CN1860817A

CN1860817A - 信号延迟的估计

Info

Publication number: CN1860817A
Application number: CNA028299817A
Authority: CN
Inventors: 秦正迪
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Technologies Oy
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: ATE445303T1; CN100536594C; DE60233981D1; EP1568244B1; US7218939B2; WO2004052039A1; EP1568244A1; US20050059411A1; AU2002343176A1

Abstract

本发明涉及一种为确定移动台MS的位置，对在所述移动台处接收的来自网络中特定网络元件BS₁、BS₂的信号的延迟进行估计的方法。为了降低误警率并提高获取概率，提出了一种包括在搜索窗口内估计延迟的方法。该搜索窗口根据特定网络元件BS₁、BS₂可获得的位置信息以及移动台MS到至少一个其它网络元件BS₀、BS₁间的已知的距离来确定。本发明还涉及相应的移动台MS、相应的网络元件BS₀以及包括至少一个移动台和至少两个网络元件的通信网络。

Description

信号延迟的估计

技术领域

本发明涉及为确定移动台的位置，对在移动台处接收的来自网络中特定网络元件的信号的延迟进行估计的方法。本发明还涉及移动台、网络的网络元件和通信系统。

背景技术

移动台的位置可以通过定位过程来确定，例如通过作为位置服务一部分的定位过程来确定。

蜂窝系统中的位置服务是根据对蜂窝网络中不同网络元件向待确定位置的移动台发送的信号延迟的确定。在视距传输的情况下，信号的延迟直接取决于移动台和各个发射网络元件间的距离。

相比一般的通信服务，位置服务针对信号的获取提出了其它需求，特别是对于利用脉冲响应信息进行延迟估计的查找处理(fingersearching)。

对于一般的通信服务，最强的信号是最受关注的。因此搜索能通过提取脉冲响应的峰值来实现。相反，对于位置服务，其目标是发现最初到达的信号，如果可以得到的话，最好是视距信号。

对于一般的通信服务，覆盖范围也不同，因为只有从服务网络元件发来的信号才是必须要获取的。服务网络元件是给移动终端当前所在的小区提供服务的网络元件。因而对于一般的通信服务，延迟轮廓主要取决于网络的小区大小。相反，对于位置服务，覆盖范围取决于服务小区和相邻小区的大小，因为需要由来自多个网络元件的信号来确定移动台的确切位置。

举例说明，图1显示了具有服务基站BS_s的蜂窝网络，该服务基站BS_s作为六角形的服务小区10中的服务网络元件。当前位置待定的移动台MS处于该服务小区10中。服务小区10被六个另外的六角形小区11所环绕，这六个小区由构成网络元件的紧邻的基站BS_n提供服务。距移动台MS仍然很远的其它基站可能也必须额外考虑进来。

为位置服务而检测延迟信号的搜索过程通常是在从不同网络元件接收到的信号的脉冲响应中实现的。搜索可以利用从零延迟开始的校正过程来执行，例如利用匹配滤波器。延迟随即增加直到发现响应。延迟能通过例如所接收信号的脉冲响应轮廓中的边沿检测来估计。脉冲响应轮廓的长度远远长于信号波形的宽度。因此，边沿搜索是从信号的某一位置开始，比较采样数据的幅值和预定义的阈值。另一方面，阈值必须设置得足够高以避免噪声的峰值被检测成信号边沿，从而产生误警。另一方面，阈值必须设置得足够低以保证即使信号的强度十分微弱也能检测出信号边沿。

原则上，脉冲响应的长度应该足够长以覆盖可能的最大延迟。但是，从延迟信号的搜索过程可知，搜索范围的长度通常影响获取信号时的误警率。搜索范围越长，误警率越高。对于位置服务，问题甚至更严重，因为对于相邻网络元件部分信号非常微弱并且噪声较高，而延迟却更大。多数噪声是当获取相邻网络元件时由服务网络元件造成的干扰。

