專利名稱：用于估計(jì)移動設(shè)備的位置的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定位方法，具體地，但不排它地，涉及確定移動站在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的位置的方法。

背景技術(shù)：
無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)是公知的。在這些網(wǎng)絡(luò)中，由網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域被劃分成多個小區(qū)。每個小區(qū)具有與其相聯(lián)系的基站收發(fā)信機(jī)?；臼瞻l(fā)信機(jī)被安排成與位于小區(qū)中的移動設(shè)備通信，移動設(shè)備可以取任何適當(dāng)?shù)男问?，以及典型地是移動電話?br> 對于有效地精確地定位移動電話的需要不斷增加。在美國，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須能夠提供正在進(jìn)行緊急呼叫的移動用戶的位置。當(dāng)前在歐洲正在考慮類似的建議。另外，當(dāng)前正提出商用業(yè)務(wù)，諸如跟蹤業(yè)務(wù)(也就是上面提到的緊急業(yè)務(wù)，個人的定位，值錢資產(chǎn)的定位等等)、尋找/向?qū)I(yè)務(wù)(近距離業(yè)務(wù)，諸如黃頁、方向指示器、感興趣點(diǎn)的定位器等等)以及通知業(yè)務(wù)(目標(biāo)廣告、交通報警、天氣報警、公共汽車/火車位置/導(dǎo)游等等)。
在GSM(全球移動通信系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)中，包括四種定位方法小區(qū)識別號和時間提前、到達(dá)時間、增強(qiáng)的觀察時間差(E-OTD)以及基于GPS(作為獨(dú)立的GPS或輔助的GPS的全球定位系統(tǒng)技術(shù))的方法。
到達(dá)時間方法能夠用標(biāo)準(zhǔn)軟件定位手機(jī)，但需要在每個基站地點(diǎn)安裝新的網(wǎng)絡(luò)單元，諸如定位測量單元。增強(qiáng)的觀察時間差方法需要在每兩個到五個基站收發(fā)信機(jī)安裝位置管理單元以及在手機(jī)中安裝軟件修正。輔助的GPS方法需要安裝GPS接收機(jī)以及除了把GPS接收機(jī)集成到手機(jī)以外可能也需要定位測量單元。所有這些方法需要引入負(fù)責(zé)位置計(jì)算的新的網(wǎng)絡(luò)單元或相應(yīng)的功能，被稱為服務(wù)移動定位中心SMLC。
對于包括具有不包括必需的硬件和軟件的手機(jī)的用戶的所有用戶的及時的定位業(yè)務(wù)的部署要求應(yīng)當(dāng)使用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中早已可得到的測量。這些技術(shù)是重要的，因?yàn)樗鼈冊试S運(yùn)營商和業(yè)務(wù)提供商開始以最小的附加花費(fèi)提供基于位置的業(yè)務(wù)給所有的客戶，而同時等待更加精確的和完善的定位技術(shù)成為可行的。從技術(shù)觀點(diǎn)看來，即使諸如增強(qiáng)的觀察時間差和輔助GPS的技術(shù)是完全可行的，當(dāng)新的標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)失效或當(dāng)要求的精度用這樣的方法可以滿足時，仍舊需要基于網(wǎng)絡(luò)的軟件解決方案作為備份方法?；诰W(wǎng)絡(luò)的軟件技術(shù)也可被用作為用于被使用來實(shí)施一個標(biāo)準(zhǔn)解決方案的算法的初始猜測，以便改進(jìn)這些算法的精度或收斂速度。


發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，提供了估計(jì)移動設(shè)備的位置的方法，包括以下步驟收集位置信息；選擇多個提供位置估計(jì)的不同的定位方法中的至少一個定位方法；以及根據(jù)至少一個選擇的定位方法提供位置估計(jì)。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了用于估計(jì)移動設(shè)備的位置的系統(tǒng)，包括用于收集位置信息的裝置；用于選擇多個提供位置估計(jì)的不同的定位方法中的至少一個定位方法的裝置；以及用于根據(jù)至少一個選擇的定位方法提供位置估計(jì)的裝置。



為了更好地了解本發(fā)明以及關(guān)于本發(fā)明如何付諸實(shí)施，現(xiàn)在僅僅作為例子參考附圖，其中 圖1顯示本發(fā)明的實(shí)施例可被應(yīng)用到的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
圖2顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中由三個基站收發(fā)信機(jī)提供服務(wù)的移動設(shè)備。
圖3顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站收發(fā)信機(jī)與移動設(shè)備的幾何關(guān)系代表。
圖4顯示在圖1所示的收發(fā)信機(jī)中天線增益的例子。
圖5顯示在圖4所示的收發(fā)信機(jī)中天線增益的另一個例子。
圖6顯示在圖1所示的收發(fā)信機(jī)中找到的近似輻射模式。
圖7顯示對于在圖1所示的建模的無線網(wǎng)絡(luò)的Okumura-Hata路徑損耗圖。
圖8顯示對于在圖1所示的無線網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)的小區(qū)的位置估計(jì)的置信區(qū)域的幾何估計(jì)。
圖9顯示由一系列小區(qū)的小區(qū)識別號提供的位置估計(jì)的置信區(qū)域。
圖10顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)的覆蓋的幾何表示。
圖11顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對于各種路徑損耗/衰減值的位置估計(jì)的概率密度函數(shù)的一系列的圖。
圖12顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中I0對路徑損耗/衰減值的圖。
圖13顯示在圖1所示的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)的服務(wù)區(qū)域的例子。
圖14顯示從恒定的TA值產(chǎn)生的位置估計(jì)的圓環(huán)置信區(qū)域。
圖15顯示在圖14所示的位置估計(jì)的置信區(qū)域的另一個幾何圖形。
圖16顯示被使用來計(jì)算在C1位置估計(jì)計(jì)算置信區(qū)域的幾何關(guān)系。
圖17顯示詳細(xì)描述在本發(fā)明的實(shí)施例中提供位置估計(jì)的步驟的流程圖。

具體實(shí)施例方式 參照圖1，圖上示意地顯示本發(fā)明實(shí)施例可應(yīng)用到的無線電信網(wǎng)絡(luò)2。由網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域被劃分成小區(qū)4。每個小區(qū)與一個基站6相聯(lián)系。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中基站6可以典型地稱為基站收發(fā)信機(jī)(BTS)?；?被安排成經(jīng)由無線連接與用戶設(shè)備8通信。用戶設(shè)備典型地是移動設(shè)備，諸如移動電話、計(jì)算機(jī)、個人數(shù)字助理(PDA)等等。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，用戶設(shè)備也可以典型地稱為移動站(MS)。
本發(fā)明的實(shí)施例被安排成估計(jì)移動設(shè)備(MS)的位置和相關(guān)的置信區(qū)域。置信區(qū)域是其中可以預(yù)期移動設(shè)備(MS)以給定的概率定位的區(qū)域。換句話說，可以計(jì)算移動設(shè)備(MS)的估計(jì)的位置但該估計(jì)不是100％精確的。置信區(qū)域定義為有可能合理地確信移動設(shè)備(MS)定位于其中的區(qū)域。
本發(fā)明的實(shí)施例被安排來組合在下文中將要更詳細(xì)說明的多個定位算法。
本發(fā)明的實(shí)施例中使用的定位算法使用小區(qū)識別號(CI)、時間提前(TA)和接收的信號強(qiáng)度(RX)測量值。優(yōu)選實(shí)施例使用三種類型算法 (1)基于小區(qū)識別號的算法。這些算法稱為CI算法； (2)基于小區(qū)識別號和時間提前的信息的算法。這些算法稱為CI+TA算法；以及 (3)基于小區(qū)識別號和接收信號強(qiáng)度測量值的算法。這些算法稱為CI+RX算法。
此后更加詳細(xì)地描述這些不同的算法。為了方便起見，把這些算法分成兩類。第一類包括CI+RX算法和第二類包括另外兩類算法，也就是CI和CI+TA算法。
應(yīng)當(dāng)看到，在某些網(wǎng)絡(luò)中，例如GSM網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)識別號、時間提前和接收信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)是早已可獲得的和用于其它目的。這意味著，不需要修正現(xiàn)有的手機(jī)就可實(shí)施至少某些算法。
本發(fā)明的實(shí)施例申使用的定位算法需要解決某個聯(lián)立方程組。取決于測量值的統(tǒng)計(jì)假設(shè)的聯(lián)立方程可以是對于未知量非線性或線性的。如果方程是非線性的，則必須采用迭代法來求解，而如果聯(lián)立方程是線性的，則存在閉式解。閉式解算法的計(jì)算量比起迭代算法少。
CI+RX算法 現(xiàn)在將描述基于小區(qū)識別號和接收信號強(qiáng)度的算法類型。
參照圖2，圖上顯示基于接收信號強(qiáng)度的定位估計(jì)的原理。接收信號電平是來自服務(wù)基站收發(fā)信機(jī)(BTS)6(與移動設(shè)備(MS)6相聯(lián)系的基站收發(fā)信機(jī)(BTS))和六個最強(qiáng)的鄰居的接收信號的電平的測量值。當(dāng)然可以使用其它數(shù)目的基站收發(fā)信機(jī)。這些測量值由移動設(shè)備(MS)8執(zhí)行以及當(dāng)移動設(shè)備(MS)8處在專用模式時被報告到網(wǎng)絡(luò)的固定部分。在空閑模式時，移動設(shè)備10測量來自最好的服務(wù)器的接收信號電平，該服務(wù)器是它駐留在的基站收發(fā)信機(jī)301(BTS)和六個最強(qiáng)的鄰居。然而，這些測量值不能報告給網(wǎng)絡(luò)的固定部分，因?yàn)榕c任何基站收發(fā)信機(jī)沒有連接。
由移動設(shè)備接收的電平，或更精確地，接收信號受到的衰減取決于移動設(shè)備與涉及到的基站收發(fā)信機(jī)的相互位置。來自多個基站收發(fā)信機(jī)的接收信號電平然后可以組合，以便估計(jì)移動設(shè)備的位置。
本發(fā)明的實(shí)施例屬于基于網(wǎng)絡(luò)的軟件解決方案(NBSS)類別。具體地，在這一節(jié)中描述的、本發(fā)明的實(shí)施例是基于信號電平測量值的使用和聚焦在其中不能得到覆蓋預(yù)測地圖的應(yīng)用方面。然而，本發(fā)明的實(shí)施例可被使用于其中可得到覆蓋預(yù)測地圖的場合。覆蓋預(yù)測地圖被使用于其中移動設(shè)備位置被估計(jì)為覆蓋地圖上在預(yù)測信號強(qiáng)度的數(shù)值最好地匹配于實(shí)際測量的電平的位置的某些方法中。
為實(shí)施此后描述的算法所需要的測量值/信息可被分成網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，諸如基站坐標(biāo)；扇區(qū)取向和在扇區(qū)化小區(qū)的情形下的基站收發(fā)信機(jī)天線輻射模式；以及最大基站收發(fā)信機(jī)下行鏈路發(fā)射功率，和諸如由移動設(shè)備接收的信號電平的測量值。除了這些數(shù)據(jù)以外，還需要將對要被定位的移動設(shè)備和在定位程序過程中使用的基站收發(fā)信機(jī)的相互位置的鏈路水平測量值的適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭R。這些將在下面更詳細(xì)地描述。
此后概述的定位方法估計(jì)在某個函數(shù)具有它的最小值的位置處的移動設(shè)備的坐標(biāo)。函數(shù)是通過組合作為由移動設(shè)備接收的和由涉及的基站收發(fā)信機(jī)發(fā)送的信號經(jīng)受的衰減估計(jì)的電平觀察值而得到的。電平觀察值是通過從由移動設(shè)備接收的電平中減去基站收發(fā)信機(jī)天線模式(它取決于在移動設(shè)備與基站收發(fā)信機(jī)之間的相互角度位置)的分量、路徑損耗(它取決于在移動設(shè)備與各基站收發(fā)信機(jī)之間的距離)、和其它恒定因素，諸如基站收發(fā)信機(jī)發(fā)射功率、電纜損耗、天線損耗等等而估計(jì)的。
顯然，由算法提供的結(jié)果的精度取決于可獲得的信息的精度。結(jié)果的精度可以通過包括天線模式和精細(xì)調(diào)諧的傳播模型的精確的定義而被改進(jìn)。這些模型在原理上不需要以分析形式被表示，但可以作為查找表被包括在定位算法中，從中在給定某個移動設(shè)備到基站收發(fā)信機(jī)的到達(dá)角后，可以檢索出天線增益。然而，這種進(jìn)一步的改進(jìn)可以從本發(fā)明的實(shí)施例中省略。
優(yōu)選是，諸如基站收發(fā)信機(jī)坐標(biāo)、扇區(qū)信息、天線模式、和其它可調(diào)參數(shù)那樣的網(wǎng)絡(luò)信息應(yīng)當(dāng)不斷地更新。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例申，被使用來代表信號電平測量值的模型可以優(yōu)選地以自動的方式不斷地自適應(yīng)于無線電環(huán)境的變化。完成這一任務(wù)的一個方法是根據(jù)在某個組的收集的測量值與相應(yīng)的真實(shí)量之間的統(tǒng)計(jì)比較結(jié)果調(diào)節(jié)模型。然而，這需要知道移動設(shè)備的精確的位置，以便計(jì)算真實(shí)量以及把它與測量值進(jìn)行比較。當(dāng)測量模型被離線地得到時，可以借助于與移動設(shè)備在共同位置的GPS(全球定位系統(tǒng))接收機(jī)執(zhí)行驅(qū)動測試，同時收集電平測量值和移動設(shè)備位置信息。還可能有被實(shí)施的其它的技術(shù)，其提供更加精確的定位技術(shù)，例如使用估計(jì)的觀察時間差或到達(dá)時間或輔助GPS位置估計(jì)以允許在線確定測量值模型的技術(shù)。
此后描述的算法是最大或然率原理的應(yīng)用，以通過處理來自電平測量值的一組觀察組而估計(jì)移動設(shè)備坐標(biāo)?，F(xiàn)在描述不同的最大或然率方法。
定位算法使用信號電平測量值估計(jì)移動設(shè)備的坐標(biāo)，x和y，連同慢衰落的方差σ02，該方差假設(shè)對于所牽涉的所有的基站是相等的。
如上面在這一部分中描述的本發(fā)明的實(shí)施例中所解釋的，算法所需要的輸入數(shù)據(jù)包括由移動設(shè)備(MS)收集的信號強(qiáng)度測量值、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和適當(dāng)?shù)穆窂綋p耗規(guī)律-換句話說，用于無線傳輸特性的適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀Ｏ旅媸禽斎霐?shù)據(jù)表。
由MS從N個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)接收的信號的平均功率，以dB計(jì)，Pri (1) N個測量的BTS的坐標(biāo)，以米計(jì)，(xi，yi) (xi，yi)(i＝1，...，N)；|xi|＝|gi|＝m(2) N個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)的扇區(qū)的取向(在扇區(qū)化小區(qū)的情形下)，以從x方向逆時針測量的弧度計(jì)，φBi 來自N個測量的基站收發(fā)信機(jī)(BTS)的最大輻射功率，以dB計(jì) 最大輻射功率，Pt，maxi代表在最大增益方向上第i個BTS天線的輸出端處的最大功率。它包括發(fā)射功率Pti，BTS發(fā)射天線的最大增益Gt，maxi，天線損耗，電纜損耗等等；所有的都以dB計(jì)。為了簡化數(shù)學(xué)模型，Pt，maxi還包括MS接收天線的最大增益Gr，max。
對于第i個BTS(i＝1，...，N)的組合的發(fā)射-接收天線模式以dB計(jì) 組合的輻射模式，APtri(ψi(x，y))，代表由被安裝在BTS臺址的天線和被安裝在手機(jī)處的天線引入的增益。增益取決于這樣的天線的相互取向。在由上述公式代表的實(shí)施例中，φM是被安裝在MS上的天線的取向，φBi是被安裝在第i個BTS上的天線的取向，以及ψi(x，y)是由第i個BTS發(fā)射的和由移動設(shè)備(MS)接收的信號的到達(dá)角，以從x方向逆時針測量的弧度計(jì)(見圖3) 組合的輻射模式APtri是MS坐標(biāo)(x，y)的函數(shù)。它包括被安裝在第i個BTS處的發(fā)射天線的輻射模式，APti(θ)以及被安裝在移動設(shè)備(MS)處的天線的輻射模式，APr(θ)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，在MS處的天線是全向的以及這樣的天線的取向是未知的；因此，APr(θ)＝0dB以及φM＝0弧度。
在MS與第i個BTS之間的傳播的路徑損耗規(guī)則，以dB計(jì)； PLi(di(x，y))；[PLi]＝dB(7) 路徑損耗PLi(di(x，y))代表由第i個BTS發(fā)送的信號經(jīng)受的衰減，因?yàn)樗鼜陌l(fā)射天線傳播到更遠(yuǎn)。它被表示為在MS與第i個BTS之間的距離di的函數(shù)，該距離di又取決于MS坐標(biāo)
定位算法的輸出包括 MS位置的估計(jì)，以米計(jì) 對數(shù)正態(tài)慢衰落的方差的估計(jì)，以dB計(jì) 如前所述，算法應(yīng)用最大或然率估計(jì)原理。它們通過使得某些標(biāo)量函數(shù)最小化而估計(jì)移動設(shè)備(MS)位置和慢衰落的變化。這些標(biāo)量函數(shù)是通過組合電平觀察值而得到的，電平觀察值是被確定為基站收發(fā)信機(jī)天線輻射模式(它們是取決于在移動站與各自的基站收發(fā)信機(jī)之間的相互角度位置)和路徑損耗(它是取決于在移動站與基站收發(fā)信機(jī)之間的距離)的組合的、由移動設(shè)備(MS)以相應(yīng)的預(yù)期的量接收的信號所經(jīng)受的衰減的測量值。通過使得某些成本函數(shù)最小化，(成本函數(shù)在數(shù)學(xué)上是用于描述最佳化問題的一般采用的項(xiàng))，算法發(fā)現(xiàn)使得在觀察的衰減與預(yù)期的衰減之間的差值全局最小化的未知參數(shù)的數(shù)值。成本函數(shù)是在移動設(shè)備(MS)的位置的估計(jì)中預(yù)期的誤差的測量值。所以，通過使得成本函數(shù)最小化，預(yù)期的位置誤差也被最小化。本發(fā)明的實(shí)施例使用以下的、取決于無線環(huán)境的假設(shè)的特性的算法。
本發(fā)明的實(shí)施例執(zhí)行第一算法A，其中假設(shè)無線環(huán)境包括相關(guān)的慢衰落特性以及其中假設(shè)慢衰落具有相等的方差統(tǒng)計(jì)值。換句話說，由每個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)發(fā)送到移動設(shè)備(MS)的信號具有類似的但不相同的特性。在基站收發(fā)信機(jī)(BTS)與移動設(shè)備之間的傳輸路徑是類似的場合下，這種假設(shè)是精確的。
算法A假設(shè)相關(guān)的慢衰落和相等的方差下，具有電平觀察值的最大或然率估計(jì)。
1.通過從第i個測量的接收功率Pri中減去由第i個BTS輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算第i個電平觀察值 Li是由第i個BTS發(fā)送的而同時傳播到MS的信號經(jīng)受的總的衰減?？偟乃p取決于路徑損耗、由BTS天線和MS天線引入的增益、無線電信道的起伏等等。
2.把來自N個BTS的電平觀察值堆疊成矢量L L＝[L1，...，LN]T(12) 3.求解最小化問題 其中成本函數(shù)F(x，y；σu2)被定義為如下 及 ρui，j(x，y)是影響從BTSi和BTSj傳播到MS的信號的慢衰落的互相關(guān)。
本發(fā)明的實(shí)施例執(zhí)行第二算法B，其中假設(shè)無線環(huán)境包括不相關(guān)的慢衰落特性以及其中假設(shè)慢衰落具有相等的方差統(tǒng)計(jì)值。換句話說，由每個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)發(fā)送到移動設(shè)備(MS)的信號具有不相關(guān)的特性。在基站收發(fā)信機(jī)(BTS)與移動設(shè)備(MS)之間的傳輸路徑?jīng)]有類似的分量的場合下，這種假設(shè)是正確的。
算法B假設(shè)不相關(guān)的慢衰落和相等的方差下，具有電平觀察值的最大或然率估計(jì)。
1.通過從第i個測量的接收功率Pri中減去由第i個BTS輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算第i個電平觀察值 2.把來自N個BTS的電平觀察值堆疊成矢量L L＝[L1，...，LN]T(19) 3.求解最小化問題 其中成本函數(shù)F(x，y)被定義為如下 且Dxy是x和y存在的域。Dxy的幾個可能的定義在本發(fā)明的后面給出。
4.計(jì)算

