CN101472333A - 基于蜂窝网络中用于位置服务的时间差估计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蜂窝网络中用于位置服务的时间差估计方法，包括步骤：终端估计其接收到的服务基站的功率和其它相邻的非服务基站的功率，并根据估计值将服务基站的服务扇区分割成多个区域；终端计算比较参数T，并将比较参数T通过服务基站发送给位置服务器；位置服务器判断比较参数T是否大于门限值，如果大于，则终端估计服务基站中的相邻扇区的功率水平，并将这些参数上报给系统；系统根据上述参数判断终端用户在靠近服务基站的具体区域；系统或者终端计算用户位置信息。本发明可以弥补基于T－DOA和E－OTD方法的不足，提高靠近服务基站的用户的定位准确度。

Description

基于蜂窝网络中用于位置服务的时间差估计方法

技术领域

本发明涉及移动通信，特别涉及基于蜂窝网络中用于位置服务的改进的时间差估计方法。

背景技术

近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的需求驱动。FCC于1996年10月颁布了无线E-911呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。

1996年美国联邦通信委员会(FCC)公布了E-911(Emergencycall′911′)定位需求，其中要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67％；并在2001年以后，提供更高的定位精度及三维位置信息。欧洲和日本也作了相应的要求，表明提供E-911定位服务将是今后蜂窝网络必备的基本功能。

针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就GSM、IS-95CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。特别是3GPP和3GPP2上对定位的要求更加具体化，这也是对蜂窝无线定位市场潜力的肯定。另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态的情况下获取其地理位置等信息，利用移动台的定位信息，运营商可以为用户提供各种增值业务，如位置环境信息查询、紧急救援、智能交通、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。

图1演示了一个无线定位系统体系结构的例子。一个定位服务提供商为用户提供位置信息和位置感知服务。每当用户提出申请要求有关某个移动终端(MS)的位置信息时，定位服务提供商将首先联络位置控制中心，查询MS的位置坐标。用户可能是希望跟踪某一移动设备的商业用户，或者是试图应答一个E-911电话的公共安全应答点PSAP(PublicSafety Answering Point)。然后位置控制中心收集所需的信息来计算MS的位置，此信息可能是诸如接收信号强度、BS ID、信号的TOA等参数。根据MS过去的信息，一系列基站(BS)可被用来寻呼MS，并且直接或者间接获得定位参数。一旦收集到这些信息，位置控制中心就能够以某一精确度确定MS的位置，并且把此信息反馈给定位服务提供商。服务提供商然后可以利用此信息为用户可视化显示MS的位置。

定位系统的选择

无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数来估计目标移动台的几何位置。根据进行定位估计的位置及定位数据用途的不同可将对移动台的定位方案分为两类：基于移动台的定位方案和基于网络的定位方案，与之对应有以下两类定位系统：

(1)基于移动台的定位系统这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。著名的全球定位系统(Global Position System)即属于这类系统。

(2)基于网络的定位系统这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。自动车辆定位(AVL)系统即属这类系统。从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成GPS接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件，还必须用适当方式将定位信息传送回蜂窝网络。基于网络的反向链路定位方案只需对蜂窝网络设备作适当扩充、修改，不需要对现有移动台作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易，因而是E—911定位需求的首选。

而利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有四类，(1)基于电波场强的定位技术；(2)基于电波到达入射角(AOA)的定位技术；(3)基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的定位技术；(4)混合定位法。

1.场强定位技术

电波场强定位技术根据移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，由多个距离测量值(至少三个)可以估算移动台的位置。这一技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无线电波传播模型，这在实际应用中很难实现。除此之外，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地理环境、车辆等因素都会对定位精度产生影响。由于移动通信环境中电波传播的复杂性，决定了该技术在定位精度上的局限性，但是由于该技术比较简单易行、在对精度要求不是很高的情况下仍被采用。为了改善其性能，人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法来逛一步提高定位的精度。

2.电波到达入射角定位技术(AOA)

信号到达角定位AOA方法是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计移动用户的位置，如图2所示。AOA定位方法可惟一确定一个二维定位点。

MS发，BS1收，测量可得一条BS到MS连线；BS2收，测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。BS1和BS2座标位置已知，以正北为参考方向，顺时针为+0～+360度，逆时针为-0～-360度，由此可获得以MS、BS1和BS2为三点的确定三角关系。

采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度，但在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，则误差增大。

