CN1304850C - 在无线通信系统中定位远端终端的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

在无线通信系统中定位远端终端的系统及方法，如果接收信号的GDOP参数没有通过预定门限，此时可以使用TOA测量得到移动单元的位置就可以使用TDOA测量。或者，可以采用信噪比门限作为附属系统选择TOA或TDOA测量技术的机制。附属系统可以对接收时隙解调并解码，然后对同一信息重新调制并重新编码以便产生比接收脉冲串中原来已知的域更长的新“同步”字。附属系统可以对这些测量报告接收并解码，并且使用信号衰减和基站发射功率的先验知识确定移动单元的位置估计。

Description

在无线通信系统中定位远端终端的系统及方法
技术领域
申请者的发明一般涉及无线通信系统，例如蜂窝或卫星系统，更具体地涉及这种系统中支持并增强紧急呼叫过程的技术。
背景技术
商用无线通信的发展、特别是蜂窝无线电话系统的爆炸性增长，改变了人们通信的方式。一项调查表明大约80％的购买移动通信单元以及业务注册的人是为了增强个人安全性才这样做的。假设，这些用户中的很多人可能希望在紧急情况下使用他们的移动单元帮助他们，例如，当他们的汽车坏了或者需要快速医疗及/或警方响应的紧急情况下。在这些情况下，可能希望无线通信系统能够独立地确定移动单元的位置，特别是在用户不知道他或她的精确位置情况下。此外，希望FCC不久会要求网络经营者将紧急呼叫者位置转发到紧急服务提供者。
有很多技术能够产生移动单元的位置信息。第一类，移动单元可以估计自己的位置并在进行紧急呼叫时发出带有其坐标的消息。例如，为移动单元提供从GPS卫星网接收位置信息的全球定位系统(GPS)接收机可以完成这个任务。移动单元则可以向系统发出这个信息，系统则将其转发到紧急服务提供者。但是，这样需要对现有的移动单元做很大修改以便包括GPS接收机，而且在移动单元和基站之间需要附加的信令。
或者，向移动单元发送信号或者接收信号的基站可以用于确定移动单元的位置。各种技术，包括移动单元信号衰减、到达角以及移动单元信号在不同基站的到达时间差(TDOA)，都被建议用于提供移动单元的位置信息。例如，见Louis A.Stilp的题为“Time Difference ofArrival Technology for Locating Narrowband Cellular Signals(定位窄带蜂窝信号的到达时间差技术，SPIE Vol.2602，pp.134-144)”的文章、Stilp等人的美国专利5,327,144、Hughes Aircraft Co.的EP 0 528 627、Hughes Aircraft Co.的EP 0 484 918以及Dune等人的美国专利5,600,706。这些解决方案也具有它们的缺陷，其中包括需要修改很多现有的基站，例如，提供阵列天线支持到达角技术或对基站的发送同步以便支持TDOA技术。此外，这些参照都不能评价各种位置查找技术所实现的相对优缺点。
第三类定位无线通信系统中移动单元的策略，包括提供附属系统，即可以完全独立于无线通信系统或者可以与无线通信系统共享各种部件(例如，天线)但是分别处理来自天线的信号的系统。这样是有好处的，例如作为一种提供移动单元位置但不修改系统中大量现有基站的方便的解决方案。例如，考虑图1中所示的设备，其中的附属扫描单元不与无线通信系统的基站处于同一位置。其中基站1支持服务小区2中的无线通信，具体而言是与移动单元3的无线通信。附属系统(通过扫描单元4、5及6部分地表示)监视移动单元3对系统的接入。当移动单元3进行紧急接入时，附属单元4、5及6使用移动单元在控制信道或业务信道上的传输对位置处理中心7提供信息。位置处理中心则使用各个附属单元提供的信息(例如)对移动单元3的位置进行三角测量，并将这个位置报告给紧急服务中心8。有关附属系统示范用法的更多细节可以在Stilp等人题为“Cellular TelephoneLocation System(蜂窝电话定位系统)”的美国专利No.5,327,144中找到，其揭示在这里结合参照。
