TWI493994B - 用於無線電存取系統內之位置定位的系統及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於行動無線電存取系統,且明確地說,係關於用於在一行動無線電存取系統中決定正在操作一行動(無線)裝置之呼叫者的地理位置的系統與方法。
無線網路在最近幾十年已經深深地影響全世界,且它們的用途持續地大幅成長。人類及企業會使用無線網路來快速地發送與分享資料,不論是在小型辦公建築物中或是跨越全世界。緊急服務(例如警察局)會利用無線網路來快速地交換重要資訊。無線網路的另一項重要用途係在電信基礎建設貧乏或缺少資源的國家或地區(例如許多開發中國家)中作為連接至網際網路的廉價且快速的方式。此等最新無線技術中的其中一項便係WiMax(全球互通微波存取)。
下文會對WiMax技術作簡要論述,以便讓讀者更瞭解本發明。不過,應該注意的係,本發明並不受限於WiMax技術,其亦可套用至在下行鏈路訊框與上行鏈路訊框(例如WiMax所使用的訊框前置符、前導音、及/或測距碼)中使用預設的週期性位元序列及多個天線的任何無線技術。
WiMax係一種提供長距離無線通訊且兼具點對點與完全行動蜂巢式類型存取兩種功能的新興電信技術。此項技術係以IEEE 802.16標準為基礎。此項技術的初始標準草案(稱為802.16d或802.16-2004)從未達到標準的狀態。使用802.16-2004(802.16d)以及具有256個載波的OFDM PHY作為空中介面所建構的系統通常會被稱為「固定式WiMax」。
該份草案的下一個版本,802.16e(或802.16-2005),其為802.16d的修正案,通常被稱為「行動式WiMax」。此用詞係指使用802.16e-2005以及具有128、512、1024與2048個載波的OFDMA(正交分頻多重存取)作為空中介面的無線系統。在OFDMA中,要被發射的訊號的一擴展編碼符號串會被調變在被較佳分散至一寬頻帶之中的多個子載波上。OFDMA會分配多個子載波子集給個別使用者,而且該系統能夠以和該等通道條件有關之回授為基礎來施行適應性使用者至子載波分配。
行動式WiMax施行方式可被用來傳送固定式服務與行動式服務兩者。行動式WiMax還會經由多重輸入多重輸出通訊(MIMO)來使用多重天線支援。一收發基地台(BTS),亦稱為基地台(BT),會使用至少兩個接收天線與兩個發射天線,而使用者設備(UE單元)則會使用至少兩個接收天線與一個發射天線。這在覆蓋範圍、空間分集與空間多工、干擾消除、頻率再利用與頻譜效率方面會帶來潛在的好處。
行動式WiMax剛獲得ITU批准,而且有許多電信公司(例如美國的Sprint-Nextel以及法國的France Telecom)已經宣佈他們要佈署此等系統的意圖。在加拿大,Rogers communications以及Bell Canada已經開始在2.5GHz頻帶上提供以WiMax為基礎的寬頻網際網路服務,其覆蓋大部分的主要城市,例如使用Motorola之DRM單元的多倫多。
同時,無線網路技術的演進已達到佈署無線位置定位系統的目的,尤其是被設計成用以找出使用行動裝置來撥打緊急呼叫(例如美國與加拿大中的「911」)之呼叫者的地理位置的系統。此項服務的其中一項用途係讓一無線網路辨識哪一個公共安全應答點(PSAP)在路由傳送一緊急呼叫以及告知答覆該呼叫的PSAP該呼叫者在何處。一PSAP接著會利用和一呼叫者之所在位置有關的知識庫並且提供他/她的週遭環境的資訊,例如,方向、附近餐廳、博物館、...等給該等緊急服務。以位置為基礎的服務已經是B3G(後3G)無線系統(例如3GPP/UMTS/LTE(長程進展)、WiMax/IEEE 802.16e、UMB(超行動寬頻)、...等)的一熱門主題。
目前的「911」服務能夠找出美國與加拿大中大部分地理區域中的固定式電話的位置;其它國家亦具有雷同的緊急服務。對有線的「911」來說,位置便係一個地址。
美國聯邦通訊委員會(FCC)發表一種稱為E911(強化911)的位置尋找技術,其可讓蜂巢式/行動裝置處理911緊急呼叫,以達即時的援助佈署的目的。對無線E911來說,位置係一個座標。FCC已經在兩個階段中發表E911。在1998年階段I中要求行動電話營運商辨識原始呼叫者電話號碼和訊號塔台(或蜂胞)的位置,精確性要小於一英里。在2001年階段II中要求在美國營業的每一家行動電話公司皆必須提供以手機或網路為基礎的位置偵測功能,以便提供精確性小於100公尺的呼叫者的地理位置,稱為ALI(自動位置辨識)。
已知有數種方法係如階段I之要求般來決定一行動呼叫者(MC)的位置。該些皆稱為「以網路為基礎」的方法,因為它們會佈署被耦接在一起的一廣域天線與收發器陣列,而一行動呼叫者不論何時包含在該個別收發器/天線所覆蓋的區域內之位置便會被找出。此等方法雖然通常僅需要對涉及ALI的行動裝置進行最小的修正;不過,目前該等以網路為基礎的方法並不非常精確且可能無法非常妥適地運作在室內環境中。
舉例來說,已知的係測量在兩個(或更多個)基地台天線處所收到的一訊號的抵達角度(AOA);接著,三角函數計算會使用該天線的已知位置和該被接收訊號之AOA來建立該呼叫者的座標。
同樣已知的係,藉由測量在三個(或更多個)網路天線處由該呼叫者的行動裝置所射出的一訊號的抵達時間(TOA)來辨識一MC的位置。接著便可以因知道該些天線的位置、該等三個TOA的測量值、以及該訊號的速度(電磁波/光的速度)來使用該MC的位置。藉由決定與一固定點(該MC的位置)相隔一固定、已知距離處的點的地理所在位置便可達成此目的;從該TOA處會決定該範圍。當此方法提供兩個點時,有時候便要使用一第四天線來移除此模糊性或是補償時差(clock discrepancy)。
