移動通信網絡中確定無線電接收方向的方法和設備的製作方法
2023-09-19 17:46:25 2
專利名稱：移動通信網絡中確定無線電接收方向的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及在移動通信網絡中的無線電基站位置中，確定下行鏈路上的無線電接收方向的方法。本發明還涉及用於實現所述方法的帶有設備尤其是計算機的移動通信網絡，無線電基站和移動通信終端。
背景技術：
在移動通信網絡中，尤其是在蜂窩移動通信網絡，例如GSM(全球移動通信系統)或UMTS(通用移動通信系統)中，重要的是知道移動用戶的即時位置。所謂的「基於位置的服務」，即依賴於移動用戶的即時位置的移動服務正在日益引起人們的興趣。為了能夠進行這些及相似服務，不僅必須知道無線電用戶所處的無線電扇區或無線電場區，而且必須進行精度達到幾米的更準確的位置確定。用於實現此目的的已知方法很多。例如已知的有所謂的三角測量方法，其中通過測量無線電信號傳播時間，計算移動通信終端和相鄰的固定基站之間的距離，根據對應距離半徑的交點，確定即時位置。但是為此必須與至少兩個遙遠的無線電基站保持聯繫。另外，必須使無線電基站的無線電發射器相互同步，或者至少必須知道所發射信號之間，尤其是符號之間的時間差。
另外還知道首先通過分析在成組天線(所謂的靈巧天線)呈現的無線電信號分量，確定無線電接收方向。隨後，還(通過測量信號傳播時間)計算到無線電基站的距離，以便最後能夠更準確地確定位置。但是，已知的方法涉及相當大的計算開銷，並且存在特定的先決條件，例如與若干無線電基站保持聯繫或者存在成組天線。
發明內容
本發明的目的是提出一種確定無線電接收方向的方法，所述方法能夠儘可能簡單地被實現，並且仍然能夠提供和實際的無線電接收方向有關的準確信息。另外還提出了實現所述方法的相應設備。
上述目標由包含根據權利要求1的特徵的方法和由包含根據附加權利要求之一的特徵的移動通信網絡、計算機、無線電基站和移動通信終端實現。
因此，提出相關移動通信終端至少測量由發射天線中的第一和第二天線發出的無線電信號的接收電平，根據這兩個測量的接收電平，形成比例值。該比例值基本上和主要的無線電傳播條件，尤其是無線電鏈路上的路徑損耗無關。該比例值隨後被用於估計要確定的無線電接收方向的方位角。
另外還提出一種適合於實現所述方法的移動通信網絡，所述移動通信網絡包括與無線電基站位置相連，並且產生所述兩個測量的接收電平的比例值，從而再估計方位角的計算機。
從而可以在任意單獨無線電基站位置完全實現本發明。不需要與若干無線電基站保持聯繫。此外，使用了測量值，即無線電信號的接收電平，多數情況下，出於其它目的也必須計算這些測量值，例如切換測量，從而這些測量值已存在於移動通信網絡中。在所謂的測量報告的過程中，這些測量值從移動通信終端傳送給固定的無線電位置。根據本發明的無線電數值的計算用於消除損害接收電平數值的變量，尤其是無線電傳播條件的特徵變量，例如無線電場衰減或路徑損耗。這些變量高度依賴於主要的狀況，例如可視射頻連接，無線電屏蔽，衰減，反射或者波導效應。本發明基於這樣的了解，即如果兩個發射天線安裝在相同的位置，最好安裝在相同的天線鐵塔上，則要形成其比例值的兩個接收電平會受到相同的影響。這種情況下，藉助比例值的生成(商的形成)，獲得很大程度上和無線電傳播條件無關的相對值，從而便於可靠地估計方位角以及確定無線電接收方向。此外，可以簡單、快速地完成商的形成。從而總的說來，提出一種非常易於實現，同時非常可靠的方法。
