CN102238474A - 使用中国移动多媒体广播信号确定位置、时间和频率 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用中国移动多媒体广播信号确定位置、时间和频率。一种基于CMMB广播信号的无线定位系统，其用于对配备有定位器接收器的无线的、游牧的和固定的设备进行精确定位。由于其极好的自相关特性，CMMB同步序列本身还提供了一种测量伪距的手段。CMMB的定位、定时和频率的确定还可以与其他信号，比如来自北斗、GPS、Glonass、Galileo、DMB、DVB、ATSC等等的信号混杂化。

Description

使用中国移动多媒体广播信号确定位置、时间和频率

交叉引用

本申请要求于2010年5月4日所提交的第61/331,017号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明一般涉及用于定位无线设备，也被称为移动站(MS)的方法和装置，所述无线设备比如用于模拟或数字的蜂窝式系统、个人通信系统(PCS)、增强型专用移动无线电(ESMR)、和其他类型的无线通信系统的那些无线设备。更加特别地，但非排他地，本发明涉及使用中国移动多媒体广播(CMMB)站的下行无线电信号确定移动设备位置的方法。

发明背景

从最初于1998年在商业上进行部署起，无线定位系统已被广泛地部署，用于支持包括了紧急服务定位的基于位置的服务。

中国移动多媒体广播(CMMB)标准是一种建议在中华人民共和国使用的数字广播标准。CMMB在文件GY/T 220.1-2006中有很好的描述。工业标准GY/T220.1-2006为“Mobile Multimedia Broadcasting Part 1：broadcast channel frame structure，channel coding and modulation”，而工业标准GY/T220.2-2006为“Mobile Multimedia Broadcasting Part 2：Multiplexing”。

CMMB是基于具有2MHz或8MHz带宽的OFDM物理层，并且旨在用于使用了卫星和陆地两种发射器的单频率网络和多频率网络中。

CMMB信号按照时间被分割成1秒的帧。每个1秒的帧复用到40个25毫秒的时隙中。每个时隙包括其后有53个OFDM符号的“信标”传输。信标由同步信号的两个重复和发射器识别(TxID)部分组成。同步信号的每个重复持续204.8微秒。在之前时隙中最后的OFDM符号与TxID之间，在TxID与第一同步序列之间，以及在第二同步序列与第一OFDM数据符号之后还存在着持续2.4微秒的保护间隔(GI)。发射器ID序列是36.0微秒的传输，其中10.4微秒是循环前缀。TxID在特定发射器的识别序列(奇数号码的时隙)和在一区域中的若干发射器所共享的区域识别序列(偶数号码的时隙)之间交替。从1秒的帧开始之后的25毫秒开始，每隔50毫秒出现特定发射器的识别序列。

特定发送的识别信号是OFDM信号，其通过对CMMB规格文件的附录A中指定的128个数据序列中的一个进行调制来构建。对于8MHz的CMMB系统而言，该序列的长度是191位。对于2MHz的系统而言，该序列的长度是37位。对于2MHz和8MHz的选项中的每一个，总共存在256个TxID序列。第一128个序列被用于识别给定区域。最后128个序列被用于识别区域内的各个发射器。整个TxID地址空间是每个物理的RF信道有16384个ID对。

CMMB被设计成特别在移动的、小屏幕的设备，比如移动电话中使用。CMMB信号和网络配置被设计成支持这种应用。

发明概述

一种基于CMMB广播信号的无线定位系统，其用于对配备定位器接收器的无线的、游牧的(nomadic)、和固定的设备进行精确定位。CMMB的定位、定时和频率的确定还可以与其他信号，比如来自北斗、GPS、Glonass、Galileo、DMB、DVB、ATSC等等的信号混杂化。

附图简述

当结合附图阅读时，上面的概述以及下面的详细描述将更好地理解。出于说明本发明的目的，在附图中显示了本发明的示例性结构；然而，本发明不限于此处公开的具体方法和工具。在图中：

