CN104469933A - 一种基于tdd蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，通过在现有信号的帧结构中加入带有定位信息的扩频序列，实现了室内外的定位，很好的利用了现有蜂窝移动通信网络的资源和良好的覆盖，仅通过对TDD蜂窝移动通信系统进行简单的升级来实现室内外导航定位。这种方式不需要针对导航定位需求专门去架设无线电发射设备，不需单独申请频率资源，不需要额外的维护；对于现有系统而言，不会对现有用户造成干扰，因此具有非常好的前向兼容性；由于蜂窝移动通信系统在室内外环境都具有非常好的覆盖性，因此通过本发明所设计的信号生成及定位方法，可实现室内外多种复杂环境下的导航定位。

Description

一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法
技术领域
本发明涉及移动通信与导航领域，尤其涉及一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法。
背景技术
近年来，人们对导航定位的需求与日俱增，特别体现在对导航定位的精度要求越来越高(从数十米到米级)，对导航定位区域的要求越来越广(从室外到室内)。
目前最常用的导航手段是以GPS为主要代表的卫星导航，包括俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的Galileo以及我国的北斗卫星导航系统等。但是，由于卫星信号到达地面时已经非常微弱，因此很容易受到建筑物、树木、车辆的遮挡，从而导致在城市峡谷(高层建筑物之间)等典型环境下定位性能急剧下降，甚至无法定位。此外，在室内、地下(如隧道、地下车库)等环境下，卫星导航信号将完全被遮挡，从而无法完成定位。而实际上，城市峡谷、商场、停车场等复杂环境恰恰是导航定位需求更为明显和迫切的地方。因此，解决上述环境下的导航定位问题是非常现实和迫切的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，可在现有的蜂窝移动通信网络基础上实现室内、外的定位。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
本发明的一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，包括如下步骤：
第一步：选取一组两两正交的扩频码，根据定位区域内所有基站的ID,为每个基站分配一个扩频码，令第i个基站分配到的扩频码的索引号为i；其中，i＝1,2，…，M，M为定位区域内基站个数；
第二步：针对第i个基站预发送信号的帧结构中每一帧的特殊子帧，在该特殊子帧的下行同步信号DwPTS与上行同步信号UwPTS之间插入一个扩频序列；所述扩频序列由索引号为i的扩频码重复X次形成；所述X的取值由扩频码的码长N、码速率C以及下行同步信号DwPTS与上行同步信号UwPTS的保护间隔GP的时长决定，即XN/C小于或等于保护间隔GP；
第三步：控制定位区域内所有基站同时发送各自的信号；
第四步：手机终端接收定位区域内L个基站所发送的信号后，根据接收到的信号中的扩频码的索引号对各基站进行识别，并获得各基站的地理位置；同时根据信号中的扩频序列的相位来获得与对应基站的距离；最后，根据L个基站的地理位置以及各基站与手机终端的距离，采用三点定位原理，计算当前手机终端的位置坐标；其中，所述L的取值大于或等于3。
较佳的，所述扩频码选择GPS或北斗系统中使用的CDMA扩频码。
较佳的，所述第二步中，在所述信号的每一帧中添加的扩频序列的前端与所述下行同步信号DwPTS的后端之间以及扩频序列的后端与上行同步信号UwPTS之间分别留有间隙。
进一步的，所述扩频序列与下行同步信号DwPTS之间的间隙定义为GP1；所述GP1的时长大于相邻小区的基站信号到达当前手机用户所在小区的时间。
进一步的，所述扩频序列与上行同步信号UwPTS之间的间隙定义为GP2；所述GP2的时长大于相邻小区的基站信号到达当前手机用户所在小区的时间。
