本技術(shù)涉及通信定位，尤其涉及一種基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的定位和測速方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著定位需求的快速增長和應(yīng)用場景的日益多樣化，在某些特定場景中，如室內(nèi)環(huán)境或密集城區(qū)，由于信號受到建筑物阻擋，全球定位系統(tǒng)(the?global?positioningsystem，gps)難以提供可靠的高精度定位服務(wù)。在此背景下，利用現(xiàn)有的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)目標設(shè)備的定位成為一種可行的替代方案：由于接收信號與收發(fā)兩端的相對位置和速度密切相關(guān)，在已知基站位置的前提下，可以從接收的通信信號中提取與目標設(shè)備位置相關(guān)的信息，從而實現(xiàn)高精度定位，即通信定位一體化。通信與定位一體化技術(shù)已在移動通信中得到了廣泛應(yīng)用。早在3gpp(the?third?generation?partnership?project)制定的4g標準協(xié)議中，就已引入用于定位的參考信號(positioning?reference?signal,prs)。然而，受限于4g系統(tǒng)的20mhz帶寬和嚴重的多徑效應(yīng)，其定位精度最高僅為50米，遠低于gps系統(tǒng)的定位能力。相比之下，5g通信系統(tǒng)憑借更高的射頻頻率、更大的帶寬以及大規(guī)模天線陣列的優(yōu)勢，不僅顯著提升了定位精度，還為通信系統(tǒng)帶來了測速的能力。在5g系統(tǒng)中，定位精度可提升至0.2米，為高精度定位和移動設(shè)備測速提供了強有力的技術(shù)支持。

2、多進多出(multiple-input-multiple-output，mimo)-正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequency?division?multiplexing，ofdm)技術(shù)(簡稱mimo-ofdm技術(shù))在當前的4g和5g通信系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位，其中信道估計是必不可少的步驟。在mimo-ofdm系統(tǒng)中，由于相鄰子載波、相鄰幀及相鄰天線之間的信道復(fù)增益的相位差分別與傳輸時延、多普勒頻移以及信號角度成正比，通過從信道估計結(jié)果中測量這些相位差，可以準確提取目標設(shè)備的位置信息和速度參數(shù)，從而實現(xiàn)高精度的定位與測速。在收發(fā)兩端實現(xiàn)完美時頻同步的理想條件下，可以從信道中直接提取到達時間(time-of-arrival,toa)、多普勒頻移以及發(fā)射角度(angle-of-departure,aod)和到達角度等參數(shù)。然而，在實際通信場景中，時頻同步誤差不可避免，這種殘余時頻同步誤差會顯著影響toa和多普勒頻移的測量精度，進而降低定位和測速的準確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)問題，本技術(shù)提供一種基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的定位和測速方法及系統(tǒng)，在目標設(shè)備與各個基站之間存在時頻同步誤差的前提下，提高對目標設(shè)備定位和測速的準確性。

2、第一方面，本技術(shù)實施例提供一種基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的定位和測速方法，包括：

3、通過各個基站各自接收目標設(shè)備的通信信號，得到若干接收信號，其中，各個所述基站基于mimo-ofdm通信架構(gòu)進行通信；

4、通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行時頻同步，獲得各個所述接收信號對應(yīng)的時頻補償量；

5、通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行信道估計，獲得各個所述接收信號對應(yīng)的信道參數(shù)估計值；

6、將各個所述信道參數(shù)估計值、各個所述時頻補償量和所述目標設(shè)備的第一定位結(jié)果輸入至預(yù)設(shè)的定位模型，以使所述定位模型基于迭代優(yōu)化算法對所述第一定位結(jié)果進行若干次加權(quán)迭代更新，生成所述目標設(shè)備的第二定位結(jié)果，進而確定所述目標設(shè)備的位置和速度；

7、其中，所述第一定位結(jié)果是根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用預(yù)設(shè)的tdoa、aoa以及fdoa定位方法計算獲得。

8、本技術(shù)實施例提供一種基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的定位和測速方法，基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的特點，利用多個基站接收目標設(shè)備的通信信號，通過時頻同步和信道估計提取接收信號對應(yīng)的時頻補償量和信道參數(shù)估計值?？紤]到目標設(shè)備與各個基站之間存在不可避免的時頻同步誤差，這些時頻同步誤差會在一定程度上降低定位和測速的準確性。針對這一問題，本技術(shù)實施例基于基站之間可以實現(xiàn)高精度時頻同步的假設(shè)，不同基站與目標設(shè)備之間的殘余時頻同步誤差可以視為一致，而殘余時頻同步誤差又與信道參數(shù)、時頻補償量、時鐘偏差以及本地晶振偏差之間存在計算關(guān)系。因此本技術(shù)實施例通過整合tdoa、aoa和fdoa定位方法，并利用定位模型對定位結(jié)果進行迭代優(yōu)化，在計算目標位置和速度的同時還求解了時鐘偏差和本地晶振偏差，提高了時頻同步的精度，進而提高了目標設(shè)備位置和速度的定位精度，尤其在基站存在時頻同步誤差的場景下，能夠有效補償同步偏差對定位結(jié)果的影響。

