CN102685884B - 估算无线移动装置相对于一个或一个以上基站的位置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及估算无线移动装置相对于一个或一个以上基站的位置。本发明提供了一种估算一具有复数个BTS的通信网络中的-MS的一位置的方法，该方法包括：判定一MS位于与所述MS可同其通信的一BTS成各种距离处的概率；判定使所述概率具有一最大值的一距离；和将使所述概率具有一最大值的所述距离用作所述MS的所述位置估算的一部分。

Description

估算无线移动装置相对于一个或一个以上基站的位置

本申请是国际申请日为2004年8月24日，国际申请号为PCT/US2004/027505，发明名称为“估算无线移动装置相对于一个或一个以上基站的位置”的PCT申请进入中国国家阶段申请号为200480034373.5的专利申请的分案申请。

技术领域

本申请案涉及无线通信***，且更确切地说涉及估算此种***中的无线移动装置的位置。

背景技术

判定例如蜂窝电话、PDA、膝上型计算机或类似物的无线移动装置(此处为MS)的位置的需要日益增长。一种方法利用蜂窝电话基站(BTS)所发射和接收的信号。一种研发来使用地面BTS检测MS位置的已知算法称为高级前向链路三角定位法(AFLT)。为了使用AFLT检测MS位置，需要无线网络中的BTS位置、来自BTS的信号发射时间和信号到MS的到达时间。常规的AFLT算法需要MS与至少三个BTS通信以便检测其位置。

如果MS位于少于三个BTS的覆盖区域中，则通常估算MS位置。一种估算方法估算MS的位置是在MS可与之通信的BTS中的一个或一个以上BTS的“中心”处。例如，如果MS仅可与一个BTS通信，则所述位置估算为覆盖区域的中心。覆盖区域的“中心”通常理解为是指MS于其处可相对于所述MS与之通信的BTS进行有效操作的所有可能位置的平均位置。如果MS可与两个BTS通信，则其位置可估算为由两个BTS中的最强者所覆盖的区域的中心，或通过取所述两个BTS所覆盖的区域的加权平均值来判定的位置。

应注意，由于多种原因，典型BTS覆盖区域的形状可能并非完美的圆形。地形特征，例如山脉、山丘、建筑物、水团及类似特征会影响从BTS辐射的无线电波的发射特性，从而导致不规则的覆盖区域。大气和其他因素也可能影响BTS所发送和接收的无线电信号的辐射图案。

另外，通常每个BTS具有复数个发射机，所述发射机向环绕所述BTS的分成扇区的区域进行无线电广播。例如，一具有三个扇区的BTS可向围绕所述BTS的各个120°区域进行无线电广播。这些扇区内的无线电信号也可能受到上述各种地形、大气和其他因素的影响，从而影响每个扇区的地理覆盖区域。此外，所述扇区天线本身大体上为定向天线。因此，通常扇区天线后部上的信号强度显著地小于扇区天线前部上的信号强度。

由于特定BTS或其扇区的覆盖区域通常并不对称，所以覆盖区域的“中心”往往与BTS的位置不符(尽管有时也会碰巧相符)。可以看出，BTS扇区的覆盖区域的“中心”可能与BTS的位置有一定距离。

发明内容

本申请提供一种估算一具有复数个BTS的通信网络中的一MS的一位置的方法，其包括：判定一MS位于与所述MS可同其通信的一BTS成各种距离处的概率；判定使所述概率具有一最大值的一距离；和将使所述概率具有一最大值的所述距离用作所述MS的所述位置估算的一部分。

附图说明

图1为带有重叠覆盖区域的无线网络中的一对BTS的简化平面图。

图2为图1中无线网络的BTS中的一个的更详细的平面图。

图3为因一MS与一个、两个、三个或多于四个BTS进行通信而产生的概率分布函数的图表，所述函数是作为与发射最强接收功率的BTS的距离的函数。

图4部分地展示一MS相对于图1中无线网络的两个BTS的位置。

在图示的各图中，相同的参考数字用以指代相同或相似的部件。

具体实施方式

用来估算一具有复数个BTS的通信***中的MS位置的第一方法包括判定其中MS仅可与所述BTS中的一个BTS进行通信的区域。计算所述区域内的平均位置并将其用作估算。第二方法包括判定一区域，在所述区域中MS位于所述BTS中的两个的重叠覆盖区域内。判定一距离点轨迹，在所述轨迹上，MS从所述BTS中的每个接收到的信号的相对到达时间差为恒定的。判定一点，在所述点上，一具有根据MS处BTS中的一个的第一扇区与第二扇区之间的相对信号功率的角θ的线与所述轨迹相交，并将所述点用作MS位置的估算。

