一种基于HINOC终端的室内定位方法与流程

一种基于hinoc终端的室内定位方法
技术领域
1.本发明属于电子通讯技术领域，涉及室内定位技术，具体涉及一种基于hinoc终端的室内定位方法。


背景技术：

2.室内定位顾名思义就是在室内环境中实现定位，是一种以解决北斗、gps等高精度定位系统的盲区定位技术。常见的室内定位手段有工作在2.4ghz载波的wifi和bluetooth，以及利用工作在6
‑
9ghz的毫米波窄脉冲定位的uwb；前者受限于载波容易被遮挡等导致精度始终很难做到米级，而后者受限于传输速率和距离。两者都难以满足室内定位服务需求。


技术实现要素：

3.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于hinoc终端的室内定位方法，利用工作在300m
‑
1ghz不等的载波频率实现高精度的室内定位，其拥有很强的穿墙能力和优良且现存的组网形态满足室内位置服务需求。
4.技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于hinoc终端的室内定位方法，包括如下步骤：
5.s1：对室内终端物理层进行改造，使其具备终端定位基站的功能；
6.s2：通过局端配置改造后的终端，使终端成为终端定位基站；
7.s3：终端定位基站广播发送sync_pd同步帧，用于定位标签时钟同步与信息指示；
8.s4：定位标签接收sync_pd同步帧，进而在相应的定位周期内发送local_pu定位帧；
9.s5：终端定位基站接收到来自不同定位标签的local_pu定位帧，在定位周期内完成一次握手，终端定位基站完成对定位标签的测距，通过local_pu定位帧里的特征计算定位标签相对于终端定位基站的角度并找到携带定位标签的物体。
10.进一步地，所述步骤s1中对室内终端物理层的改造方法为：在现有终端硬件基础上，增加收发开关对空中无线的信号的处理；物理层接收local_pu定位帧，并扩展sync_pd帧满足计算定位标签的位置信息；开启定位功能的终端成为定位基站后将配合局端协调时隙收发定位帧；终端定位基站满足外界的位置信息访问或上传局端进行位置信息集中再提供访问。
11.进一步地，所述步骤s2中局端对于终端的配置方法为：局端与终端建立连接并组网，局端配置有定位功能的终端，其中，局端侧网络管理负责开启或关闭终端的定位功能并配置定位周期，局端为开启定位功能的终端预留定位帧的时隙。
12.进一步地，所述步骤s2具体为：
13.局端与终端在组网的过程中，局端解析终端上报的adm_req帧，进而获取终端是否支持定位功能，并标记其是否具有定位功能，位于局端侧的网络管理软件配置终端定位基站，配置信息包含定位周期、房间号等。不支持定位功能的终端按照正常的时隙和局端通
讯。
14.终端开启定位功能后，局端配置终端定位基站的定位周期，定位周期规定了终端定位基站的发送时隙，也规定了终端定位基站的接收时隙。终端定位基站以接收到配置信息的当前pd周期开始的下一pd周期作为定位周期的开始，定位周期一般为pd周期的奇数倍。
15.局端在接纳的过程中监测到有定位功能的终端后将不再接收第n个pu位置的pu帧，终端定位基站使用第n个pu帧的位置和时隙发送sync_pd同步帧；终端定位基站多天线接收local_pu定位帧的位置和时隙位于发送sync_pd同步帧后紧邻pd周期里第1个map周期内cd帧前m个符号，局端将不为该终端定位基站分配传输数据帧的位置和时隙。
16.进一步地，所述步骤s2中终端定位基站多天线接收local_pu定位帧的方法为：
17.终端定位基站拥有两根以上的天线，且在设计时天线之间相对于基带的距离是已知的；
18.终端定位基站选择多天线中的第一根天线，通过相关等算法同步到定位帧的首部，进而采用dpsk解析帧体，随后在2us内切换天线，基站基带持续3us采集从此天线收到的iq数据并保存，随后在2us内切换不同于上次采集用的天线，基站基带持续3us采集从此天线收到的iq数据并保存，总共从不同的天线上采集的数据不少于两次。
