CN101742635A - Tdd模式下基于中继站的移动终端定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：移动终端向基站发送定位请求；基站通知移动终端发送测距信号的资源；基站通知一个或多个中继站接收移动终端发送的测距信号；基站计算移动终端到基站的到达角α₁和中继站计算移动终端到中继站的到达角α₂；移动终端将移动终端与基站之间的信号传输时间t₁和移动终端与中继站之间的信号传输时间t₂发送给基站；中继站将移动终端到中继站的到达角α₂发送给基站；基站根据到达角α₁、α₂和信号传输时间t₁、t₂得到移动终端的位置。本发明的方法可以提高单基站定位精度，减少了采用多基站定位时，基站之间通信带来的开销同时避免由于相邻基站接受到的功率非常小而造成的测量误差。

Description

TDD模式下基于中继站的移动终端定位方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，特别涉及TDD模式下基于中继站的移动终端定位方法。

背景技术

无线定位技术的研究始于20世纪60年代的自动车辆定位系统，随后该技术在公共交通、出租车调度以及公安追踪等范围内广泛应用。后来，随着人们对基于位置的信息服务的需求增多，无线定位技术得到更多研究者的关注，全球定位系统(GPS)的出现更使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度的提高，可达到10m以内。虽然直接利用GPS可以达到一种较为理想的定位效果，但是他需要专门的接收设备，对大多数用户来说并不是很方便。近年来，随着蜂窝移动系统的普及，定位技术开始用于蜂窝系统设计、切换、服务区确定、交通监控等方面。目前，无线定位可分为卫星无线定位和地面无线定位，卫星定位利用GPS，GLONASS以及我国的北斗双星等卫星系统实现移动目标的三维定位；地面无线定位则通过测量无线电波的传播时间、信号场强、相位、入射角度等参数实现移动目标的二维定位。蜂窝无线定位属于地面无线定位系统。现有的蜂窝移动通信网中的无线定位系统按移动通信结构分为基于移动通信网络的无线定位、基于移动台的无线定位、混合定位等。近年来，随着移动用户的快速增加，对位置服务的需求也大大增加，在蜂窝系统中，基于位置的服务有很多种类，如公共安全、基于位置的记费服务、跟踪服务增强呼叫的路由选择服务等。当前的蜂窝无线定位系统中，为了避免对移动终端增加额外开销，多采用的是基于网络的定位方案，由多个基站同时接收检测移动台发出的信号，根据测量到的参数由网络对移动台进行定位估计。移动终端往往是普通手机，这就需要对基站安装监测设备，测量移动台发出的信号参数，再通过适当的算法估计出移动台的大致位置，而信号的传播很大程度上取决于移动通信信道特性，使定位精度受到很大的影响。

现有的蜂窝移动通信网中的最常用的无线定位方法是TDOA(TimeDifference of Arrival)。传统的TDOA定位方法示意图如图1所示。TDOA是一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种中继站辅助基站的定位方法。

