CN101137226A - 单天线终端测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种单天线终端测向方法，涉及无线通信技术领域。该方法针对实际应用中定位参数提取困难，利用现有移动通信网络的天线信息，建立天线增益差分与信号到达角度对应表；通过测量接收导频强度差分，在手持终端上通过计算导频信号场强差分值，根据场强差分值查找天线增益差分与信号到达角度对应表得到AOA参数，完成测向。本方法具有保密性好，不占用专用信道开销，实现简单，无须改动天线等优点。可广泛应用于移动终端位置定位中，尤其是用于军事领域的终端定位。

Description

单天线终端测向方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及无线定位领域，具体是在单天线手持终端中实现自测向功能。

背景技术

随着移动通信的发展，基于位置的服务(LBS)已经越来越受到人们的重视。该业务涉及交通、物流、治安、紧急状况和日常生活等诸多领域，能提供导航、物流管理、交通信息、日程安排等众多业务，应用非常广泛，根据预测到2008年全球LBS的业务额将达到117亿美元。

实现LBS的传统的定位方法主要通过测量到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)，观测时间差(OTD)，到达角度(AOA)和GPS辅助定位(AGPS)等方法实现对移动终端的定位。对于上述方法，各种参数的获取是定位算法的关键。在传统定位方法中，存在以下几个问题：

A.基于终端的TDOA定位参数的获取需要三个及其以上同步不共站的基站发射信号；基于网络的TDOA定位算法，需要三个及其以上同步不共站的基站获取终端的发射信号。在这种情况下，定位概率很低。

B. 于终端的TOA定位算法，需要两个及其以上同步不共站的基站发射信号；基于网络的TOA定位算法，需要两个及其以上同步不共站的基站获取终端的发射信号。在这种情况下，要求终端与基站同步，同时发射的信号具有时间标签，以便于终端完成TOA估计。

C.OTD定位方法运用于异步基站的定位测量方法，该方法同样需要三个及其以上的基站，定位概率较低。

D.传统的AOA定位方法都是在网络侧实现，而不能在终端侧实现。在网络侧需要两个及其以上的天线或智能天线完成对终端的测向。然后由网络向终端在专用信道上将测向参数发送给终端，或者由网络完成定位运算然后通过专用信道将定位结果发送给终端。这两种方法都需要占用专用信道和网络资源。同时存在终端位置泄密的隐患。

E. AGPS使用卫星和蜂窝网混合定位，定位精度较高，但定位过程中需要多次网络传输，大量占有空中信道资源。由于手持终端需要对卫星信号进行搜索，增加了耗电量，减少了待机时间。同时AGPS需要在手持设备上增加GPS接收机，增加了使用成本。

由于在旷野或海滩等地区，有时很难捕获到多个基站的信号，这使得前三种方法具有应用的局限性，而采用AOA和TOA结合的方法可以在单个基站完成，适用范围更广。因此研究通过获取AOA参数对移动终端实现定位的方法是非常有必要的。

终端测向技术的主要研究方法包括在终端使用多天线和智能天线。这两种方法均需要对终端天线进行改造，增加了终端的体积和结构的复杂性，同时其实施难度也较大，特别是智能天线由于运算量很大，很难在当前的元器件条件下在终端使用智能天线完成测向功能。

发明内容

本发明针对现有技术中传统的AOA定位方法只能在网络侧实现，需要占用专用信道和网络资源，终端位置容易泄密等隐患的缺陷，提出一种在单基站或基站较少的场合下基于AOA参数实现单天线手持终端的测向功能，针对现有技术在实际应用中AOA定位参数提取困难，本发明提出一种软件或硬件代价较小的单天线测向方法实现自测向，完成终端的自定位。

本发明解决上述技术问题的技术方案为提出一种基于定位参数AOA的单天线终端测向方法，具体包括如下步骤：手持终端接入网络后，通过网络捕获下行导频和广播信道得到服务基站的基站识别码Base ID和服务扇区的导频偏置Pilot-PN；当手持终端接收到需要完成测向及定位指令后，从存储在终端存储器的信息表中或者通过***的公共信道获取服务基站扇区天线的增益表和天线指向信息；手持终端利用天线增益和天线指向信息建立增益差分和天线指向对应表；通过增加手持终端的参考信号长度，调整接收信号处理长度，捕获服务基站其他扇区的导频信号，获取相应的导频偏置；计算模块用终端接收信号与接收信号相位一致的服务扇区的导频偏置做相关运算，得到信号峰值，由此确定接收的三个扇区导频信号强度；根据导频信号强度求导频信号的场强差分值。然后测向模块根据导频信号场强差分值查找存储器中存储的增益差分和方向对应表确定信号到达的方向，完成测向。

