专利名称：用于蜂窝通信系统中移动台定位的绝对时间同步的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域发明一般说来涉及移动通信领域，具体地说，涉及用于蜂窝通信系统中精确确定移动终端(TM)位置的方法和系统。
相关技术的描述先有技术公开了用于在蜂窝通信系统中确定MT地理位置的许多方法。一些现有的定位方法利用从MT发送的信号到达无线电基站(RBS)的时间作为定位计算的基础。这些方法通常称为到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)测量方法。例如，在共同测量时刻，几个RBS对来自其位置将被测定的MT的信号的到达时间进行测量。中央计算功能将MT的信号的不同到达时间转化为距离，并把该结果用于确定MT的位置。这种TOA方法的精度主要由突发到达每一个RBS的时间相对于公共时间基准的精确度来确定。从本质上说，为了得到高精度，这些RBS需要接收高精度的时间基准，并且必须知道这些RBS各自接收天线信号通道中的时延。
图1是简化的方框图，它示出典型的先有技术的到达时间的MT定位系统(10)。如图所示，使其位置将被测定的MT 12与RBS(RBS1到4)同步。网络命令所述MT 12产生和发送一个或多个突发(burst)。每一个RBS(RBS1到4)各自对来自MT 12的突发的到达时间进行测量。这些RBS通过与公共时间基准相比较来确定各自的到达时间，并向网络中的中央节点报告各自的到达时间。中央节点的处理器根据那些报告的到达时间对所述MT的位置进行计算。
所建议的始终跟踪蜂窝系统中的绝对时间的一种解决方案基于对天线时延的校准和使用连接到每一个RBS的绝对时间单元(ATu)。例如，连接到RBS的Atu可以包括全球定位系统(GPS)接收机。由此导出的校准数据存储在RBS的数据库中。
上面描述的绝对时间方法的重要问题是需要将绝对时间信息从ATu分发到具有已知时延的RBS的接收部分。可是，由于存在许多不同的RBS设备，因此需要知道每一个分发路径的时延特性。另外，需要知道RBS接收机和天线之间的时延，连同接收机中的时延。所用的特定天线安装和接收机设备导致了时延随着安装类型、工作温度、设备老化、接收机类型和电缆类型等而大范围地变化。因此，这种时延变量的数目意味着使用这样的一次校准程序将提供未知精度的时间分辨率。而且，如果不进行较大的重新设计，这样的绝对时间方法将难以引入到已有的RBS中。
除上面描述的MT定位方法外，将不同基站同步到公共“空中帧结构”(air frame structure)已被认为对许多应用有用，诸如在基站之间的简化的MT越区切换、MT定位等应用。一种可用于将基站同步到公共空中接口帧结构(air interface frame structure)的方法是基于终端的移动台定位。例如，一种这样的定位方法利用RBS产生的信号到达MT的到达时间作为MT的定位计算的基础。其位置将被确定的MT(在给定的时刻)测量象该MT所能“听到”的那么多的接收到的RBS信号的到达时间，并计算那些突发之间的到达时间的差。所述MT向其正服务的RBS发送到达时间差信息，该RBS将所述信息发送到包含MT定位计算功能的系统节点。这种方法的精度由MT中到达时间测量准确度和对各个RBS之间的时间差的了解来确定。
再参考图1，如果所有所示的RBS一起同步，这意味着每一个RBS的空中接口可借助发射机的天线系统从公共时间基准产生并以相对高的精确度复制。待定位的MT“收听”来自不同RBS的广播信道，测量突发的到达时间，计算它们之间的时延差。
一种这样建议的基于终端的方法将在RBS之间的已知位置设置基准终端。所述基准终端可以利用与待定位的MT相同的定位算法来执行比较位置计算。因此，这种方法将解决上述的变化的RBS时延和非同步的RBS的问题。
可是，上述方法的一个重要问题是位于不同RBS之间的基准终端将要求现场复杂的功率和气候控制等。而且，找到用于基准终端设备的合适位置并监视其工作将是有问题的。
而且，由于不同RBS设备之间的变化，使不同的RBS同步是有问题的。如前所述，需要将绝对时间信息从ATu分发到具有已知的时延的RBS的接收部分。
