专利名称：用于确定移动台位置的方法
技术领域：
本发明总的涉及用于确定在蜂窝通信系统中的移动台位置的方法，更具体地，涉及用于在AMPS系统中通过使用移动台在反向控制信道和反向话音信道上的发射来确定移动台位置的方法。
联邦通信委员会(FCC)最近公布了在2001年以前要求蜂窝电话经营者为紧急呼叫者定位在125米以内的规定。用来遵守新的规定的一个方法可能是由移动台确定它自己的位置，并在打“911”电话时发送位置数据。然而，大多数电话不具有确定它们自己的位置的能力。由于FCC规定适用于在规定生效时仍在使用的所有电话，所以这种用于确定位置的方法多半本身不足以遵守FCC规则。姑且不论FCC的要求，移动台位置对于多种其它的应用也是所希望有的。例如，移动台位置可被用于快速跟踪。警察或其它法律强制执行机关可使用移动台位置跟踪罪犯。另外，个人用户可使用移动台位置确定他们自己的位置。
用于确定移动台位置的另一个方法是对从移动台在三个或多个点发射的信号进行测量，并使用这样的测量值来求解位置。各种类型的测量可被用来求解移动台的位置，包括到达时间(TOA)、到达的时间差(TDOA)、或到达角(AOA)。虽然TDOA和AOA测量可对由移动台发送的任何信号来进行，但TOA测量只可对已知信号来进行。TOA的性能常常优于TDOA，因此，无论何时只要有可能，都希望对已知信号进行测量。
在作为一个模拟系统的AMPS系统中，由移动台发送的已知信号的长度是相对较短的。例如，在反向控制信道消息发射时，除了头48个比特以外，大多数消息比特是未知的。因为已知信号的长度是很小的，所以很难实行为计算移动台位置所优选的TOA测量。
因此，在AMPS系统中需要一种用于从移动台的发射确定移动台位置的新的方法。
本发明是一种根据从移动台的发射来确定移动台位置的方法。当移动台进行紧急呼叫时，或由移动台或网络进行需要定位的任何其它呼叫时，呼叫的性质在为移动台服务的基站处被识别。在相邻小区中的几个基站被提醒，并被要求监视分配给移动台的频率。服务的基站发送控制信息给移动台，它促使移动台发送已知的比特序列。服务的基站和相邻的基站对由移动台发射的已知比特序列进行测量。测量包括已知比特序列到达每个基站的时间。由每个基站进行的时间测量值被转发到移动定位中心，它通过使用熟知的代数方法计算移动台的位置。
在本发明的优选实施例中，每个基站得到在该基站处所进行的测量的质量估值。这个估值可以是从移动台发射的信号质量。测量质量估值连同时间测量值被转发到移动定位中心。移动定位中心使用测量质量估值来进行质量检查。如果在计算移动台位置时测量质量不足以得到想要的精度，则测量过程被重复。为了重复进行测量过程，移动定位中心命令服务的基站重复控制消息。在重复了控制消息以后，服务的基站和相邻的基站对来自移动台的确认再次进行测量，并发送新的测量值给移动定位中心。这个过程根据需要而重复多次，直到达到想要的精确度。在计算移动台的位置以后，移动定位中心发送移动台位置给紧急呼叫中心，或发送到请求移动台位置的任何其它应用项。
图1是说明典型的蜂窝通信系统的结构的示意图。
图2是显示AMPS系统中的反向话音信道消息的格式。
图3A和3B是说明本发明的定位方法的流程图。
现在参照附图，将描述本发明的定位方法。本发明的定位方法被用于图1所示的蜂窝通信系统。蜂窝通信系统，总的以数字10表示，包括多个基站12，它们被一个或多个移动交换中心(MSC)14连接到地面通信系统，例如公共交换电话网(PSTN)18。每个基站12位于被称为蜂窝小区的地理区域，并为该小区提供服务。通常，对于在给定系统内的每个小区有一个基站12。在每个小区内，可以有多个移动台16，它们通过射频链路与基站12通信。基站12允许移动台16的用户与其它移动台16或连接到PSTN18的用户通信。移动交换中心14通过适当的基站12为呼叫进入或送出移动台16选择路由。
