缩放的TDOA3D定位的制作方法
相关申请
此申请要求保护2018年2月21日提交的序列号为62/633,287的临时专利申请的权益，该申请的公开由此通过引用以其整体并入本文中。
本公开涉及蜂窝通信网络中的无线装置定位。
背景技术：
由于第五代（5g）定位技术的标准化尚未最终确定，因此长期演进（lte）系统用于描述常规技术和解决方案中的一些。用于5g的解决方案预期是类似的，并且因此本描述不应被看作对第四代（4g）lte系统的限制。
i.对于到达时间差（tdoa）定位的需要和新联邦通信委员会（fcc）要求
为了理解本公开的背景，需要回顾由美国fcc批准的新e-911定位要求。fcce-911紧急定位要求批准在美国由蜂窝运营商必须满足的定位性能。为了解决蜂窝室内业务量的增加，fcc在2015年2月收紧了其要求，以规定：
对于气压测量报告的支持已在第14版的lte4g蜂窝系统中引入。需要记住的是，最初由fcc推动的竖直准确度要求讨论要求对于大多数e-911定位尝试，竖直不准确度小于3米。由于最终值仍未知，因此3米要求作为一个工作假设保留在此。对于3米要求的根本原因是需要指出用户在高层建筑内的楼层。
由于全球定位系统（gps）接收器在今天的蜂窝电话中广泛可用，人们可能会问，为什么存在对于tdoa定位的需要。原因例如包括如下事实：基于卫星的定位（像gps和辅助gps（a-gps））在室内具有非常差的可用性；那么，例如，e-911定位就要求其它高精度方法。只有基于tdoa的定位方法具有这种高精度的潜力。其次，在合法拦截的情况下，恐怖分子和其他犯罪分子很可能关闭基于卫星的定位服务，以避免拦截。然而，当他们的电话保持接通时，蜂窝网络可通过应用基于tdoa的定位来获得他们的位置。
ii.定位技术概述
a.lte的定位架构
由于在撰写本公开时5g定位标准化还没有接近最后确定，因此在此简要回顾一下lte系统的定位架构。定位架构被认为在当前正在标准化的5g蜂窝系统中变得类似。
任何定位架构中的三个重要网络元件是位置服务（lcs）客户端、lcs目标和lcs服务器。lcs服务器是物理或逻辑实体，它通过获得测量结果和其它位置信息、提供辅助数据以辅助用户设备（ue）进行测量以及计算或验证最终位置估计来管理对于lcs目标装置的定位。出于获得一个或多个lcs目标（即被定位的实体）的位置信息的目的，lcs客户端是与lcs服务器进行交互的软件和/或硬件实体。lcs客户端可驻留在lcs目标本身中。lcs客户端订阅（subscribeto）lcs以获得位置信息，而lcs服务器处理并服务接收到的请求并将定位结果例如发送到lcs目标。根据定位方法，可基于由lcs目标接收和/或从其传送的无线电信号来获得位置。从lcs目标传送的无线电信号通常由增强或演进的节点b（enb）接收，并且被lcs目标接收到的无线电信号通常从enb或卫星传送。然而，为了进一步增强基于由lcs目标接收到的无线电信号的定位方法，可部署附加的地面信标系统（tbs）。tbs由基于地的传送器的网络组成，仅出于定位目的而广播信号。信号包括非lte城域信标系统（mbs）信号以及lte定位参考信号（prs），这些信号对应于两种不同的信标类型。为了增强基于从lcs目标传送的无线电信号的定位方法，可以以独立的方式部署附加的位置测量单元（lmu）。lmu也可与enb协同定位或集成到enb中。lmu的目的是要对由lcs目标传送的上行链路无线电信号执行测量并将测量结果报告给lcs服务器。
在lte版本9中，专门对两个新协议进行了标准化以支持定位，所述两个新协议即lte定位协议（lpp）和lte定位协议附件（lppa）。lpp是为了定位目标装置使用的在lcs服务器和lcs目标装置之间的点对点协议。已经规定了以下事务：能力转移过程（请求/提供消息）、辅助数据转移过程（请求/提供消息）和位置信息转移过程（请求/提供消息）。可连续地（inseries）和/或并行地（inparallel）使用前述类型中的任何类型的多个lpp过程。由控制平面和用户平面定位解决方案两者使用lpp。仅针对控制平面定位过程规定了lppa。然而，通过用户平面和控制平面互通，lppa还能通过向enb询问与ue连接无关的enb测量结果和信息来辅助用户平面解决方案。在lte版本11中引入了lmu与lcs服务器之间的slm接口上的另一定位协议slmap，以支持上行tdoa（u-tdoa）。
为了支持lcs，在lte控制平面架构中必须存在至少两个功能节点：演进的服务移动位置中心（e-smlc），其控制定位移动装置所要求的资源的协调和调度；和网关移动位置中心（gmlc），其控制位置数据的递送、用户授权、计费及更多。在ue和e-smlc之间的lte-uu接口上使用无线电资源控制（rrc）作为传输、在s1-mme接口上使用s1-ap、并且在enb和e-smlc之间的sl接口上使用lcs应用协议（ap），将lpp消息透明地传送到移动性管理实体（mme）。lppa进行lppa定位。
用于定位相关信息的信息转移过程。lppa对mme也是透明的，该mme在s1-mme和sl接口上透明地路由lppa分组，而不知道所涉及的lppa事务。在图1中示出了用于控制平面的lte定位架构。为了描述架构的操作，考虑其中mme接收到对于与特定lcs目标（例如，ue）关联的某个lcs的定位请求的情况。然后，mme在lcs-ap位置请求消息中将lcs请求发送到e-smlc。e-smlc处理位置服务请求以执行目标ue的定位。然后，e-smlc将位置服务的结果返回给mme。
一般来说，在对控制平面和部署的网络的影响尽可能小的情况下，安全用户平面定位（supl）支持和补充控制平面协议，以能够实现基于位置的服务（lbs）支持。在图2中示出了lte用户平面定位架构。supl将已建立的数据承载信道（即，lte用户平面）和定位协议（即，lpp）用于在lcs目标和lcs服务器之间交换定位相关的数据。在一般用户平面协议栈中，supl占据了应用层，其中lpp作为supl之上的另一层传输。在建立传输控制协议（tcp）/因特网协议（ip）连接并发起supl并且然后发起lpp会话之后，lpp消息流可与lpp的控制平面版本中的相同，只是其中supl启用的终端（set）作为lcs目标，而supl位置平台（slp）作为lcs服务器。slp实现了supl位置中心（slc）和supl定位中心（spc）的功能，其中后者被集成在e-smlc中或用专有接口附接到它。slc系统协调supl在网络中的操作并在用户平面承载上与set交互时实现以下supl功能：隐私功能、发起功能、安全功能、漫游支持、计费功能、服务管理和位置计算。spc支持以下supl功能：安全功能、辅助递送功能、supl参考检索功能（例如，从gps参考网络中检索数据）和supl位置计算功能。
