CN101277511A - 一种无线定位方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线定位方法，修正了因基站信号经非直达路径传播带来的测量延时，提高了定位精度。其技术方案为：该无线定位方法包括：确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子；网络向手机发送测量命令；手机测量时间信息；手机判决用于测量的路径是否为直达路径；手机向网络上报测量到的时间信息以及该测量是否在直达路径上获得的信息；网络对于在直达路径上获得的测量信息，直接将测量时延值进行位置估计，其结果即为手机位置；网络对于在非直达路径上获得的测量信息，根据测量时延值查找其对应的修正因子，将该时延值与该对应的修正因子的乘积进行位置估计，其结果即为手机位置。本发明应用于移动通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信系统中基于基站的定位方法和装置，尤其是关于基站与手机之间存在非直达路径情况下的定位方法和装置。
背景技术
随着无线通讯技术的发展，特别是美国提出应急位置服务要求之后，无线定位服务越来越受到业界的关注。
按照是否需要手机参与，对于收集的定位技术主要分为两种类型：需要手机上报信息的手机定位技术以及不需要手机上报信息的手机定位技术。前者，网络系统需要通过信令通知手机，而且需要手机主动上报有关测量信息才可以确定手机的具体位置。因此手机有办法了解其处于被定位状态。并且，手机也可以在用户需要阻止被定位的前提下，通过不上报有关测量信息和上报虚假测量信息的方法，使得自己的位置信息的隐私得到保护。但对于后者，由于不需要手机的主动参与，手机无法确认其是否处于被定位的状态，这对于手机位置的保护造成了一定的困难。这类方法的一个典型就是基于小区号的定位方法。
另一方面，按照定位参考信号分类，对于收集的定位技术主要分为3种类型：基于手机小区号的定位、基于基站信号/手机信号的定位以及基于卫星导航系统的定位。其中，基于手机小区号的定位方法精度较差，基于卫星导航系统的定位方法需要额外的设备以及成本，基于基站信号/手机信号的定位方法基本不需要添加额外设备而且具有中等的定位精度。
现有的基于基站信号/手机信号的定位方法如图1所示，系统至少具有三个基站111～113和一部具有测量能力的手机12，这三个基站与手机12存在无线传播的信号131～133对应测量到的信号传播时间为t1～t3。由于无线电波的传播速度为恒定的光速c，所以，手机与对应基站的距离为di＝ti×c(i＝1，2，...)。以对应基站为圆心、di为半径画圆141～143，则所有得到的圆的交点位置即为手机对应位置。手机上报其测量的基站信号的发射-接受时延给网络系统，则网络就可以根据这些值计算得到手机的所在位置。
在实际系统中，由于手机与基站之间存在建筑物等的阻挡，实际可以存在直达路径的可能性很小。图2是一种典型的情况，基站21与手机22之间由于存在建筑物23的遮挡，所以不存在理想的直达路径24。同时，由于另一个建筑物25对于基站信号的反射，基站21与手机22之间存在信号传输的路径26。由于几何中的“三角形两边之和大于第三边”的原理，所以按照此时的测量值得到的对应圆的半径会大于实际值，造成位置估计的不准确。
第三代(3G，3rd Generation)移动通信系统是目前世界上大多数国家和地区都正在使用或者将会使用的移动通信系统。3GPP(3rd Generation PartnershipProject)作为3G的标准组织，完成了所有有关的标准工作。有关无线定位方面，3GPP组织采纳了各方面的意见，在其标准中采用了全部三种定位模式：基于手机小区号的定位、基于基站信号/手机信号的定位以及基于卫星导航系统的定位。
对于基于基站信号/手机信号的定位，采用了收集测量上报的方法。由手机测量各个基站的信号到达时间，并且通过信令上报网络。而网络则完成计算手机位置的功能。目前遇到的困难正如前面所述的，当基站与手机等移动终端之间存在障碍物时，造成基站与手机之间的信号传输路径为非直达路径，此时如仍按直达路径的处理方式作位置估计，则会造成不准确的估计结果。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种无线定位方法，修正了由于基站信号通过非直达路径传播带来的额外测量延时，提高了移动定位精度。