在其它基于蜂窝网络的定位过程中可能发生类似的问题。

发明内容

本发明的目标是在确定移动台位置时降低误警率和得到高获取概率。

利用如下方法实现了本发明的目标。该方法是一种为确定移动台的位置，对在移动台处接收的来自网络中特定网络元件的信号的延迟进行估计的方法，该方法包括在搜索窗口内估计延迟，搜索窗口根据特定网络元件可获得的位置信息以及移动台到至少一个其它网络元件间已知的距离来确定。所估计的来自特定网络元件的信号的延迟和到该特定网络元件的距离是相应的。

本发明目标的进一步通过相应的移动台实现。该移动台包括为确定移动台的位置，接收来自网络中多个网络元件的信号的装置以及使用各个确定的搜索窗口确定接收的信号的延迟的装置。移动台还包括接收针对每个网络元件的搜索窗口的指示的装置，或者根据前面提到的方法来确定搜索窗口本身的装置。

本发明目标可以同样地用相应的网络的网络元件实现，该网络元件包括为确定移动台位置用于向移动台发送信号的装置。该网络元件还包括根据前述方法为网络的至少一个其它网络元件确定搜索窗口的装置，以及在确定的搜索窗口向移动台发送信息的装置。或者网络元件还包括检索关于至少一个其它网络元件的位置信息，并将位置信息发送到移动台的装置。网络单元可以是例如无线接入网的基站。

最后，本发明目标可以通过一种通信系统实现。该通信系统包括用于发送信号以确定移动台位置的至少两个网络元件，至少一个移动台，它具有根据搜索窗口确定接收到的信号的延迟的装置；和根据前述方法用来确定搜索窗口的装置。后面的装置可以包含在移动台或网络元件中。

本发明源于这样的想法，就是为了在获取时降低误警率，搜索范围能通过在脉冲响应轮廓中放置搜索窗口来限定。当到至少一个网络元件的距离已知，并可获得距离待定的特定网络元件的进一步几何信息时，搜索窗口能基于该信息被限制。几何信息可以是特定网络元件精确的位置或是和已知位置相关的位置信息。可获得的信息可特别地用来确定移动台到特定网络单元的最小和最大距离，从而确定由该特定网络单元发送信号的可能的最小和最大延迟。搜索窗口能由此选定从而可以搜索到以这个最小和最大延迟之间的延迟到达的信号。

本发明的优点是例如位置服务中在确定移动台位置时降低了误警率并提高了获取概率。另外，噪声分量的量也减少了，如减少为一半。

此外，本发明还能够获取较微弱的信号，因此能获得更多的网络元件。这也实现了更精确的定位。

本发明另外的优点是依靠减小搜索范围，匹配过滤器的操作和搜索操作都要比已知的解决方案快。与常规位置服务中信号获取过程中使用的搜索范围相比，通过使用提出的搜索窗口，搜索范围可以减小如50％。

通过随附的权利要求书，本发明的优选实施方式变得更明显。

在本发明的一个特别简单的实施方式中，移动台到一个其它网络元件间单一的已知距离能用来确定一个或多个特定网络元件的搜索窗口。例如，已知的距离能由移动台目前所处小区的边界和为该小区服务的网络元件间的最大距离给定。适合于所有特定网络元件的搜索窗口可以具有相应于该最大距离的两倍的长度。这样搜索窗口只需根据每个特定网络元件的相对位置改变。

但是，可有利地利用有关可获得距离的更详细的信息。当已经获得服务网络元件时，已知距离可以是移动台到服务网络元件间的确定距离。当到至少两个其它网络元件的距离已经被估计出来时，到所有这些网络元件的距离可以被考虑进来以确定搜索窗口。搜索窗口能被特定地选择，使之能覆盖以各自确定的距离为半径，环绕着已获得的网络元件的所有圆环的交叉点。为了激活特定的小搜索窗口，搜索窗口能被分为至少两个子窗口，每个子窗口覆盖各自的交叉点。

