专利名称：在td－scdma和wifi系统下的联合定位方法
技术领域：
本发明涉及TD-SCDMA系统和WIFI系统下的通信技术，特别是一种在TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI体系无线局域网下的联合定位方法。
背景技术：
随着移动通信技术的发展，人们对移动台(Mobile Station，以下简称MS)的定位也提出了更多的新要求，移动台的定位功能也广泛地应用于紧急救援求助、汽车导航追踪、车辆调度、基于地理位置的计费管理、黄页查询等。要想对移动台进行位置定位，计算移动台和基站之间的距离是必不可少的。根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，到2001年10月，所有蜂窝电话、个人通信系统、专用移动无线电的移动网络许可运营商将以可定位概率67％、均方误差为125m的精度要求，为请求E911服务的移动用户提供二维的位置信息。现有常规移动台无线定位技术有1、基于CELL ID的定位方法此定位方法通过确定Node B(基站)的位置来估计MS的位置寻呼、定位区域更新、小区更新或路由区域更新等。定位精度至少为小区范围，由无线网络控制器(Radio Network Controller，以下简称RNC)确定目标MS所在的小区。CELL ID方式可以用系统提供的测量参数来提高定位精度。FDD系统通过往返时间(Round Trip Time，以下简称RTT)测量来计算MS到基站的距离；TDD系统通过对Rx定时偏差(Rx Timing Deviation，以下简称Rx或Rx TD)、到达方位角(Angle OfArrival，以下简称AOA)和定时提前(Time Advance，以下简称TA)测量来得到用户具体位置，这是目前最简单和常用的定位方法。无线网络上报终端所处的小区号，RNC把小区号翻译成经纬度坐标。这种方法实现简单，设备成熟，无需在无线接入网侧增加设备，对网络结构改动小。CELL ID定位方法具有如下特点(1)定位精度主要取决于小区半径。在市区一般可达到300～500m，郊区为几公里；(2)城区定位的有效技术。城区的小区覆盖半径较小，一般在几百米左右，该方法能够提供较好的精度。而城区的遮挡和多径传播一般比较严重，依赖精确测量的高精度定位技术，如A-GPS(Assisted Global Positioning System，辅助全球定位系统)和基于电波传播时间(Time Of Arrival，以下简称TOA)/电波传播时间差(Time Difference Of Arrival，以下简称TDOA)等的测量精度将恶化，定位精度反而会更差；(3)容易与A-GPS或TOA/TDOA等较高精度的定位技术相结合，提供混合定位能力，改善定位精度。
2、基于电波传播时间(TOA)/电波传播时间差(TDOA)通过测出电波从多个发射机传播到接收机的传播时间或时间差来确定目标移动台的位置。
TOA若电波从移动台到基站的传播时间为t，电波传播速度为c，则移动台位于以基站位置为圆心，以c×t为半径的圆上。在多个基站上进行上述计算，则移动台的二维位置坐标可由三个圆的交点确定。基于TOA的无线定位，1μs的时间误差将导致300m左右的定位误差，因此要求基站有非常精确的时钟，收发信号的双方能够精确同步。
TDOA通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，降低了时间同步要求。根据信号到达时间差，移动台位于以两个基站为焦点的双曲线上，要确定移动台的位置，至少需要三个基站，建立两个双曲线方程，两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。
TDOA/TOA方法要求MS至少测量到3个Node B的下行导频信号。如果MS离基站较近，受基站强信号的干扰，移动台难以检测到其它基站的信号，不能满足测量到至少3个基站的要求，引起“听力”问题。IPDL(Idle Period DownLink)技术提高MS对邻近Node B的“听力”，即Node B周期性关闭下行发射，MS在Node B关闭发射期间测量邻近Node B的信号。该方式包括了位置测量单元(Location MeasurementUnit，以下简称LMU)的发射帧定时测量和MS的接收帧定时测量，这些测量参数发送给RNC，由RNC完成位置估计。TDOA/TOA定位的优缺点是需要LMU来测量基站的下行发射的不同步，基站的IPDL发射模式能够提高MS的可听性(测量到更多的邻近小区的导频信号)，定位精度一般为50～100m(67％概率)，多径和遮挡严重的城区环境性能会恶化。TDOA定位方法需要在无线接入网内增加网元服务移动定位中心(Service Mobile Location Center，简称SMLC)和位置测量单元LMU。
