具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例具体为基于多个反射器共存的场景下实现。多个反射器的共存使得有足够多的反射点，这样便可以实现更精确的非视线毫米波定位。具体地，本发明实施例中，基于毫米波反射阵列，整合波束搜索技术，提出两阶段反射阵列发现方案，并在反射阵列作为锚点坐标不精确时给出稳定的定位目标方法。

本发实施例提供了一种毫米波非视线场景定位系统，其具体实现过程中可以包括发射器(TX)、反射器(RE)、定位目标(RX)和定位控制器，其中：

发射器，用于在多个时隙的每个时隙中持续向一个方向发送信号，以及与反射器之间进行测量数据包的交互；

反射器，用于扫描各个方向进行信号的接收，并记录接收信号的信号强度，在扫描结束后识别出接收信号最强的方向作为发射器信号的入射方向；以及，用于与发射器之间进行测量数据包的传递，及向定位目标发送信号；

进一步地，反射器还将接收到的信号反向反射到发射器信号的入射方向；发射器接收反射器发来的信号后，便可以确定后续进行测量数据包交互的反射器及其频移参数(如移频因子和AoA角度等)；

定位目标，用于在每个频率点的多个方向上接收反射器发送来的信号，并根据接收到的信号情况确定反射器信号的入射方向；

定位控制器，用于根据发射器与反射器之间的测量数据包的交互结果确定反射器位置；以及，基于确定的反射器位置及反射器信号的入射方向，进行定位目标的定位处理；以及，根据反射器与定位目标的位置关系对定位结果可信度进行评估，选择定位结果可信度符合要求的定位结果作为定位目标的最终定位结果，所述定位结果可信度符合要求是指当定位目标的位置位于反射器组成的三角形内时获得的定位结果。

本发明实施例的具体应用场景可以如图1所示，TX为定位信号发送端(即发射器)，RX是被定位的目标(即定位目标)(RX可在该区域内移动)，Reflector为反射器(即RE)，Obstacle为障碍物，NLoS link为非视线路线，LoS link为视线路线。基于该场景，本发明实施例主要用于解决直接TX-RX路径被障碍物遮挡的情况(不阻挡的情况可以直接使用现有的视线定位方法)下的定位问题。在图1中，RX仍然可以接收来自周围反射器(Reflector)的反射信号。本发明实施例的目标是在所述反射器发出的反射信号的帮助下推导确定出RX的位置，实现定位处理。同时，为了简化描述及便于理解，本发明实施例中仅基于二维进行定位过程的描述。

在具体实现过程中，本发明实施例提供的系统可以包括一个RX(定位目标)、一个TX(发射器)、多个RE(反射器)和一个定位控制器。其各部分的功能作用具体如下。

(1)接收器(RX):即需要被定位的目标，简称定位目标。

在系统中实际上可能存在多个接收器，多个RX的通信可以通过OFDMA(正交频分多址，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术在频率或时间域隔离。因此，在系统中，可以每次仅考虑一个RX的定位。具体假设RX是一个常用的毫米波接收器。其可以扫描整个二维空间，获得可能存在的信号。此外，还假设RX可以同时接收来自多个方向的信号(但不知道信号真正来自哪个方向)，最多可以为N^RX个。

具体地，在该系统中，所述接收器可以用于在每个频率点的多个方向上接收反射器发送来的信号，并根据接收到的信号情况确定反射器信号的入射方向；其中，所述定位目标中根据接收到的信号情况确定反射器信号的入射方向的步骤可以包括：

定位目标在每个频率点的多个方向上接收反射器发送来的信号，并计算每个方向接收到信号的次数；

选择接收到信号的次数最多的一个或多个方向作为定位目标接收反射器信号的方向，并作为一个或多个反射器信号的入射方向。

(2)发射机(TX):也称为发射器，TX是一个普通的毫米波AP(Access Point，即无线接入点)，负责发送信号，并对接收信号进行统计。考虑到现有的毫米波AP的一般能力，假设它可以扫描二维空间，并选择发送信号到最多N^TX个可能的方向。且还假设发射机可以同时向多个方向发送信号。