通信***通常包括MS和BTS网络。“BTS”是指任何在发射时已知其位置的发射机/接收机。例如，BTS可包括无线网络的发射塔或其他无线发射机或基础设施。

在一个实施例中，如果MS位于仅一个BTS的覆盖区域内，且因此只能与所述BTS通信，则其位置可估算为位于其中其仅可与所述BTS通信的BTS覆盖区域部分的“中心”。其可仅与所述BTS进行通信的BTS覆盖区域部分的“中心”用来指MS可仅同与之通信的BTS(而非其他BTS)进行有效通信的所有可能位置中的一特定位置。更确切地说，如果MS仅能够与一个BTS进行通信，则MS是位于所述BTS的覆盖区域内，且位于所述BTS与其他任何BTS的任何重叠覆盖区域之外。参看图1，举例而言，如果MS仅能与无线网络10的BTS 20进行通信，则MS是位于覆盖区域25内而位于重叠区域40之外。

指代“中心”的特定位置可以是(例如)平均位置。所述“平均”位置可以是关于MS仅可与一BTS进行通信的所述BTS的覆盖区域部分的算术平均、几何平均或其他适合的平均计算。另一方面，所述特定位置可以是关于MS仅可与一BTS进行通信的所述BTS的覆盖区域部分任意指定的。例如，此可指定为距离1/2、1/3、1/4或其他距离处，衡量方式为仅可检测到一个BTS的覆盖区域边界与所述BTS的整个覆盖区域边界的比率。所述距离依据任何选定度量来加以判定，其界定一个点轨迹。例如，如果其中其仅可与一BTS进行通信的所述BTS覆盖区域的部分为圆形(这通常是不可能的)，则所述轨迹将界定一个半径小于整个覆盖区域的半径的圆。于是MS的位置可估算为位于所述圆的圆周上。

如果BTS具有复数个扇区(事实往往如此)，则可判定MS相对于一参考角所成的角θ。于是在所述角上所划的线在某点上与所述轨迹相交。于是，将所述点用作MS的位置估算。以下文将详细描述的方式使用MS从BTS的每个扇区接收到的信号功率的相对量度来计算与MS位置相关的角θ。

现在另外参看图2，一装置(标为z)仅能与BTS 20通信。为简单起见，除了重叠区域40之外，未图示相邻BTS 30的其余覆盖区域。BTS 20的覆盖区域25简化成一半径为R₁的圆。中心区域28界定为BTS 20的覆盖区域，在所述覆盖区域内MS仅可与BTS 20进行通信，且所述覆盖区域图示为一半径为R₂的圆。中心区域28的半径R₂可(例如)为圆25的半径R₁的二分之一，但所述半径R₂由BTS 20的特征和重叠区域40的范围来判定。

在此实例中，MS估算为位于以BTS 20为中心围绕的虚线圆27上且半径为R₃，R₃为R₂的二分之一，所述圆的圆周是MS仅可与BTS 20通信的覆盖区域28的算术或几何平均。如下文将证明的，如果MS仅能与BTS 20通信，则MS更可能是位于圆27的圆周上。这一位置可通过概率预测法(下文将予以论述)、通过数学平均计算或通过另一适当方法来判定。

在另一实施例中，BTS 20可具有复数个与之相关联的扇区，图示为三个扇区22、24和26。虽然图示了三个扇区，但是BTS可具有任何数目的扇区。在三扇区实施例中，扇区22和26共享共同半径29a。同样，扇区22和24共享共同半径29b，且扇区24和26共享共同半径29c。x轴将扇区22分成两个相等区域。因此，每条半径29a和29b均与x轴成60°角。

可根据MS从两个相邻BTS扇区经受的信号功率或强度来估算MS的角度位置。因此，例如，如果MS定位为靠近半径29b，则预期MS将从具有相似或大致相似的功率或信号强度的扇区22和24接收信号。随着MS进一步移动进扇区22中，MS预期将从扇区22接收到的信号的功率或强度变得大于MS预期将从扇区24接收到的功率。随着MS移动得更靠近扇区22中的x轴，MS预期几乎将不会从扇区24和26接收到任何信号。因此，可使用MS从扇区22、24和26中的每个接收到的信号功率的相对量度来估算X-Y平面中的点z相对于x轴所成的角θ。

应注意，将扇区范围二等分的线(例如图示的特定实施例中的x轴)的角通常是相对于BTS的卫星星历中的“GPS北”来指定的。因此，本文实例中的角θ只是任意参照的，且可简单地进行转化以用任何所要参考角来界定。同样，与图2的图式的含义相反，实际BTS的扇区的二等分线无需与特定罗盘方向对准，当然，此类对准有助于简易计算。

作为角θ估算的计算方法的一个实例，可使用以下伪码度量：

如果P₁-P₂＞20，则θ＝A₁

否则如果P₁-P₂＜3，则θ＝A₁-0.4×(A₁-A₂)   (1)

