使用基础设施测量的无线用户位置更新 I、发明领域
本发明一般涉及移动无线电通信系统。较具体地说，本发明涉及移动无线电单元围绕系统移动时，跟踪该移动无线电单元位置的移动无线电通信系统。更具体地说，本发明涉及一种跟踪移动无线电单元位置的新频和改进系统及方法，该系统和方法使用来自全球定位卫星(GPS)的信息，确定移动单元的初始位置，并在其后仅利用基站和移动单元的地面信息测量更新位置定位。
II、相关技术描述
联邦通信委员会(Federal Communication Commission)(FCC)已发布指令，要求每作出911移动单元呼叫，就向公众安全应答点提供移动单元定位，这些FCC指令要求定位信息的精度在移动单元实际位置125米半径范围内。除FCC指令外，移动服务提供商也已认识到，可在各种应用中利用定位服务(即，识别移动用户位置的服务)。提供增值服务特色，从而将为服务提供商产生进一步的收入。例如，服务供应商可利用定位服务为移动用户提供分层服务，移动用户在一个区域(例如用户住房附近)中使用电话时，以一种费率对移动用户收费，移动用户在另一区域(例如用户住房外或远离住房处)使用电话时，以另一费率对移动用户收费。这种分层服务的一个目地是通过对家中呼叫收取较低费率，鼓励移动用户在家中使用移动电话(而不是有线电话)。分层服务要求系统跟踪移动电话位置或电话可持续更新其位置。利用定位服务，服务提供商可向用户提供的其它应用包括贵重对象跟踪服务、贵重对象监视和寻回服务、车队管理和派遣服务、儿童和宠物跟踪服务。
跟踪移动电话位置的一种方法是使电话增加接收全球定位卫星信号的能力。利用GPS系统定位是熟知的，它使定位精确可靠。遗憾的是，为利用GPS系统确定移动单元的位置，移动电话必须把其接收机切换至与GPS系统信号相关频率一段足以接收GPS系统的定时信号的时间。移动电话切换至GPS频率时，移动电话接收语音业务或数据业务(例如因特网或传真信息)的能力常常显著降低，甚至完全丧失。
因而，希望有一种跟踪移动台位置的系统，该系统利用用GPS所作位置测量的精度和可靠性，同时可把移动台切换至GPS频率时常会发生的语音和数据传输服务的传递性能降低减至最小。
发明概要
本发明涉及一种用来自地球轨道卫星的信息和从移动无线电通信系统的基础设施接收的信息，跟踪该系统中移动单元位置的方法和装置，其中，基础设施包含与移动电话间发送和接收语音或数据业务有关的设备。用地球轨道卫星的信息计算移动单元的初始位置。接着，用移动单元与基础设施间传送的信号测量一个或多个距离。用一个或多个距离测量值估算移动台初始位置与目前位置的位置差，其中，仅移动单元与基础设施间传输信号所作的距离测量值用于进行估算。然后确定估算位置测量的精度值并把该精度值与门限值比较以确定估算位置测量是否具有可接受精度。如果有可接受精度，则用估算的位置测量值更新移动单元的初始位置且重复仅利用移动单元与基础设施间传输信号而作的距离测量部分的处理；否则，从地球轨道卫星确定新的初始位置并重复该处理过程。
根据本发明的另一方面，移动单元中的接收机最好从与语音或数据业务(例如因特网或传真信息)相关的频率切换至与地球轨道卫星相关的频率，以从地球轨道卫星作位置测量。在进行卫星测量后，移动单元中的接收机把与地球轨道卫星有关的频率调谐回与语音或数据业务有关的频率。有意义的是，在位置更新过程中，移动单元中的接收机保持调谐至语音或数据业务频率，因为仅把系统基础设施所作的测量用于更新初始位置。通过把移动单元接收机必须调谐至地球轨道卫星频率的时间减至最短，本发明在这方面可把因移动单元调谐至地球轨道卫星产生的与语音(或数据)发送有关的语音(或数据)质量降低减至最小。
附图概述
从下述参照附图而作的详细叙述中，本发明的特点、目的和优点将更为清楚，图中，相同符号表示相同部分，其中：
图1、1A和1B说明本发明较佳实施例方法的工作，该方法仅利用基础设施测量跟踪移动无线电单元位置，以更新GPS系统确定的移动单元初始位置。
图2说明根据本发明，如何用基础设施测量确定移动台位置变化。
图3是实现本发明位置跟踪系统所用示范移动台构成框图。
图4是实现本发明位置跟踪系统所用示范基站构成框图。
较佳实施例详细叙述
