在一個cdma微蜂窩系統中的定位一個移動站的系統和方法
2023-06-07 19:50:21 1
專利名稱：在一個cdma微蜂窩系統中的定位一個移動站的系統和方法
背景技術：
依照新近聯邦通信委員會的規則和程序，美國境內的蜂窩電話服務提供商在2001年10月以前，在提供商系統125米內，必須具有為一個撥打應急電話(911)的蜂窩或行動電話提供定位的能力，成功概率為67％，即，在一個統計偏差內。目前，各種各樣的技術方法正在研究當中，以便在現有和計劃中的系統中實現地理定位技術。
當然，獲得一個移動終端或移動站(MS)位置的粗略指示的簡單方法是，確定當前服務小區的識別。一個更精確，但還是近似的方法是，基於切換(包括軟體切換)，在移動站和相關的收發基站(BTS)間的傳播時間按這種方法測量。此切換方法的實現簡單，因為在無線部分它涉及的變化很小。而且，這種系統中的各種BTS不需要絕對的時間基準。但是，一般的認為切換技術不夠滿意，因為很少切換到2個其它地理分布的BTS(需要用來做3邊測量)，特別是，如果電話通信系統使用現有技術已知的1-小區頻率重用的情況。
一個天線陣解決方案已經提議，通過它可以從一個估計的方向和通信信號的往返延遲來計算MS的地理定位。當然，包括在MS中的全球定位系統(GPS)裝置可以解決地理定位問題，但是，作為代價，MS中需要過度的計算和MS中複雜的接收器。
上述問題的另外一個計劃解決方案是發表在申請者的共同未決和共有專利申請，名為「在一個CDMA蜂窩系統中定位一個移動站的系統和方法」，美國系列號08/951,345，1997年10月提交，本發明是上述申請的部分繼續申請，在這裡引用作為參考。在共同未決申請中，提議了一個修改的下行鏈路測量解決方案，其中BTS和MS的信號反覆閒置以提高更遠距離系統的接收(或接聽力)，因此能使時間信息和三邊測量從那裡交換。
對於碼分多址(CDMA)系統，下行鏈路測量由MS通過BTS傳輸的信號進行，例如，在導頻信道數據中。但是，這些方法要求一個在BTS中的絕對時間基準(或同步的)。前述部分繼續申請的下行鏈路的方法通過信號中止來獲得所需的計時基準。
其它提議的解決方案包括上行鏈路測量，通過BTS基於MS信號進行，如，一個長的，已知的練習序列。但是，這種方法因為使用下行鏈路技術，在各個BTS中要求一個絕對的時間基準或者BTS內計時已知。本申請的受讓人提出的組合上行/下行鏈路解決方案，解決定時/同步要求，已經在美國專利申請序列號08/935,421中發表，標題是「確定蜂窩移動終端位置的系統和方法」，提交於1997年9月23日，在這裡也作為參考引用。本申請的結合解決方案包括利用上行/下行鏈路信號傳播的空中時間來確定一個移動站和一個基站之間的距離，因此避免對絕對的時間基準或同步的要求。
最後，功率測量地理定位技術已經被用來估計信號路徑損失，和距離。但是，這種技術並不十分精確。
上述解決方案，僅僅下行鏈路，上行鏈路和組合下行鏈路/上行鏈路的技術是遠距離可行的，但是每一個技術都有根本問題。
單獨的下行鏈路的解決方案，如，在接聽大量的BTS時有內在的問題。這就是所謂的「近遠」問題，在CDMA系統中尤其嚴重。組合技術在這方面也有一些缺點，因為下行鏈路和上行鏈路都需要測量，定位可能佔用相當長的時間。組合技術的可靠性較差，因為接聽力受限於有最壞性能的鏈路(上行或下行)。最後，在組合技術中需要更多的信息帶寬。
考慮到單獨的上行鏈路的技術，其也有一些缺點。如，這種系統中的遠近問題可以通過增加MS的發射功率和在長時間傳輸一個已知信號來解決，這些對系統性能都產生嚴重影響。發送一個已知序列要求，不是在語音信道上的覆蓋語音，很可能引起語音中斷，就是平行的傳送模式，引起MS複雜性增加，電池消耗和信息帶寬使用的增加。如果在一個較長時間內傳輸信號，上述問題就更嚴重。
如上所述，上行鏈路和下行鏈路技術要求已知BTS間相對的定時。儘管這種問題可以通過在每一個BTS中包含一個GPS接收器而馬上解決，這種昂貴的選擇對小型基站系統(BSS)，特別是微型和超微型BSS是不可行的。此外，對一個獨立系統的信賴意謂著操作員不能控制系統性能。
還有一個問題，特別與目前寬帶CDMA標準(WCDMA)有關，就是儘管MS能發現從相鄰BTS發出的主和次同步碼，那些發送BTS的特定標識是未知的，這將意味著任何獲得的時間信息都是沒用的。但是，可能通過檢查各個BTS的廣播控制頻道(BCCH)，為每一個信號確定正確BTS。然而，這要求信噪比(S/I)相當高，從而更好地從更多遠程BTS捕捉信號。
通過背景介紹，現在討論時分多址系統和碼分多址系統的基礎，以便更好地說明前述在這兩個系統地理定位中的一些問題，如同申請人的共同未決母申請。如，在時分多址通信系統中，僅僅在一個典型的8序列和重複的時隙中，一個移動終端或站(MS)與一個特定基本收發站或系統(BTS)進行通信。其它MS在其它時隙期間與BTS分別通信。因此，MS可以利用一個或多個其它未用的(被那個移動站)時隙作其它用途，如，定位。通過這種方法，可以對TDMA協議的時隙和幀結構進行開發。
參閱
圖1，顯示了蜂窩電信系統的一部分，該系統有一個移動站10與第一個BTS12進行通信，當然也與連結的其它用戶進行通信，如通過一個公共電話交換網(PSTN)14。另外的移動站10A，10B和10C，也與BTS12進行通信，如圖所示。
