一种利用基站定位的方法
【专利摘要】本发明提供一种利用基站定位的方法，包含：在移动通讯网络中，服务器由定位通讯装置或定位通讯装置的服务小区(Serving?Cell)接收定位通讯装置在移动通讯网络的无线网络环境信息，其中无线网络环境信息包含小区的座标及小区发射信号于定位通讯装置的接收功率；所述小区包含服务小区以及定位通讯装置至少一邻近小区；服务器使用无线网络环境信息，估算定位通讯装置的位置。本发明所提供利用基站定位的方法，可避免对用以定位的小区座标过度评价或评价不足，能够以稳定的方式，提升基站定位的精准度。
【专利说明】一种利用基站定位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于一种定位方法，特别是关于一种利用基站定位的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着无线传输技术的多样化与普及化，定位的方式也变得多元，而不再局 限于传统的GPS(Global Positioning System)全球卫星定位法。目前其他常见的定位方 法包含移动通讯网络基站定位法（简称基站定位法）、WIFI热点定位法以及RFID感测器定 位法，其中各种定位法的精准度及涵盖范围，均有所不同，而有其不同的应用。
[0003] 以RFID感测器定位法而言，单一感测器的涵盖范围随着使用频段的不同而有所 区别，一般介于数十厘米至数米之内，因此其涵盖范围相对狭窄，但精准度也最高；若要扩 大其涵盖范围，则须以相当高的密度，布建RFID感测器，因此该定位方式局限于室内，可应 用于人员进入特定建筑物的定位与监控。WIFI热点定位，是利用无线网络中的路由器，来 达到定位的功能，单一路由器的涵盖范围，大约在200米左右，因此其精准度约略也在此一 范围；WIFI热点定位，已可将定位的范围，由室内延伸至室外，但仍无法完全避免涵盖的死 角，另一个更严重的缺陷，在于此技术较为耗电，因此，此技术无法支援长时间连续性的定 位。GPS定位法，在涵盖范围方面，几乎没有任何限制，其精准度也可达到数米，其主要缺陷 在于涵盖死角，例如在室内或建筑物密集的都会区，定位装置可能无法与卫星建立连线，而 导致定位失效；GPS定位的其他缺陷，尚包含耗电以及开机后，第一次取得定位信息较为耗 时。
[0004] 随着无线电话的普及，无线通讯网络基站的数量及密度越来越高，基站涵盖的范 围越来越广，且涵盖死角越来越少，利用基站定位无线通讯系统中的通讯装置变得可行。基 站定位具有涵盖范围大、涵盖死角较少、耗电量可接受等优点，其缺陷主要在于精准度；单 一基站的涵盖范围，可能广达数十公里，因此若利用基站定位，除基站的座标外，尚需其他 辅助信息，以估算定位装置与基站间的距离。
[0005] 在一无线通讯网络中，每一基站可能包含多个小区（Cells)，其数量取决于每一小 区天线可涵盖的角度，以及区域内的用户数；一常见的组态，为一基站包含三个小区，每一 小区涵盖120°的范围，但亦有基站仅有单一小区，该单一小区涵盖360°的范围；在另一 极端的组态，区域内的用户密度较高，因此单一基站包含六个小区，每一小区仍涵盖120° 的范围（有重复覆盖的状况）。目前利用基站定位的方法，大致可区分为单一基站定位与 多基站定位；在一无线通讯网络中，一通讯装置可能会侦测到多个可提供通讯服务的小区， 随着这些小区与该通讯装置距离的不同、实际环境的差异（例如有无受到遮蔽、天候）、以 及每一小区不同的负载状况（用户的多少），该通讯装置会服务于单一小区（称作Serving Cell)，该服务小区为提供该通讯装置通讯服务（语音、数据等）的小区，而在同一时间，可 提供该通讯装置通讯服务的其他小区（但该通讯装置没有实际服务于其上），则称为邻近 小区（Neighborhood Cells)。单一基站定位，多利用一通讯装置服务的小区信息（座标、与 该通讯装置的距离等），计算出该通讯装置的可能范围；为提升定位的精准度，则有多基站 定位技术的出现，图1即例示一种常见的多基站定位法，其使用三个小区（图1中的101、 102及103)的信息，利用三个小区所属的基站座标，以及一通讯装置100与不同基站间的估 算距离，分别划分出多个该通讯装置的可能位置，再以几何交集的方式，定出一较精准的通 讯装置位置。在图1的范例中，亦可能使用一加权比重运算法，赋予每一小区座标不同的权 值，最后依各加权后座标的总和，估算该通讯装置的位置。多基站定位所需的各小区信息， 由该通讯装置搜集，若定位的运算是由一服务器执行，该服务器可通过该通讯装置或该通 讯装置的服务小区取得所需信息。
