用于确定移动无线终端位置的方法和系统的制作方法

专利名称：用于确定移动无线终端位置的方法和系统的制作方法
背景技术：
发明领域本发明一般涉及移动无线通信领域，更具体地说，涉及用于确定一台移动无线终端地理位置的方法和系统。
有关技术描述由Hagerman等人提出的共同转让的美国专利申请序列号08／894,466描述了一种利用上行链路到达时间(TOA)和到达方向(DOA)测量来确定移动无线终端(下文中称为移动台或MS)位置的方法。文献中略微提到重复若干次上行链路信号，以改善确定TOA的准确度。不过，该文献没有提供如何实现这种改善的任何细节。
与本发明在同一天提出的共同转让的美国专利申请序列号(代理人文档号第27946-00353号)揭示了一种提供来自待定位MS的“原始”上行链路信号的方法和装置。本发明与上述专利申请的主题相关联，描述了如何处理一个重复的上行链路信号，例如来自待定位MS的“原始”上行链路信号。
由Telefonaktiebolaget LM Ericsson(爱立信电话股份有限公司)生产的实现全球移动通信(GSM)的系统CME 20发送带有定时超前(TA)的上行链路消息，以便补偿由于无线基站(BS)和MS之间的距离产生的无线信号传播延迟。TA值由一个程序确定，该程序从BS对MS发射的几个接入突发进行的若干次测量中选择最小TA值。在确定TA值方面，该程序解决了无线信号的多径传播问题(即当信号沿着视距传播时，还沿着一条或多条反射通路传播)。该程序在下文中称为“最小时间”方法。
本发明解决的另一个问题是，如果RX中要确定的信号参数是TOA，如何处理上述数字信号。
本发明解决的还有一个问题是，如果RX中要确定的信号参数是TOA，而且在BS中进行TOA和DOA测量，如何处理上述数字信号。
因此，本发明的一个目的是提供一种通过处理受到噪声和多径传播影响的无线信号从而更准确地确定RX和TX之间距离的方法和装置，其中无线信号重复发自同一TX，并在RX中接收。
本发明的另一目的是提供符合上述目的的一种方法和装置，其中要处理的信号参数是TOA。
本发明还有一个目的是提供符合上述目标的一种方法和装置，其中要处理的信号参数是TOA、TDOA和DOA。
一种用于改善时间测量准确度的方法和装置实现了以上和其他目的，该方法包括从一个TX发射“M”个同一信号的样值；接收“M”个信号样值和多径分量以及噪声，对于接收的每“M”个样值，在RX中确定一个估计信道功率分布(profile)(CPPi)；从“M”个接收样值中选择“N”个；对这“N”个样值的CPPi进行非相干合成，得到一个合成信号ICCP(Ni)；确定ICCP(Ni)的信噪比质量是否大于或等于一个预定门限值；如果不是，通过与后续的一个附加接收样值CPPi重新进行非相干合成来按需要改善ICCP(Ni)的信噪比质量，直至ICCP(Ni)的信噪比质量大于或等于预定门限值；确定TOA(i)，其中包括根据最大信号幅度来确定TOA(i)，以及在一个表示作为TOA(i)函数的发生频率曲线中加入该TOA(i)值；通过从“M”个样值中选择一个新的“N”个样值组合来重复整个程序“X”次，从而得到该发生频率曲线中的“X”个附加点；使得被确定为最小值TOA(min)的时间值具有以下特点在所有出现值中，占“z”部分的TOA(i)值大于它，占“1-z”部分的TOA(i)值小于它，其中z＞0．7。
本发明的一个重要技术优点是，这种用于改善信号质量的方法(它需要对许多信号进行相加(非相干合成))在实现时还允许根据上述“最小时间”方法来确定最小TOA。
本发明的另一个重要技术优点是，该方法所提供的噪声消除允许更多的远端BS参与到对MS的定位中，这不仅提高了每次测量的准确度，还提高整个测量的准确度，因为可以有更多数量的BS参与定位处理。
附图的详细描述通过参考