b.空中接口资源网格（grid）和prs
4g和5g空中接口两者都采用所谓的正交频分复用（ofdm）接入（ofdma）传输方案的变体。这些方案在时频网格上操作。在频域中，带宽被分成所谓的子载波（subcarrier）。在4glte系统中并且在低载波频率（15千赫（khz）以及可能的30khz）下，使用子载波间距。在高毫米波（mmw）载波频率下，子载波间距通常可以是120khz或240khz。在时域中，传输被组织成所谓的ofdma符号。在lte中，在每毫秒（ms）中有14个ofdm符号，而5g标准中的亚毫秒时间间隔也占用了14个ofdma符号。图3中描绘了lte下行链路的时频网格的示例部分。
图3描绘了prs的位置。这些信号是已知的导频信号（pilotsignal），根据所述导频信号接收器能测量例如到达时间（toa）。这对于本公开是至关重要的，因为toa是所公开的新定位方法背后的测量。
在lte上行链路中，这些toa测量相反是在传送的探测参考信号（srs）上完成的。
在5g系统中，prs的定义尚未最终定义；然而，它们将需要基于与lte4g系统中类似的考虑。
c.定位信息的信令
定位结果是对获得的测量结果进行处理的结果，包括小区标识符（id）、功率级别（powerlevel）、接收信号强度等，并且它可以以预定义格式之一在节点之间交换。发信号通知的定位结果以与所谓的地理区域描述（gad）形状之一对应的预定义格式来表示。其它格式（例如，字符串地址格式）也是已知的。
在lte中，定位结果可在以下项之间发信号通知：
有七种gad形状。多边形形状将在下一小节中讨论，其中描述了小区标识符（cid）定位方法。其它六种格式是：
d.cid定位
所有的蜂窝系统都被分成由一个特定基站服务的小区。每个基站可服务多于一个小区。从定位和导航的角度来看，重要的一点是，其中特定ue位于的小区在蜂窝系统中是已知的。因此，在确定由特定小区覆盖的地理区域之后，可声明，ue位于所述地理区域内的某处，只要它被连接并且服务小区的报告的小区身份等于特定地理区域的小区身份即可。
在多个系统中，小区的地理扩展的优选表示由小区多边形格式给出。小区扩展由本身不相交的封闭多边形的3-15个角来描述。格式是二维的（2d），并且角被确定为wgs84地理参考坐标系中的经度和纬度对，对于细节参见图4和图5。多边形格式是本公开的焦点。
e.增强的cid（e-cid）定位
e-cid方法利用位置信息的四个源：服务小区的cid和对应地理描述、服务小区的ta、小区的cid和对应信号测量（在lte中多达32个小区，包括服务小区）以及到达角（aoa）测量。以下技术通常被用于e-cid：
在5g系统中，大型天线阵列有望变得普遍。这暗示，与目前的系统相比，aoa的精确度将显著提高。此外，改进的分辨率将在方位角和仰角两者上都可用。这意味着，对于小型5g小区，将有可能找到从基站到ue的非常准确的方向。在5g中，无线电带宽也将增加，其结果是增加的时间分辨率。这种改进带来了对应更好的范围不准确度。当在5g中组合aoa和ta信息时，将因此变得有可能确定ue位于的小体积，可能其中在所有维度上只有几米的不准确度。这意味着在小型5g小区中室内和室外可能都满足e-911要求。然而，对于大型农村小区，这不再成立，因为aoa的不准确度随着从基站到ue的距离而线性缩放。
f.自适应增强型cid指纹识别（fingerprinting）
指纹识别定位算法通过为覆盖无线电接入网（ran）的精细坐标网格的每个点创建无线电指纹来操作。指纹识别方法通常未标准化，并且依赖于例如针对e-cid、otdoa等收集的测量结果，或者甚至是最初出于定位以外的其它目的而收集的测量结果。
在lte中，指纹可例如由以下项组成：
每当定位方法的位置请求到达时，首先测量无线电指纹，之后查找并报告对应的网格点。这当然要求该点是唯一的。
指纹识别的位置的数据库（无线电地图）可通过几种方式生成。第一种备选将是要执行广泛的勘测（surveying）操作，该操作针对ran的所有坐标网格点重复执行指纹识别无线电测量。这种方法的缺点包括：
另一种方法是要用机会的高精度位置测量（highprecisionpositionmeasurementofopportunity）代替精细网格，并为所述点提供指纹识别无线电测量。这避免了上述缺点，然而：
上面两个问题由先前的关于自适应e-cid（aecid）定位方法的专利解决了。这在下面进一步描述。
对本公开特别重要的是具有海拔高度信息的aecid的扩增。美国专利no.8,892,124公开了能如何使用aecid算法向多边形提供扩增到每个角的海拔高度信息。这是本公开的起点。此外，美国专利no.8,170,582公开了具有扩增海拔高度的多边形的报告格式细节和信令方面。
g.辅助全球导航卫星系统（a-gnss）
a-gps定位是gps的增强。对于配备了能够接收全球导航卫星系统（gnss）信号的无线电接收器的ue，a-gps是在lte中支持的a-gnss定位方法的子集。a-gnss卫星系统的示例包括gps、现代化gps、伽利略、全球导航卫星系统（glonass）和北斗。如今，基于卫星的系统（像a-gps）的操作已众所周知，并且可在许多教科书中学习。
h.tdoa定位
tdoa定位是用于本公开的原理，并且因此下面提供了对tdoa定位的更广泛描述。
iii.tdoa定位
a.otdoa
下行链路otdoa方法依赖于来自多个基站的测量（在lte中通常依赖于prs，见上文）。通过与在其上测量的基站的已知信号的相关性来执行测量。在图6中描绘了这种情况。
