專利名稱：直放站環(huán)境下蜂窩網(wǎng)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信領(lǐng)域，尤其涉及一種對移動終端的定位方法。
背景技術(shù)：
直放站的基本功能是對射頻信號的雙向放大，它對移動臺發(fā)射的上行信號和基站發(fā)射的下行信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)。在下行方向接收服務(wù)基站的信號，通過帶通濾波器濾除頻帶外的信號，放大有用信號后再將信號發(fā)送到覆蓋區(qū)。在上行方向，在覆蓋區(qū)內(nèi)的移動臺信號經(jīng)過類似處理后發(fā)射到相應(yīng)的基站，從而實現(xiàn)基站與移動臺的信號傳遞和通信。
與本申請最接近的定位方法是基于直放站發(fā)送輔助定位信息的TDOA定位技術(shù)(見申請?zhí)?2144169的中國專利申請“一種移動臺定位方法及其直放站”)，詳細討論了直放站環(huán)境下的定位方法移動通信網(wǎng)絡(luò)收到移動臺定位請求時，令直放站發(fā)射輔助定位信號，移動臺根據(jù)所接收的直放站發(fā)射的輔助定位信號和基站發(fā)射的下行信號進行測量，然后根據(jù)測量結(jié)果進行位置估計，實現(xiàn)移動臺的定位，在該定位方法中所涉及的直放站需要在現(xiàn)有的直放站下行處理通道中增加輔助定位單元和通信模塊。
上述定位技術(shù)具有以下缺點首先需要改動現(xiàn)有的直放站系統(tǒng)，增加相應(yīng)的定位輔助單元和通信模塊；第二，在直放站系統(tǒng)中，需要進行基帶處理和同步，同步和基帶處理過程將帶來系統(tǒng)的同步誤差，降低系統(tǒng)的定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在不改變現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)硬件系統(tǒng)，不更改移動通信網(wǎng)絡(luò)中的定位流程的基礎(chǔ)上，提供一種在直放站環(huán)境下對移動臺的準確定位，采用差分方法消除系統(tǒng)誤差，從而提高移動通信系統(tǒng)對移動臺的定位精度。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決其技術(shù)問題，位置定位單元PDU進行信號傳播途徑的判別和定位模型選取，在基站將相應(yīng)的參數(shù)匯報給PDU后，PDU將根據(jù)信號檢測時搜尋窗的變化來來判斷，接收信號的傳播方式為直放站傳播路徑或者為非直放站傳播路徑；根據(jù)信號的傳播路徑，調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中相關(guān)參數(shù)，建立相應(yīng)的距離測量方程和雙曲線方程以及目標定位模型，實現(xiàn)對移動臺的定位，并將定位結(jié)果匯報給移動臺或者位置服務(wù)中心。
當信號的傳播路徑為直放站傳播路徑時，建立直放站環(huán)境下的距離測量方程，當為非直放站傳播傳播路徑時，建立非直放站環(huán)境下的距離測量方程；根據(jù)距離測量方程，通過差分方式構(gòu)建TDOA雙曲線方程，并抑制系統(tǒng)誤差，根據(jù)信號的傳播路徑，分別建立以直放站為焦點的雙曲線方程，以及以基站為焦點的雙曲線方程；自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)估計數(shù)據(jù)長度，獲取高精度的定位參數(shù)；采用最小二乘法確定移動臺坐標。
采用本發(fā)明的方法完成直放站環(huán)境下蜂窩網(wǎng)中移動臺的定位，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，不改動系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)定位流程，從而保證了系統(tǒng)的繼承性、提高了定位的實時性，在定位算法中消除了系統(tǒng)的大部分誤差，提高了系統(tǒng)的定位精度。


圖1直放站環(huán)境下移動通信系統(tǒng)示意2系統(tǒng)定位流程3直放站環(huán)境下系統(tǒng)定位模型圖具體實施方式
在直放站環(huán)境下，移動臺MS(MS-Mobile Station)的通信如圖1所示，當移動通信系統(tǒng)基站BS(BS-Base Station)通信誤碼率超過一定范圍后，移動臺同基站之間的通信切換到移動臺同直放站(Repeater)之間通信，移動臺同基站之間的通信信號全部由直放站進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)。
