CN100369520C - 计算用户设备往返传播延迟的方法和定位服务服务器 - Google Patents

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Abstract

计算无线网络中用户设备的往返传播延迟的方法包括步骤：a.测量往返时间，所述往返时间包括从开始自无线网络的结点向用户设备发送下行链路传输信号，直到接收响应下行链路传输信号而从用户设备向所述结点发送的上行链路传输信号的时间；b.通过用户设备测量用户设备Rx-Tx定时差，所述用户设备Rx-Tx定时差包括所述步骤a期间在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差；和c.通过从所述步骤a中测量的往返时间中减去所述步骤b中确定的用户设备Rx-Tx定时差，确定用户设备和结点之间的往返传播延迟。

Description

计算用户设备往返传播延迟的方法和定位服务服务器
技术领域
本发明涉及在第三代宽带码分多址网络中使用真实往返时间测量确定用户设备位置。
背景技术
第三代(3G)移动通信系统包含测量无线信号以确定用户设备(UE)地理位置的定位服务(LCS)。与UE相关的客户端和/或应用、或3G移动通信系统的核心网络(CN)中的外部客户端可以请求位置信息，并且可以向所述客户端或应用报告位置信息。此外，位置信息也被3G移动通信系统的通用地面无线接入网络(UTRAN)用来完成位置辅助切换或支持诸如归属位置记费的其它功能。
3G移动通信系统的LCS基于已经被用于全球移动通信系统(GSM)的方法，其中包含到达时间(TOA)、观测到达时间差(OTDOA)和全球定位系统(GPS)。在GSM 03.71，版本7.2.1的技术规范中描述了这些定位方法。TOA方法包括从UE发送信号和测量三个或更多测量单元上的信号到达时间。通过对测量的到达时间进行成对减法运算来确定到达时间差。接着通过双曲线三边测量计算移动位置。然而为了确定实际时间差，必须已知或已经确定三个测量单元之间的真实时间差(RTD)。
LCS的OTDOA方法测量来自若干结点或基站收发器(BTS)的信号在UE上的到达时间差。该方法也需要确定BTS之间的RTD。在LCS的TOA和OTDOA方法中RTD的确定比较复杂，因此降低了系统的效率。
GPS辅助定位方法需要UE具有GPS接收器。这种要求增加了UE的体积和成本。
发明内容
本发明的目的是提供通过计算真实往返时间(RTT)确定用户设备(UE)地理位置的方法。
本发明提供了一种计算无线网络中用户设备的往返传播延迟的方法，包括步骤：a.测量往返时间，所述往返时间包括从开始自无线网络的结点向用户设备发送下行链路传输信号，直到接收响应下行链路传输信号而从用户设备向所述结点发送的上行链路传输信号的时间；b.通过用户设备测量用户设备Rx-Tx定时差，所述用户设备Rx-Tx定时差包括所述步骤a期间在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差；和c.通过从所述步骤a中测量的往返时间中减去所述步骤b中确定的用户设备Rx-Tx定时差，确定用户设备和结点之间的往返传播延迟。
本发明还提供一种无线通信系统中的定位服务服务器，所述无线通信系统包括核心网络、多个无线网络控制器和多个无线通信结点，所述多个无线通信结点与位于其支持的地理地区中的用户设备进行通信，所述定位服务服务器包括：确定往返时间的装置，其中通过测量从开始自无线网络的结点向用户设备发送下行链路传输信号，直到接收响应下行链路传输信号而从用户设备向所述结点发送的上行链路传输信号的时间，该装置确定所述往返时间；通过用户设备测量用户设备Rx-Tx定时差的装置，所述用户设备Rx-Tx时间差包括测量往返时间期间在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差；和通过从所述往返时间中减去所述用户设备Rx-Tx定时差来确定往返时间的装置。
根据本发明的实施例，确定3G无线网络中UE地理位置的方法包含测量无线网络的至少三个无线传输结点和UE之间的RTT。RTT是从开始自结点到UE的下行链路(DL)传输，直到在该结点上接收到UE响应DL传输而进行的上行链路(UL)传输为止所需的时间。图4图解了RTT。在时间t1，无线网络的结点B开始在专用物理信道(DPCH)路径上发送DL传输。UE在时间t2接收DL传输，其中时间t2是时间t1之后经过单向传播延迟Tp的时间。在经过与标称传输定时延迟T0相等的时间之后，UE开始在时间t3响应DL传输在DPCH路径中发送UL传输。在经过另一个单向传播延迟Tp之后，结点B在时间t4接收UL传输。因此，RTT包括第一单向传播延迟，标称传输定时延迟和第二单向传播延迟，或者RTT＝Tp+T0+Tp。标称传输定时延迟被定义成1024个码片的常量。
