ES2227815T3 - Sistema de localizacion de comunicaciones. - Google Patents

Abstract

Un aparato para la localización de un transmisor {101) de radio estándar para comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado compuesto por: al menos una primera y una segunda estaciones sensoras (104), cada estación sensora tiene una antena (103) y medios de acondicionamiento de la señal asociada para recibir una señal del transmisor de radio móvil (101) y un mecanismo cronométrico para etiquetar un instante representativo identificado de la señal recibida para producir datos de señal recibida etiquetados; al menos una primera y una segunda unidad de procesamiento de caracterización de señal en las estaciones sensoras primera y segunda, respectivamente, donde cada unidad de procesamiento de caracterización de señal genera datos de señal replicados; al menos una primera y una segunda unidad de proceso de correlación de señal en las estaciones sensoras primera y segunda, respectivamente, donde cada unidad de proceso de correlación de señal efectúa un proceso de correlaciónde réplicas adaptadas con los datos de señal recibida etiquetados y los datos de señal replicados para producir parámetros de señal relativos a la posición; un sistema de comunicación (105) para comunicar los parámetros de señal relativos a la posición desde las estaciones sensoras a una estación central (106); medios para estimar la posición del transmisor móvil desde los parámetros de señal relativos a la posición; y una salida para indicar la posición estimada del transmisor móvil.

Description

Sistema de localización de comunicaciones.

La determinación de la posición de los transmisoresreceptores estándar de comunicación inalámbrica por radiofrecuencia ("transceptores") a partir de las comunicaciones en que intervienen permite a los servicios de emergencia (bomberos, servicios de rescate y policía) responder más rápidamente a las llamadas de socorro. Es posible mejorar la seguridad tanto pública como privada poniendo a libre disposición información sobre la posición y la localización geográfica. Las tecnologías tales como las descritas en el presente documento no necesitan que se modifiquen los dispositivos estándar de comunicación para facilitar la determinación de su localización en tiempo real.

Los transceptores de comunicación más popularmente usados por el público general son las unidades móviles (es decir, "teléfonos") de sistemas de comunicación celularizados. Ejemplos de ello son el "teléfono celular" y el "servicio de comunicación personal" (PCS). Los sistemas de comunicación celular se sirven normalmente de mensajes de datos de control para "administrar" el nivel de potencia transmitida de una unidad móvil a fin de limitar su nivel transmitido al justamente necesario para garantizar una correcta recepción de la comunicación dentro de la "célula" local de control. Esta administración de la potencia puede limitar la recepción de las transmisiones de comunicación en múltiples estaciones de recepción y, por lo tanto, dificultar más la labor de determinar la localización del transmisor. Además, al usarlos con fines comunicativos, los teléfonos inalámbricos se aplican a canales de transmisión de voz o de "tráfico" más que a canales de control o de "acceso". Por lo tanto, se requieren equipos para localizar los transmisores en cualquier tipo de canal.

La presente invención aborda esta cuestión mediante la puesta a disposición de medios robustos y eficaces para extraer mediciones paramétricas de alguna o ambas señales de comunicación de control y de voz. Dichas mediciones pueden emplearse posteriormente para facilitar el proceso de localización que se requiere para ubicar transceptores de comunicación inalámbricos. Se pueden usar los datos de posición para canalizar rápidamente llamadas desde una unidad inalámbrica a alguien, o a algún organismo, que esté en condiciones de responder a la llamada. Por consiguiente, la información de localización permite una rápida respuesta a llamadas de emergencia al "9-1-1" desde una unidad inalámbrica. La invención también puede responder a peticiones de información de ayuda no urgente o información relativa a la posición a modo de "páginas amarillas". Es posible generar datos de movimiento a partir de los datos de localización; tales datos pueden usarse para monitorizar la congestión del transporte así como para gestionar parques móviles.

La presente invención puede incrementar el rendimiento y la eficiencia de costes de varios sistemas enfocados a la localización de transmisores de comunicación móviles inalámbricos estándar. Se han descrito diferentes técnicas que intentan proporcionar dicha utilidad y cubrir la necesidad de tales sistemas. Como precursor de este tipo de tecnologías, la patente US 4,728,959 describe, entre otras funciones novedosas, un sistema con un medio para medir un ángulo de dirección de la estación radiotransmisora móvil desde al menos dos estaciones terrestres mediante una medición de diferencia de fase, que incluye un medio para obtener una integración ponderada sensible a la fase de un producto conjugado complejo de una señal equivalente en cada elemento de antena. Ello permite, entre otras cosas, medir el ángulo de llegada (AOA) de una señal desde un transceptor móvil a partir de las covarianzas de las señales elementales recibidas con sistemas en fase en estaciones sensoras distribuidas y, de este modo, obtener y proporcionar la localización de un transmisor de comunicación móvil estándar.

La presente invención avanza el estado de la técnica en sistemas AOA usando correlaciones de réplicas adaptadas para aumentar su robustez y para ampliar la aplicabilidad de estos conceptos fundamentales en el dominio de interferencias cocanales graves. La interferencia cocanal es un problema especial e inherente a un tipo de sistema de comunicación digital conocido como comunicaciones de acceso múltiple por división de código (CDMA). Existen sistemas con el objetivo de proporcionar las localizaciones de transmisores móviles estándar mediante la extracción de mediciones a partir de señales sometidas a "conformación de haz" aplicando correlaciones de diferencia en el tiempo de llegada (TDOA) de representaciones directas muestreadas de las propias señales, en caso de suficiente ancho de banda de señal (lo que a menudo no está disponible para la mayoría de los transceptores "analógicos" comerciales). La transmisión puede mitigar (adaptativamente) algunos efectos de propagación de señal multirruta. No obstante, para implantar realmente este proceso de correlación, las representaciones de señal muestreada han de recogerse en un punto de correlación común. Dicha recogida de señales requiere el soporte de comunicación con "red de retroceso" (backhaul) del volumen de datos significativo para elaborar las representaciones de las señales muestreadas.

Un objetivo de la presente invención es ampliar la utilidad de los conceptos de localización basados en AOA y TDOA para posibilitar su aplicación a señales que no sean necesariamente el producto y que no impliquen el gasto de conformación de haz. Otro objetivo de la presente invención es ampliar la eficacia del proceso de correlación por medio del uso del proceso de réplica adaptada, el cual proporciona al correlador una representación de la señal libre de distorsiones, incrementando la detectabilidad de la correlación. Otro objetivo de la presente invención es mejorar la eficacia del proceso de sistema integrado con la eliminación de la necesidad de cualquier tipo de comunicación de datos de señal representativos con red de retroceso entre las estaciones cuando la réplica de señal puede derivarse localmente de una señal recibida y/o de una réplica almacenada conocida. Otro objetivo de la presente invención es reducir significativamente la cantidad de datos de señal representativos que se transfieren entre estaciones mediante la extracción y el uso de formas demoduladas del contenido de la información en las transmisiones por radiofrecuencia para todas las formas de modulación.

La patente US 5,327,144 describe un sistema que pretende medir señales de tiempo de llegada (TOA), un enfoque de diferencias de tiempo de llegada asociadas (TDOA) empleando lo que se describe como proceso de correlación. No obstante, la técnica descrita requiere amplias comunicaciones con red de retroceso interestación de representaciones de señales muestreadas o de réplicas demoduladas menores. Aparentemente tales comunicaciones se emplean para la localización de transmisores móviles estándar en sistemas de comunicación celularizada "que emplean canales de control analógicos", mediante la explotación de señales "de ráfaga" (control) de corta duración. En EE.UU., los formatos de señal "analógica" para la "interfaz aérea" entre el transceptor móvil y la infraestructura del sistema de comunicación usa la especificación del sistema avanzado de telefonía móvil (AMPS). Los mensajes de control AMPS se producen en ráfagas de una duración aproximada de una décima parte de un segundo.

La presente invención incrementa la utilidad de la derivación correlativa de cualquier medida a través de la eliminación de requerimientos para señales de control analógicas por ráfagas y las comunicaciones con red de retroceso de representaciones de señal. La presente invención amplía, asimismo, la aplicabilidad del procesamiento de réplicas adaptadas para permitir el procesamiento de señales de transmisiones "continuas" o oportunistas (antes que simplemente inducidas o transpuestas) así como de transmisiones de formatos digitales tales como señales de voz en sistemas CDMA. Además la presente invención también amplía el procesamiento correlativo de réplicas adaptadas para proporcionar mediciones robustas y eficaces de AOA y TOA o TDOA, para todos los formatos de señal de comunicación.

