一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，包括以下步骤：（1）、分别建立基站端和待定位终端的波束码本记录表；（2）、基站端与待定位终端分别通过波束训练找到与对方通信时的最优波束对指向和次优波束对指向；（3）、根据基站端波束码本角度记录表分别获取两条反射路径角度信息；（4）、获取两条反射路径的信号到达时延分别为t1和t2；（5）、根据到达时延t1和t2和电磁波传播速度分别计算出两条传输路径的长度，利用三角函数计算出待定位终端的坐标。本发明专利技术一方面通过波束码本记录表获取角度信息降低了角度估计的复杂度，定位过程存在很大的便利性；另一方面又能发挥毫米波利用到达时间测距估计的精度优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法
本专利技术属于定位
，具体地说，是涉及一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法。
技术介绍
在定位
，定位误差一般可分为多径误差和NLOS(Notlineofsight,非视线)误差。多径误差不管是LOS(lineofsight)信道还是NLOS信道都是无法避免的，对于信噪比较高的环境多径误差的影响较小，NLOS误差起主导作用。NLOS信道通常可分为两种情形，NDDP(Non-DominantDirectPath)和UDP(UndetectableDirectPath)，划分是根据接收端能否顺利接收直射路径(DirectPath，DP)为依据的。NDDP表示仍能检测到DP，而UDP表示严重的NLOS环境，己经无法接收到微弱的DP信号，而将由反射径或其它径到达接收端的某一径信号当做DP径从而引发NLOS定位误差。毫米波信号直射路径穿透障碍物过大的能量损耗导致DP径无法检测，属于UDP环境，定位误差相较UWB(超宽带定位)、WIFI等较低频段仍能收到DP径的定位更加难以预计。在基于波达时延(TOA)和波达时延差(TDOA)这类基于时间的定位技术中，时延估计的精度与信号带宽是密切相关的，带宽越高，越能提供更高的时间和多径分辨率，波达时延估计精度通常会越高。因此基于毫米波信号在采用基于到达时间定位方案时具有比目前低频段信号更高的测距和定位的潜力。毫米波宽带信号与窄带信号甚至与UWB都有明显的区别，其具有较高的材料阻挡，一旦信号遇到障碍物，直达径将无法穿透障碍物，同时衍射能力也不强，所得到的测量值均为NLOS数据。在第五代移动通信中基站配置大规模天线，接收终端也会配备多天线，波束成形技术可以被采用。可以通过波束成形技术将波束集中在很窄的范围内，提高了信号的方向性，获得极高的角度域分辨率，对于提高基站端AOA估计精度起到很大的作用。同时毫米波段信号与低频段相比具有很高的方向性，配合波束成形的使用使得多径现象明显减弱，在无阻挡情况下，LOS径更容易分辨(对于LOS定位而言，LOS径即最强径)，非常有利于降低由多径带来的定位误差。而在有阻挡情况下，传输的最强径通常是反射径，而收发端采用阵列天线波束成形后最强的反射径将更为明显，基于最强路径搜索的TOA估计在波束成形引入后变得更为准确。
技术实现思路
本专利技术为了解决毫米波信号由于难以穿透障碍物，造成的非视距定位误差较高的技术问题，提出了一种毫米波单基站定位方法，只需单基站即可实现高精度定位。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案予以实现：一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，包括以下步骤：(1)、分别建立基站端和待定位终端的波束码本记录表；(2)、基站端与待定位终端分别对各自阵列天线进行波束训练，找到与对方通信时的最优波束对指向和次优波束对指向；(3)、根据基站端的波束码本记录表获取：按照最优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度α1，按照次优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度β1；以及获取按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度α2，按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度β2；(4)、基站端分别按照其最优波束指向和次优波束对指向发送毫米波定位脉冲，待定位终端相应按照其最优波束指向和次优波束对指向接收所述毫米波定位脉冲，并获取信号的到达时延分别为t1和t2；(5)、根据到达时延t1和t2和电磁波传播速度分别计算出两条传输路径的长度d1和d2，利用三角函数计算出待定位终端的坐标，两条传输路径是指按照最优波束对指向发射和接收的传输路径、按照次优波束对指向发射和接收的传输路径。进一步的，步骤(5)中计算出待定位终端的坐标的方法为：其中(xb,yb)为基站坐标，为已知数据。进一步的，步骤(1)中所述波束码本记录表通过以下步骤获得：对天线阵列以法线方向为基准，在(-90°，90°)方向内的天线增益根据公式进行计算，其中表示天线阵列在方向θ上的导向矢量；表示波束码本中第k组列向量所对应的天线加权值，阵列天线增益最大处对应的角度值即为波束k的波束指向角度，依次记录k＝1,2...K的发射波束指向角度形成基站端的波束码本记录表，依次记录k＝1,2...K的接收波束指向角度形成待定位终端的波束码本记录表。进一步的，步骤(2)中基站端与待定位终端分别采用切换波束成形算法对各自阵列天线进行波束训练。进一步的，步骤(2)中切换波束成形算法包括；基站端与待定位终端进行波束训练时，基站端阵列天线和待定位终端阵列天线中的每根天线通过各自的波束码本记录表中读取一组列向量来施加一定的加权矢量使波束主瓣指向加权矢量对应的期望方向，记录当前波束对对应的接收信噪比并记录，依次切换波束码本中对应的各个阵列天线波束指向，记录各个波束对对应的信噪比，比较出最大信噪比和次大信噪比，所对应的收发波束指向分别为最优波束指向和次优波束指向。进一步的，基站端天线阵列和待定位终端天线阵列均为一维线阵，且阵元间距为波长的一半。进一步的，在步骤(1)中还包括将基站端与待定位终端进行时钟同步的步骤。进一步的，步骤(4)中基站端分别按照最优波束指向和次优波束对指向发送毫米波定位脉冲。进一步的，步骤(4)中通过峰值检测的方式检测获取到达时延t1和t2。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术的基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，利用毫米波可被反射后继续传输的特性，通过波束码本记录表分别获取两条传输路径(至少其中一条为反射传输路径)的发射角度和接收角度，可利用三角函数计算出待定位终端的坐标，实现了同时适用于视距和非视距两种环境的单基站定位。一方面通过波束码本记录表分别获取角度信息不再需要进行复杂的角度估计，降低了角度估计的复杂度，定位过程存在很大的便利性；另一方面又能发挥毫米波利用到达时间测距估计的精度优势。结合附图阅读本专利技术的具体实施方式后，本专利技术的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提出的基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法的定位示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细说明。实施例一，本实施例提出了一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，本方法仅可通过设置一个基站即可实现定位，如图1所示，包括基站端B和待定位终端M，该定位方法包括以下步骤：S1、分别建立基站端和待定位终端的波束码本记录表；基站端和待定位终端分别设置有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)、分别建立基站端和待定位终端的波束码本记录表；/n(2)、基站端与待定位终端分别对各自阵列天线进行波束训练，找到与对方通信时的最优波束对指向和次优波束对指向；/n(3)、根据基站端的波束码本记录表获取：/n按照最优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度α1，按照次优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度β1；/n以及获取按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度α2，按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度β2；/n(4)、基站端分别按照其最优波束指向和次优波束对指向发送毫米波定位脉冲，待定位终端相应按照其最优波束指向和次优波束对指向接收所述毫米波定位脉冲，并获取信号的到达时延分别为t1和t2；/n(5)、根据到达时延t1和t2和电磁波传播速度分别计算出两条传输路径的长度d