其它以網路為基礎的方案會藉由在一基地台處測量從該基地台被發送至該行動裝置並且返回的一訊號的往返行程延遲(也就是,從該基地台發射一訊號及接收來自該行動裝置的回應之間所流逝的時間)來提供該行動裝置的位置。此往返行程延遲接著會被用來估算兩者之間的距離;該距離及該基地台處的AOA測量值則會被用來預測該行動裝置的座標。
不過,AOA、TOA以及往返行程延遲之方法均係以視線距離測量值(介於UE單元與天線之間的直線距離)為基礎,其可能難以或無法在山區或在周圍有高聳建物及其它障礙物的城市中來決定。所以,利用該些方法所得到的結果並不精確。此外,呼叫者的位置亦不會非常精確,尤其是於室內呼叫的情況中。
目前,E911技術的階段II主要係使用內建在呼叫者之設備中的全球定位系統(GPS)來施行。該等GPS單元係被內建在該等行動裝置之中並且通常會藉由計算同時發射自多個GPS衛星(也就是,GPS/NAVSTAR)的訊號的相對抵達時間來決定他們的位置。該些衛星會發射衛星定位資料與GPS輔助資料兩者,例如時序或「星歷」資料。倘若漫遊裝置被認為基本上係在地面上的話(舉例來說,被安置在車內),那麼,便可以具有適當地貌的地球作為一額外的參考「球體」來精進該等TOA計算。
不過,搜尋及獲得GPS訊號、讀取多個衛星的星歷資料以及從此資料中計算接收器之位置卻非常耗時,通常需要好幾分鐘。於許多情況中,此冗長的處理時間係不能接受的,尤其是在要為911派遣中心決定位置的緊急情況中。此外,為使用GPS,該行動裝置必須具有GPS功能,但情況卻並非總是如此。為行動裝置配備GPS單元還會提高成本,這對許多人而言可能會變得過於昂貴。又,進一步言之,GPS接收器並不能正確地運作在某些類型的環境中,例如,室內或是衛星訊號受阻的環境。
上面所述的所有方法均針對使用小型、廉價、以及低功率漫遊裝置以無線方式決定呼叫者之位置並未提供令人滿意的解決方案。另外,若未使用專屬基礎建設的話,目前的方法與系統並無法妥適地運作在廣大的區域中。
所以,仍需要改進現有的位置決定方式,以便強化被提供給行動裝置使用者的服務並且特別針對美國FCC所制定的E911規範。
本發明的一目的係提供符合FCC規定來決定一行動呼叫者之位置的方法與系統。
本發明的另一目的係提供用以決定一行動呼叫者之位置的廉價且可應用在廣大區域中的方法與系統,其不需要用到專屬的基礎建設。
據此,本發明提供一種用以決定運作在二或多個基地收發台(BTS)之覆蓋區域內的一使用者設備(UE)單元之位置的方法,該等基地收發台(BTS)會在一無線電存取網路中發射一指定的週期性位元序列,該方法包括:a)在該UE單元處,監視接收自該等BTS的外來流量以用於偵測該指定的週期性位元序列;b)從該指定的週期性位元序列中決定至少兩個定位參數,它們會傳遞該UE單元之相對定位給該等BTS中的二或多者;以及c)處理該等定位參數以用於建立該UE單元的地理座標。
本發明還提供一種用於一配有一第一天線與一第二天線之使用者設備(UE)單元的位置辨識模組,其包括:一監視單元,用於監視接收該外來流量並且辨識接收自至少兩個相鄰基地收發台(BTS)的一指定的週期性位元序列;一定位參數計算配置,用以從該指定的週期性位元序列中決定兩個定位參數,其傳遞來自該UE單元與該等個別BTS相隔的相對定位;以及一座標預測器,用以處理該等兩個定位參數並且建立該UE單元的地理座標。
根據本發明的另一項觀點,提供一種用以決定運作在一無線電存取網路中的一基地收發台(BTS)之複數個天線的覆蓋區域內的一使用者設備(UE)單元之位置的方法,該UE單元會上行發射一指定的週期性位元序列。該方法包括:i)在該BTS處,監視於兩個接收天線中接收自該UE單元的外來流量,以用於偵測該指定的週期性位元序列;ii)分別從該第一天線與第二天線所收到的指定週期性位元序列中測量一個別的第一定位參數與第二定位參數;以及iii)在該BTS處處理該等第一定位參數與第二定位參數,以用於建立該UE單元的地理座標。
又,進一步言之,本發明提供一種用於運作在一無線電存取網路中的基地收發台(BTS)的位置辨識模組,該BTS具有一第一天線與一第二天線,該位置辨識模組包括:一第一監視單元,用於監視在該第一天線上所收到的該外來流量、並且辨識自被定位在該BTS之覆蓋區域中的一使用者設備(UE)單元所接收的指定週期性位元序列、並且決定一第一定位參數;一第二監視單元,用於監視在該第二天線上所收到的該外來流量、並且辨識接收自該UE單元的指定週期性位元序列、並且決定一第二定位參數;以及一座標預測器,用以處理該等兩個定位參數並且建立該UE單元的地理座標。
優點係,本發明不要求一行動裝置配置GPS來進行自動位置辨識,因此可讓低成本的使用者設備輕易地找出本身的位置。此外,因為採用WiMax標準的關係,無線網路中的趨勢便係在下個世代的無線網路(例如3GPP LTE系統與UMB系統)中採用雷同的技術;因此,本發明亦可應用至3GPP LTE系統與UMB系統。
本發明之方法與系統的另一優點係允許使用WiMax設備而在WiMax系統內施行以E911位置為基礎的服務。在某些環境中,本發明係GPS的一種良好補足物或替代物,尤其是在假定80%的WiMax與911服務使用者所在的室內環境中,尤其是在安裝了小型WiMax BT或存取點及Femto BTS之後。
於本說明書中,「行動呼叫者(mobile caller)」或「呼叫者(caller)」等用詞係用來表示目前存取一無線網路/服務供應商所提供之服務的使用者。「使用者設備(UE單元,”user equipment”)」、「行動裝置(MD,”mobile devices”)」、或「行動台(MS,”mobile station”)」等用詞係用來表示具有無線功能的裝置,例如,手機、電話、筆記型電腦、以及用戶用來連接一無線或有線網路以便交換數位或類比格式資訊的其它無線設備。