9、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行信道估計，獲得各個所述接收信號對應(yīng)的信道參數(shù)估計值，包括：

10、通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行信道估計，獲得各個對應(yīng)的信道估計結(jié)果；

11、將各個所述信道估計結(jié)果各自輸入至預(yù)設(shè)的信道參數(shù)估計模型，以使所述信道參數(shù)估計模型基于離散傅里葉變換的多維頻率估計算法求解得到與各個所述信道估計結(jié)果對應(yīng)的信道參數(shù)估計值；

12、其中，所述信道參數(shù)估計模型為基于各個所述信道估計結(jié)果和信道參數(shù)構(gòu)建的最大似然估計模型。

13、本技術(shù)實施例提供一種信道估計方法，在信道估計過程中采用基于最大似然估計的信道參數(shù)估計模型，結(jié)合離散傅里葉變換的多維頻率估計算法對各個接收信號進行信道參數(shù)估計，提高了信道參數(shù)估計的準確性和魯棒性，并且降低了信道參數(shù)估計的復(fù)雜度，為后續(xù)定位計算提供了更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

14、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用預(yù)設(shè)的tdoa、aoa以及fdoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一定位結(jié)果，包括：

15、根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用所述tdoa和aoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一時鐘偏差和第一目標設(shè)備位置；

16、根據(jù)各個所述時頻補償量、各個所述信道參數(shù)估計值和所述第一目標設(shè)備位置，使用所述fdoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度；

17、將所述第一時鐘偏差、第一目標設(shè)備位置、第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度構(gòu)建為所述第一定位結(jié)果。

18、本技術(shù)實施例提供一種結(jié)合tdoa、aoa以及fdoa的定位方法，通過分步計算時鐘偏差、位置與本地晶振偏差、速度，實現(xiàn)了對多源定位參數(shù)(時間、角度、頻率)的協(xié)同優(yōu)化，，提升整體定位效率和定位精確度，為后續(xù)對定位結(jié)果的迭代更新提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

19、進一步的，所述根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用所述tdoa和aoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一時鐘偏差和第一目標設(shè)備位置，包括：

20、根據(jù)tdoa定位方法，構(gòu)建關(guān)于信道參數(shù)中的信道復(fù)增益相位隨子載波變化率、時頻補償量中的時間同步補償量、時鐘偏差和目標設(shè)備位置的tdoa等式；

21、根據(jù)aoa定位方法，構(gòu)建關(guān)于信道參數(shù)中的信道復(fù)增益相位隨天線變化率、天線陣列方向矢量和目標設(shè)備位置的aoa等式；

22、聯(lián)立所述tdoa等式和所述aoa等式，構(gòu)建關(guān)于信道復(fù)增益相位隨子載波變化率、信道復(fù)增益相位隨天線變化率、時鐘偏差、時間同步補償量、天線陣列方向矢量、目標設(shè)備位置和時鐘偏差的tdoa-aoa等式；

23、將各個所述時頻補償量中的時間同步補償量、各個所述信道參數(shù)估計值中的信道復(fù)增益相位隨子載波變化率估計值和信道復(fù)增益相位隨天線變化率估計值，代入所述tdoa-aoa等式，基于最小二乘法計算獲得所述第一時鐘偏差和所述第一目標設(shè)備位置。

24、在本技術(shù)實施例中，進一步提供了計算第一時鐘偏差和所述第一目標設(shè)備位置的具體步驟，通過構(gòu)建tdoa等式，建立了信道復(fù)增益相位隨子載波變化率、時間同步補償量、時鐘偏差和目標設(shè)備位置之間的計算關(guān)系；通過構(gòu)建aoa等式，建立了信道復(fù)增益相位隨天線變化率、天線陣列方向矢量和目標設(shè)備位置的計算關(guān)系。然后進一步聯(lián)立tdoa等式和aoa等式構(gòu)建綜合方程，代入對應(yīng)的信道參數(shù)估計值并基于最小二乘法求解，解決了時頻同步誤差與時鐘偏差對位置估計的干擾問題，提高了第一定位結(jié)果的初始精度，為后續(xù)定位計算提供了更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