如同通信技術中已知那樣，MS10監控其與BTS12鏈路的信號強度並保持此鏈路直到出現更好的信號鏈路，如，MS10可以離開BTS12向鄰近的BTS移動，如BTS 12A-12D中的一個，並交由那個BTS控制。為完成此項切換，MS10也監控其與鄰近的BTS 12A-12D的信號強度(和範圍內的其它此類系統)。TDMA系統使用頻率重新使用算法，用一個不重複的方法分配離散頻率組，從而使各個BTS覆蓋的連續通信區域或服務小區不共享頻率。這種方法中，TDMA系統中的MS10可以在未使用的時隙上，容易地測量特定的BTS的接收功率並且使用與臨近BTS不同的頻率。
另一方面，碼分多址(CDMA)系統與前述的TDMA系統作用不同，並且提供更少的有利機會來開發標準的內在特性。CDMA協議不能象在TDMA和頻率分多址系統中一樣，通過不同用戶在時間或頻率上的劃分完成其多址特性，而是通過分配給每一個用戶一個不同的編碼進行劃分，此編碼用於把一個用戶信號轉換成和來自其他用戶的其它這種信號結合的寬帶或傳播頻譜信號，其它用戶的此類信號也可以加入。如同技術中已知那樣，接收多寬帶信號的接收器，在返回的聯合信號中，使用分配給特定用戶的編碼，把從用戶來的組合信號中的寬帶信號轉換成原始信號。此外，再參考圖1，CDMA系統的每一個BTS使用同一頻率，因此更限制區別特徵的開發。
因此，CDMA協議之下，特別是目前的IS-95標準，修改標準以符合FCC的要求是一項有價值的工作。遇到的一個特殊問題是，當MS距一個特定的BTS相當近的時候，估計一個MS的位置，如，圖1中的MS10和BTS12。操作中，確定MS的位置需要使用幾個基站，如BTS12和BTS 12A-D，測量至少3個信號到MS的延遲的時間，或MS10自己測量到幾個BTS基站的延遲時間。如圖1所示，如果MS10距BTS12近，並且鄰近的BTS 12A-12D正在進行定位測量，如，通過信號時間延遲，從MS10發出的信號可能對於如此長距離的基站來說太微弱而不能測量，如，BTS12。相反的，如果在這種情況下，MS10進行測量，相鄰的BTS12C的強大傳輸功率可以從所有更遠距離BTS 12A-D發出的信號中識別出在同一頻率上發送的信號。
因此，需要提供一種改進的系統和方法，用來確定在一個CDMA環境中的移動站的地理位置。
因此，本發明的第一個目標是提供這樣一種改進的系統和方法，用於移動站定位。
本發明的一個目標是本發明的系統和方法基本上遵守CDMA協議，如，IS-95標準，並遵守用於寬帶CDMA的通用行動電話系統(UMTS)協議。
本發明的另一個目標是所述系統和方法使在CDMA(和WCDMA)中運行的電信系統符合將要施行的FCC關於在美國境內移動站定位的要求和任何其它要求此精確地理定位的國家的要求。
本發明還有一個目標是，系統和方法有助於在不同的環境中定位移動站，包括移動站與一個基站收發系統相近並遠離連續或相鄰基收發系統的情況。發明摘要本發明涉及一個在電信系統中改進移動站的定位估計測量精確度的系統和方法。通過一個優選的定位設備，接收附近基收發系統的傳輸信號，並且分辨任何內部基站收發系統定時差異問題。然後取得在電信系統中移動站的位置估計。
圖表說明參閱以下結合了相應附圖的詳細描述可以更完全的理解本發明的系統和方法。
圖1是一個框圖，說明了基收發系統和移動站，他們組成一個使用本發明原理的電信系統。
圖2是一個代表性的框圖，說明用於移動站的定位估計的不同時間延遲技術，如通過圖1所示配置，用來實現本發明。
圖3是一個主框圖，說明在本發明的電信系統的各個的服務小區中，圖1所示的基收發系統和移動站。
目前優選示意實施例的詳細描述下面將結合相應的附圖來描述本發明，其中示意了本發明優選的實施例。本發明可以用多種不同的方式實施並且不應理解為只限於此實施例提供這些實施例是為了使這種表達是徹底和完全的，並且對於本領域的一般技術人員來說將完全傳達本發明的範圍。
ELA/TLA/IS-95＂雙模式寬帶擴頻蜂窩系統的移動站-基站兼容性標準＂定義了使用碼分多址(CDMA)技術的數字蜂窩無線公共空中接口。依照CDMA標準，基站收發站，如圖1中的BTS12和BTS 12A-12D，和移動站10都發送一個偽隨機噪聲(PN)擴頻序列，導致一個1.23MHZ傳輸帶寬。
從每一個BTS到一個移動站或終端的前進或下行鏈路傳輸有四個類型的頻道導頻，尋呼，同步和話務。如本領域一般技術人員所知，這些頻道在同一載波頻率下傳輸，使用同一個PN碼擴頻。然而，頻道通過二進位正交編碼區分，如walsh函數。每一個BTS傳輸一個導頻信道，一個同步信道和多個尋呼和話務信道。從不同BTS來的下行鏈路信號通過PN擴頻碼相位移來區分，即，每一個BTS用同一個PN擴頻編碼，但此編碼的傳輸是通過來自一個主碼的不同時間偏移(或碼相位)實現的。
在反向或上行鏈路的CDMA傳輸，如，從移動站(MS)10到BTS12，每一個移動傳輸在BTS 12中通過一個長的PN擴頻碼來區別，其中每一個MS發送由用戶地址決定的編碼相位時間偏移。應該理解，在分配這樣的上行鏈路之前，MS 10必須用相反或上行鏈路接入信道與BTS12聯繫。