图1-7，可以很好地理解本发明的优选实施例及其优点，相同的代号用于表示各图中相同和对应的部分。
从本质上说，本发明提供了一种进行可用于确定移动无线终端地理位置的时间测量的方法。就这一点而论，所涉及的时间测量可以是TOA测量或到达时间差(TDOA)测量。以下描述给出了本发明的一个实施例，其中优选地使用TOA测量。
具体地说，图1是可以用于根据本发明的一个优选实施例进行确定信号TOA的测量的无线BS方框图。如图所示，BS 100可以通过一个移动业务交换中心(MSC)125与有线网(未明确表示)连接，以进行通信。如图所示，BS 100通过一条无线连接对移动无线终端(MS)130进行TOA测量，其中两条所示上行通路101、102提供分集。对于一个蜂窝移动无线BS，通常包括提供这种上行链路分集的两副接收天线(例如103和104)。与每副天线103和104对应的分别是接收机111a和111b、射频(RF)解调器112a和112b以及中频(IF)解调器113a和113b。接收频率合成器114与每个射频(RF)解调器112a和112b以及控制单元115连接。接收频率合成器114使用这些连接从而使能对某些无线信道的接收。来自IF解调器113a和113b的解调信号分别通过连接116和117与均衡器135连接。尽管没有明确表示，均衡器还要与BS 100的其他单元连接。
来自IF解调器113a和113b的解调信号还与一个改进型RX(ModRX)118相连。ModRX 118的功能和操作在上述Hagerman等的美国专利申请序列号08／894,466中描述，它用于测量自MS 130接收的信号TOA，并通过到控制单元115的连接向MSC 125通报这些测量的结果。对TOA测量的处理最好由ModRX 118中的处理器119进行。或者，也可以由控制单元115或有线网(例如MSC 125)中的处理器进行TOA测量处理。均衡器135合并了连接116和117上的两路解调信号，以便同时利用输入的视距和反射无线能量。另一方面，ModRX 118又单独处理这两路解调信号，因为在测量TOA时，信号衰落是所要的一种效果。换句话说，衰落消除了某些接收突发的反射波束，因而只提供所要的视距信号。
图2A-2E说明了与确定一个样值TOA(i)的方法有关的一系列波形，所述方法可以根据本发明的优选实施例实现。图2A所示波形代表在连接116(或117)上的一个接收信号突发，它包含可变数据1和数据2，以及突发之间的训练序列(预先已知)。实线波形代表一个直达(视距)接收信号，虚线波形代表一个反射接收突发(因此时间上略有延迟)。
图2B所示波形代表在连接116(或117)上的输入直达和反射信号突发与ModRX 118中用于确定TOA的可用已知训练序列之间的理论相关响应。在ModRX 118中处理后得到的这些突发的合并相关响应(“信道冲激响应”或CIR)如图2C所示。后缀“i”表示一个特定的接收突发。
图2C中所示的CIRi波形是一个包括幅度和相位的复数值。CIRi的中心部分由有限个样值(例如5)个决定，但是图2C所示的完整信号要由处理器119使用传统的内插技术重建。图2D所示波形代表CIRi的平方绝对值，它被称为“估计信道功率分布”或CPPi。所绘CPPi波形是理想化的，实际上常常包含一个较大的噪声分量。因此，如图2E所示，M(例如M=70)个CPPi中的N个就合成了一个信号ICPP(Ni)。
合成信号ICPP(Ni)具有与所要信号对应的较高峰值h，以及与不需要的噪声对应的一个偏移量b，但后者具有一个未借助合成而得到同等程度放大的噪声扩散累计(sigma)。偏移量b在处理中被去除，ICPP(Ni)的质量“Q”定义为h／sigma。分配给合成信道功率分布ICPP(Ni)的后缀Ni表示合成N个突发的某种选择“i”已经被组合起来。一个TOA(i)值与ICPP(Ni)相对应，并作为100个点之一加入图3所示的曲线图中。
