CN100433908C - 一种到达时间差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种到达时间差定位方法，包括：服务无线网络控制器SRNC在得知UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量时，指示UE在专用信道下对指定分属不同基站的小区进行SFN-CFN观测时间差测量；接收UE对所述小区进行测量后上报给所述SRNC的码偏移测量值T_m和帧偏移测量值OFF；利用所述测量值进行定位计算，并上报定位结果信息。本发明方法使得网络不受限于UE能力而可采用TDOA的定位方法，来完成较高的定位精度要求。

Description

一种到达时间差定位方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤指一种到达时间差(TDOA)定位方法。

背景技术

一、OTDOA定位技术

***中两个参考点即两个基站，通过一系列测量，获得移动台距离两个参考点的无线信号传输的时间差TDOA，这个时间差乘上光速就是移动台距离这两个参考点的距离差。这个距离差的数学含义是，移动台所处位置的可能轨迹是以这两个参考点为焦点，以这个距离差为定差的一条双曲线；而如果对另外一对参考点(可以有一个参考点与上面的相同)做相同的测量与计算，那么，这时就可以得到另外一条轨迹双曲线。显然，这两条双曲线的交点就是移动台的两维位置坐标。

如图1所示，当利用不同基站下的坐标和两两之间相关的测量值获得TDOA测量值，采用合适的位置估计算法，例如两对NODEB(基站)构成双曲线相交，就能够计算出移动台UE的位置：假定以NODEB a为参考，根据移动台提供的导频相位测量结果，能够得到NODEB b相对于NODEB a的下行导频信号接收时间差，记为TDOAab，则(c*TDOA，c代表光速)即为NODEB到达移动台的传播距离差，可由这两个NODEB为基准得到一个双曲线。同样，根据TDOAac能够得到NODEB a和NODEB c为基准的另一双曲线，两个双曲线交点即为UE的位置区域。

在计算TDOA时，主要通过OTDOA相关的测量来完成，其包括：

1、由UE完成的小区间观测时间差(SFN-SFN observed time differenceType2)测量。UE测量分属不同NODEB的不同小区的下行导频信号(CPICH)，得到下行导频信号间的相位偏差OTDOA_UE；

2、由位置测量单元完成的SFN-SFN observed time difference测量OTDOA_LMU计算相对时间差RTD；或者通过UTRAN小区帧定时来完成OTDOA_LMU的定位测量。此外，仅有移动台对于两个基站的观测时间差是不够的，还需要知道两个基站在天线发射口的时间差，按照3GPP规范，称之为相对时间差RTD。RTD的测量由位置测量单元LMU测量并实现更新。

RTD(1，2)＝c*OTDOA_LMU(1，2)-(d2-d1)........................[1]

RTD(1，3)＝c*OTDOA_LMU(1，3)-(d3-d1)........................[2]

TDOA(1，2)＝c*OTDOA_UE(1，2)-RTD(1，2)......................[3]

TDOA(1，3)＝c*OTDOA_UE(1，3)-RTD(1，3)......................[4]

1和2基站之间、1和3基站之间的双曲线方程分别表示如下：

$\sqrt{{(x1-x)}^2+{(y1-y)}^2}-\sqrt{{(x2-x)}^2+{(y2-y)}^2}=\mathrm{TDOA}\left(\mathrm{1,2}\right).........\left[5\right]$

$\sqrt{{(x1-x)}^2+{(y1-y)}^2}-\sqrt{{(x3-x)}^2+{(y3-y)}^2}=\mathrm{TDOA}\left(\mathrm{1,3}\right).........\left[6\right]$

在上述计算式中，d1、d2和d3分别表示LMU距离测量的基站1、2、3之间的距离；基站1、2和3的平面直角坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，待求解的终端平面直角坐标为(x，y)；RTD和TDOA已统一以等效距离为单位的到达时间偏差。

一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显，最好NODEB均衡环绕UE。

二、无线帧同步过程

通过终端在专用物理信道(DPCH)和目标小区的小区帧号(SFN)之间的定时差测量(即SFN-CFN observed time difference测量，包括帧偏移测量值OFF和码偏移测量值T_m)，并通过测量报告的形式告知服务无线网络控制器(SRNC)，SRNC就可以依据定时关系，通过帧偏移(Frame Offset)和码片偏移(Chip Offset)形式来增加或者建立新的无线链路。由此，FDD模式下的无线帧同步过程用于保证终端从几个小区中获得正确的数据帧。

