一种兼容单基站和多基站的5G定位方法

一种兼容单基站和多基站的5g定位方法
技术领域
1.本技术涉及车辆定位领域，具体涉及一种兼容单基站和多基站的5g定位方法。


背景技术：

2.在城市区域，卫星信号会被高大的建筑物遮挡，车辆行驶在街区，定位精度误差较大。5g毫米波具有大带宽、大规模天线和高精度时间同步的特点，可以获得更高的时间和角度测量精度，在定位方面极具潜力，可以弥补卫星定位的缺陷。目前基于5g单基站的定位技术主要是利用毫米波和大规模天线阵列，测量到达时间、到达角(angle of arrival, aoa)和离开角(angle of departure, aod)来实现定位，aoa和aod的测量精度受到大规模天线阵列中的天线数量的影响，数量越多，定位精度越高。但是大规模天线阵列的应用直接导致了5g基站的高能耗；在运营成本的压力下，在某些区域运营商转而采用天线数少的微小基站来实现信号覆盖；但是天线数量的减少会导致5g单基站定位的精度下降。部分业者尝试基于多个微小基站，利用到达时间差(time difference of arrival, tdoa)算法进行定位，但是在一个区域内至少需要4个基站才能获得可靠的定位。车辆到达某个区域无法提前获知区域内的基站数量和所部署的天线数量，选择使用哪种定位方式实现定位成为一个难题。因此，需要一种能同时兼容单基站和多基站的定位方法，实现车辆在城市区域的准确定位。