在不丧失一般性的情况下，假设发射机位于二维空间的原点，以便于表达。

在该系统中，发射器可以用于与反射器之间进行测量数据包的交互，以便于确定反射器的位置；其中，确定反射器位置的过程中，具体处理过程包括：

发射器在多个时隙的每个时隙中持续向一个方向发送信号；

反射器扫描各个方向进行信号的接收，并记录接收信号的信号强度，在扫描结束后识别出接收信号最强的方向作为发射器信号的入射方向

反射器将接收到的信号反向反射到发射器信号的入射方向；

发射器接收反射器发来的信号后，确定后续进行测量数据包交互的反射器及其频移参数。

(3)反射器:系统环境中通常有多个反射器(RE)，以提高毫米波通信性能。假设通过预先规划TX到每个RE的视线路径始终存在。还假设RE可以覆盖整个空间。具体可以用M表示反射器的个数，用RE m表示典型的反射器。

在系统中，所述反射器可以用于与发射器之间进行测量数据包的传递，以及向定位目标发送信号，便于定位目标确定反射器信号的入射方向等；

由于通常情况下RE可以不包含信号产生组件，其成本效益远高于TX。反射器可以进行相位调制来接收特定方向的信号，并将信号反射到另一个方向。但在不需要高数据速率的情况下，也可以选择同时向多个方向反射信号，N^RE为可能的方向数。

为了实现成功的通信，重要的是要消除原始信号和反射信号之间的干扰，甚至来自不同反射器的信号之间的干扰。因此，假设不同的反射器在进行反射定位时，会产生不同的频移。这些频移值可以排列为预定粒度Δ的整数倍。换句话说，RE m的频移是λ_mΔ，并满足

其中，M^MAX是共存的反射器数量的最大值。因此，不同的反射信号具有不同的中心频率，这意味着信号干扰可以很容易地避免。然而，由于RX和TX一次只能接收特定频率的信号，它们必须在最多M^MAX可能的频率上迭代以在频域内定位RE反射信号。

(4)控制器，即定位控制器：在控制器上执行所提出的定位算法。具体地，控制器可以被托管在发射器(TX)、接收器(RX)或一个独立的设备中。该控制器负责波束对准，从RX获取信息，然后进行目标定位。

在系统中，该定位控制器主要用于根据发射器与反射器之间的测量数据包的交互结果确定反射器位置；以及，基于确定的反射器位置及反射器信号的入射方向，进行定位目标的定位处理；以及，根据反射器与定位目标的位置关系对定位结果可信度进行评估，选择定位结果可信度符合要求的定位结果作为定位目标的最终定位结果，所述定位结果可信度符合要求是指当定位目标的位置位于反射器组成的三角形内时获得的定位结果；其中，所述定位控制器中根据测量数据包的交互结果确定反射器位置的步骤包括：

当发射器接收到返回的测量数据包后，根据其发送测量数据包的时间和接收到反射回来的测量数据包的时间计算确定该反射器的位置。

进一步地，所述定位控制器还包括以下处理步骤：

若在之前的定位处理过程中没有找到符合要求的定位结果，则可以多次执行根据多个反射器的位置及反射器信号的入射方向进行定位目标的定位处理的步骤；具体地执行次数可以根据实际需要进行设置；

在执行完成多次定位处理后获得多个定位结果，此时可将获得的多个定位结果进行取平均处理后作为定位目标的最终定位结果。

具体的目标定位过程将在下文描述中会进行更为详细说明。

本发明实施例中，基于图1所示的场景，具体地定位处理过程如图2所示，相应的机制主要包括以下三个主要步骤：

步骤(1)：反射器发现过程(Reflector Discovery)

反射器发现过程具体用于估计反射器的位置，以便后续定位处理过程中将确定的反射器位置当作锚点；该过程中具体可以在发射器与反射器之间进行测量数据包的交互，并根据测量数据包的交互结果确定反射器位置；其中，所述根据测量数据包的交互结果确定反射器位置的步骤可以包括：

当发射器接收到返回的测量数据包后，根据其发送测量数据包的时间和接收到反射回来的测量数据包的时间计算确定该反射器的位置。

由于反射器位置相对稳定，所以该过程可以在低频时执行；具体由发射器主动向所有可能的方向发送信号，并根据反射信号的ToF(Time of Flight，飞行时间)和AoA(Angle of Arrival，到达角度)信息估计反射器位置。