但是，Stilp专利依赖于在附属系统中估计移动单元位置的TDOA技术。在有些条件下(下面更具体地描述)，单独使用TDOA技术可能会引入不合要求的误差度，例如由于移动站当前位置在TDOA计算中引入误差。因此，希望提供其它使用附属系统估计移动单元位置的技术。
发明内容
根据本发明的一个方面，在无线通信系统中定位移动单元位置的方法，包括如下步骤：
接收所述移动单元通过空中接口发射的、与至少两个基站有关的信号强度测量并进行解码；
使用路径损耗模型确定所述移动单元距离所述至少两个基站中每一个的估计范围；并
取所述估计范围的交集作为所述位置。
根据本发明的另一个方面，在无线通信系统中定位移动单元位置的附属系统，包括：
接收所述移动单元通过空中接口发射的、与至少两个基站有关的信号强度测量并进行解码的装置；
使用路径损耗模型确定所述移动单元距离所述至少两个基站中每一个的估计范围的装置；以及
取所述估计范围的交集作为所述位置的装置。
根据本发明的一个示范实施例，可以使用附属系统选择性地使用TOA或TDOA测量技术。例如，如果接收信号的GDOP参数没有通过预定门限(此时可以使用TOA测量得到移动单元的位置)就可以使用TDOA测量。或者，可以采用信噪比门限作为附属系统选择TOA或TDOA测量技术的机制。
根据本发明的另一个示范实施例，在发射脉冲串中发出的同步字有效长度可以增加。例如，附属系统可以对接收时隙解调并解码，然后对同一信息重新调制并重新编码以便产生比接收脉冲串中原来已知的域更长的新“同步”字。此外，由于附属系统从各个附属扫描单元接收了上行链路脉冲串的多个副本，对于没有正确接收的那些副本，定时估计可以使用从其它较好接收的副本中产生的长“同步”字来确定。
根据本发明的另一个示范实施例，由移动单元进行并报告给无线通信系统的信号强度测量可以被附属系统用于提供移动单元的位置估计。例如，附属系统可以对这些测量报告接收并解码，并且使用信号衰减和基站发射功率的先验知识确定移动单元的位置估计。这种技术可以用做上述TDOA/TOA技术的替代或者与之结合。
附图说明
申请人发明的特性及优势在结合附图阅读本描述时会得到理解，其中：
图1是示范蜂窝无线电话系统以及对紧急服务中心提供移动单元位置信息的附属监视系统图，本发明可以应用于该系统；
图2说明了可以根据本发明操作的示范基站和移动单元；
图3是说明本发明第一示范实施例的流程图，其中提供了选择性使用TOA和TDOA技术的技术；
图4是根据IS-136的上行链路DCC时隙格式的说明；
图5是说明本发明第二示范实施例的流程图，其中附属系统处理时隙以便提供较长的同步字；
图6是描述根据本发明示范实施例处理多个时隙副本的流图；以及
图7说明了根据本发明的示范实施例，使用报告的信号强度测量的移动单元位置定位。
具体实施方式
如下描述是就蜂窝无线电话系统而写的，但是应该理解申请者的发明不限于那个环境并且可用于其它类型的无线系统，例如，使用卫星、话音干线系统提供无线通信业务的系统，例如Land MobileRadio(LMR)或Special Mobile Radio(SMR)系统等。而且，尽管下面描述的示范实施例是在时分多址(TDMA)通信系统的环境中提供的，但是本领域技术人员应该理解本发明可用于使用任何多址技术的系统，例如频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)以及FDMA、TDMA及/或CDMA的混合。
仅为举例，考虑在北美称为数字先进移动电话业务(D-AMPS)的普遍的数字蜂窝无线电话系统，它的一些特征在电子工业委员会和电信工业委员会(EIA/TIA)公布的暂行标准IS-54B“Dual-Mode MobileStation-Base Station Compatibility Standard(双模移动站-基站兼容标准)”中规定。由于大量现有的消费者基于只工作在频分多址(FDMA)模拟域的设备，因此IS-54B是双模(模拟和数字)标准，提供结合了数字通信能力的模拟兼容性。例如，IS-54B标准提供了FDMA模拟话音信道(AVC)和TDMA数字业务信道(DTC)，系统经营者可以动态地用一种类型替换另一种，以便适应模拟和数字用户中波动的业务流模式。AVC和DTC由调频无线载波信号实现，其频率接近800兆赫兹(MHz)，这样每个无线信道的频谱宽度为30千赫兹(KHz)。
