CN1296716A - 在无线系统中计算发送器之间的几何时间差的计算方法 - Google Patents

在无线系统中计算发送器之间的几何时间差的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一个计算方法和一个无线系统,该系统包括一组发射器(101—110),一组接收器(201—204)和一个测量装置(10),该测量装置在接收器正接收信号时测量发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差,并且计算发送器发送的信号的几何时间差。无线系统包括一个计算装置(11),通过测量接收器接收的信号的时间差并且利用几何时间差,该装置以计算装置(11)把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上的方式,根据一个关于时间的函数构成发送器发送的信号的发送时刻之间的真实时间差。并且,计算装置(11)累加直接测量的真实时间差并且计算出接收器覆盖区域内其它发送器之间的真实时间差。并且,计算装置(11)使用已经计算出的发送器之间的时间差计算出不同接收器覆盖区域内的发送器之间的真实时间差。

Description

在无线系统中计算发送器 之间的几何时间差的计算方法
本发明涉及一个在无线系统中使用的计算方法，该无线系统包括一组发送器和一组接收器，在无线系统中测量发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差，并且计算发送信号的几何时间差。
在已知的无线系统中，从一个发送器到达一个接收器的信号的接收时刻有助于确定一个用户终端在无线系统中的位置。在一个现有技术的方法中，以彼此相对的方式测量诸如基站的发送器发送的信号的接收时刻。信号的这种测量时间差也被称作观测时间差(OTD)。
通常，以无线系统的低层与来自无线系统高层的同步信号同步的方式使用发送器同步。如果基站同步发送一个信号，则完全通过检查基站的距离来得到观测时间差。因而通过所谓的几何时间差(GTD)可以计算出两个同步工作的发送器的观测时间差。如果发送器的位置固定并且事先已知，则通过信号传播时间可以轻易计算出用户终端在无线系统中的实际位置。但实际上充当发送器的基站不总是彼此同步，因而在确定用户终端位置时出现误差。
在已知的无线系统中，通过根据发送器和接收器的位置计算的GTD和接收器测量的OTD可以确定一个无线发送器的真实时间差，即两个发送器的发送时间之间的时间差。通过两个信号经过的距离的差值和信号的传播速度来确定两个信号之间的几何时间差。在已知的无线系统中，根据发送器发送并且被接收器接收的信号确定用户终端的位置。根据一个接收器接收的信号得到有关发送器相互同步的信息。实际上，已知无线系统包括不同接收器，因而难以处理基于接收器接收的信号的时间差信息，其中能够轻易检测不同发送器之间的真实时间差和同步。
因而本发明的一个目标是提供一个解决上述问题的方法和实现该方法的装置。通过一种在引言中公开的方法来实现上述目标，其特征在于通过测量信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差，以把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上的方式，根据一个关于时间的函数构成一个服务于对应接收器的发送器发送的信号和所述发送器相邻发送器发送的信号的发送时刻之间的真实时间差，使几何时间差加到根据接收时刻的时间差，累加直接测量的真实时间差以便计算出接收器覆盖区域内其它发送器之间的真实时间差，使用已经计算出的发送器之间的时间差计算出不同接收器覆盖区域内的发送器之间的真实时间差。
本发明还涉及一组发送器，一组接收器和一个测量装置，该测量装置在接收器正接收信号时测量发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差，并且计算发送器发送的信号的几何时间差。
无线系统的特征在于包括一个计算装置，通过测量接收器接收的信号的时间差并且利用几何时间差，该装置以计算装置把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上的方式，根据一个关于时间的函数构成发送器发送的信号的发送时刻之间的真实时间差，计算装置累加直接测量的真实时间差并且计算出接收器覆盖区域内其它发送器之间的真实时间差，计算装置使用已经计算出的发送器之间的时间差计算出不同接收器覆盖区域内的发送器之间的真实时间差。
在从属权利要求中公开了本发明的最优实施例。
