SE524493C2

SE524493C2 - Estimator and method for determining the position of a mobile station in a mobile communication system

Info

Publication number: SE524493C2
Application number: SE0200548A
Authority: SE
Inventors: Magnus Sommer; Sally Ibrahim
Original assignee: Telia Ab
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2004-08-17
Also published as: NO20043183L; SE0200548L; EP1481259A1; NO327060B1; SE0200548D0; WO2003071303A1; AU2003206549A1

Abstract

A device and a method to appoint the position of a mobile station in a mobile communication system including the steps to measure the signal strength of signals coming from base stations located in the neighbourhood and estimate the position (1) of the mobile station as a weighted sum of base station positions involving the use of the path loss Li according to formula (I).

Description

25 30 | « o | nu n n | » I | . o » » a - u » o | u ~ u. lägesmodul tar emot en lista på signalstyrkor, som tagits emot av den mobila telefonen från antenner inom cellen. Avståndet mellan mobiltelefonen och cellens antenner beräknas genom att använda en felkomponentsreduceringsteknik och en term som repre- senterar en lutning hos en utbredningsväg. De reducerade fel- avstånden används för att geometrisk bestämma en beräkning av lägesarean inom tjänstearean hos ett mobilt telefonsystem. 25 30 | «O | nu n n | »I | . o »» a - u »o | u ~ u. mode module receives a list of signal strengths received by the mobile phone from antennas within the cell. The distance between the mobile phone and the cell's antennas is calculated using a fault component reduction technique and a term that represents a slope of a propagation path. The reduced error distances are used to geometrically determine a calculation of the position area within the service area of a mobile telephone system.

FR 2794313 (Lefebvre, B) presenterar ett geografiskt positione- ringssystem för mobiltelefoner, som inbegriper mätningar av transmissionssignalstyrkenivåer i aktuella och angränsande cel- ler och som använder koordinaterna för aktuella och angränsande celler. De två cellerna med högst signalstyrka väljs ut och de- ras basstationskoordinater används för beräkning av mobiltelefo- nens position.FR 2794313 (Lefebvre, B) presents a geographical positioning system for mobile telephones, which includes measurements of transmission signal strength levels in current and adjacent cells and which uses the coordinates of current and adjacent cells. The two cells with the highest signal strength are selected and their base station coordinates are used to calculate the position of the mobile phone.

I CN 1284830 (Zhu Xiaodong) presenteras en självpositionerings- metod för mobila terminaler. Basstationerna sänder ut en bassta- tionskod, latitud och longitud och ekvivalent bärarsändningsef- fekt för aktuell basstation och närliggande sådana. Ekvivalent sändningseffekt beräknas med hänsyn tagen till antennförstärk- ningen och -förlusten hos syntetiserare och mätare. Den mobila terminalen beräknar avstånd till basstationerna och bestämmer sin position i enlighet med mottagna data och uppmätt effekt och baserad på kanaltransmissionsmodell. visas en metod liknande den i I CN 1255816 (Zhu Xiaodong) CN 1284830.CN 1284830 (Zhu Xiaodong) presents a self-positioning method for mobile terminals. The base stations transmit a base station code, latitude and longitude and equivalent carrier transmission power for the current base station and nearby ones. Equivalent transmission power is calculated taking into account the antenna gain and loss of synthesizers and meters. The mobile terminal calculates distances to the base stations and determines its position in accordance with received data and measured power and based on channel transmission model. a method similar to that of I CN 1255816 (Zhu Xiaodong) CN 1284830 is shown.

Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en me- tod med förbättrad positionsbestämningsnoggrannhet. Detta efter- som några tjänster kräver större noggrannhet än den normalt an- vända Cell Id + TA-tekniken. Ett exempel på sådana tjänster är nödsamtal. 10 15 20 25 30 524 495 u | - . - av 3 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning innefattar en metod för att bestämma po- sitionen för en mobil station baserad på signalstyrkmätningar.The object of the present invention is to provide a method with improved positioning accuracy. This is because some services require greater accuracy than the normally used Cell Id + TA technology. An example of such services is emergency calls. 10 15 20 25 30 524 495 u | -. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention comprises a method for determining the position of a mobile station based on signal strength measurements.

Signalstyrkemätningar utförs kontinuerligt i ett GSM-system som ett sätt att underlätta överlämnings-(handover)proceduren mellan olika basstationer. Två gånger varje sekund (fortfarande i GSM- fallet) skapar mobilstationen en mätrapport, som innehåller de uppmätta signalstyrkorna för signaler, som kommer från bassta- tionerna i de celler, som finns upptagna på en lista över när- liggande celler. Dessa rapporter sänds sedan till basstations- kontrollenheten (BSC), vilken är ansvarig för överlämnings- att de uppmätta värdena är (handover)proceduren. Detta innebär, tillgängliga både inuti mobilstationen och i nätverket.Signal strength measurements are performed continuously in a GSM system as a way to facilitate the handover procedure between different base stations. Twice every second (still in the GSM case) the mobile station creates a measurement report, which contains the measured signal strengths for signals coming from the base stations in the cells, which are included in a list of nearby cells. These reports are then sent to the base station control unit (BSC), which is responsible for handing over that the measured values are the (handover) procedure. This means, available both inside the mobile station and in the network.

I en utföringsform av föreliggande uppfinning används de uppmät- ta signalstyrkorna, Si, för att beräkna kopplingsförlusten, LM med hänsyn tagen till uteffekten från de närliggande basstatio- S1, där indexbokstaven i betecknar de Pi, SOITl Li = Pi * olika basstationerna. Positionen för varje basstation är känd nerna, och kan uttryckas i koordinater. Här betecknas dessa koordina- ter: Den beräknade positionen för den mobila stationen, F, beräknas nu genom att använda viktningsformeln: 10 15 20 25 30 u nu där A och B är algoritmparametrar.In one embodiment of the present invention, the measured signal strengths, Si, are used to calculate the switching loss, LM, taking into account the output power from the adjacent base stations, where the index letter i denotes the different base stations Pi, SOIT1 Li = Pi *. The position of each base station is known, and can be expressed in coordinates. Here, these coordinates are denoted: The calculated position of the mobile station, F, is now calculated using the weighting formula: u now where A and B are algorithm parameters.

Denna metod har låg kalkylatorisk komplexitet och ställer låga krav på informationslagring.This method has low calculative complexity and places low demands on information storage.

I en annan utföringsform av uppfinningen, särskilt tänkt för att hantera det fall, då det saknas information om basstationens ut- effekt, beräknas F med användande av en modifierad formel: där A1 är en annan algoritmparameter.In another embodiment of the invention, especially intended to handle the case where there is a lack of information about the output of the base station, F is calculated using a modified formula: where A1 is another algorithm parameter.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Finesser, aspekter och fördelar med föreliggande uppfinning kom- mer att förstàs bättre med hänvisning till följande beskrivning, vidhängande krav och bifogade ritningar, där: Fig.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Features, aspects, and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following description, appended claims, and the accompanying drawings, in which: FIG.

GSM; Fig.GSM; FIG.

Fig.FIG.

Fig. det Fig. för Fig. 1 visar visar visar visar visar visar \JOWU'Y~I>UJI\J visar en översikt över förhållandena mellan områden i GSM-strukturen; logiska kanaler; styrkanalhierarki; trafikkanalerna; olika utbredningsfenomen; hur signalstyrkan minskar exponentiellt med avstån- från basstationen; 8 visar mobilstationens position uträknat med CGI-metoden både rundstrålande och sektorcell; 9 visar TA-värdena; 10 15 20 25 30 35 Fig. 10 visar strålande och Fig.Fig. The Fig. For Fig. 1 shows shows shows shows shows shows \ JOWU'Y ~ I> UJI \ J shows an overview of the relationships between areas in the GSM structure; logical channels; strength channel hierarchy; the traffic channels; various propagation phenomena; how the signal strength decreases exponentially with distance from the base station; 8 shows the position of the mobile station calculated by the CGI method both radiating and sector cell; 9 shows the TA values; Fig. 10 shows radiant and Figs.

Fig.FIG.