「基地台(BS,”base station”)」或「基地收發台(BTS,”base transceiver station”)」一詞係指一無線存取網路(WAN)中的設備,其會幫助行動裝置無線存取一無線及/或有線通訊網路。「存取點(AP,”access point”)」一詞係指一室內存取點,其可將室內UE單元連接至一無線網路或一有線網路。從本發明的觀點來看,BTS與AP係以雷同的方式運作,因此,「BTS」一詞也包含「AP」。本說明書針對目前將該UE單元連接至該存取網路的基地台使用「服務BTS」一詞。「相鄰BTS」一詞係用於在該UE單元附近的BTS;一UE單元會在該些相鄰BTS的覆蓋區域中。此用詞包含該服務BTS。
在整篇說明書中會使用「上行鏈路」與「下行鏈路」等用詞的公認意義。換言之,「上行鏈路」係指從一UE至一BTS的流量方向,而「下行鏈路」係指從一BTS至一或多個UE的流量。「外來流量」一詞係一相對用詞,其係指在一上行鏈路或一下行鏈路中抵達一特定網路實體的流量。
雖然本發明與E911系統特別有關;不過,其同樣可針對其它類型現有或新興的位置定位系統與服務來找出一UE單元的位置。本文會參考E911服務,因為隨著802.16e(行動WiMax)的採用,此服務近來已成為WiMax服務供應商與使用者的一項強制規定。
另外,本發明並不受限於WiMax系統;其亦可配合規定在下行鏈路子訊框中廣播預設(特定)的週期性位元序列及/或要求在上行鏈路子訊框中發射特定的週期性位元序列的其它現行與新興無線技術來使用,如後面的討論。此等無線網路的範例為3GPP LTE系統與UMB系統。
圖1A所示的係一WiMax訊框10的範例,圖中顯示出下行鏈路(DL)子訊框11與上行鏈路(UL)子訊框12。在從該BTS至該UE單元的方向中,例如下行鏈路子訊框11所示者,一BTS會發送一前置符13,該UE單元會用其作為蜂胞/區段辨識、頻率再利用係數、同步化與通道效能評估。該前置符具有128個不同圖樣中其中一者,在該前置符中會使用一蜂胞ID來辨識一BTS所發射的每一個區段。因此,相鄰的蜂胞或區段會具有不同的圖樣,俾使該等UE單元能夠區分一蜂胞或區段與其它蜂胞或區段。一初始同步化作業會藉由觀察該前置符之時域副本的自相關性來決定該訊框的起始處,以便達到偵測該前置符的目的。前置符通常會利用高功率(比如,比資料訊號高2.5dB)來發送。
圖1B所示的係1024-FFT變化例的行動WiMax系統所使用的子載波。於此實施例中,11.2MHz的整個發射頻帶已經被分成1024個分箱,在它們之中,中間的852個分箱係用來攜載該前置符(DC分箱會攜載「0」)。
該些852個分箱會藉由套用下面的公式針對3個區段被進一步分成3組(如上面所示,一區段內的一BTS會發射不同於另外兩個區段內之BTS的前置符):
PreambleCarrierSetn=n+3k 方程式1
其中:PreambleCarrierSetn為載波組n中的載波/分箱數,n為該前置符載波組的編號,其索引值為0、1、2、...;k為一從0至283的變動索引值。
更精確地說,該等852個載波/分箱會被分成下面3組:
載波組0:0、3、6、9、....、849
載波組1:1、4、7、10、...、850
載波組2:2、5、8、11、...、851
可以看出,每一組具有284個載波且實際的DC載波數512會映射至屬於載波組0的前置符載波426。每一個前置符碼會經過事先設計並且在佈署個別系統(BTS)時被分配給一區段。一下行鏈路訊框的前置符在本文中通常會被稱為下行鏈路「指定的週期性位元序列」,其中,「指定」一詞係用來表示接收器已知道的位元序列,而「週期性」一詞則係用來表示該位元序列會週期性地在該下行鏈路中發射(配合每一個下行鏈路訊框)。
圖2A、2B和3顯示出各種自動位置辨識(ALI)方法,其中,UE會辨識其位置的座標並且配合呼叫將該些座標發射至一PSAP(公共安全應答點)或類似的地方。圖2A與2B所示的係本發明的一實施例,其中,該UE單元會使用在該等WiMax下行鏈路子訊框中所收到的前置符來決定其座標。此處,一UE單元係從位置UE(x,y)處撥出一通「911」呼叫或類似呼叫給其服務BTS,其中,x與y為該UE單元的座標(未知的)。該UE單元係在至少三個BTS(換言之,以BTS1來表示之服務BTS,與以BTS2與BTS3來表示的兩個相鄰BTS)附近。該些BTS的座標係已知的,於許多情況中,它們係使用習慣上內建在該等BTS中的GPS設備來確定。每一個BTS的位置係以BTS1(x1,y1)、BTS2(x2,y2)、以及BTS3(x3,y3)來表示,其中,x1,y1,x2,y2,以及x3,y3為個別的座標。
如上面所示,每一個BTS會在該下行鏈路訊框中週期性地發射一特定的位元序列。於此實施例中,此已知的週期性位元序列為個別區段的下行鏈路前置符:分別以Preamble1、Preamble2、以及Preamble3來表示。該UE單元會不斷地監視該外來流量,用以辨識該等前置符。因為和BS1、BS2、以及BS3相隔的距離不相同,所以,該UE單元會在不同的時間處從該等三個BT處接收該前置符;我們以TOA1、TOA2、以及TOA3來表示該些抵達時間。
該UE單元會將接收自BTS2與BTS3的前置符Preamble2與Preamble3的抵達時間對齊接收自服務BTS1的前置符Preamble1的抵達時間。在圖2B中,Preamble1與Preamble2的抵達之間的時間差係以T12來表示,Preamble1與Preamble3的抵達之間的時間差係以T13來表示。該些時間差通常會被稱為「定位參數」,且它們原本就包含該UE單元針對該等BTS的相對位置。因為該UE單元的地理位置係完全由兩個未知數(UE座標x與y)來決定,所以此等兩個定位參數便足以決定該等座標x、y。
