CN102124770A - 用于弱信号的定位的可变相干积分 - Google Patents

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Abstract

在基于网络的无线定位***(WLS)中，地理上分布的位置测量单元(LMU)必须能够在多个BTS覆盖区域的范围内检测和使用反向信道(从移动装置到网络)信号。通过使用匹配的副本相关度处理，本地信号和参考信号在相关之前被细分成离散的段，移动装置时钟漂移和多普勒频移的影响可被减轻以允许增加处理增益。

Description

用于弱信号的定位的可变相干积分
交叉引用
本申请要求于2008年8月15日递交的全部内容通过引用并入本文的第12/192,842号美国申请的优先权。
技术领域
本文中所描述的主题一般涉及用于定位无线设备的方法和装置。更具体地但不排除地，本文中所描述的主题涉及高级算法的使用，该高级算法包括匹配的副本和部分相干处理，以检测弱信号或由于噪音的存在而被掩盖的信号，允许基于网络的无线定位***增加寻找信号在多个、地理分布的接收器上的到达时间差的能力，增加定位的效果和准确性。
背景
早期的涉及基于网络的无线定位***的工作在1994年7月5日的第5,327,144号美国专利“Cellular Telephone Location System”中被描述，该专利公开了一种使用到达时间差(TDOA)技术来定位蜂窝电话的***。在’144号专利中公开的***的进一步增强在1997年3月4日的第5,608,410号美国专利“System for Locating a Source of Bursty Transmissions”中被公开。这两个专利已转让给本发明的受让人TruePosition公司。TruePosition已继续开发对初始发明思想的显著的提高。匹配副本处理还在2000年4月4日的第6,047,192号美国专利“Robust，Efficient Localization System”中被描述。
在过去的几年期间，蜂窝技术工业增加了可用于由无线电话使用的空中接口协议的数量，增加了无线电话或移动电话可操作的频带的数量，且指代移动电话或与移动电话相关的术语包括“个人通信服务”、“无线”以及其他术语的数量扩充了。现在无线工业中使用的空中接口协议包括AMPS、N-AMPS、TDMA、CDMA、GSM、TACS、ESMR、GPRS、EDGE、UMTS WCDMA、WiMAX、LTE/SAE/eUTRAN以及其他协议。
由于无线功率级随着越来越严格的功率控制方案和需要持续的高效功率控制的高级扩频编码方案(CDMA、W-CDMA、OFDM、SC-CDMA等)的引入而减少，无线定位***检测临近的和地理上接近的接收器上的无线信号的能力减小了。由无线定位***使用的定位技术可包括：到达时间差(TDOA)、到达角(AoA)、混合TDOA/AoA和带有全球导航卫星***(GNSS)测量的混合陆地TDOA。GNSS***的当前例子是美国Navstar卫星全球定位***(GPS)。
概述
较长时间段内的匹配的副本相关处理允许在较低的信噪比(SNR)上进行无线信号检测。如Cramer-Rao界限定理所提出，可使用较长的积分长度来增加到达时间差(TDOA)和基于到达角(AoA)的无线定位***的准确性。
但是，由于移动装置振荡频率漂移和多普勒频移，整个积分长度上的相干性一般不能被判断出。在没有由相干处理产生的处理增益的情况下，处于噪音中部的弱信号的检测更加困难。
本文所描述的***使用相关处理阶段中的平行处理来使任何匹配的副本的相关度最大化。相关器的每个(2到n)路径为积分长度的每个段(1到m)创建单独的时间和频率搜索空间，其中单个的段用于全相干估计而(m个)段用于非相干估计中。
由于相干性在一定数量的段上是可能的，且段的结果可被相加，所以该结果是较大的处理增益且因此与参考信号具有较高的相关度。
本发明的说明性的实施方式的另外的方面在以下被描述。
附图的简要描述
当结合附图阅读时，前述的概述以及以下的详细描述被更好地理解。为了说明本方面的目的，在附图中示出了本发明的示例性结构；但是，本发明不限于所公开的具体方法和手段。在附图中：
图1a示意性地描绘了用于基于UMTS(宽带CDMA无线电)的无线通信***的无线定位***。
图1b示意性地描绘了用于基于CDMA的无线通信***的无线定位***。
图1c示意性地描绘了用于基于CDMA的全IP无线通信***的无线定位***。
图2a描绘了接收到的带有多径成分的扩频信号的代表性的时间频率相关图。
图2b通过术语描绘了代表性的时间频率相关图。
图3描绘了由于移动装置移动速率、移动时钟偏移和上行链路信号的多径接收引起的频移。
图4a描绘了跨越单个频率偏移的时间与参考信号和本地信号包络的关系曲线。
图4b描绘了跨越单个频率偏移的时间与参考信号和本地信号的相关度。
图4c示出了在单个频率偏移上将本地接收的信号和参考信号分成连续的离散子部分与时间的关系曲线。
图4d示出了跨越多个频率偏移将参考信号和本地信号细分成多个相关图的相关度与时间的关系曲线。
图5示出在可变相干处理之前的匹配的副本过程的操作阶段。
图6和图7示出本文所描述的可变相干处理方法的操作的不同视图。
说明性实施方式的详细描述
我们现描述本发明的说明性实施方式。首先，我们提供问题的详细概述且然后提供我们的解决方法的更加详细的描述。
WLS中的改进的信号检测的详细描述
