CN1100467C

CN1100467C - 确定无线发送器之间的定时差的方法和引入该方法的无线网络

Info

Publication number: CN1100467C
Application number: CN97182167A
Authority: CN
Inventors: 马科·西尔文托宁; 蒂莫西·兰塔雷宁
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj; Nokia Technologies Oy
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2017-05-09
Also published as: CN1254484A

Abstract

本发明提供了一种确定多个无线发送器之间定时差的方法和无线网络。该方法包括步骤：确定由测量装置从所述多个无线发送器接收的信号的定时信息；根据所述测量装置所确定的所述定时信息，确定所述多个无线发送器之间的定时差；在一个已知位置设置所述测量装置；通过使用所述多个无线发送器与所述测量装置之间的对应距离差，执行所述确定定时信息的步骤；通过从一个位置服务中心发送命令信号控制确定所述定时差的步骤。该方法可被用于确定移动无线网络中移动站的位置。

Description

确定无线发送器之间的定时差的方法和引入该方法的无线网络

技术领域

本发明涉及一种确定无线发送器之间的定时差的方法和引入该方法的无线网络。更具体地，本发明涉及确定移动无线网络中基地收发信站之间的定时差。这种确定实际定时差的方法的基础是对观测定时差的测量。

背景技术

在诸如全欧洲使用的GSM系统的移动无线网络中，基站有必要足够精确地知道各个移动站的位置。

已经有一些确定移动无线网络中各个移动站的位置的方法。对于许多定位方法，例如基于到达时间差(TDOA)或方向判定(DF)的方法，基地收发信站有必要以彼此同步的方式工作。但在目前用于欧洲的GSM移动无线网络中，基地收发信站以彼此异步的方式工作，或者同步的精确度不足以用于定位。为此，期望知道基地收发信站发送的信号的定时差。

文件US-A-5 128 925公开了一个如权利要求1和9的前序部分所定义的方法和无线网络，其中通过确定在一个移动终端上接收的信号之间的定时差进行一次伪同步切换。但由于不知道移动终端的位置，完全根据时间测量确定基站之间的定时差。

并且，EP-A-0 767 594描述了一个移动站定位系统，其中在一个移动站上测量的时间差被用来确定基于基站位置座标和一个时钟信息的移动站位置估测。不确定基站之间的定时差。

后来出版的文件WO97/23785(1997年7月3日出版)公开了一个通过使用与基站的距离已知的基准接收器确定多个基站之间的定时差的方法。根据已知距离和测量时间确定定时差。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个确定无线网络中多个无线发送器之间的定时差的方法，该方法提高了定位移动站的精确度。

根据本发明的一个方面，提供了一种确定多个无线发送器之间定时差的方法，该方法包括步骤：

确定由测量装置从所述多个无线发送器接收的信号的定时信息；

根据所述测量装置所确定的所述定时信息，确定所述多个无线发送器之间的定时差；

其特征在于

在一个已知位置设置所述测量装置；

通过使用所述多个无线发送器与所述测量装置之间的对应距离差，执行所述确定定时信息的步骤；

通过从一个位置服务中心发送命令信号控制确定所述定时差的步骤。

根据本发明的另一个方面，提供了一种无线网络，其中包括：

多个无线发送器；

确定从所述多个无线发送器接收的信号的定时信息的测量装置，其中根据所述测量装置确定的所述定时信息确定所述多个无线发送器之间的定时差；

其特征在于

在一个已知位置提供所述测量装置；

所述测量装置被用来根据所述多个无线发送器与所述测量装置之间的相应距离差确定所述定时差，其中根据从一个位置服务中心接收的命令信号控制确定所述定时差。

通过这种方式，可以确定多个无线发送器之间的定时差。这样，如果无线发送器是移动无线网络中的基地收发信站，那么能够以比现有技术更高的精确度确定移动到移动无线网络中某个点上的移动站的位置。这还需要那些将要计算位置的移动站确定从多个基地收发信站接收的信号的定时信息。并且，由于知道定时差就允许基地收发信站以伪同步方式工作，因而可以改进影响移动站的切换的方式。

附图说明

下面参照附图以举例的方式详细描述本发明的最优实施例。

图1是图解确定基于本发明的移动无线网络中的两个基地收发信站之间的定时差的原理的图例。

图2是示出一个基于本发明的，确定移动无线网络中移动站位置的方法的应用例的图例。

图3是示出一个可以使用基于本发明确定GSM系统中移动站的位置的方法的实例的图例。

具体实施方式

基于本发明的方法的目的是确定无线网络中无线发送器发送的信号的定时差。更具体地，可以确定移动无线网络中基地收发信站发送的信号的定时差。这个对应于基地收发信站之间的同步差的定时差被称作实际时间差。理论上，当网络被同步时，两个基地收发信站应当在几乎相同的时间发送TDMA脉冲串，即网络中两个基地收发信站之间的同步误差应当为0。但实际上，象GSM那样的移动无线网络通常是不同步的，并且实际时间差对应于两个基地收发信站发送的两个脉冲串的传输时间差。