[0006] 除了一般的通讯装置外（例如移动电话），亦可设计专门用于基站定位的定位装 置，该装置只要具有移动电话业者所提供的用户识别模块（一般是插入SIM卡），即可在该 移动电话业者的无线通讯网络中，利用基站定位。在本说明书中，一般的移动装置与专门用 于基站定位的定位装置，合称为定位通讯装置。
[0007] 利用多基站信息，以上述加权比重运算法估计定位通讯装置位置，仍面临许多技 术上的难题，其主要在于在定位通讯装置或其服务小区所提供的各种数据信息中，要依据 何种信息，以何种方式，来赋予每一小区座标不同的权值，使得该加权运算，一方面能提供 较精准的定位估算，一方面不致受到因环境变化产生的极端数据影响，过度评价或评价不 足某些座标，以至于结果不可预期，意即估算定位通讯装置的演算法，必须兼顾精准性与稳 定性，在两者间取得一平衡。
【发明内容】
[0008] 为以稳定的方式，提升基站定位的精准度，本发明提供一种利用基站定位的方法， 包含：在移动通讯网络中，服务器由定位通讯装置或定位通讯装置的服务小区（Serving Cell)接收定位通讯装置在移动通讯网络的无线网络环境信息，其中无线网络环境信息包 含小区的座标及所述小区发射信号于定位通讯装置的接收功率；所述小区包含：服务小区 以及该定位通讯装置至少一邻近小区；服务器使用无线网络环境信息，估算定位通讯装置 的位置。本发明是以服务小区以及邻近小区的座标为主要信息，估算定位通讯装置的位置， 而以各小区发射信号于定位通讯装置的接收功率为辅助信息，提升定位的精准度。
[0009] 在基站定位的各种演算法中，加权比重运算法是较为稳定的运算方式，在该演算 法中，无线网络环境信息中每一小区的座标是被一相对应的权值所加权，定位通讯装置的 位置估算值，是为加权后小区座标的总和。举一极端的范例，在使用加权比重演算法的定位 估算中，最基本的一种方式，是赋予每一用以估算的小区座标相同的权值，因此定位通讯装 置的估算座标，即为所述小区座标的算术平均值，亦即所述小区的几何中心。由此一极端范 例，可看出加权比重运算法的稳定度，不论所述用以估算的小区座标如何分布，此最基本的 加权比重演算法均稳定计算出所述小区的几何中心，稳定但有限度地提升定位精准度。相 对而言，前述几何交集法（参考图1)，则不具此稳定性；举例而言，当用以估算的小区座标 分布十分接近时，几何交集法无法根据多个小区座标，收敛估算的位置至更精准的范围。 [0010] 前述最基本的加权比重演算法，是可被改良以进一步提升定位的精准度，此一改 良是通过调整用以估算的小区座标的权值，此一权值调整，是根据小区座标以外的其他信 息，所述信息反应出每一所述小区座标不同的重要性（与定位通讯装置实际接近的程度）， 动态上可以想象通过权值的调整，定位通讯装置的估算地址，由稳定的几何中心，向较重要 的座标调整，以更接近定位通讯装置的实际位置，定位精准度因此提升；因此本发明还提出 在加权比重运算中，每一小区的座标相对应的权值，是相关于该小区发射信号于定位通讯 装置的功率衰减值。
[0011] 理论上，根据小区发射信号能量是均匀分布于三度空间的前提下，上述小区的座 标相对应的权值，应线性相关于小区发射信号于定位通讯装置的功率衰减值倒数的立方 根；但根据实际的测试，此方式并无法带来令人满意的定位效果，其主要原因在于，实际的 无线通讯环境中充满许多遮蔽物，因此信号的衰减值导因于遮蔽，而非单纯因距离而产生 的信号衰减，因此，若使用发射信号于定位通讯装置的功率衰减值倒数的立方根作为小区 座标权值的依据，将无法获得令人满意的定位结果。另一方面，若在用以定位的小区座标 中，有多个小区距离定位通讯装置的实际位置较远，且彼此分布较为分散，将导致定位精准 度的下降；为克服此一问题，具有高功率衰减值的小区的重要性，应被适当弱化。因此本发 明复提出在加权比重运算中，小区的座标相对应的权值，是线性相关于小区发射信号于该 定位通讯装置功率衰减值的对数值，显而易见的，该线性相关是为负向，因越大的衰减值应 对应于较低的权值。