25、進一步的，所述根據(jù)各個所述時頻補償量、各個所述信道參數(shù)估計值和所述第一目標設(shè)備位置，使用所述fdoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度，包括：

26、根據(jù)fdoa定位方法，構(gòu)建關(guān)于信道參數(shù)中的信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、目標設(shè)備位置、目標設(shè)備速度、時頻補償量中的頻率同步補償量和本地晶振偏差的fdoa等式；

27、將各個所述時頻補償量中的頻率同步補償量、各個所述信道參數(shù)估計值中的信道復(fù)增益相位隨時隙變化率估計值以及所述第一目標設(shè)備位置，代入所述fdoa等式，基于最小二乘法計算獲得所述第一本地晶振偏差和所述第一目標設(shè)備速度。

28、在本技術(shù)實施例中，進一步提供了計算第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度的具體步驟，通過構(gòu)建fdoa等式，建立了信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、目標設(shè)備位置、目標設(shè)備速度、頻率同步補償量和本地晶振偏差之間的計算關(guān)系，然后代入對應(yīng)的信道參數(shù)估計值并基于最小二乘法求解，實現(xiàn)了對目標設(shè)備速度和本地晶振偏差的高靈敏度測量，尤其適用于高速移動場景，增強了系統(tǒng)對動態(tài)目標的追蹤能力，為后續(xù)定位計算提供了更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

29、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述定位模型為基于各個所述信道參數(shù)估計值、信道參數(shù)計算函數(shù)和權(quán)重矩陣構(gòu)建的加權(quán)最小二乘估計模型，所述權(quán)重矩陣由信道參數(shù)向量的費舍爾信息矩陣和所述第一定位結(jié)果構(gòu)建獲得，所述信道參數(shù)計算函數(shù)為根據(jù)各個所述時頻補償量、時鐘偏差、本地晶振偏差、目標設(shè)備位置以及目標設(shè)備速度計算信道參數(shù)的函數(shù)。

30、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述由信道參數(shù)向量的費舍爾信息矩陣和所述第一定位結(jié)果構(gòu)建獲得所述權(quán)重矩陣，包括：

31、根據(jù)信道參數(shù)中的信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、信道復(fù)增益相位隨天線變化率、信道復(fù)增益相位隨子載波變化率、實信道增益以及隨機相位噪聲構(gòu)建第一信道參數(shù)向量；

32、根據(jù)所述第一信道參數(shù)向量構(gòu)建各個所述接收信號的對數(shù)似然函數(shù)，進而根據(jù)各個所述對數(shù)似然函數(shù)構(gòu)建對應(yīng)的關(guān)于所述第一信道參數(shù)向量的各個費舍爾信息矩陣；

33、根據(jù)各個所述費舍爾信息矩陣確定所述第一信道參數(shù)向量的第一克拉美羅下界函數(shù)；

34、根據(jù)信道參數(shù)中的信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、信道復(fù)增益相位隨天線變化率和信道復(fù)增益相位隨子載波變化率，構(gòu)建第二信道參數(shù)向量；

35、根據(jù)所述第一克拉美羅下界函數(shù)確定所述第二信道參數(shù)向量的第二克拉美羅下界函數(shù)；

36、將所述第一定位結(jié)果代入所述第二克拉美羅下界函數(shù)，計算獲得所述權(quán)重矩陣。

37、本技術(shù)實施例提供一種構(gòu)建權(quán)重矩陣的方法，在mimo-ofdm通信架構(gòu)中，每一個基站接收到的信號與五類信道參數(shù)相關(guān)，即信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、信道復(fù)增益相位隨天線變化率、信道復(fù)增益相位隨子載波變化率、實信道增益以及隨機相位噪聲。因此本技術(shù)實施例將這五類信道參數(shù)構(gòu)建為第一信道參數(shù)向量，并根據(jù)第一信道參數(shù)向量構(gòu)建各個接收信號對應(yīng)的各個費舍爾信息矩陣，進而確定第一信道參數(shù)向量的第一克拉美羅下界函數(shù)。由于信道參數(shù)中僅有殘余同步誤差和信號到達角包含有效與目標設(shè)備位置和速度相關(guān)的信息，而殘余同步誤差和信號到達角又與信道復(fù)增益相位隨時隙變化率、信道復(fù)增益相位隨天線變化率和信道復(fù)增益相位隨子載波變化率相關(guān)，因此本技術(shù)實施例根據(jù)所需的信道參數(shù)，構(gòu)建了對應(yīng)的第二信道參數(shù)向量，并基于第一參數(shù)向量的第一克拉美羅下界函數(shù)確定第二信道參數(shù)向量的第二克拉美羅下界函數(shù)，代入第一定位結(jié)果實現(xiàn)了權(quán)重矩陣的構(gòu)建。本技術(shù)實施例基于費舍爾信息矩陣和克拉美羅下界函數(shù)構(gòu)建權(quán)重矩陣，優(yōu)化了加權(quán)最小二乘模型的權(quán)重分配策略，減少了信道參數(shù)噪聲對定位結(jié)果的負面影響，提升了模型抗干擾能力，提高對目標設(shè)備定位和測速的準確性。

