CN1135886C - 为定位精度而智能细分候选基站 - Google Patents

Abstract

在具有执行一些对确定一个移动站位置有用的测量的能力的一类蜂窝电话***中，执行至少一个这种测量。该测量是按照一个成本函数执行的，该函数最小化***费用。利用该成本函数和测量值，确定该移动站的位置坐标。

Description

为定位精度而智能细分候选基站

本发明有关蜂窝电话***，更具体地说有关在一个蜂窝电话***中确定一个移动站的位置。

在一个蜂窝***中定位是一个越来越受重视的功能。在有一些应用(政府、运营者和商业)中，可能要用到有关移动站在一个蜂窝电话***中的当前位置的信息。

为测量一个移动站的位置，可以使用一个外部***，如卫星全球定位***(GPS)，或者使用一个基于蜂窝***本身的***，蜂窝定位***(CPS)。一般不希望使用一个GPS***，因为这需要额外的硬件和开销。使用一个CPS***通常是更便利的，因为它利用的是蜂窝电话***中的现有硬件。一个CPS***可以是基于终端的，此时在移动站中进行测量，也可以是基于网络的，此时在网络中进行测量。本发明主要指的是基于网络的CPS解决方法。

移动站的位置可由一些测量值确定，它们可以是时间，角度，多谱勒测量值等。到达时间测量值(TOA)测量的是一个移动站和一个基站间的传播时间。到达时间差(TDOA)测量值测量的是移动站和两个不同基站间的传播时间差。到达角(AOA)测量值测量的是以来自基站的某一方向为基准的，到移动站的角度。然后，从基站接收的测量值被用于计算移动站的实际位置。这一使用熟知的几何公式的过程被称为三角测量法。

为找出一个移动站的实际位置，必须使用一个诸如三角测量法的技术，将测量值算术转换为一个位置坐标。位置坐标的精度是由一些参数决定的。影响位置坐标精度的一个重要参数是测量精度。一个好的测量精度可以得出一个好的位置坐标精度，反之亦然。另一个参数是测量几何，即，与定位过程有关的移动站和基站的相对位置。一个差的测量几何将使定位精度急剧降低。例如，如果图1中的三个基站BS1-BS3(从这三个基站进行测量)都位于移动站MS的左边或右边，则测量精度将会降低。

测量(TOA，AOA，TDOA等)精度和位置坐标精度间的关系是由基站和移动站的位置决定的。对于一些结构来说，精度会很差。这种现象被称为精度的几何减弱(GDOP)。算术上，GDOP被定义为位置坐标精度除以测量精度。如果由于一些原因，只能从候选基站的一个子集中或以一个序贯的顺序进行测量，则对于差的基站选择，GDOP和差的测量精确度会急剧降低定位坐标的精确度。更进一步，如果用来进行测量的基站不是那些具有最佳信噪比(SNR)的基站，则精确度也会降低。

因此，需要一种能克服这些问题的改进的定位***。

本发明有关一种方法和设备，用于确定一个移动站在一个蜂窝电话***中的位置。测量是利用移动站的最佳先验知识进行的，并且可以以一个序贯顺序从基站的一个子集(其中可以进行细分)中进行测量。一个算术函数被用于确定最合适的基站子集，以便最小化***花费。于是，根据测量值和该函数，可以获得某时间内的某一个定位坐标精度。如果只能从候选基站的一个子集进行测量，或只能从一个可进行细分的子集中以序贯顺序进行测量，则重要的是在确定子集以使定位坐标精度最高时，应将测量精度和移动站的先验知识都考虑在内。

