CN1185267A - 在蜂窝电信系统的服务区域中定位移动终端的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于在蜂窝电信系统(10)中定位移动终端(24)的移动终端定位器识别多个具有足够信号强度来维持呼叫的候选切换小区(22,23),并使得移动终端(24)从它正在服务的小区(21)切换到多个候选小区(22,23)。然后定位器计算移动终端(24)和基站之间的信号强度与传播延迟。信号强度或者传播延迟,或者二者一起被用来计算移动终端(24)与每个候选切换小区(22,23)相关的每个基站之间的距离,以及移动终端(24)与它的服务基站(21)之间的距离。从计算出的距离,可以定界该移动终端可能位置的多个弧形区域(26,29,30)。最后,移动终端定位器计算出可能位置的多个弧形区域(26,29,30)的相交点,确定移动终端(24)的位置。该定位器可以工作在有或没有由基站发出的同步时钟参考信号的服务电信系统中。

Description

在蜂窝电信系统的服务区域中定位移动终端的系统和方法

发明背景：

发明的技术领域：

该发明涉及蜂窝电信系统，特别涉及在蜂窝电信系统的服务区域中定位移动终端的系统和方法。

相关技术的描述：

在现代蜂窝通信系统中，服务区域被分成小区，每个小区由一个基站服务。当移动终端移动到系统的服务区域附近，它们被从一个小区切换到另一个小区，这样服务就不会被中断。在紧急情况下，这样的定位信息对于负责情况的警察或急救队将会非常有用。

现有用于定位移动终端的办法的最大的问题是，在现有蜂窝网络结构中的实现需要高开销和高复杂性。一些解决方案需要对基站或蜂窝通信系统的其它部分作大的改动。其它的一些方法需要对移动终端作大的改动，且由于大量的没有改动过的移动终端已经在使用，这些方法是不合适的。

虽然对前面所阐述的低效和缺点还没有已知的解决方法的现有技术，比如这里所提到的解决方法，但有一些现有技术可作参考，这些技术讨论的主体与这里所讨论的事情有一些联系。所述的现有技术的参考有：美国专利第5,293,645，sood；5,293,642，lo；和5,208,756，song。这些参考将在下面作简要阐述。

美国专利no.5,293,645 sood(sood)公开了在蜂窝电话网络中定位可移动无线终端的系统和方法。sood需要多个基站传送同步了的时域参考信号。网络中的接收器接收从将被定位的无线终端发送的信号，该信号包括在无线终端形成的信息，表示从至少三个基站发来的时域参考信号的接收过程中相对的传播时延。带有接收器的处理器处理发送的信号，将传播时延转换成无线终端的地理位置。

在sood中公开的定位方法有几个缺点。首先，现有网络必须被改造，以实现所有的基站同时发送同步时域参考信号。第二，移动无线终端必须被改造成能够构成信息，该信息表示从至少三个基站发来的时域参考信号的接收过程中相对的传播时延。第三，移动终端必须被改造成能够发送该信息。第四，接收器必须被改造或增加到网络中，用来接收从移动终端发送的表示相对传播时延的发送信息。第五，处理器必须被加入到网络中，用以将传播时延转换为无线终端的地理位置。总之，sood提供了一种非常昂贵并且逻辑上复杂的定位移动终端的方法。

美国专利No.5,293,642，lo(lo)公开了一种在蜂窝通信系统中估测移动站位置的方法。移动站测量在移动站移动范围之内每个基站与移动站之间的无线传播参数。被测量的参数可以包括信号强度和无线传播时延，并且与基站天线发射模型数据一起生成有关无线路径衰落的信息。然后这些参数被用来为每个独立的基站定义位置概率密度函数。然后通过将每个基站的独立函数合成，构造出联合概率密度函数。该联合概率密度函数将被用来统计地估算移动站可能的位置。