再參閱圖1，在一個地理區域中的移動站如MS 10的位置計算，可以通過使用到達的時間差三邊測量技術來完成，如雙曲線三邊測量，到達時間技術，如測距三邊測量，和到達角度技術。在本發明的優選實施例中，使用到達時間差(TDOA)技術，3個BTS和1個MS之間脈衝到達恆定時間延遲的3個或更多雙曲線的交叉部(在特定環境中，2個BTS即可滿足MS的地理定位的精確性)。但是，應當理解，至少兩個雙曲線的交叉部就能正常滿足。
參閱圖2，示意了圖1的一部分，其中MS 10與BTS12進行通信。鄰近的BTS 12A和BTS 12B也進行了示意。在一個MS 10和兩個BTS之間測量前述的TDOA中，如，從MS 10來的信號，形成一個雙曲線，如同數學中所知道的。例如，通過參考BTS12和BTS12A，雙曲線16A代表MS 10可能位置的線路，每一個沿雙曲線16A上的點，在兩個BTS間的距離(時間)差是恆定的。同樣的，雙曲線16B在BTS12和BTS12B間形成，雙曲線16C在BTS12和BTS12C間形成。
如圖2所示，理想化地，沒有測量誤差，所有3個雙曲線，如，雙曲線16A，16B和16C，相交於MS 10所在的位置。但是，應該明白，真實世界存在測量誤差，交叉點的確定存在一些誤差。包含更多的雙曲線可以提高精確度。
進一步參閱圖2，虛線圓18A，18B和18C代表從相應BTS12，BTS12A和BTS12B的到達時間，每一個代表在各個BTS和MS10之間的絕對傳播時間。如同前述的雙曲線一樣，3個圓也交匯在MS 10的所在地，說明了另一個移動站位置估計技術。
因此，應該理解此三邊測量方法，即，無論TDOA，TOA或其它，可以足夠精確地確定MS 10的位置以符合FCC要求。
如上所述，儘管TDMA系統和協議可被調整以適應上述定位估計技術，CDMA系統和協議很難採用以符合這種要求。在申請人的母申請中的發明沒有嘗試提供一個前述問題的解決方案，解決在CDMA系統和建議的WCDMA系統中的定位估計技術。
再次參閱圖1，將要描述本發明的第一優選實施例。如前所述，當MS10接近一個特定的BTS，如BTS12，太近的時候，在CDMA系統中發生一個定位估計問題。因為一個定位技術或運算法則，如，內置於BTS 12的存儲器13當中，依靠接收最少3個BTS(在某些距離2個也夠)的時間信息，當MS10足夠接近BTS12時，需要最遠的組成其它相鄰的BTS。結果，在MS和遠範圍的BTS之間，如，BTS 12A和BTS12B，信號鏈路的信號/幹擾比率的降低。換句話講，當MS 10接近BTS12時，BTS的信號充滿MS10的接收器，阻礙從BTS 12A和BTS 12B(和其它的BTS)來的信號的接收。
一個解決此飽和問題的方案是關閉BTS12一小段時間，在毫秒或毫秒的幾分之一的數量級，在下行鏈路引入一個的閒置時段，這期間，MS10能夠接收從更遠距離BTS 12A和BTS 12B和其它附近BTS來的信號，如導頻信道中的導頻信號。這種方法中，TDMA系統靜默期的優點可以包括在這種不同的信號環境中。
當然，應該理解這種中止或關閉應最小化，以免不斷幹擾其它的移動站，即也與BTS 12通信的MS10A-10C。在現有技術中已經知道，同步信號包括了大量關於各個BTS的信息，包括一個BTS標識號，用於前述時間延遲技術的時間基準信息，和其它信息。用於導引的導頻信號頻道，通常組成一個零的序列。
應該理解，在前述的插入CDMA傳輸流的閒置時段期間，可以計算TDOA，TOA或其它距離估計測量，並結合前述方法以精確識別MS 10的地理定位以符合FCC要求的精確度。應該理解，用於定位估計的3個BTS可以是如圖2所示那些，即BTS 12，12A和12B，僅在閒置時段之前或之後，計算臨時閒置的BTS 12的時間延遲信息。作為選擇，為了某些原因，如果所有的測量同時發生，3個相鄰的BTS，如BTS 12A，12B和12C，可以被用於計算MS 10在BTS 12靜默時段期間的位置。
通過不同的裝置，BTS 12可以在下行鏈路CDMA寬帶傳輸信號中引入前述的閒置時段。首先，相關的BTS可以從正常傳輸中挪用持續時間中特定時間間隔的必要閒置時段，並且依靠常規的屏蔽技術糾正信息間隙。其次，通過對TDMA協議的開發，開發CDMA的空中接口標準或其它類似的協議，以提供必要的閒置時段。
因為2個或多個相鄰的BTS同時關機，如BTS 12或BTS 12A，使得可以在無價值的閒置時段期間進行測量，依照隨機的或不隨機的技術，在一個特定的BTS中產生閒置時段，以避免周期的，同時發生的BTS關閉。當然應該理解，在一個特定的BTS中，閒置時段的一個必要的、偽隨機的重複可以由與每一個BTS關聯的唯一的BTS值來決定。
本發明另一個可選擇的實施例中，前述閒置時段以一個不隨機的，周期性的方式分布，代表一個更簡單的空中接口設計決定。如前所述，使用隨機閒置時段的優點是，一個特定的MS可以較少遇到用來進行定位測量的BTS的同時閒置時段。然而，如果在BTS附近的MS，如，MS10，向服務的BTS如，BTS12，報告每一個同時發生(或幾乎同時發生)的相衝突的閒置時段，這種周期性可以通過使用周期性的閒置時段來取得。通過檢測(附近)同時發生的信號，BTS12可以發送一個時間信號22到一個相關的BTS，如，BTS 12A，為相關BTS調整閒置時段的周期性，從而不再與BTS12的相衝突。另外，BTS 12可以調整其自身的閒置時段定時，以避免與BTS 12A相衝突。應該理解，這種定時或周期性調整還可以構成一個在CDMA幀結構中的閒置時段的重新定位或整個幀結構的時間偏移。
