ES2313794T3 - Procedimiento de localizacion de posicion asistido por estacion base dque conoce el limite de datos. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para realizar localización de posición sobre una unidad (10) de abonado en un sistema de telefonía inalámbrica terrestre utilizando un conjunto de satélites, teniendo el sistema de telefonía inalámbrica terrestre estaciones (12) base, comprendiendo dicho procedimiento: recibir (52, 54, 102, 104, 300 a 310) en la unidad (10) de abonado una primera señal que tiene al menos un límite de datos desde uno de los satélites; recibir (52, 54, 102, 104, 300 a 310) en la unidad (10) de abonado, desde una de las estaciones (12) base, un mensaje de ayuda; aplicar códigos de correlación a la primera señal para proporcionar datos de correlación, caracterizado porque: el mensaje de ayuda contiene información relativa a al menos uno de los límites de datos dentro de la primera señal, y por: acumular los datos de correlación proporcionados aplicando los códigos de correlación a lo largo de un primer intervalo que precede a uno primero de los límites de datos para los que se recibió información desde la estación (12) base proporcionando un primer resultado de acumulación; y acumular los datos de correlación a lo largo de un segundo intervalo a continuación de dicho uno primero de los límites de datos para los que se recibió información desde la estación (12) base proporcionando un segundo resultado de acumulación, basándose el tiempo del primer y segundo intervalo en el conocimiento del tiempo del al menos un límite de datos establecido a partir del mensaje de ayuda.
Description
Procedimiento de localización de posición
asistido por estación base que conoce el límite de datos.
La presente invención se refiere a localización
de posición. Más en particular, la presente invención se refiere a
un procedimiento y un aparato novedosos y mejorados para realizar
localización de posición en un sistema de comunicaciones
inalámbricas.
Tanto la regulación gubernamental como la
demanda del consumidor han conducido a la demanda de funcionalidad
de localización de posición en teléfonos celulares. El sistema de
posicionamiento global (GPS) está disponible actualmente para
realizar localización de posición utilizando un receptor GPS en
conjunción con un conjunto de satélites orbitando alrededor de la
Tierra. Por lo tanto, es deseable introducir funcionalidad GPS en
un teléfono celular.
Sin embargo, los teléfonos celulares, son
extremadamente sensibles a consideraciones de coste, peso y consumo
de potencia. Por tanto, simplemente añadir un conjunto de circuitos
adicional para realizar localización GPS es una solución
insatisfactoria para proporcionar funcionalidad de localización de
posición en un teléfono celular. Por tanto, la presente invención
se dirige a proporcionar funcionalidad GPS en un sistema de
telefonía celular con un mínimo, de hardware, coste y consumo de
potencia adicionales.
El documento
US-A-5,365,450 describe un sistema
GPS en el que una pluralidad de satélites transmiten información de
posición a estaciones móviles sobre la Tierra. Se proporcionan un
canal digital de emisión de datos de posición de satélite fuente
separado y uno o más canales de comunicaciones separados de
servicio de marcación para ayudar a la estación móvil a acceder a
información de posición desde los satélites.
El documento
WO-A-97/33382 describe una señal de
frecuencia portadora de precisión utilizada para calibrar el
oscilador local de un receptor GPS de tal manera que la salida del
oscilador se modifica por una señal de referencia generada a partir
de la señal de frecuencia portadora de precisión. El receptor GPS
bloquea la señal de frecuencia portadora de precisión para generar
la señal de referencia.
El documento XP 002935404 describe un
procedimiento de adquisición para sistemas de espectro ensanchado
de secuencia directa de datos modulados. El tiempo de correlación se
divide en subintervalos y los resultados de integración en estos
subintervalos se combinan de manera no coherente para la detección.
El equilibrio entre pérdida de combinación no coherente y
degradación de modulación de datos da como resultado la elección
óptima del número de subintervalos.
El documento XP 000903457 describe detectores no
coherentes para su uso en adquirir señales de espectro ensanchado
de secuencia directa de datos modulados. Se examinan estructuras de
detección de probabilidad máxima y probabilidad máxima generalizada
para obtener detectores por debajo del óptimo.
El documento XP 000506559 describe esquemas de
adquisición coherente óptimos y por debajo del óptimo para
secuencias PN con modulación de datos. Un esquema óptimo que
utiliza estimación de probabilidad máxima se obtiene tratando la
fase de la secuencia entrante como un parámetro de señal que va a
estimarse. También se describen esquemas de búsqueda en paralelo,
serie, e híbridos.
El documento XP 002159275 describe la
adquisición de código de espectro ensanchado en presencia de
desplazamiento Doppler y modulación de datos. En presencia de
modulación de datos, el tiempo de correlación se divide en
subintervalos y los resultados de integración en estos subintervalos
son la ley del cuadrado combinada de manera no coherente para la
detección.
La presente invención es un procedimiento y un
aparato novedosos y mejorados para realizar localización de
posición en sistemas de comunicaciones inalámbricas. Según el
primer y el segundo aspecto de la invención, se proporcionan un
procedimiento y un sistema para realizar localización de posición
sobre una unidad de abonado en un sistema de telefonía inalámbrica
terrestre que tiene estaciones base según se expone en las
reivindicaciones 1 y 3, respectivamente.
Las características, objetos, y ventajas de
realizaciones de la presente invención resultarán más evidentes a
partir de la descripción detallada expuesta a continuación cuando
se toma en conjunción con los dibujos en los que caracteres de
referencia similares identifican de manera correspondiente a lo
largo de todos ellos y en los que:
la figura 1 es un diagrama de bloques del
generador de forma de onda del sistema de posicionamiento global
(GPS);
la figura 2 es un diagrama de bloques altamente
simplificado de un sistema de telefonía celular configurado según
el uso de la presente invención;
la figura 3 es un diagrama de bloques de un
receptor configurado según una realización de la invención;
la figura 4 es otro diagrama de bloques del
receptor representado en la figura 3;
la figura 5 es un receptor configurado según una
realización alternativa de la invención;
la figura 6 es un diagrama de flujo de las
etapas realizadas durante una operación de localización de
posición;
la figura 7 es un diagrama de bloques de un DSP
configurado según una realización de la invención;
la figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra
las etapas realizadas durante una búsqueda realizada según una
realización de la invención;
la figura 9 es una línea de tiempo que ilustra
las fases a lo largo de las que se realizan búsquedas precisas y
aproximadas en una realización de la invención;
la figura 10 es una línea de tiempo del proceso
de búsqueda cuando se realiza según una realización de la
invención;
la figura 11 es un diagrama de espacio de
búsqueda; y
la figura 12 es un diagrama de bloques de un
receptor según otra realización de la invención.