另外，AOA技术要建立在SA智能天线的基础上才能实现，所以在AOA方法中，需要使用智能天线，目前GSM系统中BTS的天线需要更换才可以采用AOA进行目标定位。

3.基于电波传播的时间/时间差定位方法

到达时间/到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以得到移动台与基站之间的距离。移动台即位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计算，移动台的二维位置坐标可出三个圆的交点确定。到达时问定位技术要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间，并要求基站有非常精确的时钟。为了克服这一缺点，人们提出了到达时间差的定位技术，它是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来实现移动台定位的，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这就大大降低了对时间同步要求。如图3所示，很明显，移动台一定位于以两个基站为焦点的双曲线上。所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到移动台的二维位置坐标。

以上两种基于时间的定位技术的只要求基站能够从接收到的射频信号中准确的提取时延估计值，而无需对现有的网络设备加以大规模的改造就可以实现对移动台的高精度定位，因此成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。一般来说，对于基于网络的定位，称之为E-OTD方法，而对于基于终端的定位，称之为T-DOA方法。

4.混合定位方法

该法是在系统中同时利用不同类型的信号特征测量值，如TDA、AOA进行定位估计。在蜂窝网络中利用服务基站测得的TOA和AOA数据就能确定移动台的位置。利用上述基本定位技术进行准确定位的前提是电波在收发信机之间能视距(LOS)传播。在蜂窝网络中，由于受非视距(NLOS)传播、多径效应和各种噪声干扰的影响，定位精度往往受到很大影响。上述定位法中，场强定位法最简单，但定位精度较差；AOA定位法虽有一定精度，但接收设备较复杂；TOA定位法精度较高，但对时间同步有较高要求；TDOA定位法能消除对时间基准的依赖性，可以降低成本并仍保证一定的定位精度；混合定位法能满足一定的定位精度，但在现有蜂窝系统中采用该法对网络设备的改动较大。故目前受到广泛关注和深入研究的是基于TDA或TDOA的反向链路定位法。

在蜂窝系统中可用于获得TOA或TDOA估计值的方法有相位测距法、脉冲测距法和扩频测距法，例如，在CDMA蜂容系统中通常采用扩频测距法。CDMA系统采用的扩频测距法通常有两种：一种是采用滑动相关器或匹配滤波器的时间粗探测方法，粗探测过程由滑动相关器、匹配滤波器或连续探测电路来实现，将时延估计值锁定在1个码片间隔内；另一种是采用延时锁相环(DLL)的精探测方法，精探测过程则由延时锁定环维持本地及输入PN序列的一致。该法在GPS系统中得到了成功应用。

在CDMA系统中，多址干扰在基于时间的定位系统中会严重影响时间粗捕获，对延时锁相环的时间测量也有很大影响。功率控制的采用使多个非服务基站难于同时正确测量TOA或TDOA测量值。目前已出现了一些探索解决该问题的方法，如在E—911呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，改进软切换方式，利用抗远近效应延时估计器与多用户检测器等。基于时间的定位法要求基站接收机从接收到的射频信号中提取准确的TOA或TDOA估计值。

在E-OTD(下行)和T-DOA(上行)的定位方法中，最重要的技术约束是参与定位的基站数的限制。这种定位技术需要三个以上基站的参与。但是，在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与移动台定位，即使在基站稠密的城市环境中，也可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。更重要的是，由于自适应功率控制的使用以克服远近效应(基于CDMA的基站)和小区边界干扰(基于OFDM的基站)，当移动台靠近服务基站时，其它基站就很难接收到移动台发出的定位测量信号，或者移动台很难接收到其他非服务基站的信号。作为佐证，表1给出了各种环境下所能参与移动台定位的基站数量的统计情况。统计数据表明，即使在直径的情况下，在乡村或郊区同时存在三个或三个以上基站与移动台保持联系的可能性都是比较小的。

表1各种环境下不同X取值统计表

同时，一个不可忽视的重要问题是，即使有三个基站可以参加定位的计算，但是当用户比较接近服务基站的时候，非服务基站的信号极具下降，从而导致基于E-OTD和T-DOA等方法的性能下降。如图4所示。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于蜂窝网络中用于位置服务的改进的时间差估计方法。