La presente invención proporciona un sistema que determina de forma efectiva parámetros sensibles a la localización para un radiotransmisor estándar de comunicación móvil en un sistema de comunicación celularizado, lo localiza y/o realiza su seguimiento. El sistema emplea un proceso de correlación de réplicas y técnicas de reconstrucción y reducción de datos de señal representativos asociados para detectar señales de interés y obtener mediciones robustas de parámetros de señales recibidas relativas a la posición, tales como diferencias de tiempo de llegada (TDOA) y ángulos de llegada direccionales (AOA) para la estimación de la localización de fuentes de señal de comunicación celularizada. El nuevo uso del proceso de correlación de señales empleado en la presente invención para lograr la localización de transmisores de comunicación permite la extracción eficaz y precisa de parámetros para una señal particular incluso en una banda de frecuencia que reciba múltiples transmisiones, tal como ocurre con las comunicaciones con acceso múltiple por división de código (CDMA).

El uso en la presente invención del proceso de correlación permite además tiempos de integración de procesamiento extendidos para facilitar la detección efectiva de efectos de señal de comunicación deseados e incrementar la medición de los parámetros relativos a su localización, también para señales de comunicación moduladas para transmitir conversaciones de voz o las debilitadas debido a efectos de propagación. Si se puede derivar de las propias transmisiones recibidas, como la información digital representada con señales moduladas lo suficientemente fuertes, o si está disponible de otro modo, como en las transmisiones recibidas con contenidos de control de comunicación u otros contenidos de datos conocidos, el uso en la presente invención de réplicas de señal reconstruidas en el proceso de correlación permite la eliminación de las comunicaciones interestación de las representaciones de señal que permiten los análisis de correlación. El uso en la presente invención de representaciones de datos reducidos de las señales moduladas para conversaciones de voz, o para los componentes variables de comunicaciones de datos, reduce significativamente las comunicaciones interestación que permiten los análisis de correlación. Por lo tanto, la presente invención incrementa significativamente la robustez, la aplicabilidad y la eficacia, y reduce el coste de implantación, de técnicas de correlación para la detección y medición de parámetros de señal para facilitar la localización y el seguimiento de los transmisores de comunicación inalámbricos usados en sistemas de comunicación celularizados o subdivididos geográficamente.

Los objetivos, funciones y ventajas anteriormente mencionados de la presente invención se describen, entre otros, a continuación con ayuda de las siguientes figuras ilustrativas y las formas de realización ejemplificados.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1. Se muestra una configuración de sistema operacional con la recepción de las transmisiones desde una unidad de comunicación móvil inalámbrica en las estaciones de antena interconectadas de un sistema de localización integrado.

Figura 2. Se muestran relaciones geométricas de tiempo de diferencias de llegada de dos estaciones sensoras en forma de líneas hiperbólicas que representan las localizaciones de posiciones asignables a las diferencias de rango de constantes distintas asociadas a las diversas diferencias de tiempo.

Figura 3. Se representa una localización de tiempo de diferencias de llegada mediante la intersección de dos hipérboles que están asociadas a las diferencias de tiempo asociadas a dos pares distintos formados desde tres estaciones sensoras.

Figura 4. Se representa una localización de ángulo de llegada mediante la intersección de dos líneas no colineales de marcación constante asociadas a ángulos de llegada de señal en dos estaciones sensoras distintas.

Figura 5. Se muestra una operación de estación sensora autónoma y un flujo de datos en el cual la señal recibida se encamina a una correlación con una réplica adaptada y almacenada o derivada localmente para la extracción de mediciones del ángulo y/o tiempo de llegada a fin de permitir localizaciones centralmente estimadas.

Figura 6. Se muestra una operación de estación sensora cooperativa y un flujo de datos en la cual las señales recibidas en estaciones separadas se encaminan a una correlación común entre sí para la extracción de mediciones de diferencias de tiempo y/o ángulo de llegada a fin de permitir localizaciones centralmente estimadas.

Figura 7. Se representa una repetición de señales en forma de datos de señal que se obtienen de las sucesivas fases del proceso que permiten la preparación de las representaciones de señal que se emplean en las correlaciones de réplicas adaptadas.

Figura 8A y 8B. Se muestra un flujo de control funcional de un sistema de localización como ejemplo de una configuración de un sistema de localización y que implica la asignación por parte de la estación de control de la responsabilidad de recogida e informe de datos para las estaciones sensoras, y el cálculo de estimaciones de localización en la estación de control basado en los datos de medición obtenidos.

La localización de transmisores de señal por radiofrecuencia se puede determinar por medio de la interpretación geométrica de las mediciones de parámetros tal como las diferencias en los tiempos de llegada o los ángulos direccionales de llegada de sus señales en múltiples estaciones de recepción de localización conocida. La figura 1 representa un transmisor de radiofrecuencia 101 que transmite una señal 102 que se recibe en antenas 103 conectadas a una red de puntos o estaciones sensores 104 distribuidos a través de la región en la que opera el transmisor. Como se ha indicado para el transmisor mostrado, los transmisores que se van a localizar pueden ser unidades de comunicación inalámbricas móviles, como los teléfonos usados en sistemas de servicios de comunicación personal o celular. Las estaciones sensoras están conectadas a través de enlaces de "comunicaciones con red de retroceso" 105 a al menos una estación central o estación de control 106 donde es posible analizar la diferencia de tiempo o los datos de ángulo recogidos en las estaciones sensoras para obtener las localizaciones estimadas, movimientos e incertidumbres asociadas de los transmisores de interés. Los enlaces 105 de un sistema de comunicación inalámbrico se denominan "red de retroceso" porque proporcionan el mecanismo de fondo y permiten la comunicación de información entre las estaciones distribuidas que son necesarias para permitir las comunicaciones primarias de radiofrecuencia 102 transmitidas a y desde las unidades de comunicación.

1. Mediciones relativas al tiempo

Con las mediciones relativas al tiempo se puede observar la facilidad de localización en la relación que existe entre un valor de tiempo de diferencia de llegada (TDOA) entre señales recibidas en común en dos estaciones (p.ej., numerados 1 y 2) y los rangos o distancias entre las posiciones de los receptores de señal y la posición del transmisor de señales. Suponiendo que la velocidad de la propagación de la señal es aproximadamente la velocidad de la luz c, el TDOA t12 entre las estaciones 1 y 2 es

T_{12} = (r_{1} - r_{2}) /c

donde r_{1} y r_{2} son los rangos desde la posición del transmisor a las posiciones de las antenas receptoras de las estaciones 1 y 2, respectivamente. En una representación bidimensional plana simple, la diferencia de rango obtenida multiplicando el TDOA por c define una hipérbole a lo largo de la cual está localizado el transmisor. Es decir, una medición simple de TDOA establece una posición hiperbólica de posibles localizaciones del transmisor. La figura 2 representa las relaciones geométricas implicadas en mediciones TDOA obtenidas con dos estaciones sensoras 201 y 202, que se muestran en las posiciones indicadas con SS1 y SS2 en la parte superior e inferior de la figura 2, respectivamente. Las hipérboles marcadas con líneas oscuras 203 a 207 son los lugares de posibles localizaciones de transmisores asociados a varios valores TDOA, diferentes para cada línea. Las hipérboles son simétricas con respecto a los dos lados de la línea base interestación 208 marcada con la línea oscura discontinua entre las dos estaciones sensoras. A modo de ejemplo, un solo valor cero de TDOA indicaría que no existe diferencia en los rangos de un transmisor a las dos estaciones sensoras y que la posición asociada de las posibles localizaciones del transmisor sería la línea recta bisectriz perpendicular a la línea base entre sensores. La hipérbole 205 casi se aproxima a esta bisectriz. Por supuesto, como muestra la figura 2, cuando se dispone de TDOA entre solo dos estaciones, no se puede determinar la posición del transmisor más específicamente que mediante una hipérbole extendida por todo el mundo. Con la recepción de la señal en una tercera estación no colineal 303, como muestra la figura 3, se puede obtener otra medición de TDOA, por ejemplo, entre las estaciones sensoras 1 y 3, la cual define otra hipérbole 301 que puede atravesar la primera 206. La posición 302 de intersección de las dos hipérboles distintas se puede calcular a partir de las mediciones de los dos TDOA asociados. Como ocurre con toda medición, las mediciones de TDOA se obtienen con imprecisiones o incertidumbres inherentes que aumentan con la propagación de señal y las características del equipo de medición. Dichas incertidumbres se representan en la figura 3 con las líneas claras discontinuas 304 y la zona de incertidumbre para dichas incertidumbres marcada con la elipse oscura 304 se puede calcular para la intersección de las hipérboles a fin de representar la precisión de la posición estimada del transmisor.