假设对于多个小区，测量是成功的，在图6中描绘了其中三个，终端中测量的toa、来自基站（lte中的enb）的传输时间以及终端与基站之间的距离之间的以下关系如下：
在此，ttoa，i，i=1，…，n指代终端中测量的toa，ti，i=1，…，n指代来自enb的传输时间，并且c是光速。粗体量是基站和终端的（向量）位置。b时钟指代终端相对于蜂窝系统时间的未知时钟偏差。现在，在tdoa定位中，相对于自身站点的toa差异是根据以下方程形成的：
注意，差异的形成消除了b时钟。在上面的n-1个方程中，假如能测量传输时间差（表示为实时时间差），则左手边是已知的（带有一些附加的测量误差）。这正常情况下是用专用的lmu实现的（见上文）或通过其它过程实现的。另外，基站的位置ri，i=1，…，n，能被勘测到几米之内，并且因此它们也是已知的。仍保持未知的是终端位置，即：
在更常见的情况下，执行2d定位，相反未知的位置是：
接下来是需要至少三个toa差以便找到三维（3d）终端位置，并且需要至少两个toa差以便找到2d终端位置。这又意味着，对于3d终端定位，需要检测至少四个站点，并且对于2d终端定位，需要检测至少三个站点。在实践中，如果收集到更多的测量并引入了最大似然解，则可改进准确度。在只检测到最小数量的站点的情况下，也可能有多个（错误的）解决方案。
otdoa方法属于一组高精度方法，然而，不准确度远大于a-gnss的不准确度。otdoa的主要优点是，它也能在室内提供高精度定位，这是a-gnss的可用性非常有限的情况。
b.u-tdoa
u-tdoa方法与otdoa方法的不同之处在于，导频信号是由ue传送的，其中toa测量是在多个基站中执行的。典型地，srs被用作导频信号。位置计算以与otdoa方法相同的方式执行。因此，otdoa和u-tdoa两者都由本公开处置。
c.混合定位
本公开公开了一种用于混合定位的新方法；因此，下面讨论tdoa混合定位方法的现状。
iv.混合tdoa定位
a.tdoa定位方面
在许多农村定位地形中，地貌相对平坦。这意味着基站位于几乎相同的水平面上。这种水平几何形状使得难以估计ue的竖直位置坐标，导致tdoa定位方法的大的竖直不准确度。
另一个方面是，在农村地区基站的密集部署通常不经济。结果，站点间距离变大。这影响了移动设备（mobile）检测邻居基站传输的可能性，并且它影响了邻居基站接收ue传输的可能性。结果，otdoa和u-tdoa两者都遇到问题，因为很少有tdoa能被用于位置计算。有时这个数字只有两个，在这种情况下，只有水平位置计算是可能的。
b.混合tdoa定位
感兴趣的混合tdoa定位方法在美国专利no.7,203,499中被公开。在该专利中，公开了一种方法，该方法用横向坐标的预确定函数替换tdoa方程的未知竖直位置，由此将tdoa方程简化为仅依赖于两个横向未知ue坐标。在已经确定了这些未知量之后，评估预确定函数以获得竖直坐标。强调的是，美国专利no.7,203,499没有规定该函数，它声明，地理信息系统（gis）（即典型的地图）被用于定义横向坐标的函数。
c.竖直表面建模
感兴趣的竖直表面建模也需要讨论。相关公开是美国专利no.7,676,232，其公开了一种表面建模方法，其中多边形格式是起点。然后，地图数据被用于提取每个角点的海拔高度，所述海拔高度然后能被编码为第三代合作伙伴计划（3gpp）点，并且用多边形来扩增。这个信息然后通过接口发信号通知。在接口的另一端，然后例如用最小二乘技术，计算竖直函数（像前一节所讨论的竖直函数）。
技术实现要素：
本文中公开了涉及蜂窝通信系统中的定位的系统和方法。在一些实施例中，一种用于确定蜂窝通信网络中无线装置的三维（3d）位置的方法包括获得对于无线装置的多个测量结果，其中多个测量结果是到达时间差（tdoa）相关的测量结果。该方法进一步包括使用多个测量结果和竖直表面模型来计算无线装置的3d位置，其中竖直表面模型是初始竖直表面模型的平移的（translated）和缩放的（scaled）版本。新竖直表面模型在它被用于确定无线装置的3d位置之前,提供了初始竖直表面模型到合适范围的平移和缩放，使得例如在大型农村小区中改进了准确度。
在一些实施例中，针对所述蜂窝通信网络中的一个或多个小区中的每个小区j，所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都是在表示所述小区j的多边形内部的点处的海拔高度z的模型。另外，在一些实施例中，所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都基于水平面中所述多边形的用所述多边形的每个角的竖直信息扩增的多边形角。另外，在一些实施例中，所述竖直表面模型进一步基于平移向量和缩放矩阵。另外，在一些实施例中，所述竖直表面模型进一步基于所述多边形的扩增角之间的3d线段上的虚拟点。
在一些实施例中，所述竖直表面模型被定义为：
其中：
其中p（j）和q（j）各是双标称次数（bi-nominaldegree）；
其中x̃i,j、ỹi,j和z̃i,j分别是表示竖直表面模型中的小区j的所述多边形的每个第i缩放的多边形角的笛卡尔x坐标、笛卡尔y坐标和海拔高度值，其中：
并且：
另外，在一些实施例中，平移值和缩放因子被定义为：
其中m（j）是小区j的多边形角的数量，并且cx、cy、cz是缩放常数。
在一些实施例中，所述方法由定位节点执行。
在一些其它实施例中，用于确定蜂窝通信网络中的小区的平移和缩放的竖直表面模型的方法包括：获得蜂窝通信网络中的小区的初始竖直表面模型，以及平移和缩放初始竖直表面模型以提供新竖直表面模型。在一些实施例中，该方法进一步包括使用新竖直表面模型。在一些实施例中，使用新竖直表面模型包括使用所述新竖直表面模型来计算无线装置的3d位置。
在一些实施例中，针对每个小区j，所述新竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都是在表示所述小区j的多边形内部的点处的海拔高度z的模型。另外，在一些实施例中，所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都基于水平面中所述多边形的用所述多边形的每个角的竖直信息扩增的多边形角。另外，在一些实施例中，平移和缩放初始竖直表面模型以提供所述新竖直表面模型包括基于平移向量和缩放矩阵来平移和缩放所述初始竖直表面模型。另外，在一些实施例中，新竖直表面模型进一步基于所述多边形的扩增角之间的3d线段上的虚拟点。
