无线移动单元定位系统的制作方法

专利名称：无线移动单元定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在无线通信网络中定位无线移动单元、以及计算可用于定位无线移动单元的各种网络参数的方法和装置。

背景技术：
现有蜂窝定位系统能够根据测量类型来分类，该蜂窝定位系统利用测量类型来确定手机位置。
●小区ID(CID) ●信号强度 ●到达角度(AOA) ●到达时间(TOA)或到达时差(TDOA) 其中，基于到达时间的系统可提供更高的精度。这种系统包括诸如A-GPS、U-TDOA和E-OTD。然而所有基于到达时间的系统的缺陷是蜂窝网络中某些地理上分散的单元必须同步或伪同步。
例如对E-OTD而言，基站需要同步以根据手机所报告的OTD获得位置信息。(实际上，在E-OTD中，在维护偏移表的情况下基站是伪同步的，而实际上没有使它们的时钟以同步来对准)。另一方面，在U-TDOA系统中，正是定位管理单元负责测量需要同步的手机所发送的信号，且这通常是通过使用GPS时间传送方法来实现的。
为提供该同步所采取的措施在于系统复杂性是可论证的关键决定因素或许系统成本更为重要。利用E-OTD来说明，系统的关键组件是(1)最少量的手机软件模块(2)服务移动定位中心(SMLC)，用于进行伪同步和定位计算以及(3)定位管理单元(LMU)，将其部署在网络覆盖区中以测量BTS之间的相对时间偏移。在E-OTD的情况下，部署LMU的这一需求多半已成为该技术获得商业成功的最大障碍。
面对对LBS的不可预测需求以及由此不愿花高成本部署E-OTD，运营商们倾向于寻求使用CID或信号强度方法的低成本系统。可是在这种情况下，这些系统的性能已成为明显的限制，以致不能部署某些业务并且可提供的这些业务的用途受到限制。


发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种确定通信网络中第一网元和第二网元的相应时钟之间的实时差(RTD)的方法，该方法包括 测量至少一个参数，该参数由第一移动单元从第一网元到第二网元的第一切换产生，以提供第一测量集； 测量至少一个参数，该参数由第一网元与第二网元之间的至少另一移动单元的切换产生，以提供另一测量集；以及 处理所述第一和另一测量集，以提供公共RTD的估计值。
优选地，所述第一移动单元和另一移动单元处于通信网络中的不同位置。
优选地，所述至少一个参数是观测时差(OTD)和/或定时提前量(TA)。
优选地，所述第一网元和所述第二网元是基站发射台(BTS)。
优选地，采用平均法来处理所述第一和另一测量集。
任选地，所述平均步骤包括根据下列公式对所述第一和另一测量集进行滤波 其中，RTD′ij是通过取在先n个公共RTD测量值RTDij(k)的数值平均获得的公共RTD的估计值，且其中 i＝第i个扇区，j＝第j个扇区。
任选地，所述平均步骤包括根据下列递归公式对所述第一和另一测量集进行滤波 优选地，分析由发生在共同站点的扇区之间的切换所产生的至少一个参数的测量值以确定共同站点的扇区是否从公共源获得它们的定时。
优选地，处理发生在共同站点的扇区之间的切换所获得的测量值，以提供公共RTD，已经确定该共同站点的扇区从公共源获得它们的定时。
优选地，所述平均步骤使用具有时间常数的滤波器来执行。
优选地，所述滤波器的时间常数通过第一或第二网元的时钟漂移速率来确定。
优选地，所述滤波器是Kalman滤波器。
根据本发明的第二方面，提供了一种平均针对有时钟漂移的通信网络时钟控制单元所得的多个RTD测量值的方法，该方法包括 平均给定时段中多个RTD测量值。
优选地，所述给定时段由时钟控制单元的时钟漂移速率和/或线性度来确定。
优选地，使用具有时间常数的滤波器来平均多个RTD测量值。
优选地，所述滤波器的时间常数与时钟漂移速率和/或线性度成比例。
更为优选地，所述时间常数与除以网络中所述时钟控制单元和第二时钟控制单元之间的时钟漂移差的最大可容忍同步误差成比例。
优选地，面向给定时段开始时获得的RTD测量值比面向给定时段结束时获得的RTD测量值具有越来越少的给定权重。
优选地，所述滤波器为指数滤波器，其按下列公式工作 其中RTD′ij(k)是时间k在BTSi和BTSj之间RTD的滤波估计值， RTDij(k)是时间k在BTSi和BTSj之间计算的RTD，且α为滤波器参数，其确定滤波器的时间常数。
优选地，所述求平均是通过Kalman滤波器执行的。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算无线通信网络中第一网元和第二网元相应的时钟之间实时差(RTD)的方法，该方法包括 估计网络中移动单元的位置，以提供估计的移动单元位置； 计算所述第一网元和所估计的移动单元位置之间的距离(d1)； 计算所述第二网元和所估计的移动单元位置之间的距离(d2)； 测量所述第一和第二网元相应的时钟之间的观测时差(OTD1，2)；以及 根据下列公式计算RTD RTD1，2＝OTD1，2-d1+d2 优选地，所述估计移动单元位置的步骤使用Cell ID来执行。