3、基于电波入射角(AOA)该方法是在接收机通过天线阵列测出电波的入射角，如单独采用此方法则由一定的算法确定由角度决定的两个以上BS的方位线的交点，即为被测移动台的位置。该方法适合于视距LOS(Line of Sight)传播的情况，非视距多径环境对于设备的复杂度要求较高，MUSIC算法、Capon算法、Bartlett算法、Esprit算法是此方面目前较好的算法。
4、基于接收信号强度(Received Signal Strength，以下简称RSS)研究表明，无线信号传播存在以下规律接收方测得的信号强度越强，发送方距离接收方往往越近，接收到的信号强度越弱，发送方距离往往越远。因此，通过测量接收到的信号强度可以推算出移动台到基站的距离。这种方法是通过测出接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发信机之间的距离。由于电场的强度衰落大概和距离的4次方成正比，所以根据场强的衰落可以估算出移动台和基站间的距离。在TD-SCDMA系统中，由于基站广播的系统信息中已经包含了基站的发射功率，只要MS测量出基站的发射功率，他们的差值就是基站信号在空中的传播衰耗大小，从而可以计算出MS和基站之间的距离。
5、A-GPS定位方法该定位方法需要建立能够持续对GPS卫星信号进行监测的GPS参考接收网络，该网络把获得的原始信息处理后成为GPS辅助信息，通过UMTS网络发送给终端GPS接收设备，确定手机的位置。A-GPS定位有两种方式(1)终端辅助的A-GPS方法。终端只提供卫星的伪距测量，位置计算由网络完成；(2)基于终端的A-GPS方法。终端要完成测量及位置计算。基于终端的A-GPS方法要提供GPS测量的辅助信息和与位置计算有关的辅助信息(如参考位置、卫星星历等)。相比传统GPS接收机而言，它的灵敏度提高20dB左右。利用网络提供的GPS捕获辅助信息，手机能够通过Doppler校正来实现更长时间的相干检测，并且检测集中在很小的搜索范围内。因此，即使卫星信号很弱，仍能准确地捕获，其冷启动时间显著缩短。A-GPS接收机在冷启动时，能够向网络请求导航电文等数据，因此不需要去解调导航电文，显著缩短首次定位时间，典型数值为3～6s。A-GPS手机不需要持续跟踪卫星，功耗相对低很多。但A-GPS具有传统GPS接收的固有显著缺点，满足定位至少需要检测到4颗卫星，因此在室内或建筑密集的城区将无法定位。定位精度一般为50～100m。A-GPS定位方法需要在无线接入网内增加网元SMLC和LMU。
1.对于TD-SCDMA蜂窝网络单基站定位方法，在准确度上往往不能达到系统的标准要求；采用TDOA方法，利用双曲线定位，有研究表明存在着固有的定位结果模糊问题，其概率可能＞20％(具体数值大小结果还取决于基站布局情况)；采用TOA方法在引起“听力”时将无法满足3个以上基站定位的基本要求，无法正常工作，有人提出利用IPDL的方法来周期的关闭基站下行时隙发送，从而使移动台能在更大可能概率上满足3基站接收的要求，然而这不仅增加系统实现的复杂度，更重要的是此举降低了整个网络的系统容量；采用AOA方法，需要2个以上基站方位角识别的极高分辨率，现有技术一般无法满足定位精度要求。
2.对于WIFI无线局域网系统采用RSS数据库方法不需要在现有无线局域网网络设施中添加定位测量专用硬件，只是通过读取信号接收强度，由移动台测量AP探测响应帧的信号强度。然而现有的基于单接入点的RSS数据库方法，需要在建立数据库时确认角度信息，这要求很高的测量精度，以及由此带来巨大工作量，是不够经济有效的。
针对现有技术中各个方法存在的种种问题，需要提出一种简单有效的在TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI体系无线局域网下的联合定位方法，以实现高精度的满足标准要求的定位服务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在未来的3G市场中广域覆盖的蜂窝网络和热点覆盖的无线局域网络融合的系统中，为了实现两种网络之间无缝的数据语音切换、资源管理，通过在TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI体系无线局域网下的联合定位，实现高精度的满足标准要求的定位服务。