SFN-CFN观测时间差(SFN-CFN observed time difference)即测量小区的公共导频信道(CPICH)的SFN与当前L2传输信道CFN之间的偏差，根据3GPP TS 25.215协议，该偏差定义为：OFF*38400+T_m。其中，T_m和OFF值分别定义如下：

T_m＝(T_UETx-T₀)-T_RxSFN.........................[7]

单位为码片(chip)，取值范围为0～38399。

OFF＝(SFN-CFN_Tx)MOD 256.......................[8]

单位为帧，取值范围为：0～255。

其中，T_UETx：表示UE发射上行DPCCH(专用物理控制信道)/DPDCH(专用物理数据信道)帧的时刻；

T₀：表示第一个DPCH信号指峰(DL DPCH_nom)与T_UETx的恒定时间偏差值，是一个常量，取值为1024 chips；

T_RxSFN：在定值(T_UETx-T₀)之前所接收相邻小区PCCPCH(主公共控制物理信道)帧的最近开始时刻；

CFN_Tx：在UE发射上行DPCCH/DPDCH帧时刻T_UETx的L2帧号；

SFN：在接收相邻小区PCCPCH帧时刻T_RxSFN所获得的SFN帧号；

T_m：在专用信道(CELL_DCH)下，UE测量的目标小区主公共控制物理信道所携带的一个SFN起始时刻与UE(T_UETx-T₀)的时间差，其取值在0～38399，单位是chip，即一帧范围内与SFN的偏差；

OFF：在专用信道(CELL_DCH)下，UE测量的目标小区主公共控制物理信道所携带的一个SFN起始时刻与UE DPCH的CFN之间时间差，其取值在0～255，单位是帧，即在CFN一个周期范围内(0～255)与SFN的偏差。

现有技术方案的缺点如下：

使用OTDOA定位方法，在网络提供该定位方法的前提下(如部署定位测量单元组网并提供SFN-SFN observed time difference测量或者可以通过UTRAN GPS小区帧定时来完成各个小区SFN之间的定时测量)，在很多情况受制于终端UE是否能提供OTDOA测量的能力：根据3GPP TS 25.331协议，UE定位能力(UE positioning capability)的定义，由其中的Support for SFN-SFNobserved time difference type 2 measurement信元来指示，没有上报该信元表示不支持该测量类型：例如最典型的可在RRC连接建立完成消息(RRCCONNECTION SETUP COMPLETE)或者UE能力查询响应消息(UECAPABILITY INFORMATION)中所携带的相关信元中获得。

由于在WCDMA商用初期大部分终端并不提供OTDOA测量的能力，而且该问题在短期内无法得到全部解决，因此，可能在WCDMA组网过程中长时间内将一直存在兼容性问题。由于TDOA类型的定位方法比TOA(到达时间)类型的定位方法，如：小区标识(CELLID)+回环时间(RTT)的定位方法具有更好的定位精度和误差稳定性，因此，如何实现不同能力的终端进行TDOA类型的定位，是目前业界急待解决的一个实际问题。

发明内容

本发明提供一种到达时间差(TDOA)定位方法，用以解决现有技术中当终端用户设备(UE)不支持OTDOA测量的情况下，无法进行TDOA定位的问题。

本发明方法包括：

服务无线网络控制器SRNC在得知UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量时，指示UE在专用信道下对指定分属不同基站的小区进行SFN-CFN观测时间差测量；

接收UE对所述小区进行测量后上报给所述SRNC的码偏移测量值T_m和帧偏移测量值OFF；

利用所述测量值进行定位计算，并上报定位结果信息。

根据本发明的上述方法，在UE不支持小区间观测时间差(OTDOA)测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，SRNC指示UE对指定分属不同基站的同频小区进行测量。

根据本发明的上述方法，在UE不支持小区间观测时间差(OTDOA)测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，若UE支持不启动压缩模式的异频小区测量，SRNC指示UE对指定分属不同基站的异频小区进行测量。

根据本发明的上述方法，在UE不支持小区间观测时间差(OTDOA)测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，若UE支持不启动压缩模式的异频小区测量，SRNC指示UE对指定分属不同基站的同频小区和异频小区进行测量。

