CN1679253A - 使用定位信息的移动通信系统 - Google Patents

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CN1679253A CNA038206692A CN03820669A CN1679253A CN 1679253 A CN1679253 A CN 1679253A CN A038206692 A CNA038206692 A CN A038206692A CN 03820669 A CN03820669 A CN 03820669A CN 1679253 A CN1679253 A CN 1679253A
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A·森多纳里斯
许大山
D·M·帕特森
P·苏布拉马亚
寺澤大輔
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    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/204—Multiple access
    • H04B7/216—Code division or spread-spectrum multiple access [CDMA, SSMA]

Abstract

使用有关移动终端相对基站的位置的信息的方法和装置可以改进通信系统的性能。此外，有关移动终端相对基站的速度的信息可用来改进通信系统的性能。所述位置信息可用来估算标称PN偏置，而一组PN偏置用来处理通信信号。所述速度信息可用来估算通信信号的标称频率。

Description

使用定位信息的移动通信系统
                         发明背景
相关申请
本申请要求2002年8月30日提交的美国临时申请第60/407,410号的优先权。
发明领域
本发明涉及无线通信，尤其涉及基于远程终端相对基站的位置来处理信号。
有关技术的描述
无线通信系统可以包括多个远程终端和多个基站。在远程终端和基站之间的通信在无线信道上传递，并可以使用各种多址接入技术之一完成，这些技术在有限频谱中容纳大量用户。多址接入技术的例子包括时分多址接入(TDMA)、频分多址接入(FDMA)和码分多址接入(CDMA)。
基于CDMA的系统相对其它类型的多址接入系统可以提供某些优势。例如，CDMA允许频谱多次复用，从而使系统用户容量得到提高。此外，CDMA技术的使用使无线信道的特有问题可以通过多径如衰减的负面影响的减轻被克服，还可以利用其中的优势。CDMA系统通常设计成实现一个或多个标准，例如IS-95、CDMA2000和WCDMA标准，它们都是本领域众所周知的并被全部引用在此。
在基于CDMA的系统中，通信信号使用伪随机(PN)码被“扩频”。由于信号共享共同的频谱，单个信号以它们独特的PN码而加以区别。在CDMA系统中，通信信号也互相同步。
在典型的CDMA系统中从基站传输到远程终端的信号一般被称为前向链路，它包括有共同PN序列的导频信号。每个基站传输它的导频信号，在时间上和邻近基站的导频信号有偏置，这样这些导频信号在远程终端可以被互相区分。在任何给定时刻，远程终端都可以接收来自多个基站的多个导频信号。使用由本地PN发生器产生的PN序列的拷贝，终端可以确定收到的导频信号的相对相位或PN偏置，从而识别传输导频信号的对应基站。导频信号的相对相位通过匹配或相关本地PN序列和所收到的信号而测量。导频信道相关为解调在前向链路上发送的其它通信信号提供一致的相位参考。虽然没有由远程终端发送到基站的导频信号，它通常被称为反向信道，远程终端也被分配用来发送信号到基站的独特的PN序列。基站相关所分配给远程单元的在反向链路信号的PN序列，然后可以从中识别由哪个远程终端传输该信号。
通常，使用在相关过程的搜索引擎通过一套PN偏置，一般被称为搜索窗，它一般包含通信信号的PN偏置。例如，在远程终端接收的导频信号的标称PN偏置不仅是由单个基站的导频信号导入的偏置的结果，而且也应归于远程终端相对各个基站的位置。由于导频信号从各个基站以不同的距离到达远程终端，由远程终端接收的导频信号会被延时以及偏置，由于每所经过的不同距离有不同大小的时间。所接收的导频信号的PN偏置中的不确定性导致远程终端在大搜索窗中搜索，消耗终端中的可以用于其它功能的稀少资源。