该处理步骤中，在执行所述在发射器与反射器之间进行测量数据包的交互步骤之前，还可以包括以下步骤：

发射器在多个时隙的每个时隙中持续向一个方向发送信号；

反射器扫描各个方向进行信号的接收，并记录接收信号的信号强度，在扫描结束后识别出接收信号最强的方向作为发射器信号的入射方向；

反射器将接收到的信号反向反射到发射器信号的入射方向；

发射器接收反射器发来的信号后，确定后续进行测量数据包交互的反射器及其频移参数，所述频移参数可以包括移频因子和反射AoA。

步骤(2)：快速波束对齐(Fast Beam Alignment)过程，即确定RE与RX的相对位置的过程

通过执行快速波束对齐过程可以获得RE与RX的相对位置。由于实时定位的要求，该过程的复杂性成为最值得关注的技术问题。本发明实施例中具体引入了一种改进的基于哈希的算法来实现对数复杂度，从而可以使得该过程的复杂度符合要求。

具体地，在该步骤中，定位目标在每个频率点的多个方向上接收反射器发送来的信号，并根据接收到的信号情况确定反射器信号的入射方向，进而确定反射器位置和RE-RX关系，即获得RE与RX的相对位置。该过程进一步骤包括如下步骤：

定位目标在每个频率点的多个方向上接收反射器发送来的信号，并计算每个方向接收到信号的次数；

选择接收到信号的次数最多的一个或多个方向作为定位目标接收反射器信号的方向，并作为一个或多个反射器信号的入射方向。

步骤(3)：目标定位过程(Target Localization)

在该过程中已知反射器位置和RE-RX的相对位置关系，基于此便可以可以通过锚定三角解析实现RX定位。考虑到反射器位置可能存在的误差，进一步地可以采用基于置信度的坐标融合方法进一步提高了定位精度。

具体地，该步骤中，首先，基于确定的反射器位置及反射器信号的入射方向，进行定位目标的定位处理；之后，再根据反射器与定位目标的位置关系对定位结果可信度进行评估，选择定位结果可信度符合要求的定位结果作为定位目标的最终定位结果，所述定位结果可信度符合要求是指当定位目标的位置位于反射器组成的三角形内时获得的定位结果。

进一步地，若上述处理过程中没有符合要求的定位结果，则可以多次执行根据多个反射器的位置及反射器信号的入射方向进行定位目标的定位处理的步骤；并将获得的多个定位结果进行取平均处理后作为定位目标的最终定位结果。

上述描述中仅对定位过程包括的三个步骤(1)-(3)进行了简要的描述，在下面的描述中，具体将详细说明每个步骤的具体实现过程。

(一)反射器发现过程

由于RE(反射器)在系统中充当锚点，因而应该首先估计RE的位置，下面将详细介绍反射器位置估计以及复杂性分析。

(1)反射器定位

考虑到反射器位置的相对稳定性，对反射器位置的估计只以低频的方式进行。具体采用了一种基于ToF和AoA信息的两阶段法来实现。与其他基于ToF的方法不同，本发明实施例中不需要TX和RE之间完美的同步，这样可以避免同步开销。本发明实施例的基本思想来源于TWR(双向测距，Two-way Ranging)技术，其由两个阶段组成，具体参见图3和图4所示，图中TX incoming direction identified为识别出的TX信号入射方向。

第一阶段为记录阶段

在该第一阶段是令RE识别TX信号的入射方向，该阶段分为多个时隙，每个时隙中TX不断向一个方向发送信号。时隙足够长，使RE扫描每一个可能的输入方向，并记录接收的信号强度。在相位扫描结束时，每个RE将识别出接收信号最强的方向，将其视为TX信号的入射方向(TX incoming direction identified)。在这个阶段，RE不会反射信号。

第二阶段为响应阶段

在该第二阶段是令TX采集RE的位置。具体地，与第一阶段类似，TX在一个时隙内向一个方向发送信号。RE会将信号反向反射到TX的入射方向，这种反射只发生在入射方向对应的时隙中。由于TX不知道RE的频移，其必须在频域扫描所有可能的频移来接收RE反射信号。

