CN1288938C - 通过位置确定来促进硬切换的移动通信系统 - Google Patents
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Abstract
一种促进适于与电信网络一起使用的切换的系统。该系统包括定位设备,用于确定移动收发机26在包含第一小区22和第二小区24的范围中的位置。比较电路将该范围与在区域内的预定切换区域相比较,并响应于此提供控制信号。切换启动电路响应于控制信号,启动移动收发机26在第一小区22和第二小区24之间的切换。位置数据库50具有表示第一和第二小区22,24的覆盖区与预定切换区的地图信息。选择器运行软件,该软件用于将该位置与地图信息相比较并当所述位置在所述预定切换区内时提供控制信号。基站18包括和实施用于响应于控制信号完成硬切换的指令。
Description
发明领域
本发明涉及通信系统。特别是,本发明涉及在电信系统中促进切换的系统和方法。
相关技术的描述
蜂窝状电信系统的特征在于多个移动单元(例如,蜂窝电话)与一个或多个基站进行通信。由基站接收由移动单元发送的信号,并经常中继到移动交换中心(MSC)。MSC反过来把信号发送到公共电话交换网(PSTN)或者到另一个移动站。类似地,可从公共电话交换网通过基站和移动交换中心将信号发送到移动单元。
每个基站覆盖其中移动单元可进行通信的‘小区’。小区覆盖有限的地理区域,并通过移动交换中心把呼叫从移动单元发送到电信网络,或者从电信网络发送到移动单元。典型的蜂窝状电信系统的覆盖区域被划分成几个小区。经常将不同的通信资源(诸如,频率)分配给每个小区,以便使通信系统资源最大。当移动单元从第一小区移动到第二小区,那么执行切换以分配与第二小区相关的新系统资源。
切换包括在移动站与一个或多个管理基站和/或移动交换中心之间执行一组协商(negotication)指令。蜂窝装置电信系统一般要求及时的切换过程来使系统资源的利用率最大。当采用更小型小区来满足增加的通信系统容量的需求时,有效和及时的切换过程变得越来越重要。运用更小型小区增加小区边界跨越和频率分配的数量,从而增加对有效和成本低的切换触发(triggering)机制的需求。
及时的切换机制对于采用‘硬切换’过程的系统尤为重要。硬切换过程用于在邻近小区、不同频率分配和/或不同帧偏置之间传递正进行的呼叫,或者将移动站从码分多址(CDMA)前向话务(forward traffic)信道送到模拟语音信道。在硬切换过程中,断开与第一小区相连的第一链路,然后建立第二链路。(在‘软切换’过程中,保持第一链路直至建立起第二链路并且有一段时间内同时保持了第一链路和第二链路。)在硬切换的情况下,在放弃(dropping)第一链路和建立第二链路之间的巨大延迟可能导致不可接受的通信系统业务质量。
为了加强电信系统容量和业务质量,通常采用多层系统,其中宏区覆盖微区。巧妙地使用多层可以增加终端用户的性能和系统容量。例如,可将静止的用户分配给微区,从而他们在功率减小的情况下进行操作,并且干扰明显减小。当微蜂窝区容量耗尽时,将溢出的话务分配给宏区。典型地,微区具有比宏区更多的频率分配。当在多层系统中,移动单元跨越两层之间时,执行硬切换。
为了促进在邻近小区之间的硬切换,通常采用切换信标(beacon)。在每个小区中的信标传播具有围绕小区的有限范围的信号。当在第一小区中的移动单元检测到来自第二小区的信标时,将电话切换到第二小区。不幸的是,信标机制导致低效使用系统资源。对于这种信标分配的频带当前不支持诸如语音呼叫的话务。此外,信标可能要求附加昂贵的广播硬件。这些限定通常限制了通信系统小区的覆盖和容量。
另一方面,可在两个小区之间实行过渡区。过渡区重叠两个小区,并保持可由移动单元检测到的特定导频偏置信号。当移动单元检测到导频偏置时,触发硬切换。过渡小区必须基本上重叠第一和第二小区。重叠表示低效和冗余使用系统资源。此外,过渡小区不支持系统话务。
于是,在现有技术中需要快速、有效和低成本的系统来触发在蜂窝状电信系统中的硬切换。
发明概述
由本发明的电信系统提出在现有技术中的需要。一般,该系统包括设置以提供第一覆盖区的第一收发机、设置以提供第二覆盖区的第二收发机和适于与第一收发机进行通信的移动收发机。本发明的特殊新颖性在于提供了一种根据与第一或第二覆盖区相关的那部分移动收发机在移动收发机和第二收发机之间建立通信链路的机制。
在示例实施例中,本系统包括用于确定移动收发机在包含第一小区和第二小区的区域中的位置的机制。比较电路将该位置与区域中的预定切换区相比较,并响应于此提供控制信号。切换启动电路响应于控制信号启动移动收发机在第一小区和第二小区之间进行的切换。
在示例实施例中,切换是硬切换。定位设备(position equipment)包括全球定位系统(GPS)设备。GPS设备包括GPS接收机和设置在移动单元和GPS计算机处的信号接口以及设置在与第一小区和/或第二小区相关的基站的计算机。在具体实施方法中,对计算机进行编程,从而定位一组最佳GPS卫星供移动单元使用。计算机还包括用于根据在基站和移动单元之间的信号通过时间,求在移动站和基站之间的近似距离的指令。
通过位置数据库实施比较电路,其中位置数据库存储与预定切换区相对应的纬度和经度信息。比较电路还包括码分多址选择器。当它在预定切换区的预定范围内时,选择器开始跟踪移动收发机的位置,并响应于此提供跟踪信号。
切换启动电路包括第一电路,其中当如由切换启动电路通过来自选择器的跟踪信号所作出的确定那样移动站从第一小区内移动到预定切换区中时,上述第一电路实施移动站从第一小区到第二小区的切换的。切换启动电路还包括第二电路,其中当由切换启动电路运用跟踪信号所确定的那样移动站从第二小区移动到预定切换区时,上述第二电路实施移动站从第二小区到第一小区的切换。
在具体实施例中,通过第一或第二小区发送并由预定站接收到的导频偏置启动由选择器跟踪预定站;然后选择器提供跟踪信号。当移动站在预定切换区内时,跟踪信号是控制信号。