否则θ＝A₁-0.4×(A₁-A₂)×(20-(P₁-P₂))/17

其中，P₁为以dB计的最强接收信号的功率，A₁表示发射出具有接收功率P₁的信号的BTS扇区相对于参考半径所成的角，P₂为以dB计的次强接收信号的功率，且A₂表示发射出具有接收功率P₂的信号的扇区相对于参考半径所成的角。例如，假设扇区22具有最强的接收功率，则A₁表示扇区22的中心相对于x轴所成的角，即0°，而A₂表示扇区26的中心相对于x轴或一条将半径29a与半径29c之间的角均分的线所成的角，即240°。所述度量中的常数可以根据(例如)MS的所计算出的概率用启发法推导而出，如下所述。

同样也可使用其他线性或非线性表达式来计算角θ。然而，在这类表达式中，用MS从其可与之通信的BTS的各扇区接收的信号功率的相对量度来计算角θ。如上所述，因为估算了装置与BTS之间的距离及其相对于所述BTS所成的角，所以判定了装置的唯一位置估算。

在有些实施例中，距离和角θ均可由MS判定，且随后计算出位置并将所述位置可选地发射给BTS。在这类实施例中，MS可包括一数据库，所述数据库中有关于同每个BTS相关联的各个参数的信息，例如BTS在无线网络内的位置、其覆盖区域、其中心等。在其他实施例中，MS可将关于其从每个扇区接收到的信号的功率的信息发射给BTS。此后，位置判定实体(PDE)或与无线网络进行通信的其他装置可接收MS所发射的信息并判定MS的位置，如上所述。然而，在这类实施例中，可使用一个或一个以上形成一程序并由(例如)一中央处理单元作为指令/数据来执行的软件模块的各种代码，或者使用特定配置并专门用来判定MS位置的硬件模块来进行MS的位置判定。或者，在两种实施例中，可使用软件模块与硬件模块的组合来进行MS的位置判定。

在另一实施例中，如果MS是位于两个BTS的重叠覆盖区域内，则可使用MS从两个BTS接收到的信号的到达时间差(TDOA)连同MS从一个或两个BTS的相关扇区接收到的信号功率的相对量度来估算MS的位置。

再次参看图1，示范性无线网络10的一扇区部分地包括BTS 20和BTS 30，所述BTS经过配置用来同MS(未图示)进行通信。BTS 20和30具有各自的小区或覆盖区域25和35。覆盖区域25是一个以BTS 20为中心的圆的区域。同样，覆盖区域35是一个以BTS 30为中心的圆的区域。

在这一实例中，BTS 20和30也分别具有三个扇区22、24和26以及32、34和36，所述扇区可能符合码分多址(CDMA)或其他适当标准。BTS 20和30可具有少于或多于三个的扇区。BTS 20和30具有一重叠区域40。虽然本实例中仅展示了两个BTS 20和30，但是，无线网络10可具有更多的BTS，其覆盖区域可能与或可能不与BTS 20和30的覆盖区域25和35重叠。

BTS 20具有虚线圆形区域28所示的中心覆盖区域，所述圆形区域28与圆形区域25同中心。同样，BTS 30具有虚线圆形区域38所示的中心覆盖区域，所述圆形区域38与圆形区域35同中心。同样，为清晰起见，覆盖区域图示为具有圆形形状，虽然在实践中其可具有不规则形状。圆形区域28、38中的每个的半径均(例如)可分别为相应圆形区域25、35的半径的一半，这取决于BTS的特定信号特征。然而，可根据BTS覆盖区域的部分来任意指定特定半径。例如，此可指定为1/2、1/3、1/4距离或其他距离处，衡量方式为仅可检测到一个BTS的覆盖区域边界与所述BTS的整个覆盖区域边界的比率。

位于覆盖区域25之外的MS可能无法从BTS 20的扇区22、24、26中的任何一个接收到信号。同样，位于覆盖区域35之外的MS可能无法从BTS 30的扇区32、34、36中的任何一个接收到信号。另一方面，位于BTS 20的任何扇区中的一MS可能既从所述扇区又从BTS 20的其他扇区接收信号。例如，位于扇区22中的MS可能既从扇区22又从扇区24和26接收信号。或者，位于扇区24中的MS可能既从扇区24又从扇区22和26接收信号。同样，位于BTS 30的任何扇区中的移动装置可既从所述扇区又从BTS30的其他扇区接收信号。位于重叠区域40中的装置可从BTS 20和30两处接收信号。