為 算法B不同于算法A之處在于成本函數(shù)的定義。用于影響由兩個BTS發(fā)送的信號的慢衰落的不同的模型是基于這種不同的定義。在算法A中，假設(shè)衰落是相關(guān)的，而在算法B中，假設(shè)衰落是不相關(guān)的；這導(dǎo)致算法B的成本函數(shù)的更簡單的定義。
本發(fā)明的實(shí)施例執(zhí)行第三算法C，其中假設(shè)無線環(huán)境包括不相關(guān)的慢衰落特性以及其中假設(shè)慢衰落具有相等的方差統(tǒng)計(jì)值。換句話說，由每個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)發(fā)送到移動設(shè)備(MS)的信號具有不相關(guān)的特性。在基站收發(fā)信機(jī)(BTS)與移動設(shè)備(MS)之間的傳輸路徑是不具有類似的分量的場合下，這種假設(shè)是正確的。
算法C假設(shè)不相關(guān)的慢衰落和相等的方差下，具有電平差觀察值的最大或然率估計(jì)。
1.通過從第i個測量的接收功率Pri中減去由第i個BTS輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算第i個電平觀察值 2.通過從被作為參考的電平觀察值L1中減去由第j個電平觀察值，計(jì)算第j個電平差觀察值 Dj＝L1-Lj；j＝2，...，N(24) 3.把N-1個電平觀察值差值堆疊成矢量D D＝[D2，...，DN]T(25) 4.求解最小化問題 其中 以及 Dxy是x和y存在的域。用于選擇Dxy的幾個可能的定義在后面給出。
5.計(jì)算

