CN101400047A - 蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的方法，步骤包括：按照移动台与多个基站之间传递信号的特征参数顺序排列每三个一组；选取特征参数组合S_i；测量组合S_i中的邻基站与主服务基站的到达时间差；判断盲区的类型；判断是否遍历所有的组合，如果为真，则进入步骤f，如果为假，则重复步骤c；移动台位于所有基站组合的盲区，定位失败；选取不在盲区的基站组合作为参与到达时间差三角定位算法的基站组合，进行定位运算。本发明的方法能够有效地消除到达时间差定位算法引起的盲区，从而降低了定位误差，提高了定位精度。

Description

蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的装置和方法

技术领域

本发明涉及蜂窝无线网络到达时间差(TDOA)定位算法盲区消除的装置和方法。

背景技术

无线定位***中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数(如电磁场强，传播时间或时间差，入射角等)来估计出目标移动台的几何位置。在蜂窝网中，根据进行定位估计的位置、定位主体及采用的设备的不同可将对移动台的无线定位方案分为三类：基于移动台的定位方案，基于网络的定位方案及GPS辅助定位方案。根据定位方法的不同，主要分为：信号到达时间(TOA)定位方法、信号到达时间差(TDOA)定位方法、信号到达角度(AOA)定位方法、基于Cell—ID定位和基于时间提起量(TA)定位方法。

目前，到达时间差(TDOA)的定位，也称双曲线定位算法方法是目前蜂窝通信网络定位技术主要研究和采用的技术。如图一所示，当已知基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差R₂₁＝R₂-R₁时，移动台必定位于以两基站为焦点、与两基站的距离差恒为R₂₁的实线双曲线上。当同时知道基站BS1和BS3与移动台之间的距离差R₃₁＝R₃-R₁时，可以得到另外一组以两基站BS₁和BS₃为焦点，与该两个焦点的距离差恒为R₃₁的虚线双曲线对上。于是，两组双曲线的交点代表对移动台的估计。

设移动台的坐标为(x₀，y₀)和基站的坐标为(x_i，y_i)(i＝1，2，3...)，则有如下关系

$\left\{\begin{array}{c}{(\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{21}^2\\ {(\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2})}^2=R_{31}^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R₂₁和R₃₁可以通过测量从两个基站同时出发的信号到达目标移动终端的时间差或从移动台到达两个基站的时间差t₂₁和t₃₁来确定。显然有R₂₁＝c×t₂₁和R₃₁＝c×t₃₁，其中，c为电磁波在空中的传播速度。

为了求解以上所述的非线性双曲线方程可以先进行线性化处理，设移动台与第i个基站之间的距离为R_i，则

其中， $K_i=x_i^2+y_i^2---\left(3\right)$

因为， $R_i^2={(R_{i1}+R_1)}^2---\left(4\right)$

展开 $R_{i1}^2+2R_{i1}{R}_1+R_1^2=K_i-2x_i{x}_0-2y_i{y}_0+x_0^2+y_0^2---\left(5\right)$

根据(2)得 $R_1^2==K_1-2x_1{x}_0-2y_1{y}_0+x_0^2+y_0^2---\left(6\right)$

(5)-(6)得 $R_{i1}^2+2R_{i1}{R}_1=K_i-2(x_i-x_1)x_0-2(y_i-y_1)y_0-K_1---\left(7\right)$

当有效的基站为3个时，(7)可以表示成

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right]=-{\left[\begin{array}{cc}{x}_2-x_1& y_2-y_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1\end{array}\right]}^{-1}\×\{\left[\begin{array}{c}{R}_{21}\\ R_{31}\end{array}\right]R_1+\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{R}_{21}^2-K_2+K_1\\ R_{31}^2-K_3+K_1\end{array}\right]\}---\left(8\right)$

将(8)代入式(6)得到关于R₁的二次方程，将其根代回(8)可得到移动台的估计位置(x₀，y₀)。

通过上述推导可知，解关于R₁的二次方程可以得到两个解，根据两个解的不同情况，可以分成以下几种类型：

1.R₁在实数域有两个正根，分别对应两对双曲线的两个交点。因此，在双曲线定位算法当中，存在解模糊区域，在没有先验信息的前提下导致移动台位置无法定位，我们称之为位置模糊区域。