在從屬權利要求中描述了本發明的特別有益的改進。
從而，最好通過把形成的比例值和指示不同方位角的預期比例值的預定基準值進行比較來估計方位角。基準值是發射功率值，它在主輻射方向上對應於EIRP值(EIRP有效同位輻射功率)和在其它方向上對應於基於天線圖衰減的發射功率值。從而指示發射天線處輻射功率的與角度有關的分布的基準值，同樣相互比較基準值，以便形成比例值，並且最好把形成的比例值保存在查尋表中。從而能夠實現進一步降低計算開銷的快速、有效的查尋表程序。通過比較接收端的比例值(測量值)和發射端的比例值(基準值)，能夠在不知道無線電場衰減的情況下估計方位角。
發射天線最好由扇形天線或者成組天線構成，無線電覆蓋範圍最好是分別由扇形天線或成組天線之一提供的無線電扇區。在這方面，將關於接收值測量其無線電信號的兩個發射天線最好提供兩個彼此相鄰的無線電覆蓋範圍，並且移動通信終端最好至少位於這兩個無線電覆蓋範圍之一中。這樣，形成兩個最主要的接收電平之間的比例值，這進一步提高了計算方法的可靠性。
與此無關，或者與之相聯繫，如果移動通信終端還測量由其它發射天線發出的無線電信號的接收電平，則獲得另一特殊優點，在所有情況下，比例值由兩個測量的接收電平形成。隨後，藉助這些更多的比例值實現更多方位角的估計，最後藉助所有估計的方位角，更準確地確定無線電接收方向。從而提出一種迭代方法，其中成對地比較接收電平，以便形成比例值，最後得到的大量比例值便於更準確地估計方位角，從而便於更可靠地確定無線電接收方向。
另外，發射天線之一最好由提供無線電基站位置的整個覆蓋範圍的全向天線構成，其它發射天線最好由提供扇形無線電覆蓋範圍的扇形天線或成組天線構成。
移動通信終端測量從全向天線的無線電信號發出的接收電平和從扇形或成組天線的無線電信號發出的接收電平。從而這種情況下，通過一方面參考和全向天線相關的接收電平(例如廣播信令信道上的接收電平)，另一方面參考覆蓋範圍的接收電平(例如扇區內通信信道上的接收電平)，還能夠確定直接支持移動通信終端的特定無線電覆蓋範圍內的無線電接收方向。
現在將參考附圖，以例證實施例的形式描述發明本身及其所帶來的優點圖1a圖解說明根據本發明的移動通信網絡的結構；圖1b表示無線電基站位置的結構；圖2a和2b圖解說明了位於無線電基站位置的無線電覆蓋範圍的發射功率水平特性曲線(天線圖或函數)；圖3是根據本發明的方法的流程圖；圖4a和4b圖解說明了不同方位角的預期比例值；圖5圖解說明了若干方位角的分布和最後得到的接收方向；圖6圖解說明了在利用根據本發明的方法的蜂窩無線電網絡中的精確位置確定的原理。
具體實施例方式
圖1a圖解說明了根據本發明的，具有與移動通信網絡的核心網絡CN相連的至少一個無線電基站位置BS的移動通信網絡的示意結構。包含三個無線電發射器T1、T2和T3的無線電基站BTS位於無線電基站位置BS，三個無線電發射器T1、T2和T3提供無線電基站位置BS的不同無線電覆蓋範圍(參見圖1b的S1-S3)。無線電發射器不必位於單個無線電基站中，而是還可分別被結合到不同的無線電基站中。例如，如果在無線電覆蓋範圍中使用不同的無線電傳輸方法，那麼情況就會是這樣。