在一些实施例中，所述竖直表面模型被定义为：
其中：
其中p（j）和q（j）各是双标称次数；
其中x̃i,j、ỹi,j和z̃i,j分别是表示竖直表面模型中的小区j的所述多边形的每个第i缩放的多边形角的笛卡尔x坐标、笛卡尔y坐标和海拔高度值，其中：
并且：
在一些实施例中，由x̃i,j、ỹi,j和z̃i,j表示的缩放的多边形角包括竖直表面模型的多边形角之间的一个或多个3d线段上的一个或多个虚拟点。另外，在一些实施例中，平移值和缩放因子被定义为：
其中m（j）是小区j的多边形角的数量，并且cx、cy、cz是缩放常数。
在一些实施例中，所述方法由定位节点执行。
还公开了定位节点的实施例。
附图说明
并入本说明书中并形成其一部分的所附附图示出了本公开的几个方面，并且与描述一起用于解释本公开的原理。
图1示出了控制平面的长期演进（lte）定位架构；
图2示出了lte用户平面定位架构；
图3示出了描绘定位参考信号（prs）的位置的lte下行链路的时频网格的示例部分；
图4示出了给出小区的地理扩展的示例小区多边形格式；
图5示出了用于表示小区多边形的示例数据结构；
图6示出了观测的到达时间差（otdoa）；
图7示出了可实现本公开实施例的蜂窝通信网络的一个示例；
图8至图11提供了如本文中所公开的新缩放和平移的表面模型的性能的图示；
图12示出了根据本文中描述的实施例中的至少一些实施例的方法；
图13是图12的过程的一个示例实现的性能的图示；
图14示出了本公开的新架构方面；
图15示出了根据本文中描述的实施例中的至少一些实施例的方法；
图16至图18示出了无线电接入节点的示例实施例；以及
图19和图20示出了用户设备装置（ue）的示例实施例。
具体实施方式
下面阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例的信息，并且说明了实践实施例的最佳模式。在根据所附的附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到本文中未特别提出的这些概念的应用。应该理解，这些概念和应用落在本公开的范围内。
一般来说，本文中使用的所有术语都要根据它们在相关技术领域中的普通含义来解释，除非从在其中使用它的上下文中清楚地给出和/或暗示了不同的含义。对一（a/an）/该（the）元件、设备、组件、部件、步骤等的所有引用都要开放式地解释为涉及该元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确声明。本文中公开的任何方法的步骤不必按照公开的确切顺序来执行，除非步骤被明确描述为在另一个步骤之后或之前，和/或其中暗示一步骤必须在另一步骤之后或之前。在任何适当的情况下，本文中公开的实施例中的任何实施例的任何特征都可应用于任何其它实施例。同样，实施例中的任何实施例的任何优点都可应用于任何其它实施例，并且反之亦然。根据以下描述，所附实施例的其它目的、特征和优点将显而易见。
现在将参考附图更全面地描述本文中设想的实施例中的一些实施例。然而，在本文中公开的主题的范围内含有其它实施例，所公开的主题不应被解释为仅限于本文中阐述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的，以向本领域技术人员传达主题的范围。
无线电节点：如本文中所使用的，“无线电节点”是无线电接入节点或无线装置。
无线电接入节点：如本文中所使用的，“无线电接入节点”或“无线电网络节点”是蜂窝通信网络的无线电接入网络（ran）中的任何节点。无线电接入节点的一些示例包括但不限于：基站（例如，第三代合作伙伴计划（3gpp）第五代（5g）新空口（nr）网络中的nr基站（gnb）或3gpp长期演进（lte）网络中的增强或演进的节点b（enb）、高功率或宏基站、低功率基站（例如，微基站、微微基站、归属enb等）以及中继节点。
核心网络节点：如本文中所使用的，“核心网络节点”是核心网络中的任何类型的节点。核心网络节点的一些示例包括例如移动性管理实体（mme）、分组数据网络网关（p-gw）、服务能力开放功能（scef）等。
无线装置：如本文中所使用的，“无线装置”是通过向（一个或多个）无线电接入节点无线传送和/或接收信号而有权接入到蜂窝通信网络（即由其服务）的任何类型的装置。无线装置的一些示例包括但不限于3gpp网络中的用户设备装置（ue）和机器类型通信（mtc）装置。
网络节点：如本文中所使用的，“网络节点”是作为蜂窝通信网络/系统的核心网络或ran的一部分的任何节点。
注意，本文中给出的描述集中在3gpp蜂窝通信系统，并且因此，经常使用3gpp术语或类似于3gpp术语的术语。然而，本文中公开的概念不限于3gpp系统。
注意，在本文中的描述中，可能提及术语“小区”；然而，特别是关于5gnr概念，可使用波束来代替小区，并且因此，重要的是要注意，本文中描述的概念同样适用于小区和波束两者。
当前存在关于蜂窝通信系统中定位的某个（某些）挑战。特别是，没有能在覆盖丘陵地带的大型农村小区中提供满足e-911要求的三维（3d）准确度的已知的到达时间差（tdoa）定位方法，在所述丘陵地带站点是粗略分布的。这也影响了合法拦截可能性，因为辅助全球导航卫星系统（a-gnss）能在移动设备中关闭，这是犯罪分子所熟知的。在本公开中提出的混合tdoa方法公开了一种有解决该问题的潜力的定位方法。
此外，美国专利no.7,203,499的使用地理信息系统（gis）信息的混合定位方法没有考虑横向变量的缩放或平移，其原因在下面被列出。也没有任何其它这样的已知方法。因此，美国专利no.7,203,499的方法不能以简单直接的方式与本公开所公开的表面建模技术一起使用。
