施例，在t＝2时，预编码矩阵wk＝[wk1wk2]，其中，
具体地，如图4所示，为本发明一实施例虚拟基站k通过两个传输层给终端k发送数据的示意图，在虚拟基站k和虚拟基站j的发射天线均为4天线，终端k的接收天线为2天线时，虚拟基站k用两个传输层给终端k发送数据，具体步骤如下：
步骤1b(s321)：虚拟基站k根据hkk估计得到利己预编码矩阵wind＝[wind1wind2]，其中wind1、wind2均为4×1维向量；
步骤2b(s322)：虚拟基站k根据hjk求解系数矩阵为4×2的齐次线性方程组得到利他预编码矩阵walt＝[walt1walt2]，其中walt1、walt2均为4×1维向量；
步骤3b(s323)：虚拟基站k根据利己预编码矩阵在利他预编码矩阵上的映射，得到虚拟基站1的预编码矩阵wk＝[wk1wk2]，其中，
根据本发明的方法可以依次类推t>2时的预编码矩阵。预编码的映射方式不仅与收/发天线数有关，还与发射/接收的数据流有关，一般天线数≥流数。
进一步地，如图5所示，为本发明的系统和速率的计算方法的流程图，根据本发明一实施例，在步骤3中，系统和速率r的计算方法，包含：
步骤1a(s311)：定义接收终端k的速率rk为
步骤2a(s312)：根据速率rk获得系统和速率r，r为
上式中，hkk为虚拟小区k的虚拟基站k到待测接收终端的信道矩阵，hkj为虚拟小区j的虚拟基站j到待测接收终端的信道矩阵，wk为虚拟基站k的预编码，wj为虚拟基站j的预编码，
进一步地，根据本发明一实施例，在步骤4中，虚拟基站k发射的信号波束为：wk·s，其中，s为虚拟基站k发射的信号。
一种基于虚拟小区的室内三维定位系统，如图6所示，为本发明的基于虚拟小区的室内三维定位系统的结构示意图，该系统包含：至少两个以上的虚拟小区和待测接收终端；其中，任意两个虚拟小区表示为：虚拟小区k和虚拟小区j；虚拟小区的虚拟基站含有：至少4个节点，且该4个节点不在同一平面上；待测接收终端用于接收虚拟基站的节点发射的信号。
上述待测接收终端包含：信道矩阵建立模块，其用于建立节点与待测接收终端的信道矩阵；预编码模块，其用于获取最优的系统和速率r，得到预编码；以及终端位置计算模块，其通过预编码形成虚拟基站发射的信号波束，并进行空间定位，以获得待测接收终端的位置。
其中，预编码模块采用上述基于虚拟小区的室内三维定位方法获得预编码；终端位置计算模块采用上述基于虚拟小区的室内三维定位方法计算待测接收终端的位置。
综上所述，本发明的基于虚拟小区的室内三维定位方法及系统克服了目前室内定位方法复杂且定位精度较低等问题，具有覆盖广、抗多径效果好、可扩展性强等特点，可以实现室内快速三维定位。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。