为了保证第二种方法的可靠性，优选地是首先确定来自较近的网络元件或来自那些提供较强信号的网络元件的信号的延迟。当把对第二目标的参数值估计建立在基于对第一目标得到的参数值估计上，并且第一目标参数值不可靠时，该方法不收敛。在提出的方法中，最可靠的对象应该是服务网络元件，其次是各个最近的网络元件或提供最强信号的网络元件。

在本发明的另一具体实施方式中，为发送信号，特定网络元件的覆盖范围和特定网络元件使用的功率等级也被额外考虑进来以确定搜索窗口。

有利地，搜索窗口不仅用来限定对接收信号的延迟的搜索范围，而且用来为接收到的信号设置信号强度的阈值。搜索窗口越小，为得到相同的误警率和相同获取概率的阈值就越低。

本发明适用于任何类型的通过空中接口发送信号的网络，例如，蜂窝网络、无线台网络等。相应地，本发明适用于任何蜂窝系统，例如在GSM(全球移动通信系统)、CDMA(码分多址)和/或GPRS(通用分组无线系统)系统中，并且同样适用于使用非蜂窝网络的任何系统。此外，它能用于任何类型的定位，例如利用OTD(观察时间差别)的服务。

附图说明

从下面参照附图的详细描述中，本发明其它的目标和特点将变得更清晰。其中

图1显示了蜂窝通信系统中的移动台；

图2指明了在蜂窝通信系统中的不同距离；

图3a)-c)和图2一起示出了根据本发明的方法的原理；

图4是个流程图，示出按照本发明的方法的具体实施方式；

图5示出图4的流程图中的第一个步骤；

图6是个图表，显示了对不同搜索窗口大小的误警率的仿真结果；和

图7是个图表，显示了对不同搜索窗口大小的获取概率的仿真结果。

具体实施方式

图1在上面已经描述过了。

图2和3a-3c通过示例示出应用于蜂窝通信系统的根据本发明的方法的原理。通信系统包括移动台和有多个小区的蜂窝网络，每个小区都通过另外的基站提供服务。通信系统能提供某种位置服务。目前，移动台的位置将通过这些位置服务来确定。

图2指明了通信系统中的各种距离。蜂窝网络的几个小区20、21、22被放置在一排上。描绘了一条平行于该行的直线，把不同的字母O、A至E、...、X关联于通信系统中不同的位置。位置A至D与各自的相邻位置间是等距的。

移动台MS位于服务小区20中。服务小区20从位置O延伸到位置B。给服务小区20提供服务的服务基站BS₀位于该小区20的中心位置A。第一相邻小区21从位置B延伸到位置D。给小区21提供服务的基站BS₁位于小区21的中心位置C。第二相邻小区BS₂开始于位置D并且延伸过位置E。给服务小区22提供服务的服务基站BS₂位于该小区22的中心位置E。更多的基站可以据此类推并最多扩展到位置X。通过基站BS₀、BS₁、BS₂发送的信号的脉冲响应轮廓的整个长度覆盖了从位置0到位置X的距离。

现在移动台MS确定到每个基站BS₀、BS₁、BS₂的距离，来估计它的当前位置。

服务基站BS₀在位置服务的测量开始之前是已知的。服务基站BS₀知道它自身的位置和小区大小，而且还知道其它基站BS₁、BS₂的位置和覆盖范围。

假设在移动台MS和服务基站BS₀间进行着通信。在通信期间，服务基站BS₀向移动台MS发送几何信息和基站的小区大小及覆盖范围信息。对于小区大小和覆盖范围，能提供例如指示从基站到小区的各个边界间的最大距离或者覆盖区域。

基于接收到的信息，移动台MS随即针对每个它可能会接收信号的基站BS₀、BS₁、BS₂确定专用搜索窗口。

得到的搜索窗口表示在图3a至3c中。每个图都显示了具有O和|OX|间脉冲响应延时的时间线。|OX|是信号经过位置0到位置X的传输路径的延迟。

对于服务基站BS₀本身，搜索范围必须覆盖从位置O到A为半径的圆形区域，因为已知移动台MS是位于服务小区20中的。移动台MS从而确定了包含从零到延迟|OX|的延迟的搜索窗口，这是在O到A的距离上沿直线路径所需的传播时间。服务基站BS₀的搜索窗口在图3a中指示出。在获取服务基站BS₀时，位于该脉冲响应范围之外的所有组件被移动台MS排除在外。