如果远程终端在运动和相对基站在移动，确定标称PN偏置就更复杂。在常规移动终端中，为了保存电力和延长电池寿命，终端可以进入大多数通信功能、包括搜索引擎、都关掉电源的“睡眠”状态。如果移动终端在电力被重新应用前相对基站移动，从基站接收的导频信号的标称PN偏置就会已经改变。这样，即使导频信号的标称PN偏置在远程单元进入“睡眠”时是已知的，当移动终端唤醒时标称PN偏置可能是不同的，而新的搜索必将进行，将消耗额外远程终端资源。
由于移动终端的移动而引起的另一个问题是当终端相对基站移动时在终端和基站接收的信号的频率中都会有明显的变化。频率上这种明显的变化是因为众所周知的被称为多普勒频移的现象。因为多普勒频移产生的频率变化需要移动终端和基站使用不同频率假设进行搜索，然后确定哪个假设产生最佳效果。再一次，使用各种假设的搜索耗费资源。
所以在本领域内需要技术以提供导频信号的标称PN偏置的改进的估算。此外，在本领域内需要技术以改进频率假设的选择。
                         发明内容
现描述使用移动终端相对基站的位置信息以改进通信系统的性能的方法和装置。此外，移动终端相对基站的速度信息可以用来提高通信系统的性能。位置信息可以用来估算标称PN偏置，而一套PN偏置可以使用在处理通信信号中。速度信息可用来估算通信信号的标称频率。
在一个方面，无线通信系统中处理信号的搜索窗是基于移动终端的位置来确定的。系统可以确定至少一个移动终端相对基站的位置，基站有已知的位置。基于它们相互的位置可计算移动终端和基站之间的距离。在基站和移动终端之间传输的信号的标称PN偏置基于移动终端和基站之间的距离加以估算。使用所估算的PN偏置，系统确定搜索窗，用于处理所接收的信号。
按照另一个方面，移动终端基于移动终端和基站之间的距离估算来自基站的信号将由移动终端接收的标称PN偏置。使用标称PN偏置，移动终端确定一套PN偏置以搜索由基站传输的信号。此外，基站基于移动终端和基站之间的距离估算来自移动终端的信号将由基站接收的标称PN偏置。使用标称PN偏置，基站确定一套PN偏置以搜索由移动终端传输的信号。
在另一个方面，移动终端、基站、或它们两者，可以基于移动终端相对基站的速度估算所接收的信号的标称频率。所接收的信号的频率在变化，因为在移动终端和基站之间的相对运动产生多普勒效应。
在又一个方面，确定移动终端的位置在移动终端中完成。例如，移动终端可以接收来自导航系统的导航信号，例如GPS、LORAN-C或其它标准导航系统。移动终端使用导航信号确定它相对基站的位置。移动终端也可以把它的位置传输给基站供基站使用。
在另一个方面，移动终端对所收到的导航信号进行测量并把测量值发送到基站。基站使用由移动终端发送的测量值确定移动终端的位置。基站也可以传输位置信息到移动终端供移动终端使用。
本发明的其它特征和优势从下面优选实施例的描述将更加清楚，优选实施例作为例子说明本发明的原理。
                         附图简述
图1是说明无线通信系统中所传输的信号的相位延时的方框图。
图2是说明无线通信系统中所传输的信号的相位延时的补充细节的方框图。
图3是说明移动终端和基站的实施例的方框图。
图4是说明能够被用来实现本发明的各个方面的示例性硬件的方框图。
图5是说明确定搜索窗的技术的流程图。
图6是说明确定频率假设的技术的流程图。
                         发明详述
知道无线通信系统中远程终端的位置和速度可用来改进获取和跟踪信号的性能。例如，在基于CDMA的通信系统中，例如基于TIA IS-95、WCDMA和CDMA2000的系统中，移动终端相对附近基站的位置可用来更好地估算由移动终端和基站接收的信号的标称PN偏置。PN偏置通常以码片测量，其中一个码片表示信号的PN码的一个位。移动终端相对基站的速度的知识可用来更好地估算通信信号因为多普勒频移的标称频率。
图1是说明基于CDMA的无线通信系统中所传输的导频信号的PN偏置的方框图。如图1所示，基站102和在两个不同的位置出现的移动终端通信。当移动单元104在第一位置110时，基站102和移动终端104之间的通信信号112经过由D1表示的第一距离。当移动终端移动到第二位置120时，移动终端104和基站102和之间的通信信号112经过由D2表示的第二距离。第二距离D2比第一距离D1大，但这未必是实际情况。在图1中，移动单元在第二位置120时比移动终端在第一位置110时通信信号112在移动终端104和基站102之间经过较长距离，对应地用较长时间。