因為MS10必須確定一個閒置時段已經發生，以完成前述的導頻信號測量，BTS 12可以先發送一個閒置時段信號以預報一個即將來臨的閒置時段。另外，MS10可以使用前述唯一BTS值以計算各個BTS的閒置時段出現的時間。進一步，MS10可以識別一個閒置時段的出現並因此按照一個特定的周期性或與這種出現的算法相關的模式，確定後續的閒置時段的偽隨機出現。但是應該理解，MS10，完成前述距離測量後，如，時間延遲估計或功率測量，恢復與BTS 12通信後，從鄰近的BTS發送測量的距離值給BTS12，其包括一個存儲器和存儲和完成實際定位計算的程序。
應該理解，所有到MS的下行鏈路傳輸不需要象在本發明的第一個實施例中那樣在BTS 12中關閉。相反，在本發明的第二個實施例中，在前述閒置時段期間，所有從BTS12來的傳輸，除了導頻信號外都是中止的。如同現有技術當中已知那樣，特別是在IS-95標準之下，MS10使用上述導頻信號尋找BTS。MS 10使用同步或同步頻道以確定找到的是哪一個BTS。
MS10用來確定一個已找到的BTS的標識的結構是讓MS10為此BTS發送已找到的PN-序列偏移，每一個BTS有其自己的PN-序列偏移，導頻信道獨自識別BTS(在得出這個確定的BTS12被服務相關信息後)。但是，應該理解，儘管本實施例涉及當前的IS-95 CDMA標準，將來的CDMA標準可能使用另外的和其它能夠用於識別發現的BTS的廣播頻道。因此，本發明的範圍不應局限於當前標準的單獨使用。還應該理解為，在第二個實施例中，如果MS10使用導頻信號測量，不需要偽隨機地產生閒置時段。
在上行鏈路情況下，即從MS10到BTS 12的傳輸，BTS 12利用前述閒置時段可由BTS使用完成時間延遲或在遠程MS上的其它測量。如，與鄰近的BTS 12A通信的MS 20A，20B和20C中的一個。在本發明的第三個實施例中，通過使所有或至少大多數移動站，如，BTS 12附近的MS 10，10A，10B和10C，靜默，或者利用BTS12，12A和12B和其它BTS，使用三邊測量或其它技術於遠距離的MS 20A來進行遠距離的MS20A的位置估計。如前所述，工作在與MS 10和MS 10A-10C相同頻率的MS20A，通過一個信號24也與BTS12通信，當本地業務停止的時候，如，在一個閒置時段期間，可以到達BTS 12和其它三邊BTS，如，BTS 12B。
換句話說，僅僅在本地的BTS 12完成遠距離的MS 20A測量期間，MS 10，10A和10B是靜默的。但是，當BTS 12A正在測量「遠程」的MS 10時，僅僅那些接近BTS 12A的MS，即，本地的MS 20A-C，應該靜默。當然，這種傳輸中止的次數和持續時間應該保持在一個最小水平，以避免對正常傳輸通信產生幹擾。
相反的，進一步參閱圖1，在與BTS 12A通信的MS 12A-C被靜默之後，MS 10的位置估計可以通過利用BTS 12A來完成，如同結合圖2所示技術描述的那樣。
因此，應該理解，控制BTS，如，BTS 12，在其控制範圍內，必須向MS 10和10A-10C傳輸時間校準命令，從而在它們之間同步閒置時段。完成這個校準的一個方案是校準MS 10和10A-10C的CDMA幀，如前所述。
因為MS 10A-10C不僅受來自鄰近的BTS 12，而且受來自所有其它相鄰的BTS信號的影響，如，BTS 12A-12D，時間校準的一個策略是讓各個MS按範圍內最強的BTS的命令執行，這個策略確保多數接近特定BTS的MS將被校準。
再次參閱本發明的第一個和第二個實施例的下行鏈路情況，顯然，在其自己的閒置時段，BTS 12可以測量來自其它BTS，如，BTS12A-12D，的特性，如位置估計的時間延遲。這種通過關閉BTS的閒置時段測量在此情況下是有用的，即因為傳統的定位解決方案要求知道由其它BTS使用的絕對時間，由MS完成一些時間延遲測量。常規系統通常通過一個骨幹網傳送這種信息，如，通過PSTN 14或通過一個專線。通過讓BTS，如，BTS 12，對其鄰近的BTS，如，BTS 12A和12B，進行所需的時間測量，包括在其自己的閒置時段期間，可以容易的確定MS的位置，而不用通過網絡傳送鄰近的BTS的絕對時間。
此外，通過採用現存的系統，特別是如導頻信號的信號，來完成FCC移動定位要求，本發明避免專用範圍收發器和其它此類用於定位的設備的使用，如同在Dumn等的美國專利NO.5,600,706中標準所描述的一樣。這種複雜的插入設備不必要地消耗系統資源並且運轉方式十分不同於本發明的系統和方法。
應該理解，上述閒置時段不僅被引入現存的CDMA標準中，還可以被包括在將來的CDMA標準中，此標準能使閒置時段引入而數據不丟失。
儘管本發明目前優選的實施例利用傳輸停止的時間間隔來定位移動站，應該理解本發明的範圍更廣泛的包含為了其它目的，使用由本地的基站收發系統插入的這種傳輸中止。
