专利名称：在cdma/tdma系统中使用单个基站搜索定位的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置和地点的确定，尤其涉及无线移动设备的位置确定。
根据现有技术的
图1示意了一种已知的用于定位的方法，一个移动呼叫用户从该位置在无线移动设备2上发出一个呼叫。特别地，从无线移动设备2发出的呼叫到达至少一个蜂窝基站(如基站4)。该呼叫的信号通常也到达第二个基站6和第三个基站8。基站4、6和8记录一个信号从无线移动设备2到达的时间，利用这些时间来定位无线移动设备2的方法包括到达时差(TDOA)和到达时间(TOA)方法，这两种方法将在下面讲述。
图1示出了使用一种已知的到达时间(TOA)方法，该方法估计无线移动设备2和第一个基站4之间的第一距离“a”；无线移动设备2和第二个基站6之间的第二距离“b”；以及无线移动设备2和第三个基站8之间的第三距离“c”。基于该无线信号到达每个基站所花的时间，近似的距离“a”、“b”和“c”采用已知的TOA方法确定，如下所述。
如图1所示，示出了三个圆，一个环绕基站4，一个环绕基站6，一个环绕基站8。每个圆周将无线移动设备2包围在内，且代表该基站的覆盖区域。从基站到无线移动设备2的距离a-c由下述三个公式表示((x-x1)2+(y-y1)2)1/2=a=C(t1-T)]]>((x-x2)2+(y-y2)2)1/2=b=C(t2-T)]]>((x-x3)2+(y-y3)2)1/2=c=C(t3-T)]]>在上面提到的公式中，无线移动设备2的坐标表示为(x,y)；基站4的坐标表示为(x1，y1)；基站6的坐标表示为(x2，y2)；基站8的坐标表示为(x3，y3)。另外，t1、t2和t3代表信号从基站4、基站6和基站8分别传输到无线移动设备2再返回所用的往返行程时延(RTD)的一半。最后，T为无线移动设备2的处理时间，而C为光速。使用已知的TOA方法检测无线移动设备2的位置，测量信号从该无线移动设备2传输到各个基站的绝对时间，以找到距离a、b和c，从而最终确定无线移动设备2的近似位置(x，y)。然而，无线移动设备2的时钟可能不是精确地与各个基站4、6和8的时钟同步，由此很难确定前述的绝对时间。为补偿时钟同步问题，通过信号从一个特定基站发送到无线移动设备2并返回该基站的往返行程时延来测量绝对时间。然而，往返行程时延包括需要进行估计的无线移动设备2的处理时间。一般情况下，可基于无线移动设备2的特定品牌的技术数据来估计该时间。
确定无线移动设备2的位置的另一种已知方法是使用到达时差(TDOA)方法。TDOA方法测量信号从无线移动设备2到两个或多个基站的到达时差。因此，可从上述的TOA公式中去掉无线移动设备2上的时间因素。然而，假如无线移动设备的处理时间很小或已知，仍可采用TOA方法。
图2示意了TDOA方法的一个例子。利用基站6和基站4之间的TDOA，参考无线移动设备2绘制双曲线“ab”。另外，利用基站6和基站8之间的TDOA，参考无线移动设备2绘制双曲线“cd”。基于下述公式，使用前面采用TOA描述的相同坐标和值来确定这些双曲线((x-x2)2+(y-y2)2)1/2-((x-x1)2+(y-y1)2)1/2=C(t2-t1)]]>((x-x3)2+(y-y3)2)1/2-((x-x2)2+(y-y2)2)1/2=C(t3-t1)]]>利用这些公式，可确定无线移动设备2的位置(x，y)。
由此，通过这些已知方法，TOA和TDOA可用于在理想的情况下定位无线移动设备2。然而，如图1和2所示，TOA和TDOA方法要求检测发射到至少三个基站4、6和8的往返信号，以便利用它们的算法来定位无线移动设备2。然而在某些情况下，信号不能被所有的三个基站4、6和8检测到。这种情况的例子如现有技术的图3所示。
已知的定位无线移动设备2的TOA和TDOA方法在许多情况下只能提供估计的位置。另外，如果没有检测到所有的三个基站，那么甚至无法检测到估计的位置区域。