Se describen un procedimiento y un aparato
novedosos y mejorados para realizar localización de posición en un
sistema de comunicaciones inalámbricas. La realización ejemplar se
describe en el contexto del sistema de telefonía celular digital.
Aunque el uso dentro de este contexto es ventajoso, diferentes
realizaciones de la invención pueden incorporarse en diferentes
entornos o configuraciones. En general, los diversos sistemas
descritos en el presente documento pueden formarse utilizando
procesadores controlados por software, circuitos integrados, o
lógica discreta, sin embargo, se prefiere la implementación en un
circuito integrado. Los datos, instrucciones, comandos, información,
señales, símbolos, y elementos de código a los que puede hacerse
referencia a lo largo de la solicitud se representan de manera
ventajosa mediante tensiones, corrientes, ondas electromagnéticas,
partículas o campos magnéticos, partículas o campos ópticos, o una
combinación de los mismos. Adicionalmente, los bloques mostrados en
cada diagrama de bloques pueden representar hardware o etapas de
procedimiento.
La figura 1 es un diagrama de bloques del
generador de forma de onda del sistema de posicionamiento global
(GPS). El círculo con un signo más designa la suma de módulo 2. En
general, la constelación GPS consiste en 24 satélites: 21 vehículos
espaciales (SV) utilizados para la navegación y 3 de repuesto. Cada
SV contiene un reloj que se sincroniza con tiempo GPS monitorizando
estaciones terrestres. Para determinar una posición y un tiempo, un
receptor GPS procesa las señales recibidas desde varios satélites.
Deben utilizarse al menos 4 satélites para resolver las 4
incógnitas (x, y, z, tiempo).
Cada SV transmite 2 dos portadoras de
microondas: la portadora L1 de 1575,42 MHz, que lleva las señales
utilizadas para el servicio de posicionamiento estándar (SPS), y la
portadora L2 de 1227, 60 MHz, que lleva señales necesarias para el
servicio de posicionamiento preciso (PPS). PPS se utiliza por
agencias gubernamentales y permite un grado de precisión superior
en el posicionamiento.
La portadora L1 se modula mediante el código de
adquisición aproximada (C/A), un código pseudoaleatorio de 1023
elementos de código transmitido a 1,023 Mcps que se utiliza para
servicios civiles de localización de posición. (El código de
adquisición aproximada no debería confundirse con las adquisiciones
aproximadas y precisas descritas en el presente documento, que
implican ambas el uso de los códigos C/A). Cada satélite tiene su
propio código C/A que repite cada 1 ms. El código P, que se utiliza
para PPS, es un código de 10, 23 MHz que es de 267 días de
longitud. El código P aparece en ambas portadoras pero está
desfasado 90 grados con el código C/A sobre la portadora L1. El
mensaje de navegación de 50Hz, al que se realiza la operación
O-exclusiva tanto con el código C/A como con el
código P antes de la modulación de portadora, proporciona
información de sistema tal como órbitas de satélites y correcciones
de reloj.
Cada satélite tiene un código C/A diferente que
pertenece a una familia de códigos denominados códigos Gold. Se
utilizan códigos Gold porque la correlación cruzada entre los
mismos es pequeña. El código C/A se genera utilizando dos registros
de desplazamiento de 10 fases como se muestra posteriormente en la
figura 1.4-2. El generador GI utiliza el polinomio
1+X^{3}+X^{10} mientras que el generador G2 utiliza el polinomio
1+X^{2}+X^{3}+X^{6}+X^{8}+X^{9}+X^{10}. El código C/A se
genera realizando la operación O-exclusiva a la
salida del registro de desplazamiento GI con 2 bits del registro de
desplazamiento G2.
La figura 2 es un diagrama de bloques altamente
simplificado de un sistema de telefonía celular configurado según
el uso de la presente invención. Los teléfonos 10 móviles están
ubicados entre las estaciones 12 base, que están acopladas a un
controlador 14 de estación base (BSC). Un centro de conmutación
móvil MSC (no mostrado) conecta el BSC 14 a la red 16 telefónica
pública conmutada (PSTN). Durante el funcionamiento, algunos
teléfonos móviles están llevando a cabo llamadas telefónicas
interconectándose con las estaciones 12 base mientras que otros
están en modo de espera.
Como se describe en la publicación de patente
internacional (PCT) número
WO-A-99/47943 titulada "SYSTEM
AND METHOD FOR DETERMINING THE POSITION OF A WIRELESS CDMA
TRANCEIVER" transferida al cesionario de la presente
invención, la localización de posición se facilita mediante la
transmisión de un mensaje de solicitud de posición que contiene
"información de ayuda" que permite que el teléfono móvil
adquiera rápidamente la señal GPS. Esta información incluye el
número ID del SV (SV ID), la fase de código estimada, el tamaño de
ventana de búsqueda alrededor de la fase de código estimada, y la
frecuencia Doppler estimada. Utilizando esta información, la unidad
móvil puede adquirir las señales GPS y determinar su ubicación más
rápidamente.