[0012] 为更进一步界定小区发射信号于该定位通讯装置功率衰减值与小区座标权值的 关系，本发明复具体提出在加权比重运算中，所述小区发射信号于该定位通讯装置功率衰 减值的对数值的最大值为max_dB，所述小区中的一小区发射信号于该定位通讯装置功率衰 减值的对数值为dB [i]，该小区座标相对应的权值，线性相关于max_dB-dB [i]。
[0013] 由于目前的移动通讯装置，多具备相当的计算能力，因此估算一定位通讯装置的 位置，未必需要通过一额外的服务器，该估算可由定位通讯装置本身所完成。因此本发明还 提供一种利用基站定位的方法，包含：在移动通讯网络中，定位通讯装置搜集定位通讯装置 在移动通讯网络的无线网络环境信息，其中无线网络环境信息包含小区的座标及所述小区 发射信号于定位通讯装置的接收功率；所述小区包含：服务小区以及该定位通讯装置至少 一邻近小区；定位通讯装置使用无线网络环境信息，估算定位通讯装置的位置。
[0014] 本发明所提供利用基站定位的方法，可避免对用以定位的小区座标过度评价或评 价不足，能够以稳定的方式，提升基站定位的精准度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：
[0016] 图1是一种常见的几何交集定位法示意图。
[0017] 图2是本发明第一实施例的定位范例示意图。
[0018] 图3是本发明第二实施例的定位范例示意图。
[0019] 图4是本发明第三实施例的定位范例示意图。
[0020] 符号说明
[0021] 通讯装置 100
[0022] 小区 101、102、103
[0023] 定位通讯装置200
[0024] 小区 201、202、203、204、205、206、207
[0025] 估算座标 211、212、213
[0026] 定位通讯装置300
[0027] 小区 301、302、303、304、305、306、307
[0028] 估算座标 311、312、313
[0029] 定位通讯装置400
[0030] 小区 401、402、403、404、405、406
[0031] 估算座标 411、412、413
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施 例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为 对本发明的限定。
[0033] 以下三个实施例，是以本发明所提出的定位方法，估算一定位通讯装置的位置，该 定位通讯装置为一般的移动通讯装置（手机），但亦可为具有移动电话业者所提供的用户 识别模块而专为定位用途的定位装置。在以下三个实施例中，定位的演算，是由一服务器所 执行，但亦可为具计算能力的定位通讯装置本身所执行；定位演算所需的无线网络环境信 息，是由该定位通讯装置所搜集，并提供给该定位通讯装置的服务小区，因此当定位演算是 由另一服务器所执行时，该服务器可通过该定位通讯装置的服务小区，取得所需的无线网 络环境信息。
[0034] 在本发明各实施例，定位演算是利用多个小区（包含该定位通讯装置的服务小区 以及至少一邻近小区）信息，主要为小区座标（即小区所属的基站座标），以及所述小区发 射信号于该定位通讯装置的接收功率，上述接收功率的惯用单位为asu，其与另一功率常用 的单位分贝毫瓦（dBm)是通过下列公式转换：
[0035] dBm=_113+2*asu; [1]
[0036] 假设用以定位的小区共有η个，其座标分别为（coordinate_N[i], coordinate_ E[i])，i=l, 2, 3…η ;这些小区发射信号功率的分贝毫瓦值，减去这些小区发射信号功率于 该定位通讯装置的接收功率的分贝毫瓦值，即为这些小区发射信号于该定位通讯装置的功 率衰减值的对数值（单位为分贝），这些小区发射信号于该定位通讯装置的功率衰减值的 对数值表达为dB[i]，i=l，2, 3…η，其中最高的衰减值的对数值为max_dB，在以下三个实施 例中，根据本发明所提供的方法，该定位通讯装置的位置可被估算为（cel_N，cel_E)，其关 系式如下：
