专利名称：移动通信网络中确定无线电接收方向的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在移动通信网络中的无线电基站位置中，确定下行链路上的无线电接收方向的方法。本发明还涉及用于实现所述方法的带有设备尤其是计算机的移动通信网络，无线电基站和移动通信终端。
背景技术：
在移动通信网络中，尤其是在蜂窝移动通信网络，例如GSM(全球移动通信系统)或UMTS(通用移动通信系统)中，重要的是知道移动用户的即时位置。所谓的“基于位置的服务”，即依赖于移动用户的即时位置的移动服务正在日益引起人们的兴趣。为了能够进行这些及相似服务，不仅必须知道无线电用户所处的无线电扇区或无线电场区，而且必须进行精度达到几米的更准确的位置确定。用于实现此目的的已知方法很多。例如已知的有所谓的三角测量方法，其中通过测量无线电信号传播时间，计算移动通信终端和相邻的固定基站之间的距离，根据对应距离半径的交点，确定即时位置。但是为此必须与至少两个遥远的无线电基站保持联系。另外，必须使无线电基站的无线电发射器相互同步，或者至少必须知道所发射信号之间，尤其是符号之间的时间差。
另外还知道首先通过分析在成组天线(所谓的灵巧天线)呈现的无线电信号分量，确定无线电接收方向。随后，还(通过测量信号传播时间)计算到无线电基站的距离，以便最后能够更准确地确定位置。但是，已知的方法涉及相当大的计算开销，并且存在特定的先决条件，例如与若干无线电基站保持联系或者存在成组天线。
发明内容
本发明的目的是提出一种确定无线电接收方向的方法，所述方法能够尽可能简单地被实现，并且仍然能够提供和实际的无线电接收方向有关的准确信息。另外还提出了实现所述方法的相应设备。
上述目标由包含根据权利要求1的特征的方法和由包含根据附加权利要求之一的特征的移动通信网络、计算机、无线电基站和移动通信终端实现。
因此，提出相关移动通信终端至少测量由发射天线中的第一和第二天线发出的无线电信号的接收电平，根据这两个测量的接收电平，形成比例值。该比例值基本上和主要的无线电传播条件，尤其是无线电链路上的路径损耗无关。该比例值随后被用于估计要确定的无线电接收方向的方位角。
另外还提出一种适合于实现所述方法的移动通信网络，所述移动通信网络包括与无线电基站位置相连，并且产生所述两个测量的接收电平的比例值，从而再估计方位角的计算机。
从而可以在任意单独无线电基站位置完全实现本发明。不需要与若干无线电基站保持联系。此外，使用了测量值，即无线电信号的接收电平，多数情况下，出于其它目的也必须计算这些测量值，例如切换测量，从而这些测量值已存在于移动通信网络中。在所谓的测量报告的过程中，这些测量值从移动通信终端传送给固定的无线电位置。根据本发明的无线电数值的计算用于消除损害接收电平数值的变量，尤其是无线电传播条件的特征变量，例如无线电场衰减或路径损耗。这些变量高度依赖于主要的状况，例如可视射频连接，无线电屏蔽，衰减，反射或者波导效应。本发明基于这样的了解，即如果两个发射天线安装在相同的位置，最好安装在相同的天线铁塔上，则要形成其比例值的两个接收电平会受到相同的影响。这种情况下，借助比例值的生成(商的形成)，获得很大程度上和无线电传播条件无关的相对值，从而便于可靠地估计方位角以及确定无线电接收方向。此外，可以简单、快速地完成商的形成。从而总的说来，提出一种非常易于实现，同时非�？煽康姆椒�。
在从属权利要求中描述了本发明的特别有益的改进。
从而，最好通过把形成的比例值和指示不同方位角的预期比例值的预定基准值进行比较来估计方位角。基准值是发射功率值，它在主辐射方向上对应于EIRP值(EIRP有效同位辐射功率)和在其它方向上对应于基于天线图衰减的发射功率值。从而指示发射天线处辐射功率的与角度有关的分布的基准值，同样相互比较基准值，以便形成比例值，并且最好把形成的比例值保存在查寻表中。从而能够实现进一步降低计算开销的快速、有效的查寻表程序。通过比较接收端的比例值(测量值)和发射端的比例值(基准值)，能够在不知道无线电场衰减的情况下估计方位角。