En respuesta al mensaje de ayuda, la unidad
móvil se sintoniza a la frecuencia GPS y comienza a correlacionar
la señal recibida con sus secuencias C/A generadas localmente para
los SV indicados por la estación base. Utiliza la información de
ayuda para estrechar el espacio de búsqueda y compensar los efectos
Doppler, y obtiene pseudodistancias para cada satélite utilizando
correlación de tiempo. Obsérvese que estas pseudodistancias se basan
en el tiempo de la unidad móvil (referenciado a partir del contador
de tiempo del sistema combinador del receptor CDMA), que es una
versión retardada de tiempo GPS.
Una vez que se calcula esta información, la
unidad móvil envía las pseudodistancias para cada satélite
(preferentemente a resolución de 1/8 elemento de código) y el
tiempo en el que se llevaron las mediciones a la estación base. La
unidad móvil se resintoniza entonces a CDMA para continuar la
llamada.
Tras la recepción de la información, el BSC
utiliza la estimación de retardo unidireccional para convertir las
pseudodistancias de tiempo de unidad móvil a tiempo de estación
móvil y calcula la posición estimada de la unidad móvil resolviendo
la intersección de varias esferas.
Otro parámetro proporcionado por el mensaje de
ayuda es la frecuencia Doppler o desfase Doppler. El efecto Doppler
se manifiesta como un cambio aparente en la frecuencia de una señal
recibida debido a una velocidad relativa entre el transmisor y el
receptor. El efecto del Doppler sobre la portadora se denomina como
frecuencia Doppler, mientras que el efecto sobre la señal de banda
base se denomina como código Doppler.
En el caso GPS, la frecuencia Doppler cambia la
frecuencia portadora recibida por lo que el efecto es el mismo que
la demodulación con un desfase de portadora. Puesto que el receptor
GPS de la estación base está siguiendo la pista de manera activa
del satélite deseado, conoce la frecuencia Doppler debido al
movimiento del satélite. Además, el satélite está tan alejado de la
estación base y la unidad móvil que el Doppler visto por la unidad
móvil es de manera efectiva el mismo que el Doppler visto por la
estación base. En una realización de la invención, para corregir el
valor de frecuencia Doppler, la unidad móvil utiliza un rotador en
el receptor. La frecuencia Doppler está comprendida entre -4500 Hz y
+4500 Hz, y la tasa de cambio es del orden de 1 Hz/s.
El efecto del código Doppler es cambiar la tasa
de elementos de código de 1,023 Mhz, lo que comprime o expande de
manera efectiva el ancho de los elementos de código del código C/A
recibidos. En una realización de la invención, la unidad móvil
corrige el código Doppler multiplicando la frecuencia Doppler por
la relación 1,023/1575,42. La unidad móvil puede entonces corregir
el código Doppler a lo largo del tiempo girando (introduciendo
retardo en) la fase de las muestras IQ recibidas en incrementos de
1/16 elementos de código según sea necesario.
La figura 3 es un diagrama de bloques de la
parte de receptor de un teléfono celular (unidad de abonado
inalámbrica) configurado según una realización de la invención. La
forma 100 de onda recibida se modela como la señal c(n) C/A
modulada con una portadora a la frecuencia w_{c} + w_{d}, donde
w_{c} es la frecuencia portadora nominal de 1575,42 MHz, y
w_{d} es la frecuencia Doppler creada por el movimiento del
satélite. La frecuencia Doppler está comprendida entre 0 cuando el
satélite está directamente en lo alto, y aproximadamente 4,5 kHz en
el peor caso. La sección analógica del receptor puede modelarse como
demodulación con una portadora a frecuencia w_{r} y fase
aleatoria \theta, seguida por un filtrado paso bajo.
La señal de banda base resultante se pasa a
través de un conversor A/D (no mostrado) para producir muestras I y
Q digitales, que se almacenan de modo que pueden buscarse
repetidamente. Las muestras se generan a dos veces la tasa de
elementos de código del código C/A (elemento de código x2) lo que es
una resolución inferior a la necesaria para realizar el algoritmo
de búsqueda precisa, pero que permite que se almacenen 18 ms de
datos de muestra en una cantidad razonable de memoria. En general,
es deseable realizar la búsqueda a lo largo de algo más de 10 ms
con el fin de permitir la adquisición en la mayoría de las
condiciones ambientales, siendo 18 ms un periodo de integración
preferido. Estas condiciones ambientales incluyen estar en un
interior o no tener una visión directa hacia el satélite.
Durante el funcionamiento, las muestras se rotan
primero mediante el rotador 102 para corregir el desfase de
frecuencia Doppler. Las muestras I y Q rotadas se correlacionan con
diversos desfases de la secuencia C/A del satélite y los productos
resultantes se integran de manera coherente a lo largo de Nc
elementos de código mediante los integradores 104. Las sumas de la
integración coherente se elevan al cuadrado y se suman entre sí
para eliminar el efecto del desfase 0 de fase no conocido. Para
aumentar la prueba de hipótesis para un desfase particular, se
combinan de manera no coherente varios intervalos coherentes. Este
desensanchamiento se realiza repetidamente en diversos desfases de
tiempo para encontrar el desfase de tiempo de la señal de satélite.
El rotador 102 elimina la frecuencia Doppler creada por el
movimiento del satélite. Utiliza la frecuencia Doppler especificada
por la estación base (preferentemente cuantificada a intervalos de
10 Hz) y rota las muestras I y Q para eliminar el desfase de
frecuencia.
En una realización de la invención, la rotación
es continua sólo sobre la ventana de integración coherente. Es
decir, el rotador se detiene entre periodos de integración
coherente de, por ejemplo, 1 ms. Cualquier diferencia de fase
resultante se elimina por al cuadrado y la suma.
La figura 4 es otro diagrama de bloques de un
receptor configurado según una realización de la invención, en el
que la parte de rotador del receptor se representa con mayor
detalle.
La figura 5 es un receptor configurado según una
realización alternativa de la invención. Esta realización interna
de la invención se aprovecha de la capacidad de detener el rotador
entre periodos de integración coherente rotando la secuencia C/A
generada localmente en lugar de las muestras de entrada.
