专利名称：用于电磁场评估的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及允许根据传播模型，估计在确定地理位置内存在、并由特定源或特定源组产生的电磁场的水平。
这些技术在规划、设计、构造和运行通信网络时发挥重要作用，尤其是在诸如蜂窝移动无线电电信网络的网络的性能优化方面。尤其是，评估在确定地理位置内存在的电磁场的水平对于度量新网络，以及升级和优化现有网络性能相当重要。
此外，所述技术可以具有便利定位移动网络的终端的行为的判定重要性，例如在使用基于功率测量的定位技术来提供所谓基于定位业务(LBS)方面。
背景技术：
传播模型是这样一种工具，其能够将所接收信号的电平(通常参照平均值)评估为无线电、几何和环境变量的函数，这些变量用于表征在发射机与接收机之间建立的移动无线电连接。
传播模型对于所有必须运行蜂窝网的设备非常有用，因为在规划和模仿所述移动无线电连接的物理层时使用所述传播模型。这些模型的使用对于所有那些旨在通过所接收功率测量来定位所述移动终端的方法同样非常有用。
基本上，在相关文献中提供了两种传播模型类型简单，即基本传播模型，以及使用地域(territorial)数据库的传播模型。
简单传播模型是这样一种方法，即根据基本几何参数，并基于传输载波的频率来估计电磁信号所经历的衰减，其中所述参数用于表征发射机与接收机之间的移动无线电连接(例如天线之间的距离、所述天线距离地面的距离)。可根据几何光学原理来研究所述电磁信号的传播。
这个种类包括Okumura/Hata模型，例如从“WirelessCommunications，Principles and Practice”的T.S.卷，Rapport，Prentice Hall PTR，1996年，116-119页中业已知晓。
基本上，输入发射机天线与接收机天线之间的距离、载波频率和发射机与接收机距离地面的高度，这种模型输出所估计的衰减。
简单传播模型基本上基于在对其校准进行测验期间内执行的观察。这些模型的缺点在于，对于信号在其传播期间内所经历的衰减估计不是非常准确，且难以抵制即使是与测验条件的很小偏离。
准确性的缺失可能会引起使用所述模型的系统内的问题例如，模拟可能会由于所述场估计内的误差而丧失对于真实性的接近，而定位引擎的准确性可能变得很差，度量亦不准确。
相反，使用地域数据库的模型更为准确但更具限制性其旨在通过利用对于信号在其内传播的区域的制图数据的了解，估计点内的磁场密度。其数据库可能包括关于地域地貌或诸如建筑物的传播障碍物存在的信息。
后一个种类包括在US-B-6 021 316内描述的技术方案，其使用二维地图来确定无线电波的衰减。所述地图包括关于在所述发射机位于的区域内存在的建筑物的几何信息。所述地图用于确定信号直接和通过反射而通过其传播的路径。
这种方法的主要缺点在于，使用地域数据库具有难度，因为发现和维持必须保持更新的数据库，且需要高的计算功率。
具体而言，所述方法不适合于用于模拟同样使用物理层模拟的移动无线电网络的系统在这种情况下，将精确的方法用于计算电磁场，模拟时间可能变得太长，从而当前不能有效使用；以及用于充分规划和初始度量移动无线电网络的系统在这种情况下，与收集构造所述数据库必需的启动数据收集相关的成本显然不符合应用需要。
在用于借助功率测量来估计移动无线电终端位置的系统内，为了使计算时间短暂，必须使用简单传播模型，同样是鉴于维持和更新制图数据将对于使用和运行系统成本具有消极影响。
在此应用领域内，众所周知，可通过测量移动通信网络的终端从所述网络内的各个无线电基站接收的电磁场密度，确定所述终端当前位于的地理位置。
具体而言，定位技术广为所知，其中所述移动终端测量从特定数量的无线电基站接收的电磁场的密度；将所测量的值与借助传播模型得到的估计值相比较，这导致估计位于所述网络覆盖地域的各个点上的无线电基站所产生场的可能值，以及所述移动终端的位置被识别为测量场值与所述传播模型所表现出的值之间差异最小的位置。
必需的处理功能通常由连接到所述网络的定位服务器执行。
随着对于与位置相关业务的需要增长，显然会出现使所述服务器能够执行相当多数量的定位操作的需要，每次定位操作必须在相当短时间内完成，且不会使用相当大的处理容量。因此，存在着基于既简单又可靠的模型估计场值的需要。
如果定位功能的至少一部分将由移动终端自身执行，由于所述移动终端处理容量整体上受到相当限制，以上需要尤其迫切。即使在新一代移动电话的情况下，其中可用的应用处理器具有与那些当前所使用蜂窝电话相比更佳的处理容量，以上需要也是必要的。
因此，申请人注意到存在若干可能的使用环境，其中一方面，基于简单传播模型的方法由于其不确性而不可用，并且另一方面，更复杂的方法由于计算复杂性和/或与构造和维持制图数据库相关的问题同样不可用。

发明内容
