一种基于终端簇的室内定位系统及定位方法

本发明涉及一种室内定位方法，具体涉及一种基于终端簇的室内定位系统及定位方法。

背景技术：

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。当前的大多数定位算法只是针对无线二维网络展开研究的，然而在实际应用中无线网络节点也会经常处于三维环境中，这些场合下需要提供移动终端的三维位置信息，目前研究人员提出了许多基于射频识别的室内定位解决方案。

如中国专利cn201710697495.1，其利用波束扫描实现定位，该专利采用多天线标签，结合波束扫描，实现室内定位。但是，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。

基于典型的非测距dv-hop定位算法具有成本低和对部署环境要求低的优势，但是定位过程中很大程度上地依赖网络中信标节点的分布，如果网络中锚节点分布不均匀，在估算未知节点坐标时会存在一定的定位误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于终端簇的室内定位系统及定位方法，该方法基于多普勒频移大小区间的终端分簇，移动终端与节点间的相对运动导致多普勒频移的产生，多普勒频移可以准确的描述终端的移动速度和移动方向，映射出信道的差异，从而可以同时为一簇中的多个终端提供精确的定位服务。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于终端簇的室内定位方法，该方法针对的基于终端簇的室内定位系统包含：室内接入节点tt以及若干终端qp，p为终端编号，t为节点编号，且至少含有四个不在同一平面上的节点t1、t2、t3和t4，节点为待定位环境周围的基站，以终端q1表示区域内若干终端中任意一待定位终端，终端q1为具有读写功能的装置；该室内定位方法包含：

(s100)所述节点以混合预编码方式发送信息：将任意一个节点tt覆盖区域中的终端总数设为k，将该节点tt覆盖区域中的终端划分为n个终端簇，设第q簇的终端数为kq，q∈[1,2,…,n]，且通过节点t1,t2,t3,t4端分别进行基于混合预编码的发射，节点t1,t2,t3,t4发送的信息包括：节点的id和位置信息；

(s200)终端q1对接收到的来自节点tt的信号进行检测；

(s300)对终端q1进行空间位置估计：通过加权的距离向量-跳段方法求得终端q1与t1、t2、t3和t4之间的距离l1、l2、l3和l4，分别以节点t1、t2、t3和t4为圆心，距离l1、l2、l3和l4为半径得到四个球，实际的终端q1在这四个球所围成的空间区域中；设定四个节点t1、t2、t3和t4的坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，建立三维空间球面方程组，采用极大似然估计法解方程组，则终端q1的位置坐标为：

其中，上角标’表示求转置，上角标-1表示求逆，

在步骤(s100)中，所述节点以混合预编码方式发送信息的方法，包含：

(s110)基于多普勒频移大小区间划分终端簇：根据任意两个终端qc和qd的多普勒频移fp的大小确定终端簇的划分：若fmin+m*δf<fp≤fmin+n*δf，其中p＝c或d，fmin为最小多普勒频移，δf为经验值，n＝1,2,3，m＝0,1,2，则终端qc和qd划分于同一终端簇，该终端簇用表示；

(s120)根据终端簇估计预编码：针对终端簇利用不同多普勒尺度信道状态信息进行模拟预编码和数字预编码的混合预编码设计，获得混合预编码cq；

(s130)基于终端分簇的混合预编码发射：节点tt的原始信号s通过混合预编码进行加权，并映射到相应的天线端口，发射信号为：cq·s。

其中，在步骤(s120)中，所述混合预编码的设计方法，包含：

(s121)估计模拟预编码：针对第q簇终端，节点tt从码本中选择使该簇的信干噪比最大的码字为该簇的模拟预编码，为：

式中，ci为预编码码字，w3d为预编码码本，σ²为噪声方差，为节点tt到第q簇中所有终端之间的聚合信道，ht,q1为节点tt到第q簇第1个终端的信道，ht,q2为节点tt到第q簇第2个终端的信道，…，ht,qkq为节点tt到第q簇第kq个终端的信道；ht,r1为节点tt到第r簇第1个终端的信道，ht,r2为节点tt到第r簇第2个终端的信道，…，ht,rkr为节点tt到第r簇第kr个终端的信道，r∈[1,2,…,q-1,q+1,…,n]；||||表示求范数；表示使后面这个式子达到最大值时的ci取值，表示在码本中选择使得目标函数值最大的码字作为模拟预编码cq,rf；