Como se muestra, la secuencia c(n) C/A se
rota mediante la aplicación a las sinusoides sen (W_{d}nT_{C})
y cos (W_{d}nT_{c}) y entonces se almacena. La rotación de la
secuencia C/A sólo necesita realizarse una vez para cada satélite.
Por tanto, la rotación de la secuencia C/A reduce la cantidad de
cálculo requerido. También ahorra memoria en el DSP utilizado para
realizar este cálculo en una realización de la invención.
Otro trastorno significativo que degrada el
rendimiento del algoritmo de localización de posición es el error
de frecuencia en el reloj interno de la unidad móvil. Es este error
de frecuencia el que conduce al uso de tiempos de integración
coherente cortos del orden de 1 ms. Es preferible realizar
integración coherente a lo largo de periodos de tiempo más
largos.
En una configuración ejemplar, el reloj
oscilador local (interno) que se ejecuta libremente del móvil es un
cristal de 19,68 MHz que tiene una tolerancia de frecuencia de +/-
5 ppm. Esto puede provocar errores grandes del orden de +/- 7500 Hz.
Este reloj se utiliza para generar las portadoras utilizadas para la
demodulación de las señales GPS, por lo que el error de reloj se
sumará al tiempo de adquisición de señal. Debido a que el tiempo
disponible para buscar es muy pequeño, errores de esta magnitud
debido a la tolerancia de frecuencia no son tolerables y deben
reducirse en gran medida.
Para permitir tiempos de integración coherente
más largos, en una realización de la invención, el receptor CDMA
corrige el error del oscilador local utilizando el tiempo adquirido
del piloto CDMA, o cualquier otra fuente de información de tiempo
disponible. Esto produce una señal de control que se utiliza para
sintonizar el reloj de oscilador local a 19,68 MHz lo más próximo
posible. La señal de control aplicada al reloj de oscilador local
se congela cuando la unidad RF conmuta desde CDMA hasta GPS.
Incluso después de que se realice la corrección utilizando la
información de tiempo de la estación base (u otra fuente), sin
embargo, permanece algún error de reloj adicional. En una
realización de la invención, la incertidumbre de frecuencia
resultante después de la corrección es +/- 100 Hz. Este error que
permanece reduce todavía el rendimiento del receptor, y en general
impide tiempos de integración coherente más largos. En una
realización de la invención, el error que permanece se evita
simplemente realizando integración no coherente durante más de 1
ms, lo que reduce el rendimiento.
Como se muestra también en la figura 1, los
datos de sistema/NAV de 50 Hz también se modulan sobre la portadora
L1. Si se produce una transición de datos (0 a 1 ó 1 a 0) entre las
dos mitades de una ventana de integración coherente, la suma de
integración coherente resultante será cero porque las dos mitades
se cancelarán entre sí. Esto reduce de manera efectiva el número de
acumulaciones no coherentes en uno en el peor caso. Aunque los
límites de datos de todos los satélites están sincronizados, no
llegan a la unidad móvil simultáneamente debido a las diferencias
en el retardo de trayectoria. Este retardo de trayectoria
aleatoriza de manera efectiva la fase de datos recibida.
En una realización de la invención, el problema
de diferentes fases de datos sobre diferentes señales es incluir la
fase de datos en la información de ayuda enviada desde la estación
base hasta la unidad móvil. Puesto que la estación base está
remodulando los datos de 50 Hz, sabe cuándo se producen las
transiciones de datos para cada satélite. Utilizando el conocimiento
del retardo unidireccional, la estación base puede codificar la
fase de datos en, por ejemplo, 5 bits (por satélite) indicando en
qué intervalo de un milisegundo (de entre 20) se produce la
transición de datos.
Si la ventana de integración coherente abarca el
límite de datos de 50 Hz la integración coherente se divide en (2)
secciones. Una sección que precede al límite de datos y una sección
a continuación del límite de datos. Por ejemplo, si En1 es la suma
de integración coherente sobre la ventana que precede al límite de
datos la primera mitad de esta ventana y En2 es la suma de
integración coherente sobre la ventana a continuación del límite de
datos, la unidad móvil entonces selecciona el máximo (en magnitud)
de (En1 + En2) (en caso de que los datos permanezcan igual) y (En1
- En2) (en caso de que se cambien los datos) para tener en cuenta
el cambio de fase. La unidad móvil también tiene la opción de
realizar combinación no coherente de las dos mitades sobre esta
ventana de datos o evitar esta ventana de datos completamente.
En una realización alternativa de la invención,
la unidad móvil intenta encontrar las transiciones de datos sin la
información de ayuda desde la estación base comparando la magnitud
elevada al cuadrado de la suma y diferencia en integración
coherente de 1 ms.
En una realización de la invención, se utiliza
un enfoque de DSP (procesador de señal digital) basado en firmware
para realizar el procesamiento GPS. El DSP recibe muestras I y Q a
una tasa de elemento de código x2 (2,046 MHz) o elemento de código
x8 (8,184 MHz), y almacena una imagen instantánea de muestras I y Q
de 4 bits en su RAM interna.
En la realización ejemplar, el DSP genera la
secuencia C/A, realiza la rotación para eliminar la frecuencia
Doppler, y correlaciona sobre la ventana de búsqueda proporcionada
por la estación base para cada uno de los satélites. El DSP realiza
integración coherente y combinación no coherente y gira un
diezmador de muestras IQ según sea necesario para compensar el
código Doppler.
Para ahorrar cálculo y memoria, la búsqueda
inicial se realiza utilizando una resolución de 1/2 elementos de
código y se realiza una búsqueda más precisa para obtener
resolución de 1/8 elementos de código (superior) alrededor del
mejor índice (o índices). El tiempo de sistema se mantiene contando
interrupciones de 1 ms generadas por hardware (obtenidas a partir
del oscilador local).
Adicionalmente, en una realización de la
invención, la búsqueda precisa se realiza acumulando las muestras
de elemento de código x8 (resolución superior) a lo largo de la
duración de un elemento de código en diversos desfases de elemento
de código x8. Los códigos de correlación se aplican a los valores
acumulados proporcionando valores de correlación que varían con el
desfase de elemento de código x8 particular. Esto permite
determinar el desfase de código con resolución de elemento de
código x8.
La figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra
las etapas realizadas para corregir el error del oscilador local
durante un procedimiento de localización de posición cuando se
realiza según una realización de la invención. En la etapa 500, se
determina si el oscilador local se ha corregido recientemente. Si no
es así, entonces se adquiere el piloto desde la estación base, y se
determina el error del oscilador local comparando con el tiempo de
piloto en la etapa 502 y se genera una señal de corrección
basándose en ese error.
El flujo lleva entonces a la etapa 504, en la
que se congela la señal de corrección al valor actual. En la etapa
506, se entra en modo GPS y se realiza la localización de posición
utilizando el reloj corregido. Una vez que se ha realizado la
localización de posición, la unidad móvil abandona el modo GPS.
La figura 7 es una ilustración de un sistema
receptor DSP configurado según una realización de la invención. El
DSP realiza toda la operación de búsqueda con hardware adicional
mínimo. Un núcleo 308 DSP, un módem 306, una unidad 300 de
interfaz, una ROM 302 y memoria 304 (RAM) están acoplados a través
de un bus 310. La unidad 300 de interfaz recibe muestras RF desde
una unidad RF (no mostrada) y proporciona las muestras a la RAM
304. Las muestras RF pueden almacenarse a resolución aproximada o
resolución precisa. El núcleo 308 DSP procesa las muestras
almacenadas en memoria utilizando instrucciones almacenadas en la
ROM 302 así como en la memoria 304. La memoria 304 puede tener
múltiples "bancos" algunos de los cuales almacenan muestras y
algunos de los cuales almacenan instrucciones. El módem 306 realiza
procesamiento CDMA durante el modo normal.
La figura 8 es un diagrama de flujo de las
etapas realizadas durante una operación de localización de
posición. Una operación de localización de posición comienza cuando
se recibe el mensaje de ayuda, y el sistema RF se conmuta a
frecuencias GPS en la etapa 600. Cuando el RF está conmutado para
recibir GPS, se fija el bucle de seguimiento de frecuencia. El DSP
recibe información de ayuda desde el microprocesador del teléfono y
clasifica los satélites por magnitud Doppler.
En la etapa 602, los datos de búsqueda
aproximada se almacenan dentro de la RAM DSP. El DSP recibe unos
pocos cientos de microsegundos de datos de entrada para establecer
un Rx AGC. El DSP registra el tiempo de sistema y comienza a
almacenar una ventana de 18 ms (limitación de memoria DSP) de datos
IQ de elemento de código x2 en su RAM interna. Se utiliza una
ventana contigua de datos para mitigar los efectos de código
Doppler.
Una vez que se almacenan los datos, se realiza
una búsqueda aproximada en la etapa 604. El DSP comienza la
búsqueda aproximada (resolución de elemento de código x2). Para
cada satélite, el DSP genera el código C/A, rota el código
basándose en la frecuencia Doppler, y correlaciona sobre la ventana
de búsqueda especificada por la estación base, a través de la
aplicación repetida del código C/A a los datos de búsqueda
aproximada almacenados. Se procesan los satélites sobre la misma
ventana de datos de 18 ms y se obtiene la mejor hipótesis de
elemento de código x2 que supera un umbral para cada satélite.
Aunque en una realización de la invención se utiliza un tiempo de
integración coherente de 2 ms (con 9 integraciones no coherentes),
pueden utilizarse tiempos de integración coherente más largos (por
ejemplo de 18 ms), aunque preferentemente donde se realizan ajustes
adicionales como se describe posteriormente.
Una vez que se realiza la búsqueda aproximada,
se lleva a cabo una búsqueda precisa, en la etapa 606. Antes de
comenzar la búsqueda precisa, el DSP calcula el código C/A rotado
para cada uno de los satélites. Esto permite que el DSP procese la
búsqueda precisa en tiempo real. Al realizar la búsqueda precisa
(resolución de elemento de código x8), los satélites se procesan uno
cada vez sobre diferentes datos.
El DSP primero gira el diezmador para compensar
el código Doppler para el/los satélite(s) dado(s).
También restablece el valor Rx AGC mientras espera al siguiente
límite de 1 ms antes de almacenar una ventana de integración
coherente de 1 ms de muestras de elemento de código x8.
El DSP procesa 5 hipótesis de resolución de
elemento de código x8 contiguas sobre esta ventana de integración
coherente de 1 ms, donde la hipótesis central es la mejor hipótesis
obtenida en la búsqueda aproximada. Después de procesar la
siguiente ventana de 1 ms, los resultados se combinan de manera
coherente y esta suma de 2 ms se combina de manera no coherente para
todas las Nn iteraciones.
Esta etapa (empezando a partir de girar el
diezmador) se repite sobre los mismos datos para el siguiente
satélite hasta que se han procesado todos los satélites. Si el
código Doppler para 2 satélites es de magnitud similar, puede ser
posible procesar ambos satélites sobre los mismos datos para reducir
el número de conjuntos de datos requeridos. En el peor caso, se
utilizan 8 conjuntos de 2*Nn ventanas de datos de 1 ms para la
búsqueda precisa.
Finalmente, en la etapa 608, los resultados se
notifican al microprocesador y se reinicia el proceso del
vocodificador dentro del DSP de modo que puede continuar la
llamada. El DSP notifica las pseudodistancias al microprocesador,
que las reenvía a la estación base. Después de que el
microprocesador vuelve a descargar el código de programa de
vocodificador en la memoria DSP, el DSP vacía su memoria de datos y
reinicia el vocodificador.
La figura 9 es un diagrama que ilustra la
búsqueda precisa realizada después de la búsqueda aproximada.
Después de aislar la mejor fase de elemento de código x2 en la
búsqueda aproximada, el DSP realiza una búsqueda precisa alrededor
de esta fase para obtener una resolución de elemento de código
x8.