2. Mediciones relativas a la dirección

Con las mediciones relativas a la dirección se puede observar la facilidad de localización en la relación que tiene un valor del ángulo de llegada (AOA) de señales recibidas en común en dos estaciones (por ejemplo, numeradas 1 y 2) con la posición del transmisor de señales y las posiciones de los receptores de señales. Como se representa en la figura 4, cada medición del ángulo establece individualmente una línea de marcación (LOB), 401 y 402, a lo largo de las cuales se puede localizar la posición probable del transmisor. La posición probable 403 se puede determinar con la intersección de dos o más LOB, y las incertidumbres 404 de los ángulos y los LOB asociados pueden servir para calcular la elipse 405 que representa la zona de incertidumbre de la posición estimada. Sin más información, se requieren (solamente) dos LOB de este tipo asociados a los ángulos de dos estaciones de antena para obtener una estimación de posición. Maloney y col. describen, por ejemplo, los procedimientos empleados para aplicar tales técnicas de detección de direcciones para la localización de transceptores de comunicación celularizada en la patente US 4,728, 959 ("la 959") para el sistema de localización de detección de direcciones (DFLS).

3. Proceso de correlación

La precisión de la posición de una fuente de señal, tal como un teléfono celular, determinada mediante mediciones de diferencias en tiempos de llegada de la señal o de direcciones de llegada de la señal en posiciones conocidas está directamente relacionada con la precisión de los procesos de medición de TDOA y AOA aplicados. Es de sobra conocido [p.ej., Weiss y Weistein, "Fundamental Limitations in Passive Time Delay Estimation- Part I: Narrow-Band Systems" IEEE ASSP, 31, págs. 472-486, 1983, y referencias relacionadas] que la precisión óptima alcanzable de la medición de TDOA en el procesamiento de señales recibidas es la cota de Cramer-Rao y que el proceso de "correlación cruzada" de señales (se aborda más abajo) logra inherentemente la cota Cramer-Rao con una detectabilidad óptima en condiciones normales de señal y ruido. Por lo tanto, el enfoque del procesamiento de señales estándar aplicado en la estimación de TDOA es el proceso de correlación de señal. Asimismo también es bien conocido [p.ej., H. L. Van Trees, "Detection, Estimation, and Modulation Theory, Part I" Nueva York: Wiley, 1968, y referencias relacionadas] que la capacidad para incluso detectar la presencia de una señal deseada insertada en ruido audible de forma normal y bajo la interferencia de otras señales se optimiza con el uso del proceso de correlación, para acentuar aquellos componentes de señales que sean "coherentes" y "correlativos" con (esto es, similar a) la señal deseada y para "sacar de la integral" o "eliminar del promedio" los componentes que no se deseen o no sean de interés. Los dispositivos para la detección de señales que emplean el proceso de correlación se denominan "receptores de correlación". Por lo tanto, el proceso de correlación se puede usar tanto para lograr la detección en la presencia de interferencias cocanales o en múltiples estaciones receptoras, y para extraer mediciones en apoyo a los análisis de localización.

El proceso de correlación de señales se representa simplemente con la ecuación para la función de correlación del retardo interseñal o "desfase", t:

1

donde x_{1}() y x_{2}() son formas de onda de una señal analítica de promedio cero que representan los conjuntos de señales muestradas entre las que se desea la diferencia de tiempo; la integral es una "suma" del producto de las dos formas de onda de señal; la suma integrada se calcula para el conjunto S(t_{0},T) que representa el tiempo (instantes) centrado en t_{0} en el intervalo T; es decir, en notación conjuntista matemática, S (t_{0}, T) = {s | t_{0}-T/2 < s < t_{0}+T/2}; ds es la diferencial de tiempo de la variable de integración; y "Norm" es un factor de normalización que se elige normalmente de modo que el coeficiente de correlación (esto es, el valor de la función para cualquier desfase particular, t) tiene una magnitud que no es mayor que la unidad; es decir, | R_{12}() | es menor que o igual a uno. Sin el factor de normalización, esta correlación es una estimación promediada temporalmente de la "covarianza" entre las dos señales. La eficacia y las propiedades de la función de correlación son bien conocidas, como se ha citado en las referencias anteriores y no son objeto de la presente patente.

Al margen de la aparente complejidad formal, la anterior formulación de la función de correlación proporciona las propiedades deseadas para la detección de señales y el análisis de las diferencias de tiempo entre señales, tal como se puede extraer de la siguiente reflexión. Las formas de onda de una señal pueden presentar características muy variadas, pero por lo general se pueden caracterizar dentro de dos extremos: perfectamente ordenadas y perfectamente aleatorias. En cualquier caso se supone que las señales tienen media cero, dado que cualquier promedio constante no cero o el valor "DC-bias" se puede sustraer o "bloquear" de las señales. Por lo tanto, las señales pueden considerarse "bipolares", con aproximadamente la mitad de sus valores positivos y la otra mitad negativos. La señal "ordenada" puede considerarse sinusoidal, como una "portadora" no modulada de comunicaciones potenciales, mientras que la señal "aleatoria" es completamente impredecible, como c una señal semejante a ruido térmico. Con cualquier tipo de señal el producto de un alineamiento de tiempo arbitrario de dos señales de este tipo también es generalmente bipolar, y la integración de tal producto promedia los valores positivos con los negativos y arroja el resultado en una pequeña suma acumulada (es decir, la magnitud del coeficiente de correlación es aproximado a cero). Obviamente esto podría ocurrir en la correlación descrita anteriormente, p.ej., cuando las dos señales involucradas son totalmente aleatorias y diferentes o cuando las señales son sinusoidales, pero de frecuencias suficientemente distintas. Ello también podría ocurrir incluso cuando las dos señales involucradas en un cálculo de correlación son copias de la misma señal aleatoria o sinusoidal, pero no están correctamente alineadas en el tiempo. Por otro lado, cuando las dos señales que se están correlacionando son efectivamente la misma señal pero con un desajuste de tiempo entre las mismas, se puede analizar la función de correlación para el retardo particular t21 que causa que la copia de la señal 1 esté alineada respecto a la copia de la señal 2, de modo que cuando el valor de la copia 1 sea positivo o negativo el valor correspondiente de la copia 2 sea igualmente positivo o negativo. Para este valor particular del retardo de tiempo, todos los productos de señal no nulos acumulados en la integración serían positivos (es decir, el producto es "unipolar") y la magnitud del coeficiente de correlación sería correspondientemente grande (es decir, casi uno). Dado que cada receptor (analógico) produce una señal que no es una copia perfecta de la señal transmitida (debido al propio ruido del receptor, así como a la interferencia recibida y a la distorsión de la propagación de la señal), la correlación de las señales recibidas en estaciones separadas no será perfecta (es decir, no producirá una magnitud de exactamente uno). No obstante, la detección de la presencia de una señal deseada se puede indicar por la fuerza o magnitud de la función de correlación, y la medida fundamental de la TDOA entre dos señales puede tomarse como el valor de retardo interseñal que maximiza la magnitud de la función de correlación cruzada de señal.