(s122)估计数字预编码：设聚合信道与第q簇终端模拟预编码构成的等效信道为：采用规则化迫零构造内层预编码cq,bb，则：

式(8)中，i为单位阵，pt为节点tt的发射功率，δq为功率归一化因子，且

其中，vq为中间变量，上角标-1表示求逆；

(s123)根据模拟预编码和数字预编码得到混合预编码，为：

cq＝cq,rf·cq,bb(9)。

优选地，所述基于多普勒频移大小区间划分终端簇，包含：

(1)当fmin<fp≤fmin+δf时，终端簇为低多普勒频移终端簇；

(2)当fmin+δf<fp≤fmin+2δf时，终端簇为中多普勒频移终端簇；

(3)当fmin+2δf<fp≤fmin+3δf时，终端簇为高多普勒频移终端簇。

优选地，在步骤(s300)中，通过加权的距离向量-跳段方法求得终端q1到各节点的距离，终端q1到节点t1、t2、t3和t4的距离分别为：

l1＝hop1q·hopsizeq

l2＝hop2q·hopsizeq

l3＝hop3q·hopsizeq

l4＝hop4q·hopsizeq

式中，hop1q、hop2q、hop3q和hop4q分别为终端q1到节点t1、t2、t3和t4的最小跳数；hopsizeq为距离终端q1最近的节点ta的平均跳距；

式中，intt为终端q1到节点tt的最小整数跳数；表示广义节点tj+的信号强度因子，取该广义节点tj+与上一跳广义节点tj间的信道矩阵的谱范数的平方：j为广义节点号，j+为表示节点tj的相邻上一跳节点的节点号，广义节点包括节点和伪节点，伪节点为除终端q1外的其它待定位终端；

式中，dta为节点ta与节点tt之间的距离。

本发明的另一目的是提供一种基于终端簇的室内定位系统，该系统包含：室内接入节点tt以及若干终端qp，p为终端编号，t为节点编号，且至少含有四个不在同一平面上的节点t1、t2、t3和t4，节点为待定位环境周围的基站，以终端q1表示区域内若干终端中任意一待定位终端，终端q1为具有读写功能的装置；该室内定位系统中任意一待定位终端q1通过所述的方法进行定位。

本发明的基于终端簇的室内定位系统及定位方法，具有以下优点：

本发明的方法基于多普勒频移大小区间的终端分簇，移动终端与节点间的相对运动导致多普勒频移的产生，多普勒频移可以准确的描述终端的移动速度和移动方向，映射出信道的差异，从而可以同时为一簇中的多个终端提供精确的定位服务。此外，采用混合预编码，使发射信号能够实时追踪移动的终端，将发送能量集中在特定的方位上，克服终端簇中的簇间干扰和簇内干扰，提升定位准确性。基于加权的距离向量-跳段测距法，通过引入信号强度因子对最小跳数加权，减小了常规距离向量-跳段中最小跳数带来的误差，从而定位更为精确。

附图说明

图1为本发明的基于终端簇的室内定位方法的流程图。

图2为本发明节点以混合预编码方式发送信息的方法的流程图。

图3为本发明终端簇中终端的选择方法的流程图。

图4本发明方法的定位框图。

图5本发明基于多普勒频移划分的终端簇的示意图。

图6基于终端分簇的混合预编码发射的示意图。

图7基于加权的距离向量-跳段测距方法示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于终端簇的室内定位方法，如图4示，为本发明方法的定位框图，该方法针对的基于终端簇的室内定位系统包含：室内接入节点tt以及若干终端qp，p为终端编号，t为节点编号，且至少含有四个不在同一平面上的节点t1、t2、t3和t4，节点为待定位环境周围的基站，以终端q1表示区域内若干终端中任意一待定位终端，终端q1为具有读写功能的装置。如图1所示，为本发明的基于终端簇的室内定位方法的流程图，该定位方法包含：

(s100)节点以混合预编码方式发送信息：将任意一个节点tt覆盖区域中的终端总数设为k，将该节点tt覆盖区域中的终端划分为n个终端簇，设第q簇的终端数为kq，q∈[1,2,…,n]，且通过节点t1,t2,t3,t4端分别进行基于混合预编码的发射，节点t1,t2,t3,t4发送的信息包括节点的id和位置信息等；

(s200)终端q1对接收到的来自节点tt的信号进行检测：在实际检测时，假设终端q1接收到t1、t2、t3和t4四个节点的信号，从中分离出各个信号，然后进行处理；

