CN101933304A

CN101933304A - 一种移动装置定位方法及设备

Info

Publication number: CN101933304A
Application number: CN2008801258935A
Authority: CN
Inventors: 焦文华; 蒋品; 马媛媛; 刘若菊
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Usao Investment Co.,Ltd.
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: WO2009100562A1; CN101933304B; US8588087B2; KR101500310B1; JP5461434B2; US20110019567A1; EP2239913A1; JP2011517144A; KR20100117634A; EP2239913A4

Abstract

本发明涉及移动通信领域。本发明提出了一种用于WiMAX定位的下行帧前导快速检测(简称FPFD)定位方法和设备。所述方法包括：移动用户站(简称MSS)检测来自基站BS的下行帧前导，这些下行帧前导由时分双工TDD模式的移动WiMAX进行同步；通过基于帧前导的同步检测来得到不同BS的帧前导的到达时间差(简称TDoA)；以及通过经典的TDoA算法来计算确切的位置。本发明实施例描述了一种新颖的方式，使用上行链路测距过程辅助的下行帧前导检测来测量移动用户设备的位置。随着移动WiMAX正式被国际电信联盟(简称ITU)接收为3G标准和大规模普及，基于WiMAX的定位将会是有市场潜力的业务。

Description

一种移动装置定位方法及设备

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体地涉及移动 WiMAX ( Worldwide

Interoperability for Microwave Access: 全球微波接入兼容组织）领域，更具体地涉及一种移动 MMAX系统中的定位方法和设备。背景技术

定位可以使移动装置或者收集与其位置有关的信息或者提供精确的具体位置。该技术提出了许多新颖的概念和服务，包括位置敏感计费（location sensitive billing), 快速跟踪、包装和个人跟踪、移动黄页、基于位置的报文发送、路线指导、以及提供交通信息。已经将定位应用于 GSM和 3G网络，并且所述定位可以是下一代无线系统的最有希望的重要特征之一。

WiMAX系统是基于 IEEE 802. 16协议族标准的技术，由称为 WiMAX论坛的工业协会发起。 IEEE 802. 16协议族标准规定了支持多媒体业务的固定和移动宽带无线接入 (BWA) 系统的空中接口。之前也称作 802. 16d或 802. 16- REVd的 IEEE 802. 16-2004 标准发布于 2004年 10月，用于固定接入，参见 IEEE 802. 16e " IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16 : Air Interface for Fixed Broadband Wireless Acess Systems "₀ 如 2005年 10月的 IEEE 802. 16 TGe "Part 16： Air interface to fixed and mobile broadband wireless access systems, Amendment 2"，现在已经将所述标准更新并且扩展到 802. 16e 标准，用于移动接入和移动 WiMAX。因此，移动 WiMAX是用于提供由定位引入的这些业务的一种非常有竞争力的候选平台。随着移动 WiMAX市场中新的位置计算服务（PCS) 业务提供商的引入，期待业务提供商之间增加竞争以吸引消费者。然而，还没有用于移动 WiMAX定位的可行解决方案。

最广泛采用的定位技术是无线电定位系统，所述无线电定位系统企图通过测量移动站 MS (Mobile station)和一组基站 BS (base station) 之间的无线电信号来对移动站 MS进行定位。无线电定位系统可以基于信号强度、到达角（AoA)、到达时间 (ToA)、到达时间差（TDoA) 或其组合。可以将无线电定位系统分为两种方法：基于网络的和基于终端的。针对基于网络的方法， BS测量由 MS传输的信号，并且将所述信号中继到网控中心用于进行处理；而针对基于终端的方法， MS使用由 BS传输的信号来计算其自己的位置。下面介绍几种已知的定位方法。

已知方法 1 : GPS

全球定位系统（GPS ) 是一种基于卫星的导航系统，所述系统由美国国防部发射到轨道中的 24颗卫星网络构成。必须将 GPS接收者锁定到至少三颗卫星的信号以计算 2D位置（纬度和经度）以及轨迹移动。利用看得见的四颗或更多卫星，接收者可以确定用户的 3D位置（纬度、经度和高度）。 GPS是基于 ToA技术的，并且需要卫星信号的视距传播（LOS: Line of Sight )。让每一个 MS具有 GPS功能性不是可行的。因此，基于 GPS的技术在该建议的范围之外。

已知方法 2: 信号强度

使用信号强度的无线电定位是一种众所周知的定位方法，所述定位方法使用描述路径损耗随距离衰减的已知数学模型。因为信号强度的测量提供了 MS和 BS之间的位置估计， MS将落在以 BS为圆心的圆上。通过使用多个 BS，可以确定 MS的位置。

针对基于信号强度的定位系统，主要的误差来源是多路衰减和遮蔽。信号强度在半波长量级的距离上的变化可能高达 30-40dB。信号强度可以由接收信号强度指标（RSSI : Receive Signal Strength Indicator) 来表示。并且 MS可以从下行链路脉冲串的帧前导中获得 RSSI测量。根据一系列 RSSI测量, MS将得出并且更新 RSSI 的平均数和标准偏差的估计，并且经由 REP- RSP消息报告。但是因为 RSSI是量化的值，仍然引入了许多误差。总之，在基于蜂窝的移动网络中，几乎见不到信号强度定位的应用情况。

已知方法 3: AoA (Angle of Arrival)