申请人试图克服基于简单传播模型的方法的不准确性问题，同时保持实施简单性的特征。而且，例如，申请人寻求可在所述系统内使用的技术方案，用于模拟同样使用物理层模拟的移动无线电网络，在所述系统中，通过功率测量估计移动无线电终端的位置，初步规划和初始度量移动无线电网络，而不会产生计算临界的原因和/或与构造和维持制图数据库相关的问题。
本发明的目的在于满足这些需要。
根据本发明，借助具有在所附权利要求书内特别说明的特征的方法来解决此问题。本发明还涉及对应的系统、并入所述系统和/或由于应用根据本发明方法产生的通信网络、能够载入至少一个电子计算机内存并包括实施本发明方法步骤的软件代码部分的相关计算机产品在上下文中，所述术语应当被理解为完全等同于包括控制计算机系统执行根据本发明方法的指令的计算机易读单元的含义。“至少一个电子计算机”显然旨在突出根据本发明，并借助分散体系结构体现本技术方案的可能性。
本发明通过考虑到服务于所述地域的网络的拓扑特征，提供所确定位置内(例如移动无线电网络的确定点内)的信号电平的估计，解决了上述技术问题。
因此，根据本发明优选实施例，对从通信网络所覆盖地区的确定位置内的至少一个电磁场源接收的场执行估计，所述通信网络包括多个电磁场源基于传播模型估计所述场，根据所述电磁场源的拓扑修改所述传播模型。
例如，可从无线电基站的地理配置开始，定义所述拓扑特征。具体而言，可引入取决于所述网络的拓扑特征的参数，并寻求所述传播模型对于所述参数的依赖性。
本文所述的技术方案可产生与借助简单传播模型得到的结果相比更准确的结果，同时免于上述更复杂模型内在具有的与管理地域数据库相关的缺点。
在优选实施例中，本文所述技术方案旨在不仅如简单模型已经做出的那样，基于所述链路(例如移动无线电)的几何参数，而且考虑到所述网络，尤其在所述接收机所位于点的周围的拓扑特征，估计所述场。在蜂窝移动无线电网络的情况下，可从所述无线电基站的地理配置开始，识别所述网络的拓扑特征当估计蜂窝网络内的场时，此信息在任何情况下都可用。
本文描述的技术方案基于这样一个观察事实，即信号电平与所述网络拓扑特征之间的依存性反映了在建筑物、地貌、庄稼而非木材的存在方面的地域特征与所述网络的拓扑特征方面的相依性。例如，在都市环境中，在建筑物高度密集的情况下，电磁场面临着许多传播障碍，与农村环境相比，经历更多衰减。为了确保可接受覆盖水平，移动无线电网络通常被设计为与农村环境相比，在信号经历更多衰减的都市环境内更为密集，在农村环境内，即使在较远的距离仍可辨识小区所发射的信号。此外，在都市环境中，由于必须提供更多的信道，因此小区更为密集。
因此，本文所描述的技术方案具有与当前所使用的最复杂方法可比较的准确性水平，但无实施方式复杂性和计算负担的问题。尤其是，申请人得到的试验数据显示出与基于简单传播模型的传统方法相比，准确性显著增加。同时，保持了这些已知技术方案的简单性、低成本和快速实现。


以下将借助非限制性实例，参照附图描述本发明，在附图中图1示出了使用能够根据本发明操作，用于估计电磁场密度的系统的可能环境，图2和3示出了在本文描述技术方案范围内对于一些参数的可能选择的准则，以及图4是说明本文描述技术方案的实施实例的流程图。
具体实施例方式
本文描述的技术方案基于识别传播模型的构思，所述传播模型取决于在其中将估计所述场的点上，所述移动无线电网络的拓扑特征。
图1示出了使用本文描述技术方案的可能环境，所述技术方案用于在包括多个基站BTS1、BTS2、BTS3…的无线电通信系统内定位移动终端TM。
使用BTS(GSM系统特征)显然并非限制本发明范围在图1内示出的通信系统符合于任何当前所使用的标准。
在这种环境下，众所周知，可根据测量所述终端TM从各个基站BTS1、BTS2、BTS3等接收的电磁场的密度，确定所述移动终端TM当前位于的地理位置。
这种定位技术使用移动终端TM测量从距其最近的无线电基站BTS1、BTS2、BTS3接收的电磁场密度的能力。
将如此得到的值与借助传播模型得到的估计值相比较，从而导致估计位于所述网络覆盖地域的点内的无线电基站所产生场的可能值。
所述移动终端TM的位置从而可被识别为所测量场值与所述传播模型所表现出的值之间差异最小的位置。
必需的处理功能通常由连接到所述网络的定位服务器执行，从而其还能够与移动终端TM交换信息(尤其是例如借助SMS接收所述终端TM所测量的场值)。
当然，所述定位功能的至少一部分还可由相同移动终端TM执行，所述移动终端TM出于此目的使用通常位于移动电话(具有与其相关的对应存储器12)内的处理单元10。
用于实施所述定位技术的准则为本领域技术人员所公知，因此此处不再赘述，同样因为与理解本发明无关。
以下注意力将集中于这样的准则，即对在本文所述移动通信网络所覆盖地域的各个点内的场值进行估计/评估的功能提供服务的所述处理单元(服务器LS和/或移动终端TM)，借助于此准则，基于根据一个或多个参数选择性识别和/或可得到的模型，执行所述估计功能。