服务基站采用三扇区配置，具有120°方向角的定向天线，各扇区天线指向固定。

当终端捕获基站发射信号的AOA时，通过公共信道可以获取服务基站的位置信息、扇区的导频偏置，得到关于信号传播方向θ的函数—导频信号强度，根据导频信号场强差分值查找存储器中存储的增益差分和方向对应表确定信号到达的方向，同时可以根据导频信道估计终端到基站的传播时间(TOT-Time of Transmit)，以实现终端的自定位。这种方法不需要对现有的终端进行天线的硬件改动，对于基站侧也不需要改动，更不用增加专用信道发送相应信息。

因此，采用本发明提出的基于定位参数AOA的单天线终端测向方法，节省信道和网络资源，在网络侧和终端侧均无需额外增加用于测向运算的硬件设备，不需要在信道上传递定位信息(如AOA或TOA)，消除终端位置信息泄密的渠道，保证了终端的安全性。

附图说明

图1所示为单天线终端测向方法流程图

图2所示为终端接收导频信号示意图

具体实施方式

本发明的终端测向方法在具有单天线的手持终端侧完成，手持终端由信息采集模块从信道或终端存储器中获取测向相关的服务基站及导频信号等信息，控制处理模块接收信号进行相关处理并由计算模块进行导频信号场强及差分等的计算，测向模块根据计算结果查询终端存储器中存储的增益差分和方向对应表，完成本发明的终端测向功能。

下面针对附图和具体实施例对本发明的实现作具体描述。

图1所示为采用本发明所述的基于AOA的单天线终端测向方法流程图，具体包括如下步骤：

①手持终端接入网络后，对终端进行初始化，采集模块通过网络捕获下行导频信道和广播信道得到服务基站的基站识别码Base ID和服务扇区的导频偏置Pilot-PN，获取服务基站扇区天线增益表和天线指向信息，并将其存储在手持终端存储器中。

②启动测向功能，用户通过键盘等人机接口向终端输入命令，启动测向模块的测向及定位功能。

③终端查询模块查找存储器中的列表信息，获取服务基站扇区天线增益表和天线指向信息，或者通过***的公共信道直接获取上述信息。

④控制处理模块利用天线增益表和天线指向信息构建增益差分和方向对应表，存入终端存储器中。

⑤终端控制处理模块调整、参考信号和接收信号处理长度，采集模块捕获服务基站其他扇区的导频信号，确定相应的导频偏置。

⑥当采集模块捕获到服务基站其他两个扇区的导频信号后，利用三个扇区的导频偏置计算三个扇区接收的导频信号强度。

⑦计算模块根据导频信号强度求导频信道的场强差分值。

⑧测向模块根据导频信号场强差分值查找存储器中的增益差分和方向对应表确定信号到达的方向。

如图2所示为终端接收导频信号示意图，本发明的定位方法基于单基站实现，在网络侧的基站使用三扇区配置，每个基站架设三个具有120°方向角的定向天线，在基站建设中采用统一的天线，各天线水平方向的增益图相同或已知，保证三个天线的指向是固定的，同时三个天线的下倾角和天线性能都相同。

假设手持终端位于扇区G，首先捕获到扇区G的导频信号。然后通过增加接收信号处理长度、参考信号长度，捕获服务基站的其余扇区A和扇区B的导频信号。手持终端捕获到服务基站其他扇区的导频信号后，可开始实施测向功能。

①终端通过导频和广播信道获取服务扇区的导频信号和基站信息

当手持终端接入网络后，采集模块对下行导频信道和广播信道进行扫描，选择导频最强的扇区作为服务扇区。当手持终端捕获到服务扇区的导频信号后，手持终端解调模块解调出广播信道信息中服务基站的基站识别码Base ID和服务扇区的导频偏置Pilot-PN等。每个扇区只分配唯一的Base ID，每个导频也有一一对应的Pilot-PN。