AoA技术通过使用天线阵列，首先在几个 BS处测量来自 MS的信号到达角度来估计 MS的位置。但是在缺少 LoS信号分量时，天线阵列将锁定到可能不是来自 MS 方向的反射信号。即使存在 LoS分量，多路径将仍然干扰角度测量。阵列天线技术的应用，要求基站上有 8根天线，工程上增加了难度。由于阵列天线技术不适应 NLoS, 移动 WiMAX通常不采用阵列天线技术。

已知方法 4: 基于时间先后到达的方法 ToA (Time of Arrival ) 和 TDoA (Time Difference of Arrival)

基于时间先后到达的方法是基于多个 BS接收到的 MS发送信号的 ToA或 TDoA, 或者 MS接收到的多个 BS信号的 TDoA或 ToA。在 ToA方法中，通过找到 MS和 BS之间的单向传播时间来测量 MS和 BS之间的距离。几何学上这提供了以 BS为圆心的圆， MS必须落在所述圆上，即所述圆的半径为 MS与 BS之间的距离。通过使用至少三个 BS来解决非单值性， MS的位置由所述圆的交叉点给出。图 1示出了 ToA定位方法。如图 1所示， MS与 BS1、 BS2和 BS3之间的距离分别为 Rl、 R2和 R3。按照上述定义， MS必须落在分别以 BS1、 BS2、和 BS3为圆心、以 Rl、 R2和 R3为半径的圆上，因此所述三个圆的交点就是 MS的位置。

在 TDoA方法中使用到达时间的差。因为双曲线是两个基站 BS的恒定时间差的曲线，所述时间差定义了焦点位于 BS处的双曲线，其中 MS必须落在所述双曲线上。因此， MS的位置位于双曲线的交点上。图 2示出了 TDoA定位方法。如图 2所示，实线双曲线是以 BS1和 BS3为焦点的、恒定差为 MS与 BS1和 BS3的距离差 (R1-R3 ) 的双曲线，虚线双曲线是以 BS1和 BS2为焦点的、恒定差为 MS与 BS1和 BS2的距离差 (R1-R2)的双曲线。按照上述定义， MS 必须落在实线双曲线和虚线双曲线的交点处。

应该注意的是， LoS传播条件仍然是必要的，以实现针对基于时间方法的较高精确性。然而，与诸如 AoA和信号强度之类的其他方法相比，其对于 ToA和 TDoA不是那么敏感。而且，存在如何根据 L0S知道 NL0S的许多论文和建议，例如 M. P. Wylie 和 J. Holtzman在 1990年 IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst. Voll6， 748-753 页的 "The None-Line - of- Sight Problems in Mobile Location Estimation"中的的估计。因此，在本发明的其余部分将建议如何将 TDoA应用于 WiMAX系统。发明内容

本发明提出了一种用于 WiMAX 定位的下行帧前导快速检测 FPFD ( DPFD: Downlink Preamble Fast Detection) 定位方法，包括：移动用户站 MSS检测来自基站 BS的下行帧前导，这些下行帧前导均由时分双工 TDD模式的移动 WiMAX进行同步；通过基于帧前导的同步检测来得到不同 BS的帧前导的到达时间差 TDoA; 以及通过经典的 TDoA算法来计算确切的位置。

优选地，如果在所述帧前导快速检测步骤中检测到少于三个帧前导，进行上行链路测距辅助检测（简称 URAD), 以提供辅助数据来进行定位。，其中使用 MAC管理消息测量信令进行测距。在所述 URAD方法中， MSS进行与服务 /目标 BS的测距以得到用于 TDoA计算的附加延迟测量。针对一个往返延时（简称 RTD) 存在两个可能解的情况，对于蜂房小区（cell) /扇区，使用 cell- ID或扇区 ID信息来选择一个正确的解。针对一个 RTD存在两个解的情况，如果两个解位于相同的小区 /扇区，选择这两个解的中点作为估计的位置。

优选地，在获取下行链路同步参数和上行链路传输参数之后， MSS在从可用的测距区域随机选定的测距段中传输随机选定的测距码字。

优选地，在 BS接收到测距码字之后， BS发送具有时间校正的 RNG- RSP消息，同时得到延迟测量。

优选地，当发生初始测距或周期性测距时通过 BS获得单程或往返延迟， BS将这种延迟即最后更新的值存储在其存储器中，并且将所述延迟和在 MSS中检测到的两个帧前导时间差一起发送到位置计算服务器。

优选地，用由 M0B—NBR- ADV携带的邻居信息辅助，缩小可能的目标 BS搜索范围，以减少相邻 BS的帧前导检测时间。

优选地，使用具有专用伪噪声 PN码字的升压 BPSK (boosted BPSK) 调制对设计用于 IEEE 802. 16e中的 OFDMA PHY的帧前导进行调制。

优选地，将基于移动窗口的帧前导检测用于 TDoA检测。所述 TDoA检测包括以下步骤：移动一个样本切片（chip) ; FFT变换；以及通过本地候选帧前导系列与邻居 BS帧前导进行相关。

优选地，如果检测到许多非视距 (NLoS)帧前导和两个视距 (LoS)帧前导，使用 Wylie识别方法来识别哪一个信号是 NLoS; 以及通过 URAD- TDoA方法，使用两个 LoS 信号和上行链路测距信息来计算位置。

