使用多波束发射来估计无线站的位置的方法和装置的制作方法

专利名称：使用多波束发射来估计无线站的位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信，更具体地涉及用于确定无线站的位置的方法和系统。
背景技术：
传统的用于在无线通信网络中无线地确定无线站位置的技术，例如从卫星无线电 发射接收全球定位系统(GPS)信号，在许多位置经常是无效的，这是由于接收信号的衰弱 以及多径信号传播的影响，特别是在室内以及由高楼所产生的“都市峡谷”，在这些地方，无 线电信号通常会被环境中的多个物体散射。这种多径散射阻碍了许多传统定位技术，这是 因为多个信号到达终端和网络接入点，例如基站。其他的传统定位技术，例如测量来自地面发射器的信号的强度或者到达时间(或 者在多个信号之间到达时间的差)，同样也被所述多径传播所扰乱并且在所述无线站处需 要专门的测量装置。因此，采用传统定位技术的通信系统通常很昂贵，这是由于在每个无线站中实施 专门的接收器或者信号测量装置。在无线站的另外的接收和测量也消耗了另外的功率并且 因此降低了电池寿命。接收GPS信号，例如，在无线站需要另外的天线和接收器，这增大了 所述无线站的尺寸和重量。

发明内容
根据一个广义的方面，本发明提供了一种方法包括基于多波束天线方向图 (antenna pattern)的多个波束角和在多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信 号中的每一个在无线站处的接收信号属性，对于多个波束角中的每一个估计从多波束天线 方向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于多波束天线方向图的多个波束角中 的每一个，在多波束天线方向图的相应波束上发射相应多个无线信号中的每个无线信号。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于无线站的所估计的方位角，将多波束 天线方向图的波束转向(steer)无线站，以用于与所述无线站通信。在一些实施例中，估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角包括确定 波束角，在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少两个无线信号的 相应接收信号属性的比率(ratio)基本上等于预定值。在一些实施例中，对于在多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中 的每一个，在无线站处的接收信号属性包括与在多波束天线方向图的其他波束上发射的无 线信号不同的在相应波束上发射的无线信号的分量(component)的接收电平(level)。在一些实施例中，所述预定值基本上等于1。在一些实施例中所述多波束天线方向图包括第一天线波束和第二天线波束；以 及估计方位角包括确定波束角，在该波束角在第一天线波束上发射的相应无线信号的接 收信号属性与在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于预定值。在一些实施例中所述多波束天线方向图包括介于第一天线波束和第二天线波束 中间的第三天线波束；以及估计方位角包括确定波束角，在该波束角在第一天线波束上 发射的相应无线信号的接收信号属性与在第三天线波束上发射的相应无线信号的接收信 号属性的比率基本上等于第二预定值；并且在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收 信号属性与在第三天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于第 三预定值。在一些实施例中，所述第三天线波束基本位于第一天线波束和第二天线波束之间 的中间位置(half-way)，并且所述第二预定值基本上等于所述第三预定值。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于每个波束角，向无线站发射表示波束 角的码。在一些实施例中，所述方法进一步包括从无线站接收表示波束角的码，在该波束 角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少两个无线信号的相应接收信号属性 的比率基本上等于预定值。在一些实施例中，所述多个无线信号包括以下任何一个正交频分复用(OFDM)信 号；码分多址(CDMA)信号；时分多址(TDMA)信号；以及基于脉冲的超宽带(UWB)信号。在一些实施例中所述多个无线信号包括正交频分复用(OFDM)信号；每个波束的 相应无线信号的不同分量包括与在其他波束上发射的子载波不同的至少一个子载波；并且 所述多波束天线方向图的至少两个波束的不同分量的接收电平的比率包括所述多波束天 线方向图的至少两个波束的不同子载波在无线站处的接收信号功率之间的比率。在一些实施例中所述多个无线信号包括码分多址(CDMA)信号；每个波束的相应 无线信号的不同分量包括位于发射突发(transmission burst)开始处的前导(preamble) 的相应部分，以使得所述多波束天线方向图的每个天线波束在所述前导的其相应部分期间 发射；并且所述多波束天线方向图的至少两个波束的不同分量的接收电平的比率包括前导 的相应部分在无线站处的接收信号功率之间的比率。在一些实施例中所述多个无线信号包括码分多址(CDMA)信号，从而对于每个波 束角，相同的无线信号在多波束天线方向图的每个天线波束上发射，其中波束之间的定时 偏移允许每个天线波束上的无线信号在无线站处被接收并分解为不同分量；并且所述多 波束天线方向图的至少两个波束的不同分量的接收电平的比率包括在多波束天线方向图 的至少两个波束上发射的所述接收和分解的时间偏移CDMA信号的接收信号功率之间的比 率。在一些实施例中所述多个无线信号包括时分多址(TDMA)信号；每个波束的相应 无线信号的不同分量包括帧的前导的相应部分，从而所述多波束天线方向图的每个天线波 束在所述帧的前导的其相应部分期间发射；并且所述多波束天线方向图的至少两个波束的 不同分量的接收电平的比率包括帧的前导的相应部分在无线站处的接收信号功率之间的比率。在一些实施例中所述多个无线信号包括基于脉冲的超宽带(UWB)信号；每个波 束的相应无线信号的不同分量包括多个UWB脉冲的子集，从而多波束天线的每个波束发射 多个UWB脉冲的相应子集；并且所述多波束天线方向图的至少两个波束的不同分量的接收
6电平的比率包括在所述多波束天线方向图的至少两个波束上发射的UWB脉冲的相应子集 在无线站处的接收信号功率之间的比率。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于至少一个另外的多波束天线方向图 中的每一个对于所述另外的多波束天线方向图的多个波束角中的每一个，在所述另外的 多波束天线方向图的相应天线波束上发射多个无线信号；以及基于在所述另外的多波束天 线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个在无线站处的接收信号属性，对于 所述另外的多波束天线方向图的多个波束角中的每一个估计从所述另外的多波束天线方 向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于所估计的从第一多波束天线方向图 的参考点到无线站的方位角和从至少一个另外的多波束天线方向图中的每一个的相应参 考点到无线站的相应估计的方位角的相交(intersection)的位置来估计无线站的位置。在一些实施例中，估计无线站的位置是基于所估计的从多个多波束天线方向图到 无线站的方位角和表示所估计的无线站和所述多个多波束天线方向图的至少一个子集的 相应参考点之间的径向距离的双曲线的相交的位置来确定的。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于每个波束角，接收表示所述波束角的码。在一些实施例中，所述方法进一步包括报告表示波束角的码，在该波束角在多 波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少两个无线信号的相应接收信号属性的比率 基本上等于预定值。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于所估计的从第一多波束天线方向图 的参考点到无线站的方位角和从至少一个另外的多波束天线方向图中的每一个的相应参 考点到无线站的相应估计的方位角的相交的位置来估计无线站的位置。