專利名稱：用于弱信號的定位的可變相干積分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中所描述的主題一般涉及用于定位無線設(shè)備的方法和裝置。更具體地但不排 除地，本文中所描述的主題涉及高級算法的使用，該高級算法包括匹配的副本和部分相干 處理，以檢測弱信號或由于噪音的存在而被掩蓋的信號，允許基于網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)增 加尋找信號在多個、地理分布的接收器上的到達(dá)時間差的能力，增加定位的效果和準(zhǔn)確性。背景早期的涉及基于網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)的工作在1994年7月5日的第5，327，144 號美國專利“Cellular Telephone Location System”中被描述，該專利公開了一種使用 到達(dá)時間差(TDOA)技術(shù)來定位蜂窩電話的系統(tǒng)。在’ 144號專利中公開的系統(tǒng)的進(jìn)一步 增強(qiáng)在 1997 年 3 月 4 日的第 5，608，410 號美國專利 “System for Locating a Source of Bursty ^Transmissions”中被公開。這兩個專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人iTruePosition公 司。TruePosition已繼續(xù)開發(fā)對初始發(fā)明思想的顯著的提高。匹配副本處理還在2000年 4 月 4 日的第 6，047，192 號美國專利"Robust, Efficient Localization System，，中被描 述。在過去的幾年期間，蜂窩技術(shù)工業(yè)增加了可用于由無線電話使用的空中接口協(xié)議 的數(shù)量，增加了無線電話或移動電話可操作的頻帶的數(shù)量，且指代移動電話或與移動電話 相關(guān)的術(shù)語包括“個人通信服務(wù)”、“無線”以及其他術(shù)語的數(shù)量擴(kuò)充了?，F(xiàn)在無線工業(yè)中使 用的空中接口 協(xié)議包括 AMPS、N-AMPS、TDMA、CDMA、GSM, TACS、ESMR、GPRS、EDGE、UMTS WCDMA、 WiMAX、LTE/SAE/eUTRAN 以及其他協(xié)議。由于無線功率級隨著越來越嚴(yán)格的功率控制方案和需要持續(xù)的高效功率控制的 高級擴(kuò)頻編碼方案(CDMA、W-CDMA, OFDM、SC-CDMA等)的引入而減少，無線定位系統(tǒng)檢測 臨近的和地理上接近的接收器上的無線信號的能力減小了。由無線定位系統(tǒng)使用的定位 技術(shù)可包括到達(dá)時間差(TDOA)、到達(dá)角(AoA)、混合TDOA/AoA和帶有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)測量的混合陸地TD0A。GNSS系統(tǒng)的當(dāng)前例子是美國Navstar衛(wèi)星全球定位系統(tǒng) (GPS)。概述較長時間段內(nèi)的匹配的副本相關(guān)處理允許在較低的信噪比(SNR)上進(jìn)行無線信 號檢測。如Cramer-Rao界限定理所提出，可使用較長的積分長度來增加到達(dá)時間差(TDOA) 和基于到達(dá)角(AoA)的無線定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。但是，由于移動裝置振蕩頻率漂移和多普勒頻移，整個積分長度上的相干性一般 不能被判斷出。在沒有由相干處理產(chǎn)生的處理增益的情況下，處于噪音中部的弱信號的檢 測更加困難。