IS-54B标准也提供了多个模拟控制信道(ACC)，通过它们可以启动系统接入而且可以将系统开销信息传递到移动单元。称为IS-136的后续标准为数字控制信道(DCC)增加了一些规定，该标准在这里结合参照。
在TDMA蜂窝无线电话系统中，每条无线信道分成一串时隙，每个时隙包含一个来自数据源的信息脉冲串，例如话音通话的数字编码部分。时隙组成具有预定持续时间的连续TDMA帧。根据IS-54B和IS-136标准，每个TDMA帧由六个连续时隙组成，持续40毫秒(msec)。因此，每帧可以传输一到六个信道(例如，一到六个无线连接)，可以是DTC和DCC的混合，用于在基站和移动站之间传输信息。
图2代表示范蜂窝移动无线电话系统的框图，包括示范基站110和移动单元120。基站包括连接到MSC 140的控制及处理单元130，MSC140再连接到PSTN(未表示)。这种蜂窝无线电话系统的常规特征是本领域已知的，正如wejke等人题为“Neighbor-Assisted Handoff ina Cellular Communication System(蜂窝通信系统中邻站协助的越区切换)”的美国专利No.5,175,867以及1992年10月27日提交的题为“Multi-Mode Signal Processing(多模信号处理)”的美国专利No.5,745,523(美国专利申请No.07/967,027)中所描述的，它们结合在本申请中参照。
基站110通过控制及处理单元130所控制的业务信道收发机150处理多个业务信道。而且，每个基站包括能够处理一个以上控制信道的控制信道收发机160。控制信道收发机160由控制及处理单元130控制。控制信道收发机160在基站或服务小区的控制信道上向锁定到该控制信道的移动站广播控制信息。应该理解收发机150和160可以作为单个设备实现，类似移动站中的业务及控制收发机170，用于共享同一无线载波频率的控制信道和业务信道。
在空闲移动单元120找到了控制信道之后(例如通过使用业务信道上发现的数字控制信道定位信息)，它可以使用它的业务及控制信道收发机170阅读控制信道上发射的控制信息，例如寻呼消息。有关定位数字控制信道技术的更详细信息，读者可以参考1994年10月31日提交的美国专利No.6,058,108(序列号为No.08/331,711)、题为“Method and Apparatus for Locating a Digital Control Channelin a Radiocommunication System(无线通信系统中定位数字控制信道的方法及装置)”的美国专利申请，其揭示在这里结合参照。当移动站120和系统之间的连接是所需的时，收发机170将调谐到系统分配的业务信道上。
一旦移动单元找到满足最小规则集合的控制信道，例如，移动站必须能够接收高于最小接收信号强度的信道，移动站可以就移动单元中存储的一些系统优选项进一步评估这个控制信道。例如，如果该服务小区被禁止(如IS-136中所述)、或者蜂窝经营者不是所要的经营者(使用IS-136中的系统经营者代码)，移动单元则可以试图寻找另一个控制信道。
如果蜂窝系统在控制信道上的数据广播(DCC的这个部分通常称为广播控制信道或BCCH)满足移动单元中存储的优选项，移动单元将侦听或锁定到这个控制信道，以便听取寻呼消息及/或发送始呼消息。但是移动单元同时要准备可能的服务小区重选择，因为移动站可能移动并离开首选的控制信道覆盖区。已有很多已知技术可用来通知移动单元可以在哪里(例如使用一个或多个频率、时间及码)找到相邻的控制信道，使移动单元能够测试并将这些候选者与当前控制信道比较，以便在其特定的当前位置上找到最佳控制信道为移动单元服务。例如，见Raith和Muller题为“Method and Apparatus forCommunication Contorl in a Radiotelephone System(无线电话系统中通信控制的方法和装置)”的美国专利No.5,353,332或Karlsson题为“Best Server Selection in Layered Cellular Radio System”的美国专利No.5,499,386,它们的揭示在这里结合参照。