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的本发明提供一种在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，该定位方法包括在TD-SCDMA蜂窝网络中的定位和在WIFI网络中的定位，在TD-SCDMA蜂窝网络中的定位包括两个步骤前期测量和后期处理所述前期测量主要利用基站定位来获得数据信息，在基站处由智能天线获得AOA信息，综合TOA、AOA信息实现用户的精确定位估计所述后期处理主要根据前期测量中利用基站定位获取数据信息方式的不同而相应通过不同的数学形式对数据进行优化处理，最终得到理想的测量结果在WIFI网络中采用多AP环境，采用离线形式通过实测与模型结合构建RSS数据库；在线定位服务时由MS测量从各个AP点接收到的RSS值，实际定位时采用联合最大似然概率准则，以在概率上与测量点信号最为相似的信号强度作为候选，上传数据信息，从数据库中选出M个联合似然概率准则下的近似坐标位置，用平均估计最终定位结果。
该方法可考虑采用CELL ID+Rx定时偏差信息+AOA方位角的方法，利用单基站实现达到服务质量要求的定位，在基站处由智能天线环形天线阵获得AOA信息，利用上行同步信道，获取Rx定时偏差信息或者TA定时提前信息，导出上行电磁波传输时间TOA，估计MS和基站之间的距离，结合此距离和方位，可实现移动台的定位。
在所述TD-SCDMA蜂窝网络中的定位后期处理时，对于CELLID+Rx+AOA模式，采用历史位置校正算法提高精度。
该方法可采用多基站的结合TOA和AOA的定位方法，在MS处测量NODE B节点的OTDOA信息，并通过上行信道向网络端报告测量结果，在网络端RNC处转换OTDOA信息为TOA信息，由智能天线获取AOA信息，综合TOA、AOA信息实现用户的精确定位估计。
在所述TD-SCDMA蜂窝网络中的定位后期处理时，对于结合AOA+TOA模式，采用多基站距离加权定位算法或多基站距离加权定位+历史位置校正算法，提高定位精度。
该方法将TOA测量方法应用于TD-SCDMA网络，在移动台处测量3个基站的下行信号到达时间差OTDOA并上传测量参数，服务基站处转换为TOA信息，实施服务基站AOA+3基站TOA定位；当存在听力问题时，实施服务基站AOA+2基站TOA定位；严重的听力问题时，实行单基站定位。
该方法用服务基站和另一辅助基站的AOA+定时偏差Rx TD信息，辅助定位基站将测量参数传输至服务基站，由服务基站完成定位算法实现。
所述TD-SCDMA网络利用上行导频时隙信道估计参数，调节智能天线各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，对基站的接受和发射波束进行自适应的赋形，提高AOA角度测量的准确性。
该方法采用三基站测量的距离加权算法。
该方法采用在网络端实施定位服务，在构建RSS数据库视定位精度要求采取不同的步长测量手段，典型地点测量以减少数据库建立工作量。
本发明具有的优点是定位服务的实现，从两方面考虑一是良好的定位效果(位置准确性、延时)，二是可行的实现复杂度(如计算复杂度、网络信令负载、附加网元与否)。
采取在网络端实现最终的用户定位，主要考虑以下几点移动台不适合作大规模计算；网络端实施定位信令负载少；定位需要知道基站的地理位置等信息，不适合传输与移动台；在网络端实施定位，可使提供优质服务的运营商、设备提供商赢得用户，符合市场规律。
1.对于TD-SCDMA蜂窝网络本发明充分利用了TD-SCDMA技术的特点，TD-SCDMA采用时分双工制式，上、下行链路工作在相同的频段，对于上行信道的信道估计可应用于下行信道的发射波束赋形，以此获得MS较为准确的方位信息。TD-SCDMA上行同步，即不同距离的上行信号(每帧)能同步到达基站，同步精度可达1/8码片，为测量准确的时间信息提供了基础。
第一较佳实施例成功地将TOA测量方法应用到TD-SCDMA网络中，在少量增加复杂度的情况下(在移动台处增加测量基站下行信号到达时间差OTDOA及上传测量参数的功能)大幅提高了系统的定位精度。在移动台靠近某一基站而引起听力问题时，仍能够利用所测量到的2个基站TOA信息及服务基站的AOA信息进行有效定位，且在精确度上不会出现严重下降，而且即使在出现严重的听力问题时，系统仍能至少通过服务基站实现单基站定位。因此，本发明的鲁棒性(Robustness)极强，能够适用于所有理想及突发情况。
