CN1253047C - 模拟和规划无线定位网络的方法和设备 - Google Patents

Abstract

可以采取不同的方案来把移动单元定位能力增加到无线通信系统中。这些方案可以包括地面技术和基于卫星技术。揭示了一种设备，并由此可以在特定的现存或提出的无线通信系统环境中评估和比较这些不同的方案。

Description

模拟和规划无线定位网络的方法和设备

                       发明背景

I.发明领域

本发明涉及定位网络的网络规划和部署。更具体地，本发明涉及评估用于定位服务的一个系统的性能。

II.相关技术描述和总背景

用于移动通信的无线系统包括这样一些例子，如蜂窝电话网络，宽带个人通信服务(PCS)、无线局域网(LAN)、卫星通信系统以及双向无线电系统。这些系统包括移动单元，移动单元可以是电话或无线电手持式设备、车载收发信机、无线数据调制解调器或者甚至是半固定单元，如无线本地环路(WLL)站。很多这样的系统还具有一个基础设施，包括一个或多个的基站单元，它们的位置固定，和移动单元进行通信，并且还可能相互之间和/或与一个外部网络进行通信。在一个蜂窝网络中，例如，基站单元提供移动单元和公共交换电话网之间的一个接口，和注册处进行通信来完成验证和收费功能，并且还可以通过相互之间互动来完成通话管理和切换功能。

目前需要做的是通过增加确定一个特定移动单元位置的能力来增强用于移动通信的某个无线系统。原因之一是由联邦通信委员会颁布的一部规章制度(1999年9月15日批准，1999年10月6日公布的Third Report and Order，Docket No.94-102)，它要求美国国内的所有蜂窝通信公司在2001年10月之前能够定位正在进行911呼叫的蜂窝电话，并使67％的呼叫精确到50米范围之内，95％的呼叫精确到150米范围之内。无线通信系统中定位能力的其它应用包括增值的消费特征，如导航和车队管理支持。

可以实现一些不同的定位方法。这些方法包括但不限于地面方法、全球定位系统(GPS)方法、以及地面和GPS的混合方法。被应用于任何特定无线通信系统的这些方法的相对性能将在一定程度上依赖于该系统的特性以及系统所处区域的特性。因此，就要求在做出采用或实现任何特定方案的决定之前，能够评估系统中一个或多个这样的解决方案的性能。因此就需要一种方法或设备可以被用来评估一个现存的或是提出的有关于定位的无线通信系统的性能。还需要能够在一个新系统的规划和设计阶段期间或是在一个现存系统的更新或检修期间比较多个不同定位解决方案的性能。

                            发明概述

在根据本发明的一个实施例的一种设备中，提供了和目标地区有关的一组收集到的结构化信息(例如数据库、数组、矩阵或汇编中的一个或几个)。还提供了至少一个处理单元来处理一组收集到的结构化信息的至少一个部分。一个或多个处理单元将因此产生和目标地区中一个移动或静止的无线单元的位置有关的信息。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储至少部分和目标区域有关的结构化信息集合，包括传播损耗矩阵、拓扑数据库和需求矢量中的一个或多个；以及至少一个处理单元，其中至少一个处理单元处理结构化信息集合的至少一部分并产生进一步的信息，所述进一步的信息至少部分和用于定位目标区域中的无线单元的至少一个系统的预测定位性能有关，进一步的信息包括根据性能标准对预测定位性能所做的评估，性能标准包括可以定位到一个可接收精确度的目标区域的百分比、和定位位置相关的不确定区域、定位一次所需的最少时间、可以服务的定位请求个数、定位位置确定所更新的速率以及与定位相关的成本中的至少一个。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储至少部分和目标区域有关的结构化信息集合，该结构化集合包括目标区域的采样表示，该结构化集合进一步包括和目标地区内所配置的基站单元有关的信息；以及至少一个处理单元，其中至少一个处理单元处理结构化信息集合的至少一部分并产生进一步的信息，所述进一步的信息至少部分和用于确定目标区域中的无线单元位置的至少一个系统的预测定位性能有关，进一步的信息至少部分基于前向链路分析、反向链路分析以及用全球定位卫星进行的分析中的至少一个。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储拓扑数据库，传播损耗矩阵以及至少一个处理单元，其中拓扑数据库包含和目标区域有关的拓扑信息，其中传播损耗矩阵的至少一部分元素中的每个元素都表示目标区域中的位置之间的路径损耗，其中至少一个处理单元进行前向链路分析和反向链路分析中的至少一个，至少一个链路分析是至少部分基于从拓扑数据库来的信息和从传播损耗矩阵来的信息，至少一个处理单元输出和无线单元定位系统相对于目标区域的预测定位性能有关的信息。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于模拟和规划无线定位网络的方法，其特征在于包括下述步骤：访问结构化信息集合，该结构化信息集合至少部分和目标地区有关，包括传播损耗矩阵、拓扑数据库和需求矢量中的一个或多个；处理结构化信息集合的至少一部分；产生进一步的信息，其中进一步的信息至少部分和用于确定目标区域中的无线单元位置的至少一个系统的预测定位性能有关，进一步的信息包括根据性能标准对预测定位性能所做的评估，性能标准包括可以定位到一个可接收精确度的目标区域的百分比、和定位位置相关的不确定区域、定位一次所需的最少时间、可以服务的定位请求个数、定位位置确定所更新的速率以及与定位相关的成本中的至少一个。

                          附图简述

图1是根据本发明的一个实施例的一种设备的框图。

图2是根据本发明的一个实施例的一种方法的流程图。

图3是用计算有效辐射功率(ERP)来分析反向链路的流程图。

图4是用计算最大可容忍路径损耗来分析反向链路的流程图。

图5是分析前向链路的一个流程图。

图6是基于卫星的定位系统分析的一个流程图。

图7是一个卫星可视分析的流程图。

                           发明详述

根据本发明的一个实施例的一种方法或设备可以被用来评估定位一个无线单元的几种不同解决方案的性能。这样的一种方法或设备可以被用在，例如，在一个无线通信系统的设计、部署、更新或检修期间。