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本文所描述的系統(tǒng)使用相關(guān)處理階段中的平行處理來使任何匹配的副本的相關(guān) 度最大化。相關(guān)器的每個O到η)路徑為積分長度的每個段(1到m)創(chuàng)建單獨的時間和頻 率搜索空間，其中單個的段用于全相干估計而(m個)段用于非相干估計中。由于相干性在一定數(shù)量的段上是可能的，且段的結(jié)果可被相加，所以該結(jié)果是較 大的處理增益且因此與參考信號具有較高的相關(guān)度。本發(fā)明的說明性的實施方式的另外的方面在以下被描述。附圖
的簡要描述當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，前述的概述以及以下的詳細(xì)描述被更好地理解。為了說明本 方面的目的，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性結(jié)構(gòu)；但是，本發(fā)明不限于所公開的具體方法 和手段。在附圖中圖Ia示意性地描繪了用于基于UMTS(寬帶CDMA無線電)的無線通信系統(tǒng)的無線 定位系統(tǒng)。圖Ib示意性地描繪了用于基于CDMA的無線通信系統(tǒng)的無線定位系統(tǒng)。圖Ic示意性地描繪了用于基于CDMA的全I(xiàn)P無線通信系統(tǒng)的無線定位系統(tǒng)。圖加描繪了接收到的帶有多徑成分的擴(kuò)頻信號的代表性的時間頻率相關(guān)圖。圖2b通過術(shù)語描繪了代表性的時間頻率相關(guān)圖。圖3描繪了由于移動裝置移動速率、移動時鐘偏移和上行鏈路信號的多徑接收引 起的頻移。圖如描繪了跨越單個頻率偏移的時間與參考信號和本地信號包絡(luò)的關(guān)系曲線。圖4b描繪了跨越單個頻率偏移的時間與參考信號和本地信號的相關(guān)度。圖如示出了在單個頻率偏移上將本地接收的信號和參考信號分成連續(xù)的離散子 部分與時間的關(guān)系曲線。圖4d示出了跨越多個頻率偏移將參考信號和本地信號細(xì)分成多個相關(guān)圖的相關(guān) 度與時間的關(guān)系曲線。圖5示出在可變相干處理之前的匹配的副本過程的操作階段。圖6和圖7示出本文所描述的可變相干處理方法的操作的不同視圖。說明性實施方式的詳細(xì)描述我們現(xiàn)描述本發(fā)明的說明性實施方式。首先，我們提供問題的詳細(xì)概述且然后提 供我們的解決方法的更加詳細(xì)的描述。WLS中的改進(jìn)的信號檢測的詳細(xì)描述上行鏈路的到達(dá)時間差(U-TDOA)定位方法，在其最基本的層次上，依賴于發(fā)射器 和接收器站之間存在足夠的信號能量的直的視距(L0Q路徑的假設(shè)。在發(fā)射器和接收器之 間不一定需要存在無阻礙的LOS路徑；但是，假設(shè)信號不經(jīng)歷因反射、衍射、傳導(dǎo)(ducting) 等引起的方向上的改變。作出這個設(shè)想是為了將到達(dá)時間差轉(zhuǎn)化為從移動站到主要接收器 和合作接收器的空間直線距離。由3GPP稱為位置測量單元(LMU)的這些接收器在地理上 被分配。在覆蓋部署中，LMU —般與無線網(wǎng)絡(luò)提供者的基站(BQ (或基站收發(fā)臺、BTS，在此 處這些可互換地使用)位于同地，以使得BS和LMU可共享環(huán)境控制的空間、電力和天線接 入。在集成部署中，LMU被并入接入點(AP)、基站(BS)、Node B、或基站收發(fā)臺(BTS)電路。在預(yù)留的無線通信頻帶中，目前包括700/850/1900MHZ (北美)和900/1800/2100MHz (歐洲)蜂窩、GSM、PCS、DCS、AffS和UMTS頻帶，積極的功率控制增加無 線網(wǎng)絡(luò)的能力并增加擴(kuò)頻無線電信令(例如CDMA、W-CDMA、OFDM和TC-SCDMA)的使用，用于 降低可用于接收器的地理分配網(wǎng)絡(luò)的功率。本發(fā)明還在由軟件定義的寬帶(或組合的窄帶)接收器的地理分布網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的區(qū) 域中的免授權(quán)或共享頻帶中起作用。