4. Correlación y detectabilidad (tiempo de integración)

La capacidad del receptor de correlación para detectar la señal deseada bajo presencia de ruido e interferencias está limitada por el intervalo de tiempo de integración de correlación (CIT), y se puede obtener una aumento de la detectabilidad con mayores tiempos de integración de correlación "coherentes" las cuales además "eliminan del promedio" los efectos del ruido e interferencias. Para la detección de una recepción multiestación, p.ej., para permitir la localización, se puede ampliar la duración del CIT para incluir la duración de señal que sea necesaria, para decorrelacionar de forma fiable ruido o interferencias no coherentes. Dicha ampliación en CIT para recepciones multiestación se puede obtener empleando en la correlación las réplicas adaptadas que se reciben desde una estación remota o que se derivan localmente o que son conocidas con antelación en cada estación, por ejemplo, para un contenido de un mensaje con protocolo de comunicación específico. Para la recepción de comunicaciones, la duración de los datos que se puede integrar efectivamente en el intervalo de correlación, es decir, el CIT máximo útil, está limitada al intervalo máximo del mensaje comunicado que conoce el receptor de correlación previamente a la transmisión. Con los modelos de mensaje aleatorio que se producen en las transmisiones de voz, dicho CIT máximo para la recepción de comunicaciones es la duración de la señal empleada para transmitir una unidad de mensaje, esto es, bit o tupla de bits.

5. Ejemplo: Correlación de "réplicas adaptadas" inherente a la recepción CDMA

Un ejemplo de la capacidad de detección de la función de correlación se encuentra en los receptores de correlación usados para recibir señales de comunicaciones por radiofrecuencia de acceso múltiple por división de código (CDMA). Si las señales son similares, el coeficiente de correlación es elevado, y lo contrario ocurre para señales diferentes. La función de correlación proporciona el medio para detectar y medir el grado de similitud entre señales, así como el retardo temporal entre señales. En comunicaciones CMDA y comunicaciones similares de "amplio espectro", cada mensaje digital que se transmite está "codificado" mediante el uso de una señal de gran ancho de banda o de amplio espectro que es "conocida" por el receptor para representar cada bit (o par de bits o tuplas de bits) en el flujo de bits de un mensaje. Por ejemplo, si el mensaje está codificado en bits individuales, se podría utilizar una señal conocida para representar cada "1" y otra señal conocida (es decir, la señal inversa o de correlación complementaria) podría representar cada "0". La señal compuesta de una transmisión está formada por el encadenamiento secuencial de las formas de onda representativas para la secuencia de bits deseada, y esta señal es la que se transmite. De acuerdo con las especificaciones de la norma provisional CDMA TIA/EIA/IS-95 de la Telecommunications Industry Association y la Electronic Industries Association para sistemas CDMA en los EE. UU., las secuencias de bits codificadas se transforman para las transmisiones por radiofrecuencia utilizando la modulación por desplazamiento de fase cuadrivalente (QPSK) para representar pares de bits ("00", "01", "10" y "11"). Un receptor de correlación puede correlacionar su propia "réplica adaptada" de los "códigos" de señal, p.ej., de modo diferente los de "1" y "0" o de los pares de bits, con su señal recibida, y por consiguiente puede reconstruir (como en la remodulación) el mensaje deseado creando un flujo de bits que corresponda a grandes correlaciones de la señal recibida con las réplicas adaptadas inherentes al sistema. Para la transmisión de su flujo de bits del mensaje particular, cada transmisor emplea "códigos" únicos o señales que no correlacionan bien con aquellos usados por otros transmisores del sistema. Para la recepción de los bits previstos, cada receptor puede correlacionar con cualquier réplica en uso, y por lo tanto puede recibir una señal desde cualquiera de los múltiples transmisores en una banda de frecuencia común. Comenzando por las señales de réplica usadas por los transmisores, la señal recibida se distorsiona por la conversión a radiofrecuencia en la posición del transmisor y se combina con ruidos e interferencias en la recepción en el punto receptor. La propia réplica adaptada del receptor proporciona ampliamente una forma no corrupta de la señal prevista transmitida para usarla en el proceso de correlación.

6. Correlación y extracción de mediciones

Si se emplea el proceso de correlación anteriormente descrito para realizar una detección mejorada de señal, también se puede adaptar para extraer mediciones robustas de parámetros de señal diferentes a TDOA, como AOA, robustez de señal y parámetros Doppler. Por ejemplo, en una forma de realización preferida, empleando una antena de recepción configurada como un "sistema en fase" de dos o más elementos (desde los que se reciben las señales elementales utilizando osciladores con enganche de fase, como se describen en la patente '959) se reciben las señales, x_{1}(t) y x_{2}(t), de los elementos 1 y 2 de la antena en una sola estación por correlación en un pequeño desfase (que posiblemente varíe) t_{max}(s) con una señal de réplica, x0(t), para obtener series de coeficientes R_{01} (t_{max}(s) | s, T) y
R_{02} (t_{max}(s) | s, T), respectivamente. Los retardos t_{max}(s) son "pequeños" en comparación con el CIT, T, usado para evaluar las correlaciones y son los desfases asociados con los extremos de correlación local en los que ocurre la correlación efectivamente detectada. Debido al ruido, la distorsión y los efectos de propagación de señal (como propagación multirruta), los valores extremos t_{max}(S) pueden variar de una correlación a la próxima. Entonces, mediante relaciones como las descritas en la patente '959, el ángulo de llegada de señal puede derivarse de las diferencias de fase entre los varios coeficientes de correlación de elementos. Ello significa que, de modo análogo a las presentadas en las descripciones de '959 para análisis con dos elementos, el AOA relativo al ángulo del bisectriz de la línea base interelementos puede derivarse del "argumento" de la media compleja por encima de un intervalo de tiempo S del producto conjugado de los coeficientes de correlación:

2

donde k es el número de ondas (dos pi divididos entre la longitud de onda) de la señal, b es la separación interelemento (de línea base), y la función "arg" en esta aplicación extrae la fase de la correlación (p.ej., desplazamiento cero) de los propios coeficientes de correlación. Otros usos de los resultados de correlación, aprovechando la detectabilidad y precisión mejoradas que se derivan del proceso de correlación, se pueden aplicar las medidas AOA de extracto equivalente con expresiones alternativas pero relacionadas y equivalentes, tales como las que explotan de forma adaptada las covarianzas emparejadas entre la multiplicidad de coeficientes de correlación derivables de las múltiples señales elementales desde una antena en fase. Por lo tanto, los resultados de la correlación se puede aplicar en conformación con antenas en fase, p.ej., del mismo modo que se describió anteriormente para las mediciones AOA, para obtener todas las ventajas de separación espacial ("acceso múltiple por división en el espacio", SDMA) que se incrementan mediante la conformación tanto de la localización como de la comunicación. De forma similar, para posibilitar en mayor medida las determinaciones de localización, los resultados de la correlación se pueden utilizar para extraer mediciones de otros parámetros de señal, tales como medidas de fuerza de señal, que están directamente relacionados con los coeficientes de correlación, o parámetros Doppler, que están directamente relacionados con los ritmos de variación de las diferencias de tiempo.

7. Proceso autónomo vs. cooperativo ("red de retroceso")

A fin de aplicar el proceso de correlación para detectar la recepción conjunta o común de una señal en estaciones separadas y/o medir los TDOA o AOA de dos señales separadas recibidas en estaciones separadas, las dos señales tienen que estar disponibles en común al correlador o la forma de ondas de señal "conocida" tiene que estar disponible en común a correladores separados. Para medir la dirección de una llegada de señal en cada estación, los resultados de la recepción correlacionada de señales desde los múltiples elementos "en fase" de su antena receptora direccional se usan para derivar la medición AOA "basada en fase", de la forma descrita anteriormente y análoga a lo que se expone en la patente '959. Para la medición del TDOA entre las representaciones de señal recibidas en dos estaciones, ambas señales se utilizan en un correlador común o la forma de onda de señal "conocidas" se utiliza en correladores separados, cada uno de los cuales determina un tiempo de llegada (TOA) desde el cual se puede obtener la diferencia por sustracción. La figura 5 representa la configuración funcional de componentes y el flujo de datos aplicados en la operación de estación sensora autónoma en la cual una réplica "conocida" derivada localmente o almacenada se utiliza en el proceso de correlación para obtener mediciones AOA o TOA, como se describió anteriormente y se elabora a continuación. En la forma de realización representada, el elemento de antena responde a la señal de radiofrecuencia y produce el voltaje variable de la señal analógica que es "condicionada", recibida y enrutada al conversor analógico-digital (ADC) para la "digitalización" en muestras secuenciales "de series temporales". Las mediciones de correlación se derivan de la correlación digital de las muestras de señal recibidas con la réplica muestreada, modulada y adaptada de la señal transmitida. Como se plantea más adelante, esta operación se puede aplicar donde se utiliza una réplica de un mensaje conocido o de una cadena de bits en correlación con partes conocidas a priori de la señal muestreada de canal de acceso/control, o donde secuencias de bits de cabecera tales como los involucrados en la sincronización de comunicaciones, reconocimiento de comandos, y/o gestión de contactos se utilizan en correlación con la señal muestreada de canal de tráfico/voz. Esta operación también se puede aplicar donde se utilizan réplicas de pares de bits en correlación con la señal de canal de voz muestreada(es decir, con todos los formatos de interfaz aérea digital para obtener TOA, y con señales CDMA para obtener AOA). Donde se puede lograr una demodulación fiable y se garantizan amplios CIT para una mayor precisión de intervalo de tiempo, la réplica modulada se puede derivar localmente con la demodulación de la señal recibida, de forma análoga al flujo de demodulación expuesto más adelante para el proceso cooperativo. En cualquier enfoque de esta operación autónoma, no se requieren comunicaciones de "red de retroceso" para proporcionar información sobre las réplicas a fin de permitir los análisis de correlación.