根据本发明的另一个广义的方面，提供了一种装置包括多波束天线系统，被配置 成生成多波束天线方向图；波束转向器(steerer)，被配置成将多波束天线系统转向多个 波束角；射频(RF)发射器，被配置成在所述多个波束角中的每个波束角生成多个无线信 号，以使得在每个波束角，多个无线信号中的每个无线信号在由多波束天线系统所生成的 多波束天线方向图的相应一个天线波束上发射；以及位置估计控制器，被配置成基于所述 多个波束角以及在无线站处测量的、在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的多个无 线信号中的每一个的接收信号属性对于多个波束角中的每一个估计从所述多波束天线方 向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成对于多个波束角中的每一个接收 来自无线站的多个无线信号中的每一个的接收信号属性。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成通过确定波束角来估计从多波束 天线方向图的参考点到无线站的方位角，在所述波束角在多波束天线方向图的相应天线 波束上发射的至少两个无线信号的相应接收信号属性的比率基本上等于预定值。 在一些实施例中，所述RF发射器被配置成对于所述多个波束角中的每一个发射 表示多个波束角中的当前波束角的码。 在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成从无线站接收表示波束角的码， 其中在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少两个无线信号的相应
7接收信号属性的比率基本上等于预定值。 在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成控制所述波束转向器以基于所估 计的无线站的方位角将所述多波束天线方向图的波束转向无线站以用于与无线站进行通在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成控制所述RF发射器对于多个波 束角中的每一个生成多个无线信号，从而对于每个波束角所生成的多个无线信号中的每个 无线信号包括与对于相同波束角所生成的多个无线信号中的其他无线信号的不同的至少
一个分量。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成执行校准算法以确定所述预定值。在一些实施例中，所述预定值基本上等于1。在一些实施例中所述多波束天线系统被配置成使得所述多波束天线方向图包括 第一天线波束和第二天线波束；并且所述位置估计控制器被配置成通过确定波束角来估计 方位角，在该波束角在第一天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性与在第二天 线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于所述预定值。在一些实施例中，第一天线波束和第二天线波束被分隔开基本上90度。在一些实施例中所述多波束天线系统被配置成使得所述多波束天线方向图包括 介于第一天线波束和第二天线波束中间的第三天线波束；并且所述位置估计控制器被配置 成通过确定波束角来估计方位角，在该波束角在第一天线波束上发射的相应无线信号的 接收信号属性与在第三天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等 于第二预定值；并且在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性与在第三天线 波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于第三预定值。在一些实施例中，所述多波束天线系统被配置成使得所述第三天线波束基本位于 第一天线波束和第二天线波束之间的中间位置，并且所述第二预定值基本上等于所述第三 预定值。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成基于来自无线站的定时同步信 息和接收信号强度中的至少一个来估计无线站和多波束天线方向图的参考点之间的径向 距离；以及基于所估计的从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角和所估计的多波 束天线方向图的参考点和无线站之间的径向距离来估计无线站的位置。在一些实施例中，对于每个波束角，所述RF发射器被配置成生成码分多址(CDMA) 信号的多个时间偏移版本作为多个无线信号以允许在所述多波束天线方向图的每个天线 波束上发射的无线信号在无线站处被接收并分解为不同分量。在一些实施例中，所述装置还包括第二多波束天线系统，其被配置成生成第二多 波束天线方向图，其中所述多波束天线系统位于不同位置；第二波束转向器，其被配置成将 第二多波束天线系统指向第二多个波束角；第二射频(RF)发射器，其被配置成在所述第二 多个波束角中的每个波束角生成第二多个无线信号，从而在所述第二多个波束角中的每个 波束角，所述第二多个无线信号中的每个无线信号在由第二多波束天线系统生成的第二多 波束天线方向图的相应一个天线波束上发射，其中位置估计控制器被配置成基于第二多个 波束角和在无线站测量的第二多波束天线方向图的相应天线波束上发射的第二多个无线信号中的每一个的接收信号属性来对于所述第二多个波束角的多个波束角中的每一个估 计从第二多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成基于所估计的从第一多波束天线 方向图的参考点到无线站的方位角和所估计的从第二多波束天线方向图的参考点到无线 站的方位角的相交的位置来估计无线站的位置。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成基于接收信号强度和定时同步信 息至少之一来估计从无线站到第一多波束天线方向图的参考点的径向距离；以及从无线 站到第二多波束天线方向图的参考点的径向距离。在一些实施例中，所述位置估计控制器被配置成基于所估计的从第一和第二多波 束天线方向图的相应参考点到无线站的方位角和表示所估计的无线站和所述第一和第二 多波束天线方向图的相应参考点之间的径向距离的双曲线的相交的位置来估计无线站的 位置。在一些实施例中，第一多波束天线系统和第二多波束天线系统位于不同高度；并 且所述位置估计控制器被配置成基于所估计的方位角和所估计的无线站相对于多个多波 束天线方向图的参考点的径向距离和所述第一和第二多波束天线系统的高度来估计无线
站的高度。在一些实施例中，所述装置进一步包括接入控制器，其被配置成基于所估计的无 线站的位置来控制无线站接入无线通信系统资源。在一些实施例中，所述装置位于无线通信系统的接入点中。根据本申请的另一个广义的方面，提供了一种方法，包括发射多个无线信号，每 个无线信号在多波束天线方向图的相应波束上发射；以及基于在所述多波束天线方向图的 相应波束上发射的多个无线信号在无线站处的接收信号属性来估计从多波束天线方向图 的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述方法进一步包括从无线站接收在多波束天线方向图的相 应波束上发射的多个无线信号中的每一个的接收信号属性。在一些实施例中，所述方法进一步包括执行校准以确定所述预定值。在一些实施例中，所述方法进一步包括估计无线站和多波束天线方向图的参考 点之间的径向距离，以及基于所估计的从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角和 所估计的多波束天线方向图的参考点和无线站之间的径向距离来估计无线站的位置。在一些实施例中，估计无线站和多波束天线方向图的参考点之间的径向距离基于 以下至少之一接收信号强度；以及定时同步信息。在一些实施例中，多波束天线方向图的至少两个波束的不同子载波在无线站处的 接收信号功率之间的比率包括相邻子载波对的接收信号功率的比率。在一些实施例中，所述多个无线信号包括码分多址(CDMA)信号；每个波束的相应 无线信号的不同分量包括利用相应不同的扩频码扩展的信号的一部分，以使得多波束天线 的每个波束发射利用其相应不同的扩频码扩展的信号的部分；以及所述多波束天线方向图 的至少两个波束的不同分量的接收功率电平的比率包括相应扩频码在无线站处的接收信 号功率之间的比率。在一些实施例中，所述多个无线信号包括时分多址(TDMA)信号；每个波束的相应无线信号的不同分量包括相应TDMA时隙，以使得所述多波束天线的每个波束在其相应 TDMA时隙内发射；以及所述多波束天线方向图的至少两个波束的不同分量的接收功率电 平的比率包括所述多波束天线方向图的至少两个波束的相应TDMA时隙中在无线站处的接 收信号功率之间的比率。