较佳的，在所述第二步中，用所述扩频序列对基站发送的信号中的导航电文进行扩频调制，使得所述导航电文中包含对应基站的位置信息；在所述第四步中，所述手机终端根据接收到的导航电文获得基站的地理位置信息。
较佳的，在所述第四步中，手机终端通过互联网获得基站的地理位置。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过在现有信号的帧结构中加入带有定位信息的扩频序列，实现了室内外的定位，很好的利用了现有蜂窝移动通信网络的资源(如基站、频率、功率等)和良好的覆盖，仅通过对TDD蜂窝移动通信系统进行简单的升级来实现室内外导航定位。这种方式不需要针对导航定位需求专门去架设无线电发射设备，不需单独申请频率资源，不需要额外的维护；对于现有系统而言，不会对现有用户造成干扰，因此具有非常好的前向兼容性；由于蜂窝移动通信系统在室内外环境都具有非常好的覆盖性，因此通过本发明所设计的信号生成及定位方法，可实现室内外多种复杂环境下的导航定位。
附图说明
图1为现有的TDD-LTE系统的帧结构图。
图2为本发明添加了扩频序列的TDD-LTE系统的帧结构图。
图3为不同小区信号到用户时延的示意图。
具体实施方式
考虑到蜂窝移动通信系统覆盖广泛，用户群体众多，结合TDD蜂窝移动通信系统的技术特点，本发明提出一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，可在现有的蜂窝移动通信网络基础上实现室内、外的定位。本发明可在现有的LTE、LTE-A系统中直接应用，也可在未来新的移动通信系统中应用。
为叙述方便，本文以TDD-LTE系统为例对发明内容进行说明，需要说明的是，本发明同样适用于其他TDD系统。
在TDD-LTE系统中，上行(用户到基站)与下行(基站到用户)使用了相同的频率，上、下行之间通过时间来进行区分。从帧结构上来看，上、下行占用了不同的时隙。如图1所示，给出了TDD-LTE系统的帧结构图，其中D代表下行子帧，U代表上行子帧，DwPTS(下行同步信号)、GP(保护间隔)和UwPTS(上行同步信号)组成特殊子帧。
由于无线信号在空中传输需要一定的时间，为了避免上行与下行之间出现碰撞，目前TDD-LTE系统中在上下行之间留出了一段保护间隔(GP,guardperiod),GP的时长共有7种配置，不同的长度适用于不同的小区半径，大小区对应于大的GP长度。本发明将利用TDD-LTE系统特殊子帧中的GP来传输导航信号。
基于现有的TDD-LTE系统，本发明在GP中加入了用于定位的扩频信号，信号的具体生成方法以及定位方法如下：
第一步：选取一组两两互相正交的扩频码，根据定位区域内所有基站的ID,为每个基站分配一个扩频码，各基站分配的扩频码均不相同。令第i个基站分配到的扩频码的索引号为i；其中，i＝1,2，…，M，M为定位区域内基站个数；扩频码使用如GPS、北斗系统中使用的CDMA扩频码等均可。
第二步：如图2所示，针对第i个基站预发送的信号S，在每个特殊子帧中的下行同步信号DwPTS与上行同步信号UwPTS之间连续添加X个索引号为i的扩频序列，形成带有定位信号的新信号S’；对于扩频系统而言，X越大，带来的扩频增益越高，但占用的时间越长，因此，所述X的取值由扩频码的码长N、码速率C以及GP的长度决定，码速率C受限于该TDD系统使用的频率带宽，X*N/C应小于或等于保护间隔GP。此外，上、下行的其他信号格式仍然采用原有协议所约定的格式。
根据原有的基站信号S的帧结构，为了提高抗干扰能力，本发明也在信号S的每一个特殊子帧中所添加的X个连续扩频序列与两端的下行同步信号DwPTS及上行同步信号UwPTS之间分别留有间隙GP1和GP2。
第三步：控制定位区域内所有基站同时发送各自的新信号S’；
第四步：手机终端接收定位区域内L个基站所发送的信号后，对信号进行解扩处理，根据接收信号中的扩频序列对应的扩频码的索引号对各基站进行识别，并根据不同基站发送的扩频序列的相位来对其与该基站之间的距离进行估计；最后，根据导航电文中L个基站的地理位置以及各基站与手机终端的距离，采用三点定位原理，结合导航电文中的其它辅助信息，计算当前手机终端的位置坐标；其中，所述L的取值大于或等于3。