如上所述，存在各种技术在附属扫描站4、5和6中接收移动单元3所发的信号，以便在(例如)中央定位处理中心7中确定移动单元位置的估计，再转发到紧急服务中心8。例如，这种定位系统可以使用到达时间(TOA)测量或到达时间差(TDOA)测量。
在TOA系统中，从移动单元3发出的信号在与附属扫描单元4、5和6关联的每个接收机中的到达时间用于得到该位置。附属扫描单元4、5和6可以包括类似于上面对基站110所描述的接收机和处理电路，因此在这里就不进一步描述了。信号在移动站和每个附属接收机之间传递所需的时间与移动站距离接收机的范围成正比。这个关系对于第i个接收机如下给出：
c ( t Ri - t T ) = ( X i - x ) 2 + ( Y i - y ) 2 + ( Z i - z ) 2 - - - ( 1 )
这里c是光速，tR是接收机的接收时间，tT是信号在源的发送时间，(Xi，Yi，Zi)是接收机的坐标，(x，y，z)是源的坐标。如果到达时间tRi在已知位置的四个或多个附属接收机中测量，那么源的坐标(x，y，z)以及信号的发送时间bT就可以估计出来。
在TDOA系统中，对两个附属接收机中的到达时间求差值，以便通过下式得到源位置的估计：
c ( t Ri - t Rj ) = ( X i - x ) 2 + ( Y i - y ) 2 + ( Z i - z ) 2 - ( X j - x ) 2 + ( Y j - y ) 2 + ( Z j - z ) 2 - - - ( 2 )
这里的测量量是第i和第j接收机的到达时间差tRi-tRj源位置可以通过使用三个或多个独立的到达时间差测量而得到。
对于TOA测量，源(即移动单元)发出的信号必须是已知的。相反，TDOA测量可以在不知道源信号的情况下通过在两个附属接收机中对接收信号相关并找到两个接收信号互相关峰值处的时延而进行。这个时延就是TDOA测量。
解上述方程得到的位置误差与源(例如移动单元)相对于附属接收机的位置有关。这个误差通过称为几何精度因子(GDOP)的测量来定量。实际上，式(1)和(2)通常被线性化以便从复杂性最低的测量中得到源位置。这种线性化对基于TDOA系统性能的影响比对基于TOA系统性能的影响大得多，特别是在GDOP很差情况下更是如此。例如，见题为“Radio Frequency Position Location System Review(射频定位系统评论)”的文章，作者为G.A.Mizusawa，TechnicalReport MPRG-TR-96-16，Bradley Dept.of Electrical Engineering，Virginia Tech，1996。
TDOA测量已经建议用于附属扫描单元，例如在上面结合的Stilp专利中，因为它能够在不知道发送序列的情况下得到位置信息。但是，已知序列(例如，均衡器训练序列)在很多无线通信系统的业务和控制信道上发送的信息中是存在的，尽管这些序列长度一般比较短。申请者认识到如果附属接收机能够进行TOA测量，那么就可以使用基于TOA的定位增加TDOA操作模式。这在移动站位置引起了较差的GDOP并因此在估计位置中引起了很大误差情况下特别有用。