38、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述迭代優(yōu)化算法為高斯-牛頓迭代法，所述定位模型基于迭代優(yōu)化算法對所述第一定位結(jié)果進行若干次加權(quán)迭代更新，生成所述目標設(shè)備的第二定位結(jié)果，包括：

39、在每一次加權(quán)迭代更新過程中，根據(jù)當前定位結(jié)果和各個所述時頻補償量，使用所述信道參數(shù)計算函數(shù)計算獲得各個當前信道參數(shù)估計值；

40、計算各個所述信道參數(shù)估計值與對應(yīng)的各個所述當前信道參數(shù)估計值之間的信道參數(shù)差異值；

41、根據(jù)所述當前定位結(jié)果構(gòu)建獲得當前權(quán)重矩陣；

42、根據(jù)各個所述信道參數(shù)差異值、各個所述當前信道參數(shù)估計值和所述當前權(quán)重矩陣，計算獲得定位結(jié)果差異值；

43、根據(jù)所述定位結(jié)果差異值對所述當前定位結(jié)果進行更新，獲得更新定位結(jié)果，并使所述更新定位結(jié)果進入下一次加權(quán)迭代更新過程；

44、當所述加權(quán)迭代更新的次數(shù)達到預(yù)設(shè)值，停止迭代，將最后一次加權(quán)迭代更新得到的更新定位結(jié)果作為所述第二定位結(jié)果。

45、本技術(shù)實施例提供一種對定位結(jié)果進行迭代更新的方法，在每一次迭代過程中依次計算當前信道參數(shù)估計值、信道參數(shù)差異值和當前權(quán)重矩陣和定位結(jié)果差異值，最后根據(jù)定位結(jié)果差異值計算獲得更新定位結(jié)果，并進入下一次迭代。本技術(shù)實施例采用高斯-牛頓迭代法進行加權(quán)迭代更新，能夠快速收斂到更精確的定位結(jié)果，同時通過動態(tài)調(diào)整權(quán)重矩陣，有效抑制誤差累積，提高迭代優(yōu)化的效率和穩(wěn)定性。

46、第二方面，相應(yīng)的，本技術(shù)實施例提供一種基于mimo-ofdm通信架構(gòu)的定位和測速系統(tǒng)，包括信號接收模塊、時頻同步模塊、信道估計模塊以及定位模塊；

47、其中，所述信號接收模塊用于通過各個基站各自接收目標設(shè)備的通信信號，得到若干接收信號，其中，各個所述基站基于mimo-ofdm通信架構(gòu)進行通信；

48、所述時頻同步模塊用于通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行時頻同步，獲得各個所述接收信號對應(yīng)的時頻補償量；

49、所述信道估計模塊用于通過各個所述基站各自對接收到的所述接收信號進行信道估計，獲得各個所述接收信號對應(yīng)的信道參數(shù)估計值；

50、所述定位模塊用于將各個所述信道參數(shù)估計值、各個所述時頻補償量和所述目標設(shè)備的第一定位結(jié)果輸入至預(yù)設(shè)的定位模型，以使所述定位模型基于迭代優(yōu)化算法對所述第一定位結(jié)果進行若干次加權(quán)迭代更新，生成所述目標設(shè)備的第二定位結(jié)果，進而確定所述目標設(shè)備的位置和速度。

51、其中，所述第一定位結(jié)果是根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用預(yù)設(shè)的tdoa、aoa以及fdoa定位方法計算獲得。

52、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用預(yù)設(shè)的tdoa、aoa以及fdoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一定位結(jié)果，包括：

53、根據(jù)各個所述時頻補償量和各個所述信道參數(shù)估計值，使用所述tdoa和aoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一時鐘偏差和第一目標設(shè)備位置；

54、根據(jù)各個所述時頻補償量、各個所述信道參數(shù)估計值和所述第一目標設(shè)備位置，使用所述fdoa定位方法計算獲得所述目標設(shè)備的第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度；

55、將所述第一時鐘偏差、第一目標設(shè)備位置、第一本地晶振偏差和第一目標設(shè)備速度構(gòu)建為所述第一定位結(jié)果。