在移动终端和基站之间经过时间的不同引起在所收到的信号中相对移动终端中本地产生的PN序列不同的PN偏置。在图1中，图130说明在第一位置110从基站102传输到移动终端的导频信号的PN偏置。垂直轴表示所收到的信号强度，而水平轴表示在移动终端中本地产生的PN序列和在所收到的信号112中的PN序列之间以码片为单位的PN偏置。在CDMA通信系统中，在通信信号112在移动终端114被接收时通常被称为相关的过程被实现以帮助解调所收到的信号112。在相关中本地产生的PN序列或码在相位或时间上移动，直到它匹配所收到的信号112的PN序列或码。
在本地产生的PN码相关所收到的信号112的PN码时，具有在所收到的信号强度中所检测到的峰值或最大功率。例如，当移动终端104在第一位置110时，本地产生的PN码的相位是PN偏置D1量的偏置，由136表示，形成由138表示的所收到的信号强度的功率峰值。如果移动终端104移动到第二位置120，在移动终端接收的通信信号112的PN偏置是不同的。在图1中，图140说明在第二位置120从基站102传输到移动终端104的导频信号的PN偏置。如图130所示，在本地产生的PN码和所收到的信号112的PN码之间的相关在PN偏置D2发生，由142表示，形成由144表示的所收到的信号强度的功率峰值。
由于移动终端在第二位置120时比它在第一位置110时信号112经过较长距离，PN偏置D2比PN偏置D1大。移动终端将所收到的信号与假设的或测试值相关以能够解调通信信息，而相关过程耗费移动终端的资源。在进行初始相关时，如果远程终端的位置是未知的，例如它可以在位置110或120，搜索引擎就需要搜索足够长能覆盖PN偏置D2和PN偏置D1两个的PN偏置窗。但是，如果已知远程终端在特定位置110，就可以使用较小的搜索窗。使用较小的搜索窗导致减少移动终端在相关所收到的信号时要求的时间量及对应的资源。
在典型CDMA系统中，由于远程终端相对基站的位置是未知的，以码片计的搜索窗的尺寸可以以下面的公式和通信蜂窝区的半径R有关：
W＝((2*R)/c)*2*chipRate    码片    等式1
在等式1中，c是光速(大约3×108m/s)。
通信系统较大的蜂窝区尺寸潜在地对应较大的搜索窗。例如，如果蜂窝区有320公里的半径R而系统使用每秒为3.84×106m码片的码速率，则搜索窗W可能有这么大：
W＝((2*320*106)/3×108m)*2*(3.84×106)码片    等式2
W＝8192码片
如果搜索以半码片增量或偏置进行，在搜索窗就潜在地会有16384个偏置。如果蜂窝区半径是10公里，就可以使用对应较小的512个半码片偏置的搜索窗尺寸。搜索窗尺寸越大，在搜索中就要消耗远程终端更多的资源。此外，搜索窗尺寸影响相关误差或误警的概率，对给定的每偏置误警概率，较大的搜索窗尺寸导致更高的每窗误警率。
如果远程终端的位置在蜂窝区之内，或者从远程终端到基站的距离是已知的，就可使用对应的较小搜索窗。这保存了远程终端的资源并降低了误警的潜在数量。本发明利用位置信息去更有效地调整搜索窗尺寸。例如，即使蜂窝区半径是320公里，如果已知远程单元在基站的10公里内，这时不是在16384的PN偏置窗搜索而需要在仅512PN偏置的窗加以搜索。较小搜索窗的使用不仅降低远程终端需要用在搜索过程的资源，还可以降低误警的概率。
虽然例子描述在远程或移动终端的相关过程，因为基站和移动终端之间的距离而产生的PN偏置中的相同变化也在基站收到的信号中出现。在CDMA系统中，移动终端通常不传输导频信号这样基站不会收到它能相关的导频信号。但是，基站仍然需要相关从移动单元接收的信号，而由于移动终端传输它的同步到基站时间的信号，从移动终端到基站的距离的信息可用来估算在基站接收的信号中的PN偏置。
如下面的进一步论述，如果从移动单元到基站的距离是已知的，系统就可以确定对应所收到的信号和本地信号之间的相关的PN偏置的估算。使用所估算的PN偏置可以减少需要完成相关过程的时间量和资源并降低误警的潜在数量。