在CDMA系統(tǒng)中使用直放站會產(chǎn)生定時時延和信號延時擴散，如果時延較大，將使移動通信系統(tǒng)導頻碼的相位發(fā)生變化，產(chǎn)生掉話等問題，需要調(diào)整施主基站的接入信道搜索窗口寬度，反向業(yè)務(wù)信道搜索窗口寬度，激活導引信道及搜索窗口寬度，同時應(yīng)在相鄰小區(qū)的鄰區(qū)列表中增加該施主小區(qū)，并適當調(diào)整相鄰導引信道及搜索窗口寬度。
上行信道的信號在通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)以后，移動通信系統(tǒng)服務(wù)基站BS將根據(jù)上行信號的搜索窗口參數(shù)確定直放站的相應(yīng)參數(shù)(如經(jīng)緯度、固定時間延遲等其它參數(shù))，并確定信號是否通過直放站發(fā)送。
確定移動臺在直放站覆蓋區(qū)后，如果移動臺自己申請定位請求或者其它用戶對該移動臺有定位請求并得到確認后，系統(tǒng)即讓服務(wù)基站BS進行參數(shù)估計和身份識別，并將測量結(jié)果匯報給PDU(Position Determination Unit)。PDU向服務(wù)基站的鄰近基站發(fā)送對移動臺信號檢測的指令，服務(wù)基站和鄰近基站接收到相關(guān)指令后，完成對定位參數(shù)的估計，并將檢測數(shù)據(jù)的結(jié)果匯報給PDU，系統(tǒng)可以根據(jù)匯報的參數(shù)確定它們的信號是否由直放站轉(zhuǎn)發(fā)，選擇相應(yīng)的定位模型進行移動臺位置確定。
為了實現(xiàn)對弱目標的信號檢測，該信號處理的數(shù)據(jù)長度遠遠大于傳統(tǒng)通信中的相關(guān)估計數(shù)據(jù)長度。當其它鄰近基站將檢測數(shù)據(jù)的結(jié)果(包括時間延遲、信噪比等)匯報給PDU時，系統(tǒng)可以根據(jù)匯報的參數(shù)確定它們的信號是否由直放站轉(zhuǎn)發(fā)。
系統(tǒng)的定位流程如圖2所示。
⊥①移動通信網(wǎng)收到移動臺定位請求或者位置服務(wù)中心的定位業(yè)務(wù)請求；⊥②位置定位單元PDU借助于移動通信網(wǎng)絡(luò)向移動終端所在的服務(wù)基站BS1發(fā)送目標身份確認請求，服務(wù)基站接收到請求后，向移動臺發(fā)送下行信號(如尋呼等)；⊥③移動臺發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)信號，如移動臺MS在上行信道發(fā)射反向接入信號等；⊥④服務(wù)基站測量到相應(yīng)用戶信息并解碼確定為定位對象，并將結(jié)果匯報到PDU，匯報的結(jié)果包括時間延遲估計、信噪比、信號強度、移動臺身份識別號；⊥⑤PDU通過網(wǎng)絡(luò)向移動終端所在的服務(wù)基站和鄰近的基站BS2、BS3發(fā)送參數(shù)測量請求等定位信息；⊥⑥各基站在收到相應(yīng)的請求后，自適應(yīng)調(diào)整信號檢測的數(shù)據(jù)長度，進行相關(guān)參數(shù)估計，同時將測量結(jié)果匯報給PDU，各基站匯報的測量結(jié)果包括時間延遲估計、信噪比、信號強度、移動臺身份識別號，在進行數(shù)據(jù)處理時為保證移動臺信號估計精度和被檢測到，則處理數(shù)據(jù)的長度較長；⊥⑦PDU查找系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息表，確定基站和直放站位置坐標、直放站和基站固定時間延遲，根據(jù)搜尋窗的變化確定信號傳播的途徑，并選擇相應(yīng)的定位模型，根據(jù)信號傳播途徑的不同，建立距離觀測方程，從而確定相應(yīng)的雙曲線方程，根據(jù)雙曲線方程采用最小二乘法求解移動臺坐標位置，實現(xiàn)定位功能，并將定位結(jié)果匯報給移動臺或者位置服務(wù)中心。
在基站將相應(yīng)的參數(shù)匯報給PDU后，PDU將根據(jù)信號檢測時搜尋窗參數(shù)來判斷，接收信號的傳播方式為直放站環(huán)境或者為非直放站環(huán)境。當信號通過直放站后，使服務(wù)基站的覆蓋區(qū)發(fā)生了變化，基站原先設(shè)置的搜索窗口范圍可能太小，為了使系統(tǒng)正常工作，需要修改相應(yīng)參數(shù)。在CDMA系統(tǒng)中使用直放站會產(chǎn)生定時時延和信號延時擴散，如果時延較大，將使CDMA系統(tǒng)導頻碼的相位發(fā)生變化，產(chǎn)生掉話等問題。按照實際情況調(diào)整施主基站的接入信道搜索窗口寬度，反向業(yè)務(wù)信道搜索窗口寬度，激活導引信道及搜索窗口寬度，同時應(yīng)在相鄰小區(qū)的鄰區(qū)列表中增加該施主小區(qū)，并適當調(diào)整相鄰導引信道及搜索窗口寬度。根據(jù)搜尋窗參數(shù)的變化確定信號是否在直放站環(huán)境下傳播，根據(jù)確定的信號傳播方式建立定位模型如圖3所示。
