CN1292261C - 一种移动台定位测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动台定位测量的方法，属于移动通信领域中的无线定位测量技术，在原有无线定位测量技术的基础上，改进相邻基站的下行信号首径判决方法，利用移动台到达参考基站的距离以及相邻基站到达参考基站的距离等几何关系计算出相邻基站下行信号的首径出现的有效范围，根据有效范围的参数，在原有的大搜索窗的基础上细分出有效搜索窗，进而在有效搜索窗内进行相邻基站下行信号的首径判决。本发明提高了相邻基站的下行信号首径的判决的精度，进而提高整个移动台定位测量的精度。

Description

一种移动台定位测量的方法

                                技术领域

本发明涉及移动通信领域中的无线定位测量技术，尤其涉及移动通信领域中的移动台定位测量技术。

                                背景技术

移动台无线定位领域中，常用的定位方法是TOA(Time Of Arrival)方法和TDOA(时延差，Time Difference Of Arrival)方法，其中TOA方法完成移动台定位需要3个或3个以上的TOA值、TDOA完成移动台定位需要2个或2个以上的TDOA值。一般TOA(或TDOA)值可以通过测量不同基站下行信号到移动台的到达时间(或到达时间差)来得到。不论是下行信号到达时间还是到达时间差的测量，均会涉及到移动台如何有效捕获以及检测不同基站下行信号首径的问题。

在WCDMA系统中，移动台完成标准的TDOA定位需要测量不同基站的下行信号到达时间差，即3GPP协议中定义的OTDOA测量。其基本过程为：移动台定位中心向移动台发起指定参考基站的OTDOA测量请求，移动台收到测量请求后，在对参考基站的下行信号的首径进行检测的同时，对其他相邻基站的下行信号进行检测。移动台将根据测量请求中有关搜索窗参数设置相应的搜索窗，对相邻基站的下行信号进行检测。一般相邻基站的搜索窗的设置方法是，以检测到的参考基站的下行信号的首径所对应的位置作为搜索窗的中心位置，窗的宽度取两倍相邻基站与参考基站之间的距离(所对应的传播时间)。对每一个相邻基站采取相同的方法设置搜索窗，对下行信号的首径进行捕获以及检测，完成相邻基站的首径捕获后，再与参考基站的下行信号的首径相减或者是通过相关运算，即可得到相应的时延差估计TDOA测量结果。

这种方法设置搜索窗设置简单，并且能较为完整捕获到相邻基站的信号。但这种方法主要的缺点在于：由于这种方法的搜索窗的设置较宽，使得在整个搜索窗内进行信号的首径判决变得较为困难，首径判决的准确率不高，在相同噪声门限的条件下，较长的搜索窗使得信号的虚警概率较高，即将噪声判成首径的概率增加。同时，定位测量关注的主要是信号的首径位置准确程度，并不关心所捕获到的多径信号是否完整(与通常的Rake接收机多径搜索的目的不同)。当首径信号由于小尺度衰落而无法检测到而第二径与首径的时延差较大时，这时候传统的首径检测方法就会把第二径当作首径从而产生较大的测量误差，而误差很大的测量值对于位置估计而言是没有意义的。因此，传统的首径检测方法存在虚警概率大，而且首径检测的误差大的缺点，而首径检测的误差大进而降低了移动台定位的准确性。

                               发明内容

本发明的目的是，在原有的相邻基站的首径判决方法的基础上加以改进，提高相邻基站的下行信号首径判决的精度，进而提高整个定位测量的精度。改进的方法是，利用移动台到达参考基站的距离以及相邻基站到达参考基站的距离等几何关系可以计算出相邻基站下行信号的首径出现的有效范围，即有效搜索窗，有效搜索窗小于原有的搜索窗。在原有的大搜索窗的基础上细分出有效搜索窗，进而在有效搜索窗内进行相邻基站下行信号的首径判决。新的相邻基站的下行信号首径判决方法将充分利用大搜索窗以及有效搜索窗的相关数据进行首径判决，使得相邻基站的下行信号首径测量精度得到提高，进而提高移动台定位的准确性。

