宽带大规模MIMO系统无线定位方法和系统技术方案

本发明专利技术提出宽带大规模MIMO系统无线定位方法和系统。利用大规模MIMO系统的空间角度分辨率和宽带系统的时延分辨率，基站侧从上行链路信道估计结果中提取角度时延域信道能量矩阵作为位置指纹信息。在离线阶段，基站配合离线采样移动终端测量小区覆盖范围内间隔划定的各特征点的位置指纹信息，并将其与对应的位置坐标存入数据库中，并对数据库中位置指纹信息进行分级聚类；在线阶段，基站侧通过将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行分级比对，计算待定位移动终端的位置坐标并反馈给对应的移动终端。本发明专利技术能够依托无线通信设备，显著提高移动终端在城市楼宇及室内等复杂散射体环境下的定位精度。

Wireless location method and system for wideband and large-scale MIMO system

The invention provides a wireless positioning method and system for broadband and large-scale MIMO system. Based on the spatial angle resolution of large scale MIMO system and the time-delay resolution of broadband system, the energy consumption matrix of angle delay area is extracted from the uplink channel estimation result as the location fingerprint information from the base station side. In the offline phase, the base station location with the fingerprint information of each feature point of off-line mobile terminal to measure the cell coverage within the designated interval, and the coordinates of the corresponding database, and hierarchical cluster analysis of location fingerprint information database; online stage, the base station side to be mobile location positioning and fingerprint information database terminal classification comparison, calculate the position coordinates of the mobile positioning terminal and feedback to the corresponding mobile terminal. The invention can rely on the wireless communication equipment to improve the positioning accuracy of the mobile terminal in the complex scatterers, such as the urban building and the indoor environment.

