一种基于从定位基站的5GNR室内定位方法

一种基于从定位基站的5gnr室内定位方法
技术领域
1.本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于从定位基站的5gnr室内定位方法。


背景技术：

2.在lte系统中，dl-tdoa定位是基于定位终端测量服务基站和相邻基站的参考脑信号到达定位终端处的时间差，也成为参考信号时间差(reference signal time difference，rstd)。为了准确定位终端的位置，需要准确知道基站发射天线的位置和每个基站参考信号的到达时间，再结合一些逼近算法，便可以得到确切的终端位置。
3.目前存在的室内定位技术主要有惯性导航、uwb、蓝牙、wifi等技术实现定位，但是它们存在着定位精度差，或者需要额外固定高昂成本设施等问题。随着互联网应用向物联网和工业互联网发展，第五代移动通信系统(5th-generation,5g)已经逐渐被广泛地认为是新一代互联网的基座。由于5g信号频率相比于4g网络高，室内的深度覆盖满足不了5g体验要求，因此5g必须采用室外宏基站，室内小基站的双基站布网方式。5g小基站具备灵活、敏捷、开放的优势，能够更经济、快速地适配行业场景和需求。5g作为覆盖广泛的新一代通信网络，其定位优势有：利用高带宽、多天线等特点，实现高精准的位置服务；通过5g网络的通信能力、计算能力为定位服务赋能，提供场景化、商业化的新型定位服务。
4.由于在室内部署小基站进行信号覆盖和热点分流时，受制于室内的无线传播环境和部署成本的限制，再加上小基站天线数目少(通常不超过4t4r)，3gpp建议的dl-aod、ul-aoa方法测角精度差，因此使用价值不大。同时，dl-tdoa与ul-tdoa需要多基站之间时钟严格同步(1ns精度)，技术实现难度较大，同时也带来了基站成本和部署成本的大幅上升。因此，传统的高精度定位方法在小基站上难以直接应用。此外，在3gpp r16定位框架下，定位请求从发起到位置结果返回需要ue、ng-ran以及amf/lmf等网元间大量的信息交互，使得一次定位耗时长达300ms，存在定位流程开销大的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于从定位基站的5g nr室内定位方法，其部署成本低、定位精度高，能够在室内进行密集部署。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种基于从定位基站的5g nr室内定位方法，其基于室内定位系统实现，所述室内定位系统包括一主基站以及多个从定位基站，所述主基站为5g小基站，其包括集中式单元、分布式单元和射频拉远单元；所述从定位基站包括分布式单元和射频拉远单元；所述从定位基站的分布式单元通过3gpp f1接口连接到主基站的集中式分布单元；
8.所述定位方法具体包括以下步骤：
9.步骤1、从定位基站在特定的时隙通过射频拉远单元播发同步信号块信号以及定位参考信号；
10.所述的同步信号块信号，包括主同步信号、辅同步信号与物理广播信道；
11.步骤2、定位终端进行从定位基站信号搜索实现同步与解码同步信号块以及系统信息块#1；
12.步骤3、定位终端对从定位基站周期性发送的物理广播信道进行解调，物理广播信道用来传递相关重要参数，包括系统带宽、系统帧号；
13.步骤4、定位终端与从定位基站的分布式模块进行无线资源控制连接，与定位终端连接的从定位基站称为主小区基站，其他从定位基站称为邻小区基站；主小区基站在接收到定位终端的连接请求后，会进行信令资源配置，并将配置参数通过无线资源控制传输给主基站cu，主基站cu再通过无线资源控制对邻小区基站进行信令资源配置，完成后反馈回给主小区基站，主小区基站进而将参数告知定位终端，随后定位终端进行参数解析配置；
14.步骤5、定位终端发起定位请求，主小区基站将联合信令资源配置及邻小区基站同步信号块的全局同步信道号值通过无线资源控制信令告知定位终端；
15.步骤6、从定位基站所下发的定位参考信号由采用qpsk调制的伪随机序列构成,具有特定的时频资源块分配方式,并且在时隙符号和子载波映射时受到一定约束:不能映射到分配给同步信号块的源粒子上,不与任何天线端口的小区参考信号重叠；