移动定位中心(MPC)12被连接到MSC14。当移动台16进行紧急呼叫或应用项请求移动台16的位置时，最接近移动台16的基站12对由移动台16发射的信号进行测量。这些测量然后通过MSC14被转发到MPC20。MPC20使用来自基站12的测量，来计算移动台的位置。
在AMPS系统中，通过使用频分多址(FDMA)把可供使用的频谱划分成多个通信信道。在这种接入方案中，每个信道由不同的频带组成。在已知小区中仅仅一个移动台16可以一次使用一个已知信道或频率，但相同的信道或频率可在其它小区中被复用。信道或频率分配给网络中的各个小区，以使得信道的复用最大化，而同时保持可接受的共信道干扰电平。
两种类型的通信信道被用于通信-控制信道和业务信道。控制信道被用来我送为保持通信链路所需要的控制和信令消息。业务信道主要用来载送话音和数据信号，虽然某些控制消息也可在业务信道上发送。
当移动台16正忙于呼叫时，基站121在前向话音信道(FVC)上发送控制消息到移动台16，以便实行多个呼叫处理功能，例如指导移动台16改变频率，即越区切换。移动台16通过提供任何请求的信息或应答基站的命令来应答控制消息。这种信息是在反向话音信道(RVC)上发送的。控制消息应答的长度取决于由移动台16接收的控制消息的性质。通常，控制消息应答由一个或两个48比特长的编码消息字组成。控制消息应答典型地重复5次。在每次重复消息字以前，37比特的点序列和11比特字同步序列在重复消息前被发送。在第一次发射时，点序列是101比特长。所以，反向话音信道消息发射是544或1024比特长。由于传输速率是大约10kbps，所以反向话音信道消息在长度上分别是大约54.4ms或102.4ms。反向话音信道消息的一般格式在图2中显示。
本发明使用由移动台16在反向话音信道(RVC)上发送的控制消息应答以确定移动台16的位置。简而言之，当移动台16进行紧急呼叫或由某些其它应用项请求移动台16的位置时，基站12将发送一个命令给移动台16，这将使得移动台16发送已知的消息序列。在发送命令给移动台16以前，在周围小区中的几个基站12被提醒并被命令来收听移动台应答。当来自移动台16的控制消息应答在每个基站12被接收时，就对信号进行测量，例如进行到达时间的测量。基站12然后发送测量值给MPC20。它使用测量值来计算移动台16的位置。
在本发明的优选实施例中，标准控制消息从服务的基站12被发送到移动台16。移动台16用相应的控制消息应答来响应控制消息。控制消息被选择以使得来自移动台16的控制消息应答是事先已知的。许多类型的控制消息可被用来引起发自移动台16的已知的控制消息应答。三个控制消息是审计消息、改变功率消息、和序列号请求消息。
当移动台16接收来自基站12的审计消息时，它把命令确认消息发送回基站12，并保持在对话模式中。IS-136.2-A,2.6.4.4节。命令确认消息长度为54.4ms。在命令确认消息中的所有比特对于服务的基站12是已知的。
在接收到改变功率消息以后，移动台16把其功率电平调整到在消息中所指示的功率电平，然后发送命令确认消息给基站12。IS-136.2-A,2.6.4.4节。再次地，命令确认消息长度为54.4ms。命令确认消息包含移动台16切换后的功率电平的应答。由于服务的基站12知道它命令移动台16要改变的功率电平，所以在消息中的比特对于基站12来说是完全知道的。使用这个消息的一个优点是，有可能同时设置移动台16的功率电平到最高可能的电平，以使得可以更容易地进行测量。
当移动台16接收序列号请求消息时，移动台16通过发射一个其长度为102.4ms的序列号应答消息来响应。IS-136.2-A,2.6.4.4节。序列号应答消息包含移动台16的ESN。由于移动台16的ESN在呼叫发起期间由移动台16发送到基站12，所以序列号应答消息的比特基站12事先是已知的。使用序列号请求消息的一个优点是，它提供在其上进行测量的长序列的已知比特。
