CN101243713B - 移动电信网络中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动电信网络中用于检测UE发射信号的方法和装置。该装置包括用于在时间t_tot期间检测信号的部件，其中所述部件包括适于组合相干和非相干相关的相关器，其中所述相干相关间隔的长度为L个信号样本，相干相关间隔的数量为M，并且相干相关为各相干检测的间隔M产生相干相关结果，且装置还包括用于以非相干方式将相干相关结果相加的部件。此外，装置包括用于基于小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的至少一个参数，而选择相干检测间隔长度L和总检测间隔t_tot之一的部件。

Description

移动电信网络中的方法和装置

技术领域

本发明涉及移动电信网络。具体而言，本发明涉及在移动电信网络中用于检测信号，以便(例如)执行用户设备(UE)定位的方法和装置。

背景技术

上行链路到达时间差(UTDOA)是基于到达时间技术的一种定位方法。以下3GPP规范中描述了此类技术：3GPP RP-040387，WID：在UTRAN规范中包含上行链路TDOA UE定位方法和3GPPR4-040412，在UTRAN规范中包含上行链路TDOA UE定位方法；TruePosition。

在UTDOA定位方法中，通常与无线电基站相关联的定位测量单元(LMU)测量UE发射信号的到达时间，并且在至少三个LUM能够检测到UE信号时可计算UE的位置。通常，通过将已接收信号与已知信号副本相关，以了解所有可能的延迟和多普勒频移而完成信号检测。实际上，此操作通过使用离散步长，在延迟和多普勒域中也称为“块”而完成。

此外，相关通常在两个步骤中完成。首先，完成相干相关(即使用同相和正交分量)以便优化抑制噪声。随后，相干相关结果的不同段以非相干方式相加，即，各个相干相关结果进行绝对平方，随后是相加。非相干相关可能变得必需进行，例如在两个相干相关段之间信号相位变化太大时。一旦正确的延迟/多普勒块(delay/Doppler bin)已确定，更细致的搜索便可完成以便提高准确性。

根据上述3GPP规范中所述的当前标准，假设了在整个信号持续期间完成相干相关。对于固定的UE而言，这为给定测量间隔提供了最佳灵敏度。然而，在考虑到UE加速度时，测量间隔期间内多普勒变化限制了最大相干相关时间。因此，需要实现在UE加速度的情况下用于检测信号的方法和装置。

因此，本发明的目的是提高灵敏度，并在UE加速度期间避免不必要的处理。

发明内容

通过提供具有独立权利要求项中所定义特性的装置、方法和计算机程序产品，根据本发明可实现此目的和其它目的。相关权利要求项定义了优选实施例。

在移动电信网络中，根据本发明用于检测UE发射信号的装置包括用于基于至少一个参数(即小区大小、UE速度和加速度、参与的定位测量的单元的数量和所需的总虚警率中的至少一个参数)而选择相干相关间隔长度L和总检测间隔t_tot之一的部件，从而实现了提高灵敏度和避免不必要处理的目的。

在移动电信网络中，根据本发明用于检测UE发射信号的方法包括如下步骤：基于小区大小、UE速度和加速度、参与的定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的至少一个参数，而选择相干相关检测间隔长度L和总检测间隔t_tot之一，从而实现了提高灵敏度，并避免了不必要的处理。

根据本发明的一个实施例，相干相关间隔是基于小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的至少一个参数。

根据本发明的又一实施例，总检测间隔t_tot是基于小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的至少一个参数。

根据本发明的又一实施例，检测部件位于LMU中。

根据本发明的又一实施例，用于选择的部件位于服务移动定位中心。

根据本发明的备选实施例，用于选择的部件位于LMU中。

根据本发明的另一实施例，最大总检测间隔t_tot是预定值。

根据本发明的还有一个实施例，预定值取决于最大允许响应时间。

本发明的优点在于与现有技术相比，UTDOA方法的灵敏度(即覆盖)增大了大约2dB。如果假设了根据35log10(距离)的信号强度衰减，则对每个LMU，灵敏度增大可转换成30％的更佳区域覆盖。

