一種利用基站定位的方法
【專利摘要】本發明提供一種利用基站定位的方法，包含：在移動通訊網絡中，服務器由定位通訊裝置或定位通訊裝置的服務小區(Serving?Cell)接收定位通訊裝置在移動通訊網絡的無線網絡環境信息，其中無線網絡環境信息包含小區的座標及小區發射信號于定位通訊裝置的接收功率；所述小區包含服務小區以及定位通訊裝置至少一鄰近小區；服務器使用無線網絡環境信息，估算定位通訊裝置的位置。本發明所提供利用基站定位的方法，可避免對用以定位的小區座標過度評價或評價不足，能夠以穩定的方式，提升基站定位的精準度。
【專利說明】一種利用基站定位的方法
【技術領域】
[0001] 本發明關于一種定位方法，特別是關于一種利用基站定位的方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著無線傳輸技術的多樣化與普及化，定位的方式也變得多元，而不再局 限于傳統的GPS(Global Positioning System)全球衛星定位法。目前其他常見的定位方 法包含移動通訊網絡基站定位法（簡稱基站定位法）、WIFI熱點定位法以及RFID感測器定 位法，其中各種定位法的精準度及涵蓋范圍，均有所不同，而有其不同的應用。
[0003] 以RFID感測器定位法而言，單一感測器的涵蓋范圍隨著使用頻段的不同而有所 區別，一般介于數十厘米至數米之內，因此其涵蓋范圍相對狹窄，但精準度也最高；若要擴 大其涵蓋范圍，則須以相當高的密度，布建RFID感測器，因此該定位方式局限于室內，可應 用于人員進入特定建筑物的定位與監控。WIFI熱點定位，是利用無線網絡中的路由器，來 達到定位的功能，單一路由器的涵蓋范圍，大約在200米左右，因此其精準度約略也在此一 范圍；WIFI熱點定位，已可將定位的范圍，由室內延伸至室外，但仍無法完全避免涵蓋的死 角，另一個更嚴重的缺陷，在于此技術較為耗電，因此，此技術無法支援長時間連續性的定 位。GPS定位法，在涵蓋范圍方面，幾乎沒有任何限制，其精準度也可達到數米，其主要缺陷 在于涵蓋死角，例如在室內或建筑物密集的都會區，定位裝置可能無法與衛星建立連線，而 導致定位失效；GPS定位的其他缺陷，尚包含耗電以及開機后，第一次取得定位信息較為耗 時。
[0004] 隨著無線電話的普及，無線通訊網絡基站的數量及密度越來越高，基站涵蓋的范 圍越來越廣，且涵蓋死角越來越少，利用基站定位無線通訊系統中的通訊裝置變得可行。基 站定位具有涵蓋范圍大、涵蓋死角較少、耗電量可接受等優點，其缺陷主要在于精準度；單 一基站的涵蓋范圍，可能廣達數十公里，因此若利用基站定位，除基站的座標外，尚需其他 輔助信息，以估算定位裝置與基站間的距離。
[0005] 在一無線通訊網絡中，每一基站可能包含多個小區（Cells)，其數量取決于每一小 區天線可涵蓋的角度，以及區域內的用戶數；一常見的組態，為一基站包含三個小區，每一 小區涵蓋120°的范圍，但亦有基站僅有單一小區，該單一小區涵蓋360°的范圍；在另一 極端的組態，區域內的用戶密度較高，因此單一基站包含六個小區，每一小區仍涵蓋120° 的范圍（有重復覆蓋的狀況）。目前利用基站定位的方法，大致可區分為單一基站定位與 多基站定位；在一無線通訊網絡中，一通訊裝置可能會偵測到多個可提供通訊服務的小區， 隨著這些小區與該通訊裝置距離的不同、實際環境的差異（例如有無受到遮蔽、天候）、以 及每一小區不同的負載狀況（用戶的多少），該通訊裝置會服務于單一小區（稱作Serving Cell)，該服務小區為提供該通訊裝置通訊服務（語音、數據等）的小區，而在同一時間，可 提供該通訊裝置通訊服務的其他小區（但該通訊裝置沒有實際服務于其上），則稱為鄰近 小區（Neighborhood Cells)。單一基站定位，多利用一通訊裝置服務的小區信息（座標、與 該通訊裝置的距離等），計算出該通訊裝置的可能范圍；為提升定位的精準度，則有多基站 定位技術的出現，圖1即例示一種常見的多基站定位法，其使用三個小區（圖1中的101、 102及103)的信息，利用三個小區所屬的基站座標，以及一通訊裝置100與不同基站間的估 算距離，分別劃分出多個該通訊裝置的可能位置，再以幾何交集的方式，定出一較精準的通 訊裝置位置。在圖1的范例中，亦可能使用一加權比重運算法，賦予每一小區座標不同的權 值，最后依各加權后座標的總和，估算該通訊裝置的位置。多基站定位所需的各小區信息， 由該通訊裝置搜集，若定位的運算是由一服務器執行，該服務器可通過該通訊裝置或該通 訊裝置的服務小區取得所需信息。