[0037] ce 1_N= [coordinate_N [ 1] * (max_dB~dB [l]+l)+coordinate_N[2]* (max_ dB-dB [2] +1) +......+
[0038] coordinate_N[i]*(max_dB_dB[i]+l)+......+coordinate_N[n]*(max_ dB-dB [n]+l)]/
[0039] temp_dB;
[0040] ce 1_E = [coordinate_E [ 1] * (max_dB_dB [ 1] +1) + coordinate_E [2] * (max_ dB-dB [2] +1) +......+
[0041] coordinate_E[i]*(max_dB_dB[i]+l)+......+coordinate_E[n]*(max_ dB-dB [n]+l)]/
[0042] temp_dB;
[0043]
[2]
[0044] 其中temp_dB是满足下列关系：
[0045] t emp_dB= (max_dB_dB [ 1 ] +1) + (max_dB_dB [2]+l)+......+ (max_dB_dB [i]+l)+......+
[0046] (max_dB_dB [n]+1) [3]
[0047] 依据上述公式，每一用以定位的小区座标，是被一权值所加权，该权值为（max_ dB-dB[i]+l)/temp_dB，明显地，该权值是线性相关于max_dB-dB[i]。
[0048] 为凸显本发明的优点，在以下三个实施例中，分别提供另外两种估计定位通讯装 置的演算法，以与本发明所提供的方法做一比较；其中一种为前述基本的加权比重演算法， 每一座标被赋予相同权值，以此种演算法，该定位通讯装置的位置可被估算为（ce2_N，ce2_ E)，其关系式如下：
[0049] ce2_N=[coordinate_N[1]+coordinate_N[2]+......+coordinate_N[i]+...... +coordinate_N[n]]/
[0050] n;
[0051] ce2_E=[coordinate_E[1]+coordinate_E[2]+......+coordinate_E[i]+...... +coordinate_E[n]]/
[0052] n; [4]
[0053] 另一种提供与本发明比较的演算法，是为一调整的加权比重演算法，其中小区的 权值，是线性相关于功率衰减值的对数值倒数的立方根，以此种演算法，该定位通讯装置的 位置可被估算为（ce3_N，ce3_E)，其关系式如下 ：
[0054] ce3_N= [coordinate_N[l]*(l/dB[l]) '0. 3333 + coordinate_N[2]*(l/ dB[2]) ~0. 3333+......+
[0055] coordinate_N[i]*(l/dB[i]) '0. 3333 +......+coordinate_N[n]*(l/ dB[n])~0· 3333]/
[0056] ssr_dB;
[0057] ce3_E=[coordinate_E[l]*(l/dB[l]) ~0. 3333 + coordinate_E[2]*(l/ dB[2]) ~0. 3333+......+
[0058] coordinate_E [i] * (1/dB [i] ) ~0. 3333 +......+coordinate_E [n] * (1/ dB[n])~0· 3333]/
[0059] ssr_dB;
[0060]
[5]
[0061] 其中ssr_dB是满足下列关系：
[0062] ssr_dB=(l/dB[l]) ~0. 3333+(1/dB [2]) ~0. 3333+......+ (1/dB [i] )~0. 3333+...... + (l/dB[n]) ~0. 3333