19.进一步地，所述步骤s3中sync_pd同步帧包括具有用于同步功能的前导和终端定位基站的位置信息。
20.终端定位基站的位置信息如定位周期、房间号、离地高度、网段等可配置信息，该信息可由局端网络配置，格式采用tlv常用格式。
21.终端定位基站始终选用多天线中的一根天线发送sync_pd同步帧，sync_pd同步帧帧体采用dqpsk的调制方式承载数据并持续两个符号，最大可发送的字节数目为492字节，尾部跟随4字节共32位crc。
22.终端定位基站在固定位置及时隙接收local_pu定位帧，在同步到该帧后触发iq数据采样，采样持续一定时间后切换致新的天线继续采样iq数据。
23.终端定位基站所在房间不需要定位功能时，终端定位基站关闭广播发送sync_pd同步帧和接收的local_pu定位帧，终端定位基站成为正常的终端，接收local_pu的位置和时隙用来接收正常数据。
24.local_pu定位帧具有同步功能的前导，采用dqpsk的调制方式承载数据且持续时间为两个符号的帧体，最大可发送的字节数目为492字节，尾部跟随4字节共32位crc。整体携带有伪随机的48bit地址(每次上电开启后保持不变)、标签名称等，帧数据为常用的tlv格式，帧体后面为持续时间为15us用于计算定位角度的且频率为1mhz的clss。
25.终端定位基站在定位周期内选取中间pd周期的第9个pu位置与时隙选择多天线中的一根天线发送sync_pd同步帧。同步帧与局端发送的pd帧拥有相同的前导，负载段内所有通道均承载数据，最大承载492字节不包含尾部4字节的crc，该32位crc的计算多项式为x
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x
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x
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x
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x
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x8 x7 x5 x4 x2 x 1。其帧数据组织形式为类型、长度、值等多段数据。当定位到某个定位标签后，其后面将新增类型为地址、测距的tlv数据。定位标签收到并解析到该数据以确认自己已经被定位并在基站存有记录，随后定位标签以定位周期的倍数的周期进入低功耗模式，只有到了设置的周期醒来再次接收该帧。
26.进一步地，所述步骤s4中定位标签发送local_pu定位帧的方法为：定位标签以pd周期为单位周期打开搜索窗口搜索定位基站广播的sync_pd同步帧，同步到同步帧的前导即认为标签的周期与终端定位基站存在的偏差，进而按照固定的偏差配置定位标签的定位周期，接收到正确sync_pd同步帧解析得到定位周期，按照定位周期帧交互，同时标签配置定位周期的倍数的时间来设置睡眠周期，该倍数可以是一个随机数据，可以依照定位标签的电量设置。
27.进一步地，所述步骤s5中终端定位基站对于定位标签的测距方法为：
28.当终端定位基站广播发送同步帧，定位标签接收到正确的同步帧后，配置本地的定位周期和生成随眠周期，同时在定位周期内发送定位帧；终端定位基站同步到定位帧完成帧的解析后切换不同天线来采样该定位帧尾部分clss信息的iq数据，随后下一个定位周期内发送携带该定位标签和测距值的同步帧给定位标签，定位标签收到与自己地址对应的测距值，定位标签随后进入睡眠周期，若定位标签始终没有收到自己的测距值将随机避让，并在下一个定位周期发送定位帧；终端定位基站和定位标签的交互过程视为一次握手，一次握手将使终端定位基站获取定位标签相对于基站的距离。
29.进一步地，所述步骤s5中定位标签相对于终端定位基站的角度计算方法为：在一次握手的过程中，将多次采样的iq数据查表计算相位差，进而利用相位差求反正弦的方式查表得到标签相对于终端定位基站的角度。