与sood相似，在lo中阐述的解决方案具有一些不足之处。首先，蜂窝通信系统和移动站必须被改造以便为每个基站检测和计算各种无线传播参数。lo并没有阐述诸如无线路径衰落的参数是如何确定的，只是叙述它们可以通过无线信号强度测量技术，使用车载测试发射器或通过传播的理论模型或通过两者的结合来确定。在通信系统中所有基站所覆盖的范围中确定上述的无线传播参数将是非常昂贵和费时的。第二，如此大量的数据必须存储并在快速计算概率密度函数时被迅速地调用。第三，额外的处理器必须被加入通信系统中来执行这些功能。这样，lo也提供了一种非常昂贵且逻辑上复杂的定位移动终端的方法。

美国专利No.5,208,756，song(song)阐述了使用蜂窝电话网络的车辆定位与导航系统。在song中，一台移动电话装置测量从几个基站接收的控制信号的相对信号强度。该装置然后计算移动站和每个基站之间的距离，该距离是传输功率，接收功率和每个基站发送的信号的信号衰落因子的函数。该装置接着用三角或曲线的数学方法确定移动站的位置，该位置是计算出的距离和基站已知位置的函数。

song的缺点是，必须对现有的移动电话作大的改造，以实现song方法。首先，存储设备必须被加入用来保存每个基站的信息，比如地理位置和发送功率。song没有阐述诸如每个基站的信号衰落因子以及在覆盖范围中的位置之类的数据是如何被确定的，song也没有阐述如此大量的数据是如何被保存在移动电话装置中的。第二，如果另外的基站被加入，发送功率有了改变，或任何其它的信号衰落因子变化，上述信息必须被更新。第三，一个处理器必须被加入，用来计算自每个基站的距离以及执行确定移动电话地理位置的三角或曲线的计算。这样，song也提供了非常昂贵且逻辑上复杂的定位移动终端的方法。

参看前面所引述的每个参考，并没有对这里所阐述或要求的系统和方法的叙述或建议。

在蜂窝电信系统中，具有定位移动终端的系统和方法，不需要基站发送同步的时域参考信号，不需要对电信系统结构或数以千计的现有移动终端作大的改动，将是显著的优点。本发明就提供了这样的系统和方法。

发明简述

在一个方面，本发明是用于在具有多个基站和相应小区的蜂窝电信系统中定位移动终端的移动终端定位器，该移动终端由多个基站中的一个提供服务。该移动终端定位器包括用于识别多个具有足够信号强度来维持与移动终端的呼叫的候选切换小区的装置。还有使得移动终端从它正在服务的小区顺序切换到多个具有足够信号强度来维持呼叫的候选小区的装置。另外，有装置用来计算移动终端与每个候选切换小区相关的每个基站之间的，以及移动终端与它的服务基站之间的信号强度和传播延迟。移动终端定位器还包括了计算移动终端与每个候选切换小区相关的每个基站之间的，以及移动终端与它的服务基站之间的距离的装置。一个定界装置，用来定界该移动终端可能位置的多个弧形区域、多个弧形区域的中心位于正在服务的基站，每个基站与多个候选切换小区中的每一个相关。最后，有一个设备，用来计算多个可能位置弧形区相交点，该相交点确定了移动站的位置。该移动终端定位器可以在有或没有从基站发出的同步定时参考信号的蜂窝电信系统中使用。

在另一个方面，是用于在具有多个基站和相关小区的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，该移动终端由多个基站中的一个提供服务。该方法首先识别多个具有足够信号强度来维持与移动终端的呼叫的候选切换小区，使得移动终端从它正在服务的小区顺序切换到多个具有足够信号强度来维持呼叫的候选小区。然后，该方法计算移动终端与每个候选切换小区相关的每个基站之间的，以及移动终端与它的服务基站之间的信号强度和传播延迟。信号强度或传播延迟，或两者一起被用来计算移动终端与每个候选切换小区相关的每个基站之间的，以及移动终端与它的服务基站之间的距离。从计算出的距离，该移动终端可能位置的多个弧形区域被定界出来，多个弧形区域的中心位于正在服务的基站，每个基站与多个候选切换小区中的每一个相关。最后，该方法包括计算多个可能位置弧形区的一个相交点，该相交点确定了移动站的位置。