例如，如现有技术的图3(a)和图3(b)所示，诸如建筑物的障碍可阻碍基站接收信号。由此，尽管仍能能够通过来自无线移动设备2的蜂窝呼叫，但只有一个基站可能检测到该呼叫。如果仅能检测三个基站中的两个(如图3(a)所示的6和8)，则只能够计算出如“b”和“c”的两个距离，于是导致不唯一的技术方案。如果只能检测到一个或两个基站，那么至多只能粗略地估计无线移动设备2的位置。
如图3(a)所示，例如，如果在TOA系统中仅识别到两个基站6和8，那么只能确定两个圆，而且只有一个双曲线区域10可估计为无线移动设备2的近似位置。类似地，如果在TDOA系统中仅识别到基站6和8，如图3(b)所示，那么只能计算出一条曲线“cd”，于是至多只能粗略地估计无线移动设备2的位置。
由此，需要一种更好的系统和方法来定位无线移动设备2，特别是只需使用一个基站。
目前已经研制出一种方法和装置，只利用单个基站的测量结果来定位一个无线移动设备。该无线移动设备和该基站之间的距离利用信号被无线移动设备接收的往返行程时延(RTD)值来计算。此后，使用由多扇区天线的每个天线扇区接收信号的测量结果确定该接收信号的到达角(AOA)。到达角根据多扇区天线的存储天线信号测量结果来确定，其中不同扇区信号测量结果的组合对应于单角测量结果。使用确定后的距离和到达角，可只使用单个基站的测量结果很容易地确定无线移动设备的位置和地点。
从对优选实施例的详细描述中，我们会更充分理解本申请，其中相同的附图标记代表相同的单元，而且其中图1示意了基于TOA来估计一个无线移动设备的呼叫区域的现有技术系统；图2示意了基于TDOA来估计一个无线移动设备的呼叫区域的现有技术系统；图3(a)和图3(b)示意了图1和图2的现有技术TOA和TDOA系统产生的问题；图4示意了使用单个基站的无线移动设备的定位；图5示意了一个具有代表性的基站和无线移动设备；图6A示意了三扇区基站天线的三个方向的天线扇区；图6B为图6A的三个方向天线扇区的每个天线扇区的覆盖区域的代表性示意；图7示意了跨度360°方位角的方向性天线方向图；图8A-8C示意了三扇区基站天线的两个不同方向天线之间的幅度比；图9示意了三扇区基站的三个扇区天线的功率级；图10示意了图9所示的三个扇区天线之间的幅度差；图11示意了往返行程时延信号精度与GPS测量结果的关系曲线；和图12示意了无线移动设备的结果位置。
本申请的系统和方法应用利用无线移动设备接收信号的往返行程时延(RTD)、以及该接收信号的到达角(AOA)，只使用单个基站的信息来确定该移动设备的位置。在CDMA和TDMA系统中，使用在基站获得的往返行程时延测量结果很容易计算出无线移动设备和基站之间的距离。通过使用基站的多扇区天线(如一个天线有三个天线扇区)，以及通过预存该多扇区天线的天线信号测量结果，不同天线信号测量结果的组合将对应一个单角测量结果。这样，可获得实际的多扇区天线测量结果并可用于确定来自无线移动设备信号的到达角。一旦该信号的到达角以及该无线移动设备和基站之间的距离被确定，就很容易获得该无线移动设备的实际位置和地点。
图4示意了如何使用来自单个基站的信息来确定一个无线移动设备(MU)的位置和地点。最初，MU和BS之间的距离14由基站(BS)从MU接收的上行链路RF信号的往返行程时延(RTD)来确定。从该无线移动设备接收的信号的RTD以已知方式测量。一旦RTD确定，MU和BS之间的距离14接着通过RTD／2计算。
更特别的是，BS在时间t1以已知方式发送一个导引信号到MU。此后，MU接收该导引信号并将其转发回BS，该信号在时间t2被BS接收。t1和t2之差即为RTD，它以秒为单位。更好的是，信号由BS发射，由MU接收，由MU发射，由BS接收，并打上时间戳，RTD接着基于打上时间戳的信号计算。MU和BS之间的距离14(“r”)接下来如下述方法计算(以米为单位，“c”为光速)distance 14=c·(RTD／2)... (1)应注意的是距离14可以用任何已知方式计算，RTD的使用仅仅是其中一个例子。用于计算距离14的所有这些方法都属于本发明的范围。这包括，如测量单向时延(OWD)。如果BS和MU有很精确的时钟，以MU和BS每方的第三源(诸如GPS源)为参考，那么MU可测量单向时延(发送和到达时差)以及确定距离14(C*OWD)。