上行链路的到达时间差(U-TDOA)定位方法，在其最基本的层次上，依赖于发射器和接收器站之间存在足够的信号能量的直的视距(LOS)路径的假设。在发射器和接收器之间不一定需要存在无阻碍的LOS路径；但是，假设信号不经历因反射、衍射、传导(ducting)等引起的方向上的改变。作出这个设想是为了将到达时间差转化为从移动站到主要接收器和合作接收器的空间直线距离。由3GPP称为位置测量单元(LMU)的这些接收器在地理上被分配。在覆盖部署中，LMU一般与无线网络提供者的基站(BS)(或基站收发台、BTS，在此处这些可互换地使用)位于同地，以使得BS和LMU可共享环境控制的空间、电力和天线接入。在集成部署中，LMU被并入接入点(AP)、基站(BS)、Node B、或基站收发台(BTS)电路。
在预留的无线通信频带中，目前包括700/850/1900MHz(北美)和900/1800/2100MHz(欧洲)蜂窝、GSM、PCS、DCS、AWS和UMTS频带，积极的功率控制增加无线网络的能力并增加扩频无线电信令(例如CDMA、W-CDMA、OFDM和TC-SCDMA)的使用，用于降低可用于接收器的地理分配网络的功率。
本发明还在由软件定义的宽带(或组合的窄带)接收器的地理分布网络服务的区域中的免授权或共享频带中起作用。
如Stilp等人在第5,327,144号美国专利“Cellular Telephone Location  System”中初始公开的，要被定位置的发射器即移动设备的信号由一簇地理上分散的专用接收器(位置测量单元或LMU，以前被称为信号收集***或SCS)收集。当无线定位***(WLS)由无线监测传感器、链路监测***或由来自无线操作员的请求而被触发时，首先执行无线电信号度量收集和最佳LMU和一组协作的LMU的确定。每个LMU优选地使用宽带接收器来在一个采样周期内收集和数字化RF。(按信号长度和/或质量来确定的)最佳LMU一般与服务小区天线相关联，而协作的LMU一般是地理上紧邻最佳/服务LMU的那些LMU，其带有可接受的SNR和/或Eb/No且不产生大的几何精度衰减(GDOP)。LMU作为一群窄带接收器(在单个接收器的带宽接近单个信道的意义上的窄带)的实现也是可能的，如第6,184,829号美国专利“Calibration for Wireless Location System”中所详细描述的。虽然对于本发明所给出的例子涉及分布式“基于站的”方法，其中参考信号被分布到其他候选的LMU，且信号处理在接收LMU上被执行，但是，LMU和计算机的中央处理点之间的足够的低延迟的带宽可能使信号处理能够在中心被执行。
LMU内的数字信号处理软件对无线电接收器建模，并解调按惯例感兴趣的信号。这个解调的“完美的”参考信号从参考LMU被发送到基于无线度量收集而被选择的一组协作的LMU。每个协作的LMU重新调制参考信号并在相关过程中使用这个信号，以确定在最佳/服务LMU上的感兴趣的信号的到达时间(TOA)。
在优选的实现方式中，重新调制的理想参考信号的副本和本地记录的接收信号在时间上被细分，且然后(时间上)相应的子部分被相互关联，有效地创建Npath个处理路径(其中Npath是大于或等于1的整数)。对于每个处理路径，每个单个的细分的相关度可通过以下内容来数学地表示：Rs＝每个子部分“s”的相关函数
Rs ( r , d ) = Σ q = 1 p g ( r ) e - jwd * l ( r - q )
其中：
g＝参考信号
l＝本地信号
N＝采样收集持续时间内的样本数
M＝子部分数
p＝N/M(每个子部分中的样本数)
s＝段索引(从1到M)
r＝范围
d＝多普勒和漂移
一旦每个子部分的相互关联被执行，那么每个子部分的相关的幅度被确定，且每个处理路径(NPath)的相关度的和被计算。在数学上，这个操作可被示出为：
R ( r , d ) = Σ s = 1 M Rs ( r , d )
理想的完全相干情况
例如，图3示出具有在收集持续时间内1000个样本的长度的信号数据段。如果移动电话是静止的(且因此没有多普勒频移)且不经历内部时钟漂移，那么执行相干相关就提供10log(1000)＝30dB的处理增益。这个30dB增益是相对于单个样本的增益而言的。
但是，这个增益只可在信号的相关度确实在全部1000个样本上相干时才可被实现。如果不是，信号相关简单地被破坏且可提供零或甚至负的处理增益。
非相干情况
可变相干技术的使用可将匹配的副本处理敏感性减小到使得由参考信号和收集的信号之间的频移导致非相干。来自相干相关的处理增益是10log(K)，其中K是一比率，通过其增加数据长度。普通的方法是使参考信号是单个样本，那么K简单地为样本的数量，在此数量上执行该相关。
可变的相干相关涉及对参考信号和本地信号的副本进行分段，在参考信号和本地信号之间进行复数相乘，然后将所得到的相关乘积与复数和来相加。使用术语可变是因为子部分或/和平行处理路径的数量(NPath)可根据所使用的网络拓扑和所覆盖的物理区域的测试结果而被调整。可变的相干技术的使用还可根据采样收集持续时间而转换，较短的持续时间仅使用完全相干的例子。
作为例子，被收集的信号被分段成离散的、连续的子部分。使用每个在相同的时间段上具有总数1000个样本的相同的参考信号和被收集的信号的持续时间，相关的信号可被分解成每100个样本有10个连续的、离散的子部分。
设想对于每个子部分持续时间(100个样本段中的每个)的相干，处理增益是10log(100)＝20dB。