2.R₁在实数域有一个正根，对应两对双曲线有唯一的交点，移动台的估计位置唯一，移动台位置可以估计。

3.R₁在实数域没有正根或R₁没有实数根，对应两对双曲线没有交点，移动台的位置不可估计。

因此，在蜂窝通信网络中应用双曲线定位算法，存在移动台位置模糊和不可估计的区域，我们称之为到达时间差定位算法的盲区，盲区的存在引入了定位误差，降低了定位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的装置和方法。

为实现上述目的，一种蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的办法，步骤包括：

a)按照移动台与多个基站之间传递信号的特征参数顺序排列每三个一组；

b)选取特征参数组合S_i；

c)测量组合S_i中的邻基站与主服务基站的到达时间差；

d)判断盲区的类型；

e)判断是否遍历所有的组合，如果为真，则进入步骤f，如果为假，则重复步骤c；

f)移动台位于所有基站组合的盲区，定位失败；

g)选取不在盲区的基站组合作为参与到达时间差三角定位算法的基站组合，进行定位运算。

本发明提出在蜂窝通信***中，到达时间差(TDOA)定位算法盲区消除的方法，其主要包括：通过分析在蜂窝通信***当中，应用到达时间差算法所带来的盲区的产生原因，进一步的提出了盲区产生的不同情况。根据盲区产生的不同情况，提出了在蜂窝通信***中，通过引入小区半径的先验信息，消除到达时间差算法盲区的方法。并通过仿真数据证明了该发明在降低定位误差，提高定位精度上的贡献。

附图说明

图1是到达时间差定位方法图；

图2是参考坐标系图；

图3是蜂窝网络图；

图4是盲区消除流程图；

图5是Wimax LBS网络参考模型；

图6是移动终端功能模块图；

图7是盲区消除算法定位误差CDF曲线。

具体实施方式

为了进一步讨论双曲线定位算法的多解问题，引用如下的分析方法，设参与定位的基站的坐标关系如图2所示

设R₂₁和R₃₁分别为移动台距离BS2，BS3与主服务基站BS1的距离差，则(x₀-x₂)²+y²＝(R₁-R₂₁)²   (9a)

(x₀-x₃)²+(y-y₃)²＝(R₁-R₃₁)²  (9b)

其中 $R_1^2=x_0^2+y_0^2---\left(10\right)$

根据(10)与(9a)可以解出

x＝AR₁+B                     (11)

其中， $A=\frac{R_{21}}{x_2},$ $B=\frac{x_2^2-R_{21}^2}{2x_2}---\left(12\right)$

同理，根据(10)与(9b)可得

y₀＝CR₁+D                    (13)

其中， $C=\frac{R_{31}-x_{3}A}{y_3},$ $D=\frac{x_3^2+y_3^2-R_{31}^2-2x_{3}B}{2y_3}---\left(14\right)$

得到关于R₁的方程：

(A²+C²-1)R₁+2(AB+CD)R₁+(B²+D²)＝0   (15)

另α＝AB+CD，β＝A²+C²-1              (16)

如果β＝0且α≠0则R₁的解为

$R_1=-\frac{B^2+D^2}{2\mathrm{\α}}---\left(17\right)$

如果β≠0则R₁的解为

$R_1=\frac{-\mathrm{\α}\±\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}(B^2+D^2)}}{\mathrm{\β}}---\left(18\right)$

则双曲线定位方程的多解情况可分为如下几种情况：

1.β<0

则R1有两个实数解且符号相反，取正数解作为R₁的唯一解。

2.β＝0

当且仅当α<0时，R₁有唯一的正实数解。

3.β>0

当α<0时，R₁有两个正根，当α>0时，R₁有两个负根。

综上所述，到达时间差(TDOA)定位算法的解模糊区域存在于当β>0且α<0时。同时，根据(18)，当β≠0且α²-β(B²+D²)<0时，方程无解，移动台的位置不可估计。在实际蜂窝网络定位中应用到达时间差定位算法，本发明提出采用小区半径作为先验信息进一步的分析到达时间差定位算法盲区产生的三种不同情况。

a.R₁有两个正根，且都小于小区半径。移动台位于盲区。

b.R₁没有根。移动台位于盲区。

c.R₁有且仅有一个小于小区半径的正根。移动台位置可以估计。

根据以上对到达时间差算法盲区的分析，本发明提出如图3所示蜂窝网络中应用到达时间差定位算法消除盲区的算法，流程图如图4所示，步骤如下：

401.按照移动台与多个基站之间传递信号的特征参数(电磁场强、信噪比、信干比等)顺序排列每三个一组。以信噪比为例，设

SNR_BS1>SNR_BS2>SNR_BS3>SNR_BS4>....SNR_BSi-1>SNR_BSi则选取的组合为

S_i(i＝1，2..N)，其中S₁＝[BS1，BS2，BS3]，S₂＝[BS1，BS2，BS4]，...