第二较佳实施例考虑到TD-SCDMA系统在每个基站处都可获得移动台到达方位角、定时偏差信息的特点，利用双基站实现高质量定位服务。优点在于所有需要的参数信息都在网络端基站处获得，不需要移动台的任何操作与软硬件改变。且不存在其它方法所普遍具有的听力问题所带来的实现难度和定位准确性的下降。比AOA方法的准确性有大幅提高，但此方法仍须依赖移动台方位角的准确估计，因此高效的AOA估计算法是此方案实现的关键。
本发明还从移动性管理理论中的用户位置移动特征以及多径干扰的影响入手，提出采用多基站距离加权定位和历史位置校正算法进行后期处理，用较小的实现复杂度，有效的提高系统定位精度。
2.对于WIFI无线局域网系统本发明在现有WIFI系统基于RSS测量进行定位的理论基础上提出了基于多接入点的数据库模型建立方案。理论上基于3个AP的RSS数据就可实现移动台的唯一定位，因此只需建立一个除x，y坐标外的三维的向量坐标信息数据库即可，结合无线信号的传播模型估计，实现复杂度比现有方案有大幅提高。且本发明有很强的适应能力，具体的实现可视定位精度要求所定，采取不同的步长测量手段。
由于信号强度接收对于各个接入点的独立性，本发明提出了联合最大似然概率准则，以在概率上与测量点信号最为相似的多点信号强度作为候选，最小化可能误差，提高了系统的定位精度，更好的实现了WIFI系统的精确定位。
图1是本发明定位服务基本流程示意图。
其中LCSLocation Service 定位服务GMLCGateway Mobile Location Center 网关移动定位中心HLRHome Location Register 归属位置寄存器
MSCMobile Switching Center 移动转换中心SGSNService GPRS Supporting Node 服务GPRS支持网点RANRadio Access Network 无线接入网MSMobile Station 移动台图2是本发明在利用多基站实现高质量的定位服务请求时三基站联合定位的示意图。
图3是本发明在利用多基站实现高质量的定位服务请求中存在“听力”问题时的定位示意图。
图4是本发明在利用两基站实现高质量的定位服务请求时双基站联合定位的示意图
具体实施例方式在未来的3G市场中广域覆盖的蜂窝网络和热点覆盖的无线局域网络是一个融合的系统，实现这两种网络之间无缝的数据语音切换、资源管理等是必然趋势。本发明提出一种在TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI体系无线局域网下的联合定位的方法，从而实现高精度的满足标准要求的定位服务。
1、对于TD-SCDMA蜂窝网络TD-SCDMA技术是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，是3GPP的一个重要成员。作为我国自主知识产权的通信技术，有着其自身的特点和优势。TD-SCDMA系统中采用了智能天线等关键技术，基站可以估计AOA，使得AOA结合TOA就可以实现MS定位。基于智能天线和TOA的定位技术与GPS系统相比，不需要对通信标准进行修改，可以在现有的基础设施和不增加昂贵的设备初始安装费用前提下附加一些设备就可完成。TD-SCDMA由于采用时分双工制式，因此上、下行链路工作在相同的频段。因此在5ms的一个子帧内，可以认为这个时间间隔内信道是不变的。这就能利用上行信道的接收数据估计出信道参数用于下行信道的发射波束赋形，使下行波束对准移动台MS，这就有可能得到MS较为准确的方位信息。TD-SCDMA系统利用了严格的基站与基站，基站与MS之间的同步，特别是上行同步，同步精度达到1/8码片。严格的同步减少了符号间干扰(Inter Symbol Interference)和多址干扰MAI(Multiple Access Interference)，同时也为MS定位提供了简便的途径。
将整个定位过程划分为两个方面前期测量和后期处理。前期测量主要考虑采用何种方法形式获得数据信息，后期处理主要通过数学形式对数据进行优化处理，最终得到理想的测量结果。
(1)前期测量作为先期部署的TD-SCDMA蜂窝网络从成本考虑，可考虑采用CELL ID+Rx定时偏差信息+AOA方位角的方法，利用单基站实现达到服务质量要求的定位。在基站处由智能天线环形天线阵获得AOA信息；利用上行同步信道，获取Rx定时偏差信息或者TA定时提前信息，导出上行电磁波传输时间TOA，估计MS和基站之间的距离。结合此距离和方位，可实现移动台的定位。