[0006] 除了一般的通訊裝置外（例如移動電話），亦可設計專門用于基站定位的定位裝 置，該裝置只要具有移動電話業者所提供的用戶識別模塊（一般是插入SIM卡），即可在該 移動電話業者的無線通訊網絡中，利用基站定位。在本說明書中，一般的移動裝置與專門用 于基站定位的定位裝置，合稱為定位通訊裝置。
[0007] 利用多基站信息，以上述加權比重運算法估計定位通訊裝置位置，仍面臨許多技 術上的難題，其主要在于在定位通訊裝置或其服務小區所提供的各種數據信息中，要依據 何種信息，以何種方式，來賦予每一小區座標不同的權值，使得該加權運算，一方面能提供 較精準的定位估算，一方面不致受到因環境變化產生的極端數據影響，過度評價或評價不 足某些座標，以至于結果不可預期，意即估算定位通訊裝置的演算法，必須兼顧精準性與穩 定性，在兩者間取得一平衡。
【發明內容】
[0008] 為以穩定的方式，提升基站定位的精準度，本發明提供一種利用基站定位的方法， 包含：在移動通訊網絡中，服務器由定位通訊裝置或定位通訊裝置的服務小區（Serving Cell)接收定位通訊裝置在移動通訊網絡的無線網絡環境信息，其中無線網絡環境信息包 含小區的座標及所述小區發射信號于定位通訊裝置的接收功率；所述小區包含：服務小區 以及該定位通訊裝置至少一鄰近小區；服務器使用無線網絡環境信息，估算定位通訊裝置 的位置。本發明是以服務小區以及鄰近小區的座標為主要信息，估算定位通訊裝置的位置， 而以各小區發射信號于定位通訊裝置的接收功率為輔助信息，提升定位的精準度。
[0009] 在基站定位的各種演算法中，加權比重運算法是較為穩定的運算方式，在該演算 法中，無線網絡環境信息中每一小區的座標是被一相對應的權值所加權，定位通訊裝置的 位置估算值，是為加權后小區座標的總和。舉一極端的范例，在使用加權比重演算法的定位 估算中，最基本的一種方式，是賦予每一用以估算的小區座標相同的權值，因此定位通訊裝 置的估算座標，即為所述小區座標的算術平均值，亦即所述小區的幾何中心。由此一極端范 例，可看出加權比重運算法的穩定度，不論所述用以估算的小區座標如何分布，此最基本的 加權比重演算法均穩定計算出所述小區的幾何中心，穩定但有限度地提升定位精準度。相 對而言，前述幾何交集法（參考圖1)，則不具此穩定性；舉例而言，當用以估算的小區座標 分布十分接近時，幾何交集法無法根據多個小區座標，收斂估算的位置至更精準的范圍。 [0010] 前述最基本的加權比重演算法，是可被改良以進一步提升定位的精準度，此一改 良是通過調整用以估算的小區座標的權值，此一權值調整，是根據小區座標以外的其他信 息，所述信息反應出每一所述小區座標不同的重要性（與定位通訊裝置實際接近的程度）， 動態上可以想象通過權值的調整，定位通訊裝置的估算地址，由穩定的幾何中心，向較重要 的座標調整，以更接近定位通訊裝置的實際位置，定位精準度因此提升；因此本發明還提出 在加權比重運算中，每一小區的座標相對應的權值，是相關于該小區發射信號于定位通訊 裝置的功率衰減值。
[0011] 理論上，根據小區發射信號能量是均勻分布于三度空間的前提下，上述小區的座 標相對應的權值，應線性相關于小區發射信號于定位通訊裝置的功率衰減值倒數的立方 根；但根據實際的測試，此方式并無法帶來令人滿意的定位效果，其主要原因在于，實際的 無線通訊環境中充滿許多遮蔽物，因此信號的衰減值導因于遮蔽，而非單純因距離而產生 的信號衰減，因此，若使用發射信號于定位通訊裝置的功率衰減值倒數的立方根作為小區 座標權值的依據，將無法獲得令人滿意的定位結果。另一方面，若在用以定位的小區座標 中，有多個小區距離定位通訊裝置的實際位置較遠，且彼此分布較為分散，將導致定位精準 度的下降；為克服此一問題，具有高功率衰減值的小區的重要性，應被適當弱化。因此本發 明復提出在加權比重運算中，小區的座標相對應的權值，是線性相關于小區發射信號于該 定位通訊裝置功率衰減值的對數值，顯而易見的，該線性相關是為負向，因越大的衰減值應 對應于較低的權值。