Fig. utföringsform 11 12 13 14 15 visar visar visar visar visar FÖRKORTNINGAR AGCH A-GPS AOA AUC BCCH BCH BSC BSS BTS CCCH CGI DCCH DCS EIR E-OTD FACCH FCCH FDMA GMSK GPS GSM HLR LA LAI LOS MPC 524 493 : : n n nu n n | u v u n n . u s ~ 1 co MS möjliga position med CGI och TA för både rund- sektorceller; MPS-strukturen; trianguleringen av signalnivà; cirkelpositionering; kombinationen av styrka och Cell ID med TA; och en MS positionsskattningsenhet i enlighet med en av uppfinningen.Fig. Embodiment 11 12 13 14 15 shows shows shows shows shows Abbreviations AGCH A-GPS AOA AUC BCCH BCH BSC BSS BTS CCCH CGI DCCH DCS EIR E-OTD FACCH FCCH FDMA GMSK GPS GSM HLR LA LAI LOS MPC 524 493:: nn nu nn | u v u n n. u s ~ 1 co MS possible position with CGI and TA for both round sector cells; The MPS structure; the triangulation of signal level; circle positioning; the combination of strength and Cell ID with TA; and an MS position estimator in accordance with one of the invention.

Access Grant Channel Assisted GPS Angle Of Arrival Authentication Centre Broadcast Control Channel Broadcast Channel Base Station Controller Base Station System Base Transceiver Station Common Control Channel Cell Global Identity Dedicated Control Channels Digital Communication System Equipment Identity Register Enhanced-Observed Time Difference Fast Associated Control Channel Frequency Correction Channel Frequency Division Multiple Access Gaussian Minimum Shift Keying Global Positioning System Global System for Mobile communication Home Location Register Location Area Location Area Identity Line Of Sight Mobile Positioning Centre 10 15 20 25 30 35 n n n n nn .- -n o n n nen a n nn nu n nn nn :nu n n n n- en n n nn ~ -n n n n n: nn nn n nn n n n n n n n n n nun n n n nn n n n n n n nn n n n n n nn n n n n n n n n n n nn vnnn wu :n nu n n 6 MPS Mobile Positioning System MS Mobile Station MSC Mobile services Switching Centre NLOS None Line Of Sight OMC Operations and Maintenance Centre PCH Paging Channel PLMN Public Land Mobile Network RACH Random Access Channel SACCH Slow Associated Control Channel SCH Synchronization channel SDCCH Stand alone Dedicated Control Channel SIM Subscriber Identity Module SMS Short Message Service SS Switching System TA Timing Advance TCH Traffic Channels TDMA Time Division Multiple Access TOA Time Of Arrival of the signal UMTS Universal Mobile Telecommunication System VLR Visitor Location Register CDF Cumulative Distribution Function ALLMÄN BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Det finns ett antal positioneringsmetoder, vilka är standardise- rade inom GSM. Dessa är ”Cell Global Identity + Timing Advance” (CGI + TA), ”Enhanced-Observed Time Difference” (E-OTD), ”Assisted GPS” (A-GPS) och ”Time of Arrival of the Signal” (TOA). Många olika metoder är möjliga att använda för att beräk- na positionen av en mobil station oberoende av vilket trådlöst som används. De grundläggande (t ex UMTS, GSM Och IS-95) metoderna mäter ankomstvinkel ”Angel of Arrival” (AOA), TOA hos system signalen och signalstyrkan.Access Grant Channel Assisted GPS Angle Of Arrival Authentication Center Broadcast Control Channel Broadcast Channel Base Station Controller Base Station System Base Transceiver Station Common Control Channel Cell Global Identity Dedicated Control Channels Digital Communication System Equipment Identity Register Enhanced-Observed Time Difference Fast Associated Control Channel Frequency Correction Channel Frequency Division Multiple Access Gaussian Minimum Shift Keying Global Positioning System Global System for Mobile communication Home Location Register Location Area Location Area Identity Line Of Sight Mobile Positioning Center 10 15 20 25 30 35 nnnn nn .- -nonn nen an nn nu n nn nn : nu nnn n- en nn nn ~ -nnnnn: nn nn n nn nnnnnnnnn nun nnn nn nnnnnn nn nnnnn nn nnnnnnnnnn nn vnnn wu: n nu nn 6 MPS Mobile Positioning System MS Mobile Station MSC Mobile services Switching Center NLOS None Line Of Sight OMC Operations and Maintenance Center P CH Paging Channel PLMN Public Land Mobile Network RACH Random Access Channel SACCH Slow Associated Control Channel SCH Synchronization channel SDCCH Stand alone Dedicated Control Channel SIM Subscriber Identity Module SMS Short Message Service SS Switching System TA Timing Advance TCH Traffic Channels TDMA Time Division Multiple Access TOA Time Of Arrival of the signal UMTS Universal Mobile Telecommunication System VLR Visitor Location Register CDF Cumulative Distribution Function GENERAL DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS There are a number of positioning methods, which are standardized within GSM. These are "Cell Global Identity + Timing Advance" (CGI + TA), "Enhanced-Observed Time Difference" (E-OTD), "Assisted GPS" (A-GPS) and "Time of Arrival of the Signal" (TOA) . Many different methods can be used to calculate the position of a mobile station regardless of which wireless is used. The basic (eg UMTS, GSM and IS-95) methods measure the angle of arrival "Angel of Arrival" (AOA), TOA of the system signal and the signal strength.

E-OTD- och A-GPS-metoderna har en noggrannhet i storleksordning- en 50 - 150 meter respektive 3-150 meter. En nackdel är att de är dyra att förverkliga, vilket gör det fördelaktigt att under- 10 15 20 25 30 o - - - av 524 493 Q n ~ « n : c . « a v u - v = . = ., söka tekniker, som bygger på signalstyrkepositionering.The E-OTD and A-GPS methods have an accuracy of the order of 50 - 150 meters and 3-150 meters, respectively. A disadvantage is that they are expensive to realize, which makes it advantageous to under- 10 15 20 25 30 o - - - of 524 493 Q n ~ «n: c. «A v u - v =. search for techniques based on signal strength positioning.

Global System for Mobile Communications(GSM) Det finns två existerande, trådlösa lägessystem, GPS samt posi- tionering inom GSM-nätverket. Detta kapitel tillhandahåller en kort beskrivning av GSM-nätverket. GPS-system har utelämnats, om intresse finnes se.Global System for Mobile Communications (GSM) There are two existing, wireless location systems, GPS and positioning within the GSM network. This chapter provides a brief description of the GSM network. GPS systems have been omitted, if there is interest see.

GSM, Globalt system för mobil kommunikation, utvecklades som en europeisk, digital mobiltelefonstandard. Det togs i bruk 1992 och blev en av de snabbast växande och mest krävande telekommu- nikationstillämpningarna någonsin. På 900 MHz-bandet (GSM 900) finns tjänster, som fungerar i åtminstone 140 länder över alla kontinenter. GSM har senare också blivit tillgängligt på 1800 MHz i Europa, Australien och Asien; denna standard har givits namnet Digital Communication System (DCS 1800) eller GSM 1800.GSM, Global system for mobile communication, was developed as a European, digital mobile phone standard. It was commissioned in 1992 and became one of the fastest growing and most demanding telecommunications applications ever. The 900 MHz band (GSM 900) has services that operate in at least 140 countries across all continents. GSM has later also become available on 1800 MHz in Europe, Australia and Asia; this standard has been given the name Digital Communication System (DCS 1800) or GSM 1800.

USA använder GSM 1900.The United States uses GSM 1900.

GSM skiljer sig från första generationens trådlösa system genom att det använder digital teknik, smalbandstiddelning med flerac- cesstransmissionsmetoder (TDMA) och avancerad överlämnings- (handover)algoritmer mellan radioceller i nätverket. Dessa till- låter signifikant bättre frekvensutnyttjande än i analoga, cel- lulära system och ökar antalet abonnenter, som kan betjänas.GSM differs from first-generation wireless systems in that it uses digital technology, narrowband division with multi-access transmission methods (TDMA) and advanced handover algorithms between radio cells in the network. These allow significantly better frequency utilization than in analog, cellular systems and increase the number of subscribers that can be served.

