CN1413056A - 在移动终端估计传输到达角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在移动终端(1)处估计到达角度(AOA)的方法，其中基站(10)通过多个天线单元(18)发射多个电磁波束(19)。每个波束(19)包含不同的特征序列并且以不同的方向进行发射。在所述的移动终端(1)处接收到的信号响应包含所述特征序列的合成，这用来在移动终端(1)处判定具有最高接收能量的波束(19.K；19.L)，并且在移动终端(1)处通过将到达角度(AOA)与所述最高接收能量波束(19.K；19.L)的波束方向相关联而估计到达角度(AOA)。本发明进一步涉及一种移动终端(1)定位的方法和能够自定位的移动终端(1)。

Description

在移动终端估计传输到达角度的方法

技术领域

本发明涉及当一个基站通过多个天线单元发射多个电磁波束时，一种在移动终端处估计传输到达角度的方法。本发明进一步涉及一种移动终端的定位方法，特别是蜂窝电话的定位方法。本发明也涉及一种移动终端，特别是蜂窝电话。

背景技术

在蜂窝移动通信网络中通过对移动终端的定位可以更高效地使用蜂窝网络资源。这就意味着需要有效地分离多个辐射信号和估计信道响应。

已知的移动终端的各种定位方法有使用到达角度(AOA)的，有使用到达时间(TOA)的，还有使用到达时间差别的(TDOA)。例如在John E.Maloney等的美国专利US-6047192中描述过这些方法。对标准的通信设备不用做任何修改就可以判定使用标准无线电频率RF的发射机/接收机(收发机)的位置。

普通公众使用的最普及的通信收发机是蜂窝化通信系统的移动单元(就是电话)，例子有蜂窝电话系统和个人通信业务(PCS)系统。在先进的AOA系统中使用了匹配复制品相关来提高AOA系统的坚固性，并且将这些基本概念的应用扩展到严重同信道干扰的域。对众所周知的码分多址(CDMA)这种数字通信系统来说同信道干扰是一个特别和固有的问题。美国专利US6047192通过消除突发的模拟控制信号和回程通信信号表示的必要性，进一步发展了任何测量的相关推论的实用性。它将匹配复制品处理的应用扩展到能够处理连续的或者随机的(不只是感应的或者转发的)传输，也能够处理数字格式的传输，例如CDMA系统的声音信号。尽管使用匹配复制品相关处理可以提供对AOA、TOA、TDOA的坚固和有效的测量，但对所有的通信信号格式来说定位技术使用的是基站接收的信息，所以还需要一个与所有基站相连的中央节点来判定移动单元的位置。

为了有效地操作无线通信网络，在目前使用的传输方法例如码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、通用移动通信系统(UMTS)中采用各种方法来进行联合检测和信道估计。WO99/44314A1涉及所有这些无线通信方法对归属的电信系统来说使用一个通用的无线接口。德国专利DE19820761C1涉及一种特别是针对CDMA通信系统的信道估计方法，它使用在两个数据块之间中置码的脉冲串结构来进行信道估计。德国专利DE19623665C1、WO99/40698A1、WO00/35129A1中的每一个专利都提供了在CDMA通信系统中进行信道估计另外不同的方法。另外一种在CDMA电信系统中进行信道估计的有效方法记载在B.Steiner的下述论文中：“Optimum andSub-Optimum Channel Estimation for the Uplink of CDMA Mobile Radio Systemswith Joint Detection(利用联合检测对CDMA移动无线系统上行链路的优化与次优化信道估计)”，欧洲电信学报，第5卷，第1期，1994年1月-2月，第39-49页。

发明内容

因此本发明的一个目的就是提供一种在移动终端判定传输到达角度的有效方法，特别是在使用CDMA、UMTS或者其他先进技术的无线电信网络中对移动终端进行定位的有效方法。本发明进一步的目的是提供一种能够进行自判定到达角度和/或终端自定位的移动终端。

根据上述和被考虑的其他发明目的，本发明提供了当一个基站通过多个天线单元发射多个电磁波束时，一种在移动终端处估计传输到达角度的方法，其中所述的每个电磁波束都具有不同的特征序列并且是从不同的方向发射的。所述方法进一步包括如下步骤：在所述移动终端处接收包含上述特征序列合成的信号响应，在移动终端处判定具有最高接收能量的波束，在移动台处将所述具有最高接收能量的波束的波束方向与到达角度相关联来估计到达角度。