16.步骤7、定位终端进行dl-tdoa测量，通过接收从主小区基站和邻小区基站发出的联合信令，根据所选择的定位技术进行信号测量及估计，获得主小区基站和邻小区基站的参考信号到达时间差，进而完成位置的解算。
17.所述步骤2中，定位终端进行同步的主要步骤如下：
18.(1)pss检测：利用主同步信号的自相关特性，在接收端进行滑动相关，得到一个相关峰值，以确定整个同步信号块的位置和主同步信号携带的参数；
19.(2)频偏估计：利用pss进行频偏估计；
20.(3)信道估计：通过辅同步信号进行信道估计；
21.(4)辅同步信号检测：采用频域相关检测。
22.所述步骤3中的解调物理广播信道的过程为：
23.(1)根据主同步信号的时域位置定位物理广播信道的位置并分离出其所在的三个符号，然后进行解正交频分复用，获得频域数据；
24.(2)根据物理位置标识判断出解调参考信号的位置，并利用解调参考信号采用插值算法进行信道估计与补偿；
25.(3)进行解星座映射，解信道编码和循环冗余校验。
26.所述定位参考信号信号的参考信号序列定义如下：
[0027][0028]
其中，ns为一个无线帧中的时隙号，l是一个时隙中的正交频分复用符号的编号，c(i)是伪随机序列。
[0029]
所述定位参考信号在1个时隙内的关键参数包括定位参考信号带宽梳齿尺
寸符号数l
prs
、周期和重复因子对于定位参考信号的配置规则如下：
[0030]
(1)是用于定位参考信号传输的物理资源块数，最小值为24个物理资源块，最大值为272个物理资源块，颗粒度是4个物理资源块；将定位参考信号配置在公共部分频宽上；当采用功率提升时，定位参考信号需要避开信道边缘的1～2个物理资源块；
[0031]
(2)是物理资源块的梳齿尺寸，取值为2、4、6、12；的配置首先需要考虑定位参考信号的定位范围，定位参考信号的定位范围如下所示：
[0032][0033]
(5)是定位参考信号资源的周期，共有17种取值，最小值为4ms，的配置与首次定位时间、定位终端功耗、定位服务时延有关；首先，小于首次定位时间；其次，较长的用于低功耗场景；较短的用于低时延场景；
[0034]
(6)是定位参考信号资源的重复次数，取值为1、2、4、6、8、16、32。
[0035]
所述步骤7中，用户终端对参考信号到达时间差的计算采用时域相关法，其具体如下：
[0036]
(1)设定某个搜索窗；
[0037]
(2)在窗内按一定起点，间隔将接收到的信号和主小区基站的定位参考信号做时域相关，对连续定位子帧得到的时域相关函数做非相参积累；
[0038]
(3)对时域相关函数做恒虚警检测，通过门限的点对应的时延即主小区基站对定位终端的时延，对多个邻小区基站都进行估计，该过程都是假设检验过程；
[0039]
(4)求出主小区基站到定位终端的时延与邻小区基站到定位终端的时延之差，即rstd。
[0040]
所述步骤7中，用户终端对参考信号到达时间差的计算采用频域相关法，其具体如下：
[0041]
(1)设定某个搜索窗；
[0042]
(2)在窗内按一定起点，间隔将接收到的信号进行快速傅里叶变换，将该信号变化到频域后与频域定位参考信号的共轭进行相关，即可得到频域相关函数，对连续定位子帧得到的频域相关函数做非相参积累；
[0043]
(3)导频到达时间的延迟会引起子载波相位的旋转，而相位旋转角度与子载波的频率有关，根据相对相位的旋转大小可以得到到达时间；
[0044]
(4)求出主小区基站到定位终端的时延与邻小区基站到定位终端的时延之差，即rstd。
[0045]
采用上述方案后，本发明利用从定位基站进行室内定位，而从定位基站仅由分布式单元和射频拉远单元构成，生产成本低；同时从定位基站的分布式单元通过3gpp f1接口连接到主基站的集中式分布单元，这使得多个从定位基站之间的空口资源协调很容易实现，让多个分布式单元的精确时间同步更加容易实现，同时共享集中式单元的硬件架构能够有效协调从定位基站间在码域、频域、时域上的资源分配，以提升定位性能。本发明时间
同步精度优于2ns，从而使得定位终端的dl-tdoa的定位精度达到1.5m。
附图说明
[0046]
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0047]
图1为本发明从定位基站方案拓扑图；
[0048]