总的看来，本发明中，利用来自全球定位卫星(GPS)系统的信息及移动无线电电话通信系统的基础设施(Infrastructure)传送的定时信息，高精度确定移动台初始位置。对本发明目的而言，移动无线电电话系统的“基础设施”包含与移动电话间发送和接收语音信息或数据信息(例如因特网或传真信息)有关的设备，例如基站、基站控制器和移动通信交换中心。这类基础设施还可包含例如用于与移动电话间发送和接收这种语音或数据信息的低轨道地球卫星。“基础设施”的定义不包含不用于与移动电话间发送或接收这种语音或数据信息的地球轨道卫星，例如与GPS系统有关的卫星。
在用GPS测量(及任选的基础设施测量)高精度确定初始位置后，仅根据用系统基础设施所作的测量更新移动电话位置，直至判定更新质量低劣。用于执行位置更新的基础设施测量包括例如前向(下行)链路测量，如导频相位偏移和导频强度。它们还包括反向(上行)链路测量，如往返行程延迟(RTD)和信噪比(SNR)。导频相位偏移正比于基站与作为基准的站的距离差R2-R1。假设上行与下行链路传播延迟可互易且其它硬件延迟已校准，往返行程延迟是基站与移动电话间距离两倍2R1的度量。利用这些基础设施测量的各种组合估算移动台位置变化在已有技术中是熟知的，也熟知可在移动单元或在系统基础设施中作估算。
参照图1、1A、1B，其中显示根据本发明较佳实施例的方法100，用于仅利用基础设施测量跟踪移动无线电单元的位置，更新用GPS系统确定的移动单元初始位置。在步骤102，用来自GPS系统和系统基础设施的测量数据高精度确定移动电话的初始位置。在该步骤，最好用差分GPS并根据题为“确定无线CDMA收发信机位置的系统和方法”的美国专利申请09/040501(1998年3月17日提交，由本发明受让人所拥有，其内容通过引用与本申请结合成一体)中揭示的方法，在全部三维高精度确定初始位置(P0(GPS))。在另一实施例中，可利用系统基础设施中的至少3个(最好更多)地面基站，高精度确度初始位置。
在步骤104，把移动台的移动模型化(最好利用以往位置测量数据)，以估算移动台的目前方向和速度。把移动台以已知方向置于街道和公路的地图信息也可用于对移动台的目前方向设置模型。滤波方法可进一步提高该轨迹估算技术。一个好的例子是用Kalman(卡尔曼)滤波自适应，根据速度和位置，跟踪移动轨迹提高对其动态状态的预测。
在步骤106，仅利用系统基础设施所作的位置估算移动台初始位置(P0(INFR))。在本步骤中用于确定位置的基础设施测量包括例如前向(下行)链路测量，如导频相位偏移和导频强度。还包括反向(上行)链路测量，如往返行程延迟(RTD)和信噪比(SNR)。如上所述，在已有技术中熟知，利用这些基础设施测量值的各种组合估算移动台位置，还熟知，本步骤的位置计算可在移动台中进行，也可在系统基础设施中进行。在较佳实施例中，用下述两种测量值进行步骤106所作的位置确定(P0(INFR))：(i)在移动台测得的从第1基站(把移动台置于双曲线)发到该移动台的导频信号的相位偏移，和(ii)移动台与第2基站(把移动台置于圆)之间测得的往返行程延迟。
在步骤108，通过比较步骤102与106所确定的位置(P0(GPS))，(P0(INFR))，对准或校准基础设施系统。在较佳实施例中，比较用于确定两个位置确定值(P0(GPS)，(P0(INFR))所关联坐标的距离测量值，该比较结果的剩余值等于第1距离(R1)(从基准点(例如基站)至P0(GPS)与第2距离(R2)(从同一基准点(P0(INFR))的差(R1-R2)。然后，该差除以光速，以获得校准值，该值表示信号在基站与(P0(GPS))之间输的传播时间与信号在基站与(P0(INFR))间传输的传播时间的差。接着，本发明用该校准值调节用基础设施在与移动台有关的前向与反向链路上测得的距离，这点在下文作更充分说明。
在步骤110，把校准值与门限值比较，估计步骤106中仅用基础设施测量值确定的位置(P0(INFR))的精度。若较准测定值超过门限值，则表示仅用基础设施测量值确定的位置(P0(INFR))显著地不精确，从而不进行仅用基础测量值对初始位置测定值作更新。在这种情况下，系统返回步骤102，通过取入一组新的GPS测量值简单更新移动台位置。
