专利名称：在移动通信系统中定位移动台的装置和方法
技术领域：
本发明涉及本发明一般涉及无线通信领域，特别涉及在基站(BS)中用于定位移动台(MS)的接收装置和方法。
2．相关技术说明美国FCC(联邦通信委员会)规定应为紧急911(E911)公众安全服务(publicsafety service)实现MS定位服务。FCC要求无线运营商能够在2001年10月前在67％的情况下对E911呼叫者以125米的精度定位。这样，CDMA(码分多址)标准(TIA/EIA/IS-95)以及IMT-2000(国际移动电信-2000)系统采用称为“PUF(Power Up Function，功率增大功能)”的反向链路功能来提供MS定位服务。PUF是一种MS定位方案，其中MS在紧急情况下在反向信道向邻近的多个BS发送逐渐增强的示踪信号(probe)，告知它的位置，使每一个BS能够通过估计信号到达BS的时间而计算出BS和MS之间的距离。PUF是在IS-95B中提出的。但是，由于MS根据自己的判断而增大发送功率，使IS-95B的PUF降低了系统的性能。也就是说，特定MS增强的发送功率对其它MS产生干扰。然后，BS连续执行功率控制，以降低特定MS的发送功率，因此，增加了系统负荷。这样，存在着进行连续位置服务而不会因干扰增加降低系统性能的需要。
本发明概述因此，本发明的一个目的是，提供一种用于MS定位的有效的BS接收装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种不会因干扰增加而降低系统性能的MS定位装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种CDMA通信系统中BS根据从MS接收到的反向信道进行MS定位的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种在移动通信系统中BS根据从MS接收到的反向信道的入射角来估计MS方向的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种在移动通信系统中BS通过根据从MS接收到的反向信道的入射角估计MS的方向、并根据往返行程延迟(round tripdelay)计算BS和MS之间的距离来定位MS的装置和方法本发明提供了一种可行的MS定位方法，可提供连续的位置服务，而不会如IS-95B中的PUF那样因干扰增加而导致系统性能降低。按照本发明的MS定位方法基于BS测量通过反向链路信道接收的MS信号的入射角、并根据所测入射角确定MS对各个BS的相对方向的原理。
附图的简要说明通过参照附图以及下面的详细说明，将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中图1是表示从MS到BS的反向信道入射的示意图；图2是表示按照本发明第一个实施例的BS接收器的方框图，该BS接收器获得从MS接收到的反向信号的入射角，以进行MS定位；图3是表示按照本发明第二个实施例的BS接收器的方框图，该BS接收器获得从MS接收到的反向信号的入射角，以进行MS定位；图4是表示按照本发明第三个实施例的BS接收器的方框图，该BS接收器类似于图2中BS接收器，区别在于控制器不向快速哈达码转换器(FHT)提供关于MS信号的正交码的信息；以及图5是表示按照本发明第四个实施例的BS接收器的方框图，该BS接收器类似于图3中BS接收器，区别在于控制器不向快速哈达码转换器(FHT)提供关于MS信号的正交码的信息。
优选实施例的详细描述下面将参照
本发明的优选实施例。在下面的说明中，没有详细说明公知的功能或结构，以避免出现不必要的细节而混淆本发明。
下面的描述是建立在用于测量MS相对于BS的方向的信道是反向信道的条件上的。反向信道包括反向导频信道、反向基本信道、反向辅助信道及反向控制信道。
按照本发明的优选实施例，于通过补偿入射信号的相位差来增大接收速率的阵列天线相比，在BS中，当在阵列天线概念的基础上形成的两个天线被用来接收反向信道信号以追踪MS的位置时，它们接收的入射信号没有相位补偿，根据经每个天线接收列的信号的相位差，利用入射信号来估计接收信号的入射角。因此，与传统的阵列天线相比，解调器非常简单。
图1表示BS接收的反向信道信号的入射角。
