在cdma移动通信系统里确定移动终端位置的方法和系统的制作方法

专利名称：在cdma移动通信系统里确定移动终端位置的方法和系统的制作方法
交叉相关申请本专利申请要求享受1998年4月8日提交的第60/081117号共同未决美国临时专利申请的优先权，这里将这一专利申请的全部内容引入作为参考。
本申请还要求享受1997年12月12日提交的第08/989491号共同未决美国专利申请的优先权，在这里将这一专利申请的全部内容引入作为参考。
发明
背景技术：
领域总的来说，本发明涉及移动通信领域，具体而言，涉及在采用码分多址(CDMA)标准的移动无线电系统中，确定移动无线电终端位置的一种方法和系统。
相关技术在现有的和未来的移动通信系统里，对移动定位(“地理位置”)能力的需求越来越迫切。移动定位功能最好在有关的蜂窝系统内进行，至少部分地在有关的蜂窝系统内进行，而不是完全依赖于外部系统(例如全球定位系统也就是GPS)。在蜂窝系统中进行定位所碰到的主要问题是确定如何正确地测量到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)或者类似的传播时间。一旦拥有这些测量技术中的一种，就会有许多现成的算法可以用于计算移动台(MS)的地理位置。
蜂窝系统中定位的现状可以大体分成以下两类1．位置区--当前小区的位置提供了MS位置的粗略信息。
2．越区切换解决方案--最简单的定位概念(但能提供适当的精度)建立在向许多基站(BS)进行越区切换(包括软切换)的方法之上。这些BS中的每一个都要测量它自己和有关MS之间的传播时间。该方法实现起来相对简单，因为它不需要无线电部分进行多少改变。同时，BS也不需要采用绝对时间基准。然而，设计人员相信，这一方法的“可听性”并不令人满意(也就是说切换到不同地理位置上两个其它的BS只在少数情形下是可能的)，特别是如果该系统采用的是一种1个小区的频率复用方式。
3．天线阵解决方案--如果一个BS有一个天线阵，那么MS的位置可以从估计的方向和通信信号的往返延迟计算出来。
4．MS中的GPS解决方案--可以在MS里安装一个GPS接收机。但这一方法会使MS内的计算和接收机过于复杂。
5．下行链路解决方案--这些方法建立在MS的测量结果上。MS测量BS发射的信号(例如在CDMA系统中的导频数据)。这些解决方案里采用的方法需要BS有一个绝对的时间基准，也就是需要BS实现同步。
6．上行链路解决方案--这些解决方案建立在BS的测量基础之上。这些BS测量MS发射的信号(例如很长的叫做训练序列的信号)。这些解决方案里采用的方法需要BS有一个绝对的时间基准，也就是需要BS实现同步。
7．上行链路/下行链路组合解决方案--第08/935421号共同转让的美国专利申请描述了一种方法，它组合了上行链路和下行链路解决方案，因而不需要BS拥有绝对时间基准，也就是不需要BS实现同步。
因此，如上所述，第二个、第三个和第四个解决方案存在很大的缺点。独立下行链路解决方案(5)有一个固有的问题，它不能“听”到足够的有关BS的信号。这就是所谓的“远近问题”，在CDMA系统里这一问题特别严重。上行链路/下行链路组合解决方案(7)也有以下缺点1)定位过程可能需要相当长的时间，因为必须完成对上行链路和下行链路的测量；2)定位过程的可靠性降低，因为“可听性”受限于性能最差的(上行或者下行)链路；以及3)这一定位过程占用了比平常更多的信息带宽。