GSM-strukturen GSM-nätverket behöver en speciell struktur för att dirigera in- kommande samtal till korrekt växel och till uppringd abonnent.The GSM structure The GSM network needs a special structure to route incoming calls to the correct exchange and to the called subscriber.

Nätverket är uppdelat i flera områden, jfr figurl. Varje opera- tör har var sin ”PLMN Service Area” (Public Land Mobile Net- work). Detta område har ett nummer, skilt från ”MSC Service Area” (Mobile services Switching Centre). Ett MSC- betjäningsområde representerar den geografiska delen av nätver- ket, som täcks av en MSC. Varje MSC-betjäningsområde är uppdelat 10 15 20 25 30 a n ~ | .- ..The network is divided into several areas, cf. figure. Each operator has its own “PLMN Service Area” (Public Land Mobile Network). This area has a number, separate from the "MSC Service Area" (Mobile services Switching Center). An MSC service area represents the geographical part of the network, which is covered by an MSC. Each MSC service area is divided 10 15 20 25 30 a n ~ | .- ..

- « - , H n a ﬂ v I v u o » v - x. i olika lägesområden, vilka sedan kan ha en mängd celler. En cell är radiotäckningsomrádet för en BTS. Nätverket identifierar cellen genom dess globala cellidentitet (CGI).- «-, H n a ﬂ v I v u o» v - x. In different position ranges, which can then have a number of cells. A cell is the radio coverage area of a BTS. The network identifies the cell through its Global Cell Identity (CGI).

GSM-nätverken är mycket komplexa kommunikationssystem; för att sålunda förstå positionering i GSM är det nödvändigt att först ta en titt på systemets struktur. GSM är i grunden indelat i ett kopplingssystem (SS) och ett basstationssystem (BSS). Vart och ett av dessa innehåller en mängd funktionella enheter, vilka har förverkligandegjorts i olika enheter (hårdvara).GSM networks are very complex communication systems; in order to thus understand positioning in GSM, it is necessary to first take a look at the structure of the system. GSM is basically divided into a switching system (SS) and a base station system (BSS). Each of these contains a number of functional units, which have been implemented in different units (hardware).

SS innefattar följande enheter: MSC Mobilt tjänstekopplingscenter(Mobile services Switching Cen- tre) MSC styr samtal till och från andra telefon- och datakommunika- tionssystem.SS includes the following units: MSC Mobile Services Switching Center MSC controls calls to and from other telephone and data communication systems.

En MSC betjänar ett antal basstationsstyrenheter (Base Station Controllers).An MSC serves a number of Base Station Controllers.

VLR Besökarlokaliseringsregister (Visitor Location Register: VLR är en databas, som innehåller relevant information om alla mobiler som för närvarande finns inom ett MSC-betjäningsområde.VLR Visitor Location Register: VLR is a database, which contains relevant information about all mobiles that are currently within an MSC service area.

Om en mobil kommer in pä ett nytt MSC-område, kommer den VLR, som är ansluten till denna MSC att begära data om mobilen från HLR. Sålunda kommer HLR att bli informerad om i vilket MSC- omràde mobilen befinner sig.If a mobile enters a new MSC area, the VLR connected to that MSC will request mobile data from the CPR. Thus, CPR will be informed in which MSC area the mobile is located.

HLR Hemlägesregister (Home Location Register) HLR är en av de viktigaste databaserna; den innehåller abonnent- information såsom tilläggstjänster och verifierings(authentica- tion)parametrar. HLR innehåller också information om mobilens läge, dvs i vilket MSC-område mobilen befinner sig i. 10 15 20 25 30 ~ - v « .n v n n - - Q ø f - e u AUC Verifieringscenter (Authentication Centre) att full- med HLR.CPR Home Location Register CPR is one of the most important databases; it contains subscriber information such as additional services and verification (authentication) parameters. CPR also contains information about the location of the mobile phone, ie in which MSC area the mobile phone is located. 10 15 20 25 30 ~ - v «.

AUC förser HLR med olika uppsättningar parametrar för börda verifieringen av en mobil station. AUC är släkt EIR Utrustningsidentitetsregister (Equipment Identity Register) EIR är ett alternativ, som det är upp till operatören att ut- nyttja. Det innefattar alla serienummer på vissa mobila utrust- ningar; det förhindrar en stulen eller icke typgodkänd mobil från att användas.AUC provides CPR with different sets of parameters for the burden verification of a mobile station. AUC is related EIR Equipment Identity Register EIR is an alternative, which it is up to the operator to use. It includes all serial numbers of certain mobile devices; it prevents a stolen or unapproved mobile from being used.

BSS innefattar följande enheter: BTS Bastranscieverstation (Base Transceiver Station) BTS är mobilens gränssnitt till nätverket. En BTS är vanligtvis placerad i en cells mitt.BSS includes the following devices: BTS Base Transceiver Station BTS is the mobile interface to the network. A BTS is usually located in the middle of a cell.

BSC Basstationsstyrenhet (Base Station Controller) BSC övervakar och styr flera BTS; den styr sådana funktioner som överlämning och effektstyrning.BSC Base Station Controller BSC monitors and controls several BTS; it controls such functions as handover and power control.

MS Mobilstation (Mobile Station) Det finns flera olika MS; fordonsinstallerade eller handhållna.MS Mobile Station There are several different MS; vehicle-installed or hand-held.

MS har två olika delar, den fysiska utrustningen och abonnemang- et (Subscriber Identity Module SIM). SIM är ett smart kort med en dator och en minneskrets, vilka är anordnade i ett plastkort.MS has two different parts, the physical equipment and the subscription (Subscriber Identity Module SIM). SIM is a smart card with a computer and a memory circuit, which are arranged in a plastic card.

Utan SIM kan MS inte få tillgång till GSM-nätverket, utom för nödsamtal. Det är endast SIM-kortet som innehåller identitet och personlig information.Without SIM, MS cannot access the GSM network, except for emergency calls. Only the SIM card contains identity and personal information.

OMC Verksamhets- och underhållscenter(Operation and Maintenance Centre) OMC är ansluten till all utrustning i SS och till BSS. Den han- terar felmeddelanden, som kommer från GSM-nätverket och styr trafikbelastningen på BSC och BTS. 10 15 20 25 30 524 493 = » Q v « n . ' I ___ 10 Frekvenserna I GSM sänder mobilstationen och BTS på olika frekvensband. GSM 900 använder två 25 MHz block och DCS 1800 använder två 75 MHz block av radiofrekvensspektret. De två blocken kallas upplänk (signalöverföring från mobilstation till basstation) och nedlänk (signalöverföring från basstation till mobilstation). Mobilsta- tionen sänder på 890 - 915 och 1710 - 1785 MHz, och basstationen på 935 - 960 och 1805 - 1880 MHz. Varje operatör får en speciell del av frekvensspektret, vilket är uppdelat i flera frekvenska- naler. Detta kallas frekvensdelning med multipel tillgänglighet (FDMA - Frequency Division Multiple Access). FDMA-frekvenskana- lerna uppdelas sedan på åtta TDMA-luckor. Varje tidslucka i en TDMA-ram på en bärare kallas en fysisk kanal. Den mobila statio- nen sänder och tar emot i samma tidslucka. Detta innebär att åtta abonnenter (samtal) kan äga rum på samma bärare.OMC Operation and Maintenance Center OMC is connected to all equipment in SS and to BSS. It handles error messages, which come from the GSM network and control the traffic load on BSC and BTS. 10 15 20 25 30 524 493 = »Q v« n. 'I ___ 10 The frequencies In GSM, the mobile station and BTS transmit on different frequency bands. The GSM 900 uses two 25 MHz blocks and the DCS 1800 uses two 75 MHz blocks of the radio frequency spectrum. The two blocks are called uplink (signal transmission from mobile station to base station) and downlink (signal transmission from base station to mobile station). The mobile station broadcasts on 890 - 915 and 1710 - 1785 MHz, and the base station on 935 - 960 and 1805 - 1880 MHz. Each operator receives a special part of the frequency spectrum, which is divided into several frequency channels. This is called Frequency Division Multiple Access (FDMA). The FDMA frequency channels are then divided into eight TDMA slots. Each time slot in a TDMA frame on a carrier is called a physical channel. The mobile station transmits and receives in the same time slot. This means that eight subscribers (calls) can take place on the same carrier.