本发明进一步揭示了在移动通信系统中，移动终端接收从一个或者多个基站发射机的信号进行自定位的方法。这样的被动定位方法不需要移动终端向基站发射信号。当移动终端不规则地向基站发射信号时，这种方法具有很大的优点。移动终端本地的散射物体使得接收信号一律以分散在到达角度的多路径被接收。在基站也经常观测到类似的现象，只不过角度扩散集中在指向移动站的方向。如果测量在基站接收机处形成的多个波束中的每个波束的功率，就可以估计出移动站的角度位置。根据可逆性，如果基站发射的多个波束中的每个波束采用不同的同步模式，移动站通过测量每个接收波束的功率就可以估计移动站相对于基站的角度位置，而不必考虑接收信号一律以分散在到达角度的多路径被接收的事实。

另一种移动终端进行自定位的方法是使用几个基站发送的信号并通过测量不同基站发射的信号到达移动站的时间差进行的。到达时间的测量是建立在接收机检测到的第一到达路径的基础之上的。由于多路径传播第一到达路径可能不等于视距路径的延迟，将会观测到一个额外的延迟。这个额外的延迟会导致位置估计上的巨大误差。于是本发明不依赖这种方法，至少不仅仅依赖这种方法，而是使用了到达角度的判定。

如果一个基站使用了例如智能天线这样的多单元天线或者多个天线来发射信号，每个基站的天线就可以在已知的不同方向上形成多个波束。当许多重叠波束覆盖了整个蜂窝小区时，每个波束发射一个已知的不同特征序列，也叫发射序列或者同步序列，移动终端就可以判定出最强的接收信号，这个最强接收信号的方向就定义为到达角度。每个波束的数据传输是相同的。

根据本发明的另一个特征，估计到达角度的步骤包括在接收到最强能量的波束方向和至少一个其它相邻波束方向之间插值。从相邻波束到最大能量的波束间相对于能量进行插值可以改善到达角度估计的分辨率。平均多个测量结果可以改善估计的精确性。每个波束的张角可能是10°，因此到达角度的估计值就具有不确定性。通过使用本领域技术人员熟知的插值技术，到达角度的不确定性可能减少至5°，甚至达到大约3°。

根据本发明进一步的特征，发射步骤的发射信号具有一个数据字段和中置码序列，所述的中置码序列就是特征序列。各种不同的中置码序列都是已知的，在此本方法不局限于那些已经使用的中置码，也可以使用作为一种特征序列的任何中置码结构。

根据本发明的附加特征，判定具有最高能量波束的步骤包括将每个波束的复数信道脉冲响应作为接收到的特征序列信号的函数进行估计，判定出复数信道脉冲响应绝对值最高的波束，将此波束作为移动站接收的最高能量波束。如果第m个波束具有的信道脉冲响应估计值取样是 那么到达角度的估计可以通过下述的对信道响应最大绝对值的判定而得到： $\underset{m}{\max }\left[\underset{j=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\hat{h}}_j^{\left(m\right)}\right|}^2\right]$

当然为了判定在移动终端处接收到的最高能量的波束，可以使用任何其他适用的程序。

根据本发明的附加特征，信道脉冲响应被估计为 $\hat{h}={\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^{H}r,$ 其中r是接收的特征序列信号。例如将中置码码片指定为S_i ^(m)，它表示第m个波束的第i个中置码码片，第n个单元发射的中置码序列表示如下： $s_n\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^{\left(m\right)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{s}_i^{\left(m\right)}g(t-\mathrm{iT})$

这里W_n ^(m)表示对第m个波束的波束模式的加权集合，g(τ)表示脉冲整形滤波器的响应。如果c_i表示波形数据部分的码片，那么第n个单元发射的信号表示如下： $c_n\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n^{\left(m\right)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_{i}g(t-\mathrm{iT})$ 在接收机处，中置码序列的接收模型可以表示如下： $r\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{s}_n\left(t\right)h_j^{\left(n\right)}\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_j)$