将3G移动通信系统的通用地面无线接入网络(UTRAN)中的结点B，例如基收发器站(BTS)的小区测量的RTT粗略定义成t1和t4之间的时间差。由于UE上的传输定时延迟或DL-UL定时偏移T0，即(t3-t2)的标称值是已知的，通过从RTT中减去T0可以计算往返传播延迟(RTPD)，所述往返传播延迟等于2Tp。由于RTPD涉及距离(即时间x速度)，在UE被连接到UTRAN中位置已知的三个或更多结点的情况下可以估测UE的位置。
然而在3G网络中，作为在UE上接收DL传输和从UE发送UL传输之间的时间(即t3-t2)的UE Rx-Tx定时差并不是固定时间段，并且当(1)UE正相对快速地接近或远离BTS，(2)传播路径改变和(3)UE在小区之间进行软切换时，可以不同于标称传输定时延迟T0。因此，根据使用标称传输定时延迟T0的RTT而确定的地理位置在某种程度上是不准确的。
根据本发明，当LCS服务器或任何其他服务器计算UE位置时，针对UE被连接到的各个小区确定RTT和UE Rx-Tx定时差(t3-t2)。使用这些数值可以精确确定真实的RTPD。
本发明消除了在确定与RTT测量相关的传播延迟时由UE Rx-Tx定时差和标称传输定时延迟T0之间的差值导致的误差。在优选实施例中，分别针对正在与UE通信的各个小区测量RTT。因此，优选实施例不需要确定用于测量的各个结点之间的真实时间差(RTD)。
通过下面结合附图进行的详细描述可以理解本发明的其它目的和特性。然而应当理解，附图仅仅是为了图解而设计的，并不是对本发明的限定，本发明的范围应当由所附权利要求书来限定。此外还应当理解，不必按比例绘制附图，除非专门指出，附图仅仅被用来图解这里描述的结构和过程。
附图说明
在附图中：
图1是具有定位服务服务器的第三代移动通信系统的示意图；
图2是基于本发明的方法的信号流图；
图3是示出基于本发明的实施例、确定UE的地理位置的步骤的流程图；
图4是示出往返时间的传播延迟和传输定时延迟的时序图；
图5是示出使用RTT测量和AOA测量确定UE位置的测量的示意图；而
图6是示出使用两个RTT测量和两个AOA测量确定UE位置的测量的示意图。
具体实施方式
图1示出了执行基于本发明的方法的第三代(3G)移动通信系统100。3G移动通信系统100包括核心网络(CN)10，核心网络(CN)10具有提供关于CN 10覆盖的地理地区内的用户设备(UE)20的位置信息的定位服务(LCS)服务器15。UE 20是具有一个或若干个通用移动电话系统(UMTS)用户身份模块的移动设备。UE 20可以包括移动电话、个人数字助理(PDA)、基于WAP技术的设备或任何其他能够进行无线通信的移动设备。多个无线网络子系统(RNS)40与CN 10实际相连。各个RNS40包括多个无线传输结点30。各个结点30包括结点B，即与其地理地区中的一或多个小区内的UE 20进行无线通信的逻辑结点。各个RNS40也具有一或多个无线网络控制器(RNC)35。各个RNC 35被连接到一或多个结点30以便控制无线资源的使用和完整性。RNS 40被合称为通用地面无线接入网络(UTRAN)50。CN 10也包括用于数据传输的3G伺服GPRS支持结点(SGSN)60和用于语音传输的3G移动服务交换中心(MSC)70。
LCS服务器15确定位置信息并且向与UE 20相关的客户端或应用、或者连接到3G移动通信系统100的CN 10的外部客户端80报告该信息。位置信息也可以被3G移动通信系统的UTRAN 50用来完成位置辅助切换和/或支持诸如归属位置记费的其它功能。此外，也可能需要使用位置信息来帮助将通信信号射束导向UE 20。
在本发明的优选实施例中，LCS服务器15确定UE 20和结点30的至少三个小区之间的真实往返时间(RTT)。通过在针对UE的下行链路(DL)传输中从结点30的至少三个小区发送预定帧来完成这种确定，其中UE通过上行链路(UL)传输中的预定帧应答所述结点30的至少三个小区。参照图4的时序图，LCS服务器15测量从开始自UTRAN 50到UE20的DL传输的时间t1，直到在UTRAN上开始接收UL传输的时间t4的RTT。RTT包含用于从UE 20到结点30的传输的单向传播延迟Tp和用于从结点30到UE 20的传输的单向传播延迟Tp。RTT的另一个成分是UE Rx-Tx定时差t3-t2，t3-t2是UE 20在接收DL传输和发送UL传输之间所需的时间。UE Rx-Tx定时差具有1024个码片的标称值。UE Rx-Tx定时差的标称值也被称作标称传输定时延迟或DL-UL定时偏移。然而在某些情况下UE Rx-Tx定时差t3-t2可能不等于标称值。当(1)UE正在接近或远离结点或BTS，(2)传播路径发生改变和(3)出现UE从一个小区切换到另一个小区的软切换时，会发生这种情况。
在UE 20接近或远离BTS期间，t1和t2之间的传播延迟发生改变。响应这种改变，UE 20改变t3，使得t3-t2等于1024个码片的标称传输定时延迟。然而在每次递增时t3可以改变的数值是有限的。因此，如果移动过快，则UE 40便由于增量有限而不能足够快速地调整t3时间。