此外，美国专利no.7,676,232的表面建模解决方案基于横向x和y坐标中的表面的双多项式（bi-polynomial）模型。这个模型的系数确定了多边形内部的竖直模型。然而，每当x、y和z的变化远离0时，确定参数的最小二乘（ls）问题的解变得病态，接近奇异（singular），并且产生非常差的解。此外，如果多边形角的均值很大，这个问题会被放大，在实际系统中致使严重的准确度问题，其中所述变化远离零。在现有解决方案中没有提到或解决这个问题。
更进一步说，美国专利no.7,676,232的表面建模解决方案是从地图（即，gis系统）获得多边形角的海拔高度信息。在没有gis系统可用的情况下，现有技术表面建模方法因此不能使用。
如由本公开所示，该问题的解决方案是要在解决该问题之前将位置变量平移和缩放到合适的范围。为了进一步改进，可引入多边形边界上的附加点。为了将所有需要的信息发信号通知给例如在ran、核心网络和最终用户中计算ue位置的节点，还需要发信号通知关于缩放、平移和附加点的信息。然而，没有标准化的报告格式或提议的扩增报告格式支持该需要。
在5g中，有可能位置计算可移动到云并分布在云内。然而，在现有解决方案中没有定义虑及（allowfor）发信号通知扩增有海拔高度的多边形信息连同缩放、平移和附加点参数的信令。
本公开及其实施例的某些方面可提供对前述或其它挑战的解决方案。本公开公开了解决上面的问题的方法。存在两个问题，即（i）缺乏具有所需功能性的混合tdoa方法和（ii）缺乏对优选信令的支持。第一个问题由本公开解决，第二个问题由美国临时专利no.62/633,251解决，该专利是题为“signalingofscaled3dpositioninformation”的pct申请no.[p74279wo1]的优先权文件。注意，由本公开和平行公开解决的第一个和第二个问题的解决方案可单独使用（即，各以独立的方式）或组合使用。
本公开详细公开了：
1.一种用于对多边形内部的竖直坐标进行建模的新表面建模方法，该方法基于水平面中的用每个多边形角的竖直信息扩增的多边形角、平移向量和缩放矩阵以及在扩增角点之间的3d线段上的虚拟点。
2.一种基于上面项1的表面模型的新tdoa混合位置计算方法。
3.一种新定位方法架构，其中通过前面的自适应增强型小区身份（aecid）3d多边形计算步骤来获得具有用竖直信息扩增的角的多边形。
下面详细描述了这些方面中的每个。
图7示出了其中可实现本公开实施例的蜂窝通信网络700的一个示例。在本文中描述的实施例中，蜂窝通信网络700是lte或5gnr网络，但是本公开不限于此。在此示例中，蜂窝通信网络700包括基站702-1和702-2，它们在lte中被称为enb并且在5gnr中被称为gnb，它们控制对应的宏小区704-1和704-2。基站702-1至702-2在本文中通常被统称为基站702，并且被单独称为基站702。同样，宏小区704-1和704-2在本文中通常被统称为宏小区704，并且单独称为宏小区704。蜂窝通信网络700还可包括控制对应的小型小区708-1至708-4的多个低功率节点706-1至706-4。低功率节点706-1至706-4可以是小型基站（诸如微微或毫微微基站）或者远程无线电头端（rrh）等。值得注意的是，虽然未示出，但是小型小区708-1至708-4中的一个或多个可备选地由基站702提供。低功率节点706-1至706-4在本文中通常被统称为低功率节点706，并且被单独称为低功率节点706。同样，小型小区708-1和708-4在本文中通常被统称为小型小区708，并且被单独称为小型小区708。基站702（以及可选的低功率节点706）被连接到核心网络710。
基站702和低功率节点706向对应的小区704和708中的无线装置712-1至712-5提供服务。无线装置712-1和712-5在本文中通常被统称为无线装置712，并且被单独称为无线装置712。无线装置712在本文中有时也被称为ue。
虽然未示出，但是蜂窝通信网络700包括定位节点（例如，lte中的演进的服务移动位置中心（e-smlc）或5g中的类似定位节点），并且在一些实施例中，包括其它节点，诸如例如，在无线电接入网络或核心网络中托管定位数据库的节点。另外，在一些实施例中，蜂窝通信网络700可连接到公共安全应答点（psap）或其它应急中心、基于云的定位数据库，其中这些节点可被认为是或可不被认为是蜂窝通信网络700的一部分。
如下面所述，本文中公开了与ue（例如，无线装置712）的定位相关的系统和方法。值得注意的是，本公开的一些方面可由网络节点执行或在网络节点中实现，该网络节点在本文中可被称为定位节点。虽然在撰写本公开时5g定位标准化还没有接近完成，但是5g中的定位架构可例如类似于在3gpplte中使用的定位架构。
i.新缩放和平移表面模型
a.新缩放和平移表面模型的描述
在一些实施例中，提供了一种生成新（缩放的和平移的）表面模型的方法。该方法的描述首先定义了未缩放的表面建模算法，在这之后引入了平移、缩放和附加点。附加点在本文中也被称为多边形的虚拟角，或虚拟多边形角。
首先选择以下未缩放的双多项式竖直表面模型，
其中z是海拔高度，p（j）是双标称次数，q（j）是另一个双标称次数，dl,m,j是表面模型中的未知数，并且x和y是二维（2d）位置变量。注意，模型在此被假设为笛卡尔坐标系，即从经纬度系统变换到本地（local）笛卡尔坐标系，例如其中x轴指向东、y轴指向北、以及z轴指向上、并且其中原点位于用于定义纬度和经度的全球椭球地球模型上的某处。上面的模型在确定表面的未知数dl,m,j中是线性的。这些未知数将根据定义多边形角的点来确定。为此，注意，上面的表面模型能被写为：
这些方程采用线性回归形式，并且因此ls建模是适用的。假设多边形的点数满足m（j）≥（p（j）+1）（q（j）+1），其中m（j）是多边形的角数。然后，至少有和未知一样多的数据点，并且ls问题正常情况下是非奇异的。为了详细制定ls解决方案，将ls建模误差定义为：
相对于dj对误差进行微分并使结果等于0，得到以下ls估计：
小区内部点的海拔高度从下式获得：
如上所述，ls算法在接近笛卡尔坐标系的原点时工作很好，但是当x、y和z的数值变大时，它不能很好地工作。
在此公开的一种解决方案是要对每个小区j应用坐标改变，从而将表面建模问题平移回数值特性良好的情况。为此，变换可能例如从m重新缩放到km，或者使用每个维度中两个多边形角之间的最大距离。作为第一步，需要减去多边形角的3d均值，以将小区多边形平移到以零为中心。所得到的缩放方法然后可依据如下缩放的角变量来定义：