为实现上述目的，一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：

移动终端向基站发送定位请求；

基站通知移动终端发送测距信号的资源；

基站通知一个或多个中继站接收移动终端发送的测距信号；

基站计算移动终端到基站的到达角α₁和中继站计算移动终端到中继站的到达角α₂；

移动终端将移动终端与基站之间的信号传输时间t₁和移动终端与中继站之间的信号传输时间t₂发送给基站；

中继站将移动终端到中继站的到达角α₂发送给基站；

基站根据到达角α₁、α₂和信号传输时间t₁、t₂得到移动终端的位置。

本发明的方法可以提高单基站定位精度，减少了采用多基站定位时，基站之间通信带来的开销同时避免由于相邻基站接受到的功率非常小而造成的测量误差。

附图说明

图1是传统的TDOA定位方法示意图；

图2是单中继站协同基站的定位方式；

图3是RTD算法示意图；

图4是单中继站协同基站的定位方式的信号流图；

图5是多中继站协同基站的定位方式示意图；

图6是多中继站协同基站的定位方式的信号流图；

图7是两个中继站间协同的定位方式；

图8是两个中继站间协同的定位方式的信号流图；

图9是多中继站间协同的定位方式示意图；

图10是多中继站协同基站的定位方式的信号流图；

图11是16m中继站，基站和移动终端通信原则。

具体实施方式

本发明给出2种中继站(Relay)辅助基站的定位方法：

第一种方法为中继站(Relay)协同基站的定位方法。在中继站协同基站的定位方法中可以分为两种方式：

第1种方式为单中继站协同基站的定位方式。单中继站协同基站的定位方式如图2所示。在图2中，移动终端(Mobile Station，MS)可以同时与基站(Base Station)和中继站(Relay)通信。移动终端首先向基站发送定位请求，基站接收到请求后，给移动终端的测距信号(ranging)分配资源，然后通知中继站(Relay)监听移动终端的上行测距信号(uplinkranging)。基站和中继站接收到ranging信号后，分别发送确认信号(ACK)给移动终端，移动终端根据RTD(Round Trip Delay)算法分别计算出基站和中继站发送信号到达时间。RTD算法示意图如图3所示。根据图3；利用公式

$D_{\mathrm{BS}\↔\mathrm{MS}}=c\·(T_{\mathrm{MS}}-T_{\mathrm{BS}})/2c=3\×{10}^{8}m/s---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{RS}\↔\mathrm{MS}}=c\·(T_{M{S}^{\′}}-T_{\mathrm{RS}})/2---\left(2\right)$

可以计算出移动终端与基站和中继站的距离。以移动终端与基站的距离

和移动终端与中继站的距离

为半径的两个圆有两个交点。再跟据移动终端的信号到达基站和中继站的角度即到达角(Angle ofArrival，AoA)最终确定移动终端的位置。具体测量如下设移动台的坐标为(x₀，y₀)和基站的坐标为(x₁，y₁)中继站的坐标为(x₂，y₂)，则有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{(x_0-x_1{)}^2+(y_0-y_1{)}^2}=R_{10}\\ \sqrt{{(x_o-x_2)}^2+(y_0-y_2{)}^2}=R_{20}\end{array}\right.$

其中，R₁₀和R₂₀可以通过测量从移动台到达基站和中继站的时间t₁₀和t₂₀来确定。显然有R₁₀＝c×t₁₀和R₂₀＝c×t₂₀，其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据上面的方程组我们能够得到两个解，再根据移动终端的信号到达基站和中继站的角度即到达角(Angle of Arrival，AoA)θ，可以去掉一个解；最终得到移动终端的位置坐标。

单中继站协同基站的定位方式的信号流图如图4所示。具体流程如下：

1.服务基站请求中继站监听基站分配上行测距(ranging)信号的信息和移动终端(MS)发送的上行测距(ranging)信号同时需要反馈移动终端发射信号的到达角(AoA)；并服务基站请求移动终端MS反馈基站与移动终端之间信号传输时间t₁和中继站与移动终端之间信号传输时间t₂；

2.中继站应答服务基站的请求，同意监听上述信息和信号并且将测量的移动终端信号的到达角度反馈给服务基站；同时MS也同意服务基站的请求，将测量的服务基站与移动终端之间信号传输时间t₁和中继站与移动终端之间信号传输时间t₂反馈给服务基站；

3.服务基站给MS分配上行测距信号发射的时机(opportunity)；

4.服务基站发送RNG-RSP信号给MS，该信号中包括以下参数(状态status＝continue连续，发射上行探测信号与接收RNG-RSP信号的时间间隔(Rendezvous time)，正交码的序号(orthogonal code)，上行探测信号发射时机的偏移量(TX opportunity offset)；同时中继站监听该信号；

5.服务基站分配移动终端上行探测信号的带宽；

6.移动终端发送上行探测信号

7.服务基站和中继站分别测量移动终端发射信号的到达角(AoA)α₁和α₂

8.服务基站和中继站发送上行探测信号应答信息(RNG-ACK)

