信號延遲的估計的製作方法
2023-06-28 14:50:36 2
專利名稱：信號延遲的估計的製作方法
技術領域：
本發明涉及為確定移動臺的位置，對在移動臺處接收的來自網絡中特定網絡元件的信號的延遲進行估計的方法。本發明還涉及移動臺、網絡的網絡元件和通信系統。
背景技術：
移動臺的位置可以通過定位過程來確定，例如通過作為位置服務一部分的定位過程來確定。
蜂窩系統中的位置服務是根據對蜂窩網絡中不同網絡元件向待確定位置的移動臺發送的信號延遲的確定。在視距傳輸的情況下，信號的延遲直接取決於移動臺和各個發射網絡元件間的距離。
相比一般的通信服務，位置服務針對信號的獲取提出了其它需求，特別是對於利用脈衝響應信息進行延遲估計的查找處理(fingersearching)。
對於一般的通信服務，最強的信號是最受關注的。因此搜索能通過提取脈衝響應的峰值來實現。相反，對於位置服務，其目標是發現最初到達的信號，如果可以得到的話，最好是視距信號。
對於一般的通信服務，覆蓋範圍也不同，因為只有從服務網絡元件發來的信號才是必須要獲取的。服務網絡元件是給移動終端當前所在的小區提供服務的網絡元件。因而對於一般的通信服務，延遲輪廓主要取決於網絡的小區大小。相反，對於位置服務，覆蓋範圍取決於服務小區和相鄰小區的大小，因為需要由來自多個網絡元件的信號來確定移動臺的確切位置。
舉例說明，圖1顯示了具有服務基站BSs的蜂窩網絡，該服務基站BSs作為六角形的服務小區10中的服務網絡元件。當前位置待定的移動臺MS處於該服務小區10中。服務小區10被六個另外的六角形小區11所環繞，這六個小區由構成網絡元件的緊鄰的基站BSn提供服務。距移動臺MS仍然很遠的其它基站可能也必須額外考慮進來。
為位置服務而檢測延遲信號的搜索過程通常是在從不同網絡元件接收到的信號的脈衝響應中實現的。搜索可以利用從零延遲開始的校正過程來執行，例如利用匹配濾波器。延遲隨即增加直到發現響應。延遲能通過例如所接收信號的脈衝響應輪廓中的邊沿檢測來估計。脈衝響應輪廓的長度遠遠長於信號波形的寬度。因此，邊沿搜索是從信號的某一位置開始，比較採樣數據的幅值和預定義的閾值。另一方面，閾值必須設置得足夠高以避免噪聲的峰值被檢測成信號邊沿，從而產生誤警。另一方面，閾值必須設置得足夠低以保證即使信號的強度十分微弱也能檢測出信號邊沿。
原則上，脈衝響應的長度應該足夠長以覆蓋可能的最大延遲。但是，從延遲信號的搜索過程可知，搜索範圍的長度通常影響獲取信號時的誤警率。搜索範圍越長，誤警率越高。對於位置服務，問題甚至更嚴重，因為對於相鄰網絡元件部分信號非常微弱並且噪聲較高，而延遲卻更大。多數噪聲是當獲取相鄰網絡元件時由服務網絡元件造成的幹擾。
在其它基於蜂窩網絡的定位過程中可能發生類似的問題。
發明內容
本發明的目標是在確定移動臺位置時降低誤警率和得到高獲取概率。
利用如下方法實現了本發明的目標。該方法是一種為確定移動臺的位置，對在移動臺處接收的來自網絡中特定網絡元件的信號的延遲進行估計的方法，該方法包括在搜索窗口內估計延遲，搜索窗口根據特定網絡元件可獲得的位置信息以及移動臺到至少一個其它網絡元件間已知的距離來確定。所估計的來自特定網絡元件的信號的延遲和到該特定網絡元件的距離是相應的。
本發明目標的進一步通過相應的移動臺實現。該移動臺包括為確定移動臺的位置，接收來自網絡中多個網絡元件的信號的裝置以及使用各個確定的搜索窗口確定接收的信號的延遲的裝置。移動臺還包括接收針對每個網絡元件的搜索窗口的指示的裝置，或者根據前面提到的方法來確定搜索窗口本身的裝置。