优选地，如果只检测到一个 LoS帧前导，或根据 NLoS信号只重建了一个 LoS，使用上行链路测距辅助小区或扇区 ID方法。

优选地，针对只检测到一个 L0S帧前导的那些情况，使用测距信息以获得直径为 RTD的圆；以及然后将 cell ID和扇区 ID用于辅助定位。其中，将扇区中弧形的中点用作估计的定位。

优选地，将一些消息添加到 CSN—侧，用于定位服务初始请求和结果报告，以完成定位服务程序的整个过程。其中，所述消息是 L0C„REQ、 L0C_RSP、 L0CJ5NQ消息。

本发明的还提出了一种移动 WiMAX定位设备，包括以下部分：物理 PHY层模块单元，执行 MSS中的时间差检测； MAC层模块单元，执行确定的信令，并且根据来自应用层的定位请求提供用于信道测量的条件；以及应用层模块单元，基于测量进行定位或可选择的速度计算。

优选地，所述 MSS将通过 MOB— SCN-RSP消息向当前服务 /目标的基站报告时间差。

优选地，所述信道测量的条件是空闲时间（idle period)。

优选地，将定位算法嵌入到 CSN中的位置计算服务器中。

优选地，将定位算法嵌入到 MSS的位置相关应用程序中。

优选地，假设利用定位算法的位置计算服务器是针对移动 WiMAX中的基于全部定位业务的强制性部分。有益效果

本发明实施例描述了一种新颖的方式，使用上行链路测距过程辅助的下行帧前导检测来测量移动用户设备的位置。迄今为止在移动 WiMAX (全球微波接入兼容组织： orldwide Interoperability for Microwave Access) 0FDMA ( orthogonal frequency division multiple access), 本发明在该领域可能是第一个，随着移动 WiMAX正式被 ITU接收为 3G标准和大规模普及，基于 WiMAX的定位将会是有市场潜力的业务。附图说明

图 1示出了 ToA定位方法；

图 2示出了 TDoA定位方法；

图 3示出了移动 WiMAX TDD帧结构的示例；

图 4示出了移动 WiMAX网络的体系结构；

图 5示出了本发明解决方案中的功能性单元；

图 6示出了针对频域的段 0的帧前导结构；

图 Ί示出了针对 2048 FFT规模的时域结构；

图 8a和图 8b分别示出了针对 2048 FFT规模和 128FFT规模的时域中帧前导的绝对幅度值；

图 9a是针对 2048F T规模的自相关输出，而图 9b是针对 128FFT规模的自相关输出；图 10a、图 10b示出了针对不同 FFT规模的互相关输出值；图 11示出了使用移动窗口检测的互相关；

图 12示出了所建议的移动 WiMAX定位解决方案；

图 13示出了使用服务 BS TDoA信息的 URAD- TDoA定位方法；

图 14示出了测距程序；

图 15示出了 URA- cell- ID方法；

图 16示出了网络发起的用户辅助定位；

图 17示出了用户发起的用户辅助定位；

图 18示出了网络发起的网络辅助定位；

图 19示出了用户发起的网络辅助定位；

图 20示出了使用 Fang的算法的 DPFD和 LoS环境中的 URAD- TDoA的性能比较；以及

图 21示出了不同定位方法的比较示例。

具体实施方式

现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明将参考附图描述下述实施例。 '

1 )移动 WiMAX帧结构

移动 WiMAX系统可以支持时分双工（TDD: Time-division duplexing)和频分双工（FDD: Frequency- division duplexing〉。本发明的建议主要集中于 TDD模式，所述 TDD模式的物理层是基于至少具有快速 BS切换（FBSS)传递能力的正交频分多址接入（0FDMA) 技术。这种系统的一个示例是 WiBro, 当前与 802. 16e标准兼容，并且已经在 2006年被两个韩国运营商商用。图 3示出了使用 0FDMA的移动 WiMAX TDD 帧结构的示例。

如图 3所示，所述帧结构包括以下部分：第一正交频分复用（0FDM)标记中的帧前导、具有用于 DL PUSC区（zone)的资源分配的固定规模的 FCH、用于 DL和 UL 数据脉冲串的资源分配的 DL— MAP和 UL一 MAP消息、用于数据或控制消息的上行或下行数据脉冲串、用于测距的 UL控制信道、 UL确认（ACK)、以及 CQI反馈。本发明将帧前导和上行测距用于所建议的 URAD-TDoA方案中。注意，根据 Hyoungsoo Lim 200 年 6月在 TTAS. K0-06. 0064Ra中发布的" Standardization and Specifications of WiBro PHY" ,针对 WiBro将上行链路中的第一组三个 0FDMA标记保留用于进行测距。但是所建议的上行链路 CDMA测距码字检测方法对于如图 3所示的移动 WiMAX帧格式和 WiBro的帧格式均是有效的。

移动 WiMAX在小区的频率复用基本釆用频分，使得多个基站接收一个 MS的信号不可能实现。在移动 WiMAX中采用 TDoA必须通过移动台来测量多个基站的信号的 TDoA。而多信号源 TDoA的定位的前提是信号源的同步。由于采用了 0FDMA和 TDD, IEEE802. 16e通常通过 GPS接收机来保持基站间的同步，精度一般在 ns级别。与 WCDMA的基站的异步不同，由于移动 WiMAX基站间的高精度同步，使基于帧前导的定位成为可能。移动 WiMAX将使用更宽的频宽（lOMhz, 20Mhz) , 使其拥有更小的时间分辨力，能更精确的定位。