虽然已经描述了可被用来促使从移动台16进行已知比特序列发射的几个不同类型的控制消息，但是应当看到，可以使用许多不同类型的控制消息。因此，所给出的例子只是用于说明性的目的，而不要看作是限制性的。这里所使用的具体例子是有利的，因为这些信号是由现有的电话所使用的信令协议的一部分，并且它们导致已知比特的长的发射。这样，本发明可以容易地实现，而不用对话机进行再编程或改变由现有的电话所使用的协议。
通过使用以上所描述的控制消息，服务的基站12每当需要时都可促使从移动台进行长的已知比特序列发射。一旦进行了测量，每个基站12就发送测量值给MPC20，它使用测量值求出移动台16的位置。如前所述，由基站12所进行的测量可以是到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、或到达角(AOA)。在本发明的优选实施例中，到达时间是用于计算移动台16的位置的优选测量值。
用于使用到达时间来计算移动台16的位置的过程对于本领域技术人员来说是熟知的。简而言之，坐标位置可被表示为信号从移动台16达到基站12所化费的时间的函数。其关系可表示为tc=(xBS-x)2+(yBS-y)2---(1)]]>其中t是从移动台达到基站12传输所化费的时间，c是光速，(x,y)是移动台16的坐标位置，以及(xBS,yBS)是基站12的坐标位置。传输时间等于在基站12处信号的到达时间与信号从移动台16发射的时间之间的差值。这样式(1)可被重新写为(tR-tT)c=(xBS-x)2+(yBS-y)2---(2)]]>其中tR是信号在基站12处被接收的时间，以及tT是信号被移动台16发送的时间。式(2)具有三个未知数发射时间tT，移动台16的x坐标，和移动台16的y坐标。如果在三个移动台12处进行测量，则可产生三个方程，在每个方程中有相同的三个未知数。在每个方程中，接收时间tR，基站x坐标，和基站y坐标的数值将是不同的。这些坐标可通过使用已知的代数方法而被解出，以得到移动台16的x和y坐标。
应当指出，三个独立的方程也可通过使用两个基站藉助于在任一个基站处实行两种类型的测量而被产生。例如，如果其中的一个基站除了到达时间测量以外还实行到达角的测量，则可以使用两个基站。
为了确保计算的精度，基站12可以对从移动台16接收的信号所作的测量进行质量估值。例如，基站12可以测量从移动台16接收的信号的接收信号强度(RSSI)。信号质量测量连同被用于位置计算的时间测量一起被发送到MPC20。RSSI信息被包含在从移动台16发送到基站12的信道质量消息(CQM)。在IS-136.2,2.4.5.4.1.2节中描述了用于报告RSSI的程序，其内容在此引用，以供参考。
MPC20可使用测量的质量估值来实行质量检查。如果信号质量不足以得到在计算移动台位置时所想要的精确度，则测量过程可被重复。例如，小于150米的测量标准偏差对于进行位置计算可能是足够的。为了重复测量过程，MPC20可命令服务的基站12重复控制消息。在重复控制消息后，服务的基站12和周围的基站12将再次对来自移动台16的控制消息进行测量，并把新的测量值传递给MPC20。这个过程可以按需要重复多次，直到达到想要的精确度。在计算移动台16的位置以后，MPC20发送移动台位置给紧急呼叫中心或需要移动台16位置的其它应用项处理中心。在本发明的另一个方面，服务的基站12可以发送不同的控制消息的组合，以便引起发自移动台16的较好的和较长的应答。例如，基站12可以发送一个改变功率的消息以指示移动台16以最高功率电平发射，其后再发一系列序列号请求消息。这个方法将提供最好的可能的信号噪声比以及长的测量时间。