本發明目標可以同樣地用相應的網絡的網絡元件實現，該網絡元件包括為確定移動臺位置用於向移動臺發送信號的裝置。該網絡元件還包括根據前述方法為網絡的至少一個其它網絡元件確定搜索窗口的裝置，以及在確定的搜索窗口向移動臺發送信息的裝置。或者網絡元件還包括檢索關於至少一個其它網絡元件的位置信息，並將位置信息發送到移動臺的裝置。網絡單元可以是例如無線接入網的基站。
最後，本發明目標可以通過一種通信系統實現。該通信系統包括用於發送信號以確定移動臺位置的至少兩個網絡元件，至少一個移動臺，它具有根據搜索窗口確定接收到的信號的延遲的裝置；和根據前述方法用來確定搜索窗口的裝置。後面的裝置可以包含在移動臺或網絡元件中。
本發明源於這樣的想法，就是為了在獲取時降低誤警率，搜索範圍能通過在脈衝響應輪廓中放置搜索窗口來限定。當到至少一個網絡元件的距離已知，並可獲得距離待定的特定網絡元件的進一步幾何信息時，搜索窗口能基於該信息被限制。幾何信息可以是特定網絡元件精確的位置或是和已知位置相關的位置信息。可獲得的信息可特別地用來確定移動臺到特定網絡單元的最小和最大距離，從而確定由該特定網絡單元發送信號的可能的最小和最大延遲。搜索窗口能由此選定從而可以搜索到以這個最小和最大延遲之間的延遲到達的信號。
本發明的優點是例如位置服務中在確定移動臺位置時降低了誤警率並提高了獲取概率。另外，噪聲分量的量也減少了，如減少為一半。
此外，本發明還能夠獲取較微弱的信號，因此能獲得更多的網絡元件。這也實現了更精確的定位。
本發明另外的優點是依靠減小搜索範圍，匹配過濾器的操作和搜索操作都要比已知的解決方案快。與常規位置服務中信號獲取過程中使用的搜索範圍相比，通過使用提出的搜索窗口，搜索範圍可以減小如50％。
通過隨附的權利要求書，本發明的優選實施方式變得更明顯。
在本發明的一個特別簡單的實施方式中，移動臺到一個其它網絡元件間單一的已知距離能用來確定一個或多個特定網絡元件的搜索窗口。例如，已知的距離能由移動臺目前所處小區的邊界和為該小區服務的網絡元件間的最大距離給定。適合於所有特定網絡元件的搜索窗口可以具有相應於該最大距離的兩倍的長度。這樣搜索窗口只需根據每個特定網絡元件的相對位置改變。
但是，可有利地利用有關可獲得距離的更詳細的信息。當已經獲得服務網絡元件時，已知距離可以是移動臺到服務網絡元件間的確定距離。當到至少兩個其它網絡元件的距離已經被估計出來時，到所有這些網絡元件的距離可以被考慮進來以確定搜索窗口。搜索窗口能被特定地選擇，使之能覆蓋以各自確定的距離為半徑，環繞著已獲得的網絡元件的所有圓環的交叉點。為了激活特定的小搜索窗口，搜索窗口能被分為至少兩個子窗口，每個子窗口覆蓋各自的交叉點。
為了保證第二種方法的可靠性，優選地是首先確定來自較近的網絡元件或來自那些提供較強信號的網絡元件的信號的延遲。當把對第二目標的參數值估計建立在基於對第一目標得到的參數值估計上，並且第一目標參數值不可靠時，該方法不收斂。在提出的方法中，最可靠的對象應該是服務網絡元件，其次是各個最近的網絡元件或提供最強信號的網絡元件。
在本發明的另一具體實施方式
中，為發送信號，特定網絡元件的覆蓋範圍和特定網絡元件使用的功率等級也被額外考慮進來以確定搜索窗口。
有利地，搜索窗口不僅用來限定對接收信號的延遲的搜索範圍，而且用來為接收到的信號設置信號強度的閾值。搜索窗口越小，為得到相同的誤警率和相同獲取概率的閾值就越低。