这里h_j ⁽ⁿ⁾表示第n个传输路径在延迟τ_j时的信道脉冲响应系数。接收机可以使用各种方法得到关于第m个波束的脉冲响应。B.Steiner的论文描述了一种特别有效的方法，“optimum and Sub-Optimum Channel Estimation for theUplink of CDMA Mobile Radio Systems with Joint Detection”，EuropeanTransactions on Telecommunications，Vol.5，No.1，Jan-Feb，1994，pp39-49，在此包括这篇论文以供参考。按照这种方法在接收机处，也就是移动终端处，接收的信号被抽样。在接收信号中定位了中置码序列的P个抽样值，这些抽样值形成矢量r，对所有M个波束估计的信道脉冲响应可以用下列公式表示： $\hat{h}={\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^{H}r$

这里矩阵S＝[S⁽⁰⁾，S⁽¹⁾…S^(M-1)， $S_{i,j}^{\left(m\right)}=S_{\mathrm{mod}{((M-m)W+i-j)}_p}^{\left(m\right)},$ i∈[0，P-1]、j∈[0，W-1]表示中置码序列的码片。

形成的矩阵(S^HS)^-1S^H中涉及的矩阵求逆和乘法只需要执行一次。因此信道估计处理只涉及一个矩阵乘法。

通过对M个波束中的每个波束使用上述算法估计信道脉冲响应的系数和计算每个被估计的信道脉冲响应的能量，将提供最大能量的信道脉冲响应和一个在波束和中置码之间通过规定关系确定的特别波束相联系，就可以得到到达角度的估计值。

根据本发明的另外一个特征，发射的步骤还包括根据UMTS陆基无线接入(UTRA)标准或者与此标准类似的建议发射信号。根据本发明进一步的特征，产生的是时分双工信号(TDD)，特别是在使用UMTS标准时。根据本发明的一个附加的特征，特征序列包括P+W-1个码片，其中W表示信道色散时码片间隔的最大持续时间，P表示在接收信号中定位的抽样值的数量。例如在UTRA TDD(使用时分双工的UMTS陆基无线接入)系统中，基站包括N个天线单元组成的发射天线，通过这些天线单元发射不同的信号。通过改变每个天线单元发射的相对相位，在不同的方向就可以形成不同的波束。于是可能同时形成M个波束来覆盖整个蜂窝小区。对广播信道来说每个波束发射的数据是相同的，但是使用的同步序列是不同的。在UTRA TDD系统中，这个同步序列就是提及的中置码，并且是包括P+W-1个码片的序列。对长度P的基本中置码序列进行循环移位就可以生成不同的序列。不同的中置码序列可以被同时发射，在接收机(移动终端)处使用一种联合的信道估计算法来得到属于不同传输路径在这种情况下就是通过不同波束传输的不同的信道脉冲响应估计值。在一个特别序列循环移位基础上构造的中置码序列使得联合信道估计的有效实现成为现实。通过测量每个波束的接收功率，就可能估计出信号的到达角度，估计的精确性等于波束分开的角度。在实践中多径传输将精确性限制在到达角度可以被测量出来的那个角度。

根据另一个发明目的，本发明提供了一种移动终端进行自定位的方法，其中所述的移动终端判定来自至少两个基站的到达角度(AOA)，判定方法是使用许多波束中的被接收的一个特征序列，其中每个波束都具有一个不同的方向，来估计在移动终端处接收哪个波束，并将与该波束相关联的方各定义为到达角度的表示，因此由至少两个到所述基站的轨迹的交叉就可以估计定位。另一种移动终端自定位的替代方法是，用上述的方法在移动终端处确定来自至少一个基站的至少一个到达角度(AOA)，并且在移动终端处判定来自至少两个基站的到达时间(TOA)和/或到达时间差别(TDOA)，将到达时间(TOA)和/或到达时间差别(TDOA)和到达角度(AOA)联合起来就可以判定所述移动终端的位置。本领域的熟练技术人员熟知判定到达时间和到达时间差别的各种方法。