本发明基于发送器的发送时刻之间的测量时间差，其中还根据真实时间差由向不同接收器发送信号的发送器之间确定。
本发明的方法和系统提供了多种优点。在本发明的方法中，根据时间差值构成易于组合的向量。并且，该方法使用了一个允许快速确定无线网络中所有发送器之间的时间差值的计算算法。该方法易于软件实现。利用该方法可以确定发送器之间的同步差。
下面参照附图并且结合最优实施例更详细地描述本发明，其中
图1示出了本发明的一个无线系统；
图2示出了一个在无线系统中使用的接收器；
图3示出了一个无线系统；
图4以矩阵形式示出了一个关于时间差值的表格；
图5示出了一个表格，该表格中的值构成各个向量。
图1示出了本发明的一个无线系统，该系统包括一组发送器101-110，和一组接收器201-204。无线系统的接收器201产生覆盖区域301，接收器202产生覆盖区域302，接收器203产生覆盖区域303，并且接收器204产生覆盖区域304。每个接收器均能够从其本身的覆盖区域接收信号。该图例表明覆盖区域有些重叠。接收器可以是诸如移动电话的用户终端。接收器最好位于已知的位置上。
在无线系统中，发送器104位于覆盖区域301和302的重叠部分内。发送器103位于覆盖区域301和304的重叠部分内。发送器106位于覆盖区域302和303的重叠部分内。发送器108，110位于覆盖区域303和304的重叠部分内。在图1的无线系统中，每个接收器与另一个接收器至少共享一个发送器。
在图1的无线系统中，通过一个实线示出了服务于一个接收器的一个发送器发送的信号。一个虚线示出了服务于接收器的发送器的相邻发送器的信号。图1的发送器可以是基站。并且接收器可以位于基站或一个单独的定位中心内。
图1表明发送器102服务于接收器201。位于接收器201的覆盖区域内的发送器101，103，104是发送器102的相邻发送器。位于接收器201，202的覆盖区域的重叠部分内的发送器104服务于接收器202。位于接收器202的覆盖区域内的发送器105，106是发送器104的相邻发送器。位于接收器203的覆盖区域内的发送器107服务于接收器203。位于覆盖区域303内的发送器106，108，110是发送器107的相邻发送器。位于接收器203，204的覆盖区域的重叠部分内的发送器110服务于接收器204。位于覆盖区域304内的发送器103，108，109是服务于接收器204的发送器110的相邻发送器。图1所示的无线系统中的一个接收器也能够与无线系统中的其它接收器或一个特定的网络单元接触，其功能是确定不同发送器之间的真实时间差。
无线系统的接收器接收由服务于接收器的发送器发送的信号，以及服务发送器的相邻发送器所发送的信号。图2示出了一个接收器，该接收器包括一个测量装置10，该装置测量发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差。例如，如果在接收器201中在时刻t1上接收图1所示的发送器101发送的信号，并且发送器102发送的信号在时刻t2到达相同的接收器201，则OTD为t2-t1。通过从来自相邻小区的信号的到达时间中减去从相邻小区到达的信号的到达时间也可以确定OTD。
测量装置10可以计算出发送器发送的信号的几何时间差。也可以在另一个网络单元中计算出几何时间差，其中接收器向该网络单元发送其OTD测量结果，其标识或座标，以及对应于OTD测量的发送器的标识或座标。上述网络单元可以是一个RTD计算中心。当计算几何时间差时，测量装置10使用传输路径的长度。假定发送器101和接收器201之间的传输路径长度测量为d1。并且假定发送器102和接收器201之间的传输路径长度测量为d2。在上述情况下，下面公式被用于计算几何时间差：
GTD=(d1-d2)/c，其中c表示一个信号的传播速度。
无线系统的接收器还包括一个计算装置11，该装置构成发送信号的发送时刻之间的真实时间差RTD。计算装置11也可以位于一个特殊的RTD计算中心之内，其中已经确定了几何时间差并且已经向其发送了OTD测量结果。如果假定发送器101在时刻t3发送一个信号并且发送器102在时刻t4发送一个信号，则发送器的真实时间差等于t3-t4。实际上，使用接收器接收的信号的时间差测量和信号的几何时间差计算真实时间差。通过下面公式计算真实时间差：
RTD=OTD-GTD
如果在无线系统的区域内有许多发送器，则一个接收器无法测量无线系统中的所有发送器。这意味着如果有许多发送器，则应当比以前有更多的测量接收器。由于必须有几个接收器，所以必须组合不同接收器的测量结果。综合测量结果使得能够确定各个发送器与所有其它发送器的真实时间差。计算装置11通过把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上来构成真实时间差。实际上，通过从测量时间差中减去几何时间差来执行相加。利用GPS方法(全球定位系统)可以确定计算几何时间差所需的接收器位置。