För att kunna sända den digitala, trådlösa informationen, måste informationen först moduleras på en analog bärvåg. Den valda mo- duleringsmetoden för GSM kallas GMSK (Gaussian Minimum Shift Ke- ying).In order to transmit the digital wireless information, the information must first be modulated on an analogue carrier. The selected modulation method for GSM is called GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

GSM är ett mycket komplext kommunikationssystem, som måste sända många olika sorters information mellan mobilstationen och BTS.GSM is a very complex communication system, which must send many different kinds of information between the mobile station and BTS.

Beroende pà typen av information, som skall sändas, hänvisas den ofta till olika logiska kanaler, dvs olika typer av information sänds på de fysiska kanalerna i en bestämd ordning. Dessa logis- ka kanaler är fördelade på de fysiska kanalerna. Det finns två grupper logiska kanaler; styrkanaler och trafikkanaler.Depending on the type of information to be transmitted, it is often referred to different logical channels, ie different types of information are transmitted on the physical channels in a specific order. These logical channels are distributed on the physical channels. There are two groups of logical channels; control channels and traffic channels.

Styrkanaler Det första en MS gör efter att den slagits på är att söka efter en BTS att kommunicera med. Detta kan göras genom att scanna ge- nom hela frekvensbandet eller använda en lista, vilken innefat- 10 15 20 25 30 « - . f en 524 493 11 tar de tilldelade BCCH-bärvågorna för operatören. Det finns många styrkanaler, vilka används från den tidpunkt då MS slås på tills det att byte av BTS under ett samtal utföres. Det finns fyra olika styrkanalklasser beroende på vilken uppgift de har.Control channels The first thing an MS does after it is switched on is to search for a BTS to communicate with. This can be done by scanning through the entire frequency band or using a list, which includes 10 15 20 25 30 «-. f a 524 493 11 takes the assigned BCCH carriers for the operator. There are many control channels, which are used from the time the MS is turned on until the change of BTS during a call is performed. There are four different control channel classes depending on the task they have.

Dessa styrkanaler är uppräknade nedan i en kronologisk ordning.These control channels are listed below in chronological order.

Utsändningskanaler, BCH (Broadcast channels) FCCH Frekvenskorrigeringskanal (Frequency Correction Channel) En sinusvågsignal sänds på FCCH. Denna har två syften; att sä- kerställa att detta är BCCH-bäraren och att möjliggöra för MS att synkronisera till frekvensen.Broadcast channels, BCH (Broadcast channels) FCCH Frequency Correction Channel A sine wave signal is transmitted on the FCCH. This has two purposes; to ensure that this is the BCCH carrier and to enable the MS to synchronize to the frequency.

SCH Synkroniseringskanal (Synchronization channel) Denna kanal används för att säkerställa att den valda BTS är en GSM-BTS. MS tar emot basstationsidentitetskoden, BSIC, och även information angående TDMA-ramnummer i denna cell.SCH Synchronization channel This channel is used to ensure that the selected BTS is a GSM BTS. MS receives the base station identity code, BSIC, and also information regarding TDMA frame number in this cell.

BCCH utsändningsstyrkanal (Broadcast Control Channel) Den sista informationen som MS måste ta emot är allmän informa- tion som avser cellen. Detta görs på BCCH. Den innehåller läges- områdesidentiteten, LAI, maximal uteffekt och BCCH-bärarna för de närliggande cellerna.BCCH Broadcast Control Channel The last information that MS must receive is general information concerning the cell. This is done at BCCH. It contains the location area identity, LAI, maximum output power and the BCCH carriers for the nearby cells.

Gemensamma styrkanaler, CCCH (Common Control Channels) PCH Sökkanal MS lyssnar till PCH inom viss tid för att se om närverket vill (Paging Channel) Detta görs för att kontrollera om det komma i kontakt med MS. finns ett inkommande samtal eller en kort meddelandetjänst, SMS.Common Control Channels, CCCH (Common Control Channels) PCH Search channel MS listens to PCH within a certain time to see if the network wants (Paging Channel) This is done to check if it comes into contact with MS. there is an incoming call or a short messaging service, SMS.

RACH Direktåtkomstkanal (Random Access Channel) Om PCH har använts för eftersökning, så svarar MS på RACH. RACH kan också användas, när MS vill komma i kontakt med nätverket. 10 15 20 25 30 524 493 - | 4 | »v 12 AGCH Åtkomstmedgivningskanal (Access Grant Channel) Nätverket använder AGCH för att tilldela SDCCH (se nedan) till MS.RACH Random Access Channel If PCH has been used for search, MS responds to RACH. RACH can also be used when MS wants to get in touch with the network. 10 15 20 25 30 524 493 - | 4 | »V 12 AGCH Access Grant Channel The network uses AGCH to assign SDCCH (see below) to MS.

Dedicerade styrkanaler, DCCH (Dedicated Control Channels) SDCCH fristående dedicerad styrkanal (Stand alone Dedicated Con- trol Channel) Denna kanal används i enlighet med en samtalsinställning eller för att sända ett SMS.Dedicated Control Channels, DCCH (Dedicated Control Channels) SDCCH stand-alone dedicated control channel (Stand alone Dedicated Control Channel) This channel is used in accordance with a call setting or to send an SMS.

SACCH Långsam associerad styrkanal (Slow Associated Control Channel) Inom vissa tidsintervall sänder BTS information om sändningsef- fekt och tidsframförhållning som MS skall använda. MS sänder mätningar rörande mottagen signalstyrka och -kvalitet på egen och närliggande basstation. Denna information sänds på SACCH.SACCH Slow Associated Control Channel Within certain time intervals, BTS transmits information on transmission power and time delay that MS must use. MS transmits measurements regarding received signal strength and quality at its own and nearby base station. This information is sent on SACCH.

FACCH Snabb associerad styrkanal (Fast Associated Control Chan- nel) När ett överlämnande (handover) mellan BTSer måste utföras an- vändes FACCH. FACCH stjäl ett 20 ms samtalsegment för att utbyta signaleringsinformation.FACCH Fast Associated Control Channel When a handover between BTSs must be performed, FACCH was used. FACCH steals a 20 ms call segment to exchange signaling information.

Trafikkanaler TCH (Traffic Channels) Det finns två typer av trafikkanaler; full hastighet och halv hastighet, vilket visas i fig. 5. Full hastighet och halv has- tighet är två olika metoder för talkodning. Full hastighet är den vanligaste. En fullhastighets-TCH tar upp en fysisk kanal, medan två halvhastighets-TCH kan dela på en fysisk kanal.Traffic Channels TCH (Traffic Channels) There are two types of traffic channels; full speed and half speed, as shown in Fig. 5. Full speed and half speed are two different methods of speech coding. Full speed is the most common. One full-speed TCH picks up one physical channel, while two half-speed TCHs can share a physical channel.

Utbredningsmodeller Radiosignalen dämpas på sin väg mellan den sändande och motta- 10 15 20 25 30 5 2 4 4 9 '_'I=. 13 gande antennen. Den förlust signalstyrkan åsamkas kallas vägför- lust och betecknas Lpﬁh. Den beror bl a på avståndet mellan bas- stationen och den mobila stationen, vilket beräknas genom att använda vägförlustmodeller. Avståndet används sedan för att be- räkna mobilstationens position.Propagation models The radio signal is attenuated on its way between the transmitter and the receiver. 10 15 20 25 30 5 2 4 4 9 13 gande antennas. The loss of signal strength caused is called road loss and is denoted Lp ﬁ h. It depends, among other things, on the distance between the base station and the mobile station, which is calculated by using road loss models. The distance is then used to calculate the position of the mobile station.