可是存在许多不同的RBS设备，因此需要知道每一个分发路径的时延特性。另外，在这种情况下，需要知道发射机和天线之间的时延，连同发射机中的时延。所用的特定天线安装和接收机设备导致了时延随着安装类型、工作温度、设备老化、接收机类型、连接电缆类型和天线组合设备等而大范围地变化。与上述的基于RBS的绝对时间方法相同，这样的时延变量的数量意味着使用这样的一次校准程序将提供未知精度的时间分辨率。而且，如果不进行较大的重新设计，这样的绝对时间方法将难以引入到现有的RBS中。
本发明的概述按照本发明的最佳实施例，提供一种用于使蜂窝通信网络中许多无线电基站时间同步的方法和系统。将基准终端(例如修改的标准移动终端)置于所述网络中每一个RBS位置中的已知位置上，最好尽可能地接近基站天线。基准终端包含绝对时间基准功能，后者用于使各RBS相对于公共绝对时间基准同步。因此，定位算法可用于以比较高的精确度确定网络中移动终端的位置。
本发明的一个重要的技术优点是不用在RBS和其有关的基准终端之间引入新的硬件接口。
本发明的另一个重要的技术优点是所有时间关键部件都集中在一个单元，因此可以把基于本发明的新定位系统引入到现有的RBS中，而不用替代现有的RBS设备。
本发明的又一个重要的技术优点是可相对于无线电空中接口(即天线处)计算到达时间，这使得MT定位算法对不同的RBS时延变化不敏感。
本发明的再一个重要技术优点是所述方法可以用于上行线路和下行线路两者的天线监视。
本发明的另一个重要技术优点是可以与天线系统中的时延无关地进行定位测量。
本发明的又一个重要的技术优点是所述方法可用于RBS之间的精确的时分多址(TDMA)帧同步。
本发明的再一个重要技术优点是用于位置确定的各RBS可临时地设置在暂时位置(例如展览会、体育比赛等)。
本发明的另一个重要技术优点是所述基准终端可用作用于基于终端的MT定位的定位基准终端类型。
本发明的又一个重要的技术优点是在定位系统中，具有卫星链路接口的移动RBS可用作定位系统中的移动“跟踪系统”，从而基准终端可起连接到位置算法功能的用户接口的作用。
附图的简单描述结合附图参考下面的详细描述可获得对本发明的方法和装置的更完整理解，附图中图1是简化方框图，它说明典型的先有技术的到达时间的MT定位系统；图2是简化方框图，它说明按照本发明最佳实施例的、用于蜂窝通信网络中时间校准无线电基站的典型系统；图3是顺序图，它说明一种按照本发明最佳实施例的、可用于图2所示无线电基站中刷新绝对时间信息的典型方法；图4是顺序图，它说明按照本发明最佳实施例的、最初(例如在系统建立时)可用来确定蜂窝通信网络中基站位置的典型的到达时间测量顺序；和图5是顺序图，它说明按照本发明最佳实施例的、可以在确定蜂窝通信网络中移动终端位置的时候使用的典型的到达时间测量顺序。
通过参考附图的图2到图5更好地理解本发明的最佳实施例和其优点，各图的相同的和对应的部分使用相同的标号。
图2是简化方框图，它说明按照本发明最佳实施例的、用于蜂窝通信网络中时间校准无线电基站的典型系统(100)。系统100包括连接到天线子系统104的RBS102。出于解释的目的，以全球移动通信系统(GSM)网络的一部分的形式来描述所示的典型系统100。可是，本发明不限于GMS，而可以包括任何合适的利用无线电信号定时(例如TDMA)来确定移动终端位置的蜂窝网络。并且，尽管仅仅示出一个用于对RBS(102)进行时间校准的典型系统100，然而可以在蜂窝通信网络中许多用于对其它RBS(未示出)进行时间校准的类似系统中重复系统100。
系统100还包括基准终端(RT)106，后者最好由有线线路连接108连接到RBS102。有线线路连接108可从RBS102向RT106提供电源。线路108可任选地提供RBS102和RT106之间的数据通信，但由于需要增加硬件(数据接口)，因而将不能实现本发明的全部技术优点。
RT106可以是修改的标准MT。对于本实施例，RT106是具有校准的传输时延的MT。例如，出于校准的目的，与天线电缆110的时延特性一道，预定并本地存储RT106所固有的内在时延。电缆110(具有已知的时延)将RT106连接到发送/接收天线112。对于该典型实施例而言，天线112是组合的GSM发送/接收天线部分和GPS接收天线部分的天线。
