自校准基准终端的制作方法

专利名称：自校准基准终端的制作方法
背景技术：
本发明与无线电通信系统中的系统和方法有关，具体地说，与在这样的系统中使用的基准终端的校准有关。
蜂窝电话产业在商业性经营上无论在美国还是在世界的其它地方都有惊人的发展。在一些主要的大都市区域的发展已远远超过所预期的，系统容量总嫌不足。调查表明，大约有80％的人购买移动通信单元和业务服务是为了提高他们的个人安全。推测起来，其中许多用户期望在紧急情况下，例如在他们的车辆损坏时或者在紧急情况下需要医生和/或警察快速光顾时，使用他们的移动单元会有所帮助。在这些情况下，所希望的是无线电通信系统能够独立地确定移动单元的位置，特别是在用户不知道他的确切位置这种情况下。此外，可以预期FCC将立刻命令网络操作员将紧急呼叫方的位置转给应急业务经营方。
有许多技术可以用来产生移动单元的位置信息。在第一类中，移动单元可以估计它自己的位置，在进行紧急呼叫时发送一个带有它的坐标的消息。这可以通过为移动单元配置一个全球定位系统(GPS)接收机从GPS卫星网接收位置信息来实现。移动单元于是可以将这信息发送给系统，转给应急业务经营方。然而这需要对现有的移动单元进行重大的修改，使它包括GPS接收机，以及在移动单元和基站之间的附加信令。
或者，可以用向移动单元发送信号和从移动单元接收信号的基站来确定移动单元的位置。已经提出各种技术，包括利用移动单元信号到达不同基站时的衰减、到达角和到达时间(TOA)，来提供移动单元的位置信息。例如，利用TOA技术，在共同的测量时刻，几个无线电基站(RBS)测量从一个需定位的移动终端(MT)接收的信号的到达时间。一个中心计算操作将MT的信号的不同到达时间变换成距离，进行运算，确定MT的位置。这种TOA方法的精度主要是由相对共同定时的基准突发脉冲串到达每个RBS的时间的精确度确定。
第三类确定无线电通信系统中的移动单元的位置的策略涉及配备一个附加系统，也就是一个可以完全与无线电通信系统无关的或者可以与无线电通信系统共享各个部件(例如天线)但是独立地处理信号的系统。这例如作为不修改系统中的大量现有基站而提供移动单元位置的临时解决方案可能是有利的。例如，如

图1所示的装备，这些附加搜索单元不与无线电通信系统的基站配置在同一位置。其中，基站1支持在小区2内的无线电通信，具体地说，支持与移动单元3的无线电通信。一个包括附加搜索单元4、5和6的附加系统监视移动单元3的接入。在移动单元3应急接入时，附加单元4、5和6可以根据例如在始发消息中有置位的应急标志或者所拨的号码检测应急接入。这些附加单元于是可以利用移动单元在一个控制信道或话务信道上的传输，向一个定位处理中心7提供信息。定位处理中心然后利用各个附加单元提供的信息，例如以三角法确定移动单元3的位置，将这位置报告给应急服务中心8。附加系统应用的详细情况可参见Stilp等人的美国专利No.5,327,144“蜂窝电话机定位系统”(“Cellular Telephone Location System”)，其中所揭示的在这里列为参考予以引用。
或者，如以上所述的那样，可以将附加系统的一些部分与蜂窝系统配置在一起，共享一些部件。因此，所希望的是设计出这样的附加系统和所用的设备，它们是高效率的、容易安装的，而且只要少许维护，例如是自校准的。
发明概要按照揭示自校准基准终端(RT)的本发明的典型实施例，可以克服传统定位系统的这些及其他一些缺点、限制和问题。这种RT包括一个TOA接收机，可以执行获取与对MT定位关联的信息和校准例如与将RT与几个天线连接所用的各天线电缆关联的内部时间延迟的双重功能。这样，这种RT可以适应这些与例如温度变化关联的内部时间延迟的改变。
除了TOA接收机，按照本发明的典型实施例实现的RTS包括一个控制收发信机和一个绝对时间单元(例如GPS接收机)。在一个与RT关联的控制收发信机向无线电通信系统发送一个上行链路信号突发脉冲串例如将从某个移动台发送的一个突发脉冲串到达RT的到达时间通知系统时，这个上行链路信号突发脉冲串还可以用来进行RT内部校准的时间测量。例如，一部分上行链路信号突发脉冲串的能量可以被(1)一个与RT关联的GPS天线和(2)与RT关联的RBS天线系统获取。于是，在RT内的TOA接收机可以检测通过各相应天线电缆返回传播的这些得到的信号。检测这些信号可以用来进行指出在RT内各天线电缆的延迟的时间测量，而这些延迟可以用来校准RT产生的TOA测量结果。