本发明的方法是按照以下的技术方案实现的：根据参考基站、相邻基站以及移动台的有关信息合理设置大搜索窗以及有效搜索窗，通过大搜索窗和有效搜索窗对参考基站和相邻基站的下行信号的首径进行检测。相邻基站的下行信号的首径检测的方法为：利用大搜索窗的相关数据计算噪声平均功率，利用所述噪声平均功率和所述有效搜索窗的相关数据，对所述相邻基站的下行信号首径进行判决，得出所述相邻基站的下行信号首径，对所述参考基站的下行信号首径和所述相邻基站的下行信号首径进行相关运算或两基站的首径直接相减，得出时延差估计(TDOA)，利用所述时延差估计(TDOA)实现所述移动台的定位，有效搜索窗一般在大搜索窗的范围内。上述参考基站、相邻基站和移动台的有关信息包括所述移动台到达参考基站的距离、相邻基站到达参考基站的距离。本发明的方法具体包括如下步骤：

步骤a：移动台定位中心根据信号质量选取参考基站和相邻基站；

步骤b：所述移动台定位中心确定大搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop，根据所述参考基站的扇区覆盖信息、所述相邻基站与参考基站的距离、所述参考基站和所述相邻基站的下行信号的发射的不同步时差RTD、单程传播时间STT和相应的几何关系计算有效搜索窗的起始和终止位置t_start、t_stop，向所述移动台发起相应测量请求；

步骤c：移动台根据测量参数、大搜索窗和有效搜索窗参数配置相邻基站的大搜索窗和有效搜索窗；

步骤d：所述移动台在所述大搜索窗内进行多径搜索和噪声估计，在所述有效搜索窗内对所述相邻基站的下行信号进行首径判决；步骤e：移动台输出相邻基站的下行信号首径判决结果；

步骤f：将相邻基站的下行信号首径与参考基站的下行信号首径进行相关运算，得出时延差估计(TDOA)；

步骤g：根据2个或2个以上的时延差估计(TDOA)，确定移动台的位置。

在本发明实现移动台定位测量方法的步骤b中，大搜索窗和有效搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop、t_start、t_stop具体计算方法的步骤如下：