独立上行链路解决方案(6)有某些明显的问题。例如，远近问题可以通过在上行链路上提高MS的发射机功率来解决，并用相对较长的时间发射一个已知信号。但这一方法会对系统性能产生严重影响。例如，为了解决可听性问题，MS信号不得不用相对较高的功率发射。这一高功率发射会在服务小区内以及周围小区内导致容量下降。还有，如果MS发射一个已知序列，它就必须用这一信号替换正常的语音信道(可能会导致语音中断)，或者并行发送信号。后一方法会增加MS的复杂性、电池消耗和占用的信息带宽。当然，如果信号发射时间较长，这些问题就会更加突出。但是，如同下面将详细介绍的那样，本发明成功地解决了上述问题。
发明简述根据本发明的一个优选实施方案，提供了一种方法和系统，用于确定MS在CDMA蜂窝系统中的位置，其中MS要发射的每一个码元，首先用一个短码(SC)扩频，然后再用一个长码(LC)对这一信号扩频。这一扩频码被分成N-码片段。因此，即使发射的码元是未知的，该产生的信号的N-码片段却是已知的(至少到一个未知相位差的程度)。然后这一MS发射产生的扩频信号。在正在接收的BS那里，将收到的扩频信号跟已知码进行相关运算(并解扩)，重构原始数据。这样，接收信号的时间就至少可以精确到未知相位差的时间长度。
本发明的一个重要技术优点是能够确定移动台的位置而对系统的影响最小。
本发明的另一个重要技术优点是可以确定移动台的位置而不需要使用额外的通信资源。
本发明的再一个重要技术优点是可以在正常通信信号的基础上确定移动台的位置，跟现有的移动台定位方法相比，这会显著地降低发射功率。
附图简述对本发明的方法和装置更全面的了解可以通过参考以下详细介绍和以下附图来获得。这些附图中

图1是可以用于实现本发明一个优选实施方案的示例性帧格式示意图。
图2是一个示例性MS定位方案的一个示意图，它说明了如何实现本发明的优选实施方案；图3是可以用于实现本发明优选实施方案的一个示例性方法的流程图；图4是可以用于实现本发明优选实施方案的一组示例性滑动相关器的一个示意图。
图5是可以用于实现本发明第二个实施方案的一组示例性滑动相关器的一个示意图。
附图详述通过参考图1～5，能够最好地理解本发明的优选实施方案以及它的优点，附图中同样的数字用于同样和相应的部分。
首先，根据本发明的一个优选实施方案，提供了确定CDMA蜂窝系统中MS位置的一种方法和系统，其中MS发射的每一个码元都首先用一个SC扩频，然后将得到的信号用一个LC进一步扩频。扩频码被分成N-码片段。因此，即使发射的码元是未知的，所得信号的N-码片段也是一致的(至少到一个未知相位差的程度)。然后这一MS发射得到的扩频信号。在接收信号的BS那里，收到的扩频信号跟这些已知码进行相关运算(并解扩)，重建原始数据。这样，接收信号的时间至少可以被确定到未知相位差时间长度的精度。
具体而言，图1是一个示例性的帧结构图，可以用它来实施本发明的一个优选实施方案。如上所述，在多数现有的和计划的CDMA蜂窝系统里(在正常的工作条件下)，MS要发射的每一个码元都首先用一个短码(SC)扩频。这一SC的时间长度通常都等于码元周期。然后将得到的信号用至少一个LC扰频。LC的时间长度通常都比码元周期长，它甚至可以长到几周或者几个月。这样，在以下描述中，LC的组合叫做“LC”，所有码的组合则叫做“码”。然后对编码信号进行调制，并通过空中接口发射出去。在接收机里(例如一个BS)，将接收到的信号跟已知码进行相关运算(解扩)，重建原始数据。
一个现有的MS定位方法是，由MS发射一个已知信号(所谓的“定位脉冲”)以支持位置确定过程。相反，根据本发明，要确定其位置的MS不需要改变它发射的信号来支持定位过程，虽然在某些情形下小小的改变会更为有利，下面将进行介绍。在某些情形下，MS发射的部分信号是已知的。在这些情形下，这一额外的信息可以用于改善定位性能。下面详细描述采用这些额外信息的第二个示例性的实施方案。