优选地，所述估计移动单元位置的步骤使用全球定位系统(GPS)来执行。
优选地，所述网元是基站发射台(BTS)，而所述移动单元是移动电话手机。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算无线通信网络中第一网元和第二网元相应的时钟之间实时差(RTD)的方法，该方法包括 使用网络所发现的RTD当前值，估计从所述第一网元切换到所述第二网元的移动单元的位置； 使用所估计的移动单元的位置估计随后的RTD； 根据本发明的第五方面处理随后的RTD，并且使用处理后的随后的RTD再来估计移动单元的位置；以及 重复所述过程，直至所需的循环次数。
可选地，使用从定时提前量加NMR值获得的移动单元的估计位置而不是用网络所拥有的当前RTD来计算所使用的初始RTD值。
根据本发明的第六方面，提供了一种用于确定移动无线通信网络中移动单元的位置的方法，该方法包括结合两个或多个到达时间(TA)和网络所拥有的当前RTD使用观测时差(OTD)，以获得描述位置的双曲线轨迹的几何时差(GTD)。
根据本发明的第七方面，提供了一种估计无线通信网络中两个网元之间的移动单元位置的方法，该方法包括 测量移动单元处的信号强度以提供第一测量值； 获得移动单元处的定时提前量测量值，以提供第二测量值； 在移动单元处测量两个网元之间的观测时差(OTD)，以提供第三测量值；以及 组合并处理三个测量值以获得移动单元的位置估计值。
优选地，在移动单元从两个网元中的第一个切换到第二个时获得OTD。
优选地，所述网元是BTS。
相应地，本发明提供了一种方法，用于为蜂窝网络中基于时间的定位系统提供伪同步，而无需承担部署LMU的高成本。所获得的同步精确到足以支持基于时间的定位方法。这意味着以CID型系统的极低成本和复杂度可获得E-OTD型系统的高精度。
在无线通信网络中计算各种参数，其在计算一些其他参数或量中是有用的。例如，观测时差(OTD)(其为当移动单元在两个基站之间切换时，移动单元所测得的两个基站的时钟之间的时间差的测量值)的参数在计算实时差时十分有用，该实时差为两个时钟之间的实际时间偏移量。因此，这些可被用于计算网络中移动单元的位置。本申请中描述的发明提供计算或获得这些参数的改进方法，其可被用于移动定位，但也可用于其他应用，例如位置敏感的或需要在更精确时间传送给移动单元从而需要更精确的全网域时钟基准的应用。因此，尽管本申请的重点是移动单元定位，但对该应用不进行如此的限制。



图1示出了在两个基站(BTS)之间的移动站(MS)切换以提供本发明中使用的测量值； 图2示出了用于确定在基于切换的RTD网络中典型切换数量的模型； 图3示出了在一个模拟间隔内、图2环境中BTS之间的连接性； 图4示出了图2网络中站点对(pairs of sites)之间的连接性； 图5示出了在估计移动单元的位置中使用几何时差(GTD)；以及 图6示出了在使用OTD时对位置误差累积分布的改进。

具体实施例方式 为提供具体例子，当前的讨论将使用GSM系统，但同样适用于GPRS和UMTS。目的是要确定(无需部署昂贵的LMU)一对时钟控制的网元如BTS之间的相对时差。通常将BTS之间的时差称为实时差(RTD)。这些时差通常随时间缓慢变化，因此这是不断进行的过程，必须在适当的间隔更新估计。
在下面的描述中，将描述一些实现同步的方式。网络的区别在于手机的功能以及运营商进行改进的偏好。这里提供的多种方式使运营商能选择对手机和网络及其成本的影响最小的技术。
使用OTD和TA的基于切换的同步 该方法的基础是切换过程，以便在维持通话的同时，具有对一个BTS有效连接的手机切换到另一个邻近的BTS。这是所有移动蜂窝网络的特征。在GSM中，切换过程以手机发送切换完成消息给新BTS而告终。除包含其他信息之外，该消息还可包括位于初始和新的BTS之间的手机处的观测时差(OTD)。手机和网络中都容易用到的另外两条信息使切换OTD能用于获得BTS之间相应的RTD。这些分别是与每个BTS相关的定时提前量(TA)测量值。
在手机连接到该BTS的同时，以定时提前量(TA)粗略表示的、初始BTS和手机之间的距离将被测量出来。类似地，作为与新的BTS的连接建立的一部分，第二TA将被测量，从而提供手机和新的BTS之间的距离的粗略表示。图1说明了这种情形。