附图简述

参看所附的图形说明，本发明将被更好地理解，它的许多目标和优越性对熟知该技术的人员能更清晰。其中：

图1(现有技术)是框图，表示与本发明相关的蜂窝无线通信系统的各部分；

图2是示意图，表示根据本发明优选实施方案的内容构造的搜索图；

图3A-3C是流程图，表示定位移动终端时，本发明的系统执行的功能。

实施方案的详细描述

首先参考图1，它表示传统的蜂窝无线通信系统10，本发明通常可以在这种类型的系统中使用。在图1中，任意的地理区域可以被划分为多个连续的无线覆盖区域，或小区C1-C10。虽然图1的系统只是说明性地只显示了10个小区，可以明白地理解，在实际情况下，小区的数目会多得多。

多个基站B1-B10中与小区C1-C10对应的一个相关且位于这个小区中。如熟知的技术那样，基站B1-B10中每一个包括了一个发射器，接收器，以及一个基站控制器。图1中基站B1-B10被选择分别位于C1-C10每一个小区的中央，并安装了全向天线。不过在其它的蜂窝无线系统配置中，基站B1-B10可以位于边界附近，或者偏离小区C1-C10的中央，以全向或定向的无线信号覆盖小区C1-C10。因此，图1中表示的蜂窝无线系统仅仅是为了叙述的目的，并非是对可能实现本发明移动终端定位器的移动无线通信系统作可能的实现的限制。

继续参看图1，可以在小区C1-C10中找到多个移动终端M1-M10。同样，在图1中只有十个移动终端，但可以理解实际的移动终端的数目可以多得多，在实际情况下，将远远超过基站的数目。移动终端M1-M10被显示在小区C1-C10的几个中。可以理解，C1-C10中某个特定的小区里有没有移动终端取决于使用移动终端M1-M10的用户的个人意愿。用户可以从一个小区漫游到另一个，或从一个小区到毗邻的或附近的小区，甚至从一个移动交换中心(MSC)11服务的蜂窝无线系统到另一个这样的系统，同时接收和发出在蜂窝系统10中，以及与MSC11相连的公共交换电信网(PSTN)12中的呼叫。

移动终端M1-M10中的每一个都可以经过基站B1-B10中的一个或多个和MSC11发出或接收电话呼叫。这样的呼叫可以是语声或数据通信。MSC11通过通信链路13(例如，电缆)与显示的每个基站B1-B10和PSTN12相连，或者是类似的固定网络，它可能包括综合业务数字网(ISDN)设备没有显示)。MSC11和基站B1-B10之间的，或MSC11和PSTN12之间相应的连接在图1中没有完全表示出来，但对于一般熟悉本技术的人来讲是清楚的。同样，也可以理解，在蜂窝无线系统中包括多个移动交换中心(MSC)，并将每个另外的MSC连接到不同的基站组，通过电缆或无线链路连接到另一个MSC。

小区C1-C10中每一个都被分配了多个话音或语音信道，及至少有一条接入或控制信道，比如一条前向控制信道(FOCC)。控制信道通过向那些单元发送和从其接收的信息(称作消息)，被用来控制或监视移动终端的运行。蜂窝无线系统中的控制和管理消息依据工业建立的空中接口标准发射，上述的标准有AMPS，EIA/TIA 553，模拟蜂窝操作的标准，和/或D-AMPS，IS-54B，和建议的IS-54C，数字蜂窝操作的标准，所有的标准在这里引入以作参考。这些标准规定了北美的系统，类似的标准规定了全世界其它地理区域，对于熟悉本技术的人员来讲是很清楚的。

基站和移动终端间通过消息来交换的信息可包括来话信号，去话信号和寻呼信号，寻呼响应信号，位置登记信号，语声信道分配，当移动终端移出一个小区的无线覆盖区域并进入别的小区的无线覆盖区域时的保持指令和切换指令，还有其它的一些信息项，如主叫号码，时间信息，等等。控制或语声信道可以工作在模拟或数字模式下，或者是两者结合，取决于工业标准。不同的蜂窝电信系统之间的综合业务通过使用系统间规范IS-41来提供，这里引入以作参考。