本发明一个实施例的又一优点在于它为测量定义了最大可用时间，从而避免了处理资源浪费和延迟。

附图说明

图1示出可实现本发明的移动电信网络。

图2示出示范相关器输出。

图3以示意图方式示出用于延迟不确定性计算的几何形状。

图4a-4b示出分别随M变化的C/I阈值、总测量时间t_tot、总搜索块数量和非相干积分数量。

图5示出描述根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照显示本发明优选实施例的附图，在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式实施，并且不应视为限于本文所述的实施例；相反，这些实施例的提供使得此公开内容更全面和完整，并且将本发明的范围全面传达给本领域的技术人员。

根据本发明的方法和装置可在如图1所示的常规移动电信网络中实现。此类网络包括适用于以无线方式与用户设备100、110通信的无线电基站120、130。每个无线电基站优选与至少一个LMU相关联。无线电基站120、130又连接到无线电网络控制器(RNC)140，并且RNC140又连接到核心网络(CN)150，其中CN连接不同的网络。移动电信网络也包括适用于从CN/RNC接收定位查询的服务移动定位中心(SMLC)。优选的是，SMLC请求例如有关无线参数的信息，命令LMU执行测量，接收测量，基于时间测量和LMU坐标计算位置并将位置传送到RNC/CN。

如上所述，可通过相干相关和非相干相关而执行信号检测。本发明依据的是对相干部分的长度有一个最佳选择。最佳选择取决于以下参数：小区大小、UE速度和加速度、参与的LMU数量和所需的总虚警率。在LMU宣布信号在特定时间到达，而实际上信号在不同时间到达时，就会发生虚警，即测量错误。虚警一般在信号太弱，该特定LMU无法检测到时发生。总虚警率是至少一个LMU报告错误测量的概率。虚警在下面有进一步论述。

本发明还依据的是对执行信号检测，即将信号相关的总测量时间有一个最佳选择。

因此，本发明涉及在移动电信网络中用于检测UE发射信号的方法和装置。该装置包括用于在时间t_tot期间检测信号的部件，其中所述部件包括适用于组合相干和非相干相关的相关器。相干相关间隔的长度为L个信号样本，相干相关间隔数量为M，并且相干相关为每个相干检测的间隔M产生相干相关结果。此外，装置还包括用于以非相干方式将相干相关结果相加的部件。根据本发明，装置包括用于至少基于小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的一个参数，而选择相干检测间隔长度L和总检测间隔t_tot之一的部件。这些参数通常在部署时已知，并且在需要或网络环境变化时也可能改变。

下面，为信号检测确定表示为L的相干检测长度和表示为t_tot的最大总测量时间要求。

UTDOALMU测量UE信号的到达时间。已接收波形的模型为

y(f)＝As(t-τ)e^i2πft+e(t)，t∈(0，(N+τ_win)t_c)(1)

其中，A是(复)信号振幅，s(t)是假设为已知的UE发射信号，τ是到达时间，或等同地为信号延迟，即我们感兴趣的数量，以及f是剩余多普勒频率(residual Doppler frequency)。t_c是码片率。e(t)是具有方差I的干扰和噪声的和，并且N+τ_win是码片块中测量的已接收信号的持续时间。先验已知的是延迟τ在间隔0到τ_max码片之间，并且残余多普勒在0到f_max Hz范围之间。信号检测通常通过使用针对τ和f所有偏移的相关而完成，请参见图2。实际上，这在延迟/多普勒空间内以离散的步骤而完成，例如得出：

τ_p＝pΔτ，p＝0，…，τ_maxt_σ/Δτ  (2)

f_q＝qΔf，q＝0，…，f_max/Δf         (3)

相关如下所述完成。N个样本长的副本s(t)分割为各为L个样本的M个段中，即L是相干检测的长度。以相干方式将频移y(t)与s(t)的M个段相关产生了

$r_m(p,q)=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}y(k{t}_c+\mathrm{p\Δt}+\mathrm{mL}{t}_c)\exp (-i2\mathrm{\πq\Δf}(k{t}_c+\mathrm{mL}{t}_c))s(k{t}_c+\mathrm{mL}{t}_c)*---\left(4\right)$