图2是说明无线通信系统中传输的信号的PN偏置的补充细节的方框图。在图2中对由基站传输的导频信号202加以说明。一般，导频信号是循环伪随机(PN)码。码是伪随机的，即不是真随机的，因为它是已知的“1”和“0”数据的循环。PN码或相位延迟(epoch)的开始位或者码片在点204上指定。在移动终端已知PN码的拷贝210由本地产生。本地产生的PN码具有在点212所示的相位延迟。
如相对图1的描述，随着导频信号从基站传到移动终端，时间在过去，这样由移动终端接收的信号在时间上显得有延时。也就是说，回去参考图2，由于所经过的距离，导频信号的相位延迟204直到后面的时间220才在移动终端的信号218中被接收。在相关阶段移动终端会调整其本地产生的PN码210这样它匹配或对齐所收到的PN码218的相位延迟220。在图2所示的例子中，本地产生的PN码210被延时以匹配所收到的信号218中的PN码。当移动终端104在第一位置110时两个PN码218、210对齐而需要的延时的量是PN偏置D1，标记为136。如果移动终端104移动到更远离基站的第二位置120，所收到的PN码218进一步延时到相位延迟222。移动单元在第二位置时两个PN码218、210对齐而需要的延时的量是PN偏置D2，标记为142。随着移动终端改变位置，两个PN码对齐而需要的延时的量也改变。
移动终端改变位置时除了PN偏置改变，所收到的信号的频率也因多普勒效应而改变。多普勒效应在发信机和接收机相互相对移动时改变从发信机收到的信号的频率。如果发信机和接收机相互相对移动得更近，所发射的频率被压缩，提高了所收到的信号的频率。如果发射机和接收机相互相对移动得更远，所发射的频率被扩展，降低了所收到的信号频率。
由于基站和移动终端的相对移动，在基站和移动终端之间传输的通信信号以和所传输的频率不同的频率而接收。由于频率不确定性，接收机通常会被配制成接收多个不同频率以容纳可能的多普勒频移。由于接收机不能被配制成接收所有可能的频率，所收到的频率会是什么的假设被用来提供足够的频率范围以接收所传输的信号。移动终端对基站的相对频率的知识能够改进要使用的假设的选择。
图3是说明按照本发明构建的移动终端和基站的实施例的方框图。移动终端104包括发射机301和接收机302以和基站102互相通信。接收机302的输出连接到搜索引擎304。如下所述，搜索引擎304完成所收到的导频信号的搜索以相关它们。移动终端也包括控制器306和位置引擎308。
基站102包括发射机310和接收机312以和移动终端104互相通信。接收机312的输出连接到对所收到的信号进行搜索的搜索引擎314。基站也包括控制器316和位置引擎318。
在一个实施例中，移动终端接收来自基站102的通信信号。位置引擎308接收导航信息并确定远程终端104的位置、速度和方向并把它们输出到控制器306。控制器306基于位置引擎的输出确定有关收到的信号频率的假设和PN偏置。搜索引擎304使用由控制器306确定的假设，在从基站接收的通信信号中搜索导频信号。在一个实施例中，位置引擎308从导航系统以信号的形式接收导航信息，例如从全球定位系统(GPS)或LORAN-C、或其它标准导航系统。在另一个实施例中，位置引擎308从蜂窝基础网络接收导航信息。在又一个实施例中，位置引擎从标准导航系统和蜂窝基础网络两者接收导航信息。在另一个实施例中，远程单元104接收导航信息信号并把它们传递到在其中确定远程单元位置、速度和方向并把它们返送到远程单元的基站。
在另一个实施例中，基站102接收来自远程单元104的通信信号。位置引擎318接收导航信息并确定远程终端104的位置、速度和方向并把它们输出到控制器316。控制器316基于位置引擎的输出确定有关收到的信号频率的假设和PN偏置。搜索引擎314使用由控制器316确定的假设，在从移动终端102接收的通信信号中得以相关。在一个实施例中，位置引擎318从导航系统以信号的形式接收导航信息，例如从全球定位系统(GPS)或LORAN-C、或其它标准导航系统。在另一个实施例中，位置引擎318从远程终端102和蜂窝基础网络接收导航信息。在又一个实施例中，位置引擎从远程终端102以及标准导航系统和蜂窝基础网络两者接收导航信息。在另一个实施例中，远程单元104的位置、速度和方向在移动单元中被确定并被传输到基站102。