尽管下面将以一个码分多址(CDMA)蜂窝电话网络为例对实施例的特定细节进行描述，但是本发明可以被应用于任何现存的或是提出的无线通信系统，而不考虑通信是在模拟的或是数字的链路上进行的，不考虑接入无线信道是否符合TDMA、FDMA、CDMA或另外的多址接入方案。

还应理解的是“定位”一词这里可以在主动意义上被使用，和语句“无线位置定位”那样表示一种限定一个对象的物理位置的动作，或是在被动意义上被使用，如语句“基站单元的位置”那样，表示一个对象所存在的物理点。

用于无线定位的技术可以大致地被分成三类：地面、GPS以及地面和GPS的混合方法。这三类技术中的例子包括：

·基于基础设施的覆盖方法：在系统中加入(或‘覆盖’)固定位置的专用

于定位的接收器和/或天线。这些接收器可以但是不必须共同位于任何现存的基站单元中。

·基于基础设施的集成方法：系统中添加额外的处理功能来支持定位，但不添加接收器或天线。

·基于移动单元的独立卫星方法：每个移动单元根据从定位卫星来的信号计算它自己的位置。

·网络辅助卫星方法：每个移动单元从地面网络接收辅助信号，从定位卫星接收定位信号。

·基于网络的卫星方法：每个移动单元从地面网络接收辅助信号，测量从定位卫星来的定位数据，并把和这些信号有关的数据传递给基础设施。基础设施中的一个或多个处理单元然后从该数据确定移动单元的位置。

·混合方法：每个移动单元从地面网络接收辅助信号，并同时从地面网络和定位卫星接收定位数据。定位数据可以被移动单元用来计算位置，或者可以被发送至基础设施中的一个或多个处理单元来确定移动单元的位置。

对一个或多个这种方法的评估是在一些性能测试的基础上来完成的。评估的结果可以用一些不同的格式来显示和/或存储，并还可以出于加权的目的与人口统计信息结合。

数据库

根据本发明的一个实施例的一种设备工作在一个目标地区的环境中，该环境对应了至少部署了一个现存或提出的无线通信系统的一部分的物理区域。根据通信系统的属性，以及它所希望的定位能力，目标地区可以是一个地理区域(如对于一个蜂窝电话网络而言)或一个建筑物或其它结构的一部分(如对于一个无线LAN而言)，并可以同时包括室内和室外区域。

这样的一种设备包括和目标地区以及现存或提出的基础设施有关的一组收集到的结构化信息集合。该信息集可以包括一个或多个数据库，它们存储如下的信息：

·关于目标地区的物理信息，如地理拓扑和质量，建筑物和其它人工结构和特征的位置和特性，以及和区域以及信号传播之间的互动有关的其它信息；

·关于目标地区中的基础设施的信息，如现存或提出的基站单元的个数、位置、高度、和配置以及其它特性。

·和目标地区有关或是和将会在一个特定地点发现一个移动单元的概率有关的人口统计信息，如人口或消费者的分布，陆用或区域地图，以及网络使用密度数据。

因而，在设备中目标地区被表示成二维平面(如用经度和纬度采样)或三维空间(如用经度、纬度和高度采样)中离散的空间。换句话说，每个空间对应于目标地区的一个面积单元(或一个体积单元)。对于蜂窝电话网络而言，每一纬空间大小在30至100米之间被认为是可以很好的进行工作。对于更加受限制区域中的网络而言，就相应地需要一个更小的空间大小。应该注意到所有这些空间不需要在大小或是维数上都是一样的，因为目标地区中的某些区域可能需要被模拟得比其它区域更详细。这样的表示可以通过设备(例如，根据用户对目标地区的选择)来生成，或者可以作为一个独立的项目或是结构化信息集合的一部分被载入。正如下面将要描述的，为每个空间所计算的一组值(通常是有关该空间的中心点)为某种特定的方法预测在该位置的定位能力质量提供了基础。根据本发明的一个实施例的一种设备可以包括一个或多个处理单元，用来进行这些值的计算以及这里所讨论的其它计算。

预处理

在使用根据本发明的一个实施例的一种设备的过程中，可能需要目标地区的一个复合传播损耗矩阵。该矩阵可以是二阶和/或三阶的，它表示的是在每个基站和目标区域中的各个地点间传输的信号的传播损耗程度。这样的一种矩阵可以作为结构化信息集合的一部分被加载；可选地，它可以用一个网络分析工具来生成，如QEDesign或是根据美国专利号5710758，1998年1月20日公布的题为“WIRELESS NETWORK PLANNING TOOL”的专利文件中所描述的，该专利已转让给本发明受让人。在构建该矩阵时，可以使用、选择或组合一个或多个路径损耗模型，包括例如，自由空间损耗模型，短期模型如Ricean，Rayleigh(室外环境)或Nakagami(室内环境)，或长期模型如对数距离或由Okumura，Hata，Lee以及其他人开发的模型。很多这种合适的路径损耗模型已为本领域所熟知，并在如1992年纽约John Wiley和IEEE出版社出版的由Raymond Steele编辑的“Mobil Radio Communication”一书第二章之类的文件中有所描述。还可以使用衍射损耗模型，不管是单独使用或是结合这里所引用的其它模型一起使用皆可。由于目标地区的表示可能包含不同大小和/或维数的空间，同样地复合传播损耗矩阵的某些值也可能对应于有着和其它区域不一样大小和维数的区域，尽管在由复合传播损耗矩阵值所表示的区域和目标地区表示的空间之间不需要有一一对应的关系。类似地，不同的路径损耗模型可以被用于矩阵的不同部分。

类似地，为目标地区获得或生成一个需求矢量可能是十分有用的。该矢量指出了目标地区中各个地点对定位服务的实际或计划需求。这样的需求信息可以从另外的设计工具引入(如QEDesign)，从其它的来源下载，或由用户以下列形式来指定：

