基于时间和功率的无线定位及选择位置估计方案的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年9月21日提交的序号为13/624,654的美国专利申请的权 益，其是2010年12月28日提交的序号为8315647的美国专利的部分接续申请案，二者的 内容通过引用其整体并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及用于定位无线设备，也称为移动台（MS)的方法和仪器，诸如在 模拟或数字蜂窝系统、个人通信系统（PCS)、增强型专用移动无线电通信（ESMR)、以及其他 类型的无线通信系统中使用的移动台。更具体地，但不完全是，本发明涉及使用现存的无线 基础设施数据的移动设备的定位。
[0004] 背景
[0005] 无线通信网络（WCN)通过收集关于网络的无线电信息来管理无线移动设备的移 动性。从基于定位服务的出现，该无线电信息已经被用于提供低精确度和中精确度的位置 估计。
[0006] 在非软切换的系统中，网络中的每个激活的手机的定位对于最近的服务小区和服 务扇区是已知的。通过对服务小区和/或服务扇区的预先建立的炜度和经度的简单转化， 服务小区和服务扇区的识别可以转换为位置估计。
[0007] 基于包含WCN的测量时间或手机的测量功率的从服务小区到手机位置的范围估 计提供了一种基于改进基本服务小区标识符、具有极少的额外计算的位置估计方法。
[0008] 小区/扇区标识符加上使用手机收集的来自一个或多个潜在切换的相邻小区的 网络信息的测距方法的进一步改进一般被称为增强型小区ID(ECID)。ECID技术依靠手机 单元的能力来记录来自多个潜在的切换候选/相邻小区的信标（也称为导频）的功率等 级。该技术添加了基于绝对功率和/或基于到达功率差（PD0A)的测量结果来改进服务小 区的测距位置估计。
[0009] 由于通常WCN知道由激活的移动设备测量的各个附近的发射小区的扇区的接收 信号功率，ECID值的ro〇A是基于由手机对服务小区的信标和/或一个或多个潜在的切换候 选/相邻小区的信标所测量的接收信号的等级。由于ro〇A数据的采集要求对两个或多于 两个相邻小区站点的可见性，所以定位成功率将小于1〇〇%。RF多径、移动接收机的质量、 以及测量的颗粒度的影响都对降低ECID的定位精确度有影响。
[0010] 在GSM、UMTS和LTE中的ECID
[0011] 在GSM中，ECID也被称为网络测量报告（NMR)定位。NMR由手机生成以给WCN提 供关于服务小区和相邻小区的信息以便于如在GSM/3GPP技术标准05. 08, "无线子系统的 链路控制"第3节（切换）中所描述的一样进行切换。
[0012] 在3GPP技术规范43. 059，"GERAN中的定位服务（LCS)的功能规范阶段2"部分，第 4. 2. 1节，将增强型小区ID定位技术标准化为"定时提前"定位。在3GPP技术规范36. 305， "E-UTRAN中的用户设备（UE)定位功能规范阶段2"的第4. 3. 3节中对LTE网络中的"增强 型小区ID的方法"进行了描述。
[0013] 在例子GSM系统中，NMR包括手机生成的测量结果。测量结果的信息元素的目的 是提供由移动台做出的关于服务小区和相邻小区的测量结果。测量结果的信息元素按照 GSM/3GPP技术规范04. 08, "移动无线接口层3规范"的第10. 5. 2. 20节（测量报告）所示 的方法进行编码。
[0014] 移动定位中心（MLC)使用NMR输送服务小区ID(在GSM中，小区全球标识（CGI)提 供给小区和扇区）来将小区站点的地理位置看作参考点。上报的当前服务小区的定时提前 (TA)值允许根据参考点的距离计算。当接收信号强度指示（RSSI)是在业务控制信道上接 收而不是广播控制信道上接收时，服务小区的接收信号强度指示（RSSI)使用当前手机的 动态功率控制设置来校正。服务小区的已校正的RSSI值则使用它已知的广播有效辐射功 率（ERP)的值被归一化。相邻上报小区的广播控制信道（BCCH)信标的接收等级值（RxLev) 则针对它们已知的广播有效辐射功率的值（ERP)被归一化。使用服务小区的天线位置、TA 获得的距离、以及来自三个或多于三个站点的PD0A，可以计算位置估计。
[0015] 由于ECID能够使用H)0A多边测量法，所以相邻小区的地理分布也通过地理精度 衰减因子（G0DP)而影响定位质量。当NMR数据没有在充足的时间间隔内被采集时，会通过 接收机站点选择，限制潜在的GD0P降低，而只有最多六个相邻小区的RxLev测量结果存在 于NMR中的局限性限制了精确度。
[0016]由于ro〇A测量结果要求平均多个采样以抵消接收信号的快衰落效应（在有效呼 叫期间，GSM的NMR由移动台周期性地发送），所以延迟远高于其他基于小区ID的技术。
[0017] 由于RSSI测量只用于服务小区，所以当处于激活模式的手机是基于BTS的可变功 率设置时，在服务小区的RSSI的归一化纳入H)0A的计算之前，要求来自GSM的WCN的BTS 前向（下行链路）的功率控制设置的知识。
[0018] 可以使用校准提高ECID定位系统中的精确度。ECID校准可以包括预测的RF传播 映射和大规模驱动测试的使用以创建CGI/RxLev的"指纹"网格。通过将相邻小区的列表 和接收信号的等级映射在覆盖区域上，可能在具有较高BTS密度的网络中得到200-500米 距离内的中等精确度的结果。