9.中继站反馈给基站移动终端发射信号的到达角(AoA)α₂

10.移动终端利用RTD(round trip delay)算法计算出基站与移动终端之间信号传输时间t₁和中继站与移动终端之间信号传输时间t₂

11.移动终端将t₁和t₂反馈给服务基站

12.服务基站根据t₁、t₂和到达角α₁、α₂来确定移动终端的位置

第2种方式为多中继站协同基站的定位方式。多中继站协同基站的定位方式示意图如图5所示。在图5中，移动终端(Mobile Station，MS)可以同时与基站(Base Station)和多个中继站(Relay)通信。移动终端首先向基站发送定位请求，基站接收到请求后，给移动终端的测距信号(ranging)分配资源，然后通知多个中继站(Relays)监听移动终端的上行测距信号(uplink ranging)。多个中继站收到上行测距信号后，将测量的信号传输时间告诉给基站，基站利用TDOA算法可以计算出移动终端的位置。具体算法如下：

当基站BS1和中继站RS₂与移动台之间的距离差R₂₁＝R₂-R₁时，移动台必定位于以基站BS和中继站RS₁为焦点、与基站BS和中继站RS₁的距离差恒为R₂₁的实线双曲线上。当同时知道基站BS和中继站RS₃与移动台之间的距离差R₃₁＝R₃-R₁时，可以得到另外一组以基站BS和中继站RS₃为焦点，与该两个焦点的距离差恒为R₃₁的虚线双曲线对上。于是，两组双曲线的交点代表对移动台的估计。

设移动台的坐标为(x₀，y₀)和基站的坐标为(x₁，y₁)中继站的坐标为(x₂，y₂)(x₃，y₃)，则有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{(x_o-x_2{)}^2+(y_0-y_2{)}^2}-\sqrt{(x_o-x_1{)}^2+(y_0-y_1{)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{(x_o-x_3{)}^2+(y_0-y_3{)}^2}-\sqrt{(x_o-x_1{)}^2+(y_0-y_1{)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}---\left(3\right)\right.$

其中，R₂₁和R₃₁可以通过测量从移动台到达基站和中继站的时间差t₂₁和t₃₁来确定。显然有R₂₁＝c×t₂₁和R₃₁＝c×t₃₁，其中，c为电磁波在空中的传播速度。根据上面的方程组就可以求出移动台的位置坐标。

多中继站协同基站的定位方式的信号流图如图6所示。具体的信号流程如下：

1服务基站请求中继站监听基站分配上行测距(ranging)信号的信息和移动终端(MS)发送的上行测距(ranging)信号同时需要反馈中继站与移动终端之间信号传输时间t₂；

2中继站应答服务基站的请求，同意监听上述信息和信号并且将测量的中继站与移动终端之间信号传输时间t₂反馈给服务基站；

3服务基站给MS分配上行测距信号发射的时机(opportunity)

4服务基站发送RNG-RSP信号给MS，该信号中包括以下参数(状态status＝continue连续，发射上行探测信号与接收RNG-RSP信号的时间间隔(Rendezvous time)，正交码的序号(orthogonal code)，上行探测信号发射时机的偏移量(TX opportunity offset)；同时中继站监听该信号；

5基站分配移动终端上行探测信号的带宽；

6移动终端发送上行探测信号

7中继站测量移动终端发射信号的传输时间t₂

8基站测量移动终端发射信号的传输时间t₁

9中继站反馈给基站测量的传输时间t₂

10基站根据测量的时间t₁和t₂计算出时间差T

同理，基站可以计算出与其他中继站的是时间差。

第二种方法为中继站间协作的定位方法。

第1种方式两个中继站间协作的定位方式。两个中继站间协同的定位方式如图7所示。在图7中，移动终端(Mobile Station，MS)可以同时与两个中继站(Relay)通信。移动终端首先向主中继站(Primary Relay)发送定位请求，主中继站接收到请求后，给移动终端的测距信号(ranging)分配资源，然后通知副中继站(Secondary Relay)监听移动终端的上行测距信号(uplink ranging)。两个中继站接收到ranging信号后，分别发送确认信号(ACK)给移动终端，移动终端根据RTD(Round Trip Delay)算法分别计算出两个中继站发送信号到达时间。根据到达时间可以计算出移动终端与两个中继站的距离。然后将距离反馈给主中继站。主中继站根据移动终端与其的距离