30.进一步地，所述步骤s5中携带定位标签的物体位置获取方式为：终端定位基站通过多次的标签定位交互，通过多次平均的方式找到携带定位标签的物体位置。
31.本发明中定位标签接收终端定位基站广播的sync_pd同步帧，进而保持与终端定位基站的时钟同步，定位标签解析到正确的sync_pd同步帧后在定位周期内发送local_pu定位帧，定位标签与终端定位基站通过sync_pd同步帧和local_pu定位帧交换标签属性等信息。
32.定位标签工作在低功耗模式，可通过sync_pd同步帧配置定位周期，需要进行数据交换时开启收发窗口，其它情况下处于休眠状态。
33.本发明涉及终端定位基站、待定位的标签、终端定位基站与标签之间的交互。在局端和多终端互联的系统中，室内已经存在一个或多个终端，通过室内终端物理层的改造完成终端室内定位基站的转变，相应的设计一种低功耗的定位标签，定位标签与待定位物体可靠连接。
34.本发明提供的该方法充分利用现存数据系统来实现室内定位，既兼顾hinoc系统的数据通讯能力，也将日益增长的位置服务需求实现，是一种较好的室内定位方法。
35.有益效果：本发明与现有技术相比，将hinoc技术下的局端与终端完成组网，局端提供位置服务访问基站，让终端完成室内定位基站的转变，终端位于室内不同的位置区域并配合定位标签完成室内定位，在已有组网的基础上增加了高精度的定位功能，完美解决了室内位置服务需求，为本领域的技术进步拓展了空间，它可以通过扩展终端的物理层完成室内定位，利用其本身的高带宽低时延组网，既可以通过终端定位基站访问房间内的人、物位置信息，也可以通过远程网络的终端查看特定室内人、物的位置与状态信息进而提供相应的服务，其商业化应用前景十分广阔。
附图说明
36.图1是本发明的携带定位功能指示的adm_req管理帧示意图；
37.图2是本发明的local_pu定位帧尾部跟随的clss及对应切换时隙示意图；
38.图3是本发明的定位周期示意图，图中列出两种定位周期长度；
39.图4是本发明的一次握手测距方式示意图；
40.图5是本发明的一次握手内不同天线iq数据角度计算示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
42.本发明提供一种基于hinoc终端的室内定位方法，包括如下步骤：
43.s1：对室内终端物理层进行改造：基于现有终端物理层扩展其接口和方法，使其具备终端定位基站的功能。具体如下：
44.在现有终端硬件基础上，增加收发开关对空中无线的信号的处理；物理层接收local_pu定位帧，并扩展sync_pd帧满足计算定位标签的位置信息；开启定位功能的终端成为定位基站后将配合局端协调时隙收发定位帧；终端定位基站满足外界的位置信息访问或上传局端进行位置信息集中再提供访问。
45.s2：通过局端配置改造后的终端，使终端成为终端定位基站：
46.局端对于终端的配置方法为：局端与终端建立连接并组网，局端配置有定位功能的终端，其中，局端侧网络管理负责开启或关闭终端的定位功能并配置定位周期，局端为开启定位功能的终端预留定位帧的时隙。
47.局端与终端在组网的过程中，局端解析终端上报的adm_req帧，进而获取终端是否支持定位功能，并标记其是否具有定位功能，位于局端侧的网络管理软件配置终端定位基站，配置信息包含定位周期、房间号等。不支持定位功能的终端按照正常的时隙和局端通讯。
48.终端开启定位功能后，局端配置终端定位基站的定位周期，定位周期规定了终端定位基站的发送时隙，也规定了终端定位基站的接收时隙。终端定位基站以接收到配置信息的当前pd周期开始的下一pd周期作为定位周期的开始，定位周期一般为pd周期的奇数倍。
49.局端在接纳的过程中监测到有定位功能的终端后将不再接收第9个pu位置的pu帧，终端定位基站使用第9个pu帧的位置和时隙发送sync_pd同步帧；终端定位基站多天线接收local_pu定位帧的位置和时隙位于发送sync_pd同步帧后紧邻pd周期里第1个map周期内cd帧前5个符号，局端将不为该终端定位基站分配传输数据帧的位置和时隙。