图1是一个用于解释到达时间(TOA)定位测量技术的图形；

图2是一个用于解释到达时间差(TDOA)定位测量技术的图形；

图3是一个用于解释到达角度(AOA)定位测量技术的图形；

图4是一个使用本发明的蜂窝电话***的方块图。

本发明特别适用于使用一个已提出的用于一个GSM蜂窝电话***的，被称为ERA-TA的Ericsson定位方法，其中，从至少三个基站测量到达时间(TOA)，以确定移动站和每个基站间的距离。这些测量值被转换为一个定位坐标，且可以在一个正在进行的呼叫期间和移动站处于空闲模式时执行测量。除了诸如ERA-TA的一个TOA测量过程之外，本发明还特别适合于使用到达角度(AOA)和到达时间差(TDOA)测量过程，以及任何其它合适的TOA测量过程或测量过程的任何组合。

现参照图1，描述了与Ericsson的ERA-TA方法相关联的TOA测量过程。该测量过程要求移动站MS被连接到至少三个基站BS1，BS2，BS3上。这是按顺序进行的，并要求至少切换到两个基站。可以根据有最佳信噪比(SNR)来选择基站BS1-BS3。选择切换候选站的另一个技术是从具有最强测量下行链路功率的基站中选择有最佳信噪比的基站。

为确定移动站MS的位置，利用到达时间技术来确定移动站MS到三个基站BS1-BS3中的每一个的距离。来自基站BS1的测量距离R1定义了围绕基站BS1的圆C1，移动站MS位于沿圆C1的某处。同样，分别从基站BS2和BS3测量出距离R2和R3，从而定义了圆C2和C3，圆C1，C2，C3的交点定义了移动站MS的位置。

测量距离R1，R2和R3时的不精确将影响位置坐标的精度。影响程度是由测量几何确定的。这可由交叉圆C1，C2和C3的相交看出来。如果圆C1，C2和C3在小角度上相交，则将对测量精度有显著影响，且位置坐标的精度很差。如果圆C1，C2和C3相交成直角，则对测量精度的影响很小，且定位坐标精度较好。在基站BS1，BS2和BS3的结构的中心，定位坐标精度最好。在穿过所有基站BS1，BS2和BS3的圆上，精度也很好。靠近基站BS1，BS2和BS3的地方，精度相对较差。

除了由ERA-TA方法中的测量距离引起的不精确性之外，与ERA-TA方法相关的切换也会干扰语音传输。切换使连接断开大约0.5-1.0秒。从而具有时间消耗。因此，按本发明，需要一个智能化细分和一个切换候选站的智能优先级顺序。

现参照图2，描述了一个到达时间差(TDOA)测量技术的例子。图中描述了网络成员或基站BS4，BS5和BS6。对两个基站BS4，BS5的TDOA测量值给出了移动站间的范围差值，该移动站可位于两个基站间的双曲线H1上的任意位置。通常，必须有来自基站BS6的第三个测量值以确定移动站的位置。不过，根据本发明，只有两个TDOA测量值可被使用。

在TDOA测量技术中，测量不精确性将影响定位坐标的精度。影响程度是由测量几何确定的。通过交叉双曲线H1，H2的交叉，可以看出这一点。如果双曲线以小角度相交，则将会对测量精度有显著影响，且定位坐标精度很差。如果双曲线以直角相交，则对测量精度的影响明显减小，且定位坐标精度较好。

现参照图3，其中示出了一个到达角度(AOA)测量的例子。描述了两个基站BS7和BS8。对每个基站BS7，BS8的AOA测量都提供了从每个指定的基站到移动站的方位角。如果只测量了一个方位角，则移动站可能位于沿该方位角的任意位置。要确定移动站的位置，只需来自两个不同基站的两个测量值。在图3中，两个方位角的交叉点表明了移动站的位置。

在AOA方法中，测量的不精确性将影响定位坐标的精度。影响程度是由测量几何决定的。从来自基站BS7、BS8的交叉射线或方位角的交叉，可以看出这一点。如果射线以小角度交叉，则对测量精度将有显著影响，且定位坐标精度较差。如果方位角以直角相交，则对测量精度的影响明显较小，且定位坐标精度较好。

