专利名称：用于弱信号的定位的可变相干积分的制作方法
技术领域：
本文中所描述的主题一般涉及用于定位无线设备的方法和装置。更具体地但不排 除地，本文中所描述的主题涉及高级算法的使用，该高级算法包括匹配的副本和部分相干 处理，以检测弱信号或由于噪音的存在而被掩盖的信号，允许基于网络的无线定位系统增 加寻找信号在多个、地理分布的接收器上的到达时间差的能力，增加定位的效果和准确性。背景早期的涉及基于网络的无线定位系统的工作在1994年7月5日的第5，327，144 号美国专利“Cellular Telephone Location System”中被描述，该专利公开了一种使用 到达时间差(TDOA)技术来定位蜂窝电话的系统。在’ 144号专利中公开的系统的进一步 增强在 1997 年 3 月 4 日的第 5，608，410 号美国专利 “System for Locating a Source of Bursty ^Transmissions”中被公开。这两个专利已转让给本发明的受让人iTruePosition公 司。TruePosition已继续开发对初始发明思想的显著的提高。匹配副本处理还在2000年 4 月 4 日的第 6，047，192 号美国专利"Robust, Efficient Localization System，，中被描 述。在过去的几年期间，蜂窝技术工业增加了可用于由无线电话使用的空中接口协议 的数量，增加了无线电话或移动电话可操作的频带的数量，且指代移动电话或与移动电话 相关的术语包括“个人通信服务”、“无线”以及其他术语的数量扩充了。现在无线工业中使 用的空中接口 协议包括 AMPS、N-AMPS、TDMA、CDMA、GSM, TACS、ESMR、GPRS、EDGE、UMTS WCDMA、 WiMAX、LTE/SAE/eUTRAN 以及其他协议。由于无线功率级随着越来越严格的功率控制方案和需要持续的高效功率控制的 高级扩频编码方案(CDMA、W-CDMA, OFDM、SC-CDMA等)的引入而减少，无线定位系统检测 临近的和地理上接近的接收器上的无线信号的能力减小了。由无线定位系统使用的定位 技术可包括到达时间差(TDOA)、到达角(AoA)、混合TDOA/AoA和带有全球导航卫星系统 (GNSS)测量的混合陆地TD0A。GNSS系统的当前例子是美国Navstar卫星全球定位系统 (GPS)。概述较长时间段内的匹配的副本相关处理允许在较低的信噪比(SNR)上进行无线信 号检测。如Cramer-Rao界限定理所提出，可使用较长的积分长度来增加到达时间差(TDOA) 和基于到达角(AoA)的无线定位系统的准确性。但是，由于移动装置振荡频率漂移和多普勒频移，整个积分长度上的相干性一般 不能被判断出。在没有由相干处理产生的处理增益的情况下，处于噪音中部的弱信号的检 测更加困难。
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本文所描述的系统使用相关处理阶段中的平行处理来使任何匹配的副本的相关 度最大化。相关器的每个O到η)路径为积分长度的每个段(1到m)创建单独的时间和频 率搜索空间，其中单个的段用于全相干估计而(m个)段用于非相干估计中。由于相干性在一定数量的段上是可能的，且段的结果可被相加，所以该结果是较 大的处理增益且因此与参考信号具有较高的相关度。本发明的说明性的实施方式的另外的方面在以下被描述。附图
的简要描述当结合附图阅读时，前述的概述以及以下的详细描述被更好地理解。为了说明本 方面的目的，在附图中示出了本发明的示例性结构；但是，本发明不限于所公开的具体方法 和手段。在附图中图Ia示意性地描绘了用于基于UMTS(宽带CDMA无线电)的无线通信系统的无线 定位系统。图Ib示意性地描绘了用于基于CDMA的无线通信系统的无线定位系统。图Ic示意性地描绘了用于基于CDMA的全IP无线通信系统的无线定位系统。图加描绘了接收到的带有多径成分的扩频信号的代表性的时间频率相关图。图2b通过术语描绘了代表性的时间频率相关图。