50.终端定位基站多天线接收local_pu定位帧的方法为：
51.终端定位基站拥有两根以上的天线，且在设计时天线之间相对于基带的距离是已知的；
52.终端定位基站选择多天线中的第一根天线，通过相关等算法同步到定位帧的首部，进而采用dpsk解析帧体，随后在2us内切换天线，基站基带持续3us采集从此天线收到的
iq数据并保存，随后在2us内切换不同于上次采集用的天线，基站基带持续3us采集从此天线收到的iq数据并保存，总共从不同的天线上采集的数据不少于两次。
53.s3：终端定位基站广播发送sync_pd同步帧，用于定位标签时钟同步与信息指示：
54.sync_pd同步帧包括具有用于同步功能的前导和终端定位基站的位置信息。
55.终端定位基站的位置信息如定位周期、房间号、离地高度、网段等可配置信息，该信息可由局端网络配置，格式采用tlv常用格式。
56.终端定位基站始终选用多天线中的一根天线发送sync_pd同步帧，sync_pd同步帧帧体采用dqpsk的调制方式承载数据并持续两个符号，最大可发送的字节数目为492字节，尾部跟随4字节共32位crc。
57.终端定位基站在固定位置及时隙接收local_pu定位帧，在同步到该帧后触发iq数据采样，采样持续一定时间后切换致新的天线继续采样iq数据。
58.终端定位基站所在房间不需要定位功能时，终端定位基站关闭广播发送sync_pd同步帧和接收的local_pu定位帧，终端定位基站成为正常的终端，接收local_pu的位置和时隙用来接收正常数据。
59.local_pu定位帧具有同步功能的前导，采用dqpsk的调制方式承载数据且持续时间为两个符号的帧体，最大可发送的字节数目为492字节，尾部跟随4字节共32位crc。整体携带有伪随机的48bit地址(每次上电开启后保持不变)、标签名称等，帧数据为常用的tlv格式，帧体后面为持续时间为15us用于计算定位角度的且频率为1mhz的clss。
60.终端定位基站在定位周期内选取中间pd周期的第9个pu位置与时隙选择多天线中的一根天线发送sync_pd同步帧。同步帧与局端发送的pd帧拥有相同的前导，负载段内所有通道均承载数据，最大承载492字节不包含尾部4字节的crc，该32位crc的计算多项式为x
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x8 x7 x5 x4 x2 x 1。其帧数据组织形式为类型、长度、值等多段数据。当定位到某个定位标签后，其后面将新增类型为地址、测距的tlv数据。定位标签收到并解析到该数据以确认自己已经被定位并在基站存有记录，随后定位标签以定位周期的倍数的周期进入低功耗模式，只有到了设置的周期醒来再次接收该帧。
61.s4：定位标签接收sync_pd同步帧，进而在相应的定位周期内发送local_pu定位帧：
62.定位标签发送local_pu定位帧的方法为：定位标签以pd周期为单位周期打开搜索窗口搜索定位基站广播的sync_pd同步帧，同步到同步帧的前导即认为标签的周期与终端定位基站存在的偏差，进而按照固定的偏差配置定位标签的定位周期，接收到正确sync_pd同步帧解析得到定位周期，按照定位周期帧交互，同时标签配置定位周期的倍数的时间来设置睡眠周期，该倍数可以是一个随机数据，可以依照定位标签的电量设置。
63.s5：终端定位基站接收到来自不同定位标签的local_pu定位帧，在定位周期内完成一次握手，终端定位基站完成对定位标签的测距，通过local_pu定位帧里的特征计算定位标签相对于终端定位基站的角度并找到携带定位标签的物体：
64.终端定位基站对于定位标签的测距方法为：
65.当终端定位基站广播发送同步帧，定位标签接收到正确的同步帧后，配置本地的定位周期和生成随眠周期，同时在定位周期内发送定位帧；终端定位基站同步到定位帧完成帧的解析后切换不同天线来采样该定位帧尾部分clss信息的iq数据，随后下一个定位周