S_N＝[BS1，BSi-1，BSi]。

402.选取组合S_i，设i的初值为1.

403.测量组合中的邻基站与主服务基站的到达时间差。

404.根据上诉对到达时间差定位算法盲区判断的准则，判断盲区的类型。根据如上对盲区三种不同情况的分析，对于情况c，利用小区半径的先验信息，找到R1的唯一合理正解。进入步骤407。对于情况a与b，i＝i+1，进入步骤405。

405.判断是否遍历所有的组合，如果为真，则进入步骤406；如果为假，则重复步骤403。

406.移动台位于所有基站组合的盲区，定位失败。

407.选取移动台位置不在盲区的基站组合作为参与到达时间差三角定位算法的基站组合，进行定位运算。

实施例

实施本发明在Wimax网络中提供定位业务的方法并提供定位精度的具体实施例如图4所示。这里需要强调的是，尽管本专利为实现Wimax网络中提供定位业务的方法提供了消除到达时间差定位算法盲区的方法，但是本专利的方法并不严格限于WiMAX网络，而应适合任何蜂窝网络中，这里仅以WiMAX网络为例。

2007年4月30号到5月4号在美国旧金山举行的Wimax论坛(以下简称为Wimax forum)网络组(以下简称为NGW)会议上，三星和Intel公司联合提供的提案被本次会议所接纳，成为第二阶段(以下简称为Stage-2)的基准(如下称为baseline)文稿。本baseline文稿所定义的非漫游状态下Wimax定位业务(Location Based Service，如下简称为LBS)网络参考模型如图5所示。Wimax的网络架构，从大的功能区分来看，包括三个部分：移动台(以下简称为MS)、接入业务网络ASN、连接业务网络CSN。其中，ASN包括基站(以下简称为BS)与接入业务网络网关(以下简称为ASN GW)。MS与BS之间的接口一般称为空中接口，在Wimax网络参考模型中为R1接口；BS与ASN GW之间的接口为R6接口；CSN与ASN GW之间的接口为R3接口。在非漫游状态下Wimax LBS网络参考模型中，与LBS相关的模块包括：

(1)定位服务器(Location Server，以下简称LS)

LS是位于CSN上的一个功能实体，与外部的定位客户端之间的关系为“客户端<—>服务器”的关系，并为外部的客户端和请求定位信息的移动台提供授权检查的功能。另外，LS也可以具有定位计算的功能。

(2)定位控制器(Location Controller，以下简称为LC)

LC负责确定和汇报移动台的位置信息和定位参数，LC可以提供这些位置信息和定位参数给LS、MS或者其他ASN内部的实体，如无线资源管理(以下简称为RRM)模块和移动性管理(以下简称为MM)模块。一旦收到来自MS、LS或者ASN内部模块的请求，LC将触发定位相关的测量，收集定位计算所需要的参数并进行定位计算。LC一般位于ASN网络内，若对于分解的ASN，则位于ASN GW上。

(3)定位代理(Location Agent，以下简称为LA)

LA的主要功能为执行定位相关的测量，可选的也可以收集和汇报定位相关的参数给LC。LA的功能可以位于BS、MS或者两者都有。如果MS上具有LA的功能，相应的BS也具有LA的功能。

消除到达时间差定位算法盲区的方法在网络中的位置如图所示，其中BC(Blind Cancel)是盲区消除模块。BC可以位于LA中，也可以位于LC中，这主要由定位算法是基于网络的还是基于终端决定的。如果定位算法基于终端，则到达时间差定位算法盲区消除算法位于LA模块中，如果定位算法基于网络，则到达时间差定位算法盲区消除算法位于LC模块中。

下面以基于终端定位方法为例，具体说明到达时间差定位算法盲区消除算法在终端的功能块及其与其他功能块的关系。本发明实施例的终端的结构框图如图6所示。其中，所包括的硬件部分及各部分应该完成的基本功能描述如下如下：

天线 601

用来接收和发送无线信号，该天线应能搜索网络所使用的频率。

射频模块 602

负责基带数字信号和射频模拟信号的转换、射频模拟信号的发送与接收等，射频模块通与调制解调器相连。

调制解调器 603

其功能实现物理层的功能，包括传输信道的信道交织/解交织，传输信道的复用，码组合信道的解复用，速率匹配，码组合信道到物理信道的映射，物理信道的调制与解调物理信道的功率加权与组合；