無線電發射器T1、T2或T3分別通過其無線電覆蓋範圍中的發射天線，這裡是扇形天線1、2和3，把無線電信號傳送給移動通信終端，圖1a中舉例表示了其中的一個移動通信終端MS。但是，考慮到方法的計算精度，在相同的位置，例如在天線鐵塔上，最好儘可能遠地安裝發射天線1、2和3。這裡表示的移動通信終端MS與無線電基站BTS的發射器T1保持直接無線電聯繫。無線電基站與布置在核心網絡CN中的計算機C相連。本例中，計算機C被合併到移動交換中心中，並且根據後面將詳細描述的方法，現在確定無線電接收方向，根據無線電接收方向，最後可計算移動通信終端MS的準確位置。計算機也可被安裝在其它位置，從而例如安裝在無線電接入網絡中，尤其是安裝在無線電基站控制器(基站控制器)或者安裝在無線電網絡控制器中，或者也可安裝在數據節點，例如UMTS的所謂網關GPRS支持節點(GPRS通用無線電分組服務)或者服務GPRS支持節點。
圖1b示意表示了包含呈三個互鄰扇形S1、S2和S3形式的三個無線電覆蓋範圍的無線電基站位置BS的結構平面圖。呈張角為120°的扇形S1、S2或S3分別由扇形天線1、2和3形式的發射天線提供。移動通信系統MS直接位於無線電覆蓋範圍S1中，並且通過對應的扇形天線與無線電基站(這裡未示出參見圖1a的BTS)保持無線電聯繫。這意味著扇區S1對應於所謂的「服務小區」或者「活動集」。無線電信號在下行鏈路DL上從對應的發射天線(參見圖1a中的1)被傳送給移動通信終端MS。在相反的方向，即在上行鏈路UL上，移動通信終端MS把其無線電信號回送給天線。
現在要確定下行鏈路上的無線電接收方向，以便隨後簡化移動通信終端MS的位置確定。一方面，這可通過確定無線電接收方向D來進行，另一方面，也可通過計算發射天線和移動通信終端MS之間的距離來進行，所述距離可由無線電信號傳播時間TA推出，並且其本身以所謂的計時提前或者往返時間的形式給出。所述距離對應於無線電基站位置BS的中心點附近的半徑。無線電接收方向D本身由方向角A表示。根據所述半徑和所述角度，隨後可準確確定移動通信終端MS的位置。不過，這裡提出的本發明特別用於確定無線電接收方向。
如圖1b中所示，扇區無線電覆蓋範圍S1-S3被排列成在其主輻射方向上無線電覆蓋範圍S1面向北方，即指向方位角A為0°的方向。分別被偏移120°的其它兩個扇區S2和S3的主方向從而分別指向120°和240°的方向。移動通信終端MS現在位於無線電場覆蓋範圍(無線電扇區)S1內。現在通過把無線通信終端MS確定的接收電平和用於扇區S1的扇形天線的天線圖進行比較，可以確定無線電接收方向D。但是這首先會導致計算具有相同張角的兩個對稱的面北方位角，從而不能明確確定無線電接收方向D。此外，為了能夠比較測得的接收電平和天線圖的基準值，還必須知道無線電場衰減。另外，無線電傳播條件，尤其是無線電場衰減不穩定，相反依賴於發生效果，例如無線電屏蔽，反射或漸變，以及是否隨著空氣溼度和溫度的波動而變化。僅僅是在人口密集區和市區中特別頻繁發生的無線電屏幕和反射的問題就會妨礙按照常規方法可靠地確定無線電接收方向，或者致使這些常規方法完全不可行。
於是這裡提出一種新的方法，下面將參考圖2更詳細地說明這種新方法。
圖3是根據本發明的方法100的流程圖，它包括呈迭代程序的步驟110-160。在該方法的起點S之後，在第一步驟110中，設置下述迭代參數第一指數i(它也是循環計數器)被設置為其初始值1。對應於無線電場區域(扇區)的數目的最大值imax被設置成3。第二指數k被設置成i+1。
在隨後的步驟120中，首先測量不同的無線電場扇區中的接收電平。這裡確定第一接收電平RLi和第二接收電平RLk。對於首次執行來說，這意味著測量第一扇區的接收值RL1和第二扇區的接收值RL2(參見圖1b中的S1和S2)。