出于此目的，可假设所述模型对于与所述网络拓扑特征相关的参数Δ的依存性。显然，这并非仅有的可能选择；还可考虑多个参数。
如果考虑单个参数，则Δ的可能选择对应于表示小区密度的参数例如，其可以是在蜂窝网络所覆盖地域的给定区域内的每个面积单元的小区数量。将此应用到场计算公式，这种加权因数造成其值随小区密度增加而增加的衰减。
参照图2仔细研究的另一种可能性是，将以下述方式确定的值Δ赋予所述移动无线电网络所服务的地域的每个点Pi)首先，每个无线电基站BTS1、BTS2、BTS3与表示电磁场源，即无线电基站BTS1、BTS2、BTS3的分布的参考距离(d_bari)相关；所述参考距离(d_bari)例如可由无线电基站所位于的点与相关小区的质心之间的距离识别，或更简单地说，可被识别为所述无线电基站(图2的BTS1)与距其最近无线电基站(图2的BTS2)的距离的一半；ii)然后，每个点P与距所述小区的所谓距离的距离(d_cell)相关，此距离被计算为距所述最近无线电基站(在图2中假定为BTS1)的距离；iii)所述点P还与如下确定的所谓网络距离(d_net)相关d_net＝max(d_cell，2·d_bari)；实际上，最接近于所述点的小区被识别，而d_net取所述小区距所述点的距离与其d_bari两倍之间的最大值。
iv)然后，将所计算的d_net值赋予Δ。
如上所述，其他选择可用于参数Δ本文描述的技术方案是当前优选考虑的选择；所述选择组合了实施简单性与可实现结果的准确性。
可以若干种方式模型化所述模型对于Δ的依存性。
根据一种方式，Δ的可能值范围被分为N个范围。对于引入哪个和多少门限的选择可以被优化。随后，每个范围可与特定传播模型相关。
另一种模型化所述模型对于Δ的依存性的方式为，随Δ的值改变，使所述模型以参数方式改变。这可通过使在模型内出现的一个或多个参数以连续方式依存于Δ实现。
以下示出了一个实例。
所述信号所经历的衰减根据以下形式LP=10·log10[(4πRλ)n]]]>其中R是所述接收机与发射机的天线之间的距离，λ是载波长度，而n是所谓的路径损耗指数。
因此，可寻求函数n＝n(Δ)，从而使路径损耗指数(PLE)以连续方式取决于Δ。
试验观察已显示出，似乎合理的n＝n(Δ)关系在图2内示出，其中Δ＝d_net以米为单位在x轴内示出。
所述定律为定律类型n＝A-B·logΔ，其中A和B是可通过“在所述场内”执行的校准行为识别的定标常量。
路径损耗指数(n，在y轴内)是对于随距离增加信号衰减速度的测量。图2示出了衰减随Δ，即d_net或小区大小增加趋向于减小。
考虑到其中Δ＝d_net和n＝(Δ)由在图2内所示的关系类型表示的实例，因此得到的传播模型比Okumura-Hata模型具有更佳的性能，而并不使用制图数据。
申请人已执行与在多种环境情况下收集的32538个功率测量相关的测试，以为传播电磁信号构建可能情况的良好样本。
具体而言，对于两个比较模型借助其来估计接收功率的误差，得到统计指数。
通过观察，与Okumura-Hata模型直接比较，本文描述的技术方案具有两个基本优点。
首先，其平均值为零所述场值的估计未被极化，而使用Okumura-Hata模型产生大约6dB的平均值。
此外，与平均值的误差离差(error dispersion)更小。尤其是，表示所述离差测量的标准偏差减少了17％。
这种改善在仅考虑在编号为9510的都市之外环境内收集的功率测量情况下仍然是显而易见的。在这种情况下，本文描述的技术方案的误差平均值仍然接近零，而相对于Okumura-Hata的改善在标准偏差方面大于4dB。
图4示出了根据不同实施例说明本文描述技术方案的流程图。每个实施例构成能够在图1所示移动终端TM内实现的实施方式实例。
具体而言，步骤100指示对应于识别取决于网络拓扑的传播模型的步骤；其例如可以是将所述信号所经历的衰减Lp定义为所述接收机与发射机天线之间的距离R、载波波长λ和上述路径损耗指数n的函数的定律。
步骤102对应于所述模型对于参数Δ的依存性准则的识别，所述参数Δ取决于网络拓扑。
参照上述实例，Δ可被选择为与小区密度相关的因数(步骤104)，或以上文多次提及的参数d_net形式选择Δ(步骤106)。
指示为108和110的方框识别若干可用于将模型可变性表达为网络拓扑的函数的进程。
例如，在步骤108的情况下，选择为将可变性范围Δ划分为多个间隔，每个间隔都与对应模型相关。
相反，步骤110识别借助于其所述传播模型的参数持续取决于Δ(见图2)的技术方案，以上已做描述。这种特定选择由步骤112和114表示，其中步骤112对应于根据Δ识别所述参数的功能依存类型，而步骤114指示基于对所述场执行的校准，或借助更详细模型，定标所述常量的步骤。