為 算法C不同于算法A和B之處在于觀察值的定義，以及進(jìn)而成本函數(shù)的定義。在算法C中考慮的觀察值在由兩個不同的BTS發(fā)送的和由MS接收的信號經(jīng)受的衰減方面是不同的。而且，為了簡化算法C，假設(shè)影響由兩個BTS發(fā)送的信號的慢衰落過程是不相關(guān)的，類似于算法B中那樣。
此前描述的算法A、B和C是非線性算法。以上的定位算法在后面進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖3顯示問題的基本幾何關(guān)系。圖3包括移動設(shè)備(MS)8和第i個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)6。MS 8和BTS 6存在于由笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)301規(guī)定的區(qū)域。所有的角度被定義為從x軸按逆時針方向規(guī)定的。第i個BTS 6位于被定義為(xi，yi)的點(diǎn)以及被安排成以在定義為φBi的角度上的最大增益方向303進(jìn)行廣播和接收。移動設(shè)備MS 8位于點(diǎn)(x，y)以及也被安排成以在角度φM上的最大增益方向305進(jìn)行發(fā)送和接收。MS 8相對于第i個BTS 6按線307放置，該線包括長度di(x，y)和角度ψi(x，y)。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，使用替換笛卡爾系統(tǒng)的同坐標(biāo)系統(tǒng)。在本發(fā)明的再一個實(shí)施例中，極參考系統(tǒng)以BTSi為中心的，把在MS與BTSi之間的距離di規(guī)定為徑坐標(biāo)和把由移動設(shè)備接收的信號的到達(dá)角ψi規(guī)定為角坐標(biāo)。
在移動設(shè)備(MS)與第i個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)之間的距離按照公式(30)被規(guī)定 由第i個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)發(fā)送的和由移動設(shè)備(MS)接收的信號的到達(dá)角按照公式(31)被規(guī)定 在x，y(笛卡爾)和di，ψi(徑)坐標(biāo)之間的變換通過以下公式完成 如在以上實(shí)施例中描述的定位算法通過處理某些電平觀察值而估計(jì)MS位置。這樣的觀察值是從由MS執(zhí)行的信號強(qiáng)度測量中得到的。這種選擇從由MS執(zhí)行的信號強(qiáng)度測量的模型導(dǎo)出用于電平觀察值的模型。這樣的測量值定義為接收信號的平均功率的估計(jì)。計(jì)算由在特定的位置(x，y)處的移動站從第i個基站接收的平均功率的一般模型為如下(所有的量都以dB計(jì)) 其中 Pri(x，y)是由在位置(x，y)處的MS接收的信號的功率； Pti是BTS發(fā)射功率； Gri(x，y)是第i個BTS方向上MS天線增益； Gti(x，y)是第i個BTS在MS的方向上的天線增益； PLi(x，y)是在MS與BTS之間的傳播路徑確定的路徑損耗；術(shù)語“損耗”考慮由于天線饋電器、電纜、雙工器、功分器等等引起的損耗。
ui(x，y)是影響由第i個BTS發(fā)送的信號的陰影衰落。它通常被建模為具有標(biāo)準(zhǔn)方差σui的對數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量(即，以dB計(jì)的ui(x，y)是高斯隨機(jī)變量)。典型的σui的數(shù)值范圍從5到10dB ui(x，y)～N(0，σui)[ui]＝dB(34) 公式(33)是研究用于借助于從觀察的電平(或接收的電平RXLEV)測量值得到的觀察值定位移動站的技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)。允許引入幾個影響傳播的參數(shù)，諸如天線發(fā)射模式、路徑損耗和隨機(jī)起伏是通常足夠的模型。
天線增益通常被分析地表示為角度θ的函數(shù)，它描述當(dāng)天線被連接到發(fā)射機(jī)時由天線輻射的功率的角度分布。在定向天線的情形下，最大增益的方向由方向θ表示 G(θ＝0)＝Gmax (35) 天線增益G(θ)可被分成規(guī)定最大天線增益Gmax的恒定項(xiàng)和描述輻射功率的角度分布的輻射模式AP(θ)的和值 G(θ)＝Gmax-AP(θ)；AP(θ)≥0dB；AP(θ＝0)＝0dB(35) 圖4示出在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的天線的天線增益的曲線圖。圖4的曲線包括代表天線增益G(θ)的y軸和代表從最大增益的角度的取向的x軸。天線增益是關(guān)于θ的線對稱的。天線增益曲線圖包括主瓣(或主波束)401和在主瓣的任何一側(cè)的四個副瓣(或副波束)403、405、407、409。主瓣401包括中心為θ＝0的最大增益Gm。主瓣天線增益在θ＝0的任何一側(cè)快速降低到零。副瓣403、405、407、409包括較小的最大增益，以及被安排成使得第一副瓣403(與主瓣401直接相鄰的副瓣)比起第二副瓣405(與第一副瓣403和第三副瓣407相鄰的副瓣)具有更大的最大增益。第二副瓣405又比起第三副瓣407(與第二副瓣405和第四副瓣409相鄰的副瓣)具有更大的最大增益，以及第三副瓣407比起第四副瓣409(與第三副瓣407相鄰的副瓣)具有更大的最大增益。
當(dāng)天線的輻射模式的分析表達(dá)式不可獲得時，需要進(jìn)行近似。
BTS天線的取向φBi(如圖3所示)規(guī)定最大功率輻射的方向。這意味著，給定(x，y)MS坐標(biāo)后，可以計(jì)算ψi(x，y)(例如，BTS“觀看”MS的角度)，以及向MS的下行鏈路傳輸增益可以表示為如下 在原理上，如果MS配備有定向天線以及天線的取向是已知的，則可以使用類似的公式來描述在MS一側(cè)的接收天線的增益 雖然移動設(shè)備可以配備以定向天線，但假設(shè)MS天線的取向是已知的，是不現(xiàn)實(shí)的；因此，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，MS天線輻射模式可以通過加上以下的約束條件用平均的全向模式來建模 GT，max＝GT，avg；APT(θ)＝0dB(38) 把(36)和(37)代入(33)，產(chǎn)生以下的接收功率的緊湊表達(dá)式 其中輔助定義Pt，maxi和APtri以前已在公式(4)和(5)中分別規(guī)定。
公式(33)中用于路徑損耗PLi的幾個分析表達(dá)式已在科學(xué)文獻(xiàn)中提出。事實(shí)上，這一項(xiàng)是基于傳播損耗預(yù)測模型，蜂窩運(yùn)行商根據(jù)它設(shè)計(jì)其網(wǎng)絡(luò)。為了精確地計(jì)算信號從基站行進(jìn)到移動站經(jīng)受的衰減，應(yīng)當(dāng)考慮還包括有關(guān)環(huán)境的地形和地貌的信息的精細(xì)調(diào)節(jié)的預(yù)測模型。然而，當(dāng)?shù)匦蔚貓D是不可獲得時，必須使用簡化的模型。這樣的可獲得的傳播模型在本領(lǐng)域是已知的，以及在本發(fā)明的實(shí)施例中，傳播模型路徑損耗僅僅作為MS到BTS距離的函數(shù)，而與到達(dá)角度(AOA)無關(guān) PLi(x，y)＝PLi(di(x，y))(40) 記住以上的考慮，由在特定的位置(x，y)處的移動設(shè)備(MS)從第i個基站Pri接收的平均功率可被表示為如下 其中對于以下參數(shù)保持以前的定義為來自第i個基站收發(fā)信機(jī)的最大輻射功率Pt，maxi[公式(4)]，組合的收發(fā)天線模式APtri[公式(5)]，在移動設(shè)備(MS)與第i個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)之間的路徑損耗PLi[公式(7)]，以及影響由第i個BTS發(fā)送的信號的對數(shù)正態(tài)陰影衰落ui[公式(34)]，(所有的量都以dB計(jì)) 從由公式(41)描述的模型出發(fā)，后面導(dǎo)出和統(tǒng)計(jì)地歸納從移動無線電網(wǎng)絡(luò)中的電平測量值得到的以及如在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的那樣用于MS定位目的的觀察值的特征。
在算法A，B和C中用于定位的本發(fā)明的實(shí)施例中使用的、一個測量值或觀察值是在由移動站Pri接收的平均功率與由第i個BTS輻射的最大功率Pt，maxi之間的差值 這個定義由以下事實(shí)證明是合理的依賴于MS位置的信息被嵌入在差值Pri-Pt，maxi，以及在給定網(wǎng)絡(luò)配置后，最大輻射功率Pt，maxi是合理易于合理計(jì)算的參數(shù)。
按照傳播模型(41)，由于ui(x，y)的隨機(jī)性質(zhì)，Li(di(x，y)，ψi(x，y))是隨機(jī)變量。由于ui(x，y)是高斯隨機(jī)變量，Li(di(x，y)，ψi(x，y))也是高斯隨機(jī)變量 Li(x，y)～N(μLi(x，y)，σLi(x，y))(43) 平均值μLi(x，y)和標(biāo)準(zhǔn)方差σLi(x，y)可以如下地推導(dǎo)出 Li(x，y)的平均值 Li(x，y)的方差 第i個觀察值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差取決于MS坐標(biāo)(x，y)。由x和y決定的Li的概率密度函數(shù)(pdf)然后被表示為 在用于MS位置估計(jì)的本發(fā)明的實(shí)施例中，使用來自不同的BTS的電平觀察值。為此，兩個電平觀察值的協(xié)方差是感興趣的。兩個電平觀察值的協(xié)方差又取決于影響來自不同的BTS的信號的傳播的慢衰落過程的互相關(guān)值。慢衰落過程經(jīng)常被看作為不相關(guān)的。然而，正如已知的，在從不同的BTS發(fā)送的信號之間存在一定的相關(guān)性。所以，在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用用于慢衰落的互相關(guān)的模型，被規(guī)定為如下 Li(x，y)和Lj(x，y)的協(xié)方差所以可被顯示為如下(為了符號表示方便起見x和y被忽略)。
來自多個BTS，BTS1，...，BTSN，的電平測量值可被收集以及在本發(fā)明的另外的實(shí)施例這被使用來估計(jì)MS位置。如在公式(42)中顯示的單個電平觀察值可被堆疊在觀察值的Nx1矢量L中 L＝[L1，...，LN]T(49) 它具有多變量高斯分布 L～N(mL(x，y)，RL(x，y))(50) L的平均值和協(xié)方矩陣在本發(fā)明的實(shí)施例中可以通過使用來自以前的方程的結(jié)果容易地進(jìn)行計(jì)算 L(x，y)的平均值可被寫為 L(x，y)的協(xié)方矩陣可被寫為 RL(x，y)＝E{LLT}-mLmLT(52) RL(x，y)的一般元素是(見方程(48)) 由x和y限定的L的概率密度函數(shù)所以被寫為公式(54)(其中|RL(x，y)|表示協(xié)方矩陣RL(x，y)的行列式) 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，可以通過考慮來自不同的BTS的慢衰落為具有相同的方差而作出一個簡化的假設(shè) 這個假設(shè)在傳播發(fā)生在均勻的通信環(huán)境下是精確的。換句話說，在通信環(huán)境是一致的和類似的情況下。因此，影響不同的BTS的慢衰落在統(tǒng)計(jì)上具有相同的性質(zhì)。對于所有的慢衰落鏈路的相同的協(xié)方差的假設(shè)導(dǎo)致協(xié)方差矩陣RL(x，y)的修正結(jié)構(gòu)。協(xié)方差矩陣的結(jié)構(gòu)變?yōu)樵诼ヂ浞讲?它對于所有的BTS是共同的)σu2與只取決于與位置有關(guān)的互相關(guān)值ρvi，j(x，y)的矩陣rL(x，y)之間的乘積 通過使用以上規(guī)定的假設(shè)，由公式(54)中x和y調(diào)節(jié)的L的概率密度函數(shù)可被寫為 在另外的實(shí)施例中，假設(shè)慢衰落過程不僅僅具有相等的方差而且也是不相關(guān)的。在這樣的實(shí)施例中，rL(x，y)變?yōu)榕cMS坐標(biāo)無關(guān)的NxN單位矩陣 rL(x，y)＝rL＝I(59) 以及概率密度函數(shù)(58)變?yōu)? 其中(見公式(51)和(44)) 用于電平差值觀察值的模型 在公式(42)中規(guī)定的第i個電平觀察值Li是從由MS對于由第i個BTS發(fā)送的信號測量的電平得到的。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，觀察值也可以是從在由移動設(shè)備從被作為參考的一個BTS中測量出的電平與由移動設(shè)備從另一個BTS中測量出的電平之間的差值中得出的。
使用電平的差值有助于在絕對電平測量值中消除未知的共同的偏差。在類似于以上討論的那樣的方法之后，下面顯示電平差值觀察值的統(tǒng)計(jì)特性。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，電平觀察值的差值被定義為在來自第i個BTS的電平觀察值與來自如在(42)中規(guī)定的參考BTS(在以下由索引號i＝1表示)的電平觀察值之間的差值 Di＝L1-Li；i＝2，...，N(62) 由于對數(shù)正態(tài)衰落的隨機(jī)特性，Di是高斯變量 Di(x，y)～N(μDi(x，y)，σDi(x，y))(63) Di(x，y)的平均值和協(xié)方差可被導(dǎo)出為如下 Di(x，y)的平均值 Di(x，y)和Dj(x，y)的協(xié)方差 在本發(fā)明的實(shí)施例中需要在一對電平差值觀察值之間的協(xié)方差，因?yàn)槎ㄎ凰惴ㄊ褂寐?lián)合多電平差觀察值。在Di(x，y)和Dj(x，y)之間的協(xié)方差的一般定義是(為了簡化表示，x和y被忽咯) 當(dāng)i＝j(luò)時得到的項(xiàng)是第i個差值觀察值的方差(σDi)2 其中ρu1，i是在公式(47)中規(guī)定的影響從BTS1和BTSi的傳播的慢衰落之間的互相關(guān)值。
對于i≠j的項(xiàng)可以如下地計(jì)算 因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，在兩個電平差值觀察值之間的協(xié)方差被概述為 由x和y限定的Di的概率密度函數(shù)可被表示為如下 來自多個BIT，BTS1，....，BTSN的測量值可被收集和被使用來估計(jì)MS位置。在本發(fā)明的實(shí)施例中，電平差值觀察值可被堆疊成(N-1)x1觀察值矢量D D＝[D2，...，DN]T(70) 它具有多變量高斯分布 D～N(mD(x，y)，RD(x，y))(71) D的平均值和協(xié)方差可以從以上定義的結(jié)果容易地計(jì)算 D(x，y)的平均值 D(x，y)的協(xié)方矩陣 RD(x，y)＝E{DDT}-mDmDT(73) RD(x，y)的一般元素是(見方程(68)) 由x和y限定的D的以下的概率密度函數(shù)給出為 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，假設(shè)從不同的BTS的慢衰落具有相同的方差 協(xié)方差矩陣RD(x，y)的元素變?yōu)? 而且，在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，如果假設(shè)慢衰落過程是不相關(guān)的，在公式(77)中因?yàn)閕，j≠1和當(dāng)i≠j時因此RD的一般元素變?yōu)? 協(xié)方差矩陣可被寫為
其中I和1是兩個(N-1)x(N-1)矩陣