為決定T12與T13,UE單元會產生Preamble2與Preamble3的位置副本,並且將來自該些副本的資料區塊與來自該服務BTS所接收的Preamble1之中的資料區塊產生關聯。該關聯計算可在時域中或在頻域中實施。接著,該UE單元便會解出下面兩個未知數(x與y)的方程式,以便取得其位置UE(x,y):
其中,ν為光的速度(3x108
m/s)。
一旦決定該UE單元的地理座標(x,y)之後,該位置資料便會根據公認的位置辨識確認範圍而被發射至該PSAP或是其它的相關服務。舉例來說,一911呼叫在北美會被路由發送至緊急服務派遣中心。PSAP會進一步處理此資訊,以便建立和該呼叫者之位置有關的實用細節,舉例來說,其會使用個別地區的地圖或是街道地址等。
該BTS也會以和前置符雷同的方式在參考載波上的下行鏈路訊框中發射前導訊號。不同的子通道化技術在發射頻帶中的前導訊號位置與它們的數量以及它們攜載的資料方面會有不同的前導訊號設計。每一個區段中的前導訊號均會與以蜂胞ID為基礎所建立的偽隨機位元序列相關聯。因為一區段中的每一個前導訊號會攜載相同的預設參考符號,所以一UE單元能夠藉由辨識來自個別前置符的蜂胞ID來確定該區段的前導訊號。和前置符相同,該等前導訊號同樣會利用高功率(比如,比資料訊號高2.5dB)來發射。
因為對接收器來說該等前導訊號載波的強度與相位均為已知的,所以它們會於WiMax系統中被用於時間與頻率同步化、通道預測、訊號與干擾/雜訊比測量、...等。對行動WiMax的10MHz、FFT-1024變化例來說,會在每一個OFDM符號插入120個前導訊號。該等前導訊號的前述特性會在本發明中用來決定一行動裝置的地理座標,如上面針對前置符配合圖2A與2B的討論般。
本發明還提議使用WiMax下行鏈路前導訊號來測量定位參數T12與T13;該等前導訊號同樣通常會被稱為下行鏈路「指定的週期性位元序列」。於此情況中,T12與T13提供的係接收自相鄰基地台BTS2、BTS3的前導訊號的抵達時間及接收自服務基地台BTS1的前導訊號的抵達時間之間的時間差。
應該注意的係,本發明並不受限於使用上述的前置符實施例與前導訊號實施例中其中一者來建立UE單元座標。確切地說,該UE單元可以使用前置符與前導訊號兩種方法。此外,一UE單元亦可使用在其它(現行或新興的)無線網路技術的下行鏈路訊框中被週期性發射的一已知圖樣的任何其它位元序列來決定其位置。
同樣如上面所示,該行動WiMax標準規定該行動裝置配備分隔距離為半個波長的最少兩個天線。在圖3的實施例中,該UE單元會使用WiMax系統(而且可能係其它新興的無線系統)中原本由該等BTS所廣播的下行鏈路指定週期性位元序列(前置符、前導訊號、或兩者)來決定其位置。如同前面的範例,該UE單元會持續地監視接收自相鄰基地台的下行鏈路發射訊號。每一個天線A1、A2會在不同的抵達角度(AOA)處接收來自BTS1、BTS2、以及BTS3的訊號。該UE單元會選擇其在前述兩個天線處所收到之最強的兩個訊號;我們假設這些係接收自位於BTS1(x1,y1)處之服務台BTS1及接收自位於BTS2(x2,y2)處之基地台BTS2的前導訊號與前置符。接著,該UE單元會預測此等兩個訊號的抵達角度AOA1與AOA2,並且藉由解出兩個未知數的線性方程式來決定座標x與y:
和前面相同,該等座標會使用地圖或任何其它類型的已知位置資料來建立詳細的位置資訊。舉例來說,倘若該UE單元配備一GPS的話,那麼該UE單元便可詳述位置(x,y)的詳細情形並且將其自動發射給911作業人員(或是任何其它相關團體)。此等細節可能包含街道地址,其包含救援隊伍的方向,或是和呼叫者之室內位置有關的細節(例如建築物、樓層、…等)。該資訊可能還包含關於該等地理座標的說明(倘若該呼叫者不在居住地區的話),或是相對於任何有關地標的方向以幫助救援人員快速地找出該位置。應該注意的係,本實施例適合用來決定室內呼叫者的位置。
圖4所示的係該UE單元的方塊圖,其大體上顯示出:一存取網路介面41,其會將該UE單元連接至該無線電存取網路;一收發器45,用於資料通訊與處理;以及一使用者介面48,其可讓使用者操作該UE單元。在非常廣泛的用詞中,對下行鏈路的流量方向(BTS至UE)來說,介面41係負責處理在Antenna1及/或Antenna2上接收自該等BTS的下行鏈路訊框。收發器45的接收端會從該下行鏈路子訊框中取出資料並且對其進行處理,而收發器45的發射器端則會在使用者介面48上將該經處理的資料提供給使用者。
圖4顯示出一位置辨識模組40,其包含和本發明一實施例有關的單元。一監視單元42會監視外來流量,偵測該指定的週期性位元序列(前置符或前導訊號)並且辨識發射該位元序列的BTS。一定位參數計算配置43會從接收自該等BTS的位元序列中決定兩個定位參數,它們本質上會傳遞該UE單元針對二或多個BTS的相對定位。舉例來說,且如上面討論般,該等定位參數可能係圖2A中所示之實施例的T12與T13或/及圖3之實施例的抵達角度AOA1與AOA2。該等定位參數接著便會被提供給一座標預測器44。
對TOA實施例(圖2A)來說,該等個別位元序列的副本會被暫時儲存在一記憶體49之中,用以讓該座標預測器單元44將該等序列的副本與接收自該服務BTS的序列產生關聯,以用於決定T12與T13;座標預測器44接著會使用方程式2以時間差T12與T13為基礎來決定該UE單元的座標。另或者,倘若該監視單元提供抵達角度的話,座標預測器44則會使用方程式3來決定該UE單元的座標。
圖4還顯示出一單機型記憶體49,其係一般用途記憶體,用以達到操作該座標預測器的目的。舉例來說,記憶體49可用於暫時儲存該服務基地台的座標與相鄰BTS的座標,用以達到讓該UE單元以該等BTS的已知座標為基礎計算該等UE單元座標的目的。倘若在該UE單元發出個別呼叫之後經由發訊被發射至該UE單元的話,該等BTS的地理位置亦可被暫時儲存在記憶體49之中。另或者,一旦其進入該網路所服務的區域中之後,該記憶體49可能會保有一份存在於個別存取網路中之BTS的清單。可能會有其它的方式來取得該BTS的座標,不過該些方式超出本發明的範疇。本文還提及,記憶體49可被施行在已存在於該UE單元處的任何其它記憶體之中。