本发明还提供了一种无线定位装置，修正了由于基站信号通过非直达路径传播带来的额外测量延时，提高了移动定位精度。
本发明的技术方案为：本发明提出了一种无线定位方法，包括：
确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子；
网络向手机发送测量命令；
手机测量时间信息；
手机判决用于测量的路径是否为直达路径；
手机向网络上报测量到的时间信息以及该测量是否在直达路径上获得的信息；
网络对于在直达路径上获得的测量信息，直接将测量时延值进行位置估计，其结果即为手机位置；
网络对于在非直达路径上获得的测量信息，根据测量时延值查找其对应的修正因子，将该时延值与该对应的修正因子的乘积进行位置估计，其结果即为手机位置。
上述的无线定位方法，其中，确定延时分段和修正因子的过程进一步包括：
获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时；
统计最大传输延时和最小传输延时，将两者之间的时间间隔分割成数个延时分段；
计算每个延时分段中传输延时的平均值，即为这一延时分段的平均测量时延；
统计平均直达时延；
对于每个延时分段，将其平均测量时延除以该平均直达时延，结果即为这一延时分段对应的修正因子。
上述的无线定位方法，其中，获得每个点的位置信息和测量的传输延时的方式包括利用网络规划结果或实际现场测量结果。
上述的无线定位方法，其中，将每个延时分段与其对应的修正因子的映射关系以数据表的方式存储。
上述的无线定位方法，其中，根据测量时延值查找修正因子的过程进一步包括：
将测量时延值与延时分段长度相除、取整；
根据取整后的结果查找对应的修正因子。
基于上述无线定位方法，本发明另外提出了一种无线定位装置，包括：
修正因子计算模块，确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子；
存储模块，连接该修正因子计算模块，将该修正因子计算模块得到的每个延时分段以及对应的修正因子以映射关系数据表的方式存储；
位于移动终端内的时延测量模块，测量该移动终端的时间信息并上报至网络；
位于移动终端内的直达路径检测模块，判决用于测量的路径是否为直达路径，并上报至网络；
位于网络侧的时延修正模块，接收该时延测量模块的测量时延和该直达路径检测模块的是否为直达路径的信息，对非直达路径上获得测量时延进行修正；
位于网络侧的位置估计模块，连接该时延修正模块，根据修正后的测量时延计算出移动终端的位置。
上述的无线定位装置，其中，该修正因子计算模块进一步包括：
位置信息和传输延时获取单元，获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时；
延时分段分割单元，统计最大传输延时和最小传输延时，将两者之间的时间间隔分割成数个延时分段；
平均测量时延计算单元，计算每个延时分段中传输延时的平均值，即为这一延时分段的平均测量时延；
平均直达时延统计单元，统计平均直达时延；
修正因子获得单元，将每一延时分段的平均测量时延和平均直达时延相除，结果即为每一延时分段对应的修正因子。
上述的无线定位装置，其中，该位置信息和传输延时获取单元获得每个点的位置信息和测量的传输延时的方式包括利用网络规划结果或实际现场测量结果。
上述的无线定位装置，其中，该时延修正模块进一步包括：
修正因子查找单元，其输入端接收测量时延和时延分段长度，根据该测量时延查找到对应的修正因子，其输出端输出该修正因子；
乘法器单元，其第一输入端接收测量时延，第二输入端连接该修正因子查找单元的输出端以接收该修正因子，其输出端输出两者的乘积；
二选一的选择器单元，其第一输入端连接该乘法器单元的输出端，其第二输入端接收测量时延，其控制端接收是否为直达路径的信息，如果控制端接收到测量是在直达路径上进行的信息，则输出端输出第二输入端接收到的数据，如果控制端接收到测量是在非直达路径上进行的信息，则输出端输出第一输入端接收到的数据。
上述的无线定位装置，其中，该修正因子查找单元进一步包括：
除法器，一端接收测量时延，一端接收延时分段长度，输出端输出测量时延除以延时分段长度的结果；
取整单元，连接该除法器，对相除结果进行取整；
