CN1398129A - 一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法包括：基站控制器分别获得测得用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；根据实际往返时间＝测得往返时间－用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离得出以主小区中心为圆心的圆；基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；根据实际传输时间和＝测定传输时间和－用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过基站到相邻小区的距离和得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；根据所述椭圆和圆的交点，定位所述用户设备。

Description

一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法

技术领域

本发明涉及在蜂窝移动通信系统中一种对用户设备的定位方法。

背景技术

下面参照图1和2描述根据现有技术，在蜂窝移动通信系统中的用户设备定位方法。3GPP(第三代移动通信伙伴计划)目前主要的蜂窝定位方法为OTDOA+RTT(Observed Time Difference Of Arrival+Round Trip Time，观测到达时间差+往返时间)方法：用户设备测量出主基站和与主基站相邻的相邻基站发送信息到达该用户设备的时间差(OTDOA)，从而得出两个基站到它的距离差，由于两个基站的位置已知，便可得到以这两个基站为焦点的一条双曲线，如图1所示。利用两对或两对以上的基站便可得到两条或更多的双曲线。此外，利用主小区(因为一个主基站可以有多个小区，而在此涉及的是相对于该用户设备的主小区)测得的用户设备到它的往返时间(RTT)，从而得出用户设备与主小区之间的距离，从而得出以主小区中心为圆心的一个圆。借助于两条或两条以上双曲线以及一个圆得到的交点，便可得出用户设备的位置。

图2示出在3GPP协议中用户设备定位信令流程。由于用户设备的接收和发送定时存在时间差，而且基站之间的发送定时也存在时间差，因此要得出两个基站到用户设备的实际时间差以及主小区到用户设备的往返时间，还需得到另外两个参数，即，用户设备发送-接收时间差(UE Rx-Tx timing Difference)和基站间相对时差(RTD)(即，参考时钟差)。通过以下的公式计算上述实际距离差和实际距离：

实际时间差＝OTDOA-RTD                           (1)

实际往返时间＝RTT-UE Rx-Tx timing Difference    (2)

从图2可清楚地看出，根据现有技术，在蜂窝系统中用户设备定位的信令流程：首先，核心网向基站控制器发出定位请求，然后基站控制器向用户设备发出OTDOA测量请求和UE Rx-Tx timing Difference测量请求并向定位测量单元(LMU)发出RTD测量请求。然后，用户设备测量OTDOA和UE Rx-Tx timing Difference参数并发送给基站控制器，和LMU测得RTD并将RTD测量结果发送给基站控制器。随后，基站控制器向主小区发出RTT测量请求，于是主小区响应该请求测量RTT参数，并将测定的RTT发送到基站控制器。最后，基站控制器通过上述两个公式进行计算，从而得出用户设备的精确位置，并上报给核心网。

从上面对现有技术的描述可见，用户设备在整个定位过程中要担负测量参数UE Rx-Tx timing Difference和OTDOA。因此，在用户设备内要安装两个测量装置用于分别测量上述两个参数。这样，大大增加了用户设备的制造成本和功耗，而且使得用户设备的体积大不便于携带。而且在蜂窝系统的定位中，如果获得的信息越多，那么对用户设备的定位精确就越高。而仅仅从圆和双曲线获得的信息进行测定精度不够高。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，其中用户设备无需安装用于测量主基站和相邻基站发送信号到达用户设备的到达时间差的装置，从而减小用户设备的体积、功耗和制造成本。

本发明要解决的又一个问题是提供一种即能减小用户设备的体积及制造成本又能获得多个测量信息以提高定位精度的用户设备定位方法。

本发明还要解决的一个问题是在不改变用户设备的内部结构的情况下，能够获得更多测量信息以提高定位精度的用户设备定位方法。

根据本发明的一个解决问题，提供一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：a.基站控制器分别获得测得用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心并以所述距离为半径的圆；其特征在于，还包括：c.所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；d.根据公式：实际传输时间和＝测得传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过用户设备到相邻小区的距离和，从而根据所述距离和得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和e.根据所述椭圆和圆的交点，定位所述用户设备。