现在可从这三个观测值估计初始和新的BTS之间的RTD RTDij＝OTDij-TAi+TAj (1) 其中 OTDij＝ti-tj(2) 并且ti是手机所测量的来自BTSi的信号的到达时间，且TAi是手机从BTSi接收的定时提前量值。目前标准GSM网络中使用该计算方法，可是，没有将该信息用于同步以支持移动定位。其原因是用于获得RTD估计值的OTD和TA测量值是非常不精确的。切换OTD是由手机测量的，而后在报告之前被舍入(round)到最近的半比特(按定位术语，到最近的550m的倍数)。对于目前的目的更值得注意的是，两个TA被舍入到最近的比特(1100m)。此外，因为随后的粗量化，所以该技术用作实际定时测量方法时通常不精确，以致在有多径效应存在的特殊情况下产生大的误差(考虑到手机的移动性，事实上给定的精度为+/-3/4比特)。结果是噪声测量值，之后进行量化该噪声测量值，这增加了大的额外量化噪声。
因此，用这些测量值来确定BTS之间的RTD将形成具有千米量级或更坏的误差的估计值。对基于定时的定位系统而言，这种RTD精度的级别没有多少用处，因为如果直接使用，所得到的位置估计精度与更便宜且更简单的CID型系统类似。因此认为将这些测量值用于定位是不适合的。
下面将描述一种改进方法，用于使用上述OTD和TA测量值获得BTS之间的定时差。从实际的切换过程开始，当切换结束时，OTD值已由手机测量出来并报告给网络。此外，最初由第一BTS、且之后由最后的BTS测量出TA值。
尽管由相应的BTS得到的这些测量值已被传送到手机。关于怎样传送该信息给定位服务器存在实现选择。有多种选择，包括通过一个或多个包括SMS和GPRS的可用装置将OTD和TA从手机发送到服务器。
另一选择是对于网络收集数据、计算RTD并将其提供给服务器(网络已经以粗略方式计算RTD)。在将感兴趣的信息传送到定位服务器的其他替换中，手机能使用三种测量值来计算RTD之后将其传送到服务器，或者网络能传送OTD和TA给服务器，而不只是处理后的RTD。这比前面的做法更可取，因为服务器使用个体获得的测量值，所获得的效果比仅使用简单处理后的结果更好。
通过平均根据不同移动终端的多个切换测量集来提高精度 本发明的第一方面是基于这样的事实，即，在给定网络中，假定特定的手机从BTS A切换到BTS B，有可能在相同或相近时间，几个其他手机也以相同方式切换。
根据所述第一方面，将所有这些切换产生的测量值一起组合起来并估计BTS A和BTS B之间的公共RTD，可获得更精确的真实RTD估计值。
此处有两个因素使得精度改进。首先，平均所致的单纯增益。尽管起初看起来增益小，这是因为量化较粗，事实上基于本申请发明人的下列实现，情况将有所好转，即因为给出TA的单个测量值中的测量噪声的级别相对较高。如之前所述，对定时测量的精度要求仅为3/4比特。此外，陆地移动传播中噪声、干扰和时间扩展效应的综合作用意味着基本时间测量值的误差分布呈现大的尾巴。结果是尽管粗量化元(bin)，但测量值仍落在最近的元之外，从而提供有关基本距离的更多信息。给定两倍以上的精度，同样应用于OTD测量，只是效果更好。
通过平均来改进RTD估计值能够通过不同的滤波技术来实现。例如，这样一种技术是 其中

是通过取之前n个RTD测量值RTDij(k)的数值平均获得的RTD估计值。
另一技术为同一公式的递归等价形式，即将在前估计值与最新测量值结合起来，使RTD估计值不断得以改进。
产生改进的第二因素仍然是由于在某时间段聚集的基于切换的OTD和TA测量值与不同物理位置的手机相关(尽管通常全部位于两个小区之间的抽象过渡区中)。这里的优点是TA测量值中量化误差是手机和切换时所涉及的两个BTS之间实际距离的函数。因此，将来自不同点的几个观测值结合起来，每个的量化误差将不同并在一定程度上取消。这同样也应用于每个手机所报告的OTD测量值，因为实际的OTD将取决于到BTS的相对距离以及该值与1/2比特量化边界的关系。
图2示出了一种简单模型，用于研究典型网络中可用于平均的切换测量的数量。假定网络处于郊区环境，并且小区半径为4km。每个站点被配备有三个扇区。将用户随机置于网络的各个小区中，并随机分配从静止到步行速度直至60kmh的典型郊区机动车的速度距离的速度。图中示出了在模拟期中每个用户的移动。(对于该模拟，假定每个用户在该期间以恒定速度移动)。每个小区中用户的数量是基于每个扇区3 GSM TRX和70％的利用率的假设。应用环绕技术以避免因所使用模型的相对小规模而产生的边界效应。在切换只发生在当用户越过当前服务小区的覆盖边界进入相邻小区时的情况下，将该模型理想化。这低估了切换的数量，因为实际网络中的衰落和干扰使切换的数量增大。所产生的RTD网络的连接性也受该假设的限制，因为手机总是在相邻小区之间切换，而实际网络中移动电波的无常意味着不总是这种情况。无论如何，如下所示，该模拟说明典型网络中有多个测量值可利用，从而通过平均使得改进。