当传播路径改变时会出现相同类型的误差。当传播路径改变时，新传播路径的长度通常不同于以前的传播路径。因此，在传播路径改变期间，传播延迟也发生改变，从而影响了t2和t3之间的时间。
在软切换之后会出现UE Rx-Tx定时差可能不同于标称传输定时延迟T0的第三种情况。在UE从初始小区切换到目标小区的软切换期间，目标小区在256码片的边界精度内适应UE定时。因此，在软切换之后UE Rx-Tx定时差通常是错误的--软切换之后UE Rx-Tx定时差与标称传输定时延迟T0之间出现零误差的概率为1/255。这种可能出现的UE Rx-Tx定时差和标称传输定时数值T0之间的差值不利于确定测量RTT的传播延迟部分。因此，当LCS服务器15接收到定位请求时，LCS服务器15必须确定UE 20的UE Rx-Tx定时差以确定真实往返传播延迟(RTPD)。可以只在定位时(即响应定位请求)时从UE 20向LCS服务器15发送涉及当前UE Rx-Tx定时差的信息，也可以按照规则的周期性间隔发送该信息。
由于DL和UL传输的传播延迟Tp的长度涉及结点30到UE 20的距离(即距离＝时间x速度)，在已知UE Rx-Tx定时差的情况下可以根据RTT确定具体结点30到UE 20的距离。当确定出至少三个结点30到UE20的距离并且已知所述至少三个结点的位置时，通过计算环绕结点30的三个已知位置的三个半径的交点可以确定UE 20的位置，其中所述半径是到相应结点的距离。
LCS服务器15可以位于网络中的任何地方，并且可以同诸如RNC35或RNS 40的其它部分合并。此外，位于另一个CN 10a中的15a也可以请求RTT测量。
图2是信号流图，而图3是描述通过测量真实RTT而确定UE位置所需的步骤的流程图。参照图3，在步骤200发出定位用户设备的请求。可以通过用户设备、核心网络的客户端或核心网络自身完成此操作以便协助执行用户设备上的操作，例如切换操作或定向传输。响应该请求，在UE和UTRAN 50中的活跃结点B 30之间测量RTT并且将结果发送到LCS服务器15，步骤210。图2示出了用于测量RTT的信号流。RNC向UE发送测量各个活跃结点B的OTDOA和UE Rx-Tx定时差的请求。各个活跃结点B向UE发送DL传输并且UE回送被各个活跃结点B接收的UL传输。测量结果被发送到LCS服务器15。在步骤210中，RNC向活跃结点B请求RTT测量并且活跃结点B 30的BTS(小区)的位置也被发送到LCS服务器15。UE Rx-Tx定时差和RTT测量的结果被回送到LCS服务器，步骤220。可以分别地或与UE的上行链路传输一起发送这些结果。所有测量结果均被发送到LCS服务器15。LCS服务器15接着确定RTT中与传播延迟相关的部分。由于传播延迟与距离(即距离＝速度x时间)相关，于是可以计算各个活跃结点30到UE的距离，步骤230。到至少三个结点中的各个结点的距离被用来生成环绕各个活跃结点30的圆圈，其中各个圆圈的半径是活跃结点30中的相应一个到UE的距离。接着通过确定圆圈的交点可以计算UE位置，步骤240。
通过在具体用于测量RTT的DL传输中发送帧可以实现测量RTT的步骤，即步骤210。可选地，可以在用于另一种功能的DL传输期间，例如在涉及小区选择、小区重新选择和/或小区监视的信号传输期间测量RTT，从而降低了所需传输的数量。此外，可以周期性地测量RTT，其中最近的RTT测量被用来确定UE地理位置。
如果步骤210包括周期性测量RTT，则也可以在进行各个周期性测量时执行发送当前UE Rx-Tx定时差的步骤，即步骤220。可选地，每当LCS服务器15请求定位时可以执行发送当前UE Rx-Tx定时差的步骤，即步骤220。在另一个实施例中，每当UE改变其UE Rx-Tx定时差时可以执行步骤220。
此外，如果只有一个或两个BTS可用于执行RTT测量，则到达角度(AOA)信息可被用来确定UE位置。可以按照3G TS 25.305，版本3.1.0的技术规范中描述的方式测量AOA信息。在收集AOA信息方面，各个BTS通常具有若干个扇区并且各个UE被连接到单个或若干个扇区，BTS根据一列活跃扇区可以得到粗略的AOA估测。例如，如果BTS具有三个扇区，则每个扇区均覆盖环绕天线的总共360度中的120度。使用智能天线可以缩窄角度估测。参照图5，使用真实RTPD测量可以计算UE 20的位置估测500，从而确定环绕BTS 30的半径510和BTS 30上的AOA测量520。使用该方法的位置估测500的精度取决于AOA测量520的精度。图6示出了使用两个BTS的位置估测。如果两个BTS 30只使用RTPD测量，则UE 20可以位于两个圆圈510A、510B的交点500A、500B中的任意一个上。AOA信息520A、520B允许确定适当的UE位置。在软切换期间发生图6示出的、两个BTS与UE进行接触的情况。此外，在WCMDA网络中经常发生软切换。因此，在没有额外通信传输的情况下，在WCDMA网络中可以容易地使用根据来自两个BTS的真实RTT和AOA信息进行的位置估测。