(s300)对终端q1进行三维空间位置估计：通过加权的距离向量-跳段方法求得终端q1与各节点tt(t＝1,2,3,4)之间的距离lt(t＝1,2,3,4)，分别以各节点tt(t＝1,2,3,4)为圆心，距离lt(t＝1,2,3,4)为半径得到四个球，实际的终端q1在这四个球所围成的空间区域中；再采用最小二乘估计法解方程组，则终端q1的位置坐标为：

其中，上角标’表示求转置，上角标-1表示求逆，

在步骤(s100)中，节点以混合预编码方式发送信息的方法，参见图2，包含：

(s110)基于多普勒频移划分终端簇

如图5所示，为本发明基于多普勒频移划分终端簇的示意图，即根据终端移动速度导致的多普勒频移大小划分区间进行分簇。

在室内立体停车库中，有步行的人流手持的终端q1、q2和q3(分别对应的多普勒频移为f1，f2，f3)、层间升降的车辆乘载的终端q4和q5(分别对应的多普勒频移为f4，f5)和地面行驶的车辆乘载的终端q6，q7，q8和q9(分别对应的多普勒频移为f6，f7，f8和f9)等，上述三种情形通常因移动速度和方向的不同，导致终端具有不同的多普频移。假设终端的最小多普勒频移为fmin，可以将步行的人流、地面行驶的车辆和层间升降的车辆承载的终端划分为低、中和高三个簇。具体地，以图5为例，图中终端总数k＝9，终端簇数q＝3，第1簇、第2簇和第3簇终端数分别为3个、2个和4个。

如图3所示，为本发明终端簇中终端的选择方法的流程图，假设终端qp的多普勒频移为fp，这里p＝1,2,3,…,9，终端簇划分如下所示：

(1)当fmin<fp≤fmin+δf时，p＝1,2,3，为低多普勒频移终端簇，记为

(2)当fmin+δf<fp≤fmin+2δf时,p＝4,5，为中多普勒频移终端簇，记为

(3)当fmin+2δf<fp≤fmin+3δf时，p＝6,7,8,9，为高多普勒频移终端簇，记为

其中，终端qp的多普勒频移:fz为终端传输信号的载波频率，c为光速，v为终端移动速度，θ为节点与终端的连线与速度方向的夹角。δf为经验值，可根据具体应用场景进行选取，例如，室内停车库场景，终端传输信号频率fz＝2ghz＝2×10⁹hz，光速c＝3×10⁸m/s，终端移动速度(一般步行为3.6km/h)：v＝3.6×1000/(60×60)m/s，节点与终端的连线与速度方向的夹角θ＝0，则

(s120)根据终端簇估计预编码

针对终端簇，利用不同多普勒尺度信道状态信息(csi)进行模拟预编码和数字预编码的混合预编码设计。将每个终端簇的局部散射环境映射到空间相关矩阵中，模拟预编码适应慢变化的信道，根据信道信息设计的模拟预编码用于抑制终端簇之间的干扰；在数字基带部分根据变化的csi实时更新，设计数字预编码用于降低终端簇内干扰。具体包含：

(s121)估计模拟预编码：

针对第q簇终端，节点tt从码本中选择使该簇的信干噪比最大的码字为该簇的模拟预编码，即

式中，ci为预编码码字,w3d为预编码码本，σ²为噪声方差，为节点tt到第q簇中所有终端之间的聚合信道，为节点tt到第q簇第1个终端的信道，为节点tt到第q簇第2个终端的信道，…，为节点tt到第q簇第kq个终端的信道；为节点tt到第r簇(r≠q)第1个终端的信道，r∈[1,2,…,q-1,q+1,…,n]，为节点tt到第r簇第2个终端的信道，…，为节点tt到第r簇第kr个终端的信道；||||表示求范数；表示使后面这个式子达到最大值时的ci取值，表示在码本中选择使得目标函数值最大的码字作为模拟预编码cq,rf。

(s122)估计数字预编码

设聚合信道与第q簇终端模拟预编码构成的等效信道为：采用规则化迫零构造内层预编码，则：

式(8)中，i为单位阵，pt为节点tt的发射功率，δq为功率归一化因子，且

其中，vq为中间变量，上角标-1表示求逆。

(s123)根据模拟预编码和数字预编码得到混合预编码，为：

cq＝cq,rf·cq,bb(9)