图4是说明能够被用来实现本发明的各个方面的示例性硬件的方框图。具体地说，图4说明能够被用来描述因为多普勒频移产生的频率不确定性和因为接收信号中PN偏置的变化产生的延时不确定性的硬件。在图4中，接收机302接收通信信号。接收机302的输出连接到要相关的多个路径。单个路径406将予以详细描述。
接收机302的输出连接到混频器410以用合适频率的参考信号下变频所收到的信号。如上所描述，并不知道参考信号需要是什么频率，因为所收到的信号的频率由于移动终端和基站之间的相对速度所引起的多普勒而变化。这样，基于所选择的假设，需要有不同参考频率(f1，f2，...，fn)的多个混频器410。混频器的输出连接到在其中本地产生的PN码和所接收的信号进行混合的第二混频器412。使用在混频器412中的本地产生的PN码基于所选择的假设有不同的PN偏置以覆盖对应远程终端和基站之间的距离的所期望的PN偏置(PN1，PN2，...，PNn)。
这样所收到的信号的一组潜在频率以及一组潜在PN偏置都予以假设。假设的不同组合数量可以很大并将消耗移动终端的大量资源以尝试众多假设的不同组合。
知道移动终端对基站的相对速度使频率的假设有更好更少的选择。另外，移动终端和基站的距离知道使PN偏置的假设有更好更少的选择。
图5是说明确定搜索窗的技术的流程图。流程在模块502开始。然后流程继续到在其中移动终端的位置被确定的模块504。然后在模块506移动终端和基站之间计算距离。在模块508进行对所收到的信号的标称PN偏置的假设。然后流程继续到模块510，在其中确定用来搜索所收到的通信信号的一组PN偏置，即搜索窗。然后流程在模块512结束。
图6是说明确定频率假设的技术的流程图。流程在模块602开始。在模块604确定移动终端相对基站的速度。流程继续到模块606，在其中基于移动终端的速度估算所收到的通信信号的频率假设。然后流程继续到模块608，在其中使用所估算的频率假设完成通信信号的搜索。然后流程在模块610结束。
上面的描述详述本发明的某些实施例。但是可以理解不管上面的描述有多细致，本发明可以被包含在其它具体例子中而不脱离它的实质特征或精神。所描述的实施例在各个方面都应被认为是示例性而不是限制性的，而因此本发明的范围由下面的权利要求指出而不是由上面的描述。从权利要求的等效性的含义和范围来的所有变化都将被包含在它们的范围内。

Claims (26)

1.一种在无线通信系统中为处理信号确定搜索窗的方法，所述方法包括：
基于它们各自的位置，确定至少一个移动终端和基站之间的距离；
基于所述至少一个移动终端和所述基站之间的所述距离，估算在所述基站和所述至少一个移动终端之间传输的信号的标称PN偏置；以及
基于所述所估算的标称PN偏置确定用来处理所收到的信号的搜索窗。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基站完成估算标称PN偏置和确定搜索窗。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述所估算的标称PN偏置从所述基站被传输到所述至少一个移动终端。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述搜索窗从所述基站传输到所述至少一个移动终端。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一个移动终端完成估算标称PN偏置和确定搜索窗。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述至少一个移动终端接收的信号包括导频信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导频信号用伪随机码编码。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，不同基站导频信号以它们的独特PN偏置加以区分。
9.一种移动终端，包括：
配置成接收来自基站的通信信号的接收机；
配置成基于所述移动终端和所述基站之间的距离估算所收到的通信信号的标称PN偏置并响应于所述移动终端和所述基站之间的所述距离确定搜索窗的控制器；以及
配置成接受所述搜索窗并使用所述搜索窗完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