·统一需求，其中需求信息是例如为整个地区指定的一个统一值；

·定制需求地图，包含每个空间的需求；或

·陆用和陆用厄兰映射，其中每个陆用分类被映射到一个以厄兰/km²为单位的

需求上。然后可以用一个陆用地图和一个陆用厄兰映射表来指定该目标区域中的需求。

其它需求信息的来源包括网络使用记录，人口密度地图，调查以及其它人口统计信息。如果在比较靠后的一个阶段之前，如显示阶段，该设备都无法获得需求信息，那么该矢量的载入或生成可以被推迟，这样就可能降低随机存取的存储要求。

在用地面方法来评估一个定位系统的实用性(或回报)的过程中所使用的一个测量数据是基站单元i的灵敏度S_i。这个测量数据在确定一个移动单元在某个特定位置发射的一个信号是否能被一个特定的基站单元足够强地接收到时是非常有用的。另外，无线单元接收卫星信号时的灵敏度可能和基于卫星的方法有关，用来确定无线单元是否能够获得卫星的定位信号。在一个CDMA网络中，例如，一个给定基站单元的灵敏度S_i可以用下列表达式来表述：

S_i＝10log(kT_iR)+F_i+(E_b/N_t)-10log(1-X)        (1)其中k是波尔兹曼常数(1.38×10^-23Joule/deg Kelvin)，T_i是以开氏温标为单位的接收器温度，R是以符号/秒为单位的数据速率，F_i是接收器的噪声系数，X是反向链路加载因数，E_b/N_t是为了达到所需的分辨率和检测概率以及虚警概率，所要求最小的每比特能量和噪声功率谱密度比。然而，要注意的是本发明不限于采用CDMA的网络，且可以被应用于其它任何无线通信系统。

在这种特定的灵敏度表达式中，第一项表示了接收器热噪声，第二项表示了接收器固有噪声(对于理想接收器，F_i＝0)，第三项表示了支持定位处理要求的处理功能所需的最小信噪比(SNR)。第四项是CDMA系统所特有的，尽管在任何其它具有多个发射器的系统的灵敏度表达式中也可以找到类似项。作为默认的，可以选择50％(即当前负载，或者说活动移动单元的个数，占容量的50％)作为X的默认值。

在根据本发明的一个实施例的一种设备中，在开始分析一个特定的定位方法之前，可以载入或生成从每个基站单元来的一个或多个灵敏度值。还应该注意到的是Cramer-Rao界理论指出了判断峰值能量的位置(位置和信号到达时间有关)时的误差变化是和E_b/N_t成反比的。

地面分析和评估

地面定位技术提供了超过基于卫星的方法的一些优势，比如更好的信号室内覆盖以及相比较而言更容易对装置进行修理和更新。同样，一些地面方法可以不经修改地应用于移动单元。尽管某些地面方法要求在基础设施中添加硬件(如，以覆盖接收器和/或天线的形式，它们可以和基站放在一起或不放在一起)，也可以实现只需要现存的硬件来完成额外的处理任务的其它方法。

一个地面定位系统可以基于信号衰减，到达角度(AOA)，或到达时间(TOA)/到达时间差(TDOA)而工作。尽管严格的CDMA移动发射器的电源控制支持了根据信号衰减进行定位的可行性，但是这种方法并不受到重视，因为除了距离之外很多原因都有可能造成信号的衰减。类似地，为了实现一个定位精度足够高的AOA系统所需的天线的特有性质也使其比TOA或TDOA的方法更逊色。然而，要指出的是根据本发明的一个实施例的一种方法或设备可以被用来评估任何这样的系统。

在用地面方法来评估一个定位系统的实用性的过程中所使用的另一个测量数据是移动单元接收到的从基站单元i来的信号的信噪比。该测量数据在确定从基站发射的信号在移动单元的位置是否可见时是非常有用的。

到达时间差(TDOA)

一个移动单元发射的信号以大约1000英尺每微秒的速度进行传播。如果基站单元在接收信号时可以非常精确地测量出信号的传播时间(即发射时间和TOA之间的差值被确认到一个相当高的精确度)，那么就可以确定移动单元是处在以基站单元为中心，以传播时延和光速的结果为半径的一个圆上。由于以两个不同基站为圆心所确定的圆将交汇出两个交点，因此可以知道为了毫无疑义地确定一个二维地点，必须有三个不同的基站对传播时间进行精确的测量。如果要确定三维地点，那么传播时间必须由四个不同的基站来精确地测量出。

在很多实际情况中，时钟的不精确将使得无法准确地得知到达时间，因此可以代之以一种到达时间差(TDOA)技术。在每个基站单元接收到信号时，它要被打上时间标签。通过比较一对基站单元A和B接收到信号时的时间标签，可以做出一支双曲线，双曲线上的每一点到基站单元A和到基站单元B相差一个固定的距离，其中该固定距离是光的速度和时间标签差的结果。通过在三个不同的基站之间比较时间标签对，可以定义出两支不同的双曲线对，并且从它们的交点可以识别出唯一的一个二维地点。该定位方法是被称为双曲线三角测量术的一种技术形式。应该指出的是，对于上面所讨论的传播时延的方法，为了精确地确定一个三维地点，需要获得四个基站单元的测量结果。很明显，任一种方法都要求移动单元对于一些基站单元来说是可见的。

反向链路分析

为了评估地面系统的性能(例如实现了TDOA方案)，可以分别或同时使用两种不同的方法。一种形式是反向链路分析，它指出了移动单元所发射的信号是否足够强，以使得它可以到达所要求个数的基站单元，并具备足够的信号强度来支持被研究的定位方案。为了确定特定空间中的一个发射器对特定基站单元而言是否可见，我们必须确定信号到达时的质量，该子任务类似于前面所引用的美国专利号第5710758号中所述的设备所完成的功能。针对于这种确定的一个可能标准是最大可容许路径损耗L_max，它可以被表示为：

                    L_max＝P_max-S_i                            (2)其中P_max是移动单元在该空间中的一个位置处的最大发射功率，而S_i是基站单元i的灵敏度(例如按照上述方法进行计算)。如果从复合传播损耗矩阵来的值指出该空间和基站单元i之间的估计路径损耗小于L_max，那么就假设基站单元i可能从该空间中的移动台接收信号(换言之，在该空间中的一个位置上用功率P_max进行发射的移动单元将对基站单元i“可见”)。

