CN1135040C - 在移动通信系统中确定移动通信设备位置的方法 - Google Patents

Abstract

标准的移动蜂窝电话使用缩短突发信号传输来同步一个呼叫在蜂窝电话网络上的传输。这些缩短突发及其它的业务信道突发可被用来确定该网络电话的位置。在工作中，主基站向一个选定的移动电话发送一个业务信道标识消息，然后，该移动电话在一个5秒或更小的时间间隔内，启动所选业务信道突发传输，例如缩短突发。主基站和至少两个其它相邻基站接收这些突发传输，并根据突发的到达时间和一些其它合适的与距离相关的测量值，确定它们各自到该网络电话的距离。一个指令中心通过对该基站的距离测量值进行三角计算，来确定该网络电话的位置。

Description

在移动通信系统中确定移动 通信设备位置的方法

本发明有关诸如蜂窝电话之类的移动通信设备，及用于精确地确定这类设备在一个网络区域内的位置的方法。这样，可以确定蜂窝电话的位置以便向一个呼叫者派遣警力或医学授助，或用于任何其它目的。

在美国，新的规则规定，到2001年，移动蜂窝电话必须能仅根据其传输的始发点位置而被定位。原始的标准是：在任何给定网络区域中发出紧急呼叫的蜂窝电话，必须能被精确定位，其均方根误差应小于125米。最好在实施该标准时，不需改装现有蜂窝电话。

工业标准(“IS”)-54和136 TDMA系统中的现有基站通常采用定位校验模块(“LVM”)，它在从一个基站向另一个基站切换时，校验移动电台话音传输中的数据。对于一个要进行的TDMA呼叫，移动电台和基站的时序必须紧密地同步。在IS-54和-136中，在呼叫建立的时刻，或从网络中的一个基站向另一个基站交接时，移动电台提供，或可以被要求提供一个“缩短突发”传输。在IS-54中，缺省情况下，使用一个模拟控制信道传输该缩短突发。IS-136控制信道是数字的，缩短突发必须由基站请求。各缩短突发都是大约5.58毫秒的时隙信号传输，在不大于5秒的时间区间内，它们每20毫秒重复一次。这些突发用来使移动单元和基站间的按时间分隔的话音传输同步。按本发明，这些突发也非学适用于精确地检测移动设备的位置。

缩短突发用来测量移动设备到其地理区域内的基站的距离值。所测数值利用已知的三角技术相关以确定移动设备的x，y坐标位置。

现在，已经使用了全球定位系统，一个移动接收机通过检测卫星所发射的信号的到达时间，来确定其位置。这类系统不被用来检测与空间分布的基站有关的移动发射机的位置。

现已开发了一个系统用来确定移动网络电话的位置，该系统使用的是基站处信号突发的到达时间差，该信号突发是移动设备在始发一个呼叫时在反向控制信道上提供的。在该系统中，在呼叫期间，该反向控制信道不能用来定位移动设备，所以，只有在始发该呼叫时，才能确定该移动设备的位置。另外，该反向控制信道还提供一个有限的时间来存取位置数据，所以，它不能在一个连续的时间段内精确地确定一个位置。

本发明系统使用话务信道突发来确定移动设备的位置，例如，使用缩短突发。该话务信道突发可被用于在呼叫建立时及呼叫期间检测移动设备的位置。于是，该系统可在呼叫进行时跟踪一个移动设备的位置，并可在一个呼叫期间的任意时刻，启动对位置的确定。该系统还可在一个连续的时间段内获得位置数据，从而得到精确的定位。更进一步，该缩短话务信道突发被设计为用来校正时隙的时序，从而，它非常适合于进行信号到达时间测量，该测量可被用于定位该移动设备。