Las 5 fases para comparar en la búsqueda precisa
se muestran encerradas por un rectángulo. Se evalúa la mejor fase
de elemento de código x2 de nuevo de modo que pueden hacerse
comparaciones sobre el mismo conjunto de datos. Esto permite
también que la búsqueda aproximada y la búsqueda precisa utilicen
diferentes tiempos de integración. La búsqueda precisa se realiza
por separado para cada satélite porque cada satélite puede tener un
valor diferente para código Doppler.
La figura 10 proporciona una línea de tiempo del
proceso de búsqueda cuando se realiza según una realización de la
invención. El tiempo de procesamiento global (búsqueda precisa +
aproximada) se realiza en aproximadamente 1,324 segundos en una
realización de la invención, que interrumpe la llamada, pero
todavía permite que la llamada continúe una vez que se realiza la
búsqueda. El tiempo de búsqueda total de 1,324 segundos es un
límite superior, porque supone que el DSP necesita buscar todos los
8 satélites y cada satélite tiene una ventana de búsqueda de 68
elementos de código. Sin embargo, la probabilidad de que sean
necesarios todos los 1,324 segundos es pequeña, debido a la
geometría de las órbitas de satélites.
Durante los primeros 18 ms 80, se recogen datos
de muestras IQ a la frecuencia GPS. Durante el periodo 82, se
realiza una búsqueda aproximada internamente que podría durar hasta
1,13 segundos, pero que probablemente terminará antes cuando se
identifiquen las señales de satélite. Una vez que se realiza la
búsqueda aproximada, se calculan los códigos C/A durante el periodo
84 de tiempo, que dura 24 ms. Durante los periodos 86 de tiempo se
ajusta el valor de giro para el código Doppler y se ajusta
adicionalmente el Rx AGC. Durante los periodos 88 de tiempo, se
realizan búsquedas precisas sobre las muestras de datos IQ, con un
ajuste continuo realizado durante los periodos 86 de tiempo. El uso
de tiempos de integración de 18 ms permite que se rechace el código
Doppler porque la fase de código C/A recibida estará desplazada en
menos de 1/16 de un elemento de código. Se realizan hasta ocho
secuencias de ajustes y búsquedas precisas para los hasta ocho
satélites, momento en el que se completa el procedimiento de
localización de posición.
Adicionalmente, en algunas realizaciones de la
invención, el teléfono continúa transmitiendo tramas de enlace
inverso a la estación base mientras se realiza el procedimiento de
localización de posición. Estas tramas pueden contener simplemente
información nula para permitir que la estación base permanezca
sincronizada con la unidad de abonado, o las tramas pueden contener
información adicional tal como comandos de control de potencia o
solicitud de información. La transmisión de estas tramas se realiza
preferentemente cuando no están recopilándose muestras GPS cuando el
conjunto de circuitos RF está disponible, o mientras se recopilan
las muestras GPS si hay disponibles conjuntos de circuitos RF
suficientes.
Aunque el uso de tiempo de integración de 18 ms
evita los efectos de código Doppler, la transmisión de datos sobre
las señales GPS a tasa de 50 Hz puede provocar problemas si se
produce un cambio de datos dentro del lapso de procesamiento de 18
ms (como se describió anteriormente). El cambio de datos provoca
que se desplace la fase de la señal. Los límites de datos de 50 Hz
se producen en lugares diferentes para cada satélite. Las fases de
las transiciones de 50 Hz para cada satélite se han aleatorizado de
manera efectiva mediante las longitudes de trayectoria variables
desde cada satélite hasta el teléfono.
En el peor caso, si el bit de datos se invirtió
en el medio de un intervalo de integración coherente, la
integración coherente podría cancelarse completamente. Por esta
razón, en una realización alternativa de la invención, la estación
base debe comunicar los límites de transición de datos para cada
satélite al teléfono (también descrito anteriormente).
Preferentemente, el límite de transmisión de datos también se
incluye en el mensaje de ayuda transmitido desde la estación base
(tal como en un conjunto de mensajes de cinco bits que indican el
intervalo de milisegundos durante el que se produce la transición
para cada satélite). El teléfono utiliza este límite para dividir
el intervalo de integración coherente para cada satélite en 2
partes y decidir si sumar o restar las sumas de integración
coherente en estos 2 intervalos. Por tanto, incluyendo también el
límite de datos de cada señal GPS, aumenta la fiabilidad del
procedimiento de localización.
En la realización ejemplar de la invención,
cualquier incertidumbre de frecuencia crea una pérdida en Ec/Nt que
aumenta con el tiempo de integración coherente. Por ejemplo, con
una incertidumbre de +/- 100 Hz, la pérdida en Ec/Nt aumenta
rápidamente cuando aumenta el tiempo de integración coherente, como
se muestra en la Tabla I.
\vskip1.000000\baselineskip
Como se observó también anteriormente, siempre
hay algún desfase de frecuencia no conocido del oscilador local en
la unidad móvil. Es este desfase de frecuencia no conocido el que
impide que se realicen integración y desensanchamiento coherentes
más largos. El desensanchamiento coherente más largo mejoraría el
procesamiento si pudieran reducirse los efectos del desfase de
frecuencia no conocido.
En una realización de la invención, este desfase
de frecuencia no conocido se tiene en cuenta para expandir el
espacio de búsqueda a 2 dimensiones para incluir búsquedas de
frecuencia. Para cada hipótesis, se realizan varias búsquedas de
frecuencia, donde cada búsqueda de frecuencia supone que el desfase
de frecuencia es un valor conocido. Separando los desfases de
frecuencia, se puede reducir la incertidumbre de frecuencia a un
valor pequeño de manera arbitraria a expensas de memoria y cálculo
añadidos. Por ejemplo, si se utilizan 5 hipótesis de frecuencia, el
espacio de búsqueda resultante se muestra en la figura 11.