該系統(tǒng)模型包括移動臺MS，移動臺的服務(wù)基站BS1，鄰近基站BS2、BS3，直放站R1、R2、R3，位置定位單元PDU。
當基站位置定位單元收到移動臺或者其它設(shè)備對該移動臺有定位請求并得到確認后，位置定位單元通過網(wǎng)絡(luò)向移動臺服務(wù)基站及其鄰近基站發(fā)送定位請求，服務(wù)基站及其鄰近基站估計移動臺信號時間延遲并將估計結(jié)果和相關(guān)參數(shù)匯報給位置定位單元，位置定位單元接收到相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)搜尋窗的變化確定移動臺的信號是否通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)或者直接由基站接收，從而分三種情況建立定位模型。
(1)三直放站情況，三個基站接收到的移動臺信號都是通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)的；(2)兩直放站情況，有兩個基站接收的移動臺信號通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)，另一個基站直接接收移動臺信號；(3)單直放站情況，有一個基站接收的移動臺信號通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)，另外的基站直接接收移動臺信號。
在直放站系統(tǒng)建設(shè)完成后，測量基站和直放站位置地理坐標，基站進行相應(yīng)參數(shù)值估計，并將測量值和估計值保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)參數(shù)信息表中，如表一所示。
表一直放站系統(tǒng)數(shù)信息表中相關(guān)參數(shù)


在定位模型建立中，所涉及到的其他定位參數(shù)的具體含義和來源如下表所示表二定位模型建立中涉及的其它定位參數(shù)


針對信號傳播途徑的不同，即直放站信號傳播方式和非直放站信號傳播方式，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)列表，建立相應(yīng)的距離觀測方程。
直放站信號傳播方式對在直放站環(huán)境下傳播信號的方式，首先，分別建立移動臺MS和基站之間的距離測量方程(以下方程以基站BS1、BS2為例建立)，√建立移動臺MS和服務(wù)基站BS1之間的分段距離測量方程(x-xR1)2+(y-yR1)2+(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2=τR1·C]]>公式1其中「τR1＝τMR1+τR1B1+τeM+τeR1+τeB1+τeT1√建立移動臺MS和相鄰基站BS2之間的分段距離測量方程(x-xR2)2+(y-yR2)2+(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2=τR2·C]]>公式2其中τR2＝τMR2+τR2B2+τeM+τeR2+τeB2+τeT2非直放站信號傳播方式√建立移動臺MS和相鄰基站BS3之間的距離測量方程(xM-xB3)2+(yM-yB3)2=τR3·C]]>公式3其中τR3＝τMB3+τeM+τeB3+τeT3根據(jù)移動臺和基站的距離測量方程，建立TDOA雙曲線測量方程。
√確定雙曲線方程將公式1和公式2相減得公式4，公式4描述的是以直放站1和直放站2為焦點的雙曲線＝(τR1-τR2)·C(x-xR1)2+(y-yR1)2+(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2]]>-(x-xR2)2+(y-yR2)2-(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2]]>=(τR1-τR2)·C]]>公式4
即(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR2)2+(y-yR2)2]]>=(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR2)·C]]>公式5將公式1和公式3相減得到公式6，公式6描述的是以直放站1和基站3為焦點的雙曲線(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xB3)2+(y-yB3)2]]>=-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>公式6即(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xB3)2+(y-yB3)2]]>=-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>公式7對上述雙曲線方程進行其誤差源分析，在誤差源中除了信號傳播誤差外，移動臺的時鐘誤差τeM等其它誤差通過差分或者校準的方法幾乎可以消除，這樣，系統(tǒng)的主要誤差來源于多徑和NLOS，該誤差可以通過專門的方法進行抑制。