【技术实现步骤摘要】
宽带大规模MIMO系统无线定位方法和系统
：本专利技术涉及一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法和系统，尤其涉及一种基于指纹数据库利用宽带大规模MIMO系统角度时延域信道特征的无线定位方法和系统。
技术介绍
：宽带大规模MIMO系统在提高无线通信系统频谱效率和功率效率方面具有显著优势，是未来5G无线通信的关键技术之一。基站侧通过配置大规模天线阵列，获得极高的空间角度分辨力；通过采用正交频分复用(OFDM)技术，将宽带信道分解为多个并行的窄带信道，获得极高的时延分辨力。宽带大规模MIMO系统结合两种技术的优势，可以实现对无线信道角度时延域信道特征的高精度提取。随着基于地理位置信息的应用和服务的快速发展，人们对移动终端无线定位的精度需求日益提高。为了准确获取移动终端的位置信息，通常采用无线信号的接收信号强度、到达角以及到达时延等传输特征估计移动终端相对于基站的位置，并通过多基站协作实现精确定位。上述无线定位方法大多基于无线信号沿视距传播的假设，然而在定位需求多发的城市楼宇及室内等复杂散射体环境下，无线信号通常经过多条非视距路径传播，使无线定位的精度受到较大影响。如何在复杂散射体环境下，克服多径传输对无线定位精度的影响是无线定位亟需解决的核心问题之一。基于位置指纹信息的无线定位方法能够充分挖掘散射体环境对信道特征的影响，目前被广泛研究用于复杂散射体环境下的无线定位，但现有的位置指纹信息提取方法大多利用接收信号强度、到达角以及到达时延等有限的信道特征。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法和系统，充分利用宽带大规模MIMO系统对无线信道的角度时延域信道特征的高精度提取，显著提高在城市楼宇及室内等复杂散射体环境下的定位精度。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，所述方法包括：离线阶段，基站配合离线采样移动终端测量小区覆盖范围内特征点的位置指纹信息，并存储到数据库中；在线阶段，基站侧通过将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行比对，计算待定位移动终端的位置坐标；位置指纹信息由基站从上行链路信道估计结果中提取的角度时延域信道能量矩阵构成；位置指纹信息，衡量其相似性的准则为联合角度时延相似性系数。宽带大规模MIMO系统采用带循环前缀的正交频分复用(OFDM)调制方式，在上行信道训练中，小区中各移动终端在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站依据接收到的导频信号进行小区中各移动终端的上行链路信道估计。离线阶段，在小区覆盖范围内以间隔(例如1m，2m，5m等)划定特征点，移动终端在小区覆盖范围内移动，并在每个特征点停留，测量该特征点的位置指纹信息，并将其与对应的位置坐标存入数据库中。离线阶段，对数据库中位置指纹信息进行分级聚类，分级聚类过程分为两级：首先，根据位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，并根据中心角将数据库中位置指纹信息进行初级分类；其次，对于同一中心角分组内的位置指纹信息，根据联合角度时延相似性系数，采用K均值聚类方法对其进行聚类，分成若干子类，对任一子类，将其包含的所有位置指纹信息的均值作为该子类的特征位置指纹信息。在线阶段，基站将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行分级比对，确定待定位移动终端的对应特征点集合，分级比对过程分为三级：首先，根据待定位移动终端位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，确定与之匹配的初级分类；其次，在初级分类范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各子类特征位置指纹信息的联合角度时延相似性系数，确定与待定位移动终端最相近的若干子类，组成特征点池；最后，特征点池范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各特征点位置指纹信息的联合角度时延相似性系数，确定K个最相近的特征点，组成特征点集合。在线阶段，基站计算待定位移动终端的位置坐标，采用加权K最近邻算法，其特征在于：待定位移动终端的位置坐标由其在数据库中联合角度时延相似性系数最大的K个特征点的位置坐标加权计算得到，其中第k个特征点对应的权重系数计算方法为，用第k个特征点与待定位移动终端的联合角度时延相似性系数除以全部K个特征点与待定位移动终端的联合角度时延相似性系数之和。位置指纹信息由基站从上行链路信道估计结果中提取的角度时延域信道能量矩阵构成，其详细过程为，基站利用大规模MIMO系统的空间角度分辨力和宽带系统的时延分辨力，将移动终端通过上行信道训练获得的上行链路信道状态信息转化为角度时延域信道响应矩阵；基站将角度时延域信道响应矩阵中各元素与其自身耦合，并对连续若干次样本取平均或加权平均，获得该移动终端对应的角度时延域信道能量矩阵，并将其作为位置指纹信息。联合角度时延相似性系数，其计算方法为，定义错位因子n，错位步长L，n为区间(-L+1,L-1)内的整数，依次将第一个位置指纹信息中各列向量与第二个位置指纹信息中对应列之后第n个列向量取內积，并将所得內积求和，将不同错位因子下所得和的最大值作为两个位置指纹信息的联合角度时延相似性系数。一种宽带大规模MIMO系统无线定位系统，包括，基站侧装置，包括，上行链路信道估计模块，位置指纹信息提取模块，数据库模块，数据库预处理模块，位置指纹信息匹配模块，位置估计模块，以及信息交互模块；离线采样移动终端装置，包括，离线地图及导航模块，驱动装置，离线采样上行链路导频发送模块，以及离线采样信息交互模块；用户侧装置，包括，用户侧上行链路导频发送模块，以及用户侧信息交互模块；位置指纹信息提取模块，用于从上行链路信道估计模块的估计结果中提取位置指纹信息，其提取过程为，将上行链路信道估计模块获得的上行链路信道状态信息转化为角度时延域信道响应矩阵，将角度时延域信道响应矩阵中各元素与其自身耦合，并对连续若干次样本取平均或加权平均，获得该移动终端对应的角度时延域信道能量矩阵，并将其作为位置指纹信息。数据库预处理模块，用于在离线阶段对数据库中位置指纹信息进行分级聚类，其分级聚类过程分为两级：首先，根据位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，并根据中心角将数据库中位置指纹信息进行初级分类；其次，对于同一中心角分组内的位置指纹信息，根据联合角度时延相似性系数，采用K均值聚类方法对其进行聚类，分成若干子类，对任一子类，将其包含的所有位置指纹信息的均值作为该子类的特征位置指纹信息。位置指纹信息匹配模块，用于计算联合角度时延相似性系数，其计算方法为，定义错位因子n，错位步长L，n为区间(-L+1,L-1)内的整数，依次将第一个位置指纹信息中各列向量与第二个位置指纹信息中对应列之后第n个列向量取內积，并将所得內积求和，将不同错位因子下所得和的最大值作为两个位置指纹信息的联合角度时延相似性系数。位置估计模块，用于将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行分级比对，计算待定位移动终端的位置坐标，其分级比对过程分为三级：首先，根据待定位移动终端位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，确定与之匹配的初级分类；其次，在初级分类范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各子类特征位置指纹信息的联合角度时延相似性系数，确定与待定位移动终端最相近的若干子类，组成特征点池；最后，特征点池范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各特征点位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，包括：离线阶段，基站配合离线采样移动终端测量小区覆盖范围内特征点的位置指纹信息，并存储到数据库中；在线阶段，基站侧通过将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行比对，计算待定位移动终端的位置坐标；其特征在于，所述位置指纹信息由基站从上行链路信道估计结果中提取的角度时延域信道能量矩阵构成；所述位置指纹信息，衡量其相似性的准则为联合角度时延相似性系数。