图2是一示意图，表示依据本发明优选实施方案内容构造的搜索图20。在图2所示的例子中，使用了三个基站21-23来决定时分多址(TDMA)移动终端24在数字话务信道的位置。虽然图2的例子中只用了三个基站，应该理解实际可以使用更多的基站。本发明执行从正在服务的基站21到合格的切换小区22和23的切换。通过对服务基站和每个切换基站测量信号强度，传播延迟或两者，从每个基站到移动终端24的距离可以被计算出来。移动终端可能位置的弧形区域就可以从计算出的距离中产生。然后常用的地理的交集技术，比如三角计算，弧形计算，概率密度函数等等，被用来计算移动终端24的位置。

图3A-3C表示本发明系统定位移动终端24时执行功能的流程图。从图3A开始，在步骤41移动终端定位器过程开始。该过程可以由移动用户要求定位业务或由诸如警察或救护队这样的被叫要求开始。由警察或救护队开始的定位过程是有用的，例如，如果移动用户陷入交通事故，由于受伤无法发出呼叫请求援助。如果由其它方请求，只要移动终端在“开”状态，且能够响应寻呼请求并分配了语声信道，该过程就可以执行。当寻呼响应被接收到，一条语声信道就被分配。一个告警信号可被发送到移动终端24，不过并非为了执行定位过程必须发送。会有这样的情况，例如，警察将定位一个移动终端而未对用户告警，本发明提供这样的能力。

在步骤42，搜索计数器被置为零(0)。在步骤43，系统测量移动终端和它的服务基站之间的信号强度和传播延迟，并将该信息保存在数据文件中为进一步的处理过程使用。该信号强度由移动终端测量，根据工业标准，传播延迟由基站测量。该过程接着进行到步骤44，测量移动终端和搜索列表中每个小区之间的信号强度。开始，搜索列表可以是服务小区中移动终端的邻近小区列表或移动支持切换(MAHO)列表。扩大了的邻近小区列表或邻近小区列表的子集也可以使用。信号强度的测量可以在基站，也可以在移动终端进行(即，在上行链路或下行链路)。在优选实施方案中，信号强度的测量是在移动终端。

过程接着进行到步骤45，识别搜索列表中的第一个小区。在步骤46，确定了从第一个小区送来的信号强度是否足以保持一个呼叫。如果信号强度不够，处理过程进行到步骤48。如果信号强度足够，处理过程进行到步骤47，在该处该小区被验证列入切换的候选列表中。

处理过程接着进行到图3B，步骤48，这里确定被测量的小区是否是搜索列表中的最后一个。如果确定该小区不是搜索列表中的最后一个，处理过程进行到步骤49，搜索列表中的下一个小区被识别。过程接着回到步骤46(图3A)，对搜索列表中的每个小区重复步骤46-49。当在步骤48确定被测量的小区是搜索列表中最后一个时，过程进行到步骤51，这里确定是否有小区合格列入切换候选列表中。如果没有小区合格被列入(即，没有小区有足够的信号强度来保持一个呼叫)，则移动站的位置只能被确定在服务小区内。这样，过程进行到步骤52，在这里从服务基站到移动终端的距离被计算出来。该距离可以只根据信号强度，只根据传播延迟，或两者结合起来计算。该计算的结果是以基站为中心的一个弧形区域。如果基站使用了全向天线，该弧形区域形成了围绕基站的可能位置的圆。如果基站使用的是定向扇形天线，该弧形区域就被限制在该角度的扇形区域。

如果，在步骤51确定有小区合格被列入切换候选列表中，该过程就进入步骤53，在那里合格的小区以优先级顺序排列，形成有优先级的切换的候选列表。优先级可以根据降序的信号强度或任何其它适当的标准来确定，诸如比特误码率、语声质量、干扰电平、载噪比(C/I)等。在使用了微小区和宏小区分层小区结构的区域，一些邻近的小区可以是优选的，而这种优选可以用来作为优先级排列的标准。该过程接着进行到步骤54，在该处用于切换的候选列表中的第一个小区被识别。该过程接下来在步骤55通过测量候选小区的基站的信号强度，来验证移动终端在被识别的候选小区之内。