√根據(jù)定位模型建立相應(yīng)的雙曲線方程(1)三直放站情況如果三個基站接收到的移動臺信號都是通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)的，則調(diào)用公式5建立以直放站1和直放站2為焦點的雙曲線方程，以及以直放站1和直放站3為焦點的雙曲線方程(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR2)2+(y-yR2)2]]>=(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR2)·C]]>(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR3)2+(y-yR3)2]]>=(xR3-xB3)2+(yR3-yB3)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>(2)兩直放站情況假設(shè)BS1、BS2兩個基站接收到的移動臺信號是通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)的，基站BS3直接接收移動臺發(fā)送的信號，則調(diào)用公式5和公式7建立以直放站1和直放站2為焦點的雙曲線方程，以及以直放站1和基站3為焦點的雙曲線方程(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR2)2+(y-yR2)2]]>=(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR2)·C]]>(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xB3)2+(y-yB3)2]]>=-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>(3)單直放站情況假設(shè)基站BS1接收到的移動臺信號是通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)的，基站BS2、BS3直接接收移動臺發(fā)送的信號，則調(diào)用公式5和公式7建立以直放站1和基站2為焦點的雙曲線方程，以及以直放站1和基站3為焦點的雙曲線方程(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xB2)2+(y-yB2)2]]>=-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR2)·C]]>(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xB3)2+(y-yB3)2]]>=-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>在確定了上述雙曲線方程后，采用最小二乘法即可求解移動臺坐標。
以三直放站定位模型為例描述采用最小二乘算法求解移動臺坐標的求解過程確定雙曲線方程雙曲線的方程如下(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR2)2+(y-yR2)2]]>=(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR2)·C]]>
(x-xR1)2+(y-yR1)2-(x-xR3)2+(y-yR3)2]]>=(xR3-xB3)2+(yR3-yB3)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2+(τR1-τR3)·C]]>雙曲線方程線性化選擇第一個基站為參考基站，且令Ru-(x-xR1)2+(y-yR2)2=0]]>雙曲線方程可簡化為Ru-(x-xR2)2+(y-yR2)2=TDOA12·C]]>其中TDOA12=1C(xR2-xB2)2+(yR2-yB2)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2)+(τR1-τR2)]]>同理可推導Ru-(x-xR3)2+(y-yR3)2=TDOA13·C]]>其中TDOA13=1C((xR3-xB3)2+(yR3-yB3)2-(xR1-xB1)2+(yR1-yB1)2)+(τR1-τR3)]]>對上述三方程分別對(x，y，Ru)求導得線性方程為w+Aδ^=0]]>其中A=1C-x-xR1r1-y-yR1r11-x-xR2r2-y-yR2r21-x-xR3r3-y-yR3r31;ri=(x-xi)+(y-yi)2]]>w=Ru-(x-x1)2+(y-y1)2-TDOA12·C+Ru-(x-xR2)2+(y-yR2)2-TDOA13·C+Ru-(x-xR3)2+(y-yR3)2]]>線性方程求解對上述線性方程可求解得δ^=-ATA-1ATw0]]> 迭代確定移動臺位置在得到估計校正量 后，采用迭代方法得到下一次的參數(shù)估計值為x^=x0+δ^,]]>重新進行迭代直到校正量 滿足一定的門限或者迭代次數(shù)超過最大設(shè)定值為止。
