SE524493C2 - Uppskattningsenhet och metod för att bestämma positionen för en mobil station i ett mobilt kommunikationssystem - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Denna metod har låg kalkylatorisk komplexitet och ställer låga krav på informationslagring.

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.

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.

GSM; Fig.

Fig.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

USA använder 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-strukturen GSM-nätverket behöver en speciell struktur för att dirigera in- kommande samtal till korrekt växel och till uppringd abonnent.

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 ~ | .- ..

- « - , 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).

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).

SS innefattar följande enheter: MSC Mobilt tjänstekopplingscenter(Mobile services Switching Cen- tre) MSC styr samtal till och från andra telefon- och datakommunika- tionssystem.

En MSC betjänar ett antal basstationsstyrenheter (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.

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.

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.

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.

BSS innefattar följande enheter: BTS Bastranscieverstation (Base Transceiver Station) BTS är mobilens gränssnitt till nätverket. En BTS är vanligtvis placerad i en cells mitt.

BSC Basstationsstyrenhet (Base Station Controller) BSC övervakar och styr flera BTS; den styr sådana funktioner som överlämning och effektstyrning.

MS Mobilstation (Mobile Station) Det finns flera olika MS; fordonsinstallerade eller handhållna.

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.

Utan SIM kan MS inte få tillgång till GSM-nätverket, utom för nödsamtal. Det är endast SIM-kortet som innehåller identitet och personlig 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.

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).

GSM är ett mycket komplext kommunikationssystem, som måste sända många olika sorters information mellan mobilstationen och 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.

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.

Dessa styrkanaler är uppräknade nedan i en kronologisk ordning.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Det finns med andra ord tre faktorer, som påverkar signalstyr- kan; vägförlust, skuggsignalstyrkeminskning och snabb signal- styrkeminskning (se fig. 7).

Utbredningsförlustmodellen utgörs i allmänhet en summa av väg- förlustmodellen Li och skuggsignalstyrkeminskningsförlusten Zi.

Den snabba signalstyrkeminskningen har tagits om hand av mobil- stationen. Den påverkar inte utbredningsmodellen.

L.,.0,y,=L +Z, (4) path ,i Dessa mekanismer måste beskrivas av approximationer i den prak- tiska förutsägelsen gällande utbredning i olika miljöer.

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.

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.

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.

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).

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.

När positionen är baserad på TA-värdet är noggrannheten för rundstràlande och sektorceller illustrerad i 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Mer än tre signalstyrkemätningar mellan basstation och mobil finns ofta tillgängliga och kan utnyttjas. En mer detaljerad beskrivning följer i nästa avsnitt.

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.

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.

Andra lösningar, som använder N tillgängliga signaler be- skrivs i de följande avsnitten.

