在规则的定位会话期间使用移动站发送的位置测量数据进行基站时间校准

                            发明背景

发明领域

本发明一般涉及移动通信，特别涉及移动通信网络中移动站位置的确定。本发明尤其涉及基站时间的校准，以便于维持在确定移动站位置时的准确性。

相关技术描述

移动通信网为了定位网络的移动终端的位置而提供越来越复杂的能力。权限的管理要求会要求网络操作者在移动终端对紧急服务作出呼叫时报告移动终端的位置，紧急服务例如美国的911呼叫。在码分多址(CDMA)数字蜂窝网络中，定位能力可由高级前向链路三边测量(AFLT)所提供，AFLT是从移动站测得的无线电信号从基站到达时间计算出移动站(MS)位置的技术。更高级的技术是混合定位，其中移动站采用全球定位系统(GPS)接收机，并且根据AFLT和GPS测量两者来计算该位置。混合技术的进一步应用是在获得GPS测量并计算移动站位置时使用从GPS同步蜂窝网络获得的时间。

AFLT或混合技术所确定的位置准确度部分取决于各基站发射机内的时间基准的准确度。例如，由电信工业联盟(Arlington，VA)所出版的IS-95A(CDMA)标准允许从基站到移动站的传输时间中高达10微秒的不确定性。IS-95A第7.1.5.2节小标题为“Base Station Transmission Time”中提到：“所有基站都应在CDMA系统时间±3μs内发射导频PN序列，并且将在CDMA系统时间±10μs内发射导频PN序列。基站所发射的所有CDMA信道都会在彼此的±1μs内。”由于无线信号以光速传播，即以约为3×10⁸米每秒传播，因此传输时间中10微秒的偏移转换成3千米的范围误差。

为了在基站间维持时间同步，基站可以彼此同步，或者被同步到一个公共时间基准。例如，使用全球定位系统(GPS)作为公共时间基准，各基站都会包括GPS接收机。GPS系统包括在地球上方11000海里处轨道中的24颗卫星(加上备用的)的星群。每颗卫星都有一原子钟，并且发出由伪随机码调制的载波信号以及以每秒50比特调制的导航消息。由各卫星发出的导航消息包括GPS系统时间、时钟校正参数、电离层延迟模型参数、卫星的天文历和完好性(health)，还包括其它卫星的年历和完好数据。可以使用来自四颗或更多卫星的GPS信号来计算GPS系统时间以及GPS接收机的地理位置。

尽管GPS系统可以为CDMA系统提供稳定的时间基准，然而CDMA系统时间的参考点是各基站处的CDMA天线。由于从GPS天线到GPS接收机、从GPS接收机到CDMA发射机、以及从CDMA发射机到CDMA天线的传播延迟和相位偏移的不同，各基站在GPS系统时间和GDMA信号传输之间会有相应的时间偏移。因此，为了降低AFLT位置判决中的范围误差，以及为了降低混合位置判决中的定时和范围误差，在基站安装完成后，每个基站都必须用特殊的测试设备单独校准。该校准过程的结果是各基站导频的时间偏置。时间偏置被保存在移动站位置计算期间可访问的数据库中。任何随后的硬件变化都需要重新校准基站以及更新数据库。所有这些表示了是一个费钱的过程。

还有用于使基站彼此同步的其它方法，其基于把软切换中的移动站所发送的导频信号强度消息(PSMM)与活动集中的基站作出的往返延迟(RTD)测量相结合。有了该方法就可以使基站彼此同步；然而，难以在基站的网络上维持与GPS时间的总体同步。