参考图1，MS要发射的码元用S1、S2……表示，扩频码用C1、C2……表示。要发射的编码码元用S1C1、S2C2……表示。如图所示，扩频码被分成多个N-码片段。这一N-码片段序列的时间“长度”等于码元间隔。这样，扩频信号(例如S1C1)可以看成扩频已知信号，但相位未知。如同编码码元(例如S1C1等等)所说明的一样，根据本发明，即使这些码元未知，所得信号的N-码片段也是未知的(到未知相位差的程度)。
在接收机(例如在BS)里，收到的扩频信号是时间色散(由于信道效应)的，包含了大量的干扰(主要来自其他用户)。但是，为了进行说明，在这一点上可以假设没有任何时间色散效应或者干扰。还可以假设信号的时间是知道的，直到一个M-码片不确定性的程度。接收到的扩频信号的时间可以通过将代码(例如C1)跟信号的M个不同的N-码片段进行相关运算来确定，它对应于M个不同的时间偏移。如果这一信号以高于码片速率的速度采样，并进行M次以上的相关运算，就会得到更加高的分辨率。
这些相关运算的结果(例如相关器的输出)用一个矢量表示。接收信号的时间用这一矢量中最大峰值的位置来确定(它对应于某一时间偏移)。用同样的方式，接收信号的时间可以通过跟其它码(例如C2、C3等等)进行相关而不是跟C1进行相关运算来确定，但是是在用一个或者多个码元间隔延迟了的时间偏移处进行的。
在存在干扰的情况下，最好用一个以上的N-码片代码序列进行相关运算，因为上面描述的峰值将无法辨别。为了解决这一难题，可以合并跟C1、C2相关获得的矢量。发射信号用未知码元调制。因此，这些相关最好用非相干方式合并(也就是说在得到合并结果以前提取相关的绝对值)。下面参考图2描述的优选实施方案说明了一种示例性的相关输出矢量的合并和过滤方案。这样，在合并了足够数量的相关矢量以后，得到的M个矢量会有一个可以分辨的峰值，它会给出所需要的接收信号的时间。
在存在时间色散的情况下，从接收信号获得的上述M-矢量会因为多径传播而包括几个峰值。此时，比预定门限值高的第一个峰很可能就是视线分量，最好选择它来提供接收信号的时间。通过选择第一个峰值，不活动的BS可以通过使用一组滑动相关器(例如参考以下优选实施方案所介绍的那样)相对容易地确定来自MS的接收信号的时间。特别地，可以确定来自要确定其位置的MS的接收信号的时间，即使这一MS在不断地发射它的正常数据通信信号。因此，根据本发明，该系统由于发射的是一种新的不携带信号的信号，不会出现信息丢失或者容量损失。于是，完全没有必要提高MS的发射功率，提高功率会增加干扰并导致容量损失(还可能阻塞活动BS的RF信号)。
如果感兴趣的MS发射的数据具有相对较高的数据速率，或者等价地具有较小的扩频因数，那么这一码元时间间隔就会非常短。在这种情况下，非相干合并过程的增益被降低，因为相干合并过程(也就是那些相关)是针对较少的码片(N更小)进行的。为了部分地解决这一问题，网络可以指令这一MS改变数据速率，从而提高发射码元的长度。通过使用速率匹配(例如码标记)，并提高发射功率以弥补降低了的编码增益，这一效果是可能的而不会降低数据速率。这一解决方案非常方便，因为在任何情况下都可以提高发射功率，就象前面所介绍过的那样。
另一方面，如果感兴趣的MS正在使用一个数据包信道(也就是说这一MS不是在连续发射)，那么这一蜂窝系统最好选择一个信道，在MS定位过程中MS在这一信道上连续发射(例如一个物理控制信道)。
图2是一个示例性的MS定位方案原理图，它说明了如何实施本发明的优选实施方案。在以下描述中，可以假设正在用上行链路方法确定MS 120的位置，该方法使用未知的发射信号。然而，注意到本发明不是要受限于此，还可以包括下行链路方法，它是上行链路方法的类似应用。为了简单起见省略了下行链路情形。还要注意可以采用组合起来的上行链路/下行链路MS定位方法。