由于移动台MS位于服务小区20中，此外，已知基站BS₁和移动台MS间的最小距离是位置B和C间的距离，并且基站BS₁和移动台MS间的最大距离是位置O和C间的距离。基站BS1的搜索窗口因此被确定，该窗口覆盖了相应的延迟|OA|到|OC|，这里延迟|OA|和延迟|BC|相等。该搜索窗口在图3b中指示出。

由于已知移动台MS是位于服务小区20中的，此外，基站BS₂和移动台MS间的最小距离已知是位置B和E间的距离，并且基站BS₂和移动台MS间的最大距离已知是位置O和E间的距离。基站BS₂的搜索窗口因此被确定，该窗口覆盖了相应的延迟|OC|到|OE|，这里延迟|OC|和延迟|BE|相等。该搜索窗口在图3c中指示出。

搜索窗口能进一步通过在相邻基站BS₁、BS₂的覆盖范围中可获得的信息来限定。例如，如果移动台MS获悉基站BS₂的覆盖范围只有A-E的半径，搜索范围能进一步限定在从A到B，并且搜索窗口相应于从|OC|到|OD|的延迟。

在描述的示例中，移动台MS基于从服务基站BS₀接收到的消息来确定搜索窗口。作为选择，服务基站BS₀能为每个基站BS₀、BS₁、BS₂确定搜索窗口，并且只向移动台MS提供这些搜索窗口的消息。

在每个示例中，移动台MS通过在接收到信号的脉冲响应轮廓中放置确定的搜索窗口，并通过在该搜索窗口内执行边沿检测，来估计从不同基站BS₀、BS₁、BS₂到达的信号的延迟。从所估计的延迟，移动台MS计算到基站BS₀、BS₁、BS₂的各个距离。可以假定移动台MS当前的位置是以这些各个确定的距离，位于环绕着基站BS₀、BS₁、BS₂的圆的交叉点上。

使用所提出的方法，搜索范围缩短了，因此在获取时误警率降低。当假定小区大小一样，和传统的方法相比，象图2和3显示的示例对于基站BS₁搜索范围缩小了大约1/3，对于基站BS₂缩小了大约3/5。

当然，实际上小区覆盖范围相互重叠并且小区的大小和形状也不一样。尽管如此，搜索窗口能由移动台来设计，以覆盖为获取类似于上面描述的特定基站的所有可能的延迟。

图4是个流程图，阐述了根据本发明方法的具体实施方式，对于蜂窝通信系统中的位置服务，它进一步缩小了获取相邻基站的搜索范围。

第一步，服务基站BS₀向移动台MS提供蜂窝网络中的服务基站BS₀和相邻基站BS_i的位置信息、服务基站BS₀的最大小区半径R₀的指示和相邻基站BS_i覆盖范围的指示。

下一步，移动台MS象上面描述的那样为服务基站BS₀确定搜索窗口。服务基站BS₀服务于最大半径约为R₀的小区。这样，确定了的搜索窗口在大小上和搜索范围R₀相对应。在获取服务基站BS₀之后，移动台MS随即使用该搜索窗口来确定从服务基站BS₀接收到的信号的延迟。移动台MS从该延迟能计算出到移动台MS目前所处的服务基站BS₀的距离D₀。图5示出带有服务基站BS₀、半径R₀和确定的距离D₀的蜂窝环境。

为了估计到其它基站BS_i的距离，移动台MS综合了接收到的几何信息和已经获得的基站的信息。

移动台MS首先选择最近的相邻基站BS₁。相邻基站BS₁以大约为R₁的最大半径服务于小区，该小区和由服务基站BS₀提供服务的小区有部分重叠。

在参照图2和图3给出的示例中，基站BS₁的搜索范围现在将大约是2R₀。然而，已经知道移动台MS位于环绕服务基站BS₀的已定义圆环上，在图5中用虚线指明。该圆环到服务基站BS₀的距离是D₀。基站BS₁的搜索范围可以被放置在D₁₁和D₁₂之间，D₁₁与基站BS₁和服务基站BS₀间的距离减去D₀相对应，D₁₂与相邻的基站BS₁和服务基站BS₀间的距离加D₀相对应。