2) 移动 WiMAX定位体系结构

图 4示出了移动 WiMAX网络的体系结构。本发明规定了通过空中接口的用户终端定位程序。这些操作使用在 IEEE 802. 16e-2005标准中定义的 MAC管理消息。可以将定位业务看作是一种 IMS ( IP Multimedia Subsystem: IP多媒体子系统）业务。这里假设位置计算服务器是用于 WiMAX CSN (Connectivity Service Network: 连通性服务网络）内的定位业务的一个部件。

如图 4所示，所述移动 WiMAX网络体系结构包括用户终端、接入服务网络和连通性服务网络组成。所述用户终端包括移动 WiMAX终端、便携 WiMAX终端、固定 WiMAX 终端等。所述接入服务网络包括移动 WiMAX基站和接入服务网络网关（ASN-GW)。移动 WiMAX基站和 ASN-GW通过网络互操作性接口来相互作用。所述连通性服务网络是一种基于服务提供商 IP的核心网络，例如包括 AAA服务器、移动 IP家乡代理 (MIP HA)、计费支持系统、内容服务、 IMS服务以及操作支持系统等。所述用户终端通过诸如空中接口之类的网络互操作性接口与接入服^"网络中的移动 WiMAX基站相互作用；以及所述连通性服务网络通过诸如漫游网络之类的网络互操作性接口与接入服务网络中的 ASN-GW相互作用。

在本发明中，将基午 DPFD的 URAD-TDoA方案建议用于移动 WiMAX定位。并且当只检测到两个 BS 时，引入 URA方法以提供用于 TDoA 的辅助数据。此外，由 0B_NBR-ADV携带的邻居信息可用于减小用于邻居 BS帧前导的检测时间。

如图 5所示，本发明的定位解决方案包括三个功能单元：时间差检测单元 510、信道测量条件提供单元 520和定位单元 530时间差检测单元 510是该结构的关键部分，位于物理 PHY层中，用于执行 MSS中的时间差检测。所述时间差检测单元 510 根据规定的程序进行下行链路和上行链路信道测量。对于只检测到包括服务 BS的两个 BS的情况下，上行链路测距是必要的。信道测量条件提供单元 520位于 MAC层中，用于执行确定的信令，并且根据来自定位单元的定位请求提供用于信道测量的条件 (例如空闲时间）。位于 MAC层中的信道测量提供单元 520根据来自更高层的定位请求来执行确定的信令过程以为信道测量进行准备。例如， MSS 将通过 MOB— SCN- RSP 向位于 CSN中的定位服务器报告服务 BS和候选 BS之间的时间差。定位单元 530位于应用层中，是基于测量进行定位或可选择的速度计算的模块。所述定位单元 530 包括位置相关应用程序和位置计算服务器，选择适当的算法并且进行计算，然后将结构发送给要求该信息的部分。例如，时间差检测单元 510将测量结果发送到远程定位服务器（位于 MAC层中）以计算移动用户设备的位置。在大多数情况下，将定位算法嵌入到 CSN中的位置计算服务器中。在其他情况下，将定位算法嵌入到 MSS 的位置相关应用程序中。应用层中（包括 MSS之内的位置相关应用程序或 CSN之内的应用程序，以及位置计算服务器）部件之中的通信可以遵循移动定位协议（MPP: Mobile Positioning Protocol ), 这是在本发明的范围之外。在本发明中，总是假设利用定位算法的位置计算服务器是针对移动 WiMAX中的基于全部定位业务的强制性部分。可以将本发明的用于移动 WiMAX定位的 URAD- TDoA方法分为四个步骤：（1 ) 下行链路帧前导快速检测 DPFD; (2) 如果 DPFD中检测到少于三个的帧前导，进行 URA检测；（3) 使用 MAC管理消息测量信令；（4) 位置计算。

3) 移动 WiMAX下行链路帧前导快速检测（DPFD)

下面将详细描述移动 WiMAX中的下行链路帧前导快速检测 DPFD。首先， MSS检测来自 BS的下行链路帧前导， BS发出的全部帧前导通过 TDD模式的移动 WiMAX中的 GPS进行同步。然后，通过基于帧前导的同步检测来得到不同 BS帧前导的 TDoA。最后，通过经典的 TDoA算法计算确切的位置 (例如 B. T. Fangl990年 9月 IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst.的 " Simple solutions for hyperbolic and related position fixes" 的算法和 Y. T. Chan和 K. C. Ho在 1994年 IEEE Transactions on Signal processing 的 " A simple and efficient Estimator for Hyperbolic Location" 的算法，在下文中称为 Fang算法和 Chan算法）。使用具有专用伪噪声（PN)码字的升压 BPSK调制对设计用于 IEEE 802. 16e中的 OFDMA PHY的帧前导进行调制。每一个段使用第三个副载波作为用于帧前导的载波组。因此，段 0/1/2使用帧前导载波组 0/1/2。图 6示出了用于频域的段 0的帧前导结构。

因此，时域的帧前导结构是共轭对称结构。针对 2048 FFT规模的时域结构在图 7中进行了示例。

针对 2048 FFT规模和 128FFT规模的时域中帧前导的绝对幅度值分别如图 8 (a) 和图 8 (b)所示。

本发明所使用的帧同步算法是基于时域中的重复图案之间的相关参数。所述帧同步算法包括粗略的定时估计和精细的定时估计。

粗略的估计步骤是基于帧前导标记内的重复部分之间的自相关。可以将帧起始点 ii

coarse的粗略估计定义为： fi_coarse ( i )