采用平均的另一因素是通常假设原始往返时间测量值中的误差比舍入误差小，因此由舍入到最近的比特引起的误差占主要因素，使得从TA的多个观测值中得到的可用信息很少。然而，在实际网络中，特别在高度分散的环境中，当进行对TA和OTD产生贡献的延时估计时因多径效应和非视距所产生的延时估计误差可能极大干扰舍入的TA，使得在累计和平均多个TA观测值中有益。实际中误差的广泛分布意味着多个舍入的TA观测值在推导更精确的基本真实距离估计时有用。当应用适当的误差分布模型时，尤其就是这种情况。
在最长可能的时间间隔通过平均来提高同步精度 在上面的讨论中，在能够针对处理累计切换测量值的一定时间间隔做出基准。该间隔的长度自然是决定可实现的改进程度的关键因素，更长的时间间隔包含更大的测量值数量。理想情况是期望间隔尽可能长，可是实际上，受有效间隔的影响。对间隔的限制是因为BTS时钟不同步，因为任何BTS对之间的RTD将随时间变化或漂移。基于BTS的频率精确性要求是0.005ppm、在遵循GSM网络的标准中对于RTD的最大漂移速率是30m/s。为了产生RTD给定目标精度，由此可计算能够结合测量值的最大时间间隔。若目标为200m，则忽略量化和其他误差，漂移的单独影响意味着能够使用不长于200/30＝6.67秒的间隔。然而，在实际中，漂移速率可能比30m/s的界限低。例如，假定相对漂移速率为5m/s，200/5＝40秒的时间间隔是可能的。
利用BTS时钟漂移的优点 在此，另一革新是使用滤波器执行组合。这取代了为了单一计算定量测量值。在报告单个测量值时，将它们应用于滤波器，且滤波器不仅进行平均，而且估计漂移速率，其确定滤波器的时间常数，或换言之，有效平均时间间隔，因此在限制因漂移所致误差的同时，实现最大的平均增益。
如果网络中的时钟完全稳定，即每个BTS的时钟相互间不漂移，则使用例如先前提到的递归公式(4)可无限地平均RTD观测值，以连续改进估计值。理论上该过程会无限地改进。
然而，实际上，如上述，BTS时钟相对于彼此而漂移。在GSM中，BTS时钟的最大可允许绝对漂移速率被指定为0.05ppm，相应于漂移速率15m/s。该时钟很少接近这个极限来工作。可通过下面的例子看漂移的影响。假定两个BTS之间的相对漂移速率为恒定值5m/s。如果将一分钟间隔内所获得测量值进行平均，则从间隔开始到结束，被估计的RTD将变化300m。使用简单平均的结果为150m的误差。同样，如果当收集到更多测量值时再将该估计用于下一分钟，则到那个间隔结束时估计出现的误差为450m。若漂移已知，则在平均过程期间可对此进行补偿，以改进估计值，同时随时间对其进行补偿，以便估计精度不随时间下降。注意到只有OTD受漂移的影响。TA测量值不受漂移的影响，因为这些基本上是在BTS和移动终端之间的距离测量值。
更清楚地讲，给定的BTS时钟对之间的相对漂移是误差的源。该漂移限制了用来平均RTD测量值的时间间隔。提出了一些对此的解决方案 i)使用简单平均，但限制进行平均的时间间隔。可是这将导致较低的精度。
ii)使用滤波器，其老化数据，从而所平均的数据越过时，它在平均过程中给定的权重就越小。漂移的作用是使测量值降级。由于漂移，使得测量值越过时，它就越不精确。实现示例为指数滤波器。
α越大，平均越小。若α＝1，则估计值为最新的测量值。
iii)使用Kalman滤波器。以若干方式能够使用该滤波器。可设置它来使用RTD观测值以估计RTD和RTD的变化率，从而解决因漂移所致的误差问题。或者，可用它来估计RTD，但滤波器有一方面使它能老化数据。本质上，该滤波器通过两个参数适应数据质量原始测量值的质量以及基本过程的质量，在该情况下，BTS时钟的稳定。
上述讨论的漂移的限制作用导致另一种精度改进方法。由于OTD量化为真实RTD、相对传播距离和量化边界的函数，已讨论了漂移在实际改变所测量OTD相对于量化边界的位置方面是有用的。因此，按类似的方式，具有从不同地理位置报告的OTD、从相似位置但在不同时刻测量的OTD的好处是使滤波器考虑OTD的时变特性以更精确地测量基本的RTD。
使用OTD和所估计手机位置进行基于切换的同步 现在将描述获得BTS之间RTD的另一方法。
基础仍然是在切换期间移动终端将OTD报告给网络。在该情况下，不是使用最初和最终BTS所测得的TA以使对OTD的时钟偏移贡献免受位置分量的影响，而是使用手机的估计位置。如下估计RTD RTDij＝OTDij-di+dj(6) 其中，di＝||bi-ms||是基于所估计的手机位置在移动终端和基站之间估计的距离。
有多种方式估计手机的位置，包括 ●简单的小区ID型位置估计。例如，这在市区中是十分有用的，其中小区的大小相对小，因此从小区ID位置估计获得的移动终端和BTS之间距离的误差就可能比相关TA的误差小得多，尤其当移动终端由微小区或皮小区提供服务时。
●更复杂的位置计算如TA+NMR方法，获得的距离比基本的CID估计具有更大的精度。