和移动终端与副中继站的距离

为半径做两个圆而且这个两个圆有两个交点，其中一个焦点就是移动终端的位置。主中继站再跟据移动终端的信号到达两个中继站的角度即到达角(Angle of Arrival，AoA)最终确定移动终端的位置.最后主中继站将MS的位置信息报告给基站。

两个中继站间协同的定位方式的信号流图如图8所示。具体流程如下：

1.主中继站请求副中继站监听基站分配上行测距(ranging)信号的信息和移动终端(MS)发送的上行测距(ranging)信号同时需要反馈移动终端发射信号的到达角(AoA)；并服务基站请求移动终端MS反馈主中继站与移动终端之间信号传输时间t₁和副中继站与移动终端之间信号传输时间t₂；

2.副中继站应答服务基站的请求，同意监听上述信息和信号并且将测量的移动终端信号的到达角度反馈给主中继站；同时MS也同意服务基站的请求，将测量的主中继站与移动终端之间信号传输时间t₁和副中继站与移动终端之间信号传输时间t₂反馈给主中继站；

3.主中继站给MS分配上行测距信号发射的时机(opportunity)；

4.主中继站发送RNG-RSP信号给MS，该信号中包括以下参数(状态status＝continue连续，发射上行探测信号与接收RNG-RSP信号的时间间隔(Rendezvous time)，正交码的序号(orthogonal code)，上行探测信号发射时机的偏移量(TX opportunity offset)；同时副中继站监听该信号；

5.主中继站分配移动终端上行探测信号的带宽；

6.移动终端发送上行探测信号

7.主中继站和副中继站分别测量移动终端发射信号的到达角(AoA)α₁和α₂

8.主中继站和副中继站发送上行探测信号应答信息(RNG-ACK)

9.副中继站反馈给基站移动终端发射信号的到达角(AoA)α₂

10.移动终端利用RTD(round trip delay)算法计算出主中继站与移动终端之间信号传输时间t₁和副中继站与移动终端之间信号传输时间t₂

11.移动终端将t₁和t₂反馈给主中继站

12.主中继站根据t₁、t₂和到达角α₁、α₂来确定移动终端的位置最后，主中继站将移动终端的位置信息告诉服务基站。

第2种方式多个中继站间协作的定位方式。多中继站间协同的定位方式示意图如图9所示。在图9中，移动终端(Mobile Station，MS)可以同时与主中继站(Base Station)和多个副中继站(Relay)通信。移动终端首先向主中继站发送定位请求，主中继站接收到请求后，给移动终端的测距信号(ranging)分配资源，然后通知多个副中继站(Relays)监听移动终端的上行测距信号(uplink ranging)。多个副中继站收到上行测距信号后，将测量的信号传输时间告诉给主中继站，主中继站利用TDOA算法可以计算出移动终端的位置。最后，将移动终端的位置信息报告给服务基站。多中继站协同基站的定位方式的信号流图如图10所示。具体的信号流程如下：

1主中继站请求副中继站监听主中继站分配上行测距(ranging)信号的信息和移动终端(MS)发送的上行测距(ranging)信号同时需要反馈副中继站与移动终端之间信号传输时间t₂；

2副中继站应答服务基站的请求，同意监听上述信息和信号并且将测量的副中继站与移动终端之间信号传输时间t₂反馈给主中继站；

3主中继站给MS分配上行测距信号发射的时机(opportunity)

4主中继站发送RNG-RSP信号给MS，该信号中包括以下参数(状态status＝continue连续，发射上行探测信号与接收RNG-RSP信号的时间间隔(Rendezvous time)，正交码的序号(orthogonal code)，上行探测信号发射时机的偏移量(TX opportunity offset)；同时副中继站监听该信号；