目前，为了提高移动终端位置判决的准确度，把GPS接收机结合在移动终端内。GPS接收机可以是自治的，并且执行所有的GPS捕获功能和位置计算，或者它们可以是非自治的(也称为无线辅助的)，并且依赖于蜂窝网络，用于提供GPS捕获数据并且可能执行位置计算。通过从网络接收GPS辅助数据，在一般的电话呼叫期间，具有GPS能力的移动终端可以在约10秒或更少时间内从GPS卫星获得时间和位置数据。预期具有GPS能力的许多(即使不是大多数)CDMA无线电话是无线辅助的GPS接收机，其具有在请求服务基站处理来自无线电话的呼叫后提供GPS和AFLT位置信息的混合能力。定位会话可以是MS辅助的或是基于MS的，这取决于位置计算发生的位置。在MS辅助的情况下，移动站向基站发回原始或预处理的测量数据。然后网络实体计算该位置。在基于MS的情况下，在移动站内执行位置计算。

TIA/EIA标准IS-801-1 2001中公布了用于采用AFLT、GPS和混合接收机的CDMA位置确定的消息协议和格式，其可应用于基于MS的和MS辅助的两种情况，该标准题为“Position Determination Service Standard for Dual-Mode SpreadSpectrum Systems-Addendum”，其通过引用被结合于此。该标准的第4-43页指出：各基站会为发送CDMA导频伪随机(PN)序列的基站天线发送一GPS参考时间校正。

另一种定位技术是由网络实体而不是由移动站作出测量。这些基于网络的方法的一例是由服务基站所实现的RTD测量。移动站作出的测量可以与基于网络的测量相结合以提高计算出的位置的有效性和准确性。

发明内容

为了把无线电信网络中的基站校准到全球定位系统(GPS)时间，从位置测量数据中计算出基站定时偏移，所述位置测量数据是在常规定位会话期间从一个或多个混合移动站获得的。位置测量数据包括GPS测量数据以及基于信号传播延迟的测量数据，所述信号在基站和混合移动站间发送。例如，网络是一码分多址(CDMA)无线电信网络，位置测量数据包括GPS测量数据和高级前向链路三边测量(AFLT)测量数据。

在一优选实现中，连续地执行基站校准以补偿基站中的任何干扰。从混合移动站收集位置测量数据仅在混合移动站作出或应答无线电话呼叫时才发生，基站把GPS捕获数据提供给混合移动站。

附图详述

在参照附图阅读了下列详细描述后，本发明的其它目标和优点将变得更为明显，附图中：

图1示出按照本发明的蜂窝电话网，其使用了用于定位移动电话单元并校准基站的GPS系统；

图2是图1的蜂窝电话网中基站的框图；

图3是图1的蜂窝电话网中固定组件的框图，包括位置确定实体；

图4到7一起组成由位置确定实体所执行的过程的流程图，其使用具有混合(GPS和AFLT)位置确定能力的基站来校准基站的时间基准；以及

图8是在基站被安装或被修改后由位置确定实体所执行的过程的流程图，用于管理基站的校准。

虽然本发明易于各种修改和其它形式，其特定实施例已经通过附图中的示例示出，并且将详细描述。然而应该理解，它并不意图把发明的形式限制为所示的特定形式，而相反，本发明覆盖了落在由所附权利要求定义的发明范围内的所有修改、等价形式和替代形式。

发明详述

图1示出按照本发明的CDMA蜂窝电话网络，其使用用于定位移动电话单元并校准基站的GPS系统。图1还示出五个CDMA基站11、12、13、14、15，它们布局在地球16的表面上六角阵列中的固定位置上。在地球上方与11000海里处，有至少五个GPS卫星17、18、19、20、21与基站11到15进行通信。在基站的通信范围内，有多个移动CDMA电话单元22、23，它们在上述TIA标准文献中也称为移动站(MS)。这些移动站(MS)包括仅AFLT的移动站，比如AFLT移动站22，以及混合移动站，比如混合移动站23。

CDMA网络能够使用公知的AFLT技术来定位AFLT移动站22和混合移动站23的位置，所述AFLT技术是移动站测量来自基站的所谓导频无线电信号的到达时间所使用的技术。到达时间由相对于移动站时间基准的导频相位测量所指示。为了消除移动站时间基准中任何时间偏置的效应，计算导频相位测量从相应的相邻基站对之间的差异。在大多数情况下，各差异在一特定的双曲线上定位移动站。双曲线的交点提供了移动站的位置。