查找单元，连接存储模块，根据取整结果在存储模块的映射关系数据表中查询对应的修正因子。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子，根据在非直达路径上获得的测量时延值查找其对应的修正因子，将测量时延值与修正因子相乘后再进行位置估计。这种修正由于基站信号通过非直达路径传播带来的额外测量时延，提高了移动定位的精度。
附图说明
图1是无线定位的原理图。
图2是无线传播实际情况的示意图。
图3是本发明的无线定位方法的较佳实施例的流程图。
图4是图3实施例中步骤S10的子流程图。
图5是图3实施例中步骤S17的子流程图。
图6是本发明的无线定位装置的较佳实施例的框图。
图7是图6实施例中的修正因子计算模块的较佳实施例的子框图。
图8是图6实施例中的时延修正模块的较佳实施例的子框图。
图9是图8实施例中的修正因子查找单元的较佳实施例的子框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图3示出了本发明的无线定位方法的较佳实施例的流程。下面结合图3对流程中的各步骤加以较为详细的描述。
步骤S10：确定延时分段tk和对应的修正因子fk。其中k表示每个延时分段的序号。具体的确定方法请参见图4，图4示出了确定过程的子流程。
步骤S101：获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时。这里获得的途径包括利用网络规划的结果或者实际现场测量的结果。
步骤S102：统计最大传输延时TAmax和最小传输延时TAmin，将TAmax和Tamin之间的时间间隔分割成数个延时分段。
延时分段的数量N是由系统的设计规格决定的，每个延时分段的长度DT＝(TAmax-Tamin)/N。
步骤S103：计算每个延时分段中传输时延的平均值，即为该延时分段的平均测量时延。
也即，对于每一个设定的延时分段TAmin+k×DT≤tk＜TAmin+(k+1)×DT，其中k为大于等于0且小于N的整数，其对应的平均测量时延tak＝TAmin+(k+0.5)×DT。
步骤S104：统计平均直达时延tadk；
步骤S105：对于每个延时分段tk将平均测量时延tak除以平均直达时延tadk，其结果fk即为这一延时分段对应的修正因子，0≤fk＜1。
步骤S11：网络向手机发送测量命令。包括核心网向服务无线网络控制器发送定位请求，服务无线网络控制器向手机发送基站间接收时延测量请求和手机接收-发射时延测量请求。
步骤S12：手机测量有关的时间信息。
步骤S13：手机判决用于测量的路径是否为直达路径。
判决方法是一现有技术，例如：手机对一个基站的信号进行同步捕获，获得接收信号的多径信息。接着计算时间上首先到达的路径的能量P1和其他路径的能量的平均值P2。然后判断P1和K*P2的大小，如果P1＞K*P2，则判定该路径为直达路径，否则判定该路径为非直达路径。
其中K为阀值，一般情况下K＞1且可由理论计算和仿真计算得到。具体地说，首先进行系统仿真以获得需要的结果的精度值，然后再次进行系统仿真以得到有关参数的性能曲线，最后根据上述两步系统仿真的结果，在有关参数的性能曲线中找到符合第一步的精度值的点，并以该点的参数值作为所需的参数。
步骤S14：手机向网络上报测量到的时间信息(即测量时延值t)以及该测量是否在直达路径上获得的信息。
步骤S15：判断测量是否在直达路径上获得。如果是则进入步骤S16，否则进入步骤S17。
步骤S16：对测量时延值t不加修正，即T＝t(T为修正处理后的时延值)。然后进入步骤S19。
步骤S17：根据测量时延值t查找对应的修正因子f。查找过程请参见图5。
步骤S170：将测量时延值t除以延时分段长度DT。
步骤S171：将上一步的结果进行取整运算。
步骤S172：将取整运算的结果在存储的数据表中查找对应的修正因子f。这里的数据表是一个以延时分段序号和对应的修正因子为数据元组的映射关系表，只要将取整结果作为延时分段序号，在数据表中该序号对应的修正因子就是所需的修正因子f。
步骤S18：将测量时延t与对应的修正因子f相乘后得到修正值T。
步骤S19：网络以修正后的测量时延为依据，进行位置估计。
基于上述的无线定位方法，本发明还提出了一种无线定位装置，图6示出了这种无线定位装置的原理。装置30包括：修正因子计算模块31、存储模块32、位于移动终端的时延测量模块33和直达路径检测模块34、位于网络侧的时延修正模块35和位置估计模块36。