当TX接收到频率为λ_mΔ的反射信号时，其将知道存在一个移频因子为λ_m的RE，以及其反射AoAθ_m。之后，TX将发送用于ToF测量的专用数据包。出发时间被解码成每个发送的数据包。因此,当TX在t时刻接收到一个反射包，则RE m的位置可计算为：

其中，c是光速。由于反射器可以采用一种称为空中调制的反射方式，所以可以不需要考虑反射器处理信号所花费的时间。

(2)复杂度分析

记录阶段的复杂度是O(N^TXN^RE)，因为RE在每个时隙中会扫描N^RE个方向，并且总共有N^TX个时隙。响应阶段的复杂性是O(N^TXM^MAX)，因为TX在每个时隙中需要扫描M^MAX个可能的频点。由此可见，时间复杂度为O(N^TX(N^RE+M^MAX))。

需要注意的是，由于在测量AoA和ToF信息时不可避免地会有一些偏差，所以上述处理过程可能会给RE位置估计带来一些误差。为此，本发明实施例将在目标定位过程中解决这些误差的干扰。

(二)快速波束对齐过程

在该过程中，具体提出了一种可行的方法来实现快速波束对准，以支持实时定位。

(1)多频点下的对齐策略

比起通信，定位在本发明实施例提供的系统中扮演着更重要的角色。因此，本发明实施例的目标不是提高RX的信号强度，而是获得相对于RX的RE位置，即RE-RX位置关系。为了实现这一目标，具体可以采用快速波束对齐算法，其基本思想是令毫米波信号同时从多个方向发送和接收，从而节省扫描空间的时间。

基于哈希的波束对齐算法：

该算法具体是在基于哈希的波束对齐方法的基础上扩展的。

在基于哈希的波束对齐方法中发送端和接收端同时从多个随机方向发送和接收信号。由于毫米波信号通常来自不超过4个方向，其将TX和RX方向分别分为4组。然后，其使用一种基于概率论的方法来预测发射器和接收器的最佳方向。该过程可以达到对数级的搜索复杂度。

而在本发明实施例应用的系统中，包括有许多反射器，多个反射器的相对位置通过反射器的发现过程已经被TX所知晓。因此，可以首先将TX与反射器结合起来，像虚拟TX一样工作，其信号方向可以达到O(MN^RE)。然后可以采用之前的类似方法，求出RX与组合波束方向之间的相对关系。

然而，虚拟TX中的每个反射器都会对反射的毫米波信号进行不同的频移。这意味着每一个反射毫米波束的特征是方向和频率。只有RX匹配这两个特征，它才能接收到这个波束。因此，在系统中的RX需要在一个哈希选择中扫描所有可能的频率，以匹配来自这些方向的波束。

频域约简：

由于一个频率点最多存在一个RE，因而可以采用以下约简方法进一步减少搜索操作。对于每个可能的频率f，保持一个D^f集合作为该频率中RE的可能传入方向，其被初始化为所有方向的集合。在频率f中，当RX想要接收hash(哈希)方向(记为D^hash)之前，应该比较D^f和D^hash，如果则跳过该接收过程。但是，如果确实在频率f中通过方向D^f接收信号，则将D^f更新为D^f∩D^hash。当|D^f|＝1时，可以得出RE在频率f中的入射方向已经确定，以后不再需要扫描频率f。虽然这种机制没有降低搜索的复杂性，但它可以大规模地减少信号检测操作的次数。

(2)对齐样例

如图5所示，虚拟TX以一种类似哈希的随机方式向不同方向发送信号。同时，RX也接收来自不同的、随机选择的方向的信号。

参照图5所示，假设三个反射器在RX的60°，90°，120°方向。RX和反射器都有16个方向的选择来反射/接收信号。每一次RX选择从4个方向随机聆听，将其视为一个群体(group)，即group1-group4(组成groups)。具体进行了6次实验(Experiment1-Experiment6)，如图6所示。