CDMA网络还能够使用公知的GPS技术来定位混合站23的位置。每个CDMA基站11到15都有一GPS接收机，用于接收GPS卫星17到21中的至少一个的载波和伪随机编码序列，以提供参照GPS系统时间基准的CDMA系统时间基准。当混合移动站参加与CDMA网络的定位会话时，服务基准可以向混合移动站发送GPS捕获数据。混合移动站23可以使用GPS捕获数据在约10秒或更少的时间内获得各个GPS17到21和移动站间伪范围的测量。混合移动站23可以把伪范围测量发送到服务基准。如下参照图3进一步描述，位置确定实体(PDE)可以从四个或更多个伪范围测量中计算出混合移动站23的地理位置。或者，在基于MS的解决方案的情况下，可由移动站自身计算移动站的地理位置。

图2示出图1的蜂窝电话网中各基站内的功能块。基站11包括提供参照GPS系统时间的基站时间基准32的GPS接收机31。GPS接收机31从GPS天线39获得信号。基站还包括用于和CDMA网络中的移动站进行通信的CDMA收发机33。CDMA收发机33从基站时间基准32获得CDMA系统时间。CDMA收发机33通过CDMA天线40发送并接收无线信号。

图3是图1的蜂窝电话网的固定组件的框图。移动交换中心(MSC)34在基站11和多条电话线35(比如铜线或光纤)之间连接语音信号和电信数据。移动定位中心(MPC)36连到移动交换中心34。MPC 36管理定位应用，并且通过交互工作函数(IWF)37和数据网络链路38把位置数据连接到外部数据网络。位置确定实体(PDE)41收集并格式化定位数据。PDE 41向移动站提供无线帮助并且执行位置计算。PDE 41连到MPC 36和MSC 34。PDE 41管理校准数据库42。PDE 41和校准数据库42例如使用常规的数字计算机或工作站来实现。实际上，计算机的处理器执行一程序，例如下面图4到8的流程图所述，以起到PDE 41的作用。校准数据库42被保存在硬盘上或被保存在数字计算机或工作站的存储器中。

如上所述，在安装或修改基站时校准基站时间基准(图2中的32)会有一个问题。由于从GPS天线(图2中的39)到GPS接收机(图2中的31)、从GPS接收机到CDMA收发机(图2中的33)、以及从CDMA收发机到CDMA天线(图2中的40)的传播延迟或相位漂移的变化，每个基站会有在GPS系统时间和CDMA信号传输之间的相应时间偏置。因此，为了减少AFLT位置确定中的范围误差以及混合位置确定中的范围和定时误差，应该在基站安装完成后校准每一个基站，例如，通过把基站的时间偏置保存在校准数据库(图3中的42)中，以便由位置确定实体(图3中的PDE 41)使用。而且，期望对于任何随后的硬件变化重新校准基站并更新数据库。

如这里所公开的，这个问题通过使用在常规定位会话期间从一个或多个混合移动站23获得的位置测量数据来校准基站11、12、13、14、15而被解决。因此，无须从校准仪器外部获得校准数据。相反，PDE(图3中的41)可以内部地计算校准数据，并且连续地把校准数据保存在校准数据库(图3中的42)中。此外，为了减轻任何保密性问题，常规的定位会话仅在混合移动站的操作者作出或应答一无线电话呼叫时才发生。在该情况下，如果没有操作者的知识和同意，CDMA系统就不确定操作者的位置。

图4到7一起组成当CDMA系统中的混合移动站实现定位会话时所执行的过程的流程图。该流程图中示出用于校准服务基站的操作。在第一步51中，如果混合移动站不在实现定位会话的过程中，校准操作就结束。否则，执行继续到步骤52。

