CN1710981A - 无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法，在典型城市环境中应用可极大地提高终端定位精度和准确度。包括：在终端与网络建立起无线连接后，获得终端镜像位置与所连接基站间的距离c；根据上报的到达方位角信息，在该基站的按照数字地图预处理技术建立的数据表中，查找该到达方位角的射线角度a_i，并以a_i为索引从其表栏所列的所有反射点坐标中确定一个反射点坐标(x_i，y_i)，将该基站发射的射线累计到该反射点的距离记为L₁、累计到该反射点前一反射点(x_i－1，y_i－1)的距离记为L₀，使得L₀＜c＜L₁；在反射点(x_i，y_i)和(x_i－1，y_i－1)之间的线段上确定一点(x_t，y_t)，使得从基站所发出的射线在经过若干次反射到达点(x_t，y_t)之间所有线段的距离之和等于c，则点(x_t，y_t)就是终端的实际位置。

Description

无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法

技术领域

本发明涉及移动通信系统中终端高精度定位的一种实现方法，更确切地说是涉及利用数字地图信息实现终端高精度定位的方法。

背景技术

终端定位业务是第三代移动通信系统中的重要业务之一，定位业务实现的基础是无线网络子系统能够提供具有一定精度和准确度的终端定位能力，无线网络子系统对终端定位能力的提高毫无疑问将有助于定位业务应用的发展。

目前，3GPP标准定义的无线接入网中由网络实现的定位方法包括CELL-ID方法、OTDOA-IPDL方法等。

其中，基于CELL ID定位方法的定位精度至少为小区范围，具体的实现过程是由系统通过寻呼、定位区域更新、小区更新、URA更新或路由区域更新等来确定基站的位置，也就确定了终端所在的小区。CELL ID定位方法还可以用系统提供的定位测量信息来进一步提高定位精度和准确度，例如，通过测量信号在终端与基站间的往返时间来计算终端到基站的距离，在使用了智能天线的TDD系统中可以通过测量终端发送的无线电波的AOA(到达方位角)和TA(时间提前量)来计算用户的具体位置。

OTDOA定位方法是由系统计算终端无线信号到达不同基站的时间差，从而获得距离差，再用双曲线定位原理估计终端的位置，但该方法要求终端至少测量到3个基站的下行导频信号。

目前所有由网络控制决定的终端定位技术中，都存在一个共同的缺点，这就是：在典型的城市环境，由于城区建筑物遮挡和多径传播(包括反射和绕射)的存在，定位的精度和准确度会明显恶化。这一缺陷的存在严重地影响了某些需要有高可靠性定位能力支持的新的定位业务应用的开展，而这些业务恰恰极有可能优先在大城市中得到发展。

诺基亚网络有限公司于98年提出的专利号为98809824.5、发明名称为“终端定位方法及峰窝无线系统”的中国专利中，提出了一种利用数字地图对移动终端进行精确定位的方法，该方法的核心技术是预先采用射线跟踪方法计算得出数字地图上每点的信道响应信息，在进行终端定位时，将终端上报的信道响应测量值与预先存储的信道响应测量值进行比较，找到预先存储的信道响应测量值中与上报的信道响应测量值最接近的一个值，就可将该值所对应的点作为移动终端的位置。该解决方法存在的问题是：系统需要在数字地图上存储覆盖区内每一点的信道响应测量信息，数据存储量太大，特别是当数字地图上有多个具有相同信道响应的不同点时，还必须采用其它定位方法来进行区分。另外，该方法必须依赖准确的3维数字地图和准确的射线跟踪传播预测技术才能得到地图上每一点准确的信道模型参数，对无线传播预测技术的准确性依赖太大。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法，不必依赖射线跟踪技术对数字地图上所有位置点都预先进行信道响应等参数预测，在典型的城市环境中应用，可极大地提高移动终端定位的精度和准确度。

实现本发明目的的技术方案是这样的：无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法，其特征在于包括以下处理步骤：