Por supuesto, se necesita la correlación conjunta para procesar cualquier señal cuya forma de onda no se conozca con antelación y que no se pueda derivar de la señal recibida. La correlación con la información de réplica obtenible mediante demodulación de una recepción fuerte también puede utilizarse para establecer cooperativamente una detección y extraer mediciones de localización de una recepción débil, que de otro modo no habría resultado útil. En los sistemas de comunicación "celularizados" y distribuidos habituales las señales se reciben en estaciones base celulares en ubicaciones discretas distribuidas por la zona geográfica en la que se ofrecen servicios de comunicación, y las estaciones celulares están conectadas a la instalación central mediante un eje troncal a fin de posibilitar los servicios de comunicación distribuidos. De modo parecido, la figura 6 representa la configuración de componentes funcionales y flujos de información aplicados en una operación de estación sensora cooperativa para permitir análisis de correlación conjunta de señales potencialmente comunes recibidas en dos estaciones separadas. En esta operación cooperativa, por correlación, una representación (digital) de una de las señales, es decir, la más fuerte de las dos si es significativa la diferencia en la relación señal a ruido (SNR), se comunica al punto en el que se recibe la otra señal. Este tipo de apoyo de comunicación de "red de retroceso" de representaciones de señales al punto común para correlación conjunta constituye un componente costoso del sistema de localización habitual que deriva mediciones TDOA para sus determinaciones de localización. La presente invención aplica el almacenamiento y, la reducción de datos de réplica para eliminar o minimizar la carga de comunicaciones de red de retroceso.

La representación (digital) más directa de una señal es una copia directa de la propia señal (muestreada). De acuerdo con el teorema fundamental de Nyquist sobre el procesamiento de señales, el muestreo de una señal debe realizarse a una frecuencia equivalente como mínimo al doble del ancho de banda de su contenido de información para poder representar con precisión dicho contenido. En el caso de las señales de frecuencia modulada (FM) transmitidas en el formato del sistema avanzado de telefonía móvil (AMPS) establecido en la especificación EIA/TIA-553 de Electronics Industries Association/Telecomunications Industries Association y usada como la norma del sistema celular "analógico" en EE.UU., los canales de señal se separan por 30 kHz y por lo tanto se puede representar con aproximadamente sesenta mil muestras por segundo. Si se desea aproximadamente 50 dB de intervalo dinámico para cada muestra de la representación de señal, cada muestra representaría ocho "bits ('b')" de información y la representación de una señal consistiría en 480.000 bits (480 kb) por cada segundo que dure la señal. La comunicación de tal cantidad de datos para permitir correlaciones de señal es una gran carga, y el objetivo de la presente invención es aliviar o eliminar esta carga de la comunicación de red de retroceso siempre que sea posible.

8. "Réplicas adaptadas"

La presente invención proporciona un método y medios sencillos para incrementar la detectabilidad de señales de comunicación en una estación o en múltiples estaciones, y para minimizar o eliminar la necesidad de excesivas comunicaciones de red de retroceso a fin de posibilitar el proceso de correlación empleado para la detección de llegadas de señal y la derivación de mediciones para la localización de transceptores de comunicación. En particular, la presente invención aplica correlaciones efectivas y eficaces de réplica adaptada para permitir la detección y medición óptima de parámetros de localización de señales comunes. Aplicando el enfoque de réplicas adaptadas, la señal potencial recibida es "conocida" o se deriva en cada estación receptora o se proporciona a cada estación receptora si se puede inferir la forma de onda transmitida, o se comunica a la(s) estación(es) de correlación común si la(s) forma(s) de onda de la señal localmente "desconocida" se reciben e interpretan de forma remota. Para una señal recibida en remoto, la presente invención utiliza una forma de "datos reducidos" de la forma de onda comunicada (p.ej., la señal demodulada) para soportar más eficientemente el proceso de correlación con una representación que no requiere la transferencia interestación de una "imagen de alta fidelidad" de la forma de onda tal como se transmite. El uso de correlaciones posibilita la extensión del intervalo de integración de correlación por encima de una duración que excede notablemente el intervalo utilizado para detectar las unidades individuales o bits de "comunicación". El uso de representaciones de datos reducidos de las réplicas de señal para soportar las correlaciones obvia la necesidad de comunicar copias de señal completas a un punto común para el proceso de correlación.

Más concretamente, en las redes AMPS empleadas en los EE.UU., las comunicaciones con unidades móviles se producen en canales de frecuencia separada distanciados en intervalos de 30 kHz y centrados a aproximadamente 835 MHz. Se producen dos tipos de comunicaciones: las de los "canales de control (CC)" y las de los "canales de voz (VC)". Siempre que un usuario de unidad móvil introduce en la unidad móvil un número de teléfono al que llamar e inicia la llamada, el procesador de datos empotrado en la unidad móvil provoca que el transceptor transmita un mensaje CC que tiene un duración aproximada de 100 milisegundos (msec) consistente en bits de datos que se transmiten por modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) a una velocidad de 10.000 bits por segundo (bps), esto es, 10 kbps. De forma análoga, cuando la unidad móvil recibe una "llamada" de otro sistema de llamada, el sistema de comunicación "hojea" la unidad móvil con un mensaje CC, y la unidad móvil responde con un mensaje CC FSK también de una duración aproximada de 100 milisegundos y a una velocidad de información de 10 kbps. En cualquier caso, una vez que la unidad móvil recibe el mensaje CC emitido, el sistema de comunicación selecciona un VC para la conversación y retransmite a la unidad móvil un mensaje asignando el VC seleccionado. Las conversaciones consiguientes siguen los VC asignados inicial y posteriormente. Las señales de voz, por supuesto, no se conocen antes de la recepción, y se comunican por frecuencia modulada (FM) a medida que se van produciendo. Antes de la transmisión, las señales de voz son comprimidas y filtradas, lo cual reduce aun más el ancho de banda de las señales que ya están inherentemente limitadas al intervalo del contenido de frecuencia de la voz humana. Por lo tanto, el mensaje CC inicial de la unidad móvil está típicamente caracterizado por una señal de ancho de banda bastante mayor que el del VC. Dado que es bien conocido [por ejemplo, Weiss y Weinstein, op. cit.] que la precisión con la que se puede estimar una medición TDOA es inversamente proporcional al ancho de banda de señal y a la raíz cuadrada del producto ancho de banda por tiempo, el mensaje CC de una unidad móvil que opera bajo estándares de comunicación AMPS es el que proporciona la primera oportunidad de localización adecuada con técnicas de medición TDOA. De modo semejante a AMPS, las comunicaciones de voz proporcionadas por sistemas de radio móvil especializada (SMR) están también moduladas por FM, en canales de 25 kHz, y por lo tanto están limitadas de forma similar en su eficacia para la determinación de TDOA. No obstante, en la medida en que una señal VC permitirá la determinación de TDOA, su réplica para el proceso de correlación se puede representar con un segmento de la señal muestreada o con un segmento muestreado de la señal de voz demodulada por FM, la cual, en sí misma, puede caracterizarse por un ancho de banda reducido en comparación al de la transmisión FM. De hecho, incluso el contenido de datos de la representación de la señal de voz muestreada puede reducirse más mediante compresión de codificación por predicción lineal (LPC) y de margen dinámico, aunque con suficiente fidelidad para una reconstrucción adecuada de la forma de onda FM.