为实现上述目的，一种基于蜂窝网络中用于位置服务的时间差估计方法，包括步骤：

a)终端估计其接收到的服务基站的功率和其它相邻的非服务基站的功率，并根据估计值将服务基站的服务扇区分割成多个区域；

b)终端计算比较参数T，并将比较参数T通过服务基站发送给位置服务器；

c)位置服务器判断比较参数T是否大于门限值，如果大于，则

d)终端估计服务基站中的相邻扇区的功率水平，并将这些参数上报给系统；

e)系统根据上述参数判断终端用户在靠近服务基站的具体区域；

f)系统或者终端计算用户位置信息。

系统利用该发明可以弥补基于T-DOA和E-OTD方法的不足，提高靠近服务基站的用户的定位准确度。

附图说明

图1是无线定位系统体系结构图；

图2是AOA定位方法的原理图；

图3是T-DOA和E-OTD的工作原理图；

图4是接收信号的幅度同参数估计精度的关系图；

图5是本发明解决方案的原理图；

图6是本发明解决方案的构成图；

图7是基于终端的E-OTD方法流程图；

图8是基于终端的扇区信息方法流程图；

图9是基于网络的T-DOA方法流程图；

图10是基于网络的扇区信息方法流程图。

具体实施方式

系统将根据用户在网络中所在的位置不同，而采用不同的定位方法。发明的主要构成如图6的流程图所示。

701：终端首先估计其接收到的服务基站的功率和其它相邻的非服务基站的功率，并根据估计值将服务基站的服务扇区分割成如图5所示的1区域和2、3、4区域。

具体的计算方法为，首先计算三个相邻基站的制定扇区的功率：

$P_i=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{S^{\left(i\right)}}_j\right|}^2$

其中，i＝0，1，2。i＝0时，P_i为终端接收到的服务基站的功率；i＝1，2时，P_i为终端接收到的相邻的非服务基站的功率。

为第i个基站的第j个子载波，M≤N，N为可用的接收信号的最大子载波数目。然后计算下面的参数：

$T=\frac{P_0}{P_1+P_2}$

702：终端将该信息通过服务基站发送给位置服务器。

此时，要求系统知道该终端用户接收到的服务基站(服务扇区)和相邻的非服务基站(相邻的扇区)的功率水平。终端用户通过一定的信号方式进行测量，并上报给终端的服务基站。上报的信息包括，相关基站的功率水平(用户完成切换等功能)和参数T(用户系统进行下一步的判断)。

703：位置服务器判断参数T是否小于门限值(该门限值反应的是图4的黑色粗实线)：

T≤γ

如果T小于门限值，则进入704，如图5中的终端1和终端2所示。否则进入到705，如图5中的终端3所示。

704：终端采用传统的E-OTD(下行)或者系统采用T-DOA(上行)的方法对用户进行定位估计。

705：终端估计服务基站中的相邻扇区的功率水平，采用下面方法

$P_i=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{S^{\left(i\right)}}_j\right|}^2$

其中，i＝0，1，2。i＝0时，P_i为终端接收到的服务基站的服务扇区的功率；i＝1，2时，P_i为终端接收到的服务基站中相邻扇区的功率。

为第i个扇区的第j个子载波，M≤N，N为可用的接收信号的最大子载波数目。然后计算下面的两个参数：

$T_1=\frac{P_0}{P_1}$

$T_2=\frac{P_0}{P_2}$

终端并将这些参数上报给系统中，并由系统来判断此时用户是在2、3、4的哪一个区域中。

706：系统根据上述参数判断终端用户在靠近服务基站的具体区域。

具体的方法为：

如果

T₁≥β且T₂≥β，其中β为门限值

则判断用户在区域2。最终，系统以区域2的平均位置作为终端用户的位置信息。

否则，如果

T₁≤β且T₂≥β，

则判断用户在区域3。最终，系统以区域3的平均位置作为终端用户的位置信息。

否则

判断用户在区域4。最终，系统以区域4的平均位置作为终端用户的位置信息。

此时，要求系统知道该终端用户接收到的服务基站(服务扇区)和服务基站(相邻的扇区)的功率水平。终端用户通过一定的信号方式进行测量，并上报给终端的服务基站。上报的信息包括，相关基站的功率水平(用户完成切换等功能)和参数T1和T2(用户系统进行下一步的判断)。