如果要利用TOA，TDOA或AOA方法，以要求的精度并在一个要求的时间区间内确定一个移动站的位置，则这种确定所要求是精度和时间。可以定义一个成本函数，该函数决定以某种方式执行测量的“花费”。该函数可以包括由用于测量的基站数量所确定的花费，使用高质量信道的花费。网络中某一负载分配所引起的花费等。该函数的输入可以是网络计划，网络中的负载分配，所用测量方法，MS定位的先验知识，不同信道上的期望测量精度，基站数量等。本发明的目标是，使用TOA、TDOA、AOA或其它合适的测量方法，在满足位置估算的要求的同时，最小化所需的费用。

概括地说，本发明指的是一种确定一个移动站在一个蜂窝电话***中的位置的方法。定义了一个函数，该函数描述了在挑选某一基站子集和用于测量的某信道时所涉及的花费。根据该函数，选择一个基站的子集和信道，以使花费最小。然后，将该移动站分配给该信道。在该信道上，从所选基站集进行测量，该测量是关于移动站的位置的。然后，可以获得以该测量值为基础的一个定位坐标估计值。

该函数可视一个或多个不同的变量而定。例如，这些变量可以包括：

1.执行测量的时间。

2.执行测量的时间区间。

3.定位坐标估计值精度的预测值。

4.是哪一个信道被用于进行测量。

5.不同信道上测量精确度的预测，且这些测量精确度预测值是依赖于信号品质的。

6.子集中基站的数量。

7.移动站位置的先验知识。

8.移动站位置精确度的估计值。

9.对于信道和移动站子集的某种选择来说，网络中的负载分配。

10.用于该信道和该基站子集的测量方法。

11.使用一个高品质信道的花费。

12.基站位置。

13.估测的精度几何减弱。

可以使用一些不同的测量方法来实施本发明。这些测量方法可能包括到达时间测量方法，到达时间差测量方法，或到达角度测量方法。本发明并不局限于这些特定方法。可以使用任何适合的测量方法。

本发明也可这样实施，使基站子集中的一个基站在一个时间执行测量，且测量可以以一个序贯顺序执行。对序贯顺序中的每一步，都可根据该函数挑选一个新的基站子集和一个新的信道。

本发明也可以通过将移动站分配给新的信道来实施。以上所述函数也可由序贯顺序中以前所做的测量来确定。该函数还可由信道分配变化所引起的花费来确定，或者，该函数可由基站子集变化所引起的花费来确定。

现参照图形和附加文字，其中描述了本发明的一个指定实施例。在该实施例中，本发明是利用图1的TOA或ERA-TA方法来实施的。不过，本发明也可利用不同于ERA-TA方法的其它方法来实施。例如，本发明可利用以上图2所述的TDOA方法，以上图3所述的AOA方法，以及任何合适的TOA测量过程或测量过程的任何组合来实施。

现参阅图4，其中是本发明蜂窝电话***的方块图。在这样一个***中，有多个移动站，但为了简化，在图4中只示出了一个单独的移动站MS。该移动站MS可以同多个基站BS1，BS2，或BS3进行通信。基站BS1-BS3被连接到基站控制器BSC1和BSC2上。基站控制器BSC1和BSC2又被连接到一个移动定位中心MPC上。

现在，解释图4的蜂窝电话***中所用的定位***的操作。例如，假设我们有一个正在进行的呼叫，其服务网络中有基站BS1。在服务网络的基站BS1，已进行了TOA测量。该TOA测量值可通过一个接口从服务网络的基站BS1传输到基站控制器BSC1。

如图4中所示，作为一个定位控制单元的移动定位中心MPC，可被连接到基站控制器BSC1和BSC2上，且移动定位中心MSC接收TOA测量值。从基站控制器BSC1和BSC2也向移动定位中心MPC报告切换候选站(HC)。另一个替换方法是使移动定位中心MPC连接到一个移动业务交换中心MSC上。移动定位中心最好包括一个合适的程控数字计算机，它可以处理由基站控制器BSC1或BSC2向它报告的信息。

