CN1254999C - 在蜂窝通信网中确定位置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定蜂窝手机，例如电话或PDA，位置的到时(TOA)方法，包括使无线终端(MWT)适应在拥有多个第一基站(GSM1到GSM3)的第一网络(GSM)上工作，和实施相对于由一个或多个第一基站发送的测距信号的位置测量，使无线终端适应在拥有多个第二基站(UMTS1到UMTS3)的第二网络(UMTS)上工作，和实施相对于由一个或多个第二基站发送的测距信号的位置测量。位置测量结果被组合，并从所组合的测量结果确定无线终端的位置。可由无线终端(MWT)或远距离站确定位置坐标，位置测量结果由无线终端中继到远距离站。

Description

在蜂窝通信网中确定位置的方法
技术领域
本发明涉及一种在蜂窝通信网中确定位置的方法，该方法依靠移动无线终端根据对测距信号的到达时间(time of arrival)(TOA)测量确定它的位置，这些测距信号是由几个其地理位置或其天线位置被准确知道的基站发送的。这样的方法在本领域中一般称为蜂窝定位。
背景技术
使用TOA作为确定位置的一种手段本身并不是新的。为了获得可靠的位置修正(fix)，移动无线终端应该能够从至少3个基站接收优质信号。在一种典型的蜂窝网中，在许多情况下(例如在乡村地区或城市的凹地)从不同的基站接收三个或多个信号的概率是低的，既使接收三个分离信号是可能的，其中一些也将被严重衰减地到达移动无线终端(或手机)，尤其是在城市地区，由于需要最低限度三个信号，选择最佳测量结果和删除较不可靠的测量结果是不可能的。结果使每个TOA测量结果可能有不同的可靠性。
一种改进TOA测量可靠性的方法公开在美国专利说明书5,999,124中，其中将GPS卫星的TOA测量和从蜂窝网测距信号得到的测量结果的组合用于改进移动无线终端对位置的计算。在开阔地区使用GPS卫星是可接受的，移动无线终端可以接收优质无线电信号，但是在城市地区或室内是不太能接受的，因为建筑物或墙可以阻挡或衰减来自卫星的信号。
发明内容
本发明的一个目的是改进确定移动无线终端位置的可靠性和使用TOA技术时的估算精度。
依据本发明的一个方面，在此提供一种确定移动无线终端位置的方法，包括：使无线终端适于在第一网络上操作，第一网络具有多个第一基站并相对于一个或多个第一基站实施位置测量；使无线终端适于在第二网络上操作，第二网络具有多个第二基站并相对于一个或多个第二基站实施位置测量，其中第一和第二网络根据不同的标准操作；将所获得的位置测量结果进行组合；并从所组合的测量结果中确定无线终端的位置。
依据本发明的另一方面，在此提供一种蜂窝通信系统，包括：由地理上分布开的第一基站组成的第一网络；由地理上分布开的第二基站组成的第二网络，其中第一和第二网络根据不同的标准操作；和至少一个移动无线终端，包含：用于从第一网络和从第二网络接收无线信号的装置；用于交替地选择从第一和第二网络接收的信号的装置；以及用于从选择的信号中确定终端位置的到达时间(TOA)确定装置。
依据本发明的又一方面，在此提供一种移动无线终端，包括：用于从第一网络和从第二网络接收无线信号的装置，其中第一和第二网络根据不同的标准操作；用于交替地选择从第一和第二网络接收的信号的装置；和用于从选择的信号中确定终端位置的到达时间(TOA)确定装置。
通过能够接入至少两个网络，有可能获得多个TOA测量结果，也就是三个或多个测量结果，和对每个测量结果赋于置信度指示或加权指示。这样当实施蜂窝定位时，无线终端可以选择最佳的k个测量结果，其中k等于或大于3。依据本发明的方法的另一个好处是在一个网络对于要确定的位置修正来说并不具有足够的基站的情况下能够通过蜂窝定位获得位置修正。具有多个TOA测量结果的又一个好处是可以利用空间分集，也就是这样的事实，即多径将来自不同的路径和可以被平均掉，或者当两个网络操作在不同的频段中时可以利用频率分集来改进系统。