图3描绘了由于移动装置移动速率、移动时钟偏移和上行链路信号的多径接收引 起的频移。图如描绘了跨越单个频率偏移的时间与参考信号和本地信号包络的关系曲线。图4b描绘了跨越单个频率偏移的时间与参考信号和本地信号的相关度。图如示出了在单个频率偏移上将本地接收的信号和参考信号分成连续的离散子 部分与时间的关系曲线。图4d示出了跨越多个频率偏移将参考信号和本地信号细分成多个相关图的相关 度与时间的关系曲线。图5示出在可变相干处理之前的匹配的副本过程的操作阶段。图6和图7示出本文所描述的可变相干处理方法的操作的不同视图。说明性实施方式的详细描述我们现描述本发明的说明性实施方式。首先，我们提供问题的详细概述且然后提 供我们的解决方法的更加详细的描述。WLS中的改进的信号检测的详细描述上行链路的到达时间差(U-TDOA)定位方法，在其最基本的层次上，依赖于发射器 和接收器站之间存在足够的信号能量的直的视距(L0Q路径的假设。在发射器和接收器之 间不一定需要存在无阻碍的LOS路径；但是，假设信号不经历因反射、衍射、传导(ducting) 等引起的方向上的改变。作出这个设想是为了将到达时间差转化为从移动站到主要接收器 和合作接收器的空间直线距离。由3GPP称为位置测量单元(LMU)的这些接收器在地理上 被分配。在覆盖部署中，LMU —般与无线网络提供者的基站(BQ (或基站收发台、BTS，在此 处这些可互换地使用)位于同地，以使得BS和LMU可共享环境控制的空间、电力和天线接 入。在集成部署中，LMU被并入接入点(AP)、基站(BS)、Node B、或基站收发台(BTS)电路。在预留的无线通信频带中，目前包括700/850/1900MHZ (北美)和900/1800/2100MHz (欧洲)蜂窝、GSM、PCS、DCS、AffS和UMTS频带，积极的功率控制增加无 线网络的能力并增加扩频无线电信令(例如CDMA、W-CDMA、OFDM和TC-SCDMA)的使用，用于 降低可用于接收器的地理分配网络的功率。本发明还在由软件定义的宽带(或组合的窄带)接收器的地理分布网络服务的区 域中的免授权或共享频带中起作用。如Stilp 等人在第 5，327，144 号美国专利"Cellular Telephone Location Sl^l”中初始公开的，要被定位置的发射器即移动设备的信号由一簇地理上分散的专用 接收器(位置测量单元或LMU，以前被称为信号收集系统或SCQ收集。当无线定位系统 (WLS)由无线监测传感器、链路监测系统或由来自无线操作员的请求而被触发时，首先执行 无线电信号度量收集和最佳LMU和一组协作的LMU的确定。每个LMU优选地使用宽带接 收器来在一个采样周期内收集和数字化RF。(按信号长度和/或质量来确定的)最佳LMU 一般与服务小区天线相关联，而协作的LMU —般是地理上紧邻最佳/服务LMU的那些LMU， 其带有可接受的SNR和/或mVNo且不产生大的几何精度衰减(GDOP)。LMU作为一群窄 带接收器(在单个接收器的带宽接近单个信道的意义上的窄带)的实现也是可能的，如第 6，184，829 号美国专利 “Calibration for Wireless Location System，，中所详细描述的。 虽然对于本发明所给出的例子涉及分布式“基于站的”方法，其中参考信号被分布到其他候 选的LMU，且信号处理在接收LMU上被执行，但是，LMU和计算机的中央处理点之间的足够的 低延迟的带宽可能使信号处理能够在中心被执行。LMU内的数字信号处理软件对无线电接收器建模，并解调按惯例感兴趣的信号。这 个解调的“完美的”参考信号从参考LMU被发送到基于无线度量收集而被选择的一组协作 的LMU。每个协作的LMU重新调制参考信号并在相关过程中使用这个信号，以确定在最佳/ 服务LMU上的感兴趣的信号的到达时间(TOA)。在优选的实现方式中，重新调制的理想参考信号的副本和本地记录的接收信号在 时间上被细分，且然后(时间上)相应的子部分被相互关联，有效地创建Npath个处理路径 (其中Npath是大于或等于1的整数)。对于每个处理路径，每个单个的细分的相关度可通 过以下内容来数学地表示Rs =每个子部分“S”的相关函数:Rs(r,d) 二玄 g(r)e-Jwd*l(r-q)