【技术特征摘要】
1.一种基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、分别建立基站端和待定位终端的波束码本记录表；
(2)、基站端与待定位终端分别对各自阵列天线进行波束训练，找到与对方通信时的最优波束对指向和次优波束对指向；
(3)、根据基站端的波束码本记录表获取：
按照最优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度α1，按照次优波束对指向通信时，基站端与所对应反射点间的离开角度β1；
以及获取按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度α2，按照次优波束对指向通信时，待定位终端与所对应反射点间的到达角度β2；
(4)、基站端分别按照其最优波束指向和次优波束对指向发送毫米波定位脉冲，待定位终端相应按照其最优波束指向和次优波束对指向接收所述毫米波定位脉冲，并获取信号的到达时延分别为t1和t2；
(5)、根据到达时延t1和t2和电磁波传播速度分别计算出两条传输路径的长度d1和d2，利用三角函数计算出待定位终端的坐标，两条传输路径是指按照最优波束对指向发射和接收的传输路径、按照次优波束对指向发射和接收的传输路径。


2.根据权利要求1所述的基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，其特征在于，步骤(5)中计算出待定位终端的坐标的方法为：



其中



(xb,yb)为基站坐标，为已知数据。


3.根据权利要求1所述的基于切换波束成形的毫米波单基站定位方法，其特征在于，步骤(1)中所述波束码本记录表通过以下步骤获得：
对天线阵列以法线方向为基准，在(-90°，90°)方向内的天线增益根据公式进行计算，其中表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：施威，王景景，董新利，徐凌伟，田玉芳，王盼，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37