[0012] 為更進一步界定小區發射信號于該定位通訊裝置功率衰減值與小區座標權值的 關系，本發明復具體提出在加權比重運算中，所述小區發射信號于該定位通訊裝置功率衰 減值的對數值的最大值為max_dB，所述小區中的一小區發射信號于該定位通訊裝置功率衰 減值的對數值為dB [i]，該小區座標相對應的權值，線性相關于max_dB-dB [i]。
[0013] 由于目前的移動通訊裝置，多具備相當的計算能力，因此估算一定位通訊裝置的 位置，未必需要通過一額外的服務器，該估算可由定位通訊裝置本身所完成。因此本發明還 提供一種利用基站定位的方法，包含：在移動通訊網絡中，定位通訊裝置搜集定位通訊裝置 在移動通訊網絡的無線網絡環境信息，其中無線網絡環境信息包含小區的座標及所述小區 發射信號于定位通訊裝置的接收功率；所述小區包含：服務小區以及該定位通訊裝置至少 一鄰近小區；定位通訊裝置使用無線網絡環境信息，估算定位通訊裝置的位置。
[0014] 本發明所提供利用基站定位的方法，可避免對用以定位的小區座標過度評價或評 價不足，能夠以穩定的方式，提升基站定位的精準度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不 構成對本發明的限定。在附圖中：
[0016] 圖1是一種常見的幾何交集定位法示意圖。
[0017] 圖2是本發明第一實施例的定位范例示意圖。
[0018] 圖3是本發明第二實施例的定位范例示意圖。
[0019] 圖4是本發明第三實施例的定位范例示意圖。
[0020] 符號說明
[0021] 通訊裝置 100
[0022] 小區 101、102、103
[0023] 定位通訊裝置200
[0024] 小區 201、202、203、204、205、206、207
[0025] 估算座標 211、212、213
[0026] 定位通訊裝置300
[0027] 小區 301、302、303、304、305、306、307
[0028] 估算座標 311、312、313
[0029] 定位通訊裝置400
[0030] 小區 401、402、403、404、405、406
[0031] 估算座標 411、412、413
【具體實施方式】
[0032] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發明實施 例作進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但并不作為 對本發明的限定。
[0033] 以下三個實施例，是以本發明所提出的定位方法，估算一定位通訊裝置的位置，該 定位通訊裝置為一般的移動通訊裝置（手機），但亦可為具有移動電話業者所提供的用戶 識別模塊而專為定位用途的定位裝置。在以下三個實施例中，定位的演算，是由一服務器所 執行，但亦可為具計算能力的定位通訊裝置本身所執行；定位演算所需的無線網絡環境信 息，是由該定位通訊裝置所搜集，并提供給該定位通訊裝置的服務小區，因此當定位演算是 由另一服務器所執行時，該服務器可通過該定位通訊裝置的服務小區，取得所需的無線網 絡環境信息。
[0034] 在本發明各實施例，定位演算是利用多個小區（包含該定位通訊裝置的服務小區 以及至少一鄰近小區）信息，主要為小區座標（即小區所屬的基站座標），以及所述小區發 射信號于該定位通訊裝置的接收功率，上述接收功率的慣用單位為asu，其與另一功率常用 的單位分貝毫瓦（dBm)是通過下列公式轉換：
[0035] dBm=_113+2*asu; [1]
[0036] 假設用以定位的小區共有η個，其座標分別為（coordinate_N[i], coordinate_ E[i])，i=l, 2, 3…η ;這些小區發射信號功率的分貝毫瓦值，減去這些小區發射信號功率于 該定位通訊裝置的接收功率的分貝毫瓦值，即為這些小區發射信號于該定位通訊裝置的功 率衰減值的對數值（單位為分貝），這些小區發射信號于該定位通訊裝置的功率衰減值的 對數值表達為dB[i]，i=l，2, 3…η，其中最高的衰減值的對數值為max_dB，在以下三個實施 例中，根據本發明所提供的方法，該定位通訊裝置的位置可被估算為（cel_N，cel_E)，其關 系式如下：