附图简要说明从以下结合附图所作的详细说明中可以清楚地看到本发明的上述目的、特色和优点及其他特色。在这些附图中图1示出了一个传统的附加定位系统和一个蜂窝无线电通信系统，其中附加搜索单元与蜂窝系统的无线电基站不配置在一起；图2示出了一个包括一个与RBS关联的RT的无线电通信系统，其中TOA接收机配置在RBS内；图3示出了一个按照本发明的一个典型实施例实现的系统，其中TOA接收机是RT的一部分，而RT与RBS的天线系统连接；图4比较详细地示出了图3的RT的方框图；图5示出了与按照本发明实现的典型校准技术关联的第一组时间测量；图6(a)和6(b)是用来进一步示出图5所示的测量情况的定时图；图7示出了与按照本发明实现的典型校准技术关联的第二组时间测量；以及图8为用来进一步说明图7所示测量情况的定时图。
详细说明在以下说明中，为了能对本发明有彻底的了解提出了一些具体细节，诸如特定的电路、电路部件、技术等等，这些都是解释性的，而不是限制性的。然而，熟悉这种技术的人员很清楚，本发明可以实际应用于细节与此不同的其他实施方式。在其他一些情况下，省去了对众所周知的方法、设备和电路的详细说明，以免不必要的细节反而使对本发明的说明模糊不清。
在这里讨论的典型无线电通信系统描述为采用时分多址(TDMA)协议的，基站与移动终端之间的通信是以突发脉冲串方式在一些时隙上进行的。然而，熟悉该技术的人员可以理解，在这里所揭示的构思可用于其他协议，包括但不限于频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)，或者任何上述协议的某种复合。同样，一些典型的实例提供了有关移动通信系统(GSM)的全球系统，然而，这里描述的技术也同样适用于任何无线电通信系统。
图2示出了一个附属定位系统与一个蜂窝无线电通信系统分享一些部件的方法，其中每个RBS与一个绝对时间单元相连。例如，一个与RBS相连的ATu可以实施为一个包括一个全球定位系统(GPS)接收机的修改后的MT。在图2中，系统100包括一与无线子系统104相连的RBS 102。虽然只示出了一个示例性的RBS 102，但当然也可包括许多作为蜂窝通信网络一部分的附加RBS。
系统100也包括一个基准端口(RT)106，RT 106通过例如有线线路连接108与RBS 102连接。连接108可以为RT106提供由RBS 102供应的电源，而且连接108可以按需要在它们之间提供数据通信。
RT 106可以是一个经修改的标准型MT，具有一个校准了的传输延迟。例如，RT 106内固有的内部延迟是预定的，与天线电缆110的延迟特性一起存储在本机内，供校准用。电缆110(具有已知延迟)将RT 106连接到一个作为GSM收发天线部分和GPS接收天线部分复合而成的收发天线上。
除了标准的MT组成部分，RT 106还包括一个绝对时间基准单元(未示出)，例如是一个GPS接收机。因此，RT 106接收高度精确的定时信号和/或绝对位置信息。RT 106内的GPS接收机可以与RT内的锁相环(PLL)同步。因此得出的绝对时间信息由RT 106内的处理器(未示出)用来精确地标记RT通过无线接口发送每个突发脉冲串的时刻。RT将这突发脉冲串定时信息存储在本机存储器内，还将这绝对时间信息(例如，突发脉冲串X在时间T发送)通过连接108或通过无线电通信网的无线接口转发给RBS 102。突发脉冲串定时信息还可以由RBS 102用一个标准的消息传送协议转发给其他网络组成部分。相应的绝对突发脉冲串定时信息可用来校准RBS 102内的TOA接收机114。