图3是根据本发明的一个示范实施例可用于通过70个突发获取一个估计最小到达时间(TOAe)的曲线图。尽管图3给出了一个可用于描绘TOA(i)与发生频率关系的曲线图，但该图仅用于说明，而不是以此来限制本发明。在自动处理环境下，例如可以用多维矩阵或阵列来实现图3的曲线图，其中行(或列)包括每个TOA(i)，列(或行)包括每次事件发生。另一种表示方法在图5中给出，图中表示了一条用于70个相同突发的累积分布曲线。
本发明最好使用其中至少包含一部分在所有接收突发中都相同的已知比特(例如一个训练序列)的M(例如70)个接收突发。不过，注意另一不同的实施例可以使用其中包含不同(不相同)信息的(例如70个)接收突发，但是信息对于接收机来说仍然是已知的，这使得处理器可以通过每个突发与其已知内容的相关来产生CIRi。
使用第一种程序，通过把从M个接收突发中随机选取的所需N个突发进行“相加”(例如，非相干合成该CPPi)并确定N个突发之和ICPP(Ni)的TOA(i)，把噪声减小到预定电平。重复第一种程序若干次(例如100次)，这在本例中例如得到了100个送入图3所示曲线图的TOA(i)值。第一种程序的主要优点是，组成随机选择项Ni的突发有时将主要(或只)包含最短路径(视距)上接收的突发。使用第二种程序，在图3所示曲线图中读取最小TOAe。不过，TOA(i)的最小值被排除在外，因为它们可能是由于噪声和多径效应导致峰值偏移造成的。经验信息表明TOAe的一个合适选取点是5％的TOA(i)出现比TOAe早，95％的TOA(i)出现比TOAe晚。
图4是说明用于实现本发明的一种示范方法400的流程图。在步骤401，ModRX 118测量在连接116(或117)处接收的信号中包含一个已知比特序列的M个突发。例如，根据来自GSM网络中一个服务BS(例如100)的命令，作为对一条小区内切换命令或返回相应(原有)业务信道的切换命令的响应，这些突发可以是在来自MS 130的上行链路上发送的接入突发。如果BS 100没有响应这些突发，MS 130将在发生超时之前发射多达70个突发，并使MS返回原来所用(原有)业务信道。连接116或117上的解调信号都包括接收接入突发，即最多一共为2×70=140个突发，就本发明方法而言，每个突发都可以视作一个独立突发。
在步骤402，与某个突发相对应、并包含复数信息的每个接收信道冲激响应CIRi(如图2C所示)经过处理，从而构成一个估计信道功率分布CPPi(如图2D所示)，它等于CIRi的平方绝对值。因此，将有M个CPPi值。在步骤403，处理器119从M个CPPi值(波形)中随机选择N个，例如从N=10开始。
在步骤404，N=10个被选波形CPPi的非相干合成产生了如图2E所示的一个合成信道功率分布ICPP(Ni)。在步骤405，进行一次检查，确定所得ICPP(Ni)的噪声是否减少到足够程度，从而具备了由h／sigma之比所定义的最低质量(比较图2E)。如果h／sigma之比低于预定门限，就必须通过使用从未被选取的CPPi中随机选择的一个附加CPPi重复步骤403-405来改善所得ICPP(Ni)。在步骤407，最低质量要求得到满足，所得TOA(i)送入图3所示的曲线图中。然后处理流程继续执行步骤408。
在步骤408，确定是否获得了预定数目的TOAi值。如果没有，按以上描述重复步骤403-407，直到获得预定所需数目的TOAi值。
如果满足要求，在步骤409，选择图3曲线图中的最小TOA(i)，因为这一TOA值代表了在最短路径(视距路径)上接收的突发TOA。不过，选择要根据上述图3或图5的描述进行，以消除噪声的影响。
在本发明的另一实施例中，测量的是TDOA而不是TOA。对于TDOA测量，处理程序与以上针对TOA描述的程序相同，只是时间测量相对于另一信号而不是相对于一个时间参考进行。如果进行TDOA测量，就要对两个接收信号进行互相关处理。这时，TDOA估计可以是互相关输出的最大峰值。
