CN1420702A - 蜂窝通信网中改进的定位系统 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝通信网络中的定位系统，具有以第一个通信格式发送和接收信号的第一组基站(20)。第二组基站以第二个通信格式发送和接收信号。所有的基站在预定的时间发送已知信号，用于获取定位数据。已知位置的发送和接收单元(26)测定来自每组基站中各个基站的这些信号的到达时间。类似地，未知位置处的移动单元(24)测定来自各个基站的信号的到达时间。通过比较在未知位置接收的信号和在已知位置接收的信号之间的时间差，就可由此测定未知位置。然后这可以被发送回各组基站中的任一组。在使用两个通信网络的情况下，该移动单元是双模发送和接收单元。

Description

蜂窝通信网中改进的定位系统

技术领域

本发明涉及一种用于蜂窝通信网的定位系统。

背景技术

蜂窝通信网络一直处于发展和升级中。与此相结合，这些网络的运营商在寻找产生新的收入源的途径。“基于定位的服务”就是其中一种。这些是蜂窝通信网中的移动单元(例如移动电话手持设备)的用途，它们依赖于知道手持设备位置的网络。可以提供给手持设备的业务种类包括：位置信息、地图信息、交通情况报告等。网络运营商把这些服务看作是有非常大的盈利潜力。但是，可以提供的服务的范围和服务对用户的有用程度，受到可以取得的用户定位准确度的限制。

已经提出很多不同的机制来测定移动单元在一个蜂窝通信网中的位置。最常使用的一种被称为增强型偏移时间微分(Enhanced OffsetTime Differential，E-OTD)。这个系统的工作原理是由移动单元测量来自不同基站的特定信号之间的时间差。需要三个或更多的基站。这样便得出来自不同基站的信号之间的时间偏移，它被报告回网络。网络内部的适当处理会将此偏移与在已知固定位置测量得到的对等数据相比较。此比较然后便允许计算出手持设备相对于基站和该固定位置的位置。

参见图1，该图给出了一个包含三个基站20的简单移动网络。两个单元接收来自基站的信号：一个移动手持设备24以及一个固定的定位单元26。这些单元中的每一个都测量来自每个基站的已定义信号之间的时间差。每个单元将此偏移数据报告给网络。

网络已经知道所有基站20和固定定位单元26的位置，就可能计算出手持设备24距三个基站20中每个基站的距离。进行这种计算所要求的数学没有且也不需要在这里重复，但是本领域的技术人员对其都很熟悉。

计算的结果是一系列描述手持设备和每个基站之间间隔的弧线。由于诸如测量准确度一类的因素，每个弧线都存在固有的误差。因此，手持设备24的位置就测定为弧线交叠区的中心，受交叠区域大小的不确定度影响。

有很多因素影响到测定位置的准确度。主要的四个因素如下：

1.进行偏移测量的准确度。这是网络数据速率和手持设备抽样速度的函数。这两项通常都不太可能改变。

2.蜂窝网络所拥有的无线传播模型的准确度。这通常受限于网络处理能力和要操作的地理数据的可获得性与准确度。

3.在将偏移报告给网络之前被平均的测量数。只要移动单元没有移动，则求平均的测量数越多，准确度就越高。如果移动单元正在移动，则更多的数量会导致准确度下降。

4.被测量偏移的不同的基站数量。这受到网络设计的限制，因为不可能测量来自不在网络内的基站的偏移。一种选项是监测竞争者网络中的基站，尽管这会由于将涉及网络提供给移动单元的“相邻小区”信息的较大改变而不是一个网络运营商普遍的选项。

这些限制使得很难提高E-OTD的准确度。

目前，正在引入所谓的第三代(3G)蜂窝通信网和手持设备。在相当长的一段时间内，将出现大量这样的手持设备，它们被称为“双模”手持设备。也就是说，这些手持设备能同时监测2G和3G系统。这些双模手持设备能够通过使用2G和3G无线接入技术(RAT)来与两个蜂窝通信网通信，这就意味着监测的基站数可以增加。因为大部分所要求的信令在3G网络互操作性设计中已经提供，所以不给网络信令要求增加很大的复杂度便可做到这一点。