发射天线最好由扇形天线或者成组天线构成，无线电覆盖范围最好是分别由扇形天线或成组天线之一提供的无线电扇区。在这方面，将关于接收值测量其无线电信号的两个发射天线最好提供两个彼此相邻的无线电覆盖范围，并且移动通信终端最好至少位于这两个无线电覆盖范围之一中。这样，形成两个最主要的接收电平之间的比例值，这进一步提高了计算方法的可靠性。
与此无关，或者与之相联系，如果移动通信终端还测量由其它发射天线发出的无线电信号的接收电平，则获得另一特殊优点，在所有情况下，比例值由两个测量的接收电平形成。随后，借助这些更多的比例值实现更多方位角的估计，最后借助所有估计的方位角，更准确地确定无线电接收方向。从而提出一种迭代方法，其中成对地比较接收电平，以便形成比例值，最后得到的大量比例值便于更准确地估计方位角，从而便于更可靠地确定无线电接收方向。
另外，发射天线之一最好由提供无线电基站位置的整个覆盖范围的全向天线构成，其它发射天线最好由提供扇形无线电覆盖范围的扇形天线或成组天线构成。
移动通信终端测量从全向天线的无线电信号发出的接收电平和从扇形或成组天线的无线电信号发出的接收电平。从而这种情况下，通过一方面参考和全向天线相关的接收电平(例如广播信令信道上的接收电平)，另一方面参考覆盖范围的接收电平(例如扇区内通信信道上的接收电平)，还能够确定直接支持移动通信终端的特定无线电覆盖范围内的无线电接收方向。
现在将参考附图，以例证实施例的形式描述发明本身及其所带来的优点图1a图解说明根据本发明的移动通信网络的结构；图1b表示无线电基站位置的结构；图2a和2b图解说明了位于无线电基站位置的无线电覆盖范围的发射功率水平特性曲线(天线图或函数)；图3是根据本发明的方法的流程图；图4a和4b图解说明了不同方位角的预期比例值；图5图解说明了若干方位角的分布和最后得到的接收方向；图6图解说明了在利用根据本发明的方法的蜂窝无线电网络中的精确位置确定的原理。
具体实施例方式
图1a图解说明了根据本发明的，具有与移动通信网络的核心网络CN相连的至少一个无线电基站位置BS的移动通信网络的示意结构。包含三个无线电发射器T1、T2和T3的无线电基站BTS位于无线电基站位置BS，三个无线电发射器T1、T2和T3提供无线电基站位置BS的不同无线电覆盖范围(参见图1b的S1-S3)。无线电发射器不必位于单个无线电基站中，而是还可分别被结合到不同的无线电基站中。例如，如果在无线电覆盖范围中使用不同的无线电传输方法，那么情况就会是这样。
无线电发射器T1、T2或T3分别通过其无线电覆盖范围中的发射天线，这里是扇形天线1、2和3，把无线电信号传送给移动通信终端，图1a中举例表示了其中的一个移动通信终端MS。但是，考虑到方法的计算精度，在相同的位置，例如在天线铁塔上，最好尽可能远地安装发射天线1、2和3。这里表示的移动通信终端MS与无线电基站BTS的发射器T1保持直接无线电联系。无线电基站与布置在核心网络CN中的计算机C相连。本例中，计算机C被合并到移动交换中心中，并且根据后面将详细描述的方法，现在确定无线电接收方向，根据无线电接收方向，最后可计算移动通信终端MS的准确位置。计算机也可被安装在其它位置，从而例如安装在无线电接入网络中，尤其是安装在无线电基站控制器(基站控制器)或者安装在无线电网络控制器中，或者也可安装在数据节点，例如UMTS的所谓网关GPRS支持节点(GPRS通用无线电分组服务)或者服务GPRS支持节点。
图1b示意表示了包含呈三个互邻扇形S1、S2和S3形式的三个无线电覆盖范围的无线电基站位置BS的结构平面图。呈张角为120°的扇形S1、S2或S3分别由扇形天线1、2和3形式的发射天线提供。移动通信系统MS直接位于无线电覆盖范围S1中，并且通过对应的扇形天线与无线电基站(这里未示出参见图1a的BTS)保持无线电联系。这意味着扇区S1对应于所谓的“服务小区”或者“活动集”。无线电信号在下行链路DL上从对应的发射天线(参见图1a中的1)被传送给移动通信终端MS。在相反的方向，即在上行链路UL上，移动通信终端MS把其无线电信号回送给天线。