本發明適用於任何類型的通過空中接口發送信號的網絡，例如，蜂窩網絡、無線臺網絡等。相應地，本發明適用於任何蜂窩系統，例如在GSM(全球移動通信系統)、CDMA(碼分多址)和/或GPRS(通用分組無線系統)系統中，並且同樣適用於使用非蜂窩網絡的任何系統。此外，它能用於任何類型的定位，例如利用OTD(觀察時間差別)的服務。
從下面參照附圖的詳細描述中，本發明其它的目標和特點將變得更清晰。其中圖1顯示了蜂窩通信系統中的移動臺；圖2指明了在蜂窩通信系統中的不同距離；圖3a)-c)和圖2一起示出了根據本發明的方法的原理；圖4是個流程圖，示出按照本發明的方法的具體實施方式
；圖5示出圖4的流程圖中的第一個步驟；圖6是個圖表，顯示了對不同搜索窗口大小的誤警率的仿真結果；和圖7是個圖表，顯示了對不同搜索窗口大小的獲取概率的仿真結果。
具體實施例方式
圖1在上面已經描述過了。
圖2和3a-3c通過示例示出應用於蜂窩通信系統的根據本發明的方法的原理。通信系統包括移動臺和有多個小區的蜂窩網絡，每個小區都通過另外的基站提供服務。通信系統能提供某種位置服務。目前，移動臺的位置將通過這些位置服務來確定。
圖2指明了通信系統中的各種距離。蜂窩網絡的幾個小區20、21、22被放置在一排上。描繪了一條平行於該行的直線，把不同的字母O、A至E、...、X關聯於通信系統中不同的位置。位置A至D與各自的相鄰位置間是等距的。
移動臺MS位於服務小區20中。服務小區20從位置O延伸到位置B。給服務小區20提供服務的服務基站BS0位於該小區20的中心位置A。第一相鄰小區21從位置B延伸到位置D。給小區21提供服務的基站BS1位於小區21的中心位置C。第二相鄰小區BS2開始於位置D並且延伸過位置E。給服務小區22提供服務的服務基站BS2位於該小區22的中心位置E。更多的基站可以據此類推並最多擴展到位置X。通過基站BS0、BS1、BS2發送的信號的脈衝響應輪廓的整個長度覆蓋了從位置0到位置X的距離。
現在移動臺MS確定到每個基站BS0、BS1、BS2的距離，來估計它的當前位置。
服務基站BS0在位置服務的測量開始之前是已知的。服務基站BS0知道它自身的位置和小區大小，而且還知道其它基站BS1、BS2的位置和覆蓋範圍。
假設在移動臺MS和服務基站BS0間進行著通信。在通信期間，服務基站BS0向移動臺MS發送幾何信息和基站的小區大小及覆蓋範圍信息。對於小區大小和覆蓋範圍，能提供例如指示從基站到小區的各個邊界間的最大距離或者覆蓋區域。
基於接收到的信息，移動臺MS隨即針對每個它可能會接收信號的基站BS0、BS1、BS2確定專用搜索窗口。
得到的搜索窗口表示在圖3a至3c中。每個圖都顯示了具有O和|OX|間脈衝響應延時的時間線。|OX|是信號經過位置0到位置X的傳輸路徑的延遲。
對於服務基站BS0本身，搜索範圍必須覆蓋從位置O到A為半徑的圓形區域，因為已知移動臺MS是位於服務小區20中的。移動臺MS從而確定了包含從零到延遲|OX|的延遲的搜索窗口，這是在O到A的距離上沿直線路徑所需的傳播時間。服務基站BS0的搜索窗口在圖3a中指示出。在獲取服務基站BS0時，位於該脈衝響應範圍之外的所有組件被移動臺MS排除在外。
由於移動臺MS位於服務小區20中，此外，已知基站BS1和移動臺MS間的最小距離是位置B和C間的距離，並且基站BS1和移動臺MS間的最大距離是位置O和C間的距離。基站BS1的搜索窗口因此被確定，該窗口覆蓋了相應的延遲|OA|到|OC|，這裡延遲|OA|和延遲|BC|相等。該搜索窗口在圖3b中指示出。