另外，如果进行TDOA测量，也可以使用本发明的上述非相干合成方法。不过，应当涉及到两个基站，以便有两个信号来进行TDOA测量。这时，互相关输出可以替代CIR，互相关功率分布可以替代CPP(此时CPP代表互相关输出的平方绝对值)。
在另一实施例中，如果进行DOA测量，可以根据诸如来自定向或窄波束天线(例如自适应天线或固定波瓣天线)的接收信号估计一个空间符号差。这时，DOA估计可以是估计空间符号差的最大峰值。
如果进行DOA测量，也可以使用本发明的上述非相干合成方法。这时，空间符号差可以替代CIR，空间信号功率分布可以替代CPP(此时CPP代表空间符号差的平方绝对值)。
在TDOA和DOA测量中，视距(LOS)信号分量与ICPP的“重心”相对应(即与TOA测量的情况不同，LOS分量对应的不是相关输出中的较低部分)。因此，对低于总数M的接收突发进行非相干合成的优势很小甚至没有优势。所以在这些情况下，非相干合成处理中使用所有突发，TDOA和DOA估计是ICPP的“重心”。
在本发明的另一实施例中，在BS中使用了一个天线阵列测量来自不同方向的波束。其次，选择视距波束用于TOA测量(最短TOAi)。
在本发明的还有一个实施例中，TOA(i)事件受到其质量(即它们的h／sigma值)的加权，该质量是关于相关噪声的一个指示。因此，接收信号微弱的远端BS在定位处理中的作用较小。
图6是说明根据本发明消除干扰的第一辅助方法的流程图。该方法解决了如何克服来自其他移动终端(例如位置没有确定的终端)的干扰。例如在GSM中，有八种不同的训练序列，它们彼此之间具有一定程度的相关性，并可能对为待定位移动终端进行的测量造成干扰。
在方法的步骤601，估计所有可能干扰训练序列对所有M个接收突发的信道冲激响应CIRj。在步骤602，取CIRj的平方绝对值来构成对应的信道功率分布CPPj。在步骤603，估计每个干扰训练序列的平均载波干扰比C／I，其中“C”部分为所讨论的干扰源功率，“I”部分为其他信号功率。在步骤604，确定是否要从接收突发中消除(即减去)该干扰，如果C／I超出了第一门限值T1，就需要消除干扰。在步骤605中，符合步骤604条件的那些训练序列与CIRj进行卷积(用符号“*”代表)，并从接收突发中减去。
图7是说明根据本发明检测时域测量范围的第二辅助方法的流程图。例如，该方法在与所要信号相比噪声很大的情况下特别有用。这时，在搜索相关峰值(如图2B所示及以上参考该图所作描述)之前，确定训练序列在噪声中出现的大致时间可能会有问题。第二辅助方法包括对接收的所有M个突发进行非相干合成，这导致在噪声中出现一个较宽的脉冲，它指示了被测移动终端(其位置待定)训练序列出现的大致时间。
在方法的步骤701，构成所有M个突发的信道功率分布CPPi。在步骤702，对所有CPPi进行非相干合成，最大峰值对应训练序列的位置。在步骤703，估计C／I，其中“C”部分为载波功率，“I”部分为其他信号功率。在步骤704，确定步骤701-702的结果是否可以接受(C／I＞T2)，还是噪声太强，以致必须采取附加步骤来得到一个可以接受的结果。如果在步骤704，C／I值大于门限T2，步骤701-702的结果就可以接受。否则，就要根据以下处理减小对受强噪声干扰的突发的加权。在步骤705，通过为高能量(可能是由于噪声所导致)突发分配一个较低的加权系数Wi’来对其进行识别，并为低能量突发分配一个较高的加权系数Wi’。在步骤706，根据下式构成所有M个加权突发之和Σi=1M(Wi′·CPPi)------(1)]]>这一和值的最大峰值对应训练序列的位置。