根据本发明的上述方法，还包括：

SRNC获取UE的定位能力信息，并根据所述定位能力信息得知UE不支持OTDOA测量。

在无线资源控制(RRC)连接过程中，由RRC连接完成消息获得UE定位能力信息；或者SRNC通过UE能力查询获得UE定位能力信息。

若UE当前所处的信道状态为公共信道状态，还包括将UE从公共信道状态迁移到专用信道状态的步骤。

通过启动对UE寻呼、无线承载建立或重配置流程将UE从公共信道状态迁移到专用信道状态。

所述利用测量值进行定位计算的具体计算公式为：

TDOA(i，j)＝((OFF(i)+T_m(i))-(OFF(j)+T_m(j))-RTD(i，j))MOD 256

式中，TDOA(i，j)表示小区i与小区j的到达时间差；

RTD(i，j)表示小区i与小区j的相对时间差；

MOD为取模运算。

根据本发明的上述方法，还包括：SRNC在得知UE支持OTDOA测量时，则下发定位测量控制，使得UE在指定的分属不同NODEB的同频小区中进行小区间SFN-SFN观察时间差测量，来完成UE的定时关系测量。

本发明提出了在UE不提供OTDOA测量的情况下，采用同频测量控制或者异频测量控制(需要UE具备双FDD接收机的功能，支持不启动压缩模式而能进行异频测量)进行UE SFN-CFN观测时间差(observed time difference)测量而完成小区同步信息的测量，SRNC通过测量报告中的T_m和OFF测量值与定位测量单元(LMU)或者NODEB完成的RTD测量，来实现TDOA的计算。本发明方法使得网络不受限于UE能力而可采用TDOA的定位方法，来完成较高的定位精度要求。

附图说明

图1为现有技术中OTDOA方法定位示意图；

图2为本发明方法步骤流程图。

具体实施方式

参见图2，为本发明方法步骤流程图，其具体实施步骤包括：

步骤S11、SRNC收到定位请求消息，启动定位测量流程；

步骤S12、SRNC通过RRC连接建立完成消息或者UE能力查询响应消息中所携带的相关信元获得UE的定位能力信息；

步骤S13、根据获得的UE定位能力信息判断UE是否支持OTDOA测量，若UE具有OTDOA测量能力，则执行步骤S14，否则，执行步骤S15；

步骤S14、执行常规的OTDOA测量流程，下发定位测量控制，使得UE在指定的分属不同NODEB的同频小区中进行小区间SFN-SFN观察时间差(SFN-SFN observed time difference type 2)测量，来完成终端的定时关系测量；

步骤S15、SRNC判断UE当前所处的信道状态，若UE处于公共信道状态，则执行步骤S16；若UE处于专用信道状态，则执行下列步骤S17、S18或S19；

步骤S16、对UE进行状态迁移，将UE从公共信道状态迁移到专用信道状态，具体的迁移方法，如：启动对UE寻呼、无线承载建立或重配置流程等；并根据UE自身的能力选择执行下列步骤S17、S18或S19；

步骤S17、SRNC向UE下发同频测量控制；该同频测量控制不依赖于UE的能力，在任何情况下都可以通过向UE下发同频测量控制并对指定分属不同NODEB的同频小区上报小区同步指示信息，转至步骤S20；

步骤S18、若UE在FDD(频分双工)模式下支持双接收机的功能，不需要启动压缩模式即可进行异频小区的测量，则SRNC可以仅向UE下发异频测量控制，针对分属不同NODEB的异频小区进行小区同步测量，转至步骤S20；

步骤S19、若UE在FDD(频分双工)模式下支持双接收机的功能，不需要启动压缩模式即可进行异频小区的测量，则SRNC可以向UE同时下发同频测量控制和异频测量控制，指示UE既上报同频小区的同步指示信息，又上报异频小区的同频指示信息，继续步骤S20；

步骤S20、UE将携带T_m和OFF的测量值，上报给SRNC；继续下列步骤；

步骤S21、SRNC根据所述测量值进行定位计算，并上报定位结果信息给高层(核心网)；

步骤S22、结束该次定位测量流程。

步骤S21中，具体的计算方法如下：

定义Tpi为小区CELL i的下行单向传播时延(即从小区CELL i天线到UE接收天线无线信号传播时间)，i＝1～N，N为最大分属不同NODEB的相邻小区数目。则小区之间(CELL i和CELL j)的到达时间差可计算如下：