同理，得到对应于终端簇和的预编码分别为：c2和c3。

(s130)基于终端分簇的混合预编码发射

如图6所示，为基于终端分簇的混合预编码发射的示意图，对于终端簇分别采用混合预编码方式发送信息，即采用对应的预编码c1、c2和c3，具体为节点t1的原始信号s通过混合预编码进行加权，并映射到相应的天线端口，即发射信号为：c1·s，c2·s，……，c3·s，图中为避免图形混淆仅给出了终端簇的发射图例。

(s300)终端进行三维空间位置估计

如图7所示，为加权的dv-hop测距方法示意图，设终端q1的坐标为(x,y,z)，四个节点t1、t2、t3和t4的坐标已知分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)，且终端周围有伪节点tw1,tw2,…,tw10(如其它待定位终端)，伪节点能够进行信息传输但位置坐标未知。则终端进行三维空间位置估计的方法，包含：

(s310)验证四个节点tt(t＝1,2,3,4)的坐标不在同一平面上

四个坐标确定唯一的三棱锥，进而确定出唯一的移动终端位置坐标；实际上，四个节点t1、t2、t3和t4是预先布置的且不在同一个平面上。

(s320)利用加权的dv-hop方法估计终端q1到各节点的距离，具体包含：

(s321)获得终端与所有节点间的最小跳数

利用信号强度因子对相邻节广义点间(包括节点、伪节点)的跳数进行加权修正，即将与广义节点直接通信的相邻广义节点的信号强度因子作为基准，将第一跳记为1，并在广义节点传输的信息包中加入基准信号强度因子。其余广义节点接收到该带有基准信号强度因子的信息包后用自身广义节点的信号强度因子与基准信号强度因子作比值处理，并将上一跳的跳数与加权跳数的和作为本广义节点的跳数，设终端q1到节点tt(t＝1,2,3,4)的最小整数跳数为intt(t＝1,2,3,4)，参见图7，终端q1到节点t1：q1→tw5→tw2→tw1→t1，终端q1到节点t2：q1→tw6→tw3→tw4→t2，终端q1到节点t3：q1→tw7→t3，终端q1到节点t4：q1→tw8→tw10→t4，设终端q1到四个节点t1、t2、t3和t4的最小跳数分别为hop1q、hop2q、hop3q和hop4q，则hop1q、hop2q、hop3q和hop4q具体如下：

其中(j为广义节点号，j+为表示节点tj的相邻上一跳节点的节点号)是广义节点tj+的信号强度因子，取为该广义节点tj+与上一跳广义节点tj间的信道矩阵的谱范数的平方：其中，表示伪节点tw1与伪节点tw2间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw2与伪节点tw5间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw5与终端q1间的信道矩阵的谱范数的平方；表示节点t1与伪节点tw1间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw4与伪节点tw3间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw3与伪节点tw6间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw6与终端q1间的信道矩阵的谱范数的平方；表示节点t2与伪节点tw4间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw7与终端q1间的信道矩阵的谱范数的平方；表示节点t3与伪节点tw7间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw10与伪节点tw8间的信道矩阵的谱范数的平方；表示伪节点tw8与终端q1间的信道矩阵的谱范数的平方；表示节点t4与伪节点tw10间的信道矩阵的谱范数的平方。

例如，伪节点tw1与相邻的上一跳节点t1间的信道矩阵则伪节点tw1的信号强度因子为：

(s322)估计终端的平均跳距

已知各节点的坐标信息，则节点t3与节点t1、t2和t4间的距离分别为：d13、d23和d43，终端q1仅记录距离其最近节点的平均跳距，此时节点t3距离终端q1为最近的节点，因此将节点t3的平均跳距作为q1的平均跳距，采用均方根误差法，求得：

其中，hopt3为节点tt(t≠3)到节点t3的最小跳数。

(s323)计算终端与节点间的距离

则终端q1到四个节点t1、t2、t3和t4的距离分别为：

l1＝hop1q·hopsizeq

l2＝hop2q·hopsizeq

l3＝hop3q·hopsizeq

l4＝hop4q·hopsizeq

(s330)建立三维空间球面方程组并求解

三维空间以节点t1、t2、t3和t4的坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)为球心，分别以l1、l2、l3和l4为半径的球面方程：

根据极大似然估计法求解上述(10)-(13)方程组，得到终端q1的三维坐标的估计值，为：

其中，上角标’表示求转置，上角标-1表示求逆，

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。