[0037] ce 1_N= [coordinate_N [ 1] * (max_dB~dB [l]+l)+coordinate_N[2]* (max_ dB-dB [2] +1) +......+
[0038] coordinate_N[i]*(max_dB_dB[i]+l)+......+coordinate_N[n]*(max_ dB-dB [n]+l)]/
[0039] temp_dB;
[0040] ce 1_E = [coordinate_E [ 1] * (max_dB_dB [ 1] +1) + coordinate_E [2] * (max_ dB-dB [2] +1) +......+
[0041] coordinate_E[i]*(max_dB_dB[i]+l)+......+coordinate_E[n]*(max_ dB-dB [n]+l)]/
[0042] temp_dB;
[0043]
[2]
[0044] 其中temp_dB是滿足下列關系：
[0045] t emp_dB= (max_dB_dB [ 1 ] +1) + (max_dB_dB [2]+l)+......+ (max_dB_dB [i]+l)+......+
[0046] (max_dB_dB [n]+1) [3]
[0047] 依據上述公式，每一用以定位的小區座標，是被一權值所加權，該權值為（max_ dB-dB[i]+l)/temp_dB，明顯地，該權值是線性相關于max_dB-dB[i]。
[0048] 為凸顯本發明的優點，在以下三個實施例中，分別提供另外兩種估計定位通訊裝 置的演算法，以與本發明所提供的方法做一比較；其中一種為前述基本的加權比重演算法， 每一座標被賦予相同權值，以此種演算法，該定位通訊裝置的位置可被估算為（ce2_N，ce2_ E)，其關系式如下：
[0049] ce2_N=[coordinate_N[1]+coordinate_N[2]+......+coordinate_N[i]+...... +coordinate_N[n]]/
[0050] n;
[0051] ce2_E=[coordinate_E[1]+coordinate_E[2]+......+coordinate_E[i]+...... +coordinate_E[n]]/
[0052] n; [4]
[0053] 另一種提供與本發明比較的演算法，是為一調整的加權比重演算法，其中小區的 權值，是線性相關于功率衰減值的對數值倒數的立方根，以此種演算法，該定位通訊裝置的 位置可被估算為（ce3_N，ce3_E)，其關系式如下 ：
[0054] ce3_N= [coordinate_N[l]*(l/dB[l]) '0. 3333 + coordinate_N[2]*(l/ dB[2]) ~0. 3333+......+
[0055] coordinate_N[i]*(l/dB[i]) '0. 3333 +......+coordinate_N[n]*(l/ dB[n])~0· 3333]/
[0056] ssr_dB;
[0057] ce3_E=[coordinate_E[l]*(l/dB[l]) ~0. 3333 + coordinate_E[2]*(l/ dB[2]) ~0. 3333+......+
[0058] coordinate_E [i] * (1/dB [i] ) ~0. 3333 +......+coordinate_E [n] * (1/ dB[n])~0· 3333]/
[0059] ssr_dB;
[0060]
[5]
[0061] 其中ssr_dB是滿足下列關系：
[0062] ssr_dB=(l/dB[l]) ~0. 3333+(1/dB [2]) ~0. 3333+......+ (1/dB [i] )~0. 3333+...... + (l/dB[n]) ~0. 3333