其中是已釆样的接收信号。 N_d = L是重复长度，等于相干窗口长度。自相关输出值如图 9所示，其中我们可以看出在标记时间内的隐含地三倍重复特征。图 9 (a) 是针对 2048FFT规模的自相关输出，而图 9 (b) 是针对 128FFT规模的自相关输出。

在精细估计步骤中，可以将帧起始点^^的估计定义为：

L-1

iifine = argmax(∑r_n+kc _+k)

n (2) 其中是本地帧前导的 IFFT。图 10a、图 10b示出了针对不同 FFT规模的互相关输出值。

由于定位业务的发起一般是在移动台与网络连接后，这时移动台能从当前服务基站广播的 MOB一 NBR-ADV消息中获得邻居小区的帧前导信息，可以只和邻居小区的帧前导进行相关，快速而且节能的定位。

可以将基于移动窗口的帧前导检测用于 TDoA检测。图 11示出了使用移动窗口检测的互相关。参考图 11，所述互相关具有以下步骤：

在时域中移动一个样本切片；

FFT变换；

通过本地候选帧前导系列与邻居 BS帧前导进行相关。例如，如果存在 4个帧前导，那么 MSS已经与第一个帧前导进行同步。通过以上三个步骤的帧前导相关检测， MSS可以告知第二帧前导和第三帧前导（与第一帧前导）的时间偏移。

针对专用于 IEEE 802. 16e中的硬切换的 MSS, MSS物理层对于检测帧前导的 TDoA 没有作用，因为在标准中没有要求。然而， MSS物理层对于检测帧前导并且实现同步有作用。所以应该向 MSS引入增强作用。针对专用于 FBSS和软切换（SH0) 的 MSS, 标准具有明确的要求，使得可以得到 TDoA测量。

在一些情况下，全部三个帧前导是 LoS信号。因为 Fang的算法只需要三个帧前导，所以 Fang的算法可以操作。此外， Chan的算法可以利用更多测量以提高精确性。但是 MSS也可以接收非视距（NLoS )信号。因此，本发明提出了如图 12所示的移动 WiMAX 定位方法：

接收 n个帧前导。

进行 Wylie识别以检测 m个 LoS帧前导和（n- m) 个 NloS帧前导（n>m)。

如果检测到许多 NLoS帧前导和不少于三个的 LoS帧前导，使用 Wylie识别方法来识别哪一个信号是 NLoS (参见 M. P. Wylie和 J. Holtzman, 1996年 Winlab技术报告" The None-Line-of-Sight Problems in Mobile Location Estimation" 第 121页，下文中称作参考文献 3 )，然后通过 Fang的算法使用三个其他的 LoS信号来计算位置。或者通过本发明所建议的 URAD- TDoA方法，使用两个 LoS信号和上行链路测距信息来计算位置。

如果检测到许多 NLoS帧前导和两个 LoS帧前导，应该使用 Wylie识别方法来识别哪一个信号是 NLoS [参考文献 3]。然后，通过所建议的 URAD- TDoA方法，使用两个 LoS 信号和上行链路测距信息来计算位置。

如果检测到许多 NLoS帧前导和一个 LoS帧前导，应该使用 Wylie识别方法来识别哪一个信号是 LoS (参见参考文献 3)。然后判断（n- m) 是否大于 0。如果（n- m) 小于等于 0，进行 URA检测与 cell- ID相结合的方法；否则本发明使用 Wylie方法（参见参考文献 3 ) 来根据 NLoS信号重建（n-m) 个 LoS信号。那么可以使用两个或三个 LoS 信号、使用 Fang的算法或 URAD-TDoA方法进行位置计算。

如果检测到许多 NLoS帧前导并且没有检测到 LoS, 那么本发明应该使用 Wylie识别方法来识别全部 NLoS (参见参考文献 3)。然后，本发明应该使用 Wylie方法（参见参考文献 3)来根据 NLoS信号重建 LoS信号。那么 LoS信号可用于参考以上算法的位置计算。

如果只检测到一个 LoS帧前导，或根据 NLoS信号只重建了一个 LoS帧前导，在本发明创新中建议了上行链路测距辅助小区 /扇区 ID方法。

4) 针对两个帧前导的移动 WiMAX URAD-TDoA方法

在多小区组网时，在本小区信号很强时，邻居小区的帧前导，可能被湮没。因而出现 "盲听"现象，检测出的帧前导减少，导致可以定位的区域减少。

本发明提出一种仅依靠两个导频就可以定位的方法，扩展了可定位的区域。但是该方法也适用于三个帧前导的情况。

在 UMD方法中， MSS应该进行与服务 /目标 BS的测距以得到用于 TDoA计算的附加延迟测量。因此， MSS 的位置在双曲线与圆的交点处。在正常情况下，如果只给出一个 RTD，将存在两个可能的解。针对小区结构或扇区结构，本发明可以使用 cell-ID或扇区 ID信息来选择一个正确的解。然而，在一些情况下（较低可能性发生），这两个解可能是相同的小区或扇区。因此难以确定放弃哪一个解。在本发明中，如果发生这种较低的可能性事件，则选择这两个解的中点 { (xl+x2) /2， (yl+y2)/2} 作为估计的位置，其中（xl， yl ) 和（x2， y2) 分别是这两个可能的解的坐标。