Tanto para un mensaje de datos digital como para un mensaje de control de comunicación, el ejemplo más sencillo de una representación de datos reducidos de la forma de onda transmitida es el propio mensaje de datos demodulado, extraído y comunicado. Como se ha mencionado previamente, este tipo de mensajes puede representarse con la velocidad media de transferencia de bits relativamente pequeña de aproximadamente 10 kbps, mientras que la representación de forma de onda transmitida requeriría una velocidad de transferencia de bits muy superior. La forma de onda de la réplica se construye con el contenido del mensaje empleando la transformación mensaje a forma de onda apropiada a las especificaciones del sistema de comunicación de interés. Dichas transformaciones incluyen varias formas, como las formas de FSK, QPSK y DQPSK descritas en EIA/TIA y otras especificaciones, como se ha mencionado anteriormente y se expone en mayor detalle a continuación.

La presente invención puede proporcionar con eficacia la posición de un transmisor de comunicación inalámbrico, p.ej., para una llamada de emergencia al 911 a un Punto de Respuesta de Seguridad Pública (PSAP), posibilitando la detección de correlación de tiempos de llegada de señal (TOA) y ángulos de llegada de señal (AOA) de la transmisión CC que inicia la llamada sin necesidad de un punto correlador común para cualquier comunicación de representaciones de señal. Las respectivas detecciones necesarias se pueden derivar con correlaciones en sus respectivas estaciones receptoras empleando una réplica adaptada de la señal CC que se reconstruye a partir del contenido del mensaje CC recibido, detectado en tiempo real o conocido de antemano. De acuerdo con los estándares de formato AMPS [EIA/TIA-553] para todos los mensajes de control, las señales CC transmitidas comienzan con un patrón de bits "de sincronización", después siguen con bits de información definidos en una secuencia específica que se repite cinco veces para seguridad de la comunicación, y finalmente terminan con la detección de errores y patrones de bits de corrección. Por lo tanto, aunque cada mensaje puede estar compuesto de forma única por números de teléfono individuales que reciben o realizan llamadas y un número de serie identificador, la recepción y demodulación correctas del contenido del mensaje proporciona el flujo de datos en cada estación desde la que se puede reconstruir la réplica FSK para la detección efectiva y la determinación de parámetros mediante análisis de correlación. De hecho, la representación extraída del mensaje de control demodulado es lo que define la réplica transmitida, y posibilita su detección y su medición paramétrica, las cuales son determinadas con una robustez y precisión óptimas a través del correlador. Dado que la duración del mensaje CC es corta y que el mensaje entero puede ser recibido y codificado, se puede reconstruir toda la réplica o parte de ella para utilizarla en la correlación y así identificar con exactitud el tiempo de un instante específico seleccionado en el contenido del mensaje (p.ej., el final del patrón de sincronización o el inicio del patrón de detección de errores o el inicio del primer bit en la tercera repetición del contenido de datos). Como se ha mencionado anteriormente, la precisión de la medición paramétrica mejora con el uso de una mayor duración de señal en el proceso de correlación. Con una correcta detección de parámetros de localización, por ejemplo, TOA y/o AOA, sólo se necesita comunicar el mínimo contenido de información que describe los valores e imprecisiones de parámetros medidos, junto con su lugar y hora de medición, a una estación común donde se pueden calcular las diferencias de TOA, esto es, de TDOA y/o donde se pueden emplear todos los datos paramétricos de localización y así estimar la posición asociada del transmisor.

Está apareciendo un creciente número de sistemas de comunicación en los que se "digitaliza" el contenido de voz de las comunicaciones y después se comunica con técnicas como el acceso múltiple por división de código (CDMA) y acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), bien en forma del TDMA de América del Norte (NA) o del TDMA del Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM), antes que con las técnicas de frecuencia modulada analógica de los sistemas AMPS. De modo similar, los dispositivos de comunicación de datos inalámbricos como los que se utilizan en sistemas de datos por paquete digital celular (CDPD) transmiten información digitalizada en función de especificaciones de interfaz aérea que definen sus formatos individuales de señal de réplica. Con estos sistemas "digitales", el contenido de información de voz o datos digitalizados puede utilizarse para representar adecuadamente la forma de onda de la señal que se requiere en correlación para determinar las estimaciones deseadas de TDOA, AOA u otros parámetros de localización. Como se ha descrito anteriormente, el contenido de información digitalizado puede consistir en una velocidad de transferencia de información de aproximadamente 10 kbps (diez mil bits por segundo) o menos, mientras que la representación directa de la forma de onda de la señal RF constituiría varios cientos de miles de bits por segundo (o incluso varios millones de bits por segundo, en el caso de señales CDMA con anchos de banda codificados en exceso de 1 MHz-un millón de hertzios). Por consiguiente, con la transmisión a una estación común de sólo el contenido de información "digital" reducido a un segmento de las comunicaciones de voz recibidas en estaciones separadas, el contenido de información puede utilizarse después para reconstruir las formas de onda de señal transmitidas equivalentes para su aplicación en el proceso de correlación necesario.

9. Construcción/reconstrucción específica de réplicas adaptadas

Para permitir los análisis de correlación, el proceso de reconstrucción de señales se ejecuta de acuerdo con la especificación de señal adecuada, que define el sistema particular de representación de los ceros y unos en el flujo de bits de información de cada sistema de comunicación. El proceso de replicación de señal se resume en la figura 7 y se expone más detalladamente a continuación.

Como se ha mencionado anteriormente, las comunicaciones en los canales de control AMPS utilizan transiciones FSK especificadas en EIA/TIA-553. De acuerdo con las técnicas de codificación Manchester, estas señales utilizan una transición de frecuencia de 8 kHz por debajo de la frecuencia portadora de señal a 8 kHz por encima de la frecuencia portadora para representar un "uno", y una transición de 8 kHz por encima a 8 kHz por debajo de la frecuencia portadora para representar un "cero". Dichos bits de información se comunican a una velocidad de 10 kbps para el canal de control estándar AMPS.

Para las comunicaciones CDMA descritas en TIA/EIA/IS95, los bits de contenido del mensaje se codifican primero con flujos de datos "no correlacionados" únicos para cada transmisor, y después se transmiten como señales QPSK donde cada par de bits codificados está representado por una de las cuatro fases cuadrivalentes seleccionadas de la señal transmitida. Mientras que los bits del mensaje se procesan a una velocidad de hasta 9.600 bps, los "chips" de bits codificados se transmiten a una velocidad de 1,2288 millones de chips por segundo (Mcps).

Para transmisiones TDMA de acuerdo con las especificaciones NA TDMA en EIA/TIA/IS-54, los bits de un mensaje se procesan a una velocidad media de 7.800 bps y se transmiten en ráfagas de tiempo (con acceso por división de tiempo controlado por el sistema de gestión) a una velocidad de ráfaga de 24.300 símbolos por segundo (ksps), donde los bits del mensaje se representan en pares de símbolos aplicando la técnica de modulación diferencial por desplazamiento de fase cuadrivalente (DPSK). Con este método, cada par de bits se representa mediante una transición o diferencia de fase que es igual a uno de un conjunto de cuatro cambios de fase seleccionados. De modo similar, una forma suave de DQPSK binario desplazado llamada modulación por desplazamiento mínimo con filtro gaussiano (GMSK) se utiliza para transformar las secuencias de bits en las transmisiones TDMA usadas en el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) [por ejemplo, como describen Michael Mouly y Marie-Bernadette Pautet en "The GSM System for Mobile Communications", Cell & Sys, 1992]. Para transmisiones CDPD, se utiliza la modulación GMSK para transformar y transmitir los bits de datos del mensaje a una velocidad de 19,2 kbps y las transmisiones se extienden por los canales de voz de la configuración AMPS, con su espaciado de canal de 30 kHz. Cada una de estas formas de onda de señal específicas del sistema se puede construir adecuadamente a partir del flujo de bits del mensaje que está previsto transmitir. Por lo tanto, con las representaciones totalmente reconstruidas y filtradas de las formas de onda de señal transmitidas, las señales aplicadas en el proceso de correlación poseen el ancho de banda total de la señal que permite la detección de señales y la determinación de parámetros con precisión óptima.