需要说明的是：对于手机终端而言，导航电文可通过多种方式来获取，本发明列举了2种方法：
1、用所述扩频序列对基站预发送信号中的导航电文进行扩频调制，使得所述导航电文中包含对应基站的位置信息；在所述第四步中，所述手机终端根据接收到的导航电文获得基站的地理位置等信息。
2、在所述第四步中，手机终端通过互联网获得导航电文信息。
为避免现有系统原有的上下行信号与所添加的扩频定位信号形成干扰，需合理设置GP1与GP2的长度。
从系统原有信号对所添加扩频定位信号的影响来分析，如图3所示，为了避免邻小区基站发射的DwPTS信号对本小区基站发射的扩频信号造成干扰，GP1的长度应大于邻小区基站信号到本小区的时延；为了避免本小区上行信号干扰到其它小区发射的扩频信号，GP2的长度应大于邻小区基站信号到本小区的时延。
从所添加扩频定位信号对系统原有信号的影响来分析，对于下行而言，由于所设计的扩频信号位于基站下行信号的最末端，因此不会对原有下行信号造成干扰；对于上行而言，由于所设计的扩频信号与上行DwPTS之间留有间隙GP2，因此不会对其它用户的上行信号造成干扰。
因此，本发明提出的方法既能实现定位，又不会对现有通信造成干扰，具有良好的应用前景。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：选取一组两两正交的扩频码，根据定位区域内所有基站的ID,为每个基站分配一个扩频码，令第i个基站分配到的扩频码的索引号为i；其中，i＝1,2，…，M，M为定位区域内基站个数；
第二步：针对第i个基站预发送信号的帧结构中每一帧的特殊子帧，在该特殊子帧的下行同步信号DwPTS与上行同步信号UwPTS之间插入一个扩频序列；所述扩频序列由索引号为i的扩频码重复X次形成；所述X的取值由扩频码的码长N、码速率C以及下行同步信号DwPTS与上行同步信号UwPTS的保护间隔GP的时长决定，即XN/C小于或等于保护间隔GP；
第三步：控制定位区域内所有基站同时发送各自的信号；
第四步：手机终端接收定位区域内L个基站所发送的信号后，根据接收到的信号中的扩频码的索引号对各基站进行识别，并获得各基站的地理位置；同时根据信号中的扩频序列的相位来获得与对应基站的距离；最后，根据L个基站的地理位置以及各基站与手机终端的距离，采用三点定位原理，计算当前手机终端的位置坐标；其中，所述L的取值大于或等于3。
2.如权利要求1所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，所述扩频码选择GPS或北斗系统中使用的CDMA扩频码。
3.如权利要求1所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，所述第二步中，在所述信号的每一帧中添加的扩频序列的前端与所述下行同步信号DwPTS的后端之间以及扩频序列的后端与上行同步信号UwPTS之间分别留有间隙。
4.如权利要求3所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，所述扩频序列与下行同步信号DwPTS之间的间隙定义为GP1；所述GP1的时长大于相邻小区的基站信号到达当前手机用户所在小区的时间。
5.如权利要求3所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，所述扩频序列与上行同步信号UwPTS之间的间隙定义为GP2；所述GP2的时长大于相邻小区的基站信号到达当前手机用户所在小区的时间。
6.如权利要求1所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，在所述第二步中，用所述扩频序列对基站发送的信号中的导航电文进行扩频调制，使得所述导航电文中包含对应基站的位置信息；在所述第四步中，所述手机终端根据接收到的导航电文获得基站的地理位置信息。
7.如权利要求1所述的基于TDD蜂窝移动通信系统中特殊子帧的定位方法，其特征在于，在所述第四步中，手机终端通过互联网获得基站的地理位置。
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