图 13示出了使用服务 BS TDoA信息的 URAD- TDoA定位方法。首先， MSS位于以服务基站 BS2为圆心、以 MSS和 BS2的距离为半径的圆上；同时 MS还应该位于分别以 BS1和 BS2为焦点、以 MSS与 BS1和 BS2的恒定距离差为焦距的双曲线上。因此 MSS 应该位于如图 3 右侧所示的圆和双曲线的交点上。这两个交点可以通过 cell- ID或扇区 ID的帮助来选择正确的解。否则，选择这两个解的坐标的平均值作为根据本发明方法得到的 MSS的位置。

测距程序如图 14所示。在获取下行链路同步参数和上行链路传输参数之后， SS在从可用的测距区域随机选定的测距段中传输随机选定的测距码字。在 BS接收到测距码字之后， BS将发送具有时间校正的 RNG-RSP。同时，将得到延迟测量。

在 BS处针对 MS的测距码字的传输时间 T_tr如下定义：

T _tr ⁼ T - T _de〗_ay (3) 其中 T_ftll是在 BS处从 DL帧起点到 UL帧起点的时间间隔。 T_fclay是所考虑的测距码字的 UL传播延迟 BS。针对 MS的测距码字的到达时间^是：

^T _re ^{= T}tr ^{+ T}dd_ay ( 4 ) 其中 T_delay是测距码字的真实 UL传播延迟。

可以得到 BS处的时间差 T_diff ：

Tdiff ⁼τ_¾η - T_re

= (^Ttr + ^Tdelay )— (^Ttr + ^Tdelay ) ( 5 )

= T d'elay— T delay 根据 T_diff， BS可以针对 MS 的测距码字来调节 T_fr。最后，测距码字将到达 BS 处的 UL帧起点。并且估计的 UL传播延迟 T<;_elay将等于真实的延迟 T_dday。

假设 1 是83处的上行链路 OFDM符号， T_d是 BS处的下行链路 OFDM符号，那么用于上行链路测距的单程延迟是：

Tdelay = T_u— T_d— Tjj.— T_diff ( 6 ) 更精确的延迟测量可以在完成测距过程之后（T_diff = 0 ) 来实现。那时，用于上行链路测距的单程延时是：

Τ ϋ -ΐ (7) 根据以上分析，我们可以看出当发生初始测距或周期性测距时可以通过 BS获得单程 /往返延迟。因此， BS可以将这种延迟（最后更新的值）存储在其存储器中，并且将所述延迟和当在 MSS中检测到两个帧前导时的一个时间偏差一起发送到位置计算服务器。 5) 针对只检测到一个单独帧前导的移动 WiMAX上行测距（URA) 与 cell- ID联合的方法

针对只检测到一个 L0S帧前导的那些情况，我们使用测距信息以获得以 BS为圆心、直径为 RTD的圆，其中 RTD是 BS和 MSS之间的距离。然后，可以将 cell-ID和扇区 ID用于辅助定位。将扇区中弧形的中点用作估计的位置，参见图 15作为参考。

6) 用于 URAD- TDoA的移动 WiMAX消息流程图

在本发明所建议的 URAD- TDoA中利用了诸如 M0B一 NBR一 ADV、 M0B_SCN_REQ、 MOB一 SCN- RSP和 M0B_SCN-REP之类的 MAC管理消息。因为在该解决方案中用于传递测量结果的全部 MAC消息在 IEEE 802. 16e标准中进行了定义，所以可以只按照他们应该被使用的方式来使用他们。

本发明还建议了一些消息，所述消息被添加到 CSN—侧，用于定位服务初始请求和结果报告，以完成定位服务程序的整个过程，例如 L0C_REQ、 LOC— RSP、 L0C一 ENQ。

存在许多可以在无限位置定位系统中考虑的定位技术。这些技术可以广泛地分类为两个种类：（1 ) 网络中的位置计算；（2) 用户终端中的位置计算。本发明所建议的 URAD- TDoA也具有两个种类。

6. 1) 网络中的位置计算

这种类型的定位技术在现有移动台中没有修改。

6. 1. 1 ) 网络发起的用户辅助定位

网络发起定位信令流程图如图 16所示。 CSN中的位置相关应用包括位置相关应用程序通过向位置计算服务器传输 L0C_REQ消息来进行定位。 LOC— REQ消息包含 SSID (定位目标 MSS ID；)。位置计算服务器执行定位请求，并且将所述请求转发给服务 BS。服务 BS在接收到请求之后，将向用户终端发送 MOB一 NBR- ADV以告知 MSS邻居的个数和他们的 BS ID。然后服务 BS将向用户终端发送 M0B_SCN- RSP以表示用于扫描的起始和结束帧。服务 BS也应该处理用于 MSS扫描的邻居的扫描间隔。

当在 DCD消息中触发动作是 0x5或 0x6时， MSS可以积极地进行确定的测量，并且经由 MOB一 SCN-REP将结果发送到服务 BS。.这里， MSS也可以利用由其服务 BS发送的 MOB— NBR- ADV的消息中邻居的个数和邻居的 BS ID以减少扫描范围，以缩短扫描间隔。

