CN1349724A - 用于估计信号特性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在蜂窝通信系统中估计信号特性的方法,信号特性例如是到达时间和发射机身份。大多数公知的技术具有有限性能,因为它们依赖有限数量的已知数据。本发明的方法包括在用户单元接收该信号的第一步骤(201)。在第二步骤(203),用户单元从固定网络接收辅助数据,和在第三步骤(205)响应该辅助数据导出预期信号。对于GSM,该辅助数据可以是允许导出整个预期SCH脉冲串的一个帧号码和一个BSIC。在第四步骤(207),通过将所接收信号与预期信号相关确定该信号特性。本发明特别适用于GSM通信系统中的位置确定。

Description

用于估计信号特性的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于估计信号特性的方法和设备，特别是涉及在蜂窝通信系统中估计发射机身份或信号到达时间。

发明背景技术

在蜂窝通信系统中，每个用户单元(通常是移动站或小型便携终端)通常与一个固定基站进行通信。从用户单元到基站的通信公知为上行链路，而从基站到移动站的通信公知为下行链路。该系统的总覆盖区被分成大量单独小区，每个小区主要由一个单独基站覆盖。这些小区一般是相互区别的地理区域，在相邻小区间有重叠覆盖区。图1表示了蜂窝通信系统100。在该系统中，基站101通过无线电信道105与大量用户单元103进行通信。在该蜂窝系统中，基站101覆盖一定地理区域107内的用户，而其它地理区域109、111由其它基站113、115覆盖。

当用户单元从一个小区的覆盖区向另一个小区的覆盖区移动时，通信链路将从用户单元与第一小区的基站之间改变到用户单元与第二小区的基站之间。这是公知的越区切换。特别的是，某些小区可能完全位于其它较大小区的覆盖范围内。

所有基站都由一个固定网络互联。该固定网络包括通信线路、交换机、到其它通信网络的接口和操作该网络所需要的各种控制器。来自用户单元的呼叫通过固定网络被路由到该呼叫的特定目的地。如果该呼叫是相同通信系统中两个用户单元之间的呼叫，则通过固定网络把呼叫路由到另一个用户单元当前所在小区的基站。这样通过固定网络在两个服务小区之间建立连接。替代地，如果该呼叫是用户单元与连接到公共交换电话网(PSTN)的电话之间的呼叫，则从服务基站把呼叫路由到蜂窝移动通信系统与PSTN之间的接口。然后它被PSTN从接口路由到电话。

在例如全球移动通信系统(GSM)的通信系统中，用户单元和基站执行大量测量以便评估用户单元与基站之间的通信链路的性能。这些测量用于确定最佳服务基站、越区切换决定和功率控制等。另外，也建议进行大量测量，可将这些测量用于导出所接收信号的信息以用于其它目的。特别是，也建议根据对基站发射信号的测量执行用户单元的位置确定。

位置确定的一种公知方法包括确定目标与大量固定位置之间的距离。例如，在蜂窝无线电通信系统例如GSM通信系统中，用户单元的位置可以通过估计用户单元到位置已知的大量固定基站的距离来确定。如果必须确定三维位置，必须确定用户单元与至少三个基站之间的距离。这就是公知的三角测量方法。

根据基站发射信号的到达时间确定用户单元与基站之间的距离是公知的。例如，如果由一个基站发射信号给用户单元，到达时间将取决于与无线电信号传播距离成正比的传播延迟。如果传输时间是已知的，相对到达时间可以被计算出来并且该时间将对应于基站与用户单元之间的距离。通常，用户单元不与基站同步，而根据来自不同基站的信号到达时间的差确定位置。在此情况下，必须由用户单元接收来自至少一个另外基站的信号。当位置确定是基于从用户单元发射信号给基站时，应用相同的普遍原理。

为根据该方法确定用户单元的位置，用户单元必须确定大量的接收信号特性。特别是，用户单元必须能够确定信号到达时间和发射该信号的基站的身份。

根据对所接收信号与发射信号的已知数值进行比较确定各种信号特性是公知的。例如，GSM用户单元可以通过将所接收信号与所要检测的信号的本地副本互相关来估计从各个基站发射的信号的到达时间。GSM脉冲串的训练序列可以用于该目的，不管其是正常脉冲串、虚假脉冲串还是同步脉冲串(SCH)，因为该信息对所有脉冲串都是已知的。

另一个例子是GSM用户单元估计发射基站的身份。这对于位置确定是必须的，因为用户单元必须保证其正试图检测的信号发自一个给定的基站而不发自同道干扰源之一。

一种可能性是利用发射基站身份码(BSIC)并且将它与所需要基站的已知BSIC进行比较来尝试和解码每个SCH。不幸地是，由于发射BSIC的广播载波(BCCH载波)具有高频率复用系数，相邻基站的信号强度可能相当低而导致错误的帧解码。信噪比通常足以能够确定到达时间而不足以对BSIC解码，这样该方法效率非常低。