现在要确定下行链路上的无线电接收方向，以便随后简化移动通信终端MS的位置确定。一方面，这可通过确定无线电接收方向D来进行，另一方面，也可通过计算发射天线和移动通信终端MS之间的距离来进行，所述距离可由无线电信号传播时间TA推出，并且其本身以所谓的计时提前或者往返时间的形式给出。所述距离对应于无线电基站位置BS的中心点附近的半径。无线电接收方向D本身由方向角A表示。根据所述半径和所述角度，随后可准确确定移动通信终端MS的位置。不过，这里提出的本发明特别用于确定无线电接收方向。
如图1b中所示，扇区无线电覆盖范围S1-S3被排列成在其主辐射方向上无线电覆盖范围S1面向北方，即指向方位角A为0°的方向。分别被偏移120°的其它两个扇区S2和S3的主方向从而分别指向120°和240°的方向。移动通信终端MS现在位于无线电场覆盖范围(无线电扇区)S1内。现在通过把无线通信终端MS确定的接收电平和用于扇区S1的扇形天线的天线图进行比较，可以确定无线电接收方向D。但是这首先会导致计算具有相同张角的两个对称的面北方位角，从而不能明确确定无线电接收方向D。此外，为了能够比较测得的接收电平和天线图的基准值，还必须知道无线电场衰减。另外，无线电传播条件，尤其是无线电场衰减不稳定，相反依赖于发生效果，例如无线电屏蔽，反射或渐变，以及是否随着空气湿度和温度的波动而变化。仅仅是在人口密集区和市区中特别频繁发生的无线电屏幕和反射的问题就会妨碍按照常规方法可靠地确定无线电接收方向，或者致使这些常规方法完全不可行。
于是这里提出一种新的方法，下面将参考图2更详细地说明这种新方法。
图3是根据本发明的方法100的流程图，它包括呈迭代程序的步骤110-160。在该方法的起点S之后，在第一步骤110中，设置下述迭代参数第一指数i(它也是循环计数器)被设置为其初始值1。对应于无线电场区域(扇区)的数目的最大值imax被设置成3。第二指数k被设置成i+1。
在随后的步骤120中，首先测量不同的无线电场扇区中的接收电平。这里确定第一接收电平RLi和第二接收电平RLk。对于首次执行来说，这意味着测量第一扇区的接收值RL1和第二扇区的接收值RL2(参见图1b中的S1和S2)。
随后在下一步骤130中，使这些测量的接收电平彼此相关，从而形成比例值Rik。这种情况下，这意味着根据RL1和RL2的比值形成比例值R12。计算得到的该比例值R12稍后被用于确定方位角。在中间步骤135，从查寻表中取回基准值Tik。这些基准值代表图4a中所示的基准曲线的特征。第一种情况从而和基准值T12有关，基准值T12对应于和发射功率水平TP1与发射功率水平TP2的比值相对应的曲线。如此使扇区S1和S2的发射端功率水平函数TP1和TP2(参见图1b和2b)彼此相关，从而形成比值，并被用作基准值T12。
在接下来的步骤140中，相互比较基准值Tik＝T12和计算的比例值Rik＝R12，以便据此计算所需的方位角Apik＝Ap12和Aqik＝Aq12(同样参见图4a)。这种情况下，这意味着把比例值R12和基准值T12进行比较，并确定何处对应的方位角相等。从而在这种情况下，确定近似对应于20°的方位角Ap12和近似对应于57°的方位角Aq12(同样参见图4a和4b)。这两个方位角中只有一个方位角实际指向所需的无线电接收方向。另一个方位角不相关，并且起源于�：姆治龀绦�。
现在为了发现哪个方位值是正确的，至少再运行一次包含子步骤120-140的循环。
为此，首先确定计数器i是否已达到最大值imax(步骤150)。从而在本例中，检查i是否等于imax＝3。如果不是，则在步骤151中使计数器i加1，并且随后在步骤152中检查现在计数器是否已达到其最大值imax。如果不是，则随后直接执行步骤120及后续步骤130、135、140等。这意味着在第二次执行(i＝2)中，测量相应扇区S2和S3的接收值RL2和RL3(步骤120)，随后据此形成比例值R23(步骤130)，并且最后由此估计方位角Ap23和Aq23。
但是，如果在步骤152中确定计数器已达到其最大值(i＝3)，即，循环已被执行两次，则在步骤153中把第二指数设置成k＝1。这种情况下，这意味着现在在步骤120中测量接收电平值RL3和RL1。从而也形成和扇区S3及S1相关的最后一对可能接收值，并确定对应的比例值R31。最后与之有关地还进行方位角Ap31和Aq31的估计。在第三次执行该循环之后，借助于判定步骤150，随后确定计数器已达到其最大值(i＝imax＝3)，随后进行步骤160。