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于至少以下之一接收信号强度；以及 在无线站处的定时同步来估计从无线站到多个多波束天线方向图的至少一个相应参考点 的径向距离。在一些实施例中，估计无线站的位置是基于所估计的从多个多波束天线方向图到 无线站的方位角和表示所估计的无线站和多个多波束天线方向图的至少一个子集的相应 参考点之间的径向距离的双曲线的相交的位置而确定的。在一些实施例中，所述多个多波束天线方向图并非都处于相同高度；以及估计无 线站的位置包括基于所估计的方位角和所估计的无线站相对于多个多波束天线方向图的 参考点的径向距离和所述多个多波束天线方向图的高度来估计无线站的高度。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于所估计的无线站的位置和与无线终 端相关联的识别信息来控制无线站接入无线通信系统资源。根据本申请的另一个广义的方面，提供了一种在无线站中的方法，该方法包括对 于多波束天线方向图的多个波束角中的每一个，接收相应多个无线信号，每个无线信号已 经在所述多波束天线方向图的相应波束上发射；以及对于多个波束角中的每一个，基于在 所述多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个在无线站处的接收 信号属性来估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于多个波束角中的每一个，从无线站发 射在多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个的接收信号属性。在一些实施例中所述多波束天线方向图包括介于第一天线波束和第二天线波束 中间的第三天线波束；以及估计方位角包括确定波束角，在该波束角在第一天线波束上 发射的相应无线信号的接收信号属性与在第三天线波束上发射的相应无线信号的接收信 号属性的比率基本上等于第二预定值；以及在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收 信号属性与在第三天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于第 三预定值。在一些实施例中，所述第三天线波束基本位于第一天线波束和第二天线波束之间 的中间位置，并且所述第二预定值基本上等于所述第三预定值。在一些实施例中，所述方法进一步包括估计无线站和多波束天线方向图的参考 点之间的距离；以及基于所估计的从多波束天线方向图的参考点的方位角和所估计的多波 束天线方向图的参考点和无线站之间的距离来估计无线站的位置。在一些实施例中，估计无线站和多波束天线方向图的参考点之间的距离是基于以 下至少之一无线站处的定时同步和接收信号强度。在一些实施例中，所述方法进一步包括对于至少一个另外的多波束天线方向图 中的每一个对于所述另外的多波束天线方向图的多个波束角中的每一个，接收所述另外 的多波束天线方向图的相应天线波束上的多个无线信号；以及对于所述另外的多波束天线 方向图的多个波束角中的每一个，基于在所述另外的多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个在所述无线站的接收信号属性来估计从所述另外的多波束天 线方向图的参考点到无线站的方位角。在一些实施例中，所述方法进一步包括向至少一个接入点报告无线站位置的估 计。在一些实施例中，所述方法进一步包括基于以下至少之一无线站处的接收信 号强度；以及定时同步来估计从无线站到多个多波束天线方向图的至少一个相应参考点的 径向距离。在一些实施例中，估计无线站的位置是基于所估计的从多个多波束天线方向图到 无线站的方位角和表示所估计的无线站和所述多个多波束天线方向图的至少一个子集的 相应参考点之间的径向距离的双曲线的相交的位置来确定的。在一些实施例中所述多个多波束天线方向图并非都位于相同高度；以及估计无 线站的位置包括基于所估计的方位角和所估计的无线站相对于多个多波束天线方向图的 参考点的径向距离和所述多个多波束天线方向图的高度来估计无线站的高度。本申请的一些实施例提供了用于多径传播环境中无线站(收发器)位置估计。本申请的一些实施例使用和/或重用现有的发射信号格式和无线收发器装置。本申请的一些实施例通过重用无线终端中的现有的天线和装置，相对于实施传统 的位置估计技术例如接收GPS信号，降低了实施位置估计系统的成本。本申请的一些实施例基于系统状态和终端的标识来使用所估计的位置信息向无 线站分配接入资源。基于回顾本申请的以下的具体实施例的描述，对本领域技术人员而言，本申请的 实施例的其他方面和特征将是显而易见的。


本申请的实施例将仅通过示例的方式并参考图被描述，其中图1是可以用于执行本申请的一些实施例的无线通信系统的平面图；图2是可以在本申请的一些在基于OFDM的实施例中实现的发射和接收信号功率 电平的图；图3是根据本申请的一个实施例用于在接入点中估计无线终端的位置的方法的 流程图；图4是根据本申请的一个实施例用于在无线终端中估计无线终端的位置的方法 流程图；图5是可以用于执行本申请的一些实施例的示例性接入点的框图；图6是本申请的实施例可以在其中执行的蜂窝通信系统的示例的框图；图7是可以用于执行本申请的一些实施例的示例性基站的框图；图8是可以用于执行本申请的一些实施例的示例性无线终端的框图；图9是可以用于执行本申请的一些实施例的示例性中继站的框具体实施例方式本申请的实施例提供了一种用于在非多径和多径无线电传播环境中确定装备有
11无线电收发器的无线站的位置的方法和装置。该系统在接入点(例如基站)处利用多波束 天线方向图，以使得无线站相对于所述接入点的方位角可以通过在多波束天线的相应天线 波束上发射的不同信号分量的比率来确定。应该理解，此处使用的术语“无线站”是指任何 包括无线收发器的设备。无线站的非限制性的示例包括基站、中继站、移动站等等。本申请的一些实施例利用现有的已经用于与无线终端通信的无线电信号。本发明 的一些实施例利用来自至少一个接入点的多波束天线方向图，其中通过多个波束中的每一 个发射正常通信信号的一部分。这些改变的发射就无线终端的正常操作而言对无线终端是 透明的。但是，当多波束天线方向图转向经过多个波束角时，在多个波束角，通过报告在多 波束天线方向图的相应波束上发射的信号的接收信号属性，可以确定在所述接入点和无线 终端之间的方位角。还可以利用接收信号强度信息和/或定时同步信息，例如，许多移动通 信协议中所固有的范围定时偏移校正，还可以确定在所述接入点和无线终端之间的径向距 离估计。通过采用方位角和径向距离，无线站的位置可以与接入点的位置相关地确定。在 一些实施例中，无线站的位置是在到多个接入点的方位角的相交处估计的。在一些实施例中，所确定的无线站的位置的估计值被用于通过终端基于它们估计 的位置来控制对网络的接入。在公司中，例如，一些公共区域可以允许任何终端接入而其它 严格限制的区域只允许来自特别授权的终端的网络接入。在另一个示例中，所述终端的位 置可用于分配网络资源例如以平衡业务负载。这可以包括，例如，在覆盖地区的一些区域中 对于访问者允许客人接入。本申请的一些实施例基于现有移动通信技术和服务的信号和传输格式，包括，例 如，IEEE802. 11、IEEE802. 16、ETSI/3GPP LTE 和 GSM 的系统。本申请的一些实施例可以提供在多径环境中(例如经常是在室内环境中)改进的 位置估计精度。在一些实施例中，在无线站处不需要特别的装置来估计无线站的位置。图1是根据本发明的一个实施例的无线通信系统的框图的平面图。图1中所描述的无线通信系统包括第一接入点200、第二接入点220、网络服务器 233以及无线终端206。为了估计无线终端206的位置，接入点200和220的天线被配置成包括多波束天 线方向图。所述第一接入点200具有第一天线波束202和第二天线波束204。所述第二接 入点220也具有第一天线波束222和第二天线波束224。在所描述的实施例中，所述第一接 入点200还具有介于其第一天线波束202和第二天线波束204中间的第三天线波束208。 所述第三天线波束208的功能将在后面讨论。所述第一接入点200的第一天线波束202和第二天线波束204在第一接入点200 的覆盖区域重叠，但是指向不同的角度以使得无线站，例如无线终端206，将看到来自天线 波束202和204的不同信号幅度。对于所述第二接入点220的天线波束222和224也是如 此。这样的多波束天线方向图可以由例如，其间具有共同的中心和角度偏移的两个偶极天 线而生成。在一些实施例中，所述第一接入点的天线波束202以及204可以被安排成使用机 械扫描装置(即，旋转天线元件)或者通过电子波束转向(例如，通过使用天线元件馈电 (feed)中的可变移相器，在这称为“电子转向”)一起旋转通过360度的波束角。所述第二