707：系统或者终端用户获得最终的用户位置信息。

实施例

针对基于网络和终端的定位信息，以及情况的不同，现给出两种实施例。

1.基于终端的定位，如信令流程图7和8。

信令1：终端发出定位请求，并按照过程701和702上报必要的信息给服务基站的服务扇区。

信令2：服务基站将这个定位请求和信息上报转发给网络端的位置服务器。

此时系统要根据上报的信息判断是使用基于E-OTD的方法，还是基于扇区信息的方法。判断的具体方法按照图6中的701-704。

如果系统判断是用E-OTD的方法，则如流程图7。

信令3：系统将告知终端用户的相关基站，准备发送相关的测量信号，比如OFDM系统中的Preamble或者Pilot信息，或者CDMA系统中的PN序列。

信令4：服务基站将服务确认信息发送给终端用户。

信令5：相关基站发送相关的测量信号，用于终端用户进行接收。

终端来计算自己的位置信息。

如果系统判断是采用基于扇区信息的方法，则如流程图8。

信令3：系统中的位置服务器将这个信息反馈给服务基站。

信令4：服务基站将这个信息反馈转发给终端用户。

终端用户侦听服务基站中的相邻扇区的信息，以判断终端用户所在的更加详细的信息。判断的具体过程按照图6中的705-706。

2.基于网络的定位，如信令流程图9和10。

信令1：终端发出定位请求，并按照过程701和702上报必要的信息给服务基站的服务扇区。

信令2：服务基站将这个定位请求和信息上报转发给网络端的位置服务器。

此时系统要根据上报的信息判断是使用基于E-OTD的方法，还是基于扇区信息的方法。判断的具体方法按照图6中的701-704。

如果系统判断是用T-DOA的方法，则如流程图9。

信令3：系统将告知终端用户的相关基站，准备接收相关的测量信号，比如OFDM系统中的Preamble或者Pilot信息，或者CDMA系统中的PN序列。

信令4：服务基站将服务确认信息发送给终端用户。

信令5：终端发送参考测量信号给相关的基站。

信令6：相关基站接收到相关的测量信号后进行时间测量，并将测量值反馈给系统处的位置服务器。

系统来计算终端用户的位置信息。

如果系统判断是采用基于扇区信息的方法，则如流程图10。

信令3：系统中的位置服务器将这个信息反馈给服务基站。

信令4：服务基站将这个信息反馈转发给终端用户。

终端用户侦听服务基站中的相邻扇区的信息，以判断终端用户所在的更加详细的信息。判断的具体过程按照图6中的705-706。

信令5：终端将这个信息发送给服务基站。

信令6：服务基站将信息转发给系统中的位置服务器。

位置服务器根据此信息得出终端用户的最终位置信息。

Claims (7)

1.一种基于蜂窝网络中用于位置服务的时间差估计方法，包括步骤：

a)终端估计其接收到的服务基站的功率和其它相邻的非服务基站的功率，并根据估计值将服务基站的服务扇区分割成多个区域；

b)终端计算比较参数T，并将比较参数T通过服务基站发送给位置服务器；

c)位置服务器判断比较参数T是否大于门限值，如果大于，则

d)终端估计服务基站中的相邻扇区的功率水平，并将这些参数上报给系统；

e)系统根据上述参数判断终端用户在靠近服务基站的具体区域；

f)系统或者终端计算用户位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤a)包括：按下式估计服务基站的功率和其它相邻的非服务基站的功率：

$P_i=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{S^{\left(i\right)}}_j\right|}^2$

其中，i＝0，1，2，i＝0时，P_i为终端接收到的服务基站的服务扇区的功率；i＝1，2时，P_i为终端接收到的服务基站中相邻扇区的功率，

为第i个扇区的第j个子载波，M≤N，N为可用的接收信号的最大子载波数目。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于按下式计算比较参数T：

$T=\frac{P_0}{P_1+P_2}.$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述多个扇区为四个扇区。

5.根据权利他要求1所述的方法，其特征在于所述步骤e)包括：

如果T₁≥β且T₂≥β，则判断用户在区域2；

如果T₁≤β且T₂≥β，则判断用户在区域3，否则，判断用户在区域4，其中β为门限值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤d)包括：按下式估计服务基站中的相邻扇区的功率水平：

$P_i=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{S^{\left(i\right)}}_j\right|}^2$

其中，i＝0，1，2，i＝0时，P_i为终端接收到的服务基站的服务扇区的功率；i＝1，2时，P_i为终端接收到的服务基站中相邻扇区的功率，

为第i个扇区的第j个子载波，M≤N，N为可用的接收信号的最大子载波数目。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于按下式计算比较参数T₁和T₂：

$T_1=\frac{P_0}{P_1}$

$T_2=\frac{P_0}{P_2}.$

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