Den mottagna effekten EQ från basstationen kan användas för att beräkna vägförlusten mellan basstationen och den mobila statio- nen om vi känner uteffekten PM mottagarens antennförstärkning Gr och den sändande antennens förstärkning Gr. Uteffekten kan ut- tryckas som eller i dB som (PrL/IB :R +Gl +Gr -Lpalh vilket ger vägförlusten (Lpalh)dB=*Pl_Pr+Gl+Gr Det finns en mängd vågutbredningsmodeller, som kan användas för att beräkna vägförlusten. Den enklaste är utbredning i fri rymd.The received power EQ from the base station can be used to calculate the path loss between the base station and the mobile station if we know the output power PM of the receiver's antenna gain Gr and the transmitting antenna's gain Gr. The output power can be expressed as or in dB as (PrL / IB: R + Gl + Gr -Lpalh which gives the road loss (Lpalh) dB = * Pl_Pr + Gl + Gr There are a number of wave propagation models, which can be used to calculate the road loss. The simplest is distribution in free space.

Denna modell är baserad på en direktvåg mellan basstationen (BS) (MS) Detta in- och den mobila stationen (som kan ses i fig. 6). nebär att utbredningen är på siktlinjen (LOS, Line-of-Sight) mellan sändare och mottagare.This model is based on a direct wave between the base station (BS) (MS) This input and the mobile station (as can be seen in Fig. 6). means that the propagation is on the line-of-sight (LOS) between transmitter and receiver.

Problemet är att radiovågen påverkas av marken, olika hinder på marken, ändringar i vädret och de olika formerna på människo- tillverkade strukturer. Dessa fenomen orsakar icke-siktlinje- mässiga (NLOS, Non~line-of-sight) problem och påverkar radio- 10 15 20 25 30 524 493 e « | . n» Q - e - | u « v ~ - | - v , . , ,, 14 vàgsutbredningen med: reflektion, penetration, diffraktion och spridning (se fig. 6). Alla dessa olika vågor som mottas vid mo- bilstationen ger upphov till en mångvägssignalstyrkeminskning (multipath fading), även kallad snabb signalstyrkeminskning. Det är med andra ord människotillverkade strukturer som hus och byggnader eller naturliga hinder såsom skogar som omger mobilen, vilka orsakar den snabba signalstyrkeminskningen.The problem is that the radio wave is affected by the ground, various obstacles on the ground, changes in the weather and the different forms of man-made structures. These phenomena cause non-line-of-sight (NLOS) problems and affect radio 10 15 20 25 30 524 493 e «| . n »Q - e - | u «v ~ - | - v,. , ,, 14 the path distribution with: reflection, penetration, diffraction and scattering (see fig. 6). All these different waves received at the mobile station give rise to a multipath fading, also called rapid signal strength decrease. In other words, it is man-made structures such as houses and buildings or natural obstacles such as forests that surround the mobile phone, which cause the rapid decrease in signal strength.

Terrängkonfigurationen och den av människor skapade miljön, som är belägen mellan mottagare och sändare, orsakar skuggsignal- styrkeminskning. Terrängkonfigurationer kan vara bergsområden, backig terräng, öppna ytor eller platt terräng.The terrain configuration and the man-made environment, which is located between receiver and transmitter, cause shadow signal strength reduction. Terrain configurations can be mountain areas, hilly terrain, open surfaces or flat terrain.

Det finns med andra ord tre faktorer, som påverkar signalstyr- kan; vägförlust, skuggsignalstyrkeminskning och snabb signal- styrkeminskning (se fig. 7).In other words, there are three factors that affect signal strength; road loss, shadow signal strength reduction and rapid signal strength reduction (see Fig. 7).

Utbredningsförlustmodellen utgörs i allmänhet en summa av väg- förlustmodellen Li och skuggsignalstyrkeminskningsförlusten Zi.The propagation loss model is generally a sum of the road loss model Li and the shadow signal strength reduction loss Zi.

Den snabba signalstyrkeminskningen har tagits om hand av mobil- stationen. Den påverkar inte utbredningsmodellen.The rapid reduction in signal strength has been taken care of by the mobile station. It does not affect the distribution model.

L.,.0,y,=L +Z, (4) path ,i Dessa mekanismer måste beskrivas av approximationer i den prak- tiska förutsägelsen gällande utbredning i olika miljöer.L.,. 0, y, = L + Z, (4) path, i These mechanisms must be described by approximations in the practical prediction regarding distribution in different environments.

Skuggsignalstyrkeminskningsförlusten kan utgöras av en slumpmäs- sig variabel, som följer en viss fördelning med en standardavvi- kelse 6. Det är i allmänhet inte möjligt att veta den exakta standardavvikelsen och fördelningen av miljön.The loss of shadow signal strength loss can consist of a random variable, which follows a certain distribution with a standard deviation 6. It is generally not possible to know the exact standard deviation and the distribution of the environment.

Hatamodellen, Cost 231-Hatamodellen och Cost 23l-Walfisch- 10 15 20 25 30 f . n» - . u ou n 1 , ,", ,"' ° 'I - . . . . . - - . . =; v - . u. n. . . . . : - ~ n o I .' ' 1 ﬂ ° . - f » . . - . f. u. u.. .. n. 15 Ikegami-modellen är tre olika och mer komplicerade vägförlustmo- deller, som kan användas i GSM-nätverket. Dessa modeller har olika fördelar och nackdelar, beroende på miljön som de används i. Vägförlusten kan i allmänhet uttryckas som (Lpa,,,)dB=K] +Kzlogd (5) där Kl och K2 är modellparametrar, som är avhängiga av frekvensen samt mobilstationens och basstationens antennhöjder. Dessa para- metrar varierar för olika vägförlustmodeller.Hate models, Cost 231-Hate models and Cost 23l-Whale- 10 15 20 25 30 f. n »-. u ou n 1,, ",," '°' I -. . . . . - -. . =; v -. u. n. . . . : - ~ n o I. ' '1 ﬂ °. - f ». . -. f. u. u .. .. n. 15 The Ikegami model is three different and more complicated road loss models, which can be used in the GSM network. These models have different advantages and disadvantages, depending on the environment in which they are used. The road loss can generally be expressed as (Lpa ,,,) dB = K] + Kzlogd (5) where K1 and K2 are model parameters, which are dependent on the frequency and mobile antenna and base station antenna heights. These parameters vary for different road loss models.

Positioneringsteknik i cellulära nätverk Det finns olika positioneringstekniker, vilka kan användas för att beräkna läget hos en terminal. Åtminstone en operatör använ- der för närvarande (2002) modellen med Cell ID och TA i detta nätverk. En mer detaljerad beskrivning av dessa modeller och tekniker följer nedan.Positioning techniques in cellular networks There are different positioning techniques, which can be used to calculate the position of a terminal. At least one operator currently (2002) uses the Cell ID and TA model in this network. A more detailed description of these models and techniques follows below.

Global cellidentitet (CGI, Cell Global Identity) Global cellidentitet, vilken också kallas Cell Id, är en av de enklaste och billigaste formerna av positionering av en termi- nal. Denna metod baseras på kunskap om den ”högsta” mottagna ef- fekten vid terminalen, vilket avslöjar vilken BTS/cell som ter- minalen för tillfället är uppkopplad mot (betjänande cell). Ge- nom att använda positionen för den betjänande cellen kan termi- nalens ungefärliga position beräknas. Noggrannheten beror på cellstorleken och om cellen har en rundstràlande BTS-antenn el- ler om den har en antenn med riktverkan. När positionen baseras på CGI ser positionsuppskattningen för rundstràlande och sektor- celler ut som följer. En cells radie kan variera från runt lOO meter till 35 km. Cell Id-positioneringsmetoden kan vara nät- verksbaserad eller terminalbaserad. 10 15 20 25 30 o u u. . , u o v: °' II 5 2 119 . H ::: ::-; _.. ..~ . . 1 . .n ., , , , . ' I r v a. o . , ' 0 v u nu « ø ~ « | - u - , , ,, 16 Tidsframförhållning (TA, Timing Advance) Varje frekvens i GSM-systemet är uppdelad i tidsluckor, vilka tilldelas användarna. MS kan finnas på olika avstånd från BTS inom en enstaka cell. Beroende på avståndet till basstationen måste mobilen sända dataskuren i förväg för att den ska anlända till rätt tidsfack hos BTS. Denna företeelse kallas tidsframför- hållning (Timing Advance). Basstationen sänder ett TA-värde mel- lan O och 63, vilket talar om för MS hur många bittider före synkroniseringstidpunkten den måste sända sin skur (se fig. 9).Global Cell Identity (CGI, Cell Global Identity) Global cell identity, also known as Cell Id, is one of the simplest and cheapest forms of positioning a terminal. This method is based on knowledge of the “highest” power received at the terminal, which reveals which BTS / cell the terminal is currently connected to (serving cell). By using the position of the serving cell, the approximate position of the terminal can be calculated. The accuracy depends on the cell size and whether the cell has a radiating BTS antenna or whether it has an antenna with directional effect. When the position is based on CGI, the position estimate for radiating and sector cells looks as follows. The radius of a cell can vary from around 100 meters to 35 km. The Cell ID positioning method can be network-based or terminal-based. 10 15 20 25 30 o u u. , u o v: ° 'II 5 2 119. HRS ::: ::-; _ .. .. ~. . 1. .n.,,,,. 'I r v a. O. , '0 v u nu «ø ~« | - u -,, ,, ,, 16 Timing Advance (TA) Each frequency in the GSM system is divided into time slots, which are assigned to the users. MS can be present at different distances from BTS within a single cell. Depending on the distance to the base station, the mobile must send the data burst in advance in order for it to arrive at the correct time slot at BTS. This phenomenon is called Timing Advance. The base station transmits a TA value between 0 and 63, which tells the MS how many bit times before the synchronization time it must transmit its burst (see Fig. 9).