根据C／I为接收突发分配加权的原理也可以用于对被测突发的处理，以便确定到达时间TOAe。训练序列可用于估计图2D代表的信号功率和图2A代表的信号加噪声功率。然后，在构成合成信号ICPP(Ni)和图2E所示的该信号平方根之前，可以根据这些估计信号功率和信号加噪声功率，为每个CPPi分配加权Wi”(即Wi”×图2D中的CPPi)。
尽管在附图和以上详细描述中已经阐述了本发明方法和装置的一个优选实施例，但是应当理解发明并不局限于所揭示的实施例，而是可以在以下权利要求提出和定义的范围之内进行各种重新配置、改动和替代而不脱离发明思想。具体地说，这里描述和要求的用于上行链路应用的方法也可以用于下行链路应用。
权利要求
1．在具有时间弥散的无线环境中用于确定一台无线发射机和一台无线接收机之间距离的方法，包括步骤自所述无线发射机发射一个信号的M个样值；在所述接收机中接收带有多径分量和噪声的所述M个样值；确定所述M个样值中每一个的估计信道功率分布；从所述M个样值中选择第一组N个样值；对所述第一组N个样值的所述估计信道功率分布进行非相干合成，以构成第一合成信号；如果所述第一合成信号关于信噪比的质量电平低于一个预定门限，从所述M个样值中选择另一个样值；对所述第一组N个样值和所述另一样值的所述估计信道功率分布进行非相干合成，以构成第二合成信号；如果所述第二合成信号关于信噪比的质量电平大于或等于所述预定门限，确定所述第二合成信号最大电平的到达时间；在到达时间与发生频率阵列中加入所述到达时间；从所述M个样值中选择第二组N个样值；对所述第二组N个样值重复从所述合成到所述加入步骤的所有处理；以及根据所述阵列来确定估计到达时间最小值。
2．权利要求1的方法，其中根据所述阵列确定估计到达时间最小值的步骤包括从所述阵列中读取一个时间值，该时间值具有这样的特点在所有出现值中，数量为第一预定数目的到达时间值大于它，数量为所述第一预定数目补数的到达时间值小于它。
3．权利要求2的方法，其中所述第一预定数目大于70％，所述第二预定数目是100％减去所述第一预定数目的百分比。
4．权利要求1的方法，其中接收步骤包括在两个独立的无线接收机中接收所述M个样值，以构成两次所述M个样值。
5．权利要求1的方法，其中所述阵列是一个矩阵。
6．权利要求1的方法，其中所述加入步骤的人工方式包括在到达时间和发生频率曲线图中加入所述到达时间。
7．用于确定移动网中一个移动台和一个基站之间距离的方法，包括步骤自所述移动台发射第一组信号样值；在所述基站接收所述第一组信号样值；构成所述第一组信号样值中每一个的估计信道功率分布；从每个所述估计信道功率分布值中选择第二组样值；对所述第二组样值的所述估计信道功率分布值进行合成，以构成第一合成信道功率分布；如果所述第一合成信道功率分布的质量电平低于一个预定门限值，从所述估计信道功率分布值中至少选择一个附加样值；对所述第二组样值和所述至少一个附加样值的所述估计信道功率分布进行合成，以构成第二合成信道功率分布；如果所述第二合成信道功率分布的质量电平大于或等于所述预定门限值，确定所述第二合成信道功率分布最大值的到达时间；在到达时间与发生频率阵列中加入所述到达时间；从每个所述估计信道功率分布值中选择第三组样值；对所述第三组样值重复从所述合成步骤到所述加入步骤的处理；以及根据所述阵列确定最小到达时间。
8．权利要求7的方法，其中所述合成步骤包括非相干合成。
9．权利要求7的方法，其中所述最小到达时间代表所述移动台和所述基站之间的最短距离。
10．权利要求7的方法，其中所述确定最小到达时间的步骤包括从所述阵列中读取一个时间值，该时间值具有这样的特点在所有出现值中，数量为第一数目的到达时间值大于它，数量为所述第一数目补数的到达时间值小于它。
11．权利要求10的方法，其中所述第一数目大于0．7，所述第一数目的补数是1减去所述第一数目。