●装有GPS或A-GPS的终端。当前网络中的手机种类越来越多，从最初的、最少功能到新的包含诸如GPS接收机等器件的高端型号。很可能提供LBS的运营商要为多种客户提供服务。某些客户，尤其是那些签定高精度业务的客户，可能持有具备GPS功能的手机。另一方面，无庸置疑地有考虑更多成本的客户，使用基本手机型号。本方面使这样的运营商能利用高端手机为其他客户提供更好的服务。在切换期间，将含最新的GPS装置的手机所测量的OTD提供给定位服务器，从而实现更精确的RTD估计。
迭代方法 可实行另一方法来实现BTS之间的同步水平的改进。在该情况下，将切换测量值与来自手机的任何额外的有助于定位计算的可用信息一起使用。使用服务器所保持的当前RTD初始估计手机位置。将所估计的位置用于估计RTD。对RTD进行滤波，并将来自滤波器的更新RTD再次用于估计手机位置。再次重复该过程，可是返回变小。启动时，而不使用系统保持的RTD作为位置解决方案的一部分，而是使用TA+NMR来计算它。通常只进行一次更新循环，就能提供更精确的RTD测量值，以合并到整个同步模型中。
描述该过程的方程如下


RTDij(m)＝OTDij-di(m)+dj(m) RTD′(m)＝g(RTDij(m)，RTDij) 其中 m为迭代次数，从m＝1开始 RTD′ij(m)是在BTSi和BTSj之间RTD的当前最佳估计值。


为合并OTD之前的RTD估计值。(如果没有RTD的先前估计，则不能计算GTD，且移动位置估计就不能包含GTD约束)

是手机位置估计值。
f()是基于可用信息确定位置最佳估计的函数。
g()是RTD平均滤波器，其基于当前RTD观测值以及用矢量(RTD)表示的所有在前的RTD测量值产生RTD的最佳估计。
可从m＝1开始将该方程序列重复迭代多次。大多数改进是从初始迭代中得来的。
不依赖于切换过程使用手机报告的OTD进行同步 在本节中描述另一方法，其不依赖于切换过程。该方法的优点是可根据需要获得测量值，而不只是当发生切换时。RTD测量的基础是手机所测量并报告的OTD。这可能是例如装备E-OTD的GSM手机或报告SFN类型1或2偏移的3G UMTS手机。
传统上，在E-OTD和OTDOA中，使用OTD来确定手机位置，而不是RTD。事实上，在这2个系统中，将称为LMU的额外网络设备的单元部署在网络中经精确勘测位置的多个点，以测量OTD，并得到RTD。如前所述，这些LMU的部署和维护是一个极大的负担，使得大部分运营商不愿意承担。本发明另一方面所获得的优点是将所有这种手机当作LMU利用，例如基于CID类型的方法使用另一尽管精度较低的位置估计以获得低精度的RTD估计，但之后将这些测量值结合，从而将RTD误差降低到有用的水平。应注意到在GSM中，网络中只有一部分手机可能具备E-OTD功能，所以，求平均可用的测量值数量就可能比例如在UMTS中的少，其中，所有手机报告偏移作为它们正常工作的部分。
Brice等人的美国专利号6529165描述一种称为＂Matrix＂的方法，其中进行RTD估计而没有LMU。在现有技术的方法中，在基站之间的时间偏移和手机的位置一起被估计。相对于现有技术本方法的优点是为使Matrix系统能工作，只需要最少量的手机和公共报告的BTS。对该方法来讲第二个要求可能在3G CDMA网络中是极大的限制，因为与谱多样(spectrally diverse)系统如GSM相比，公共频率信道中的远近效应极大地减少给定手机可检测的BTS数量。相比之下，本方法可利用大量技术之一来估计手机的位置，而不直接依赖于其他手机。尽管该方法的初始RTD的精度可能较差，平均来自全部手机的所有测量值将使误差降低到可接受的水平。
通过结合共同站点的(同步的)扇区的测量值来改进同步精度 考虑整个BTS网络，能够设想成对网络的BTS之间的RTD，其中顶点(vertices)表示BTS，任何顶点对之间的边表示相应BTS之间的RTD估计。使用RTD定位时，重点考虑应用所谓的RTD网络连接性。熟悉蜂窝网络的读者很清楚在网络中对所有成对BTS组合之间将不存在直接的RTD测量值，因为切换通常发生在位置相对近的BTS之间。因此，与分隔较远的BTS对相比，切换中更可能包含物理上相近的BTS。
图3说明了使用上述模拟模型在一个模拟间隔内在BTS之间的连接性。第i行和第j列中的数字表示从第i个BTS到第j个发生的切换次数。
不表示全矩阵的事实意味着从A到B的切换没有与从B到A的切换组合，尽管理论上通过排除一个组或其他组可进行平均。总的来说，结果示出在大多数情况下实际有多个观测值可用于平均，可是数量相对少，且通常将误差降低1.5至2.5之间的系数。
可利用的另一因素是共同站点的BTS或所谓的点的扇区经常从相邻点的扇区获得它们的时间，减少了待估计的RTD数量，且同时增加了可用于平均的估计数。