图1示出CMMB下行无线定位系统的示意性实现。

图2用示意图描绘了接收器/定位器单元的功能性子系统。

图3用示意图描绘了定位服务器的功能性子系统。

图4显示了CMMB WPS的操作。

图5a显示了2Mhz带宽的CMMB同步信号的自相关。

图5b显示了8Mhz带宽的CMMB同步信号的自相关。

示意性实施方式的详述

我们现在将描述本发明的示意性实施方式。首先，我们提供对问题的详细综述，并随后提供对我们的解决方案的更详细的描述。

A.CMMB下行无线定位系统

图1给出了CMMB下行无线定位系统(WPS)的示意性例子。被部署在覆盖区域101上的CMMB系统拥有陆地广播组件102、104、106、108和卫星组件110这两者。CMMB使用OFDM广播信号103、105、107、109、111以对覆盖区域101中的设备提供覆盖。CMMB信号包括被编码的发射器识别和定时信息(嵌入同步信号的结构中)。专门的CMMB接收器允许对设备进行定位。这些设备可以是移动设备114、游牧设备118、或者固定设备121。为了在人烟稀少的覆盖区域或者覆盖区域的边界处获得信号定时，固定的接收器单元123可以根据需要被部署在覆盖区域101中的已知位置。标称的CMMB WPS要求每个可定位的设备114、118、121具有回程数据路径。固定的参考接收器123也必须具有回程连接。

对于移动无线设备114而言，所述回程包括无线信号113、无线接入网络112、(有线或无线的)基站链路115、以及陆地侧传输网络127。陆地侧传输网络127和定位服务器数据链路124使移动无线设备的回程完整。

对于游牧设备118而言，所述回程连接包括无线局域网(WLAN)无线电连接117、接入点116、到陆地侧传输网络的互连119、陆地侧传输网络127和定位服务器链路124。

对于固定设备121而言，所述回程包括到陆地侧传输网络127的互连120、陆地侧传输网络127本身、以及定位服务器链路124。

固定的参考接收器123被显示具有到陆地侧传输网络127和定位服务器链路124的有线或无线的连接122的回程。

基于设备的定位

如果设备包含了本地和卫星CMMB广播天线的位置的数据库，则使用了CMMB下行定位方法的设备121、114、118可计算自主的位置，而不使用通信网络设施。对定位的精细定时可以在如果有4个或更多个广播103、105、107、109可用时相对于一个广播信号获得，或者从陆地定时信令系统(例如LORAN、TRANSIT或等效系统(未显示))获得。

网络辅助式的基于设备的定位

使用CMMB下行信号的一种网络辅助式的、基于设备的定位可使用被上载或传输的广播天线的位置和定时信息来计算。对位置的最终计算能够随后在设备上快速执行，并且能够经由数据回程被上载至定位服务器125。

基于网络的定位

对基于网络的定位而言，设备通过回程数据连接将CMMB信号信息和定时信息上载到定位服务器125。定位服务器125随后执行位置计算。

网络辅助式的基于网络的定位

使用CMMB下行信号的一种网络辅助式的、基于网络的定位可使用被上载或传输的广播天线的位置和定时信息来计算。设备通过回程数据连接将CMMB信号信息和定时信息上载至定位服务器125。该定位服务器125随后执行位置计算。

固定的接收器站点123可被部署在具有较低覆盖范围的区域中(少于4个的陆地的在地理上分离的CMMB广播站)。具有陆地广播103、105、107、109中的最少3个的卫星CMMB广播信号111的使用将允许广域的定时，而不使用其它的陆地信号或卫星信号，或者不需要多个固定的参考接收器123。

B.位置计算CMMB信号信息

CMMB无线定位系统通过对来自大量CMMB发射器的CMMB信号进行到达时间(伪距)的测量和参考公共时钟的测量来工作。方程1显示了这种位置计算的一般形式。

$T_u^{\left(i\right)}=\sqrt{{(x^{\left(i\right)}-x_u)}^2+{(y^{\left(i\right)}-y_u)}^2+{(z^{\left(i\right)}-z_u)}^2}+B^{\left(i\right)}-b_u$

方程1

其中

是在用户与发射器i之间的伪距测量。

B⁽ⁱ⁾是关于公共参考时钟的发射器时钟偏差。

b_u是用户时钟偏差。

{x⁽ⁱ⁾，y⁽ⁱ⁾，z⁽ⁱ⁾}是发射器i的坐标。

{x_u，y_u，z_u}是(未知)用户坐标。

已知(广播)发射器位置与发射器时钟，这些伪距能够被用于形成方程组，该方程组能够被求解以确定接收器的位置。方程2显示有3个未知用户坐标和1个未知用户时钟偏差的线性方程组的例子。如果有至少与未知数一样多个方程，并且这些方程线性无关，则能够求解该方程组。

$\left[\begin{array}{c}{T}_u^{\left(1\right)}-d_{u0}^{\left(1\right)}-B^{\left(1\right)}\\ T_u^{\left(2\right)}-d_{u0}^{\left(2\right)}-B^{\left(2\right)}\\ T_u^{\left(3\right)}-d_{u0}^{\left(3\right)}-B^{\left(3\right)}\\ \\ T_u^{\left(i\right)}-d_{u0}^{\left(i\right)}-B^{\left(i\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{\mathrm{LOS}}}_u^{\left(1\right)}-1\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{LOS}}}_u^{\left(2\right)}-1\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{LOS}}}_u^{\left(3\right)}-1\\ \\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{LOS}}}_u^{\left(i\right)}-1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_u\\ \mathrm{\Δ}{y}_u\\ \mathrm{\Δ}{z}_u\\ b_u\end{array}\right]$

