CN1678126A

CN1678126A - 利用基站功率测量来检测移动终端位置的方法

Info

Publication number: CN1678126A
Application number: CNA2005100639196A
Authority: CN
Inventors: 程德翔
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2005-10-05
Also published as: US20050227703A1; TWI257819B; TW200533214A

Abstract

一种利用基站功率测量来计算移动终端的位置的方法，其包含下列步骤：提供移动电话网络内的多个基站的位置坐标；使用移动终端测量邻近该移动终端的基站的接收信号强度指示(Receiver Signal Strength Indicator，RSSI)电平；识别出该移动终端所测量到具有最强RSSI电平的三个基站；该移动终端接收该具有最强RSSI电平的三个基站的位置坐标；针对具有最强RSSI电平的三个基站中每一基站的位置坐标及RSSI电平产生该移动终端的可能所在位置；以及根据产生的三组该移动终端的可能所在位置产生该移动终端的位置。

Description

利用基站功率测量来检测移动终端位置的方法

技术领域

本发明系关于一种用于检测移动终端(Mobile Station)的位置的方法，特别是以利用移动终端中内建的功能来测量基站(Base Station)的功率电平，进而测量该移动终端的位置的方法。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为一种普遍用于位置测量的系统。在北美洲已规定从2003年开始，移动终端必须具有GPS接收器以支持911紧急情况(Emergency 911，E911)服务。目前有数种GPS的方法，其中上述E911服务系采用不具有选择性可用度(Selective Availability，SA-美国政府所要求的选择性可用度项目，以降低原始全球定位系统的精确度)的传统GPS方法。

然而，以GPS为基础的方法对于移动终端来说，并非在任何时间与地点都是理想的方法。举例来说，GPS接收器在建筑物中或者是在恶劣的气候下都无法接收到良好的信号。因为GPS接收器的定位服务应用须依靠从多个卫星所广播的信号来完成，所以GPS接收器亦如同其它的无线电通讯技术一样容易受到干扰效应的影响。此外，GPS接收器亦受限于视线传讯(Line-of-Sight)的问题。虽然GPS接收器的使用者或许也能意识到这样的问题的存在，也就是说，使用者也许已经知道GPS接收器在建筑物中无法接收到良好品质的信号，可是当GPS接收器未能收到良好品质的信号时，就无法提供准确的定位服务，这对需要利用移动终端求助的使用者是很重要的。如果移动终端不能透过GPS接收器正确地指示出其所在的位置，移动终端在向其相关系统回报其位置时就会发生问题。因此，北美无线市场所采用GPS的方法对定位服务如E911服务来说，是仍有问题待解决的方法。

发明内容

因此本发明的主要目的在提供一种方法以使用现有已内建于移动终端的特征以补足或进一步改进目前GPS的方法，以解决上述的问题。

本发明的一个目的系提供一种利用基站功率测量来计算移动终端的位置的方法，其包含下列步骤：提供移动电话网络内的多个基站的位置坐标；使用移动终端测量邻近该移动终端的基站的接收信号强度指示(ReceiverSignal Strength Indicator，RSSI)电平；识别出该移动终端所测量到具有最强RSSI电平的三个基站；该移动终端接收该具有最强RSSI电平的三个基站的位置坐标；针对具有最强RSSI电平的三个基站中每一基站的位置坐标及RSSI电平产生该移动终端的可能所在位置；以及根据产生的三组该移动终端的可能所在位置产生该移动终端的位置。

本发明的另一目的系提供一种利用基站功率测量来计算移动终端的位置的方法，其包含下列步骤：提供移动电话网络内的多个基站的位置坐标；使用移动终端测量邻近该移动终端的基站的接收信号强度指示(ReceiverSignal Strength Indicator，RSSI)电平；识别出该移动终端所测量到可靠度系数高于一预设电平的基站中具有最强RSSI电平的三个基站，每个基站的可靠度系数系对应于该基站的干扰效应；该移动终端接收所识别出的三个基站的位置坐标；针对所识别出的三个基站中每一基站的RSSI电平及位置坐标产生该移动终端的可能所在位置；最后，根据所产生的三组该移动终端的可能所在位置产生该移动终端的位置。