A.在移动终端与通信网络建立起无线连接后，根据与该移动终端相连接的基站或该移动终端提供的定位测量信息，计算或估计出该移动终端的镜像位置，并获得该镜像位置与该基站间的距离c；

B.根据移动终端上报的到达方位角测量信息，在该基站的按照数字地图预处理技术获得的数据所建立的数据表中，查找该到达方位角的射线角度a_i，在以a_i为索引的表栏中，从该表栏所列出的所有反射点坐标中确定一个反射点的坐标(x_i，y_i)，将从该基站发射的射线累计到该反射点的距离记为L₁，将从基站发射的射线累计到该反射点前一反射点(x_i-1，y_i-1)的距离记为L₀，使得L₀＜c＜L₁；

C.在反射点(x_i，y_i)和(x_i-1，y_i-1)之间的线段上确定一点(x_t，y_t)，使得从基站所发出的射线在经过若干次反射到达点(x_t，y_t)之间所有线段的距离之和等于c，则点(x_t，y_t)就是移动终端的实际位置。

所述步骤A中，所述移动终端的镜像位置与该基站间的距离c，是根据终端上报的测量信息计算的该移动终端与该基站之间的无线电波传播距离a。

所述步骤A中，所述移动终端的镜像位置与该基站间的距离c，是根据终端上报的测量信息计算的该移动终端与该基站之间的无线电波传播距离a的修正距离，该修正距离按 $c=\sqrt{a^2-b^2}$ 计算，b是该基站的挂高信息。

所述步骤B中，按照数字地图预处理技术获得的数据建立数据表包括：

B1.对通信网络覆盖范围内的每个基站计算其圆周上所有方向的射线；

B2.根据所述的数字地图信息计算上述所有方向每条射线与建筑物墙面发生反射的反射点和反射方向，和按需要的次数进一步计算这些反射射线与建筑物墙面发生再反射的反射点和反射方向；

B3.在一实时数据存储区中，以上述所有方向每条射线的射线角度a_i为索引，存储该射线角度a_i的射线的基站原点坐标和该条射线各条反射线的反射点位置坐标。

无线通信系统的网络设备中设有数字地图信息数据库，该数字地图信息至少包括网络覆盖范围内的建筑物墙面矢量信息，该网络设备中还存储有每个基站的位置坐标信息，并进一步可以包括基站天线的挂高信息。

本发明的适用于无线通信系统中实现终端高精度定位的方法，是在无线通信系统的网络设备中，为每个基站预先存储根据定位精度中的角度精度要求计算出的辐射范围内每条射线发生折射(或绕射)的信息。在移动终端与系统网络设备中的基站建立了无线连接后，基站或者移动终端就可以向网络上报用于定位的测量信息，网络基于上报的定位测量信息和预先存储的每条射线发生折射(或绕射)的信息，就可以精确地计算出终端的位置，消除因无线电波反射而带来的定位测量误差。

本发明方法确定终端位置的精度取决于数字地图预处理过程当中每个基站圆周上生成的射线数量和定位测量信息的精度；定位的准确度则取决于数字地图信息的准确度和基站坐标位置的准确度。

本发明的方法适用于所有的无线通信系统，也可以应用于主要用作室内覆盖的无线通信系统中，这时所需要的数字地图信息就是建筑物的内部结构数据。

本发明方法与98809824.5专利技术相比，可以不必依赖射线跟踪技术对数字地图上所有位置点都预先进行信道响应等参数预测。

附图说明

图1是由于无线电波反射引起的定位误差示意图；

图2是射线矢量与墙壁矢量间的关系示意图；

图3是本发明的利用数字地图信息实现终端高精度定位的方法流程框图。

具体实施方式

实现本发明方法的一个前提条件是也需要在无线通信系统的网络设备中增加一个数字地图信息数据库。在3GPP系统中，这个数字地图信息数据库可以设置在无线网络控制器(RNC)中，也可以单独存在于一个与RNC有连接关系的、负责处理所有与终端定位事务有关的实体中(与具体的实现方式有关)。