圖中提供一位置呼叫處理器47,用以辨識一911呼叫或類似的呼叫;用以將接收自該座標預測器44的座標資訊與該呼叫產生關聯;以及將附有該座標資訊的呼叫發射至有關的團體(舉例來說,PSAP)。如圖4中所示,此資訊可能會在該存取網路介面上當作一正常的外送呼叫被發射,或者可在一分離的直接鏈路上被直接傳輸至該PSAP。亦可採用任何其它合宜的配置來發射附有該座標資訊的呼叫。還應該注意的係,舉例來說,倘若該UE單元配備一GPS單元的話,該處理器47則可視情況於該座標資訊中加入進一步的細節。另或者,可以在該PSAP處編輯詳細的位置資訊;該些細節超出本發明的範疇。
本發明的額外實施例係以網路為基礎的方法,其中,會以該UE單元在上行鏈路子訊框中原本提供給該BTS的資訊為基礎來決定該UE單元的座標。該上行鏈路子訊框12(參見圖1A)係由來自不同使用者的數個上行鏈路叢集15、15’、15”所構成。該上行鏈路子訊框的一部分會被保留給主要用於測距通道14之以競奪為基礎的存取,其可讓該BTS在網路進入期間並且在後面以週期性的方式實施閉路頻率、時間、以及功率調整。測距的主要機制包含該UE單元週期性地在該網路所定義的測距時機中於一隨機選擇的測距時槽上而在一指定的測距通道中發射一隨機選擇的分碼多重存取(CDMA)碼。因此,UE單元會在連接至該網路之後並且在該連接的各個階段期間週期性地發射一測距碼。每一種測距模式會分配到數個碼,舉例來說,初始測距、交遞測距、週期性測距、頻寬要求測距(目前為止,該些測距模式皆定義在WiMax標準中)。一BTS會在每一種測距模式中追蹤每一個UE單元的測距訊號,並且接著會指示該UE調整其發射參數,例如時序(提前或滯後)、功率位準、頻率偏移、...等;或是以命令的方式指示該UE回應(舉例來說,在一已分配的無線電資源中持續地重複發射一BTS已知訊號)。
本發明利用WiMax系統或使用一指定週期性位元序列的任何其它系統的固有測距訊號(例如週期性測距、頻寬要求測距)。再者,根據本發明,為達位置辨識的目的,可能會分配一新的「位置測距」訊號。此新的位置測距訊號可藉由按押該UE單元上的一特殊用途按鈕(舉例來說,E911按鈕)被觸發。總結來說,該等測距訊號通常會被稱為一上行鏈路「預設的週期性位元序列」,而且係在一無線網路中找出一UE單元之位置並且進行追蹤的非常重要資源。
在圖5的實施例中可以看出,三個相鄰基地收發台BTS-A(服務BTS)、BTS-B、以及BTS-C會從該行動UE單元處接收該測距碼並且使用此訊號實施三角函數運算。因為該等BTS係所有GPS同步的,所以,一BTS能夠藉由比較其時脈所提供的測距碼的抵達時間及該UE單元發射該測距碼的時間來預測與該UE單元的相隔距離(但是並非座標)。這係因為一BTS會一直追蹤該等測距碼而可行的。
該等基地台與該UE單元的位置會使用和前面雷同的符號,換言之,BTS-A(x1,y1)、BTS-B(x2,y2)、BTS-C(x3,y3)、以及UE(x,y)。每一個BTS均會預測該測距碼的抵達時間TOA:BTS-A會決定TOA-A,BTS-B會決定TOA-B,而BTS-C則會決定TOA-C。基地台BTS-B與BTS-C會發射該等預測值給服務BTS-A,如虛線箭頭5與6所示;而BTS-A則會實施三角函數運算,其同樣知道該UE單元發射該測距碼的時間。BTS-A會以該三角函數運算的結果建立該UE單元的座標(x,y)。
圖6中顯示出本發明的又一實施例。於此實施例中,BTS 25具有一分散式天線系統:圖6中以20與30來表示兩個接收天線。該些天線的座標(x1,y1)及(x2,y2)係已知的且相對於波長該等天線之間的距離很大,但是相對於該UE單元與該BTS之間的距離則非常小。該BTS會藉由預測送往天線20與30之相同測距碼(其係以該BTS已知的發射時間為基礎來辨識該測距碼)的TOA來建立用以表示圓圈55與60的方程式。接著,該BTS便會計算該等圓圈中其中兩個之間的交點,其會提供該UE單元的座標(x,y),如方程式4所示:
解出方程式4會得到兩個解答;在天線前方的位置會被選為結果。
圖7所示的係本發明的又一實施例,其會利用出現在一WiMax BTS處的多天線系統。於此變化例中,BTS 25會預測天線20處測距碼的抵達角度AOA,並且預測該行動裝置與天線30的距離(範圍)。如上面所示,已知可決定該UE與該BTS之間的距離;不過,此位置參數卻僅可用來建立該UE可能所在的圓圈50。藉由額外決定一第二位置參數(本範例中的AOA),BTS 25便可決定出與該天線之平面70的相隔距離「d」,且接著可決定該UE單元的地理座標(x,y)。此決定方式係以該BTS與天線所知的地理座標為基礎。
一旦該BTS決定出該UE單元的座標之後,該資訊便會自動被附接至「911」呼叫中,俾使該作業人員能夠使用地圖或任何其它類型的已知詳細位置資訊來決定該呼叫者的確實定位,如上面討論。
圖8所示的係根據本發明一實施例的使用者設備的方塊圖。此圖所示的係以處理在上行鏈路子訊框中所收到的測距碼(預設的週期性位元序列)為基礎來找出與該UE單元之位置有關的單元。
如圖4的情況,圖8大體上顯示出該基地收發台的各單元,換言之,圖中顯示出一介接於無線存取網路的介面81,該BTS會在該無線存取網路上與該等UE單元進行通訊;以及一介面88,其介於該BTS與一無線或有線通訊網路之間。一收發器84大體上顯示出該BTS的預期功能,舉例來說:對上行鏈路方向來說,其會從接收自該存取網路的訊框中取出資料;處理該資料;對其進行重定格式並且於該通訊網路上發射至目的地。當然,該BTS亦可達成其它的通訊案例,不過它們超出本發明的範疇。圖8還在無線存取網路(WAN)側上顯示出以Antenna1與Antenna2來表示的兩個接收天線。