缩放变换然后变成：
其中：
注意，在一些实施例中，由x̃i,j、ỹi,j和z̃i,j表示的缩放的多边形角包括竖直表面模型的多边形角之间的一个或多个3d线段上的一个或多个虚拟点。另外，平移值和缩放因子被定义为：
在此，m（j）是小区j的角数，cx、cy、cz指代可用于调谐的缩放常数，
其中（如从上面定义的ls问题自然得出）：
为了在原始坐标中使用该结果，反向变换导致原始扩增多边形的以下内部表面模型：
该最终结果对解决蜂窝网络中的实际问题有用。在p（j）=q（j）=3的情况下，需要16个角来避免奇异ls问题，导致需要在多边形边界上添加点。数值实验还显示，在多边形角之间的3d线段上的附加多边形边界点的扩增问题能提供显著改进的内部表面模型。因此，建议为扩增多边形的每个3d线段引入一个或几个等距的附加点。注意，这些点是由扩增多边形格式编码的信息唯一定义的，并且因此不要求附加的信令。
需要记住的是，还能使用在边界上添加点的其它方案。在平行公开中对此进行了处置。
b.性能说明
为了获得给出的建议方法准确度的指示，在图8的人工地形上建立了农村10个小区几何形状。该地形旨在对沿海地区建模，其中零海拔高度代表海平面。这代表附加的建模困难，因为小区中的一些既覆盖海洋又覆盖丘陵地带。这些小区用叠加的3d线描绘。然后使用ls算法来计算每个小区的3d表面，根据上述描述应用缩放。使用了一种简化的方法，其中水平缩小1000倍，而竖直缩小100倍。以角之间的连接线段为中心的附加边界点被用于正则化，并且双多项式次数被选择为p（j）=q（j）=3，j=1，…，10。有希望的结果被描绘在图9中。为了进一步使性能可视化，在覆盖图8地形的网格上计算竖直误差。竖直误差可通过在真实海拔高度和由表面模型获得的海拔高度之间进行比较直接获得。结果被描绘在图10中。仅针对每个多边形内部的点计算了由图11的累积分布函数（cdf）描绘的统计结果。如能看到的，所提出的建模方法极为准确，并且将最大竖直误差减少了大约80%。对于经处理的地形，在几乎50%的小区覆盖范围内，竖直最小均方差（mmse）小于3米。这指示，由新方法能满足联邦通信委员会（fcc）e-911定位要求，在相当困难的场景下也能。
ii.新tdoa算法
a.算法
本节描述可如何使用计算的3d表面信息来增强tdoa定位方法的准确度，在此考虑其上行链路tdoa（u-tdoa）方法。tdoa方法遭受至少两个问题。首先，例如由于非视线（n-los）无线电传播，需要检测超过对于2d定位所要求的三个和对于3d定位所要求的四个的附加基站，以区分离群值（outlier）。其次，差的竖直精度因子（vdop）经常放大竖直测量误差。3d表面模型被用于减轻这两个问题和/或通过以下优化问题的公式化（formulation）仅用三个所涉及的站点来能够实现3d定位：
在此，
图12示出了根据本文中描述的实施例中的至少一些实施例的方法。该方法可由定位节点（例如，lte中的e-smlc或5g中的对应定位节点）来执行。如图所示，获得测量结果（步骤1200）。这些测量结果包括对于基站k=1，…，n在无线装置（例如，移动装置）中观测到的时间差
接下来，如上所述，使用新tdoa算法来计算无线装置的3d位置（步骤1202）。换句话说，使用tdoa方案来计算无线装置的3d位置，该方案使用本文中描述的新（缩放的和平移的）竖直表面模型。如上所讨论的，新竖直表面模型可表示为：
可选地，无线装置的3d位置被提供给另一个节点（例如，步骤1204）。
b.性能说明
通过由tdoa方程引入的耦合，竖直误差导致附加的水平误差。为了解决这些误差，所提出的新缩放tdoa定位方法的性能通过与用于说明表面建模性能的相同排版（typography）进行评估。为了估算与表面建模相关的性能界限，没有检测被丢弃，并且在所有情况下都假设无测量误差的视线（los）无线电传播。结果根据图13的cdf绘制，该图使用100兆赫（mhz）带宽和4e-8的时间分辨率来说明实时差异和在ue中测量的toa的差异形成。
iii.新架构方面
本公开的最后的特征化特点与多边形的生成有关，其中用海拔高度信息扩增角。在现有解决方案中，已经假设gis系统（即，地图）提供这种信息。本节给出了一种架构，其通过应用aecid指纹识别算法的原始版本，避免了对gis系统的需要。在图14中描绘了该架构。
第一步骤是要用aecid方法产生3gpp多边形。然后，上面列出的该方法的扩展被用于将海拔高度信息扩增到水平多边形的每个角，从而产生本公开的表面建模方法所需的输入。在aecid数据库中存储并不断更新扩增的多边形。然后，可不断运行本公开的表面建模算法，创建能存储在与aecid数据库关联的数据库中的表面模型。在缩放的tdoa方法的优化期间，从表面模型数据库中提取所需的包括缩放参数的表面模型参数，并将其用于ue位置估计的运行计算中。
注意，所有这些功能性都可由定位节点执行。在它应被分布（distribute）的情况下，相关3gpp接口上的信令标准化需要就位（inplace）。
iv.示例过程
图15示出了根据本文中描述的实施例中的至少一些实施例的方法。该方法可由定位节点执行，或者跨两个或更多网络节点分布。如图所示，获得初始表面模型（例如，常规表面模型，诸如上述未缩放的表面模型）（步骤1500）。接下来，初始表面模型被平移和缩放以提供新表面模型（例如，上述新表面模型）（步骤1502）。例如，如上所述，应用对每个小区的坐标改变，从而将初始表面模型平移到数值特性良好（例如，x、y和z小）的情况。如上所述，在一些实施例中，由多边形定义小区，并且这种平移通过减去多边形角的3d均值来执行。如上所述，这导致新3d模型，并且可表示为：
可选地，使用新表面模型，例如，使用本文中描述的新tdoa方案来计算无线装置的位置，和/或与新表面模型相关的信息被提供给另一个节点（例如，另一个网络节点或无线装置）（步骤1504）。
v.附加实现方面