切换候选站HC的信号强度和信道品质也输入给移动定位中心MPC。从而，可以估计每个HC的相应信道上的TOA测量精度。对于移动定位中心MPC来说，切换候选站HC的位置是已知的。实际上，所有基站BS的位置对于移动定位中心MPC来说都是已知的。

现在，移动定位中心MPC利用一个成本函数来挑选一个第一伪切换候选站(FHC)，即，有一个信道的切换候选HC。“伪切换”的意思是，移动站MS只是在执行测量时，连接到切换候选站上。随后，移动站MS又返回到基站。如果对移动站MS位置的了解很少，则该选择可以是具有某最小SNR的一个网络和信道。伪切换候选站FHC进行TOA测量并将它们传递给移动定位中心MPC。

现在，移动站MS的位置可被确定为两个点例如图1中圆C1和C2的两个交叉点。在一些情况下，根据测量结果，可以利用一个单独的点确定移动站MS的位置。对成本函数进行更新，使其包括对移动站MS的位置的新的认识。确定一个新的伪切换候选站FHC，且FHC进行TOA测量，并将测量值传递给移动定位中心MPC。

从此，移动站MS的位置被确定为一个单独的点。利用该点和其它信息来更新成本函数，并挑选新的伪切换候选站FHC，直到由成本函数确定为止。最终的估计值被保存起来并/或传递给一个用户应用程序。

如果有移动电台MS位置的先验知识，且如果切换候选站HC的期望测量精度是已知的，则可按以下方法确定定位坐标的期望精度。测量MS-HC关系和真实测量值间的算术关系是已定义的。测量MS-HC关系可被推导为关于移动站MS位置的一阶泰勒级数。可以假设该泰勒级数等于实际测量值，它给出一个等式***。去掉等式***两边由MS位置的先验知识给出的估计真实测量值，只剩下定位坐标误差和实际测量值误差间的线性关系式。如果位置坐标是按照最小平方和误差搜索解法由泰勒级数估值计算出来的，则以根据测量误差的协方差加权的和表示的最小平方和误差解，可得出已获得误差的估值。定位误差的协方差矩阵被确定下来。假设定位坐标的误差是零平均值高斯分布的，则可为某半径确定概率误差圆。该半径和概率可被用于代表定位坐标的精度。在两个估计移动电台MS位置被输入给一个成本函数的情况下，它们的平均CEP可被用于比较不同的FHCS。

以下列出了在一个TOA，TDOA，AOA或任何测量过程的组合中，可被用于实施本发明的实际算法。这些算法仅仅举例说明了在具有相对于某点的移动站位置的先验知识时，如何实施本发明，但本发明并不局限于这些指定的算法。

