專利名稱：Tdd模式下基于mimo的移動臺定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線移動通信技術領域，特別涉及TDD模式下基于MIMO的移動臺定位方法。
背景技術：
無線定位技術的研究始于20世紀60年代的自動車輛定位系統(tǒng)，隨后該技術在公共交通、出租車調度以及公安追蹤等范圍內廣泛應用。后來，隨著人們對基于位置的信息服務的需求增多，無線定位技術得到更多研究者的關注，全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)更使得無線定位技術產(chǎn)生了質的飛躍，定位精度得到大幅度的提高，可達到10m以內。雖然直接利用GPS可以達到一種較為理想的定位效果，但是他需要專門的接收設備，對大多數(shù)用戶來說并不是很方便。近年來，隨著蜂窩移動系統(tǒng)的普及，定位技術開始用于蜂窩系統(tǒng)設計、切換、服務區(qū)確定、交通監(jiān)控等方面。目前，無線定位可分為衛(wèi)星無線定位和地面無線定位，衛(wèi)星定位利用GPS， GLONASS以及我國的北斗雙星等衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)移動目標的三維定位；地面無線定位則通過測量無線電波的傳播時間、信號場強、相位、入射角度等參數(shù)實現(xiàn)移動目標的二維定位。蜂窩無線定位屬于地面無線定位系統(tǒng)?，F(xiàn)有的蜂窩移動通信網(wǎng)中的無線定位系統(tǒng)按移動通信結構分為基于移動通信網(wǎng)絡的無線定位、基于移動臺的無線定位、混合定位等。近年來，隨著移動用戶的快速增加，對位置服務的需求也大大增加，在蜂窩系統(tǒng)中，基于位置的服務有很多種類，如公共安全、基于位置的記費服務、跟蹤服務增強呼叫的路由選擇服務等。當前的蜂窩無線定位系統(tǒng)中，為了避免對移動終端增加額外開銷，多采用的是基于網(wǎng)絡的定位方案，由多個基站同時接收檢測移動臺發(fā)出的信號，根據(jù)測量到的參數(shù)由網(wǎng)絡對移動臺進行定位估計。移動終端往往是普通手機，這就需要對基站安裝監(jiān)測設備，測量移動臺發(fā)出的信號參數(shù)，再通過適當?shù)乃惴ü烙嫵鲆苿优_的大致位置，而信號的傳播很大程度上取決于移動通信信道特性，使定位精度受到很大的影響。 現(xiàn)有的蜂窩移動通信網(wǎng)中的最常用的無線定位方法是TDOA(TimeDifference ofArrival)。傳統(tǒng)的TD0A定位方法示意圖如圖1所示。TD0A是一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測移動臺信號到達兩個基站的時間差來確定移動臺的位置，移動臺必定位于以兩個基站為焦點的雙曲線方程上，確定移動臺的二維位置坐標需要建立兩個以上雙曲線方程，也就是說需要至少三個以上的基站接收到移動臺信號，而兩個雙曲線的交點即為移動臺的二維位置坐標。TD0A方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機上由于信道產(chǎn)生的共同誤差，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務基站近的移動臺發(fā)射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站的SNR太小帶來的測量誤差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種TDD模式下基于MM0的移動臺定位方法。
為實現(xiàn)上述目的，一種移動臺定位方法，包括步驟
a.基站判斷移動終端在中心區(qū)域還是在非中心區(qū)域； b.如果基站判斷移動終端在小區(qū)中心，則基站使用到達角和移動終端與基站之間 的距離確定移動終端的位置； c.如果服務基站判斷移動終端不在小區(qū)中心，則基站使用多基站定位方法確定移 動終端的位置。 本發(fā)明可以提高小區(qū)中心區(qū)域的定位精度，減少了采用多基站定位時，基站之間 通信帶來的開銷同時避免由于相鄰基站接受到的功率非常小而造成的測量誤差。