在步骤112-116，仅用基础设施测量一个或多个距离(R1、R2、R3)，首先，通过从测量值减去校准值调整各距离测量值(步骤114)，接着，用该调整的距离测量确定移动台初始位置与当前位置的差(X，Y)(步骤116)。下文将充分讨论，可对3个、2个或1个距离测量值交替执行步骤112-116。在一个较佳实施例中，第1距离测量值最好基于与移动台与第1基站天线间的导频信号发送有关的相位偏移。该相位偏移可用于确定2R1值(移动台与第1基站天线间距离的二倍)，由此可容易地计算R1。第2距离测量值可基于从移动台向第2基站天线发送导频信号有关的相位偏移。该相位偏移可用于确定R1＋R2值，假定从第1距离测量值已知R1时，由R1＋R2值易于计算R2。类似地，第3距离测量值可基于从移动台至第3基站天线发送导频信号有关的相位偏移。该相位偏移可用于确定R1＋R3值，并由此假定从第1距离测量值已知R1的情况下，易于计算R3。
在从经调整的基础设施距离测量值中，确定移动台位置变化的三个变换实施例中，参见图2，(xi，yi)表示基站i的位置，p(t0)＝(xi，yi)用于表示移动台在时刻t0的位置，时刻t0移动台与基站i的距离测量值表示为Ri0，下式(1)确定移动单元与基站间的距离测量值：R0i2=(x0-xi)2+(y0-yi)2---(1)]]>
移动单元移动至与p(t0)＝(x0，y0)距离(Δx，Δy)的点P(t＋Δt)时，移动单元与基站间的新距离测量值由下式(2)确定：
(Ri)2＝(x0＋Δx－xi)2＋(y0＋Δy－yi)2 (2)
对i＝1，2，等式(2)代表在两点相交的两个圆(参见图2)，选择最接近于P(t0)点的点可得到移动台的新位置。
式(1)减式(2)，可得
(Ri)2－(R0i)2＝2Δx(x0－xi)＋2Δy(y0－yi)＋(Δx)2＋(Δy)2 (3)
忽略等式中与其余项相比较小的最后两项(即Δx2，Δy2)，等式(3)简化为线性方程式。如下文充分说明的那样，从两个或三个基站取得距离测量值时，等式(3)可以简化线性形式应用，求解距离(Δx，Δy)。通过用线性方程求解距离(Δx，Δy)，本发明可不必求解非线性方程而提供距离(Δx，Δy)值。此外，还可校准未知的硬件延迟和信道减损。
可得到3个基站距离测量值时，确定距离(Δx，Δy)可简化求解两个线性方程的系统，每个方程表示方程(3)的“简化”形式用于一对基站间：(R12-R022)-(R12-R012)=2Δx(x1-x2)+2Δy(y1-y2)---(4)]]>(R32-R032)-(R12-R012)=2Δx(x1-x3)+2Δy(y1-y3)---(5)]]>
上述线性方程系统可改写成：2(x1-x2)2(y1-y2)2(x1-x3)2(y1-y3)ΔxΔy=(R22-R022)-(R12-R012)(R32-R032)-(R12-R012)---(6)]]>
式(6)可以如下式(7)所示简化形式改写：
Az＝B (7)
可对Z求解线性方程系统(7)，以确定Δx和Δy。在对Z求解方程(7)时，X1、X2、X3、Y1、Y2和Y3已知，因为它们是系统中基站的坐标。可用移动台和基站，依据下式(8)测量B值。Ri2-Rj2=(Ri-Rj)(Ri+Rj)=φτ---(8)]]>
其中，φ是两基站i和j的导频相位偏移(来自一个基站的导频用作基准，而另一个基站的导频是非基准导频，用于确定对基准导频的相位偏移)，ι是移动台与非基准导频信号有关的基站的往返行程延迟。可用其它手段在两个基站测量距离Ri和Rj。注意：方程(7)的解是精确解，不包含近似。
在仅从两个基站获得距离测量值时，可通过求解线性方程系统确定距离(Δx，Δy)。如上所述，方程(3)可简化或近似成下式(9)
(Ri)2－(R0i)2≡2Δx(x0－xi)＋2Δy(y0－yi) (9)
对i＝1，2；式(9)可写成：2(x0-x1)2(y0-y1)2(x0-x1)2(y0-y1)ΔxΔy≅(R22-R022)(R12-R012)---(10)]]>
等式(10)可以改写成下式(11)的简化形式
Cz≡D (11)
可对Z求解线性方程(11)的系统，以仅从两个基站给定基础设施测量值时确定Δx和Δy。
仅可从一个基站取得距离测量值时，若从步骤104制模中可知移动台的运行方向(m)，则也可确定距离(Δx，Δy)。在这种情况下，可通过求解下述等式(12)和(13)确定Δx和Δy值：R12-R012=2Δx(x0-x1)+2Δy(y0-y1)---(12)]]>