在步骤160中，相互比较先前计算的方位角，以便随后确定所需的无线电接收方向D，之后在步骤E中终止该程序。
下面将参考图5说明步骤160中的过程，图5中绘出了估计的方位角。在图5中，一群估计的数值可记录在从50-60°的范围中。通过形成这里产生的三个估计值的平均值，最后获得55°的无线电接收方向D。
数值R23和T23只和不直接供应移动通信终端MS的无线电场区(扇区)相关。从而它们不是服务小区或者活动集，而是所谓的相邻小区或者候选/监视集。这些扇区被不在其上传送任何上行链路信号的移动通信终端MS用于监视目的。现在还可以只使用这种类型的监视值，即在下行链路上测得的接收电平来计算方位角和无线电接收方向，尤其是当存在若干这样的无线电场区(例如在60°的扇形分区情况下，存在5个无线电扇区)时。其优点在于测量值并不受起源于在服务小区中，将在相关无线电信道上进行的发射功率控制的影响的损害。这是因为相邻小区中的移动通信终端要考虑的无线电信号是其中辐射恒定(最大)功率的无线电信道。
即使在单个基站位置中也可执行根据本发明的方法，从而不需要与若干无线电基站位置的任意无线电联系。无线电接收方向的估计变得越来越准确，可进行更多的迭代。这又取决于现有扇区的数目。但是还可想得到不是形成不同无线电扇区的接收值之间的比例值，而是形成从全向天线发出的接收电平和从扇区天线发出的接收电平之间的比例值。这意味着一方面通过测量从全向天线发出的无线电信道(例如所谓的广播控制信道)上的接收电平，另一方面通过测量相应扇形天线(例如通信信道之一)上的接收电平，甚至可在单个无线电扇区内确定无线电方向。当然还可想得到使用成组天线代替扇形天线。和使用的天线的类型无关，根据计算并与相应的基准值比较的不是绝对接收电平，而是比例值(从而相对接收电平)的事实，即可实现本发明的优点。其优点之一在于提出的计算方法和无线电传播条件无关。
提出的方法可用于确定移动设备的位置。下面将参考图6简要说明，图6以其中每个无线电基站位置包括若干扇形天线的蜂窝无线电网络为基础。如果现在在若干无线电基站位置，至少在两个相邻位置进行相关无线电接收方向D的确定，则能够获得十字方位，借助所述十字方位，最后可计算移动通信终端MS的位置。在图6中所示的例子中，在一个无线电基站位置确定55°的接收方向D，在第二个无线电基站位置确定290°的接收方向，在第三个位置确定345°的接收方向。不同接收方向的叠加形成一个指示移动通信终端MS的位置区域的三角形(理想情况下是一个交点)。当然也可想得到其中只在单个无线电小区或无线电扇区中确定接收方向的其它方法，这样的方法要结合位置计算的距离确定程序(信号传播时间测量)一起使用。提出的方法可以和其它定位方法任意组合。
权利要求
1.一种在移动通信网络中的无线电基站位置确定下行链路上的接收方向的方法，其中无线电基站位置至少覆盖两个空间无线电覆盖范围，其中在每个无线电覆盖范围中，在下行链路上，借助发射天线发射供至少一个移动通信终端接收的无线电信号，其中相关的移动通信终端至少测量由发射天线中的第一和第二发射天线发出的无线电信号的接收电平，根据这两个测量的接收电平形成比例值，并且借助所述比例值，估计要确定的无线电接收方向的方位角。
2.按照权利要求1所述的方法，其中通过比较形成的比例值和指示不同方位角的预期比例值的预定基准值，估计方位角。
3.按照权利要求1所述的方法，其中发射天线是扇形天线或成组天线，无线电覆盖范围是分别由扇形天线或成组天线之一提供的无线电扇区。
4.按照权利要求2所述的方法，其中关于接收电平测量其无线电信号的两个发射天线提供两个彼此相邻的无线电覆盖范围，并且移动通信终端至少位于这两个无线电覆盖范围之一中。
5.按照权利要求1所述的方法，其中发射天线之一是提供无线电基站位置的整个覆盖范围的全向天线，其它发射天线是提供扇形无线电覆盖范围的扇形天线或成组天线，移动通信终端测量从全向天线发射的无线电信号发出的接收电平，和从至少由提供移动通信终端所处的无线电覆盖范围的扇形或成组天线发射的无线电信号发出的接收电平。