在本发明的一个实施方案中，移动无线终端是多模式，例如双频段的终端，能够操作在几种类型的蜂窝系统中，如GSM和UMTS 3G FDD模式或IMT-DS(在英国)，IS-95和IS-136(在美国)，GSM和CDMA2000(在南美)以及PHS和W-CDMA(在远东)。在GSM和UMTS的情况下，GSM基站是不同步的，需要一种称为增强的观测时差(EnhancedObserved-Time-Difference)(E-OTD)的技术。除了测距信号外，E-OTD需要从各个基站接收所要求的定时偏置信息。对于利用多网络定位来说，使用多模式移动无线终端的一个好处是不需要额外的硬件加到终端中。另外，估计到即使在完全部署UMTS 3G FDD模式或IMT-DS网络的情况下，一个UMTS接收机将有12％的时间看不到2个以上的基站，因此仅仅利用UMTS网络将不能够确定它的位置。通过能够从第二网络获得定位信息，可以提供完全的定位服务。
在本发明的另一个实施方案中，第一和第二网络按照相同的标准操作。
如果需要的话，可将测量结果发送到一个远程站上，将这些测量结果组合和确定无线终端的位置。作为选项，远程站可以将所确定的位置发送到无线终端。
附图说明
现在将通过举例，参考附图描述本发明，其中：
图1是一种双频段蜂窝电话系统的方框简图，
图2是一种双频段GSM-UMTS电话的方框简图，和
图3是示出双模式接收机相关函数的图形，横轴用样本数(时间)定标，纵轴表示归一化的相关。
在图中相同的参考数字用于指明相应的特性。
具体实施方式
图1中所示的双频段蜂窝电话系统包括含有三个地理上分布开的GSM基站GSM1，GSM2和GSM3的第一网络以及含有三个地理上分布开的UMTS 3G FDD或IMT-DS基站UMTS1，UMTS2和UMTS3的第二网络。多个双频段模式移动无线终端，例如蜂窝电话，PDA或其他能够在系统上通信的设备，能够漫游进出各个基站的无线电覆盖区域，图上示出一个终端MWT。每个特定系统的基站被，例如地面线路，连到系统控制器(未示出)，控制被如此组成的网络的操作。基站GSM1到GSM3和UMTS1到UMTS3中每一个包括一个无线电发送接收机和一个控制器。
为了使移动无线终端MWT能够利用到达时间(TOA)测量确定它的位置，各个基站发送测距信号。测距信号可以包括每个基站或它的发射天线的位置的详细数据，如果天线没有与基站放在一起的话。如果需要的话，可以从不同的来源获得基站的位置，从MWT自身的数据库或一个远程数据库获得。终端MWT分析测距信号以便完成到达时差(TDOA)测量。GSM基站是不同步的，需要一种称为增强的观测时差(E-OTD)的技术。这种技术需要终端MWT要求基站GSM1，GSM2或GSM3除了测距信号外要供给定时偏置信号。
利用双频段蜂窝系统之一，也就是GSM或UMTS，MWT需要来自至少3个基站的可靠的TOA测量结果。然而，在城市地区测距信号可被严重衰减地到达，而且所述的各个GSM没量的可靠性也是可以不同的。在UMTS的情况下，估计终端MWT将在12％的时间内看不到2个以上的基站。
为了能够获得可信赖的位置确定，双频段终端MWT既使用GSM又使用UMTS系统。
图2示出一种GSM/UMTS移动无线终端的方框简图。终端包括一个UMTS发送接收机10和一个GSM发送接收机12，它们的输出11，13被连到转换开关16的各个端点14，15。来自所选的发送接收机10或12的测距信号被施加到TOA估值器18。然后定时估值被中继到定位算法级20，确定终端MWT的位置。结果被传送到控制器22，按照预先存储的软件控制终端的操作。LCD屏幕24被连到控制器22，可用于显示终端MWT的位置。一个键板26，话筒28和场声器30也连到控制器22。