虽然这里说明、描述和指出出本发明应用于优选实施例的基本新颖特征，但可以理解，本领域的技术人员在不偏离本发明的宗旨的前提下可以对所图解的设备形式和细节，以及其操作进行各种省略、替换和改变。例如，那些方法步骤的以基本相同的方式完成基本相同的功能以实现相同结果的所有组合显然在本发明的范围内。此外应当明白，前面结合本发明的任何公开形式或实施例示出和/或描述的结构和/或部件和/或方法步骤可以同任何其他公开、描述、启发的形式或实施例合并成设计选择的普遍方案。本发明的范围仅受权利要求书的限定。

Claims (33)

1.一种计算无线网络中用户设备的往返传播延迟的方法，包括步骤：
a.测量往返时间，所述往返时间包括从开始自无线网络的结点向用户设备发送下行链路传输信号，直到接收响应下行链路传输信号而从用户设备向所述结点发送的上行链路传输信号的时间；
b.通过用户设备测量用户设备Rx-Tx定时差，所述用户设备Rx-Tx定时差包括所述步骤a期间在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差；和
c.通过从所述步骤a中测量的往返时间中减去所述步骤b中确定的用户设备Rx-Tx定时差，确定用户设备和结点之间的往返传播延迟。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤a包括周期性地测量从用户设备到无线网络结点的往返时间。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述步骤b包括针对往返时间的每个周期性测量确定所述用户设备Rx-Tx定时差。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤b包括周期性地确定用户设备Rx-Tx定时差。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤a包括单纯为测量往返时间而向用户设备发送下行链路传输。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述步骤a包括：
从结点向用户设备发送下行链路传输信号；
在用户设备上生成对下行链路传输信号的应答；
在从用户设备到结点的上行链路传输中发送应答；和
在结点上测量从开始发送下行链路传输信号到开始接收上行链路传输的时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述步骤b包括与从用户设备发送到结点的应答一起发送所述用户设备Rx-Tx定时差。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤a包括测量用户设备和结点之间的下行链路传输和上行链路传输的往返时间，其中下行链路传输和上行链路传输包括为除了测量往返时间之外的功能而进行的传输。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述步骤a包括：
从结点向用户设备发送下行链路传输信号；
在用户设备上生成对下行链路传输信号的应答；
在从用户设备到结点的上行链路传输中发送应答；和
在结点上测量从开始发送下行链路传输到开始接收上行链路传输的时间。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述步骤b包括与从用户设备发送到结点的应答一起发送所述用户设备Rx-Tx定时差。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤a中的结点是无线网络的第一活跃结点，所述方法还包括步骤：
d.针对无线网络的所有剩余活跃结点重复步骤a-c；
e.确定活跃结点的地理位置；和
f.使用所述步骤c中确定的各个活跃结点的活跃结点位置和传播延迟确定用户设备的位置。
12.如权利要求11所述的方法，在所述步骤a至f之前还包括向定位服务服务器发送有关用户设备地理位置的请求的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中响应所述发送地理位置请求的步骤执行所述步骤a至f。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述发送地理位置请求的步骤包括由所述用户设备发送请求。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述发送地理位置请求的步骤包括由外部客户端发送请求。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述发送地理位置请求的步骤包括由核心网络发送请求。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤b包括每当用户设备Rx-Tx定时延迟发生改变时从用户设备向定位服务服务器发送用户设备Rx-Tx定时延迟。