另一个可能的标准是移动单元的有效辐射功率(ERP)，被计算成为了使信号被一个特定基站单元接收所必须使用的发射功率电平。特定空间k中的移动单元相对于特定基站单元i的ERP可以被表示为：

            ERP_k，i＝S_i/PL_k，i                          (3)其中从空间k到基站单元i的路径损耗PL_k，i可以被定义为：

            PL_k，i＝Gm_kL_k，iGb_k，i                      (4)即为空间k中的移动单元的非定向天线增益Gm、空间k和基站单元i间的路径损耗L(如，从复合传播损耗矩阵中得到)和基站单元i的定向天线在空间k上的方向上的增益Gb之积。如果ERP不大于P_max，那么就假设在空间k中的一个位置上用功率P_max进行发射的移动单元将对基站单元i可见。

尽管CDMA系统在TDOA测量方面具有特殊的优势(例如由于它们的高带宽和抗多径干扰能力)，但是仍然有可能产生由于在很多这样的系统中所实现的功率控制所造成的问题。为了达到系统的最大容量，以大致相同的功率电平接收所有移动单元的信号就显得非常重要了。因此，靠近它的控制基站的移动单元将被指令降低它的功率输出。然而，就定位而言，这样的操作造成了降低移动单元对其它基站单元的可见性的副作用，并造成了移动单元离基站单元越近，反而越难对其进行定位的反常结果。

对于不重要的增值消费服务而言，这个结果可以作为为大多数用户保持系统的整体性的后果而被接收。然而，在诸如紧急情况等的某些情形下，可能要求允许移动单元用最大可用功率来进行发射，以使得它的位置可以被确定，而不考虑对其它话务所造成的影响。在位于弗吉尼亚州的阿林顿的电信和电子工业协会(TIA/EIA)所公布的IS-95B标准的6.6.4.17节中包括了这样的功能。因此，在进行定位评估时就可能要同时考虑这两种移动单元工作情形。

前向链路分析

还可以通过分析前向链路来确定例如移动单元是否能够从所需个数的基站单元处接收到足够强的信号，从而评估用于地面定位的系统。CDMA系统的一种有用的测量就是导频码片能量E_c和总输入功率谱密度I_t的比值(在每个空间为每个基站单元进行计算)

$\frac{E_c}{I_t}=\frac{\mathrm{p\ζL}}{(N+I)B}---\left(5\right)$

其中p是基站单元的功率放大器的总输出，ζ是分配给导频信道的信号部分，L是基站单元和该空间内的一个地点和基站单元之间的路径损耗，N是移动单元的低噪声放大器(LNA)的输入的热噪声功率谱密度，I是由其它基站单元造成的干扰的功率谱密度，而B是移动单元的带宽。如果E_c/I_t所获得的值大于一个预定的阈值，那么就可以假设从基站单元来的导频信号可以被用来确定该空间内的一个地点。

误差分析

对于前向或反向链路分析而言，定位的精度将会受到信号个数之外的因素的影响。例如，在反向链路上影响定位精度的因素可以包括由于噪声、多径干扰和量化所造成的TOA测量误差。对于前向链路而言，影响定位精度的因素可以包括由于噪声、多径干扰和量化所造成的导频相位测量误差。除了这些误差之外，基站位置(‘位置误差’)和信号的发射时间的不确定性也将影响定位的精度。

由于噪声所造成的测量误差可以用无偏估计器的方差的Cramer-Rao下界来估计。由于因为量化所造成的测量误差可以通过提高采样速率来降低，因此根据本发明的一个实施例的设备也可以支持在时间上和/或空间上不同采样速率的评估。

在根据本发明的一个实施例的设备中，诸如上述的这些误差可以被集中到用于反向和前向链路分析的模糊因素阵列中。合适的模糊因素的一个例子是精确度淡化(DOP)，它表示了位置误差和测距误差(包括了上面所指出的因素)间的比值：

$\mathrm{DOP}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_y^2}/{\mathrm{\σ}}_s---\left(6\right)$

其中σ_x和σ_y指出了x轴和y轴位置误差的标准偏差，而σ_s指出了测距误差的标准偏差。另一个适合的模糊因素是几何DOP(GDOP)，针对三个基站单元B₁、B₂、B₃和一个移动单元M的GDOP可以表示为：

$\mathrm{GDOP}=\frac{\sqrt{3-\cos ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_3)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}}{|\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_3)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)|}---\left(7\right)$

其中θ₂表示的是从B₂到M和B₁的张角，而θ₃表示的是从B₃到M和B₁的张角。其它适合的模糊因素包括位置DOP(PDOP)，水平DOP(HDOP)和时间DOP(TDOP)。模糊因素可以被计算用来对应目标地区的表示(即每个空间一个因素)或者可以被不同地构建(如地区的一个部分可以比其它部分更详细)。

卫星模拟和评估

作为用于定位的地面技术的替换或补充，可以使用基于卫星的定位技术。适合使用这种技术的定位卫星系统的一个例子是NAVSTAR全球定位卫星(GPS)系统；另一个例子是GLONASS GPS系统。在每种情况中，移动单元必须具备额外的能力来处理或至少捕获由定位卫星所发射的信号。在一种方案中(即独立方案)，移动单元计算它自己的位置，并把它报告给一个或多个基站单元。在另一个方案中(即基于网络方案)，移动单元报告和从卫星接收到的信号有关的数据，而基站单元从该数据确定移动单元的位置。在第三种方案中(即基于网络方案)，移动单元和基站单元都直接参与定位。

在评估基于卫星的方案时，根据本发明的实施例的设备在预定的期间内以预定的分辨率计算所有(或选定个数的)GPS卫星的位置(例如在一星期的时间内每隔一分钟)。这样的卫星位置信息可以用例如1995年6月2日出版的“Global Positioning System Standard Positioning Service SignalSpecification，2^nd edition”的2.5节(“用户算法”)中所描述的方法和算法来计算。