当然，在并不改变本发明原理的情况下，在并不背离所附权利要求书所定义的本发明范围下，结构细节和实施例可相对于本文描述显著改变。
权利要求
1.一种方法，用于估计从通信网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)所覆盖地域的确定位置(TM，P)内的至少一个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)开始的接收场，所述通信网络包括多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)，所述方法包括基于传播模型估计所述场的步骤，其特征在于，根据邻近所述地域的确定位置(TM，P)的所述多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的拓扑特征，定义所述传播模型。
2.根据权利要求1要求的方法，其特征在于，所述方法包括步骤识别至少一个参数(Δ)，所述参数(Δ)用于识别所述拓扑特征，并且具有对应的可变性范围，将所述参数(Δ)的可变性范围细分为多个间隔，以及将不同的传播模型用于每个所述间隔(108)，以估计所述电磁场。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括步骤识别至少一个参数(Δ)，所述参数(Δ)用于识别所述拓扑特征，以及通过使用单个传播模型，估计(110、112、114)所述电磁场，所述单个传播模型被以参数形式修改为所述用于识别拓扑特征的参数(Δ)值的函数。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述单个传播模型为类型LP=10·log10[(4πRλ)n]]]>其中Lp是衰减系数，R是所述确定位置(TM，P)与所述至少一个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)之间的距离，λ是所述电磁场的波长，n是识别所述网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)拓扑特征的参数(Δ)的指数函数。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，所述单个传播模型是指数(n)与所述至少一个参数(Δ)以下述关系类型联系的函数n＝A-B.log(d_net)，其中n为所述指数，d_net＝Δ是识别所述网络的拓扑特征的参数，A和B是定标常量。
6.根据权利要求1的方法，其应用于蜂窝通信网络，其特征在于，所述方法包括步骤根据识别所述蜂窝网络的小区密度的参数(Δ)，修改所述传播模型。
7.根据权利要求1的方法，其应用于蜂窝通信网络，其特征在于，所述方法包括步骤根据识别所述确定位置(TM，P)相对于距所述确定位置(TM，P)最近的多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的距离的参数(Δ)，修改所述传播模型。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述方法包括步骤使所述蜂窝网络的每个小区与参考距离(d_bari)相关，所述参考距离(d_bari)表示所述多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的分布，使所述确定位置(TM，P)与小区距离(d_cell)相关，所述小区距离(d_cell)识别所述确定位置与最靠近于所述确定位置(TM，P)的多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)之间的距离，以及识别所述参数(Δ)，所述参数将所述网络的拓扑特征识别为所述小区距离(d_cell)与所述参考距离(d_bari)的倍数之间的较大值。
9.一种系统，用于估计从通信网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)所覆盖地域的确定位置(TM，P)内的至少一个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)开始的接收场，所述通信网络包括多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)，所述系统包括至少一个处理单元(LS、TM)，所述处理单元被配置为基于传播模型估计所述场，其中根据邻近所述地域的确定位置(TM，P)的多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的拓扑特征，可修改所述传播模型。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于，所述至少一个处理单元(LS、TM)被配置为识别至少一个参数(Δ)，所述参数(Δ)识别所述拓扑特征，并且具有对应的可变性范围，将所述参数(Δ)的可变性范围细分为多个间隔，以及将不同的传播模型用于(108)每个所述间隔，以估计所述电磁场。