图16是根据本公开一些实施例的无线电接入节点1600的示意性框图。无线电接入节点1600例如可以是基站702或706。如图所示，无线电接入节点1600包括控制系统1602，该控制系统包括一个或多个处理器1604（例如中央处理单元（cpu）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）和/或类似物）、存储器1606和网络接口1608。此外，无线电接入节点1600包括一个或多个无线电单元1610，所述无线电单元各包括耦合到一个或多个天线1616的一个或多个传送器1612和一个或多个接收器1614。在一些实施例中，（一个或多个）无线电单元1610在控制系统1602的外部，并且例如经由有线连接（例如，光缆）连接到控制系统1602。然而，在一些其它实施例中，（一个或多个）无线电单元1610以及潜在地（一个或多个）天线1616与控制系统1602集成在一起。一个或多个处理器1604进行操作以提供如本文中所描述的无线电接入节点1600的一个或多个功能。在一些实施例中，（一个或多个）功能用存储在例如存储器1606中并由一个或多个处理器1604执行的软件实现。
图17是示出根据本公开一些实施例的无线电接入节点1600的虚拟化实施例的示意性框图。该讨论同样适用于其它类型的网络节点。另外，其它类型的网络节点可具有类似的虚拟化架构。
如本文中所使用的，“虚拟化”无线电接入节点是无线电接入节点1600的实现，其中无线电接入节点1600的功能性的至少一部分被实现为（一个或多个）虚拟组件（例如，经由在（一个或多个）网络中的（一个或多个）物理处理节点上执行的（一个或多个）虚拟机）。如图所示，在该示例中，无线电接入节点1600包括：控制系统1602，该控制系统包括一个或多个处理器1604（例如，cpu、asic、fpga和/或类似物）、存储器1606和网络接口1608；以及一个或多个无线电单元1610，所述无线电单元各包括耦合到一个或多个天线1616的一个或多个传送器1612和一个或多个接收器1614，如上文所述的那样。控制系统1602例如经由光缆等连接到（一个或多个）无线电单元1610。控制系统1602经由网络接口1608连接到一个或多个处理节点1700，所述处理节点耦合到（一个或多个）网络1702或者作为（一个或多个）网络1702的一部分被包括。每个处理节点1700包括一个或多个处理器1704（例如cpu、asic、fpga和/或类似物）、存储器1706和网络接口1708。
在该示例中，本文中描述的无线电接入节点1600的功能1710在一个或多个处理节点1700处实现或以任何期望的方式跨控制系统1602和一个或多个处理节点1700分布。在一些特定实施例中，本文中描述的无线电接入节点1600的功能1710中的一些或所有功能1710作为虚拟组件实现，所述虚拟组件由一个或多个虚拟机执行，所述虚拟机在由（一个或多个）处理节点1700托管（host）的（一个或多个）虚拟环境中实现。如将由本领域技术人员领会的，使用（一个或多个）处理节点1700和控制系统1602之间的附加信令或通信，以便实行期望的功能1710中的至少一些。值得注意的是，在一些实施例中，可不包括控制系统1602，在这种情况下，（一个或多个）无线电单元1610经由（一个或多个）适当的网络接口直接与（一个或多个）处理节点1700通信。
在一些实施例中，提供了一种包括指令的计算机程序，所述指令当由至少一个处理器执行时，使得至少一个处理器执行根据本文中描述的实施例中的任何实施例的在虚拟环境中实现无线电接入节点1600的功能1710中的一个或多个的节点（例如，处理节点1700）或无线电接入节点1600的功能性。在一些实施例中，提供了一种包括前述计算机程序产品的载体。该载体是电子信号、光信号、无线电信号或计算机可读存储介质（例如，非暂时性计算机可读介质，诸如存储器）之一。
图18是根据本公开的一些其它实施例的无线电接入节点1600的示意性框图。无线电接入节点1600包括一个或多个模块1800，模块中的每个用软件实现。（一个或多个）模块1800提供了本文中描述的无线电接入节点1600的功能性。该讨论同样适用于图17的处理节点1700，其中模块1800可在处理节点1700之一处实现和/或跨多个处理节点1700分布和/或跨（一个或多个）处理节点1700和控制系统1602分布。
图19是根据本公开的一些实施例的ue1900的示意性框图。如图所示，ue1900包括一个或多个处理器1902（例如，cpu、asic、fpga和/或类似物）、存储器1904和一个或多个收发器1906，收发器1906各包括耦合到一个或多个天线1912的一个或多个传送器1908和一个或多个接收器1910。在一些实施例中，上面描述的ue1900的功能性可完全地或部分地用例如存储在存储器1904中并由（一个或多个）处理器1902执行的软件实现。
在一些实施例中，提供了一种包括指令的计算机程序，所述指令当由至少一个处理器执行时，使得至少一个处理器执行根据本文中描述的实施例中的任何实施例的ue1900的功能性。在一些实施例中，提供了一种包括前述计算机程序产品的载体。该载体是电子信号、光信号、无线电信号或计算机可读存储介质（例如，非暂时性计算机可读介质，诸如存储器）之一。
图20是根据本公开的一些其它实施例的ue1900的示意性框图。ue1900包括一个或多个模块2000，模块中的每个用软件实现。（一个或多个）模块2000提供本文中所描述的ue1900的功能性。
虽然图16至图20集中于无线电接入节点1600和ue1900，但是其它类型的网络节点（例如，定位节点、实现定位数据库的节点等）可具有类似的架构。例如，一般而言，网络节点包括处理电路（例如，类似于无线电接入节点1600和ue1900的（一个或多个）处理器），该处理电路被配置成使网络节点例如经由存储在存储器中的相应软件指令的执行来执行如本文中所描述的该网络节点的功能性。此外，网络节点包括一个或多个通信接口（例如，（一个或多个）网络接口和/或（一个或多个）无线电接口）。例如，定位节点（例如，诸如执行图12、图14或图15的方法的节点）包括使定位节点执行所公开方法的处理电路。对本文中描述的其它网络节点同样成立。