一旦由公式(1)确定了距离14，该距离可认为是MU所处的圆周16的半径(“r”)。圆周16的圆心为BS，它从MU接收信号。BS位于已知位置(X0，Y0)，接着通过确定到达角(AOA)来定位该无线移动设备在圆周16的确切位置，AOA指定为从MU接收的上行链路RF信号(图4中)的θ角。一旦确定来自MU的上行链路RF信号的AOA，用以确定距离(“r”)14的RTD测量结果的组合，以及从单个基站(BS)确定θ角的AOA测量结果提供了足够的信息由下述公式查找MU的位置(x，y)x=x0+rcosθ... (2)y=y0+rsinθ... (3)图5示意了无线移动设备30发送一个RF上行链路信号31到基站34。基站34包括一个多扇区天线32(之后将详细描述)；一个中央控制器CPU 36；以及一个存储器38。CPU 36从多扇区天线32(它接收从每个扇区或天线部件的一个输出)接收该RF链路信号，并用作一个距离确定装置，以及与存储器38一起用作位置计算器以确定RTD(或在一些可选方式下确定距离14)、AOA以及无线移动设备30的位置和地点。应该注意的是，CPU 36和存储器38应该不需要位于基站34，只需要从基站34的多扇区天线32的每个天线扇区接收信号，以便执行前面提到的计算。然而，图5示出的CPU 36和存储器38位于基站34内是为了方便描述起见。
图6A示意了组成了多扇区天线32的三个方向天线组件42、44和48，它们可包括如三个方向天线。三个方向天线组件42、44和48这样配置的目的是为了具有覆盖如图6B所示的重叠区域的天线接收方向图。例如，天线组件42、44和48及其对应的覆盖区域52、54和58由图6B中示意表示。基本上，对于360°角内任何特定角度，提供三个天线组件中两个的覆盖区域，这将在下面更为详细地描述。
图7以图形方式示意了天线组件42、44和48的理论上的方向天线方位图。当获得或购买天线后，其理论测量值是已知的。图7描绘了接收信号的幅度(以dB为单位)和角度(以度为单位)关系。在图7的表中，天线组件42的理论幅度测量值由一条虚线表示；天线组件44的理论幅度测量值由一条实线表示；天线组件48的理论幅度测量值由一条短划线表示。
如图7所示，从0到360度的任何特定角度由三个天线中至少两个天线的唯一幅度测量值表示。应注意的是，图7中示出的所有幅度测量值均为标准化测量值，标准地基于峰值信号电平。因而，图7中示出的信号测量值为天线组件之间的、基于峰值天线组件测量值和其它天线组件非峰值测量值的相对测量值。
作为一个实例，对于天线组件48，该峰值测量值被认为是在0度角时获得，以作为一个参考点。该幅度测量值接着标准化为0dB(真实测量值可能是80dB，但将它标准化为参考点，在图7中标为0dB)。接着，存储基于标准化峰值信号的非峰值天线组件测量值，如天线组件44那样。天线组件44测量的非峰值信号的真实测量值可能对应于-97dB，但它在图7中也标准化为-17dB。由此，相互之间得到图7的理论测量值，并基于参考值来标准化。
作为图7测量值的实例，对于50°角，天线组件48标准化后的测量值对应值大约为-2．5dB(图7的元素A所示)；而且天线组件44标准化后的测量值对应的测量值大约为-6dB(由图7中“B”表示)；因此，尽管天线组件44对50°和180°角(图7中点C)都对应-6dB的标准化测量值，但只有一个角对应从天线组件44得到的标准化测量值-6dB以及从天线组件48得到的标准化测量值-2．5dB。因此，通过从至少两个天线组件使用标准化测量值，可确定接收的RF上行链路信号的AOA。