[0063] [6]
[0064] 第一實施例
[0065] 本發明第一實施例的定位范例，是如圖2所示。其中一定位通訊裝置200是藉由 七個小區201、202、203、204、205、206、及207的信息來定位，其中小區201、202、及204同隸 屬于一基站；該定位通訊裝置200是服務于其中一小區，而其他六個小區，是為該定位通訊 裝置200的鄰近小區。這七個小區的座標（北緯，東經）、發射信號功率、發射信號于該定位 通訊裝置的接收功率以及功率衰減值如下表一所列。
[0066]
【權利要求】
1. 一種利用基站定位的方法，其特征在于，包含： 在一移動通訊網絡中，一服務器由一定位通訊裝置或該定位通訊裝置的服務小區接收 該定位通訊裝置在該移動通訊網絡的無線網絡環境信息，其中該無線網絡環境信息包含小 區的座標以及所述小區的發射信號于該定位通訊裝置的接收功率；所述小區包含：服務小 區以及該定位通訊裝置至少一鄰近小區； 該服務器使用該無線網絡環境信息，估算該定位通訊裝置的位置。
2. 如權利要求1所述的利用基站定位的方法，其特征在于，該服務器使用該無線網絡 環境信息，估算該定位通訊裝置的位置，是利用一加權比重運算法，該無線網絡環境信息中 每一所述小區的座標是被一相對應的權值所加權，該定位通訊裝置的位置估算值，為所述 加權后小區座標的總和。
3. 如權利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，每一小區的座標相對應的 權值，相關于該小區發射信號于該定位通訊裝置的功率衰減值。
4. 如權利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小區的座標相對應的 權值，線性相關于所述小區發射信號于該定位通訊裝置功率衰減值的對數值。
5. 如權利要求2所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小區發射信號于該定 位通訊裝置功率衰減值的對數值的最大值為max_dB，所述小區中的一小區發射信號于該 定位通訊裝置功率衰減值的對數值為dB[i]，該小區座標相對應的權值，線性相關于max_ dB-dB[i] 〇
6. -種利用基站定位的方法，其特征在于，包含： 在一移動通訊網絡中，一定位通訊裝置搜集該定位通訊裝置在該移動通訊網絡的無線 網絡環境信息，其中該無線網絡環境信息包含小區的座標以及所述小區的發射信號于該定 位通訊裝置的接收功率；所述小區包含：服務小區以及該定位通訊裝置至少一鄰近小區； 該定位通訊裝置使用該無線網絡環境信息，估算該定位通訊裝置的位置。
7. 如權利要求6所述的利用基站定位的方法，其特征在于，該定位通訊裝置使用該無 線網絡環境信息，估算該定位通訊裝置的位置，是利用一加權比重運算法，該無線網絡環境 信息中每一所述小區的座標是被一相對應的權值所加權，該定位通訊裝置的位置估算值， 為所述加權后小區座標的總和。
8. 如權利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，每一小區的座標相對應的 權值，相關于該小區發射信號于該定位通訊裝置的功率衰減值。
9. 如權利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小區的座標相對應的 權值，線性相關于所述小區發射信號于該定位通訊裝置功率衰減值的對數值。
10. 如權利要求7所述的利用基站定位的方法，其特征在于，所述小區發射信號于該 定位通訊裝置功率衰減值的對數值的最大值為max_dB，所述小區中的一小區發射信號于該 定位通訊裝置功率衰減值的對數值為dB[i]，該小區座標相對應的權值，線性相關于max_ dB-dB[i] 〇
【文檔編號】H04W64/00GK104066171SQ201310167210
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年5月8日 優先權日:2013年3月19日
【發明者】陳修德, 王淑芬, 柯嘉惠 申請人:財團法人電信技術中心