可以选择一个遮掩仰角(如5度)来说明只有在它的仰角高于遮掩仰角时才可以假设一个卫星是可见的。在特定时间对于每个空间(或者，可选地，对于被至少预定个数的基站单元确定为可见的每个空间)，将为该空间计算每个卫星的方位角和仰角，并确定在该时刻该卫星是否是可见的。这些角度可以用下列的算法来计算：

1)计算空间的纬度和经度(分别为lat_u和lon_u)，并且还计算该空间在一个地固地心(ECEF)坐标系统中的坐标(x_u，y_u，z_u)。

2)如下地计算因素R

$R=\left[\begin{array}{ccc}-\sin \left({\mathrm{lon}}_u\right)& \cos \left({\mathrm{lon}}_u\right)& 0\\ -\sin \left({\mathrm{lat}}_u\right)\cos \left({\mathrm{lon}}_u\right)& -\sin \left({\mathrm{lat}}_u\right)\sin \left({\mathrm{lon}}_u\right)& \cos \left({\mathrm{lat}}_u\right)\\ \cos \left({\mathrm{lat}}_u\right)\cos \left({\mathrm{lon}}_u\right)& \cos \left({\mathrm{lat}}_u\right)\sin \left({\mathrm{lon}}_u\right)& \sin \left({\mathrm{lat}}_u\right)\end{array}\right]---\left(8\right)$

3)如下地计算因素east，north，和up：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{east}\\ \mathrm{north}\\ \mathrm{up}\end{array}\right]=R\×\left[\begin{array}{c}{x}_s-x_u\\ y_s-y_u\\ z_s-z_u\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中x_s，y_s，z_s是卫星的ECEF坐标。

4)如下地计算因素r：

$r=\sqrt{{\mathrm{east}}^2+{\mathrm{north}}^2+{\mathrm{up}}^2}---\left(10\right)$

5)如下地计算卫星仰角：

${\sin }^{-1}\left(\frac{\mathrm{up}}{r}\right)---\left(11\right)$

和卫星的方位角：

${\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{east}}{\mathrm{north}}\right)---\left(12\right)$

其中tan^-1表示四像限反正切函数。如果卫星的仰角低于遮掩仰角，那么就可以认为此刻从该空间是不可见的。否则如果空间是一个空旷(即非城市)区域，那么卫星也可以被认为是可见的。

对于对应于城市的空间而言，还要将建筑物高度、街道方向和街道宽度等地形参数考虑在内。一种预测城市地点对于卫星的可见性的算法如下：

1)计算由于建筑物位于卫星的方位角上所造成的仰角约束1，且如果街道的方向是南北向：

$l=\mathrm{abs}\left(\frac{0.5\×\mathrm{street}\_\mathrm{width}}{\tan \left(\mathrm{azimuth}\right)}\right)---\left(13\right)$

如果街道的方向是东西向，那么1为：

          l＝abs(0.5×street_width×tan(azimuth))      (14)

其中street_width是街道宽度，azimuth是卫星的方向角。

2)计算障碍角为：

${\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{bldg}\_\mathrm{ht}}{\sqrt{{(0.5\×\mathrm{street}\_\mathrm{width})}^2+l^2}}\right)---\left(15\right)$

其中bldg_ht是在卫星方位角方向上的建筑物高度。如果卫星的仰角大于障碍角，那么就可以认为此刻卫星是可见的。否则，就可以认为朝向卫星的视线将会被建筑物所阻挡。

当为每个所需的卫星、时间和空间的组合完成了这样的计算，就可以为每个空间计算出每个时刻视野内的卫星平均个数，以及模糊因素如DOP。

混合技术的评估

在城市环境中，可以预计用于定位的地面方法将比基于卫星的方法更合适。在城市环境中基于卫星方案的精度被降低了，因为有隧道，由‘城市峡谷’效应所造成的卫星可见限制角，以及由于信号反射所造成的多径干扰。即使是在非城市环境中，任何高处的障碍物如树冠可能都会阻挡卫星和移动单元间的路径。

然而，在乡村地区以及其他基站间相隔的距离较大的区域中，地面方案将无法工作，因为需要移动单元被多个不同基站单元可见。另一方面，基于卫星的方案，可能在没有障碍物的乡村环境中工作得比较好。

对于这些问题的一种可能解决方案是将地面解决方案和GPS解决方案进行合并。这样的一种混合方案将使得移动单元能被比在地面方案中为了定位所要求的个数更少的基站可见，以及能被比在GPS方案中所要求的个数更少的GPS卫星可见的情况下，对移动单元进行定位。在根据本发明的实施例的设备中，用户可以通过合并和这里所描述的其他两种或多种方案有关的分析和/或评估来选择和评估一种混合方案。

评估和显示

对特定方案性能的评估以及不同方案间的比较可以包括一个或多个下列的考虑因素：

·服务可用性：对于定位失败或具有无法接受的精度的定位的度量。该度量值可以表现为：支持可接受精度的定位服务的覆盖百分比(如在区域或用户个数方面)。

·覆盖：可以被定义为依据地理(如区域)或人口统计(如客户或陆用)或这些特征的某些组合。

·精确度：指定位置的不确定性的度量(如以米的均方根值或累积分布来统计)。

·延时：定位所需的最短时间的度量。

·容量：可以服务的请求个数和位置所能更新的速率的度量。

·可靠性：系统可用性的度量。

·信令复杂性：报告定位的机制的复杂性度量

·管理：和定位系统的维护与操作有关的复杂度和成本的度量。

一旦完成了特定的评估，就可以准备显示或存储结果。在根据本发明的一个实施例的设备中，将显示目标地区的地图，在地图上可以用颜色编码来指示例如所采用的解决方法和在每个空间可见的基站单元和/或卫星个数。其它显示的信息可以包括可以定位的移动单元的百分比以及每个空间的预期定位精度。评估信息和/或这些信息的统计分析结果还可以被存储以备离线或未来的使用、传输或分析。