对任何给定的共同站点的扇区对，尽管从网络构造可知，通过重复的观测根据涉及这些扇区中的一个或两者的切换的OTD，可确定是否存在共同时间源。根据两个扇区之间的站点内切换的单个OTD测量值将以OTD值接近0强烈指明它们是同步的。任何之后指示OTD接近0的类似切换将证实存在共同时钟源。从这样的切换获得的RTD不会随时间出现逐渐的漂移，该逐渐的漂移利用非同步发射机被观察到。给定的切换对也能够推断出存在公共源，该切换是从两个共同站点的扇区中的每一个到远端站点中的一个公共扇区。在该情况下，从这些切换中计算的RTD将是相同的(在舍入误差和对两次切换之间的间隔内所发生漂移的调整以及相关的测量的限止内)。再次说明，在这样的一对切换OTD会提供强烈的同步证据时，在其处理中将这些扇区作为同步之前，更稳健的实现会寻求额外的同样指示共同站点的扇区之间同步的报告。
作为较好的平均效果的例子，对于扇区是同步的考虑如下 考虑两个小区站点之间的切换，其中这些站点中的每个的扇区都是同步的。设站点1处的小区ID为1、2和3。站点2处的小区ID为4、5和6。在测量间隔内，从小区i到小区j存在ni，j个切换观测值。若这些小区没有被同步，则小区i和j之间的RTD估计值RTD′ij为 该平均过程考虑了RTD的对称性，从而RTDij＝-RTDji。现在，如果这些小区是同步的，平均过程就不是小区到小区，而是站点到站点。
该公式基本上是相同的，只需要估计1/3的RTD，但每个估计含3倍的数据需要平均，因而获得更精确的估计。
其中a和b用于表示站点，而不是扇区。从站点a的扇区到站点b的扇区的任何切换会产生RTDab测量值，将其馈送到平均过程。
应注意到对于配置的同步扇区而言，从平均过程中不会获得任何收益，因为在该情况下RTD为0。可是，扇区到扇区之间的切换用于检查这些小区仍然是同步的。下面作进一步讨论。
也应理解针对如滤波器的任何其他平均过程，上述过程有等价公式。
正如本领域的技术人员所理解的，有许多确定基站的扇区是否同步的技术。此前已在本申请中讨论了一些技术，现在为进一步澄清要对其作详细说明。
扇区之间的同步是构造BTS的方式的人为现象(artefact)。因此，可从网络运营商获得信息。
每当存在从一扇区到另一扇区的切换，就测量并报告OTD。若该切换在的两个组配的扇区之间，则OTD可用于指示同步。如果扇区是同步的，则理想地OTD值为0。实际情况下，由于传播和量化效应，OTD将接近0。不断地报告OTD接近0将指示同步的扇区。一种可能的实现是针对扇区到扇区的切换，观察OTD一个小时，并对接近0的OTD进行计数。若给定的扇区对是同步的，则接近0的OTD与不接近0的OTD的比率就会希望十分大。若该比率超过阈值，则这些扇区是同步的。可使用实验分析来指定阈值以及所需要的最小观测数量，正如本领域的技术人员所理解的那样。
有可能网络变化会使一些扇区变成不同步。通常这会事先知道，因为如上所述同步归因于网络构造的方式。若扇区确实变成不同步了，则可自动检测这种情况，且相应地放宽同步限制。一种实现为使用上述技术不断监视网络。另一实现是将RTD网络用一组线性联立方程表示。若任何假定扇区不再同步，则很显然联立方程的解中出现的误差(残差)大。
注意到若站点处的两个扇区同步且另一个不同步，则仅要结合与两个同步扇区(小区)相关的测量值，而不考虑不同步的小区。
由于使用了站点到站点的RTD估计，所以仅通过简单查找涉及小区的相关站点到站点的RTD值就容易获得小区到小区的RTD值。
图4说明了网络中所有站点对之间的连接性。在该情况下，估计的数量明显增加，通常使平均增益在从2到5的距离内。实际情况下，使用优化平均间隔的Kalman滤波器将使误差降低更明显。
为了改进定位使用切换测量值和RTD 在公开文献以及专利中有许多参考文献，其描述使用现有测量值如TA和信号强度来定位移动终端的方法。PCT专利申请号PCT/SE01/02679(WO 02/47421)描述使用定时提前量以及接收信号电平测量值来定位移动终端的系统。该方法合人意的一面是它们提供比基本CID更高的精度，而无需任何手机改动或部署昂贵的网络设施。本节描述如何增加额外单元，以改进这种系统的精度，从而得到大的精度改进，同时仍然无需任何手机改动或部署昂贵的网络设施。
如前所述，当切换结束时，手机将OTD报告给网络。若相关的BTS之间的RTD已知，则从中除去OTD分量，就得到通常称为几何时差(GTD)，其禁止手机双曲线轨迹的可能位置。结合与两个TA测量值有关的圆形轨迹以及由接收信号电平所表示的位置限制，该双曲线限制对位置精度提供极大的改进。与无需改动手机、GSM网络中可用的其他测量值相比，OTD代表最精确的测量值。