图8A-8C示意天线组件对的幅度差(dB)和角度关系，对从图7中所示的标准化测量值推出的三个天线42、44和48中的每个天线对。由于幅差测量值对应天线组件测量值之差，幅度差测量值固有地被标准化。例如，如果天线组件48在-80dB测量一个信号，而天线组件44在-97dB测量该信号，即使天线组件48的测量结果没有被标准化为0dB，该幅度差仍会等于-17dB。
这些幅度测量差与角方向图关系用作查找表，存储在基站34的存储器38中，以确定来自该无线移动设备的信号的输入到达角(AOA)。图8A示意天线组件44和天线组件48之间的幅度测量差；图8B示意天线组件42和天线组件44之间的幅度测量差；图8C示意天线组件48和天线组件42之间的幅度测量差。从图8A-8C可见，从0°到大约120°，天线组件44和天线组件48的天线信号测量值之差，用于确定来自一个无线移动设备的一个输入RF上行链路信号的到达角。从大约120°到240°，天线组件42和天线组件44的天线信号测量值之差用于确定该到达角。从240°到360°，天线组件48和天线组件42的天线信号测量值之差用于确定该到达角。
如图8A-8C中所示，从0°到360°的任何特定的到达角由唯一的幅度差测量值表示。使用图7的例子，如果天线组件44记录了大约-6dB的测量值，而且如果天线组件48记录了大约-2．5dB的测量值，那么图8A用于确定该AOA。从天线组件44的测量结果中减去天线组件48的测量结果(-6dB-(-2．5dB)=-3．5dB)，达到-3．5dB。使用图8A，确定对应-3．5dB的AOA为50°。
由此，使用基站34的多扇区天线32的三个天线组件扇区，很容易确定一个来自该无线移动设备的上行链路信号的到达角。一旦到达角θ和距离14(从往返行程时延)被确定，由于基站的坐标(X0，Y0)为已知，通过前述有关公式(2)和(3)的方法，只使用单个基站的信号测量结果就可很容易地确定该无线移动设备的位置和地点(x，y)。
本申请的方法和系统实现的现场测试是对CDMA系统实施的。该测试分为三个步骤获得查找表用于得到AOA；获得RTD；以及利用AOA和RTD估计该无线移动台的位置。
当确实获得了一个查找表，存储其于基站的存储器中，用于确定AOA，现场的实际天线方向图稍微不同于图7和图8A-C所示的理论方向图。此外，由于对性能的良好调整，相邻天线方向图之间的重叠可能不像本申请图6中所示那样对称。因此，使用基站(位于新泽西的Whippany的CDMA个人通信系统(PCS)蜂窝)记录的指状元件数据和记录在基站周围移动的测试移动设备的GPS数据一起测量实际的天线方向图。指状元件数据使用一个蜂窝诊断监视器(CDM)收集。
图9示出了由此产生的三扇区基站天线的结果天线方向图，其中该天线扇区部分为alpha，beta和gamma。来自所有天线组件扇区的指状元件数据利用CDM采集，并被滤波以清除噪声。它们与测量移动设备的GPS信息组合，以形成图9中所示的每个天线组件扇区的指状元件能量(线性比例为dB)对角度的极坐标图。特别地，alpha扇区部分由图9中短划线表示；gamma扇区部分由图9中实线表示。
应该注意的是，由于可用路径的限制，该移动路径并不是一个有相等半径的完整的圆周。结果，导致天线组件方向图存在一定的缺陷，如图10A-C中所示。例如，该移动路径的一段相当接近于alpha和beta组件扇区的交叉点。结果，1秒的数据间歇扫过20°角。反之，当该移动设备在beta和gamma扇区的交叉点上移动时，1秒的数据间歇仅扫过1°角。这种不唯一的转换产生离散角。通过施加移动的平均值到这些角，可获得图10A-10C中所示平滑的天线方向图。
具体地，图10A代表alpha和beta扇区组件之差与角度的关系；图10B代表gamma和alpha扇区组件之差与角度的关系；图10C代表beta和gamma扇区器件之差与角度的关系。图10A-C的这些图表作为查找表存储于存储器中。
如图9中所示，短划线、实线和虚线分别示出了alpha，beta和gamma组件扇区的指状元件能量。圆周内的数量为线性比例中的指状元件功率级。注意30°和40°之间的间隙是由缺乏数据引起的。