在示例实施例中,切换启动电路包括在移动站交换中心中运行的选择器组子系统(selector bank subsystem)。定位设备包括基站位置检测系统和用于确定移动站位置的移动站位置检测系统。比较电路包括选择器组子系统,它与位置数据库进行通信。位置数据库具有描述第一和第二小区的覆盖区和预定切换区的地图(map)信息。选择器组子系统运行软切换,它连续将位置与地图信息进行比较,而且当该位置在预定切换区内时提供控制信号。基站响应于控制信号实施完成硬切换的指令。
附图简述
图1是示例CDMA蜂窝电话系统的方框图。
图2是促进根据本发明的说明构成的硬切换的系统的方框图。
图3示出其中图2的系统实施硬切换的示例方案的电信覆盖区。
图4是示出完成在两个IS-95蜂窝状电信系统之间的硬切换的业务谈判过程的示图。
图5是示出完成在IS-95蜂窝状电信系统和ANSI/EIA/TIA.553蜂窝状电信系统之间的硬切换的业务谈判过程的示图。
图6是示出基站和无线(CDMA)通信系统的无线单元的示例实施方法的示图。
图7示出根据本发明的说明构成的基站的简化表示。
图8是确定本发明的无线CDMA收发机的位置的系统的无线单元的方框图。
图9是接收机、控制信号接口、数字IF和本发明的无线单元的无线解调器电路。
图10示出确定无线单元的位置的功能模块。
图11示出在时域中搜索窗口尺寸和中心的计算。
图12是示出校正本地时钟偏置(bias)的示图。
图13是本发明的一个实施例的简化方框图。
图14是本发明的另一个实施例的简化方框图。
发明描述
虽然这里参照对于特殊应用的示例实施例,描述本发明,但是应理解本发明并不局限于此。熟悉本技术领域并可理解这里所提出的说明的人员将认识到落在其范围内的附加修正、应用和实施例,以及其中本发明的使用十分有效的附加领域。
图1是示例CDMA蜂窝电话系统10的方框图。系统10包括移动交换中心(MSC)12,它包括基站控制器(BSC)14。公共电话交换网(PSTN)16将来自电话线和其他网络(未图示)的呼叫发送到/自MSC12。MSC12把来自PSTN16的呼叫发送到/自分别与第一小区22和第二小区24相关的源基站18和目标基站20。此外,MSC23在基站18和20之间传递呼叫。源基站18通过第一通信链路28把呼叫直接送到在第一小区22中的第一移动单元26。通信链路28是双向链路,具有前向链路30和反向链路32。典型地,当基站18已建立与移动单元26的语音通信时,将链路表征为话务信道。虽然每个基站18和20只与一个小区相关,但是基站通常管理或与几个小区相关。
当移动单元26从第一小区22移动到第二小区24时,将移动单元26切换到目标基站20。一般,在其中第一小区22重叠第二小区24的覆盖区域36中发生切换。
在软切换中,移动单元26除了建立第一通信链路28与源基站18的通信之外还建立第二通信链路34与目标基站20的通信。在移动单元26已进入第二小区24之后,它可放弃第一通信链路28。
在硬切换中,不建立通信链路34。当移动单元26从第一小区22移动到第二小区24时,放弃到源基站18的链路28,并形成与目标基站20的新链路。
本发明调节几种硬切换,包括系统间硬切换和系统内硬切换。当在给定蜂窝状电信系统(诸如,系统10)的控制下作进行操作的移动单元移动到电信系统的覆盖区之外,而且被切换到邻近系统(未图示)时,发生系统间切换。当两个电信系统相互邻近,而且邻近系统能够比当前服务系统10提供对移动单元26更好的服务时,发生系统内硬切换。邻近系统和服务系统10必须具有邻近服务区域。可在两个系统之间运用相同空中接口(air interface)或在两个系统之间运用两个不同的空中接口,进行系统间切换。
在具有分配给相同基站的多频的系统中采用系统内硬切换,以便有效地利用频谱资源并增加CDMA网络的容量。运用多频通常提供优于旨于容量增加的其他方法(诸如,小区分裂或小区扇区化)的优点。还可在相同系统的两个网络之间,运用两个不同空中接口进行系统间切换。
在多频系统中,当移动站从具有多频的区域移动到具有较少频率的区域时,要求硬切换。当移动单元从对服务频率的负载很小的区域移动到对服务频率的负载很高以及负载平衡的区域时,要求硬切换。
图2是促进根据本发明的说明构成的硬切换的系统40的方框图。在本具体实施例中,系统40适于与CDMA电信系统一起使用,它包括基站控制器14、基站18和移动单元26。基站控制器14包括选择器,即,与位置数据库50和CDMA互连子系统54进行通信的选择器组子系统48。系统40还包括与基站收发机58进行通信的基站位置检测系统56,两者都在基站18中。系统40还包括与移动站收发机62进行通信的移动站位置检测系统60,两者都在移动单元26中。
基站位置检测系统56包括全球定位系统(GPS)设备,如下面具体所述,以促进通过移动站位置检测系统60和GPS卫星定位移动单元26。在本具体实施例和下面的详细描述中,移动站位置检测系统60包括GPS接收机和相关计算机接口。
熟悉本技术领域的人员应理解对于本发明,除了或代替GPS定位技术之外,还可使用其他类型的位置检测技术,即,定位技术,而不偏离其范围。
在最佳模式下,基站位置检测系统56根据信号在空中接口链路64传播的时间,计算移动单元26离基站18的距离。由基站位置检测系统56通过空中接口链路64,将关于移动单元26的最优化GPS卫星的信息中继到移动单元26。移动单元26利用该信息来便于对GPS卫星的定位,而它反过来向移动单元26或基站18提供与从GPS卫星到移动单元26的距离相对应的距离信息。通过利用在基站18和移动单元26之间的距离,基站位置检测系统56排除了对移动单元位置检测系统60定位附加卫星的需要。
熟悉本技术领域的人员可理解,只要求两个GPS卫星和关于在移动单元26和基站18之间的距离的信息便可以两维精确地固定移动单元26的位置。