儘管前述技術是以前技術難題的一種改進，母申請，美國編號08/951,345，1997年10月16日提交，題為「在一個CDMA蜂窩系統中定位一個移動站的系統和方法」，本發明是其部分繼續申請，解決一些存在於這種不斷進步的技術中的一些附加問題。如，前述在BTS或BTS內定時的絕對時間基準要求就是一個問題。在這個部分繼續申請中，申請人進一步發現，這種問題(和其它問題)可以通過不同技術和實施例的方法有效解決，如，應用一個閒置時隙下行鏈路(IS-DL)技術，這將在下面詳細論述。
所需的定時信息最好通過使用參考的MS來獲得，MS測量在不同的BTS間的相對的定時。這種定時的完成是考慮了從BTS到參考MS的傳播時間。當然，參考MS的實際位置，因此起名稱必須被獲知。在一個沒有閒置時隙的系統中，如，CDMA中，MS更適合位於接近服務小區邊界的地方，以便解決前述的近遠問題，即，太接近服務的BTS而離環繞的BTS太遠。這種要求十分不便，因為參考的MS必須有足夠的功率並且最好是一個網絡連接，以及一個提高的位置(以降低多徑效應)。但是，應該理解，參考的MS可以與BTS共同設置。
從參考的MS得到的計時信息的地方，如，圖1中的MS 10，有內在的冗餘，因為僅僅需要一個參考的MS來確定BTS間的定時，如，BTS12覆蓋的服務小區22中，MS12和MS 12A或BTS 12和另一個BTS 20之間，如圖3所示。應該理解，BTS 20，覆蓋了服務小區22的一部分22A，可能是服務於22A內的區域內的微型或超微型BTS，如，一個建築或公共停車場。在這種簡單的情況下，如果在BTS 12和BTS 12A間有足夠的接聽能力，BTS 12和BTS 20間也一樣，通過相關的MS10，可以穩定獲得時間信息並能地理定位。
再參閱圖3，覆蓋服務小區22的服務BTS 12被BTS 12A-12B包圍著，每一個都各自覆蓋服務小區22A-22D中的鄰近區域。如前所述，BTS彼此聯絡。為了簡單，表示服務BTS，即BTS 12，為BTS0，鄰近的BTS表示為BTS1……BTSN，如，BTS1到BTS4分別代表BTS 12A-12D。以服務BTSi，即BTS0的時間基準中測量的的時間標註BTSi發送其DL幀的時間Ti。應該理解，儘管用於計算位置的特定時間基準最好是服務小區BTS的時間，也可以使用其它的BTS的時間基準。用Δij表示BTSi和BTSj之間的時間差。或者Tj＝Ti+Δij(1)應該理解，為了把參考MS報告的時間轉換成一個公共時間基準，需要估計時間差。因此，如果時間基準BTS0用作參數，對於Δoj(其中j＝1，…N)估計是需要的。應該理解，一些j不可以提供直接估計，但通過使用簡單識別和關係式，可以容易地進行估計，如Δij＝-Δji；and(2)Δij＝Δik+Δkj(3)儘管Δoj的直接估計可用的，應該理解使用上述等式(2)和(3)改進估計是有價值的。例如，如果有Δoj的K估計，從直接測量或通過等式(2)和(3)從其它BTS中測量都能得到，並且如果測量i表示為Δi並有一個已知(或估計的)標準差δi，從下面表示的加權總數可以得到一個改進的估計。i=1Kwii----(4)]]>其中的各種加權符合下列條件i=1Kwi=1----(5)]]>假設各測量彼此獨立，方程式(4)的變化由下列決定i=1Kwi2i2----(6)]]>相對於等式(5)的因數有關的加權(Wi)，最小化等式(6)產生最佳加權，這是一個標準的二次方程式問題，解決方案如下wi=i-2/(k=1Kk-2)----(7)]]>應該理解，前述改進的估計技術是使用內在冗餘的一種方式。另一種技術，實際可能更穩固，是使用額外估計以探測時間估計中的非正常值，如，大於正常預期的誤差。
現在轉到WCDMA標準中的一些問題上，如同通用行動電話系統(UMTS)協議建議的，WCDMA使用2個編碼一個主要的同步編碼(PSC)和一個次同步編碼(SSC)，用於完成服務小區搜尋。如，在WCDMA中，前述IS-DL定位方法能夠使用PSC和SSC編碼完成定位測量。特別的，每一個BTS，如，圖1和圖3中的BTS 12和12A-12D，使用一個普通的256切片PSC編碼，在每一個時隙(一個幀分為16個時隙)期間傳輸一次。
如圖1和圖3所示，MS 10將範圍內的PSC傳輸相關，如，通過內部的匹配濾波器，並發現區域內的BTS的相應的定時，如，BTS 12和12A-12D，或其中的子集。但是，因為PSC的傳輸是一樣的，此相關不能識別相應PSC傳輸的BTS源。
SSC的配置是不同和唯一的，使MS能夠識別。具體的，SSC通過從一系列(17)256切片編碼中以一定順序選擇16個碼來配置。從總共32個SSC中，可以確定一個特定的BTS編碼組。SSC的不同部分作為PSC被同時傳輸，即，一次一個256切片部分。當然，當MS 10檢測從一個特定的BTS來的SSC時，BTS的編碼組和幀定時被檢測。在常規服務小區搜尋中，MS接著檢測所謂的BCCH使用的長編碼。但是，在定位中，信號幹擾電平(S/I)可能太低而不能獲得長編碼而且相關時間可能增加。因此，需要確定特定的傳輸信號而不存取BCCH的BTS的識別。