图2为本发明从定位基站定位流程图。
具体实施方式
[0049]
如图1所示，本发明揭示了一种基于从定位基站的5g nr室内定位系统，其包括一主基站以及多个从定位基站，主基站为5g小基站，其包括集中式单元(cu)、分布式单元(du)和射频拉远单元(rru)；从定位基站包括分布式单元和射频拉远单元。从定位基站的分布式单元通过3gpp f1接口连接到主基站的集中式分布单元。这使得多个从定位基站之间的空口资源协调很容易实现，让多个分布式单元的精确时间同步更加容易实现，同时共享集中式单元的硬件架构能够有效协调从定位基站间在码域、频域、时域上的资源分配，以提升定位性能。
[0050]
如图2所示，当上述定位系统进行室内定位时包括以下步骤：
[0051]
步骤1、从定位基站在特定的时隙通过射频拉远单元(rru)播发同步信号块(ssb)信号以及定位参考信号(prs)。
[0052]
所述的同步信号块(ssb)信号，包括主同步信号(pss)、辅同步信号(sss)与物理广播信道(pbch)。
[0053]
步骤2、定位终端(ue)进行从定位基站信号搜索实现同步与解码同步信号块(ssb)以及系统信息块#1(sib#1)，定位终端进行同步的主要步骤如下：
[0054]
(1)pss检测：利用主同步信号的自相关特性，在接收端进行滑动相关，得到一个相关峰值，这样可以确定整个同步信号块的位置和主同步信号携带的参数；
[0055]
(2)频偏估计：由于正交频分复用ofdm技术对于频偏的干扰比较敏感，为了提高同步性能，利用pss进行频偏估计；
[0056]
(3)信道估计：为了提高辅同步信号检测的性能，先通过辅同步信号进行信道估计，如果辅同步信号采用频域相关算法，信道估计对辅同步信号检测成功率的影响较大；
[0057]
(4)辅同步信号检测：物理广播信道的位置特殊，在时域上与辅同步信号的符号有重叠，所以在时域上进行辅同步信号检测相对复杂，故辅同步信号检测采用频域相关。
[0058]
步骤3、定位终端对从定位基站周期性发送的物理广播信道进行解调，物理广播信道用来传递相关重要参数，包括系统带宽、系统帧号。解调物理广播信道的过程为：
[0059]
(1)根据主同步信号的时域位置定位物理广播信道的位置并分离出其所在的三个符号，然后进行解正交频分复用，获得频域数据；
[0060]
(2)根据物理位置标识判断出解调参考信号(dm-rs)的位置，并利用解调参考信号采用插值算法进行信道估计与补偿；
[0061]
(3)进行解星座映射，解信道编码和循环冗余校验(crc)。
[0062]
步骤4、定位终端与从定位基站的分布式模块(du)进行无线资源控制(rrc)连接，与定位终端连接的从定位基站称为主小区基站，其他从定位基站称为邻小区基站。主小区
基站在接收到定位终端的连接请求后，会进行信令资源配置，并将配置参数通过无线资源控制传输给主基站cu，主基站cu再通过无线资源控制对邻小区基站进行信令资源配置，完成后反馈回给主小区基站，主小区基站进而将参数告知定位终端，随后定位终端进行参数解析配置。
[0063]
步骤5、定位终端发起定位请求，主小区基站将联合信令资源配置及邻小区基站同步信号块的全局同步信道号(gscn)值通过无线资源控制信令告知定位终端。
[0064]
步骤6、从定位基站所下发的定位参考信号(prs)由采用qpsk调制的伪随机序列构成,具有特定的时频资源块分配方式,并且在时隙符号和子载波映射时受到一定约束:不能映射到分配给同步信号块的源粒子上,不与任何天线端口的小区参考信号重叠。定位参考信号信号的参考信号序列定义如式1所示：
[0065][0066]
其中，ns为一个无线帧中的时隙号，l是一个时隙中的正交频分复用符号的编号，c(i)是伪随机序列。
[0067]
定位参考信号在频域上占用个物理资源块(prb)，采用梳状结构，每个物理资源块在单个正交频分复用符号上有个定位参考信号。定位参考信号在1个时隙内占用l
prs
个正交频分复用符号，定位参考信号信号采用交错的结构，相比于非交错结构，交错结构具有更好的互相关峰值。定位参考信号在1个时隙内的关键参数包括定位参考信号带宽梳齿尺寸符号数l
prs
等，除了以上3个关键参数，定位参考信号还涉及到周期和重复因子2个关键参数。对于定位参考信号的配置规则如下：
[0068]