圖1是傳統(tǒng)的TDOA定位方法示意圖； 圖2是ToA+AoA+TDOA示意圖； 圖3是RTD算法示意圖； 圖4是基于多天線的AoA算法； 圖5是基于T0A+AoA+TD0A的算法流程圖； 圖6是ToA+AoA的信令流圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的示意圖如圖2所示。本發(fā)明主要是將TDOA算法與AOA+RTD算法結合起 來；本發(fā)明主要是將小區(qū)分成兩個部分，一個部分為中心區(qū)域；另一部分為非中心區(qū)域?；?站首先利用RSSI信號或者LQI (Link Qualitylndicator)、或TOA方法等方法來粗略判斷移 動終端在中心區(qū)域還是在非中心區(qū)域。如果基站判斷移動終端在小區(qū)中心，那么服務基站 就會選用基于MMO的單小區(qū)定位方法即AoA+RTD (round trip delay)?；臼紫壤肦TD 算法來估計移動終端與基站的距離D，從而確定移動終端在以移動終端與基站的距離D為 半徑的圓上，再利用MIMO技術來估計移動終端發(fā)射信號的到達角(注釋天線陣列的接收信 號的角度范圍一般為0 180)，從而來確定移動終端的最終位置；如果基站判斷移動終端 不在小區(qū)中心，那么服務基站就會選擇多基站的定位方法即TDOA算法來估計移動終端的 位置。首先服務基站請求相鄰小區(qū)的基站給移動終端分配上行測距信號的時機，然后服務 基站要求移動終端監(jiān)聽相鄰小區(qū)的同步信號和控制信道，從而獲得給鄰小區(qū)基站發(fā)送上行 探測信號的時機，鄰小區(qū)的基站在接收到移動終端的上行測距信號后，可以估算出發(fā)送信 號的傳輸時間，然后將估算的傳輸時間報告給服務基站，服務基站接收到估算的傳輸時間 就可根據(jù)TDOA算法求出移動終端的位置坐標。 本發(fā)明利用RSSI信號或者LQI (Link Quality Indicator) 、 TOA等方法來粗略判 斷移動終端在中心區(qū)域還是在非中心區(qū)域，首先，基站測得接收信號的信號強度(RSSI)或 者LQI (Link Quality Indicator)，然后根據(jù)下面無線信號傳播模型粗略計算出基站與移 動終端之間的距離D(或者利用TOA計算距離D)，然后將距離D與小區(qū)中心半徑R做比較， 如果距離D 〉小區(qū)半徑R，說明移動終端不在小區(qū)中心；如果距離D 〈小區(qū)半徑R，說明移動 終端在小區(qū)中心.無線信號傳播模型描述如下
在無遮擋情況下，可以得到無線信號傳播模型
4<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，P(d)為距離基站d處的信號強度(單位dBm) ;P(d。)為距離基站d。處的信 號強度；a為信號強度隨距離變化的速率。由于很多環(huán)境中都存在遮擋，因此無線信號傳 播模型存在很大誤差，考慮反射和折射等因素的存在，式(1)被修正為
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，nW為終端與基站之間障礙物的數(shù)量；C為使衰減因子變化的障礙物數(shù)量的 臨界值；WAF為障礙物的衰減因子。 本發(fā)明采用RTD算法來估算移動終端與服務基站之間的距離。RTD算法示意圖如 圖3所示。算法具體步驟如下 1.服務基站發(fā)送同步信號(preamble)或者連續(xù)導頻信號(midamble ordedicated pilot)給移動終端 2.MS接收到同步信號或者連續(xù)導頻信號(midamble or dedicated pilot), 然后計算其的處理時間T然后將處理時間TMS反饋給服務基站同時發(fā)送上行測距信號 (Ranging) 3.服務基站利用接收到上行測距信號來計算處理時延T^服務基站根據(jù)公式D' =c. (^-T)/2并且利用TMs和T^去計算移動終端到達服務基站的距離D'，其中，c為電 磁波在空中的傳播速度。 基于多天線的AoA算法如圖4所示。具體算法流程如下
1.令S(t)表示移動終端發(fā)射信號，S(t)能夠表示為
S (t) = exp (j2 Ji f t+ 4>) 2.服務基站至少有兩個天線；以兩個天線為例進行說明 a)服務基站天線1的接收信號為Rl可以表示為= e鄧(j2 ft一小) b)服務基站天線2的接收信號為R2可以表示為:R2 = e鄧[j2 f (t一 A t) +小] c)因此Rl和Rl的比值可以表示為f = exp(y'2;rA0
