NLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法創(chuàng)新應(yīng)用InnovativeApplicationNLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法5GMillimeterWavePositioningMethodinNLOSEnvironment限公司鄭州分公司，河南鄭州450007)ZhangQiankun1，ChenRenxiang1，ZhongZhigang1，ZhouGuodong2(1.ChinaInformationTechnologyDesigning&ConsultingInsti?tuteCo.，Ltd.，Beijing100048，China；2.ChinaInformationTechnologyDesigning&ConsultingInstituteCo.，Ltd.ZhengzhouBranch，Zheng?zhou450007，China)摘要：5G毫米波在可視(LOS)環(huán)境下理論上可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)以內(nèi)的定位精度，但是在非可視(NLOS)環(huán)境下無(wú)法定位，首先研究了基于5G毫米波大規(guī)模MIMO混合波束賦形的信道估計(jì)方法，并采用正交匹配追蹤(OMP)算法對(duì)到達(dá)角 (AOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)以及出射角(AOD)進(jìn)行估計(jì)，其次提出一種在NLOS的位置并對(duì)散射體的位置進(jìn)行估計(jì)。Abstract：關(guān)鍵詞：信道估計(jì)；正交匹配追蹤；非可視環(huán)境；毫米波定文章編號(hào)：1007-3043(2022)10-0083-05開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID)：notpositionintheNLOSenvironment.Itfirststudiesthechannelestimationmethodbasedon5GmillimeterwavemassiveKeywords：1概述隨著智能設(shè)備與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的普及，人們對(duì)于場(chǎng)景感知、環(huán)境智能等應(yīng)用需要在不斷增加，同時(shí)對(duì)用戶位置信息精度的要求也在不斷提高。目前在室內(nèi)定B技術(shù)開(kāi)始普及，但是對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)需要專門(mén)建立一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，成本比較高。針對(duì)室內(nèi)定位的特點(diǎn)，目前室內(nèi)定位的方法主要圍繞提高定位精收稿日期：2022-09-02度、降低定位成本、提高系統(tǒng)定位魯棒性(適應(yīng)復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境)等方面展開(kāi)，如何利用運(yùn)營(yíng)商自有的5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度定位一直是需要攻克的難題。目前在5G定位[6-7]方面使用比較多的是UTDOA(UplinkTimeDifferenceOfArrival)定位技術(shù)，這種定位技術(shù)需要基站之間同步，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，而且需要終端同時(shí)接收到3個(gè)射頻拉遠(yuǎn)單元(PRRU)才能實(shí)現(xiàn)定位，在NLOS環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行定位，這種定位條件在室內(nèi)環(huán)境下很難達(dá)到。5G毫米波[8]波束窄、方向性好，有極高的空間分辨力，信號(hào)傳輸周期小，時(shí)間精度高，基于此，本文研究了在NLOS環(huán)境下的5G毫米波室內(nèi)定郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2022/1083創(chuàng)新應(yīng)用InnovativeApplicationNLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法位方法，首選進(jìn)行混合波束賦形下的信道估計(jì)，其次在室內(nèi)環(huán)境下建立NLOS環(huán)境模型，并對(duì)終端進(jìn)行定位。2大規(guī)模MIMO信道估計(jì)2.1毫米波信道模型毫米波大規(guī)模MIMO為了減少硬件成本，降低功假設(shè)基站端和用戶端分別有NBS和NMS根天線，同時(shí)有N和N根RF鏈路，數(shù)據(jù)流Ns需要滿足Ns≤N≤NBS以及Ns≤N≤NMS，上行鏈路基站端接收的信號(hào)可以表示為：n……………RFanalogADCRFDACRF …NNNNSNTRRRFTRFDACADCRFRFterRFanalog……………RFanalogADCRFDACRF …NNNNSNTRRRFTRFDACADCRFRFterRFanalog圖1混合波束賦形架構(gòu)式中：F=FRFFBBWRF和FRF——模擬波束形成器WBB和FBB——數(shù)字波束形成器H——上行信道矩F=FRFFBB陣s——用戶發(fā)射的基帶信號(hào)n——復(fù)高斯白噪聲AWGN，n∈CN(0,σI)由于毫米波在非直射路徑(NLOS)環(huán)境下路損嚴(yán)重，接收機(jī)只能接收到有限個(gè)顯著散射體的多徑信L 式中：llCNI)84是信號(hào)波長(zhǎng)，d為相鄰天線之間的間隔，因此毫米波信2.2毫米波信道估計(jì)利用OMP[10]對(duì)AOA、AOD和TOA進(jìn)行估計(jì)，首先構(gòu)造字典矩陣，利用字典矩陣對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，因此字典矩陣中應(yīng)該包括AOA、AOD、TOA3個(gè)參數(shù)。TOA3個(gè)參數(shù)的搜索范圍和搜索步長(zhǎng)確定，AOA的搜searching_aoa，AOD的搜索范圍和搜索步長(zhǎng)確定的搜 (9) (9)NLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法創(chuàng)新應(yīng)用InnovativeApplication索角度值組成向量searching_aod，TOA的搜索范圍和搜索步長(zhǎng)確定的搜索角度值組成向量searching_toa，ing_aoa)]個(gè)搜索角度構(gòu)造的原子為：a [1e-j2πfdsin[searching_aoa(i_aoa)]/c…e-j2πf(M-1)dsin[searching_aoa(i_aoa)]/c]T(5) 中，Θaoa(i_aoa)的維度為M×length(search?