Δy＝mΔx (13)
方程(12)和(13)的解表示求解Δy和Δy的实用方法，因为一旦系统确定了移动台的初始位置(步骤102)，就可用计算机映射，确定移动台正在移动的街道或公路及其斜率(m)或角度取向。矢量R1-R01的符号用于确定移动台的运行方向。求解方程(12)和(13)可得：
Δx≡((R1)2－(R01)2)/(2(x0－x1)－2m(y0－y1) (14)
Δy≡m((R1)2－(R01)2)/(2(x0－x1)－2m(y0－y1) (15)
通常，在基础设施侧(例如基站、基站控制器或其它控制中心)完成位置更新。此外，如果系统基础设施把下述信息传送至移动台，则也可在移动台确定并更新位置Δx和Δy：(i)第1基站x1、y1的位置，(ii)步骤102得到的移动台的初始位置x0、y0(iii)移动台正在运行的街道的斜率或取向(m)；(iv)距离R1。
再参照图1，对Δx和Δy计算各值后，步骤118在一个时间周期重复产生基础设施测量值和对各组测量值确定Δx和Δy的过程，直到定时器超时。在定时器有效期间，产生多个顺序计算的Δx和Δy值，接着，在步骤120，对这些值取平均。在较佳实施例中，每20ms独立计算Δx和Δy值，然后在1秒期间(即步骤118所用定时器周期)对这些值取平均，以对步骤112-116计算的各Δx和Δy值泸波。
在步骤122，步骤120得到的Δx和Δy的平均值与门限值比较。步骤122的目的是评价步骤112-116仅用基础设施而所作的位置测量是否指示，从移动台位置最后更新以来，其位置已有大的改变。如果该评价表示有这种大的变化，则系统断定，步骤120所得的平均Δx和Δy可能太不精确，更新过程精度降低到系统需作新的GPS测量的程度。在这情况下，系统返回步骤102，通过用GPS测量值确定新的高可靠位置重新开始处理过程。
在步骤124中所用的门限值是设计选择的，它表示在用GPS测量的新高可靠值取代目前位置前，系统设计者愿意承受的不精确风险的限度。
在步骤124，步骤120的平均的Δx和Δy值与步骤104的移动台模型位置比较，以便已知移动台以前最终位置的情况下，确定例如平均Δx和Δy值是否把该移动台置于移动台不大可能移动到的街道上。步骤124的目的是根据步骤104的地图信息和模型信号，再次判定步骤112-116中仅用基础设施所作的位置测量是否太不精确，以致于不能用于更新移动台的位置。如果是这种情况，则系统返回步骤102并通过用GPS测量值确定新的高可靠初始位置重新开始处理。
接着，在步骤126，系统进行检查以确定定时器是否期满。在本发明一个较佳实施例中，仅用基础设施测量更新移动台位置的过程至多持续一预定时间，此后，系统返回步骤102并通过用GPS测量确定新的高可靠初始位置而再次开始处理。在一个实施例中，该定时器可设置至大约3分钟。但是，该定时器时限是一种设计选择，它表示系统设计者在用GPS测量的新高可靠值替代位置测量值前，允许移动台位置测量精度减退的程度。
最后，在步骤128，如果步骤120的平均Δx和Δy不在步骤122-126被拒绝，则步骤120的平均Δx和Δy值用于更新先前的移动台位置，接着，处理从步骤128起重复。
在方法100的较佳实施例中，移动单元中的接收机(例如图3所示的模拟接收机334)最好暂时从与语音或数据(例如因特网或传真)业务相关的频率切换至与GPS系统相关的频率，以在步骤102中从GPS系统进行位置测量。在进行GPS测量后，移动单元中的接收机立即从与GPS相关的频率调回与语音或数据业务相关的频率。这样，在位置更新过程的剩余部分期间(即步骤104-128)，移动单元中的接收机保持调谐至语音或数据业务频率，因为在这些后续步骤期间，使用仅用系统基础设施所作的测量更新初始位置。