然后10个段可以非相干地相加(或取每个段的幅度平方且然后将这些幅度相加在一起，而不是进行复数求和)。来自非相干相加的处理增益是10log(sqrt(P))，其中P是非相干地相加的段的数量。因此，对于每100个样本10个段的这个例子，假设对于每个子部分406的相干性，非相干处理增益是10log(sqrt(10))＝5dB。总的可变相干操作处理增益＝25dB＝20dB(来自100个样本的相干相关)+5dB(来自10个段的非相干和)。
相比于在完全相干相关时我们将获得的30dB，通过将信号细分成10个段，我们仅得到25dB的处理增益。但是，如果信号不相干，在移动电话可能移动(导致多普勒漂移)或移动定时参考漂移时，这对于长的采样周期来说是很可能的，那么完全相干的例子就被破坏，然后可变相干方法仍产生25dB的处理增益。
但是，因为相干增益不能被认为是先验的，每个都具有不同数量的处理路径(这些路径根据信号处理功率和可行的设置可能是并行的或串行的)的多个处理路径被创建，以用于每个位置估计。
可变的相干技术可能是递归的。如果服务参数的质量允许有足够的时间，进入可变相干操作可使用运行的第一可变相干处理的结果以供给第二个循环。如果，例如，带有“Ma”子部分的相关处理路径的相关振幅实质上高于循环中所有的其他处理路径，那么具有围绕“Ma”为中心例如“Ma+/-x”的子部分的分布的多个处理路径的随后的循环可被使用，以试图最优化总的处理增益。
图1
覆盖WLS环境
图1a、1b和1c说明本发明在其中起作用的无线通信网络的类型。虽然以下的子部分描述了通信***如UMTS、IS-95和CDMA2000蜂窝通信***的示例性实现方式，本发明的教导还可类似地应用于以其他方式实现的其他的宽带、扩频分组无线电通信***中。
图1a
图1a示出本发明的说明性的UMTS网络参考模型的结构。
UE(100)
UMTS UE(用户设备)100是ME(移动设备)101和SIM/USIM(订户身份模块/UMTS订户身份模块)102的逻辑组合。UE是UMTS手提设备或移动装置的正式名字。
ME(101)
移动设备(ME)101是移动站的硬件原件，且包括键盘、屏幕、无线电装置、电路板和处理器。ME处理器支持通信信号处理和可包括基于UE的LCS客户端应用的各种基于UE的服务的处理。
USIM(102)
USIM(UMTS订户身份模块)102还称为SIM卡，其是将用户定制信息保持在UMTS移动网络中的可编程存储设备。USIM包含使得能够接入订制的运营商的网络以及可包括基于UE的LCS客户端应用的基于UE的服务的相关信息。
Node B(105)
Node B 105是在UE 100(用户设备)和陆地侧网络之间提供物理无线链接的UMTS网络中的功能。连同跨越无线接口的数据的发送(transmission)和接收一起，Node B还应用必要的代码来描述W-CDMA***中的信道。Node B通过Uu 105接口提供定时信息到UE 100。Node B通过有线天线馈线104接入Uu接口。
UTRAN(UMTS陆地无线接入网络)包括一个或多个RNS(无线网络子***)。每个RNS包括一个或多个RNC 107和其被支持的Node B 105。每个RNS控制具体的无线资源的分配和发布以建立UE 100和UTRAN之间的连接。RNS负责一组小区中的资源和发送/接收。
S-RNC(107)
当RNC 107(无线网络控制器)具有通过Node B 105与UE(用户设备)的逻辑RRC(无线资源控制)连接时，已知其对于该UE 100是被作为S-RNC 107。S-RNC 107负责UTRAN网络中的用户的移动，且还是向着CN(核心网)112的连接点。S-RNC 107通过3GPP标准化Iub接口106连接到Node B。
D-RNC(108)
当处于连接状态的UE 100(用户设备)被转换到与不同RNC相关联的小区时，这被称为进行了漂移。但是RRC(无线资源控制)连接仍以S-RNC 107终止。实际上D-RNC 108充当开关，在S-RNC 107和UE 100之间路由信息。
C-RNC
控制无线网络控制器是RNC(无线网络控制器)，负责Node B的设置。UE(用户设备)接入***将发送接入到Node B，这反过来将这个消息转送到其CRNC上。C-RNC一般为S-RNC。
核心网(112)
核心网112提供移动管理、交换服务的功能，以用于用户设备(UE)和外部网络之间的呼叫连接控制信令，以及UTRAN无线接入网络和外部分组和交换电路网络之间的交互功能。核心网还提供下账单功能、外部网络的安全和接入控制管理。
LMU(114)
位置测量单元(LMU)进行无线测量以支持UE的定位。LMU可以是向UMTS网络的覆盖添加或可以被集成到Node B的硬件和软件中。在UMTS无线通信网络中，LMU接收基于W-CDMA的Uu无线接口，以用于TDOA或/和TDOA/AoA计算的位置和速率估计的开发。LMU通过向天线馈线113的无线耦合器连接到小区站点天线或连接到Node B。
U-TDOA和U-TDOA/AOA LMU的例子先前已在第6,184,829号美国专利Calibration for a Wireless Location System、第6,266,013号美国专利Architecture for a Signal Collection System in a Wireless Location System；以及第6,108,555号美国专利Enhanced Time Difference Localization System中被描述，这些专利全部由TruePosition所有且通过引用并入本文。
SMLC(116)