处理过程又进入到步骤56，在该处确定了被测量出的信号强度是否足以维持呼叫，以及相应的数字验证色码(DVCC)是否正确地识别了移动终端。如果信号强度不够，或DVCC不正确，在此处过程便进入到步骤57，该候选小区被从切换候选列表中除去。过程进入图3C，步骤58，在那里判断在切换候选列表中是否还有候选小区。如果列表中没有候选小区了，过程向前进行到步骤66。如果列表中还有别的小区，那么过程进入到步骤59，并且识别在切换候选列表中的下一个小区。该过程接着回到步骤55(图3B)，验证移动终端在下一个小区的出现，并如图3B中的流程继续。

如果在步骤56，确定测量的信号强度足以维持呼叫且相关的数字验证色码(DVCC)正确地识别了移动终端，则该过程进入到图3C，步骤61，该处执行移动终端到识别的候选小区的切换。接着该过程在步骤62测量移动终端和切换小区基站之间的信号强度和传播延迟，并将该信息保存在MSC11的数据文件中，用于进一步的处理过程。接着过程进入步骤63并判断搜索计数器是否等于二(2)。如果搜索计数器不等于2，过程进入步骤64并将搜索计数器递增。然后在步骤65识别切换候选列表中的下一个小区。往后，过程回到步骤55(图3B)且对每一个候选小区继续过程，直到在步骤63判断搜索计数器等于二(2)。

当搜索计数器等于二(2)，过程进入步骤66，那里移动终端切换到原始服务小区。接着过程进入步骤67，该处移动终端和原始服务基站之间的距离被计算出来，移动终端和具有足够信号强度和正确DVCC的每一个候选小区之间的距离也被计算出来。

MSC11处的处理器根据MSC数据文件中存储的信号强度和传播延迟信息，计算从每个基站到移动终端之间的距离。距离的计算可以单独依据信号强度，单独依据传播延迟，或者合起来考虑。在68处，MSC11的处理器用距离计算来产生一组中心在服务基站和每个被测候选小区基站的弧形区域。这些弧形区域代表移动终端的可能位置。在步骤69，MSC11中的处理器接着用常用的地理交集技术，比如三角计算，弧度计算，概率密度函数等，来计算这组弧形区域的相交点。该相交点就是移动终端的位置。整个过程在步骤71结束。

可选地，本发明可以包括图形化的蜂窝小区显示，在搜索中使用的基站21-23的经度和纬度位置在图中显示出来。位置26，29，和30的弧形区域以及代表移动终端位置的相交点31也被显示出来。

如果移动终端24位于移动交换中心(MSC)11(图1)的服务区边界附近，切换小区的候选列表中会包括在邻近MSC中的小区。在这种情况下，使用标准的交换机间切换技术。当移动终端定位器切换时，向其它交换局中小区的切换被识别。它通知邻近的MSC，在计算信号强度和传播延迟之后，移动终端将被切换回先前的MSC11。邻近的MSC也向原始的MSC11发送测量的信号强度和传播延迟，为位置计算所用。

这样，相信通过前面的阐述，本发明的操作和结构将显而易见。当然，所显示并描述的方法、设备和系统只是作为优选而特征化了，可以容易地理解，在不超出下面定义权利要求的本发明核心和范围的情况下，可以有各种变化和修改。

Claims (18)

1、在具有多个基站和相应小区的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，该移动终端由上述多个基站中的一个提供服务，该方法包括以下步骤：

识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的候选切换小区；

使得上述移动终端从上述正在服务的小区切换到上述多个具有足够信号强度来维持呼叫的候选小区；

计算移动终端与每个和上述多个候选切换小区中每一个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的信号强度和传播延迟；