用于地面系统评估的有用统计信息可以包括可见的基站单元个数，信号强度，信噪比，可以看见N个基站单元的空间所占的百分比(其中N是某个预定的数)，至多可以看见N个基站单元的空间所占的百分比，可以看见N个基站单元的移动单元所占的百分比，以及至多可以看见N个基站单元的空间所占的百分比。对于卫星系统评估而言，有用的统计信息可以包括可见的卫星个数，信噪比，仰角，多普勒频移，可以看见N个卫星的空间所占的百分比(其中N是某个预定的数)，至多可以看见N个卫星的空间所占的百分比，可以看见N个卫星的移动单元所占的百分比，以及至多可以看见N个卫星的空间所占的百分比。

实施例

图1以模块形式显示了根据本发明的一个实施例的设备。如前文中所讨论的，该设备包括传播损耗矩阵M10，需求矢量M50，拓扑数据库M20，以及GPS模拟引擎M30。这些资源可以被模块M40访问以完成对选定地面定位系统的评估，并且可以被模块M60访问以完成对选定基于卫星定位系统的评估。这些评估结果可以在模块M70中进行合并，以产生对选定混合定位系统的评估。如前文中所讨论的，一个结构化信息集合可以包含传播损耗矩阵M10、拓扑数据库M20和需求矢量M50中的一个或多个，而模块M30、M40、M60和M70的工作可以由诸如微处理器或类似的逻辑单元阵列之类的一个或多个处理单元来完成。

设备的特定实施例可以有很大的改变。在一个实施例中，只可以支持地面定位系统，而模块M30、M60和M70可以被排除。反过来，另一个实施例只支持基于卫星定位系统，在这种情况下可以省略模块M10、M40和M70。对某些应用而言需求矢量M50可能是不需要的。类似地，对于某些应用而言可以删除在模块M40中的前向链路和反向链路分析之一。

图2显示了根据本发明的实施例的一种方法。在任务P10中，目标地区被划分成空间。该任务可以包括按照前面所描述的来生成或加载目标地区的表示。在任务P20中，将访问该目标地区的一个传播损耗矩阵。同样，该矩阵可以本地生成或是从存储器加载。

在任务P30中，将初始化一个需求矢量。如前面所提到的，该矢量可以从存储器加载或是由诸如陆用地图、网络使用记录等信息来生成。应该注意的是由于需求矢量被用来定标分析结果，该任务可以被延迟至提供了这些结果时。在更加受到限制的实施例中，该任务可以被省略。

在任务P40中将完成进行反向链路分析。对于使用ERP(有效辐射功率)计算的分析来说，在图3中更详细地呈现了该任务。在子任务P110和P120中分别选择一个特定的空间和基站单元，且用例如上面的表达式(1)在子任务P1 30中计算出该基站单元的灵敏度(可选地，可以从存储器或其它的来源来加载该值)。用例如上面的表达式(3)和(4)在子任务P140中计算出该空间中的移动单元的ERP。如果在子任务P150中发现ERP大于移动单元的最大发射功率(或某些其它的阈值)，那么就可以断定该基站单元将无法检测到该信号(基该移动单元对该基站单元不可见)(子任务P160)。否则，就认为移动单元对该基站单元是可见的(子任务P170)。在子任务P180中，将存储子任务P160或P170的结果。

在子任务P190中，将选择下一个考虑的基站单元。应该注意的是不需要为在选定空间中的移动单元由于例如距离、地面阻挡结果或建筑物、干扰发信机或其它干扰源等而不可见的基站单元计算该结果。

在子任务200中，为由测试所确定的选定空间的位置计算一个或多个模糊因素。这些因素可以包括DOP(根据上面的表达式(6)进行计算)或GDOP(根据上面的表达式(7)进行计算)。应该注意的是，如果确定了该空间中的移动单元将对少于预定个数的基站单元可见，则该空间可以被指定为不可定位，且可以跳过子任务P200和P210。在子任务P210的精确分析中，将使用模糊因素(结合任何已知的或是估计的误差)来确定该空间中的移动单元的预期的定位结果精度。在子任务P220中，将为下一个空间重新启动该任务；如果没有剩下的空间了，该任务将结束。

图4显示了用最大路径损耗的标准而不是ERP在任务P40中进行反向链路分析的子任务。这些子任务可以和图3中所显示以及前文中所讨论的一样，除了(a)在子任务P145中用计算最大可容许路径损耗(根据如上面的表达式(2))代替子任务P140的计算以及(b)在子任务P155中把这个值和从该空间中的移动单元到选定基站单元的一条路径的路径损耗(根据如前面的表达式(4))进行比较代替了测试子任务P150。

在任务P50中完成前向链路分析，图5更详细地显示了该任务。该图中的很多子任务(即子任务P310、P320、P380、P390、P400、P410和P420)完成和前面的图3与图4中相应的子任务类似的工作(即分别是子任务P110、P120、P180、P190、P200、P210和P220)。在子任务P330中，将计算(或载入)选定基站单元所输出的功率。在子任务P340中，根据如前面的表达式(5)计算E_c/I_t的比值。如果在测试子任务P350中确定该值不小于一个预定的阈值，那么在子任务P370中就可以断定导频信号对于定位是有用的。否则，就可以在子任务P360中断定导频信号对于定位是没有用的。

在任务P60，将进行卫星分析。图6中更详细地展示了该任务。在子任务P500中选择一个遮掩仰角，而在子任务P510中选择一个空间。在子任务P520中，根据诸如离建筑物或其它建筑物的远近，人口密度等因素把选定的空间分类成敞开区域或是城市区域。

在子任务P350，将如在图7中所详细描述的一样进行卫星可见性分析。在子任务P600和P620，选择一个特定的卫星和时间。在子任务P620中根据例如前面所引用的GPS规范的2.5节来计算选定卫星在选定时刻的位置。在子任务P630中，根据如前面的表达式(11)和(12)计算出卫星相对于选定空间的方位角和仰角。

在子任务P640中，将计算仰角和遮掩仰角。(应该注意到在知道该测试的结果之前并不是严格需要计算出方位角)如果仰角不大于遮掩仰角，那么就可以认为该卫星是不可见的，并在子任务P660存储该结果。否则，将在子任务P650中参考该空间的分类。如果该空间被分类成敞开空间，那么就可以认为卫星在该空间是可见的，并在子任务P660中存储该结果。