q=l其中g=参考信号1 =本地信号N =采样收集持续时间内的样本数M=子部分数ρ = N/M (每个子部分中的样本数)S=段索引(从1到M)r=范围d=多普勒和漂移一旦每个子部分的相互关联被执行，那么每个子部分的相关的幅度被确定，且每 个处理路径(NPath)的相关度的和被计算。在数学上，这个操作可被示出为
权利要求
1.一种用于确定无线设备的发送的精确的到达时间(TOA)的方法，包括 接收无线设备的发送；产生表示收集持续时间内的所述发送的离散样本的第一数字样本组； 执行第二相关过程，其中第一组样本段与所述参考相关联，所述第一组样本段包括第 一多个(ml个)段，所述ml个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中ml是大 于1的整数，且其中执行所述第二相关过程产生ml个输出； 将所述第二相关过程的所述ml个输出非相干地求和；执行第三相关过程，其中第二组样本段与所述参考相关联，所述第二组样本段包括第 二多个(m2个)段，所述m2个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m2是大 于ml的整数，且其中执行所述第三相关过程产生m2个输出； 将所述第三相关过程的所述m2个输出非相干地求和；搜索所述第二相关过程和所述第三相关过程的输出以识别每个输出组中的最早到达信号；比较所述第二相关过程和所述第三相关过程的所述输出中的所识别的最早到达信号， 并选择所述最早到达信号中的一个来确定到达时间(TOA)值以用于定位处理；以及 在定位处理中使用所述TOA值以确定所述无线设备的精确的地理位置。
2.如权利要求1所述的方法，还包括执行第一相关过程，其中所述第一数字样本组在 所述收集持续时间内与参考相关联。
3.一种无线定位系统(WLS)，包括多个位置测量单元(LMU)，其中至少一个LMU包括 接收器，其用于接收无线设备的发送；用于产生第一数字样本组的装置，该第一数字样本组代表在收集持续时间内的所述发 送的离散样本；用于执行第二收集过程的装置，在所述第二收集过程中，第一组样本段与所述参考相 关联，所述第一组样本段包括第一多个(ml个)段，所述ml个段中的每个段包括所述第一 数字样本组的子组，其中ml是大于1的整数，且其中执行所述第二相关过程产生ml个输 出；用于将所述第二相关过程的所述ml个输出非相干地求和的装置； 用于执行第三相关过程的装置，在所述第三相关过程中，第二组样本段与所述参考相 关联，所述第二组样本段包括第二多个(m2个)段，所述m2个段中的每个段包括所述第一 数字样本组的子组，其中m2是大于ml的整数，且其中执行所述第三相关过程产生m2个输 出；用于将所述第三相关过程的所述m2个输出非相干地求和的装置； 用于搜索所述第二相关过程和所述第三相关过程的输出以识别每个输出组中的最早 到达信号的装置；以及用于比较所述第二相关过程和所述第三相关过程的所述输出中的所识别的最早到达 信号、并选择所述最早到达信号中的一个来确定到达时间(TOA)值以用于定位处理的装 置。
4.如权利要求3所述的系统，还包括用于执行第一相关过程的装置，在所述第一相关 过程中，所述第一数字样本组在所述收集持续时间内与参考相关联。
全文摘要
在基于网络的无线定位系统(WLS)中，地理上分布的位置测量单元(LMU)必须能够在多个BTS覆盖区域的范围内检测和使用反向信道(从移动装置到网络)信号。通过使用匹配的副本相关度处理，本地信号和参考信号在相关之前被细分成离散的段，移动装置时钟漂移和多普勒频移的影响可被减轻以允许增加处理增益。
文档编号H04W24/00GK102124770SQ200980131476
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月7日 优先权日2008年8月15日
发明者拉什杜斯·S·米亚, 罗伯特·J·安德森, 罗纳德·勒菲弗 申请人:真实定位公司