具体使用的数字地图信息是目前网络规划中已广为使用的能由数字地图所提供的信息，该信息至少应能提供基站或网络覆盖范围内的反映建筑物墙面的矢量信息。为了能有效地利用这种数字地图信息实现终端高精度的定位，还需要获得每个基站的坐标位置，这一过程可以在实际规划无线网络时确定，并通过操作维护系统(O&M)将每个基站精确的位置坐标配置给网络设备。如果数字地图能提供设置基站天线的建筑物的高度信息，并且在网络规划时可以确定基站的天线挂高(天线距地面的距离)，则将有助于本发明定位精度的进一步提高，这种提高比较明显地反映在当基站天线与终端的高度绝对差值和终端离基站的距离相比较、基站天线与终端的高度绝对差值已不可忽略时(即终端离基站很近时)。

当移动终端与网络建立无线连接后，移动通信系统中的基站或终端就可以提供一些有用的定位测量信息。这时，就可以通过与该移动终端相连接的基站的精确坐标位置，再利用基站或终端提供的定位测量信息，计算出移动终端的当前坐标位置。

移动终端当前坐标位置的计算，取决于所采用的定位计算技术，在计算终端的具体位置时，可以利用不同的定位信息计算。如对于目前能提供DOA和TA测量值的TDD系统，可以在由DOA确定的主径来波方向上根据电波传播速度由TA算出具体的位置，对于使用OTDOA定位技术的系统，可以根据由多个基站的坐标位置所确定的双曲线方程并计算不同双曲线交点的方法来估计终端的位置。在此，将这种直接由基站坐标和定位测量信息计算或估计出的终端位置称为终端的镜像位置。

显然，当基站和与之存在无线连接关系的移动终端间处于没有建筑物遮挡的环境，如乡村平原环境中时，终端的镜像位置和终端的实际位置基本上是重合的，这时，无论采用何种定位计算技术都可以得到较高的定位精度。当基站和与之存在无线连接关系的移动终端处于城市环境中时，则由于城市中建筑物的遮挡效应，在基站和终端之间传播的电磁波会在建筑物外墙平面和外墙边角处发生反射和绕射效应，这时，若以直接计算出的终端镜像位置来作为终端的实际位置就会出现较大的误差，在典型的城市环境中，这一误差更为明显。

图1中示出由于无线电波反射引起的定位计算误差。移动终端(xt，yt)的上行信号在建筑物1的外墙平面(x1，y1)发生第一次反射，该反射信号又在建筑物3的外墙平面(x2，y2)发生第二次反射，该反射信号以到达方向角AOA到达基站(x0，y0)，显然，若直接由基站坐标(x0，y0)和定位测量信息(到达方向角AOA及时间提前量TA)计算或估计出的终端的镜像位置(x3，y3)与终端的实际位置(xt，yt)间存在着较严重的误差。因而还必须通过移动终端的镜像位置(x3，y3)再得到其实际位置(xt，yt)。

本发明所采用的由移动终端的镜像位置得到其实际位置的方法是：在数字地图上，以参与移动终端定位的基站为原点，向着该移动终端的镜像位置作一射线，当射线与建筑物外墙相交时，根据镜像定理计算该射线在该建筑物外墙上的反射射线，如果反射射线又与其它建筑物外墙相交，则根据镜像定理进一步计算该反射射线在新的建筑物外墙上的反射射线，如此直到达到预设的要求(如反射次数)。然后，根据终端镜像位置距基站的距离，以基站为原点，针对前面提到的发生反射的所有反射线线段进行终端实际位置截取，截取的原则是使截取后的所有反射线线段的长度之和等于基站距移动终端镜像位置的距离。

如图1中，在数字地图上，以基站坐标(x0，y0)为原点，向着移动终端的镜像位置(x3，y3)作一射线11，射线11与建筑物3外墙(x2，y2)相交(射线12)，根据镜像定理计算该射线12在该建筑物3外墙上的反射射线13，该反射射线13又与建筑物1外墙(x1，y1)相交，则根据镜像定理进一步计算该反射射线13在建筑物1外墙上的反射射线14，在射线14上截取位置点(xt，yt)，使线段(xt，yt)，(x1，y1)与线段(x1，y1)，(x2，y2)与线段(x2，y2)，(x0，y0)之和等于基站距移动终端镜像位置的距离，即线段(x0，y0)，(x3，y3)的总长度。