本发明的一个目的是，在现有网络通信系统中，提供一个用来确定移动网络电话设备的位置的精确方法，并且不需要额外的硬件或对这类系统中的移动设备的硬件的修改。

本发明的另一个目的是，提供一个系统，用来在移动呼叫建立期间及呼叫进行期间，确定移动网络电话的位置。

本发明的另一个目的是提供一个系统，它使用话务信道缩短突发，来定位与该系统中空间分布的基站有关的移动设备。

本发明的另一个目的是提供一个系统，其中，在紧急情况下，在呼叫开始时，即自动确定移动设备的位置。

本发明的另一个目的是提供一个系统，它检查一个移动设备的定位信息的精度，如果需要的话，继续提高定位精度。

本发明的另一个目的是提供一个系统，它允许在移动设备移动时，继续监测该移动设备的位置。

通过对以下介绍，图形和权利要求的描述，将会清楚本发明的这些及其它目的。

缩短突发是当前用于使蜂窝电话网络中的时隙同步的重复信号传输。本发明还将这些缩短突发用于定位一个移动设备，例如一个蜂窝电话，这可用于紧急情况中，或其它目的。本发明利用现有设备来满足定位进行紧急呼叫的移动设备的新的US.标准。

在一个蜂窝电话网络的常规操作中，一个话务信道被指定用于一个主基站与位于该基站的网络区域中的一个移动电话间的通信。如果希望确定该蜂窝电话的位置，则主基站发送一条命令，使网络电话发送5.58毫秒缩短突发信号，而不是话音，该信号每20毫秒重复一次，持续不超过5秒钟。在本发明系统中，这些突发传输被主基站和两个或更多相邻基站接收。这些基站测量突发信号的各到达时间或进行其它测量，例如测量突发的到达时间差。这些测量值被用于计算每个基站和网络电话间的距离。

通过将基站的位置测量值三角形化，来确定网络电话的位置。三角计算是由主基站，移动交换中心，移动定位中心，警力紧急调遣中心，或任何其它与基站通信的网络地点进行的。如果需要更高的定位精度，可以在同一或一个新的话务信道上，在另外的5秒钟突发间隔期间重复该三角测量过程。仅仅对中心网络中的软件进行修改，即可满足新的有关紧急定位的联邦标准。

图1是一个已知的缩短突发传输的示意图，它用于基站与移动设备间的时间调整或同步。

图2A和2B是本发明步骤的流程图，用于定位一个IS-54或-136 TDMA系统中的移动设备。

图3是本发明系统中一个移动设备和与之相关的基站的示意图。

本发明提供了一项技术，利用现有移动设备和已知通信协议，在模拟控制信道(IS-54)模式或数字控制信道(IS-136)模式中，确定IS-54或136蜂窝电话系统中的一个移动终端或设备的地理位置。一个已知的通信协议使用缩短突发，每个大约5.58毫秒时长，每20毫秒重复一次。这些突发用于使一个移动设备或终端同与之通信的基站同步或调整该移动设备的时序(即，时隙)。

在一个IS-54系统中，控制信道是模拟的且缩短突发总是在呼叫初始时被发送。在一个IS-136系统中，通过在来自一个基站的下行链路业务信道标志或指配消息中设置一个合适区域，来触发缩短突发。一般，如果作为一个业务信道指配消息的一部分，网络基站指示该移动设备发射缩短突发，则该移动设备一接收到该业务信道分配，就开始发射缩短突发。该移动设备持续进行该传输多达5秒，直到它接收到来自移动站的时隙调整信号。之后，该移动站按其基站的时间排列发射和接收。现有移动设备按常规广播缩短突发和其它业务信道突发，且现有基站按常规在正常操作期间接收它们。这些已知业务信道突发可被用在新的移动设备的定位系统中，例如蜂窝电话定位系统。于是，缩短突发，话音信道突发或其它业务信道上的反向控制消息可被用于定位移动设备。与缩短突发相比，语音信道或业务信道上的其它反向控制消息有更短的已知比特序列，所以，不象缩短突发那样适用于定位移动设备。这些其它业务信道突发可以与缩短突发一起使用以便在检测移动设备的位置时提供更高的精度。

图1中示出了缩短突发的标准形式。该突发非常适合于定位移动设备。该突发的134位唯一地标识该移动设备。该缩短突发的保护时间确保了一个设备的传输不会与其它设备的传输相干扰。更进一步，该突发有六个同步序列，分布在该突发的不同区间。这使得该突发特别适合于检测位置信息，例如突发到达基站的时间。

基站可以很容易地检测出TDMA块中的时隙内的缩短突发信号的已知位，以精确地确定这些突发的到达时间。突发信号自身重复，或与其它业务信道突发组合，通过平均，可以得到更高的测量精度。与各比特位未知的情况相比，已知位的出现能提供更高的灵活性和更好的性能。