SMLC 116是RNC 107中的逻辑功能实体实现的单独的网络元件(或分布式元件簇)或集成功能。SMLC 116包含支持基于位置的服务所需的功能。SMLC 113是通过处理与地理区域以及无线网络拓扑相关的数据，来提供无线网络和位置网络(LMU 114、SMLC 116和GMLC 119)之间的桥接的逻辑实体。SMLC 116管理移动电话的定位所需的LMU 114资源的总的协调和安排。其还计算最终的位置、速率和高度估计并估计对其每个的所实现的准确性。在本发明中，SMLC 116通过分组数据连接115控制且互连一组LMU，目的是获取无线接口测量来定位或帮助定位UE 100在其LMU服务的地理区域内的位置。SMLC 116包含U-TDOA、AoA和多径消除算法以用于计算运动的位置、置信区间、速度、高度和方向。SMLC 116还可基于来自链路监测***(LMS)124的触发或从3GPP标准化Iupc接口117到网络基础架构供应商的无线网络控制器(RNC)站控制器107的请求来确定要定位哪个无线电话。
GMLC(119)
网关移动位置中心(GMLC)119被3GPP标准定义为用于在GSM/GPRS/UMTS网络中位置记录的交换场所。GMLC 119用作被严格控制的SS7网络(GSM-MAP和CAP网络)和非安全分组数据网络例如互联网之间的缓冲。用于基于位置的服务的鉴定、接入控制、计费和授权功能一般驻留在GMLC 119上或由其控制。网关移动位置中心(GMLC)是包含支持LBS服务所需的功能以及交互工作、接入控制、认证、订户资料、安全、管理和计费/下账单功能的服务器。GMLC还具有接入GSM-MAP和CAP网络的能力以发现订户身份、请求并接收路由信息、获取低准确度的UE位置，以及基于UE位置运用呼叫控制。在任何的UMTS网络中，都可能由多个GMLC。
网络LCS客户端(122)
网络LCS客户端112是向PLMN LCS服务器进行请求以获得一个或多于一个的目标UE的位置信息的逻辑功能实体。在图1中所描绘的UTMS网络中，LCS服务器作为GMLC 119平台上的软件和数据被实现。GMLC119包含LCS服务器这一情形对于被部署的***来说是典型的。LCS服务器包括服务LCS客户端所需的若干位置服务部件和载体。LCS服务器将提供平台，其能够支持并行于其他电信服务例如速度、数据、报文发送、其他电信业务、用户申请和补充服务的基于位置的服务。网络LCS客户端使用Le接口121接入GMLC。网络LCS客户端可与基于GMLC的LCS服务器119通信，以在具体的一组与位置有关的服务质量参数之内请求对于一个或多个目标UE的即刻的、定期的或延期的位置信息，如果这被由基于GMLC的LCS服务器119所提供的安全和隐私保护所允许的话。
移动LCS客户端
移动LCS客户端是驻留在UE 100的ME 101中的软件应用程序，其使用USIM 102以用于非易失性或便携数据存储。移动LCS客户端可通过GMLC 119使用Le接口121经过无线数据连接获取位置信息。
LMS
LMS133通过无源探测器(图中未示出)向中心服务器或服务器簇报告的方式，提供对UMTS网络接口例如Iub、Iur、Iu-CS和Iu-PS的无源监控。通过检测这些接口，LMS 133可形成任务信息和触发信息，允许SMLC 116提供自发的、低延迟的位置估计以用于之前供应的LBS应用。LMS 133形成的触发信息和任务信息通过一般的数据连接123被传送到(一般为基于TCP/IP的)SMLC 116。LMS 133是对在第6,782,264号美国专利“Monitoring of Call Information in a Wireless Location System”中所描述的、且在第11//150414号美国专利“Advanced Triggers for Location Based Service Applications in a Wireless Location System”后来扩展的Abis监测***(AMS)的修改，这两个专利通过引用并入本文。LMS 133功能上可作为软件并入UMTS***的Node B 105或RNC 107、108节点或被部署作为无源探测器的覆盖网络。
接口
Uu接口103是由3GPP定义的UMTS空中接口。UTRAN(UMTS陆地无线接入网络)和UE(用户设备)之间的这个无线接口利用W-CDMA和频分复用(FDD)或时分复用(TDD)。UMTS无线接口在3GPP技术规范25.201和45.201中被很好地描述，这两者名称为：“无线路径上的物理 层；一般描述”。如在FDD W-CDMA无线***中被实现的Uu无线接口的细节在3GPP技术规范25.213中被描述，“传播和调制(FDD)”。FDD W-CDMA UMTS中使用的物理信道和逻辑信道的细节和描述位于3GPP技术规范25.211中，“物理信道以及传输信道到物理信道上的映射(FDD)”。
Iub接口106位于UMTS无线网络中，且被设立在RNC(无线网络控制器)107和NodeB 105之间。Iub接口如在3GPP TS 25.430中所定义，是“UTRAN Iub接口：一般方面和原理”。
Iur 109将UMTS服务器或核心RNC 70与UMTS网络中的漂移RNC 108相互连接。Iur接口在3GPP技术规范25.420中被标准化，“UTRAN Iur接口：一般方面和原理”。
Iu-CS(电路交换)接口110将UMTS RNC 107与核心网络112的电路交换的通信定向的部分相连接。
Iu-PS(分组交换)接口111将UMTS RNC107与核心网络112的分组交换的通信定向的部分相连接。