②获取扇区天线增益和指向信息

服务基站通过公共信道下发基站位置信息、天线增益信息、天线指向信息，或者将相应信息预先存储在手持终端存储器中。手持终端获取天线指向、天线增益等信息：手持终端信息采集模块通过采集公共信道发送的信息，或者依据基站Base ID从终端存储器中存储的信息中查找根据网络建设信息存储在手机终端存储器中的基站位置信息、天线增益信息、天线指向信息等。

③手持终端捕获相邻扇区导频信号的信息

手持终端控制处理器增加参考信号长度，调整接收信号处理长度，捕获除服务扇区外的其他两个扇区的导频信号信息，解调模块根据上述导频信号信息确定对应的导频偏置。由于同一基站其余两个扇区的信号比服务扇区的信号弱，因此需要采用更长的参考信号以增加终端的信号处理长度，使得参考信号和接收信号作相关运算后产生的峰值能被检测出来。另外，由于增加了手持终端参考信号的长度，有可能检测到其他基站的导频信号，因此手持终端解调模块对从广播信道获取的信息进行解调，对比得到的服务扇区的Base ID确保手持设备捕获同一基站的导频信号。

当捕获到某一导频信号后，继续获取其广播信道中的Base ID信息。将该Base ID与之前捕获到的服务扇区的Base ID相比较，如果相同则认为捕获到了服务基站下其他扇区的导频信号，如果不同则继续搜索其他导频，直到捕获到服务基站下其他两个扇区的导频信号为止。服务基站的三个导频信号都捕获成功之后，手持终端解调模块解调出广播信道信息中服务基站其他扇区的导频偏置，终端通过***的公共信道直接获取或者查询模块查找存储器中的列表信息，获取服务基站其他扇区天线增益表和天线指向信息。

④终端测量导频信号场强

根据终端接收信号R(t)，与取不同相位的服务扇区的短码偏置PN_A做相关运算，当相位取到与R(t)相位一致时，信号产生峰值，根据信号峰值得到手持设备接收的导频信号强度。

导频信号在载波调制之前需经过短码处理，不同的导频采用不同的短码偏置(导频偏置)。设终端接收到的信号R(t)可近似表示为：

R(t)＝10^Fd/2010^Gr/2010^GA(θ)/20S_P(t-τ)PN_A(t-τ)

+10^Fd/2010^Gr/2010^GB(θ)/20S_P(t-τ)PN_B(t-τ)    (1)

+10^Fd/2010^Gr/2010^GG(θ)/20S_P(t-τ)PN_G(t-τ)

+10^Fd/2010^Gr/20Sother(t-τ)

其中参数τ为时间延迟，S_P为传输的信号，服务基站各扇区相同；PN_A、PN_B和PN_G分别为扇区A、扇区B和扇区G采用的具有一定偏置的短码；Sother为接收到的其他信号的叠加；GA(θ)、GB(θ)和GG(θ)分别是扇区A、扇区B和扇区G天线在θ方向的增益；由于三路信号的传播环境基本一致，因此可以看作它们具有相同的空间衰耗F_d，同时三路信号的接收端处理增益Gr也相同。实际情况是对于每个扇区发射的信号，到达终端的信号都是多径信号的集合，但是由于三扇区导频信号沿基站中心点到终端中心点的无线信道环境基本一致，所以可以使用单路信号等价于多径信号集合。(1)式表明终端接收信号由三个扇区的发射信号和噪声组成。

分别用三扇区的伪随机码短码PN_A、PN_B、PN_G对接收信号R(t)作相关运算得到其峰值信号R(τ_A)：

$R\left(t\right)\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)={10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{\mathrm{GA}\left(\mathrm{\θ}\right)/20}{S}_P(t-\mathrm{\τ})P{N}_A(t-\mathrm{\τ})\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)$

$+{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{G\left(\mathrm{\θ}\right)B/20}{S}_P(t-\mathrm{\τ})P{N}_B(t-\mathrm{\τ})\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)$

$+{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{\mathrm{GG}\left(\mathrm{\θ}\right)/20}{S}_P(t-\mathrm{\τ})\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)$