另外，计算装置11综合发送器发送时刻的真实时间差值。计算装置11还确定一个发送器的发送时刻与其它发送器的发送时刻的真实时间差。如果蜂窝无线系统包括一个具有测量OTD值的测量装置10的用户终端，可以综合对应的RTD值和这种信息以确定GTD值。GTD值确定了双曲线，该曲线可以被用来确定用户终端的位置。
计算装置11确定服务于接收器的发送器与接收器覆盖区域中其它发送器的真实时间差。测量不同发送器发送的信号之间的接收时刻时间差(OTD)不必仅受服务发送器和相邻发送器之间的测量的限制。例如，也可以在接收器中测量两个相邻发送器的OTD值。并且，可以在接收器中测量两个服务发送器，例如CDMA系统中的发送器之间的OTD值。但在多数情况下，最好在相邻发送器和服务发送器之间进行OTD测量。计算装置11还确定不进行直接OTD测量的发送器之间的真实时间差。如果发送器位于几个接收器的覆盖区域内，则通过测量位于不同接收器内的装置10来测量相同发送器发送的信号。
图3示出了一个无线系统，其中用一个图形示出了RTD测量。图形的顶点表示发送器，图形的边缘表示测量的RTD值。如上所述，边缘是通过测量发送器发送的信号的接收时刻之间的差值并且利用几何时间差(GTD)来确定的真实时间差。例如，由标记RTD(101，102)表示发送器101，102之间的RTD测量。在这个例子中，发送器102是服务于接收器的发送器，并且发送器101是发送器102的相邻发送器。如果发送器102在发送器101之前发送信号，则RTD(102，101)大于0。在上述情况下，RTD(101，102)小于0。在上述情况下RTD(101，102)=-RTD(102，101)。
通过累加图形的边缘，可以确定不同发送器之间的真实发送时间差。在这种情况下，必须考虑到边缘的符号，即RTD(x，y)=-RTD(y，x)。例如在图3中，通过彼此综合合适的RTD值来检测发送器101，109之间的真实时间差。接着计算发送器101，109之间的真实发送时间差。
RTD(101，109)=-RTD(102，101)+RTD(2，3)-RTD(10，3)+RTD(10，9)
假定每个边缘的加权系数的长度为1，则发送器101，109之间的路径长度等于4。也可以沿着后续长度为6的路径计算发送器101，109之间的发送时间差。
RTD(101，109)=-RTD(102，101)+RTD(2，4)+RTD(4，6)-RTD(7，6)+RTD(7，10)+RTD(10，9)
如果在两个发送器之间有几个路径，则计算装置11选择最短路径作为计算时间差的基础，其原因是这种方式消除了对测量精度的潜在影响。如果发送器之间的路径长度相等，根据不同路径的平均值或根据首先找到的路径计算时间差。
计算装置11把计算出的发送器发送时刻之间的真实时间差放入一个矩阵，该矩阵允许处理时间差。之后计算装置11也可以根据计算的时间差来确定一个发送器的真实时间差，该时间差已不属于直接时间差测量。
图4以矩阵形式示出了一个表格，计算装置11把发送器发送时刻之间的真实时间差放入该表格。在该图例中，矩阵的行对应于服务接收器的发送器。矩阵的列对应于服务发送器的相邻发送器。由于发送器与其自身的真实时间差总是为0，计算装置11用0填充矩阵的对角线。然后计算装置11总是把时间差值放到矩阵对角线的相同一侧中。在图示的矩阵中，时间差值被放在对角线以上的矩阵部分中。
计算装置11能够使用各种搜寻方法来确定发送器的时间差值。这些搜寻方法使用Moore或Dijkstra算法，利用这些算法能够找到不同发送器之间的最短路径，并且根据最短路径来确定发送器之间的时间差。在本文参考引用的Erwin Kreyszig的出版物：高等工程数学，22章，图和组合优化，1112-1119页，John Wiley&Sons，1993中更详细地解释了上述算法。
下面，Moore算法会被用于图4所示的表格中。该算法允许定义最短路径，例如从发送器101到无线网络中所有其它发送器的最短路径。该算法在开始时构成两个向量，第一个向量包含有关从发送器101到无线网络中其它发送器的路径长度的信息。第二个向量包含从发送器101到其它发送器的RTD值。
图5示出了一个表格，其中放入了Moore算法提供的值，这些值构成了向量。首先，在表格中把0放在发送器101下面。之后在图5表格的RTD行中放入所有直接测量的RTD值。对应于上述RTD值的路径长度值的取值为1，这是由于这些值是发送器101和其它发送器之间的直接测量值。图3表明只对从发送器101到发送器102的路径进行直接测量。因而值1被放在图5所示的表格中以作为发送器102下的路径长度，并且RTD(101，102)=-RTD(102，101)被指定为RTD值。
