CN1238896A - 无线系统中终端位置的确定 - Google Patents

Abstract

无线信号以多径传播形式通过无线信道传输，从而基站所接收的终端设备发送信号由传播了不同距离，因而在不同时刻到达接收机的多径分量组成。因此，根据多径传播信号的到达时差，可以析取出计算接收信号方位所需的所有信息。由多个天线元件组成的天线阵列首先接收多径传播信号。接着，确定信道脉冲响应的装置(41，…，4N)根据每个天线阵列元件的接收信号生成无线信道脉冲响应估计，之后，相关装置(46)将每个信道脉冲响应估计与从所述信道脉冲响应估计组中选出的一个基准估计相关。此外，所述装置选择给出最大相关的时延值作为接收信号的时差。最后，计算装置(46)根据如此确定的到达时差估计终端设备所发送的无线信号方位。利用两维天线阵列，可以估计接收信号的方位扇区和仰角。

Description

无线系统中终端位置的确定

本发明涉及一种定位终端设备在系统中位置的方法，在该系统中，一部分用户连接由终端设备和基站之间的无线连接构成。这种系统可以是，例如多个基站的蜂房移动无线系统，其中终端设备在连接期间可以从一个小区移动到另一小区。

在传统的系统中，终端设备和基站之间的连接期间终端设备的精确位置信息一般不十分重要。但是，在无线系统，例如蜂房电话系统规划中，必须考虑终端设备与基站的距离，尤其需要考虑在连接期间距离的变化。这在时分数字蜂房系统中尤为重要，在这类系统中，在给定传送时隙期间以脉冲串的形式实现传输。为了防止在相同载波频率的连续时隙上发送的脉冲串不会覆盖基站的接收信号，每个移动终端所发送的脉冲串在其结束处需要扩展一个特定时长的保护时间。这种保护时间是必要的，因为在相同无线载波上，但是在连续时隙上发送的移动终端与终端的距离是随机的，从而从基站到移动终端的无线电波的传播时间也随不同时隙而变化。确定保护时间之后，基站就能够在发送/接收帧的时限内测量基站所发送的脉冲串和从移动台接收的脉冲串之间的到达时差，从而计算定时提前(TA)，之后基站发送TA的值给移动终端。这样，基站基于从每个移动台接收的脉冲串动态控制它们的发送时间。在GSM系统中，定时提前可以赋值为0-233毫秒，这相对时隙总时长而言意味着以最大定时提前工作的移动终端与基站的距离不能超过35公里。

众所周知，发射信号源的定位总需要空间位置彼此不同的多于一台接收机。信号方向估计方法基于同一信号到达不同接收机所需的时差估计。接收信号到达时差估计通过关联不同接收机的输出信号来完成。只要最大相关函数值超过了预置阈值，给出所述相关函数最大值的信号间时延就代表了到达时差的最大似然估计。

在蜂房无线系统中，执行以上过程，使得多个基站，或者在单个接收机配备了天线元阵列的基站能够接收移动终端的发送信号。然后，从不同基站得到的接收信号或者单个基站的天线阵列可以彼此关联，从而确定到达时差，并进而确定接收信号的方位角。

这些传统方法的缺陷在于与它们所提供的精确性相关的计算复杂性。

但是，在某些情况下，需要网络提供尽可能精确的移动终端位置信息。一种这样的情况是在需要限制移动终端的移动，使得它仅在给定小区覆盖区域中出现时，或者在需要更详细的呼叫计费费率方案时。

在1996年8月30日提交的芬兰专利申请第963382号中给出了定位移动终端的一种方法，该专利申请在本申请提交之日尚未公开。该方法使用了定时提前的一个估计值，它是通信系统计算出的一个易于得到的值，正比于终端设备和基站之间的距离。虽然针对服务基站和终端设备之间距离计算的定时提前估计仅给出了终端设备到基站距离的一个大致估计，但是为许多基站计算出的终端设备定时提前估计已给出了终端设备位置的一个较好的精确度。后一种技术由GSM阶段2标准的OTD(观察时差)特性提供支持，它直接给出了从移动终端到不同基站的信号的传播时差。引用的专利申请还建议，在CDMA(码分多址)系统中，通过关联基站所发送的导频信号来确定移动终端位置。

终端设备的定位在授权网络中由为重要。这些网络是专用的蜂房网络，它们也专门设计成在不同的困难条件下工作。这样，网络能够识别终端设备的位置，而不需要移动终端操作者口头报告其位置是重要的。在开放网络中，移动终端位置信息也是紧急呼叫情况下所需的特性，因为紧急呼叫始发者不一定总是知道他的精确位置。