由於已知移動臺MS是位於服務小區20中的，此外，基站BS2和移動臺MS間的最小距離已知是位置B和E間的距離，並且基站BS2和移動臺MS間的最大距離已知是位置O和E間的距離。基站BS2的搜索窗口因此被確定，該窗口覆蓋了相應的延遲|OC|到|OE|，這裡延遲|OC|和延遲|BE|相等。該搜索窗口在圖3c中指示出。
搜索窗口能進一步通過在相鄰基站BS1、BS2的覆蓋範圍中可獲得的信息來限定。例如，如果移動臺MS獲悉基站BS2的覆蓋範圍只有A-E的半徑，搜索範圍能進一步限定在從A到B，並且搜索窗口相應於從|OC|到|OD|的延遲。
在描述的示例中，移動臺MS基於從服務基站BS0接收到的消息來確定搜索窗口。作為選擇，服務基站BS0能為每個基站BS0、BS1、BS2確定搜索窗口，並且只向移動臺MS提供這些搜索窗口的消息。
在每個示例中，移動臺MS通過在接收到信號的脈衝響應輪廓中放置確定的搜索窗口，並通過在該搜索窗口內執行邊沿檢測，來估計從不同基站BS0、BS1、BS2到達的信號的延遲。從所估計的延遲，移動臺MS計算到基站BS0、BS1、BS2的各個距離。可以假定移動臺MS當前的位置是以這些各個確定的距離，位於環繞著基站BS0、BS1、BS2的圓的交叉點上。
使用所提出的方法，搜索範圍縮短了，因此在獲取時誤警率降低。當假定小區大小一樣，和傳統的方法相比，象圖2和3顯示的示例對於基站BS1搜索範圍縮小了大約1/3，對於基站BS2縮小了大約3/5。
當然，實際上小區覆蓋範圍相互重疊並且小區的大小和形狀也不一樣。儘管如此，搜索窗口能由移動臺來設計，以覆蓋為獲取類似於上面描述的特定基站的所有可能的延遲。
圖4是個流程圖，闡述了根據本發明方法的具體實施方式
，對於蜂窩通信系統中的位置服務，它進一步縮小了獲取相鄰基站的搜索範圍。
第一步，服務基站BS0向移動臺MS提供蜂窩網絡中的服務基站BS0和相鄰基站BSi的位置信息、服務基站BS0的最大小區半徑R0的指示和相鄰基站BSi覆蓋範圍的指示。
下一步，移動臺MS象上面描述的那樣為服務基站BS0確定搜索窗口。服務基站BS0服務於最大半徑約為R0的小區。這樣，確定了的搜索窗口在大小上和搜索範圍R0相對應。在獲取服務基站BS0之後，移動臺MS隨即使用該搜索窗口來確定從服務基站BS0接收到的信號的延遲。移動臺MS從該延遲能計算出到移動臺MS目前所處的服務基站BS0的距離D0。圖5示出帶有服務基站BS0、半徑R0和確定的距離D0的蜂窩環境。
為了估計到其它基站BSi的距離，移動臺MS綜合了接收到的幾何信息和已經獲得的基站的信息。
移動臺MS首先選擇最近的相鄰基站BS1。相鄰基站BS1以大約為R1的最大半徑服務於小區，該小區和由服務基站BS0提供服務的小區有部分重疊。
在參照圖2和圖3給出的示例中，基站BS1的搜索範圍現在將大約是2R0。然而，已經知道移動臺MS位於環繞服務基站BS0的已定義圓環上，在圖5中用虛線指明。該圓環到服務基站BS0的距離是D0。基站BS1的搜索範圍可以被放置在D11和D12之間，D11與基站BS1和服務基站BS0間的距離減去D0相對應，D12與相鄰的基站BS1和服務基站BS0間的距離加D0相對應。
因此需要搜索範圍的長度是2D0，它比圖2和圖3a-c示例中的範圍2R0小了很多。
移動臺MS需要相鄰的基站BS1，使用接收到的搜索窗口來確定基站BS1接收到的信號延遲，並通過延遲確定到基站BS1的距離。