在另一实施例中，可使用启发式判定的MS位置的概率来估算一MS的位置。图3中展示了用于各BTS编号的一群曲线。y轴代表指示发现一MS的概率的概率密度函数值，且x轴代表以米计的MS与BTS之间的距离。图3中所示的数据是根据一个特定蜂窝网络位置启发式判定出来的。其他蜂窝网络位置可具有不同的曲线群。此外，认为图3中所示的特定数据是以500米增量分组的。换而言之，线上各种形状的图形所得的值表示所述形状于其中出现的500米区段中的所有MS的PDF值。此外，对于所示的特定数据，可以看出来，对于每个BTS组合(意即1个BTS、2个BTS、3个BTS和＞4个BTS)而言，出现一个最大概率值。例如，当两个BTS可见时，MS最可能在90％的情况下位于最强的BTS的1千米内，或在95％的情况下位于最强的BTS的1.5千米内。(注意，沿每一曲线的概率总和为1.0。)

可以用这项数据来估算MS的位置。因此，举例而言，如果MS仅能够与一个BTS进行通信(意即，当仅有一个BTS可见时)，则MS在95％的情况下位于BTS的一千米内。因此半径R₂(见图2)可选择为一千米或更短。或者，举例而言，可根据所述数据将用户位置估算为500米，其中概率为在95％的情况下MS将与所估算的位置距离500米或更近。

如果MS能够与两个BTS进行通信，则其位于两个BTS 20和30的重叠覆盖区域40内，如图1中可见。在这种情况下，可使用MS从两个BTS接收到的信号的TDOA连同MS从BTS的各扇区接收到的信号功率的相对量度来检测MS的位置，以下将进一步加以描述。

图4参照(例如)指定x-y轴的原点处展示的BTS 20来展示(例如)BTS 30的坐标x₃₀、y₃₀以及假设位于两个BTS的重叠覆盖区域内的MS的坐标x_d、y_d。假设t₂₀和t₃₀分别表示从BTS 20和30发射的信号到达MS经过的时间。依据TDOA，假设信号发射是统一的，一方面通过用以下方程式(2)形成的点50的轨迹来界定MS的可能位置：

[(x²+y²)^1/2-((x-x₃₀)²+(y-y₃₀)²)^1/2]＝C×(t₂₀-t₃₀)  (2)

其中，C为光速。在所示的实施例中，点50的轨迹形成一抛物线。

为了进一步界定MS的位置，计算x轴与从BTS 20到装置所划的线之间的角θ，如图4所见。这条线同抛物线50的交叉点唯一地检测MS的位置。与以上相同，可使用MS从BTS的各扇区接收到的信号功率的相对量度来判定角θ。

以上在计算角θ时展示的伪码(1)同样可用于装置能够与两个BTS通信的情况。因此，伪码(1)可用来判定MS相对于X(或Y)轴的角位置。假设根据伪码(1)，装置是沿线52与X轴成角θ定位的。因此，MS估算为位于点z处，其中线52展示为与点50的轨迹相交。应了解，伪码(1)仅代表计算角θ的一种示范性方法。许多其他线性或非线性表达式可用来计算此角。在所有这类表达式中，使用MS从一个或两个BTS的各扇区接收到的信号功率的相对量度来计算角θ。

在有些实施例中，可由装置判定所述抛物线以及角θ，随后计算位置并将所述位置可选地发射给BTS。在这类实施例中，MS可包括一数据库，所述数据库中有关于同每个BTS相关联的各个参数的信息，例如BTS在无线网络内的位置、其覆盖面积、其中心等。在其他实施例中，MS可将关于其从每个扇区接收到的信号的功率和到达时间或者到达时间差的信息发射给BTS。此后，位置判定实体(PDE)或与无线网络进行通信的其他装置可接收MS所发射的信息并判定MS的位置，如上所述。

可使用一个或一个以上形成一程序并由(例如)一中央处理单元作为指令/数据来执行的软件模块的各种代码，或者使用特定配置并专门用来判定MS位置的硬件模块来进行MS的位置判定。或者，可使用软件模块与硬件模块的组合来进行MS的位置判定。

本揭示并不意图局限于无线网络中BTS的任何特定数目、任何BTS的覆盖区域的大小或各BTS对之间的重叠区域的大小。此外，本揭示并不意图局限于当BTS为MS仅可与之通信的BTS时与MS被检测到的BTS处的预定距离的大小。本揭示也不意图受到无线网络、BTS或MS的类型的限制。可在不偏离随附权利要求中所阐述的本揭示范畴的情况下进行其他添加、减少、删除和修改。

Claims (2)

1.一种估算一具有复数个BTS的通信网络中的一MS的一位置的方法，其包括：

判定一MS位于与所述MS可同其通信的一BTS成各种距离处的概率；

判定使所述概率具有一最大值的一距离；

和将使所述概率具有一最大值的所述距离用作所述MS的所述位置估算的一部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述概率是启发式判定的。