如图1所示，若MS接近BS，则按照本发明的优选实施例，MS可被更准确地定位。当反向信道信号从距BS特定距离的一个MS发送时，因为向/从MS附近的物体反射和发送信号，因此，信号在MS周围的一定区域内散射。在多数情况下，散射半径r(d)随着BS和MS间距离而直接成正比例地增加。假设BS可精确测量从MS接收到的反向信号的入射角，将BS测量的方向与MS实际方向之间的角度定义为△θ1、Δθ2、Δθ3等。这样，测量方向误差随散射半径r(d)而增加。如果特定的方向误差保持低于某一确定值，则近处MS的实际定位误差将减少。仅当MS和BS间的RTD精确测量时，最大MS定位误差为r(d)。这里，反向信道信号可理解为从MS到BS接收的所有信号的平均。
图2为按照本发明第一个实施例在移动通信系统中的BS接收器方框图，该BS接收器测量从MS接收到的反向信道信号的入射角，以定位MS。如图2所示，BS具有两个间距小于接收载波波长一半的天线，以确定从MS接收的反向信道信号的方向。但是，若BS被扇形化，且扇形天线的波束宽度小于等于180度，则天线间距不必保持为小于半波长。当天线间距增加时，接收信号的多经衰减不同地增加。由于导致各个相位变化，最好将两个天线彼此隔开半波长。
参考图2，降频器211和212将从相应天线接收的无线电信号降频变换为中频(IF)信号，再将IF信号转换为基带信号，并通过采样和量化将基带信号转换为数字信号，以作为码片样本数据。这个处理过程对经两个天线接收的信号用同样的方式进行。因此，降频器211和212具有同样的性能。抽点(snapshot)装置216以数据码元(从MS发送且未扩展的数据)为单位对从降频器211和212输出的码片样本数据进行抽点，并在控制器215的控制下存储抽点信号。存储的抽点数据的大小可从一个码元到许多码元。信道解调器213和214对降频器211和212的输出进行解扩，以恢复信号，并将码元开始的信息、开始码元的沃尔什(Walsh)码、特定反向信道信号的PN码传输给控制器215。这里，信道解调器213和214为典型的瑞克(rake)接收器，其作用象通常的BS一样是组合在每一个指状部件(finger)中解扩的信号。控制器215向BS提供总体控制。在采用抽点获得的码片样本数据中，混合指向BS的所有MS信号。为检测某一特定的MS的信号，控制器215将在进行抽点时在信道解调器213和214中所用的短和长PN码、及以最大的接收强度入射的路径分量的准确相位(指状部件位置)、或由一检测器获得的最早接收的路径分量发送到解扩器217和218，以对从抽点装置216接收的码片样本数据进行解扩。解扩器217和218被分配给同样的指状部件位置，以同时解扩。就是说，解扩器217和218根据从控制器215接收的PN码(长码/短码)和指状部件位置对抽点信号进行解扩。在上面的过程中，提取要检测其方向的MS的信号。快速哈达码变换器(FHT)220和221利用可由哈达码变换获得的全部沃尔什码对解扩器217和218的输出进行相关。与沃尔什码进行相关意味着将每一个正交码和解扩器217和218的输出数据相乘并输出。在另一实施例中，控制器215向FHT220和211发送相应于特定MS的正交码的长度，因为探测使用哪一种码的整个过程将最多持续20ms(帧尺寸)。在这种情况下，FHT220和221对发送长度的所有正交码进行哈达码转换。否则，控制器215可向FHT220和221提供对应于特定MS的正交码，但在这种情况下，控制器215的处理速率将降低，因此增加了追踪MS位置所需的时间。组合器222对从FHT220和221接收的哈达码变换数据求和。码元判定器223根据组合器222的输出估计MS的实际码元数据。选择器224和225在码元判定器223的码元估计时间有选择地输出从FHT220和221接收的数据。抽点装置216、解扩器217和218、FHT220和221、组合器222、码元判定器223以及选择器224和225可定义为用于从码片样本数据中提取码元的码元数据提取器的结构。亦即，码元数据提取器可利用由两个码片样本数据确定的指状部件位置信息和PN码从各个码片样本数据中提取码元数据。此时，对应于特定MS的PN码和指状部件位置信息由信道解调器213和214及控制器215确定。