使用慢衰落不相關(guān)的方差相等的假設(shè)，概率密度函數(shù)(pdf)(75)可被寫為如下 矩陣rD和它的逆矩陣的行列式可以被顯式地計(jì)算為
把定義(70)和(72)以及剛才在指數(shù)的幅角中得到的rD-1的表達(dá)式代入(81)，結(jié)果是 在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的定位算法是把最大或然率(ML)原理應(yīng)用到以上規(guī)定的的電平和電平差值觀察值。如以前討論的最大或然率原理是在估計(jì)理論中廣泛使用的方法。最大或然率原理的概述為如下。
如果x∈D是在某個域D中定義的未知的隨機(jī)參數(shù)以及y是觀察到的隨機(jī)參數(shù)。最大或然率(ML)的原理通過使得x和y的聯(lián)合概率密度函數(shù)(pdf)最大化而提供x的估計(jì) ML估計(jì)也可以通過使得f(x，y)的自然對數(shù)，Λ(x)＝ln f(x，y)最大化而被計(jì)算；Λ(x)通常稱為對數(shù)或然率函數(shù) 通過把f(x，y)寫為在給定未知量x情況下的觀察值y的后驗(yàn)概率密度函數(shù)f(y|x)與對于未知量x的先驗(yàn)概率密度函數(shù)f(x)的乘積。換句話說，第一未知量x的概率密度函數(shù)f(x)乘以在第一未知量x的條件下的觀察值y的概率密度函數(shù)f(y|x)。對數(shù)或然率函數(shù)的類似的展開變?yōu)棣?x)＝lnf(y|x)+lnf(x)。在這兩種情形下，在本發(fā)明的實(shí)施例中，ML估計(jì)可以通過求解以下問題而被計(jì)算 如果對于未知量x的先驗(yàn)概率密度函數(shù)是不可獲得的，則f(x)可被忽略(或等價地，可以假設(shè)x均勻地分布在域D上)，產(chǎn)生公式(87)中所顯示的公式(86)的簡化形式。
在利用信號電平測量值的MS定位方面，觀察值y可以或者是在(49)中定義的電平觀察值矢量L 或者是在(70)中定義的電平差值觀察值矢量D 在本發(fā)明的實(shí)施例中，要被估計(jì)的參數(shù)x包括估計(jì)的MS坐標(biāo)位(x，y)連同慢衰落的估計(jì)的方差σu2 x＝[σu2，x，y]T(90) 以上表明，電平觀察值L和電平差值觀察值D可被建模為多變量高斯隨機(jī)變量。在這樣的環(huán)境下，ML準(zhǔn)則(84)可被進(jìn)一步簡化。如果由未知量x限定的觀察值y∈RM×1具有平均值my∈RM×1和相關(guān)矩陣Ry∈RM×M的M變量高斯隨機(jī)變量，則由x限定的觀察值的概率密度函數(shù)是 其中Ry和my對于x的依賴性被明顯地表示出。f(y|x)(y|x)的自然對數(shù)是 x的ML估計(jì)可以按照ML準(zhǔn)則(89)被計(jì)算為如下 公式(93)因此提供當(dāng)電平觀察值和電平差值觀察值遵從以上得到的高斯統(tǒng)計(jì)模型時用于MS位置估計(jì)的ML準(zhǔn)則。為了簡化起見，以下的例子限于其中從不同的BTS的慢衰落的方差假設(shè)為相等的情形(上面描述了用于觀察值的統(tǒng)計(jì)模型)。
當(dāng)考慮N個電平觀察值和假設(shè)慢衰落的方差對于所有的觀察值是相等時，用于高斯未知量的ML準(zhǔn)則(93)在本發(fā)明的實(shí)施例中對于y，my(x)，Ry(x)和M施加以下的定義 y←L＝[L1，...，LN]T my(x)←mL(x，y) Ry(x)←σu2rL(x，y) M＝N (94) 其中及RL(x，y)是電平觀察值的協(xié)方差矩陣。估計(jì)x，y和σu2的ML準(zhǔn)則因此是 當(dāng)考慮N個電平觀察值和假設(shè)慢衰落是不相關(guān)的和對于所有的觀察值方差相等時，用于高斯未知量的ML準(zhǔn)則(93)在本發(fā)明的實(shí)施例中對于y，my(x)，Ry(x)和M施加以下的定義 y←L＝[L1，...，LN]T my(x)←mL(x，y) Ry(x)←σu2I M＝N (96) 估計(jì)x，y和σu2的ML準(zhǔn)則因此是 或類似地通過插入在公式61中給出的‖L-mL‖的數(shù)值， 在本發(fā)明的實(shí)施例中，σu2可被分開地估計(jì)。對于固定的x和y，σu2的這個估計(jì)等價于找出函數(shù)f(s)＝lns+K/s的(嚴(yán)格地正的)最小值，它是smin＝K。σu2的估計(jì)的數(shù)值產(chǎn)生 在本發(fā)明的實(shí)施例中，x和y的ML估計(jì)可以通過求解以下的最小化問題而被解決 其中Dxy是x和y的存在域。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，域Dxy例如可以通過使用可用于實(shí)施基于網(wǎng)絡(luò)的軟件解決方案(NBBS)的任何附加位置信息而被確定。例如，如果服務(wù)的BTS的小區(qū)識別號是已知的，則在本發(fā)明的實(shí)施例中Dxy可被規(guī)定為由這樣的BTS提供服務(wù)的地理區(qū)域。如果另外時間提前也是可獲得的，則在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中Dxy可被規(guī)定為由給定的CI識別的BTS的服務(wù)區(qū)域的交叉所確定的地理區(qū)域。在另一個實(shí)施例中，Dxy可被規(guī)定為其原點(diǎn)為服務(wù)的BTS坐標(biāo)以及內(nèi)/外半徑按照TA數(shù)值被確定的，例如通過使用本領(lǐng)域已知的方法被確定的圓環(huán)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，例如按照CI和TA的x和y的域的限制具有2個優(yōu)點(diǎn)第一個優(yōu)點(diǎn)是隱含地考慮TA信息；第二個優(yōu)點(diǎn)是使得最小化算法更加快速地收斂。
當(dāng)考慮N-1個電平差值觀察值和假設(shè)慢衰落是不相關(guān)的和對于所有的觀察值方差相等時，用于高斯未知量的ML準(zhǔn)則(93)對于y，my(x)，Ry(x)和M施加以下的定義 y←D＝[L1-L2，...，L1-LN]T my(x)←mD(x，y) Ry(x)←σu2rD M＝N-1 (101) 其中rD是以下的(N-1)x(N-1)矩陣(與MS坐標(biāo)無關(guān))
估計(jì)x，y和σu2的ML準(zhǔn)則可以通過使用結(jié)果(83)而得到 其中 Dj＝L1-Lj(j＝2，...，N)(104) 以及 Dxy是x和y的存在的域。對于Dxy的幾個可能的定義在后面給出。
例如按照CI和TA數(shù)值限制x和y的域具有2個優(yōu)點(diǎn)第一個優(yōu)點(diǎn)是在估計(jì)中隱含地考慮TA信息；第二個優(yōu)點(diǎn)是使得最小化算法更加快速地收斂。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，存在ML準(zhǔn)則的另外的解譯。f(x，z)，未知量x和觀察值z的聯(lián)合概率密度函數(shù)可被寫為條件概率密度函數(shù)f(x|z)與觀察到的概率密度函數(shù)f(z)的乘積。對數(shù)或然率函數(shù)因此可被寫為Λ(x)＝lnf(x|z)+ln f(z)以及ML估計(jì)可以通過求解以下問題而被計(jì)算 第二等式成立，因?yàn)閒(z)不取決于x。如果x的最大或然率估計(jì)在域D內(nèi)，則它可以作為以下的方程的根被計(jì)算 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中使用的定位方法是基于在(106)中定義的最大或然率準(zhǔn)則，其中觀察值z包括來自服務(wù)的BTS的CI和TA信息以及來自涉及到的所有的BTS的CI和RXLEV(接收的電平)數(shù)值，以及x包括MS的未知坐標(biāo) x＝[x，y]T(108) 在定位業(yè)務(wù)應(yīng)用中，某個小區(qū)的CI的知識是指已知BTS天線的地理坐標(biāo)，以及其它參數(shù)，諸如天線取向，小區(qū)寬度，發(fā)射功率等等。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，MS坐標(biāo)的ML估計(jì)是通過求解最小化問題而被確定的 或替換地，通過計(jì)算以下的聯(lián)立方程在域D里面的根 為了以上面表示的形式應(yīng)用ML原理，需要確定解的域D和條件概率密度函數(shù)f(x，y|z)。這些在下面詳細(xì)描述。
D是本文件中描述的定位方法在其中尋找解x＝[x，y]T的域。在(109)中的D可以通過使用有關(guān)手機(jī)可能位于的區(qū)域的某些先驗(yàn)信息而被定義。存在幾個可能性；下面描述在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的四種這樣的方法。
1.從服務(wù)的小區(qū)的小區(qū)識別號(CI)確定D。
在這種情形下，D代表被連接到服務(wù)小區(qū)的手機(jī)多半位于的地理區(qū)域。因此，D可被規(guī)定為與基于服務(wù)的小區(qū)CI信息的位置估計(jì)有關(guān)的置信區(qū)域。確定這樣的置信區(qū)域的方法在后面詳細(xì)描述。圖8顯示這樣的置信區(qū)域。置信區(qū)域包括在兩個不等的半徑的圓形扇區(qū)801，803之間的區(qū)域的差。具有共同的原點(diǎn)805和公共的弧角807的兩個扇區(qū)801，803由以下的一組參數(shù)規(guī)定位于坐標(biāo)(x0，y0)的點(diǎn)的原點(diǎn)805，內(nèi)半徑R1，不確定性半徑R2，取向角度809α，和包括角度807β。取向角度809規(guī)定從x軸到孤的開始點(diǎn)的角度。包括角度807規(guī)定從孤的開始點(diǎn)到孤的結(jié)束點(diǎn)的角度。
2.從服務(wù)小區(qū)的小區(qū)識別號(CI)和時間提前(TA)確定的D。當(dāng)來自服務(wù)的BTS的CI和TA信息都是可獲得時(TA具體地影響半徑R1和R勻，確定圖8所顯示的置信區(qū)域的參數(shù)的方法。當(dāng)來自服務(wù)的小區(qū)的TA可獲得時，可以用以后提供的、最后忽略小區(qū)扇區(qū)化的方法確定D(即，假設(shè)α＝0，和β＝2π)。
3.從在位置計(jì)算中牽涉到的所有的小區(qū)的小區(qū)識別號(CI)確定D。在位置估計(jì)中牽涉到的BTS的坐標(biāo)給它們本身提供MS位于的地理區(qū)域的指示。因此例如可以由頂邊位于在位置計(jì)算中牽涉的最外面的BTS的坐標(biāo)的凸多邊形定義D。這個概念顯示于圖9。圖9顯示六個基站收發(fā)信機(jī)(BTS)，D的邊界由四個BTS 901，903，905，907規(guī)定，由此規(guī)定四邊形909和位于這個D區(qū)域邊界909內(nèi)的兩個BTS 911，913。
4.從覆蓋預(yù)測地圖確定的D。
根據(jù)在專利申請PCT/EP01/01147中提出的、確定位置估計(jì)的置信區(qū)域的相同的準(zhǔn)則，用于服務(wù)的和/或相鄰的小區(qū)的覆蓋預(yù)測地圖可被使用來確定D。如果來自服務(wù)的BTS的TA信息是可獲得的，則以服務(wù)的BTS坐標(biāo)為中心的具有內(nèi)半徑R1和外半徑R1+R2(如圖8所示)的圓環(huán)，除了覆蓋地圖以外，還可被使用來確定D。圖8顯示這個區(qū)域作為在它們之間的區(qū)域差。
概率密度函數(shù)f(x，y|z)的表達(dá)式 下面詳細(xì)描述概率密度函數(shù)f(x，y|z)的幾個表達(dá)式。在本發(fā)明的實(shí)施例中，觀察值z包括從接收的電平觀察值(RXLEV)得到的信息。
給定以下的定義 ·N是被使用來估計(jì)MS坐標(biāo)的接收的電平觀察值(RXLEV)的數(shù)目； ·Pr1，...，PrN是由MS從牽涉的N個BTS測量的接收的電平觀察值(RXLEV)，以dB表示。
Pt，maxi...，Pt，maxN是來自N個BTS的最大輻射功率值，以dB表示。第i個最大輻射功率值Pt，maxi，代表在最大增益方向上在第i個BTS天線的輸出端的最大功率。在公式(4)中規(guī)定的數(shù)值Pt，maxi包括發(fā)射功率Pti，BTS發(fā)射天線的最大增益Gt，maxi，天線損耗，電纜損耗等等；都以dB度量。由所涉及的N個BTS的每個BTS發(fā)送的信號在傳播到MS時經(jīng)受的總的(正的)衰減可以以dB被表示為 矢量z＝[z1，...，zN]T代表按照準(zhǔn)則(109)或(110)借其估計(jì)MS的位置的觀察值。這里感興趣的概率密度函數(shù)因此是 f(x，y|z)＝f(x，y|z1，...，zN)(112) 通過使用Bayes定理，f(x，y|z)可被表示為如下 在(113)中需要的f(x，y|z)可以通過使用上一部分的結(jié)果而被估計(jì)，其中所謂的多電平觀察值L＝[L1，...，LN]T相應(yīng)于在本文件中規(guī)定的-z。對于f(z|x，y)＝fL|x，y(-L|x，y)的最一般的表達(dá)式是 其中RZ(x，y)＝E{zzT}-mzmzT＝RL(x，y)是z的協(xié)方差矩陣，是z(x，y)的平均值，PLi(di(x，y))和APtri(ψi(x，y))分別是與由第i個BTS發(fā)送的信號有關(guān)的組合的發(fā)射-接收天線模式和路徑損耗，是同一個信號的到達(dá)角(AOA)，是MS與第i個BTS之間的距離，以及(x1，y1)，...，(xN，yN)是牽涉的N個BTS的x，y坐標(biāo)。
在不存在任何其它先驗(yàn)信息的情形下，假設(shè)MS坐標(biāo)在D域中均勻分布的。這個假設(shè)產(chǎn)生如下定義的x和y的聯(lián)合概率密度函數(shù) 其中M(D)是D的尺寸，以及D可以通過使用以前描述的一個方法被確定。
把(115)代入(113)產(chǎn)生以下的f(x，y|z)的表達(dá)式 它可以通過使用(112)被估計(jì)。
在實(shí)際的實(shí)施方案中，在最小化問題(109)中很難使用(116)。為此，需要確定對于f(x，y|z)的替換的近似定義。f(x，y|z)可被寫為由每個單個測量的衰減限定的概率密度函數(shù)f(x，y|z1)，...，f(x，y|zN)的乘積 在(117)中的第i個概率密度函數(shù)代表從第i個小區(qū)zi測量的衰減給出的(x，y)的或然率。實(shí)際上f(x，y|zi)代表當(dāng)由MS從第i個BTS接收的信號經(jīng)受衰減zi時MS的空間分布。下面描述的本發(fā)明的一個實(shí)施例定義f(x，y|zi)，以使得x，y坐標(biāo)均勻地分布在一個區(qū)域，以及由觀察值zi和/或第i個小區(qū)的無線電覆蓋性質(zhì)規(guī)定。后面描述的本發(fā)明的另一個實(shí)施例不是假設(shè)手機(jī)均勻地分布，而是假設(shè)第i個小區(qū)是全向的，這樣，手機(jī)被假設(shè)為從BTS臺址在角度上均勻分布但在徑向上非均勻分布。
f(x，y|zi)在區(qū)域Di上的均勻分布 當(dāng)MS被假設(shè)為在與涉及的第i個小區(qū)有關(guān)的某個地理區(qū)域Di上均勻分布時，f(x，y|zi)具有以下的表達(dá)式 其中M(Di)是區(qū)域Di的尺寸。存在確定Di的幾個可能性 1.從覆蓋地圖確定Di 如果由覆蓋預(yù)測工具生成的覆蓋地圖是可獲得的，則(118)中的Di可被規(guī)定為第i個小區(qū)的可聽見的區(qū)域Hi?？陕犚妳^(qū)域表示其中由第i個BTS輻射的信號以超過MS更敏度電平的信號強(qiáng)度到達(dá)手機(jī)的地理區(qū)域。
定義(118)只考慮第i個BTS的識別號，而沒有使用實(shí)際觀察到的衰減。本發(fā)明的另一個實(shí)施例通過包括測量的衰減而改進(jìn)f(x，y|zi)的定義，用標(biāo)識由第i個BTS輻射的信號以從第i個BTS觀察到的衰減到達(dá)MS的地理區(qū)域的第i個小區(qū)的覆蓋區(qū)域Ni替換可聽見區(qū)域。從實(shí)際的觀點(diǎn)看來，考慮一定范圍的衰減值而不是單個數(shù)值是有好處的；例如，zi±Δzi，以考慮到具有衰減隨機(jī)起伏Δzi。在這種情形下，f(x，y|zi)具有與在(118)中相同的定義，用Ni替換Hi。
2.Di的分析表達(dá)式 在缺乏覆蓋地圖的情形下，(118)中的Di可以以許多分析函數(shù)來表示。一個可能性是規(guī)定D為如圖10所示的歸一化的扇區(qū)。圖10顯示由Di規(guī)定的區(qū)域?yàn)榫哂幸缘趇個BTS的坐標(biāo)(xi，yi)給出的原點(diǎn)1003的一部分圓1001、扇區(qū)小區(qū)取向1005φi、角度寬度的兩倍的扇區(qū)寬度1007，Δφi、以及(前面)半徑1011，RiF規(guī)定的區(qū)域定義的區(qū)域。規(guī)定的區(qū)域也被包括在具有相同的原點(diǎn)1003和(后面)半徑1013，RiB的較小的圓的區(qū)域1009內(nèi)。區(qū)域D所以可被定義為如下 其中是由第i個BTS發(fā)送的信號的到達(dá)角。
通過對于Di的定義(119)，在(118)中的M(Di)等于(RFi)2Δφi+(π-Δφi)(RBi)2。在它的最一般的定義中，D代表扇區(qū)小區(qū)，但通過設(shè)置Δφi＝π和它也可以代表全向小區(qū)。
在本發(fā)明的替換實(shí)施例中Di被規(guī)定為橢圓，其中心為坐標(biāo)(xiR，yiR)的參考點(diǎn)以及具有半軸σx，i和σy，i 通過對于Di的定義(120)，在(118)中的f(x，y|zi)是三維圓柱，其具有恒定的高度1/(M(Di))＝1/(πσx，iσy，i)和橢圓基底。通用的橢圓定義允許對于扇區(qū)小區(qū)的覆蓋進(jìn)行近似，但也可以被應(yīng)用到全向小區(qū)(通過設(shè)置原點(diǎn)(xRi，yRi)為第i個BTS坐標(biāo)和在(120)中D等同于對于Δφi＝π和用(119)得到的區(qū)域)。
f(x，y|zi)全向小區(qū)的非均勻分布 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，概率密度函數(shù)f(x，y|zi)可以從在MS與第i個BTS之間的距離di和來自同一個BTS的到達(dá)角ψi(x，y)的聯(lián)合概率密度函數(shù)f(di，ψi|zi)被計(jì)算為如下 其中 在以下的例子中，考慮全向小區(qū)的情形。在本例中，MS角坐標(biāo)ψi可被假設(shè)為與徑坐標(biāo)di無關(guān)的，以及在[-π，π]域內(nèi)均勻分布。通過使用這些近似，可以規(guī)定f(di，ψi|zi)的以下的簡化表達(dá)式 嚴(yán)格地說，第i個觀察出的衰減zi一般取決于在MS與第i個BTS之間的距離，而且也取決于發(fā)射天線在MS方向上的增益。如果小區(qū)是全向的，正如這里假設(shè)的，則天線增益分量可被忽略，因?yàn)锽TS天線在所有的方向上均勻地輻射，以及衰減可被看作為僅僅是MS-BTS距離的函數(shù)。在這種情形下，第i個衰減zi等于第i個所謂的路徑損耗PLi(di)，該路徑損耗只取決于MS與第i個BTS之間的距離 zi＝PLi(di)(124) 因此，總之，對于全向小區(qū)的概率密度函數(shù)f(x，y|zi)可以通過把(122)，(123)和(124)插入(121)而得到為如下 在實(shí)驗(yàn)和理論研究中已顯示，在室內(nèi)和室外的環(huán)境下，平均接收信號功率隨在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離對數(shù)地減??；因此在距離d≥d0處，以dB計(jì)的路徑損耗可被表示為 其中n是取決于環(huán)境的傳播指數(shù)，d0是“近區(qū)參考距離”以及PL(d0)是在離開發(fā)射機(jī)距離d0處經(jīng)受的平均路徑損耗。在自由空間下，n的數(shù)值是2，但當(dāng)障礙密度增加時n數(shù)值增加。表1列出在不同的環(huán)境下典型的路徑損耗指數(shù)。
表1 d0也必須根據(jù)環(huán)境被選擇。當(dāng)小區(qū)很大時，d0通常被設(shè)置為1公里；在微小區(qū)的情形下，“近區(qū)參考距離”通常更小(可以從1米到100米)。因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，PL(d0)通過使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被計(jì)算。當(dāng)這不可能時，在另外的實(shí)施例中PL(d0)可以通過使用自由空間路徑損耗規(guī)律來估計(jì)；如果d0離發(fā)射機(jī)足夠近，可以假設(shè)為自由空間中的理想化的傳播條件(λ＝c/f是信號波長，c是光速以及f是頻率)PLfree space(d0)＝10log(4πd0/λ)2。
在模型(126)中，u代表影響由第i個小區(qū)發(fā)送的信號的陰影衰落。它總地被建模為具有標(biāo)準(zhǔn)方差σu的對數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量(即，以dB計(jì)的u是高斯隨機(jī)變量u～N(0，σu))。σu的典型值范圍從5到10dB。
通過規(guī)定 A＝PL(d0)-10nlog10d0(127) B＝10n 模型(126)可被重新寫為 PL(d)＝A+Blog10d+u(128) 遵從(128)的路徑損耗的公知的模型是Okumura-Hata模型，其中d是在MS與BTS之間的距離，以公里計(jì)，A和B是信號頻率f，基站有效天線高度hB，移動終端天線高度hm，和城市類型(或者“大城市”或者“中小城市”)的函數(shù)。如果d0＝1km，A＝PL(d0)，和B＝10n，Okumura-Hata模型與公式(126)相關(guān))。
對于給定的路徑損耗PL，距離d≥d0具有以下表達(dá)式 對于給定的路徑損耗和使用對數(shù)正態(tài)慢衰落的假設(shè)，在(129)中d的概率密度函數(shù)可以用已知標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)變量交換技術(shù)進(jìn)行計(jì)算 其中C(d0)是引入的歸一化因子，以使得 把(130)插入(125)，對于來自定向小區(qū)的已知的觀察到的衰減(見(124))的x和y的概率密度函數(shù)為如下 在時有效。
圖11顯示對于不同的衰減值zi＝PLi時使用公式(132)的概率密度函數(shù)f(x，y|zi)的一系列曲線。圖11表明，概率密度函數(shù)具有圍繞穿過第i個BTS坐標(biāo)的垂直軸的對稱性?？梢钥吹?，當(dāng)路徑損耗增加時，概率密度函數(shù)擴(kuò)展。在低衰減值下，概率密度函數(shù)曲線峰值接近于第i個BTS以及在離第i個BTS的距離增加時快速降低到零。在較高的衰減值下，概率密度函數(shù)曲線的峰值移到離第i個BTS坐標(biāo)更遠(yuǎn)。在衰減值增加時，分布變?yōu)楦教?即，峰值概率密度函數(shù)峰是更小的，但概率密度函數(shù)的增加和減小速率是較低的。這種擴(kuò)散產(chǎn)生假設(shè)，在較高的衰減電平下，手機(jī)遠(yuǎn)離BTS臺址的概率增加。
f(x，y|zi)全向小區(qū)的實(shí)驗(yàn)高斯分布 在本發(fā)明的實(shí)施例中，概率密度函數(shù)f(x，y|zi)(132)由以下定義的雙變量高斯概率密度函數(shù)近似 其中 為了導(dǎo)出(133)中的高斯概率密度函數(shù)，必須確定m和R(更加精確地，它的行列式|R|和它的逆矩陣R-1)。應(yīng)當(dāng)注意，在(132)中規(guī)定的概率密度函數(shù)f(x，y|zi)的x和y的平均值是 μx，i＝E{x|zi}＝xi；μy，i＝E{y|zi}＝y(tǒng)i (137) 因此 為了得到(136)中相關(guān)矩陣R的表達(dá)式，需要計(jì)算期望值E{x2|zi}，E{y2|zi}，和E{xy|zi}。
E{x2|zi}的分析表達(dá)式可被得到為(下式的第二等式是通過以極坐中求解積分而得到的)