在通过基站位置检测系统56和移动单元位置检测系统60固定移动单元26的位置之后,通过A接口链路66将位置系统中继到基站控制器14。由CDMA互连子系统54接收位置系统,并传递到选择器组子系统48。选择器组子系统48运行软件,其中当移动单元26识别与靠近切换区域的区域相对应的导频信号并通过基站18将该导频识别信息中继到基站控制器14时,它启动检测移动单元26的位置。
位置数据库50存储电信系统覆盖区的地图信息并保持硬切换区域的位置。当移动单元26进入硬切换区域,正如选择器组子系统48通过位置数据库50所确定的那样,选择器组子系统48通过向CDMA互连子系统54和/或向补充服务附件(adjunct)47发出适当命令,启动硬切换过程。把补充服务附件47连接到与CDMA互连子系统54进行通信的呼叫控制处理器49。呼叫控制处理器49和补充服务附件47促进在基站控制器14和PSTN之间的呼叫的路由选择。在现有技术中已知补充服务附件47和呼叫控制处理器49的构成。可用标准移动开关来替换补充服务附件47,而不偏离本发明的范围。
在现有技术中已知启动硬切换过程所需的命令。硬切换过程将移动单元26切换到新小区的覆盖区,或者切换到新频率,或者从CDMA系统到模拟系统,或者到新导频偏置。在现有技术中已知选择器组子系统48、CDMA互连子系统54和基站控制器14。
此外,容易开发在选择器组子系统48上运行的用于将移动单元26的当前位置与在位置数据库50中的预定切换区域相比较的软件,而且熟悉本技术领域的人员可采用它。
在选择器组48上运行的软件通过从基站18或移动单元26接收到的位置信息监测移动单元26的位置,并通过将接收到的位置信息与存储在位置数据库50中的位置信息相比较来确定何时需要进行切换。
为了示例目的,示出呼叫细节入口(access)55、家庭位置寄存器和基站管理器52连接到在基站控制器14中的CDMA互连子系统54。呼叫细节入口55促进保持对每个移动单元用户的帐单(billing)记录。家庭位置寄存器53保持关于每个用户的信息,以及他们预订什么业务。基站管理器52监测系统14的整个操作健全情况。熟悉本技术领域的人员应理解可从系统40省略补充服务附件47、呼叫控制处理器49、呼叫细节入口55、家庭位置寄存器53和基站管理器52,或者用其他电路代替,而不偏离本发明的范围。
一旦基站位置检测系统56或移动站位置检测系统62检测移动单元26是在过渡区域中,而且将要被切换,就需要识别相关目标小区(见图1的24)。从连接选择器组子系统48的位置数据库50产生接收硬切换的特殊小区或扇区的标识。在由位置检测系统(56和/或60)报告的定位和根据到邻近系统或目标小区的硬切换指示消息识别的目标小区或扇区之间存在一一对应关系。该信息被认为是存储在位置数据库50中的静态结构信息。可定期或者按照需要更新数据库50。
图3是示出其中图2的系统40实施硬切换的示例方案的电信覆盖区70的示图。覆盖区70从左到右包括第一小区72、第二小区74、第三小区76和第四小区78。在第二74和第三76小区之下分别是第五80和第六82小区。在第一小区72中示出移动单元26,它途径其他小区74、76、78、80、82。
第一小区72、第二小区74和第五小区80是第一电信系统覆盖区84的一部分,并将第一频率f1用于话务信道通信。第三小区76、第四小区78和第六小区82是第二电信系统覆盖区域86的一部分。第三和第六小区76和82分别将第二频率f2用于话务信道通信,而第四小区78将第3频率f3用于话务信通通信。
第二小区74和第五小区80在第一覆盖区84和第二覆盖区之间的边界88处分别重叠第三小区76和第六小区82。在第二74小区和第三76小区之间的重叠形成第一切换区90,而且在第五80小区和第六82小区的重叠形成邻近于第一切换区域90的第二切换区域92。第三和第四切换区域94和96分别发生在第一和第二小区72和74之间的重叠区域中以及在第三和第四小区76和78之间的重叠区域中。
当移动单元26从第一小区通过第一边界98移动到第二小区74时,它检测到导频信号与第二小区74相对应。参照图2,当移动单元26检测到导频信号时,利用空中接口链路64和A接口链路66启动选择器48。选择器48开始在移动单元位置检测系统60和基站位置检测系统56的帮助下开始跟踪移动单元26的位置。一旦移动单元26分别进入第一或第二切换区域90或92,选择器48就开始通过基站控制器14启动硬切换。
当分别与第一和第二覆盖器84和86相对应的电信系统是CDMA系统时,将移动单元26从第一CDMA频率分配f1切换到第二CDMA频率分配f2。与第一覆盖区84相对应的基站控制器14必须将移动单元26传递到与第二覆盖区86相对应的不同基站控制器(未图示)。在现有技术中已知在移动交换中心之间执行切换的过程。
有效信号(active signal)组是包含移动单元26当前或潜在解调的所有导频信号的信号组。如果电话26所使用的有效信号包含分别(或两者)与第二或第五小区74或80相对应的导频偏置,那么选择器48将开始跟踪移动单元26,而且当移动单元26分别进入第一或第二切换区域90或92时启动硬切换。基站控制器14包括用于完成到新移动交换中心覆盖区的切换的指令,其中由选择器48响应于移动单元分别在第一或第二切换区域90或92启动该指令。移动单元26可同时与第一和第五小区72和80进行软切换。
当第一和第二覆盖区84和86分别由相同CDMA系统管理时,将移动单元25从第一CDMA频率分配f1切换到第二CDMA频率分配f2。基站18响应于通过选择器48和基站控制器14的硬切换启动,指导移动单元26来根据电信标准IS-95A的第7章,通过把扩展切换方向消息或切换方向消息发送到移动单元26,执行CDMA-到-CDMA硬切换,如图4所示。将这些消息设计成促进移动单元26在不相邻(disjoint)基站组、不同频率分配或不同帧偏置之间的跃迁。