Med andra ord används TA för att kompensera sändning av tids- luckorna i förhållande till avståndet mellan MS och BS. Varje TA-steg motsvarar 1,85 ps, vilket är lika med 0,5 bitar. Detta ger en noggrannhet på 550 meter för TA = 0 och indikerar att an- vändaren är på avståndet O-55O från BS, TA = 1 innebär att an- vändaren är 550-llOO meter från BS och så vidare för andra TA- värden.In other words, TA is used to compensate for the transmission of the time slots in relation to the distance between MS and BS. Each TA step corresponds to 1.85 ps, which is equal to 0.5 bits. This gives an accuracy of 550 meters for TA = 0 and indicates that the user is at the distance O-55O from BS, TA = 1 means that the user is 550-1100 meters from BS and so on for other TA values.

När positionen är baserad på TA-värdet är noggrannheten för rundstràlande och sektorceller illustrerad i fig. 10.When the position is based on the TA value, the accuracy of the radiating and sector cells is illustrated in Fig. 10.

Fig. 10 visar att TA-värdet gör positionsområdet mindre jämfört med Cell Id-modellen. Det maximala avståndet mellan MS och BS är ungefär 35 km; i detta fall är TA lika med 63.Fig. 10 shows that the TA value makes the position range smaller compared to the Cell Id model. The maximum distance between MS and BS is approximately 35 km; in this case, the TA is equal to 63.

Signalstyrka /SS, Signal Strength) Det finns många sätt på vilket positionen kan erhållas ur mät- ningarna av signalerna. Dessa metoder använder en känd matema- tisk modell, vilken beskriver vägförlustdämpningen med avstån- det. MS ligger pà en cirkel med centrum vid BTS. Läget för MS kan beräknas genom att använda multipla BTS. Denna metods nog- grannhet beror sâlunda på avståndet mellan BTS och MS, på miljön där användaren befinner sig för tillfället och även på vädret. 10 15 20 25 30 u u nu » q 524 493 :~-~-Wﬂ.am.~~~-- f. a n v n o u ~ u f: za» u. f, ' .'. : .I : o u. . , , o ' * I ,c a : nu uv Med andra ord blir signalstyrkan svagare, t ex beroende på dämp- ning i väggarna, reflektion i byggnaderna och nederbörd.Signal Strength / SS, Signal Strength) There are many ways in which the position can be obtained from the measurements of the signals. These methods use a known mathematical model, which describes the road loss attenuation with distance. MS is located on a circle with the center at BTS. The mode of MS can be calculated using multiple BTS. The accuracy of this method thus depends on the distance between BTS and MS, on the environment in which the user is currently located and also on the weather. 10 15 20 25 30 u u nu »q 524 493: ~ - ~ -W ﬂ. Am. ~~~ - f. A n v n o u ~ u f: za» u. F, '.'. : .I: o u. ,, o '* I, c a: nu uv In other words, the signal strength becomes weaker, eg due to attenuation in the walls, reflection in the buildings and precipitation.

Inom GSM-systemet mäter och rapporterar varje mobilstation sig- nalstyrkan från upp till sex närliggande basstationer (de sex basstationerna med starkast signalstyrka). Föreliggande uppfin- ning använder denna information för att förbättra positionsnog- grannheten hos den mobila terminalen.Within the GSM system, each mobile station measures and reports the signal strength from up to six nearby base stations (the six base stations with the strongest signal strength). The present invention uses this information to improve the position accuracy of the mobile terminal.

Mobilt positioneringssystem (MPS, Mobile Positioning System) På marknaden existerar ett antal GSM-positioneringslösningar, t ex MPS (Mobile Positioning System) från Ericsson. MPS är för- berett att hantera både GPS- och GSM-lösningar för positione- ring, men för närvarande använder MPS bara CGI+TA-tekniken. MPS- strukturen illustreras i fig. ll.Mobile Positioning System (MPS) There are a number of GSM positioning solutions on the market, such as MPS (Mobile Positioning System) from Ericsson. MPS is prepared to handle both GPS and GSM solutions for positioning, but at present MPS only uses the CGI + TA technology. The MPS structure is illustrated in Fig. 11.

Det finns en positioneringsförmedlingsnod (positioning gateway) i MPS, vilken kallas mobilt positioneringscenter (MPC, Mobile Positioning Centre). MPC fungerar som en förmedlingsnod där po- sitioneringsförfarandet innefattar positioneringsapplikationerna å ena sidan och nätverkssignaleringen à andra sidan. MPC kommu- nicerar med GSM-nätverket och internet. Kommunikationen mellan MPC och internet sker med hjälp av http-förfrågningar. Den utför också beräkning av positionen. Avhängigt olika indikatorer i sy- stemet bestämmer MPC om en MS skall positioneras eller inte och även vilket positioneringsförfarande (koordinatsystem) som skall användas. MPC, vilket är ett logiskt begrepp, realiseras som en fristående nod och är en del av nätverket. PLMN-operatören äger den.There is a positioning gateway in MPS, which is called Mobile Positioning Center (MPC). MPC functions as a switching node where the positioning method includes the positioning applications on the one hand and the network signaling on the other hand. MPC communicates with the GSM network and the Internet. The communication between MPC and the internet takes place with the help of http requests. It also performs calculation of the position. Depending on different indicators in the system, the MPC decides whether an MS should be positioned or not and also which positioning procedure (coordinate system) should be used. MPC, which is a logical concept, is realized as a standalone node and is part of the network. The PLMN operator owns it.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Föreliggande uppfinning beskriver en metod för att beräkna en mobil terminals position med användande av den sän- da/mottagna signalstyrkan. Föredragna utföringsformer inne- 10 15 20 25 30 524 493 ~ u ~ ; .- u n- u | a ; : ø - v a ~ . . ~ » ~ « .n 18 fattar triangulering av signalerna; en annan föredragen ut- föringsform innefattar linjär kombination av lägespositio- ner. Dessa utföringsformer kräver olika ingàngsparametrar och ger olika positionsnoggrannhet.DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS The present invention describes a method for calculating the position of a mobile terminal using the transmitted / received signal strength. Preferred embodiments include 524 493 ~ u ~; .- u n- u | a; : ø - v a ~. . ~ »~« .N 18 takes triangulation of the signals; another preferred embodiment comprises linear combination of position positions. These embodiments require different input parameters and provide different positional accuracy.