除了标准MT部件外，RT106还包括绝对时间基准单元(未示出)。对于该实施例而言，绝对时间基准单元可以是GPS接收机。因此，RT106可以从GPS接收机接收高精确定时信号和/或RT106的绝对位置信息。因此，如果RT106与RBS102在同一位置，或者距RBS102的位置和方向已知，那么，还可以知道RBS的绝对位置。在RT106中的GPS接收机可与所述RT中的锁相环(PLL)同步。这样用PPL从绝对时间基准单元导出的绝对时间信息被RT106中的处理器用来精确标记所述RT经空中接口发送每一个突发的时刻。所述RT将该突发定时信息存储在本地存储器中，最好还经由无线电空中接口将所述绝对时间信息(例如在时间T发送的突发X)发送到RBS102。还可由RBS102利用标准消息传送协议将突发定时信息发送到其它网络部件。象下面将更详细地描述的那样，蜂窝网络中许多RBS中的每一个RBS所知的各自的绝对突发定时信息被TOA或TDOA定位算法用来更准确地确定移动终端的位置。
图3是顺序图，它说明一种按照本发明最佳实施例的、可用于图2所示的RBS102(或任何类似的网络RBS)中刷新绝对时间信息的典型方法。象用于解释目的所示的那样，将绝对时间刷新方法200应用于RBSb(例如图2中的RBS102)和其相联系的RT(例如RT106)。可是，还可将所述方法应用于每一个其它网络RBS(例如RBSc 102’和RBSa 102”)中刷新绝对时间信息。
在所述典型方法的步骤202,RBS 102与其相联系的RT 106(最好经由无线电空中接口)连接并命令RT 106产生用于发送的突发(测量-或M-突发)。对此作出响应，RT106读入(例如经由连接到GPS接收机的PLL)绝对时间，同时经由天线单元112通过空中接口发送M-突发。并且，RT106将M-突发的基准绝对时间值(所述突发的绝对发送时间，或At0)存储在本地存储器中。
在步骤204，由RBS102经由天线子系统104接收所述发送的M-突发。RBS102测量所接收的M-突发的到达时间，并将所述测量的到达时间值与存储在所述RBS中的绝对时间计数器(AT-CNT)值相联系。将所接收的M-突发的到达时间(At1)存储在所述RBS102的本地存储器中。
在步骤206,RBS102与其相关的RT106连接(最好经由所述无线电空中接口)并请求M-突发发送时间信息(At0)。对此作出响应，在步骤208,RT106最好经由所述空中接口向RBS102发送请求的信息。RBS102(内部处理器)然后计算M-突发的发送基准时间值(At0)与接收的到达时间值(At1)间的差值。RBS102中的处理器使用差值(Δt)把AT-CNT中的绝对时间值刷新为差值(Δt)并由此补偿任何先有的时间误差。在可定期出现的各M-突发刷新之间，RBS102利用AT-CNT通过对内部时间周期计数(例如，利用内部TDMA时钟，AT-CNT可在周期的绝对时间刷新或校准事件之间“自由转向”(“free wheel”))来继续提供绝对时间。因此，出于MT定位目的，从其位置待确定的MT接收到的信号的到达时间可以以本发明提供的在有关的RBS的接收天线端口测量的高精度的绝对时间基准为基础。换句话说，用于高精度到达时间测量的基准点在有关的RBS的接收天线端口。因此，按照本发明，接收天线(例如104)和RBS(102)之间的时延已经被补偿。
在所述最佳实施例的一个不同方面，下列方法可用来使RBS网络中的TDMA操作同步。网络基站控制器(BSC)或移动业务交换中心(MSC)向所有有关RBS(例如，类似于RBS102的每一个RBS)发送消息，命令所述各RBS根据给定的绝对开始时间值(TDMA-start)对TDMA时隙的产生和传输进行时间对准。每一个RBS利用上述AT-CNT值来等待TDMA-start命令并开始(或调整)各自的RBS的TDMA计数器。上述绝对时间计数器刷新方法200还可用来提高网络中TDMA定时的精度。网络BSC(或MSC)可请求各RBS以已知的绝对时间提供其各自的TDMA计数器值，以便监视网络同步精度。
在本发明这方面的基于终端的改型中，每一个与其各自的RBS同步的RT可继续测量以绝对时间值表示的突发的到达时间，并将所述绝对时间值存储在本地存储器中。中心节点(例如GSM中的BSC或MSC)命令所述RT将其各自的RBS的TDMA帧结构的绝对时间报告回来。中心节点的处理器估计RBS之间的时间差，并计算每一个RBS的时间偏差。中心节点将各自时间偏差作为控制参数发送给有关的RBS，于是后者利用该时间偏差调整其空中定时发生器并使得发射机天线点的时间误差最小。因此，由MT接收的来自这些时间校准的RBS的突发的TOA可被定位算法用来更精确地确定该MT的位置。