其中和

和I1分別代表以上的第一和第三積分 使用以下的互補(bǔ)誤差函數(shù)的定義 通過非常類似的推導(dǎo)，可以證明，E{y2|zi}具有以下表達(dá)式 最后，可以得到相關(guān)項(xiàng)E{xy|zi}的分析表達(dá)式 通過在公式(136)中給出的R的定義中使用結(jié)果(139)，(142)和(143)，導(dǎo)出以下的R R的行列式是和它的以下逆矩陣 通過以上結(jié)果，有可能把在公式(139)中顯示的高斯概率密度函數(shù)規(guī)定為如下 在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，路徑損耗模型(128)的使用被擴(kuò)展到低于近距離的距離(即，對于d＜d0)，或替換地，使得近距離趨于d0→0，以上的函數(shù)保持很好的性能，以及當(dāng)d趨于零時概率密度函數(shù)趨于零。在極限d0→0下，項(xiàng)

趨于1(事實(shí)上，(0.5)erf{c(-∞)}＝1)，Ci(d0)→1，以及 其中 把以上的對于(d0)→1的結(jié)果插入(133)，得到以下近似的高斯概率密度函數(shù) 在圖12上，顯示作為路徑損耗/衰減zi的函數(shù)的Iio。圖12顯示范圍0到8的Iio對范圍110到145dB的路徑損耗/衰減zi的曲線圖。曲線圖類似于指數(shù)類型曲線圖，其中在zi＝110dB時Iio稍微大于0，開始緩慢上升，但當(dāng)zi超過140dB時快速增加。
f(x，y|zi)對于全向小區(qū)的非均勻分布 在另外的實(shí)施例中的定位算法可被應(yīng)用到全向小區(qū)中非均勻概率密度函數(shù)。通過取公式(117)中的項(xiàng)的對數(shù)，最小化問題可被重寫為 或替換地， 如上所述，公式(138)根據(jù)對數(shù)路徑損耗模型(128)規(guī)定由定向小區(qū)創(chuàng)建的環(huán)境中的概率密度函數(shù)f(x，y|zi)。通過使用這個概率密度函數(shù)f(x，y|zi)的定義，可以找到以下的偏微分的表達(dá)式 其中 因此，在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，MS位置可以通過迭代地求解以下的聯(lián)立的非線性方程組而被估計(jì) 公式154規(guī)定作為非線性算法的算法D。
f(x，y|zi)對于全向小區(qū)的實(shí)驗(yàn)高斯分布 先前，規(guī)定于對概率密度函數(shù)f(x，y|zi)的兩個高斯近似式。在公式(146)中所提供的第一個近似式是fG(x，y|zi)。通過使用這樣的表達(dá)式，得到以下的偏微分 其中R的行列式被給出為因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，MS位置可以通過迭代地求解以下的聯(lián)立的非線性方程組而被估計(jì) 公式156規(guī)定作為非線性的迭代算法的算法E。在該部分中給出的概率密度函數(shù)f(x，y|zi)的第二近似式是公式(149)中的fGo(x，y|zi)。這個概率密度函數(shù)是在極限條件下d0→0時作為第一高斯近似式fG(x，y|zi)的極限值得到的。通過使用該表達(dá)式，問題大大簡化，實(shí)際上，得到以下的偏微分 其中μx，i＝xi，μy，i＝y(tǒng)i，以及在(148)中規(guī)定的Iio取決于第i個衰減zi。通過以上的結(jié)果，在本發(fā)明的實(shí)施例中，MS位置估計(jì)可以以閉式被計(jì)算為如下 公式158規(guī)定作為具有閉式解的線性算法的算法F。
閉式解方法的擴(kuò)展 由公式(100)規(guī)定的和在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的算法中，估計(jì)的x(和分別地，y)的MS坐標(biāo)是作為其信號被MS接收的x(和分別地，y)的BTS坐標(biāo)的加權(quán)平均值得到的。這個算法可以借助于以下公式被擴(kuò)展 其中w1，...，wN是被指定給涉及到的N個BTS的每個BTS的適當(dāng)?shù)臋?quán)。
算法(158)中的權(quán)是作為項(xiàng)I10，...，IN0的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。權(quán)被計(jì)算為使得當(dāng)衰減增加時權(quán)減小，正如也可以從圖11看到的。有可能假設(shè)較接近于MS的BTS發(fā)送的信號比起較遠(yuǎn)離移動設(shè)備的BTS發(fā)送的信號經(jīng)受更低的衰減。這個假設(shè)可以通過加上這樣的法則而被考慮，即，在概括的閉式算法(159)中的權(quán)被規(guī)定為使得如果從第i個BTS接收的信號的衰減越低，則wi越高，以及反之亦然
此后給出在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中使用的、按照以上建議的準(zhǔn)則的、用于權(quán)w1，...，wN的三個經(jīng)驗(yàn)定義。
1.權(quán)的定義 反映以上法則的第一個權(quán)的定義包括把第i個權(quán)規(guī)定為由第i個BTS發(fā)送的信號經(jīng)受的衰減的倒數(shù) 這個權(quán)的定義在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中通過引入使用實(shí)驗(yàn)測量值確定的輔助變量參數(shù)而被進(jìn)一步增強(qiáng)。
2.權(quán)的定義 在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的第i個權(quán)的另一個定義是使用從第i個觀察值的衰減zi得到的在MS與基站收發(fā)信機(jī)BTS之間的估計(jì)的距離，

的倒數(shù) 由MS接收的信號的電平(以及衰減)不僅取決于在MS與BTS之間的距離，而且也取決于發(fā)射天線在MS方向上的增益。然而，如果在位置計(jì)算中牽涉的N個BTS是全向的，則BTS天線的貢獻(xiàn)可被忽略，以及可以認(rèn)為衰減僅僅是MS-BTS距離的函數(shù)。對于這個近似，第i個衰減zi等于第i個路徑損耗PLi(di)，以及僅僅取決于在MS與第i個BTS之間的距離 zi＝PLi(di)(163) 忽略模型(128)中的慢衰落，在(162)中給出的權(quán)的以下的表達(dá)式如下產(chǎn)生 當(dāng)(164)中規(guī)定的權(quán)被調(diào)節(jié)為適配于實(shí)驗(yàn)測量值時，可以找到另一個替換例。為了產(chǎn)生要找到的更加精確的權(quán)，可以進(jìn)行下面描述的兩個觀察值 由于MS坐標(biāo)是通過使用(159)用由(162)給出的權(quán)被估計(jì)的，所以不嚴(yán)格需要絕對距離值。在公式(159)中規(guī)定的算法中僅僅比值