M0B一 SCN- REP的消息格式如 2005年 IEEE 802. 16e中的 TGe " Part 16: air interface to fixed and mobile broadband wireless access systems, Amendment 2" 的表 109j所示。是否报告邻居 BS和服务 BS之间的测量延迟将在 Report Metric的字段中（比特 2) 表示。 M0B—SCN-REP也包括往返延迟（RTD)信息，该信息在 Report Metric的字段（比特 3) 中表示。然而， IEEE802. 16e没有提供用于获得 MSS中的这些值的可行解决方案。在该创新中，本发明已经示出了物理层中用于相对延迟和 RTT 的可能解决方案。

服务 BS将使用 L0C_RSP消息来向位置计算服务器转发位置测量信息和 RTD。 L0C_RSP消息包含 (SSID、 BSID、 Delays, RTD), 其中 BSID是邻居 BS ID和服务 BS ID, 并且延迟是 TDoA测量。位置计算服务器选择适当的算法，并且计算用户的位置，通过 LOC-RSP发送给位置相关应用程序，从而完成了网络发起的用户辅助定位。

6. 1. 2) 用户发起的用户辅助定位

用户发起的定位信令流程图如图 17所示。用户终端的应用程序向自身具有 SSID 的位置管理服务器发送 LOC- REQ消息，以请求进行测量。位置计算服务器将通过 L0C_REQ ( SSID ) 消息询问服务 BS用于触发定位测量。服务 BS向用户终端发送 M0B_NBR- ADV和 MOB SCN- RSP，进行无线电信道测量，并且在一定的扫描间隔之后，接收到位置测量信息 MOB一 SCN- REP。随后，服务 BS将向用于计算位置的位置计算服务器转发 LOCLRSP (SSID, BSID, delays, RTD) 消息中的参数。位置计算服务器选择适当的算法来计算用户的位置，并且使用 LOC—REP (SSID, x, y)消息将计算结果发送回用户终端，所述 L0C一 REP消息包含 SSID和位置（x， y), 又能够通知用户位置。

6. 2)用户终端中的位置计算

这种类型的定位技术要求在现有手机上运行的软件应用程序，所述软件应用程序对计算位置并且显示背景映射中的位置负责。

也可以通过嵌入到用户终端设备中的一些应用程序来计算所述位置。并且可能需要一些辅助信息，例如邻居 BS的位置等等。网络和终端初始网络辅助定位信令流程图分别如图 18和图 19所示。

图 18示出了网络发起的网络辅助定位信令流程图。位置相关应用程序通过 L0C_REQ (SSID)向位置计算服务器发起位置测量请求。位置计算服务器将来自网络一侧的测量请求转发给服务基站 BS。服务基站 BS向用户终端发送 MOB— NBR- ADV和 MOB一 SCN- RSP消息。用户终端进行无线电信道测量，经过一定的扫描间隔，选择适当的算法计算用户的位置。经过位置计算间隔之后，用户终端通过 L0C_REP (SSID, x， y) 向位置相关应用程序发送用户的位置。

图 19示出了用户终端发起的网络辅助定位信令流程图。用户终端通过向服务基站 BS发送 M0B_SCN- REQ消息请求测量。服务基站 BS向用户发送 MOB JffiR- ADV和 M0B_SCN-RSPo用户终端经过一定的扫描间隔进行无线电信道测量，并且经过一定的位置计算间隔发送测量结果，并且选择适当的算法计算用户的位置。性能比较

使用 Fang的算法的 DPFD和 LoS环境中的 URAD- TDoA的性能比较如图 20所示。对于 LoS，假设是 AWGN信道。我们示出了 URAD- TDoA几乎具有与 DPFD- Fang相同的性能。但是 DPFD- Fang不能用于只检测到两个帧前导的情况。

图 21示出了不同定位方法的性能比较。我们假设多路径环境。对于 LoS方法，可以直接检测或者再构 LoS。对于 NLoS方法，我们假设定位算法可以直接使用 NLoS信号。

针对 NLoS , 假设了 COST 259 (典型的市区）信道模型。归一化多普勒频率：

50Hz/10MHz = 5*1(T。 NLoS误差遵循指数分布，其平均值是 300米。

通常我们可以看出，针对 LoS， DPFD-Fang的算法可以提供用于定位的较好估计。所建议的 URAD- TDoA确实提供了针对两个帧前导检测的可行解决方案。但是尤其针对 NLoS情况下， NLoS误差将极大地影响精确度。因此，重构真实的 LoS信号是非常重要的。结论

2005年 IEEE 802. 16e中的 TGe "Part 16 : airinterface to fixed and mobile broadband wireless access systems, Amendment 2"没有提供一禾中用于移动 WiMAX 定位的新颖的 URAD- TDoA方法。尤其当检测到不少于三个的帧前导时，该方案是基于帧前导快速检测（DPFD)。当只检测到两个 BS帧前导时，引入上行链路测距辅助（URA) 方法以向 TDoA提供辅助数据。本发明还表明了 AWGN信道中针对 LoS应用的 URAD-TDoA 的精确度几乎与 DPFD- Fang的相同。尽管针对 NLoS环境，如果检测到多于两个帧前导 URAD-TDoA也可以工作，精度与使用三个帧前导的 DPFD- Fang算法相当。

尽管 IEEE 802. 16e已经定义了称作 M0B_SCN- REP的 MAC消息，以携带相对时间延迟和往返延迟。它没有示出如何获得物理层中的这些值。该发明还提出了一种用于同时检测两个参数的解决方案，尤其用于 WiMAX定位算法。

本发明还建议使用由 M0B_NBR- ADV携带的信息以减小邻居 BS的帧前导检测时间。通过这种研究，所建议的 URAD-TDoA方案可以有效地完成定位应用，并且提供用于 WiMAX定位的可行解决方案。商用价值