方程2

其中

是从用户到发射器i的视线向量。

是在用户与发射器i之间的距离的先验估算。

{Δx_u，Δy_u，Δz_u}是用户位置的增量改变。

如果用户的位置已知(如在固定的接收器站中)，用户时钟偏差能够使用单个伪距测量来确定。在每隔25ms重复同步序列的同时，每隔50ms重复发射器识别(TxID)序列。观察这二者，在确定绝对时间时将有50ms的模糊度。存在许多种用于将粗调时间确定成好于50ms的技术，例如帧匹配。一旦周期的模糊度被解决，用户能够保持对绝对时间的跟踪，只要如此经常地进行伪距测量，使得用户时钟在固定周期内不会偏移超过50ms(以百万分之一的时钟不定性，该时钟在大约14小时内最多可能偏移50ms)。

在多频率网络(MFN)中，将请求来自至少3个不同的发射器位置的伪距测量、对这些位置的认识、以及对发射器时钟的认识，以便生成水平位置修正。

在单频率网络(SFN)中，可能不存在鉴别混合的相关峰值中的哪一部分是来自哪一发射器的简单方法，因为它们全部都通常传送相同的信息。然而，TxID对于每个发射器是唯一的，并且通过假设检验在每个带有该组TxID副峰之前开始38.4微秒代码TxID部分，混合的相关峰值中给定的部分能够被识别为来自给定发射器。

在所有发射器上，SFN操作需要好的频率和时间控制。这将使得能够进行独立的定位，而不使用监控系统来生成时间和频率参考。

用于CMMB的OFDM信号结构包含分散的和连续的两种导频。虽然这些导频将穿过扰频器，但是它们在调制点上的状态仍将是确定性的。跟踪这些导频将提供给用户一种确定接收器时钟频率的手段。用户时钟频率偏置还能够通过重复的伪距测量来鉴别。与在连续的伪距到达之间被测量的持续时间相比，标称的25ms重复持续时间能够被用于估算用户频率偏置。还有一种用于频率确定的方法是，从循环前缀中寻找信号中的重复，并且将该持续时间与标称时间进行比较。通过将所述信号的一部分与通过CP延迟而被延迟的一部分互相关，能够实现这种方法。

图2描绘了CMMB定位接收器201的功能性子系统。如所示，CMMB可以被构建为离散的硬件和软件实体，或者被组合为单个的小型集成单元，其或分立或内置到本专利的设备中硬件和/或软件中。

专用的OFDM接收器子系统202允许信道选择、信号解调、以及捕获信号定时信息。产生的信息被传递203至处理器204。关于每个被检测到的发射器，所述产生的信息包括发射器ID、到达时间、信号功率电平。

处理器204操纵接收器监控和接收器工作分派。被传递212至接收器202的辅助信息能够包括可能可以被接收的发射器的频率和带宽。经由接口控制器206，处理器204转发通过接收器202确定的被接收的信息，并且从定位服务器获得辅助数据。辅助信息在此处被显示为在接口控制器206与处理器204之间进行传递211。除了操纵在定位接收器201与定位服务器之间的双工数据通信207之外，接口控制器还可以将根据外部源产生的时钟信息传递208至定位接收器时钟子系统209。这种精细的定时信息能够用来使本地时钟和系统时钟一致，这允许绝对定时测量而不是基于被接收的CMMB信号的相对时间测量。该时钟子系统经由定时总线210、208将绝对定时通信至OFDM接收器子系统202、处理器子系统204、以及接口控制器子系统206。

图3描绘了定位服务器301的主要子系统。被部署作为单个硬件平台或者作为分布式的计算平台群集，定位服务器301由位置计算器303和接口控制器302构成。辅助的数据库304、305、306、307被描绘为与离散数据连接上的定位服务器分离，但是能够被直接包括在内。此处，接口控制器302操纵在定位接收器201和定位服务器301之间的双工数据通信309。位置计算器303应用从定位接收器201接收的到达时间(TOA)信息和发射器的位置数据304、307，以确定定位接收器201的地理位置。

位置计算器可以使用(来自RAN数据库305或WLAN数据库306)基站或接入点信息，以在完整的位置不能使用被接收的TOA值而被产生的情况下，估算定位接收器的地理位置。