估计信号特性例如到达时间和发射机身份的已知方法因此是低效率、不精确和不可靠的，需要一种改进的方法。

发明概述

本发明寻求缓解估计信号特性例如到达时间和发射机身份的已知方法的缺点，并提供更精确和可靠的估计。

因此在此提供一种估计具有至少部分的变化信息内容的信号的特性的方法，该方法包括步骤：接收信号；以已知方式接收包括有关该信号的信息内容的压缩数据的辅助数据；响应该辅助数据导出预期信号；和响应预期信号和所接收信号确定信号特性。

该特性优选地是到达时间或发射机身份。根据本发明的一个特征，该方法用于GSM通信系统中，其中辅助数据包括一个帧号码，一个帧号码偏移和/或基站身份码。

根据本发明的第二方面提供一种通信系统，能够使用一种根据上述方法确定信号特性的方法。

根据本发明的第三方面提供一种基站，能够使用一种根据上述方法确定信号特性的方法。

根据本发明的第四方面提供一种用户单元，能够使用一种根据上述方法确定信号特性的方法。

本发明因此通过在信号特性估计中利用辅助数据而提供一种改进的信号特性(例如到达时间和发射机身份)确定方法。

附图简要说明

下面参照附图以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1表示根据现有技术的蜂窝通信系统；

图2表示根据本发明实施例的方法的流程图；

图3表示可应用本发明的通信系统的一部分；和

图4表示GSM SCH脉冲串的数据内容。

优选实施例的详细说明

下列说明主要针对以GSM通信系统为基础的实施例，并且指定用于GSM手机辅助定位技术的环境下。可是，应当清楚本发明不限于该应用。

图2表示根据本发明实施例的方法的流程图200。图3表示可应用本发明的GSM通信系统200的一部分的例子。

在图3所示的实施例中，用户单元301执行位置确定。因此它需要接收来自三个或更多基站的信号并且至少确定从这些基站接收的信号的一个到达时间。如图3所示，服务基站303正通过无线电通信链路305与用户单元301通信。通常在用户单元301和服务基站304之间在两个方向上都有信息交换。

另外，一个非服务基站307通过通信链路309发射一个到达用户单元301的广播信号。该用户单元301将确定该信号的特性，该信号特性在所描述的实施例中是信号到达时间。该信号到达时间随后被用于公知技术的位置确定。通常，尽管用户单元301能够检测来自非服务基站307的信号，但它可能没有接收到具有足够信噪比的信号以对该数据解调和解码。另外，通常没有从用户单元301到非服务基站307的通信。

图2表示根据本发明的上述实施例确定来自非服务基站307的信号的到达时间的方法。在步骤201，用户单元301接收来自非服务基站307的信号。所接收信号样本被存储用于随后的处理。在步骤203，用户单元接收辅助数据，辅助数据用于辅助用户单元301以产生要确定其特性的信号的本地副本。在上述实施例中，该辅助数据从服务基站303接收并且因此以高可靠性接收。该辅助数据涉及要导出其特性的那个信号，在此情况是涉及从非服务基站307发射的信号。该辅助数据可以在接收来自非服务基站307的信号之前、之后或同时被接收。非服务基站307发射的信号将至少包含具有变化信息内容的一部分，因此不被用户单元301知道。另外，该信号可以包含由用户单元301预先知道的预定部分。一个例子是GSM系统中的SCH脉冲串400，该脉冲串如图4所示由3个开始比特401、78个数据比特403、64个训练比特405和3个尾部比特407组成。开始比特、训练比特和尾部比特的值是已知的，而数据比特是未知的。SCH脉冲串的数据比特的信息内容通过对6个基站身份比特(BSIC)和19个与当前帧号码有关的比特编码给定。

在步骤205，响应辅助数据导出一个预期信号。在非服务基站307发射的信号是SCH脉冲串的例子中，辅助数据因此包括允许用户单元301产生所发射的SCH脉冲串的本地副本的信息以及所接收信号的预期值。该辅助数据因此可以是任何数据，全部或部分允许导出对应于变化信息内容的该信号的至少一部分的预期值。在该例子中，将给予用户单元某些辅助数据，即所希望基站(即图3所示例子中的非服务基站307)的SCH的帧号码(FN)。在GSM中这样做的一种方法是定义新的消息，该消息可以包含在服务基站303的广播信号中。替代地，不传递非服务基站307的帧号码，可以将服务基站303与非服务基站307之间的帧偏移提供给用户单元301。另外，用户单元301被提供BSIC信息(如果还不知道)，并且用户单元301因此具有产生整个SCH脉冲串的本地副本所必须的所有信息。

在本发明的实施例中，该信息被进一步用于选择将确定其特性的信号。特别是，通过提供帧偏移给用户单元，可以确定何时可以期待非服务基站的SCH脉冲串，并且这可以将信号搜索限制到一个围绕到达时间的窗口。如果帧偏移进一步包括服务基站和非服务基站之间的时隙偏移，到达时间的不确定性明显减少并且该窗口因此可以减小。

另外，把这些数据传递到该用户单元只需要进行一次，因为用户单元能够保持对帧号码的跟踪。该信息与已知BSIC一起允许用户单元合成整个SCH脉冲串(148比特)并且使用它作为预期信号的本地副本，而不是仅仅利用常规的训练序列。