定位可以使移动装置或者收集与其位置有关的信息或者提供精确的具体位置。该技术提出了许多新颖的概念和服务，包括位置敏感计费（location sensitive billing), 快速跟踪、包装和个人跟踪、移动黄页、基于位置的报文发送、路线指导、以及提供交通信息。目前已经将定位应用于 GSM和 3G网络，并且可能是下一代无线系统的最有希望的重要应用之一。

该发明完全是基于 IEEE802. 16e标准的，并且可以很容易地应用于现有的移动 WiMAX设备。

尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims

权利要求

1. 一种用于 WiMAX定位的下行帧前导快速检测 FPFD 定位方法，包括：移动用户站 MSS检测来自基站 BS的下行帧前导，这些下行帧前导均由时分双工 TDD模式的移动 WiMAX迸行同步；

通过基于帧前导的同步检测来得到不同 BS的帧前导的到达时间差 TDoA; 以及通过经典的 TDoA算法来计算确切的位置。
2. 根据权利要求 1所述的方法，其中如果在所述帧前导快速检测步骤中检测到少于三个帧前导，进行上行链路测距辅助检测（简称 URAD), 以提供辅助数据来进行定位。
3. 根据权利要求 2所述的方法，其中使用 MAC管理消息测量信令进行测距。
4. 根据权利要求 2所述的方法，其特征在于：在所述 URAD方法中， MSS进行与服务 /目标 BS的测距以得到用于 TDoA计算的附加延迟测量。
5.根据权利要求 4所述的方法，其特征在于：针对一个往返延时（简称 RTD) 存在两个可能解的情况，对于蜂房小区（cell ) /扇区，使用 cell- ID或扇区 ID信息来选择一个正确的解。
6. 根据权利要求 4所述的方法，其特征在于：针对一个 RTD存在两个解的情况，如果两个解位于相同的小区 /扇区，选择这两个解的中点作为估计的位置。
7. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：在获取下行链路同步参数和上行链路传输参数之后， MSS 在从可用的测距区域随机选定的测距段中传输随机选定的测距码字。
8. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：在 BS接收到测距码字之后， BS 发送具有时间校正的 RNG- RSP消息，同时得到延迟测量。
9. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：当发生初始测距或周期性测距时通过 BS获得单程或往返延迟， BS将这种延迟即最后更新的值存储在其存储器中，并且将所述延迟和在 MSS 中检测到的两个帧前导时间差一起发送到位置计算服务器。
10. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：用由 MOB一 NBR-ADV携带的邻居信息辅助，縮小可能的目标 BS搜索范围，以减少相邻 BS的帧前导检测时间。
11.根据权利要求 1所述的方法,其中使用具有专用伪噪声 PN码字的升压 BPSK (boosted BPSK)调制对设计用于 IEEE 802. 16e中的 OFDMA PHY的帧前导进行调制。
12. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：将基于移动窗口的帧前导检测用于 TDoA检测。
13. 根据权利要求 12所述的方法，其特征在于所述 TDoA检测包括以下步骤：移动一个样本切片 (chip) ;

FFT变换；以及

通过本地候选帧前导系列与邻居 BS帧前导进行相关。
14. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：

如果检测到许多非视距 (NLoS)帧前导和两个视距 (LoS)帧前导，使用 Wylie识别方法来识别哪一个信号是 NLoS; 以及

通过 URAD- TDoA方法，使用两个 LoS信号和上行链路测距信息来计算位置。
15.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于：如果只检测到一个 LoS帧前导，或根据 NLoS信号只重建了一个 LoS, 使用上行链路测距辅助小区或扇区 ID方法。
16. 根据权利要求 1所述的方法，其特征在于-

- 针对只检测到一个 L0S帧前导的那些情况，使用测距信息以获得直径为 RTD的圆；以及

然后将 cell- ID和扇区 ID用于辅助定位。
17. 根据权利要求 16所述的方法，其特征在于：将扇区中弧形的中点用作估计的定位。
18. 根据权利要求 2所述的方法，其特征在于：将一些消息添加到 CSN—侧，用于定位服务初始请求和结果报告，以完成定位服务程序的整个过程。
19. 根据权利要求 18所述的方法，其特征在于：所述消息是 L0Q_REQ、 L0C_RSP、 L0C一 ENQ消息。
20. 一种移动 WiMAX定位设备，包括以下部分：

物理 PHY层模块单元，执行 MSS中的时间差检测；

MAC层模块单元，执行确定的信令，并且根据来自应用层的定位请求提供用于信道测量的条件；以及

应用层模块单元，基于测量进行定位或可选择的速度计算。
21.根据权利要求 20所述的设备，其特征在于：所述 MSS将通过 M0B_SCN- RSP 消息向当前服务 /目标的基站拫告时间差。
22. 根据权利要求 20所述的设备，其特征在于：所述信道测量的条件是空闲时间 (idle period)。
23. 根据权利要求 20所述的设备，其特征在于：将定位算法嵌入到 CSN中的位置计算服务器中。
24. 根据权利要求 20所述的设备，其特征在于：将定位算法嵌入到 MSS的位置相关应用程序中。
25. 根据权利要求 20所述的设备，其特征在于：假设利用定位算法的位置计算服务器是针对移动 WiMAX中的基于全部定位业务的强制性部分。