期内发送携带该定位标签和测距值的同步帧给定位标签，定位标签收到与自己地址对应的测距值，定位标签随后进入睡眠周期，若定位标签始终没有收到自己的测距值将随机避让，并在下一个定位周期发送定位帧；终端定位基站和定位标签的交互过程视为一次握手，一次握手将使终端定位基站获取定位标签相对于基站的距离。
66.定位标签相对于终端定位基站的角度计算方法为：在一次握手的过程中，将多次采样的iq数据查表计算相位差，进而利用相位差求反正弦的方式查表得到标签相对于终端定位基站的角度。
67.携带定位标签的物体位置获取方式为：终端定位基站通过多次的标签定位交互，通过多次平均的方式找到携带定位标签的物体位置。
68.基于上述内容，本实施例中将上述方案进行实例应用，将上述方法分成终端与局端的交互配置、终端定位基站与定位标签的帧收发时隙、终端定位基站与定位标签的一次握手完成测距和终端定位基站与定位标签的一次握手完成角度测量四个部分，具体方法如下：
69.(1)终端与局端的交互配置。
70.终端通过上报图1所示的标注了定位功能的接纳请求帧，进而获取终端是否具备定位功能，同时局端将标记该终端的定位功能。局端侧的网络管理软件可以选择开启或关闭该定位功能，对需要支持定位功能的终端，局端主要通过oam来配置开启该功能，同时配置的信息包括有定位周期、房间号等，局端亦为该设备保留时隙以提供终端用来发送同步帧或定位帧；终端定位基站在接收到配置信息后的紧邻下一个pd周期开启定位周期，具备定位功能的终端具有多天线，不开启定位功能的终端被认定为普通的终端。
71.(2)终端定位基站与定位标签的帧收发时隙。
72.终端开启定位功能之后转变为终端定位基站，定位周期为pd周期的奇数倍，具体如图3所示，可以将房间内的定位标签数目和定位的实时性要求来配置。终端定位基站在定位周期的中间pd周期内的第9个pu时隙位置从多天线中的任一天线发送同步帧，同步帧信息携带定位周期、房间号等信息，帧采用类型、长度、值的组织方式，进入下一个pd周期后的第1个map周期cd帧前5个符号位置接收定位帧；定位标签收到接收到同步帧后，将配置本地的定位周期，在定位周期内发送定位帧，该定位帧携带有图2所示的clss信息。
73.(3)终端定位基站与定位标签的一次握手完成测距。
74.当终端定位基站广播发送同步帧，定位标签接收到正确的同步帧后，配置本地的定位周期和生成随眠周期，同时在定位周期内发送定位帧；终端定位基站同步到定位帧完成帧的解析后切换不同天线来采样该定位帧尾部分clss信息的iq数据，随后下一个定位周期内发送携带该定位标签和测距值的同步帧给定位标签，定位标签收到与自己地址对应的测距值，定位标签随后进入睡眠周期，若定位标签始终没有收到自己的测距值将随机避让，并且在下一个定位周期发送定位帧；此终端定位基站和定位标签的交互过程视为一次握手，一次握手将使终端定位基站获取定位标签相对于基站的距离d，具体如图4所示。
75.(4)终端定位基站与定位标签的一次握手完成角度测量。
76.如图5所示，如上述的一次握手过程，终端定位基站在握手的过程中采样了至少两段以上从不同天线来的clss的iq信息，通过该iq信息比较出相位差则信号在两根天线产生的距离近似为天线之间的物理距离为δd，则定位标签相对于终端定位基站的
角度
77.最终通过获得的定位标签相对于基站的距离d和定位标签相对于终端定位基站的角度θ，可以高精度定位到携带定位标签的物体位置。
78.为了便于理解，本实施例对上述内容中涉及的一些概念进行说明：
[0079]“定位周期”在本发明中是指终端定位基站发送sync_pd同步帧与接收local_pu定位帧的一次握手过程所经历的pd周期，通常为pd周期的奇数倍。
[0080]“睡眠周期”在本发明中是指定位标签低功耗模式下的睡眠唤醒状态切换时长，为定位周期的倍数，且定位标签依据自身电量来随机控制其长短。
[0081]“sync_pd同步帧”在本发明中是指由终端定位基站负责编码发送，具有同步功能的前导、帧体，也称为同步帧。
[0082]“local_pu定位帧”在本发明中是指由定位标签负责编码发送，具有同步功能的前导、帧体、clss——continuous location sine signal，也称为定位帧。