显然，通过这一方法获得的终端位置比不使用数字地图信息估计终端位置的方法具有更高的精度和准确度，尤其在典型城市环境中应用，其效果更明显。

在计算反射射线的方向时，如果正好与建筑物的外墙边角相交，这时就必须通过其它基站来确定终端的实际位置，这在实际环境中对应的就是出现电磁波绕射的现象。当两个基站的射线都出现绕射时，则通过在各自的绕射点作一定半径的圆并求取两个圆弧交点的方法来获得终端的实际位置。当所使用的定位技术中使用了多个基站的信息时，还可以求出针对每个基站的终端实际位置，系统综合考虑(如采用加权平均的方法)后得到终端的最终实际位置。

当系统可以得到每个基站天线的挂高信息时，可以进一步提高定位的精度。假设基站天线挂高与终端高度的绝对差值为b(终端高度通常可忽略不计)，以电波传播时间计算出的终端距基站的距离为a，则进一步计算 $c=\sqrt{a^2-b^2},$ 采用考虑基站挂高因素修正后的参数c作为终端镜像位置与基站间的距离，该距离c即为终端镜像位置距基站的实际距离。这样在采用定位测量信息计算终端的镜像位置时，首先要判断是否需要利用基站天线的高度信息对计算出的电波传播距离进行修正，如果需要进行修正，则将定位测量信息计算出的电波传播距离a修正为c。

本发明所采用的上述确定终端实际位置的方法依赖于对数字地图信息的处理技术，目前，关于这一方面的计算方法基本上都是成熟的，其中的关键之一是计算射线与建筑物墙面(外墙或内墙)是否存在交点及交点坐标的算法。如图2所示，对于矢量数字地图，传播射线可用原点(o_x，o_y)和方向角(θ)表示，或者用原点和在θ方向的无穷远点(f_x，f_y)表示。如射线矢量(Ray-vec tor)22用(o_x，o_y)和(f_x，f_y)间的线段表示，建筑物21墙壁矢量(Wall-vector)23可用两点(st_x，st_y)，(en_x，en_y)之间的线段表示。利用计算机图形学中的算法，可以计算出从基站发出的射线(如22)与建筑物外墙是否存在交点，即确定射线矢量22与墙壁矢量23的相交范围。在确定了从基站发出的射线与建筑物外墙存在交点后，就可以进一步确定反射点的位置和反射射线的方向，如此反复计算，就可以求出该射线在所有建筑物外墙的反射射线和反射点。由于该算法是公开并成熟的技术，故不在此进行详细说明。

但在一个实际的网络设备中，实时地根据定位测量信息进行上述的这些计算，无疑会极大地增加系统的计算处理负担，本发明针对该实际应用问题通过采用数字地图预处理技术来解决。所谓数字地图预处理技术，是目前在网络规划确定覆盖区域的预测方法中广为采用的一种技术，即在覆盖区域预测之前，先对数字地图进行预处理，对地图上每个需要进行覆盖预测的栅格点上可能到达的所有反射和绕射的电磁波射线都预先进行计算，如此则可以极大地提高覆盖预测的效率，其实时计算量基本上与利用经验公式预测的计算量相当。本发明引伸该数字地图预处理技术的步骤是：

(1)在网络设备初始化时，对网络中的每个基站计算其圆周上所有方向的射线，射线数量与具体的定位技术有关，如对于现有的TD-SCDMA系统，可以与AOA的分辨率相对应。即在到达方位角AOA的分辨率为X°时，所述基站圆周上所有方向的射线的数量为360°/X°，如分辨率为5°，则射线数量为360/5＝72条。