TDOA(i，j)＝T_pi-T_pj....................................[9]

在专用信道下，相邻小区TDOA的计算可如下：

网络侧小区i和小区j之间相对时间差RTD(i，j)的计算，与OTDOA的定义测量处理计算一致；

根据UE上报的T_m和OFF测量值：

OFF+T_m＝(SFN_target-DL DPCH_nom)MOD 256..................[10]

公式[10]中，SFN_target表示UE接收到待测量小区i的主公共控制物理信道(PCCPCH)帧SFN值；

DL DPCH_nom表示第一个下行专用物理信道信号指峰；

由[10]式，可以得到小区i发送SFN时刻的关系如下：

OFF(i)+T_m(i)＝(SFN_target(i)+T_pi-DL DPCH_nom)MOD 256.............[11]

其中，UE接收到待测量小区i的PCCPCH帧SFN值为SEN_target时，CELLi的对应的发射SFN时刻为SFN_target(i)+T_pi。

因此，我们可以得到如下的关系：

T_pi-T_pj＝(((OFF(i)+T_m(i))-(OFF(j)+T_m(j))+(SFN_target(j)-SFN_target(i)))MOD256................................................................[12]

RTD(i，j)＝SFN_target(i)-SFN_target(j)...........................[13]

由此，可以得到如下的最终结果：

TDOA(i，j)＝((OFF(i)+T_m(i))-(OFF(j)+T_m(j))-RTD(i，j))MOD 256...[14]

根据计算出的TDOA(i，j)，代入公式[5]和[6]，即可求出UE的相对位置坐标，实现定位。

由于两小区之间的传播时延不可能超过256帧长度(即2.56s，等效距离约为7.675*10⁸m)，而且都在一帧之内(3.0*10⁶m，一般小区最大的覆盖区域也就100～200Km)，因此式[14]中取模操作不会引入任何截断误差。计算结果的单位为码片chip。

由于OFF和T_m测量结果中，T_m的物理单位为chip，OFF的物理单位为帧，最终TDOA结果的表示单位将是chip为单位。因此，有效的距离表示约为78m(光速/码片速率，即(3.0*108m/s)/3.84M(chip/s)≈78m)。由于TDOA采用的是一点到已知确切位置的另外两点的时间差，因此与单纯点到点之间时间差(引入相关的测量误差、无线信号传播时间差等)相比，在做减法运算时将可大部分削减，因此最终的相对时间差也得到较好的改善。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1、一种到达时间差定位方法，包括：

服务无线网络控制器SRNC在得知终端UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量时，指示UE在专用信道下对指定分属不同基站的小区进行SFN-CFN观测时间差测量；

接收UE对所述小区进行测量后上报给所述SRNC的码偏移测量值T_m和帧偏移测量值OFF；

利用所述测量值进行定位计算，并上报定位结果信息。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，SRNC指示UE对指定分属不同基站的同频小区进行测量。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，若UE支持不启动压缩模式的异频小区测量，SRNC指示UE对指定分属不同基站的异频小区进行测量。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在UE不支持小区间观测时间差OTDOA测量且UE当前所处的信道状态为专用信道状态时，若UE支持不启动压缩模式的异频小区测量，SRNC指示UE对指定分属不同基站的同频小区和异频小区进行测量。

5、如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

SRNC获取UE的定位能力信息，并根据所述定位能力信息得知UE不支持OTDOA测量。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：

在无线资源控制RRC连接过程中，由RRC连接完成消息获得UE定位能力信息；或者SRNC通过UE能力查询获得UE定位能力信息。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，若UE当前所处的信道状态为公共信道状态，还包括将UE从公共信道状态迁移到专用信道状态的步骤。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过启动对UE寻呼、无线承载建立或重配置流程将UE从公共信道状态迁移到专用信道状态。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用测量值进行定位计算的具体计算公式为：

TDOA(i，j)＝((OFF(i)+T_m(i))-(OFF(j)+T_m(j))-RTD(i，j))MOD 256

式中，TDOA(i，j)表示小区i与小区j的到达时间差；

RTD(i，j)表示小区i与小区j的相对时间差；

MOD为取模运算。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：SRNC在得知UE支持OTDOA测量时，则下发定位测量控制，使得UE在指定的分属不同NODEB的同频小区中进行小区间SFN-SFN观察时间差测量，来完成UE的定时关系测量。

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