本发明的优点为利用测量接收信号强度指示(Receiver Signal StrengthIndicator，RSSI)的等级来决定移动终端其等同于GPS的位置。因此，即使当移动终端无法从卫星接收到良好品质的GPS信息时，该移动终端仍可实现相同的定位服务。更重要的是，本发明的方法在移动终端上不需要添加任何额外的硬件，而邻近通讯区域(Cell)的RSSI测量为通讯区域选择程序与重新选择程序的一部分，这些程序已在全球移动通讯系统(Global System forMobile Communications，GSM)协议中所使用，并且亦可在码分多址(CodeDivision Multiple Access，CDMA)系统的协议中被沿用。

附图说明

第1图为利用邻近基站的位置信息得出移动终端位置的示意图。

第2图为如何求得呈移动状态的移动终端位置的示意图。

第3图为各基站的RSSI信号分布图。

第4图为在干扰效应下的RSSI信号分布图。

第5图为在干扰效应下各曲线的距离图。

第6图为基站各别的内侧曲线与外侧曲线所交集的区域图。

第7图为Verizon基站所接收RSSI值的取样统计图。

第8图为Spirit基站所接收RSSI值的取样统计图。

第9图为利用基站的位置信息修正移动终端位置信息的示意图。

[主要部件标号说明]

5 移动终端

10 第一基站

12 第一曲线路径

14 第一外侧曲线

16 第一内侧曲线

20 第二基站

22 第二曲线路径

24 第二外侧曲线

26 第二内侧曲线

30 第三基站

32 第三曲线路径

34 第三外侧曲线

36 第三内侧曲线

40 第四基站

50 交集区域

70 基站

具体实施方式

本发明方法系利用测量在邻近通讯区域中的基站的RSSI等级来计算移动终端的位置。若可事先得知每个基站的位置信息，则从基站的RSSI测量过程所得到的位置信息即可直接转换成位置信息。

在CDMA协议中，每个基站的GPS位置信息系经由系统信息消息来发布。目前，在第二代GSM(GSM 2G)与第2.5代GSM(GPRS)协议中并未提供GPS信息，但GPS信息已经被包含在第三代宽带码分多址(Wideband CDMA，W-CDMA)系统的协议中。就GSM-GPRS的协议而言，仅需稍加改良即可将位置信息结合在每个基站中，而包含位置信息将有助于经由GSM通讯协议来提供较佳的定位服务。由于基站的位置与其基站的识别信息的对照系为一对一的对应关系，因此，即使基站的位置信息未经由系统信息来发送，亦可藉由检索离线对照表(Offline Table)或甚至利用自动在线检索的方式来执行基站的识别信息码与基站的位置信息之间的转换。

请参阅第1图。第1图显示如何利用邻近基站的经度(Longitude)与纬度(Latitude)信息去得出移动终端5的经度与纬度信息的示意图。如图所示移动终端5系位于行动电话网络中的第一基站10、第二基站20与第三基站30之间。移动终端5系位于位置x，其具有经度与纬度坐标(lox，lax)。第一基站10、第二基站20与第三基站30分别位于位置B1、B2与B3。位置B1、B2与B3的坐标分别为(lo1，la1)、(lo2，la2)与(lo3，la3)。