Den mobila stationens läge kan bestämmas som den unika skär- ningspunkten för tre cirklar; denna metod nämns som triangu- lering av signalstyrkan (se fig. 12). Den tar för detta syf- te emot minst tre olika signalnivåer från tre olika bassta- tioner för att beräkna positionen. Basstationerna är belägna i centrum av cirklar med radien di, vilken utgör avståndet från den mobila stationen till basstationen i. (5) Enligt ekvation kan di uttryckas som l-rKl K: dv=1o (15) Den mobila stationens lägesberäkning görs genom att hitta den unika skärningspunkten för dessa tre cirklar, som har sitt respektive centrum på BTS. Ekvationen för en cirkel är 2+2=d,kï <16> där: ( x , y ) är läget för den mobila stationen i meter; ( xi , yq ) är läget för basstationen i i meter; i är basstationsnumret, i = 1, 2 och 3.The position of the mobile station can be determined as the unique intersection of three circles; this method is mentioned as triangulation of the signal strength (see Fig. 12). For this purpose, it receives at least three different signal levels from three different base stations to calculate the position. The base stations are located in the center of circles with a radius di, which is the distance from the mobile station to the base station i. (5) According to the equation, di can be expressed as l-rKl K: dv = 10 (15) the unique intersection of these three circles, which have their respective centers on the BTS. The equation for a circle is 2 + 2 = d, kï <16> where: (x, y) is the position of the mobile station in meters; (xi, yq) is the position of the base station in in meters; i is the base station number, i = 1, 2 and 3.

Fig. 13 visar att den mobila stationen kan vara på två olika platser, när två basstationer används, den tredje löser tve- tydigheten. Genom att sålunda kombinera tre cirkelekvationer (se ekvation 16) från tre basstationer 1, 2 och 3 erhålles följande ekvationer 10 15 20 25 . . - » v | - n | | u - | en 1 (x: _xz) x + (y1"yz)y :(5122 -dlz +x12 _3722 +y12 "yzö = flz (l7a, 1 (x1"x3) x + (Y1_y3)y :(0132 "dlz +x12 _3532 +y|2 '"y32) “i = 13 Dessa två ekvationer har två okända storheter x och y, vilka utgör mobilstationens position. Ekvationerna löses enkelt, antingen genom multiplicering av t ex l7a med /%;l_ H) och 17b med 4%;l_ ß) samt subtraktion av de resul- terande ekvationerna från varandra; detta löser ut y, en analog teknik löser ut x. Problemet med denna metod är att den förbiser skuggsignalstyrkeminskningen_ Skuggsignalstyr- keminskningen påverkar signalstyrkan och skapar en avvikelse för den aktuella skärningspunkten mellan de tre aktuella basstationerna.Fig. 13 shows that the mobile station can be in two different places, when two base stations are used, the third solves the ambiguity. Thus, by combining three circular equations (see equation 16) from three base stations 1, 2 and 3, the following equations are obtained. . - »v | - n | | u - | and 1 (x: _xz) x + (y1 "yz) y: (5122 -dlz + x12 _3722 + y12" yzö = flz (l7a, 1 (x1 "x3) x + (Y1_y3) y: (0132" dlz + x12 _3532 + y | 2 '"y32)" i = 13 These two equations have two unknown quantities x and y, which constitute the position of the mobile station. The equations are solved easily, either by multiplying eg 177 by /%; with 4%; l_ ß) and subtraction of the resulting equations from each other, this triggers y, an analog technique triggers x. The problem with this method is that it overlooks the shadow signal strength decrease current intersection point between the three current base stations.

Mer än tre signalstyrkemätningar mellan basstation och mobil finns ofta tillgängliga och kan utnyttjas. En mer detaljerad beskrivning följer i nästa avsnitt.More than three signal strength measurements between base station and mobile are often available and can be used. A more detailed description follows in the next section.

Om vi har signalstyrkemätningar från N olika basstationer så erhålles totalt 1v_ Nr 3 "(N-3)!*3! olika versioner av ekvation 17, vilka ger upphov till (3) lösningar. Detta är fallet, om inte någon av de tre cellerna befinner sig på samma plats, i annat fall kan ekvation 17 inte lösas. 10 15 20 25 524 493 v o v Q o o . - v u. 20 I fallet med N tillgängliga signalstyrkemätningar kan all information tas i anspråk för att erhålla den mobila statio- nens position. Detta kan göras på olika sätt. Ett sätt är . N . . . att beräkna medelvärdet av de 3 lösningar, som erhallits med hjälp av den tidigare metoden.If we have signal strength measurements from N different base stations, a total of 1v_ No. 3 "(N-3)! * 3! Different versions of equation 17 are obtained, which give rise to (3) solutions. This is the case, if not one of the three cells is in the same place, otherwise Equation 17 can not be solved 10 15 20 25 524 493 vov Q oo. - v u. This can be done in different ways, one way is to calculate the average of the 3 solutions obtained using the previous method.

Vi betecknar lösningarna med trianguleringsmetoden xgmmpi och ygmq,L där i är numret på lösningen. Dessa lösningar kan uttryckas i en matris som xgroupl ygroupl x group 2 y group 2 (šgroupi ß j/'groupí ) _ ( l 9 ) För att få fram den mobila stationens position beräknar vi medianvärdet _. (x, y) = medían(x (2 O) grnupi 9 -ï/groupi ) som ger det mellersta värdet, om antalet (ämwüjwmm) är udda och om det är jämnt, erhålles medelvärdet av de två mellers- ta värdena.We denote the solutions by the triangulation method xgmmpi and ygmq, L where i is the number of the solution. These solutions can be expressed in a matrix such as xgroupl ygroupl x group 2 y group 2 (šgroupi ß j / 'groupí) _ (l 9) To obtain the position of the mobile station, we calculate the median value _. (x, y) = median (x (20) grnupi 9 -ï / groupi) which gives the middle value, if the number (ämwüjwmm) is odd and if it is even, the mean of the two middle values is obtained.

Andra lösningar, som använder N tillgängliga signaler be- skrivs i de följande avsnitten.Other solutions that use N available signals are described in the following sections.

I det fall man använder N signalstyrkemätningar kan ekvation nr l7a skrivas som en matrisekvation med alla N-fallen.In the case of using N signal strength measurements, Equation No. 17a can be written as a matrix equation with all N cases.

Matrisekvationen blir Ar=f' (21) 524 493 u. - . e » ~ | | | - | . - . . - Q o a .v 21 där ; är mobilens position och utgörs av en 2 x 1-vektor.The matrix equation becomes Ar = f '(21) 524 493 u. -. e »~ | | | - | . -. . - Q o a .v 21 there; is the position of the mobile and consists of a 2 x 1 vector.

Matriserna A och f skrivs som (X1 _x2) (y1"y2) fiz 5 A: (90:13) (ylïyz) , ï: fis (22) (x/vq “x/v) (y1v_1"y;v) ful-UN N N Matrisen A kommer att ha (2) och sålunda finns det (2) sätt att välja ut en grupp om två par ur N basstationer. Lös- ningen i minsta kvadratmening för den mobila positionen er- 10 hålles genom att lösa uttrycket A"A;=Aff (23) 15 Genom att väga varje rad i A och f med en viktfaktor w kan felet i lösningen i ekvation 23 minskas. Viktfaktorn beror på vägförlusten Li. Ju större vägförlust (större dl) desto mindre vikt. Detta kommer att leda till större avvikelser och förskjuter lösningarna närmare BTSen med starkast sig- 20 nalstyrka. Viktfaktorerna som bildas är L' +L2 10 20 _L,+l,3 ïv= 10 2° (24) _L^',_,+L,V För att erhålla den mobila positionen löses ekvation 23 med 25 matrisen A och f som ges av 10 15 20 524 493 ; . 1 . . > . a n n u ø u - I en 22 111121051 _x2) 14,120!! -J/z) “ﬁgfn x- w - _- w A: W13( xs) ßÛÜ: ya) , f: Iifnz (25) WN-nß/(xzv-l "x1v) W(N-1)N(yN-| "y/v) W Eftersom den starkaste signalstyrkan som den mobila statio- nen tar emot ofta men inte alltid kommer från den närmaste basstationen; den viktade summan av basstationspositioner är en bra uppskattning av mobilens position.The matrices A and f are written as (X1 _x2) (y1 "y2) fiz 5 A: (90:13) (ylïyz), ï: fis (22) (x / vq" x / v) (y1v_1 "y; v) ful-UN NN The matrix A will have (2) and thus there are (2) ways to select a group of two pairs from N base stations. The solution in the least square sense of the mobile position is obtained by solving the expression A "A; = Aff (23) By weighting each row in A and f by a weight factor w, the error in the solution in equation 23 can be reduced. The weight factor depends on the road loss Li. The larger the road loss (larger dl) the less weight. This will lead to larger deviations and shift the solutions closer to the BTS with the strongest signal strength. , 3 ïv = 10 2 ° (24) _L ^ ', _, + L, V To obtain the mobile position, equation 23 is solved with the matrix A and f given by 10 15 20 524 493;. 1. annu ø u - I en 22 111121051 _x2) 14,120 !! -J / z) “ﬁ gfn x- w - _- w A: W13 (xs) ßÛÜ: ya), f: Iifnz (25) WN-nß / (xzv -l "x1v) W (N-1) N (yN- |" y / v) W Since the strongest signal strength that the mobile station receives often but not always comes from the nearest base station; the weighted sum of base station positions is a good estimate of the mobile's position.