此外，双模手持设备有可能解决通用移动传输标准(UMTS)中的一个问题，UMTS是一个扩频系统。因此每个小区有必要暂时停止传输，使得手持设备可以接收来自其他小区、相同频率上的信号，且测量它们的时间偏移。这段时间称为下行链路的空闲时段(IPDL)。IPDL在以下方面比较复杂，即：区域中的所有手持设备必须知道来自小区的信号将要暂时消失，且然后将重新出现。网络必须提供处理能力以调度该间隙，并且，移动单元或手持设备必须提供处理能力，以重定向其发射机和接收机来寻找其他小区。

IPDL效率也不高，因为当小区关闭时它不发送数据。这样网络带宽减少，且失去了一个可能的收入源。此外，目前提出的很多UMTS网络和手持设备并不支持IPDL。

如前所述，双模手持设备能够监测两个无线系统。要确定一个位置，仅必须监测一个无线系统(尽管更多的系统可以得到更高的准确度)。这样，在适当的数据转换是可能的条件下，双模UMTS/GSM手持设备可以利用GSM(全球移动通信系统)网络信号获得位置确定，而不需要IPDL和UMTS。

双模手持设备能够在2G和3G网络中使用。根据定义，双模手持设备必须能接收来自两个无线网络的信号。但是，双模手持设备有两类，一类可以同时在两个无线网络中工作；而另一类在某一时刻只能在一个无线网络中工作。

可同时工作在两个无线网络中的手持设备能够执行对第二个系统的监测而不对第一个系统产生干扰。后一类手持设备则要求停止在一个系统中的工作，才能进行在另一个系统中的工作。

发明内容

本发明目前的实施方案所设想的2G系统是GSM蜂窝通信系统，而考虑的3G系统是UMTS系统。在有GSM/UMTS双模手持设备的地方，UMTS可以工作在GSM时分结构中固有的间隙内。因而GSM可以以所谓的压缩模式工作，这是一种在UMTS数据流中产生间隙以允许监测其他无线系统或其他频率的技术。一个移动单元要成为GSM/UMTS双模设备，就必须能够以其中一种方式工作。这样的单元是可得到的，虽然它们目前尚未在E-OTD中使用或打算在其中使用。

本发明特殊的实施方案在于，提供了一种通过从两个通信网络获得定位数据，而为双模蜂窝通信网中的双模移动单元测定位置的方法。

在一种实施方案中，位置信息由各个移动单元获得。

本发明的一个实施方案中，给出一个计时器以提供两个蜂窝网络之间的时间参考点，从而克服不同网络的时基之间的差异。

本发明更精确的定义在所附的现在将参考的权利要求中。

附图说明

现在参考附图来借助实例详细说明本发明的优选实施方案，其中：

图1是上面所描述的E-OTD系统的示意图；

图2是UMTS和GSM传输标准之间出现的定时差的实例示意图；

图3是根据从多个基站接收的信号得到定时偏移，且从而得出移动单元位置的装置的框图；以及

图4是图3中所用的计时器的框图。

具体实施方式

目前提出的E-OTD能够在GSM或UMTS网络中独立工作。然而，报告给每个网络的数据很相似，且取如下的形式：

1.进行测量的时间(由测量时服务于该移动单元的小区的帧编号，以及移动单元所在的小区得到)。

2.当前正被监测E-OTD信号的小区的标识。

3.从服务小区和被监测小区接收的信号之间的时间偏移。

由于两个传输标准的报告数据具有相似的结构，所以只要都参考一个公共的时间点，就不难结合在一起。而这也正是引起复杂性之处。将来自一种RAT和另一种RAT的数据结合在一起，有三个主要的问题。这些问题如下：