當MS 10被指令定位自己的時候，其已經與一個BTS相連，如，圖1和圖3中的BTS 12。因此，會存在額外的信息幫助搜尋。應該理解，如果MS處於閒置，首先必需建立連接。有用的信息包括，但不僅限於，相鄰的BTS的近似定時，那些BTS正在使用SSC編碼(或對應的那些BTS的編碼組)，相鄰BTS的位置和準確定時。當需要的定時信息是可用的時，MS可以搜尋到一個非常小的時間窗口。進一步，MS可以同時完成PSC和SSC相關。為了改進接聽微弱BTS的概率，可以使用不同閒置時隙上相關不相干組合。另外，當近似時間已知時，直接使用BCH而不是PSC/SSC變得更易計算變得可能。
上述BTS的位置和準確計時可以由MS用來計算其自己的位置，這在連續跟蹤位置的情況下將有用，如，導航。不需反相-鏈路通信就能得到位置。
應該理解，信號中止的總閒置時段應至少一個時隙長，以確保從所有BTS來的所有可能的PSC/SSC組合都被收聽。但是，通過將閒置時隙劃分為幾個段可以覆蓋整個時隙。例如，一個時隙的第一半在一幀中可能被閒置，而在下一個幀中第二半時隙是閒置的。每個閒置時段最好包含一個保護段，以確保整個碼在每個閒置時段期間被接收。因此，在使用的全部防衛時間和閒置時段的長度之間有一個權衡。較短的閒置時段導致一個較小的比特錯誤率(BER)和幀錯誤率。
移動定位面臨的另一個問題，特別是在發展的UMTS WCDMA標準中，是一個到達時間/BTS(TOA-BTS)對問題，因可用的SSC的數量有限所引起。因為，在定位中，MS 10報告一個特定SSC的一個TOA，如圖2所示，TOA-BTS對問題是確定哪一個BTS傳輸特定的SSC。已經發現這種問題可以通過適當設計的系統和網絡而減輕。例如，如果系統，只有一部分顯示在圖中，設計為有許多識別SSC，非常容易確定從哪一個BTS產生給定的SSC。使用傳播Hadamard編碼的一個優選的解決方案是一個合適設計的例子，其有多SSC，不會顯著增加識別的計算負擔。顯然，更大的頻率重用距離也可以幫助TOA-BTS配對。為間隔近的BTS使用同樣的SSC的情況，偏移計劃容許使用不同次，因此有助於始發BTS的識別。這種方法的問題是準同步BTS的需要，即，GPS或穩定的網絡連接。儘管可以不同步而安排這些，如，2個相同傳輸時間偏移定時的BTS，這種方法也面臨問題。
在一個為幫助TOA-BTS對而設計和配置的網絡中，有不同的方法可以完成。作為初始的一步，應該選出相似的候選者，而放棄不相似的。這種初始選擇可以基於不同的技術估計功率，以前的BTS和時間偏移。在估計功率的技術中，在MS服務小區中對來自每一個候選BTS的平均接收功率上做出預測。那些低於給定功率閾值的被拒絕。這種技術的優點是，相關的計算可以脫線進行，並且當網絡改變時才重新計算。其餘的BTS構成一個初始的候選列表。同樣的，如果一個BTS沒有被涉及在一個定位或當前服務小區中的MS的SOHO中，甚至很長一段時間後，早先的BTS技術把那個BTS從候選列表中移去。最後，在時間偏移技術中，使用一個近似的MS位置，簡單的預報MS將為給定BTS報告的適當TOA，由MS向特定的BTS報告的TOA是簡單的。如果預報的TOA與向特定BTS報告的TOA之間的差異大於MS位置的不確定性，此特定的BTS從候選列表中被除去。服務小區相對小和BTS定時隨機時，這種技術拒絕錯誤的BTS的可能性大。例如，如果符合位置不確定性的時間不確定性是64時間切片間隔，錯誤BTS拒絕的可能性為99.8％。SSC定時被設計的地方，這種可能行將上升。
實際上，應用上述技術後，有很大的可能性，最好是其組合，只有一個BTS重候選列表被保留。但是，應該理解，一小部分情況，2個(或更多)BTS保留在特定SSC的候選列表中。假設為了簡單化，有2個保留的BTS在候選列表中(儘管以下方法可能對於較大數目來說是複雜的)，存在2種不同的情況。第一種情況中，只有一個為SSC報告的TOA，而另一種情況有2個。簡單講，第1種情況，問題是確定被檢測SSC從哪一個BTS始發，第2種情況，問題是用正確的TOA匹配BTS。為達到這種更精確的選擇，可以應用一種長編碼(LC)檢測，計算或/和估計功率技術。
如上所述，如果MS可以檢測BTS中的一個LC，如，BCCH，配對問題就可解決。但是，在這個例子中S/I必然非常高。在計算技術中，給出一個成本函數，此方法選擇能提供最好曲線配合的BTS。上述第二種情況，選擇TOA-BS組合中最適合成本函數的一個。如果無需SSC可以計算SSC(及其不確定性)的位置，那麼該位置可以用於消除其它的可能性選擇。然而，如果在MS位置的BTS定時相同，計算技術選擇正確的BTS時有困難，因為兩種「匹配」也是一樣的。因此，最好把這種不明確性從選擇過程中分開，儘管如果必要計算技術將做出選擇。應該理解，如果在MS位置上2個BTS的時間差很小，由於選擇錯誤的BTS引起的位置誤差就小。
計算技術有精度困難和沒有TOA的幫助，MS位置不能被計算的地方，可以使用前述的結合初始選擇描述的估計功率技術，選擇有最好的功率適合的BTS。
以上所述是實現本發明的優選的實施例，本發明的範圍不應僅限於此。被發明的範圍在以下權利要求中加以詳細說明。
權利要求