(1)是用于定位参考信号传输的物理资源块数，最小值为24个物理资源块，最大值为272个物理资源块，颗粒度是4个物理资源块，的配置与定位精度有关，在其他参数相同的情况下，越大，对应的采样周期越小，相关波形越窄，峰值误差便越小，使得定位精度越高，但是开销大。的配置独立于定位终端的部分频宽(bwp)，因此定位参考信号有可能位于定位终端的部分频宽之外，如果定位终端不测量部分频宽之外的定位参考信号信号，就会导致定位性能下降，为了避免这种情况，将定位参考信号配置在公共部分频宽上，可以满足大量定位终端同时定位的需求；当采用功率提升时，定位参考信号需要避开信道边缘的1～2个物理资源块，以便降低非期望辐射，减少对其他数据信道或系统的干扰。
[0069]
(2)是物理资源块的梳齿尺寸，取值为2、4、6、12。的配置首先需要考虑定位参考信号的定位范围，定位终端通过时域自相关，在时域上搜索峰值来估计到达时
间，为了减少复杂性和时延，需要限制定位终端的搜索窗，越大，搜索窗越窄，定位参考信号的非模糊自相关窗的时长依赖和正交频分复用符号持续时间t
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，进而可以转换为定位参考信号的定位范围，如式2所示：
[0070][0071]
对于不同的子载波间隔(scs)和定位参考信号的定位范围如表1所示。针对室内场景具有低多普勒频移、低传播时延、低时延扩展的特点，可以配置得大一些，如配置为12。
[0072][0073]
(3)是定位参考信号资源的周期，共有17种取值，最小值为4ms，的配置与首次定位时间、定位终端功耗、定位服务时延等有关。首先，应小于首次定位时间。其次，较长的可以避免定位终端因为频繁的定位操作而耗尽电池容量，因此适合于低功耗场景；较短的可以对定位终端进行频繁的定位操作，因此适合于低时延场景，其缺点就是开销较大。
[0074]
(4)是定位参考信号资源的重复次数，取值为1、2、4、6、8、16、32，设置较大的重复因子可以聚合定位参考信号信号能量，因此增加了定位参考信号的覆盖范围和定位精度，其缺点就是开销较大。
[0075]
步骤7、定位终端进行dl-tdoa测量过程中，通过接收从主小区基站和邻小区基站发出的联合信令，根据所选择的定位技术进行信号测量及估计，获得主小区基站和邻小区基站的参考信号到达时间差，进而完成位置的解算。
[0076]
用户终端对参考信号到达时间差的计算，主要分为时域相关法和频域相关法。其中，时域相关法测量流程如下：
[0077]
(1)设定某个搜索窗；
[0078]
(2)在窗内按一定起点，间隔将接收到的信号和主小区基站的定位参考信号做时域相关，对连续定位子帧得到的时域相关函数做非相参积累；
[0079]
(3)对时域相关函数做恒虚警检测，通过门限的点对应的时延即主小区基站对定位终端的时延，对多个邻小区基站都进行估计，该过程都是假设检验过程；
[0080]
(4)求出主小区基站到定位终端的时延与邻小区基站到定位终端的时延之差，即rstd。
[0081]
对于频域相关法，主要将时域相关法的步骤(2)(3)将时域信号变化到频域做相关处理，基本测量流程如下：
[0082]
(1)设定某个搜索窗；
[0083]
(2)在窗内按一定起点，间隔将接收到的信号进行快速傅里叶变换，将该信号变化到频域后与频域定位参考信号的共轭进行相关，即可得到频域相关函数，对连续定位子帧得到的频域相关函数做非相参积累；
[0084]
(3)导频到达时间的延迟会引起子载波相位的旋转，而相位旋转角度与子载波的频率有关，根据相对相位的旋转大小可以得到到达时间；
[0085]
(4)求出主小区基站到定位终端的时延与邻小区基站到定位终端的时延之差，即rstd。
[0086]
dl-tdoa位置解算中，其方差大小依赖于信噪比、子载波间隔、定位参考信号带宽以及定位参考信号符号数l
prs
和重复因子这几个参数的值越大，dl-tdoa的方差越小，相应的距离估计精度就越高。
[0087]
本发明提出的基于从定位基站的5g nr室内定位方案实现了多基站之间的时间同步，时间同步精度优于2ns，从而使得定位终端的dl-tdoa的定位精度达到1.5m。
[0088]
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。