在一个TDMA系统的常规操作中，当从一个移动设备或终端通过一个基站第一次建立一个呼叫时，移动设备从它在系统的下行链路控制信道上所见到的信号，即从由基站发射的信息中，提取其时间基准。不同移动设备的传输时序可以不同，使得不同移动设备的传输在不同的时间到达基站。缩短突发用于使一个基站及与之通信的移动设备间的传输同步。在IS-136系统中，如果在一个业务信道指配消息上的一个标志被置位，则当进行初始业务信道分配或进行基站间的交接时，移动设备发射缩短突发用于时间调整的目的。缩短突发具有保护时间，以避免同其它移动设备的干扰，它优先于与基站的通信同步。

图2A和B示出了本发明方法的一种形式，其中，使用了现有移动电话，基站和蜂窝网络设备，利用缩短突发和其它业务信道突发来定位一个移动设备。当在第10步，一个基站接收到一个请求或查询一个位置信息的呼叫时，例如当移动设备拨打紧急呼叫电话911时，或在建立呼叫的过程中，出于任意目的请求定位时，则在第11步，基站首先为移动设备标识一个可用的业务信道。然后，在第12步，确定该控制信道是模拟的(即，在IS-54中工作)还是数字的(即，在IS-136中)。如果控制信道是数字的，则在第14步，基站设置业务信道标志或指配消息，以启动缩短突发模式。通过将数字业务信道标志消息中的SB域置1，启动缩短突发模式。

下表中示出了数字业务信道标识消息的格式：信息单元           参考          类型           长度协议鉴别符                          M                2消息类型                            M                6DVCC               IS-136.2         M                8CMAC               IS-136.2         M                4CHAN                                M                11ATS                                 M                4SB                                  M                1协议版本                            M                4时间排列                            M                5延时间隔补偿模式                    M                1语音模式                            O                10子地址                              O                20-180消息加密模式                        O                13高频带信息                          O                6显示                                O                12-668

若控制信道是模拟的，则移动设备按缺省情况发射缩短突发。在第16步，主基站或服务基站指示至少两个相邻基站测量指定业务信道上来自该移动设备的缩短突发信号的到达时间。在市区，需要两个或更多这类相邻基站以将位置的三角测量精度限制在125米以内或更小。

在人迹罕至的区域，很难有两个相邻的基站。在这种情况下，可以将与距离或范围有关的测量值与在主基站和/或另一个相邻基站接收的突发信号的到达角测量值组合起来，以确定该移动设备的位置。可以利用主基站和/或附加基站处的多个天线设备确定到达角。换一种方式，通过参照地理信息排除可能的始发点，可以用少于三个基站来确定位置。例如，如果会得出传输来自一个火山，水系，军事禁区等，则可排除该可能的始发点。

一旦相邻基站被激活，则在第18步，主基站(即主要同该移动设备通信的基站)向移动设备发送业务信道标志。该传输启动一个数字控制信道上的缩短突发模式并继续一个模拟信道上的缩短突发传输。然后，移动设备在有规则地指定的时隙中向主基站发送其突发，且选定的相邻基站也拾取该信号。在第20步，每个接收基站都测量缩短突发传输的到达时间或一些其它的与距离有关的参数，它们表明该移动设备到每个基站的距离。

几个基站向主基站报告它们对突发的时间测量值，或者，它们中的每一个都向一个移动定位中心(MPC)，一个交换中心，一个警力分配中心或其它这类中心控制站报告，在第24步，控制站确定来自每个站的测量值的精度。如果确定来自所有选定基站的测量值精度是足够的，则在第25步，使主基站向移动设备发送一个时间调整信号，以使该移动设备的时隙与主基站同步。然后，在第26步，在控制站中使用该测量值确定移动设备的位置。

如果移动设备的一个或多个测量值精度不够，则基站继续对随后的突发作到达时间测量，直到获得足够的测量精度，或到了5秒钟的时限，或是到了一些选定的更短的时间限制。如果到了时限而仍没有满意的测量值，则在第27步，主基站向移动设备发送时间调整值。在一个实例中，在第28步，系统可以随后标识一个可用的业务信道以转接该移动设备。该信道可以与前面使用的信道一样，或者可以使用一个不同的信道。然后，可以从第12步开始，继续以前面所述的方式，重复检测移动设备位置的过程，直到确定了足够精确的位置。这一操作的缺点是，提供了两个或更多个连续的5秒钟短突发传输，这将导致不希望出现的对一个呼叫的话音传输的长时间的干扰。若利用持续5秒钟或其它一些设定时间的缩短突发，无法以足够精度确定位置，则可通过使用话音突发来增强定位精度的方法来避免这一问题。