隨後在下一步驟130中，使這些測量的接收電平彼此相關，從而形成比例值Rik。這種情況下，這意味著根據RL1和RL2的比值形成比例值R12。計算得到的該比例值R12稍後被用於確定方位角。在中間步驟135，從查尋表中取回基準值Tik。這些基準值代表圖4a中所示的基準曲線的特徵。第一種情況從而和基準值T12有關，基準值T12對應於和發射功率水平TP1與發射功率水平TP2的比值相對應的曲線。如此使扇區S1和S2的發射端功率水平函數TP1和TP2(參見圖1b和2b)彼此相關，從而形成比值，並被用作基準值T12。
在接下來的步驟140中，相互比較基準值Tik＝T12和計算的比例值Rik＝R12，以便據此計算所需的方位角Apik＝Ap12和Aqik＝Aq12(同樣參見圖4a)。這種情況下，這意味著把比例值R12和基準值T12進行比較，並確定何處對應的方位角相等。從而在這種情況下，確定近似對應於20°的方位角Ap12和近似對應於57°的方位角Aq12(同樣參見圖4a和4b)。這兩個方位角中只有一個方位角實際指向所需的無線電接收方向。另一個方位角不相關，並且起源於模糊的分析程序。
現在為了發現哪個方位值是正確的，至少再運行一次包含子步驟120-140的循環。
為此，首先確定計數器i是否已達到最大值imax(步驟150)。從而在本例中，檢查i是否等於imax＝3。如果不是，則在步驟151中使計數器i加1，並且隨後在步驟152中檢查現在計數器是否已達到其最大值imax。如果不是，則隨後直接執行步驟120及後續步驟130、135、140等。這意味著在第二次執行(i＝2)中，測量相應扇區S2和S3的接收值RL2和RL3(步驟120)，隨後據此形成比例值R23(步驟130)，並且最後由此估計方位角Ap23和Aq23。
但是，如果在步驟152中確定計數器已達到其最大值(i＝3)，即，循環已被執行兩次，則在步驟153中把第二指數設置成k＝1。這種情況下，這意味著現在在步驟120中測量接收電平值RL3和RL1。從而也形成和扇區S3及S1相關的最後一對可能接收值，並確定對應的比例值R31。最後與之有關地還進行方位角Ap31和Aq31的估計。在第三次執行該循環之後，藉助於判定步驟150，隨後確定計數器已達到其最大值(i＝imax＝3)，隨後進行步驟160。
在步驟160中，相互比較先前計算的方位角，以便隨後確定所需的無線電接收方向D，之後在步驟E中終止該程序。
下面將參考圖5說明步驟160中的過程，圖5中繪出了估計的方位角。在圖5中，一群估計的數值可記錄在從50-60°的範圍中。通過形成這裡產生的三個估計值的平均值，最後獲得55°的無線電接收方向D。
數值R23和T23隻和不直接供應移動通信終端MS的無線電場區(扇區)相關。從而它們不是服務小區或者活動集，而是所謂的相鄰小區或者候選/監視集。這些扇區被不在其上傳送任何上行鏈路信號的移動通信終端MS用於監視目的。現在還可以只使用這種類型的監視值，即在下行鏈路上測得的接收電平來計算方位角和無線電接收方向，尤其是當存在若干這樣的無線電場區(例如在60°的扇形分區情況下，存在5個無線電扇區)時。其優點在於測量值並不受起源於在服務小區中，將在相關無線電信道上進行的發射功率控制的影響的損害。這是因為相鄰小區中的移動通信終端要考慮的無線電信號是其中輻射恆定(最大)功率的無線電信道。