是對位置估計(jì)有貢獻(xiàn)的。這意味著，如果在估計(jì)在位置近似中使用的每個距離時作出相同的相對誤差，不影響最終得到的位置估計(jì)。這個自動誤差抵消因子意味著，從室外走到室內(nèi)，或從城市的開闊區(qū)域走到狹窄的城市狹谷區(qū)域應(yīng)當(dāng)不會對位置精度有很大影響。這種誤差抵消因素提高位置估計(jì)的精度，以及使得對于在本發(fā)明的實(shí)施例中使用高度最佳化的和參數(shù)化的路徑損耗模型的需要最小。
對于使用算法(159)和權(quán)(164)的位置估計(jì)計(jì)算，只需要作為接收信號強(qiáng)度的函數(shù)的距離的函數(shù)性能。在簡化的例子中，如果基站天線高度、中心頻率、最大輻射功率對于在位置計(jì)算中使用的每個BTS都是相同的，則Okumura-Hata路徑損耗模型的幾乎所有的項(xiàng)都抵消，以及在位置計(jì)算中要使用的最終的權(quán)簡化成使得權(quán)可以由公式(165)找到 3.權(quán)的定義 本發(fā)明的另一個實(shí)施例實(shí)驗(yàn)地確定在權(quán)wi與衰減zi之間的函數(shù)關(guān)系。有可能收集足夠的數(shù)量的接收電平(RXLEV)測量值，用相應(yīng)GPS坐標(biāo)被來參考精確的MS位置，以及從這個信息解決逆定位問題如果在公式(159)中，考精確的MS位置，以及從這個信息解決逆定位問題如果在公式(159)中，MS坐標(biāo)是已知的，則權(quán)w1，...，wN可以通過使得估計(jì)的MS坐標(biāo)與精確的MS坐標(biāo)之間的誤差最小化而被確定為衰減的函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)測量值不可得到的場合下，這個方法是無效的。
上述的定位方法可應(yīng)用到由全向小區(qū)組成的網(wǎng)絡(luò)，其中BTS發(fā)射天線在所有的方向上各向同性地輻射。在扇區(qū)小區(qū)中，在所有的全向小區(qū)環(huán)境下作出的假設(shè)，只有在MS位于主瓣區(qū)域(MLR)時才以合理的近似誤差水平保持。換句話說，當(dāng)移動設(shè)備處在BTS(定向)天線的主波束照射的區(qū)域時。配備有具有60°的半功率波束寬度(HPBW)的發(fā)射天線的扇區(qū)小區(qū)具有MLR，該MLR在角度上圍繞BTS天線指向的方向近似擴(kuò)展±60度。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，如果在從由MS接收的值的總數(shù)中，在位置計(jì)算中涉及的N個BTS是用它們的發(fā)射天線的主波束輻射MS的BTS，則公式(154)，(156)，(158)，和(159)中定義的算法是可應(yīng)用的。
不幸地，不可能從單個BTS接收的數(shù)值確定MS是否處在某個BTS的MLR中，因?yàn)闉榱说玫竭@個信息，需要MS的位置。然而，在本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)MS測量和比較來自不同的共同定位的扇區(qū)小區(qū)的接收電平(RXLEV)時，有可能以低的錯誤率確定MS是否處在某個扇區(qū)小區(qū)的MLR中。在這種情形下，由于共同定位的扇區(qū)小區(qū)的BTS天線具有不同的取向，在這些共同定位的扇區(qū)小區(qū)中間，MS多半位于其信號經(jīng)受最低的衰減的那個小區(qū)的MLR中。
通過以上方法收集的信息，從全向小區(qū)的使用找到的近似是精確的(例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用公式(154)，(156)，(158)，和(159)中規(guī)定的算法)，及如果在位置計(jì)算中牽涉的N個BTS是從由MS按照以下程序過程測量的BTS中進(jìn)行選擇的話 1.選擇由MS測量的所有的全向小區(qū)。
2.在MS沒有同時測量到共同定位的小區(qū)的場合下，選擇所有的扇區(qū)小區(qū)。
3.在MS檢測到共同定位的小區(qū)的場合下，在共同定位的扇區(qū)小區(qū)中 如果一個或多個丟棄的共同定位的小區(qū)產(chǎn)生的接收電平值衰減與選擇的小區(qū)產(chǎn)生的衰減相差一定的范圍的量(比如說5dB)，則也選擇這些共同定位的小區(qū)，以及在本發(fā)明的實(shí)施例中或在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中衰減的平均值使用所有的選擇的共同定位的小區(qū)的衰減值。
基于CI和CI+TA的算法 這些算法將在后面更詳細(xì)地描述。這些算法是線性的，僅僅依賴于服務(wù)的小區(qū)信息。它們傳遞位置估計(jì)和對于位置估計(jì)的置信區(qū)域。
這些算法被認(rèn)為對由其覆蓋或可聽見的區(qū)域被分析地或被實(shí)際測量值規(guī)定的一個通用扇區(qū)小區(qū)提供服務(wù)的移動設(shè)備起作用。通用小區(qū)是由如圖5所示的實(shí)際天線增益顯示的、發(fā)送和接收的BTS天線角度增益產(chǎn)生的效果的簡化。
如以前說明的和如圖10所示，通用小區(qū)由以下一系列參數(shù)規(guī)定， 包括φ，小區(qū)取向，以離x軸的度數(shù)計(jì)；Δφ，扇區(qū)角度寬度；RF，扇區(qū)前半徑；和RB，扇區(qū)后半徑。
規(guī)定通用扇區(qū)的參數(shù)可以從覆蓋地圖或覆蓋預(yù)測工具找到。方法所需要的輸入信息包括服務(wù)的BTS的小區(qū)識別號(CI)，服務(wù)的BTS坐標(biāo)；以及服務(wù)的小區(qū)的地圖。
被執(zhí)行來從小區(qū)的覆蓋地圖計(jì)算通用小區(qū)參數(shù)的步驟包括 1.通過使用CIxs，ys，選擇服務(wù)的BTS的坐標(biāo)。
在給定服務(wù)的小區(qū)的CI后，小區(qū)的x-y坐標(biāo)被表示為CI，(xs，ys)，以及它們可以從BTS坐標(biāo)的數(shù)據(jù)庫中被檢索。
2.選擇服務(wù)的小區(qū)地圖S 與以前的步驟類似地，CI被使用來選擇相應(yīng)于當(dāng)前的CI的服務(wù)的地圖S。S典型地由網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具來確定，該工具使用大的信息組，諸如BTS配置參數(shù)、三維地形地圖、調(diào)節(jié)的傳播模型等等，以及為了確定服務(wù)的區(qū)域，也考慮網(wǎng)絡(luò)中其它BTS的存在。
服務(wù)的地圖代表其中由CI表示的小區(qū)正在服務(wù)的地理區(qū)域。在任何的x-y笛卡兒系統(tǒng)中，S可以通過把區(qū)域劃分成區(qū)域單元(Δx)x(Δy)以及用它的中心的坐標(biāo)表示每個單元而得到 S{xn，yn}；n＝1，...，NS(166) 坐標(biāo)(xn，yn)表示其中小區(qū)正在服務(wù)的區(qū)域的第n個像素(Δx)x(Δy)的中心。
服務(wù)的區(qū)域的例子在圖13上顯示。圖13顯示基站收發(fā)信機(jī)(BTS)1301、主要覆蓋區(qū)域1303和最小覆蓋區(qū)域1305?；臼瞻l(fā)信機(jī)1301位于主要覆蓋區(qū)域1303內(nèi)。較小的覆蓋區(qū)域1305與主要覆蓋區(qū)域1303相鄰、但沒有接觸主要覆蓋區(qū)域1303的邊緣。所有的覆蓋區(qū)域被網(wǎng)格系統(tǒng)1307劃分成多個單元1309。取決于BTS的所有的覆蓋區(qū)域的全部被稱為BTS的服務(wù)區(qū)域。
3.確定服務(wù)的地圖的質(zhì)心的坐標(biāo)xmc，ymc 服務(wù)的小區(qū)的質(zhì)心的(x，y)坐標(biāo)形式地被規(guī)定為如下 其中M(S)是服務(wù)的地圖的區(qū)域 M(S)＝∫s dxdy(168) 通過使用在公式(166)中規(guī)定的劃分的單元，質(zhì)心的坐標(biāo)可被計(jì)算為如下 4.在以服務(wù)的BTS的坐標(biāo)(xs，ys)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系統(tǒng)(ρi，θi)中計(jì)算想要的估計(jì)是容易得多的。在這個極坐標(biāo)系統(tǒng)中ρi是點(diǎn)(xi，yi)離BTS的距離以及θi是從x軸逆時針測量的角度 在這個極坐標(biāo)系統(tǒng)中服務(wù)的地圖由一組點(diǎn)表示 Spolar{ρn，θn}；n＝1，...，NS. (171) 5.確定整個服務(wù)地圖的主要方向θmc 主要方向θmc提供服務(wù)的扇區(qū)的方位角度φs的表示。這個角度被用作為用于歸一化小區(qū)覆蓋區(qū)域單元的角度坐標(biāo)的參考方向。θmc可以從BTS坐標(biāo)被近似為小區(qū)的質(zhì)心的取向。
在極坐標(biāo)系統(tǒng)(ρ，θ)中，服務(wù)區(qū)域的質(zhì)心具有坐標(biāo)(ρmc，θmc)以使得 6.為了進(jìn)一步簡化估計(jì)的實(shí)際的計(jì)算，新的極參考系統(tǒng)被旋轉(zhuǎn)，以使得零和2π角度離最重要的服務(wù)區(qū)域盡可能遠(yuǎn)。在這種旋轉(zhuǎn)后，所有需要的估計(jì)可以通過使用已知的簡單分類系統(tǒng)被計(jì)算。
具有角坐標(biāo)θm的第m個像素的旋轉(zhuǎn)被規(guī)定為如下 其中 最終得到的δm是在0＜δm＜2π的范圍中。最接近于主方向θmc的方向δm與δm≈π相聯(lián)系，以及最遠(yuǎn)離θmc的方向與δm≈0和δm≈2π相聯(lián)系。
下一個步驟是把點(diǎn)按照離服務(wù)BTS的距離的增序分類 在這個位置，服務(wù)的地圖由一組排序的點(diǎn)表示 Spolar{ρn，δn}；n＝1，...，NS.(176) 7.確定前半徑RF
其中

把·舍入到趨于正無窮大的最接近的整數(shù)(使用已知的上限運(yùn)算，其中所有的數(shù)被向上入到下一個正整數(shù))，以及γ′確定在組Spolar中其離服務(wù)的BTS的距離小于RF的想要的點(diǎn)的部分。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，參數(shù)γ′的良好的數(shù)值是在0.95與0.98之間。
8.確定后半徑(RB)，作為離服務(wù)的BTS的距離的函數(shù)的取向(φs(d))，以及作為離服務(wù)的BTS的距離的函數(shù)的角度寬度(Δφs(d))。
首先，規(guī)定如圖14所示的圓環(huán)的參數(shù)是有幫助的。圖14顯示由在具有公共的原點(diǎn)1401的兩個同心圓之間面積的差值規(guī)定的恒定的時間提前(TA)區(qū)域。第一圓周1403具有半徑R1 1407和第二圓周1405具有半徑R1+R2。
極坐標(biāo)系統(tǒng)中圓環(huán)的數(shù)學(xué)定義是 c{(ρ，θ)∈IR2Rinf≤ρ≤Rsup}(178) 其中Rint是內(nèi)徑和Rsup是外徑。在如圖所示的例子中，第一圓周半徑1407R1＝Rinp，以及第二圓周半徑R1+R2＝Rsup。
所以，圓環(huán)由一組地點(diǎn)表示 Scrown{ρn，δn}；n＝1，...，Ncrown(Ncrown≤NS).(179) 9.為了確定后半徑(RB)，進(jìn)行以下步驟 (a)設(shè)置i＝0 (b)通過使用Rint＝i·Δ和Rsup＝(i+2)·Δ來計(jì)算在公式(179)中規(guī)定的圓環(huán)中的點(diǎn)的數(shù)目，其中Δ是在x和y方向上數(shù)字化單元的距離。
(c)如果服務(wù)的區(qū)域在距離Rsup處是全向的，則在圓環(huán)中近似有Nideal＝π(R2sup-R2int)/Δ2個點(diǎn)。如果在Scrown中的實(shí)際的點(diǎn)數(shù)Ncrown小于γ′Nideal，則服務(wù)區(qū)域不再認(rèn)為是全向的。γ′的數(shù)值小于1.0以及基于經(jīng)驗(yàn)地，良好的數(shù)值是0.75。如果服務(wù)的區(qū)域認(rèn)為不是全向的，則后半徑被選擇為RB＝Rsup。
(d)如果服務(wù)的區(qū)域可被認(rèn)為在距離Rsup處是全向的，則設(shè)置i＝i+1以及進(jìn)到(b)，否則后半徑的估計(jì)已準(zhǔn)備好。
10.為了確定取向φs(d)，把圓環(huán)中的角度分類，以便增加或減小角度 從圓環(huán)的定義，Rint＝d-2·Δ和Rsup＝d+2·Δ。所以，φs(d)的估計(jì)是角度的中間值，以及它被得到為
11.作為離服務(wù)的BTS的距離的函數(shù)的角度寬度Δφs(d)可以通過使用與用于φs(d)的圓環(huán)中的相同的分類的點(diǎn)集被計(jì)算。角度寬度Δφs(d)被計(jì)算為如下 12.作為最后的步驟，必須把φs(d)和Δφs(d)旋轉(zhuǎn)回原先的共原點(diǎn)的參考系統(tǒng)。這是通過簡單地把θR加到得到的值而完成的。
在覆蓋地圖是不可獲得的場合下，有可能用下面給出的方法分析地估計(jì)小區(qū)前半徑RF和小區(qū)前半徑RB。
正如以前描述的，諸如通過公式(33)，離服務(wù)的BTS的距離為d的移動設(shè)備的平均接收功率PR可被表示為如下 PR(d)＝PT+G-PL(d)(183) BTS發(fā)送已知的發(fā)送功率PT，以及安裝在服務(wù)的BTS的天線在MS的方向上的增益是G。PL(d)是在信號從服務(wù)的BTS傳播到MS時影響信號功率的路徑損耗。諸如在以上公式(126)到(129)中使用的那些可接受的模型假設(shè)路徑損耗隨距離d對數(shù)地增加 PL(d)＝A+B log d(184) 扇區(qū)前半徑可被定義為由MS接收的平均功率PR大于規(guī)定小區(qū)邊緣的一定的門限值PthR時的距離。潛在的陰影衰落的影響可以通過包括陰影衰落余量FMσ(所有的量都以對數(shù)單位計(jì))而被允許。
在對數(shù)正態(tài)慢衰落的假設(shè)下，衰落余量可被定義為FMσ＝zσ，其中σ是慢衰落的標(biāo)準(zhǔn)方差以及z使得是半徑估計(jì)的可靠度。
按照公式(183)和(185)，以公里計(jì)算的前小區(qū)半徑可被表示為 其中Gm是最大天線增益，以dB計(jì)。
扇區(qū)后半徑可以通過包括有關(guān)被安裝在服務(wù)的BTS臺址的天線的輻射模式的信息而從前半徑進(jìn)行計(jì)算。圖5顯示圖4的加注解的版本，以dB計(jì)的天線增益對以度計(jì)的角度的曲線圖。關(guān)于θ＝0對稱的天線增益包括主瓣501和四個副瓣503，505，507，509。主瓣501在θ＝0處具有最大值Gm，而四個副瓣503，505，507，509中沒有一個副瓣的增益大于ρGm。ρ是最大后向-前向比，它是在最大輻射方向上的天線增益Gm與在主瓣以外方向上的天線增益之間的最大比值。顯然，小區(qū)前半徑RF與在主瓣方向上的最大增益Gm有關(guān)，以及小區(qū)后半徑Rs與主瓣以外的方向上的最大增益ρGm有關(guān)。
通過使用簡單的傳播模型(183)和以下的對于以dB計(jì)算的天線增益G(θ)(Gm＝10log(gm))的粗略的近似 有可能寫出以下的RB的上限 RB≤ρ×RF(188) 在GSM900中使用的典型的數(shù)值是PT＝50dBm，PthR＝-95dBm。對于30米的BTS高度，變量的典型值是A＝124.5和B＝35.7。在移動無線電環(huán)境下，σ常常假設(shè)為等于8dB。對于本例，BTS天線具有HPBW65度，最大后向-前向比-18dB(ρ＝0.0158)以及最大增益12dB。通過這些數(shù)值和對于z＝0.675(即，F(xiàn)(z)＝0.75，等價于75％小區(qū)半徑可靠度)，公式(186)和(188)給出RF＝5.7425公里和RB≈90米。
從顯示的例子可以明顯看到如圖10所示的扇區(qū)的表示可以較差地近似真實(shí)的小區(qū)覆蓋。具體地，Δφs通常太大，而不能表示遠(yuǎn)離BTS坐標(biāo)的那些區(qū)域中的扇區(qū)寬度。為了改善該估計(jì)的精度，有可能定義服務(wù)扇區(qū)寬度為離服務(wù)BTS的距離的函數(shù)Δφs(d)。通過考慮這一點(diǎn)，有可能在定位算法中忽略明顯處在服務(wù)的區(qū)域以外的那些區(qū)域。同樣的考慮適用于扇區(qū)方向，φs，它可被假設(shè)為離BTS臺址的距離的函數(shù)φs(d)。
RF，RB，φs和φs(d)(實(shí)際上，取決于距離，d)產(chǎn)生服務(wù)的區(qū)域的簡化的邊界的分析的估計(jì)如下 在本發(fā)明的實(shí)施例中，以上的通用小區(qū)參數(shù)的估計(jì)被使用來估計(jì)移動設(shè)備(MS)的位置。在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的算法稱為經(jīng)典CI-TA定位算法，與地圖輔助的CI-TA定位算法不同。
正如以前說明的，在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的算法的輸入?yún)?shù)是CI、TA(如果可得到的話)和位置估計(jì)的置信系數(shù)ξ。還正如以前說明的，計(jì)算的輸出是位置估計(jì)和置信區(qū)域(例如，其中真實(shí)的MS位置在置信ξ之內(nèi)位于的地理區(qū)域)。如果小區(qū)被扇區(qū)化或是全向的，則位置計(jì)算的結(jié)果是不同的。
下面描述的本發(fā)明的實(shí)施例在CI和TA是可得到時能夠提供這些結(jié)果，下面描述的另一個實(shí)施例只要CI是可得到時就提供結(jié)果。
如果服務(wù)的小區(qū)是分成扇區(qū)的，則位置估計(jì)可以通過把服務(wù)的BTS坐標(biāo)，xs和ys，與MS到服務(wù)的BTS的距離的估計(jì)