随着3G商用规模的扩大和定位业务市场的成熟，可以采用多基站的结合TOA和AOA的定位方法。在MS处测量NODE B节点的OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)，并通过上行信道向网络端报告测量结果，在网络端RNC处转换OTDOA信息为TOA信息；由智能天线获取AOA信息，综合TOA、AOA信息实现用户的精确定位估计。
(2)后期处理对于CELL ID+Rx+AOA模式，采用历史位置校正算法提高精度。对于结合AOA+TOA模式，采用多基站距离加权定位(+历史位置校正)算法，提高定位精度。
2、对于WIFI802.11无线局域网系统自从WIFI802.11无线局域网标准问世以来，无线通信市场一直增长迅猛。在现有高速无线局域网条件下，用户凭借轻量级可移动的计算设备(如笔记本电脑、掌上电脑和个人数字助理)，就能随时随地接入互联网。移动中的用户对信息的即时性和就地性的需求越来越强烈，这就给基于位置的服务和应用提供了广阔的市场空间。目前定位服务主要有蜂窝无线定位和GPS两种，这两种定位技术往往无法满足小范围高精度及室内用户的定位需求。
因此，对WIFI系统产生了进一步深入的定位研究。多接入点(AccessPoint，以下简称AP)环境下，采用离线形式通过实测与模型结合构建RSS数据库；在线定位服务时由MS测量从各个AP点接收到的RSS值，上传数据信息，从数据库中选出M个联合似然概率准则下的近似坐标位置，用平均估计最终定位结果。
为了实现TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI无线局域网的联合定位技术，当移动台(手机、PDA、Notebook PC)处于大范围覆盖的TD-SCDMA蜂窝网络中时，利用基站(及移动台)实施网络主导的基于方位角、定时偏差、到达时间等的定位估计，提供用户请求的定位服务，而当终端切换到众多热点覆盖的无限局域网时，利用接入点处数据库及移动台信号强度测量结果可以实现更好的定位精度。无论在蜂窝网络还是无线局域网络中都可实现基于位置的众多服务及应用。
对于TD-SCDMA蜂窝网络和WIFI系统，假定WIFI802.11无线局域网系统采用紧耦合的方式接入到3G核心网中，由MSC(MobileSwitching Center)、SGSN(Service GPRS Supporting Node)负责控制和信令的消息的转发，AAA问题由GPRS核心网络完成。请参阅图1所示，定位业务的基本流程为(1)位置服务客户向移动定位中心请求服务；(2)GMLC验证客户身份并向目标MS的归属位置寄存器HLR发送路由信息请求；(3)HLR向GMLC返回MSC或者SGSN的地址，得到MS的路由信息；(4)GMLC向MSC/SGSN发送消息请求目标MS的位置信息；(5)执行目标MS的鉴权和寻呼；(6)MSC/SGSN向RAN发送定位请求；(7)TD-SCDMA接入网RAN或者WIFI的接入点AP执行具体的定位过程；(8)得到位置信息后RAN/AP把MS的位置信息报告MSC/SGSN；
(9)MSC/SGSN把定位结果返回给GMLC；(10)GMLC向定位服务请求客户作出业务响应。
本发明具体测量过程方法如下一、对于TD-SCDMA蜂窝网络1、前期测量第一较佳实施例a、利用单基站实现达到服务质量要求的定位CELL ID对于城区或者室内的某些地方的微型/微微型小区，其基站覆盖半径在上百米甚至几十米之内，这种简单的通过获知小区信息即可定位的方法是切实可行且高效的。只要用户是在线的，就至少可以通过寻呼来获得这一信息。
Rx+AOA对于TD-SCDMA蜂窝网络系统，一般采取单基站到达方位角加上Rx定时偏差，这两种信息完全在网络端基站处获得，不需要移动台的任何操作与软硬件改变，完全可以在现有的任何移动终端上实现。
(1)TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀的分布在一个半径为R的圆上，由基站天线接收的信号信息，进行圆一角定位，进而利用一定的算法(本发明建议采取MUSIC算法利用输入信号相关矩阵的特征结构，估计各用户的AOA，并可估计用户信号的个数，此算法对于相互独立信源的AOA估计精度较高，并随SNR的提高其分辨率和估计精度有所改善)进行来波方向估计。利用TD-SCDMA的上行导频时隙进行信道估计，通过调节智能天线各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，自动测量出呼叫用户方向，进而调整天线波束使其指向用户，对基站的接受和发射波束进行自适应的赋形，提高AOA角度测量的准确性。