如Stilp 等人在第 5，327，144 號美國專利"Cellular Telephone Location Sl^l”中初始公開的，要被定位置的發(fā)射器即移動設(shè)備的信號由一簇地理上分散的專用 接收器(位置測量單元或LMU，以前被稱為信號收集系統(tǒng)或SCQ收集。當(dāng)無線定位系統(tǒng) (WLS)由無線監(jiān)測傳感器、鏈路監(jiān)測系統(tǒng)或由來自無線操作員的請求而被觸發(fā)時，首先執(zhí)行 無線電信號度量收集和最佳LMU和一組協(xié)作的LMU的確定。每個LMU優(yōu)選地使用寬帶接 收器來在一個采樣周期內(nèi)收集和數(shù)字化RF。(按信號長度和/或質(zhì)量來確定的)最佳LMU 一般與服務(wù)小區(qū)天線相關(guān)聯(lián)，而協(xié)作的LMU —般是地理上緊鄰最佳/服務(wù)LMU的那些LMU， 其帶有可接受的SNR和/或mVNo且不產(chǎn)生大的幾何精度衰減(GDOP)。LMU作為一群窄 帶接收器(在單個接收器的帶寬接近單個信道的意義上的窄帶)的實現(xiàn)也是可能的，如第 6，184，829 號美國專利 “Calibration for Wireless Location System，，中所詳細(xì)描述的。 雖然對于本發(fā)明所給出的例子涉及分布式“基于站的”方法，其中參考信號被分布到其他候 選的LMU，且信號處理在接收LMU上被執(zhí)行，但是，LMU和計算機(jī)的中央處理點之間的足夠的 低延遲的帶寬可能使信號處理能夠在中心被執(zhí)行。LMU內(nèi)的數(shù)字信號處理軟件對無線電接收器建模，并解調(diào)按慣例感興趣的信號。這 個解調(diào)的“完美的”參考信號從參考LMU被發(fā)送到基于無線度量收集而被選擇的一組協(xié)作 的LMU。每個協(xié)作的LMU重新調(diào)制參考信號并在相關(guān)過程中使用這個信號，以確定在最佳/ 服務(wù)LMU上的感興趣的信號的到達(dá)時間(TOA)。在優(yōu)選的實現(xiàn)方式中，重新調(diào)制的理想?yún)⒖夹盘柕母北竞捅镜赜涗浀慕邮招盘栐?時間上被細(xì)分，且然后(時間上)相應(yīng)的子部分被相互關(guān)聯(lián)，有效地創(chuàng)建Npath個處理路徑 (其中Npath是大于或等于1的整數(shù))。對于每個處理路徑，每個單個的細(xì)分的相關(guān)度可通 過以下內(nèi)容來數(shù)學(xué)地表示Rs =每個子部分“S”的相關(guān)函數(shù):Rs(r,d) 二玄 g(r)e-Jwd*l(r-q)
q=l其中g(shù)=參考信號1 =本地信號N =采樣收集持續(xù)時間內(nèi)的樣本數(shù)M=子部分?jǐn)?shù)ρ = N/M (每個子部分中的樣本數(shù))S=段索引(從1到M)r=范圍d=多普勒和漂移一旦每個子部分的相互關(guān)聯(lián)被執(zhí)行，那么每個子部分的相關(guān)的幅度被確定，且每 個處理路徑(NPath)的相關(guān)度的和被計算。在數(shù)學(xué)上，這個操作可被示出為
權(quán)利要求
1.一種用于確定無線設(shè)備的發(fā)送的精確的到達(dá)時間(TOA)的方法，包括 接收無線設(shè)備的發(fā)送；產(chǎn)生表示收集持續(xù)時間內(nèi)的所述發(fā)送的離散樣本的第一數(shù)字樣本組； 執(zhí)行第二相關(guān)過程，其中第一組樣本段與所述參考相關(guān)聯(lián)，所述第一組樣本段包括第 一多個(ml個)段，所述ml個段中的每個段包括所述第一數(shù)字樣本組的子組，其中ml是大 于1的整數(shù)，且其中執(zhí)行所述第二相關(guān)過程產(chǎn)生ml個輸出； 