12接入点220的天线波束222和224也可做类似配置。第一接入点200的天线波束202和204 以及第二接入点220的天线波束222和224可以时间上连续旋转(即，像灯塔那样环绕扫 描)或者逐步旋转(例如按每步一度)或者以一种不连续的方式指向不同的位置(例如， 采用电子转向)至所有可能的波束角的一个子集。在操作中，参照第一接入点200，对于第一接入点200的多个波束角中的每一个， 当所述天线波束被旋转至每个波束角时，该第一接入点200在第一天线波束202上发射无 线信号以及在第二天线波束204上发射无线信号。对于每个波束角，在第一天线波束202上 发射的无线信号具有与在第二天线波束204上发射的无线信号分量不同的分量，从而所述 无线终端可以为在相应天线波束202和204上发射的无线信号的不同分量分解出接收信号 属性，例如接收信号强度。无线终端相对于第一天线波束202和第二天线波束204的位置 影响在第一和第二天线波束上发射的、在无线终端处测量的无线信号的接收信号属性。当 所述无线终端206基本位于第一和第二天线波束202和204之间的中间位置时，如同在图1 中示出的瞬时情况，所述无线终端可以为在第一和第二天线波束上分别发射的无线信号测 量出基本相等的接收信号属性，例如接收信号强度。在一些实施例中，接入点的波束角是从所述接入点的参考角测量的。在图1中，第 一接入点200的参考角在210处指示并且第二接入点220的参考角在230处指示。当第一 和第二接入点的参考角210和230位于在图1中示出的实施例的相同方向时(在所示出 的该具体实施例中指示为与磁北“N”相对应的方向)，在一些实施例中每个接入点的参考 角可以任意的选择并且不同于任何其他接入点的参考角，如果将参考角中的差考虑进去的 话。系统中的所有接入点都使用相同的参考角(例如“北”)可能是有利的。这使得 从多个接入点的信号测量得到的方位角能够被更容易地比较。通过测量到多个基站的方位 角，所述无线终端的位置可以在多个方位角的相交处确定。如果由第一和第二天线波束202和204所确定的多波束天线方向图的波束角是从 所述第一接入点200的参考角210测量得到的并且如果假设从所述第一天线波束202和第 二天线波束204所形成的多波束天线方向图的波束角对应于基本上平分第一天线波束和 第二天线波束之间角度的方位线(在图1示出的实施例中基本上等于90度，但是更普遍的 可以是提供多波束方向图的天线波束至少部分重叠的任何角度)，则所估计的从所述第一 接入点200的参考点(通常被假定为与所述接入点共处一处)到所述无线终端206的方位 角对应于波束角，在该波束角在第一天线波束上发射的无线信号以及在第二天线波束上 发射的无线信号的接收信号属性(例如接收信号强度)基本相等。因而，从多波束天线方 向图接入点，例如图1示出的接入点200和220到无线终端206的方位角可以基于多波束 天线方向图的波束角和在多波束天线方向图的相应波束上发射的无线信号的接收信号属 性来确定。在图1中，相对于第一接入点200的参考角210所估计的从所述第一接入点200 到无线终端206的方位角被表示为从第一接入点200的参考点沿着方位线212的ΘΒ1。类 似地，相对于第二接入点的参考角230所估计的从第二接入点220到无线终端206的方位 角被表示为从第二接入点的参考点沿着方位线232的θ Β2。在单个接入点200或者220与所述无线终端206之间的方位角确定了无线终端位
13置的坐标。所述无线终端位于沿着来自接入点的方位线的某个地方。为了确定第二坐标 (或者对于三维而言额外的坐标)以便估计无线终端206的位置，在本申请的一些实施例中 可以使用从接入点200或220到无线终端206的径向距离，或者来自多个接入点的多个方 位角的相交的位置。例如，参照图1，无线终端206的位置可基于对应于方位角ΘΒ1和ΘΒ2 的方位线212和232的相交的位置估计得出。在一些实施例中，具有水平部分和垂直部分的多波束天线被用于在三维中估计无 线站的位置。例如，在一些实施例中，具有两个水平波束分量和两个垂直波束分量的多波束 天线被使用，并且由所述两个水平波束分量生成的无线信号的接收信号电平被用于首先估 计无线站在水平面的方位角，并且然后由所述两个垂直波束分量生成的无线信号的接收信 号电平被用于估计无线站在垂直面的方位角，该垂直面与由水平面的方位角所限定的方位 线对准(align with)。当所述多波束方向图在水平面中旋转时，正被定位的无线站记录与水平波束角对 准的方位角，这可能是，例如，当来自两个水平波束分量的两个信号分量基本相等的时候。 也位于相同的水平波束角的无线站测量来自波束方向图的两个垂直波束分量的两个垂直 信号分量。然后垂直方位角的确定根据本文所描述的水平方位角的确定来确定。然后无线 终端的位置被估计为这两个三维方位角的相交的点就是该终端的位置。以下是一些可用于改进从单个接入点到无线站的估计距离的精确度的示例性技 术，其与来自接入点的方位角结合使用来确定对无线站位置的估计。距离确定如果进行距离测量，则所述距离能够以多种方式确定。四个示例是接收信号强度指示器(RSSI)此技术利用在无线站和/或在接入点处所测量的接收信号功率电平来估计所述 接入点和无线站之间的距离。但是，该技术可能遭受衰落和反射。其可以通过使用环境校准 来令人满意，例如通过穿越覆盖区域以及记录在后续操作中用于校准的位置和信号强度。 另外，动态算法可以用于增强所述距离估计一例如，在一个建筑物中的人可以在一秒钟内 移动50米通常是不太可能的。所述RSSI技术还可以通过在环境中的已知位置使用另外的 传感器来增强，所述传感器报告信号强度以维持用于操作测量的校准。定时提前许多移动通信系统同步来自无线终端收发器的传输以便对它们补偿无线电信号 的渡越时间(time-of-flight)(从而来自多个终端的信号全都在协调时间到达接入点，例 如基站)。所述无线终端因此被装备为精确地响应于在基站处的信号到达时间的测量而调 整其发射定时。这个过程有时被称为时间测距(timeranging)或者“定时提前”。当终端的 发射信号被调整为同步到达基站时，为调整无线终端的发射而发送的所计算的定时提前指 示等于基站和无线终端之间信号行进时间的往返时间。该时间的一半，乘以光速(即，在媒 介传输中的“C”)就是所述终端和基站之间的径向距离。因此使用所述定时提前测量提供 了来自基站的径向形式的第二坐标来估计无线终端的位置。在一些情况下，基于所期望的估计位置信息的精度，定时提前控制信号的分辨率 可能是不够的。但是，在一些情况下，所述分辨率可以通过另外的处理来改进。例如，所述 接入点可以具有装置，该装置使用定时提前增加/减少指示的知识来得出更精确时间。通常，定时控制回路将提前和延迟所述定时以补偿设备，该设备的信号可能在信号传输步骤 之间。例如，提前所花费的时间和延迟所花费时间的比率，之后可用于将信号定时的估计提 供到在定时提前信号的步长之下的分辨率。这就是“超分辨率(super-resolution) ”的一 种形式。在一些实施例中，另外的硬件和软件处理被加到无线终端的收发器。例如，用于确 定符号定时的接收器的方面可以报告它们的用于调整接收信号定时的计算结果，并且这表 示所述时间定时达到比被基本定时提前控制回路使用的更高的分辨率。这里所述硬件可以 被设计为确定所述接入点和所述终端之间的精确时间。由此，可以估计精确的距离。这与 在蜂窝电话中引入GPS芯片的想法类似。使用设备中的现有硬件的时间该技术可能只需对无线终端的固件、硬件或者二者的组合作相对小的改变。在该 技术中，所述终端接收器中的硬件与接入点时钟同步。在一些接收器中，另外的硬件被用于 将电路同步到子时钟精确度。在一些实施例中，如果无线终端206能够从多个接入点，例如，从第一接入点200 和第二接入点220这二者都接收信号，则到每个接入点的方位角和径向距离都可以被确定 并且所述无线终端的位置可以估计为方位角和径向距离的集合的相交。在一些实施例中，与多个接入点同步所需的无线终端信号的定时提前中的差异确 立了所述每个接入点之间的双曲线，其中所述终端的位置位于到所述基站的方位角和所述 双曲线的相交处。采用该技术可以潜在地改进位置估计的精度。在许多情况下，接入点，例 如基站，在它们的定时中被同步(作为移动通信系统标准配置的一部分)以保证在它们发 射之间最小干扰。在一些实施例中，如果接入点没有在它们的定时中被同步，则可以对它们 的定时偏移进行另外的测量并且将所述测量用于补偿来自不同站的定时提前测量。在该系统中的波束的旋转无需是连续的或者总是在相同方向上。在一些实施例 中，在每个角度发射的信号包括指示波束的角度的“角码(angle code) ”，因此对于这些角 度没必要采用连续增加、或者减少或固定的模式。所述波束角可以以任意的次序移动至任 意的角度(例如通过使用电子波束转向)。所述波束方向图信号还可以被散布在非定向 (non-beamed)符号中。例如，基站的操作可以被选择成在每个系统帧间隔的起始处发送定 向(beamed)信号。在一些实施例中，表示波束角的码可以不由接入点发送。