(2)利用上行同步信号，获得Rx定时偏差信息或者TA定时提前信息，导出从MS到基站的电磁波传输时间，估计MS和基站之间的距离。
b、利用多基站实现高质量的定位服务请求如图2所示，AOA+TOA(1)由MS测量多个基站的OTDOA，并通过上行链路将测量参数传输至基站网络端，由RNC将OTDOA信息转化为TOA信息，且通过Rx定时偏差信息已知服务基站到MS的传输时间，将各基站到MS的TOA信息转化为各基站到MS的距离信息。
(2)服务基站一方面接收目标移动台的测量报告，另一方面测量目标移动台的上行同步信号，获取Rx定时偏差信息。AOA测量方法同上。
(3)综合服务基站处所获得AOA、TOA信息实现用户的精确定位估计。
如果由于移动台处于大范围覆盖(几十公里范围)的郊区乡村环境无法接收到3个基站的信号，或在市区环境由于离服务基站的距离过近而引起“听力”问题(即由于功率控制，当移动台离基站很近时，受基站强信号的干扰，移动台难以监测到其它基站的信号，不能满足至少测量到3个基站的要求)。
此时，如图3所示，可采用以下方式(4)由服务基站和一个辅助基站到移动台的TOA以及服务基站的AOA信息实施联合定位，确定位置区域。但此时的定位质量要低于3个以上基站定位的效果。
第二较佳实施例a、利用单基站实现达到服务质量要求的定位与第一较佳实施例相同，从略。
b、利用两基站实现高质量的定位服务请求如图4所示，所有测量均由网络端来完成，无须终端的任何改变；由服务基站及辅助定位基站测量移动台到达角度AOA和系统定时偏差RxTD。辅助定位基站将测量参数传输至服务基站，由服务基站完成定位算法实现和位置信息报告。
2、后期处理(1)历史位置校正优化方法在基站利用上行导频信号的测量定位过程中，可以采用多次时间间隔以获得几组Rx和AOA数据结果，这可看作是对移动台的连续几次定位测量。用户在这一有限的时间间隔内的移动距离是有限的，如对于间隔十个帧(100ms)的测量，有理由相信此时用户的移动距离将不大于20m(移动台的极限速度应小于200m/s)，因此对于几组数据结果，可以根据其间距离排除一些不可能的位置，得到可能的路径序列并平滑数据结果。如下面表格所示，从n＝3次连续的测量结果中消除不可能的位置状态，可以很好的提高定位精度可靠性。此方法无论对于Rx+AOA模式还是AOA+TOA模式都有很好的可行性，实现的代价是2个间隔(n＝2时)的时延。
(2)多基站距离加权定位算法移动台测量中多径干扰的存在带来最终定位结果的非唯一性和不准确，此时不同基站的测量结果都受到信号多径传播所带来的影响。距离的远近对于移动台接受信号所受的多径干扰的情况是不一样的，因此提出多基站距离加权定位算法来提高定位效果。
针对AOA+TOA测量模式所获知的MS到3个BS的传播时间t1，t2，t3，有d1＝ct1，d2＝ct2，d3＝ct3。c为电磁波在空气中的传播速度c＝2.5×108m/s。
对其进行距离加权wi＝di-n，i＝1，2，3，n为距离加权系数。
归一化w‾i=wiΣi=13wi,i=1,2,3]]>移动台的坐标定位为(x,y)=Σi=13w‾i×(xi,yi),]]>(xi，yi)为基站的坐标位置。
二、对于WIFI无线局域网系统在多接入点(AP)环境下，已知AP位置及其发射功率，采用离线形式通过实测与模型结合构建RSS数据库；在实行定位服务时首先由MS测量从各个AP点接收到的RSS值，经专用信道上传数据信息，通过提出的算法从数据库中核实出M个符合联合最大似然概率标准的近似坐标位置，最终用求和平均估计可靠的定位结果。
1、在布局AP时测量WIFI无线局域网覆盖范围内的有限点信号场强，构建经验值数据库，对于精确的定位，需要在每一点上进行多次测量，工作量很大。为此，可以结合无线信号传播模型的建立来减少不必要的工作量(特别是对于类似非室内环境的无线局域网布局)，可采用如下模型对无线信号的路径损耗均值进行预测P(d)=P(d0)+20log(dd0)+ΣW,d≤dsP(d0)+10nflog(dd0)+20log(dsd0)+ΣW,d≥ds]]>其中d0为参考点距离(1m)，W为实验测定的障碍物衰减因子，ds为发射天线周围的等效自由空间距离(对于不同的AP布局有不同的值)，nf为由环境决定的空间路径损耗指数。
如果测量点的RSS值与模型估计值的误差在一定的范围内，则认为信号强度估计值可用，如果相差很大，则要在该区域进行采样取值，并替换估计值数据库RSS值。
测量时，步长选择越小，则定位精度越好。但数据库的大小将随之急剧增大，因此要在性能和实现的复杂度、成本之间作一个好的平衡。室外系统取值应稍大，室内系统取值则较小(建议典型室外步长值为5m，室内步长值为3m)。