如第1图所示，当移动终端5落在三个基站10、20与30之间的范围内时，移动终端5的位置限制区域可被推导出为：

minimum{lo1，lo2，lo3}＝＜lox＝＜maximum{lo1，lo2，lo3}

minimum{la1，la2，la3}＝＜lax＝＜maximum{la1，la2，la3}

假设任两个微小区通讯区域(Pico Cell)之间的距离为75公尺。这表示使用上述方法来得出移动终端5的经度与纬度信息其精确度最大为75公尺。

请参阅第2图。第2图显示如何得出呈移动状态的移动终端5的经度与纬度信息的示意图。如第2图所示，当移动终端5从位置x移动至位置y时，其位置的经度与纬度信息将会因为所服务的通讯区域与邻近区域中信息的改变而被自动更新。如第2图所示移动终端5的新位置系位于第二基站20、第三基站30与第四基站40之间。

假设第四基站40系位于位置B4，其经度与纬度坐标为(lo4，la4)，且移动终端5于位置y的经度与纬度坐标为(loy，lay)。利用限制区域所得出位置y的坐标可由以下决定：

minimum{lo4，lo2，lo3}＝＜lox＝＜maximum{lo4，lo2，lo3}

minimum{la4，la2，la3}＝＜lax＝＜maximum{la4，la2，la3}

因此，无论移动终端5的位置是否改变，由于基站对移动终端5提供带有高等级RSSI的强信号，因此移动终端5的大概位置可轻易地利用邻近基站的位置来判定。

假设在没有干扰效应的情况下，移动终端5在位置x时从第一基站10接收到第一RSSI值、从第二基站20接收到第二RSSI值且从第三基站30接收到第三RSSI值。对每个基站来说，移动终端5从该基站所接收到的RSSI值强度系与移动终端5与该基站的距离平方成反比。因此，可计算得出曲线路径所指示的移动终端5所在的可能区域。

请参阅第3图。第3图显示各基站的RSSI信号分布图。根据从第一基站10所接收到的RSSI信号强度可计算得出第一曲线路径12。第一曲线路径12指示移动终端5可能位在第一曲线路径12上的某个点。再考虑从第二基站20及第三基站30所接收到的RSSI信号强度可分别计算得出第二曲线路径22与第三曲线路径32。因此利用三角定位的技术可求出物体的位置。有关三角定位的技术已为本领域技术人员所熟知，故此处不再赘述。如第3图所示，第一曲线路径12、第二曲线路径22与第三曲线路径32的交会处即明确地指示出移动终端5所在的精确位置。

根据上述方法可导出用以计算移动终端5的位置的演算式Φ。演算式Φ的输入为经度、纬度以及三个基站10、20、30其各别的RSSI测量值，而演算式Φ的输出则为移动终端5的经度与纬度。演算式Φ的输入与输出可整理如下：

Φ({longitude(v1)，latitude(v1)，RSSI(v1)}，{longitude(v2)，latitude(v2)，RSSI(v2)}，{longitude(v3)，latitude(v3)，RSSI(v3)})＝[Longitude(x)，latitude(x)]其中v1、v2与v3代表三个不同的基站，而x代表移动终端5的位置。

然而，干扰效应会降低标定移动终端5位置的确定性与精确度。请参阅第4图。第4图显示在干扰效应下的RSSI信号分布图。如第4图所示，正常的第一曲线路径12对应于第一基站10。由于所接收的RSSI值准确度的不确定性，根据第一基站10的干扰系数可求出第一外侧曲线14与第一内侧曲线16。在第一外侧曲线14与第一内侧曲线16之间的弯曲区域表示移动终端5可能所在之区域。这表示说，移动终端5在该弯曲区域内的任何点都可接收到相同的RSSI值。第一曲线路径12与第一外侧曲线14以及第一内侧曲线16之间的距离可以利用干扰系数来求出，举例来说，可以利用第一基站10的平均干扰系数与干扰系数的标准差来求得。

请参阅第5图。第5图显示从第一基站10分别到曲线路径12、第一外侧曲线14与第一内侧曲线16的距离。在不考虑干扰效应的情况下，移动终端5应位于曲线路径12上，其距离第一基站10为R。当考虑干扰系数时，则经由计算可得移动终端5距离第一基站10的最大距离为R1，最小距离为R2。