(注意：x^*表示x的复合共轭)，并且以非相干方式求M个相关结果的和得出

$R(p,q)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_m(p,q)r_m(p,q)*---\left(5\right)$

定义检测量

λ＝R(p，q)L/I    (6)

其中，假设可得到方差I的估计。注意，对于正确的延迟/多普勒频移，

R(p，q)～CM+(M/L)I  (7)

其中，C＝AA*(Es(t)s(t)^*)是已接收的所需信号功率，这意味着每当CM＞＞(M/L)，即在CL/I＞＞1时，则λ＝CML/I，这可理解为包括处理增益系数ML的信噪比。(E是期望值。)计算得出的λ与阈值λ^*进行比较，并且每当λ＞λ^*，则确定信号存在。

重要的是，检测阈值λ^*是为避免虚警(false alarm)而小心选择的阈值。虚警对定位的危害比对通信的更严重。在通信中，同步后是尝试将已接收数据解码。随后，将由于无法解码数据而检测到同步步骤中的任何错误。对于定位，不执行此类解码步骤，因此，虚警率必须要小得多。LMU不得不在维持总体较低的虚警概率的同时搜索大量的延迟/多普勒块。另外，多个LMU有搜索信号的任务，并且如上所述，要保持总体虚警率低。因此，每个块的虚警概率必须保持极低，例如，本申请中所示的大约10^-7或更小。

网格大小Δt、Δf取决于所需信号的相关函数和相干积分区间Lt_c的长度。如果Es(mt_c)s*(nt_c)＝0，且对于任何整数m≠n，则每当|τ-τ_p|＞t_c时，延迟域中的相关函数就为0，并且在多普勒域中呈正弦状，在|f-f_q|＝1/Lt_c时出现第一个零值点。通常选择Δf＝2/(3Lt_c)以便不失去太多的相关能量，即，防止在相关期间丢失时宽为t_c的码片。选择Δt＝t_c/2对于延迟搜索是常见的，并且此间距的选择也是为了避免损失相关能量。码片时宽为t_c，因此间距不应大于t_c，但为确保相关能量不损失，间距选择为Δt＝t_c/2。

在UE以每小时100公里的速度行进并且载波频率为1800MHz时，由于UE速度产生的多普勒为f_speed＝166Hz[3]。允许的UE频率偏移为频率增加了f_off＝10^-7*f_cHz的不确定性。多普勒不确定性总共为

f_un＝2(f_off+f_speed)    (8)

随后，计算得出延迟不确定性的公式。假设存在图3的几何形状。先验已知的是UE位于半径为Δ的小区。假设信号在时间t0从UE发射。

如果UE在图3中位于位置A处，则信号在以下时间到达LMU1和LMU2：

t1＝t0+Δ/c        (9)

t2＝t0+(d+Δ)/c    (10)

如果UE在图3的位置B，则信号在以下时间到达LMU1和LMU2：

t1＝t0+Δ/c    (11)

t2＝t0+(d-Δ)/c (12)

假设LMU1是主LMU，并且LMU1适用于容易地检测信号到达。在给定t1的情况下，就可预测在LMU2处的到达时间以便将码相位(code phase)搜索降到最低。

注意

A：t2＝t1-Δ/c+(d+Δ)/c＝t1+d/c    (13)

B：t2＝t1-Δ/c+(d-Δ)/c＝t1+(d2-Δ)/c    (14)

因此

t2∈(t1+(d-2Δ)/c，t1+d/c)  (15)

到达时间不确定性窗口的时宽因而为

t_un＝2Δ/c    (16)

通过总结，接收了数量为n_t＝t_un/Δt的码相位块和数量为n_f＝f_un/Δf的多普勒块。这得出了总块数为

N_bins＝n_t·n_t    (16a)

对于单个块，虚警率为P_t。对于N_bins个块，我们得出较小P_t的

P_fLMU＝1-(1-P_f)^Nbins～N_bins·P_f    (17)

类似地，n_LMU中至少一个LMU做出错误判决的概率为

P_fpos＝1-(1-P_fLMU)^nLMU～n_LMU N_bins P_f(18)