11.根据权利要求9的系统，其特征在于，所述至少一个处理单元(LS、TM)被配置为识别至少一个参数(Δ)，所述参数(Δ)识别所述拓扑特征，以及通过使用单个传播模型估计(110、112、114)所述电磁场，根据识别所述拓扑特征的参数(Δ)的值，可以以参数的形式修改所述单个传播模型。
12.根据权利要求11的系统，其特征在于，所述单个传播模型为类型LP=10·log10[(4πRλ)n]]]>其中Lp是衰减系数，R是所述确定位置(TM)与所述至少一个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)之间的距离，λ是所述电磁场的波长，n是识别所述网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)拓扑特征的参数(Δ)的指数函数。
13.根据权利要求11或12的系统，其特征在于，所述单个传播模型是指数(n)与所述至少一个参数(Δ)以下述关系类型联系的函数n＝A-B.log(d_net)，其中n为所述指数，d_net＝Δ是识别所述网络的拓扑特征的参数，而A和B是定标常量。
14.根据权利要求9的系统，其与蜂窝通信网络相关，其特征在于，所述至少一个处理单元(LS、TM)被配置为根据识别所述蜂窝网络的小区密度的参数(Δ)，修改所述传播模型。
15.根据权利要求9的系统，其与蜂窝通信网络相关，其特征在于，所述至少一个处理单元(LS、TM)被配置为根据识别所述确定位置(TM，P)与距所述确定位置(TM，P)最近的多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的距离的参数(Δ)，修改所述传播模型。
16.根据权利要求15的系统，其特征在于，所述至少一个处理单元(LS、TM)被配置为使所述蜂窝网络的每个小区与参考距离(d_bari)相关，所述参考距离(d_bari)表示所述多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)的分布，使所述确定位置(TM，P)与小区距离(d_cell)相关，所述小区距离(d_cell)识别所述确定位置与最靠近于所述确定位置(TM，P)的多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)之间的距离，以及识别所述参数(Δ)，所述参数将所述网络的拓扑特征识别为所述小区距离(d_cell)与所述参考距离(d_bari)的倍数之间的较大值。
17.一种并入如权利要求9到16任何一个的系统的通信网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)。
18.根据权利要求17的网络，其特征在于，其是移动通信网络。
19.一种由应用根据权利要求1到8中任何一个的方法产生的通信网络。
20.一种通信网络终端，其包括被配置为(12)实施根据权利要求1到8中任何一个的方法的处理单元(10)。
21.一种用于模拟移动无线电网络的方法，能够使用所述网络的物理层的模拟，其特征在于，所述方法包括用于根据权利要求1到8中任何一个估计所述场的方法。
22.一种用于规划移动无线电网络的方法，其特征在于，所述方法包括用于根据权利要求1到8中的任何一个估计所述场的方法。
23.一种用于定位移动无线电网络中的移动终端的方法，其特征在于，所述方法包括用于根据权利要求1到8中任何一个估计所述场的方法。
24.一种计算机程序产品，其能够被装入至少一个电子计算机的内存，并包括用于实施根据权利要求1到8中任何一个的方法的软件代码部分。
全文摘要
基于传播模型，估计从通信网络(TM；BTS1、BTS2、BTS3)所覆盖地域的确定位置(TM，P)内的至少一个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)开始的接收场，所述通信网络包括多个电磁场源(BTS1、BTS2、BTS3)。根据所述多个场源(BTS1、BTS2、BTS3)的拓扑，以参数形式(n)修改所述模型。定义移动终端(TM)的优先应用，尤其在基于位置配置业务的方面。
文档编号G01R29/08GK1887014SQ200380110960
公开日2006年12月27日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者大卫·菲利佐拉, 艾丽希欧·罗西里 申请人:意大利电信股份公司