图4a显示了一种用于产生自主的仅设备定位的方法。在这种情况下，定位请求401由机载定位应用生成。装备有定位接收器的设备随后使用该定位接收器来扫描关于广播CMMB发射器信号402的被分配的CMMB频谱。定位接收器识别广播发射器，并且产生在发射器之间的相对时基。使用4个或更多发射器、以及广播发射器位置或本地存储的发射器位置，到达时间能够被计算而不与定位服务器通信。

图4b显示用于产生仅设备定位的方法。在这种情况下，定位请求401从机载定位应用生成。当定位请求401被激活时，定位接收器经由回程数据连接立刻向定位服务器请求辅助信息406。

定位接收器使用被接收的辅助数据(其包括发射器位置和可能的定时偏移信息)，以收集广播CMMB发射器信号402。定位接收器产生在发射器403之间的相对时基。使用被收集到的广播信号和被上载的发射器地理位置(并且如果可用的话还有广播定时偏移)，到达时间能够被计算404。计算出的位置能够被返回到发请求的应用。

图4c显示了用于产生基于网络的定位的方法。在这种情况下，定位请求401从基于网络的定位应用生成。当定位请求401被激活时，定位应用立刻将请求连同辅助信息转发至定位接收器。

定位接收器使用被接收到的辅助数据(其包括发射器位置和可能的定时偏移信息)，以收集广播CMMB发射器信号402。定位接收器产生在发射器403之间的相对时基。使用被收集到的广播信号和被上载的发射器地理位置(并且如果可用的话还有广播定时偏移)，到达时间能够被计算404。计算出的位置随后被返回到发请求的应用405。

由于其极好的自相关特性，CMMB同步序列本身还提供了一种测量伪距的手段。

图5a显示了在60公里的地理范围上的2Mhz带宽的CMMB同步信号的自相关。

图5b显示了在60公里的地理范围上的8Mhz带宽的CMMB同步信号的自相关。

CMMB的定位、定时和频率的确定还可以与其他信号，比如来自北斗、GPS、Glonass、Galileo、DMB、DVB、ATSC等等的信号混杂化。

D.结论

本发明的真实范围不限于当前在此处公开的优选实施方式。例如，无线定位系统当前的优选实施方式的上述公开使用了说明性的术语，比如接收器单元、固定的接收器站点、定位服务器、游牧设备、移动设备、以及类似术语，其不应被解释为限制下列权利要求的保护范围，或者不应被解释为以其他方式暗示CMMB下行无线定位系统的创造性方面被限制到被公开的特定方法和装置。例如，本发明不限于利用如以上所描述被构造的接收器单元的系统。接收器单元、固定的接收器站点等等在实质上是可编程的数据收集和处理设备，其能够采用各种形式而不偏离此处所公开的创造性方面。考虑到数字信号处理和其他处理功能迅速下降的成本，极有可能的是，例如将用于特定功能的处理从此处所描述的功能元件中的一个(比如OFDM接收器)转移到另一个功能元件(比如处理器)，而不改变本系统创造性的操作。在许多情况下，此处所描述的实施场所(即功能元件)仅仅是设计者的偏好而非硬性的需求。因此，除非其可以明确地被限制之外，以下权利要求的保护范围不意味着被限制到上面所描述的特定实施方式。

Claims (23)

1.一种用于确定终端设备的位置的方法，所述方法包括：

通过所述终端设备从多个中国移动多媒体广播(CMMB)发射器接收CMMB广播信号；以及

基于所述发射器的位置和定时信息计算所述终端设备的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述终端设备是移动设备、游牧设备、或者固定设备。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述发射器的所述位置被存储在所述终端设备中，并且所述发射器的所述定时信息是从所述发射器的广播信号获得的，或者是从陆地定时信令网络获得的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述发射器的所述位置和定时信息经由网络被上载或传输到所述终端设备。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述发射器的所述定时信息和CMMB广播信号信息由所述终端设备通过回程数据连接上载到定位服务器，并且所述终端设备的位置由所述定位服务器计算。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述发射器的所述定时信息和CMMB广播信号信息由所述终端设备通过回程数据连接上载到定位服务器，并且所述终端设备的位置由所述定位服务器计算。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述终端设备的位置通过对来自所述多个CMMB发射器的CMMB广播信号进行伪距测量和参考公共时钟进行测量来计算。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述终端设备的位置通过使用如下方程来计算：

$T_u^{\left(i\right)}=\sqrt{{(x^{\left(i\right)}-x_u)}^2+{(y^{\left(i\right)}-y_u)}^2+{(z^{\left(i\right)}-z_u)}^2}+B^{\left(i\right)}-b_u$