在步骤52中，PDE(图3中的41)确定是否需要向移动站发送辅助数据。如果需要辅助，则在步骤53中，服务基站向混合移动站发送辅助数据，执行继续到步骤54。否则，执行直接继续到步骤54。在步骤54中，混合移动站至少从五颗GPS卫星获取GPS编码相位(即伪范围)测量，它们应为确定混合移动站的位置而提供最佳信号。在混合移动站23中，应该相对于从服务基站接收到的导频相位而采用编码相位测量。可以直接或间接地采用这些测量。在步骤55中，如果混合移动站尚未获得五个或更多GPS卫星的足够质量的伪范围测量，则过程结束。(注意到仍会继续没有基站校准功能的常规定位会话。)伪范围的指令可以根据接收到的信噪比来确定，也可能根据观察相关峰值的形状(宽峰值可能指示多径误差)或其它因子而确定。否则，执行继续到步骤56。

在步骤56中，实现定位计算的实体从各个测得的GPS卫星的混合移动站接收伪范围测量，并且使用公知的导航解决方案技术来计算移动站的位置。在MS辅助方法的情况下，该实体可以是PDE(图3中的41)，而在基于MS的方法的情况下，该实体是移动站自身。因此，导航解决方案提供了移动站位置估计、平均伪范围偏置(即移动站时钟偏置)以及位置解决方案成本(即残留伪范围误差的RMS)。在基于MS的情况下，从MS向PDE返回位置估计和移动站时钟偏置两者。由于导航解决方案中使用了至少五次测量，因此解决方案成本是GPS测量完整性的有效指示。因此，在图5的步骤57中，如果解决方案成本大于预定的最大值(CMAX)，则校准过程结束。否则，执行继续到步骤58。当解决方案成本不可用时，(例如在不会将其返回到PDE的基于MS的实现中)，则可以省略步骤57。在这个及所有其它情况下，可以用基于测量标准方差估计的阈值来代替或增加步骤57的解决方案成本阈值。标准方差估计可以基于测得的信号特性(比如信噪比)或者基于从收集多个固定点情况下的测量而导出的统计特性。

在图5的步骤58中，PDE从服务基站的已知固定位置和步骤56计算的GPS位置中计算出BS到MS的范围。为了使服务基站和MS间视线内信号的概率最大，应用范围阈值是有用的，因此使服务导频多径影响移动站系统时钟的似然性最小。因此在步骤59中，如果范围大于预定的最大范围(RMAX)，则校准过程结束。否则，执行继续到步骤60。在步骤60中，测试RTD测量的可用性。如果没有RTD测量(一般由服务基站提供并且由移动站报告的移动站接收-发送定时偏置所校正)可用，则执行继续到步骤62。否则，执行继续到步骤61。在步骤61中，把步骤58中计算的BS到MS范围与值c*RTD/2相比较，其中c是光速。如果差异大于预定的最大值(EMAX)，或者小于预定的最小值(EMIN)，则校准过程结束。(注意到当已知RTD测量可靠时，可以使用观察到的差异作为校准计算中的多径校正项。)否则，执行继续到步骤62。

在步骤62中，可以由混合移动站采用服务导频信号强度测量。在步骤63中，如果导频信号强度不大于或等于预定的最小信号强度(SMIN)，则校准过程结束。否则，执行继续到步骤64。

在步骤64中，计算服务基站到移动站的传播时间估计。传播时间估计可以基于在步骤58中计算的服务基站到移动站的距离、或者步骤61中使用的RTD值、或者其组合。

在步骤65中，计算服务基站时间偏置估计。时间偏置被估计为步骤56中计算的移动站时钟偏置和步骤64中计算的服务基站到移动站传播延迟之差。(或者，可以根据伪范围测量直接估计服务基站时间偏置。已知GPS天文历，即，卫星在空间中的位置，则可以计算可由混合移动站观察到的理论的GPS编码相位，并且所返回的伪范围测量和理论编码相位之差就使伪范围偏置。如果通过步骤64中计算的服务基站到移动站的传播延迟校正了伪范围偏置，则结果会是基站时间偏置估计。通过对多个卫星上的伪范围偏置取平均可以改进基站时间偏置估计。)然后，执行继续到步骤66。