如果子任务P650的测试判定选定空间被分类成城市空间，那么将在子任务P670中取回和该空间有关的城市参数(如街道宽度和走向以及街道两旁的建筑物的平均高度)。在子任务P680中，根据前面的表达式(15)计算出该空间的障碍角。如果测试子任务P690判定卫星的仰角超过了该空间的障碍角，那么就可认为该卫星是可见的，并在子任务P660中存储该结果。否则，就可认为该卫星是不可见的，并存储该结果。测试子任务P700和P710使得该子任务为下一个时刻或卫星而重复，直到用尽这样的选择，那么子任务将结束。如此，就可以确定和在任一具体的时刻从每个空间可以见到的卫星个数有关的统计数据和结果。

在子任务P540中，为由测试所确定的选定空间的位置计算一个或多个模糊因素。  (应该注意到如果确定从选定空间只能看见少于预定最小个数的卫星，那么子任务P540和P550就不需要进行。)这些因素可以包括诸如水平DOP(纬度和经度数据质量)、垂直DOP(高度数据质量)、位置DOP(三维测量质量)、时间DOP(时间确定的质量)、几何DOP(包括时间确定的三维测量质量)或相关DOP(规格化至一段时间的测量质量，如60秒)之类的DOP因素。在子任务P650，可以通过考虑除了在选定空间可见的卫星信号个数以及该空间的DOP统计数据之外的、一个或多个下列因素来预测进行测试的基于卫星定位系统的精度：

·噪声引起的伪测距测量误差。可以使用Cramer-Rao界来进行这样的分析。

·多径干扰引起的伪测距测量误差。

·量化引起的伪测距测量误差。

·剩余电离层和对流层延时引起的误差。

·剩余选择性可用性误差

如果测试子任务P560指出还有剩下的空间要处理，那么任务将从子任务P510开始。否则，任务P60将结束，并在任务P70中对需要评估的任何混合系统做出分析。在任务P80中，通过应用需求矢量对任务P40、P50、P60和/或P70的分析结果做出定标，并在任务P90中显示、存储和/或传输该结果。

在很多情况中，操作可以平行地或者以和这里所示范的不同的循环顺序来进行。例如，可以一次性计算所有卫星在所有时刻的位置信息(在一个示范性实施例中，时间被分成一分钟的间隔，且卫星位置的计算扩展至一星期的时间)。可选地，在准备好下一个卫星的位置信息之前，可以处理和用完一个卫星在所有空间和所有时刻上的位置信息。

前面所提供地对较佳实施例的描述是为了使本领域任何技术人员可以实现或使用本发明。可能对这些实施例做出各种修改，且这里所展示的一般原理还可以被应用在其它实施例上。例如，应该注意到的是一旦在增加了精确定位的能力以确保符合如前文所讨论的规则时，可以廉价地增加和定位有关的额外特征来促进成本的降低和收入的产生，比如下面一些例子：

·定位灵敏的计费

·紧急情况管理

·欺诈检测和管理

·执法跟踪

·船队管理

·存货监视

·网络优化

因此本发明的实施例可以包括有关这些服务的评估或成本效益分析。

另外，根据本发明的实施例的设备可以用作一种专用单元，或者根据本发明的实施例的方法可以用软件实现，并允许通用微型计算机、工作站或是服务器以类似的方式工作。因此本发明还可以实现成存储有机器可读码的一个数据存储媒质，机器可读码包括由诸如微处理器或其它数字信号处理设备之类的逻辑单元阵列所执行的指令。这样，本发明并不试图局限于上面所显示的实施例，而是应根据这里以任何方式所揭示的原理和新颖特征所符合的最宽广的范围而定。

在根据本发明的实施例的方法或设备的进一步应用中，需要计划定位系统中的信令话务来评估系统的处理要求。在一个例子中，一个模块(可以以硬件和/或软件实现)预测诸如在移动单元和计算它们位置的服务器之间所期望的会传递的消息个数之类的统计量。该模块或者另外的设备可以使用这些统计数据来评估诸如系统所需的容量(即在某个给定的时刻系统可以处理多少定位请求)和/或系统的最小吞吐量(即在某个给定的时间段系统必须能够处理多少定位请求)之类的特征。

通过使用校准和/或更新技术使用于估计信号电平和TDOA测量之类的预测模块生效，还可以改善根据本发明的实施例的方法和设备。在一个例子中，这些参数的实际测量值被用来作为调整和改进模块的基础。

在根据本发明的实施例的方法或设备的进一步应用中，该方法和设备被用来支持移动单元的实际或模拟定位。在一个例子中，一个测量矢量和目标地区中的一个空间相匹配。该测量矢量可以被一个实际的移动单元报告，或者被一个模拟移动单元输出。

Claims (39)

1.一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储至少部分和目标区域有关的结构化信息集合，包括传播损耗矩阵、拓扑数据库和需求矢量中的一个或多个；以及

至少一个处理单元，

其中至少一个处理单元处理结构化信息集合的至少一部分并产生进一步的信息，

所述进一步的信息至少部分和用于定位目标区域中的无线单元的至少一个系统的预测定位性能有关，

进一步的信息包括根据性能标准对预测定位性能所做的评估，性能标准包括可以定位到一个可接收精确度的目标区域的百分比、和定位位置相关的不确定区域、定位一次所需的最少时间、可以服务的定位请求个数、定位位置确定所更新的速率以及与定位相关的成本中的至少一个。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，结构化信息集合至少部分和目标区域中所部署的蜂窝电话网络中的基站数量、位置、高度以及配置有关。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，无线单元包括蜂窝电话。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，无线单元至少部分通过不承载和目标地区中无线单元位置有关信息的无线信道进行通信。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，无线信道包括射频信道。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，无线信道至少承载语音信息。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，结构化信息集合包括和目标地区有关的拓扑信息、和目标地区有关的人口统计信息以及和目标地区中的人口分布有关的信息中的至少一个。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，结构化信息集合包括目标区域的表示，目标区域的表示包括多个空间，每个空间对应于目标区域的面积元素和体积元素中的至少一个。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，需求矢量至少部分根据定制需求地图、陆用地图、人口密度地图以及人口统计信息中的至少一个来获得。