这一示例性的MS定位方法250用图3所示的流程图说明。这一定位方法开始于步骤252，提供服务的BS(例如100) (通过空中接口的控制消息)发送一个命令给MS 120，让它使用预定的扩频系数和发射功率。功率的提高可以用例如已知CDMA系统中采用的典型的快速功率控制反馈方法来进行。在许多情况下，不必改变速率。还有，处理话音/数据不活动性可能需要不同的程序，因为即使是在话音/数据不活动期间也需要MS 120发射信号。
在步骤254里，一组(例如至少一个)邻近的非活动(MS 120不连接的)BS(例如110a和/或11Ob)得到网络命令，开始用MS 120使用的代码进行搜索和相关运算。这一代码搜索最好用一组滑动相关器进行。可以用于实施本发明优选实施方案的一组示例性滑动相关器(200)用图4说明。在相关器200里，基带信号，x(t)，进入滑动相关器(1-M)。每一块“D”都表示一个码片延迟。在步骤256里，这些BS用一个乘法器2021-M和一个寄存器2061-M将这一代码跟基带信号里的代码进行相关运算。寄存器输出被加起来(2041-M)反馈给乘法器2021-M的输出，并跟寄存器输入连接起来。在这一实施方案实例里，所有的N码片寄存器2061-M都被复位。然后，对应寄存器里相关信号y(t)的当前值被取样，并通过一个绝对值功能(例如过滤器)2081-M传递过去，然后加到第二个寄存器2121-M中去。如图所示，有M个相关器和非相干合并器。来自这些合并器的输出值z(1)～z(M)构成了相关函数，由此可以估计接收信号的TOA值(步骤258)。在步骤260里，这一BS利用接收信号的TOA估计估计MS的位置。然后在步骤262里，网络可以(通过空中接口的一则控制消息)指令MS 120恢复它的正常工作。
在工作的过程中，发射码元的长度可以定义成N个码片长。还有，(为了简单起见)可以假定接收信号以码片速率取样。如果采用速率更快，可以采用更多的滑动相关器。如果没有任何干扰用户，对于每一个发射信号，这组(200)滑动相关器的输出就会有一个或多个幅度峰。这些峰对应于构成通信信道的不同路径。第一个峰很可能就是直接路径，这一路径上信号的到达时间可以用作接收信号的时间标记。可以从不同BS获得的一组时间标记可以用于估计MS 120的位置。于是，可以在网络一侧使用已知位置估计算法中的一个来计算MS的位置。
如果跟某一BS有关的小区尺寸相对较大，在组200里就可以采用更多的相关器，因为其它BS时间的不确定性更大。例如，如果另一个BS的时间不确定性是32μs(大约等于9km)，那么如果码片间隔是0.24μs，频带内就需要大约128个相关器。
在存在干扰的情况下，更远的BS中相关器里的多个峰值(如上所述)很可能无法分辨。但这一问题可以通过合并大量M-矢量来解决。这一合并过程最好用非相干方式进行，因为发射的数据未知。这一合并功能可以通过提取过滤器组输出的绝对值，然后将得到的序列加起来来完成。换句话说，可以获得M个下标变量长的一个数据值矢量。这一矢量的第m个下标变量等于z(m)=|y(m,1)|+|y(m,2)|+…+|y(m,P)|，(1)其中y(m,n)是(组200中)第m个滑动相关器的第n个输出，P是合并矢量的总个数。
另外，矢量合并可以通过将过滤器组输出的幅度平方加起来进行。在这种情况下，第m个下标变量将是以下形式z(m)=|y(m,1)|2+|y(m,2)|2+…+|y(m,P)|2，(2)这样，本发明并不局限于进行非相干矢量合并的一个具体方法。图4中的示例性实施方案说明了这种滑动相关器和非相干合并功能如何实现。
上述矢量的第一个峰，它最好高于预定门限值，说明了MS 120直接路径信号的到达时间。然而，这一直接路径信号TOA的一个估计可以采用已知的信号处理技术提高精度。例如，这一峰值的位置可以用许多已知插值/平滑技术中的一种来确定。