在测量传输的到达时间时，移动站为了判定到每个基站的信道脉冲响应需要从每个基站检测一个已知的传输。已知的传输可能是包括一种已知模式的数据符号。和这种已知模式的数据符号相关就使得移动站能够判定信道脉冲响应，第一个被检测到的路径用来计算到达时间。基站在覆盖整个蜂窝小区的范围内连续发射一个广播信道，这种传输最适合用来判定到达时间。

根据进一步的发明目的，本发明提供了一种能够在移动终端处进行自估计到达角度(AOA)的移动终端，移动终端包括从一个基站通过多个天线单元发射的多个电磁波束中接收信号响应的一个接收设备，其中每个波束包含不同的特征序列并且以不同的方向发射出去，所述的响应包括所述特征序列的合成。移动终端进一步包括一个估计设备，用来在移动终端处判定具有最高接收能量的波束并且通过将它与所述最高接收能量波束的波束方向相关联来估计到达角度。那些接收基站发射信号的接收设备是众所周知的，因此对本领域的熟练技术人员来说不必做进一步解释。估计设备可以通过微处理器、移动终端中已有的处理设备或者其他任何适合的设备中的应用软件来实现。

根据本发明的一个附加特征，移动终端是指蜂窝电话、个人通信设备(PCS)、便携计算机或车载通信系统。

在包括一个移动终端(特别是蜂窝电话)和一个基站的通信系统中示意和描述本发明。应当理解的是，本发明不局限于所描述的细节，可对其进行各种修改和改变结构，而不会偏离本发明的精神和权利要求书公开的范畴。

下述的优选实施例结合附图可以使本发明的方法和附加目的及优点得到最佳的理解。

附图说明

图1是一个多波束基站和一个移动终端的原理方块图；

图2是两个基站和一个移动无线通信单元定位范围的原理表示图。

具体实施方式

在附图的数字中，在各自显示的典型实施例的情况下彼此对应的部件具有相同的引用数字。为了强调本发明的一定特征，附图作了部分简化。

现在详细描述各附图，首先来看图1，图1显示的原理方块图表示了一个典型实施例，其中基站10发射无线波束19.1-19.M到移动终端1，即蜂窝电话。移动终端1具有接收设备2，它可以是蜂窝电话中使用的包含天线的标准设备。接收设备2在移动终端1中与估计与基站10到达角度的估计设备3相连。

基站10包括M个特征序列发生器12.1-12.M，它们生成的特征序列用来区分基站10发射的不同波束19.1-19.M。基站10包含的数据发生器13用来产生发射到移动终端1信息中的那些数据。在M个数据合成器14.1-14.M中，来自数据发生器13的数据和来自特征序列发生器12.1-12.M产生的相应特征序列进行合成。每个数据合成器14.1-14.M分别和一个波束形成网络15.1-15.M相连。每个波束形成网络15.1-15.M通过多个数据供应器16.1-16.M与唯一的译码器17相连。译码器17将基带信号变为无线频率信号。译码器17和M个天线单元18.1-18.M相连，例如智能天线。

在图1描述的情况下，基站10通过覆盖整个蜂窝小区的M个波束19.1-19.M发射一个广播信道。M个波束形成网络15.1-15.M中的每个形成对应的波束19.1-19.M。波束形成网络15.1-15.M使用的信号包括一个组合数据字段和一个特征序列，特别指一个中置码序列。例如在UTRA TDD系统中，每个短脉冲串包括两个被一个已知的同步序列或者中置码分开的数据字段。每个数据字段包括被已知的扩展序列扩展的数据符号。根据B.Steiner(见上文)描述的方法构造的中置码包含P+W-1个码片，其中W表示信道时间扩散码片间隔的最大延迟。

在移动终端1处接收到的中置码信号按照上述方法对每个波束19.1-19.M的信道响应进行估计，这是在估计设备3里执行的。在移动终端1处的具有最高能量信道响应用于选择相应波束方向(参见图1波束19.K；19.L)作为定义在基站10和移动终端1之间的到达角度的方向。