和MS離服務(wù)的BTS臺址的角度坐標(biāo)的估計(jì)

相組合而被計(jì)算

和

相分別是如下描述的估計(jì)的距離和角度。
在給定TA信息后，以前描述的方法可被使用來確定在MS與服務(wù)的BTS之間的距離的估計(jì)，以及其中移動站以置信γ位于的、以BTS坐標(biāo)為中心的圓環(huán)(C)的半徑。
距離估計(jì)

被計(jì)算為實(shí)際距離d的50％的百分分布的數(shù)值(或中間值)，即，

使得， 用于

的其它類似的定義，諸如d的平均值，是可能的。通過使用歐洲專利號102251中描述的結(jié)果，該專利在此引用以供參考，中間估計(jì)距離是 其中X1/2是TA測量誤差的中間值，X＝dTA-d，以及 Tb＝3.69μs是比特周期，以及c＝3x108m/s是光速。
在缺乏任何其它信息的情形下，MS的角度坐標(biāo)可以用扇區(qū)的取向來估計(jì)，即，

可被設(shè)置等于φs。如果扇區(qū)取向是離服務(wù)的BTS的距離的函數(shù)，則

是在等于根據(jù)TA進(jìn)行估計(jì)的距離的距離上扇區(qū)的取向，即， 用于估計(jì)MS角度坐標(biāo)的另外的方法可被引入到在本發(fā)明的實(shí)施例中找到的算法；例如，在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，

可通過處理由MS執(zhí)行的信號電平測量(RXLEV)，或?qū)硗ㄟ^使用由被安裝在服務(wù)的BTS臺址的(智能)天線陣列可得到的到達(dá)角信息，而被確定。
與估計(jì)的MS位置有關(guān)的是如圖8所示的置信區(qū)域R，以及它包括以下參數(shù)位于坐標(biāo)(x0，y0)點(diǎn)的原點(diǎn)；內(nèi)徑R1；不定性半徑R2；從x軸逆時針測量的取向角度α；以及規(guī)定扇區(qū)寬度的包括角度β。
類似于距離估計(jì)，置信區(qū)域可以通過使用歐洲專利申請?zhí)?02251中描述的方法被確定，該專利申請?jiān)诖艘靡怨﹨⒖肌?br> 置信區(qū)域的原點(diǎn)是在服務(wù)的BTS臺址處 在給定測量的TA和對于距離估計(jì)γ的置信系數(shù)后，距離估計(jì)

的置信區(qū)間可以從由已知的地圖輔助CI-TA估計(jì)技術(shù)提供的TA測量值統(tǒng)計(jì)性質(zhì)確定。用于距離估計(jì)的置信區(qū)間由如下規(guī)定的ri和rs確定 其中X(1±γ)/2是TA測量誤差的

的百分點(diǎn)的數(shù)值。ri和rs使得真實(shí)的MS服務(wù)的BTS距離d以概率γ落在置信區(qū)間

內(nèi)(如圖15所示) 圖15顯示基站收發(fā)信機(jī)(BTS)1501，位于由兩個孤1503，1505規(guī)定的區(qū)域內(nèi)的位置估計(jì)

較大的孤具有半徑dsup，以及較小的弧具有半徑dinf。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，取決于服務(wù)的小區(qū)后半徑(RB)小于還是大于對于距離估計(jì)的置信區(qū)間的下限，置信區(qū)域參數(shù)(R1，R2，α和β)稍微不同地被計(jì)算。
小區(qū)后半徑RB也不是嚴(yán)格地需要的，但它提供足夠的信息，以改進(jìn)方法的可靠度。所以，在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，后半徑RB的數(shù)值被設(shè)置為零。
如果dINF大于服務(wù)的小區(qū)后半徑RB，則MS離服務(wù)的BTS足夠遠(yuǎn)，以及多半位于后半徑區(qū)域以外。在這種情形下，只有在服務(wù)的BTS天線的輻射主瓣的方向上的部分小區(qū)被包括在置信區(qū)域。
置信區(qū)域的內(nèi)徑被設(shè)置為然而，可以是負(fù)的(即，如果γ≈1以及TA誤差統(tǒng)計(jì)值具有長的拖尾，X(1+γ)/2可以大于dTA)，以及如果R1被計(jì)算為是負(fù)的，則R1應(yīng)當(dāng)被設(shè)置為零。而且，當(dāng)TA＝0時，把置信區(qū)域規(guī)定為以服務(wù)的BTS坐標(biāo)為中心的圓是有意義的；在這種情形下，R1被設(shè)置為零。總之，R1被規(guī)定為如下 置信區(qū)域的不確定性半徑(R2)被設(shè)置為等于距離估計(jì)的置信區(qū)間的寬度ri+rs。然而，由于在(197)中為確定R1作出的調(diào)節(jié)的結(jié)果，對于R2的正確的定義是 置信區(qū)域的取向角度(α)由服務(wù)的扇區(qū)的取向和扇區(qū)角度寬度確定。置信區(qū)域的寬度β是服務(wù)的扇區(qū)寬度的兩倍 其中

被規(guī)定來保守地考慮小區(qū)寬度對于離服務(wù)的BTS距離d的最終依賴性 置信區(qū)域具有等于服務(wù)的小區(qū)的角度寬度的兩倍的角度寬度。所以，考慮把小區(qū)劃分成扇區(qū)。其根本理由是由于所有與感興趣的BTS通信的所有的移動設(shè)備位于由角度規(guī)定的弧中的假設(shè)(當(dāng)RB＝0時公式(189)覆蓋的例外)。這也產(chǎn)生這樣的結(jié)果被使用來確定圓環(huán)的置信系數(shù)γ等于被使用來規(guī)定R1和R2的置信系數(shù)ξ。
如果dINF小于服務(wù)的小區(qū)后半徑RB，則有很大可能性是MS的實(shí)際位置位于后半徑區(qū)域。在這種情形下，位置估計(jì)如以前那樣被計(jì)算，但置信區(qū)域被規(guī)定為包括整個后半徑區(qū)域。這意味著，置信區(qū)域的寬度β是2π，以及取向角度α提供冗余信息，因?yàn)橹眯呕”灰?guī)定為整個圓周(α被設(shè)置為零)。而且，內(nèi)徑和不確定性半徑被規(guī)定為如下 在實(shí)際情形下，以上規(guī)定簡化了當(dāng)MS非常接近于服務(wù)的BTS臺址時的狀態(tài)，后半徑區(qū)域的影響可以通過把服務(wù)的小區(qū)當(dāng)作為就好像它是全向情形來考慮。
如果服務(wù)的小區(qū)是全向的，則扇區(qū)取向和角度寬度的概念是無意義的。最好的位置估計(jì)可通過使用由服務(wù)的BTS臺址給出的共同坐標(biāo)被提供 其中置信區(qū)域由具有等于距離估計(jì)的置信區(qū)間的上限的半徑的圓定義

和rs如在扇區(qū)化小區(qū)的情形中那樣通過使用公式(192)和(195)進(jìn)行計(jì)算。
上述的計(jì)算利用來自TA測量誤差的統(tǒng)計(jì)信息。如果TA測量誤差統(tǒng)計(jì)信息是不可獲得的，仍舊應(yīng)用以上給出的位置估計(jì)和置信區(qū)域的定義；然而，置信系數(shù)是無意義的，以及

ri，和rs只能根據(jù)TA定量化法則來定義 以上給出的算法在CI和TA可得到時估計(jì)MS坐標(biāo)和置信區(qū)域。如果沒有TA信息是可得到的，則MS位置估計(jì)和它的置信區(qū)域仍舊可以通過使用僅僅由CI載送的信息被確定，具體地，如果對于小區(qū)半徑RF的估計(jì)是可得到的，可以規(guī)定置信區(qū)域，而即使RF是未知的，仍舊可以提供位置估計(jì)。
在沒有TA信息可獲得的場合下，本發(fā)明的實(shí)施例檢查服務(wù)的BTS以確定服務(wù)的小區(qū)是否劃分成扇區(qū) 如果小區(qū)是全向的，以及TA是不可得到的，則按照本發(fā)明的實(shí)施例，位置估計(jì)被取為在BTS坐標(biāo)處 這個估計(jì)的置信區(qū)域是以BTS臺址為中心的圓。這樣的區(qū)域的半徑通過把RF縮放一個因子

而得到的。該因子被選擇為使得半徑RF的圓形小區(qū)的總的面積的一部分ξ被包括在置信區(qū)域中 如果小區(qū)被劃分成扇區(qū)以及TA是不可得到的，則對于位置估計(jì)存在兩個替換例。
如在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的第一替換例選擇MS位置估計(jì)為在服務(wù)的BTS臺址處。在這個估計(jì)中，不需要小區(qū)半徑(RF)信息。
如果給定RF，本發(fā)明的實(shí)施例祀估計(jì)的MS位置計(jì)算為簡化的小區(qū)的質(zhì)心，該質(zhì)心具有與圖10表示的相同的形狀，但其后半徑與前半徑被縮放一個因子

以確保只考慮原先的小區(qū)的總的面積的一部分ξ。
服務(wù)的小區(qū)的質(zhì)心的坐標(biāo)被規(guī)定為如下 其中S是原籍小區(qū)的邊界，正如公式(189)說明的，以及M(S)是它的面積。通過忽略扇區(qū)取向與寬度對于距離的依賴性，以及假設(shè)被定義為以下的恒定的扇區(qū)的角度寬度

被規(guī)定為 可以證明，以及以極坐標(biāo)求解的在(208)中的積分給出對于位置估計(jì)和的以下表達(dá)式 置信區(qū)域具有與圖8所示的相同的形狀，其內(nèi)徑等于零(R1＝0)。置信區(qū)域的原點(diǎn)(x0，y0)不在BTS坐標(biāo)(xs，ys)，而是沿由扇區(qū)取向

(與小區(qū)的前面相反的方向)規(guī)定的軸移位離BTS坐標(biāo)的距離RB′。通過使用置信區(qū)域的這個定義，后半徑區(qū)域被包括在內(nèi)(至少部分地)。置信區(qū)域的角度寬度β被規(guī)定為角度Δφs′≠Δφs的兩倍，它按照置信區(qū)域的原點(diǎn)與服務(wù)的BTS坐標(biāo)的不同位置計(jì)算。置信區(qū)域α按照小區(qū)取向φs和新的變量Δφs′被定義 RB′和Δφs′從如圖16所示的幾何關(guān)系被確定。
圖16顯示在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的用于計(jì)算置信區(qū)域的幾何關(guān)系。圖上包括圓1603、第一個三角形1601、第二個三角形1605和圓周分段1607。圓具有在BTS位置xs，ys處的原點(diǎn)1611，以及具有半徑RB。第一個三角形1601包括在位置x0，y0處的第一頂角1609，其一端被連接到第一頂角1609、并通過圓的原點(diǎn)xs，ys的第一邊1623，其一端被連接到第一頂角的第二邊1621并被安排成使得由兩個邊1623，1621規(guī)定的第一頂角1609處的角度是Δφs′。第一三角形的頂角1609位于離圓的原點(diǎn)的一個距離RB′。第二三角形1605位于第一三角形1601的區(qū)域內(nèi)，以及包括位于圓的原點(diǎn)的第一頂角，其一端被連接到第二三角形的第一頂角并形成第一三角形的第一邊的一部分的第一邊1629，和其一端被連接到第一頂角的第二邊1627，并被安排成具有在第一邊1629與第二邊1627之間的角度

第一三角形1601與第二三角形1605也包括公共的直角頂角1631和公共邊1625。公共邊被安排為與兩個三角形的第一邊垂直的直線，并被連接到第一和第二三角形的邊的交叉的點(diǎn)1635。分段1607包括長度Rf的兩個半徑，其以圓1603的原點(diǎn)為原點(diǎn)xs，ys和其弧定義在半徑的未端之間。第一半徑對于第二三角形的第二邊1605是公共的，以及第二半徑是離第一半徑的一個角度

通過使用簡單的三角形計(jì)算技術(shù)，第一和第二三角形的第二邊的高度可被顯示為等于

圖16還具有在圓的原點(diǎn)1611處被連接到并垂直于第一三角形的第一邊1623的線1651，以及在該線與第一三角形的第二邊的交叉點(diǎn)處的第二未端。線1651具有長度h。
本發(fā)明的實(shí)施例如下面解釋地，根據(jù)