相位提取器226和227从选择器224和225的输出中提取码元数据的相位信息。减法器228计算从相位提取器226和227接收的相位信息之差。滤波器229对减法器228的输出进行滤波，以估计特定MS的最终接收入射角。因为相位差Φ1-Φ2直接表示在两个隔开的天线上接收信号的相对传输延迟，因此，滤波器229输出一关键的估计参数 这里，滤波器是用于在预定周期内连续产生一平均值的移动平均滤波器或估计滤波器。相位提取器226和227、减法器228和滤波器229可定义为用于提取由样本数据提取器提取的样本数据之间的相位差、并估计由提取的相位差确定的接收信号的入射角的入射角估计器。位置估计器(未示出)可通过由上述计算出的从特定MS接收的信号的入射角进行估计。位置估计器根据RTD来测量BS和MS间的距离，并根据方向和距离来确定MS的最终位置。此时，位置估计器虽未示出，但可利用图示的控制器215或利用单独的处理器使之具体化。
如上所述，按照本发明的基于抽点的MS定位方法的优点在于任意MS的定位均可由抽点数据确定。为此，在抽点期间，控制器215通过向解扩器217和218送入PN码(长码/短码)和用于向BS发送反向信道信号的MS的指状部件位置来提取MS的信号。然后，控制器215根据两个提取信号的相位差计算接收入射角，以用于MS定位。
图3为按照本发明的第二个实施例在移动通信系统中的BS接收器的方框图，该BS接收器用于获得从MS接收的反向信道信号的入射角以便进行MS定位。在第二个实施例中，在确定MS位置时未对接收的码片样本数据进行抽点，所以反向信道信号的入射角的测量可比图2所示的第一个实施例快。
参考图3，降频器311和312将经对应的天线接收的无线电信号降频变换至中频(IF)信号，再将IF信号转换为基带信号，最后通过采样和量化将基带信号转化为数字信号。这个过程应对两个天线接收的信号以同样方式进行。因此，降频器311和312应具有相同的性能。信道解调器313和314对降频器311和312的输出进行解扩，以恢复信号，并将与码元时间有关的信息、开始码元的沃尔什码、和由特定MS发送的信号的PN码送到控制器315。这里，信道解调器313和314为典型的瑞克接收器，其功能为组合每一个指状部件中解扩的信号，就象传统的BS中所用的那样。控制器315对BS提供总体控制。为了检测特定MS的信号，控制器315将信道解调器313和314中用到的长PN码和短PN码、及以最大接收强度入射的路径分量的相位(指状部件位置)或由一探测器获得的最早接收的路径分量发送给解扩器316和317。解扩器316和317根据从控制器315接收的PN码(长码/短码)和指状部件位置对从降频器311和312接收的的信号解扩。这里，解扩器316和317利用同样的指状部件位置进行解扩。需要检测其方向的MS的信号从上面的过程中将被提取出来。FHT318和319利用可从哈达码变换获得的全部沃尔什码对解扩器316和317的输出进行解扩。另一方面，本领域的普通技术人员应明白，第二个实施例可通过采用与第一个实施例中控制器215提供正交码长度或正交码的同样方式而使之具体化。组合器320对从FHT318和319接收的哈达码变换数据求和。码元判定器321从组合器320的输出中估计实际MS码元数据。选择器322和323在码元数据估计时间有选择地输出从FHT318和319接收的数据。相位提取器324和325从选择器322和323的输出中提取码元数据的相位信息。减法器326计算从相位提取器324和325接收的相位信息的差值。滤波器327对减法器326的输出进行滤波，以产生特定MS的最终接收入射角处的估计参数(E[φ1-φ2])。这里，滤波器为用于在一预定周期内连续产生一平均值的移动平均滤波器或一估计滤波器。MS的方向可通过MS信号的入射角来估计。控制器315根据RTD来测量BS和MS间的距离，然后根据方向和距离来确定MS的最终位置。
按照第二个实施例，因为接收到的码片样本数据没有被抽点，因此仅当接收到的MS信号即使在很短时间内仍具有不变的指状部件位置(即，路径)时，控制器才能够向解扩器提供PN码(长码/短码)信息和指状部件位置。如果反向信道信号的路径没有很大的改变，MS在视距路径内，或解扩(处理)时间非常短，则可以假设MS信号具有不变的指状部件位置。就是说，利用图3的结构，可以估计一个MS的信号入射角。但是，从解扩器到滤波器的并行处理可一次估计从多个MS接收的反向信号的入射角。