步骤I：根据参考基站和相邻基站的下行信号的发射的不同步时差(RTD)和两基站间距离对应的信号传播时间D，计算大搜索窗起始和终止位置T_start、T_stop；

                            T_start＝RTD-D

                            T_stop＝RTD+D

步骤II：根据参考基站到移动台的往返时间(RTT)测量值和移动台的接受-发射时间差即UE_Rx_Tx测量值，计算移动台到达参考基站的单程传播时间STT；

$\mathrm{STT}=\frac{\mathrm{RTT}-\mathrm{UE}\_\mathrm{Rx}\_\mathrm{Tx}}{2}$

步骤III：根据参考基站的扇区覆盖信息、相邻基站与参考基站的距离、单程传播时间STT和有关几何原理计算相邻基站信号的有效到达范围D_min，D_max；

步骤IV：设置有效搜索窗保护宽度为t_protect；

步骤V：根据STT、RTD、D_min、D_max和t_protect计算有效搜索窗的起始和终止位置t_start、t_stop；

                        t_start＝RTD+D_min-STT-t_protect

                        t_stop＝RTD+D_max-STT+t_protect

步骤VI：输出大搜索窗的设置参数：T_start、T_stop、有效搜索窗的设置参数t_start、t_stop。

在本发明实现移动台定位测量方法的步骤d中，进行相邻基站的下行信号首径判决的具体步骤如下：

步骤I：移动台在大搜索窗内进行多径搜索，在有效搜索窗内确定候选径；

步骤II：移动台剔除有效搜索窗内的候选径，计算大搜索窗的噪声平均功率；

步骤III：移动台根据有效搜索窗宽度确定单径信噪比门限；

步骤IV：根据大搜索窗的噪声平均功率和单径信噪比门限，在有效搜索窗内进行多径判决；

步骤V：根据步骤IV的结果剔除有效径，重复上述进行相邻基站的下行信号首径判决步骤中的步骤II，步骤III，步骤IV，重新进行相邻基站的下行信号首径判决。

本发明提出的方法与通常方法相比，通过有效搜索窗的引入，降低相邻基站的下行信号首径检测时的虚警概率，即误将噪声判成有效径的概率；能剔除较大误差的首径测量，进而提高了整个相邻基站下行信号的首径判决精度。同时，本方法采用大搜索窗进行噪声统计、有效搜索窗宽计算信噪比门限，能克服由于有效搜索窗较短带来的噪声统计不准确的缺点，使得首径判决时，噪声功率门限设置更加合理，整个首径判决精确度提高。在某些特殊情形下，例如，在有效搜索窗足够大、移动台多径搜索器的硬件资源有限的条件下，通过用有效搜索窗参数设置大搜索窗，本方法能节省一定的多径搜索器的硬件资源。

                            附图说明

图1：移动台定位测量结构示意图

图2：本发明进行移动台定位测量的方法的整体流程图

图3：大搜索窗以及有效搜索窗的起始和终止位置设置流程图

图4：相邻基站的下行信号首径判决流程图

图5：参考基站为全向小区时相邻基站信号有效范围确定的几何原理图

图6：参考基站为多扇区分布时相邻基站信号有效范围确定的几何原理图

图7：移动台根据有关参数设置搜索窗示意图

图8：综合利用大搜索窗以及有效搜索窗进行首径判决示意图

                              具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。

图1给出了移动台定位测量结构示意图，该图表示了参考基站1、相邻基站2、移动台3、移动台定位中心4、四个部分的相互连接关系。

图2给出了本发明的整体流程，具体步骤如下：

在步201，移动台定位中心4选取与移动台3保持连接的一个基站作为参考基站1，同时指定若干基站作为相邻基站2。其中参考基站1可以从移动台3的活动集(与移动台3保持连接的基站候选集)中选取连接质量较高的基站，而相邻基站2则是从移动台3活动集中的其它基站以及移动台3的监视集的组合中选取。

在步202，移动台定位中心4根据若干辅助信息计算出相邻基站2的大搜索窗和有效搜索窗配置参数，然后配合其它测量参数，向移动台3发起相应的不同基站下行信号的测量请求。

在搜索窗的参数配置中，移动台定位中心4将针对每一个相邻基站2给出相应的大搜索窗以及有效搜索窗的参数配置。(注：此处的搜索窗参数均是针对相邻基站2而言，关于参考基站1的搜索窗配置采用通常首径搜索参数即可。)

如图3所示，在步202中，大搜索窗和所述有效搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop、t_start、t_stop的具体计算方法步骤如下：

在步301，大搜索窗的参数配置方法与通常方法相同：以参考基站1的下行信号首径的位置为参考中心，相邻基站2的信号到达时间在[RTD-D，RTD+D]范围内，其中D为参考基站1与相邻基站2之间的距离d转换成相应的码片数，而RTD(Relative Time Difference)表示参考基站1和相邻基站2的下行信号的发射不同步的以码片为单位的时差。

上述码片为时间单位，在宽带码分多址移动通信系统(WCDMA)中，1码片＝1/3.84e6s，而参考基站1与相邻基站2的距离与信号的传播时间一一对应，无线信号的传播速度为光速，距离除以光速即为对应的传播时间。

在步302，得出大搜索窗的最终配置参数，以移动台3检测到的参考基站1的首径为中心原点位置，起始位置和终止位置为T_start、T_stop，其取值为：

                              T_start＝RTD-D

                              T_stop＝RTD+D

有效搜索窗起始和终止位置的配置方法如下：

如果在知道移动台3到达参考基站1的大致距离(传播时间)后，由基本的几何关系可以推出相邻基站2的下行信号的到达移动台3的时间范围要小于前面所述的大搜索窗的范围，而新的范围就是有效搜索窗。