技术实现要素：

3.本技术利用路侧部署的5g基站和mec提供的实时计算服务，提出往返与冗余确认rra定位网络通信协议，兼容单基站毫米波定位和多基站tdoa定位的5g定位算法，解决基站和车辆的时间同步误差、数据重传和天线数量影响定位精度的问题，实现高精度鲁棒定位。
4.为实现上述目的，本技术公开了一种兼容单基站和多基站的5g定位方法，步骤包括：制定基础的rra定位网络通信协议；基于所述基础的rra定位网络通信协议，融合tdoa定位，提出网络协议优化方法，形成完善的rra定位网络通信协议和约束条件；基于所述完善的rra定位网络通信协议，构建融合定位算法，完成5g定位。
5.优选的，所述网络协议优化方法的步骤包括：优化基于单基站定位的rra网络协议和优化多基站网络协议。
6.优选的，优化所述基于单基站定位的rra网络协议的方法包括：测量第一次信号往返飞行时间，避免基站与车辆之间时间同步误差影响；测量第二次信号往返飞行时间，利用增加的冗余ack数据帧，降低数据重传对时间间隔测量的影响。
7.优选的，测量所述第一次信号往返飞行时间的方法包括：
其中，ta表示第一次信号往返飞行时间，表示测量存在误差情况下的信号飞行时间，且表示预先定义的时间间隔，表示基站测量误差，表示车辆测量误差，表示信号在车辆和基站之间的真实飞行时间；，τb表示信号从车辆到基站的测量飞行时间，包含了基站的测量误差；表示信号从基站到车辆的测量飞行时间，包含了车辆的测量误差。
8.优选的，降低所述影响的方法包括：不启用重传机制，基站发送完ack帧后，间隔所述预先定义的时间间隔后，发送冗余ack帧，之后测量所述第二次信号返回时间tb：；车辆接收到冗余ack帧，完成定位。
9.优选的，完成所述定位的方法包括：所述rra定位网络通信协议收到所述ack帧或所述冗余ack帧信号后，其中信号飞行时间计算分别为和；再利用5g下行信号通过基于宽带波束赋形变换方法估算角度参数，实现5g单基站毫米波定位，tb表示第二次信号返回时间。
10.优选的，优化所述多基站网络优化协议的方法包括：将基于所述基础的rra定位网络通信协议，融合tdoa定位形成完善的rra定位网络通信协议。
11.优选的，所述融合tdoa定位形成完善的rra定位网络通信协议的步骤包括：车辆发送定位请求信号，多个基站接收到定位请求信号后，记录信号的到达时间，发送到mec集中处理，时延约束的tdoa定位算法完成位置估算后，将估算后的位置信息填入冗余ack帧的数据域，通过携带位置信息的所述冗余ack帧发送车辆位置给车辆，通过信息融合算法融合单基站和多基站定位结果，实现兼容单基站和多基站的5g定位。
12.优选的，所述时延约束的tdoa定位算法，时延约束条件包括：其中，表示信号从基站发送到mec的时间，表示mec完成tdoa位置估算的计算时间，表示计算结果从mec发送到基站的时间。
13.优选的，所述信息融合算法包括：其中，表示基于5g上行链路的tdoa定位结果，表示基于5g下行链路的单基站毫米波的定位结果，a和b为系数，满足的约束。与现有技术相比，本技术的有益效果如下：本技术针对卫星信号被遮挡的场景，基于5g单基站和毫米波定位算法，提出了基于基础的rra协议的5g定位算法，通过测量信号在车辆与基站之间的往返飞行时间，避免了时间同步带来的定位误差；增加了冗余ack数据帧，降低数据重传对所述时间间隔测量的影响，提高了基于单基站毫米波定位的精度。基于5g多基站、mec和tdoa定位算，提出了基于改进的rra协议的5g定位算法，该方法兼容单基站和多基站的5g定位方法，为车辆提供鲁棒的
定位服务，补卫星定位的缺陷。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本技术实施例的方法流程示意图；图2为本技术实施例融合tdoa定位的网络协议优化方法示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
17.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
18.基础的rra定位网络协议的5g定位算法是基于单基站的5g毫米波定位方法利用到达时间(time of arrival, toa)、到达角(angle of arrival, aoa)和离开角(angle of departure, aod)实现定位，但是toa需要在基站和车辆实现高精度的时间同步，且受到数据帧重传的影响，另外aoa和aod的测量精度受到天线数量的影响。所以本实施例将利用路侧部署的5g定位基站和mec提供的实时计算服务，从现有的毫米波定位算法出发，提出rra定位网络通信协议，解决定位过程中的时间同步和数据重传导致定位精度下降问题，通过协议优化，融合tdoa定位，使定位系统兼容单基站和多基站，提高了5g定位的鲁棒性，技术路线如图1所示。
19.在本实施例中，在基站和车辆都装备有大规模天线阵列、基站部署在路侧且位置已知，同时车辆与路侧基站之间无遮挡的情况下，建立视距通信模型。此时，在无误差情况下的信号飞行时间τ=d/c，其中，d表示车辆与基站之间的距离，c表示光速。根据5g标准的r16版本，时间同步误差为10ns，那么定位误差为3米，达不到自动驾驶定位精度要求；同样地，数据重传会产生随机的退避时间和退避处理时间，时间测量准确性会受到影响，从而影响定位精度。
20.基于上述的基础rra定位网络通信协议，提出融合tdoa定位的网络协议优化方法，其中包括优化基于单基站定位的rra网络协议和优化多基站网络协议。
21.首先，测量信号往返(round-trip)飞行时间，避免时间同步误差影响。有误差情况下，，其中，表示预先定义的时间间隔，表示基站测量误差，第一次信号往返时间为其中，表示车辆测量误差， 为测量存在误差情况下的信号飞行时间，为信
号在车辆和基站之间的真实飞行时间；其中，，表示信号从车辆到基站的测量飞行时间，包含了基站的测量误差；表示信号从基站到车辆的测量飞行时间，包含了车辆的测量误差。
22.之后，利用增加的冗余ack数据帧，降低重传对时间间隔测量的影响。由于数据帧退避后重传会对时间间隔测量的准确性有影响，本技术不启用重传机制，基站发送完ack帧后，间隔后，发送冗余ack，之后测量第二次信号返回时间tb为：。因为连续2次发生碰撞的概率低很多，车辆只要接收到任何一个ack，就可以定位，降低了数据重传的影响。基于单基站定位的rra网络协议的优化。
23.如图2虚线部分所示，rra定位网络协议只要收到ack或冗余ack信号就可以利用5g下行信号通过基于宽带波束赋形变换等方法估算角度(aoa和aod)参数，其中信号飞行时间计算分别为和，可以实现5g单基站毫米波定位。
24.之后，将上述时间间隔应用到融合tdoa定位的网络通信协议中，完成多基站网络协议优化。本实施例在rra定位网络协议的基础上，提出融合tdoa定位的网络协议优化方法，如图2实线部分所示，车辆发送定位请求信号，多个基站接收到定位请求信号后，记录信号到达时间，发送到mec集中处理，mec根据tdoa算法完成位置估算后，通过冗余ack发送车辆位置给车辆(这里的冗余ack与上述步骤不同，携带了车辆位置)，得到信息融合的结果：其中，表示基于5g上行链路的tdoa定位结果，表示基于5g下行链路的单基站毫米波的定位结果，a和b为系数，满足的约束。
25.融合tdoa定位的网络通信协议中的tdoa定位算法在计算时间上存在如下约束条件：其中，表示信道到达时间从基站发送到mec的时间，表示mec完成tdoa位置估算的计算时间，表示计算结果从mec发送到基站的时间。即信道到达时间从基站发送到mec的时间、mec完成tdoa位置估算的计算时间和计算结果(车辆位置)从mec发送到基站的时间之和不能超过。由于mec下沉至定位网络边缘部署，和非常小，主要考虑tdoa定位算法计算时间。最后基于网络协议优化方法，形成完善的所述rra定位网络通信协议，完成5g协同定位。
26.在本实施例中，还提供了mec辅助的时延约束下的tdoa定位算法研究。从非时延约束的tdoa定位算法入手，比如fang、taylor、chan算法等，拟从两个方面来减少tdoa定位算法的计算时间。
27.第一，硬件计算资源方面，通过多次重复实验，找出算法所需要的计算资源上限，
在mec上预留足够的计算资源，减少因计算资源瓶颈而产生额外时间。
28.第二，算法计算时间复杂度方面，重新设计算法流程，缩减或替换耗时但又不关键的算法分支，完成算法的裁剪与优化；当基站数大于3时，控制参与tdoa位置估算的基站数量，通过实验找出最优的数量阈值m，在定位精度和计算时间之间取得平衡。
29.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。