修正因子计算模块31确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子。请同时参见图7，该模块31又进一步分为：位置信息和传输延时获取单元310、延时分段分割单元311、平均测量时延计算单元312、平均直达时延统计单元313以及修正因子获得单元314。其中位置信息和传输延时获取单元310获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时，这里获得的途径包括利用网络规划的结果或者实际现场测量的结果。延时分段分割单元311统计最大传输延时TAmax和最小传输延时TAmin，将TAmax和Tamin之间的时间间隔分割成数个延时分段，延时分段的数量N是由系统的设计规格决定的，每个延时分段的长度DT＝(TAmax-Tamin)/N。平均测量时延计算单元312计算每个延时分段中传输时延的平均值，为该延时分段的平均测量时延。也即，在平均测量时延计算单元312中，对于每一个设定的延时分段TAmin+k×DT≤tk＜TAmin+(k+1)×DT，其中k为大于等于0且小于N的整数，其对应的平均测量时延tak＝TAmin+(k+0.5)×DT。平均直达时延统计单元313统计平均直达时延tadk。修正因子获得单元314对每个延时分段tk将平均测量时延tak除以平均直达时延tadk，其结果fk即为这一延时分段对应的修正因子，0≤fk＜1。
存储模块32连接修正因子计算模块31，将计算模块31得到的每个延时分段tk及其对应的修正因子fk以映射关系数据表的方式存储，即一个tk与对应的fk为数据表中的一个数据元组。
位于移动终端(手机端)的时延测量模块33测量该移动终端的时间信息并上报至网络，这里的时间信息主要是测量时延t。同时直达路径检测模块34判决用于测量的路径是否为直达路径，并上报至网络。
位于网络侧的时延修正模块35接收时延测量模块33和直达路径检测模块34的输出，根据是否为直达路径的信息对测量时延进行修正。请同时参见图8，时延修正模块35进一步包括：修正因子查找单元350、乘法器单元351和二选一选择器单元352。其中修正因子查找单元350的第一输入端接收测量时延t，第二输入端接收时延分段长度DT，输出查找到的该测量时延t所对应的修正因子f。乘法器单元351的第一输入端接收测量时延t，第二输入端连接修正因子查找单元350的输出端以接收修正因子f，输出端输出修正后的测量时延T。选择器单元352的第一输入端连接乘法器单元351的输出端以接收修正后的测量时延T，第二输入端接收测量时延t，控制端接收是否为直达路径的信息，输出端输出修正后的测量时延。选择器单元352是这样工作的：当控制端接收到测量是在直达路径上进行的信息后，选择第二输入端的接收作为输出；当控制端接收到的测量是在非直达路径上进行的信息后，选择第一输入端的接收作为输出。
请同时参见图9，修正因子查找单元350进一步包括：除法器3500、取整单元3501和查找单元3502。除法器3500的一端接收测量时延t，一端接收时延分段长度DT，两者相除的结果通过输出端输出至取整单元3501，取整运算后的结果输出至查找单元3502。查找单元3502将取整结果与存储模块32的映射关系数据表中的地址(实际上就是时延分段的序号)进行比较，将数值相等的地址所对应的修正因子t作为结果输出。
位置估计模块36接收修正后的测量时延，据此计算出移动终端的位置。计算方式正如图1所示的方式。
本发明的发明点在于：预先对小区中每个点的测量传输延时进行统计，得到了延时分段与修正因子之间的映射关系。然后根据实际的测量时延在上述的映射关系中查找到对应的修正因子，使用该修正因子对未直达路径上测得的测量时延加以修正。
应理解，在划分延时分段时，可以采用均分的方式，也可以采用非均匀间隔的延时分割方法。对于非均匀分割的方式，需要记录每一段的信息，在查找地址时需要使用记录下来的每一段的信息，比较均分方式显得更为复杂。但是，这种不同的延时分段方式并不影响本发明的保护范围，都应包含在本发明的实质范围中。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (10)
1. 一种无线定位方法，包括：
确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子；