出于验证的目的，中心节点可以命令RT定期地报告TDMA帧结构的绝对时间信息，或者作为系统监视功能的一部分而在任何时间报告。可以逐步地进行上述基于终端的同步功能，诸如，例如首先使相同小区的邻近RBS同步，然后使其它小区的邻近RBS同步，等等，直到整个网络被同步。因此，这种方法将考虑天线系统的所有延时并提供完整的“空中接口同步”。
图4是顺序图，它说明按照本发明最佳实施例的、最初(例如在系统建立时)可用来确定蜂窝通信网络中基站位置的典型到达时间测量顺序300。最初，在步骤302，每一个有关的RBS(例如图2中的RBS102)命令其有关的RT(例如RT106)经由空中接口发送RT的地理位置(例如X,Y或纬度和经度坐标)，后者可从RT的GPS接收机得到。对此作出响应，在步骤304,RT向RBS(102)发送(最好经由空中接口)请求的位置信息。RBS将该位置信息报告给网络MSC中的中心定位功能，后者可以将每一个这样的RBS所报告的位置信息作为用于MT位置计算的基础。
图5是顺序图，它说明按照本发明最佳实施例的、可以在确定蜂窝通信网络中移动终端位置的时候使用的典型到达时间测量顺序400。顺序400可接着和/或补充上面关于图4所描述的到达时间测量顺序300。在步骤402，与其位置待确定的MT(例如MT420)有关的RBS(例如RBSa102”)经空中接口发送控制信息，命令所述MT产生并发送一个或多个定时测量突发(T-突发)。而且，网络BSC或MSC命令所有与所述位置确定有关的RBS(例如RBSb102、RBSc102’和RBSa 102”)在预定的时间进行到达时间测量，并且每一个用预定的频率和时隙。
在步骤404，每一个RBS接收T-突发并测量其各自的到达时间。然后，每一个RBS将各自测量的到达时间与各自AT-CNT中的绝对时间值相联系。所得到的与各自测量的到达时间有关的绝对时间值存储在各自的RBS的本地存储器(Mtime0)中。
后面的顺序步骤实际上与上面关于图3所描述的绝对时间刷新顺序200相同。可是，可以在每一个MT定位事件中进行后面的顺序，以便对于其位置待确定的MT(例如MT402)和每一个与所述定位事件有关的RT来说，确保所接收的突发所经历的时延是相同的。因此，示于图5的顺序可以用来补偿不同的接收机之间温度变化和其它变化而引起的时延差异。
在步骤406，每一个有关的RBS与其有关的RT相连接，并命令所述RT产生一个或多个M-突发。对此作出响应，每一个RT读取其绝对时间基准(例如从GPS接收机读取)，发送其M-突发并将所述绝对时间基准值(所述突发的绝对发送时间，或At0)存储在本地存储器中。在步骤408，有关的RBS接收从有关的RT发送的M-突发，测量所述突发的到达时间，并将所述测量的到达时间值与AT-CNT中的绝对时间基准值相联系。RBS将所得到的关于所测量的到达时间(At1)的绝对时间值存储在本地存储器。
在步骤410，有关的RBS与其相关的RT相连接，并请求M-突发的传输时间(At0)。对此作出响应，在步骤412，有关的RBS接收M-突发的传输时间值，计算T-突发的绝对到达时间，最好用公式Abstime=At0-(At1-Mtime0)。RBS向最好在网络MSC中的中心MT定位报告所计算的绝对时间值。因此，使得用于进行MT位置确定的到达时间测量精确地与本发明的提供的绝对时间基准值时间一致。
尽管已经在附图中并且在前述的详细描述中举例说明了本发明的方法和装置的最佳实施例，但是，显然，本发明不限于公开的实施例，而是可以有许多重新配置、修改和替换而不脱离后面的权利要求书所提出和定义的本发明的精神。
权利要求
1．一种用于在蜂窝通信网络中使至少一个无线电基站时间同步的方法，所述方法包括如下步骤与所述至少一个无线电基站有关的基准终端发送至少一个测量信号，并确定所述至少一个测量信号的所述传输的基准时间值，所述至少一个无线电基站接收所述发送的至少一个测量信号，并确定所述接收的至少一个测量信号的到达时间值，和所述至少一个无线电基站用所述基准时间值来刷新所述到达时间值。
2．权利要求1的方法，其特征在于还包括如下步骤在所述至少一个无线电基站的接收天线端口测量刷新的基准到达时间值。
3．权利要求1的方法，其特征在于所述基准时间值包含绝对时间值。
4．权利要求1的方法，其特征在于所述基准时间值包含GPS导出的绝对时间值。
5．权利要求1的方法，其特征在于所述基准终端包括绝对时间基准发生器。
6．权利要求5的方法，其特征在于所述绝对时间基准发生器包括GPS接收机。