图2是具有两个基站10和一个移动无线通信单元1的定位区域5的原理表示图。每个基站10都有M个天线。为了清楚起见每个基站10只画出了3个天线(18.K，18.K+1，18.K-1；18.L，18.L+1，18.L-1)。多个天线18覆盖了整个蜂窝小区，发射的信号覆盖了360°，即一个整圆。天线每个波束19.L；19.K张开一定的角度α、β，例如是10°。根据上文描述的方法在移动终端1处判定两个基站10的到达角度，于是两个宽波束19.L和19.K的交叉区域就是移动终端1的估计位置，其在交叉点定义定位区域4。使用包括相邻波束18.K-1、18.K+1和18.L-1、18.L+1信道响应的插值方法可以确定一个精确的定位区域5。在计算中考虑更多的波束就可以改进精确定位区域5的精确性。除一个或者多个到达角度的判定外，还可以使用多于两个基站和/或使用到达时间或者到达时间的差别方法。

Claims (12)

1.一种在移动终端(1)估计传输到达角度(AOA)的方法，其中基站(10)通过多个天线单元(18)发射多个电磁波束(19)，其中每个电磁波束(19)包含一个不同的特征序列并且以不同的方向进行发射，所述方法包括：

—在所述的移动终端(1)处接收包含所述特征序列合成的一个信号响应；

—在移动终端(1)处判定具有最高接收能量的波束(19.K；19.L)；

—在移动终端(1)处通过将到达角度(AOA)与所述具有最高接收能量波束(19.K；19.L)的波束方向相关联而估计到达角度(AOA)。

2.根据权利要求1的方法，其中所述估计到达角度(AOA)的步骤包括在具有最高接收能量的波束方向和至少一个其他相邻波束方向(19.K；19.K+1，19.K-1)之间插值。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述发射的步骤包括发射具有一个数据字段和一个中置码序列的信号，所述的中置码字段就是特征序列。

4.根据上述任何一项权利要求的方法，其中所述判定具有最高能量波束(19.K；19.L)的步骤包括：

—将每个波束(19)的复数信道脉冲响应估计为接收到的特征序列信号的一个函数；

—在移动终端处判定复数信道脉冲响应绝对值最高的波束，将这个波束选为具有最高接收能量的波束。

5.根据权利要求4的方法，其中信道脉冲响应被估计为 $\hat{h}={\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^{H}r,$ 其中r是接收的特征序列信号。

6.根据上述任何一项权利要求的方法，其中发射的步骤还包括根据UMTS陆基无线接入(UTRA)标准或者对该标准的建议发射信号。

7.根据权利要求6的方法，其中通过时分双工(TDD)产生所述信号。

8.根据上述任何一项权利要求的方法，其中特征序列包括P+W-1个码片，其中W表示信道扩散码片间隔的最大持续时间，P表示在接收信号中定位的特征序列抽样值的数量。

9.一种移动终端(1)进行自定位的方法，其中所述的移动终端(1)根据上述任何一项权利要求的方法判定来自至少两个基站(10)的到达角度(AOA)，由至少两个到所述基站(10)的轨迹的交叉(5)就可以估计定位。

10.一种移动终端(1)进行自定位的方法，其中

根据权利要求1-8任何一项的方法在移动终端(1)处确定来自至少一个基站(10)的至少一个到达角度(AOA)；和

在移动终端(1)处判定来自至少两个基站(10)的到达时间(TOA)和/或到达时间差别(TDOA)；和

将到达时间(TOA)和/或到达时间差别(TDOA)和到达角度(AOA)联合起来就可以判定所述移动终端(1)的位置(4，5)。

11.一种在移动终端(1)处进行自估计到达角度(AOA)的移动终端(1)包括：

—接收设备(2)，用来接收来自基站(10)通过多个天线单元(18.1-18.M)发射的多个电磁波束(19.1-19.M)的信号响应，其中每个波束(19.1-19.M)包含不同的特征序列并且以不同的方向进行发射，所述响应包含所述特征序列的合成；和

—估计设备(3)，用来在移动终端(1)处判定具有最高接收能量的波束(19.K；19.L)，并且在移动终端(1)处通过将到达角度(AOA)与所述最高接收能量波束(19.K；19.L)的波束方向相关联而估计到达角度(AOA)。

12.根据权利要求11的移动终端，移动终端是指蜂窝电话、个人通信设备(PCS)、便携计算机或车载通信系统。

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