图2所示的配置的一个潜在困难是需要重复校准RT 106，以便保证知道与发送和接收通路关联的时间延迟。例如，由于RT 106可取地用商品化的MT的修改型实现，而商品化的MT并不一定是对它们的接收和发送通路中的时间延迟恒定最佳化的，因此RT 106可能在生产、安装和运行期间都需要校准， 以便保证RT 106提供给RBS 102的时间信息的精确性。这样所涉及的一整套校准过程可能是既费时又费钱的。
对于这问题的一种可能的解决方案是用一些可以保证更为恒定的时间延迟的非标准(相对MT来说)电器部件来构建RT，因此较少需要校准。然而，这种解决方案也将增大在附加定位系统中使用的RT的费用。
因此，图3例示了按照本发明的一个典型实施例实现的复合无线电通信/定位系统的一部分。其中，类似的标注数字用来标示与图2中例示的类似的组成部分。此外，图3中与图2中共同的一些组成部分的情况可以参考以上说明的相应部分，不再重复。然而，图3的系统200在一些重要的方面与图2所示的不同。首先，可以看到TOA接收机214是配置在RT 206内，而不是配置在RBS 102内。按照本发明，将TOA接收机设置在RT内特别是使TOA接收机214可以执行得到与MT有关的位置信息和校准在RT内出现的与各个电缆有关的时间延迟这双重功能。由于TOA接收机214配置在RT 206内而不是在RBS 102内，因此RT 206还配置有一个与RBS的天线结构104的连接线路216，例如是一根电缆，使得TOA接收机214可以与那里连接。
图4为比较详细地例示RT 206的方框图。从中可以看到，RT 206包括一个绝对时间单元300(例如为一个GPS接收机)、一个TOA接收机302和一个控制收发信机304。绝对时间单元300通过GPS天线电缆连接到GPS天线上，因此它可以用为熟悉该技术的人员所熟知的方式从GPS系统接收与定时/定位有关的信号。TOA接收机302通过TOA电缆216连接到RBS的天线系统104(例如是一个阵列天线)上。象GPS接收机300那样，TOA接收机302可以用任何已知的接收单元和TOA算法实现。对TOA单元和算法的详细情况感兴趣的可以参看1997年4月22日提出的Raith等人的美国专利申请No.08/839,864“对无线电通信系统中的远程终端的定位的系统和方法”(“Systemsand Methods for Locating Remote Terminals inRadiocommunication Systems”)，其中所揭示的在这里列为参考予以引用。
控制收发信机304用作RT 206与无线电通信系统的接口。例如，控制收发信机304与无线电通信系统通信，传送有关用来对MT(例如MT 306)定位的各个接收信号的TOA的信息。控制收发信机304可以用一个如MT306中那样的标准收发信机实现。TOA接收机302用单元300提供的绝对时间基准确定来自MT 306的一个或多个突发脉冲串的到达时间。然后，在无线电通信系统这样命令时，控制收发信机304从TOA接收机302(通过在单元302和304之间的控制接口)接收这TOA信息，通过将一个突发脉冲串发送到控制终端天线电缆和GSM天线上转发给无线电通信系统。按照本发明的典型实施例，控制收发信机304为了对MT定位发送的突发脉冲串还可以用来校准在RT206内的时间延迟。图4、5和7中示有开关S1和S2，示意性地表明对不同信号进行测量，然而熟悉该技术的人员可以理解，这些信号可以通过使它们的时间和/或频率特性有所区别而予以隔离和识别，因此不需要用物理开关来执行如下所述的测量。
在控制收发信机304发送一个上行链路信号的突发脉冲串时，这个突发脉冲串可用来执行校准例如图4中所示的所有三根天线电缆的时间延迟。例如考虑图5所例示的测量。其中，例示了两个时间测量，可用来校准与GPS天线电缆和控制收发信机控制收发信机的天线电缆关联的延迟。首先，在控制收发信机304发送这个上行链路信号突发脉冲串时，开关S1闭合，从而这个突发脉冲串基本上立即被TOA接收机302检测到，记录为Time0，如图5上面部分所示意的那样。