1.不同RAT的时基不同；

2.双模手持设备通常只和一种RAT相连接，同时它监测另一种RAT。在处于呼叫模式或只是在待机模式下时这都同样适用。这样，便没有关于第二种RAT的服务小区，且因此也就没有它可能相对其来执行偏移监测的已定义的时基；

3.目前还没有一种机制，来通过经一种RAT发送在另一种RAT中测量的数据而报告它。

我们已经理解，其中的第一个问题可以通过硬件中提供的一些数据处理来解决，第二个问题可以由改变手持设备的工作方式来解决，而第三个问题则要改变网络信令。解决这些问题的实施方案如下所述。

下面所述的要求在网络固定的定位单元中也必须被用到，该网络固定的定位单元在E-OTD中被要求来计算移动单元的位置。这些将需要报告双模数据。因此，下面将要描述且在手持设备中采用的技术，也必须构建到网络固定的单元中。如果不是这样，那么就不能容易地获得E-OTD参考数据。一个选项是当进行位置计算时，将来自两个网络中各个网络的单模单元的数据结合在一起。

一个双模RAT E-OTD系统有很多其他的要求。这些要求在GSM/UMTS双模组合中默认地已经包含了，但是当此技术应用于其他无线接入技术时，需要解决这些要求。

首先，手持设备必须知道到哪里去寻找关于替代的RAT的小区。在同一或合作运营商在同一地区部署两个网络的情况下，每个网络提供其余的本地小区的细节。这很有用，因为这为手持设备提供了关于该其他RAT而进行偏移测量所需的几乎所有细节。

第二，手持设备必须能进行关于该替换的RAT的E-OTD测量。事实上这在GSM/UMTS双模单元中的实现很简单，因为所要求的信号已经在监测中。对于GSM这是BSIC解码，对于UMTS则这是同步信息的一部分。需要一些另外的处理能力，但是没有额外的无线活动。

双模系统中关于每种RAT的传输结构是已知的，并且是明确定义的，因此只要有一个参考点，就可以进行两种RAT之间的定时转换。在GSM/UMTS组合中，通过进行简单的偏移测量就可以参考该时基。这个测量记录了每个系统的传输帧起始之间的偏移。另外，进行测量的GSM和UMTS帧编号必须记录下来。如果可得到这三个信息，则如下所述就可进行GSM和UMTS时基之间的转换。

图2给出了一个称为UTRA超帧的UMTS复帧，以及一个起始时间与UTRA超帧不同的GSM复帧。时间差为T_offset。

为了阐述清楚，使用下面的记号：

fn＝帧编号

fp＝帧周期

sn＝时隙编号

cn＝码片编号

sfn＝超帧编号

qb＝四分之一比特

一个UMTS帧长10ms，且由15个长度为10/15ms的时隙组成。每个时隙由2560个码片组成，每个码片为10/38400ms。

每个GSM超帧长3060/13ms，且由51个长度为60/13的帧组成，每个帧是8个长度为15/26ms的时隙。每个时隙由625个qb组成，每个qb时长为15/16250ms。

为了测量图1中的时间T_offset，已知帧偏移定时以及偏移测量处的GSM和UMTS帧编号，就可以计算出总偏移。这可以从下面的等式推出：

T_offset＝[(UTRA_fn×UTRA_fp)-(GSM_fn×GSM_fp)+Frame_Offset]MOD(51×GSM_fp)

为了根据UMTS时基定义GSM时基，我们需要知道从UTRA超帧开始所经过的时间。以ms为单位的这个时间由下式给出：

GSM_Time＝(从UTRA超帧开始的时间)-(T_offset)