在步骤66中，通过应用各种校正项来改进在步骤65中获得的服务基站时间偏置估计。根据已知的本地信号传播环境，可以估计并校正由残留CDMA多径效应所引起的时间偏置估计误差。例如，如果已知在步骤56中所确定的位置处，预期特定数量的多径过量延迟，则可以将预期的延迟应用为校正项。如果特定类型的移动站的校准数据可用，则可以补偿由于混合移动站中CDMA和GPS处理间的内部不对称性而产生的基站时间偏置估计误差。这会必须向PDE传递有关特定移动站的信息，比如移动站的电子序列号。或者，可以省略对混合移动站中的CDMA和GPS处理间的内部不对称性的校正，该情况下移动站时间偏置会是基站校准的一部分。这无论如何都不影响定位准确性，只要在其它地方未补偿混合移动站中CDMA和GPS处理间的内部不对称性。

根据收集到的统计量，步骤66中计算的经校正的基站时间偏置估计的平均下限会代表了基站时间校准。可以假定较高的基站时间偏置估计已经受到多径传播的影响。阈值消除了多径相关误差的效应。例如，在图7的步骤67中，根据收集到的统计量计算一阈值。在该例中，计算基站时间偏置估计阈值作为平均基站时间偏置加上两个标准方差。由于由多径引起的时间偏置估计具有不等于零的均值，因此采用基站时间偏置估计均值附近的不对称阈值水平可能是有益的。如果预期实际的基站时间偏置会突然变化，则可能需要放宽阈值水平，或者最好可以使用更复杂的统计方法来确定阈值。需要这样是为了使校准过程能在基站时间偏置方面的跳跃之后继续；否则可以通过认为多径影响了所有随后的时间偏置估计从而禁用校准过程。这种统计方法可以是，例如，为所有收集到的估计计算年限加权的概率密度函数，本地偏置朝向较低值，并且选择最高的峰值。在步骤68中，如果基站时间偏置估计大于一阈值，则校准过程结束，因为假定基站时间偏置估计包含显著的多径误差。否则，执行从步骤68继续到步骤69。如果可以通过其它手段来确定接收到的服务导频信号的无多径特性，则可以省略步骤68的阈值操作。

在步骤69中，基站时间偏置估计被输入到校准数据库中。在步骤70中，根据在前一步69中被添加到校准数据库中的基站时间偏置估计来重新计算基站时间偏置估计统计量，比如均值和标准差。当没有足够的数据来计算统计量时，例如在第一校准过程开始处，可以在初始化中假定预定的均值和(足够大的)标准方差。在步骤71中，用在前一步70中计算的均值基站时间偏置估计的新值来更新管理基站中所保存的管理基站的定时偏置。

图8是由位置确定实体所执行的过程的流程图，该过程用于在安装或修改基站后管理基站的校准。当已知基站非校准时，即初始采用时或在观察到定时不稳定性时，PDE可以临时拒绝来自AFLT解决方案的相应导频。因此在步骤81中，校准数据库中的基站属性被设为“未校准”，PDE测试该属性以便临时拒绝来自AFLT解决方案的相应导频。在步骤82中，PDE还测试该属性从而为这些导频所服务的移动站增加GPS编码相位窗尺寸。在步骤83中收集了校准数据并确保已经在步骤84中稳定了统计量后，PDE在步骤85中重新启用AFLT和混合解决方案。例如，在步骤84中，基站的平均基站时间偏置估计与被输入校准数据库的平均基站时间偏置估计值相比较，前者是对于被输入校准数据库中的最后十个连续的基站时间偏置估计值，后者是对于被输入校准数据库的前面十个连续的基站时间偏置估计值，如果平均值差异不大于某一百分比，比如百分之五，则认为基站时间偏置估计的统计量为稳定。

考虑到上述内容，已经描述了一种使用在常规定位会话期间从一个或多个混合移动站获得的位置测量数据把无线电信网络中的基站校准到GPS系统时间的方法。因此，无须从校准仪器外部获得校准数据，校准连续地发生以补偿基站中的任何干扰。通过使用常规定位会话减轻了保密性问题，所述常规定位会话仅在混合移动站的操作者作出或应答无线电话呼叫时才发生。