Con el uso anteriormente descrito de las técnicas de representación de señales de datos reducidos y de reconstrucción de réplicas adaptadas, y el proceso de correlación asociado a las réplicas adaptadas, se pueden reducir o incluso eliminar las comunicaciones de red de retroceso que hacen posible los análisis de correlación. El proceso de correlación de réplicas adaptadas también permite mayores tiempos de integración del proceso para facilitar la detección de los efectos de señal deseados, incluso en estaciones distantes ubicadas en entornos de fuertes señales de interferencias locales. Por consiguiente, la presente invención incrementa de modo significativo la robustez y eficacia y reduce el coste de la implantación de técnicas de correlación para la detección y medición de parámetros de señal en múltiples estaciones a fin de permitir la localización de transmisores de señal de comunicaciones, tales como los transmisores de comunicación inalámbricos en sistemas de comunicación celularizados.

10. Equipo y procesamiento

La configuración del equipo para la recepción de comunicaciones estándar inalámbricas con el propósito de localización estará formada en gran medida por los mismos dispositivos que se emplean en la implantación del propio sistema de comunicación. Por ejemplo, las configuraciones de antena y los componentes de recepción de señales mostrados en las figuras 5 y 6 serían realmente los mismos que se emplean en el suministro de servicios de comunicación. Los sistemas en fase utilizados para obtener mediciones AOA emplean la misma tecnología y pueden ser los mismos que los "sistemas inteligentes" que se implantan en la actualidad para proporcionar servicios de comunicación de "acceso múltiple por división en el espacio" en algunos lugares con reutilización mejorada de capacidades y de frecuencias. Para posibilitar la determinación de los TOA y TDOA de posiciones útiles, la digitalización o muestreo de las señales recogidas en las estaciones sensoras distribuidas ha de estar sincronizada y temporalmente etiquetada a (como máximo) medio microsegundo. Ello se puede lograr mediante el uso de osciladores calibrados y estables, como los empleados en los relojes de rubidio o en las bases de tiempo del Sistema Global de Navegación (GPS), y mantenerse con una recalibración periódica de los estándares cronológicos de cada estación sensora. La estabilidad y la velocidad de deriva del oscilador estándar determina con qué frecuencia se debe proceder a la recalibración con señales procedentes de posiciones conocidas. De modo similar, para la determinación de sistemas en fase de AOA útiles, ha de efectuarse una recalibración periódica de desplazamientos de desfase interelementos específicos de cada equipo, si bien sólo cuando sea necesario para dar cuenta de temperaturas u otros efectos ambientales en el equipo analógico de radiofrecuencia, y es necesario mantener la sincronización interestación, aunque sólo durante cerca de medio segundo.

El procesamiento de señal de correlación digital en la presente invención es similar, o idéntico en el caso de CDMA, al que se aplica en el equipo de recepción de "radio por software" empleada para el suministro de servicios de comunicación. Dicho procesamiento, para los extractores de mediciones de correlación mostrados en las figuras 5 y 6, se puede realizar con dispositivos de procesamiento de señales digitales diseñados especialmente para el eficaz procesamiento de comunicaciones, o alternativamente pueden efectuarse con dispositivos de procesamiento de señal de uso general, tales como la placa multiprocesadora escalable fabricada por Pentek, Inc. de Upper Saddle River (Nueva Jersey), y diseñada para usar cuatro chips de procesamiento de señales digitales TMS320C6201 fabricados por Texas Instruments, Inc. de Dallas (Texas). A medida que aumentan las capacidades de los dispositivos de procesamiento de señales digitales y se reduce la relación precio-rendimiento, la funcionalidad actualmente asignada al equipo de acondicionamiento de señales analógicas anteriormente descrito será asignada cada vez en mayor medida a dispositivos de procesamiento de señales digitales. Con las aproximaciones de procesamiento de señales digitales se mantiene o aumenta notablemente la integridad de las señales y además se añade funcionalidad y flexibilidad incrementadas.

El flujo de control de la dirección funcional de las múltiples estaciones sensoras (SS) por parte de la estación central (CS) se puede representar para una forma de realización como se muestra en las figuras 8A y 8B. En dicho flujo, la estación de control distribuye la responsabilidad de obtener y comunicar mediciones relativas a la posición en las llamadas de comunicación de interés (COI). Las estaciones sensoras también informan sobre la detección de comunicaciones iniciadas en los canales de control inverso (RCC) y las asignaciones de canales de voz (VCA) proporcionadas por el sistema de comunicación en el canal de control directo (FCC) y consiguientemente en el canal de voz directo (FVC) a la unidad móvil que efectúa la llamada. En respuesta a las asignaciones de canales de voz, las estaciones sensoras coordinan sus asignaciones para informar a la estación central y también sintonizan y siguen las llamadas de comunicación de interés para producir mediciones en curso relativas a la posición para la estación central, hasta que la estación central termine una asignación de este tipo o se haya perdido la señal de interés. En la forma de realización mostrada en las figuras 8A y 8B, las mediciones relativas a la posición se derivan únicamente de las señales de voz. En una forma de realización alternativa, las estaciones sensoras pueden monitorizar continuamente señales de control de comunicación para la derivación de mediciones relativas a la posición a partir de las mismas a medida que vayan produciéndose. En este tipo de formas de realización las estaciones sensoras también informan sobre esos datos de localización a la estación central cuando se detectan en el momento de iniciar las comunicaciones.

Mediante la aplicación de procedimientos estándar de análisis estadísticos [por ejemplo, como se describe en Jazwinski, "Stochastic Proceses and Filtering Theory", Academic Press, 1970], las mediciones de diferencia de rango basadas en TDOA y mediciones basadas en AOA de líneas de marcación, y su información imprecisa asociada, pueden analizarse para proporcionar estimaciones sobre las posiciones y velocidades de la unidad móvil asociada. La representación del conocimiento de la información sobre mediciones y sus imprecisión puede tomar numerosas formas, tales como vectores de atributos discretos, en los que cada elemento del vector representa el valor de un atributo discreto particular donde los valores pueden ser booleanos, enteros, coma flotante, o simbólico, y elecciones particulares de los valores tendrán confianzas concurrentes: parámetros numéricos continuos con errores estadísticos asociados; y/o parámetros de lógica difusa. El procesamiento de evaluación de localización puede emplear cualquier combinación o una combinación de numerosos análisis y sistemas de gestión de incertidumbre, cada uno adaptado a la representación del conocimiento adecuada. Ejemplos de estos tipos de aproximaciones de análisis incluyen los estimadores de máxima verosimilitud o de mínimos cuadrados, algoritmos de asociación de datos probabilísticos conjuntos, sistemas de seguimiento multiobjetivo de función de densidad de probabilidad para parámetros continuos, sistemas de gestión de incertidumbre multihipótesis, sistemas expertos basados en reglas de producción multiconfianza que combinan aserciones de lógica discreta con información numérica continua, motores de lógica difusa, y redes probabilísticas causales. El método, forma o implantación específica de los análisis que se aplican para obtener una estimación de posición de los datos relativos a la posición no es objeto de la presente invención.

Las estimaciones de localización que resultan de este tipo de análisis se pueden representar en formato gráfico, tabular o formato interno de procesador de datos y pueden presentarse o visualizarse en pantallas que o bien forman parte del equipo de recogida de datos y de análisis o que están realizadas en un equipo remoto de tal equipo. El método, forma y posición particular para la representación de los resultados de la localización no son objeto de la presente invención.

Las instalaciones de procesamiento y visualización requeridas para la ejecución del control y gestión de la estación sensora, los cálculos de localización y seguimiento, el almacenaje y recuperación de los datos de localización, así como la visualización e interacción con usuarios de los datos de localización y de gestión del sistema ya están implantados con un conjunto integrado de versiones actuales de configuraciones de ordenadores personales de uso general. Dichas configuraciones pueden incluir una red de procesadores y estaciones que estén basadas, p.ej., en microprocesadores Pentium de Intel o Power PC de Motorola.