I en särskilt fördelaktig utföringsform beräknas den mobila stationens position ; enligt formeln N ;= Wlíi, i=| (26) där Ä: är positionen för basstation nummer i. Varje viktfak- tor Vh beräknas enligt följande uttryck: (27) ëš 10 K* j=1 där W; är lika med kvoten mellan två termer; täljaren är lika med 10 upphöjt till kvoten mellan minus vägförlusten för signaler från basstation i och modellparametern EQ. Bg beror på frekvensen samt mobilstationens och basstationens antennhöjder såsom beskrivits ovan. 10 15 20 . ø Q u a. 524 493 . . - , f. u n u . ~ n . Q | u : v. 23 Nämnaren beräknas som summan över N närliggande basstationer av tio upphöjt till kvoten mellan minus vägförlusterna för signaler från basstation i och modellparametern Kg.In a particularly advantageous embodiment, the position of the mobile station is calculated; according to the formula N; = Wlíi, i = | (26) where Ä: is the position of base station number i. Each weight factor Vh is calculated according to the following expression: (27) ëš 10 K * j = 1 where W; is equal to the ratio between two terms; the numerator is equal to 10 raised to the ratio between minus the path loss for signals from base station i and the model parameter EQ. Bg depends on the frequency as well as the antenna heights of the mobile station and the base station as described above. 10 15 20. ø Q u a. 524 493. . -, f. u n u. ~ n. Q | u: v. 23 The denominator is calculated as the sum over N adjacent base stations of ten raised to the ratio between minus the road losses for signals from base station i and the model parameter Kg.

Viktfaktorn är en slags normaliserad avståndsviktning, I en annat utföringsform av uppfinningen används en kombina- tion av en av de nämnda metoderna och Cell Id + Ta-tekniken.The weight factor is a kind of normalized distance weighting. In another embodiment of the invention, a combination of one of the mentioned methods and the Cell Id + Ta technique is used.

Noggrannheten för en sådan utföringsform kommer utgörs av det gemensamma området mellan Cell Id med Ta och signalstyr- kemetoden. Fig. 14 illustrerar det gemensamma området för kombinationen. Fig. 15 visar en enhet för att beräkna en mo- bil stations position 1500, innefattande en processor 1501 och ett minne 1502. Beräkningsenheten 1500 tar emot ingångs- data 1503 innehållande BTS-signalstyrkedata tillsammans med BTS-positionsdata och algoritmparameterdata. Algoritmparame- alternativt eller, vara permanent lagrade terdata kan också, i minnet 1502. Minnet 1502 innehåller också dataprogramin- struktioner, som instruerar processorn att använda ingångsinformationen 1503 för att beräkna en skattning av mobilstationens position genom att använda en eller flera av ovan beskrivna algoritmer.The accuracy of such an embodiment will consist of the common area between Cell Id with Ta and the signal strength method. Fig. 14 illustrates the common area of the combination. Fig. 15 shows a unit for calculating the position 1500 of a mobile station, comprising a processor 1501 and a memory 1502. The calculation unit 1500 receives input data 1503 containing BTS signal strength data together with BTS position data and algorithm parameter data. Algorithm parameters or, alternatively, be permanently stored terdata may also be in memory 1502. Memory 1502 also contains computer program instructions which instruct the processor to use the input information 1503 to calculate an estimate of the position of the mobile station using one or more of the algorithms described above.

Claims

1. 0 15 20 25 30 7.0. _. u .. u z .... . ~~. vv '..:.: 1 --_;: J: n ...; n .o »o ~ 'IL ..,. aan 1 II 'v "4 - n' '. - .. -.» -. v ~.. n _' _ nu n. -u- v '|... 24 PATENT REQUIREMENTS l. A method for determining the position for a mobile station in a mobile communication system with a number of base stations, located at known positions, said mobile station has means for measuring the signal strength of signals transmitted from at least three base stations, comprising the following steps - measuring signal strength, - making available data on the location of the base station, calculation, for a number of base stations in the vicinity of a mobile station, a standardized weight factor depending on the signal strength of each individual base station, where each weight factor of the equation, corresponding to the signal strength measurements for a first and a second base station, is calculated as ten (10) raised to an expression containing road loss figures, - multiplying, for each base station, its base station position data with associated weight factor, forming a set of products for each base station corresponding positions coordinators, - calculation of, by summing up said products, the position of the mobile station. A method according to claim 1, further comprising the steps of: - calculating linear combination weighting factors, - calculating the position of the mobile station as a weighted sum using said linear combination weighting factors for the positions of N base stations. A method according to claim 2, further comprising the steps of: - calculating each said linear combination weight factor WU as a ratio between a numerator and a denominator, - calculating said numerator as ten (10) raised to the minus ratio of the road loss divided by a system specific term, - calculation of said denominator as the sum of N terms, 54 5. m ß m ä F ß w 524 495 25 - calculation of each of said N terms as ten (10) raised to minus the road loss in divided by said , system-specific term. A method according to claim 2, wherein said expression contains the sum of two road losses divided by minus twenty. A method according to claim 1, wherein the position F of the mobile station is calculated according to the formula where = (Xi, Yi) i.e. the vector of the base station position a first algorithm parameter w CU šgl II ll a second algorithm parameter A and B can be obtained from Hata, Cost 231-Hata, or Cost 231 Whale - Ikegami models. Li = path loss for base station i A method according to claim 1, wherein the position of the mobile station is calculated according to the formula = ___-_- where E: = the position of the base station (Xi, Yi) as described above A1 = a third algorithm parameter B = the second algorithm parameter A1 and B can be obtained from the Hata, Cost 231-Hata, or Cost 231 Walfisch - Ikegami models. Si = the measured signal strength for signals from 10 15 20) 25 30 524 493 o o e | mobile station position estimation unit for determining the position of a mobile station in a mobile communication system with a number of base stations located at known positions and with means for measuring the signal strength from at least three base stations in the vicinity of the mobile station, said unit comprising: means for receiving information on the signal strength of signals received by the mobile station from nearby base stations; means for receiving information regarding nearby base station position; means for calculating an estimated position of said mobile station, as a weighted sum of the positions of nearby base stations; means for guiding an estimated position back to a base station and means for receiving information regarding said output power of the nearby base station, characterized in that said unit comprises said means for calculating an estimated position and comprises a process unit and a memory unit and in that memory unit stores computer program instructions, said program instructions may instruct said processor unit to perform calculations to estimate the position of the mobile station according to a predetermined set of formulas, said program instructions instruct the processor to calculate said weighted sum according to formula A unit according to claim 7, characterized in that said unit comprises means for receiving antenna gain information. A unit according to claim 7, characterized in that said program instructions instruct the processor to calculate said weighted sum according to the formula A1 f Q 211.10 ß FIeveIyz A] _SI 210 B everyí 10. A unit according to claim 7, characterized in that said set of formulas corresponds to 10 ï = iš Wi, - N '”i = l 15 ll. A mobile station in a mobile communication system, characterized in that said station comprises a mobile station position estimation unit according to claim 7. A base station in a mobile communication system, characterized in that said base system comprises a mobile station position estimation unit according to claim 7.