在这个例子中，该算法被局限为一个平面上的两维定位位置。采用该平面上的一个正交坐标轴集，且在这些轴上，使：

X，Y＝车辆的真正位置

X_K，Y_K＝第K个BS的实际(已知)位置，K＝1，2，…，n。

n＝BS的号码。

令mi为第i个测量值(范围，方位角等)。我们有以下形式的代数关系式：f_i(x，y，x_k，y_k)＝u_i＝m_i-e_i，i＝1，2，…，M其中：

u_i＝被测数值的正确值，

e_i＝m_i测量值中的误差。

M＝来自所有BS的测量值的总数。

我们假设误差e_i呈零均值的高斯分布，E[e_i]＝0。我们将第i-j项写为误差协方矩阵R：r_ij＝E[e_ie_j]。从而，测量值m_i是高斯分布的，其中： $p\left(\stackrel{\‾}{m}\right|\stackrel{\‾}{r}=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^{(M-1)/2}{\left|R\right|}^{1/2}}\·\exp \{-\frac{1}{2}{(\stackrel{\‾}{m}-\stackrel{\‾}{f})}^T{R}^{-1}(\stackrel{\‾}{m}-\stackrel{\‾}{f})\}$ 这里 m＝[m₁…m_M]^T， f＝[f₁…f_M]， r＝[xy]^T，Cramεr-Rao给出了一个无偏位置估计的协方差矩阵的下限Qo，CRLB是这样给出的： $Q_o=\left\{E\right[\left(\frac{\∂}{\∂\stackrel{\‾}{r}}\ln p\left(\stackrel{\‾}{m}\right|\stackrel{\‾}{r})\right){\left(\frac{\∂}{\∂\stackrel{\‾}{r}}\ln p\left(\stackrel{\‾}{m}\right|\stackrel{\‾}{r})\right)}^T]{\}}^{-1}$ 其中 $\frac{\∂}{\∂\stackrel{\‾}{r}}\ln p\left(\stackrel{\‾}{m}\right|\stackrel{\‾}{r})=\frac{{\∂\stackrel{\‾}{f}}^T}{\∂\stackrel{\‾}{r}}{R}^{-1}(\stackrel{\‾}{m}-\stackrel{\‾}{f})$ 于是 $Q_o={\left(\frac{{\∂\stackrel{\‾}{f}}^T}{\∂\stackrel{\‾}{r}}{R}^{-1}\frac{\∂}{\∂\stackrel{\‾}{r}}\right)}^{-1}$ 在TOA情况下： $f_i=\sqrt{{(x-x_k)}^2+{(y-y_k)}^2}$  f/( r)中的一行是： $\frac{\∂f_1}{\∂\stackrel{\‾}{r}}=\left[\begin{array}{cc}\frac{(x-x_k)}{r_k}& \frac{(y-y_k)}{r_k}\end{array}\right]$ 其中 $r_k=\sqrt{{(x-x_k)}^2+{(y-y_k)}^2}.$ 在TDOA情况下： $f_i=\sqrt{{(x-x_k)}^2+{(y-y_k)}^2}-\sqrt{{(x-x_l)}^2+{(y-y_l)}^2}$  f/( r)中的一行是： $\frac{\∂f_i}{\∂\stackrel{\‾}{r}}=\frac{(x-x_k)}{r_k}-\frac{(x-x_l)}{r_l}\frac{(y-y_k)}{r_k}\frac{(y-y_l)}{r_l}$ 在AOA情况下：f_i＝atan((y-y_k)/(x-x_k))f/( r)中的一行是： $\frac{\∂f_i}{\∂\stackrel{\‾}{r}}=\left[\frac{y-y_k}{r_k^2}\frac{x-x_k}{r_k^2}\right]$ 圆周误差概率(CEP)是：P_p＝P( r^T  r＜p²)这是将MS定位在半径P之内的概率。假设位置坐标的误差是呈零均值高斯分布的，则可将CEP写为： $P_p=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{o}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}e\frac{p^2}{2{({\left(a\cos \mathrm{\θ}\right)}^2+{\left(b\sin \mathrm{\θ}\right)}^2)}_{\mathrm{d\θ}}}$ 这里，a和b是坐标轴旋转时Qo的对角元素，所以Qo形成一个对角矩阵。

可以理解，本发明能提高定位***中的精确性。由于信道的有效使用，可提高“定位精度”与容量损耗比。由于再次细分，还可提高定位精度“与”测量时间比。

Claims (31)

1.一种方法，用于确定一个移动站(MS)在一个蜂窝电话***中的位置，该移动站(MS)的大概位置是已知的，且该蜂窝电话***具有多个有已知位置的基站(BS1，BS2，BS3)，该方法包括：

定义一个函数，它描述了在***中执行测量时的费用，该***所涉及的***资源包括用于测量的某一基站子集和某一信道；

选择一个基站子集(BS1，BS2，BS3)和一个信道，使执行测量时的费用最小；

将该移动站(MS)分配给所述信道；

在所述信道上，从具有已知位置的所述所选择的基站集(BS1，BS2，BS3)，执行有关该移动站(MS)位置的测量；及

根据该测量值，获得一个在所要求的精度范围内的位置坐标估计值。

2.如权利要求1的一个方法，其中，所述函数是由执行测量时的时间而定的。

3.如权利要求1或2的一个方法，其中，所述函数是由在其中执行测量的时间区间确定的。

4.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是视所述位置坐标估计值的精确度的预测值而定的。

5.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数取决于哪一个信道被用于所述测量。

6.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由不同信道上所述测量值的精度的预测值确定的。

7.如权利要求6的方法，其中，所述测量精度的预测值是由信号品质而定的。

8.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由所述子集中基站(BS1，BS2，BS3)的数量而定的。