只要對到其它基站BSi的距離有需求，移動臺MS就繼續選擇各個下一個最近相鄰基站BSi，並基於該基站的位置信息和移動臺MS已獲得的位置信息來為基站BSi確定搜索窗口。
例如，在下一個迭代循環中，已經獲取了兩個基站BS0、BS1，移動臺MS到這些基站BS0、BS1的距離D0、D1也已經確定。因此移動臺MS一定是位於兩個環的交叉區域上，其中的一個環以半徑D0環繞基站BS0，另一個以半徑D1環繞基站BS1。當搜索其它基站時，該信息能用來限定搜索窗口的大小，以覆蓋非常小的搜索範圍。搜索窗口能被特別地分成兩個子窗口，來覆蓋環繞圓環的兩個相交區域的兩個小的搜索區域。相鄰基站BSi的覆蓋範圍的指示能預先用來檢查來自各個相鄰基站BSi的信號是否能以足夠的信號強度到達移動臺MS。
獲取的基站越多，所得到的移動臺的位置信息就越精確。位置信息能被接著用來獲取另外的基站。誤警率能由此降低到最小。
圖6和7是圖表，呈現仿真的結果，來說明按照本發明的方法所能獲得的改進。
圖6示出超出設置的閾值的搜索範圍是150米、500米、1000米和5000米的誤警率。搜索範圍直接對應於使用的搜索窗口的大小。專用的曲線近似地連接每個搜索範圍的仿真結果。閾值表示接收到的信號需要具有的強度，使之能被移動臺檢測到，並被標註為從0.5到3.5的多個噪聲均值。誤警率是因為閾值設得太低，那些被錯誤地檢測為信號邊沿的噪聲峰值的比率。
在特定的噪聲環境下，閾值是按照期望的誤警率來設定的。在圖6中可以看到，搜索範圍越小，閾值就越低，這是為了達到相同的誤警率所必需的。例如，誤警率可能要求小於0.2。如果搜索範圍能限定到150米，則閾值設置應該被設置高於大約1.8。相反，如果搜索範圍是2000米，閾值應該設為高於2.6。這意味著對於更大的搜索範圍，信號的強度必須更高。這樣，更多的相鄰基站可以被考慮在根據本發明得到的帶有較小搜索窗口的位置服務中。
圖7顯示了對於搜索範圍是150米、500米、1000米和5000米的設置閾值，獲取的概率百分比。專用的曲線再一次近似地連接每個搜索範圍的仿真結果。假定信噪比是9dB。獲取概率一方面考慮檢測出正確信號的概率，另一方面考慮檢測出的信號不是噪聲信號的概率。因為兩者以相反的方式依靠所選擇的閾值，得到的曲線有最大值並由此標示出最佳的閾值。
就象在圖7中看到的那樣，當搜索範圍縮小時，信號獲取概率提高。例如，如果搜索範圍是150米，最大獲取概率能達到大約85％，而如果搜索範圍是2000米時，最大獲取概率將只能是大約67％。這樣，通過縮小搜索範圍得到的好處是顯而易見的。
應該注意到，所描述的具體實施方式
僅構成從本發明的多種可能實施方式中選擇出的幾種實施方式。
權利要求
1.一種為確定移動臺(MS)的位置，對在所述移動臺(MS)處接收的來自網絡中特定網絡元件(BS1、BS2)的信號的延遲進行估計的方法，所述方法包括在搜索窗口內估計所述延遲，所述搜索窗口根據所述特定網絡元件(BS1、BS2)可獲得的位置信息以及所述移動臺(MS)到至少一個其它網絡元件(BS0、BS1)間已知的距離來確定。
2.根據權利要求1的方法，其中所述至少一個其它網絡元件包括為所述移動臺(MS)當前位於的服務小區(20)提供服務的服務網絡元件(BS0)，其中所述服務小區(20)的邊界到所述服務網絡元件(BS0)的最大距離限定了所述移動臺(MS)到所述服務網絡元件(BS0)的已知距離。
3.根據權利要求1的方法，其中所述至少一個其它網絡元件包括為所述移動臺(MS)當前位於的服務小區提供服務的服務網絡元件(BS0)，其中所述已知距離是所述移動臺(MS)到所述服務網絡元件(BS0)的距離(D0)，其根據對從所述服務網絡元件(BS0)來的信號的延遲測量確定。