例如，对于每个波束角， 无线终端可以仅报告接收信号属性的测量，并且可能察觉到所述波束角的所述接入点或者 网络服务器可以估计该方位角，该波束角对应于所述无线终端所提供的测量。用于确定无线终端的位置和/或方位角的计算可以在一个或多个接入点处，或在 附于与基站通信的网络的网络服务器233处，或在所述无线终端自身处或者作为在这些元 件的组合处的计算/测量的结果来执行。在一些实施例中，对于简单且低成本系统，无线站，例如在图1中示出的无线终端 206，可以向接入点(使用移动通信系统的信令或者消息信道)，例如第一接入点200，报告 波束角码以及在无线终端处测得的在第一接入点的第一和第二波束上发射的相应无线信 号的接收信号功率的比率-当该比率接近等于1时，即，在该波束角无线终端从第一接入点 的第一和第二天线波束接收到基本相等的信号功率。在图1中示出的示例性实施例中，这将向接入点200通知所述移动装置的方位角ΘΒ1。通过采用该方位角结合基于例如RSSI和 /或定时同步信息对从接入点到无线终端的径向距离的估计，所述接入点然后可以估计所 述无线终端的位置。通过这样的安排，在无线终端处不需要另外的装置。如果所述无线终端能够从多 个接入点接收信号，它就可以与每个接入点通信，并且所述接入点可以共同地确定它们的 单独位置估计的相交以提供位置估计的改进的精确度。该方法具有一个优势是所述基站可 以把关于本地区域的映射信息合并到它们的计算中并把所述位置信息放入本地地理环境 (context)(例如，建筑物的平面图或者邻里地图)。在另一个替换方式中，具有更先进计算能力的终端可进行信号测量并自己计算其 位置。在该替换方式中，所述终端仍可以依靠用于测量定时提前的标准接入点过程，因为这 是通信协议的一部分，并且所述基站自动地通知终端所述结果以使得所述终端正确地设定 它的定时提前。在无线终端处的所述过程可以采用到多个基站的参考角和定时提前的多个 测量来开发更好的位置估计。在一些实施例中，为了以一种“用户友好”的方式呈现所述位置估计，所述终端可 以包括接入点位置和本地地理(例如，平面图)的数据库或者它可以从网络中的其他位置 存储的数据库中获得该信息和接入点位置。为了在其计算中对终端进行辅助，所述接入点可以广播它们的位置坐标和参考 角。在一些实施例中，所述无线终端可以向所述接入点请求这些需要的信息(参考角和接 入点位置)，通过例如使用在无线电通信系统中固有的数据通信设施来查询系统数据库或 者第三方应用程序。依赖于所述天线系统的设计以形成多个波束，可能在波束角和分辨率方面有一些 模糊性(ambiguity)。天线元件的布置以及它们与基站附近靠近的物体(反射物)的接近 性可能会使波束失真或者产生旁瓣(或者后瓣)。如果有过多的散射物体，则波束形状的分 辨率也可能会失真。这些影响会导致无线终端从多波束接入点接收的若干信号具有当波束 旋转时来自若干波束角的相等的幅度。在这样的情况下，可以通过利用波束角码解决一些 模糊性，对于所述波束角码，子载波的最大数量接近为1，并且也具有最大的信号幅度。为了 进一步改善这些情况中的位置估计，期望引进另外的波束。所述终端因此可以在若干波束 上测量接收信号属性以解决多个模糊性。这些另外的测量还可以提供改进的角度分辨率，如果在实际中所述波束方向图没 有被明确定义的话。例如，在图1模型(phantom)中示出了第三天线波束208。对介于第 一、第二天线波束202和204与该另外的波束208之间的接收信号属性的测量可以被用于 确定哪个波束对正在被测量以及进一步改善波束间的信号比率的精度。例如，图1中的第 三天线波束208还可以被用于提供另外的角分辨率，对于在波束202和204上发射的无线 信号除了接收信号属性的相等之外，当所述多波束方向图的波束角与从第一接入点200到 无线终端206的方位角对准时，由于所述第三天线波束208位于第一和第二天线波束的中 间角度，还应当在波束202和208之间以及波束204和208之间具有共同的接收信号属性 的比率。为了进一步改善系统用于通信的性能，所述接入点可以存储由无线终端报告的波 束角以及使用(重用)该角度以用于意在与终端进行通信的发射(以及接收)。这样，基站
16有机会改善用于对终端的服务的信号强度(即，链路预算)。为了说明的目的，在图1中仅仅示出了单个无线终端和两个接入点。更一般地，本 发明的实施例可被执行以用于使用能够生成多波束天线方向图的任意数目的接入点来追 踪任意数目的无线终端。在一些实施例中，对无线终端的方位角和/或位置的估计是在所述网络服务器 233中确定的。在一些实施例中，所述网络服务器233可以包括用于存储与无线终端有关的位置 信息和标识信息的信息存储装置。在一些实施例中，网络服务器233在接入点之间传递方位角信息，从而一个或多 个接入点可以基于每个无线终端的两个或更多方位角的相交的位置来估计无线终端的位置。本申请的实施例可以在以多种不同信令格式的无线通信系统中执行，例如基于 OFDM, CDMA, TDMA和UWB的信令格式，仅举几例。图2是可以在本发明的一个非常具体的基于OFDM的实施例中看到的发射和接收 信号功率的图。图2仅仅是为了说明的目的而提供，并且不能被看作是对本申请的范围的 限制。在图2中，假定OFDM信号的子载波的一个子集在第一天线上发射，所述OFDM信号的 子载波的另一个子集在第二天线上发射，从而对应于子载波号1，2，4，5，7，9和10的子载波 在第一天线上发射，并且对应于子载波数字1，3，4，5，6，8和10的子载波。在第一和第二天 线上发射的子载波的发射功率电平在图2中分别在240和242示出。在图2示出的示例中，子载波1，4，5和10对两个波束是共用的，而子载波2，3，6， 7，8和9是不同的(子载波2，7和9仅在第一天线上并且子载波3，6和8仅在第二天线上)。 该说明是在子载波的背景下，因为可以用于正交频分复用(OFDM)无线电系统，但是这个概 念同样也可以用于在时分多址(TDMA)中使用的时隙，码分多址中的码传输，以及在基于脉 冲的超宽带UWB中使用的脉冲。在OFDM传输系统，在天线波束之间不同的子载波可以是导频子载波的子集。在 OFDM传输系统，在天线波束之间不同的子载波可以是导频子载波的子集。在TDMA系统，不 同的天线波束可用于附近的时隙或符号。在CDMA系统，不同的天线波束可被用于以相同功 率对扩频码的附近发射。在图2中的244、246和248示出的导频对应于接收信号功率电平，所述接收信号 功率电平可以在接收在第一和第二天线波束上发射的OFDM信号的无线终端的与第一和第 二天线波束相关的三个位置处观察到。在无线终端处，接收器检测从两个天线(在图1的示例中从接入点200的天线202 和204这二者)发射的信号。作为它的检测过程的一部分，无线终端里的接收器确定每个 子载波的强度。从一个波束发送的不同的子载波与在其他波束上发送的不同的子载波的强 度的比率提供了和来自接入点的波束的波束角有关的无线终端的位置的测量。例如，如果 来自两个波束的子载波被测量为具有相等或者近似相等的强度，则无线终端位于两个波束 之间的线中间位置。对于位于或者接近所述波束之间的角中间的角范围，偏移角可以通过 线性关系被紧密近似为接收信号强度比率。当无线终端到第一天线波束比到第二天线波束近时，在244示出的接收信号功率
17电平的图相当于在无线终端处可以观测到的接收信号功率电平。因为接收信号功率通常会 随着角度而逐渐降低，当无线终端位于到第一天线波束的角度比到第二天线波束的角度近 时，只在第二天线波束上发射的子载波(子载波3、6和8)相对于只在第一天线波束上发射 的子载波(子载波2、7和9)以降低的功率电平被接收。当无线终端到第一天线波束与到第二天线波束距离相等时，在246示出的接收信 号功率电平的图相当于在无线终端处可以观测到的接收信号功率电平。当无线终端位于到 第一天线波束与到第二天线波束距离相等时，只在第二天线波束上发射的子载波(子载波 3、6和8)与只在第一天线波束上发射的子载波(子载波2、7和9)以基本相等的功率电平 被接收。当无线终端到第二天线波束角比到第一天线波束角近时，在248示出的接收信号 功率电平的图相当于在无线终端处可以观测到接收信号功率电平。当无线终端位于到第二 天线波束角比到第一天线波束角近时，只在第一天线波束上发射的子载波(子载波2、7和 9)相对于只在第二天线波束上发射的子载波(子载波3、6和8)以降低的功率电平被接收。如果当来自接入点的波束旋转通过多个波束角时无线终端随着时间的推移对子 载波比率进行一系列测量，则当波束角指向(或者几乎指向)无线终端时，所述测量将显示 出相等(或者几乎相等)。如图2中示出的，当无线终端在波束之间等距时，在两个波束上 发送的子载波的接收信号强度的比率近似相等。如果无线终端位于到第一波束比到第二天 线波束近时，来自第一天线波束的子载波信号大于来自第二天线波束的子载波信号，并且 所述第一天线波束与第二天线波束的不同子载波的接收信号功率的比率大于1 (即，子载 波2/子载波3 > 1，子载波7/子载波6 > 1，子载波9/子载波8 > 1)。