根据本发明的又一个解决问题，所述定位方法还包括下列步骤：f.根据公式：实际时间差＝测定传输时间和-测得往返时间+相对时间差，计算用户设备离主小区和相邻小区的实际距离差，并得到以主小区和相邻小区中心为焦点的双曲线；和g.根据双曲线和椭圆以及圆的交点，定位用户设备。

根据本发明还要解决的一个问题，提供一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：a.基站控制器分别获得测得主基站和与其相邻的基站分别发送信号到达用户设备的测得到达时间差、用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心的圆；c.根据公式：实际到达时间差＝测得到达时间差-相对时间差，计算得出所述主基站和相邻基站离所述用户设备的距离差，从而得出以所述主基站和所述相邻基站为焦点的双曲线；其特征在于，d.所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；e.根据公式：实际传输时间和＝测得传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过基站到相邻小区的距离和，从而得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和f.根据所述双曲线、椭圆和圆的交点，定位所述用户设备。

同样，根据本发明还要解决的一个问题，提供一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：a.基站控制器分别获得测得主基站和与其相邻的基站分别发送信号到达用户设备的测得到达时间差、用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心的圆；c.根据公式：实际到达时间差＝测得到达时间差-相对时间差，计算得出所述主基站和相邻基站离所述用户设备的距离差，从而得出以所述主基站和所述相邻基站为焦点的双曲线；其特征在于，d.所述基站控制器判断是否需要进一步测量信息；e.如果是，则(1)所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；(2)根据公式：实际传输时间和＝测定传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过基站到相邻小区的距离和，从而得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和(3)根据所述双曲线、椭圆和圆的交点，定位所述用户设备；和如果不是，则根据所述双曲线和圆的交点，定位所述用户设备。

由于本发明的一种定位方法是通过相邻小区测量从主小区通过用户设备到达它的时间和，通过公式运算巧妙地得出主小区通过用户设备到达该相邻小区的距离和以及主小区和相邻小区离用户设备的距离差，从而能够获得用户设备的定位信息，所以与现有技术相比，用户设备内部无需安装测量到达时间差的装置，减小用户设备的体积和制造成本，并通过获得椭圆和双曲线以及圆的定位信息，使得定位更精确。

此外，本发明的另一种定位方法是在现有技术的基础上外加测量主小区经过用户设备到相邻小区的距离和，从而得到椭圆的定位信息，从而比起现有技术，提高了定位精度。

附图说明

图1是根据现有技术，在蜂窝移动通信系统中进行用户设备定位的原理图；

图2是根据图1中的原理，在定位过程中的信令流程图；

图3是根据本发明的第一实施例的信令流程图；

图4是根据本发明的第一实施例的计算原理图；

图5是根据本发明的椭圆定位法示意图；和

图6是根据本发明的第一实施例的方法步骤流程图；

图7是根据本发明的第二实施例的信令流程图；

图8是根据本发明的第二实施例的方法步骤流程图；

图9是根据本发明，基于主基站的不同小区的椭圆定位法示意图。

具体实施方式

通过下面对本发明的较佳实施例的描述，本发明的特征、上述和其他优点将显而易见。接着，根据图3-6描述本发明的第一较佳实施例。其中，图3是根据本发明的第一实施例的信令流程图。图4是根据本发明的第一实施例的计算原理图。图5是根据本发明的椭圆定位法示意图。图6是根据本发明的第一实施例的方法步骤流程图。

如图3所示，基站控制器响应于核心网的定位请求，分别向用户设备和定位测量单元(LMU)和该用户设备所在的主小区发出用户设备收发时间差(UERx-Tx timing Difference)测量、相对时间差(RTD)和往返时间(RTT)测量请求。其中，UE Rx-Tx timing Difference表示用户设备的接收和发送之间的时间差、RTD表示主小区和与该主小区相邻的小区之间的参考时间差和RTT表示主小区的信号经过用户设备返回到主小区所需的时间。随后，用户设备和LMU分别测定UE Rx-Tx timing Difference和RTD并将测量结果上报给基站控制器。然后，基站控制器向相邻小区发出传输时间和(TSOT)测量请求。相邻小区响应于该请求测量TSOT并将测量结果上报给基站控制器。然而，由于用户设备的接收和发送存在时间差，而且主小区和相邻小区的参考时钟也有时差，所以测得的TSOT和RTT并不能表示真实的传输时间和及真正的往返时间。因此，在现有技术中，根据公式实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，来计算主小区与基站的实际距离，从而得出以主小区中心为圆心的圆。