选取典型地点测量如一个会议室，走廊或者教室可以作为单独的区域。
存储的数据结构为[s1，s2，...，sN，xi，yi]，(xi，yi)为坐标，Si为从第i个AP处测得的信号强度值，N为AP个数。
采用多次测量取平均的方式存储数据(RSS值近似服从高斯分布，从分布特性着手可获得更好的特性)。
2、客户要求定位服务时，移动台从多个AP处(N＝3)测量信号帧的强度，(由于信号的不稳定性，可采取多次测量平均的取值)S＝[s1，s2，...，sN]，上行链路传输测量结果，由AP执行定位。
定义S与数据库中信号强度值的联合最大似然概率Lkmax=max[Πi=1N|1-|S-Si||Si||]]]>k＝1，2，...，M，为所取的临近点信号值的个数，(可取为典型值M＝3)。Si为从数据库中获知的i处的信号强度值。此准则即选取与测量信号强度数据概率误差最小的M个可能位置坐标。
应用求和平均，最终推导得目标移动台坐标(x，y)为(x,y)=1MΣi=1M(xi,yi)]]>与现有技术相比较，本发明的优点在于定位服务的实现，从两方面考虑一是良好的定位效果(位置准确性、延时)，二是可行的实现复杂度(如计算复杂度、网络信令负载、附加网元与否)。
采取在网络端实现最终的用户定位，主要考虑以下几点移动台不适合作大规模计算；网络端实施定位信令负载少；定位需要知道基站的地理位置等信息，不适合传输与移动台；在网络端实施定位，可使提供优质服务的运营商、设备提供商赢得用户，符合市场规律。
1.对于TD-SCDMA蜂窝网络本发明充分利用了TD-SCDMA技术的特点，TD-SCDMA采用时分双工制式，上、下行链路工作在相同的频段，对于上行信道的信道估计可应用于下行信道的发射波束赋形，以此获得MS较为准确的方位信息。TD-SCDMA上行同步，即不同距离的上行信号(每帧)能同步到达基站，同步精度可达1/8码片，为测量准确的时间信息提供了基础。
第一较佳实施例成功地将TOA测量方法应用到TD-SCDMA网络中，在少量增加复杂度的情况下(在移动台处增加测量基站下行信号到达时间差OTDOA及上传测量参数的功能)大幅提高了系统的定位精度。在移动台靠近某一基站而引起听力问题时，仍能够利用所测量到的2个基站TOA信息及服务基站的AOA信息进行有效定位，且在精确度上不会出现严重下降，而且即使在出现严重的听力问题时，系统仍能至少通过服务基站实现单基站定位。因此，本发明的鲁棒性(Robustness)极强，能够适用于所有理想及突发情况。
第二较佳实施例考虑到TD-SCDMA系统在每个基站处都可获得移动台到达方位角、定时偏差信息的特点，利用双基站实现高质量定位服务。优点在于所有需要的参数信息都在网络端基站处获得，不需要移动台的任何操作与软硬件改变。且不存在其它方法所普遍具有的听力问题所带来的实现难度和定位准确性的下降。比AOA方法的准确性有大幅提高，但此方法仍须依赖移动台方位角的准确估计，因此高效的AOA估计算法是此方案实现的关键。
本发明还从移动性管理理论中的用户位置移动特征以及多径干扰的影响入手，提出采用多基站距离加权定位和历史位置校正算法进行后期处理，用较小的实现复杂度，有效的提高系统定位精度。
2.对于WIFI无线局域网系统本发明在现有WIFI系统基于RSS测量进行定位的理论基础上提出了基于多接入点的数据库模型建立方案。理论上基于3个AP的RSS数据就可实现移动台的唯一定位，因此只需建立一个除x，y坐标外的三维的向量坐标信息数据库即可，结合无线信号的传播模型估计，实现复杂度比现有方案有大幅提高。且本发明有很强的适应能力，具体的实现可视定位精度要求所定，采取不同的步长测量手段。
由于信号强度接收对于各个接入点的独立性，本发明提出了联合最大似然概率准则，以在概率上与测量点信号最为相似的多点信号强度作为候选，最小化可能误差，提高了系统的定位精度，更好的实现了WIFI系统的精确定位。
综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
权利要求
1.一种在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，该定位方法包括在TD-SCDMA蜂窝网络中的定位和在WIFI网络中的定位，其特征在于在TD-SCDMA蜂窝网络中的定位包括两个步骤前期测量和后期处理所述前期测量主要利用基站定位来获得数据信息，在基站处由智能天线获得AOA信息，综合TOA、AOA信息实现用户的精确定位估计所述后期处理主要根据前期测量中利用基站定位获取数据信息方式的不同而相应通过不同的数学形式对数据进行优化处理，最终得到理想的测量结果在WIFI网络中采用多AP环境，采用离线形式通过实测与模型结合构建RSS数据库；在线定位服务时由MS测量从各个AP点接收到的RSS值，实际定位时采用联合最大似然概率准则，以在概率上与测量点信号最为相似的信号强度作为候选，上传数据信息，从数据库中选出M个联合似然概率准则下的近似坐标位置，用平均估计最终定位结果。