Iupc117将UMTS RNC 70与UMTS网络中的SMLC(还被称为SAS)相互连接以用于位置估计产生。Iupc接口在3GPP技术规范25.450中被引入，“UTRAN Iupc接口一般方面和原理”。
E5+接口118是在北美E9-1-1的Joint ANSI/ETSI标准036中定义的E5接口的修改。E5+接口118将SMLC 116和GMLC 119节点直接连接，当LMS 114触发器由无线定位***使用时，使用网络所需的信息(小区ID、NMR、TA等)或通过由LMU 114的指定接收器执行的TDOA和/或AoA(到达角)，允许压栈操作。
Le接口121是最初由位置互操作性论坛(LIF)开发且然后在后来由GSM(GERAN)和UMTS(UTRAN)的第三代移动通信伙伴项目(3GPP)进行标准化的基于IP的XML接口。基于位置的服务(LBS)客户端122还被作为LCS(位置服务)。驻留在LCS客户端122上的LBS和LCS服务是唯一能够使用移动设备的位置的软件应用程序、数据存储和服务。
图1b
图1b示意性地描绘基于Enhanced Wireless 9-1-1 Phase 2的ANSI/ETSI Joint标准“J-STD-036”中所描述的无线通信***的主要部件的代表性设置。对于本发明，图2b用于表示带有标准化节点和接口的基于TIA-EIA-95(IS-95)的CDMA无线通信***内本发明的实现方式。虽然最初被创建为支持紧急情况的服务(E911、E112)，但这个功能性网络还可被用于混合的电路交换、分组交换网络中的商业位置服务传送，其中MSC 135和MPC 141采用ANSI-41协议通过链路E3 140进行通信。本发明驻留在参考网络的定位确定设备143节点内。
MS
CDMA移动站(MS)130是硬件软件***，其允许用户接入CDMA无线接口132且因此完成无线通信网络和服务。
MS 130可具有基于位置的软件应用，LBS客户端131在其内。基于MS的LBS客户端使用由MS 130提供的资源来起作用。
IS-95基站包括BSC(基站控制器)和一个或多个BTS(基站收发台)。BS 133提供使得移动电话接入网络接口的功能以及通过IS-95 CDMA空中接口的服务。
BS133将CDMA无线接口132与基于陆地的无线通信***网络相接。BS 133向MS 130提供信道分配、功率控制、频率管理以及其他的临近BS之间的切换(软切换、更软切换以及硬切换)。
A接口134，一般为用于IS-95 CDMA***的IS-634兼容接口，其连接BS 133与MSC135，承载MSC 135和BS 133之间的控制报文发送以及来自MSC 135的用于MS 130的DTAP(直接传送应用部分)报文发送。
MSC(移动交换中心)135提供移动管理、交换服务的功能以用于MS 130和外部交换电路网络147之间的呼叫连接控制信令，以及CDMA无线接入网络和外部分组交换网络之间的交互工作功能。MSC 135还提供呼叫路由和下账单功能。在一些供应商实现方式中，MSC 135还提供交互工作、路由和转码服务以用于数字分组通信。
MSC 135可使用ANSI-41定义的E接口136与其他的MSC 137连接。
MSC 135使用控制接口例如像Ai/Di 138接口和集群一样标准化(Telcordia GR-154和T1.113)的ISDN用户部分(ISUP)连接到交换电路网络139。
J-STD-036标准化E3 140接口用于将MSC 135连接到MPC 141。E3是基于ANSI-41的接口，其包括用于定位的无线智能网络(WIN)功能。
MPC(移动位置中心)141是移动网络、位置网络和基于网络的位置应用之间的网关。MPC 141用作基于TCP/IP的J-STD-036定义的位置服务协议上的特定的TCAP的E5接口142、ANSI-41报文发送E3接口140、和到外部LBS客户端148的基于TCP/IP的数字链路151之间的路由器和协议转换器。MPC可在基于E3 140报文发送中所包括的服务质量参数而在部署的PDE 143中选择。
MPC通过前述的E5接口连接到位置确定实体(PDE)143。在本发明中，PDE 143包括一簇中央化处理器、服务移动位置中心(SMLC)116和通过基于专有的TCP/IP的接口115相互连接的一群地理上分布的位置测量单元(LMU)114。LMU 114或通过来自BS 133接收天线的无线频率天线馈线149，或可选地通过承载从BS 133的每个接收天线接收到的信号的数字化表示的数据链路，来连接到BSC 133。
虽然不是J-STD-036定义的LBS网络的部分，SMLC 116可与网络LBS客户端148直接通信，且通过数据连接到达基于MS的LBS客户端133，通过分组数据连接链路150连接到一般分组数据网络147。
图1c
图1C示意性地描绘无线通信***和基于无线定位***的基于分组传输网络的主要部件的代表性设置。在这个图中，无线通信***被假设为基于IS-2000 CDMA或CDMA200
Figure BPA00001310438700151
***。
这个基于分组的(也被作为基于全IP的)LBS网络由3GPP2标准描述：TIA-1020，基于IP的位置服务(3GPP2 x.P0024)；TIA-881，LS鉴定/私有/安全增强(3GPP2 X.P0002)；TIA-843，无线智能网络LBS阶段III (3GPP2 X.P0009)以及TIA-801，
Figure BPA00001310438700152
本发明可在本地PDE中被实现。