於圖8中所示之本發明的實施例中,該BTS包含一位置辨識器模組80,其包含一第一監視單元82與一第二監視單元83。該等監視單元會在分別由Antenna1與Antenna2所收到的外來流量中辨識該指定的週期性位元序列(此處為來自該上行鏈路子訊框的測距碼)。舉例來說,對圖6的實施例來說,由該等監視單元所決定的定位參數為Antenna1上測距碼的抵達時間TOA1以及Antenna2上測距碼的抵達時間TOA2。另或者,在圖7的範例中,該等定位參數為Antenna1上測距碼的抵達角度以及該UE單元與Antenna2的相隔距離。
對圖5的實施例來說,監視單元82會偵測在該BTS處接收自該UE單元的測距碼的TOA,而監視單元83則會辨識由另兩個BTS所測得並且在一下行鏈路訊框中被發射至該BTS的TOA(如圖5中的箭頭5與6所示)。應該瞭解的係,該BTS可能會配備一同時實施兩項測量的監視單元;這係設計喜好的問題。
在圖5的實施例中,會使用一定位參數收發器單元89來接收與確認由該等相鄰BTS所發射的任何定位參數,並且用來將該BTS所測得的定位參數發射至該等相鄰者。另或者,可依照來自作為決定位置之UE單元的BTS需求而在該BTS處接收且發射來自該等相鄰者的定位參數。
該位置辨識器模組80還包括一座標預測器85,其會以接收自該等監視器或收發器89的測量值為基礎來決定該UE單元的座標。舉例來說,倘若以TOA預測值為基礎來決定該等座標的話,如同在圖5的實施例中,那麼該座標預測器85便可實施三角函數運算以取得(x,y)。倘若該等定位參數為圖6之實施例中的範圍或是圖7之實施例中的範圍與抵達角度的話,那麼,該座標預測器便會進行如上面所述之合宜計算。
一旦該UE單元的地理座標被決定之後,該BTS便會藉由如圖所示位置呼叫處理器86來將該些地理座標插入外送的911呼叫(或是類似呼叫)之中;而附有該位置資訊的呼叫接著便會藉由如圖所示位置發射器87而被交換至該目的地,其中緊急服務或PSAP作業人員會據以在該目的地處處理該呼叫。
如上面所示,於本發明的其中一實施例中,該UE單元可以發射一特定訊號給該BTS,其在本文中稱為由BTS來確認作為與位置決定有關的一「位置測距」碼/訊號。圖9中顯示此結果,其中該上行鏈路子訊框提供一第一測距碼90與一位置測距碼92。舉例來說,該位置測距碼可包含該UE單元的一辨識符以及一地理位置要求;此訊號為該等BTS已知的。該位置測距碼的發射可由使用者來啟動或者可在預設的時間間隔處被自動觸發。舉例來說,在一位置測距模式中,該UE單元可能會使用兩個OFDM符號,其中第一OFDM符號含有各144位位元的一位置測距碼,而第二OFDM符號則含有高達144位位元的呼叫者ID及/或要求。
5,6...虛線
10...WiMax訊框
11...下行鏈路(DL)子訊框
12...上行鏈路(UL)子訊框
13...前置符
14...測距通道
15,15',15”...上行鏈路叢集
20,30...接收天線
25...基地收發台(BTS)
40...位置辨識模組
41...存取網路介面
42...監視單元
43...定位參數計算配置
44...座標預測器
45...收發器
46...位置發射器
47...位置呼叫處理器
48...使用者介面
49...記憶體
50,55,60...圓圈
70...平面
80...位置辨識器模組
81...介面
82...第一監視單元
83...第二監視單元
84...收發器
85...座標預測器
86...位置呼叫處理器
87...位置發射器
88...介面
89...定位參數收發器單元
90...第一測距碼
92...位置測距碼
A1,A2,Antenna1,Antenna2...天線
Antenna1,Antenna2...天線
Serving BTS1...服務基地收發台1
BTS2...基地收發台2
BTS3...基地收發台3
Serving BTS-A...服務基地收發台A
BTS-B...基地收發台B
BTS-C...基地收發台C
TOA1,TOA2,TOA3...抵達時間
UE...使用者設備
Rx Antenna1,Rx Antenna2...接收天線
Tx Antenna1,Tx Antenna2...發射天線
前面已經參考下面圖式說明過本發明,其中在該等數個圖式中,相同的元件符號代表對應的部件。
圖1A所示的係行動WiMax系統的一訊框的範例。
圖1B所示的係在使用1024-FFT(快速傅立葉轉換)的10MHz頻帶中的OFDM調變的前置符結構的範例。
圖2A與2B所示的係本發明的一實施例,其中一使用者設備(UE)單元會使用原本存在於WiMax下行鏈路訊框中的前置符或前導音來決定其位置。
圖3所示的係本發明的另一實施例,其中一UE單元會使用原本存在於WiMax系統中的前置符或前導音的抵達角度來決定其位置。
圖4所示的係根據本發明一實施例的使用者設備單元的方塊圖。
圖5所示的係本發明的又一實施例,其中該UE的位置係使用原本存在於該UE單元中的兩個天線而由多個基地台之間的合作來決定。
圖6所示的係本發明的一實施例,其中一基地台會使用該UE所發射的測距碼來決定一UE單元的位置。
圖7所示的係根據本發明又一實施例,一具有多個天線的基地台如何辨識一UE單元的位置。
圖8所示的係根據本發明一實施例的基地台的方塊圖。
圖9所示的係使用上游子訊框中的一額外符號來發射位置要求與UE單元辨識貲訊給該BTS。
40...位置辨識模組
41...存取網路介面
42...監視單元
43...定位參數計算配置
44...座標預測器
45...收發器
46...位置發射器
47...位置呼叫處理器
48...使用者介面
49...記憶體
Antenna1,Antenna2...天線
Claims (32)