【技术特征摘要】
1.一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，包括：离线阶段，基站配合离线采样移动终端测量小区覆盖范围内特征点的位置指纹信息，并存储到数据库中；在线阶段，基站侧通过将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行比对，计算待定位移动终端的位置坐标；其特征在于，所述位置指纹信息由基站从上行链路信道估计结果中提取的角度时延域信道能量矩阵构成；所述位置指纹信息，衡量其相似性的准则为联合角度时延相似性系数。2.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述宽带大规模MIMO系统采用带循环前缀的正交频分复用(OFDM)调制方式，在上行信道训练中，小区中各移动终端在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站依据接收到的导频信号进行小区中各移动终端的上行链路信道估计。3.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述离线阶段，在小区覆盖范围内以间隔(例如1m，2m，5m等)划定特征点，移动终端在小区覆盖范围内移动，并在每个特征点停留，测量该特征点的位置指纹信息，并将其与对应的位置坐标存入数据库中。4.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述离线阶段，对数据库中位置指纹信息进行分级聚类，分级聚类过程分为两级：首先，根据位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，并根据中心角将数据库中位置指纹信息进行初级分类；其次，对于同一中心角分组内的位置指纹信息，根据联合角度时延相似性系数，采用K均值聚类方法对其进行聚类，分成若干子类，对任一子类，将其包含的所有位置指纹信息的均值作为该子类的特征位置指纹信息。5.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述在线阶段，基站将待定位移动终端的位置指纹信息与数据库进行分级比对，确定待定位移动终端的对应特征点集合，分级比对过程分为三级：首先，根据待定位移动终端位置指纹信息的角度域特征，计算其中心角，确定与之匹配的初级分类；其次，在初级分类范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各子类特征位置指纹信息的联合角度时延相似性系数，确定与待定位移动终端最相近的若干子类，组成特征点池；最后，特征点池范围内，根据待定位移动终端位置指纹信息与各特征点位置指纹信息的联合角度时延相似性系数，确定K个最相近的特征点，组成特征点集合。6.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述在线阶段，基站计算待定位移动终端的位置坐标，采用加权K最近邻算法，待定位移动终端的位置坐标由其在数据库中联合角度时延相似性系数最大的K个特征点的位置坐标加权计算得到，其中第k个特征点对应的权重系数计算方法为，用第k个特征点与待定位移动终端的联合角度时延相似性系数除以全部K个特征点与待定位移动终端的联合角度时延相似性系数之和。7.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述位置指纹信息由基站从上行链路信道估计结果中提取的角度时延域信道能量矩阵构成，其详细过程为，基站利用大规模MIMO系统的空间角度分辨力和宽带系统的时延分辨力，将移动终端通过上行信道训练获得的上行链路信道状态信息转化为角度时延域信道响应矩阵；基站将角度时延域信道响应矩阵中各元素与其自身耦合，并对连续若干次样本取平均或加权平均，获得该移动终端对应的角度时延域信道能量矩阵，并将其作为位置指纹信息。8.根据权利要求1所述的一种宽带大规模MIMO系统无线定位方法，其特征在于，所述联合角度时延相似性系数，其计算方法为，定义错位因子n，错位步长L，n为区间(-L+1,L-1)内的整数，依次将第一个位置指纹信息中各列向量与第二个位置指纹信息中对应列之后第n个列向量取內积，并将所得內积求和，将不同错位因子下所得和的最大值作为两个位置指纹信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，孙晓宇，韩伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32