每个块P_t现在可确定为

P_f＝P_fpos/(n_LMU N_bins)    (19)

随后，得到每个块虚警率的公式。可以看到，对于不正确的(p，q)，2λ＝2LR(p，q)/I具有2M个自由度的x²分布。因此，作为λ^*和M的函数的虚警率(即对于错误的(p，q)，λ＞λ^*的概率)可使用标准数值方法计算得出。在下面的示例中，MATLAB函数gammainc用于将虚警率定义为

P_f＝1-gammainc(λ^*，M)  (20)

逆问题，即为给定的P_t和M求λ，可使用log(P_t)对log(λ)的线性内插而解出。

UE的移动限制了总测量时间。如果UE加速度，使得信号在采集期间离开到延迟/多普勒块相当远，则信号可能检测不到。多普勒频率与MS速度建立以下关系式

f＝f_cv/c(21)

其中，f_c是大约1800MHz的载波频率，v是移动速度，并且c是光速。因此

f＝f_cv/c           (22)

在3GPP TS 25.171中的一种测试情况中，指定了半径20米，速度为每小时25公里的90度转向，这产生了大约14Hz/s的多普勒速率变化。通常，以下关系适用于其它转向情况：

f＝f_cv²/rc         (23)

根据本发明一个方面，合理的要求是多普勒可在测量间隔内最大变化1/Lt_c(以便如上所述避免损失太多相关能量)，因此要求是

ftv/Lt_c＜1/Lt_c          (24)

这使得给定M的最大相干检测长度L为

$L=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{Mf}}{t}_c}---\left(25\right)$

这得出了总测量时间

$t_{\mathrm{tot}}<\sqrt{M/f}---\left(26\right)$

另外，延迟变化必须不超过t_c(以便如上所述避免损失太多相关能量)。延迟变化要求因而为

v(MLt_c)²/c＜t_c      (27)

信号检测的总测量时间为

$t_{\mathrm{tot}}<\sqrt{{\mathrm{ct}}_c/v}---\left(28\right)$

因此，可看到，对于给定M，存在相干检测的相干检测间隔的最大长度为L，并且存在信号检测的最佳总测量时间。等式(24)-(26)给出了在t_tot和L上的第一组备选条件，并且等式(27)-(28)给出了在t_tot和L上的第二组备选条件。应使用给出最小t_tot的等式。即，如果等式(26)的t_tot小于等式(28)的t_tot，则应使用等式(24)-(26)。

另外，可看到，相干检测的长度L和总测量时间取决于以下参数：小区大小、UE速度和加速度、参与的LMU的数量和所要求的总虚警率。对于此处所选的参数，多普勒要求(26)是限制因素。

通过使用上述等式，上述关系在图4a-4d中以图示方式示出。图4a通过使用等式(19)-(20)和图4d，示出随M变化的C/I阈值结果。图4b示出如等式(26)定义的总测量时间。图4c通过使用图4a结果但增加了等式(25)的L后示出的、包括“处理增益”系数ML的C/I阈值。图4d示出根据等式16a和25，随M变化的相关器搜索块数量。

从图4b的图形中，可以看到最大相干积分时间Lt_c为0.26秒(对于M＝1)。对于该积分长度(M＝1)，阈值C/I＝-47.5dB。通过缩短相干积分(coherent integration)时间，并依靠非相干积分，可延长总测量时间。图4b示出测量时间在M增大时增大，但梯度小于1，就意味着L必须减小。通过组合(25)和(26)，可看到t_tot＝l/(L·tc·∫^&)。应注意的是，t_tot在L减小时增大。

在图4a中的结果显示C/I阈值不会随测量时间而单调减小，而是在测量时间0.8秒达到最小值C/I＝-49.5dB(对于此情况，相干积分时间为0.08秒，并且M＝10)，这显示总测量时间t_tot有最佳选择。最佳情况的检测阈值为CML/I＝15.5dB。