现在返回图3，该图是实现本发明位置跟踪系统所用示范性码分多址(CDMA)移动台300构成部件框图。移动台包括：经双工器332耦合至模拟接收机334的天线系统330和发射功率放大器336。天线系统330和双工器332是标准设计，可通过一个或多个天线同时接收和发送。天线系统330包含一个语音业务天线和接收GPS信号的分开的天线，可任选。天线系统330收集从一个或多个基站和GPS系统发送至移动台的信号，并经双工器332，向接收机334提供该信号。接收机334还备有模拟数据转换器(未图示)。接收机334接收来自双工器332的RF信号，放大该信号并进行下变频，向数字数据接收机340、342和搜索接收机344提供数字化输出信号。应理解，虽然在图3实施例中仅显示两个数字数据接收机，但低性能移动台可仅有一个数字数据接收机，而较高性能单元可有两个或多个数字数据接收机以便可分集接收。接收机340和342的输出提供至分集合并器电路348，该电路对从接收机340和342接收的两个数据流调节时间，把数据流合在一起并解码合并的数据流。关于数字数据接收机340、342，搜索接收机344以及分集合并器和解码电路348的工作详情，在题为“在CDMA蜂窝式电话系统通信中提供软切换的方法和装置”的美国专利USP5101501(U.S.Patent No.5101501 entitled“Method andApparatus for Providing A Soft Handoff In Communications In A CDMACellular Telephone System”)，该专利转让给本发明受让人并通过引用与本申请结合。
从解码器348向控制处理器346提供输出信号。来自解码器的输出信号可包括例如，任何来自基站且用作位置测量的导频信号、从GPS系统接收的定时信号、和从基站发送至移动单元的模型信息及基站位置信息等的其它信息。响应该信息，控制处理器346根据方法100确定并试图更新移动台的位置。方法100的所有步骤(除步骤104)最好由控制处理器346的软件完成，虽然，本领域技术人员理解，这些步骤中的许多步骤也可在系统基础设施中完成。响应上述输出信号，控制处理器346向发送调制器338发送信号，该调制器按照扩频调制对控制处理器346产生的控制消息进行调制，以向适当的基站发送。控制消息可包括例如用方法100确定的移动台的当前更新位置。
现在返回图4，该图是完成本发明位置跟踪系统所用示范性CDMA基站400的构成框图。在基站，利用两个接收机系统，每个具有单独的天线和模拟接收机，以分集接收。在每个接收机系统中，对信号进行同样处理，直到信号经受分集合并处理。虚线内的部件对应于基站和一个移动台通信的部件。仍参照图4，第1接收机系统包括天线460、模拟接收机462、搜索接收机464和数字数据接收机466与468。第2接收机系统包括天线470、模拟接收机472、搜索接收机474和数字数据接收机476。区站控制处理器478用于信号处理和控制。区站处理器478监测与移动台间收发的信号，以确定本发明所用的往返行程延迟值，该处理器最好还用于执行步骤104的移动位置模型设置。区站处理器478还具有向移动台发送往返行程延迟测量值和移动台轨迹取向等模型信息的功能。最后，上述位置更新处理也可在区站处理器478中完成。
两个接收机系统均耦合至分集合并器和解码电路480，数字链路482用于在控制处理器478控制下与基站控制器或数据路由器之间传送信号。天线460接收的信号提供至模拟接收机462，在接收机中放大信号、进行频率变换和数字化，其处理过程与上述移动台模拟接收机的处理相同。模拟接收机462的输出提供至数字数据接收机466和468及搜索接收机464。第2接收机系统(即模拟接收机472、搜索接收机474和数字数据接收机476)以与第1接收机系统相似的方式处理接收信号。数字数据接收机466、476的输出提供至分集合并器和解码电路480，按照解码算法处理信号。关于第1和第2接收机系统及分集合并器和解码器980的工作详情在题为“CDMA蜂窝式电话系统通信中提供软切换的方法和装置”的美国专利USP5101501中加以叙述，该专利已在上文中加以引用和结合。要发送至移动单元的信号在处理器478控制下提供至发送调制器484。发送调制器484调制数据以发送至试图接收的移动台。
虽然本发明已参照使用CDMA调制在系统中移动台和多个基站间发送信号的移动无线电通信系统进行描述，但本领域技术人员理解，本发明的技术教导可用于使用其它调制方法(例如时分多址调制)在系统中移动台与多个基站间通信的移动无线电通信。
提供上述较佳实施例使本领域技术人员可实施或利用本发明。上述实施例的各种修改对本领域技术人员是显而易的，这里限定的一般原理可用于其它实施例而无需发明才能。从而，本发明不限于上述方法和装置，而是符合与后述权利要求一致的最宽范围。