$+{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}\mathrm{Sother}(t-\mathrm{\τ})\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)---\left(2\right)$

由于PN_A、PN_B和PN_G都是伪随机序列，它们具有良好的自相关特性，即只在伪随机序列与自身作相关运算时产生峰值R(τ_A)，而与其他序列(包括与本身只有相位不同的序列)作相关运算时趋近为0。因此，

$R\left(t\right)\⊕{\mathrm{PN}}_A\left(t_A\right)\≈{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{\mathrm{GA}\left(\mathrm{\θ}\right)/20}{S}_P(t-\mathrm{\τ})R\left({\mathrm{\τ}}_A\right)---\left(3\right)$

同理， $R\left(t\right)\⊕{\mathrm{PN}}_B\left(t_B\right)\≈{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{\mathrm{GB}\left(\mathrm{\θ}\right)/20}\mathrm{SP}(t-\mathrm{\τ})R\left({\mathrm{\τ}}_B\right)---\left(4\right)$

$R\left(t\right)\⊕{\mathrm{PN}}_G\left(t_G\right)\≈{10}^{\mathrm{Fd}/20}{10}^{\mathrm{Gr}/20}{10}^{\mathrm{GG}\left(\mathrm{\θ}\right)/20}\mathrm{SP}(t-\mathrm{\τ})R\left({\mathrm{\τ}}_G\right)---\left(5\right)$

计算模块根据峰值信号、数据处理长度调用下述公式计算手持终端接收的三个扇区的导频信号强度，其导频信号的强度表达式为：

${\mathrm{SOA}}_{-A}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{10}^{\mathrm{Fd}/10}{10}^{\mathrm{Gr}/10}{10}^{\mathrm{GA}\left(\mathrm{\θ}\right)/10}{S}_P^2\left(i\right)R\left({\mathrm{\τ}}_A\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{SOA}}_{-B}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{10}^{\mathrm{Fd}/10}{10}^{\mathrm{Gr}/10}{10}^{\mathrm{GB}\left(\mathrm{\θ}\right)/10}{S}_P^2\left(i\right)R\left({\mathrm{\τ}}_B\right)---\left(7\right)$

${\mathrm{SOA}}_{-G}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{10}^{\mathrm{Fd}/10}{10}^{\mathrm{Gr}/10}{10}^{\mathrm{GG}\left(\mathrm{\θ}\right)/10}{S}_P^2\left(i\right)R\left({\mathrm{\τ}}_G\right)---\left(8\right)$

其中参数N为用于检测时进行相关运算的数据处理长度。分析式(6)(7)(8)三式可知，影响接收导频信号的强度的各参数中由于R(τ_A)、R(τ_B)、R(τ_G)近似相同，除了GA(θ)、GB(θ)和GG(θ)外，其它各参量相同。所以上三式描述的接收导频信号强度是关于信号传播方向θ的函数。

⑤手持终端建立用于测向的增益差分和方向对应表

手持终端控制处理模块根据上述第③步中获取的扇区天线增益表和天线指向，构建增益差分和方向对应信息表，该表根据导频场强差分值以及两个导频场强差分值的关系，调用其函数关系式确定信号方位角，将其存储到终端存储器中。该信息表是三天线增益差分和天线指向对应表。表1所示是以120°波瓣天线，其水平指向分别为0°、120°、240°的三扇区为例，构建的增益差分和方向对应表。

表1：增益差分和方向对应表

SDOA_B_A(dB)	AOA(deg)	SDOA_B_G	AOA(deg)	SDOA_A_G	AOA(deg)
						SDOA_B_G>0 andSDOA_A_G>0		SDOA_B_A>0 andSDOA_A_G<0		SDOA_B_A<0 andSDOA_B_G<0
-26	60	-26	300	-26	-60
						-20	75	-20	285	-20	-45
-17	80	-17	280	-17	-40
						-14	90	-14	270	-14	-30
-10	95	-10	265	-10	-25
						-6	105	-6	255	-6	-15
-2	115	-2	245	-2	-5
						0	0	0	240	0	0
2	125	2	235	2	5
						6	135	6	225	6	15
10	145	10	215	10	25
						14	150	14	210	14	30