其中

是在所述终端设备与发射器i之间的伪距测量；

B⁽ⁱ⁾是关于公共参考时钟的发射器时钟偏差；

b_u是所述终端设备的时钟偏差；

{x⁽ⁱ⁾，y⁽ⁱ⁾，z⁽ⁱ⁾}是发射器i的坐标；

{x_u，y_u，z_u}是所述终端设备的坐标。

9.一种用于确定终端设备的位置的系统，该系统包括随所述终端设备配备的定位接收器和与所述定位接收器互连的定位服务器，其中：

所述定位接收器从多个中国移动多媒体广播(CMMB)发射器接收CMMB广播信号；以及

所述定位服务器基于所述发射器的位置和定时信息来计算所述终端设备的位置。

10.如权利要求9所述的系统，所述定位接收器包括：

OFDM接收器子系统，其用于信道选择、信号解调、和信号定时信息捕获；

处理器，其用于接收器监控和接收器工作分派；

接口控制器，其用于操纵在所述定位接收器与所述定位服务器之间的双工数据通信；以及

时钟子系统。

11.如权利要求10所述的系统，其中包括了关于每个被检测到的发射器的发射器ID、到达时间、和信号功率电平的信息由所述OFDM接收器子系统产生，并且被传递至所述处理器。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述处理器转发所接收的、由所述OFDM接收器子系统产生的信息，并且经由所述接口控制器从所述定位服务器获得辅助信息。

13.如权利要求10所述的系统，其中所述接口控制器还将根据外部源产生的时钟信息传递至所述时钟子系统。

14.如权利要求9所述的系统，其中所述定位服务器包括：

数据库，其用于存储发射器位置和联网信息；

接口控制器，其用于操纵在所述定位接收器和所述定位服务器之间的双工数据通信；以及

位置计算器，其用于通过使用从所述定位接收器接收到的到达时间信息和发射器位置数据来确定所述定位接收器的位置。

15.如权利要求14所述的系统，其中如果所述定位接收器的完整位置不能使用所述接收到的到达时间信息来产生，则所述位置计算器还使用被存储在所述数据库中的基站或接入点信息来估算所述定位接收器的位置。

16.如权利要求9所述的系统，其中响应于来自机载定位应用的定位请求，所述终端设备使用定位接收器来扫描关于来自所述多个CMMB发射器的CMMB广播信号的、CMMB被分配的频谱，所述定位接收器识别广播发射器，并且产生在所述发射器之间的相对时基，并随后通过使用广播发射器位置或本地存储的发射器位置来计算到达时间信息。

17.如权利要求9所述的系统，其中响应于来自机载定位应用的定位请求，所述定位接收器立刻向所述定位服务器请求辅助信息，所述辅助信息包括发射器位置，所述定位接收器使用所接收的辅助信息以从所述多个CMMB发射器收集所述CMMB广播信号，所述定位接收器产生在所述发射器之间的相对时基，并且通过使用所收集的广播信号和所接收的发射器位置来计算到达时间信息，计算出的位置随后被返回到所述定位应用。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述辅助信息还包括广播定时偏移。

19.如权利要求9所述的系统，其中响应于来自基于网络的定位应用的定位请求，所述定位应用立刻将所述定位请求连同辅助信息转发至所述定位接收器，所述辅助信息包括发射器位置，所述定位接收器使用所接收的辅助信息以从所述多个CMMB发射器收集所述CMMB广播信号，所述定位接收器产生在所述发射器之间的相对时基，并且通过使用所收集的广播信号和被上载的发射器位置来计算到达时间信息，计算出的位置随后被返回到所述定位应用。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述辅助信息还包括广播定时偏移。

21.如权利要求9所述的系统，其中所述终端设备是移动设备、游牧设备、或固定设备。

22.如权利要求9所述的系统，其中所述终端设备的位置通过对来自所述多个CMMB发射器的CMMB广播信号进行伪距测量和参考公共时钟进行测量来计算。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述终端设备的位置通过使用如下方程被计算：

$T_u^{\left(i\right)}=\sqrt{{(x^{\left(i\right)}-x_u)}^2+{(y^{\left(i\right)}-y_u)}^2+{(z^{\left(i\right)}-z_u)}^2}+B^{\left(i\right)}-b_u$

其中

是在所述终端设备和发射器i之间的伪距测量；

B⁽ⁱ⁾是关于公共参考时钟的发射器时钟偏差；

b_u是所述终端设备的时钟偏差；

{x⁽ⁱ⁾，y⁽ⁱ⁾，z⁽ⁱ⁾}是发射器i的坐标；

{x_u，y_u，z_u}是所述终端设备的坐标。

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