I det fall man använder N signalstyrkemätningar kan ekvation nr l7a skrivas som en matrisekvation med alla N-fallen.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 7.0. _ . u.. u z ... . . ~~ . vv ' ..:.: 1 --_ ;: J :n...; n .o »o ~ ' IL.. ,. a a n 1 II ' v" 4 - n ' ' . - .. - . »- . v ~ . . n _' _ n u n. -u- v ' | . . . 24 PATENTKRAV l. En metod för att bestämma positionen för en mobil station i ett mobilt kommunikationssystem med ett antal basstationer, belägna på kända positioner, nämnda mobilstation har medel för att mäta signalstyrkan på signaler sända från åtminstone tre basstationer, innefattande följande steg - mätning av signalstyrka, - tillgängliggörande av data om basstationens läge, - beräkning, för ett antal basstationer i en mobilstations omgivning, en standardiserad viktfaktor beroende på signal- styrkan för varje enskild basstation, där varje viktfaktor för ekvationen, motsvarande signalstyrkemätningarna för en första och en andra basstation, är beräknad som tio (10) upphöjt till ett uttryck innehållande vägförlustsiffror, - multiplicering, för varje basstation, av dess bas- stationspositionsdata med tillhörande viktfaktor, under bildande av en uppsättning produkter för varje basstation motsvarande positionskoordinatorer, - beräkning av, genom att summera nämnda produkter, positionen för mobilstationen. En metod enligt krav l, vidare innefattande stegen: - beräkning av linjärkombinationsviktfaktorer, - beräkning av den mobila stationens position som en viktad summa med användande av nämnda, linjärkombinationsvikt- faktorer för positionerna för N basstationer. En metod enligt krav 2, vidare innefattande stegen: - beräkning av varje nämnd, linjär kombinationsviktfaktor WU som en kvot mellan en täljare och en nämnare, - beräkning av nämnda täljare som tio (10) upphöjt till minuskvoten av vägförlusten i dividerad med en system- specifik term, - beräkning av nämnda nämnare som summan av N termer, 54 5. m ß m ä F ß w 524 495 25 - beräkning av var och en av nämnda N termer som tio (10) upphöjt till minus vägförlusten i dividerat med nämnda, systemspecifika term. En metod enligt krav 2, där nämnda uttryck innehåller summan av två vägförluster dividerad med minus tjugo. En metod enligt krav 1, där den mobila stationens position F beräknas enligt formeln där = (Xi, Yi) dvs basstationspositionens vektor en första algoritmparameter w CU šgl Il ll en andra algoritmparameter A och B kan erhållas från Hata, Cost 231-Hata, eller Cost 231 Walfisch - Ikegami-modellerna. Li = vägförlust för basstation i En metod enligt krav 1, där mobilstationens position beräknas enligt formeln = ___-_- där E: = basstationens position (Xi, Yi) som beskrivits ovan A1 = en tredje algoritmparameter B = den andra algoritmparameter A1 and B kan erhållas från Hata, Cost 231-Hata, eller Cost 231 Walfisch - Ikegami-modellerna. Si = den uppmätta signalstyrkan för signaler från 10 15 20 )25 30 524 493 o o e | fu n 26 basstation i. Mobilstationspositionsuppskattningsenhet för att bestämma positionen för en mobil station i ett mobilt kommunikationssystem med ett antal basstationer belägna på kända positioner och med medel för att mäta signalstyrkan från åtminstone tre basstationer i närheten av den mobila stationen, varvid nämnda enhet innefattar: organ för att ta emot information om signalstyrkan hos signaler, mottagna av den mobila stationen från närliggande basstationer; organ för att ta emot information angående närliggande basstationsposition; medel för att beräkna en skattad position för nämnda mobilstation, som en viktad summa av positionerna för närliggande basstationer; organ för att leda en skattad position tillbaka till en basstation samt organ för att ta emot information angående nämnda, närliggande basstations uteffekt, kännetecknad av att nämnda enhet innefattar nämnda medel för att beräkna en skattad position samt innefattar en processenhet och en minnesenhet och av att nämnda minnesenhet lagrar dataprograminstruktioner, nämnda programinstruktioner kan instruera nämnda processorenhet att utföra beräkningar för att skatta den mobila stationens position enligt en förutbestämd uppsättning formler, nämnda programinstruktioner instruerar processorn att beräkna nämnda, viktade summa enligt formeln En enhet enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda enhet innefattar organ för att ta emot information angående antennförstärkning. : e A f -- 9. En enhet enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda programinstruktioner instruerar processorn att beräkna nämnda, viktade summa enligt formeln 5 Al f Q 211.10 ß FIeveIyz A]_SI 210 B everyí 10. En enhet enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda uppsättning formler överensstämmer med 10 ï=iš Wi,- N ' ” i=l 15 ll. En mobilstation i ett mobilt kommunikationssystem, kännetecknad av att nämnda station innefattar en mobilstationspositionsuppskattningsenhet i enlighet med krav 7. 20 12. En basstation i ett mobilt kommunikationssystem, kännetecknad av att nämnda bassystem innefattar en mobilstationspositionsuppskattningsenhet enligt krav 7. 4 avnaoo