本发明的目的是提供一种移动终端位置方法，其特征在于简单的计算例程和现有通信网特性的最大利用程度。

本发明的目标通过后附独立权利要求中表述的内容实现。

本发明的基本思想是，因为无线信号以多径传播形式通过无线信道传输，从而基站所接收的终端设备发送信号由时散多径信号分量组成，这些信号分量传播了不同距离，因而在不同时刻到达接收机，根据多径信号分散的到达时差，可以析取出计算接收信号方位所需的所有信息。相应地，多径传播信号首先通过基站天线阵列接收多径传播信号，之后生成单个天线阵列元件所接收的信号的信道估计，然后加以关联以决定它们之间的相对时差。最后，根据单个天线信号的到达时间估计的这些差值计算接收信号的估计方位。

按照本发明的方法适用于传统的单维天线阵列，即所谓线性阵列，从而仅能够估计接收信号的方位角。按照本发明的优选实施例，使用两维或三维天线阵列。然后，方位角信息可以附加信号仰角估计信息。因此，通过几何规则，可以根据天线阵列地面高度的已知值，以及天线阵列所接收的信号的估计方位角和仰角，计算出终端设备的位置。

如果将该概念扩展到多个基站，每个基站配备同类型的天线阵列，则位置确定的精确性可以进一步改进。然后，可以按照本发明确定每个基站的接收信号方位估计，因而根据这些方位角估计可以计算出移动终端的实际位置。

所公开的方法较传统技术的最大优点在于它的计算简单。因为仅关联信道估计，可以大幅度减少所需的计算操作数量。它能达到的解析度至少与传统方法一样好，因为通过一个采样间隔的解析可以确定单个天线信号之间的到达时差，确定到达时差的复杂度较小，从而可以用于信号的后处理。尤其在使用两维或三维天线阵列的情况下，后处理可以使达到的精确度有大幅度提升，因为接收信号方位改变得相对较慢。

下面结合附图，详细考察本发明，在附图中

图l描述了蜂房网络；

图2示出了基站中的天线阵列；

图3示出了接收信号的时延分布图；

图4示出了接收机的框图；

图5示出了一些信道响应估计；

图6描述了信道响应估计之间的相关；

图7示出了该方法的流程图；以及

图8说明了移动终端距离的确定。

参看图1，示出了一种典型的蜂房系统，其中终端设备，此处是移动台MS，通过无线信道连接到基站BTS1，连接从基站进一步通过线路继续。终端设备可以在连接期间从一个小区移动到另一小区，要求无线信道相应地从一个基站越区切换到另一基站，例如以BTS1→BTS2→BTS3。

TDMA系统定位终端设备的一般方法需要使用估计定时提前值TA1、TA2和TA3。因为每个定时提前值正比于终端设备到基站的距离，所以易于根据这些定时提前估计来相对精确地估计终端设备位置。该方法在必须计算定时提前值的通信系统中尤为有利。

本发明吸取了使用传统天线阵列的思想。这种天线阵列由多个充当单个天线的天线元件组成。在这种天线阵列中调整天线元件的相位，可以控制所需方向或空间角上的最大辐射功率，而大幅度抑制其它方向上的辐射功率，即天线阵列用于形成所需的辐射模式。

天线阵列的最简单配置是单维线性阵列，其元件以线性方式等距离地分布；较为复杂的配置是两维阵列，其元件位于同一平面，例如在矩形的边角；最复杂的配置是三维阵列，其元件形成了一个空间结构，例如立方体或金字塔形。在每种天线配置中，分别提供对元件收发信号进行单独处理的装置。

现在参看图2，在天线杆22顶部安装了一个示例性的天线阵列实施例，它具有三维配置，包括xy平面上位于等距间隔的栅格交点的第一组天线元件a,b,c,d,e,f,…,k,l，以及也在xy平面上对应的第二组天线元件m,n，…等，空间上与第一平面相距垂直距离z。元件收发的信号在天线信号处理部件21中处理。

在后面的描述中，假定涉及的蜂房系统为CDMA系统，从而图2的基站利用为每个连接单独分配的扩频码，在整个传输带宽上扩展信息以进行传输。这样，终端设备，例如移动台MS(图1)利用它自己的扩频码在整个无线信道带宽上扩展它的发射功率，与基站BTS1建立连接。此外，假定基站配备有例如图2所示类型的二维或三维天线阵列。