以上非相干合并功能可以在相对长的时间段里完成，而不会给有关的通信系统带来任何有害影响。这一功能的主要限制是MS 120的时间稳定性。但是，既然MS跟提供服务的BS(例如100)精确同步，MS的时间稳定性就不会是一个大问题。在任何情况下，即使非相干矢量合并功能能在相对较长的时间里完成，对许多应用而言这一方法仍然很有吸引力，因为位置估计可以相当快。为了提高位置确定速度，在某些情况下，网络可以让MS 120提高发射功率。典型情况下，当这种情况出现的时候，MS距离提供服务的BS相当近(也就是一个“远近”收听问题)。结果，这一MS会导致干扰增强，主要是在提供服务的小区内。但是，这一增加的干扰很可能可以用一个已知的干扰对消技术来消除。
在这里，注意到本发明中需要提高的MS的发射功率比现有方法中所需要的低得多，这一点很重要，其中Ms发射了特殊的定位信号。利用这些现有方法中的一个，定位信号必须用相对较高的功率(比正常功率高25分贝)发射，以最大限度地减少数据损失。因此，这些现有的Ms定位方法会导致严重的干扰，甚至在提供服务的小区内导致RF信号的阻塞。
图5是一组示例性滑动相关器(300)的一个示意图，可以用它们来实现本发明的第二个实施方案。如图所示，在组300里，基带信号x(t)进入滑动相关器(1-M)。每一块“D”都表示一个码片延迟。这一代码跟基带信号里的代码的相关是在乘法器3021-M和寄存器3061-M中完成的。寄存器输出被加起来(3041-M)，反馈给乘法器3021-M的输出，并连接到寄存器的输出端。在这一示例性实施方案里，每N个码片对寄存器3061-M复位一次。然后，对应寄存器中相关信号y(t)的当前值被采样，并通过开关3071-M。开关的位置取决于相关信号中当前码元的状态。换句话说，如果相关信号中的当前码元已知，那么开关的位置就是用相关方式合并这些码元(用如图所示的一个寄存器3141-M和有关的共轭信号乘法器和加法器)。否则，如果相关信号中的码元未知，信号就用非相干方式合并(例如如同参考图4所示的一样)。这样，开关3071-M将信号和未知码元传递给一个模功能(例如过滤器)3081-M，然后将得到的信号加3101-M到寄存器3121-M上去。如图所示，有M个这样的相关器，以及M个相干和非相干合并器。这些相关器的输出值z(1)～z(M)构成相关函数，由此可以计算出接收信号的TOA值。
如图所示，图4和5里的多数单元实质上都相同。但在图5所示的示例性实施方案中，跟图5所示实施方案的主要差别是，在图5中，当接收数据是已知的情况下信号是用相干方式合并的，当接收数据未知的时候是用非相干方式合并的。在图5中，当接收码元已知的时候，相关跟对应码元的复共轭相乘，并相干合并。在这种情况下，对应于上述矢量(1)和(2)的合并矢量会是以下形式z(m)=｜s*1y(m,1)+s*2y(m,2)+…+s*ky(m,k)｜+｜y(m,k+1)｜+…+｜y(m,P)｜， (3)和z(m)=｜s*1y(m,1)+s*2y(m,2)+…+s*ky(m,k)｜2+｜y(m,k+1)｜2+…+｜y(m,P)｜2，(4)其中s*i是码元i的复共轭，k是已知码元的个数。
虽然用附图和前面的详细说明介绍了本发明中方法和装置的一个优选实施方案，但是应当明白本发明并不局限于这里公开的实施方案，而是能够有各种重新安排、改进和替换，而不会偏离以下权利要求给出的本发明的实质。
权利要求
1．一种方法，用于在基于CDMA的蜂窝系统中利用移动台发射的未知信号中一个或者多个短码和一个长码为移动台定位，包括以下步骤命令移动台将至少一部分发射功率提高一预定量；在至少一个基站内将未知信号跟一个或者多个短码和所述长码的一部分进行相关运算；和用非相干方式合并从相关步骤获得的输出。
2．权利要求1的方法，其中所述一个或多个短码和所述长码中的至少一个被分成多个相等的段。