接着，计算装置11检查发送器101的所有相邻发送器，其中发送器101到这些相邻发送器的路径长度等于1。在该例子中，只有发送顺102满足上述条件。Moore算法被用来确定发送器102除结点101以外的所有直接相邻发送器102(结点)的位置，其中过程从结点101到达结点102。发送器102的直接相邻结点是结点103和104。从发送器101到上述结点的最短路径为2。这样，2被标记为到发送器103和104下面的向量的路径长度。根据下面公式通过累加RTD值来计算对应的RTD值。
RTD(101，103)=-RTD(102，101)+RTD(102，103)和
RTD(101，104)=-RTD(102，101)+RTD(102，104)。
接着，确定发送器103和104仍未被访问到并且最直接相邻的发送器的位置，并且执行与前面相同的处理。重复相同过程直到已经填充RTD表格和图5的路径长度表格，并且已经确定发送器101与其它发送器的真实时间差。剩下的值可以被放到图4的矩阵的空位置上。相应地，寻找各个发送器与其它发送器的真实时间差直到已经确定所有必要的RTD值。
前面已经针对基于附图的例子描述了本发明，显然本发明并不仅限于此，但在所附权利要求书公开的发明思路的范围内可以通过多种方式进行修改。

Claims (24)

1．一种在无线系统中使用的计算方法，该无线系统包括一组发送器(101-110)和一组接收器(201-204)，在无线系统中测量发送器(101-110)发送的信号的接收时刻之间的时间差，并且计算发送信号的几何时间差，其特征在于
通过测量信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差，以把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上的方式，根据一个关于时间的函数构成一个服务于各接收器(201-204)的发送器发送的信号和上述发送器的相邻发送器发送的信号的发送时刻之间的真实时间差，
累加直接测量的真实时间差以便计算出接收器覆盖区域内其它发送器之间的真实时间差，
使用已经计算出的发送器之间的时间差计算出不同接收器(201-204)覆盖区域内的发送器之间的真实时间差。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于通过测量两个相邻发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差构成发送时刻之间的真实时间差。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于通过测量两个服务发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差构成发送时刻之间的真实时间差。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于使用服务于接收器(201-204)的发送器发送的信号的接收时刻和上述发送器的相邻发送器发送的信号的接收时刻之间的差值来确定发送器彼此的同步。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于使用两个相邻发送器和/或两个服务发送器发送的信号的接收时刻之间的差值来确定发送器彼此的同步。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于如果发送器位于几个接收器的覆盖区域内，则测量已经到达不同接收器并且被相同发送器发送的信号。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于测量位于接收器(201-204)的各个覆盖区域内的发送器发送的信号，并且在计算不同覆盖区域中的发送器之间的时间差时使用根据从各个覆盖区域接收的信号计算出的真实时间差。
8．如权利要求1所述的方法，其特征在于根据发送器(101-110)和其间的真实时间差构成把发送器表示成结点并且把直接测量的真实时间差表示成线的图形，寻找从一个发送器到其它发送器的路径，并且累加发送器之间的真实时间差以确定此前仍未发现的真实时间差。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于如果在发送器之间有几个路径，则选择具有最短路径的时间差值用于累加。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于当测量来自发送器的信号的到达时间之间的观测时间差时，使用真实时间差以确定无线系统中的用户终端的位置。