1.一個無線通信系統，用於確定系統內一個移動站的地理位置，所述無線通信系統包括基準定時裝置，用於從至少一個相鄰基收發機系統和一個服務基站收發機系統，接收多個相應的信號，每一個所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統都有各自的相關傳輸定時，所述基準定時裝置被定位在所述無線通信系統中的一個基準位置；計算裝置，利用所述基準位置定位和所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的各自傳輸定時，計算所述無線通信系統中所述移動站的地理位置。
2.根據權利要求1所述的無線通信系統，其中所述無線通信系統還包括一個碼分多址蜂窩電話系統。
3.根據權利要求2所述的無線通信系統，其中所述無線通信系統還包括一個寬帶碼分多址蜂窩電話系統。
4.根據權利要求1所述的無線通信系統，其中所述的基準定時裝置計算所述各個傳輸定時之間的相應時間差。
5.根據權利要求4所述的無線通信系統，其中所述計算裝置使用一個閒置時隙下行鏈路連結。
6.根據權利要求1所述的無線通信系統，其中所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統，每一個在到所述移動站的各個下行鏈路上引入各自的閒置時段。
7.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的各自閒置時間不同時發生。
8.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中任何一個所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統的至少兩個所述相應閒置時段同時出現。
9.根據權利要求8所述的無線通信系統，其中所述移動站報告所述至少兩個閒置時段的同時出現，以及與所述服務基站收發機系統相對應的相應的同時閒置基站收發機系統的標識。
10.根據權利要求9所述的無線通信系統，其中所述服務基站收發機系統向所述至少一個同時閒置的基站收發機系統發送一個時間信號，所述時間信號為至少一個同時閒置的基站收發機系統確定一個調整時間，用以調整所述閒置時段的計時。
11.根據權利要求10所述的無線通信系統，其中所述的時間信號在所述至少一個同時閒置基站收發機系統的幀結構中，確定所述閒置時段的再分配。
12.根據權利要求10所述的無線通信系統，其中所述的時間信號確定了所述至少一個同時閒置基站收發機系統的幀結構的移位。
13.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中所述移動站通過所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個計算後續閒置時段的出現時間。
14.根據權利要求13所述的無線通信系統，其中所述移動站在所述後續閒置時段出現期間完成定位計算。
15.根據權利要求14所述的無線通信系統，其中所述的位置計算從到達時間差，到達時間和到達角度的組合中選擇。
16.根據權利要求14所述的無線通信系統，其中所述的位置計算對從一個或多個所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統發送的次同步碼進行。
17.根據權利要求16所述的無線通信系統，其中所述移動站確定次同步碼被發送的所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個。
18.根據權利要求14所述的無線通信系統，其中所述移動站從所述位置計算中除去所述相鄰基站收發機系統中給定的一個。
19.根據權利要求14所述的無線通信系統，其中所述移動站向所述服務基站收發機系統發送位置計算結果。
20.根據權利要求19所述的無線通信系統，其中所述用於計算所述移動站地理定位的計算裝置，被設置於所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個。
21.根據權利要求14所述的無線通信系統，其中所述服務基站收發機系統向所述移動站發送所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的所述相應傳輸定時。
22.根據權利要求21所述的無線通信系統，其中用於計算所述移動站的所述地理位置的所述計算裝置位於所述移動站中。
23.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中所述移動站識別所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個的第一閒置時段的出現，並在一個給定基站收發機系統確定後續閒置時段出現的預期時間。
24.根據權利要求23所述的無線通信系統，其中所述移動站在所述後續閒置時段出現期間完成位置計算。
25.根據權利要求24所述的無線通信系統，其中所述的位置計算從到達時間差，到達時間和到達角的組合中選擇。
26.根據權利要求24所述的無線通信系統，其中所述位置計算在由一個或多個至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統發送的次同步碼上完成。
27.根據權利要求26所述的無線通信系統，其中所述移動站確定次同碼被發送的所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個。