请参阅第6图。第6图显示区域50系由三个基站10、20与30其各别的内侧曲线与外侧曲线所交集形成。当量测第一、第二与第三基站10、20与30的RSSI值时将干扰效应考虑进去后，则可导出区域50。也就是说，前述的RSSI(v1)值现在变成从RSSI(v1)-δ1(v1)到RSSI(v1)+δ2(v1)的范围；RSSI(v2)值变成从RSSI(v2)-δ1(v2)到RSSI(v2)+δ2(v2)的范围；RSSI(v3)值则变成从RSSI(v3)-δ1(v3)到RSSI(v3)+δ2(v3)的范围；

将每个基站的最大与最小RSSI值代入演算式Φ后，则可导出八对[Longitude(x(i))，latitude(x(i))]的不同参数，其中i＝1、2、…、8。

令MaxLo为这八个不同经度值Longitude(x(i))中的最大值；

令MinLo为这八个不同经度值Longitude(x(i))中的最小值；

令MaxLa为这八个不同纬度值Latitude(x(i))中的最大值；

令MinLa为这八个不同纬度值Latitude(x(i))中的最小值。

根据以上的最小与最大的经度与纬度值，则可将移动终端5所在区域以下列四个坐标值来界定：{MaxLo，MaxLa]，[MaxLo，MinLa]，[MinLo，MaxLa]，[MinLo，MinLa]}。

除了上述四个坐标之外，移动终端5亦可利用计算三个基站10、20与30其各别的内侧曲线与外侧曲线所交集形成的区域来求得区域50。区域50包含三个基站10、20与30其各别的弯曲区域所交迭区域中的所有位置。

请参阅第7图与第8图。第7图显示在Verizon基站频道426所接收RSSI值的取样统计图。第8图则显示在Spirit基站频道25所接收RSSI值的取样统计图。

根据本发明的发明人在实验室所得的实验结果，相同基站所接收到的大部分RSSI值其具有如第7图与第8图所示的分布图。而且似乎大部分RSSI取样值会落在平均值+/-标准差的范围内。因此可导出一个方程式，其可容许一般的干扰效应并根据现有的RSSI输入值与机率值P得出可能的距离，方程式如下所示：

(RSSI(v)，P(v))＝

[maximum distance(r)，minimum distance(r)]

举例来说，如第7图所示的分布图，75％的RSSI取样数据落于范围RNG1内。范围RNG1包含绝对值介于79.95到81.62之间的RSSI值。我们可以寻找其它所接收RSSI取样值介于79.95到81.62之间的位置，使第一位置落于基站(频道426)与测试实验室(具有RSSI平均值79.95)之间且测试实验室位于基站(频道426)与第二位置之间(具有RSSI平均值81.62)。如第7图所示的分布图仅包含一峰值，其比第8图所示具有两个峰值更加理想。在第8图中的分布图，71％的RSSI取样数据落于范围RNG2内。范围RNG2包含绝对值介于86.29到90.30之间的RSSI值。

在GSM协议通讯区域选择程序与重新选择程序中，移动终端5同时不断地测量从多个基站所得的RSSI值。在邻近通讯区域选择程序中，移动终端5会在回复给服务通讯区域的测量报告中，周期性地传送六个最强的邻近通讯区域的平均RSSI值。如以上所述，由三个基站所得的RSSI值可用来预估移动终端5的所在位置。由于移动终端5在某些基站的RSSI值测量中将会遭遇到不同种类的干扰效应，因此可利用其分布结果(如第7图与第8图所示)来判断出所接收到的基站RSSI值之中比较可靠的RSSI值。在六个最强的邻近通讯区域的基站中，可选出三个具有最可靠RSSI值的基站，由于每个基站具有可靠度系数以助于选出三个最可靠的基站，并根据选出的基站决定移动终端5的所在位置。举例来说，若基站的可靠度系数低于预设的临界电平，则该基站不就不应考虑作为其中一个最可靠的基站。