在步骤207，响应信号自身和响应导出的预期信号来导出信号的信号特性。

特别是，通过将所接收信号样本与所导出的预期信号的相应样本互相关可以确定到达时间。可以从所存储的本地副本和所接收的信号样本之间的时间偏移中找到到达时间，这在该技术中是公知的。

替代地，信号发射机的身份也可以通过互相关确定。由于不同基站的不同BSIC和帧号码，SCH脉冲串在不同基站之间明显不同。来自一个基站的信号与对第二个不同基站导出的预期信号之间的相关性因此明显低于对从第二基站所接收信号的相关性。相关性幅度因此是所接收信号的发射机的身份的指示。

另外，预期信号和所接收信号之间的相关性在所需要信号和同信道干扰之间有区别效果。将执行相关的窗口从训练序列增加到整个脉冲串因此也可以改善所需要信号与不需要信号之间的区别。

应当清楚，本发明不限于通过相关来确定特性，任何已知方法例如比较或例如最小二乘估计算法都可以用于替代而不从本发明中剔除。

在上述实施例中，不仅实现了估计中的明显改善，同时该方法允许可靠地识别发射基站。

根据将克莱姆-拉奥约束应用于信号到达时间τ的最大似然估计器，可以发现在使用整个SCH脉冲串而不是仅仅训练数据的特定情况下到达时间的估计灵敏度的改善。在信号服从加性高斯白噪声的简单情况下，克莱姆-拉奥约束是： $\mathrm{var}\left(\mathrm{\τ}\right)\≥{\left(2\frac{E_s}{N_0}{\mathrm{\β}}^2\right)}^{-1},$ 其中E_s是信号能量，N₀是噪声功率频谱密度和β²是下列公式定义的信号频谱S(ω)的二阶矩： ${\mathrm{\β}}^2=\frac{1}{E}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\mathrm{\ω}}^2{\left|S\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2\mathrm{d\ω}$

由于所研究的信号是在数字通信环境下，更方便使用每比特能量E_b替代信号能量E_s＝nE_b(n＝比特数量)。由于使用64比特训练序列的信号与使用整个脉冲串的信号不同，后者取决于BSIC和帧号码，它们频谱的二阶矩将不同。严格地说这是对的，但是它们没有太大不同，一旦该信号通过接收机的RF前端进行低通滤波，该差别甚至更微小。所以主要不同是两个信号之间的比特数量n的不同。那么改进可以大致为： $10\mathrm{lo}{g}_{10}\frac{148}{64}\≈4\mathrm{dB}$

作为在上述特定实施例利用当前发明的结果，可以获得4dB的信噪比改进精度，或替代地在比已知技术信噪比差4dB时实现相同性能。

本发明因此提供了一种通过在信号特性估计中使用辅助数据进行的改进的信号特性(例如到达时间或发射机身份)确定。应当清楚，本发明不限于估计到达时间或发射机身份，而对于估计许多不同特性(包括信号检测、确定到达角度等)都有用。

Claims (14)

1.一种估计信号特性的方法，该信号至少具有部分的变化信息内容，该方法包括步骤：

接收该信号；

以已知方式接收辅助数据，该数据包括有关信号的信息内容的压缩数据；

响应辅助数据导出一预期信号；和

响应预期信号和所接收信号两者确定信号特性。

2.根据权利要求1的一种估计信号特性的方法，其中所估计的特性是该信号的到达时间。

3.根据权利要求1的一种估计信号特性的方法，其中所估计的特性是发射该信号的发射机的身份。

4.根据前面任何一个权利要求的一种估计信号特性的方法，其用于蜂窝通信系统。

5.根据权利要求1的一种估计信号特性的方法，其中从一非服务基站发射该信号和从一服务基站发射辅助数据，并且包括有关从非服务基站发射的信号的信息内容的信息。

6.根据权利要求4或5的一种估计信号特性的方法，其中蜂窝通信系统是GSM蜂窝通信系统。

7.根据权利要求6的一种估计信号特性的方法，其中辅助数据是发射该信号的非服务基站的帧号码，并且响应该帧号码导出预期信号。

8.根据权利要求6的一种估计信号特性的方法，其中辅助数据包括服务基站和发射该信号的非服务基站之间的帧号码偏移，和该帧号码偏移用于导出该信号的预期到达时间窗口。

9.根据权利要求6到8的任何一个的一种估计信号特性的方法，其中该信号包括一个SCH脉冲串。

10.根据权利要求8或9的一种估计信号特性的方法，进一步包括跟踪从非服务基站发射的帧号码的步骤。

11.根据权利要求6到10的任何一个的一种估计信号特性的方法，其中辅助数据是发射该信号的非服务基站的基站身份码，并且预期信号是响应该基站身份码导出的。

12.一种通信系统，能够使用根据前面权利要求1到11中任何一个的信号特性确定方法。

13.一种基站，能够使用根据前面权利要求1到11中任何一个的信号特性确定方法。

14.一种用户单元，能够使用根据前面权利要求1到11中任何一个的信号特性确定方法。

Images