[0063] [6]
[0064] 第一实施例
[0065] 本发明第一实施例的定位范例，是如图2所示。其中一定位通讯装置200是藉由 七个小区201、202、203、204、205、206、及207的信息来定位，其中小区201、202、及204同隶 属于一基站；该定位通讯装置200是服务于其中一小区，而其他六个小区，是为该定位通讯 装置200的邻近小区。这七个小区的座标（北纬，东经）、发射信号功率、发射信号于该定位 通讯装置的接收功率以及功率衰减值如下表一所列。
[0066]
【权利要求】
1. 一种利用基站定位的方法，其特征在于，包含： 在一移动通讯网络中，一服务器由一定位通讯装置或该定位通讯装置的服务小区接收 该定位通讯装置在该移动通讯网络的无线网络环境信息，其中该无线网络环境信息包含小 区的座标以及所述小区的发射信号于该定位通讯装置的接收功率；所述小区包含：服务小 区以及该定位通讯装置至少一邻近小区； 该服务器使用该无线网络环境信息，估算该定位通讯装置的位置。
2. 如权利要求1所述的利用基站定位的方法，其特征在于，该服务器使用该无线网络 环境信息，估算该定位通讯装置的位置，是利用一加权比重运算法，该无线网络环境信息中 每一所述小区的座标是被一相对应的权值所加权，该定位通讯装置的位置估算值，为所述 加权后小区座标的总和。
3. 如权利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，每一小区的座标相对应的 权值，相关于该小区发射信号于该定位通讯装置的功率衰减值。
4. 如权利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小区的座标相对应的 权值，线性相关于所述小区发射信号于该定位通讯装置功率衰减值的对数值。
5. 如权利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小区发射信号于该定 位通讯装置功率衰减值的对数值的最大值为max_dB，所述小区中的一小区发射信号于该 定位通讯装置功率衰减值的对数值为dB[i]，该小区座标相对应的权值，线性相关于max_ dB-dB[i] 〇
6. -种利用基站定位的方法，其特征在于，包含： 在一移动通讯网络中，一定位通讯装置搜集该定位通讯装置在该移动通讯网络的无线 网络环境信息，其中该无线网络环境信息包含小区的座标以及所述小区的发射信号于该定 位通讯装置的接收功率；所述小区包含：服务小区以及该定位通讯装置至少一邻近小区； 该定位通讯装置使用该无线网络环境信息，估算该定位通讯装置的位置。
7. 如权利要求6所述的利用基站定位的方法，其特征在于，该定位通讯装置使用该无 线网络环境信息，估算该定位通讯装置的位置，是利用一加权比重运算法，该无线网络环境 信息中每一所述小区的座标是被一相对应的权值所加权，该定位通讯装置的位置估算值， 为所述加权后小区座标的总和。
8. 如权利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，每一小区的座标相对应的 权值，相关于该小区发射信号于该定位通讯装置的功率衰减值。
9. 如权利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小区的座标相对应的 权值，线性相关于所述小区发射信号于该定位通讯装置功率衰减值的对数值。
10. 如权利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小区发射信号于该 定位通讯装置功率衰减值的对数值的最大值为max_dB，所述小区中的一小区发射信号于该 定位通讯装置功率衰减值的对数值为dB[i]，该小区座标相对应的权值，线性相关于max_ dB-dB[i] 〇
【文档编号】H04W64/00GK104066171SQ201310167210
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】陈修德, 王淑芬, 柯嘉惠 申请人:财团法人电信技术中心