计算移动终端与每个和上述多个候选切换小区中每一个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离；

定界上述移动终端可能位置的多个弧形区域，上述弧形区域中心位于正在服务的基站，以及和上述多个候选切换小区中每一个相关的每个基站；

计算上述多个可能位置弧形区的一个相交点，该相交点确定了上述移动站的位置。

2、在权利要求1的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的候选切换小区的步骤包括，识别初始搜索列表，该列表包含服务小区的邻近小区列表。

3、在权利要求2的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端呼叫的候选切换小区的步骤包括以下步骤：

测量移动终端与服务小区邻近列表中和每个上述小区相关的每个基站之间的信号强度。

生成具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的被测小区列表。

4、在权利要求3的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，进一步包括对在上述切换候选列表中的上述小区赋予优先级的步骤。

5、在权利要求1的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中计算移动终端与和上述多个候选切换小区中每个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的步骤包括用上述被测传播延迟计算上述距离。

6、在权利要求1的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中计算移动终端与和上述多个候选切换小区中每个相关的每个基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的步骤包括用上述被测信号强度计算上述距离。

7、在权利要求1的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中计算移动终端与和上述多个候选切换小区中每个相关的每个基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的步骤包括，用上述被测传播延迟和上述测量信号强度的组合计算上述距离。

8、在权利要求1的蜂窝电信系统中定位移动终端的方法，其中计算上述多个可能位置弧形区的一个相交点的步骤包括，使用地理交集技术，这组技术包括弧度计算，三角计算，以及定义概率密度函数。

9、用于在具有多个基站和相应小区的蜂窝电信系统中定位移动终端的移动终端定位器，上述移动终端由上述多个基站中的一个提供服务，上述移动终端定位器包括：

用于识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的候选切换小区的装置；

使得上述移动终端从上述正在服务的小区切换到多个具有足够信号强度来维持呼叫的候选小区的装置；

用来测量移动终端与和上述多个候选切换小区中每个相关的每个基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的信号强度和传播延迟的装置；

计算移动终端与和上述多个候选切换小区中每个相关的每个基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的装置。

一个定界装置，用来定界该移动终端可能位置的多个弧形区域，多个弧形区域以上述正在服务的基站以及相应于每个候选切换小区的基站为中心；

用来计算上述多个可能位置弧形区相交点的设备，该相交点确定了上述移动站的位置。

10、权利要求9的移动终端定位器，其中用于识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的候选切换小区的装置包括，识别初始搜索列表的装置，该列表包含服务小区的邻近小区列表。

11、权利要求10的移动终端定位器，其中识别多个具有足够信号强度来维持与上述移动终端的呼叫的候选切换小区的装置包括以下装置：

计算移动终端与服务小区邻近列表中每个上述小区相关的每个基站之间的信号强度的装置；以及

生成具有足够信号强度来维持与移动终端的呼叫的被测小区列表的装置。

12、权利要求11的移动终端定位器，进一步包括对在上述切换候选列表中小区赋予优先级的装置。

13、权利要求9的移动终端定位器，其中计算移动终端与和多个候选切换小区中每个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的装置包括用上述被测传播延迟计算上述距离的装置。

14、权利要求9的移动终端定位器，其中上述计算移动终端与和多个候选切换小区中每个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的装置包括用上述被测信号强度计算上述距离的装置。

15、权利要求9的移动终端定位器，其中上述计算移动终端与和多个候选切换小区中每个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的距离的装置包括，用上述被测传播延迟和上述测量信号强度的组合计算上述距离的装置。

16、权利要求9的移动终端定位器，其中计算多个可能位置弧形区的一个相交点的装置了使用地理交集技术，这组技术包括弧度计算，三角计算，以及定义概率密度函数。

17、权利要求9的移动终端定位器进一步包括用于将上述基站同步到发送同步定时参考信号上去的装置。

18、权利要求9的移动终端定位器，其中用来计算移动终端与和多个候选切换小区中每个相关的基站之间的，以及移动终端与上述服务基站之间的信号强度和传播延迟的装置，包括在没有将上述基站同步到发送同步定时参考信号上去的情况下测量上述信号强度和上述传播延迟的装置。

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