图4为按照本发明的第三个实施例在移动通信系统中的BS接收器的方框图，该BS接收器用于获得从特定的MS接收的反向信道信号的入射角。除控制器415不向FHT420和421供给正交码长度外，图4所示的BS接收器的结构与图2所示的基本一样。这样，FHT420和421将全长的全部正交码与输入信号相关。如果FHT420和421能够象图2所示从控制器415接收正交码长度，则哈达码变换比全长的全部正交码的相关更有效。计算由哈达码变换检测的两个信号之间的相位差，然后，根据相位差估计反向信道信号的入射角。
图5为按照本发明的第四个实施例在移动通信系统中的BS接收器的方框图，该BS接收器用于获得从特定MS接收的反向信道信号的入射角。除控制器515不向FHT520和521供给正交码长度外，图5所示的BS接收器的结构与图3所示的基本一样。这样，FHT520和521将输入信号与所有正交码相关。如果FHT520和521可以象前面的某一实施例一样能够从控制器515接收正交码长度，则哈达码变换比对所有正交码的相关更有效。计算由哈达码变换检测的两个信号之间的相位差，然后，根据相位差估计反向信道信号的入射角。
如上所述，本发明的优选实施例可以确定所有MS的定位，而不必改变通常的物理层。通常的PUF增大了MS间的干扰，但是按照本发明的优选实施例，BS可利用从MS接收到的反向信号更有效地定位MS，而不需MS任何特殊的功能。
虽然已经参照本发明的特定优选实施例展示和说明了本发明，但是本领域普通技术人员应明白，在不脱离所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，本发明可以有各种形式和细节上的变化。
权利要求
1．一种在移动通信系统中用于基站的移动台定位装置，包括第一天线和一个第二天线，其间距相当于MS发送信道的波长乘以预定系数；降频器，用于将从所述第一和第二天线接收的信号转换为基带信号，并将基带信号数字化为第一和第二码片样本数据；码元数据提取器，用于根据对应于由第一和第二码片样本数据确定的特定MS的PN码和指状部件位置信息，从第一和第二码片样本数据中提取两个码元；入射角估计器，用于根据提取的两个码元之间的相位差，估计接收信号的入射角；以及位置估计器，用于根据估计的入射角和对MS测量的往返行程延迟(RTD)，来估计特定MS的位置。
2．如权利要求1所述的MS定位装置，其中，所述预定系数为1/2。
3．如权利要求1所述的MS定位装置，其中，所述入射角估计器包括相位提取器，用于提取已提取的两个码元的相位；减法器，用于计算两个相位之间的相位差；以及滤波器，用于对相位差滤波，和估计MS信号的入射角。
4．如权利要求1所述的MS定位装置，其中，所述码元数据提取器包括解扩器，用于在由指状部件位置信息确定的时间点，采用PN码解扩第一和第二码片样本数据；快速哈达码变换器(FHT)，用于利用由哈达码变换产生的全部正交码解扩所述解扩器的输出；组合器，用于合并从所述FHT接收的两个解扩信号；码元判定器，用于根据所述组合器的输出产生码元数据估计时间；以及选择器，用于在从所述FHT接收的解扩信号中提取码元数据估计时刻的码元数据。
5．如权利要求4所述的MS定位装置，其中，所述码元数据提取器还包括抽点(snapshot)装置，用于以码元数据为单位存储从所述降频器接收的第一和第二码片样本数据，并向所述解扩器输出存储的码片样本数据。
6．一种在移动通信系统中用于BS的MS定位装置，包括第一天线和一个第二天线，其间距相当于MS发送信道的波长乘以预定系数；降频器，用于将从所述第一和第二天线接收的信号转换为基带信号，并将基带信号数字化为第一和第二码片样本数据；码元数据提取器，用于根据对应于由第一和第二码片样本数据确定的特定MS的PN码、指状部件位置信息和正交码长度，从第一和第二码片样本数据中提取两个码元；入射角估计器，用于根据提取的两个码元之间的相位差，估计接收信号的入射角；以及位置估计器，用于根据估计的入射角和对MS测量的往返行程延迟(RTD)，来估计特定MS的位置。
7．如权利要求6所述的MS定位装置，其中，所述预定的系数为1/2。
8．如权利要求6所述的MS定位装置，其中，所述入射角估计器包括相位提取器，用于提取已提取的两个码元的相位；减法器，用于计算两个相位之间的相位差；以及滤波器，用于对相位差滤波，和估计MS信号的入射角。
9．如权利要求6所述的MS定位装置，其中，所述码元数据提取器包括解扩器，用于在由指状部件位置信息确定的时间点，采用PN码解扩第一和第二码片样本数据；快速哈达码变换器(FHT)，用于利用正交码长度的全部正交码，解扩所述解扩器的输出；组合器，用于合并从所述FHT接收的两个解扩信号；码元判定器，用于根据所述组合器的输出产生码元数据估计时间；以及选择器，用于在从所述FHT接收的解扩信号中提取码元数据估计时刻的码元数据。