(2)根据数字地图信息(射线方向上的遮挡物如建筑物等)计算上述所有方向每条射线的反射(位置)点和反射方向，和再进一步计算这些反射射线的反射点和反射方向...，每条射线发生反射的次数可以根据需要确定。

(3)在一实时数据存储区中至少存储每条射线的基站原点坐标和每条射线各个反射点的位置坐标，也可以增加存储每条射线的线段长度信息，当然，还可以引入其它有助于缩短系统设备进行初始化时间的数字地图预处理加加速算法等。

表1(数字地图预处理后得到的数据)给出了一个按本发明提出的方法，进行数字地图预处理后得到的某一基站所有射线角度(a₀、a₁、a₂、...)上射线，发生反射情况的数据存储方式的例子。网络设备初始化后，在RNC中为每个基站存储这样一个数据表。数据表以一个基站所发出的射线的角度(a₀、a₁、a₂、...)为索引，每个索引中依次存储这样的射线与建筑物外墙发生反射的反射点坐标。这样，前后两反射点间的距离可以通过他们的坐标来计算。

                                 表1

角度	基站坐标	反射点1坐标	反射点2坐标	…
					a0	(x0，y0)	(x1a0，y1a0)	(x2a0，y2a0)	…

a1	(x0，y0)	(x1a1，y1a1)	(x2a1，y2a1)	…
					a2	(x0，y0)	(x1a2，y1a2)	(x2a2，y2a2)	…
…	…	…	…	…

这样，在移动通信系统实际运行确定终端位置的计算中，就可以根据终端上报的到达方位角信息，即获得射线角度，并以此角度为索引，在上述数据表中查找相应的射线反射点坐标数据，并根据基站与移动终端间的电波传播距离，从各反射线段中确定终端的实际位置。

参见图3，仍以图1为例来说明实际定位计算的过程：

31)根据终端上报的测量信息TA计算终端和基站之间的电波传播距离a(在不需要作基站挂高修正时，该电波传播距离a即为移动终端镜像位置与基站间的距离c)；

32)根据基站的挂高信息b对上述终端和基站之间的电波传播距离a进行修正，该距离记为c $(c=\sqrt{a^2-b^2}),$ 并作为移动终端镜像位置与基站间的距离参与下述的运算；

33)根据终端上报的到达方位角(AOA)测量信息，确定射线角度，在该基站的数据表1中查找相应的该射线角度a_i；

34)在以a_i为索引的表栏中，从该表栏所列出的所有反射点坐标中确定一个反射点的坐标(x_i，y_i)，将从基站发射的射线累计到该反射点的距离记为L₁，将从基站发射的射线累计到该反射点前一反射点(x_i-1，y_i-1)的距离记为L₀，使得L₀＜c＜L₁；

35)在反射点(x_i，y_i)和(x_i-1，y_i-1)之间的线段上确定一点(x_t，y_t)，使得从基站所发出的射线在经过若干次反射到达点(x_t，y_t)之间所有线段的距离之和等于c。则点(x_t，y_t)就是计算出的移动终端的实际位置。

上述处理技术可以极大地减少实时的计算量。当然，在计算终端的实际位置时，如果出现射线射在建筑物外墙边角的情况，即出现了绕射的情况时，则以绕射点为圆心作圆弧，通过求针对不同基站的多个这样的圆弧的交点、或者求以其它方式确定的终端与基站的实际距离为半径所作圆弧的交点的方法来得到终端的实际位置。由于出现这种极端情况的几率非常非常小，故不再对其作具体说明。

实施本发明方法时，首先在系统初始化阶段由系统设备对数字地图信息进行预处理，并在数据存储区中存储每个基站所有射线的原点坐标和各个射线在建筑物墙面上的反射(和绕射)点坐标和/或每个射线(和绕射)线段长度，即预先存储基站每根射线发生折射(和绕射)的信息。

本发明在利用TA计算基站与终端间电波传播距离的基础上，还采用基站天线挂高对计算出的电波传播距离进行修正，从而获得经修正后的距离。

本发明将直接由定位测量信息得到的终端到达方位角作为射线角度(制作表1时即按基站对AOA的分辨率确定射线角度)，再利用上述数字地图的预处理信息和计算出的修正前或修正后(需要修正时)的终端镜像位置与基站间的距离，获得实际的移动终端位置。