即使在單個基站位置中也可執行根據本發明的方法，從而不需要與若干無線電基站位置的任意無線電聯繫。無線電接收方向的估計變得越來越準確，可進行更多的迭代。這又取決於現有扇區的數目。但是還可想得到不是形成不同無線電扇區的接收值之間的比例值，而是形成從全向天線發出的接收電平和從扇區天線發出的接收電平之間的比例值。這意味著一方面通過測量從全向天線發出的無線電信道(例如所謂的廣播控制信道)上的接收電平，另一方面通過測量相應扇形天線(例如通信信道之一)上的接收電平，甚至可在單個無線電扇區內確定無線電方向。當然還可想得到使用成組天線代替扇形天線。和使用的天線的類型無關，根據計算並與相應的基準值比較的不是絕對接收電平，而是比例值(從而相對接收電平)的事實，即可實現本發明的優點。其優點之一在於提出的計算方法和無線電傳播條件無關。
提出的方法可用於確定行動裝置的位置。下面將參考圖6簡要說明，圖6以其中每個無線電基站位置包括若干扇形天線的蜂窩無線電網絡為基礎。如果現在在若干無線電基站位置，至少在兩個相鄰位置進行相關無線電接收方向D的確定，則能夠獲得十字方位，藉助所述十字方位，最後可計算移動通信終端MS的位置。在圖6中所示的例子中，在一個無線電基站位置確定55°的接收方向D，在第二個無線電基站位置確定290°的接收方向，在第三個位置確定345°的接收方向。不同接收方向的疊加形成一個指示移動通信終端MS的位置區域的三角形(理想情況下是一個交點)。當然也可想得到其中只在單個無線電小區或無線電扇區中確定接收方向的其它方法，這樣的方法要結合位置計算的距離確定程序(信號傳播時間測量)一起使用。提出的方法可以和其它定位方法任意組合。
權利要求
1.一種在移動通信網絡中的無線電基站位置確定下行鏈路上的接收方向的方法，其中無線電基站位置至少覆蓋兩個空間無線電覆蓋範圍，其中在每個無線電覆蓋範圍中，在下行鏈路上，藉助發射天線發射供至少一個移動通信終端接收的無線電信號，其中相關的移動通信終端至少測量由發射天線中的第一和第二發射天線發出的無線電信號的接收電平，根據這兩個測量的接收電平形成比例值，並且藉助所述比例值，估計要確定的無線電接收方向的方位角。
2.按照權利要求1所述的方法，其中通過比較形成的比例值和指示不同方位角的預期比例值的預定基準值，估計方位角。
3.按照權利要求1所述的方法，其中發射天線是扇形天線或成組天線，無線電覆蓋範圍是分別由扇形天線或成組天線之一提供的無線電扇區。
4.按照權利要求2所述的方法，其中關於接收電平測量其無線電信號的兩個發射天線提供兩個彼此相鄰的無線電覆蓋範圍，並且移動通信終端至少位於這兩個無線電覆蓋範圍之一中。
5.按照權利要求1所述的方法，其中發射天線之一是提供無線電基站位置的整個覆蓋範圍的全向天線，其它發射天線是提供扇形無線電覆蓋範圍的扇形天線或成組天線，移動通信終端測量從全向天線發射的無線電信號發出的接收電平，和從至少由提供移動通信終端所處的無線電覆蓋範圍的扇形或成組天線發射的無線電信號發出的接收電平。
6.按照權利要求1所述的方法，其中移動通信終端還測量由其它發射天線發出的無線電信號的接收電平，在所有情況下，由兩個測量的接收電平形成和主要的無線電傳播條件無關的比例值，這些更多的比例值被用於估計要確定的無線電接收方向的更多方位角，藉助估計的所有方位角，確定無線電接收方向。