10．如权利要求9所述的MS定位装置，其中，所述码元数据提取器还包括抽点装置，用于以码元数据为单位存储从所述降频器接收的第一和第二码片样本数据，并向所述解扩器输出存储的码片样本数据。
11．一种移动通信系统中的MS定位方法，包括下列步骤将经间距为MS发送信道波长乘以预定系数的第一和第二天线接收的信号转换为基带信号，并将基带信号数字化为第一和第二码片样本数据；根据对应于由第一和第二样本数据确定的特定MS的PN码和指状部件位置信息，从第一和第二码片样本数据提取第一和第二码元；根据提取的两个码元之间的相位差，估计接收信号的入射角；以及根据估计的入射角和对MS测量的往返行程延迟(RTD)，估计特定MS的位置。
12．如权利要求11所述的MS定位方法，其中，所述预定的系数为1/2。
13．如权利要求11所述的MS定位方法，其中，所述入射角估计步骤包括下列步骤提取已提取的两个码元的相位；计算两个相位之间的相位差；以及对相位差进行滤波，和估计的MS信号的入射角。
14．如权利要求13所述的MS定位方法，其中，所述码元数据提取步骤包括下列步骤在由指状部件位置信息确定的时间点，采用PN码解扩第一和第二码片样本数据；利用由哈达码变换产生的全部正交码，解扩第一和第二PN扩展信号；合并正交解扩信号；根据合并信号，产生码元数据估计时间；以及从正交解扩信号中提取码元数据估计时刻的第一和第二码元数据。
15．如权利要求14所述的MS定位方法，其中，所述码元数据提取步骤还包括这样一步骤，用于以码元数据为单位存储第一和第二码片样本数据，并输出存储的码片样本数据，以进行PN解扩。
16．一种移动通信系统中的MS定位方法，包括下列步骤将经间距为MS发送信道波长乘以预定系数的第一和第二天线接收的信号转换为基带信号，并将基带信号数字化为第一和第二码片样本数据；根据对应于由第一和第二样本数据确定的特定MS的PN码、指状部件位置信息、以及正交码长度，从第一和第二码片样本数据提取第一和第二码元；根据提取的两个码元之间的相位差，估计接收信号的入射角；以及根据估计的入射角和对MS测量的往返行程延迟(RTD)，估计特定MS的位置。
17．如权利要求16所述的MS定位方法，其中，所述预定的系数为1/2。
18．如权利要求16所述的MS定位方法，其中，所述入射角估计步骤包括下列步骤提取已提取的两个码元的相位；计算两个相位之间的相位差；以及对相位差进行滤波，和估计的MS信号的入射角。
19．如权利要求16所述的MS定位方法，其中，所述码元数据提取步骤包括下列步骤在由指状部件位置信息确定的时间点，利用PN码解扩第一和第二码片样本数据；利用正交码长度的全部正交码，解扩第一和第二PN-扩展信号；合并正交解扩信号；根据合并信号，产生码元数据估计时间；以及从正交解扩信号中提取码元数据估计时刻的第一和第二码元数据。
20．如权利要求19所述的MS定位方法，其中，所述码元数据提取步骤还包括这样一步骤，用于以码元数据为单位存储第一和第二码片样本数据，并输出存储的码片样本数据，以进行PN解扩。
全文摘要
一种在移动通信系统中定位移动台(MS)的装置和方法。在MS定位装置中,基站(BS)的第一和第二天线的间距为MS发送信道的波长乘以一预定系数,如1/2。第一降频器和第二降频器将从第一和第二天线接收的信号转换为基带信号,并将基带信号数字化为码片样本数据。第一信道解调器和第二信道解调器恢复从第一和第二降频器接收的码片样本数据,并输出有关码元开始的信息和特定MS信号的PN码。根据从第一和第二解调器接收的码元开始和PN码信息,控制器输出用于确认特定MS和的指状部件位置信息的PN码。另外,控制器可由解调器供给正交码信息,在这种情况下,控制器输出有关特定沃尔什码的信息。码元数据提取器根据PN码和指状部件位置信息在从第一和第二降频器接收的码片样本数据中提取特定MS的两个码元。入射角估计器根据已提取的两个码元之间的相位差估计接收信号的入射角。位置估计器在估计的入射角和对MS测量的往返行程延迟的基础上估计特定MS的位置。
文档编号H04B1/707GK1287725SQ99801934
公开日2001年3月14日 申请日期1999年12月17日 优先权日1998年12月17日
发明者孔胜铉 申请人:三星电子株式会社