如果无线终端位 于到第二天线波束比到第一天线波束近时，则来自第二天线波束的子载波信号大于来自第 一天线波束的子载波信号，并且第一天线波束与第二天线波束的不同子载波的接收信号功 率的比率小于1 (即，子载波2/子载波3 < 1，子载波7/子载波6 < 1，子载波9/子载波8 < 1)。因此，与两个波束的角度有关的终端的位置可以根据子载波信号功率的比率来估计。 由于所述子载波是在相同符号中发送以及经历相同的衰落和多径，所以这个比率测量对传 播效应是不敏感的(即使单独的信号可能会受影响)。这个过程还可以用于比较来自不同 天线的TDMA时隙或者CDMA码传输(对于TDMA和CDMA系统)。通过测量作为来自基站的相同传输的一部分而发送的两个(或更多)子载波强度 的比率，以及等待(近似)相等强度的条件，在环境中多径传播的影响被消除，因为所述相 同的传播条件相同地影响来自两个波束的信号。这样，该双波束(或多波束方法)在混乱 的多径环境具有优势，其中接收器可以比较两个邻近的子载波(或时隙)的信号强度，以及 因此不会被在多径环境中观测到的信号强度的显著变化所混淆。因此，本申请的实施例相 比监控单个波束的最大值的传统系统提供了改善的精度。如上所述，本申请的实施例并不限于例如上面参照图2所讨论的基于OFDM的实现 方式。例如，本发明的实施例可以在使用时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和/或超宽带 (UffB)信号传输技术的无线通信系统中执行，仅举几例。一个简要的关于本申请的实施例如何在CDMA、TDMA以及UWB通信系统中实现的描 述在下面为了说明目的而提供。CDMA 示例
一个在CDMA系统中使用本申请的实施例的示例是在每个发射突发的开始处利用 前导来为每个天线波束提供不同信号。这些前导在每个突发的开始处被提供以启用接收器 的信道估计和训练。在CDMA应用中根据这样一个实施例，所述前导的一部分(例如，1/2) 在天线方向图上被发送，而另一部分在另外的(即，一半通过一个天线，以及一半通过另一 个天线)天线方向图发送，为了说明目的，假定所述多波束天线包括两个天线。所述接收器 然后通过所述前导的两部分的信号强度的比率来确定其与所述天线方向图的波束角的关 系。在根据本申请的另一个实施例的一个可替换的CDMA实现方式中，不同的CDMA扩 频码可被用于通过每个天线方向图同时发送的发射信号的一部分。所述接收器测量具有两 个码的信号的比率以确定其与所述波束角的关系。当所述两个以相同强度被接收，例如，则 接收器位于两个波束之间的中间位置。在许多CDMA系统中，没有必要为两个天线方向图使 用两个码。一个天线可以只是发射一个来自其他天线的信号的延迟版本。所述两个信号 (一个被以预定量延迟)将被例如RAKE接收器接收并分解为它们的分量。两个分量的信号 强度的比率然后将被用作具有接收器与所述波束的角度的估计。例如，如果具有预定时间 偏移的两个分量具有相同强度，则接收器将被位于发射器波束之间的中间位置。TDMA 示例此处，时隙可被用于发送天线码。全时隙可以分配给每个天线，尽管这可能是浪费 的。一种可能的方法是使用帧前导，以及将其中一半用于一个天线，一半用于另一个天线。 在终端处，如果终端位于天线波束之间的中间位置，则所述前导应该具有相同的功率。如果 其更靠近用于前导第一半的天线，则在前导第一半内的接收信号应该更高。(这与在上面提 到的CDMA技术中使用突发前导是类似的)。UffR示例(基于脉冲的UTO系统)基于脉冲的UWB系统的特征是非常(非常)短的发射脉冲。一些“UWB”系统实际 上是OFDM波形，因此被上面所描述的OFDM的实施例所涵盖。在本申请的基于脉冲的UWB 系统的一些实施例中，交替脉冲通过交替的天线波束被发射。所述接收器将通过连续脉冲 的信号强度的比率来测量其与波束角的关系。例如，相等幅度的脉冲可以指示终端位于波 束之间的中间位置。采用交替脉冲，在接收器处将存在模糊性，即哪个脉冲来自哪个天线波 束，但是这种模糊性可以通过用于指定来自其中一个天线波束的脉冲的信令信道通信而解 决。因此接收器将能够确定使用哪个脉冲作为分母以进行所述比率计算。因为信号强度可 能会由于多径传播条件而变化，所以接收器将被配置成测量最早的(多径信号的)接收脉 冲以及在多个脉冲上平均所述信号强度。图3是根据本申请的一些实施例可以在一个多波束接入点中执行的一种方法的 非常具体的示例。图3的流程图只是出于说明的目的而提供，并且不应该作为对本申请范 围的限制来解释。在图3中示出的流程图包括六步300，302，304，306，308以及310。在步骤300，多个无线信号被发射，其中每个无线信号在多波束天线方向图的相应 波束上被发射。在步骤302，在无线终端处，接收在多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无 线信号中的每一个的接收信号属性的测量。在步骤304，基于多波束天线方向图的波束角以及在多波束天线方向图的相应波
19束上发射的多个无线信号中在无线终端处的接收信号属性的测量来估计从多波束天线方 向图的参考点到所述无线终端的方位角。在步骤306，接收所估计的从另外的多波束天线方向图的参考点到无线终端的方 位角。该估计可以由生成所述另外的多波束天线方向图的接入点提供以便根据以上步骤 300,302以及304来确定另外估计的波束角。在步骤308，基于无线终端相对于多波束天线方向图的参考点的所估计的方位角 的相交的位置来估计所述无线终端的位置。在步骤310，将所估计的无线终端的位置提供给所述无线终端和/或其他用户或 者网络服务。图4是根据本申请的一些实施例的可以在无线终端中执行的一种方法的非常具 体的示例。图4的流程图仅用于说明的目的，并且不应该作为本申请范围的限制来解释。在 图4中示出的流程图包括八步400，402，404，406，408，410，412和414。在步骤400，所述无线终端从第一多波束天线方向图接收第一多个无线信号，所述 第一多个无线信号中的每一个已经在所述第一多波束天线方向图的相应波束上发射。在步骤402，所述无线终端测量所述第一多个无线信号中的每一个的接收信号属 性。在步骤404，所述无线终端从第二多波束天线方向图接收第二多个无线信号，所述 第二多个无线信号中的每一个已经在所述第二多波束天线方向图的相应波束上发射。在步骤406，所述无线终端测量所述第二多个无线信号中的每一个的接收信号属 性。在步骤408，所述无线终端基于所述第一多波束天线方向图的波束角和第一多个 无线信号的接收信号属性的测量来估计从第一多波束天线方向图的参考点到无线终端的 第一方位角。在步骤410，所述无线终端基于所述第二多波束天线方向图的波束角和第二多个 无线信号的接收信号属性的测量来估计从第二多波束天线方向图的参考点到无线终端的 第二方位角。在步骤412，所述无线终端基于第一方位角和第二方位角的估计的相交的位置来 估计无线终端的位置。在步骤414，所述无线终端将所估计的无线终端的位置提供给接入点和/或其他 用户或者网络服务(包括，例如，终端中的应用)。图5是根据本申请的实施例的无线接入点500的框图。在图5中示出的接入点 500包括多波束天线系统，其包括在502和504 —般性示出的两个偶极天线；波束转向器 506 ；包括射频(RF)发射器(未示出)的接入点设备508 ；位置估计控制器512 ；接入控制 器514以及信息存储装置515。所述波束转向器506包括波束转向控制装置510，其在功能上连接至位置估计控 制器512，并控制两对可变移相器503-1，503-2以及505-1，505-2的输入端，其中所述可变 移相器分别连接至偶极天线502和504的输入端。所述接入点装置508具有两个输出端一个输出端连接至移相器503-1和505_1 的输入端以及另一个输出端连接至所述移相器503-2和505-2的输入端。
20