为从图9中天线方向图确定AOA，得到与图8A-8C有关的前面描述过的类似的图(用作查找表存储于基站存储器中)，这由图10A-C表示。这些图反映幅度差与角度的关系。注意这些图表与图8A-8C中示出的天线组件方向图相像，还应注意该幅度差在某些区域是平坦的，导致估计AOA的随意性。然而，这些随意性只是由基站的移动路径的接近引起的，而并不反映任何缺陷和本申请的技术。由此，有了这里的查找表，很容易获得来自一个无线移动设备输入RF上行链路信号的AOA。
最后，使用RF呼叫行径，以已知方式收集RTD。图11示意了对特定测试区域的RTD精度(实线)与GPS(短划线)的关系。RTD是在测试无线移动设备远离该基站直到掉话，并且接下来与该无线移动设备移动回该基站时采集的。图11示出的短划线代表使用该无线移动设备的GPS系统和已知的基站的纬度和经度计算出的距离。实线代表从RF呼叫行径提取的RTD信息计算出的距离。从使用RTD计算出的距离中减去200米处的常数偏置，该RTD可能是由移动和(或)发射／接收时延引起的。由图11可见，RTD提供了非常精确的距离测量值。
一旦得到AOA和RTD，接着以前述有关公式(2)和(3)和图4的方式确定该无线移动设备的位置。图12示意了该无线移动设备沿该移动路径的位置，通过该路径可建立查阅表；实线示意了移动路径；“X”-100示意了该基站位置；三角形(△)100代表该无线移动设备的GPS位置；而圆周120的聚集代表由RTD和AOA估计的该无线移动设备的位置。图12中示出了的各个圆周的距离，它们代表了以米为单位的距离基站的距离。
本发明是这么描述的，但显然，本发明可以许多不同方式实现。这些变化不认为是偏离本发明的精神和范围，而且所有这些修改显然对本领域的技术人员来说是包括在本发明要求的范围之内的。
例如，计算RTD、AOA以及该无线移动设备的位置的三个步骤过程可直接扩展到TDMA系统。在TDMA系统中，RTD测量以用作基站和无线移动设备之间的时间调整。来自无线移动设备的输入RF上行链路信号的强度被严密监视，以确定是否应该触发切换。由此，我们有必要的和充足的信息用于上述的三步骤方法以正确工作。还应进一步注意到，尽管基站的多扇区天线是必需的，三扇区天线的使用只是示例性的。唯一必要的是天线要相互重叠，这样在AOA和接收幅度测量值比之间有时存在一对一的映射，即两个扇区天线组件输出的幅度比产生一个唯一的到达角。
尽管本发明设计用于在当只有一个BS检测无线移动设备时定位无线移动设备，但应理解的是，如果两个基站检测MU，那么定位的精度就更高了。此外，各种测量结果的组合可在两个基站使用。例如，在两个BS的每一个使用简单的数学计算和AOA，没有RTD也能确定该位置(因为每个BS的位置是已知的，只需要确定一个角度的交叉点)。
权利要求
1．一种确定无线移动设备的位置的方法，包括步骤确定该无线移动设备和一个多扇区天线之间的距离，该多扇区天线属于一个基站并从该无线移动设备接收信号；使用在基站接收到的信号的不同天线扇区信号测量结果来确定该信号的到达角；根据基于确定后的距离和接收信号角度的接收信号来定位该无线移动设备。
2．根据权利要求1的方法，其中该距离由该接收信号的往返行程时延(RTD)确定。
3．根据权利要求1的方法，其中该距离由该接收信号的单向时延确定。
4．根据权利要求3的方法，其中单向时延基于该无线移动设备和具有参考第三源的基站来确定。
5．根据权利要求4的方法，其中第三参考源为全球定位卫星。
6．根据权利要求1的方法，其中该接收信号的测量值从三个不同天线扇区获得。
7．根据权利要求1的方法，其中确定到达角的步骤包括子步骤存储跨度角从0°到360°的天线扇区测量值；基于接收信号的不同天线扇区信号测量值来确定一个存储角测量值作为到达角。
8．根据权利要求7的方法，其中该接收信号的测量值是从三个不同天线扇区获得的。
9．根据权利要求1的方法，其中该到达角是从两个天线扇区信号测量值之差确定的。