基于本发明的方法以计算所谓的观测时间差OTD和几何时间差GTD之间的差值为依据。观测时间差是实际时间差和几何时间差的总和。

下面参照图1描述基于本发明的方法所使用的不同量值，图1图解了确定基地收发信站BTS1和BTS2之间的定时差的原理。如图1所示，T₁表示从基地收发信站BTS1发送一个第一无线信号的时间，移动站MS在时间T₃接收到这个第一无线信号。相应地，相邻基地收发信站BTS2在时间T₂发送一个第二无线信号，移动站MS在时间T₄接收到第二无线信号。

也被称作到达时间差(TDOA)的观测时间差是移动站在从两个不同的基地收发信站接收到两个信号之间观测到的时间间隔。参照图1，移动站本身连续确定的观测时间差OTD是两个接收时间T₃和T₄之间的差值：OTD＝T₃-T₄。实际时间差RTD对应于两个基地收发信站发送的信号之间的传输时间差，即RTD＝T₁-T₂。由于移动站不知道传输时间T₁和T₂，所以移动站也不知道实际时间差。

并且，几何时间差GTD表示两个基地收发信站发送并且被移动站接收的两个信号的传播时间之间的差值。对于图1所示的情况，GTD＝T₃-T₁-(T₄-T₂)。换而言之，几何时间差对应于两个不同的基地收发信站到移动站的距离d₁和d₂之间的差值除以无线电波的传播速度，即GTD＝(d₁-d₂)/c。如果两个基地收发信站与移动站的距离相同，由GTD为0，并且观测时间差只取决于网络的同步差。另外，当基地收发信站彼此同步(即RTD＝0)时，OTD等于GTD，并且观测时间差只取决于基地收发信站和移动站不同位置。

另外，为了确定基地收发信站发送的信号之间的观测时间差并且以此为根据计算实际时间差，使用一个专用的测量设备，某些被用作固定测量站的基地收发信站配备了这种设备。

根据本发明的这个实施例，该测量设备是诺基亚制造的现场测试车(STM)。当然，本发明并不仅限于使用这种测量设备STM，也可以使用任意其它的合适测量设备。另外，测量设备不需要是移动式的，可以位于固定位置上。为了简单，图1只示出了一个在两个基地收发信站BTS1和BTS2之间的一个位置上的测量设备STM。

使用基于本发明的方法可以很好地确定移动站在移动无线网络覆盖的区域中的位置。参照图1，为了计算移动站MS在移动无线网络中的位置估测，有必要确定距离d₁，d₂之间的差值，通过移动站与两个基地收发信站的几何距离差值可以确定所述差值。当然，为了计算移动站的位置，有必要从一个第三基地收发信站接收至少一个信号，为了简单，在图1中没有示出这个基地收发信站。

更具体地，参照图2描述体现在该方法的应用中，确定移动站位置的原理。根据该方法计算移动站的位置所依据的事实是，由于移动站到第一基地收发信站的距离d₁和移动站到第二基地收发信站的距离d₂之间的差值为常量，移动站MS在两个相邻基地收发信站BTS之间的可能位置位于一个双曲线上。换而言之，所涉及的移动站受从两个基地收发信站接收的信号的固定观测时间差值的支配。由于测量结果具有一个确定的误差限值，移动站的可能位置区域实际上处于两个双曲线之间的地带上，该地带的宽度取决于测量结果的误差限值。图2中的灰色区域图解了可能的位置区域，虚线表示测量的观测时间差。为了精确确定移动站的位置，有必要从至少三个基地收发信站接收信号。在这种情况下，移动站位于两个双曲线的交叉部分，其中根据三个基地收发信站的两个(固定)观测时间差得到这两个双曲线(甚至能够根据从三个基地收发信站接收的信号构成第三个双曲线)。通过图2中灰色区域交叉部分中的一个黑色区域图解了移动站的实际位置区域。如果有多于三个的基地收发信站和更多的观测时间差，可以进一步减少移动站的可能定位区域，因而增加了移动站的定位精确度。

为了根据几何时间差精确确定一个特定的移动站的位置，必须知道观测时间差OTD和实际时间差RTD。并且，为了确定实际时间差，必须知道不同基地收发信站的位置和测量设备STM的位置。通过一个x-y平面中的座标预先确定和定义基地收发信站的位置。由于也知道测量设备的位置，所以可以计算相对于测量设备的几何时间差GTD。这样，由于测量设备确定了测量设备接收的信号之间的观测时间差OTD，所以能够根据所述方法确定实际时间差RTD。通过确定对应于测量设备到基地收发信站的距离的几何时间差GTD与观测时间差OTD之间的差值计算出这个实际时间差。