因此需要搜索范围的长度是2D₀，它比图2和图3a-c示例中的范围2R₀小了很多。

移动台MS需要相邻的基站BS₁，使用接收到的搜索窗口来确定基站BS₁接收到的信号延迟，并通过延迟确定到基站BS₁的距离。

只要对到其它基站BS_i的距离有需求，移动台MS就继续选择各个下一个最近相邻基站BS_i，并基于该基站的位置信息和移动台MS已获得的位置信息来为基站BS_i确定搜索窗口。

例如，在下一个迭代循环中，已经获取了两个基站BS₀、BS₁，移动台MS到这些基站BS₀、BS₁的距离D₀、D₁也已经确定。因此移动台MS一定是位于两个环的交叉区域上，其中的一个环以半径D₀环绕基站BS₀，另一个以半径D₁环绕基站BS₁。当搜索其它基站时，该信息能用来限定搜索窗口的大小，以覆盖非常小的搜索范围。搜索窗口能被特别地分成两个子窗口，来覆盖环绕圆环的两个相交区域的两个小的搜索区域。相邻基站BS_i的覆盖范围的指示能预先用来检查来自各个相邻基站BS_i的信号是否能以足够的信号强度到达移动台MS。

获取的基站越多，所得到的移动台的位置信息就越精确。位置信息能被接着用来获取另外的基站。误警率能由此降低到最小。

图6和7是图表，呈现仿真的结果，来说明按照本发明的方法所能获得的改进。

图6示出超出设置的阈值的搜索范围是150米、500米、1000米和5000米的误警率。搜索范围直接对应于使用的搜索窗口的大小。专用的曲线近似地连接每个搜索范围的仿真结果。阈值表示接收到的信号需要具有的强度，使之能被移动台检测到，并被标注为从0.5到3.5的多个噪声均值。误警率是因为阈值设得太低，那些被错误地检测为信号边沿的噪声峰值的比率。

在特定的噪声环境下，阈值是按照期望的误警率来设定的。在图6中可以看到，搜索范围越小，阈值就越低，这是为了达到相同的误警率所必需的。例如，误警率可能要求小于0.2。如果搜索范围能限定到150米，则阈值设置应该被设置高于大约1.8。相反，如果搜索范围是2000米，阈值应该设为高于2.6。这意味着对于更大的搜索范围，信号的强度必须更高。这样，更多的相邻基站可以被考虑在根据本发明得到的带有较小搜索窗口的位置服务中。

图7显示了对于搜索范围是150米、500米、1000米和5000米的设置阈值，获取的概率百分比。专用的曲线再一次近似地连接每个搜索范围的仿真结果。假定信噪比是9dB。获取概率一方面考虑检测出正确信号的概率，另一方面考虑检测出的信号不是噪声信号的概率。因为两者以相反的方式依靠所选择的阈值，得到的曲线有最大值并由此标示出最佳的阈值。

就象在图7中看到的那样，当搜索范围缩小时，信号获取概率提高。例如，如果搜索范围是150米，最大获取概率能达到大约85％，而如果搜索范围是2000米时，最大获取概率将只能是大约67％。这样，通过缩小搜索范围得到的好处是显而易见的。

应该注意到，所描述的具体实施方式仅构成从本发明的多种可能实施方式中选择出的几种实施方式。

Claims

1.一种为确定移动台(MS)的位置，对在所述移动台(MS)处接收的来自网络中特定网络元件(BS₁、BS₂)的信号的延迟进行估计的方法，所述方法包括在搜索窗口内估计所述延迟，所述搜索窗口根据所述特定网络元件(BS₁、BS₂)可获得的位置信息以及所述移动台(MS)到至少一个其它网络元件(BS₀、BS₁)间已知的距离来确定。