在图1c中描绘的全IP无线通信***包括归属网络175部分和访问网络176部分。在很多情况下访问网络176将是归属网络175。归属网络175和访问网络176通过分组数据网络174例如公共互联网的方式连接在一起。每个网络部分，归属网络175和访问网络176包括通过本地无线网络操作器IP网络173，180相互连接的多个功能实体。
为了使能基于位置的服务，归属定位服务器(H-PS或仅是PS)171通过与管理节点170的基于分组的连接进行相互连接，所述管理节点170提供预订和用户资料存储、LBS服务管理和接入控制。为了LBS服务的传送，H-PS 171可相互连接到基于归属网络175的网络LBS客户端172、外部LBS客户端177、基于访问网络176的LBS客户端178或基于MS的LBS客户端188。为了获取MS 187的当前的或历史的位置，H-PS 171可通过基于分组的数据连接与本地PDE 183相互连接。
H-PS 171起到与IS-41网络中的归属网络MPC相同的作用，其涉及认证、接入控制、管理和计费功能的作用。
分组数据服务节点(PDSN)181作为无线接入和访问网络176之间的连接点起作用。这个部件负责管理移动提供者核心IP网络和移动站之间的PPP会话。
S-PS或服务定位服务器176是访问网络中的PS。服务PS176向请求实体例如归属PS 171、网络LBS客户端提供访问MS的位置信息。其起到与IS-41网络中的服务MPC相同的作用，且作为H-PS 171的本地代理起作用，这涉及认证、接入控制、管理和计费功能的作用。
BSC/PCF 182是基站控制器/分组控制功能节点。BSC/PCF 182节点管理无线网络186和PDSN之间的相互连接和通信。BSC/PCF 182负责MS 187和基于网络的目的地之间的业务和信令消息的透明交换。
无线网络186包括实际的CDMA2000
Figure BPA00001310438700161
空中接口和无线发送设施，其可选地被称为BS(基站)、BTS(基站收发台站点)、AP(接入点)和小区。无线网络186将BSC/PCF 182与MS 187相互连接，以用于分组数据和分组化的语音通信。
在本发明中，本地PDE 183包括基于服务器簇的SMLC 116和一群在地理上分布的LMU 114。
PDE 183与MS 187交互(可能使用PS 171、179作为代理)，以通过基于MS的LBS客户端188向用户提供位置服务，或基于移动电话的位置向其他LBS客户端172、177、178提供服务。
为了简洁的起见，无线通信***的全IP、分组结构的其他元件未示出。
图2a和2b
图2a描绘噪音和多径损坏的无线通信信号。由于在发送过程中的速率改变引起的频移(多普勒)和参考时钟，频移不能被确定为是先验的。
图2b描绘用于确定与所接收到的和重构的以及重新调制的参考(副本)信号的最大相关度的时间频率搜索空间。
图3
图3被示出为说明在重构的参考信号和被移动频率参考漂移和多普勒漂移损坏的本地收集的信号之间应用匹配的副本相关性的困难。如时间301与频率302的关系的曲线图中所示出，移动信道分配了中心频率(fc)303，但是由于在收集持续时间305期间由移动设备的移动导致的多普勒漂移和移动频率参考漂移，其具有收集信号漂移的实际频率304。这个频移导致参考信号和收集的信号之间的不匹配。
图4a、4b、4c和4d
图4a示出在样本收集持续时间内的本地信号和参考信号幅度的单个时间片段205。
图4b示出整个样本收集持续时间406内的相关的本地信号和参考信号的单个时间片段205。多个频率和时间偏移上的本地信号和参考信号的相关度用于产生频率402、时间403和相关度401搜索空间。
图4c示出样本收集持续时间内的本地信号和参考信号的单个时间片段。在图4c中，本地信号和参考信号已被分段成跨越整个样本收集持续时间406的连续的、离散的子部分(409和410)。
图4d示出多个频率402、时间403和相关度401搜索空间(每个子部分409、410有一个)的单个频率时间片段。如图4d示出每个子部分现包括新创建的频率402、时间403和相关度401搜索空间内的独立的相关信号幅度包络。
图5
图5概述在匹配的副本、基于站的处理中使用的处理步骤。步骤501和507的例子在美国专利5,327,144“Cellular Telephone Location System”、5,608,410“System for locating a source of bursty transmissions cross reference  to related applications”、6,047,192“Robust Efficient Localization System”、6,483,460“Baseline Selection Method for Use in a Wireless Location System”、和6,661,379“Antenna Selection Method for a Wireless Location System”中被示出，这些专利全部通过引用并入本文。
在步骤501中，无线定位***(WLS)被触发来执行定位。这个触发可以是由无线通信网络(WCN)产生的消息，在内部是由无线通信***产生的或在外部由网络监测应用例如无线网络检测器(RNM)或链路监测***(LMS)产生的。触发事件可以是单个消息、多个交换的消息、或包含SMLC向LMU网络分配任务所必要的网络和无线链路参数的一系列消息。