10．根据权利要求4的方法，其中该到达角是从两个天线扇区信号测量值之差确定的。
11．根据权利要求7的方法，其中存储步骤包括为两不同天线扇区测量值的每个组合存储一个不同的角测量值。
12．根据权利要求11的方法，其中接收信号的测量值是从三个不同天线扇区获得的。
13．根据权利要求1的方法，其中确定到达角的步骤包括在一个查阅表(LUT)存储天线信号测量结果和角测量结果；确定该到达角作为对应该接收信号的不同天线扇区测量结果的LUT角测量结果。
14．根据权利要求13的方法，其中存储于LUT中的天线信号测量值为多扇区天线对之间的测量差值。
15．根据权利要求14的方法，其中第一扇区对的测量差值对应从大约0°到大约120°，第二扇区对的测量差值对应从约120°到大约240°，而第三扇区对的测量差值对应从约240°到大约360°。
16．根据权利要求1的方法，其中一个由单个基站接收的信号用于确定该无线移动设备的位置。
17．根据权利要求1的方法，其中由两个基站接收的信号用于确定该无线移动设备的位置。
18．一种使用单个基站信号测量结果来确定无线移动设备位置的装置，包括一个信号确定装置，用于确定该无线移动设备和一个多扇区天线之间距离，该多扇区天线属于一个基站并从该无线移动设备接收信号；以及一个位置计算器，用于使用不同天线扇区信号测量值来确定该信号的到达角，并且用于基于确定后的距离和接收信号的角度由接收信号确定该无线移动设备的位置。
19．根据权利要求18的装置，其中信号确定装置从该接收信号的往返行程时延(RTD)确定距离。
20．根据权利要求18的装置，其中该距离从该接收信号的单向时延确定。
21．根据权利要求20的装置，其中单向时延基于该无线移动设备和具有参考第三源的基站确定。
22．根据权利要求21的装置，其中第三源为全球定位卫星。
23．根据权利要求18的装置，其中位置计算器从三个不同天线扇区接收该接收信号的测量值。
24．根据权利要求18的装置，还包括一个存储器，用于存储来自多扇区天线的接收信号的天线扇区测量值，其中不同天线扇区信号测量值的一个组合对应一个角测量值。
25．根据权利要求24的装置，其中该位置计算器接收来自三个不同天线扇区的接收信号测量值。
26．根据权利要求24的装置，其中该到达角是从两天线扇区信号测量值之差确定的。
27．根据权利要求24的装置，其中两不同天线扇区测量值的每个组合对应一个不同的角测量值。
28．根据权利要求27的装置，其中位置计算器接收来自三个不同天线扇区的接收信号测量值。
29．根据权利要求24的装置，其中存储器存储跨度角从0°到360°的天线扇区测量值。
30．根据权利要求24的装置，其中该存储器包括一个查阅表(LUT)。
31．根据权利要求30的装置，其中存储在LUT中的天线信号测量值为多扇区天线对之间的测量差值。
32．根据权利要求31的装置，其中第一扇区对的测量差值对应从大约0°到大约120°，第二扇区对的测量差值对应从约120°到大约240°，而第三扇区对的测量差值对应从约240°到大约360°。
33．根据权利要求18的装置，其中一个由单个基站接收的信号用于确定该无线移动设备的位置。
34．根据权利要求18的装置，其中由两个基站接收的信号用于确定该无线移动设备的位置。
全文摘要
仅使用单个基站的测量结果确定一个无线移动设备的位置和地点。该无线移动设备和该基站之间的距离利用从无线移动设备接收的RF上行链路信号的往返时延计算。此后,使用从多扇区天线的多个天线扇区的每个扇区的接收信号测量值来确定该接收信号的到达角,该到达角基于存储的多扇区天线的天线信号测量值确定,其中不同扇区信号测量值的一个组合对应一个单角测量值。利用确定后的距离和到达角,只使用单个基站的测量结果就能很容易地定位一个无线移动设备。
文档编号G01S3/32GK1291062SQ00129278
公开日2001年4月11日 申请日期2000年9月30日 优先权日1999年10月5日
发明者伊布拉西姆·泰肯, 陈华, 江同庆 申请人:朗迅科技公司