本文中公开的任何适当的步骤、方法、特征、功能或益处可通过一个或多个虚拟设备的一个或多个功能单元或模块来执行。每个虚拟设备可包括多个这些功能单元。这些功能单元可经由处理电路实现，处理电路可包括一个或多个微处理器或微控制器以及其它数字硬件，其它数字硬件可包括数字信号处理器（dsp）、专用数字逻辑等。处理电路可被配置成执行存储在存储器中的程序代码，该存储器可包括一种或若干种类型的存储器，诸如只读存储器（rom）、随机存取存储器（ram）、高速缓冲存储器、闪速存储器装置、光存储装置等。存储在存储器中的程序代码包括用于执行一个或多个电信和/或数据通信协议的程序指令以及用于执行本文中描述的技术中的一个或多个技术的指令。在一些实现中，可使用处理电路来使相应的功能单元执行根据本公开的一个或多个实施例的对应的功能。
虽然图中的过程可示出由本公开的某些实施例执行的特定操作顺序，但是应理解，此类顺序是示例性的（例如，备选实施例可按不同的顺序执行操作、组合某些操作、重叠某些操作等）。
vi.示例实施例
一些示例实施例如下。
实施例1：一种用于确定蜂窝通信网络中无线装置的三维位置的方法，所述方法包括：获得对于无线装置的多个测量结果，所述多个测量结果是到达时间差tdoa相关的测量结果；以及使用所述多个测量结果和竖直表面模型来计算所述无线装置的三维位置，其中所述竖直表面模型是初始竖直表面模型的平移和缩放版本。
实施例2：实施例1所述的方法，其中针对每个小区j，所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都是在表示所述小区j的多边形内部的点处的海拔高度z的模型。
实施例3：实施例2所述的方法，其中所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都基于水平面中所述多边形的用所述多边形的每个角的竖直信息扩增的多边形角。
实施例4：实施例3所述的方法，其中所述竖直表面模型进一步基于平移向量和缩放矩阵。
实施例5：实施例4所述的方法，其中所述竖直表面模型进一步基于所述多边形的扩增角之间的三维线段上的虚拟点。
实施例6：实施例2至5中任一实施例所述的方法，其中所述竖直表面模型被定义为：
实施例7：实施例1至6中任一实施例所述的方法，其中所述方法由定位节点执行。
实施例8：一种蜂窝通信网络中的定位节点，该定位节点适合于执行实施例1至6中任一实施例所述的方法。
实施例9：一种用于确定蜂窝通信网络中的小区的平移和缩放的竖直表面模型的方法包括：获得蜂窝通信网络中的小区的初始竖直表面模型；以及平移和缩放初始竖直表面模型以提供新竖直表面模型。
实施例10：实施例9所述的方法，进一步包括使用新竖直表面模型。
实施例11：实施例10所述的方法，其中使用所述新竖直表面模型包括使用所述新竖直表面模型来计算无线装置的三维位置。
实施例12：实施例9至11中任一实施例所述的方法，其中针对每个小区j，所述新竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都是在表示所述小区j的多边形内部的点处的海拔高度z的模型。
实施例13：实施例12所述的方法，其中所述竖直表面模型和所述初始竖直表面模型两者都基于水平面中所述多边形的用所述多边形的每个角的竖直信息扩增的多边形角。
实施例14：实施例13所述的方法，其中平移和缩放所述初始竖直表面模型以提供所述新竖直表面模型包括基于平移向量和缩放矩阵来平移和缩放所述初始竖直表面模型。
实施例15：实施例14所述的方法，其中所述新竖直表面模型进一步基于所述多边形的扩增角之间的三维线段上的虚拟点。
实施例16：实施例12至15中任一实施例所述的方法，其中所述新竖直表面模型被定义为：
实施例17：实施例9至16中任一实施例所述的方法，其中所述方法由定位节点执行。
实施例18：一种蜂窝通信网络中的定位节点，该定位节点适合于执行实施例9至16中任一实施例所述的方法。
在本公开中可使用以下缩写中的至少一些。如果缩写之间有不一致，则应优先考虑上面使用它的方式。如果在下面列出多次，则第一次列出应该优先于（一个或多个）任何后续列出。
2d二维的
3d三维的
3gpp第三代合作伙伴计划
4g第四代
5g第五代
aecid自适应增强型小区身份
a-gnss辅助全球导航卫星系统
a-gps辅助全球定位系统
aoa到达角
ap应用协议
asic专用集成电路
cdf累积分布函数
cid小区身份
cpu中央处理单元
dsp数字信号处理器
e-cid增强型小区身份（定位方法）
enb增强或演进的节点b
e-smlc演进的服务移动位置中心
fcc联邦通信委员会
fpga现场可编程门阵列
gad地理区域描述
gis地理信息系统
glonass全球导航卫星系统
gmlc网关移动位置中心
gnb新无线电基站
gnss全球导航卫星系统
gps全球定位系统
id标识符
ip因特网协议
khz千赫兹
lbs基于位置的服务
lcs位置服务
lmu位置测量单元
los视线
lpp长期演进定位协议
lppa长期演进定位协议附件
ls最小二乘
lte长期演进
mbs城域信标系统
mhz兆赫兹
mme移动性管理实体
mmse最小均方差
mmw毫米波
ms毫秒
msc移动交换中心
mtc机器类型通信
n-los非视线
nr新空口
o&m操作和维护
ofdm正交频分复用
ofdma正交频分多址
otdoa观测的到达时间差
p-gw分组数据网络网关
prs定位参考信号
psap公共安全应答点
ram随机存取存储器
ran无线电接入网
rom只读存储器
rrc无线电资源控制
rrh远程无线电头端
scef服务能力开放功能
set安全用户平面位置启用终端
slc安全用户平面位置位置中心
slp安全用户平面位置位置平台
son自组织网络
spc安全用户平面位置定位中心
srs探测参考信号
supl安全用户平面位置
ta定时提前
tbs地面信标系统
tcp传输控制协议
tdoa到达时间差
toa到达时间
ue用户设备
u-tdoa上行链路到达时间差
vdop竖直精度因子
wgs世界大地测量系统
本领域技术人员将认识到对本公开实施例的改进和修改。所有此类改进和修改都被认为在本文中公开的概念的范围内。
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