在步骤502中，SMLC通过预分配的数据链路向LMU网络分配任务，在步骤503中，SMLC选择的LMU收集无线信号强度和质量信息，用于在步骤504中的LMU下拉选择，其中只有具有有利的度量的LMU在随后的步骤中被使用。步骤503还可包括SMLC分析LMU度量的阶段，且服务小区和扇区确定最优的LMU簇以最小化位置的精度的几何衰减。
在步骤505中，具有最好的(如通过度量和分析确定的)无线信号的LMU用于创建参考(还被作为副本)，其中感兴趣的信号被解调。然后在步骤506中参考被转送到所选择的簇中的所有LMU。
在步骤507中，可变的相干处理开始。
图6和图7
图6被提供以示出处理对于基于TOA、TDOA和AoA的位置估计的弱信号的可变相干处理中所使用的处理步骤。
进入可变相干处理507以样本收集时期的持续时间的评估开始。如果收集时期在测试位置开始受到非相干信号处理的影响的临界之下，那么可变相干处理将不被执行。样本的预处理可发生在这个阶段，例如如美国专利6,765,531“System and Method for Interference Cancellation in a Location  Calculation for use in a Wireless Location System”中所教导的。由于多普勒漂移和移动设备定时源漂移，在整个样本时期内的全相干是不太可能的，就像没有相干增益可用于样本的任何部分的例子(见图3，在样本时期内移动定时漂移的例子)。因此，所使用的处理路径的数量(Npath)可从1变到Mn，其中Mn是样本收集持续时间406内的样本的数量(图4a)。
当Npath＝1时，那么本地信号和参考信号不被细分且在预设的时间和频率偏移范围602内在整个样本收集持续时间内被相互关联。这个相互关联产生单个的相关幅度、时间和频率搜索空间，以用于在参考接收器和本地接收器之间的TDOA基线的确定。
使用可变相干，相关处理被分成若干并行的(或串行的，如果有足够可用的计算能力的话)路径601。在图6的例子中，两个部分的相干处理路径614和615是通过将本地信号和参考信号的副本划分成m1和m2个连续的、离散的子部分的方式来创建的。那么图6中示出的说明性的例子具有为了全相干613路径、第一部分相干路径614和第二部分相干615路径而创建的三个处理路径。
通过使用部分的或可变的相干路径614、615，其中整个样本时期和参考时期被划分为连续的、离散的子部分，相干增益可能在每个或任何的子部分上都是可能的。为了增加更多的子部分产生相干增益的益处的几率，每个都具有不同数量的连续的、离散的子部分的多处理路径614、615可被创建。
可能的部分相干路径的数量仅受到LMU(示例性的LMU结构，以前是SCS结构，在TruePosition专利6,266,013“Architecture of a Signal  Collection System for a Wireless Location System”中被限定的体系结构)的软件定义的无线的数字化的限制。当部分相干处理路径使用M＝N个子部分被创建时，其中采样周期的子部分的数量(M)等于LMU(N)的采样率，那么该处理路径被视为完全非相干。虽然N个子部分是样本的分辨率的极限，但是子部分和部分相干路径的数量不需要等于N；而是，部分相干处理方案可基于操作经验来预设，或者基于收集时间持续时间为动态的，因为非相干的可能性随着收集时间持续时间而增大。
一旦带有(M个)子部分的处理路径被创建，在步骤604、607中，在任意的或受限的范围的时间延迟和频率偏移上，多次地，每个子部分与对应的(用绝对时间)参考信号子部分相互关联(如TruePosition美国专利6,876,859“Method for estimating TDOA and FDOA in a Wireless Location  System”中所详细描述的，其通过引用并入本文)，直到对于每个子部分，在频率范围和时间段上，都产生相关幅度的搜索空间。
对于全相干或Npath＝1处理路径613，其中假设在整个收集持续时间内是相干的，本地信号重复地跨可能的时间偏移(范围)和频率偏移(多普勒和漂移)与时间和频率漂移参考信号602相关联，以创建相关幅度、范围和多普勒/漂移的三维搜索空间，如图4a中所示出。
对于每个部分相干处理路径614、615，处理路径的第一操作604、607是对于每个部分相干处理路径614、615中的每个子部分创建相关幅度、范围和多普勒/漂移(图4c)的三维搜索空间。对于每个部分相干处理路径，然后在步骤605、608中相关幅度的量值被相加。子部分的相加和给出了对于每个处理路径的10log(M)1/2的处理增益。
对于每个处理路径，对于在可变相干操作的第一阶段601中创建的子部分的独立相关度以及各个子部分相关度的幅度的相加和产生总的可能的增益，对于Npath＞1，增益为：
Gain(增益)＝10log(1)+10log(M)1/2
对于每个处理路径613 614 615，无线定位***随即试图通过603、606、609搜索所产生的相关、时间和频率分布图(搜索空间地图，如图2b中所示)来确定在本地接收器上的最早的到达信号。相关搜索的例子包括美国专利6,876,859“Method for estimating TDOA and FDOA in a Wireless  Location System”以及美国专利申请11/953585“Detection of Time of Arrival  of CDMA Signals in a Wireless Communications System”中的那些例子，这两个专利由TruePosition所有。