如图2A和B所示，如果包含话音业务传输的话音突发可被用于提供连续的位置测量值，则不必使用附加的连续5秒钟缩短突发，就能增强位置测量值的精度。通过在第27步，时间排列被送给移动设备之后，在第29步测量话音突发的到达时间，可以得到本操作。在第31步，检查这些测量值的精度，若精度可以接受，则在第26步，计算移动设备的位置。若精度不能被接受，则检查一个话音突发时间限制，例如5秒钟。若还未到达该时间限制，则系统继续测量话音突发的到达时间，直到达到该话音突发时间限制，或是得到了一个可被接受的位置测量值。如果到达话音突发时间限制，则在第28步，标识一个可用的业务信道，系统重新使用缩短突发来检测移动设备的位置。该过程可以继续，直到以足够精度检测到移动设备的位置。

如果如在第30步中那样，在一个呼叫建立之后，该呼叫被标识为一个由移动设备或主基站请求定位的呼叫，则在第28步，主基站为该呼叫标识一个业务信道。然后，在第12步开始，如前面所述，继续定位移动设备的过程。

下面，将解释利用到达时间测量值计算移动设备位置的过程。参照图3，总地来说，移动设备32位置的坐标点可以表示为信号从该移动设备到任意基站34，36或38所需时间的函数。该关系式可表示为： $\mathrm{tc}=\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y)}^2}---\left(1\right)$ 其中，t是传输从移动设备到达基站所用的时间，c是光速，(x，y)是移动设备的坐标位置，(X_bs，y_bs)是基站的坐标位置。传输时间等于信号到达基站的时间与信号从移动设备发出的时间之间的差值。这样，公式(1)可化为： $(t_R-t_T)c=\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y)}^2}---\left(2\right)$ 其中，t_R是信号在基站被接收的时间，t_T是信号由移动设备发送的时间。公式(2)有三个未知数：发射时间t_T，移动设备的x坐标及移动设备的y坐标。如果在三个基站34，36和38进行测量，则可以生成三个方程式，每个都有三个相同的未知数。在每个方程式中，接收时间t_R，基站x坐标和基站y坐标都不相同，利用已知的代数技术解这些方程式可以得到移动设备的x和y坐标。

当要求跟踪移动设备时，可以使用一个已知的卡尔曼滤波跟踪逼近。为了确保计算精度，卡尔曼滤波跟踪逼近自动给出移动设备位置的计算估计值的标准偏差。该标准偏差可被用来以已知方式估算位置计算的精度。换一种方式，或者另外，基站可以取得从该移动设备接收的信号的质量测量值。例如，每个基站都可以测量从该移动设备接收的信号的信号强度(RSSI)。该信号质量测量值与用于位置计算的时间测量值一道，被发送给主基站或其它控制站。控制站可以使用信号品质测量值执行一个质量检查。如果测量值精度不足以获得计算移动设备位置所希望的精度，则重复该测量过程。为重复测量过程，控制站将命令主基站34重复控制消息。在重复控制消息之后，主基站和周边基站36和38将再次检查标准偏差并/或从移动设备获取控制消息响应的测量值并将该新测量值传送给控制站。根据需要，该过程可重复几次直到获得所需精度。在计算移动设备位置之后，控制站将移动设备的位置发送给一个紧急呼叫中心或其它应用程序处理中心。

对所用方法，信号，时隙之类的改变将不脱离本发明的范围和精神。例如，可以使用一个到达时间差方法或其它距离测量方法来测量从基站到移动设备的距离，这不脱离本发明。也可使用不同的测试方法来确定位置测量值的精度，还可使用业务信道突发而不是缩短突发和话音突发来测量移动设备的位置。所有这些在附加权利要求范围内的变动也同样在本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种在包含多个基站的移动通信系统中确定一个移动通信设备(32)的位置的方法，该系统使用该移动设备到一个主基站(34)的业务信道上的缩短突发传输，并使用来自主基站的相应的应答时间调整信号，该信号使主基站与该移动设备间的通信同步，该方法的特点是以下步骤：