速。速ing_aod)]個(gè)搜索角度構(gòu)造的原子為： [1e-j2πfdsin[searching_aod(i_aod)]/c…e-j2πf(M-1)dsin[searching_aod(i_aod)]/c]T(6) odiaodMlengthsearch速。速個(gè)搜索角度構(gòu)造的原子為： ngtoaitoacejfMdsinsearchingtoaitoacT 其中，Θtoa(i_toa)的維度為M×length(search?第i_toa個(gè)搜索時(shí)延構(gòu)造的字典矩陣為：Θ(i_aoa;i_aod;i_toa)=Θaoa(i_aoa)?Θaod(i_aod)?Θtoa(i_toa)(8) 其中，Θ的維度為(MN)×[length(searching_toa)×length(searching_toa)]。假設(shè)接收陣列接收到的接收中的每一個(gè)原子，即字典矩陣的每一列分別與殘差進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算，找到字典矩陣中與殘差的投影系數(shù)最大的原子，并將該原子從字典矩陣中刪掉。然后更新殘差值rt=y-Θtxt，t=t+1。直到滿足迭代終止條件t號(hào)的AOA、AOD和TOA3個(gè)參數(shù)就等于依次找出的字典矩陣中與殘差的投影系數(shù)最大的原子對(duì)應(yīng)的AOA、AOD和TOA。3毫米波NLOS環(huán)境室內(nèi)定位3.1模擬LOS環(huán)境虛擬基站NLOS環(huán)境如圖2所示，由于基站與用戶之間受干擾源遮擋，不存在直射路徑，信號(hào)經(jīng)過(guò)散射體的反射、SSUDPRSS圖2NLOS環(huán)境折射將信號(hào)傳送到用戶。式表示為：TOAlxslxBSC+xs,l-x/C+B，其中B是時(shí)鐘偏移誤差，xs,l為散射體的位置，α，其中α為終端航向偏差。AOD方位角：?z=arctan2(ys,l,xs,l)AOD俯仰角：?l=arcsin(zs,l-zBS)xs,l-xBSxBS，飛行時(shí)間τl可以確定一個(gè)點(diǎn)sl，表示為：écosθlcosθzùsl=xBS+ρlêcosθlsinθzú，其中ρl的是信號(hào)從基站到達(dá)用戶的真正時(shí)間。散射體xs,l即在基站xBS與sl2點(diǎn)之間的線段上。AOAlsl的位置可以確定另外一個(gè)點(diǎn)l，表示為：用戶的位置x即在點(diǎn)sl和l之間的線段上。則點(diǎn)sl可以表示為和用戶處于LOS環(huán)境的虛擬基站。3.2多虛擬基站聯(lián)合定位郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2022/1085創(chuàng)新應(yīng)用InnovativeApplicationNLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法徑的交點(diǎn)即是用戶x的位置。為了避免噪聲的干擾，本文在同一個(gè)位置進(jìn)行多次采樣求平均值，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)n=1,2,?,Ns，得到sl和l之間的線段l后，可以計(jì)算虛擬基站與用戶之間的AOA，表示為γ，則可利用虛擬基站與用戶通過(guò)聯(lián)合多個(gè)虛擬基站的AOA信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，這里假設(shè)有R個(gè)虛擬基站，利用最小二乘算法[11-12]得到目標(biāo)的位置為：R2pi=1x(n)=argmini-R2pi=1其中x(n)表示的是第n個(gè)采樣點(diǎn)得到的UE的位置，i表示第i個(gè)虛擬基站到位置p的角度，γi為位置p估計(jì)的角度。將到任意2條路徑線段ln)和l的距離之和dl,l'最BS0UESPSUESPSPSPSPSPSPSP0-500-200-0-200-150-100-500SPSPSP-150-100-500SPSPSP0-500-50BSBSSPUESPSPSPSPUESP-50SPSP5000-50-50-200-200-50-50圖3不同[α，B]對(duì)應(yīng)的UE的位置計(jì)算終端UE位置的期望和方差： 在得到最優(yōu)(α*,B*)以后可以解算出準(zhǔn)確的用戶位置，再結(jié)合AOA即可以得到散射體SP的位置。4仿真分析為10cm(換算為距離)，AOA和AOD的標(biāo)準(zhǔn)差為0.01知，AOA、AOD、TOA可以通過(guò)信道估計(jì)得到，采樣點(diǎn)估計(jì)，結(jié)果如圖4所示，其中藍(lán)色的點(diǎn)表示的為真實(shí)的00-1000-502386NLOS環(huán)境下5G毫米波定位方法創(chuàng)新應(yīng)用InnovativeApplicationPy/my/m30200-y/my/m30200-10-20-30-3020x/m-20404030200-10-20-400200y/m-206080-20-1001020x/m3040506070圖5仿真結(jié)果——UE的位置以及SP的位置其中紅色的點(diǎn)為真實(shí)的位置，藍(lán)色的點(diǎn)為估計(jì)出位置以及SP的位置有很大的影響，本文對(duì)(α,B)進(jìn)行粗略的估計(jì)，主要解決的是在NLOS環(huán)境下無(wú)法定位的問(wèn)題。5結(jié)論本文提出一種算法復(fù)雜度低的5G毫米波NLOS環(huán)境下的室內(nèi)定位方法，在用戶位置、時(shí)鐘誤差、終端航向偏差未知的情況下，通過(guò)信道估計(jì)得到的AOA、下障礙物的遮擋現(xiàn)象，并根據(jù)空間位置關(guān)系推導(dǎo)出UE的位置以及散射體SP的位置，仿真結(jié)果表明，該算法可以估計(jì)出用戶的位置以及散射體SP的位置，解決在NLOS環(huán)境下無(wú)法定位的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)： [1]田增山，張千坤，周牧，等.基于CFR的角度/距離聯(lián)合單站定位 [J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48(5)：698-705. 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