將所述第二相關(guān)過程的所述ml個輸出非相干地求和；執(zhí)行第三相關(guān)過程，其中第二組樣本段與所述參考相關(guān)聯(lián)，所述第二組樣本段包括第 二多個(m2個)段，所述m2個段中的每個段包括所述第一數(shù)字樣本組的子組，其中m2是大 于ml的整數(shù)，且其中執(zhí)行所述第三相關(guān)過程產(chǎn)生m2個輸出； 將所述第三相關(guān)過程的所述m2個輸出非相干地求和；搜索所述第二相關(guān)過程和所述第三相關(guān)過程的輸出以識別每個輸出組中的最早到達(dá)信號；比較所述第二相關(guān)過程和所述第三相關(guān)過程的所述輸出中的所識別的最早到達(dá)信號， 并選擇所述最早到達(dá)信號中的一個來確定到達(dá)時間(TOA)值以用于定位處理；以及 在定位處理中使用所述TOA值以確定所述無線設(shè)備的精確的地理位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括執(zhí)行第一相關(guān)過程，其中所述第一數(shù)字樣本組在 所述收集持續(xù)時間內(nèi)與參考相關(guān)聯(lián)。
3.一種無線定位系統(tǒng)(WLS)，包括多個位置測量單元(LMU)，其中至少一個LMU包括 接收器，其用于接收無線設(shè)備的發(fā)送；用于產(chǎn)生第一數(shù)字樣本組的裝置，該第一數(shù)字樣本組代表在收集持續(xù)時間內(nèi)的所述發(fā) 送的離散樣本；用于執(zhí)行第二收集過程的裝置，在所述第二收集過程中，第一組樣本段與所述參考相 關(guān)聯(lián)，所述第一組樣本段包括第一多個(ml個)段，所述ml個段中的每個段包括所述第一 數(shù)字樣本組的子組，其中ml是大于1的整數(shù)，且其中執(zhí)行所述第二相關(guān)過程產(chǎn)生ml個輸 出；用于將所述第二相關(guān)過程的所述ml個輸出非相干地求和的裝置； 用于執(zhí)行第三相關(guān)過程的裝置，在所述第三相關(guān)過程中，第二組樣本段與所述參考相 關(guān)聯(lián)，所述第二組樣本段包括第二多個(m2個)段，所述m2個段中的每個段包括所述第一 數(shù)字樣本組的子組，其中m2是大于ml的整數(shù)，且其中執(zhí)行所述第三相關(guān)過程產(chǎn)生m2個輸 出；用于將所述第三相關(guān)過程的所述m2個輸出非相干地求和的裝置； 用于搜索所述第二相關(guān)過程和所述第三相關(guān)過程的輸出以識別每個輸出組中的最早 到達(dá)信號的裝置；以及用于比較所述第二相關(guān)過程和所述第三相關(guān)過程的所述輸出中的所識別的最早到達(dá) 信號、并選擇所述最早到達(dá)信號中的一個來確定到達(dá)時間(TOA)值以用于定位處理的裝 置。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括用于執(zhí)行第一相關(guān)過程的裝置，在所述第一相關(guān) 過程中，所述第一數(shù)字樣本組在所述收集持續(xù)時間內(nèi)與參考相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
在基于網(wǎng)絡(luò)的無線定位系統(tǒng)(WLS)中，地理上分布的位置測量單元(LMU)必須能夠在多個BTS覆蓋區(qū)域的范圍內(nèi)檢測和使用反向信道(從移動裝置到網(wǎng)絡(luò))信號。通過使用匹配的副本相關(guān)度處理，本地信號和參考信號在相關(guān)之前被細(xì)分成離散的段，移動裝置時鐘漂移和多普勒頻移的影響可被減輕以允許增加處理增益。
文檔編號H04W24/00GK102124770SQ200980131476
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者拉什杜斯·S·米亞, 羅伯特·J·安德森, 羅納德·勒菲弗 申請人:真實定位公司