手机所作的每个测量形成对手机位置的限制。可将TA测量值转换成距离，尽管量化到最近的550m。实质上，以TA测量值所限定的平均半径，将手机约束到位于以基站为中心的550m宽的环面上。类似地，BTS天线的接收功率电平和方向性特性进一步约束移动终端的位置。将这些限制被模型化，将测量值添加到模型中，以及运用数学最优化以获得手机位置的最佳估计。本发明的这方面指添加从OTD测量和RTD估计获得的GTD。
从基站i和基站j到达的信号之间的观测时差包含两个分量。一分量是由于信号发出时间上的差而被称之为RTD，而另一分量是由于从移动终端到基站i以及从移动终端到基站j在距离上的差。这被称为几何时差GTD。若存在RTD估计值，则可计算出GTD估计值。
因此，GTD将移动终端限制在双曲线轨迹上的某处。双曲线有两半。移动终端位于双曲线哪一半由GTD的符号限定。
可将该限制与其他限制结合在一起，以得到一组限定移动终端位置的方程。可使用本领域公知的各种算法对问题求数值解，由此估计移动终端的位置。本发明这方面的关键步骤是使用GTD作为估计位置的附加限制。这个步骤是通过产生RTD估计的过程实现的。
图5说明了这些考虑示例。图5中，B1、B2和B3为相应扇区中的基站发射台，d1、d2和d3为从这些基站到移动终端的距离，其用任何适当方法如TA获得，而GTD为BTS1和BTS2之间的双曲线。
附加切换获得的OTD测量值的利益在郊区和农村的大的小区规模特征中非常明显，其中信号传播的路径损耗特征使接收的信号电平成为相当松散的位置限制。此外在这样的环境中，时间测量的精度经受较低时间扩展效应，因此误差大部分是由OTD舍入到最近的半比特所产生的。
图6说明使用OTD可获得的改进程度。该图示出了模拟郊区网络的位置误差的累积分布。模拟1000个随机位置测量值。对于每个产生一组模拟的接收信号电平、TA和单个OTD测量值。模拟详细模仿引起测量误差的不同过程和现象。这是接收信号电平测量值以及TA和OTD的情况，该电平测量值在GSM中表示在480毫秒间隔上多个观测值的平均值，并且在TA和OTD中，网络中的时间扩展效应以及噪声和干扰的影响和最终的舍入被模仿。按共同的67％精度测量，OTD的作用是降低误差30％，而按95％，这组数据的改进是27％。
尽管上面参照一些优选实施例进行描述，应理解在本发明距离内可作许多变化和修改。
尽管以作为基站发射台(BTS)的网元的上下文来描述本发明的重点，但是应理解本发明同等适用于其他适当的如定位测量单元(LMU)的网元。
此外，应了解针对相应的参数，本说明书中使用某些GSM特定术语，如定时提前量(TA)和观测时差(OTD)，可是应了解在其他系统中这些参数有等价的参数，可通过其他术语引用。本发明的距离不受特定术语自身的限制。
权利要求
1.一种确定通信网络中第一网元和第二网元的相应时钟之间的实时差(RTD)的方法，该方法包括
测量至少一个参数，该参数由第一移动单元从第一网元到第二网元的第一切换产生，以提供第一测量集；
测量所述至少一个参数，该参数由第一网元与第二网元之间的至少另一移动单元的切换产生，以提供另一测量集；以及
处理所述第一和另一测量集，以提供公共RTD的估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一移动单元和另一移动单元处于通信网络中的不同位置。
3.根据权利要求1或2中任何一个所述的方法，其中，所述至少一个参数是观测时差(OTD)和/或定时提前量(TA)。
4.根据权利要求1至3中任何一个所述的方法，其中，所述第一网元和所述第二网元是基站发射台(BTS)。
5.根据权利要求1至4中任何一个所述的方法，其中，通过平均来处理所述第一和另一测量集。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述平均步骤包括根据下列公式对所述第一和另一测量集进行滤波
其中，RTD′ij是通过取在先n个公共RTD测量值RTDij(k)的数值平均获得的公共RTD的估计值，且其中
i＝第i个扇区，j＝第j个扇区。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述平均步骤包括根据下列递归公式对所述第一和另一测量集进行滤波
8.根据权利要求1至7中任何一个所述的方法，其中，分析由发生在共同站点的扇区之间的切换所产生的所述至少一个参数的测量值，以确定所述共同站点的扇区是否从公共源获得它们的定时。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，处理由发生在共同站点的扇区之间的切换所产生的测量值，以提供公共RTD，已经确定该共同站点的扇区从公共源获得它们的定时。
10.根据权利要求5或6中任何一个所述的方法，其中，所述平均步骤使用具有时间常数的滤波器来执行。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述滤波器的时间常数通过第一或第二网元的时钟漂移速率来确定。