采用本發(fā)明的方法完成直放站環(huán)境下蜂窩網(wǎng)中移動臺的定位，與現(xiàn)有技術(shù)中的定位技術(shù)相比較，提高了系統(tǒng)定位的實時性，以及系統(tǒng)定位精度。采用本方法，不改動系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)定位流程，僅僅需要判別信號的傳播途徑和改動系統(tǒng)定位模型即可完成系統(tǒng)的定位，保證系統(tǒng)的實時性；該方法在確定移動臺位置坐標的過程中，消除了系統(tǒng)的大部分誤差，提高了信號的定位精度。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施方式，但本發(fā)明的保護范疇并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以輕易想到的變換和替換，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于，位置定位單元PDU利用直放站環(huán)境下信號檢測估計時搜尋窗的變化進行信號傳播路徑的判別和定位模型選取，根據(jù)信號的傳播路徑，調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中相關(guān)參數(shù)，建立相應(yīng)的距離測量方程和雙曲線方程，實現(xiàn)對移動臺的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于，所述信號的傳播路徑為直放站傳播路徑或者非直放站傳播路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于該方法進一步包括a.當信號的傳播路徑為直放站傳播路徑時，建立直放站路徑下的距離測量方程，當為非直放站傳播路徑時，建立非直放站路徑下的距離測量方程；b.根據(jù)距離測量方程，通過差分方式建立TDOA雙曲線方程，并抑制系統(tǒng)誤差；c.自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)估計數(shù)據(jù)長度，獲取高精度的定位參數(shù)；d.采用最小二乘法確定移動臺坐標。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3其中之一所述的直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于，建立距離測量方程所調(diào)用的參數(shù)包括到達時間TOA、信噪比SNR、到達信號強度SSOA、直放站時間延遲(τeR)、基站時間延遲(τeB)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3其中之一所述的直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于，所述的距離測量方程為分段距離測量方程，包括移動臺到直放站以及直放站到基站的距離測量方程。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的直放站環(huán)境下移動臺定位方法，其特征在于，在直放站路徑下建立以直放站為焦點的雙曲線方程，在非直放站路徑下建立以基站為焦點的雙曲線方程。
全文摘要
本發(fā)明請求保護一種直放站環(huán)境下的移動臺定位方法，適用于GSM、CDMA、WCDMA等蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)。它利用直放站環(huán)境下信號檢測估計時搜尋窗的變化來確定信號的傳播途徑為直放站路徑或者非直放站路徑。當為直放站傳播路徑時，建立直放站路徑下的距離測量方程；在非直放站路徑下建立非直放站距離測量方程，同時構(gòu)建相應(yīng)的雙曲線方程和系統(tǒng)定位模型。然后使用常規(guī)的最小二乘算法實現(xiàn)對目標的位置求解。本發(fā)明采用自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)長度，差分方法消除誤差等以提高定位精度，不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的繼承性和定位的實時性。
文檔編號H04W64/00GK1761360SQ20051005736
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者田增山 申請人:重慶郵電學院