扩展切换方向消息或切换方向消息中规定的运行时间,移动单元26禁止它的发射机、复位它的衰减定时器、暂停监督话务信道并调谐到分配的前向话务信道。于是,移动单元26获得在新现行组中的导频。一旦证实移动单元获得话务信道,移动单元26重新开始在新信道上发送。
当与第一和第二覆盖区84和86相对应的电信系统分别是CDMA和模拟系统时,将移动单元26从第一CDMA频率分配f1分配到第二模拟频率分配f2。基站18响应于通过选择器组子系统48和基站扩展器14的切换启动,通过发出模拟切换方向消息使移动单元26执行CDMA-到-模拟切换。如果移动单元26具有窄模拟容量,那么基站44可以执行到窄模拟信道的切换。移动单元26跟随在电信标准IS-95A的第6章中给出的步骤执行硬切换,如图5所示。
位置数据库50保持与当前硬切换区域90、92、94和96相对应的位置信息。下面的表1是样例位置数据库表。在表1中的定位信息的精确度和分辨率依赖于所用到的定位技术的精确度。可根据在现场中收集的数据构成表1。可以运用通过电信业务提供者个人收集的数据或者由常则业务(regularservice)(诸如,出租车)、邮递员(诸如,联邦快递业务(UPS))和/或投送业务(诸如,比萨饼或花卉递送商业)收集的数据,定期更新表1中的信息。
表1
硬切换区域 | ||||||||
纬度 | 经度 | 系统1 | 系统2 | 类型 | ||||
32 | 25 | 10 | -177 | 10 | 12 | 3555 | 6555 | CDMA-模拟 |
32 | 25 | 12 | -177 | 10 | 12 | 3555 | 6555 | CDMA-模拟 |
32 | 25 | 14 | -177 | 10 | 12 | 3555 | 6555 | CDMA-模拟 |
32 | 25 | 10 | -177 | 10 | 14 | 3555 | 6555 | CDMA-模拟 |
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在系统1和系统2栏中的数表示系统标识(SID)号。类型栏描述在相关切换区域中所需的切换类型,其中在纬度栏和经度栏中详细描述上述相关切换区域的位置。
下面的讨论旨于促进对图2的系统40所采用的较佳位置检测技术的理解。熟悉本技术领域的人员应理解可采用其他位置检测技术,而不偏离本发明的范围。
图6是示出无线(CDMA)电信系统的基站18和无线单元26的示例实施方法的示图。由建筑物140和基于地面的障碍物150包围了通信系统。将基站18和无线单元26设置在具有几个GPS卫星的GPS(全球定位系统)环境中,示出其中四个160、170、180和190。已示出这种GPS环境。例如,参见Hofmann-Wellenhof,B.等人的GPS原理和实践(第二版本,纽约,NY:Springer-Verlag,Wien,1993)。熟悉本技术领域的人员应理解本发明可用于其他通信系统,诸如全球移动通信系统(GSM),而不偏离本发明的范围。
在典型的GPS应用中,至少需要四个卫星,以便GPS接收机确定它的位置。相反,本发明提供只用三个GPS卫星以及从无线单元26到服务基站18的往返行程延迟,确定无线单元26的位置的方法和装置。在存在到基站18的直接视距的情况下,只需两个GPS卫星、往返行程延迟和服务基站18的已知位置来定位无线单元26。
图7是根据本发明的说明构成的基站18的示例简化表示。根据如图7所示的实施例,基站18基本是传统的。在另一个实施例中,基站18包括附加功能,它允许基站确定无线单元26的位置,如从下面所提供的信息可知。传统基站18包括用于接收CDMA信号的接收CDMA天线,和用于发送CDMA信号的发送CDMA天线。把由天线142接收到的信号传送到接收机144。实践中,接收机144包括解调器、去交错器、解码器和其他电路,如熟悉本技术的人员应理解的那样。把接收到的信号分配到速率检测器161相关的适当的信道。控制处理器162运用检测到的信号速率检测语音。如果在接收帧中检测到语音,那么控制处理器162通过开关163把接收帧切换到声码器164。声码器164解码可变速率编码信号,并响应于此提供数字化输出信号。通过数字-模拟变换器165和输出装置(诸如,扬声器(未图示))把数字化解声码的(devocoded)信号转换成语音。
由模拟-数字变换器166数字化并由声码器编码器168语音编码来自麦克风或其他输入装置(未图示)的输入语音。把声码化语音输入到发射机169。实践中,发射机169包括调制器、交错器和编码器,如熟悉本技术领域的人员理解的那样。把发射机169的输出馈送到发送天线143。
传统基站18还设有GPS天线176、收发机174和定时和频率单元172。定时和频率单元接受来自GPS接收机的GPS引擎的信号,并用它们来产生参考定时和频率以便适当操作CDMA系统的操作。因此,在大多数这样的CDMA系统中,每个区站用参考GPS时基,其中根据该时基可产生所有时限CDMA传输(包括导频序列、帧和沃尔什功能)。这种传统定时和频率单元以及CPS引擎在CDMA系统中是普通的,而且在现有技术中已知。传统定时和频率单元提供频率脉冲,以及定时信息。相反,本发明的定时和频率单元172最好还输出仰角、准范围、卫星标识(即,与每个卫星相关的伪噪声(PN)偏置)和与每个卫星相关的多普勒偏移,以便辅助无线单元26捕获卫星(即,减小捕获卫星所需的时间)。一般,在传统定时和频率单元中可获得该信息,但是一般既不需要也不提供外部设备。最好以与传统所做的方法相同的方法,相对于在传统基站中的频率和定时信息将由定时和频率单元172提供的附加信息传播到基站控制器(BSC)(参见图1和2的14)。