对应的GSM超帧、帧、时隙和四分之一比特编号可以由GSM时间除以各自的时间长度并取适当的模而计算得出。这由下面的等式给出： $\mathrm{GSM}\_\mathrm{sfn}=\mathrm{INT}\left[\frac{\mathrm{GSM}\_\mathrm{Time}}{(3060/13)}\right]$ $\mathrm{GSM}\_\mathrm{fn}=\mathrm{INT}\left[\frac{\mathrm{GSM}\_\mathrm{Time}}{(60/13)}\right]\mathrm{MOD}\left(51\right)$ $\mathrm{GSM}\_\mathrm{sn}=\mathrm{INT}\left[\frac{\mathrm{GSM}\_\mathrm{Time}}{(15/26)}\right]\mathrm{MOD}\left(8\right)$ $\mathrm{GSM}\_\mathrm{qb}=\left[\frac{\mathrm{GSM}\_\mathrm{Time}}{(15/16250)}\right]\mathrm{MOD}\left(625\right)$

类似地，可以根据GSM时基定义UMTS时基，方式如下所示：

UTRA时间＝(从GSM复帧开始的时间)+(N个GSM复帧的长度)+(T_offset)

上式可以变成： $\mathrm{UTRA}\_\mathrm{Time}=[(\mathrm{GSM}\_\mathrm{fn}\×\frac{60}{13})+(\mathrm{GSM}\_\mathrm{sn}\×\frac{15}{26})+(\mathrm{GSM}\_\mathrm{qb}\×\frac{16}{16250})+(N\×51\×\frac{60}{13})+T_{\mathrm{offset}}]$

于是帧时隙和码片编号就可以用与GSM类似的方式得到，且如下所示： $\mathrm{UTRA}\_\mathrm{fn}=\mathrm{INT}\left[\frac{\mathrm{UTRA}\_\mathrm{Time}}{10}\right]\mathrm{MOD}\left(4096\right)$ $\mathrm{UTRA}\_\mathrm{sn}=\mathrm{INT}\left[\frac{\mathrm{UTRA}\_\mathrm{Time}}{10/15}\right]\mathrm{MOD}\left(15\right)$ $\mathrm{UTRA}\_\mathrm{chip}=\left[\frac{\mathrm{UTRA}\_\mathrm{Time}}{10/38400}\right]\mathrm{MOD}\left(2560\right)$

这样，可以看出通过简单的偏移测量，RAT之间的时基转换成为可能。上面的例子被显示为特定应用于GSM和UMTS RAT，但此原理可以应用于任何采用循环传输方案的RAT。

为了进行时基的转换，我们首先必须知道两种RAT之间的偏移-我们需要指示参考时间点的帧-在上面的等式中的参考。这通过使用一个高分辨率的计时器来完成。在图3中这由参考数字2指示。计时器有三个输入，时钟4、UMTS中断6和GSM中断8。所有这些信号都出现在双模手持设备中。显然要有时钟。UMTS和GSM帧中断是为了保证与无线工作保持同步，这两个中断在适当系统的每个无线帧开始处出现。

计时器2由来自CPU9的命令启动。一接收到一个UMTS中断就开始计数。然后就按照时钟速率递增，直到被一个GSM中断终止。当计时器停止时，该计数乘以时钟周期(1/F)就是帧偏移时间。于是CPU读出计数器时间，将这个值与已知的时钟速率，以及GSM和UMTS帧计数器10和12的当前值相结合，以在计算T_offset单元14中计算出偏移时间T_offset。可以看出，到计算T_offset单元14的三个输入是来自GSM帧计数器10和UMTS帧计数器12的计数，以及由计时器2报告的帧偏移时间。

计数器模块由可编程半导体器件-复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或类似器件实现，其形式如图4所示。