5主中继站分配移动终端上行探测信号的带宽；

6移动终端发送上行探测信号

7副中继站测量移动终端发射信号的传输时间t₂

8主中继站测量移动终端发射信号的传输时间t₁

9副中继站反馈给主中继站测量的传输时间t₂

10主中继站根据测量的时间t₁和t₂计算出时间差T

同理，主中继站可以计算出与其他副中继站的是时间差，根据上述的TDOA算法原理，可以计算出移动终端的位置坐标。最后，主中继站将移动终端的位置信息告诉给服务基站。

实施例

在802.16m的需求文档中，规定了需要支持中继站，同时在最新的16m系统描述文档中规定的中继站，基站和移动终端通信原则如图11所示.

从图上可以看出，16m规定了基站，中继站和移动终端的通信方式：

第1条路径表示：中继站可以和基站进行通信；

第2条路径表示：中继站之间可以通信；

第3条路径表示：移动终端可以和中继站通信；

第4条路径表示：移动终端可以和基站通信；

由于16m系统中的基站，中继站和移动终端都可以进行通信因此本文提出的这几个方法完全适用16m标准。

Claims (6)

1.一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：

移动终端向基站发送定位请求；

基站通知移动终端发送测距信号的资源；

基站通知一个或多个中继站接收移动终端发送的测距信号；

基站计算移动终端到基站的到达角α₁和中继站计算移动终端到中继站的到达角α₂；

移动终端将移动终端与基站之间的信号传输时间t₁和移动终端与中继站之间的信号传输时间t₂发送给基站；

中继站将移动终端到中继站的到达角α₂发送给基站；

基站根据到达角α₁、α₂和信号传输时间t₁、t₂得到移动终端的位置。

2.一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：

移动终端向主中继站发送定位请求；

主中继站通知移动终端发送测距信号的资源；

主中继站通知一个或者多个副中继站接收移动终端发送的测距信号；

主中继站计算移动终端到主中继站的到达角α₁和副中继站计算移动终端到副中继站的到达角α₂；

移动终端将移动终端与主中继站之间的信号传输时间t₁和移动终端与副中继站之间的信号传输时间t₂发送给主中继站；

副中继站将移动终端到副中继站的到达角α₂发送给主中继站；

主中继站根据到达角α₁、α₂和信号传输时间t₁、t₂得到移动终端的位置；

主中继站将移动终端的位置坐标报告给基站。

3.一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：

移动终端向基站发送定位请求；

基站通知移动终端发送测距信号的资源；

基站通知两个或两个以上的中继站接收移动终端发送的测距信号；

中继站计算移动终端与中继站之间的信号传输时间t₁；

基站计算移动终端与基站之间的信号传输时间t₂；

中继站将移动终端到中继站的信号传输时间t₁发送给基站；

基站根据信号传输时间t₁和t₂得到时间差T；

基站根据时间差T计算出移动终端的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于基站按下式计算移动终端的位置：

$\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}\right.$

其中，设移动台的坐标为(x₀，y₀)，基站的坐标为(x₁，y₁)，中继站的坐标为(x₂，y₂)(x₃，y₃)。

5.一种基于中继站定位移动台的方法，包括步骤：

移动终端向基站发送定位请求；

基站通知移动终端发送测距信号的资源；

基站通知主中继站和两个或者两个以上副中继站接收移动终端发送的测距信号；

主中继站计算移动终端与主中继站之间的信号传输时间t₁；

副中继站计算移动终端与副中继站之间的信号传输时间t₂；

副中继站将移动终端到副中继站的信号传输时间t₂发送给主中继站；

主中继站根据信号传输时间t₁和t₂计算出时间差T；

主中继站根据时间差T得到移动终端的位置；

主中继站将移动终端的位置坐标报告给基站。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于基站按下式计算移动终端的位置：

$\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}\right.$

其中，设移动台的坐标为(x₀，y₀)，基站的坐标为(x₁，y₁)，中继站的坐标为(x₂，y₂)(x₃，y₃)。

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