- 一種運作一使用者設備(UE)單元以用於決定該UE單元之位置的方法,該UE單元係運作在二個或更多基地收發台(BTS)之覆蓋區域內,該二個或更多BTS中的每一者會在一無線電存取網路中發射一相應的指定週期性位元序列,該方法係包括:在該UE單元處,取得一服務BTS及至少一第一BTS和一第二BTS的地理座標;監視接收自該服務BTS及該第一BTS和該第二BTS的外來流量以用於偵測來自該服務BTS及該第一BTS和該第二BST的相應的指定週期性位元序列,其中該第一BTS和該第二BTS係基於該指定週期性位元序列在該UE處的強度來選擇;使用一第一技術以從接收自該服務BTS及該第一BTS和該第二BTS的該指定週期性位元序列中決定一第一組定位參數,該第一技術係傳遞該UE單元對於該等BTS中二者或更多的相對定位;使用一第二技術以從接收自該服務BTS及該第一BTS和該第二BTS的該指定週期性位元序列中決定一第二組定位參數,該第二技術係傳遞該UE單元針對該等BTS中二者或更多的相對角度定位;以及處理該第一組定位參數和該第二組定位參數以用於建立該UE單元的地理座標。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中決定該第一組定 位參數係包括:分別建立該指定週期性位元序列來自該服務BTS及該第一BTS和該第二BTS之一第一抵達時間(TOA1)、一第二抵達時間(TOA2)、及一第三抵達時間(TOA3);將一第一定位參數決定作為該第一抵達時間與該第二抵達時間之間的一第一時間差(T12);以及將一第二定位參數決定作為該第一抵達時間與該第三抵達時間之間的一第二時間差(T13)。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中決定該第二組定位參數係包括:在該UE單元的一第一天線上將一第一定位參數決定作為該指定週期性位元序列來自一第一BTS的一第一抵達角度(AOA1);以及在該UE單元的一第二天線上將一第二定位參數決定作為該指定週期性位元序列來自一第二BTS的一第二抵達角度(AOA2)。
- 如申請專利範圍第3項之方法,進一步包括:在該UE單元處取得該等BTS的地理座標;以及以該第一抵達角度與該第二抵達角度及該等BTS的地理座標為基礎來建立該UE單元的地理座標。
- 如申請專利範圍第4項之方法,其中該第一BTS與該第二BTS中的一者係以該第一BTS與該第二BTS在該第二天線處的週期性位元序列的強度為基礎而被選擇。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該無線電存取網 路係下面其中一者:WiMax網路、3GPPLTE網路、以及UMB網路。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中使用於該第一技術的該指定週期性位元序列係由每一個該BTS在下行鏈路子訊框中所發射的前置符,並且使用於該第二技術的該指定週期性位元序列係由每一個該BTS在下行鏈路子訊框中所發射的前導音。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其中該指定週期性位元序列係由每一個該BTS在下行鏈路子訊框中所發射的前導音。
- 如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括:將該等地理座標附加至在該UE單元中所產生的一緊急呼叫;以及將該緊急呼叫從該UE單元處路由繞送至一公共安全應答點。
- 一種用於配有一第一天線與一第二天線之一使用者設備(UE)單元的位置辨識模組,其包括:一監視單元,用於監視接收自一個服務基地收發台(BTS)及一第一BTS和一第二BTS的外來流量,並且辨識接收自該等BTS中每一者之一相應的指定週期性位元序列,其中該第一BTS和該第二BTS係基於該指定週期性位元序列在該UE處的強度來選擇;一定位參數計算配置,用於使用一第一技術以從接收自該服務基地收發台(BTS)及至少該第一BTS和該第二BTS 的該指定週期性位元序列中決定一第一組定位參數,該第一技術係傳遞該UE單元對於該等BTS的相對定位,並且使用一第二技術以從接收自該服務基地收發台(BTS)及至少該第一BTS和該第二BTS的該指定週期性位元序列中決定一第二組定位參數,該第二技術係係傳遞該UE單元對於該等BTS中二者或更多的相對角度定位;以及一座標預測器,用以處理該第一組定位參數和該第二組定位參數並且建立該UE單元的地理座標。
- 如申請專利範圍第10項之位置辨識模組,其中該定位參數計算配置包含:用於建立該指定週期性位元序列來自該服務BTS及該第一BTS和該第二BTS之一第一抵達時間、一第二抵達時間及一第三抵達時間(TOA1、TOA2、TOA3)的構件;以及用於決定該第一組定位參數包含作為該第一抵達時間與該第二抵達時間之間的一第一時間差(T12)的一第一定位參數及作為該第一抵達時間與該第三抵達時間之間的一第二時間差(T13)的一第二定位參數之構件。
- 如申請專利範圍第11項之位置辨識模組,其中該座標預測器包括:用於以該第一時間差與該第二時間差及該等BTS的地理座標為基礎來建立該UE單元之座標的構件。
- 如申請專利範圍第10項之位置辨識模組,其中該定位參數計算配置係配置以決定該第二組定位參數包括在該第一天線處接收來自該服務BTS的該指定週期性位元序列 之一第一抵達角度、及在該第二天線處接收來自該第一BTS和該第二BTS中一者的該指定週期性位元序列之一第二抵達角度。
- 如申請專利範圍第10項之位置辨識模組,其進一步包括一位置呼叫處理器,用以將該等地理座標附加至在該UE單元中所產生的一緊急呼叫,並且將該緊急呼叫從該UE單元處路由繞送至一公共安全應答點。