[0019] 在序号为7, 434, 233的美国专利中，教授了单个站点的ECID定位系统，其中来自 具有一个服务扇区和两个共址扇区的单个3扇区基站收发台（BTS)的功率测量结果允许限 定源于BTS的小区站点的定时范围带和方向角的扇区的形成。
[0020] 本文所描述的发明技术和概念应用到包括广泛使用的IS-136(TDMA)、GSM的 时分复用通信系统和频分复用通信系统（TDMA/FDMA)和诸如LTE、LTE演进和IEEE 802. 16(WiMAN/WiMAX)的正交频分复用（OFDM)无线系统。所讨论的全球移动通信系统 (GSM)模型是示例性的而不是本发明可使用的专用环境。
【发明内容】
[0021] 本文所公开的是一种用于处理容易获得的无线网络信息、关于蜂窝网络的定时和 功率信息以及由移动设备和网络完成的典型测量结果的方法。公开了使用时间（g卩，范围） 和功率差二者来定位手机的不同方法，这些方法定位手机的精确度比具有测距的小区ID 的方法更好，具有高容量并且不需要校准。此外，我们公开了用于在无线位定位系统中选择 位置估计方案的改进的计算机实现方法。
[0022] 本发明的一个说明性实施例提供了一种在定位移动设备中使用的方法。发明方法 的实施例包括引起移动设备接收来自服务基站收发台（BTS)和一个或多个相邻BTS的信标 信号的步骤。每个BTS位于小区站点并且每个信标信号包括小区标识（CID)信息。基于所 接收的信标信号，检测出同级对的数目。同级对包括多扇区小区站点的两个下行链路传输 天线，该多扇区小区站点定位在彼此相距较近处（例如，1〇〇米内）并且其天线方向图的主 波束指向不同的方向。接着，基于所检测到的同级对的数目选择预先定义的定位方法。移 动设备测量从多个小区站点中的每个小区站点接收的广播信标功率并且上报所测量的功 率和具有最大测量功率的小区站点的扇区的标识，以及由网络确定并转发到移动设备的定 时提前（TA)值。TA值充当从服务小区的扇区到移动设备的距离测量结果。
[0023] 在说明性的实施例中，当所检测到的同级对的数目为零时，选择使用具有测距的 到达功率差（PD0A)的定位方法。当所检测到的同级对的数目为一时，选择单个站点定位方 法或相邻站点定位方法。当所检测到的同级对的数目大于一时，选择功率到达角（A0A)定 位方法或具有测距的功率A0A定位方法中的一种方法。
[0024] 在说明性的实施例中，可以利用所述方法，以使用关于WCN的信息以中等精确度 对扇区化的无线通信网络（WCN)中的移动设备进行地理定位，关于WCN的信息被存储在结 合由支持移动性进程的网络中的移动设备所做出的测量结果的数据库中。在这点上，可以 根据来自一对相邻的扇区（同级扇区）的功率测量结果和扇区天线的空间特性和朝向的知 识，确定从扇区化的小区站点到移动设备的方位/角。接着，利用源于服务小区的定时范围 或基于功率获得的范围值和利用来自一个或多个小区站点的具有最大测量功率的同级扇 区之间的功率差的测量结果，可以确定移动设备的位置估计。
[0025] 在上面所描述的实施例中，功率A0A定位的方法或具有测距的功率A0A定位的方 法包括使用同级对的移动设备的地理定位的概率方法。通过建立相邻小区的同级扇区之间 在范围带上的定时提前和功率差模型，得到来自无线网络的定时信息（在GSM中的定时提 前（TA))和功率信息。
[0026] 如前所述，我们还公开了一种用于在无线定位系统中选择位置估计方案的方法。 在一个说明性的实施例中，用于选择位置估计方案的方法包括在一段时间内采集网络测量 报告（NMR)数据。（这在图11中表示为步骤1101)。接着，预处理NMR数据（步骤1102)， 并且，该方法随后包括从预处理的NMR数据中确定小区是否存在有效的定时测量结果（步 骤1103)。由此，各种"场景"可按照如下内容激活。在说明性的实施例中，这些场景列举为 LES1、LES2、LES3、LES4、LES5 和LES6。
[0027] 本发明的附加特征以及各个方面将在下面的内容中进行描述。
[0028] 附图简述
[0029] 当结合附图阅读本发明时，可以更好的理解前面的
【发明内容】
以及以下的详细说 明。为了说明本发明的目的，在附图中示出了本发明的示例性结构；然而，本发明并不局限 于所公开的特定方法和手段。在附图中：
[0030] 图la示意性地描述了初始信号的采集和分析。
[0031] 图lb示出了没有同级扇区的定位过程。
[0032] 图lc示出了单个同级对场景的定位过程。
[0033]图Id示出了当检测到两个或多于两个同级对时的定位过程。
[0034]图2通过图形描述了相邻小区站点中的单个同级对的定位场景。
[0035] 图3通过图形描述了当两个同级对存在于两个相邻小区站点时的定位场景。
[0036] 图4通过图形示出了描述当两个同级对存在于两个相邻小区站点以及来自服务 小区的定时范围不可用的定位场景。
[0037] 图5通过图形示出了当三个同级对存在于三个相邻小区站点以及来自服务小区 的定时范围不可用的定位场景。
[0038] 图6通过图形描述了无线接入网中基于手机的下行链路信号的采集。
[0039] 图7a示出了基于时间概率和功率的几何学位置确定算法。
[0040]图7b详述了测量的方位角和建模的方位角间的地理差异。
[0041] 图8示出了形成方位角的恒定功率差的同级扇区天线轨迹的空间特性。
[0042] 图9示出了典型的使用半功率波束宽和前后波瓣