并且，由于实际时间差独立于所确定的位置，计算出的值对应于移动站所观测到的实际时间差。这样，在移动站确定观测时间差OTD之后，导出值被发送到某个中央单元。之后，可以计算出几何时间差，而根据几何时间差确定出移动站和基地收发信站之间的距离差。通过这种方式，由于可以计算一个几何时间差，所以根据从两个基地收发信站接收的信号可以画出一个双曲线。如果从三个基地收发信站接收到信号，由根据两个几何时间差可以画出三个双曲线，从而允许确定移动站的可能位置。

图3是一个示出能够使用基于本发明的方法，确定GSM移动无线网络中移动站的位置的实例的图例。

如图3中的虚线所示，通过一个基站控制器BSC，一个移动交换中心MSC，一个短消息服务-服务中心SMS-SC向一个位置服务中心LSC发送测量设备STM计算出的RTD结果。可选地，测量设备也可以只向位置服务中心报告确定的OTD结果，而位置服务中心接着计算实际时间差。位置服务中心可以被提供成如图3中所示的移动无线网络中的单独实体，也可以被分布在整个移动无线网络上，例如分布到任意的基地收发信站中。另外，如图3中虚线所示，通过可以通过服务基地收发信站BTS，基站控制器BSC，移动交换中心MSC，短消息服务-服务中心SMS-SC从移动站MS向位置服务中心LSC传递TDOA信息(或OTD结果)。

通常，位置服务中心接着计算出从移动站发送的OTD结果和从测量设备STM发送的RTD结果之间的差值以便计算出移动站MS的位置估测。换而言之，位置服务中心根据几何时间差计算出移动站的位置，而几何时间差是观测时间差和实际时间差之间的差值。接着位置服务中心向一些应用(例如图3中的应用1和2)输出所确定的移动站位置座标，所述应用预先向位置服务中心提出了涉及一个特定移动站的定位请求。这样一个定位请求导致从位置服务中心向移动站发送一个OTD请求。

由于基地收发信站定时差的一次测量结果可能不同于下一次的测量结果，所以周期性地向位置服务中心报告测量设备计算出的OTD结果。

如图3所示，不必为每个基地收发信站BTS提供一个测量设备STM。例如，在许多基地收发信站彼此很接近的市区，每第六个基地收发信站提供一个测量设备就足够了。

并且，根据本发明的另一个最优实施例，移动站MS可以自己确定其位置。为此，向移动站发送测量设备或位置服务中心计算出的实际时间差RTD。移动站确定从多个基地收发信站接收的信号的定时信息，即观测时间差，并且以和所述方式相同的方式计算出几何时间差。根据几何时间差，移动站可以确定其自身的位置。

更具体地，利用下述四个信道可以从测量设备STM向位置服务中心LSC发送计算出的实际时间差RTD和观测时间差OTD：

·短消息服务(SMS)，

·未定义补充服务数据(USSD)，

·一个测量报告，一个基站系统管理应用部分(BSSMAP)消息和一个移动交换中心MSC与位置服务中心LSC之间的一个消息，或

·一个全新的消息。

短消息服务是一种从一个移动站向另一个移动站，或从一个中央基站向特定地理区域中所有移动站传送短文本消息的特殊GSM服务。实际上，短消息服务被实现成一个无连接协议，并且在一个信令信道(慢速辅助控制信道(SACCH)或独立专用控制信道(SDCCH))上发送消息。

并且，未定义补充服务数据(USSD)是任何规范均未定义其内容的数据。一个提供商可以使用这些数据实现特定于提供商的服务。

另外，在移动交换中心MSC和基站系统BSS之间的通信中使用基站系统管理应用部分(BSSMAP)消息。它们支持移动交换中心和基站系统之间所有需要涉及单独呼叫和资源管理的信息处理的过程。

根据图3中所示的实施例，为了发送OTD请求和结果，在基地收发信站BTS和移动站MS之间使用短消息服务SMS。并且，根据这个实施例，SMS信道也被用于在上行链路方向从测量设备STM向位置服务中心LSC发送RTD结果。

使用SACCH信道发送测量信息有以下优点。由于在GSM系统中以480ms的间隔发送SACCH脉冲串，所以很频繁地发送测量信息。并且，甚至可以在一个正在进行的呼叫期间发送测量信息。并且，由于一个已经存在的信道被用于发送附加的信息，既不会增加无线链路的负载，也不会降低发送语音信号的质量。

当使用短消息服务或未定义补充服务数据的RTD请求或命令被发送到测量设备时，通过发送一个特殊测量命令信号可以触发并控制测量设备STM中的测量过程。图3中的虚线表示了使用短消息服务的命令信号发送。这个命令信号可以包含下述信息：