在GSM测距信号的情况下，TOA估值器18进行GSM E-OTD定位测量，当切换到UMTS发送接收机10时，进行UMTS TDOA测量。可以在接收机10和12中实现相对时间差的排除。
定位算法级20将某些或全部的E-OTD和TDOA测量结果组合。它们可按一种适当的统计算法编组或排序，例如直方图，或可单独加权，使得不可靠的或不太可靠的测量结果被较少地加权或删掉。通过能够使用范围更大的基站，位置修正算法也将得到更准确的结果。
虽然终端MWT通过E-OTD方法进行TOA测量和减去观测到的时间偏置，定位算法将包含区分TOA测量结果以便除去由于MWT振荡器的偏置引起的公共的定时误差。
在GSM和UMTS基站对安放在一起的情况下，如GSM1和UMTS1，GSM2和UMTS2以及GSM3和UMTS3，频率分集可能有助于组合分离的定时估值。作为一个例子，GSM网络工作在900MHz或1800MHz，传播特性与在2100MHz上的UMTS下行不同。即使TOA估值提供相同的距离，仍可选取具有较高可靠性，例如最大信噪比(SNR)的信号。图3用实线示出GSM TOA估值32，用虚线示出UMTS信号34。将注意到在样本50的区域中GSM TOA估值具有清晰确定的峰值，而UMTS信号是有噪声的，微弱的，其峰值是无法确定的。因此，G-SM TOA估值32具有最大的SNR，可被信赖地选取。
图3也可用于说明在空间分集的情况下来自一个基站的非视线测量结果，曲线34与来自另一个基站的清晰测量结果，曲线32的对比关系，在这种情况下基站并未安放在一起，多径特性可以是完全不同的。
实际上，一个处于UMTS模式的双频段MWT从所述的2个UMTS基站取得距离测量结果，然后切换到GSM模式，并从4个GSM基站取得距离测量结果。考虑TDOA，将有6个TDOA测量结果可从TOA估值器18(图2)传送到三角测量算法级20(图2)。这样得到比从单独利用GSM或UMTS可得到的要多的测量结果，结果定位将更准确，因为它是基于较好的测量结果。
由于能够选择更好的测量结果，所以获得显著改进的位置估值。举例来说，以下的结果是对于不同的城市地区在精确相同的条件下利用精确相同的算法获得的。输入是从一个网络的仅仅3个基站和从另一个网络的7个基站接收到的，然后采用加权-误差越低性能越好。
误差(以米为单位，67％情况)
 来自相同网络的3个基站的信号   至少2个网络上的7个基站
  城市地区A城市地区B差的城市地区  92米83米156米   70米36米96米
通过选择较好的测量结果，在某些情况下准确度可以获得超过100％的改进。
在图1和2所示的实施方案的一种未示出的变型中，第一和第二网络中的基站按照相同的标准，如GSM或UMTS工作，为了避免第一和第二网络中每个网络的操作者必须为TDOA定位安装比正常的语音和数据操作所需的要多的基站，操作者们有一个协议，从而移动无线终端提供有必要的软件，使它们能够不仅从它们自己的网络而且也从在相同地区中拥有基站的至少一个其他的竞争网络提取包括它们的基站位置的下行测距信息信号。因为进行TOA测量的基站位置是至关重要的，可以使用任何方便的手段下载这种信息，例如，一种小型的邻居数据库。这样，移动无线终端和/或基站能够根据从至少2个网络可得到的最佳信号计算它的位置。
如果移动无线终端被设计成按照单一标准操作，则它将拥有一个单一的发送接收机而不是图2中所示的两个发送接收机。
为了描述方便，移动无线终端已经在上下文中描述成能够在单一频段或双频段中操作。然而，本发明的讲授内容可被应用到多频段和多标准中。
如果需要的话，操作者和/或服务提供者可以对能够从它自己的网络以外的一个网络或若干网络接收测距信息的这些终端收取手续费。
可选的方案是，可以在基站或远程站之一中进行位置修正。在这样一种情况下，基站可以包括这样的装置，如扇形天线，用于进行入射角(AOA)测量。一旦位置修正已被确定，可以将它中继到移动无线终端。可选的方案是，进行位置修正的基站或远程站可以进行它自己的与无线终端有关的TOA、TODA或AOA测量，并将这些测量结果与由无线终端进行的测量结果相组合，以计算位置修正。