而在本发明中，根据公式：实际传输时间和＝测定传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，来计算主小区通过用户设备到达相邻小区的实际距离和，从而得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆。因为，根据几何知识，两点位置和该两点与第三之间的距离之和，可得出以该两点为焦点的椭圆。因此，在得出圆和椭圆之后，由它们的交点得出用户设备的位置信息，并有基站控制器上报给核心网。

下面，参照图4，详细描述本发明计算实际传输时间和的公式的推导过程。其中，主小区(CELL1)发射帧定时的起点表示CELL1的参考时钟，而相邻小区(CELL2)发射帧定时的起点表示CELL2的参考时钟。CELL1沿下行链路发送一信号给用户设备(UE)，并同时开始下行链路CELL1发射帧定时。该信号经过路径时延1到达UE，同时开始下行链路UE接收帧定时。UE沿上行链路分别发射信号给CELL1和CELL2，并同时开始上行链路UE发射帧定时。信号经过路径时延1到达CELL1，并同时开始上行链路CELL1的接收帧定时。同样，信号经过路径时延2到达上行链路CELL2，并同时开始上行链路CELL 2的接收帧定时。

从图4可见，由于CELL1和CELL2之间的参考时间存在时间差(即，图4中的下行链路CELL1的发射帧定时和下行链路CELL2的发射帧定时之间的时间差)，所以两者之间的时间差即为LMU要测定的相对时间差RTD。图4中的路径时延1即为CELL1和UE之间的实际信号传输时间，而路径时延2即为CELL2和UE之间的实际信号传输时间。而图中下行链路UE接收帧定时和上行链路UE发射帧定时之间的差表示用户设备接收和发送时差(UERx-Tx timing Difference)。由于下行链路CELL 2发射帧定时的起点表示CELL2的参考时钟，所以它与上行链路CELL2接收帧定时之间的时间差即表示CELL2所测得的信号从CELL1下行传输到UE并被UE沿上行链路发送到达CELL2的传输时间和(TSOT)。显然，该TSOT并不等于实际的传输时间和。我们从图4很容易得出以下的公式：

实际时间和＝路径时延1+路径时延2＝TSOT+RTD-UE Rx-Tx timingdifference。                                    (3)

根据分别由用户设备、相邻小区和LMU测得的UE Rx-Tx timingdifferenc、TSOT和RTD便可得出主小区发送信号经用户设备到达相邻小区的时间和，从而根据几何知识便可得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆。如图5所示。

回到图4，我们还可以得出在主小区和用户设备之间的实际往返时间，具体如下。主小区测得的往返时间(RTT)是CELL1发送信号经用户设备返回到CELL1，即，从下行链路CELL1发射帧定时的起点到上行链路CELL1接收帧定时的起点。而实际往返时间应为路径时延1+路径时延1，从而得出公式：

实际往返时间＝RTT-UE Rx-Tx timing difference          (4)

这样，计算出主小区与用户设备之间的实际距离，从而能够画出以主小区的中心为圆心的圆了。利用椭圆和圆的交点，便可得出用户设备的正确定位信息。当然，可以利用本发明的定位方法计算出主小区和多个相邻小区之间的实际距离和，从而得出多个椭圆，这样可以提高计算精度。

如果系统对用户设备的定位精度要求很高，还需要进一步的定位信息，那么可根据本发明巧妙地计算出用户设备分别发送信息到主小区和相邻小区之间的时间差。回到图4，根据公式：

实际时间差＝路径时延2-路径时延1＝TSOT-RTT+RTD，       (5)