全相干路径613的相关结果与第一部分相关处理路径614和第二部分相关处理路径615的相关结果相比较610。
由示出最高相干性的处理路径，所接收的信号与副本信号相对比的相关结果示出由本地接收的信号关于参考信号所经历的时延和频率偏移。然后这些TDOA值被用于使用例如LSD算法或者双曲线基线方法执行TDOA或TDOA/AoA位置估计611，所述LSD算法在美国专利5,327,144“Cellular Telephone Location System”中被介绍，所述双曲线基线方法在美国专利6,047,192“Robust Efficient Localization System”中被介绍。
图7描绘了如以上所描述的可变相干处理方法的另一个图示，即，流程图。如所示出，以下的步骤被执行：
接收来自无线设备的发送。
产生表示收集持续时间内的发送的离散样本的第一数字样本组。
执行第一相关过程，其中所述第一数字样本组在收集持续时间内与参考信号相关联。
执行第二相关过程，其中第一组样本段与所述参考信号相关联。所述第一组样本段包括m1个段，m1个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m1是大于1的整数，且其中执行所述第二相关过程产生m1个输出。
将所述第二相关过程的所述m1个输出非相干地求和。
执行第三相关过程，其中第二组样本段与所述参考信号相关联。所述第二组样本段包括m2个段，所述m2个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m2是大于m1的整数，其中执行所述第三相关过程产生m2个输出。
将所述第三相关过程的所述m2个输出非相干地求和。
搜索所述第一相关过程、所述第二相关过程和所述第三相关过程的输出以识别每个输出组中的最早的到达信号。
比较所述第一相关过程、所述第二相关过程和所述第三相关过程的所述输出中的所识别的最早到达信号，并选择所述最早到达信号中的一个来确定到达时间(TOA)值以用于定位处理。
在定位处理中使用所述TOA值以确定所述无线设备的精确的地理位置。
结论
本发明的真实范围不限于本文中所公开的目前所优选的实施方式。在很多情况中，本文所描述的实现方式的区域仅是设计者的优选方案且不是硬性要求。因此，除非明确地这样地限制，以下的权利要求的保护范围不意图限制到以上所描述的具体实施方式。

Claims (4)

1.一种用于确定无线设备的发送的精确的到达时间(TOA)的方法，包括：
接收无线设备的发送；
产生表示收集持续时间内的所述发送的离散样本的第一数字样本组；
执行第二相关过程，其中第一组样本段与所述参考相关联，所述第一组样本段包括第一多个(m1个)段，所述m1个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m1是大于1的整数，且其中执行所述第二相关过程产生m1个输出；
将所述第二相关过程的所述m1个输出非相干地求和；
执行第三相关过程，其中第二组样本段与所述参考相关联，所述第二组样本段包括第二多个(m2个)段，所述m2个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m2是大于m1的整数，且其中执行所述第三相关过程产生m2个输出；
将所述第三相关过程的所述m2个输出非相干地求和；
搜索所述第二相关过程和所述第三相关过程的输出以识别每个输出组中的最早到达信号；
比较所述第二相关过程和所述第三相关过程的所述输出中的所识别的最早到达信号，并选择所述最早到达信号中的一个来确定到达时间(TOA)值以用于定位处理；以及
在定位处理中使用所述TOA值以确定所述无线设备的精确的地理位置。
2.如权利要求1所述的方法，还包括执行第一相关过程，其中所述第一数字样本组在所述收集持续时间内与参考相关联。
3.一种无线定位***(WLS)，包括多个位置测量单元(LMU)，其中至少一个LMU包括：
接收器，其用于接收无线设备的发送；
用于产生第一数字样本组的装置，该第一数字样本组代表在收集持续时间内的所述发送的离散样本；
用于执行第二收集过程的装置，在所述第二收集过程中，第一组样本段与所述参考相关联，所述第一组样本段包括第一多个(m1个)段，所述m1个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m1是大于1的整数，且其中执行所述第二相关过程产生m1个输出；
用于将所述第二相关过程的所述m1个输出非相干地求和的装置；
用于执行第三相关过程的装置，在所述第三相关过程中，第二组样本段与所述参考相关联，所述第二组样本段包括第二多个(m2个)段，所述m2个段中的每个段包括所述第一数字样本组的子组，其中m2是大于m1的整数，且其中执行所述第三相关过程产生m2个输出；
用于将所述第三相关过程的所述m2个输出非相干地求和的装置；
用于搜索所述第二相关过程和所述第三相关过程的输出以识别每个输出组中的最早到达信号的装置；以及
用于比较所述第二相关过程和所述第三相关过程的所述输出中的所识别的最早到达信号、并选择所述最早到达信号中的一个来确定到达时间(TOA)值以用于定位处理的装置。
4.如权利要求3所述的***，还包括用于执行第一相关过程的装置，在所述第一相关过程中，所述第一数字样本组在所述收集持续时间内与参考相关联。
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