协议处理模块 604

该模块负责完成空中接口层2及其以上各层协议栈的功能，包括媒体接入控制层(简称MAC)，数据链路层(简称RLC)，无线资源控制层(简称RRC)以及非接入层(简称NAS)。

控制模块 605

该模块负责终端各控制的集中控制，为终端中的应用层软件提供运行平台，承载应用软件模块，完成空中接口信令的发送、接收与处理，呼叫过程的控制，以及对空中接口接口消息，内部指令的分发与调度等。

扬声器 606

用于放大并输出各种提示音，如来电提示音等。

键盘 607

用于输入信息，将用户输入的信息传送到控制模块，与显示单元以及扬声器、麦克风等共同完成用户与终端进行交互的界面功能。

显示单元 608

显示单元一般包括显示屏等，能够在控制模块的控制下，显示给用户各种文字、图标等。

存储器 609

终端中的数据存储模块，存储终端正常工作必需的数据。

电源模块 610

为各模块提供电源。

SIM卡 611

SIM卡的主要完成两种功能：存储数据(控制存取各种数据)和在安全条件下(个人身份号码PIN、鉴权钥Ki正确)完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。此功能主要是由SIM卡内的一部具有操作***的微处理机完成。

到达时间差定位算法盲区消除算法 612

主要功能是从调制解调器中测量到的TDOA信息中进行到达时间差定位算法盲区消除算法，并送到定位算法中进行定位。

定位模块 613

主要功能是选取盲区消除算法选定的基站组合进行定位运算。

上述实施例是基于一种通用的终端功能模块进行说明的，并没有针对具体某一***进行说明，但这并不妨碍到达时间差定位算法盲区消除算法的功能位置。

本发明提出了消除在蜂窝网络中应用到达时间差定位算法所引起盲区的方法，并给出了该方法的具体执行步骤和功能模块，说明该方法在网络中的位置，描述了该功能模块和在终端的功能模块位置。本发明提出的方法能够有效的消除到达时间差定位算法所引起盲区，从而降低了定位误差，提高了定位精度。具体的仿真结果如图7所示。

仿真结果显示在同样的信道仿真模型的情况下，实施本发明所提出的方法和步骤对定位精度的影响。因为消除了到达时间差定位算法盲区所带来的定位误差，本发明的定位精度较之未实施盲区消除算法有显著提高。需要说明的是，图示的仿真精度旨在表现本发明在定位精度上的相对贡献，所采用的信道模型为阴影衰落下的视距模型，在不同的信道模型下，定位精度会有所差距。

Claims (13)

1.一种蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的办法，包括步骤：

a)按照移动台与多个基站之间传递信号的特征参数顺序排列每三个一组；

b)选取特征参数组合S_i；

c)测量组合S_i中的邻基站与主服务基站的到达时间差；

d)判断盲区的类型；

e)判断是否遍历所有的组合，如果为真，则进入步骤f，如果为假，则重复步骤c；

f)移动台位于所有基站组合的盲区，定位失败；

g)选取不在盲区的基站组合作为参与到达时间差三角定位算法的基站组合，进行定位运算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述特征参数包括电磁场强、信噪比、信干比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述移动台与基站之间的距离按下式计算：

$R_1=\frac{-\mathrm{\&alpha;}\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-\mathrm{\&beta;}(B^2+D^2)}}{\mathrm{\&beta;}}.$

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方程有两个正根，且都小于小区半径。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方程没有根。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方程仅有一个小于小区半径的正根。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述基站包括至少3个。

8.权利要求1所述的方法，其特征在于小区半径作为消除盲区的先验条件。

9.一种蜂窝通信***中到达时间差定位算法盲区消除的装置，包括：

天线、射频模块、调制解调器、协议处理模块、控制模块、扬声器、键盘、显示单元、存储器、电源模块、SIM卡，还包括：

盲区消除模块，用于从调制解调器中测量得到的TDOA信息中进行到达时间差盲区消除算法；

定位算法模块，将盲区消除算法选取的基站组合送到定位算法模块进行定位运算。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述基站至少为3个。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述盲区消除装置位于网络侧。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于所述网络为WiMAX网络，所述盲区消除装置位于WiMAX网络侧的LC。

13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述盲区消除装置位于终端侧。

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