工业适用性
位置确定系统和设备。

Claims (12)

1.一种确定移动无线终端的位置的方法，该移动无线终端能够依照根据不同的第一和第二无线电系统传输特性操作的至少第一和第二蜂窝通信网络操作，其中不同的第一和第二无线电系统传输特性给出不同的无线电传播特性，该方法包括：
使该移动无线终端适于依照可适用于第一蜂窝通信网络的第一无线电传输特性接收和发送信号，其中第一蜂窝通信网络具有多个第一地理上分布的基站并相对于一个或多个第一基站实施位置测量，并且接收所实施的位置测量；
使该移动无线终端适于依照可适用于第二蜂窝通信网络的第二无线电传输特性接收和发送信号，其中第二蜂窝通信网络具有多个第二地理上分布的基站并相对于一个或多个第二基站实施位置测量，并且接收所实施的位置测量；
组合通过第一和第二蜂窝通信网络获得的位置测量结果；和
根据组合的测量结果，确定该移动无线终端的位置。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，位置测量结果是增强的观测时差E-OTD。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，位置测量结果是到达时差TDOA。
4.如权利要求1或2的方法，其特征在于，位置测量结果在组合时被加权。
5.如权利要求1或2的方法，其特征在于，使用入射角AOA测量结果，可选择地与TOA或TDOA测量结果相组合，以确定该移动无线终端的位置。
6.如权利要求5的方法，其特征在于，该移动无线终端发送相对于第一和第二基站进行的位置测量结果到远程站，该远程站组合这些位置测量结果，并且该远程站从组合的测量结果中确定该移动无线终端的位置。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，该远程站发送该移动无线终端的位置数据给该移动无线终端。
8.如权利要求6的方法，其特征在于，该远程站进行有关该移动无线终端的位置的TOA、TDOA或AOA测量，并将这些测量结果与由该移动无线终端进行的测量结果相组合，以计算该移动无线终端的位置。
9.一种蜂窝通信系统，包括：
第一蜂窝通信网络，包括依照第一无线电系统传输特性操作的地理上分布的第一基站；
第二蜂窝通信网络，包括依照第二无线电系统传输特性操作的地理上分布的第二基站，其中第二无线电系统传输特性不同于第一无线电传输特性并且给出不同于第一无线电传输特性的无线电传播特性；
至少一个移动无线终端，该移动无线终端能够适于依照第一和第二无线电系统传输特性接收和发送信号，该无线终端包括：适用于从第一蜂窝通信网络中和从第二蜂窝通信网络中接收位置测量信号的装置；用于选择从第一和第二蜂窝网络中接收的信号的装置；和用于从选择的信号中确定移动无线终端的位置的到达时间TOA确定装置。
10.一种移动无线终端，包括：
用于使无线终端适于从第一和第二蜂窝通信网络中发送和接收无线信号的装置，其中第一和第二蜂窝通信网络依照不同的相应无线传输特性操作，其中不同的相应无线传输特性给出不同的无线电传播特性；
用于从第一蜂窝通信网络中和从第二蜂窝通信网络中接收位置测量信号的装置；
用于选择从第一和第二蜂窝通信网络中接收的位置测量信号的装置；和
用于从选择的信号中确定移动无线终端的位置的到达时间TOA确定装置。
11.如权利要求10的移动无线终端，其特征在于，用于接收的装置包括用于除去相对时差的装置，并且TOA确定装置包括TOA估值器和定位算法级。
12.如权利要求11的移动无线终端，其特征在于，提供加权装置，用于在信号越不可靠、加权函数越低的基础上对来自TOA估值器的输出加权。
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