12．在具有时间弥散的无线环境中用于确定一台无线发射机和一台无线接收机之间距离的方法，包括步骤自所述无线发射机发射一个信号的M个样值；在所述无线接收机中接收带有多径分量和噪声的所述M个样值；从所述M个样值中选择第一组N个样值以构成所述N个样值的一个数学函数，反复改变N的数目，使得所述N个样值的数学函数能保留时间信息，同时把噪声减少到第一预定值，所述第一预定值表示需要的所述信号与所述噪声比值；通过重复所述选择步骤和并以随机和独立的不同N个样值组开始每次重复步骤，从所述M个样值中产生N个样值的附加组，并在所述N个样值附加组的数目达到第二预定值时终止所述重复步骤；确定N个样值构成的所述第一组和所述附加组中每组的到达时间；在到达时间与发生频率阵列中存储所述到达时间；以及根据所述到达时间与发生频率阵列确定估计到达时间。
13．在具有时间离散和噪声的无线环境中，用于为一个来自远端发射机、作为M个样值重复发射的已知接收信号确定最早到达时间的方法，所述M个样值存在衰落，使得其中至少两个样值的到达时间有所变化，该方法包括步骤从所述M个样值中选择第一组样值；根据所述第一组样值构成一个数学函数，以改善信噪比质量而不破坏到达时间信息；除了所述第一组样值之外，对附加样值组重复所述选择和构成步骤；确定所述第一组和所述附加组中每组的到达时间；和对从所述确定步骤得到的每个所述到达时间进行统计处理，以获得对所述最早到达时间的一个估计。
14．权利要求13的方法，其中所述第一组样值和所述附加组样值包括相同数目的N个样值。
15．权利要求13的方法，其中所述第一组样值和所述附加组样值包括不同数目的样值。
16．权利要求13的方法，其中要这样来选择所述第一组样值和所述附加组样值所用的样值数目，以便使所述第一组样值和所述附加组样值中的每组能获得所需的信噪比质量。
17．权利要求13的方法，其中要这样来选择所述第一组样值和所述附加组样值所用的样值数目，以便获得由h／sigma定义的所需信噪比质量。
18．用于确定移动网中一个移动台和一个基站之间距离的系统，包括发射第一组信号样值的移动台发射机；接收所述第一组信号样值的基站接收机；以及与所述基站接收机相连的处理器，所述处理器可以进行以下处理为每个所述第一组信号样值构成一个估计信道功率分布值；从每个所述估计信道功率分布值中选择第二组样值；对所述第二组样值的所述估计信道功率分布值进行合成，以构成第一合成信道功率分布；如果所述第一合成信道功率分布的质量电平低于一个预定门限值，从所述估计信道功率分布值中至少选择一个附加样值；对所述第二组样值和所述至少一个附加样值的所述估计信道功率分布进行合成，以构成第二合成信道功率分布；如果所述第二合成信道功率分布的质量电平大于或等于所述预定门限值，确定所述第二合成信道功率分布最大信号幅值的到达时间；在到达时间与发生频率阵列中加入所述到达时间；从每个所述估计信道功率分布值中选择第三组样值；对所述第三组样值重复从第一合成处理到所述加入处理的步骤；以及根据所述阵列确定最小到达时间。
全文摘要
发明提出了在具有时间弥散的无线环境中,通过对由同一无线发射机(130)重复发射、并可能经过多径传播的无线接收信号进行专门处理,以更准确地确定一台无线接收机(100)和无线发射机(130)之间距离的方法和装置。使用信道功率分布重复估计无线接收信号的到达时间(TOA)(步骤402)。选择接近最小现有TOA的一个TOA值(步骤402),其中每个估计TOA从一组随机选取、并具有同一已知比特序列的接收突发的非相干合成中得到(步骤404),以消除噪声的影响。
文档编号G01S11/08GK1279871SQ9881152
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月20日 优先权日1997年11月26日
发明者H·格鲁贝克, S·菲舍尔, P·伦德奎斯特 申请人:艾利森电话股份有限公司