本发明与目前常规的终端定位技术相比，可以在典型城市环境中极大地提高移动终端定位的精度和准确度，且计算过程简单。定位的精度取决于数字地图预处理过程当中每个基站圆周上生成的射线数量和定位测量信息(到达方位角AOA与时间提前量TA)的精度。定位的准确度则取决于数字地图的准确度(建筑物坐标、反射点坐标)和基站坐标位置的准确度。

本发明的方法主要可适用于使用智能天线提供AOA信息的无线通信系统，但也可以推广到其他类型的无线通信系统。

Claims (10)

1.无线通信系统中利用数字地图信息实现终端定位的方法，其特征在于包括以下处理步骤：

A.在移动终端与通信网络建立起无线连接后，根据与该移动终端相连接的基站或该移动终端提供的定位测量信息，计算或估计出该移动终端的镜像位置，并获得该镜像位置与该基站间的距离c；

B.根据移动终端上报的到达方位角测量信息，在该基站的按照数字地图预处理技术获得的数据所建立的数据表中，查找该到达方位角的射线角度a_i，在以a_i为索引的表栏中，从该表栏所列出的所有反射点坐标中确定一个反射点的坐标(x_i，y_i)，将从该基站发射的射线累计到该反射点的距离记为L₁，将从基站发射的射线累计到该反射点前一反射点(x_i-1，y_i-1)的距离记为L₀，使得L₀＜c＜L₁；

C.在反射点(x_i，y_i)和(x_i-1，y_i-1)之间的线段上确定一点(x_t，y_t)，使得从基站所发出的射线在经过若干次反射到达点(x_t，y_t)之间所有线段的距离之和等于c，则点(x_t，y_t)就是移动终端的实际位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述移动终端的镜像位置与该基站间的距离c，是根据终端上报的测量信息计算的该移动终端与该基站之间的无线电波传播距离a。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述移动终端的镜像位置与该基站间的距离c，是根据终端上报的测量信息计算的该移动终端与该基站之间的无线电波传播距离a的修正距离，该修正距离按 $c=\sqrt{a^2-b^2}$ 计算，b是该基站的挂高信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，计算或估计移动终端的镜像位置和获得镜像位置与基站间距离，是通过测量信号在所述移动终端与所述基站间的往返时间计算的；或者通过测量信号到达方位角和时间提前量计算的；或者计算终端无线信号到达三个或三个以上不同基站的时间差，从而获得距离差，再用双曲线定位原理估计的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B中，按照数字地图预处理技术获得的数据建立数据表包括：

B1.对通信网络覆盖范围内的每个基站计算其圆周上所有方向的射线；

B2.根据所述的数字地图信息计算上述所有方向每条射线与建筑物墙面发生反射的反射点和反射方向，和按需要的次数进一步计算这些反射射线与建筑物墙面发生再反射的反射点和反射方向；

B3.在一实时数据存储区中，以上述所有方向每条射线的射线角度a_i为索引，存储该射线角度a_i的射线的基站原点坐标和该条射线各条反射线的反射点位置坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤B1中，所述基站圆周上所有方向的射线的数量与定位技术有关，对于时分—同步码分多址移动通信系统，该数量与到达方位角AOA的分辨率相对应。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述的到达方位角AOA的分辨率为X°时，所述基站圆周上所有方向的射线的数量为360°/X°。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤B3中，在所述的实时数据存储区中，进一步存储根据两反射点的坐标计算的每条反射线的线段长度信息。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤B中，按照数字地图预处理技术获得的数据建立数据表，是在网络设备初始化时，在无线网络控制器中为覆盖范围内的每个基站存储这样一个数据表。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的数字地图信息数据库设置在无线网络控制器中，或单独存在于一个与无线网络控制器有连接关系的、负责处理所有与移动终端定位事务有关的实体中。

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