所述位置估计控制器在功能上连接至信息存储装置515和接入控制器514。所述接入点装置508，接入控制器514和信息存储装置515中的每一个都在功能上 连接至通信网络(未示出)。所述偶极天线520和504被配置生成多波束天线方向图。所述波束转向器506被配置成将两个偶极天线502和504生成的天线波束转向至 多个波束角。在所述接入点装置508中的所述射频(RF)发射器被配置成在所述多个波束角的 每个波束角生成多个无线信号，从而在每个波束角，所述多个无线信号中的每个无线信号 可以在由两个偶极天线502和504生成的多波束天线方向图的相应一个天线波束上发射。所述位置估计控制器512被配置成基于多个波束角和在无线终端处测得的，在相 应天线波束上发射的多个无线信号中的每一个的接收信号属性，为多个波束角中的每一个 估计从由两个偶极天线502和504生成的多波束天线方向图的参考点到无线终端的方位在一些实施例中，所述接入控制器514和/或信息存储装置515不是接入点500 的一部分，而是在例如与所述接入点500进行通信的网络服务器中实施。虽然图5中示出的接入点500包括两个偶极天线以便生成包括两个天线波束的多 波束天线方向图，但是更一般的根据本发明的实施例的接入点可以包括能够生成多波束天 线方向图的任意数目和类型的天线。在一些实施例中，所述位置估计控制器512被配置成基于所估计的从接入点到无 线终端的方位角来控制所述波束转向器506将多波束天线方向图的波束转向无线终端以 用于与无线终端进行通信。在一些实施例中，位置估计控制器512被配置成通过确定波束角来估计由所述两 个偶极天线502和504生成的多波束天线方向图的参考点到无线终端的方位角，其中在该 波束角在所述多波束天线方向图的相应天线波束上发射的无线信号的相应接收信号属性 的比率基本上等于预定值。在一些情况下，所述预定值可以由初始校准步骤来确定，例如 “步行测试”。在一些实施例中，所述两个偶极天线被配置成使得由所述天线生成的所述第一天 线波束和所述第二天线波束被分开小于90度。在一些实施例中，由所述天线生成的天线波 束被分开小于45度。在一些实施例中，所述天线波束被分开30度或者更小。一般地，可以 选择所述天线波束以便它们可以分开能够提供其中期望确定无线终端位置的一个区域内 天线波束的部分重叠的任意角度。在一些实施例中，所述位置估计控制器512被配置成接收从另一接入点到无线终 端的方位角的估计，并且所述位置估计控制器被配置成基于所估计的从其自身参考点到无 线终端的方位角和所估计的从第二接入点的参考点到无线终端的方位角的相交的位置来 估计所述无线终端的位置。所述信息存储装置515可以存储所估计的关于无线终端的位置信息和标识信息。 它还可以存储信息以辅助呈现与当地场景有关的位置信息，例如地图或者平面图。该信息 可以基于它所估计的位置和/或在无线终端或者其他应用的请求下提供给无线终端。所述接入控制器514被配置成基于所估计的由位置估计控制器512确定的无线终端的位置来控制无线终端对无线通信系统资源的接入。所述接入控制器514还可以包括筛 选(screening)过程，其将被用于通过无线终端基于终端的位置以及其他的准则(例如可 以存储在信息存储装置515或者其他地方的账户状态或者其他标识信息)来筛选对所述接 入点(以及它的相关联网络)的接入。因此，所述接入点可以使用所述位置估计来准许公 共会议室中移动访客收发器的接入，但是排除来自公司其他位置的访客收发器的接入。本申请的一些实施例可以提供用于在混乱的多径传播环境中定位无线终端的改 进精度的方法。这种改进的位置信息能够为给通信系统用户提供的额外服务，或者为机器 与机器的通信和服务提供基础。本发明的一些实施例在无线终端中不需要任何另外的装置 (除了所需要的支持标准无线电系统功能的装置之外)以及因此可以以低成本来提供。这 可能对于在低成本室内环境中的机器与机器之间通信特别重要。本发明还可被用于实现访 客和职员对企业网络的位置限制接入。在一些实施例中，用于该接入控制过程的终端驱动 器可作为企业安全解决方案的一部分被包括。通信系统的示例件组件的说明现在参考图6，图6示出了控制多个小区12内的无线通信的基站控制器(BSC) 10， 所述小区由对应的基站(BS) 14服务。在一些配置中，每个小区被进一步划分为多个扇区13 或者区带(未示出)。一般地，每个基站14促使与移动和/或无线终端16的通信，所述终 端是在与对应基站14相关联的小区12内。无线终端16相对于基站14的移动导致信道条 件的显著波动。如所描述的，基站14和无线终端16可以包括多个天线以提供用于通信的 空间分集。在一些配置中，中继站15可以辅助在基站14和无线终端16之间的通信。无线 终端16可以从任意小区12、扇区13、区带(未示出)、基站14或者中继15切换18到其他 小区12、扇区13、区带(未示出)、基站14或者中继15。在一些配置中，基站14可以通过 回程网络11互相通信或者与另一个网络(例如，核心网络或者互联网，二者都未示出)通 信。在一些配置中，不需要基站控制器10。参考图7，示出了基站14的示例。所述基站14 一般包括控制系统20、基带处理器 22、发射电路24、接收电路26、多个天线28以及网络接口 30。所述接收电路26从由无线终 端16 (在图8中示出)以及中继站15 (在图9示出)提供的一个或多个远程发射器接收承 载信息的射频信号。低噪放大器和滤波器(未示出)可以协作以进行放大和从信号中除去 宽带干扰以供处理。下变频(downconversion)和数字化电路(未示出)然后将经滤波的 接收信号下变频为中频或者基带频率信号，其然后被数字化为一个或多个数字流。所述基带处理器22处理数字化的接收信号以提取在接收信号中传达的信息或者 数据位。这种处理典型地包括解调、解码以及纠错操作。因而，所述基带处理器22—般在 一个或多个数字信号处理器(DSP)或者专用集成电路(ASIC)中实现。所接收的信息然后 被通过所述网络接口 30越过无线网络(直接地或者借助于中继15)被发送或者发射至由 基站14服务的另一个无线终端16。在发射端，所述基带处理器22在控制系统20的控制下从网络接口 30接收可以表 示语音、数据或者控制信息的数字化数据，并且编码所述数据以用于发射。所述编码的数 据被输出至发射电路24，在此处被具有一个或多个期望发射频率的一个或多个载波信号调 制。功率放大器(未示出)将放大已调载波信号至适合于发射的电平，并且通过匹配网络 (未示出)将已调载波信号递送至天线28。典型地，双工器和/或其他装置(未示出)被
22用于将发射电路24和接收电路26连接至天线28并且防止由发射电路24生成的发射信号 淹没(swamp)于接收电路26。在一些情况下，一种分集方法可用于接收和/或发射，由此多 个天线被用于接收和/或发射通信信号。调制和处理的细节在下面被更详细地描述。参考图8，示出了无线终端16的示例。类似于基站14，所述无线终端16将包括控 制系统32、基带处理器34、发射电路36、接收电路38、多个天线40以及用户接口电路42。 所述接收电路38从一个或多个基站14和中继15接收承载信息的射频信号。低噪放大器 和滤波器(未示出)可以协作以进行放大和从信号中除去宽带干扰以供处理。然后下变频 和数字化电路(未示出)将经滤波的接收信号下变频为中频或者基带频率信号，其然后被 数字化为一个或多个数字流。所述基带处理器34处理所述数字化接收信号以提取在接收信号中传达的信息或 者数据位。这种处理典型地包括解调、解码以及纠错操作。因而，所述基带处理器34—般 在一个或多个数字信号处理器(DSP)或者专用集成电路(ASIC)中实现。为了发射，所述基带处理器34在控制系统32的控制下从网络接口 42接收可以表 示语音、视频、数据或者控制信息的数字化数据，并且对所述数据进行编码以供发射。所述 编码的数据被输出至发射电路36，在此其被调制器用于调制处于一个或多个期望发射频率 的一个或多个载波信号。功率放大器(未示出)将放大已调载波调制信号至适合于发射的 电平，并且通过匹配网络(未示出)将已调载波信号递送至天线40。对于本领域技术人员 来说可用的各种调制和处理技术被用于在无线终端和基站之间直接或者经由中继站进行 的信号传输。参考图9，示出了中继站15的示例。类似于基站14和无线终端16，所述中继站15 将包括控制系统132、基带处理器134、发射电路136、接收电路138、多个天线130、以及中继 电路142。所述中继电路142使得中继15能够辅助在基站14和无线终端16之间的通信。 所述接收电路138从一个或多个基站14和无线终端16接收承载信息的射频信号。低噪放 大器和滤波器(未示出)可以协作以进行放大和从信号中除去宽带干扰以供处理。然后下 变频和数字化电路(未示出)将经滤波的接收信号下变频至中频或者基带频率信号，其然 后被数字化为一个或多个数字流。所述基带处理器134处理所述数字化接收信号以提取在接收信号中传达的信息 或者数据位。这种处理典型地包括解调、解码以及纠错操作。因而，所述基带处理器134 — 般地在一个或多个数字信号处理器(DSP)或者专用集成电路(ASIC)中实现。为了发射，所述基带处理器134从控制系统132接收可以表示语音、视频、数据或 者控制信息的数字化数据，并且对所述数据进行编码以用于发射。所述编码的数据被输出 至发射电路136，在此其被调制器用于调制处于一个或多个期望发射频率的一个或多个载 波信号。功率放大器(未示出)将放大已调载波信号至适合于发射的电平，并且通过匹配 网络(未示出)将已调载波信号递送至天线130。对于本领域技术人员来说可用的各种调 制和处理技术被用于在无线终端和基站之间直接或者经由中继站进行的信号传输，如上所 描述的那样。重点指出的是，上文对中继站的说明仅描述了可以应用于本申请的一些实施例的 中继站的一个非常具体的示例。还存在可被用于本申请的一些实施例中的其他许多具有不 同配置和操作的类型。