12.根据权利要求10或11中任何一个所述的方法，其中，所述滤波器是Kalman滤波器。
13.一种平均针对有时钟漂移的通信网络时钟控制单元所得的多个RTD测量值的方法，该方法包括
平均给定时段中多个RTD测量值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述给定时段由时钟控制单元的时钟漂移速率来确定。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用具有时间常数的滤波器来平均所述多个RTD测量值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述滤波器的时间常数与时钟漂移速率成比例。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述时间常数与除以网络中所述时钟控制单元和第二时钟控制单元之间的时钟漂移差的最大可容同步误差成比例。
18.根据权利要求13至17中任何一个所述的方法，其中，面向给定时段开始时获得的RTD测量值比面向给定时段结束时获得的RTD测量值被给予越来越少的权重。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述滤波器为指数滤波器，其按下列公式运算
其中RTD′ij(k)是在时间k时在BTSi和BTSj之间RTD的滤波估计值，
RTDij(k)是在时间k时在BTSi和BTSj之间计算的RTD，且α是滤波器参数，其确定滤波器的时间常数。
20.根据权利要求13至18中任何一个所述的方法，其中，所述求平均是通过Kalman滤波器执行的。
21.一种计算无线通信网络中第一网元和第二网元的相应时钟之间的实时差(RTD)的方法，该方法包括
估计网络中移动单元的位置，以提供估计的移动单元位置；
计算所述第一网元和所估计的移动单元位置之间的距离(d1)；
计算所述第二网元和所估计的移动单元位置之间的距离(d2)；
测量所述第一和第二网元的相应时钟之间的观测时差(OTD1，2)；以及
根据下列公式计算RTD
RTD1，2＝OTD1，2-d1+d2
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述估计移动单元位置的步骤使用小区ID来执行。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述估计移动单元位置的步骤使用全球定位系统(GPS)来执行。
24.根据权利要求21至23中任何一个所述的方法，其中，所述网元是基站发射台(BTS)，而所述移动单元是移动电话手机。
25.一种计算无线通信网络中第一网元和第二网元的相应时钟之间的实时差(RTD)的方法，该方法包括
使用网络所得到的RTD的当前值，估计从所述第一网元切换到所述第二网元的移动单元的位置；
使用所估计的移动单元的位置估计随后的RTD；
根据本发明的第一方面处理随后的RTD，并且使用处理的随后的RTD再来估计移动单元的位置；以及
将所述过程重复所需的循环次数。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，使用从定时提前量加NMR值获得的移动单元的估计位置而不是用网络所保持的当前RTD来计算所使用的初始RTD值。
27.一种用于确定移动无线通信网络中移动单元的位置的方法，该方法包括结合两个或更多个到达时间(TA)和网络保持的当前RTD使用观测时差(OTD)，以获得描述位置的双曲线轨迹的几何时差(GTD)。
28.一种估计无线通信网络中两个网元之间的移动单元位置的方法，该方法包括
测量移动单元处的信号强度，以提供第一测量值；
获得移动单元处的定时提前量测量值，以提供第二测量值；
在移动单元处测量两个网元之间的观测时差(OTD)，以提供第三测量值；以及
组合并处理这三个测量值以获得移动单元的位置估计值。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，在移动单元从所述两个网元中的第一个切换到第二个时获得OTD。
30.根据权利要求28或29中任何一个所述的方法，其中，所述网元是BTS。
全文摘要
公开一种定位移动无线通信网络中的移动无线单元的方法。该方法根据例如网元之间的切换所得到的、网络可用的测量值来计算网络变量，如网元之间的实时差(RTD)。该方法提供无线移动单元的定位，而不必同步诸如BTS或LMU的网元。
文档编号H04W64/00GK101390309SQ200580034220
公开日2009年3月18日 申请日期2005年9月7日 优先权日2004年9月7日
发明者克里斯托弗·里奇韦·德雷恩, 马尔科姆·大卫·马克诺坦 申请人:探索无线公司