终端设备所发送的CDMA信号的位置有待确定，它以平面波的形式到达基站天线阵列的每个元件。每个天线阵列元件所接收的信号都经受了多径传播，因而由不同时刻到达每个元件的多个时散信号分量组成。信号从每个天线元件进一步传送到传统瑞克接收机。每个天线元件都具有一个单独的接收机。

在图4中示出了一种接收机，包括N相关器组部件，在图中标记成部件41、42,…,4N。每个部件中，通过改变时延，使得从某个天线元件进入该部件的接收信号与发送终端设备用于扩展信号的相同码关联，从而根据接收信号可以得到多径传播分量。按照相关部件的数量N,N个多径传播分量可以解析成给定天线阵列元件和终端设备之间的无线信道的脉冲响应的组合形式。

在使用4个相关器部件(N=4)时，信道脉冲响应的外形可以类似于图3所示。其中，分支1由相关器部件1生成，分支2由相关器部件2生成，依此类推。分支的高度等于通过不同路径传播的每个信号分量的频谱功率，分支的距离正比于脉冲信号分量相对于表示基准时刻的0时刻点的到达时差。相应地，到分支1的到达时延是DT1，到分支2的到达时延是DT2，到分支3的到达时延是DT3，到分支4的到达时延是DT4。对应的多径信道响应估计可以从连接到天线阵列元件的每个接收机得到，所有的信号估计都被送到一个组合部件，在该部件中它们进行相干累加。然后将累加结果送到检测器。

对大部分部件而言，上述技术在本领域中众所周知。现在按照本发明，传统累加步骤又增加了关联每个接收机所生成的多径信道响应估计的操作。从相关器组中得到的多径信道响应估计及其传播时延值被送到相关器/位置计算部件46。因为接收信号方位估计基于同一信号到达不同接收机的瞬时之间的到达时差估计，这些时差估计可以在部件56中通过关联不同接收机的输出信号来实现。因此，部件56的输入信号还包括天线阵列元件其它接收机输出的信道响应估计。产生最大相关的信道响应估计之间的时延值给出了到达时差的估计，只要所述相关函数值大于预定阈值。

接下来参看图7解释本发明的功能。相关的实现最好使从任意一个天线阵列元件得到的多径信道响应估计E_REF被选为基准，阶段71。例如，在图2中，对阵列元件I的天线信号进行处理，得到的多径信道响应被选为基准。接着在该过程中，执行搜索例程以测试必须将从邻接阵列元件k的天线信号得到的多径信道响应估计临时偏移多少，才能与从阵列元件I的天线信号得到的多径信道响应估计E_REF达到最佳吻合(匹配)，步骤72。在这种相关达到最大之后，存储临时偏移的对应值t₁，它等于到达时差，步骤73，按顺序对下一天线阵列元件j进行同样的相关操作。这样，对相关器部件所生成的每个多径信道响应估计依次重复相关例程，之后得到每个天线阵列元件接收信号的多径信道响应估计的最佳匹配。其中必须注意，连接到天线阵列元件的接收机必须工作在同步模式，才能得到正确结果。

在处理完该天线阵列元件接收的每个信号之后，得知每个天线阵列元件信道响应估计应当相对于基准元件的分支图(参看图3的分支图)临时偏移多少，从而解决了每个天线阵列元件中接收信号相对于基准元件接收信号的时延差。因此，可以计算天线信号的方位，阶段75。

相关过程在图5中进一步阐述，该图的上半部分示出了基准元件I的接收信号的信道响应估计的4分支图，而下半部分示出了天线阵列元件e相应的4分支信道响应估计。信道响应估计以相同的时间刻度绘出，通用时间基准点由基准元件自身的信道响应信号分支的基准时间点组成。相关的功能是发现这样一个时移值，该时移值应用于元件e₁的信道响应估计时，能够最大化每个所需相关函数的值。

图6说明了天线阵列元件e的信道响应估计沿时间轴移动时，相关函数的可能外形。从该图中可以看出，当元件e的信道响应估计偏移时间t_e时，可以得到最佳相关。显然，该时间也等于天线阵列元件接收的信号之间的到达时差。

在计算了每个天线元件接收信号之间的到达时差之后，可以利用图8的几何表示来估计接收信号方位。如果所用的天线阵列是单维线性阵列，则仅能确定接收信号的扇区，即其方位角，而无法计算终端设备的距离。在大多数情况下，终端设备方位扇区的信息就已足够。但如果天线阵列是两维或三维的，则还可以计算出接收信号的信号仰角b。这样，根据信号源的已知的空间角度坐标(方位和仰角)，可以应用普通的几何规则来计算终端设备到基站的距离d。于是，该过程能够定位终端设备。