图8是根据本发明的一个实施例的无线单元26的方框图。无线单元26最好包括双向天线192,适于接收CDMA传输以及GPS信号的双向天线192。在本发明的另一个实施例中,可将分开的天线用于接收和发送GPS信号、CDMA信号和其他信号,诸如另一种系统信号。天线192最好馈送双工器194。双工器194最好馈送接收机100,而且最好被发射机200馈送。时间频率子系统102提供用于接收机100、控制信号接口300和发射机200的模拟和数字参考信号,如熟悉本技术领域的人员已知。增益控制电路104提供CDMA功率控制。
在本发明的一个实施例中,控制信号接口300是数字信号处理器(DSP)。另一方面,控制信号接口可以是能够执行增益控制功能的另一种电路。控制信号接口300提供用于无线单元26的控制信号。接收机100提供射频(RF)下变频,和第一级中频(IF)下变频。数字IF应用专用集成电路(ASIC)400提供第二级IF到基带下变频、采样和A/D变换。移动解调器ASIC500搜索和相关联来自数字IF ASIC400的数字基带数据,以确定准范围,如下所述。
由移动解调器500把准范围以及任何语音或数据送到数字IF调制器400。数字IF调制器400提供从移动解调器500接收到的数据的第一级IF上变频。由发射机电路200提供这些信号的第二级IF上变频和RF上变频。于是,把这些信号发送到基站18,并根据下述本发明的方法处理。应注意,最好由无线单元26通过数据脉冲串(data burst)类消息(诸如,由工业标准TIA/EIA/IS-637规定并由电话工业协会公布的短消息业务(SMS)),把在无线单元26和BSC14之间传播的位置信息(诸如,由无线单元26接收到的准范围(pseudo-range))传播到基站18。通过基站18把这些消息发送到BSC14。另一方面,可由无线单元26把新定义的脉冲串类消息发送到基站10。
图9是本发明的无线单元26的接收机、控制数字接口、数字IF和移动解调器电路部分的示例实施方法的方框图。无线单元26的发射机部分实际上与传统无线单元的发射机部分相同,因此为了说明简短这里不再描述。在较佳实施例中,分别用第一和第二通道103,105实现接收机100,其中通过第一开关106再通过双工器194把上述第一和第二通道连接到天线192。熟悉本技术领域的人员应理解可能发生在双向通信装置和GPS接收机之间的更多集成。另一方面,带有适当接口的两个分开的接收机可获得本发明的目的。
第一通道103下变频接收到的CDMA信号,并提供传统的CDMA RF下变频输出信号。第一通道103包括低噪声放大器108、第一带通滤波器112、第一混频器118和第二带通滤波器126。第二通道105下变频来自图6的GPS卫星160、170、180或190的GPS信号。第二通道105包括第二低噪声放大器110,它馈送第三带通滤波器114。把带通滤波器114的输出输入到第二混频器120。第二混频器120的输出馈送到第四带通滤波器128。分别由第一和第二本机振荡器122和124馈送第一和第二混频器118和120。第一和第二本机振荡器122和124在双锁相环(PLL)116的控制下,以不同频率进行操作。双PLL保证每个本机振荡器122和124保持对下变频接收到的CDMA信号(在第一混频器118的情况下)或接收到的GPS信号(在第二混频器120的情况下)有效的参考频率。把第二和第四带通滤波器126和128的输出耦合到传统设计的第一IF部分130。
把IF滤波器部分130的输出输入到在数字IF ASIC400中的第二开关402。第一和第二开关106和402在控制信号接口300的控制下进行操作,以对于通过传统CDMA方法处理或GPS处理的语音或数据输出,由第三混频器404、第五带通滤波器406、自动增益控制电路408和模拟-数字变换器410转向接收到的信号。到第三混频器404的第二输入是本机振荡器输出。混频器404把所施加的信号转换到基带。把经滤波的增益控制的信号馈送到模拟-数字变换器(“A/D”)410。A/D410的输出包括同相(I)分量的第一数字流和正交分量(Q)的第二数字流。把这些数字信号馈送到数字信号处理器520,它处理GPS信号并输出位置确定所需的准范围信息。
在本发明的另一个实施例中,把来自两个带通滤波器126,128的输出馈送到基带应用专用集成电路(ASIC),它把来自基带滤波器126,128的IF频率信号输出数字化转换成基带,并输出表示正交和同相基带信号的数字值流。于是,把这些信号用于搜索器。搜索器实际上等同于用于CDMA解调器的传统搜索。然而,最好所用到的搜索器是可编程以便允许搜索器搜索与从基站发送的CDMA信号相关的PN码或与GPS卫星相关的PN码。当接收到来自基站的CDMA信号时,搜索器区分CDMA信道,而且当处于GPS模式下时,确定发送接收到的GPS信号的GPS卫星。此外,一旦捕获GPS信号时,搜索器实际上以传统方法指示与PN码相关的时间偏置,以便确定与卫星相关的准范围,如熟悉本技术领域的人员所理解的那样,其中接收到来自上述卫星的信号。
熟悉本技术领域的人员应理解,双变换过程(诸如,如图9所示)或者另一方面,单变换和IF采样技术,可用来产生所需的I和Q采样。此外,可以多种方法变化如图9所示的实施例的结构,而不影响本发明的操作。例如,可采用传统可编程处理器来代替如图9所示的DSP。如果数据流过系统的速率使得不需要任何缓冲器,那么不需要存储器510。在某些情况下,运用数字技术或模拟技术或者反过来实施,可以省略带通滤波器406和自动增益控制电路408。可对如图9所示的结构进行多种其他变化,而不改变本发明。此外,应注意,另一个实施例可以更多或更少共享在GPS和无线接收机之间的硬件和软件资源。