10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，结构化信息集合还包括需求矢量，需求矢量中的每个元素对应于多个空间中的至少一个。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，预测定位性能包括对应于多个空间的至少一部分中的每一个的值，每个值都和相应空间内的一个无线单元的定位有关。

12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，结构化信息集合包括传播损耗矩阵，传播损耗矩阵中的每一个元素对应于多个空间中的一个或多个。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，传播损耗矩阵的至少一部分中的每个元素值是至少基于路径损耗模型和衍射损耗模型中的一个。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，路径损耗模型包括自由空间损耗模型、短期模型和长期模型中的至少一个。

15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，用于在目标区域中确定一个无线单元位置的至少一个系统包括地面定位系统，所述地面定位系统包括多个基站。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，地面定位系统包括基于基础设施的覆盖系统和基于基础设施的集成系统中的至少一个。

17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，地面定位系统至少在从无线单元来的信号的到达时间差的基础上确定无线单元的位置。

18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，至少部分使用前向链路分析来获得预测定位性能的至少一部分。

19.如权利要求15所述的设备，其特征在于，至少部分使用反向链路分析来获得预测定位性能的至少一部分。

20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，反向链路分析至少部分基于无线单元的有效辐射功率。

21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，反向链路分析至少部分基于多个空间中的一个特定空间和多个基站单元中的至少一个之间的最大可容许路径损耗。

22.如权利要求15所述的设备，其特征在于，预测定位性能包括和定位有关的误差分析，和定位有关的误差包括噪声产生的误差、多径干扰产生的误差以及量化产生的误差中的至少一个。

23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，和定位有关的误差还包括多个基站单元中的至少一个基站的位置不确定性和无线单元发射信号的时间的不确定性中的至少一个。

24.如权利要求22所述的设备，其特征在于，和定位有关的误差分析包括至少一个模糊因素的计算，至少一个模糊因素包括几何精确度淡化、位置精确度淡化、水平精确度淡化和时间精确度淡化中的至少一个。

25.如权利要求12所述的设备，其特征在于，用于在目标区域中确定一个无线单元位置的至少一个系统包括基于卫星的定位系统。

26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，基于卫星的定位系统包括基于移动单元的独立系统、网络辅助系统以及基于网络的系统中的一个。

27.如权利要求25所述的设备，其特征在于，基于卫星的定位系统从NAVSTAR和GLONASS全球定位卫星系统中的至少一个系统的卫星接收信号。

28.如权利要求25所述的设备，其特征在于，预测定位性能至少部分基于在特定的时刻计算全球定位卫星系统中的多个卫星的位置。

29.如权利要求25所述的设备，其特征在于，预测定位性能至少部分基于在特定空间对全球定位卫星系统中的多个卫星的可见性。

30.如权利要求25所述的设备，其特征在于，预测定位性能包括和定位有关的误差分析，和定位有关的误差包括噪声产生的误差、多径干扰产生的误差以及量化产生的误差中的至少一个。

31.如权利要求30所述的设备，其特征在于，和定位有关的误差还包括和大气条件相关的误差以及和选择性可用性相关的误差中的至少一个。

32.如权利要求30所述的设备，其特征在于，和定位有关的误差分析包括至少一个模糊因素的计算，至少一个模糊因素包括几何精确度淡化、位置精确度淡化、水平精确度淡化、时间精确度淡化和相关精确度淡化中的至少一个。

33.如权利要求12所述的设备，其特征在于，在目标区域内用于无线单元定位的至少一个系统包括混合定位系统，

其中所述混合定位系统包括地面定位系统的至少一部分和基于卫星定位系统的至少一部分。

34.一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储至少部分和目标区域有关的结构化信息集合，该结构化集合包括目标区域的采样表示，该结构化集合进一步包括和目标地区内所配置的基站单元有关的信息；以及

至少一个处理单元，

其中至少一个处理单元处理结构化信息集合的至少一部分并产生进一步的信息，

所述进一步的信息至少部分和用于确定目标区域中的无线单元位置的至少一个系统的预测定位性能有关，

进一步的信息至少部分基于前向链路分析、反向链路分析以及用全球定位卫星进行的分析中的至少一个。

35.一种用于模拟和规划无线定位网络的设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储拓扑数据库，传播损耗矩阵以及至少一个处理单元，

其中拓扑数据库包含和目标区域有关的拓扑信息，

其中传播损耗矩阵的至少一部分元素中的每个元素都表示目标区域中的位置之间的路径损耗，

其中至少一个处理单元进行前向链路分析和反向链路分析中的至少一个，至少一个链路分析是至少部分基于从拓扑数据库来的信息和从传播损耗矩阵来的信息，

至少一个处理单元输出和无线单元定位系统相对于目标区域的预测定位性能有关的信息。

36.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述处理单元还被配置成在多个时刻计算多个全球定位卫星的位置，

所述处理单元还被配置成进行卫星可见性分析。

37.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述处理单元还被配置成输出和混合定位系统的预测定位性能有关的信息。

38.如权利要求35所述的设备，其特征在于，所述存储器还进一步存储需求矢量，至少一个链路分析至少部分基于从需求矢量来信息。

39.一种用于模拟和规划无线定位网络的方法，其特征在于包括下述步骤：

访问结构化信息集合，该结构化信息集合至少部分和目标地区有关，包括传播损耗矩阵、拓扑数据库和需求矢量中的一个或多个；

处理结构化信息集合的至少一部分；

产生进一步的信息，其中进一步的信息至少部分和用于确定目标区域中的无线单元位置的至少一个系统的预测定位性能有关，

进一步的信息包括根据性能标准对预测定位性能所做的评估，性能标准包括可以定位到一个可接收精确度的目标区域的百分比、和定位位置相关的不确定区域、定位一次所需的最少时间、可以服务的定位请求个数、定位位置确定所更新的速率以及与定位相关的成本中的至少一个。

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