3．权利要求1的方法，其中所述一个或多个短码和所述长码中的至少一个被分成多个N-码片段。
4．一种方法，用于在基于CDMA的蜂窝系统中，通过利用码的预定组合对移动台发射的未知信号进行扩频，为移动台定位，包括以下步骤在基于CDMA的蜂窝系统中的至少一个基站里接收所述扩频未知信号；在所述至少一个基站内将收到的扩频未知信号跟一部分码的所述预定组合进行相关运算；和用非相干方式合并所述相关步骤的相关输出。
5．权利要求4的方法，在所述非相干方式合并步骤中还包括检测移动台发射信号的时间的步骤。
6．一种方法，用于在基于CDMA的蜂窝系统中，通过利用码的预定组合对移动台发射的部分已知信号进行扩频，为移动台定位，包括以下步骤在基于CDMA的蜂窝系统的至少一个基站里接收所述部分扩频已知信号；在所述至少一个基站内将收到的部分扩频已知信号跟一部分码的所述预定组合进行相关运算；和对应于所述部分已知发射信号的已知部分，用相干方式合并所述相关步骤的相关输出。
7．权利要求6的方法，还包括用非相干方式合并相干合并步骤和非相干合并步骤的结果的步骤。
8．一组相关器，用于在CDMA移动通信系统中进行码搜索，包括多个乘法器，所述多个乘法器中的每一个乘法器都用并联方式连接起来，以接收编码信号；第一组多个寄存器，这第一组多个寄存器中每一个寄存器的输入都跟相应乘法器的输出连接；多个过滤器，所述多个过滤器中每一个过滤器的输入都跟所述第一组多个寄存器的相应寄存器的输出相连；和第二组多个寄存器，所述第二组多个寄存器中每一个寄存器的输入都跟所述多个过滤器中相应过滤器的输出相连。
9．权利要求8的相关器组，其中所述多个过滤器中的每一个过滤器都要完成范数功能。
10．权利要求8的相关器组，其中第二组多个寄存器的合并输出包括一个相关功能， 用于估计接收信号的到达时间。
11．权利要求8的相关器组，其中的编码信号包括一个基带信号。
12．权利要求8的相关器组，其中所述多个乘法器中的至少一个乘法器跟所述多个乘法器中有一个码片延迟的第二个乘法器相连。
13．权利要求8的相关器组，其中第一组多个寄存器的相应寄存器的输出被加到所述第一组多个寄存器的一个相应输入上去。
14．权利要求8的相关器组，其中所述多个寄存器中的至少一个寄存器在每一个N-码片间隔进行复位。
15．权利要求8的相关器组，其中所述第二组多个寄存器的相关寄存器的输出被加到所述第二组多个寄存器的一个相应输入上去。
16．一个相关器组，用于在CDMA移动通信系统中进行码搜索，包括多个乘法器，所述多个乘法器中的每一个乘法器都用并联方式连接起来，以接收编码信号；第一组多个寄存器，所述第一组多个寄存器中每一个寄存器的一个输入跟一个相应乘法器的一个输出相连；响应相关信号中码元状态的一个开关；多个过滤器，如果所述状态跟未知码元有关，那么所述多个过滤器中每一个过滤器的第一个输入跟所述开关的第一个输出相连；第二组多个寄存器，如果所述状态跟已知码元有关，所述第二组多个寄存器中每一个寄存器的一个输入跟所述开关的第二个输出相连；第二组多个寄存器中每一个寄存器的一个输出跟多个过滤器中每一个过滤器的第二个输入相连；和第三组多个寄存器，所述第三组多个寄存器中每一个寄存器的一个输入跟所述多个过滤器中相应一个过滤器的一个输出相连。
17．权利要求16的相关器组，其中多个过滤器中的每一个过滤器都完成模功能。
全文摘要
公开了一种方法和系统,用于在CDMA蜂窝系统中确定移动台(120)的位置,其中移动台(120)要发射的每一个码元(S
文档编号H04B1/707GK1303542SQ9980481
公开日2001年7月11日 申请日期1999年4月6日 优先权日1998年4月8日
发明者M·赛德瓦尔 申请人:艾利森电话股份有限公司