下面结合图5、图6说明有效搜索窗确定的几何原理。记移动台3到相邻基站2的距离r2的有效范围为[dmin，dmax]。

图5表示参考基站1为全向小区时情形。设移动台3到参考基站1的距离为r1，参考基站1与相邻基站2的距离为d。此时相邻基站2到移动台3的距离r2必在[|d-r1|，d+r1]。其基本的几何原理则是利用三角形的基本几何原理(两边之差小于第三边，两边之和大于第三边)。

图6表示参考基站1为多扇区时的情形。设移动台3到参考基站1的距离为r1，参考基站1与相邻之间的距离为d，参考基站1的扇区边界线1、2与相邻基站2直线的夹角为a1、a2。此时相邻基站2到移动台3的距离r2的范围可有以下方法确定：

首先确定参考基站1与相邻基站2所成直线与圆的交点A1和A2坐标、以及扇区的边界线1、2与半径为r1的圆的交点A3，A4坐标。

然后计算相邻基站2到A3和A4的距离d3，d4，计算公式为：

$d3=\sqrt{d^2+{r1}^2-2d\·r1\cos \left(a1\right)}$

$d4=\sqrt{d^2+{r1}^2-2d\·r1\·\cos \left(a2\right)}$

其次，根据A1和A2是否在小区覆盖区域内，确定相邻基站2到移动台3的距离r2的区间范围[dmin，dmax]。

若A1和A2均在小区覆盖区域内，r2的范围为[|d-r1|，d+r1]；

若A1在，而A2不在小区覆盖区域内，r2的范围[min(d3，d4)，d+r1]；

若A2在，而A1不在小区覆盖区域内，r2的范围[|d-r1|，max(d3，d4)]；

若A1和A2均不在小区覆盖区域内，r2的范围[min(d3，d4)，max(d3，d4)]；

由以上的几何原理介绍可以得出有效搜索窗的确定方法。用来确定有效搜索窗范围的辅助信息除参考基站1到达移动台3的距离r1这个信息以外，其他信息为定位中心的基本配置信息，获得较为简单，关键在于r1的获得。

在步303，获取往返时间RTT(Round Trip Time)测量值和移动台3的接收-发射时间差UE_Rx_Tx，在WCDMA系统中，与移动台3保持连接的基站均能提供相应的往返时间RTT(Round Trip Time)测量值。

在步304，通过RTT测量值就可以计算出参考基站1到达移动台3的单程信号传播时间STT(Single Trip Time)，STT对应移参考基站1到达移动台3的距离r1。STT的计算公式如下：

$\mathrm{STT}=\frac{\mathrm{RTT}-\mathrm{UE}\_\mathrm{Rx}\_\mathrm{Tx}}{2}$

其中，UE_Rx_Tx表示移动台3的接收-发射时间差测量，反映移动台3收到参考基站1信号时刻到移动台3发射相应的上行信号的时间差。

在步305，知道r1对应的STT后，就可以确定有效搜索窗的距离范围[dmin，dmax]及其对应的时间范围[D_max，D_min]。此时间范围是绝对时间概念。

在步306，设置有效搜索窗的保护宽度t_protect。

在步307，由STT、RTD、D_max、D_min、t_protect计算有效搜索窗起始和终止位置参数t_start、t_stop。以移动台3检测到的参考基站1的首径位置为中心原点位置，如果考虑相邻基站2与参考基站1由于发射不同步而引起的时差以及有效搜索窗的参考点，同时由于STT与实际距离有一定误差，有效搜索窗的设置需要考虑一定的余量。所以最终有效窗的起始位置和终止位置t_start、t_stop取值为：

                      t_start＝RTD+D_min-STT-t_protect

                      t_stop＝RTD+D_max-STT+t_protect

其中D_max、D_min对应有效搜索窗的时间范围，由距离范围[dmin，dmax]转换成对应码片单位得到。t_protect表示有效搜索窗的误差保护宽度，一般取值为1-2个码片。