7．权利要求1的方法，其特征在于所述至少一个无线电基站包括GSM无线电基站。
8．权利要求1的方法，其特征在于所述刷新步骤包括计算所述基准时间值和所述到达时间之间的差异时间值，以及补偿绝对时间计数值的所述差异时间值。
9．权利要求1的方法，其特征在于还包括如下步骤网络节点命令所述至少一个无线电基站和多个无线电基站使各自的TDMA时隙的产生和传输与绝对开始时间值时间一致。
10．权利要求9的方法，其特征在于还包括如下步骤在所述至少一个无线电基站和所述多个无线电基站的发射机天线端口测量所述TDMA传输的所述绝对开始时间值。
11．权利要求1的方法，其特征在于所述各步骤适用于所述蜂窝通信网络中多个无线电基站中的每一个，并且还包括根据多个所述刷新的到达时间值来确定移动终端的位置的步骤。
12．用于在蜂窝通信网络中使多个无线电基站时间同步的方法，所述方法包括如下步骤多个基准终端中的每一个都向网络节点报告各自TDMA定时参数的绝对时间值；与所述网络节点有关的处理器计算所述多个无线电基站中每一个的时间偏差值，每一个所述时间偏差基于每一个所述绝对时间值和所述各自的TDMA定时参数之间的比较；和所述网络节点向所述多个无线电基站中的每一个发送各自的时间刷新命令。
13．权利要求12的方法，其特征在于还包括如下步骤所述多个无线电基站中的每一个根据来自所述网络节点的所述各自的时间偏差值来调整各自的TDMA定时而使时间误差最小。
14．权利要求12的方法，其特征在于还包括如下步骤所述多个无线电基站中的每一个根据来自所述网络节点的所述各自的时间偏差值来调整各自的定时而使时间误差最小；和根据所述移动终端接收的来自所述多个无线电基站中每一个基站的突发的到达时间的测量，确定移动终端的位置。
15．一种时间同步的蜂窝通信网络包括多个无线电基站；和多个基准终端，所述多个基准终端中的每一个连接到所述多个无线电基站中相应的一个、并包括用于发送至少一个测量信号和确定用于所述至少一个测量信号的所述传输的基准时间值的装置，所述多个无线电基站中的每一个都包括用于接收所述发送的至少一个测量信号、确定所述接收的至少一个测量信号的到达时间值并用所述基准时间值刷新所述到达时间值的装置。
16．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于所述基准时间值包含绝对时间值。
17．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于所述基准时间值包含GPS导出的绝对时间值。
18．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于所述多个基准终端中的每一个都包括绝对时间基准发生器。
19．权利要求18的蜂窝通信网络，其特征在于所述绝对时间基准发生器包括GPS接收机。
20．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于所述多个无线电基站包括多个GSM无线电基站。
21．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于所述用于刷新的装置包括用于计算所述基准时间值和所述到达时间之间的差异时间值并用所述差异时间值刷新绝对时间计数器值的装置。
22．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于还包括网络节点，后者包括用于命令所述多个无线电基站使各自TDMA时隙的产生和传输与公共开始时间值时间一致的装置。
23．权利要求15的蜂窝通信网络，其特征在于还包括用于确定移动终端位置的装置。
全文摘要
公开一种用于使蜂窝通信网络中多个无线电基站(RBS1—4)时间同步的方法和系统。基准终端(106)(例如修改的标准移动终端)置于所述网络中每一个RBS现场的已知位置上,最好尽可能地接近基站天线(104)。基准终端(106)包括绝对时间基准功能,后者用来使各RBS(102)相对于公共绝对时间基准同步。因此,定位算法可用来在网络中以比较高的精确度确定移动终端(12)的位置。
文档编号G01S1/00GK1306708SQ99807539
公开日2001年8月1日 申请日期1999年4月9日 优先权日1998年4月24日
发明者D·A·林奎斯特 申请人:艾利森电话股份有限公司