是大于還是小于π/2，確定RB′和Δφs′。
如果RF＞＞RB和可以看到，只在RB′被規(guī)定為等于RB時，由RB規(guī)定的圓的非常小的區(qū)域才在置信區(qū)域以外 RB′≡RB.(212) 通過使用RB的這個定義，Δφs′的分析表達(dá)式可以從如圖16所示的幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果是 通過使用如圖16所示的幾何關(guān)系，可如下地得到Δφs′ 通過使用這個結(jié)果，容易如下地計(jì)算RB′ 長度h可以近似為h≈RB。這個近似只在檢驗(yàn)到置信區(qū)域太小以及不包括RB半徑的圓的足夠大的部分(即，RB′的數(shù)值太小)或相反，RB′太大，導(dǎo)致太大的置信區(qū)域后才執(zhí)行。為了檢驗(yàn)這兩種情形，引入兩個選擇的參數(shù)δmin(考慮太小的RB′的例子-其中1.5是對于δmin的典型的選擇)和δmax(考慮太大的RB′的例子-其中4-5是對于δmax的典型的選擇)。
如果RB′被證明太小，即，如果δmin RB＞RB′，則在本發(fā)明的實(shí)施例中，RB′被重新定義為 RB′≡δminRB (216) 以及通過使用如圖16所示的幾何關(guān)系，可以得到Δφs′ 如果RB′被證明太大，即，如果δmax RB＞RB′，則RB′被重新定義為 RB′≡δmaxRB(218) 以及從公式(217)計(jì)算Δφs′。
圖17顯示引入至少某些利用CI，TA或/和RX信息的定位方法的提出的定位程序過程。程序過程可以引入上述的定位方法(CI、CI+TA和CI+RX算法)。下面描述這些過程首先，在步驟S1，收集由移動站從服務(wù)的和相鄰的小區(qū)測量的時間提前和接收信號電平。
接著，在步驟S2，收集相關(guān)的算法輸入?yún)?shù)和元線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，諸如對于測量的小區(qū)的基站收發(fā)信機(jī)坐標(biāo)。
在步驟S3，分析測量值和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以選擇在位置計(jì)算中必須使用的測量值。對于提高定位精度沒有重大貢獻(xiàn)的小區(qū)從測量值組中去除。由于小區(qū)選擇程序過程的結(jié)果，服務(wù)的小區(qū)信息可以潛在地被去除和/或相鄰的小區(qū)信息可以全部地或部分地去除。
在步驟S4，進(jìn)行小區(qū)識別號/小區(qū)識別號加時間提前位置估計(jì)。如果服務(wù)的小區(qū)信息是可得到的，則諸如此前描述的基于小區(qū)識別號或小區(qū)識別號與時間提前的定位算法可被使用來確定位置估計(jì)和/或它的置信區(qū)域。最終得到的位置估計(jì)在本文件中稱為“CI/CI+TA位置估計(jì)”。
在步驟S5，進(jìn)行RX位置估計(jì)。如果相鄰的小區(qū)信息是可得到的，則應(yīng)用基于CI+RX的定位算法。這可以是此前描述的算法A到F的任一個算法或?qū)嶋H上任何其它適當(dāng)?shù)乃惴āＦ溆糜诠烙?jì)移動站位置。在選擇基于CI+RX的算法時，可以考慮以下的準(zhǔn)則 --小區(qū)扇區(qū)化。對于全向小區(qū)，可以使用基于CI+RX的算法。例如可以使用算法D(公式154)、E(公式156)、和F(公式158)。
對于扇區(qū)化小區(qū)，可以直接使用基于CI+RX的算法，諸如此前描述的算法A、B和C。替換池，算法D、E和F可被擴(kuò)展到如前面描述的扇區(qū)小區(qū)的情形。
--絕對/相對電平觀察值 此前描述的算法C利用相對電平觀察值，也就是，來自成對的基站收發(fā)信機(jī)的接收信號電平測量值的差值。應(yīng)當(dāng)看到，算法A，B，D，E和F使用絕對電平觀察值。
--閉式/迭代算法 算法A，B，C，D和E是迭代算法。算法F是閉式算法。它確定移動站坐標(biāo)為從其收集接收信號電平測量值的基站收發(fā)信機(jī)的坐標(biāo)的加權(quán)平均。用于權(quán)的一個分析表達(dá)式(公式163和164)和三個經(jīng)驗(yàn)近似式也如以上討論的那樣被提供。
--基于RX的域確定 基于RX的算法可能需要確定估出的基于RX的位置被約束于的“域”。這樣的域例如可以通過使用此前提供的任何定義被規(guī)定。
為方便起見，得到的位置估計(jì)被稱為“RX位置估計(jì)”。
在步驟S6，得到RX方向位置估計(jì)。如果服務(wù)的小區(qū)信息和“RX位置估計(jì)”是可得到的，則從服務(wù)的基站收發(fā)信機(jī)到“RX位置估計(jì)”的方向被計(jì)算。這個方向可以代替實(shí)際的天線方向被使用作為CI+TA算法的輸入，正如以上解釋的。為了方便起見，最終得到的位置估計(jì)被稱為“RX方向位置估計(jì)”。
在步驟S7，計(jì)算虛擬BTS位置估計(jì)。
如果服務(wù)的小區(qū)信息和“RX方向位置估計(jì)”是可得到的，則“RX方向位置估計(jì)”的坐標(biāo)作為附加(全向)相鄰小區(qū)被使用于基于RX的算法。這個附加相鄰小區(qū)和與其有關(guān)的RX電平測量值可分別被稱為“虛擬基站收發(fā)信機(jī)”和“虛擬RX電平”。虛擬RX電平測量值的數(shù)值例如可被選擇為來自測量的鄰居的最大RX電平或來自測量的鄰居的平均RX電平。最終得到的位置估計(jì)被稱為“虛擬BTS位置估計(jì)”。
應(yīng)當(dāng)看到，由所討論的任何定位方法得到的位置估計(jì)可被用作為附加或虛擬基站測量值。虛擬基站測量值是與例如虛擬RX電平的虛擬測量值和真實(shí)測量值組有關(guān)的，以及虛擬測量值可通過使用所描述的任何定位方法被重新處理。
在步驟S8，任何一個得到的位置估計(jì)CI/CI+TA位置估計(jì)；RX位置估計(jì)；RX方向位置估計(jì)；RX位置估計(jì)；RX方向位置估計(jì)；或虛擬BTS位置估計(jì)，可被選擇為由定位過程提交的位置估計(jì)。
本發(fā)明的實(shí)施例是特別更活的。例如，如果TA測量值和/或服務(wù)的小區(qū)信息是不可獲得的，過程仍舊能夠提供位置信息-諸如RX位置估計(jì)。同樣地，如果鄰居信息和/或RX電平測量值是不可得到的，過程仍舊能夠通過使用CI/CI+TA位置估計(jì)提交位置估計(jì)。
本發(fā)明的實(shí)施例使得能夠有效地使用RX電平和TA測量值。這個信息當(dāng)前在標(biāo)準(zhǔn)GSM網(wǎng)絡(luò)中提供。時間提前和RX電平測量值的組合使用，“虛擬BTS位置估計(jì)”給出在移動用戶最高密度的區(qū)域中最精確的位置估計(jì)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，選擇這些估計(jì)之一。在可以得到一個以上的估計(jì)的場合下，可以提供結(jié)果的平均者加權(quán)。
在可以確定多個不同的位置估計(jì)的場合下，只可以使用一個方法。任何適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則可被使用來確定哪個方法要被使用。
雖然本發(fā)明的實(shí)施例具體地是在其中使用多個不同的定位方法的安排情形下描述的，應(yīng)當(dāng)看到，在某些實(shí)施例中，可以單獨(dú)使用此前描述的不同的定位算法中的一個。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括
收集位置信息；
選擇多個不同的定位方法中的至少一個方法來提供位置估計(jì)，所述方法包括使用小區(qū)識別號信息；
基于所述至少一個所選擇的定位方法來確定第一位置估計(jì)；
使用所收集的位置信息中的至少一些信息來確定虛擬基站估計(jì)；以及
基于所述第一位置估計(jì)和所述虛擬基站估計(jì)，使用所述不同的定位方法之一來提供第二位置估計(jì)，所述第二位置估計(jì)是移動設(shè)備的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個定位方法包括以下中的至少一項(xiàng)
使用小區(qū)識別號信息；
使用小區(qū)識別號信息和接收信號強(qiáng)度；
使用小區(qū)識別號信息和時間提前信息；以及
使用小區(qū)識別號信息、接收信號強(qiáng)度信息和時間提前信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包括使用以下中的至少一種來確定所述虛擬基站估計(jì)小區(qū)識別號信息，小區(qū)識別號信息和接收信號強(qiáng)度，小區(qū)識別號信息和時間提前信息，以及使用小區(qū)識別號信息、接收信號強(qiáng)度信息和時間提前信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述虛擬基站位置估計(jì)與至少一個虛擬測量值和至少一個真實(shí)測量值相聯(lián)系，所述至少一個虛擬測量值通過使用定位方法被處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中提供所述第二位置估計(jì)包括處理與至少一個虛擬測量值和至少一個真實(shí)測量值相聯(lián)系的所述虛擬基站位置估計(jì)，所述至少一個虛擬測量值通過使用定位方法被處理，并且其中，所述至少一個真實(shí)測量值和所述至少一個虛擬測量值通過使用以下中的至少一項(xiàng)而被處理小區(qū)識別號信息，小區(qū)識別號信息和接收信號強(qiáng)度，小區(qū)識別號信息和時間提前信息，以及使用小區(qū)識別號信息、接收信號強(qiáng)度信息和時間提前信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述虛擬測量值的值是測量電平、測量電平的組合，以及測量電平的平均值之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個定位方法是根據(jù)可獲得的位置信息來選擇的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中多個位置估計(jì)被確定，并且至少一個估計(jì)被用來提供所述位置估計(jì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述位置信息由所述移動設(shè)備收集。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述移動設(shè)備被配置以便測量至少一種類型的信息的電平。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述位置信息包括時間提前信息和接收信號電平中的至少一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述接收信號電平是絕對接收信號電平或相對接收信號電平。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述移動設(shè)備處在蜂窩通信設(shè)備中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述信息是為所述移動設(shè)備的服務(wù)小區(qū)而收集的。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述信息是為至少一個鄰小區(qū)而收集的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括選擇對于其收集位置信息的那個小區(qū)或每個小區(qū)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述位置估計(jì)通過使用以下算法被提供
通過從第i個測量的接收功率Pri中減去由第i個基站輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算由第i個基站發(fā)送的、而同時傳播到在其中第i個電平觀察值為Li的移動設(shè)備的信號所經(jīng)受的總的衰減
將來自N個基站的電平觀察值堆疊成矢量L
L＝[L1，...，LN]T
求解最小化問題
其中，成本函數(shù)F(x，y；σu2)被定義為如下
并且
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中位置估計(jì)通過使用以下算法被提供
通過從第i個測量的接收功率Pri中減去由第i個基站輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算由第i個基站發(fā)送的、而同時傳播到在其中第i個電平觀察值為Li的移動設(shè)備的信號所經(jīng)受的總的衰減
將來自N個基站的電平觀察值堆疊成矢量L
L＝[L1，...，LN]T
求解最小化問題
其中，成本函數(shù)F(x，y)被定義為如下
并且Dxy是x和y存在的域，
計(jì)算
為
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中位置估計(jì)通過使用以下算法被提供
通過從第i個測量的接收功率Pt中減去由第i個基站輻射的最大功率Pt，maxi，計(jì)算由第i個基站發(fā)送的、而同時傳播到在其中第i個電平觀察值為Li的移動設(shè)備的信號所經(jīng)受的總的衰減
通過從被取為參考的電平觀察值L1中減去第j個電平觀察值，計(jì)算第j個電平差值觀察值
Dj＝L1-Lj；j＝2，...，N
將N-1個電平觀察值的差值堆疊成矢量D
D＝[D2，...，DN]T
求解最小化問題
其中
并且
Dxy是x和y存在的域。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中位置估計(jì)通過使用求解以下x和y的方程的算法而被提供
其中
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中位置估計(jì)通過使用求解以下x和y的方程的算法而被提供
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中位置估計(jì)通過使用基于以下x和y的方程的算法而被提供
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述位置估計(jì)是通過迭代方法和閉式方法之一而被提供的。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述位置估計(jì)是通過線性方法和非線性方法之一而被提供的。
25.一種系統(tǒng)，其包括
收集裝置，用于收集位置信息；
選擇裝置，用于選擇多個不同的定位方法中的至少一個方法來提供位置估計(jì)，所述方法使用小區(qū)識別號信息；
位置確定裝置，用于基于所述至少一個所選擇的定位方法來確定第一位置估計(jì)；
估計(jì)確定裝置，用于使用所述不同的定位方法之一來確定虛擬基站估計(jì)；以及
提供裝置，用于基于所述第一位置估計(jì)和所述虛擬基站估計(jì)中的至少一個來提供第二位置估計(jì)，所述第二位置估計(jì)是對移動設(shè)備的位置的估計(jì)。
26.一種裝置，其包括
收集單元，其被配置以便收集位置信息；
選擇單元，其被配置以便選擇多個不同的定位方法中的至少一個方法來提供位置估計(jì)，所述方法使用小區(qū)識別號信息；
確定單元，其被配置以便基于所述至少一個所選擇的定位方法來確定第一位置估計(jì)，并且其進(jìn)一步被配置以便確定虛擬基站估計(jì)；以及
提供單元，其被配置以便基于所述第一估計(jì)和所述虛擬基站估計(jì)，使用所述不同的定位方法之一來提供第二位置估計(jì)，所述第二位置估計(jì)是對所述裝置的位置的估計(jì)。
27.一種具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行組件的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行組件時，其被配置以便實(shí)現(xiàn)以下步驟
收集位置信息；
選擇多個不同的定位方法中的至少一個方法來提供位置估計(jì)，所述方法包括使用小區(qū)識別號信息；
基于所述至少一個所選擇的定位方法來確定第一位置估計(jì)；
使用所收集的位置信息中的至少一些信息來確定虛擬基站估計(jì)；以及
基于所述第一位置估計(jì)和所述虛擬基站估計(jì)，使用所述不同的定位方法之一來提供第二位置估計(jì)，所述第二位置估計(jì)是移動設(shè)備的位置。
全文摘要
估計(jì)移動設(shè)備的位置的方法，包括收集位置信息；選擇多個不同的定位方法中的至少一個方法來提供位置估計(jì)；以及根據(jù)至少一個選擇的定位方法提供位置估計(jì)。
文檔編號G01S5/12GK101277539SQ200810096568
公開日2008年10月1日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者薩米·波克, 毛利茲奧·斯佩里托 申請人:諾基亞公司