Para una incertidumbre de frecuencia de +/- 100
Hz, que es la especificación de funcionamiento típica de una unidad
móvil, esta configuración reduce el desfase de frecuencia máximo a
20 Hz (una hipótesis debe estar en un intervalo de 20 Hz desde el
desfase de frecuencia real). Con un tiempo de integración coherente
de 20 ms, la pérdida en Ec/Nt con un desfase de frecuencia de 20 Hz
es 2,42 dB. Doblando el número de hipótesis de frecuencia a 10, la
incertidumbre de frecuencia puede reducirse a 10 Hz, lo que provoca
una pérdida de Ec/Nt de 58 dB. Sin embargo, añadir hipótesis
adicionales amplía el espacio de búsqueda, lo que aumenta los
requisitos tanto de cálculo como de memoria.
Una realización de la invención calcula la
hipótesis de frecuencia agrupando el desfase de frecuencia con la
frecuencia Doppler, y calculando un nuevo código PN rotado para
cada hipótesis de frecuencia. Sin embargo, esto hace al número de
hipótesis de frecuencia un factor multiplicativo en el cálculo
total: 5 hipótesis de frecuencia significaría 5 veces más
cálculo.
Como alternativa, puesto que la incertidumbre de
frecuencia es pequeña comparada con la frecuencia Doppler, la fase
de rotación puede considerarse que es constante a lo largo de un
intervalo de 1 ms (8% de un periodo para una hipótesis de 80 Hz) en
otra realización de la invención. Por lo tanto, dividiendo el
intervalo de integración coherente en subintervalos de 1 ms, las
sumas de integración de los subintervalos se rotan para reducir los
cálculos añadidos necesarios para calcular las búsquedas de
frecuencia en tres órdenes de magnitud. El resultado es que puede
realizarse desensanchamiento coherente más largo, y un rendimiento
mejorado.
La figura 12 es un diagrama de bloques de un
receptor configurado según el uso de un enfoque de
desensanchamiento coherente más largo. El primer conjunto de
multiplicadores compensa la frecuencia Doppler correlacionando las
muestras IQ con un código C/A rotado. Esto es equivalente a rotar
las muestras IQ antes de la correlación con el código C/A no
modificado. Puesto que la frecuencia Doppler puede ser tan grande
como 4500 Hz, la rotación se aplica a cada elemento de código.
Después de la integración de manera coherente a lo largo de un
intervalo de 1 ms (1023 elementos de código) utilizando los
acumuladores 52, el segundo conjunto de multiplicadores 54 rota las
sumas de integración de 1 ms (E_{I} y E_{Q}) para implementar
la hipótesis de frecuencia. Las sumas rotadas se suman entonces a
lo largo del intervalo de integración coherente global.
Recuérdese que la rotación de frecuencia Doppler
sólo se calculaba sobre 1023 elementos de código para ahorrar
memoria y cálculo. Para tiempos de integración coherente más largos
que 1 ms, cada suma de integración coherente se multiplica por un
desfase de fase para hacer la fase de la rotación continua a lo
largo del tiempo. Para mostrar esto matemáticamente, la suma de
integración coherente de 1 ms con rotación de frecuencia Doppler
puede expresarse como:
donde I (n) y Q (n) son las
muestras de entrada recibidas sobre los canales I y Q
respectivamente, c (n) es el código C/A no rotado, w_{d} es la
frecuencia Doppler, y T_{c} es el intervalo de elementos de
código (0, 9775 us). Una suma de integración coherente de 2 ms
puede expresarse
como:
En este caso, S_{1} es la primera suma de
integración de 1 ms y S_{2} es la segunda suma de integración de
1 ms calculada utilizando los mismos valores C/A rotados que se
utilizaron para calcular S_{1}. El término
e^{-jwd(1023)Tc} es el desfase de fase que compensa
utilizar los mismos valores rotados. De manera similar, una suma de
integración coherente de 3 ms puede expresarse como
Por tanto, para extender el tiempo de
integración mientras se utiliza la misma secuencia C/A rotada de
1023 elementos, la suma de integración de 1 ms (n+1) debería
multiplicarse por e^{-jwdn(1ms)} antes de sumarse a la suma
global. Puesto que esto es una rotación de sumas de integración de
1 ms, se puede combinar esta operación con la búsqueda de
frecuencia para evitar tener que realizar 2 rotaciones. Es decir,
puesto que
se puede multiplicar la (n+1)-ésima
suma de integración de 1 ms por
e^{-j(wd+wh)n(1ms)} para buscar una
hipótesis de frecuencia y tener en cuenta el desfase de fase de
frecuencia
Doppler.
Obsérvese que la búsqueda de frecuencia puede
reducirse después de adquirir un satélite, porque la incertidumbre
de frecuencia no depende del satélite. Puede realizarse una
búsqueda de frecuencia mucho más precisa si se desea una
integración coherente más larga.
En la realización ejemplar de la invención, la
búsqueda precisa se realiza de manera similar a la búsqueda
aproximada con 2 diferencias. En primer lugar, los intervalos de
integración siempre se suman de manera coherente en lugar de elevar
al cuadrado y sumar de manera no coherente. En segundo lugar, la
rotación para eliminar la incertidumbre de frecuencia (que debería
conocerse después de la búsqueda aproximada) se combina con el
desfase de fase de frecuencia Doppler y se utiliza para rotar los
intervalos de integración coherente de 1 ms antes de sumarlos entre
sí.
En una realización alternativa de la invención,
la ventana de integración coherente de datos de elemento de código
x2 se integra para tiempos de integración más largos que 18 ms.
Esta realización es útil si está disponible memoria adicional. Para
coherencias de integración más largas que 18 ms, los límites de
datos de 50 Hz se tratan de igual manera que con periodos de
integración más cortos. La estación base indica donde están los
límites para cada satélite y el DSP decide si sumar o restar la
suma de 20 intervalos de integración coherente de 1 ms a o de su
suma en ejecución.