在CDMA通讯协议中会提供每个基站的经度值与纬度值，但在GSM与GPRS协议中则不会提供。为了在GSM-GPRS网络中求得每个基站的经度值与纬度值，可对配对表(Table-Mapping)以查表的方式解决此问题。由于每个基站具有独特的经度值与纬度值及独特的基站识别码，所以可采用一对一的方式对经度与纬度坐标跟基站识别码之间进行对照。但是根据本发明的发明人所做的研究，将市售的GarminGPS接收器与市售的Qualcomm定位雷达(Location Position Radar，LPR)设备相比较，发现当使用市售GPS接收器由卫星所得的经度值与纬度值与该定位雷达设备所得的经度值与纬度值不同时，其距离差距通常都大于100公尺，也就是说，市售的GPS接收器所指示的位置常严重偏离该GPS接收器的真实位置。因为每个基站都具有固定位置，且基站的经度与纬度信息可由精准地计算得出，所以当使用GPS接收器所得的位置信息与利用从基站所接收到RSSI值来计算出的位置信息不一致时，可优先选择从基站所得的位置信息。

假设移动终端5包括内建GPS接收器，且同时具有利用本发明的方法以用来依据基站所接收到的RSSI值强度计算所在位置的功能。由于CDMA或GSMW-CDMA等通讯协议会周期性地传送基站的经度与纬度信息，所以移动终端5可利用本发明藉由所接收RSSI数据的平均值来检测所在位置的方法以用来判断其与基站的距离是否小于预设的距离。当移动终端5检测到其与基站非常接近时，移动终端5可以该基站的经度与纬度信息为该移动终端的经度与纬度。利用此方法可利用该基站的精准位置信息来避免计算所得的位置与实际位置具有较大的误差。

请参阅第9图。第9图显示利用固定的基站70的经度与纬度信息去调整移动终端5所接收到位置的经度与纬度信息的示意图。移动终端5将内建GPS接收器所接收到位置的经度与纬度数据与利用平均RSSI值计算所得的经度与纬度相比较，经计算得出两个位置之间的误差。在第9图中显示移动终端5在时间为t₀、t_i与t_n的位置。在时间为t₀时，移动终端5检测显示其与基站70或其它任何基站不在预设的距离内。而后在时间为t_i时，移动终端5利用平均RSSI值计算得出移动终端5与基站70在预设的距离之内。此时，移动终端5将以基站7 0的经度与纬度信息取代由GPS接收器所得到位置的经度与纬度信息。移动终端5接着得出经度差值δ(longitude)与纬度差值δ(latitude)为参考参数。在时间t_i后，移动终端5会利用δ(longitude)与δ(latitude)来修正所有从GPS接收器所接收到的经度与纬度信息(如时间为t_n之位置)，直到移动终端5非常接近一基站为止。因此，当移动终端5检测到其非常接近一基站时，移动终端5会利用该基站的经度与纬度信息来导出上述的参考参数，接着利用这些参考参数去修正所接收到的位置的经度与纬度信息。

总而言之，本发明方法利用测量平均RSSI强度值来决定等同于GPS位置的移动终端所在位置。因此，即使当移动终端无法从卫星接收到良好品质的位置信息时，该移动终端仍可实现相同的定位服务。更重要的是，本发明的方法在移动终端上不需要添加任何额外的硬件，而是运用通讯区域选择程序与重新选择程序之中对于邻近通讯区域的RSSI测量的程序，这些程序不仅为GSM协议中所使用，并且亦可沿用于码分多址(Code Division MultipleAccess，CDMA)系统。所以，使用本发明方法的移动电话可应用于紧急情况时，提供需要判断移动终端的正确位置信息的服务，例如紧急情况服务的定位检测与E911服务等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的覆盖范围。