(1)为了初始化计数器模块，CPU将一个1写入控制寄存器30。这个动作自动将计数器34复位为零，并将触发器初始化为零输出。

(2)当下一个UMTS中断到来时，它通过一个与门36，在那里它与当前的控制比特值相结合。如果该控制比特设置为1，则在中断脉冲期间与门输出变为高电平，且触发器被触发。之后触发器的输出变为高电平。这将使到异或门38的输入变得不同，因此异或门38将输出逻辑高电平。这个逻辑高电平将启动计数器开始计数。

(3)当下一个GSM中断到来时，它通过一个与门40，在那里它和异或门38的当前输出相结合。如果异或门38的当前输出是高电平，则在中断脉冲期间与门40的输出变为高电平，且触发器被触发。这将使异或门38的输入是相同的，因此异或门的输出将是逻辑低电平。这将使计数器停止。

(4)边沿检测电路42检测异或门38的输出从高电平变为低电平的转移，且使控制比特30复位，以指示计数完成。作为另一替代方案，该边沿检测电路42也可以给CPU一个中断，以通知计数完成。

(5)CPU读出控制比特，并且如果它现在为零，就接着读取已完成的计数。如果控制比特不为零，则计数仍在进行，因此CPU必须等待。

该电子设备被这样安排，使得只有上述的事件序列才能产生一个计时器数值。在UMTS中断可启动该计时器之前，控制比特必须设置好；在GSM中断可停止计时器之前，时间必须一直连续。由于两个系统中的相对帧长度，在第一个GSM中断之前不可能有第二个UMTS中断到达。

要注意在这个序列中所有的电子设备过程都有固有时延。要使得每个中断信号经过的电子设备相同(与门、触发器和异或门)，从而力图使每个信号的时延保持相同。如果对两个信号施加相同的时延，则测量两者之间的偏移仍然是有效的。电路的物理实现必须十分注意，以保证时延是相同的。

有一个具有足够分辨率的计时器是很重要的。分辨率必须好于要报告的E-OTD测量的分辨率，因为计时器的分辨率控制了可判定位置的最高精确度。例如，如果计时器的分辨率为10ns，则这将对应无线传播距离3米，在手持设备做出的报告中可能有3米的误差。因此，可以说定位的最大精确度就是3米，尽管事实上由于E-OTD本身的计算不完全准确，情况会比这更差。

典型地E-OTD系统可以精确到10米，且计时器的分辨率所给出的最大误差必须远小于这个值，以避免误差简单地复合和变得很大而无法接受。目前可以得到的大部分移动手持设备都有几十到几百兆赫兹的内部时钟速率。用一个100MHz的计时器时钟执行的偏移可给出的分辨率为10ns，如上所述对应无线传播距离为3米，这是可以接受的。

不管手持设备目前正在使用哪种RAT，计时器都能够在时基之间测量，这一点很重要。测量频率取决于外部因素，例如导致手持设备内的时基失步的移动，而且在关于主RAT的每一次小区选择或切换之后，也需要进行一次新的测量。如果次RAT时基和一个特定的小区相链接，那么该次RAT小区中每一次用于同步的改变之后都需要一次测量。

为了解决第二种RAT没有已定义的时基的问题，在手持设备中建立一个由该第二种RAT使用的格式的、自由运行的时基，且根据与主RAT相同的源来计时。这就建立了相对其测量的基线。不过，如果来自这两个系统的测量要进行合并，则它确实需要依赖用于该主RAT的基线。通过驱动来自同一主时钟、经过合适的分频器的两个时基以确保两个时基保持同步，这就可以实现。这样，只有关于主RAT的服务小区改变时才需要测量帧偏移值，且在这一点上主RAT时基经历一个步调改变以便与其新的服务小区同步。

可替换地，该次RAT时基可以与该次RAT中最佳可用小区的时基对齐。这要稍稍复杂一些，因为两个时基之间可能发生滑动。滑动将由手持设备的移动、最佳小区的重新选择等而引起。于是在这些情况的每一情况下就必须重新测量帧偏移。为了取得最高的精确度，每次E-OTD测量的时候都要一并测量帧偏移。从节约能量的角度来看这并不是所希望的，因为这会要求无线CPU处于活动状态的时间比其它情况下的时间稍长。