9.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由移动站的先验知识而定的。

10.如权利要求9的方法，其中，所述函数是由所述移动站位置的精度的一个估计值而定的。

11.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由对所述信道和所述基站(BS1，BS2，BS3)子集的某种选择而言的网络中的负载分配而定的。

12.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是视所述信道和所述基站(BS1，BS2，BS3)子集中使用的测量方法而定的。

13.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由使用一个高品质信道的费用确定的。

14.如权利要求1或2的方法，其中，所述函数是由所述基站(BS1，BS2，BS3)的位置确定的。

15.如权利要求1或2的方法，所述函数是由精度的估计的几何减弱确定的。

16.如权利要求12的方法，其中，所述测量方法之一是到达时间测量方法。

17.如权利要求12的方法，其中，所述测量方法之一是到达时间差测量方法。

18.如权利要求12的方法，其中，所述测量方法之一是到达角度测量方法。

19.如权利要求1或2的方法，其中，所述基站子集(BS1，BS2，BS3)中的一个基站在某一时间执行测量，该测量是以一个序贯顺序执行的。

20.如权利要求19的方法，其中，可以按照所述函数为所述序贯顺序中的每一步选择一个新的基站子集(BS1，BS2，BS3)和一个新的信道。

21.如权利要求20的一个方法，其中，所述移动站(MS)被分配给所述新信道。

22.如权利要求20的方法，其中，所述函数视所述序贯顺序中以前的测量值而定。

23.如权利要求20的方法，其中，所述函数视信道分配的改变所引起的费用而定。

24.如权利要求20的方法，其中，所述函数视基站子集(BS1，BS2，BS3)的改变所引起的费用而定。

25.如权利要求1的方法，其中，将移动站分配给一个信道的步骤包括将移动站(MS)分配给基站子集(BS1，BS2，BS3)中的一个基站，以专用于执行测量。

26.如权利要求25的方法，其中，获得一个定位坐标估计的步骤包括利用关于移动站(MS)的位置的测量来进行一个泰勒级数估计。

27.如权利要求26的方法，执行测量的步骤是从执行一个到达时间测量，执行一个到达时间差测量，或执行一个到达角度测量中挑选出来的。

28.一个蜂窝电话***中的一个定位***，该蜂窝电话***包括多个有已知位置的基站(BS1，BS2，BS3)，和至少一个大概位置已知的移动站(MS)，该***包括：

用于定义一个函数的装置，该函数描述了在***中执行测量的花费，该***涉及的***资源包括用于测量的某基站子集(BS1，BS2，BS3)和某信道；

用于挑选一个基站子集(BS1，BS2，BS3)和一个信道的装置，它使执行测量的费用最小；

用于将移动站(MS)分配给所述信道的装置；

用于在所述信道上，从具有已知位置的所述所选择的基站集(BS1，BS2，BS3)执行有关该移动站(MS)位置的测量的装置；

用于根据所述测量值，获得一个所要求的精度范围内的定位坐标估计值的装置。

29.如权利要求28的***，其中，将该移动站分配给一个信道的装置，用来将该移动站(MS)分配给基站(BS1，BS2，BS3)子集中的基站之一，专门用于执行测量。

30.如权利要求29的***，其中，获得一个定位坐标估值的装置包括用来利用关于移动站(MS)的位置的测量来进行一个泰勒级数估计的装置。

31.如权利要求30的***，其中，执行测量的装置是从执行一个到达时间测量的装置，执行一个到达时间差测量的装置，或执行一个到达角度测量的装置中挑选出来的。

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