10.如权利要求9所述的移动终端，其特征在于，所述所收到的通信信号包括导频信号。
11.一种移动终端，包括：
配置成接收来自基站的通信信号的接收机；
配置成接受导航信息并从而确定所述移动终端的位置的位置引擎；
被配置成根据基于所述移动终端位置的所述移动终端和所述基站之间的距离估算所收到的通信信号的标称PN偏置、并响应于所述移动终端和所述基站之间的所述距离确定搜索窗的控制器；以及
配置成接受所述搜索窗并使用所述搜索窗完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
12.一种移动终端，包括：
配置成接收来自基站的通信信号的接收机；
配置成基于所述移动终端和所述基站之间的相对速度估算所收到的通信信号的标称频率并确定频率假设的控制器；以及
配置成接受所述频率假设并使用所述频率假设执行所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
13.如权利要求12所述的移动终端，其特征在于，所述所收到的通信信号是导频信号。
14.一种移动终端，包括：
配置成接收来自基站的通信信号的接收机；
配置成接受导航信息并从而确定所述移动终端的速度的位置引擎；
配置成基于所述移动终端和所述基站之间的速度估算所收到的通信信号的标称频率并确定频率假设的控制器；以及
配置成接受所述确定频率假设并使用所述确定频率假设完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
15.一种基站，包括：
配置成接收来自移动终端的通信信号的接收机；
配置成基于所述移动终端和所述基站之间的距离估算所收到的通信信号的标称PN偏置并响应所述移动终端和所述基站之间的所述距离确定搜索窗的控制器；以及
配置成接受所述搜索窗并使用所述搜索窗完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
16.如权利要求15所述的基站，其特征在于，所述标称PN偏置从所述基站传输到至少一个移动终端。
17.如权利要求15所述的基站，其特征在于，所述搜索窗从所述基站传输到至少一个移动终端。
18.一种基站，包括：
配置成接收来自移动终端的通信信号的接收机；
置成接受导航信息并从而确定所述移动终端的位置的位置引擎；
配置成根据基于所述移动终端位置的所述移动终端和所述基站之间的距离估算所收到的通信信号的标称PN偏置并响应所述移动终端和所述基站之间的所述距离确定搜索窗的控制器；以及
配置成接受所述搜索窗并使用所述搜索窗完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
19.如权利要求18所述的基站，其特征在于，所述标称PN偏置从所述基站传输到所述移动终端。
20.如权利要求18所述的基站，其特征在于，所述搜索窗从所述基站传输到所述移动终端。
21.一种基站，包括：
配置成接收来自移动终端的通信信号的接收机；
置成基于所述移动终端和所述基站之间的相对速度估算所收到的通信信号的标称频率并确定频率假设的控制器；以及
置成接受所述频率假设并使用所述频率假设完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
22.如权利要求21所述的基站，其特征在于，所述所估算的标称频率从所述基站传输到所述移动终端。
23.如权利要求21所述的基站，其特征在于，所述频率假设从所述基站传输到所述移动终端。
24.一种基站，包括：
配置成接收来自移动终端的通信信号的接收机；
配置成接受导航信息并从而确定所述移动终端的速度的位置引擎；
配置成基于所述移动终端和所述基站之间的速度估算所收到的通信信号的标称频率并确定频率假设的控制器；以及
配置成接受所述确定频率假设并使用所述确定频率假设完成所收到的通信信号的搜索的搜索引擎。
25.如权利要求24所述的基站，其特征在于，所述所估算的标称频率从所述基站传输到所述移动终端。
26.如权利要求24所述的基站，其特征在于，所述频率假设从所述基站传输到所述移动终端。
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