前面的描述包括许多仅通过示例方式提供的详细且特定的实施例，并且不应该被 解释为对本发明范围的限制。本领域技术人员可以在不背离本发明的范围的情况下实现对 特定实施例的更改、修改和变化，所述范围仅由所附权利要求来限定。
权利要求
一种方法包括基于多波束天线方向图的多个波束角和多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个在无线站处的接收信号属性，对于多个波束角中的每一个估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对于多波束天线方向图的多个波束角中的每一个，在多波束天线方向图的相应波束上 发射相应多个无线信号中的每个无线信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括基于所估计的无线站的方位角，将多波束天线方向图的波束转向无线站以用于与无线 站通信。
4.根据权利要求1所述的方法，其中估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方 位角包括确定波束角，在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少 两个无线信号的相应接收信号属性的比率基本上等于预定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对于在多波束天线方向图的相应波束上发射的 多个无线信号中的每一个，在无线站处的接收信号属性包括与在多波束天线方向图的其它 波束上发射的无线信号不同的在相应波束上发射的无线信号的分量的接收电平。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定值基本上等于1。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述多波束天线方向图包括第一天线波束和第二天线波束；以及估计方位角包括确定波束角，在该波束角在第一天线波束上发射的相应无线信号的 接收信号属性与在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等 于预定值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多波束天线方向图包括介于第一天线波束和第二天线波束中间的第三天线波束；以及估计所述方位角包括确定波束角，在该波束角在第一天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性与在第三天线波束上发射的 相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于第二预定值；以及在第二天线波束上发射的相应无线信号的接收信号属性与在第三天线波束上发射的 相应无线信号的接收信号属性的比率基本上等于第三预定值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中第三天线波束基本位于第一天线波束和第二天线 波束之间的中间位置上，并且第二预定值基本上等于第三预定值。
10.根据权利要求5所述的方法，进一步包括对于每个波束角，向无线站发射表示波束角的码。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括从无线站接收表示波束角的码，在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上 发射的至少两个无线信号的相应接收信号属性的比率基本上等于预定值。
12.根据权利要求5所述的方法，进一步包括估计无线站和多波束天线方向图的参考点之间的径向距离；以及基于所估计的从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角和所估计的多波束天 线方向图的参考点和无线站之间的径向距离来估计无线站的位置。
13.根据权利要求5到12中任何一项所述的方法，其中所述多个无线信号包括以下任 何一个正交频分复用(OFDM)信号； 码分多址(CDMA)信号； 时分多址(TDMA)信号；以及 基于脉冲的超宽带(UWB)信号。
14.根据权利要求2所述的方法，进一步包括对于至少一个另外的多波束天线方向图中的每一个对于所述另外的多波束天线方向图的多个波束角中的每一个，在所述另外的多波束天 线方向图的相应天线波束上发射多个无线信号；以及基于在所述另外的多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个 在无线站处的接收信号属性，对于所述另外的多波束天线方向图的多个波束角中的每一个 估计从所述另外的多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括基于所估计的从第一多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角和从至少一个另 外的多波束天线方向图中的每一个的相应参考点到无线站的相应估计的方位角的相交的 位置来估计无线站的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中估计无线站的位置是基于所估计的从多个多波 束天线方向图到无线站的方位角和表示所估计的所述无线站和所述多个多波束天线方向 图的至少一个子集的相应参考点之间的径向距离的双曲线的相交的位置来确定的。
17.根据权利要求4所述的方法，进一步包括 对于每个波束角，接收表示所述波束角的码。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括报告表示波束角的码，在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至 少两个无线信号的相应接收信号属性的比率基本上等于预定值。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括基于所估计的从第一多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角和从至少一个另 外的多波束天线方向图中的每一个的相应参考点到无线站的相应估计的方位角的相交的 位置来估计无线站的位置。
20.一种装置包括多波束天线系统，被配置成生成多波束天线方向图； 波束转向器，被配置成将多波束天线系统转向多个波束角；射频(RF)发射器，被配置成在所述多个波束角中的每个波束角生成多个无线信号，以 使得在每个波束角，所述多个无线信号中的每个无线信号在由多波束天线系统所生成的多 波束天线方向图的相应一个天线波束上发射；以及位置估计控制器，被配置成基于所述多个波束角以及在无线站处测量的、在多波束天 线方向图的相应天线波束上发射的多个无线信号中的每一个的接收信号属性，对于多个波束角中的每一个估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述位置估计控制器被配置成对于多个波束角中 的每一个接收来自无线站的所述多个无线信号中的每一个的接收信号属性。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述位置估计控制器被配置成通过确定波束角来 估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角，在该波束角在多波束天线方向图 的相应天线波束上发射的至少两个无线信号的相应接收信号的属性的比率基本上等于预 定值。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述RF发射器被配置成对于所述多个波束角中的 每一个发射表示所述多个波束角中的当前波束角的码。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述位置估计控制器被配置从无线站接收表示波 束角的码，在该波束角在多波束天线方向图的相应天线波束上发射的至少两个无线信号 的相应接收信号的属性的比率基本上等于预定值。
全文摘要
本发明涉及使用多波束发射来估计无线站的位置的方法和装置。提供了一种用于在无线通信网络中估计无线站的位置的方法和装置。基于多波束天线方向图的多个波束角和所述多波束天线方向图的相应波束上发射的多个无线信号中的每一个在无线站处的接收信号属性，对于多个波束角中的每一个估计从多波束天线方向图的参考点到无线站的方位角。
文档编号H04B7/04GK101965050SQ201010277840
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者D·斯蒂尔, S·维道森 申请人:北方电讯网络有限公司