在步308，输出大搜索窗和有效搜索窗起始和终止位置参数起始和终止位置参数。相邻基站2的大搜索窗以及有效搜索窗的起始位置和终止位置分别配置为T_start、T_stop和t_start、t_stop。大搜索窗以及有效搜索窗的参考原点位置对应参考基站1下行信号的首径位置。在通常STT＜D的情况下，有效搜索窗必在大搜索窗范围内，只有当STT≥D且参考基站1为全向小区时(t_protect＝0)，有效搜索窗与大搜索窗相等。

在步203，移动台3接收到定位中心的测量请求后，对参考基站1采用通常的处理方法进行首径检测，然后以参考基站1的首径位置为参考原点，根据T_start、T_stop确定大搜索窗，根据t_start、t_stop确定相邻基站2信号首径的有效搜索窗。图7给出了移动台3根据有关参数：T_start、T_stop、t_start、t_stop、RTD、STT确定搜索窗的基本示意图。记大搜索窗以及有效搜索窗的宽度为W_whole，W_valid(单位为码片)。

                          W_whole＝T_stop-T_start

                          W_valid＝t_stop-t_start

当有效搜索窗宽度足够大，例如大于40个码片时，考虑到移动台3多径搜索器硬件资源有限，为了减少移动台3的计算量而又不影响首径判决的准确性，此时大搜索窗与有效搜索窗可以采用相同的参数设置，即：

                       W_whole＝W_valid＝t_stop-t_start

在步204，移动台3利用大窗数据作相邻基站2下行信号的噪声统计，利用有效搜索窗数据作相邻基站2下行信号的首径判决。

如图4所示，在步204中，进行相邻基站2的下行信号首径判决的具体步骤如下：

在步401，移动台3在大搜索窗内进行多径搜索；即移动台3在大搜索窗内对相邻基站2的下行信号进行多径搜索，得到功率时延分布。

在步402，剔除有效搜索窗内的候选径，计算大搜索窗的噪声平均功率；既找出有效搜索窗内的功率最强的几个峰值样点作为候选径，将候选径的功率以及候选径左右各一定样点数(例如每个码片的有Ns个样点，则去掉的样点数可以取Ns-1)的功率从大搜索窗的总功率中剔除，余下功率作为噪声功率，然后计算噪声的平均功率P_av。候选径的数目一般为3-10。

在步403，根据有效搜索窗宽度确定单径信噪比门限；本步骤的目的主要通过设置合理的噪声门限，降低噪声误判为首径的概率(虚警概率)。其基本的原理是：结合有效窗宽W_valid，设为达到虚警概率必须小于p的目标，每一个噪声样点小于噪声门限电平的概率为α，那么从1-α^Ns·Wvalid＝p中可以计算出α。以p＝1％，W_valid＝10，Ns＝4为例，可以计算出α＝99.975％。根据统计的噪声功率分布的概率累积分布图(用噪声平均功率进行归一化后的概率累积分布图)，找出α所对应的功率比值(dB)，此比值就是满足虚警概率的单径信噪比门限SNR_th。

在步404根据大搜索窗的噪声平均功率和单径信噪比门限，在有效搜索窗内进行多径判决；判决的具体过程如下：

根据前两步计算出的噪声平均功率为P_av，以及单径信噪比门限为SNR_th，得出满足虚警概率要求的噪声门限功率为P_th＝P_av*SNR_th。在有效搜索窗内，将功率大于噪声门限功率P_th的候选径判决为有效径，选取其中时间最早的有效径作为相邻基站2下行信号的有效首径。

在步405，从功率时延分布中剔除有效径，重新进行多径判决；具体过程如下：

从功率时延分布中剔除有效径(可能不止1个)，在信噪比门限不变的条件下，重新计算大搜索窗的噪声平均功率、噪声门限功率，重复步402、403、404，在有效搜索窗内重新进行信号多径判决，最终选取有效首径。步405的主要目的是提高首径检测的准确度，实际情况中，当大搜索窗的窗宽较大，相差几个样点对统计噪声平均功率影响不大时，步405可以省略。