Sin embargo, debido a que el producto de la
incertidumbre de frecuencia y la constante de tiempo de integración
afecta a la pérdida en Ec/Nt, la incertidumbre de frecuencia debe
reducirse a niveles muy pequeños para intervalos de integración
coherente largos. Puesto que una integración de 20 ms con una
incertidumbre de frecuencia de 20 Hz dio como resultado una pérdida
en Ec/Nt de 2,42 dB, mantener la misma pérdida con un tiempo de
integración de 400 ms requiere que la incertidumbre de frecuencia
se reduzca a 1 Hz. Para corregir este problema, la incertidumbre de
frecuencia se reduce hasta 1 Hz de una manera jerárquica. Por
ejemplo, una primera búsqueda de frecuencia reduce la incertidumbre
desde 100 Hz hasta 20 Hz, una segunda búsqueda reduce la
incertidumbre a 4 Hz, y una tercera búsqueda reduce la incertidumbre
a 1 Hz. La búsqueda de frecuencia también compensará errores en la
frecuencia Doppler obtenida desde la estación base.
Adicionalmente, para realizar integraciones más
largas sólo se buscan satélites con Doppler similar sobre los
mismos datos para tiempos de integración largos, puesto que el
código Doppler es diferente para cada satélite. El DSP calcula
cuánto lleva dividir 1/16 de un elemento de código y gira el
diezmador puesto que recopila una ventana de datos de integración
coherente. Adicionalmente, se toman múltiples ventanas de datos en
esta realización.
Por tanto, se han descrito un procedimiento y un
aparato para realizar localización de posición en un sistema de
comunicaciones inalámbricas. La descripción anterior de las
realizaciones preferidas se proporciona para permitir a cualquier
experto en la técnica hacer o utilizar la presente invención. Las
diversas modificaciones a estas realizaciones serán fácilmente
evidentes para los expertos en la técnica, y los principios
genéricos definidos en el presente documento pueden aplicarse a
otras realizaciones sin el uso de la actividad inventiva. Por
tanto, la presente invención no está prevista para limitarse a las
realizaciones mostradas en el presente documento sino que ha de
concedérsele el alcance más amplio consistente según se define
mediante las reivindicaciones.
Claims (4)
1. Un procedimiento para realizar localización
de posición sobre una unidad (10) de abonado en un sistema de
telefonía inalámbrica terrestre utilizando un conjunto de
satélites, teniendo el sistema de telefonía inalámbrica terrestre
estaciones (12) base, comprendiendo dicho procedimiento:
recibir (52, 54, 102, 104, 300 a 310) en la
unidad (10) de abonado una primera señal que tiene al menos un
límite de datos desde uno de los satélites;
recibir (52, 54, 102, 104, 300 a 310) en la
unidad (10) de abonado, desde una de las estaciones (12) base, un
mensaje de ayuda;
aplicar códigos de correlación a la primera
señal para proporcionar datos de correlación,
caracterizado porque:
el mensaje de ayuda contiene información
relativa a al menos uno de los límites de datos dentro de la
primera señal, y por:
acumular los datos de correlación proporcionados
aplicando los códigos de correlación a lo largo de un primer
intervalo que precede a uno primero de los límites de datos para
los que se recibió información desde la estación (12) base
proporcionando un primer resultado de acumulación; y
acumular los datos de correlación a lo largo de
un segundo intervalo a continuación de dicho uno primero de los
límites de datos para los que se recibió información desde la
estación (12) base proporcionando un segundo resultado de
acumulación, basándose el tiempo del primer y segundo intervalo en
el conocimiento del tiempo del al menos un límite de datos
establecido a partir del mensaje de ayuda.
2. El procedimiento según la reivindicación 1,
que comprende:
sumar el primer resultado de acumulación y el
segundo resultado de acumulación proporcionando un primer resultado
de acumulación completa;
restar el primer resultado de acumulación del
segundo resultado de acumulación proporcionando un segundo
resultado de acumulación completa;
seleccionar el primer resultado de acumulación
completa cuando sea de mayor magnitud que el segundo resultado de
acumulación completa; y
seleccionar el segundo resultado de acumulación
completa cuando sea de mayor magnitud que el primer resultado de
acumulación completa.
3. Un sistema para realizar localización de
posición sobre una unidad (10) de abonado en un sistema de
telefonía inalámbrica terrestre utilizando un conjunto de
satélites, teniendo el sistema de telefonía inalámbrica terrestre
estaciones (12) base, comprendiendo dicho sistema:
medios para recibir (52, 54, 102, 104, 300 a
310) en la unidad (10) de abonado una primera señal que tiene al
menos un límite de datos desde uno de los satélites;
medios para recibir (52, 54, 102, 104, 300 a
310) en la unidad (10) de abonado, desde una de las estaciones (12)
base, un mensaje de ayuda;
medios para aplicar códigos de correlación a la
primera señal para proporcionar datos de correlación,
caracterizado porque:
el mensaje de ayuda contiene información
relativa a al menos uno de los límites de datos dentro de la
primera señal, y por:
medios para acumular los datos de correlación
proporcionados aplicando los códigos de correlación a lo largo de
un primer intervalo que precede a uno primero de los límites de
datos para los que se recibió información desde la estación (12)
base proporcionando un primer resultado de acumulación; y
medios para acumular los datos de correlación a
lo largo de un segundo intervalo a continuación de dicho uno
primero de los límites de datos para los que se recibió información
desde la estación (12) base proporcionando un segundo resultado de
acumulación, basándose el tiempo del primer y segundo intervalo en
el conocimiento del tiempo del al menos un límite de datos
establecido a partir del mensaje de ayuda.
4. El sistema según la reivindicación 3, que
comprende:
medios para sumar el primer resultado de
acumulación y el segundo resultado de acumulación proporcionando un
primer resultado de acumulación completa;
medios para restar el primer resultado de
acumulación del segundo resultado de acumulación proporcionando un
segundo resultado de acumulación completa;
medios para seleccionar el primer resultado de
acumulación completa cuando sea de mayor magnitud que el segundo
resultado de acumulación completa; y
medios para seleccionar el segundo resultado de
acumulación completa cuando sea de mayor magnitud que el primer
resultado de acumulación completa.
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