6.按照权利要求1所述的方法，其中移动通信终端还测量由其它发射天线发出的无线电信号的接收电平，在所有情况下，由两个测量的接收电平形成和主要的无线电传播条件无关的比例值，这些更多的比例值被用于估计要确定的无线电接收方向的更多方位角，借助估计的所有方位角，确定无线电接收方向。
7.一种至少包括一个覆盖至少两个空间无线电覆盖范围的无线电基站位置的移动通信网络，所述移动通信网络具有在所有情况下在无线电覆盖范围之一中通过发射天线在下行链路上发射供移动通信终端接收的无线电信号的无线电基站发射器，并且具有与无线电基站位置相连为每个移动通信终端确定下行链路上的无线电接收方向的计算机，其中相关的移动通信终端测量由发射天线中的第一和第二发射天线发出的无线电信号的接收电平，计算机根据两个测量的接收电平形成比例值，并且计算机借助所述比例值，估计要确定的无线电接收方向的方位角。
8.一种用于移动通信网络的计算机，所述移动通信网络具有至少一个覆盖至少两个空间无线电覆盖范围的无线电基站位置，其中在所有情况下，在无线电覆盖范围之一中，无线电基站发射器通过发射天线在下行链路上发射供移动通信终端接收的无线电信号，其中无线电基站位置与计算机相连，所述计算机为每个移动通信终端确定下行链路上的无线电接收方向，其中相关的移动通信终端测量由发射天线中的第一和第二发射天线发出的无线电信号的接收电平，计算机根据两个测量的接收电平形成比例值，并且借助所述比例值，估计要确定的无线电接收方向的方位角。
9.至少覆盖移动通信网络中的两个空间无线电覆盖范围的无线电基站位置的无线电基站，其中无线电基站包括若干无线电基站发射器，在所有情况下，在无线电覆盖范围之一中，无线电基站发射器通过发射天线在下行链路上发射供移动通信终端接收的无线电信号，其中无线电基站与计算机相连，所述计算机为每个移动通信终端确定下行链路上的无线电接收方向，其中相关的移动通信终端测量至少从发射天线中的第一和第二发射天线发出的那些无线电信号的接收电平，并且把这些接收电平传送给无线电基站，无线电基站把接收电平传送给计算机，在所有情况下，计算机根据两个测量的接收电平形成比例值，并且借助所述比例值，估计要确定的无线电接收方向的方位角。
10.包含至少一个无线电基站位置的移动通信网络的移动通信终端，所述无线电基站位置至少覆盖两个空间无线电覆盖范围，其中在无线电基站位置布置若干无线电基站发射器，在所有情况下，在无线电覆盖范围之一中，无线电基站发射器通过发射天线在下行链路上发射供移动通信终端接收的无线电信号，其中无线电基站与计算机相连，所述计算机为相关的移动通信终端确定下行链路上的无线电接收方向，其中移动通信终端测量至少从发射天线中的第一和第二发射天线发出的那些无线电信号的接收电平，并且把这些接收电平传送给无线电基站，无线电基站把接收电平传送给计算机，在所有情况下，计算机根据两个测量的接收电平形成比例值，并且借助所述比例值，估计要确定的无线电接收方向的方位角。
全文摘要
提出了一种在移动通信网络中的无线电基站位置处，确定下行链路上的无线电接收方向的方法，所述无线电基站位置包括若干无线电覆盖范围，其中在每个覆盖范围中，借助发射天线在下行链路上发射供至少一个移动通信终端接收的无线电信号。为了确定无线电接收方向，相关的移动通信终端至少测量由发射天线中的第一和第二发射天线发出的无线电信号的接收电平。根据两个测量的接收电平，形成与主要的无线电传播条件无关的比例值，该比例值被用于估计要确定的无线电接收方向的方位角。从而可在任意单独无线电基站位置中实现本发明，不必与若干无线电基站保持联系。比例值的计算用于消除改变无线电传播条件所引起的影响。这样，能够可靠地估计方位角，从而可靠地确定无线电接收方向。这不受主要的无线电传播条件的限制。
文档编号G01S5/12GK1441607SQ03106730
公开日2003年9月10日 申请日期2003年2月27日 优先权日2002年2月28日
发明者马赛斯·施瑞那, 迈克尔·坦格曼 申请人:阿尔卡塔尔公司
专业数控铣床产品供应商
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