11．一种无线系统，该系统包括一组发送器(101-110)，一组接收器(201-204)和一个测量装置(10)，该测量装置在接收器正接收信号时测量发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差，并且计算发送器发送的信号的几何时间差，其特征在于
无线系统包括一个计算装置(11)，通过测量一个接收器接收的信号的时间差并且利用几何时间差，该装置以计算装置(11)把几何时间差加到基于接收时刻的时间差上的方式，根据一个关于时间的函数构成发送器发送的信号的发送时刻之间的真实时间差，
计算装置(11)累加直接测量的真实时间差并且计算出接收器覆盖区域内其它发送器之间的真实时间差，
计算装置(11)使用已经计算出的发送器之间的时间差计算出不同接收器覆盖区域内的发送器之间的真实时间差。
12．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)通过测量两个相邻发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差构成发送时刻之间的真实时间差。
13．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)通过测量两个服务发送器发送的信号的接收时刻之间的时间差并且利用几何时间差构成发送时刻之间的真实时间差。
14．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)使用两个相邻发送器和/或两个服务发送器发送的信号的接收时刻之间的差值来确定发送器彼此的同步。
15．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)使用服务于接收器的发送器发送的信号的接收时刻和上述发送器的相邻发送器发送的信号的接收时刻之间的差值来确定发送器(101-110)彼此的同步。
16．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于如果发送器位于几个接收器的覆盖区域内，则不同的测量装置(10)测量相同发送器的信号。
17．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)确定服务于接收器(201-204)的发送器与接收器覆盖区域内其它发送器的真实时间差。
18．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)构成一个矩阵，其中矩阵的行对应于服务接收器的发送器，矩阵的列对应于服务发送器的相邻发送器，并且计算装置使用矩阵计算发送器发送时刻之间的真实时间差。
19．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)把计算出的发送器发送时刻之间的真实时间差放入一个矩阵，之后在不用测量装置(10)直接测量发送器发送的信号的情况下，计算装置(11)根据计算的时间差来确定发送器的真实时间差。
20．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)根据发送器(101-110)和其间的真实时间差构成把发送器表示成结点并且把直接测量的真实时间差表示成线的图形，之后计算装置(11)寻找从发送器到其它发送器的路径，并且计算装置(11)累加发送器之间的真实时间差以确定此前仍未发现的真实时间差。
21．如权利要求20所述的无线系统，其特征在于如果在发送器之间有几个路径，则计算装置(11)选择最短路径，其中根据该路径确定时间差。
22．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于为了确定一个接收器的位置，以从要定位的接收器，例如一个用户终端所测量的信号的接收时刻之间的时间差中减去对应的真实时间差的方式使用真实时间差。
23．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于计算装置(11)构成一个矩阵，其中矩阵的行对应于需要比较其与另一个发送器的时间差的发送器，矩阵的列表示其它发送器，并且计算装置(11)使用矩阵计算发送器发送时刻之间的真实时间差。
24．如权利要求11所述的无线系统，其特征在于接收器是一个用户终端，例如一个移动电话。
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