17	160	17	200	17	40
						20	165	20	195	20	45
26	180	26	180	26	60
						Other condition		Other condition		Other condition
-26	420	-26	-60	-26	300
						-20	390	-20	-30	-20	270
-17	380	-17	-20	-17	260
						-14	360	-14	0	-14	240
-10	345	-10	15	-10	225
						-6	325	-6	35	-6	205
-2	310	-2	50	-2	190
						0	300	0	60	0	180
2	290	2	70	2	170
						6	275	6	85	6	155
10	255	10	105	10	135
						14	240	14	120	14	120
17	220	17	140	17	100
						20	210	20	150	20	90
26	180	26	180	26	60

⑥确定终端接收导频信号差分值

手持终端计算模块根据上述步骤④确定的接收到的三扇区导频信号强度SOA_-A，SOA_-B，SOA_-G，调用下述公式计算导频场强差分值：SDOA_{_B_A}，SDOA_{_A_G}和SDOA_{_B_G}。以扇区A和扇区B为例，设导频发射功率为P₀，扇区A和扇区B的天线增益GA(θ)、GB(θ)都是指向角度θ的函数，空间衰耗为F_d，接收端处理增益为Gr。接收端导频强度SOA_-A和SOA_-B的表达式可以简化为：

SOA_-A＝P₀+GA(θ)+G_r-F_d    (9)

SOA_-B＝P₀+GB(θ)+G_r-F_d    (10)

SDOA_{_B_A}＝SOA_-B-SOA_-A    (11)

同理：

SDOA_{_A_G}＝SOA_-A-SOA_-G    (12)

SDOA_{_B_G}＝SOA_-B-SOA_-G    (13)

⑦确定信号方向

侧向模块根据确定的三个场强差分值查找手持终端存储器中存储的增益差分和方向对应表确定接收信号方向(方位角)。得到手持终端的测向值。

通过采用本发明所述的测向方法得到手持终端的方位角，同时可以根据导频信道估计终端到基站的传播时间，即可实现手持终端的自定位。所有测向、定位过程均在终端侧完成，终端只需配置单天线，不需额外增加基站和终端侧的开销，并有效的防止了终端位置的泄密途径。

以上实施例仅以基站中配置三扇区的情况为例对本发明的实施作具体说明，但本发明并不局限于此，在本领域技术人员能够理解的范围内，基站可以有其他形式的配置，也可采用现有技术中其它类似的计算公式对相关参数进行计算。

Claims (6)

1.一种基于信号到达角度AOA的手持终端测向方法，其特征在于，在终端侧基于单天线完成信号测向，具体包括如下步骤：终端信息采集模块捕获服务基站的基站识别码和基站各扇区的导频偏置，获取服务基站各扇区天线的增益信息和天线指向信息；控制处理模块利用天线增益信息和天线指向信息构建天线增益差分和方向对应表；计算模块根据终端接收信号、服务基站各扇区的导频偏置计算其接收的导频信号强度，根据各扇区的导频信号强度确定导频信号的场强差分值；测向模块根据导频信号场强差分值查找存储器中天线增益差分和方向对应表确定信号到达的方向。

2.根据权利要求1所述的手持终端测向方法，其特征在于，所述服务基站采用三扇区配置，具有120°方向角的定向天线，各扇区天线指向固定。

3.根据权利要求1所述的手持终端测向方法，其特征在于，终端信息采集模块通过公共信道获取扇区天线的增益信息和天线指向信息。

4.根据权利要求1所述的终端测向方法，其特征在于，终端信息采集模块通过存储器中的信息获取扇区天线的增益信息和天线指向信息。

5.根据权利要求1所述的终端测向方法，其特征在于，终端信息采集模块捕获各扇区导频偏置的步骤具体包括：采集模块对下行导频信道和广播信道进行扫描，选择导频最强的扇区作为服务扇区；解调模块根据服务扇区导频信号解调出服务扇区的导频偏置；增加参考信号长度，调整接收信号长度捕获服务基站其他扇区的导频信号，确定对应的导频偏置。

6.根据权利要求1所述的终端测向方法，其特征在于，所述导频信号强度是关于信号传播方向θ的函数，计算导频信号强度的步骤具体包括：计算模块根据终端接收信号，与接收信号相位一致的服务扇区的导频偏置做相关运算，得到信号峰值，由此确定接收的导频信号强度。

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