2.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个其它网络元件包括为所述移动台(MS)当前位于的服务小区(20)提供服务的服务网络元件(BS₀)，其中所述服务小区(20)的边界到所述服务网络元件(BS₀)的最大距离限定了所述移动台(MS)到所述服务网络元件(BS₀)的已知距离。

3.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个其它网络元件包括为所述移动台(MS)当前位于的服务小区提供服务的服务网络元件(BS₀)，其中所述已知距离是所述移动台(MS)到所述服务网络元件(BS₀)的距离(D₀)，其根据对从所述服务网络元件(BS₀)来的信号的延迟测量确定。

4.根据前面权利要求之一的方法，其中所述至少一个其它网络元件包括至少两个网络元件(BS₀、BS₁)，到这两个网络元件各自的距离已根据从所述至少两个网络元件(BS₀、BS₁)来的信号的延迟测量确定。

5.根据权利要求4的方法，其中选择所述搜索窗口，使得所述搜索窗口覆盖所有圆环的交叉点，所述圆环以各自确定的距离为半径环绕着所述的至少两个网络元件(BS₀、BS₁)。

6.根据权利要求5的方法，其中所述搜索窗口被分为至少两个子窗口，每个所述子窗口覆盖各自的交叉点。

7.根据前面权利要求之一的方法，其中按照至少两个特定网络元件(BS₁、BS₂)到所述移动台(MS)的距离排序，从和所述移动台(MS)最近的网络元件(BS₁)开始，确定针对所述至少两个特定网络元件(BS₁、BS₂)的各自的搜索窗口。

8.根据前面权利要求之一的方法，其中按照所述网络元件发送的信号在所述移动台处的信号强度排序，从提供最强信号的网络元件开始，确定针对所述至少两个特定网络元件的搜索窗口。

9.根据前面权利要求之一的方法，为了进一步限定所述的搜索窗口，其中所述特定网络元件(BS₁、BS₂)的覆盖范围被考虑进来。

10.根据前面权利要求之一的方法，还包括根据确定的搜索窗口大小确定阈值，所述阈值限定了要对延迟进行估计的所述移动台所接收到的信号的最小信号强度。

11.一种移动台(MS)，包括为确定所述移动台(MS)的位置，接收来自网络中多个网络元件(BS₀、BS₁、BS₂)的信号的装置，根据前面权利要求之一来确定搜索窗口的装置，以及包括使用各个确定的搜索窗口确定接收的信号的延迟的装置。

12.一种移动台(MS)，包括为确定所述移动台(MS)的位置，接收来自网络中多个网络元件(BS₀、BS₁、BS₂)的信号和接收针对每个所述网络元件(BS₀、BS₁、BS₂)的搜索窗口的指示的装置，以及包括使用各个搜索窗口确定接收的信号的延迟的装置。

13.一种网络的网络元件(BS₀)，包括为确定移动台(MS)位置用于向所述移动台(MS)发送信号的装置，根据权利要求1到10之一为所述网络的至少一个其它网络元件(BS₁、BS₂)确定搜索窗口的装置，以及在所述确定的搜索窗口向所述移动台(MS)发送信息的装置。

14.一种网络的网络元件(BS₀)，包括为确定移动台(MS)位置用于向所述移动台(MS)发送信号的装置，以及检索关于至少一个其它网络元件(BS₁、BS₂)的位置信息，并将所述位置信息发送到所述移动台(MS)的装置。

15.一种通信系统包括

-至少两个网络元件(BS₀、BS₁)，用于发送信号以确定移动台(MS)的位置；

-至少一个移动台(MS)，它具有根据搜索窗口确定接收到的信号的延迟的装置；和

-根据权利要求1到10之一确定搜索窗口的装置。

16.根据权利要求15的通信系统，其中所述的用于确定搜索窗口的装置包括在所述至少两个网络元件(BS₀、BS₁)中的至少一个中。

17.根据权利要求15的通信系统，其中所述的用于确定搜索窗口的装置包含在所述的至少一个移动台(MS)中。