18.如权利要求11所述的方法，还包括针对无线网络的活跃结点周期性地执行步骤a。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述步骤b包括针对所述步骤a的每次执行确定所述用户设备Rx-Tx定时差。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤b包括周期性地确定用户设备和活跃结点之间的用户设备Rx-Tx定时差。
21.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤a包括单纯为测量往返时间而向用户设备发送下行链路传输信号。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述步骤a包括：
从各个活跃结点向用户设备发送下行链路传输信号；
在用户设备上生成对下行链路传输的应答，在从用户设备到活跃结点的上行链路传输中分别发送应答；和
在各个活跃结点上测量从开始发送下行链路传输信号到开始接收上行链路传输信号的时间。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述步骤b包括与从用户设备发送到一个结点的应答一起发送所述当前定时延迟。
24.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤a包括测量用户设备和活跃结点之间的下行链路传输和上行链路传输的往返时间，其中下行链路传输和上行链路传输包括为除了测量往返时间之外的功能而进行的传输。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述步骤a包括：
从活跃结点向用户设备发送下行链路传输信号；
在用户设备上生成对预定下行链路传输的应答；
在从用户设备到活跃结点的上行链路传输中发送应答；和
在各个活跃结点上测量从开始发送下行链路传输到开始接收上行链路传输的时间。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述步骤b包括与从用户设备发送到一个结点的应答一起发送用户设备Rx-Tx定时差。
27.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤f包括：
使用传播延迟确定从各个活跃结点到用户设备的距离；
计算环绕各个活跃结点的圆，其中各个圆的半径是从相应一个活跃结点到用户设备的距离；和
将用户设备的地理位置确定成圆的交点。
28.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤a中的结点是无线网络的第一结点，所述方法还包括步骤：
d.在第一结点上确定用于所述步骤a的无线信号的到达角度；和
e.使用第一结点的地理位置、从所述步骤c得到的用于确定到达第一结点的距离的传播延迟、和所述步骤d中确定的到达角度确定所述用户设备的位置估测。
29.如权利要求28所述的方法，其中针对第二结点重复所述步骤a-e，所述步骤e包括使用用于确定从各个第一和第二结点到用户设备的距离的传播延迟，和各个第一和第二结点上的到达角度确定位置估测。
30.一种无线通信系统中的定位服务服务器，所述无线通信系统包括核心网络、多个无线网络控制器和多个无线通信结点，所述多个无线通信结点与位于其支持的地理地区中的用户设备进行通信，所述定位服务服务器包括：
确定往返时间的装置，其中通过测量从开始自无线网络的结点向用户设备发送下行链路传输信号，直到接收响应下行链路传输信号而从用户设备向所述结点发送的上行链路传输信号的时间，该装置确定所述往返时间；
通过用户设备测量用户设备Rx-Tx定时差的装置，所述用户设备Rx-Tx时间差包括测量往返时间期间在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差；和
通过从所述往返时间中减去所述用户设备Rx-Tx定时差来确定往返时间的装置。
31.如权利要求30所述的定位服务服务器，还包括针对多个结点确定往返时间和用户设备Rx-Tx时间差的装置、确定所述多个结点的地理位置的装置、和使用所述多个结点的所述真实往返时间和所述多个结点的地理位置确定用户设备的地理位置的装置。
32.如权利要求30所述的定位服务服务器，还包括确定所述结点上的无线信号到达角度的装置、确定所述结点的位置的装置、和使用所述到达角度、所述往返时间延迟和所述结点的所述位置确定用户设备的位置的装置。
33.无线通信系统中的用户设备，所述无线通信系统包括核心网络、多个无线网络控制器和多个无线通信结点，所述多个无线通信结点与位于其支持的地理地区中的用户设备进行通信，所述用户设备包括确定用户设备Rx-Tx定时差的装置，所述用户设备Rx-Tx定时差包括在用户设备上接收下行链路传输信号和响应下行链路传输信号的接收从用户设备发送上行链路传输信号之间的时间差。
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