因此，本发明的第一示范实施例建议附属系统使用移动单元发射信号中的任何已知序列选择性地使用TOA测量。正如下面更详细描述的，在训练(同步)序列情况下序列可以是已知的先验值，或者可以使用接收数据的解调或简单地通过在其它信道的一部分(例如控制信道消息)中发射预定序列来得到。附属系统(例如，位置处理中心7)可以根据多个参数(例如移动单元和监视移动单元传输的附属接收机之间的几何关系、信噪比等)选择性地使用基于TOA或TDOA的测量方案。例如，如果移动单元非常靠近一个附属接收机，但是与另两个负责监视那个移动单元传输的附属接收机相对较远，可能会引起较大程度的定位误差而且附属系统可能在这种情况下选择TOA测量。有关为监视目的将附属接收机分配到特定信道的更多信息，有兴趣的读者可见1997年4月22日提交的题为“Systems and Methods for LocatingRemote Units Operating in a Radiocommunication System Using anAdjunct System(使用附属系统定位无线通信系统中操作的远端单元的系统及方法)”的美国专利No.6,374,098(申请序列号No.08/840,590(律师案号No.027575-069))，其揭示在这里结合参照。
例如，如图3的流程图所描述的，在方框300扫描了上行链路识别紧急接入之后，系统最初可以使用TDOA测量，在方框310得到移动单元的位置。这些测量随后可用于在方框320识别移动单元的位置，如上所述。然后可以在方框330计算GDOP。GDOP计算是本领域技术人员众所周知的并且可以如上面标识的Mizusawa文章所描述的、或者Don J.Porrieri题为“Statistical Theory of Passive LocationSystems(被动定位系统的统计理论，IEEE Transactions onAerospace and Electronics Systems，Vol.AES320，No.2，March1984)”的文章所描述的执行，它们的揭示在这里结合参照。
如果GDOP足够低，即如果移动站的位置没有在TDOA计算中引入过多的误差，那么在方框370可以将方框320确定的位置报告给紧急服务中心。相反，如果在方框340发现移动站的位置导致很差的GDOP，即低于预定门限的一个值，那么系统可以在方框350执行TOA测量以便在方框350找到移动站的位置。这样可以在较大的概率上使估计位置接近移动单元的实际位置。
根据另一个实施例，当附属接收机接收的移动站上行链路信号的信噪比很低时，附属系统可以使用TOA测量，以便减少测量误差对位置误差的影响。
根据本发明的另一个示范实施例，可以缺省地使用TOA测量。在这种情况下，附属系统在移动传输的已知部分中进行TOA测量，例如包括在上行链路传输中的同步字。如果附属系统没有成功地基于移动单元传输的已知部分得到满意的TOA估计，那么附属系统可以对信号解调并用它作为相关的已知序列得到TOA测量(如下所述)。但是，如果相关测度仍然不满意，可以使用TDOA测量，在其中提供较长的序列进行相关。如上所述，为了估计到达时间，附属接收机使用接收信号中提供的已知信息进行相关。这种已知信息可能是同步字的形式。例如，图4描述了根据IS-136的DCC上行链路时隙的格式。其中规定了每个域中的比特长度。根据这个格式监视移动单元发射的上行链路脉冲串的附属接收机可以使用SYNC域进行相关并尝试确定TOA。
但是，同步字一般持续时间较短，这样就限制了到达时间测量的精度。因此，需要有较长的同步字更好地估计到达时间。根据本发明的另一个示范实施例，为TOA测量提供了得到较长同步字的技术。
参考图5的流程图，位置处理中心首先分别在方框500和510从附属扫描单元接收时隙并与之同步。然后，位置处理中心7在方框520使用基站执行这些功能所用的同种类型的已知技术对时隙中的数据解调并解码。中心可以在进行下一步之前确认帧校验序列(FCS)是否有效。在步骤530，处理中心使用解调数据对时隙重新调制/重新编码，构成目前已知大部分信息的新时隙。因此，它使用重新编码的时隙作为长同步字，并在步骤540使用接收的数据和这个新的长同步字对定时信息重新估计。这个定时信息可以在步骤550中合并(例如，如式(1)所述)，确定移动单元的位置信息，以便转发到紧急服务中心。
此外，处理中心7接收相同信息的多个副本，例如附属扫描单元4、5和6中每个所接收的移动单元3发射的上行链路时隙。在这些副本的一些中，噪声可能很高，不能用短同步字得到好的定时估计。但是，通过对另一个副本解码，可以得到长同步字，用于估计其它不良副本的定时。这个过程在图6中说明。