J < in /9 W，， /2禍sin e 、
d)根據(jù)時間差公式"=^^ ，R1和R1的比值可以改寫成"^^exp(^-)
c i ，e)到達角9可以表示為P = :^arcsinln(f) 首先服務基站以本身為圓心，以基站與移動終端的距離D'為半徑，畫一個圓，移 動終端肯定在這個圓上，再根據(jù)移動終端的信號到達角e ，以服務基站本身為射線的端點，
沿著移動終端的信號到達角e畫一條射線，與以D'為半徑的圓的交點就是移動終端的位置。 基于T0A+AoA+TD0A的算法流程圖如圖5所示。具體的算法流程如下 1.服務基站首先利用RSSI信號或者LQI (Link Quality Indicator) 、T0A等方法
粗略估算基站BS與移動終端MS之間的距離D ; 2.基站利用基站BS與移動終端MS之間的距離D與中心半徑R進行比較；
3.如果D < R
5
a)服務基站認為移動終端位于小區(qū)中心，服務基站利用到達信號估計移動終端的 AoA， b)服務基站利用移動終端的AoA和移動終端與服務基站之間的距離D'(根據(jù) RTD算法計算)來計算移動終端的具體位置；
4.如果D > R a)服務基站認為移動終端不在小區(qū)中心，因此服務基站請求相鄰小區(qū)的基站給移 動終端分配上行測距信號發(fā)射機會并且反饋測量的信號傳輸時間^ ; b)服務基站根據(jù)相鄰小區(qū)反饋的信號傳輸時間^和本身測量的信號傳輸時間t2， 計算時間差T; c)服務基站根據(jù)時間并且利用TDOA算法計算移動終端的位置坐標；TD0A算法，也 稱雙曲線定位算法方法。如圖1所示，當已知基站BSl和基站BS2與移動臺之間的距離差 R21 = R廠^時，移動臺必定位于以兩基站為焦點、與兩基站的距離差恒為R21的實線雙曲線 上。當同時知道基站BSl和BS3與移動臺之間的距離差R31 = Rfl^時，可以得到另外一組 以兩基站BS工和BS3為焦點，與該兩個焦點的距離差恒為R^的虛線雙曲線對上。于是，兩組 雙曲線的交點代表對移動臺的估計。 設移動臺的坐標為(x。，y。)和基站的坐標為(Xi，y》(i = 1， 2， 3…)，則有如下關系
、—A) +0?！?)— V0。_X1) +00—^) j =i 21
(3)
〔x。—x3) +o0—y3) —vo?！猘) +o?！?1 =《〗 其中，R21和R31可以通過測量從兩個基站同時出發(fā)的信號到達目標移動終端的 時間差或從移動臺到達兩個基站的時間差t21和t31來確定。顯然有R21 = cXt21和R31 = cXt^，其中，c為電磁波在空中的傳播速度。 為了求解以上所述的非線性雙曲線方程可以先進行線性化處理，設移動臺與第i 個基站之間的距離為Ri，則 《2 =V(x。 一 x;)2 + (y0 - X )2 j =尺,一2x,x0 — 2y,少。+ x02 + _y02 其中，尺，=x,2+乂2 因為，i ,2 =(i n 展開i^ + 2i ,!i^ +《2 =《—2x,x。 - 2y,y。 + x02 +少02 根據(jù)(4)得《=《—2x!x。 一 2乃y。 + x。2 + y02 (7) - (8)得《+ 2i ,A =《—2(x, - & )x。 — 20, — ^ )_y。 一《 當有效的基站為3個時，(9)可以表示成
<formula>formula see original document page 6</formula> 將(10)代入式(8)得到關于&的二次方程，將其根代回(10)可得到移動臺的估 計位置(x0， y。) RTD+AoA的信令流圖 1.服務基站要求移動終端監(jiān)聽同步信號和連續(xù)導頻信號(midamble ordedicatedpilot) 2.移動終端同意監(jiān)聽同步信號和連續(xù)導頻信號(midamble or dedicatedpilot) 并且測量和反饋處理時延TMS 3.服務基站給移動終端分配正交碼和發(fā)射時機 4.服務基站發(fā)射同步信號或者連續(xù)導頻信號(midamble or dedicatedpilot)和 RNG-RSP(status = continue,Rebdezvous time,CDMAcode，Tx opportunity offset)給移 動終端 5.移動終端接收同步信號或者連續(xù)導頻信號(midamble or dedicatedpilot)并 且計算處理時延TMS 6.移動終端將T反饋給服務基站同時發(fā)送上行測距信號給服務基站