图3A和3B是说明本发明的位置定位方法的一个实施例的流程图。本发明的定位方法在移动台16打紧急电话或“911”电话时(方块100)或在网络1中的某些应用项请求移动台16的位置时被启动。移动台16也可发起定位方法来确定它自己的位置。对于紧急呼叫，移动台16向基站12发送呼叫发起消息，它包括被呼叫的号码。基站12能通过被呼叫的号码把紧急呼叫与其它呼叫区分开。当需要定位的呼叫被识别时(方块102)，服务的基站12执行呼叫建立程序，并分配一个通信信道给移动台16。服务的基站12然后通知MSC14已接收到一个紧急呼叫(方块104)。MSC14又通知在两个或多个周围的小区中的相邻的基站12，以便提醒有来自移动台16的发射(方块106)。相邻的基站12还被告知该发射将采用的信道。服务的基站12把改变功率消息发送给移动台16，请求以最高功率电平发射(方块108)。相邻的基站12被命令对于由移动台16发送的确认消息进行测量。在移动台16改变其功率电平以后，它在所分配的信道上发射命令确认消息(方块110)。所有基站12对命令确认消息进行测量，并把测量值转发到MPC20(方块112和114)。被发送到MPC20的信息包括对于从移动台16所收到的信号所作的测量的测量质量估值。根据信号质量的测量，MPC20确定移动台的位置能否以足够的精度被计算(方块114)。如果不能，则MPC20命令服务的基站12发送序列号请求消息给移动台16，以及命令所有基站12测量来自移动台16的序列号应答(方块118)。当服务的基站12发送序列号请求给移动台16时(方块120)，移动台16发送序列号应答(方块123)，基站12进行测量(方块121)，并把测量值转发给MPC20(方块126)。MPC20再次确定移动台的位置能否以足够的精度被计算(方块116)。如果不能，则服务的基站12再次被命令重发序列号请求消息(方块118)以及所有基站12对确认消息进行测量。这个过程被重复进行直到得出想要的信号质量为止。一旦得出了想要的信号质量，MPC20使用测量值来计算移动台16的位置(方块128)。然后把移动台16的位置转发到紧急呼叫中心或其它应用项处理中心，它把移动台位置通知应急人员。
权利要求
1．一种在包括多个基站的移动通信系统中用于确定移动台位置的方法，包括a)促使移动台发射已知的比特序列；b)在所述移动通信系统中的多个所选择的基站处接收已知的比特序列；c)确定已知比特序列到达所选择的基站的时间；以及d)根据已知信号到达所述所选择的基站的时间，计算移动台的位置。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于，其中促使移动台发射已知的比特序列的步骤包括从所述移动通信系统中的所述选择的基站之一发射控制消息给所述移动台，其中所述移动台被编程来发射对于所述控制消息的已知的应答消息。
3．按照权利要求2的方法，其特征在于，其中控制消息是在AMPS系统中的反向话音信道消息。
4．按照权利要求3的方法，其特征在于，其中控制消息是审计消息。
5．按照权利要求3的方法，其特征在于，其中控制消息是改变功率消息。
6．按照权利要求5的方法，其特征在于，其中改变功率消息是改变到最高功率电平的命令。
7．按照权利要求3的方法，其特征在于，其中控制消息是序列号请求消息。
8．按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述基站以可进行通信联络的方式连接到移动定位中心，以及其中到达时间的数据被所述基站发射到所述移动定位中心并在其中进行计算移动台位置。
9．按照权利要求8的方法，其特征在于，其中移动定位中心把移动台的位置发送给紧急中心。
10．一种在包括多个基站的移动无线通信系统中用于确定移动台位置的方法，包括a)在所述移动无线通信系统中在服务的基站处识别由所述移动台进行的紧急呼叫；b)向在所述移动无线通信系统中所选择的其它各基站发送一个消息，即紧急呼叫已被所述服务的基站所接收；c)通过从所述服务的基站向所述移动台发送控制消息而促使移动台发射已知的比特序列，且其中所述移动台被编程来发送对于所述控制消息的已知的应答消息；d)在所述移动无线通信系统中在所述服务的基站和所述所选择的其它基站处接收包含所述已知比特序列的应答消息；e)确定已知比特序列到达所述服务的基站和所述所选择的其它基站的时间；f)根据已知信号到达所述服务的基站和所述所选择的其它基站的时间计算移动台的位置。