网络向手机发送测量命令；
手机测量时间信息；
手机判决用于测量的路径是否为直达路径；
手机向网络上报测量到的时间信息以及该测量是否在直达路径上获得的信息；
网络对于在直达路径上获得的测量信息，直接将测量时延值进行位置估计，其结果即为手机位置；
网络对于在非直达路径上获得的测量信息，根据测量时延值查找其对应的修正因子，将该时延值与该对应的修正因子的乘积进行位置估计，其结果即为手机位置。
2. 根据权利要求1所述的无线定位方法，其特征在于，确定延时分段和修正因子的过程进一步包括：
获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时；
统计最大传输延时和最小传输延时，将两者之间的时间间隔分割成数个延时分段；
计算每个延时分段中传输延时的平均值，即为这一延时分段的平均测量时延；
统计平均直达时延；
对于每个延时分段，将其平均测量时延除以该平均直达时延，结果即为这一延时分段对应的修正因子。
3. 根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，获得每个点的位置信息和测量的传输延时的方式包括利用网络规划结果或实际现场测量结果。
4. 根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，将每个延时分段与其对应的修正因子的映射关系以数据表的方式存储。
5. 根据权利要求2所述的无线定位方法，其特征在于，根据测量时延值查找修正因子的过程进一步包括：
将测量时延值与延时分段长度相除、取整；
根据取整后的结果查找对应的修正因子。
6. 一种无线定位装置，包括：
修正因子计算模块，确定基站对应覆盖小区的对应定位精度下的延时分段以及对应的修正因子；
存储模块，连接该修正因子计算模块，将该修正因子计算模块得到的每个延时分段以及对应的修正因子以映射关系数据表的方式存储；
位于移动终端内的时延测量模块，测量该移动终端的时间信息并上报至网络；
位于移动终端内的直达路径检测模块，判决用于测量的路径是否为直达路径，并上报至网络；
位于网络侧的时延修正模块，接收该时延测量模块的测量时延和该直达路径检测模块的是否为直达路径的信息，对非直达路径上获得测量时延进行修正；
位于网络侧的位置估计模块，连接该时延修正模块，根据修正后的测量时延计算出移动终端的位置。
7. 根据权利要求6所述的无线定位装置，其特征在于，该修正因子计算模块进一步包括：
位置信息和传输延时获取单元，获得基站对应覆盖小区的对应定位精度下的每个点的位置信息和测量的传输延时；
延时分段分割单元，统计最大传输延时和最小传输延时，将两者之间的时间间隔分割成数个延时分段；
平均测量时延计算单元，计算每个延时分段中传输延时的平均值，即为这一延时分段的平均测量时延；
平均直达时延统计单元，统计平均直达时延；
修正因子获得单元，将每一延时分段的平均测量时延和平均直达时延相除，结果即为每一延时分段对应的修正因子。
8. 根据权利要求7所述的无线定位装置，其特征在于，该位置信息和传输延时获取单元获得每个点的位置信息和测量的传输延时的方式包括利用网络规划结果或实际现场测量结果。
9. 根据权利要求7所述的无线定位装置，其特征在于，该时延修正模块进一步包括：
修正因子查找单元，其输入端接收测量时延和时延分段长度，根据该测量时延查找到对应的修正因子，其输出端输出该修正因子；
乘法器单元，其第一输入端接收测量时延，第二输入端连接该修正因子查找单元的输出端以接收该修正因子，其输出端输出两者的乘积；
二选一的选择器单元，其第一输入端连接该乘法器单元的输出端，其第二输入端接收测量时延，其控制端接收是否为直达路径的信息，如果控制端接收到测量是在直达路径上进行的信息，则输出端输出第二输入端接收到的数据，如果控制端接收到测量是在非直达路径上进行的信息，则输出端输出第一输入端接收到的数据。
10. 根据权利要求9所述的无线定位装置，其特征在于，该修正因子查找单元进一步包括：
除法器，一端接收测量时延，一端接收延时分段长度，输出端输出测量时延除以延时分段长度的结果；
取整单元，连接该除法器，对相除结果进行取整；
查找单元，连接存储模块，根据取整结果在存储模块的映射关系数据表中查询对应的修正因子。
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