图10是包括本发明的通信系统的元件的高级方框图。在操作过程中,根据发明的方法,BSC14向基站10内的控制处理器162(图7)要求GPS信息。该信息包括(但不局限于)在特定时刻由GPS收发机174(图7)观测到卫星、它们的仰角、多普勒偏移和准范围。注意,在基站18处的GPS接收机具有关于在视野中每个卫星的位置、频率和PN偏置的最近信息,因为它始终跟踪在视野中的卫星。另一方面,基站18可发送只与可由无线单元26观测到的那些卫星的子集相对应的数据,假定基站18具有关于街道宽度和周围建筑物的高度的已存储信息。即,如果基站18有能力确定无线单元观测一个或多个卫星有阻碍,那么基站18将不发送关于那些被阻碍的卫星的信息。
应注意,传统CPG接收机注意相对于接收机的内部GPS时钟,接收卫星信号的时间。然而,接收机的内部GPS时钟不与“真实”的GPS时间精确同步。因此,接收机不能知道以“真实”GPS时间的接收卫星信号的确切时刻。随后,导航算法通过运用第四卫星校正这个误差。即,如果在接收机内的时钟与在每个卫星中的时钟精确同步,那么传统GPS接收机只需要求这些卫星精确地确定接收机的位置。然而,由于接收机的时钟不与卫星的时钟精确同步,所以需要附加信息。通过注意接收机接收到第四卫星的信息的时刻,提供该附加信息。通过注意四个等式(即,与四个卫星中的每个相关的一个等式)和必须求解的四个未知数(即,接收机的x,y和z坐标,以及接收机时钟的误差),可以理解这种情况。因此,对于三维方案,在传统GPS接收机中,至少要求根据四个不同卫星的四种测量。
相反,本系统利用基于地球站,它与真实GPS时间同步。在一个实施例中,该站是CDMA基站。熟悉本技术领域的人员应理解,CDMA基站与GPS时间同步。此外,运用CDMA协议与这种CDMA基站进行通信的所有无线单元还与偏置GPS时间同步,其中上述偏置GPS时间对于每个无线单元26是唯一的。时间偏置等于无线信号从基站天线到无线单元天线的传播所导致的单向延迟。这是因为无线单元通过接收来自基站的关于GPS时间的指示,同步它的时钟的这个事实。然而,在指示到达无线单元时,指示是误差等于当信号从基站到无线单元时所面临的传播延迟量。通过测量信号需要多少时间来在基站和无线单元之间往返,可以确定该传播延迟。当前延迟等于往返行程延迟的一半。对于熟悉本技术领域的人员,可获得测量往返行程的多种方法。
此外,在基站18和无线单元26之间的距离可用来辅助确定无线单元26的位置。因此,在基站18和无线单元26之间的直接瞄准线(LOS)的情况下,只需两个卫星范围测量和一个基站范围测量。在服务基站和无线单元之间没有直接瞄准线的情况下,需要三个卫星测量和一个往返行程延迟测量来计算三维未知。需要额外卫星测量来校正由多路径所导致的附加延迟引入的附加距离。将往返行程延迟用来校正在无线单元中的时钟误差(偏置)。
这里所述的系统允许利用无线定位功能(WPF)19(图10)在任何时刻确定有效CDMA无线单元的位置,只要无线单元26是在CDMA网络的无线电覆盖区中以及在CDMA网络上有高质量服务。可由无线单元26、网络或外部实体(诸如,内部位置应用(ILA)17、外部位置应用(EIA)15或紧急服务应用(ESA)13启动确定无线单元的位置的处理。这些元件13、15、17中的每个可以是硬件或软件,它能够要求和/或接收位置信息。在一个实施例中,ILA17是耦合到BSC14的一个终端,它允许操作者直接要求和接收关于无线单元26的位置信息。另一方面,ILA17是由操作者在MSC12中执行的软件应用。
WPF19最好是传统可编程处理器,它能够接受从无线单元和从卫星接收到的原始数据(即,来自两个卫星的准范围,从无线单元的基站的距离以及时间校正因素),并计算无线单元的位置。然而,可以使用能够接收根据这种接收到的信息计算无线单元26的位置所需的信息并输出该位置确定的任何装置。例如,在另一个网络装置(诸如,BSC14)中,WPF19可以作为ASIC、分立逻辑电路、状态机或软件应用实施。此外,应理解可将WPF19位于基站10、BSC14或在MSC12中的其他地方。最佳的是,WPF19是可由与BSC14进行通信的专用处理器执行的软件应用。因此,无需大量修正基站10、BSC14和MSC12,以便用传统元件实施本发明。另一方面,WPF19是由在BSC14中的处理器执行的软件应用。WPF19最好通过类似于由传统帐单功能、管理功能、家庭位置寄存器/访问者位置寄存器功能和由耦合到传统BSC的处理器执行的其他辅助功能所使用的通信端口与BSC14进行通信。
在Parkinson,B.W.和Spilker,J.J.(编辑)的全球定位系统:原理和应用,第I卷,美国航空航天有限公司(American Institue of Aeronautics andAstronautics Inc.,华盛顿,1996)中提供了用于计算位置的算法。此外,应注意,第II卷说明如何执行不同GPS校正。熟悉本技术领域的人员应理解,可能必须由WPF19执行这种校正,以便精确地计算无线单元的位置。
根据本发明的一个实施例,服务提供者这可根据几种条件(诸如,容量、安全性、业务概况,等等)限制定位业务。定位服务可支持下列服务中的每个,或者一些子集:
(1)始发定位请求的无线单元(WPF)。
(2)始发定位请求的网络(NRP)。
(3)对每个服务实例允许的定位(PSI):无线单元赋予外部应用临时允许定位单元以便递送特定服务。
(4)利用/不用无线单元识别的定位(PWI/PWO):将所有无线单元定位在定义的地理区域中。PWI将识别和定位这些单元,同时PWO将只给出它们的位置。
(5)在封闭式组(closed group)中定位(PCG):考虑到产生其中可确定用于定位的特权的组(快速管理(fleet management))。
表1 定位业务的类型 | |||
始发端(initiator)周期 | 提出需要时(单个/多实例) | 周期性地 | 事件触发器 |
无线单元 | WPF、PSI、PCG | WPF、PCG | WPF |
网络 | PWO | PWO | NRP/PWO |
外部 | PWO、PWI、PCG、PSI | PWO、PWI、PCG |