11．按照权利要求10的方法，其特征在于，其中控制消息是在AMPS系统中的反向话音信道消息。
12．按照权利要求11的方法，其特征在于，其中控制消息是审计消息。
13．按照权利要求11的方法，其特征在于，其中控制消息是改变功率消息。
14．按照权利要求5的方法，其特征在于，其中改变功率消息是改变到最高功率电平的命令。
15．按照权利要求11的方法，其特征在于，其中控制消息是序列号请求消息。
16．按照权利要求10的方法，其特征在于，其中所述基站以可进行通信联络的方式连接到移动定位中心，以及其中到达时间的数据被所述基站发射到所述移动定位中心并在其中进行计算移动台位置。
17．按照权利要求8的方法，其特征在于，其中移动定位中心把移动台位置发送给紧急中心。
18．一种移动无线通信系统，包括含有确定在所述系统中移动台的位置的能力，该系统包括a)多个基站，包括1)发射机，用于发送控制消息到所述移动台，以促使移动台在应答时发送已知比特序列；2)接收机，用于从所述移动台接收所述比特序列；3)在所述基站处的时钟，用于确定所述已知比特序列到达所述基站的时间；b)连接到所述基站的移动定位中心，用于从已知比特序列到达多个所述基站的时间计算移动台的位置。
19．一种在包括多个基站的移动无线通信系统中用于确定移动台位置的方法，包括a)促使移动台发送已知的比特序列；b)在所述移动无线通信系统中的多个所选择的基站处接收已知的比特序列；c)在所选择的基站处进行对已知比特序列的预定测量；以及d)根据对已知比特序列的所述测量，计算移动台的位置。
20．按照权利要求19的方法，其特征在于，其中测量值是所选已知的比特序列到达所选择的基站的时间。
21．按照权利要求19的方法，其特征在于，其中测量值是已知的比特序列到达所选择的各基站的时间差。
22．按照权利要求19的方法，其特征在于，其中测量值是在所选择的基站处已知的比特序列的到达角。
23．按照权利要求19的方法，其特征在于，其中促使移动台发送已知的比特序列的步骤包括从所述移动无线通信系统中的所述选择的基站之一发射控制消息给所述移动台，其中所述移动台被编程来发射对于所述控制消息的已知的应答消息。
24．按照权利要求23的方法，其特征在于，其中控制消息是在AMPS系统中的反向话音信道消息。
25．按照权利要求24的方法，其特征在于，其中控制消息是审计消息。
26．按照权利要求24的方法，其特征在于，其中控制消息是改变功率消息。
27．按照权利要求26的方法，其特征在于，其中改变功率消息是改变到最高功率电平的命令。
28．按照权利要求24的方法，其特征在于，其中控制消息是序列号请求消息。
29．按照权利要求19的方法，其特征在于，其中所述基站以可进行通信联络的方式连接到移动定位中心，以及其中到达数据的时间被所述基站发射到所述移动定位中心并在其中进行计算移动台位置。
30．按照权利要求29的方法，其特征在于，其中移动定位中心发射移动台的位置给紧急中心。
全文摘要
在移动蜂窝通信系统中移动台的位置通过在多个基站处进行测量来自移动台的已知发射而被确定。服务的基站发送控制消息给移动台来促使移动台发射已知的比特序列。由移动台发射的已知比特序列在多个基站处被接收。已知比特序列到达每个基站的时间被确定和被用来计算移动台的位置。
文档编号H04W64/00GK1235500SQ9910443
公开日1999年11月17日 申请日期1999年3月26日 优先权日1998年3月26日
发明者H·科布帕蒂, P·N·伦基斯特, A·C·E·霍夫 申请人:艾利森公司