7.一種至少包括一個覆蓋至少兩個空間無線電覆蓋範圍的無線電基站位置的移動通信網絡，所述移動通信網絡具有在所有情況下在無線電覆蓋範圍之一中通過發射天線在下行鏈路上發射供移動通信終端接收的無線電信號的無線電基站發射器，並且具有與無線電基站位置相連為每個移動通信終端確定下行鏈路上的無線電接收方向的計算機，其中相關的移動通信終端測量由發射天線中的第一和第二發射天線發出的無線電信號的接收電平，計算機根據兩個測量的接收電平形成比例值，並且計算機藉助所述比例值，估計要確定的無線電接收方向的方位角。
8.一種用於移動通信網絡的計算機，所述移動通信網絡具有至少一個覆蓋至少兩個空間無線電覆蓋範圍的無線電基站位置，其中在所有情況下，在無線電覆蓋範圍之一中，無線電基站發射器通過發射天線在下行鏈路上發射供移動通信終端接收的無線電信號，其中無線電基站位置與計算機相連，所述計算機為每個移動通信終端確定下行鏈路上的無線電接收方向，其中相關的移動通信終端測量由發射天線中的第一和第二發射天線發出的無線電信號的接收電平，計算機根據兩個測量的接收電平形成比例值，並且藉助所述比例值，估計要確定的無線電接收方向的方位角。
9.至少覆蓋移動通信網絡中的兩個空間無線電覆蓋範圍的無線電基站位置的無線電基站，其中無線電基站包括若干無線電基站發射器，在所有情況下，在無線電覆蓋範圍之一中，無線電基站發射器通過發射天線在下行鏈路上發射供移動通信終端接收的無線電信號，其中無線電基站與計算機相連，所述計算機為每個移動通信終端確定下行鏈路上的無線電接收方向，其中相關的移動通信終端測量至少從發射天線中的第一和第二發射天線發出的那些無線電信號的接收電平，並且把這些接收電平傳送給無線電基站，無線電基站把接收電平傳送給計算機，在所有情況下，計算機根據兩個測量的接收電平形成比例值，並且藉助所述比例值，估計要確定的無線電接收方向的方位角。
10.包含至少一個無線電基站位置的移動通信網絡的移動通信終端，所述無線電基站位置至少覆蓋兩個空間無線電覆蓋範圍，其中在無線電基站位置布置若干無線電基站發射器，在所有情況下，在無線電覆蓋範圍之一中，無線電基站發射器通過發射天線在下行鏈路上發射供移動通信終端接收的無線電信號，其中無線電基站與計算機相連，所述計算機為相關的移動通信終端確定下行鏈路上的無線電接收方向，其中移動通信終端測量至少從發射天線中的第一和第二發射天線發出的那些無線電信號的接收電平，並且把這些接收電平傳送給無線電基站，無線電基站把接收電平傳送給計算機，在所有情況下，計算機根據兩個測量的接收電平形成比例值，並且藉助所述比例值，估計要確定的無線電接收方向的方位角。
全文摘要
提出了一種在移動通信網絡中的無線電基站位置處，確定下行鏈路上的無線電接收方向的方法，所述無線電基站位置包括若干無線電覆蓋範圍，其中在每個覆蓋範圍中，藉助發射天線在下行鏈路上發射供至少一個移動通信終端接收的無線電信號。為了確定無線電接收方向，相關的移動通信終端至少測量由發射天線中的第一和第二發射天線發出的無線電信號的接收電平。根據兩個測量的接收電平，形成與主要的無線電傳播條件無關的比例值，該比例值被用於估計要確定的無線電接收方向的方位角。從而可在任意單獨無線電基站位置中實現本發明，不必與若干無線電基站保持聯繫。比例值的計算用於消除改變無線電傳播條件所引起的影響。這樣，能夠可靠地估計方位角，從而可靠地確定無線電接收方向。這不受主要的無線電傳播條件的限制。
文檔編號G01S5/12GK1441607SQ03106730
公開日2003年9月10日 申請日期2003年2月27日 優先權日2002年2月28日
發明者馬賽斯·施瑞那, 麥可·坦格曼 申請人:阿爾卡達公司