Claims

1.一种利用基站功率测量来计算移动终端的位置的方法，其包含下列步骤：

(a)提供移动电话网络内的多个基站的位置坐标；

(b)使用移动终端测量邻近该移动终端的基站的接收信号强度指示电平；

(c)识别出该移动终端所测量到具有最强接收信号强度指示电平的三个基站；

(d)该移动终端接收该具有最强接收信号强度指示电平的三个基站的位置坐标；

(e)针对具有最强接收信号强度指示电平的三个基站中每一基站的位置坐标及接收信号强度指示电平产生该移动终端的可能所在位置；以及

(f)根据步骤(e)产生的三组该移动终端的可能所在位置产生该移动终端之位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中接收信号强度指示电平系根据关系式：

{RSSI}_{i} &Proportional; \frac{1}{d_{i}^{2}}

产生，其中RSSI_i代表该移动终端所量测到第i个基站的接收信号强度指示值，而d_i代表该移动终端与该第i个基站的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包含根据具有最强接收信号强度指示电平的三个基站中每一基站的干扰系数及接收信号强度指示电平计算内侧曲线与外侧曲线，该内侧曲线及该外侧曲线定义出该移动终端的可能所在位置的特定区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(f)包含根据对应于具有最强接收信号强度指示电平的三个基站的三个特定区域产生一交集区域。

5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(e)包含根据具有最强接收信号强度指示电平的三个基站中每一基站的接收信号强度指示电平及干扰系数的平均干扰值与相对应的标准差值计算该内侧曲线与该外侧曲线。

6.根据权利要求1所述的方法，其中每个基站具有可靠度系数对应于该基站的干扰效应，若该基站的可靠度系数低于预设电平时，则该基站不会被选为具有最强接收信号强度指示电平的三个基站之一。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含具有最强接收信号强度指示电平的三个基站将其位置坐标传送至该移动终端。

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包含该移动终端自查询表中读取具有最强接收信号强度指示电平的三个基站的位置坐标。

9.根据权利要求1所述的方法，其另包含当该移动终端在该移动电话网络中距离邻近基站小于预设距离时，将该移动终端的位置设为相同于该邻近基站的位置。

10.一种利用基站功率测量来计算移动终端的位置的方法，其包含下列步骤：

(a)提供移动电话网络内的多个基站的位置坐标；

(c)识别出该移动终端所测量到可靠度系数高于预设电平的基站中具有最强接收信号强度指示电平的三个基站，每个基站的可靠度系数系对应于该基站的干扰效应；

(d)该移动终端接收步骤(c)所识别出的三个基站的位置坐标；

(e)针对步骤(c)所识别出的三个基站中每一基站的接收信号强度指示电平及位置坐标产生该移动终端的可能所在位置；以及

(f)根据步骤(e)所产生的三组该移动终端的可能所在位置产生该移动终端的位置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中接收信号强度指示电平系根据关系式：

{RSSI}_{i} &Proportional; \frac{1}{d_{i}^{2}}

12.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(e)包含根据具有最强接收信号强度指示电平的三个基站中每一基站的干扰系数及接收信号强度指示电平计算内侧曲线与外侧曲线，该内侧曲线及该外侧曲线定义出该移动终端的可能所在位置的特定区域。

13.根据权利要求12所述的方法，其中步骤(f)包含根据对应于具有最强接收信号强度指示电平的三个基站的三个特定区域产生一交集区域。

14.根据权利要求12所述的方法，其中步骤(e)包含根据具有最强接收信号强度指示电平的三个基站中每一基站的接收信号强度指示电平及干扰系数的平均干扰值与相对应的标准差值计算该内侧曲线与该外侧曲线。

15.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含具有最强接收信号强度指示电平的三个基站将其位置坐标传送至该移动终端。

16.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含该移动终端自查询表中读取具有最强接收信号强度指示电平的三个基站的位置坐标。

17.根据权利要求10所述的方法，其另包含当该移动终端在该移动电话网络中距离邻近基站小于预设距离时，将该移动终端的位置设为相同于该邻近基站的位置。