如上所述，本方法的基本点在于，根据多径信号的到达时差析取定位接收信号方位所需的所有信息，从而接收信号所承载的其它信息，例如用户发送信号扩展码或发送的码元数据，不会影响接收信号方位的估计。

本发明最有利的应用是CDMA系统，因为多径信道响应估计是连续的，并且CDMA接收机可以直接使用，从而避免了单独计算。在TDMA系统中可以发现本发明的另一种可能应用，在TDMA系统中，为了调整信道均衡器而需要计算接收信号的信道脉冲响应。多元件天线阵列提供了多个信道响应，它们与通用时间基准点相关，之后可以计算多径传播时差。最后，可以根据到达时差计算接收信号方位。

在这两种应用中，可以对结果进行处理，例如低通滤波来提高计算精确度，因为实际条件下接收信号方位以相对较慢的速率变化。因此，滤波处理从移动台距离估计中删除了随机瞬态变化。

类似于本领域中已知的所有其它技术，本方法的精确度很大程度上依赖于无线信道的质量。如果基站和终端设备之间可以建立直接视距，则移动台的位置易于确定，但是在大信道响应散布情况下，接收信号由多反射信号分量组成，则终端设备的定位将难以完成。这种情况会出现在网络的大的宏小区中。

按照本发明的方法的以上描述仅涉及应用于单个基站。在需要时，利用所谓的宏分集技术可以改进终端设备定位的精确度，这也意味着扩展计算栅格以覆盖邻接基站。因此，通过每个基站所计算的方位估计可以实现移动终端的定位。这种方案假定将方位信息搜集到单个点，从而完成终端设备位置的最终计算。在这种方案中，不同基站的接收机不一定需要运行在互同步模式下，但是基站应当具有相同的天线阵列，并且每个基站中连接到天线阵列的接收机必须运行在互同步模式下。

Claims (10)

1．一种定位终端设备在系统中位置的方法，在该系统中，一部分用户连接由终端设备和基站之间的无线连接构成，其中终端设备所发送的信号由基站天线以多径传播信号的形式接收，所述天线包括多个天线元件组成的天线阵列，

其特征在于，

根据每个天线阵列元件的接收信号生成无线信道脉冲响应估计，

每个信道脉冲响应估计与从所述信道脉冲响应估计组中选出的一个基准估计相关，每个信道脉冲响应分量的传播时差被设置成等于给出最大相关的传播时延值，以及

根据如此确定的时差估计终端设备所发送的无线信号方位。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于，所用的天线阵列是一个最少两维的阵列，从而可以将无线信号方向解析为接收信号的方位扇区和仰角。

3．根据权利要求1的方法，其特征在于，所用的天线阵列是一个单维阵列，从而仅能将无线信号方向解析为接收信号的方位扇区。

4．根据权利要求1的方法，其特征在于，所述系统是CDMA系统，且利用CDMA接收机直接可用的信道脉冲响应估计。

5．根据权利要求l的方法，其特征在于，

在多个基站接收所述终端设备所发送的无线信号，以及

根据每个基站估计的方位信息解决所述终端设备的定位。

6．根据权利要求1或5的方法，其特征在于，解决的方位信息需要经过低通滤波。

7．一种系统，其中一部分用户连接由终端设备和基站之间的无线连接构成，该系统中终端设备所发送的信号由基站天线以多径传播信号的形式接收，所述天线包括多个天线元件组成的天线阵列，

其特征在于，所述系统还包括

装置(41,…,4N)，用于确定信道脉冲响应，所述装置根据每个天线阵列元件的接收信号生成无线信道脉冲响应估计，

相关装置(46)，所述装置将每个信道脉冲响应估计与从所述信道脉冲响应估计组中选出的一个基准估计相关，所述相关装置为每个天线阵列元件选择给出最大相关的时延值作为接收信号的时差，以及

计算装置(46)，用于根据如此确定的到达时差估计终端设备所发送的无线信号方位。

8．根据权利要求7的系统，其特征在于，所述的天线阵列是一个最少两维的阵列，从而可以将无线信号方向解析为接收信号的方位扇区和仰角。

9．根据权利要求7的系统，其特征在于，所用的天线阵列是一个单维阵列，从而无线信号方向仅能解析为接收信号的方位扇区。

10．根据权利要求7的系统，其特征在于，所述系统是CDMA系统，且所述确定信道脉冲响应的装置(41,…,4N)是传统CDMA接收机的一个固有部件。

Images