计算出主小区和相邻小区与用户设备的距离差，而画出以主小区和相邻小区中心为焦点的双曲线。根据双曲线、椭圆和圆的交点可精确地得出用户设备的定位信息。

图6示出了根据本发明的第一较佳实施例的步骤流程图。首先，用户设备、主小区和相邻小区测量UE Rx-Tx timing difference、RTT和RTD等定位参数并上报给基站控制器(S61)。在步骤S62中，基站控制器请求相邻小区测量TSOT。基站控制器还将用户设备的标识信息发送到上述相邻小区(S63)。该标识信息包括扰码号，以使得相邻小区能够识别来自待定位用户设备的信息。在步骤S64中，相邻小区测量TSOT并在步骤S65中上报给基站控制器。在步骤S66中，根据测得的定位参数计算实际传输时间和以及实际往返时间，从而得出椭圆和圆，如果需要的话，还可计算出双曲线以定位用户设备。值得注意的是，测量UE Rx-Tx timing Difference、RTT及RTD与测量TSOT的步骤是可以互换的，本发明并不强调它们之间的先后顺序(即，步骤S61与步骤S62-S65之间的顺序是可以互换的)。

从本发明的第一实施例可见，本发明与现有技术不同的是，无需用户设备测量主小区和相邻小区发送信号到用户设备的时间差来计算它们离用户设备的距离差以画出双曲线来定位用户设备。而是通过相邻小区测量主小区发送信息经过用户设备到达相邻小区的传输时间和，来计算它们之间的距离和，从而得出椭圆来定位用户设备。这样，就无需在用户设备中安装测量时间差装置，从而减小了用户设备的体积和制造成本。而且如果还需进一步的定位信息，还可通过已知的参数，通过公式巧妙地获得主小区和相邻小区与用户设备之间的距离差，从而得出双曲线。可见，通过本发明的方法依然无需用户设备安装测量装置即可得出双曲线，而且椭圆、圆加双曲线的定位信息更提高了定位精度。

下面，参照图7和8描述本发明的第二较佳实施例。在本发明的第二较佳实施例中，与现有技术相比，并没有改变用户设备结构，即，用户设备仍然测量主小区和相邻小区发送信息到它的时间差。但是本发明的第二较佳实施例增加了获得主小区经过用户设备到达相邻小区的距离和，从而得出椭圆定位信息。也可以通过如公式(5)测得的实际时间差，对OTDOA进行修正。这样增加了定位信息，从而提高了定位精度。

图7是根据本发明的第二实施例的信令流程图。图8是根据本发明的第二实施例的方法步骤流程图。从图7可见，与现有技术相比，本发明的第二实施例增加了基站控制器请求相邻小区测量TSOT的请求。相邻小区响应于该请求测量TSOT并上报给基站控制器。从而获得椭圆定位信息。

参照图8，首先，测量OTDOA、RTT、RTD和UE Rx-Tx timing Difference等定位参数(S81)。然后，判断是否需要进一步测量信息(S82)。如果是，那么在步骤S83-S86中相邻小区测量TSOT，并上报给基站控制器，其具体步骤与第一实施例所述相同，在此不再赘述。然后计算椭圆、双曲线和圆以确定用户设备的位置(S87)。如果在步骤S82中的判断结果是不需要进一步的测量信息，那么直接进到步骤S87。

可见，通过本发明的第二实施例，加强了定位的精度。当然，如果系统对定位要求很高，那么可省略图8中的判断步骤S82，而且测量OTDOA、RTT等参数的步骤与测量TSOT的步骤无严格的先后顺序要求。

图9是根据本发明，基于主基站的不同小区的椭圆定位法示意图。它示出了椭圆的一种特殊情况，即以主基站的主小区及其相邻小区中心为焦点的椭圆。

以上是对本发明的较佳实施例的描述，熟悉本技术领域的人员应理解，根据本发明的构思和原理，对实施例的各种变化都落在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：

a.基站控制器分别获得测得用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；

b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心并以所述距离为半径的圆；

其特征在于，还包括步骤：

c.所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；

d.根据公式：实际传输时间和＝测定传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过用户设备到相邻小区的距离和，从而根据所述距离和得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和

e.根据所述椭圆和圆的交点，定位所述用户设备。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，还包括可通过计算所述主小区经过所述用户设备到多个所述相邻小区的多个距离和，来得到以主小区和多个相邻小区为焦点的多个椭圆的步骤。