图中类似的参照号用于标识与处理相同信息的不同版本关联的类似步骤。例如，步骤600、610和620指对不同附属扫描单元接收的同一时隙的两个副本的接收、同步、解调和解码。对于这个例子，假设在方框630，副本1的FCS通过了，但是副本2的FCS没有通过。如图5所示，副本1的流程进行到方框640，对时隙重新调制/重新编码得到新时隙(数据1)，可以用做长同步在方框650精调副本1的定时。但是，同一长同步字也可以在方框660用于精调副本2的定时，因为副本2的FCS校验失败了。同样，这个定时信息在步骤670合并，得到所需的位置信息。
根据本发明的另一个示范实施例，移动单元位置信息可以使用移动单元所报告的相邻基站广播的控制及/或业务信道的信号强度来确定。例如，在IS-136中，每个移动单元发射测量信号强度报告，以支持移动站辅助的越区切换(MAHO)和移动站辅助的信道分配(MACA)。这些报告可以由一个或多个附属扫描单元接收并解码。然后信号强度可以由(例如)位置处理中心7用于估计移动站的位置，如下所述。
考虑图7所说明的例子。对下行链路上的信号传输使用任何已知的一般路径损耗模型(例如，Okamura-Hata模型)，附属系统可以通过计算N个基站的接收信号强度来估计移动单元的位置。这里，N被选为三个基站700、710和720，尽管本领域技术人员将会理解根据可用信息以及所需精度也可使用两个或三个以上。
对于每个基站，给定基站发射功率和移动单元接收该基站的信号强度的先验知识，附属系统可以使用路径损耗模型确定以最大几率定位移动站的区域。例如，区域740、750和760可以分别对基站700、710和720确定。然后，这三个区域的交集(用图7中的阴影线表示)就是该移动单元的估计位置。
可以使用这种定位移动单元的技术替代上面描述的更复杂的(从信号处理的角度来看)TDOA/TOA技术。或者，可以将MAHO及/或MACA信息与这些或其它定位技术结合使用。例如，MAHO及/或MACA信息可以首先用于得到粗的位置估计，以便呼叫可以被路由选择到恰当的紧急服务中心。然后，可以使用其它方法(例如TDOA及/或TOA)得到更精确的位置，再转发到以前识别的紧急服务中心。另一种替代方法是首先使用TDOA/TOA测量技术，精确地标识移动单元的位置，然后使用如上所述的MAHO/MACA信息更新位置。
当然，在不背离申请者的发明前提下用上述以外的其它特定形式实施发明是可能的。因此，上述实施例只是说明性的，不应该认为在任何方面有所限制。发明范围由如下权利要求而不是前面的描述来确定，落入权利要求范围内的所有变化及等效都被认为是包含于其中的。

Claims (6)

1.在无线通信系统中定位移动单元位置的方法，包括如下步骤：
接收所述移动单元通过空中接口发射的、与至少两个基站有关的信号强度测量并进行解码；
使用路径损耗模型确定所述移动单元距离所述至少两个基站中每一个的估计范围；并
取所述估计范围的交集作为所述位置。
2.权利要求1的方法，其特征在于，所述信号强度测量由所述移动单元在移动站辅助的越区切换报告中发射。
3.权利要求1的方法，其特征在于，所述信号强度测量由所述移动单元在移动站辅助的信道分配报告中发射。
4.在无线通信系统中定位移动单元位置的附属系统，包括：
接收所述移动单元通过空中接口发射的、与至少两个基站有关的信号强度测量并进行解码的装置；
使用路径损耗模型确定所述移动单元距离所述至少两个基站中每一个的估计范围的装置；以及
取所述估计范围的交集作为所述位置的装置。
5.权利要求4的附属系统，其特征在于，所述信号强度测量由所述移动单元在移动站辅助的越区切换报告中发射。
6.权利要求4的附属系统，其特征在于，所述信号强度测量由所述移动单元在移动站辅助的信道分配报告中发射。
CNB988064715A 1997-04-22 1998-04-15 在无线通信系统中定位远端终端的系统及方法 Expired - Fee Related CN1304850C (zh)

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