7.服務基站接收到上行測距信號后，計算處理時延T^然后根據(jù)RTD算法計算移 動終端與服務基站之間的距離D'，最后服務基站利用多天線技術估計移動終端發(fā)射信號 的AoA 8.服務基站最終根據(jù)D'和AoA來確定移動終端的位置。首先服務基站以本身為 圓心，以基站與移動終端的距離D'為半徑，畫一個圓，移動終端肯定在這個圓上，再根據(jù)移 動終端的信號到達角e ，以服務基站本身為射線的端點，沿著移動終端的信號到達角e畫 一條射線，與以D'為半徑的圓的交點就是移動終端的位置。
權利要求
一種移動臺定位方法，包括步驟a.基站判斷移動終端在中心區(qū)域還是在非中心區(qū)域；b.如果基站判斷移動終端在小區(qū)中心，則基站使用到達角和移動終端與基站之間的距離確定移動終端的位置；c.如果服務基站判斷移動終端不在小區(qū)中心，則基站使用多基站定位方法確定移動終端的位置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟b包括基站估計移動終端與基站的距離D';基站估計移動終端發(fā)射信號到基站的到達角；基站利用距離D'和到達角確定移動終端的位置。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于所述基站估計移動終端與基站的距離D'包括步驟服務基站發(fā)送同步信號或連續(xù)導頻信號給移動終端；移動終端接收到同步信號或連續(xù)導頻信號后計算移動終端的處理時間T，然后移動終端將處理時間TMS反饋給服務基站并同時向服務基站發(fā)送上行測距信號；服務基站利用接收到的上行測距信號計算處理時延TBS，服務基站利用TMS和TBS計算移動終端到達服務基站的距離D'。
4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述服務基站按下式計算移動終端到達服務基站的距離D':D' = c (Tbs-T)/2，其中，c為電磁波在空中的傳播速度。
5. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于所述服務基站按下式計算到達角^ = T^腦inh(,)，射'e力械驗鐘8勺銜番鵬，&禾口 R2射樣別艮錢站天線1的接收信號和天線2的接收信號。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟c包括服務基站請求相鄰小區(qū)的基站給移動終端分配上行測距信號的時機；服務基站要求移動終端監(jiān)聽相鄰小區(qū)的同步信號和控制信道；相鄰小區(qū)的基站在接收到移動終端的上行測距信號后將上行測距信號的傳輸時間^報告給服務基站；服務基站根據(jù)相鄰小區(qū)反饋的傳輸時間^和本身測量的移動終端到服務基站的傳輸時間^確定計算時間差T ;服務基站根據(jù)時間差T確定移動終端的位置。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于按下式計算移動終端的位置<卩(X。 - X2)2 - - V(X。 _X1)2 +(Ui)2<[=《1(V(X。 — X3)2 +Oq — y3)2 - V<X - Xl)2+(Ul)2/ =《其中，R21和R31可以通過測量從兩個基站同時出發(fā)的信號到達目標移動終端的時間差或從移動臺到達兩個基站的時間差^和t31來確定，顯然有1 21 = cX^和R31 = cXt^，其中，c為電磁波在空中的傳播速度。
全文摘要
一種移動臺定位方法，包括步驟基站判斷移動終端在中心區(qū)域還是在非中心區(qū)域；如果基站判斷移動終端在小區(qū)中心，則基站使用到達角和移動終端與基站之間的距離確定移動終端的位置；如果服務基站判斷移動終端不在小區(qū)中心，則基站使用多基站定位方法確定移動終端的位置。本發(fā)明可以提高小區(qū)中心區(qū)域的定位精度，減少了采用多基站定位時，基站之間通信帶來的開銷同時避免由于相鄰基站接受到的功率非常小而造成的測量誤差。
文檔編號H04W64/00GK101754359SQ20081017804
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權日2008年12月8日
發(fā)明者周雷, 趙錚, 鄭旭峰 申請人:三星電子株式會社;北京三星通信技術研究有限公司