3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，还包括下列步骤：

f.根据公式：实际时间差＝测定传输时间和-测得往返时间+相对时间差，计算基站离主小区和相邻小区的实际距离差，并得到以主小区和相邻小区中心为焦点的双曲线；和

g.根据双曲线和椭圆以及圆的交点，定位用户设备。

4.如权利要求3所述的定位方法，其特征在于，还包括可通过计算所述主小区与多个相邻小区到所述用户设备到多个距离差，来得到以主小区和多个相邻小区为焦点的多根双曲线的步骤。

5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的定位方法，其特征在于，所述步骤a包括：

所述基站控制器分别向所述用户设备、定位测量单元和主小区发出测量请求；

所述用户设备、主小区和定位测量单元分别测量所述用户设备收发时间差、所述相对时间差以及所述往返时间；和

所述用户设备、主小区和所述定位测量单元分别将测量结果上报给所述基站控制器。

6.如权利要求1-4中任一权利要求所述的定位方法，其特征在于，所述步骤c包括：

所述基站控制器向所述相邻小区发出测量请求并将所述用户设备的标识信息发送给所述相邻小区；

所述相邻小区测量所述主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和并上报给所述基站控制器。

7.如权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述标识信息包括扰码号。

8.一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：

a.基站控制器分别获得测得主基站和与其相邻的基站分别发送信号到达用户设备的测得到达时间差、用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；

b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心的圆；

c.根据公式：实际到达时间差＝测得到达时间差-相对时间差，计算得出所述主基站和相邻基站离所述用户设备的距离差，从而得出以所述主基站和所述相邻基站为焦点的双曲线；

其特征在于，

d.所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；

e.根据公式：实际传输时间和＝测定传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过基站到相邻小区的距离和，从而得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和

f.根据所述双曲线、椭圆和圆的交点，定位所述用户设备。

9.一种在蜂窝移动通信系统中定位用户设备的方法，包括下列步骤：

a.基站控制器分别获得测得主基站和与其相邻的基站分别发送信号到达用户设备的测得到达时间差、用户设备收发时间差、主小区和与其相邻的小区间的相对时间差以及所述主小区和所述用户设备之间的测得往返时间；

b.根据公式：实际往返时间＝测得往返时间-用户设备收发时间差，计算主小区到用户设备的距离，从而得出以主小区中心为圆心的圆；

c.根据公式：实际到达时间差＝测得到达时间差-相对时间差，计算得出所述主基站和相邻基站离所述用户设备的距离差，从而得出以所述主基站和所述相邻基站为焦点的双曲线；

其特征在于，

d.所述基站控制器判断是否需要进一步测量信息；

e.如果是，则(1)所述基站控制器获得从主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和；(2)根据公式：实际传输时间和＝测定传输时间和-用户设备收发时间差+相对时间差，计算主小区通过基站到相邻小区的距离和，从而得出以主小区和相邻小区中心为焦点的椭圆；和(3)根据所述双曲线、椭圆和圆的交点，定位所述用户设备；和

如果不是，则根据所述双曲线和圆的交点，定位所述用户设备。

10.如权利要求8或9所述的定位方法，其特征在于，还包括可通过计算所述主基站与多个相邻基站到所述用户设备到多个距离差，来得到以主基站和多个相邻基站为焦点的多根双曲线的步骤。

11.如权利要求8-10中任一权利要求所述的定位方法，其特征在于，还包括可通过计算所述主小区经过所述用户设备到多个所述相邻小区的多个距离和，来得到以主小区和多个相邻小区为焦点的多个椭圆的步骤。

12.如权利要求8或9所述的定位方法，其特征在于，所述步骤a包括：

所述基站控制器分别向所述用户设备、定位测量单元和主小区发出测量请求；

所述用户设备、主小区和定位测量单元分别测量所述到达时间、所述用户设备收发时间差、所述相对时间差以及往返时间；和

所述用户设备、主小区和所述定位测量单元分别将测量结果上报给所述基站控制器。

13.如权利要求8或9所述的定位方法，其特征在于，所述基站控制器获得测得传输时间和包括：

所述基站控制器向所述相邻小区发出测量请求并将所述用户设备的标识信息发送给所述相邻小区；

所述相邻小区测量所述主小区发送的信息经过所述用户设备到达所述相邻小区的测得传输时间和并上报给所述基站控制器。

14.如权利要求13所述的定位方法，其特征在于，所述标识信息包括扰码号。

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