计算每个方向出现的次数作为可能的方向，并选出出现频率最高的三个。从图6中可以得到60°,90°，120°方向是唯一出现6次的三个方向，满足预定的要求。事实上，正如之前所假设的，这三个反射器确实在这些方向上存在。

(3)复杂度分析

在传统的穷举方法中，TX将一个一个地向M RE发送信号，每个RE将尝试N^RE个方向。RX还需要接收N^RX方向，并扫描每个M^MAX个频率点。因此。时间复杂度为O(MM^MAXN^REN^RX)。

相反，根据本发明实施例提供的之前研究的结论，则只需要在系统中重复对齐过程O(log(N^REN^RX))次。然后，可以控制误差的可能性为O(1/N^REN^RX)。因此，本发明实施例中可以将波束对准复杂度降低到O(MM^MAXKlog(N^REN^RX))的阶数，其中K为每个哈希的分组数。这种复杂性与传统的穷举方法相比有了很大的改进。

(三)目标定位

利用得到的RE-RX位置关系，使用基于三角的定位方法，以及基于置信度的解决方案来处理锚点位置的噪声。具体提出了一种基于极坐标的方法来处理锚的数量有限的情况。

(1)基于三角解析的定位方式

将已经向TX透露其相对方向的反射器定义为锚点。当锚点的数量足够多时，则可以根据锚点与RX的位置关系来推导出RX的位置。该方法相对简单，节省成本。此外，还可以避免反射器之间复杂的同步。

基本思想：基于三角的定位方法非常简单。具体需要知道的只是一些(x_m，y_m，α_m)形式的信息条目，其中(x_m，y_m)是反射器m的位置，α_m是反射器m与目标的相对角度。即首先试着选择三项可以组成三角形的数据。然后利用三角解析方法对目标进行定位。接下来，复相应的处理过程，直到所有数据都被充分利用，并将平均坐标作为最终结果。

锚定位置误差的影响：如前所述，反射器的估计位置误差会对最终结果产生很大的影响。如图7所示，从图7中可以看出，即使是很小的反射器位置误差也会导致最终结果的估计误差很大，图7中real position为RX实际位置，estimated position为RX的估计位置。因此，需要一种鲁棒的方法来提高定位精度和稳定性。

基于可信度的融合方法：Easton等人已经证明了当目标在锚点三角形内时，定位精度会很高。如图8所示，若反射器组成三角形，则当RX在三角形内时，定位误差受到限制。

因此，解决这一困境的想法是，根据每个定位结果的可信度来融合。具体通过评估目标是否在三角形内来给每一组结果打分。如图8所示，基于三角形内部的RX的定位精度大大提高。因此，以可信度为基础的融合方式期望能减少不精确三角(RX未处于反射器构成的三角形内的情况)造成的影响。

(2)极坐标定位

基于三角的方法可以应用在大多数情况下。但是在某些特定的情况下，锚点的数量有限，或者现有的锚点不能形成一个置信度很高的三角形。为了解决这些情况下的定位问题，提出了基于极坐标的方法。除了RX和锚点之间的方向关系，现在还需要获得它们之间的距离。为了得到这类信息，应该使用类似于上述反射器定位方法中描述的方法来测量ToF。利用获得的一个锚点的AoA和ToF信息，可以通过上述公式(2)来估计RX的位置。当有多个锚点时，则可以重复这个过程几次，然后取平均值。

通过上述技术方案的描述可知，本发明实施例提供了一种多个可控反射器共存的非视线场景毫米波定位系统。通过该定位系统可以获得更高的定位精度。同时，本发明实施例中提出的两阶段反射器发现方案，可以在基于快速波束对准算法的情景下实现对数时间复杂度级别，进而能够实现快速毫米波定位。并且进一步通过基于置信度的坐标融合方案处理不精确锚点的问题，有效提高了定位的精度。

进一步地，为了评估本发明实施例提供的方法及系统的有效性，还进行了大量的实验。结果表明，该方法及系统在非视线场景下能够在10米*10米的环境中实现厘米级的精度。与现有的基于环境反射的解决方案相比，定位精度平均提高了50％，在最坏情况下也提高了20％。与采用穷举搜索的基准相比，当有1个、4个和7个反射器时，该方法及系统的定位时间分别减少了18倍、37倍和40倍。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。