在这个突发脉冲串通过控制收发信机的天线电缆传播由天线发射入无线接口时，一部分辐射信号能量将由GPS天线得到。于是，这部分辐射信号能量在开关S2闭合时将通过GPS天线电缆返回传播，到达TOA接收机302。因此，在随后接收到控制收发信机304发送的一部分上行链路信号突发脉冲串时，TOA接收机302将记录第二个时间Time1。这就使控制收发信机304或在RT 206内的其它处理器可以计算出与GPS和控制收发信机天线电缆关联的时间延迟TcableTcable＝(Time1－Time0)/2
其中假设了GPS天线电缆的长度等于控制收发信机的天线电缆的长度。
这个测量情况还可以用如图6(a)所示的示意性的定时图来说明。其中，上面的时间轴示出了上行链路信号突发脉冲串在由控制收发信机304发送时的定时。下面的时间轴示出了首先由TOA接收机302接收突发脉冲串和随后接收在通过控制和GPS电缆传播后的突发脉冲串的情况。
虽然图6(a)中示出的定时图假设了在TOA接收机302内没有延迟(即控制收发信机304发送上行链路突发脉冲串与TOA接收机接收到这个突发脉冲串基本上同时发生)，但是有可能在TOA接收机内一些对时间灵敏的器件多少有些改变。如果是这样的话，TOA接收机可以有它本身的延迟，如图6(b)这个定时图所示。其中，时间Rdel表示与TOA接收机关联的延迟，即发送上行链路突发脉冲串的时间到TOA接收机接收到这个突发脉冲串的时间之间的时间。如同按照本发明的典型实施例测量的所有其他延迟一样，这个延迟还可以用于校准RT 206。
可以进行类似的时间测量，确定与链接TOA接收机302和RBS天线系统104的天线电缆关联的时间延迟，如图7所示。其中，如在以上的例子那样，控制收发信机304发送的一个突发脉冲串在它通过控制收发信机的天线电缆传播时在Time2被TOA接收机302检测到。然后，在通过无线接口发送后，这个上行链路信号突发脉冲串被RBS的天线系统104获取，在通过它本身的天线电缆后在Time3被TOA接收机302再次检测到。于是，可以计算出与连接TOA接收机和RBS天线系统104所用的天线电缆关联的延迟为接收机电缆延迟＝Time3－Time2－Tcable图8为例示测量TOA接收机电缆延迟的情况的定时图。如同图6(a)和6(b)，图8上面部分例示了控制收发信机304发送一个上行链路信号突发脉冲串的定时。图8的下面部分例示了TOA接收机302首先接收初始发送的上行链路信号突发脉冲串随后再接收由RBS天线系统104获取和返回到TOA接收机的部分信号能量的接收定时。
根据一个或多个上行链路信号突发脉冲串测量了这些延迟，RT206就可以利用这信息校准所检测的与一个需定位的特定MT关联的TOA信息校准的TOA＝检测的到达时间＋GPS电缆延迟－接收机电缆延迟－TOA接收机延迟熟悉该技术的人员现在可以看到，将TOA接收机302设置在RT206内用它执行校准和位置测量的一系列优点。例如RT 206每当它发送上行链路突发脉冲串时现在可以独立地校准它的内部延迟。当然，不需要根据所有发送的突发脉冲串都进行校准，而可以根据其中的一些进行校准。
此外，本发明的典型实施例消除了在安装期间校准RT的要求，因为这些RT一运行就可以立即自我校准。按照本发明设计的RT还可以用现有的控制收发信机实现，因为前面说明的校准技术允许在这样的设备中可能发生的时间延迟变化。此外，这些校准技术提供了提高精度的更新校准，而且能补偿迅速变化的参数，例如温度补偿，而不需要通过无线接口传送额外的信号。
以上说明的本发明的典型实施例在各方面都是说明性的而不是限制性的。因此，熟悉该技术领域的人员可以根据在这里的说明得出许多能够实现本发明的具体方式。所有这些都应在以下权利要求书所明确的本发明的专利保护范围之内。
权利要求
1.一种校准一个在一个无线电通信系统内对移动终端进行定位中使用的基准终端的方法，所述方法包括下列步骤从所述基准终端在一个第一时间发送一个与对所述移动终端定位关联的信号突发脉冲串；在所述基准终端在一个第二时间接收与对所述移动终端定位关联的所述信号突发脉冲串的一部分；以及根据所述第一和第二时间校准在所述基准终端内的至少一个时间延迟。