图8给出了综合利用大搜索窗以及有效搜索窗进行相邻基站2信号首径判决的基本示意图。图中虚线为噪声门限，在大搜索窗内、有限搜索窗外门限值以上的径为“虚警”，将被剔除；对有效搜索窗内的各径进行搜索，得出相邻基站2下行信号的首径。

在步205，移动台3输出不同基站下行信号的首径判决结果。根据移动台3的参考基站1信号的首径以及2个以上不同相邻基站2信号的首径的判决结果，构成相应的时延差估计TDOA值，定位中心根据2个以上时延差估计TDOA值便能有效的估计移动台3的几何位置，实现对移动台3的定位。

Claims (4)

1、一种移动台定位测量的方法，其特征在于，所述移动台定位测量的方法包括如下步骤：

a：移动台定位中心根据信号质量选取参考基站和相邻基站；

b：所述移动台定位中心确定大搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop，根据所述参考基站的扇区覆盖信息、所述相邻基站与参考基站的距离、所述参考基站和所述相邻基站的下行信号的发射的不同步时差RTD、单程传播时间STT和相应的几何关系计算有效搜索窗的起始和终止位置t_start、t_stop，向所述移动台发起相应测量请求；

c：所述移动台根据测量参数、大搜索窗和有效搜索窗参数配置所述相邻基站的大搜索窗和有效搜索窗；

d：所述移动台在所述大搜索窗内进行多径搜索和噪声估计，在所述有效搜索窗内对所述相邻基站的下行信号进行首径判决；

e：所述移动台输出相邻基站的下行信号首径判决结果；

f：将所述相邻基站的下行信号首径与所述参考基站的下行信号首径进行相关运算，得出时延差估计TDOA；

g：根据2个或2个以上的所述时延差估计TDOA，确定所述移动台位置。

2、如权利要求1所述的一种移动台定位测量的方法，其特征在于，所述有效搜索窗在所述大搜索窗的范围内。

3、如权利要求1所述的一种移动台定位测量的方法，其特征在于，所述步骤b中大搜索窗和有效搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop、t_start、t_stop的计算方法具体步骤如下：

I：根据所述参考基站和所述相邻基站的下行信号的发射的不同步时差RTD和两基站间距离对应的信号传播时间D，计算大搜索窗的起始和终止位置T_start、T_stop；

                   T_start＝RTD-D

                   T_stop＝RTD+D

II：根据所述参考基站到所述移动台的往返时间RTT测量值和所述移动台的接受-发射时间差即UE_Rx_Tx测量值，计算移动台到达参考基站的单程传播时间STT；

$\mathrm{STT}=\frac{\mathrm{RTT}-\mathrm{UE}\_\mathrm{Rx}\_\mathrm{Tx}}{2}$

III：根据所述参考基站的扇区覆盖信息、所述相邻基站与参考基站的距离、单程传播时间STT和相应的几何关系计算相邻基站信号的有效到达范围D_min，D_max；

IV：设置所述有效搜索窗保护宽度为t_protect；

V：根据STT、RTD、D_min、D_max和t_protect计算所述有效搜索窗的起始和终止位置t_start、t_stop；

            t_start＝RTD+D_min-STT-t_protect

            t_stop＝RTD+D_max-STT+t_protect

VI：输出所述大搜索窗的参数：T_start、T_stop、所述有效搜索窗的参数t_start、t_stop。

4、如权利要求1所述的一种移动台定位测量的方法，其特征在于：所述步骤d中，进行相邻基站的下行信号首径判决的具体步骤如下：

I：移动台在所述大搜索窗内进行多径搜索，在所述有效搜索窗内确定候选径；

II：所述移动台剔除有效搜索窗内的候选径，计算大搜索窗的噪声平均功率；

III：所述移动台根据有效搜索窗宽度确定单径信噪比门限；

IV：根据所述大搜索窗的噪声平均功率和单径信噪比门限，在所述有效搜索窗内进行多径判决；

V：根据步骤IV的结果剔除有效径，重复权利要求4中的步骤II，步骤III，步骤IV，重新进行所述相邻基站的下行信号首径判决。

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