根据本发明的一个实施例,其中无线单元26始发确定无线单元26的位置的请求,无线电单元26把定位请求发送到MSC12。MSC12证实该请求以保证无线单元26以预订所请求类型的服务。于是,MSC12把请求发送到服务BSC14寻找无线单元26的位置。BSC14向服务基站18要求位置帮助信息。服务基站26通过发送视野中的一列卫星、它们的多普勒偏移、它们的多普勒变化率、它们的准范围、它们的仰角、它们的信噪比(SNR)和在无线单元和服务基站之间的往返行程延迟(RTD),响应于该请求。注意,在基站18中的GPS接收机174继续跟踪在视野中的卫星,并因而可具有关于这些参数的最近信息。BSC14将运用对于每个卫星的RTD、准范围、卫星仰角、多普勒偏移和多普勒的变化率,来计算搜索窗口中心,并如下,在事间和频率方面搜索窗口尺寸(同样,参见图11)。
在时域中,对于第I太空交通工具(“SVi”)的搜索窗口的中心等于在图11中的服务基站18和SVi,_b之间的准范围。对于SVi的搜索窗口尺寸等于往返行程延迟乘以cos(_i),其中,cos(_i)是卫星相对于从地球中心开始并通过接收机的地球半径的仰角的余弦。
在频域中,对于SVi的搜索窗口中心的中心等于fo+fdi,其中f。等于GPS信号的载波频率,而且fdi等于由SVi发送的信号的多普勒偏移。对于SVi的搜索窗口尺寸等于由于接收机频率误差和多普勒变化率所导致的频率不确定性。BSC14发送包括以时间和频率的视野中的卫星、搜索窗口中心、尺寸,以及确定卫星单元26的位置所需的卫星的最小数量的信息。
根据一个实施例,到无线单元26的消息在卫星单元26处触发重新调谐信号。该消息还可具有“动作时间”(接收机将重新调谐到GPS接收机频率的特定时间)。作为响应,无线单元26将以动作时间(图9)启动第一和第二开关106和402,从而将它本身重新调谐到GPS频率。数字IF ASIC400将它的PN发生器(未图示)变化到GPS模式,并开始搜索所有指定卫星。
一旦无线单元26捕获最小数量的所需卫星,它就根据在无线单元26中的GPS时钟计算准范围、重新调谐到通信系统频率和把准范围结构以及头三个卫星的侧得的信噪比和最近CDMA导频搜索结果发送到BSC14。如果单元不能捕获到三个卫星,而且在服务基站和无线单元26之间没有直接信号路径线,那么需要导频搜索结果。尽管如此,可以使用少于三个卫星,只要运用可获得信息(诸如,导频信息)可以计算从另一装置(诸如,另一个基站)的往返行程延迟。在现有技术中已知根据导频搜索信息确定往返行程延迟的技术。
BSC14发送由无线单元26进行的准范围测量,以及服务基站10的位置,相应往返行程延迟测量、在考虑中(相对于固定、预定参考原点)的卫星的(空间)位置和对计算无线单元26的位置的WPF19的不同GPS校正。由BSC14从无线单元26接收并送到WPF19的来自无线单元26的准范围是相对于在无线单元26中的时钟。因此,它们是错误的(即,其偏差为服务基站(BTS)18和无线单元26之间的往返行程延迟)。图12是示出WPF19如何校正本地时钟偏差的示图。在图12中,d1表示在接收从基站18发送到无线单元26的信号(反之亦然)时的准范围(往返行程延迟的一半),pm1、pm2和pm3分别是从无线单元到第一、第二和第三所选GPS卫星160、170和180的准范围。相对于在无线单元26中的本地时钟,进行这些测量。但是,由于本地时钟从其实GPS时间偏置d1,所以校正准范围是:
p1=pm1+d1
p2=pm2+d1
p3=pm3+d1
WPF19用上述三个等式、三个卫星的位置(空间)、服务基站的位置和响应RTD测量来计算无线单元26的位置。注意,知道RTD等于已知的无线单元的本地时钟相对于真实GPS时间的偏差。即,它足以求解来自三个卫星的三个范围等式。
还注意,如果在无线单元26和基站10之间存在时间瞄准线连接,那么可将所需卫星的最小数量减至两个,从而根据在无线单元26和基站10之间的RTD,可以直接确定在无线单元26和基站18之间的距离。如果可获得关于其他导频(站)的信息,可以进一步减小该数量。例如,如果无线单元26正与两个或多个基站进行通信(例如,软切换),其中上述基站都没有到无线单元26的直接瞄准线,那么可计算多于一个往返行程延迟,因此两个卫星是确定无线单元26的位置所需的全部了。即,可根据五个卫星进行计算(两个等式关于与两个卫星相关的两个准范围测量,两个等式关于两个基站RTD测量和一个等于关于到服务基站的RTD,其中上述基站允许在无线单元26中的本地时钟与真实GPS时间同步)。这在GPS卫星受建筑物或树木的阻挡或遮蔽的情况下,十分有用。此外,它减小了搜索GPS卫星所需的时间。WPF19把计算位置发送到BSC14,而BSC14把它转送到MSC12或直接把它发送到无线单元26。
根据另一个实施例,可用定位来阻止终端(诸如,固定无线电话(例如,无线本地环路电话、数据调制解调器、带有无线电话调制解调器的计算机或能够在系统上进行通信的任何这样的无线通信装置)的移动。根据一个这样的实施例,如图13所示,如果将终端移动多于几百英尺,那么在MS26、BTS18、BSC14或MSC12中的呼叫处理器212不处理到或至电话的呼叫。呼叫处理器212可以任何通用计算机,它能够接收来自存储器216的最初定位、将最初定位与终端的当前位置相比较,如定位系统210所确定的那样、确定在当前位置和最初定位之间的距离、确定该距离是否在预定存储的距离内并向传统认证处理器214指示终端没有充分靠近最初定位。于是,认证处理器214确定该终端没有被授权进行呼叫。认证处理器214可以是任何通用处理器,它能够接收来自呼叫处理器212的信息并阻止完成呼叫。在现有技术中已知认证处理器,而且通常用于保证呼叫者是用于帐单目的的已登记系统用户。在一个这样的实施例中,在授权呼叫之前发生这种处理。在另一个实施例中,呼叫处理器212监测终端位置以保证移动终端离开最初定位不多于预定距离。这在服务提供者具有帐单结构的系统中十分有用,其中在该帐单结构中用户为固定业务所支付费用低于为移动业务所支付费用。