2.权利要求1的方法，其中所述接收步骤还包括下列步骤利用一个到达时间(TOA)接收机接收所述信号突发脉冲串的所述部分，所述接收机也用来接收来自所述移动台的信号突发脉冲串。
3.权利要求2的方法，其中所述接收步骤还包括下列步骤由所述TOA接收机接收通过一个GPS天线电缆的所述信号突发脉冲串的所述部分，而所述至少一个延迟是一个与所述GPS天线电缆关联的延迟。
4.权利要求2的方法，其中所述接收步骤还包括下列步骤由所述TOA接收机接收通过一个TOA天线电缆的所述信号突发脉冲串的所述部分，而所述至少一个延迟是一个与所述TOA天线电缆关联的延迟。
5.权利要求2的方法，其中所述校准步骤还包括将一个与所述TOA接收机关联的延迟校准为所述至少一个时间延迟。
6.一种校准一个在一个无线电通信系统内使用的基准终端的方法，所述方法包括下列步骤在所述基准终端测量一个与至少一个第一电缆关联的第一延迟；在所述基准终端测量一个与至少一个第二电缆关联的第二延迟；以及利用所测量的所述第一和第二延迟校准所述基准终端。
7.权利要求6的方法，其中所述至少一个第一电缆包括一个全球定位系统(GPS)天线电缆和一个无线电通信系统天线电缆。
8.权利要求6的方法，其中所述至少一个第二电缆包括一个到达时间(TOA)天线电缆。
9.权利要求7的方法，其中所述第一测量步骤还包括下列步骤从所述基准终端利用所述无线电通信系统天线电缆发送一个信号；在所述基准终端内检测一个发送所述信号的第一时间；在所述基准终端使所述信号的一部分通过所述GPS天线电缆传播；在所述基准终端内检测一个接收所述信号的所述部分的第二时间；以及根据所述第二时间与所述第一时间之差确定所述第一延迟。
10.权利要求9的方法，其中所述检测步骤由一个TOA接收机执行。
11.权利要求8的方法，其中所述第二测量步骤还包括下列步骤从所述基准终端利用所述无线电通信系统天线电缆发送一个信号；在所述基准终端内检测一个发送所述信号的第三时间；在所述基准终端接收通过所述TOA天线电缆的所述信号的一部分；在所述基准终端内检测一个接收所述信号的所述部分的第四时间；以及根据所述第四时间与所述第三时间之差确定所述第二延迟。
12.权利要求11的方法，其中所述检测步骤由一个到达时间(TOA)接收机执行。
13.一种在一个无线电通信系统内使用的终端设备，所述终端设备包括一个通过一个第一电缆与一个第一天线连接的时间基准单元；一个通过一个第二电缆与一个第二天线连接的到达时间(TOA)接收机；一个通过一个第三电缆与一个第三天线连接的收发信机；以及利用所述TOA接收机校准一个与所述第二电缆关联的时间延迟的装置。
14.权利要求13的终端设备，其中所述收发信机在一个第一时间发送一个通过所述第三电缆的上行链路信号突发脉冲串；以及所述利用所述TOA接收机校准与所述第二电缆关联的时间延迟的装置用来在一个第二时间接收通过所述第二电缆的所述上行链路信号突发脉冲串的一部分。
15.权利要求13的终端设备，其中所述利用所述TOA接收机校准时间延迟的装置还校准与所述TOA接收机本身关联的延迟。
16.权利要求13的终端设备，其中所述利用所述TOA接收机的装置还包括校准一个与所述第一电缆关联的时间延迟的装置。
全文摘要
本发明揭示了一种在对无线电通信系统内的移动终端进行定位中使用的基准终端。这种基准终端包括一个用来提供与对所述移动终端定位关联的信息的到达时间(TOA)接收机。TOA接收机还通过测量与每个时间灵敏器件关联的时间延迟执行校准在基准终端内的时间延迟的功能。例如,在基准终端发送一个例如报告与某个移动终端关联的TOA信息的上行链路信号突发脉冲串时,可以获取这信号能量的一部分,通过在基准终端内的天线电缆传播。TOA接收机可用来确定与通过各个通路的回波能量关联的时间延迟,这些延迟可用来校准由基准终端产生的定位信息。
文档编号G01S19/00GK1335939SQ9981629
公开日2002年2月13日 申请日期1999年12月14日 优先权日1998年12月21日
发明者D·A·林德奎斯特 申请人:艾利森电话股份有限公司