4.根據前面權利要求之一的方法，其中所述至少一個其它網絡元件包括至少兩個網絡元件(BS0、BS1)，到這兩個網絡元件各自的距離已根據從所述至少兩個網絡元件(BS0、BS1)來的信號的延遲測量確定。
5.根據權利要求4的方法，其中選擇所述搜索窗口，使得所述搜索窗口覆蓋所有圓環的交叉點，所述圓環以各自確定的距離為半徑環繞著所述的至少兩個網絡元件(BS0、BS1)。
6.根據權利要求5的方法，其中所述搜索窗口被分為至少兩個子窗口，每個所述子窗口覆蓋各自的交叉點。
7.根據前面權利要求之一的方法，其中按照至少兩個特定網絡元件(BS1、BS2)到所述移動臺(MS)的距離排序，從和所述移動臺(MS)最近的網絡元件(BS1)開始，確定針對所述至少兩個特定網絡元件(BS1、BS2)的各自的搜索窗口。
8.根據前面權利要求之一的方法，其中按照所述網絡元件發送的信號在所述移動臺處的信號強度排序，從提供最強信號的網絡元件開始，確定針對所述至少兩個特定網絡元件的搜索窗口。
9.根據前面權利要求之一的方法，為了進一步限定所述的搜索窗口，其中所述特定網絡元件(BS1、BS2)的覆蓋範圍被考慮進來。
10.根據前面權利要求之一的方法，還包括根據確定的搜索窗口大小確定閾值，所述閾值限定了要對延遲進行估計的所述移動臺所接收到的信號的最小信號強度。
11.一種移動臺(MS)，包括為確定所述移動臺(MS)的位置，接收來自網絡中多個網絡元件(BS0、BS1、BS2)的信號的裝置，根據前面權利要求之一來確定搜索窗口的裝置，以及包括使用各個確定的搜索窗口確定接收的信號的延遲的裝置。
12.一種移動臺(MS)，包括為確定所述移動臺(MS)的位置，接收來自網絡中多個網絡元件(BS0、BS1、BS2)的信號和接收針對每個所述網絡元件(BS0、BS1、BS2)的搜索窗口的指示的裝置，以及包括使用各個搜索窗口確定接收的信號的延遲的裝置。
13.一種網絡的網絡元件(BS0)，包括為確定移動臺(MS)位置用於向所述移動臺(MS)發送信號的裝置，根據權利要求1到10之一為所述網絡的至少一個其它網絡元件(BS1、BS2)確定搜索窗口的裝置，以及在所述確定的搜索窗口向所述移動臺(MS)發送信息的裝置。
14.一種網絡的網絡元件(BS0)，包括為確定移動臺(MS)位置用於向所述移動臺(MS)發送信號的裝置，以及檢索關於至少一個其它網絡元件(BS1、BS2)的位置信息，並將所述位置信息發送到所述移動臺(MS)的裝置。
15.一種通信系統包括-至少兩個網絡元件(BS0、BS1)，用於發送信號以確定移動臺(MS)的位置；-至少一個移動臺(MS)，它具有根據搜索窗口確定接收到的信號的延遲的裝置；和-根據權利要求1到10之一確定搜索窗口的裝置。
16.根據權利要求15的通信系統，其中所述的用於確定搜索窗口的裝置包括在所述至少兩個網絡元件(BS0、BS1)中的至少一個中。
17.根據權利要求15的通信系統，其中所述的用於確定搜索窗口的裝置包含在所述的至少一個移動臺(MS)中。
全文摘要
本發明涉及一種為確定移動臺MS的位置，對在所述移動臺處接收的來自網絡中特定網絡元件BS
文檔編號H04W64/00GK1860817SQ02829981
公開日2006年11月8日 申請日期2002年12月2日 優先權日2002年12月2日
發明者秦正迪 申請人:諾基亞公司