在另一个实施例中,服务提供者可能希望向在系统中不同位置上的客户收取不同费用。可用当前方法来补充其他帐单信息,以便提供帐单,其中根据终端在系统中的位置、以及时刻、星期几,等等确定收费。因此,用于确定终端的位置的定位系统210耦合到帐单处理器218。帐单处理器218接收来自定位系统210的关于终端的位置的信息。此外,帐单处理器218接收来自存储器220的信息,用它来根据终端位置确定付费率。于是,帐单处理器218确定根据终端位置,运用从存储器200提供的信息以及由定位系统提供的位置信息对通信业务收取的不同费率。
这里参照用于特殊应用的特定实施例,描述本发明,熟悉本技术领域并已知本说明的人员应认识到附加修正、应用和实施例都落在其范围内。
因此,由所附权利要求书覆盖任何和所有这些应用、修正和实施例,并落在本发明的范围内。
Claims (20)
1.一种用于促进在电信系统中或在电信系统之间的切换的系统,其特征在于,包括:
用于确定移动收发机在包括第一小区和第二小区的区域内的位置的定位装置;
用于将所述位置与在所述区域中的预定切换区域相比较并响应于此提供控制信号的比较装置;
用于响应于所述控制信号,启动所述移动收发机在所述第一小区和所述第二小区之间的切换的切换启动装置;以及
用于当所述移动收发机是在所述预定切换区域的预定范围内时启动所述比较装置并响应于此提供跟踪信号的装置。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述切换启动装置包括用于当如所述切换启动装置通过所述跟踪信号所确定的那样,所述移动收发机从所述第一小区移入所述预定切换区域时,实施所述所述预定收发机从所述第一小区到所述第二小区的切换的第一装置。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述切换启动装置包括用于当如所述切换启动装置通过所述跟踪信号所确定的那样,所述移动收发机从所述第二小区移入所述预定切换区域时,实施所述移动收发机从所述第二小区到所述第一小区的切换的第二装置。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,用于启动的所述装置包括通过所述第一或第二小区发送并由所述跟踪装置接收到的导频偏置。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,当所述移动收发机是在所述预定切换区域内时,所述跟踪信号是所述控制信号。
6.一种用于促进硬切换的基站控制器,包括:
位置数据库,被配置成存储和多个切换区域的位置相对应的信息;以及
选择器组子系统,被配置成:当检测到和靠近所述多个切换区域之一的区域相对应的导频信号时启动跟踪移动单元的位置,不考虑导频信号强度;至少部份地使用GPS系统来跟踪所述移动单元的位置;根据所存储的信息和所述移动单元的位置来确定移动单元何时进入所述切换区域;以及在所述移动单元进入切换区域时启动切换。
7.如权利要求6所述的基站控制器,其特征在于,所述选择器组子系统通过将所述移动单元的位置和对应于所述切换区域位置的信息相比较,从而确定所述移动单元何时进入切换区域。
8.如权利要求6所述的基站控制器,其特征在于,所述选择器组子系统还被配置成基于所述移动单元的位置来标识用于接收所述切换的目标小区。
9.一种切换方法,包括:
当检测到和靠近一切换区域的区域相对应的导频信号时启动跟踪移动单元的位置,不考虑导频信号强度;
至少部份地使用GPS系统来跟踪所述移动单元的位置;
根据所存储的信息和所述移动单元的位置来确定移动单元何时进入所述切换区域;以及
在所述移动单元已进入切换区域时启动切换。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述确定移动单元已进入切换区域包括:将所述移动单元的位置和对应于位置数据库中所存储的切换区域位置的信息相比较。
11.如权利要求9所述的基站控制器,其特征在于还包括,基于所述移动单元的位置来标识用于接收所述切换的目标小区。
12.一种装置,包括:
用于在检测到和靠近一切换区域的区域相对应的导频信号时启动跟踪移动单元的位置的装置,其中不考虑导频信号强度;
用于至少部份地使用GPS系统来跟踪所述移动单元的位置的装置;
用于根据所存储的信息和所述移动单元的位置来确定移动单元何时进入所述切换区域的装置;以及
用于在所述移动单元已进入切换区域时启动切换的装置。
13.如权利要求12所述的装置,其特征在于,所述用于确定移动单元已进入切换区域的装置包括:用于将所述移动单元的位置和对应于位置数据库中所存储的切换区域位置的信息相比较的装置。
14.如权利要求12所述的装置,其特征在于还包括,用于基于所述移动单元的位置来标识用于接收所述切换的目标小区的装置。
15.如权利要求6所述的基站控制器,其特征在于,所述多个切换区域包括从由系统间切换区域和系统内切换区域组成的组中选择的至少一个切换区域。
16.如权利要求15所述的基站控制器,其特征在于,所述系统间切换区域的系统之一包括无线局域网。
17.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述切换区域包括系统间切换区域。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述系统间切换区域的系统之一包括无线局域网。
19.如权利要求12所述的装置,其特征在于,所述切换区域包括系统间切换区域。
20.如权利要求19所述的装置,其特征在于,所述系统间切换区域的系统之一包括无线局域网。
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