28.根據權利要求24所述的無線通信系統，其中所述移動站從所述位置計算中除去所述相鄰基站收發機系統中給定的一個。
29.根據權利要求24所述的無線通信系統，其中所述移動站向所述服務基站收發機系統發送所述位置計算結果。
30.根據權利要求29所述的無線通信系統，其中所述用於計算所述移動站地理定位的計算裝置，被設置於所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個。
31.根據權利要求24所述的無線通信系統，其中所述服務基站收發機系統向所述移動站發送至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的所述相應的傳輸計時。
32.根據權利要求31所述的無線通信系統，其中用於計算所述移動站地理定位的計算裝置被設置於所述移動站中。
33.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中所述閒置時段至少是一個時隙長。
34.根據權利要求6所述的無線通信系統，其中所述閒置時段每個都包括閒置和等於所述閒置時段之一的多個閒置子時段。
35.確定無線通信系統中移動站地理位置的方法，所述方法包括步驟由位於所述無線通信系統中參考位置上的參考計時設備，從至少一個相鄰基站收發機系統和一個服務基站收發機系統接收多個相應信號；為每一個所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統測量各個相關的傳輸定時；從所述各自的傳輸計時和所述參考定位計算所述無線通信系統中的所述移動站的地理位置。
36.權利要求35所述的方法，還包括以下步驟通過給定的一個所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統，計算所述各自傳輸計時之間的計時差，所述定時差用各自的傳輸計時和所述基準計時設備的基準位置來計算。
37.權利要求35所述的方法，還包括以下步驟在到所述移動站的各自下行鏈路上，閒置每一個所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統。
38.權利要求37所述的方法，其中所述閒置的步驟還包括隨機化所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的閒置，所述隨機化提供所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的非同時閒置。
39.權利要求37所述的方法，還包括通過所述移動站，計算給定的一個基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的後續閒置時段的出現時間。
40.權利要求39所述的方法，還包括以下步驟通過所述移動站在所述後續閒置時段期間完成在移動站上的定位計算。
41.權利要求40所述的方法，其中所述定位計算從到達時間差，到達時間和到達角的組合中選擇。
42.權利要求40所述的方法，還包括以下步驟從所述服務基站收發機系統，向所述移動站發送所述至少一個基站收發機系統和所述服務基站收發機系統的各自的計時差。
43.權利要求42所述的方法，其中所述計算地理定位的步驟在所述移動站中完成。
44.權利要求40所述的方法，還包括以下步驟從所述移動站，向所述服務基站收發機系統發送所述位置計算。
45.權利要求44所述的方法，其中計算地理位置的步驟在所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個中完成。
46.權利要求39所述的方法，還包括通過所述移動站，確定所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統中給定的一個的第一閒置時段的出現；通過所述移動站，計算在給定的一個基站收發機系統中，後續閒置時段出現的預期時間。
47.權利要求46所述的方法，其中所述位置計算從到達時間差，到達時間和到達角的組中選擇。
48.權利要求46所述的方法，還包括以下步驟從所述服務基站收發機系統，向所述移動站發送所述至少一個相鄰基站收發機系統和所述服務基站收發機系統相應的計時差。
49.權利要求48所述的方法，其中所述計算地理位置的步驟在所述移動站中完成。
50.權利要求46所述的方法，還包括以下步驟從所述移動站，向所述服務基站收發機系統發送位置計算。
51.權利要求50所述的方法，其中所述計算地理位置的步驟，在所述至少一個相鄰基站收發機系統或所述服務基站收發機系統中給定的一個中完成。
全文摘要
本發明公開了在電信系統中改善位置估計測量精確度的系統和方法。來自從周圍基站(12A，12B，12C，12D)的傳輸被基準定位設備(12)接收並且解決了任何基站內收發機系統定時差的問題。從而獲得了電信系統內的移動站(10)位置估計。
文檔編號G01S5/12GK1421112SQ01806938
公開日2003年5月28日 申請日期2001年1月19日 優先權日2000年1月20日
發明者J·卡爾森, F·奧維是傑 申請人:艾利森電話股份有限公司