- 如申請專利範圍第14項之位置辨識模組,其進一步包括一GPS單元,用以提供額外詳細的位置資訊給該位置呼叫處理器以用於插入該呼叫之中。
- 一種用於決定運作在一無線電存取網路中的一基地收發台(BTS)之覆蓋區域內的一使用者設備(UE)單元之位置的方法,該UE單元會在一上行通道上所接收的一外來訊號中發射一週期性測距碼,該方法包括:在該BTS處,監視於一第一天線和一第二天線上接收自該UE單元的外來訊號;將該訊號辨識作為一特定呼叫,並且偵測在該訊號中收到的該測距碼;分別測量該測距碼從該第一天線與該二天線處所收到的一第一抵達時間(TOA)與一第二抵達時間(TOA);產生基於該第一TOA的一第一函數,其係代表該UE單元的第一複數個可能位置,及基於該第二TOA的一第二函數,其係代表該UE單元的第二複數個可能位置;使用該第一函數和該第二函數來決定該UE單元的多 個地理座標;將該等地理座標附加至該特定呼叫;以及用該等地理座標將該特定呼叫發射至與該特定呼叫和該等地理座標相關的一服務供應商。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該第一函數代表具有該第一TOA作為一半徑及該第一天線作為一中心的一第一圓圈,並且該第二函數代表具有該第二TOA作為一半徑及該第二天線作為一中心的一第二圓圈。
- 如申請專利範圍第17項之方法,其中該第二組定位參數係進一步基於該UE單元與該第一天線和該第二天線之間的距離。
- 如申請專利範圍第17項之方法,其中該UE單元的該等地理位置係被建立在該第一圓圈和該第二圓圈之間的交點處。
- 如申請專利範圍第17項之方法,進一步包含:使用一技術以從該第一天線和該第二天線處收到的該週期性測距碼中決定一第二組定位參數,該技術係傳遞該UE單元的相對定位;以及更使用該第二組定位參數來決定該UE單元的該等地理位置。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中決定該UE單元的該等地理座標係基於該UE單元相對該BTS的座標。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該無線電存取網路係下面一者:一WiMax網路、一3GPP LTE網路、以 及一UMB網路。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該測距碼係由該UE單元原本發射在上行鏈路子訊框中,以用於至少一個非位置用途。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該週期性測距碼包含為該BTS已知的一測距碼以及一呼叫者辨識符。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該特定呼叫係一911呼叫。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其進一步包括自一相鄰BTS接收一額外定位參數,並且處理該額外定位參數以進一步決定該UE單元之該等地理座標。
- 如申請專利範圍第16項之方法,其中該上行鏈路訊係包含一額外符號,其係提供該UE單元的一辨識符及用於辨識該UE單元之該等地理座標的一要求。
- 一種用於運作在一無線電存取網路中之一基地收發台(BTS)的位置辨識模組,該BTS具有一第一天線與一第二天線,該位置辨識模組包括:一第一監視單元,用於監視在該第一天線上收到的外來流量、並且從接收自一使用者設備(UE)單元的一指定訊號中的一週期性測距碼,該UE單元經定位在該BTS之覆蓋區域中、並且決定一第一定位參數;一第二監視單元,用於監視在該第二天線上收到的該外來流量、並且辨識接收自該UE單元之該指定訊號中的該週期性測距碼、並且決定一第二定位參數; 一座標預測器,用於:分別決定該週期性測距碼從該第一天線與該二天線處所收到的一第一抵達時間(TOA)與一第二抵達時間(TOA),產生分別代表一第一圓圈和一第二圓圈的一第一函數和一第二函數,該第一圓圈具有該第一TOA作為一半徑及該第一天線作為一中心,並且該第二圓圈具有該第二TOA作為一半徑及該第二天線作為一中心,使用該第一函數和該第二函數來決定該UE單元的多個地理座標,且將該等地理座標附加至該指定訊號;以及一收發器,其用於以該等地理座標將該指定訊號發射至與該特定呼叫和該等地理座標相關的一服務供應商。
- 如申請專利範圍第28項之位置辨識模組,其中該無線電存取網路係一WiMax網路。
- 如申請專利範圍第29項之位置辨識模組,其中該週期性測距碼係該UE單元原本發射在上行鏈路子訊框中。
- 如申請專利範圍第28項之位置辨識模組,其中該第二組定位參數係進一步基於在該UE單元與該第一天線和該第二天線之間的距離來決定。
- 如申請專利範圍第28項之位置辨識模組,其中該座標預測器係進一步用於:使用一技術以從該第一天線和該第二天線處收到的該測距碼中決定一第二組定位參數,該技術係傳遞該UE單元 的相對角度定位;以及更使用該第二組定位參數來決定該UE單元的該等地理位置。
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Mobile positioning technologies and location services", Radio and Wireless Conference, 2002,IEEE, Page(s):9-12 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TWI622784B (zh) * | 2016-11-24 | 2018-05-01 | 光寶電子(廣州)有限公司 | 定位系統及其定位方法 |
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