上面的内容使得我们可以进行RAT时基之间的转换，且因此关于不同RAT的E-OTD测量就被转化为公共格式。因而这就增加了可得到以用于位置计算的基站数目，且被计算位置的准确度也提高了。

剩下的步骤就是将定位数据送回网络。这需要修改手持设备、核心网和固定的定位单元的信令层。

在一种实施方案中，时基的转换在网络内完成。手持设备和固定的定位单元测量并提供帧偏移信息，这可以是上面所述的T_offset或者是帧偏移加上测量处的GSM和UMTS帧编号。然后除了执行关于替代的RAT的标准E-OTD测量之外，要报告此信息。返回的数据是以该替代的RAT所使用的格式。这就要求对网络信令进行修改，特别是需要包含一个新的结构，作为可选项用于E-OTD报告。这个新的结构是该替代的RAT使用的标准E-OTD报告，带有一个用于偏移测量的另外的域。由于在使用中任何一个网络都可以是主网络，所以两个网络中都必须进行信令结构的修改。

另一选项是为手持设备和固定的定位单元进行时基转换，这样就避免了对网络改动的需要。于是每个设备都将能够以正确的格式给主RAT发送数据。这样的缺点是：处理被从网络转移到手持设备，由此增加了手持设备的功率消耗。而且，由于关于一种RAT的小区识别码与关于另一种RAT的E-OTD报告的测量不适合，所以仍然需要修改网络。因此，由于不管何种情况都需要修改网络，所以网络也增加转换功能是有利的。

如果只要求允许将来自次RAT的数据传送给主RAT且由其使用，并且它不与主RAT的这个数据结合，就没有必要进行时基转换。只有在该固定的定位单元以与手持设备相同的格式报告数据时，这才是正确的。这种情况是：我们希望避免使用UMTS中的IPDL，且因此E-OTD只关于替代的RAT(即GSM)测量，并以GSM的格式报告给网络。没有UMTS数据要进行合并，且因此不要求进行从GSM到UMTS时基的转换。

Claims (9)

1.一种用于蜂窝通信网络的定位系统，具有以第一个通信格式发送和接收信号的第一组基站，以第二个通信格式发送和接收信号的第二组基站，其中所有的基站在预定的时间发送已知信号用于获得定位数据，一个位于已知位置的发送和接收单元，一个位于要确定位置的发送和接收单元，在固定的位置单元处测定来自每组基站中各个基站的已知信号到达时间的装置，在处于未知位置的单元处测定来自每组基站中各个基站的信号到达时间的装置，比较在未知位置接收的信号和在已知位置接收的信号的时间差的装置，以及由此测定未知位置的装置。

2.根据权利要求1的系统，包含测定由两组基站发送的信号之间的时基差的装置。

3.根据权利要求1或2的系统，其中各组基站中的一组基站使用GSM传送网络发送，而另一组基站使用UMTS传送网络发送。

4.根据任一前述权利要求的系统，其中测定未知位置的装置在各组基站之一连接的其中一个网络内提供。

5.根据任一前述权利要求的系统，其中测定未知位置的装置在未知位置处的设备中提供。

6.一种基本上如参考附图在这里描述的、用于蜂窝通信网络的定位系统。

7.一种供两个蜂窝通信网使用的双模发送和接收单元，每个网络包含多个基站，用于发送和接收来自该单元的信号，该单元包含从两个蜂窝通信网获取定位数据的装置。

8.一种供两个蜂窝通信网使用的双模发送和接收单元，每个网络包含多个基站，用于发送和接收来自该单元的信号，该单元包含从一个蜂窝通信网获取定位数据的装置和通过第二个蜂窝通信网报告此数据的装置。

9.一种基本上如这里描述的双模发送和接收单元。

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