通过查看图4a-d的图表，可做出两个重要断定。根据图4a(M＝1)，通过选择尽可能长的相干相关间隔，并未能实现最佳灵敏度。此外，无需将测量时间增大到超过图4a中示出的某个限制。相反，在最大总测量时间内应使用相干和非相干相关的组合。一般情况下，非相干组合增益对于每次M翻倍(对于较小的M)为2dB，但对于较大的M会降到小于1dB。这种情况下，相干相关时间Lt_c在M增大时减小，其中由于更短Lt_c造成的损失大于由于增大M带来的增益。

实际上，一个方案是假设预定的最大t_tot，并使用等式(26)确定M，然后确定L。一种备选方案是形成根据图4a的图表，以便检查给出最佳灵敏度(即，最低C/I阈值)的L和M的组合，这通过使用由于SMLC和LMU之间受限的最大响应时间而限制t_tot的又一条件而实现。

根据本发明的一个实施例，用于检测信号的部件位于LMU中。根据又一实施例，LMU也包括用于选择相干检测间隔样本数量和/或最大总检测时间的部件。根据另一实施例，服务移动定位中心包括用于选择相干检测间隔样本数量和/或最大总检测时间的部件。

因此，本发明的方法和装置提供了一种能够最大程度提高LMU灵敏度的测量策略，灵敏度可根据类似小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率等参数而确定。这些参数通常在LMU部署时是已知的。小区大小明显是已知的，而加速度和速度例如可由诸如3GPP TS 25.171“AGPS的性能要求”等测试规范或市场要求而提供。

相应地，图5流程图中所示本发明方法包括以下步骤：

501.至少基于小区大小、UE速度和加速度、参与定位测量的单元数量和所要求的总虚警率中的一个参数，而选择相干相关间隔长度L和总检测间隔t_tot之一。

本发明的方法优选地可通过计算机程序产品实现。因此，本发明涉及可直接加载到LMU和/或服务移动定位中心(SMLC)的处理部件的计算机程序产品，包括用于执行所述方法步骤的软件代码部件。

本发明也涉及存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，包括使在LMU和/或服务移动定位中心(SMLC)中的处理部件控制所述方法步骤执行的可读程序。

在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，并且虽然在本文中采用了特定的术语，但它们只是一般性和描述性地使用，并不是要进行限制，本发明的范围在随附权利要求书中陈述。

Claims (1)

1.一种在移动电信网络中用于检测用户设备UE发射信号的装置，包括： 

-  在时间t_tot期间检测所述信号的检测部件，其中所述检测部件包括：

组合相干和非相干相关的部件，其中相干相关间隔的长度为L个信号样本，相干相关间隔的数量为M，并且所述相干相关为M个相干检测间隔中的每一个间隔产生相干相关结果；以及

以非相干方式将所述相干相关结果相加的部件，

其特征在于， 

所述装置还包括：基于小区大小、UE速度和加速度、参与的定位测量单元的数量和所要求的总虚警率这些参数而选择相干检测间隔的长度L和总检测间隔t_tot的部件，其中所述总虚警率是至少一个定位测量单元报告错误测量的概率。

2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述总检测间隔t_tot是预定值。

3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预定值取决于服务移动定位中心和定位测量单元之间的最大允许响应时间。

4. 一种在移动电信网络中用于检测用户设备UE发射信号的方法，包括以下步骤： 

-  在时间t_tot期间检测所述信号，其中所述检测步骤包括以下步骤：

组合相干和非相干相关，其中相干相关间隔的长度为L个信号样本，相干相关间隔的数量为M，并且所述相干相关为M个相干检测间隔中的每一个间隔产生相干相关结果；以及 

以非相干方式将所述相干相关结果相加，

其特征在于， 

所述方法还包括：基于小区大小、UE速度和加速度、参与的定位测量单元的数量和所要求的总虚警率这些参数而选择相干检测间隔的长度L和总检测间隔t_tot的步骤，其中所述总虚警率是至少一个定位测量单元报告错误测量的概率。

5. 如前述权利要求4所述的方法，其特征在于，所述检测的步骤在定位测量单元中执行。

6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述选择的步骤在服务移动定位中心中执行。

7. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，组合相干和非相干相关的步骤在定位测量单元中执行。

8. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述总检测间隔t_tot是预定值。

9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定值取决于服务移动定位中心和定位测量单元之间的最大允许响应时间。

Images