2.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法可考虑采用CELL ID+Rx定时偏差信息+AOA方位角的方法，利用单基站实现达到服务质量要求的定位，在基站处由智能天线环形天线阵获得AOA信息，利用上行同步信道，获取Rx定时偏差信息或者TA定时提前信息，导出上行电磁波传输时间TOA，估计MS和基站之间的距离，结合此距离和方位，可实现移动台的定位。
3.根据权利要求1或2所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于在所述TD-SCDMA蜂窝网络中的定位后期处理时，对于CELL ID+Rx+AOA模式，采用历史位置校正算法提高精度。
4.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法可采用多基站的结合TOA和AOA的定位方法，在MS处测量NODE B节点的OTDOA信息，并通过上行信道向网络端报告测量结果，在网络端RNC处转换OTDOA信息为TOA信息，由智能天线获取AOA信息，综合TOA、AOA信息实现用户的精确定位估计。
5.根据权利要求1或4所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于在所述TD-SCDMA蜂窝网络中的定位后期处理时，对于结合AOA+TOA模式，采用多基站距离加权定位算法或多基站距离加权定位+历史位置校正算法，提高定位精度。
6.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法将TOA测量方法应用于TD-SCDMA网络，在移动台处测量3个基站的下行信号到达时间差OTDOA并上传测量参数，服务基站处转换为TOA信息，实施服务基站AOA+3基站TOA定位；当存在听力问题时，实施服务基站AOA+2基站TOA定位；严重的听力问题时，实行单基站定位。
7.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法用服务基站和另一辅助基站的AOA+定时偏差Rx TD信息，辅助定位基站将测量参数传输至服务基站，由服务基站完成定位算法实现。
8.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于所述TD-SCDMA网络利用上行导频时隙信道估计参数，调节智能天线各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，对基站的接受和发射波束进行自适应的赋形，提高AOA角度测量的准确性。
9.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法采用三基站测量的距离加权算法。
10.根据权利要求1所述的在TD-SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，其特征在于该方法采用在网络端实施定位服务，在构建RSS数据库视定位精度要求采取不同的步长测量手段，典型地点测量以减少数据库建立工作量。
全文摘要
本发明提出了一种在TD－SCDMA和WIFI系统下的联合定位方法，在TD－SCDMA蜂窝网络中的定位包括两个步骤前期测量和后期处理，所述前期测量主要利用基站定位来获得数据信息，实现用户的精确定位估计，所述后期处理主要根据前期测量中利用基站定位获取数据信息方式而通过对数据进行优化处理，最终得到理想的测量结果，在WIFI网络中的定位采用离线形式通过实测与模型结合构建RSS数据库，以在概率上与测量点信号最为相似的信号强度作为候选，从数据库中选出M个联合似然概率准则下的近似坐标位置，用平均估计最终定位结果，从而实现高精度的满足标准要求的定位服务。
文档编号H04W64/00GK1744763SQ20051003024
公开日2006年3月8日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者陈铭铭 申请人:上海贝豪通讯电子有限公司