在所述移动设备的地理邻近区域，选择至少两个相邻基站(36，38)；

所述相邻基站从所述移动设备接收所述缩短突发(14)；

使用缩短突发中的至少一个信号确定主基站和相邻基站到所述移动设备的距离(16)；并

由所述距离计算移动设备的位置(20，26)。

2.如权利要求1，其特征在于是下列步骤：判断该移动设备所用控制信道是模拟的还是数字的(12)，若该信道是数字的，则设置业务信道标识以启动所述移动设备的缩短突发工作模式(14)。

3.如权利要求1的方法，其特征在于是下面步骤在主基站计算该移动设备的位置(26)。

4.如权利要求1的方法，其特征在于是下列步骤：当移动设备建立一个由所述主基站服务的呼叫时，确定该移动设备的位置.

5.如权利要求1的方法，其特征在于是，在主基站为该移动设备建立一个呼叫之后，定位该移动设备的位置。

6.如权利要求1的方法，其特征在于是，估计距离测量值的精度，只有在该测量值足够精确时，才计算移动设备的位置。

7.如权利要求6的方法，其特征在于是：

如果在一个设定时间内仍未得到缩短突发信号的足够精确的距离测量值，则调整移动设备的时隙；

由移动设备生成话音突发；并

由至少一个所述话音突发的足够精确的距离测量值，计算移动设备的位置。

8.如权利要求7的方法，其特征在于是，若从话音突发中得到的距离测量值不够精确，则启动缩短突发的传输。

9.如权利要求1的方法，其特征在于是使该系统工作在IS-54下。

10.如权利要求1的方法，其特征在于是使该系统工作在IS-136下，并且向移动设备发送一个业务信道标识消息，启动该设备发送所述缩短突发。

11.如权利要求1的方法，其特征在于是，测量所述缩短突发的信号到达时间，并根据该到达时间测量值确定距离。

12.如权利要求1的方法，其特征在于是：测量移动设备与主基站及相邻基站间的缩短突发的信号到达时间差，并根据该到达时间差测量值确定该移动设备与这些基站间的距离。

13.如权利要求1的方法，其特征在于是，继续距离测量并利用它们跟踪该移动设备。

14.如权利要求1的方法，其特征在于是，检测至少三个基站的突发传输的到达时间并求解至少三个公式，得到所述移动通信设备的x、y空间坐标。

15.如权利要求1的方法，其特征在于是检测至少三个基站的突发传输的到达时间差并求解至少三个方程式，得到所述移动通信设备的x、y空间坐标。

16.如权利要求1的方法，其特征在于是，导出至少三个基站的距离测量值，估计所述距离测量值的精度，并且只有在该距离值足够精确时，才利用该距离测量值来确定移动通信设备的位置。

17.如权利要求1的方法，其特征在于是：

将由缩短突发传输导出的距离测量值进行组合，如果在一个预定时间之后，距离测量值仍不够精确，则停止组合；

调整并同步该移动通信设备的一个时隙；

由该移动通信设备生成话音突发信号；

从由多个基站的每一个接收的至少一个话音突发信号中，导出一个该移动设备到这些基站的距离测量值；并

从话音突发的至少一个信号的足够精确的距离测量值，确定所述移动通信设备的位置。

18.如权利要求1的方法，其特征在于是，利用所述基站处的突发传输的到达角计算该移动设备的位置。

19.如权利要求1的方法，其特征在于是，根据一个可能位置的已知地理特性，排除该移动通信设备的可能位置。

20.根据权利要求14的方法，其中解有关所述移动通信设备的x、y空间坐标的至少三个公式包括为每个移动站解以下等式 $\mathrm{tc}=\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y)}^2}---\left(1\right)$ 其中t是从移动通信设备到基站的传输所用的时间，c是光速，X_BS，Y_BS是基站的坐标。

21.根据权利要求15的方法，其中解有关所述移动通信设备的x、y空间坐标的至少三个公式包括为每个移动站解以下等式 $(t_R-t_T)c=\sqrt{{(x_{\mathrm{bs}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{bs}}-y)}^2}---\left(2\right)$ 其中t_R是在基站接收的时间信号，t，是移动通信设备发送的信号，而X_BS，Y_BS是基站的坐标。

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