·一个SMS消息的测量集的数量，

·测量频率(例如每30秒一次)，

·测量周期(例如后10分钟，5个SMS消息或直到接收一个停止命令)，

·被测量的基地收发信站BTS的标识。

根据本发明，由于可以精确确定多个基地收发信站之间的实际时间差，所以能够精确确定位于移动无线网络中某个位置上的移动站的位置。具体地，实验表明可以把移动站定位平均误差减少到接近300m。并且，由于可以实时得到位置信息，所以能够快速地，并且以较短的间隔得到移动站的位置信息。

并且，根据所述描述，测量设备位于基地收发信站中。这样做有以下优点。由于接收信号的天线位于基地收发信站的天线中，所以在许多情况下都有一个到达其它基地收发信站的直视连接。结果，从相邻基地收发信站接收的信号之间的衰减较小。并且，由于在移动站只需要进行一些软件修改，所以只需要稍作努力。这样，在几乎不增加费用的情况下可以实现本发明。另外，测量设备当然也可以用于其它目的。但测量设备也不必位于基地收发信站内，并且测量设备当然可以位于某些其它的合适位置上。

在所述描述中，通过一个例子描述了本发明的方法在移动无线网络的基地收发信站中的应用。但基于本发明的方法当然可以被用来确定任何类型的无线网络中的多个无线发送器之间的定时差。

并且，尽管前面以全欧数字蜂窝无线网络GSM为例进行了描述，但在进行某些修改的情况下本发明也可以被用于任意其它的数字系统。例如，本发明也可以被用于DCS1800/1900系统或在日本使用的JDC系统。

应当理解，前面只是针对最优实施例进行了描述。因而本发明不仅限于所述最优实施例，但是应当覆盖本领域技术人员在如所附权利要求书所定义的本发明的宗旨和范围内进行的所有改变和修改。

Claims

1.一种确定多个无线发送器之间定时差的方法，该方法包括步骤：

其特征在于

在一个已知位置设置所述测量装置；

2.如权利要求1所述的方法，其中所述无线发送器是移动无线网络中的基地收发信站。

3.如权利要求2所述的方法，其中还包括步骤：

确定移动站从所述多个基地收发信站接收的信号的定时信息；

根据所述移动站确定的定时信息和所述多个基地收发信站之间的所述定时差，确定所述移动站的位置。

4.如权利要求3所述的方法，其中使用短消息服务，未定义补充服务数据或一个基站系统管理应用部分消息发送所述定时信息。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中使用短消息服务，未定义补充服务数据或一个基站系统管理应用部分消息发送所述定时差。

6.如权利要求5所述的方法，其中使用短消息服务，或未定义补充服务数据发送一个命令信号，其中命令信号包含下述信息：

一个短消息服务消息的测量集的数量，

测量频率，

测量周期，

被测量的基地收发信站的标识。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述多个无线发送器中的一个或多个被提供了所述测量装置。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述测量装置被设置在远离所述多个无线发送器中任何一个的位置上。

9.一种无线网络，其中包括：

多个无线发送器；

其特征在于

在一个已知位置提供所述测量装置；

10.如权利要求9所述的无线网络，其中所述多个无线发送器中的一个或多个被提供了所述测量装置。

11.如权利要求9所述的无线网络，其中所述测量装置被安放在远离所述多个无线发送器的位置上。

12.如权利要求9至11中任何一个所述的无线网络，其中所述无线网络是一个移动无线网络并且所述无线发送器是基地收发信站。

13.如权利要求12所述的无线网络，其中一个移动站确定从所述多个基地收发信站发送的信号的定时信息；

根据所述移动站确定的定时信息和所述多个基地收发信站之间的所述定时差确定所述移动站的位置。

14.如权利要求13所述的无线网络，其中所述位置服务中心确定所述移动站的位置。

15.如权利要求14所述的无线网络，其中位置服务中心在空间上被分布到所述移动无线网络上。

16.如权利要求15所述的无线网络，其中使用短消息服务，未定义补充服务数据，或一个基站系统管理应用部分消息，从所述测量装置向所述位置服务中心或从所述移动站向所述位置服务中心发送所述定时信息。

17.如权利要求16所述的无线网络，其中使用短消息服务，未定义补充服务数据，或一个基站系统管理应用部分消息，从所述测量装置向所述位置服务中心发送所述定时差。

18.如权利要求17所述的无线网络，其中通过使用短消息服务，或未定义补充服务数据发送一个命令信号控制确定所述定时差，其中命令信号包含某些下述信息：

一个短消息服务消息的测量集的数量，

测量频率，

测量周期，

被测量的基地收发信站的标识。

19.如权利要求12所述的移动无线网络，其中所述移动站被设置成根据从所述多个基地收发信站接收的信号的定时信息，以及所述多个无线发送器之间的、被发送到所述移动站的定时差来确定其位置。