En interés del beneficio público, las posiciones obtenidas mediante la aplicación eficaz de las anteriores técnicas se pueden aplicar de modo más beneficioso para dirigir una llamada de auxilio inalámbrica al Punto de Respuesta de Seguridad Pública (PSAP) que esté más cercano al lugar de auxilio o que tenga responsabilidad jurisdiccional sobre las llamadas de auxilio que provengan de esa posición. En particular, los datos de medición relativos a la posición derivados de las correlaciones que se realizan en las estaciones de recepción con réplicas localmente derivadas, o con réplicas almacenadas de aquellas partes de los mensajes de control iniciales que son conocidas con antelación, se pueden obtener más rápidamente que el proceso que requiere datos de otra estación después de recibir la señal. Por lo tanto, la presente invención puede además aplicar mediciones relativas a la posición, derivadas sin necesidad de transferencia interestación cooperativa de datos de réplicas de señal, para evaluar con mayor rapidez los cálculos de localización y obtener la posición del algoritmo de encaminamiento de llamadas para dirigir la llamada rápida y exactamente a la estación de respuesta adecuado según la posición determinada.

Los principios, formas de realización y modos de operación preferidos de la presente invención se han expuesto en la descripción precedente. La forma de realización aquí descrita debe interpretarse como ilustración de la presente invención y no debe restringirla. La precedente descripción no pretende limitar de ningún modo el margen de estructura equivalente al alcance de una persona de conocimientos generales en la materia, sino expandir el margen de estructuras equivalentes hacia caminos que hasta el momento no habían sido explorados. Se pueden realizar numerosas variaciones y cambios en las anteriores formas de realización sin abandonar el campo de la presente invención como se representa en las reivindicaciones adjuntadas en el apéndice.

Claims (19)

1. Un aparato para la localización de un transmisor {101) de radio estándar para comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado compuesto por:

al menos una primera y una segunda estaciones sensoras (104), cada estación sensora tiene una antena (103) y medios de acondicionamiento de la señal asociada para recibir una señal del transmisor de radio móvil (101) y un mecanismo cronométrico para etiquetar un instante representativo identificado de la señal recibida para producir datos de señal recibida etiquetados;

al menos una primera y una segunda unidad de procesamiento de caracterización de señal en las estaciones sensoras primera y segunda, respectivamente, donde cada unidad de procesamiento de caracterización de señal genera datos de señal replicados;

al menos una primera y una segunda unidad de proceso de correlación de señal en las estaciones sensoras primera y segunda, respectivamente, donde cada unidad de proceso de correlación de señal efectúa un proceso de correlación de réplicas adaptadas con los datos de señal recibida etiquetados y los datos de señal replicados para producir parámetros de señal relativos a la posición;

un sistema de comunicación (105) para comunicar los parámetros de señal relativos a la posición desde las estaciones sensoras a una estación central (106);

medios para estimar la posición del transmisor móvil desde los parámetros de señal relativos a la posición; y

una salida para indicar la posición estimada del transmisor móvil.

2. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde los parámetros de señal relativos a la posición comprenden información sobre tiempos de llegada.

3. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde los parámetros de señal relativos a la posición comprenden parámetros de diferencias de tiempo de llegada.

4. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde los parámetros de señal relativos a la posición comprenden información sobre el ángulo de llegada.

5. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde:

la unidad de procesamiento de caracterización de señales comprende al menos en la primera estación sensora un mecanismo de reducción para reducir los datos de señal etiquetados que se han recibido;

el sistema de comunicación está adaptado para comunicar los datos etiquetados reducidos recibidos entre al menos la primera estación sensora y la segunda estación sensora;

la unidad de procesamiento de caracterización de señales comprende al menos en la segunda estación sensora un mecanismo de reconstrucción para reconstruir los datos de señal etiquetados reducidos recibidos y para utilizar los datos de señal recibidos etiquetados reducidos como datos de señal replicados.

6. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde los datos de señal replicados comprenden información de control del sistema de comunicación celularizado.

7. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 6, donde la información de control incluye información de encabezado sobre un canal de voz.

8. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 6, donde la información de control incluye datos del canal de control.

9. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde:

la unidad de procesamiento de caracterización de señales comprende al menos en una estación sensora un mecanismo de reducción para reducir la señal procedente del transmisor de radio móvil y un mecanismo de reconstrucción para reconstruir la señal procedente del transmisor de radio móvil a partir de una representación de datos reducidos; y

la unidad de proceso de correlación de señales en al menos una estación sensora correlacione la señal reconstruida con los datos de señal replicados.

10. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, que además comprende medios para estimar el movimiento del transmisor móvil.

11. Un aparato para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado según la reivindicación 1, donde los datos de replicación de señal se seleccionen dentro del grupo formado por: formas de protocolo conocidas con antelación de la señal recibida, datos de señal representativos derivados de la señal recibida, señales de canal de voz e información sobre datos digitales.

12. Un aparato para medir un ángulo de llegada de una señal desde un transmisor de radio móvil, compuesto por:

una antena local en fase y un medio de acondicionamiento de señal asociado para recibir una señal procedente del transmisor de radio móvil;

una unidad de procesamiento de caracterización de señales para generar datos de señal replicados; y

una unidad de proceso de correlación de señales en la estación sensora para efectuar un proceso de correlación de réplicas adaptadas con los datos de señal recibidos y los datos de señal replicados para producir un ángulo de llegada de la señal recibida.

13. Un aparato para medir un ángulo de llegada de una señal procedente de un transmisor de radio móvil según la reivindicación 12, donde los datos de señal replicados comprenden formas de protocolo conocidas con antelación de la señal procedente del transmisor de radio móvil.

14. Un aparato para medir un ángulo de llegada de una señal procedente de un transmisor de radio móvil según la reivindicación 12, donde los datos de señal replicados comprenden datos de señal representativos derivados de la señal recibida.

15. Un aparato para medir un ángulo de llegada de una señal procedente de un transmisor de radio móvil según la reivindicación 12, que además comprende una antena y una unidad de procesamiento de caracterización de señales que son remotos respecto a la antena local en fase, la antena remota y la unidad de procesamiento de caracterización de señales que genera los datos de señal representativos.

16. Un aparato para medir un ángulo de llegada de una señal procedente de un transmisor de radio móvil según la reivindicación 12, donde el procesador de correlación está adaptado para correlacionar los datos de señal representativos durante un tiempo de integración ampliado.

17. Un aparato según la reivindicación 12, donde el procesador de correlación está adaptado para correlacionar los datos de señal recibidos para producir coeficientes que incorporen la información de fase interelementos, que son los mismos que se utilizan en una correlación para obtener mediciones del ángulo de llegada de señal (A0A) de acuerdo con la relación:

3

donde la diferencia AOA relativa al ángulo del bisector de la línea base interelementos está relacionada con el "argumento" de la media compleja a lo largo de un intervalo de tiempo S del producto conjugado de los coeficientes de correlación externos, R_{01} (t_{max} (s) | s, T) y R_{02} (t_{max} (s) | s, T); k es el número de ondas aproximado de la señal; b es la separación interelementos (de la línea base); y la función "arg" en esta aplicación extrae la fase de la correlación de desplazamiento cero de los propios coeficientes de correlación.

18. Un método para localizar un transmisor de radio estándar de comunicaciones móviles en un sistema de comunicación celularizado que comprende:

la recepción de una señal procedente de un transmisor de radio móvil en al menos la primera y segunda estación sensora;

el etiquetado de un instante representativo identificado de la señal recibida para producir datos de señal recibidos etiquetados;

la generación de datos de señal replicados en la primera y segunda estación sensora;

la ejecución de un proceso de correlación de réplicas adaptadas con los datos de señal recibidos etiquetados y los datos de señal replicados para producir parámetros de señal relativos a la posición;

la comunicación de parámetros de señal relativos a la posición desde las estaciones sensoras a una estación central;

la estimación de la posición del transmisor móvil a partir de los parámetros de señal relativos a la posición obtenidos en la estación central; y

la indicación de la posición estimada del transmisor móvil.

19. Un método para medir un ángulo de llegada de una señal procedente de un transmisor de radio móvil, que comprende:

la recepción de una señal procedente del transmisor de radio móvil en una antena local en fase;

la generación de datos de señal replicados; y

la ejecución de un proceso de correlación de réplicas adaptadas con los datos de señal recibidos y los datos de señal replicados para producir un ángulo de llegada de la señal procedente del transmisor de radio móvil en la antena local en fase.