JP2004510364A - 移動無線端末並びに関連する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の基地局（ＢＳ_１，ＢＳ_２）と通信する移動無線端末（１０，Ｍ）の位置を決定する方法及び関連するシステムであって、到着時間の計算を到着時間差の計算と組み合わせて用いるステップを含む方法及びシステムを提供するものであり、組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を、基地局（ＢＳ_１，ＢＳ_２）から移動無線端末（１０，Ｍ）へのダウンリンクチャンネル内を伝送される信号に関して行うことを特徴としている。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の基地局と通信する移動無線端末の位置を決定する方法であり、到着時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ；ＴＯＡ）の計算を到着時間差（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ；ＴＤＯＤ）の計算と組み合わせて用いるステップを含む方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置決定の目的のための（ＴＯＡとＴＤＯＡのような）異なる手法の同様の組み合わせは、国際特許出願公開ＷＯ−Ａ−９９／３７１０９号公報において、アップリンク通信チャネルで、すなわち、移動端末から異なる基地局に信号が伝送され、該基地局において受け取られる信号上で複数の検出計算が行われる際に用いられている。このような組み合わせられた手法を用いることは、移動端末の位置の正確な決定を得るために必要な分離した基地局の測定の数が減少するという利点を有していることを理解されたい。以前は、３つの基地局との通信が必要であった。しかしながら、到着時間及び到着時間差の計算の組み合わせは、二次元の位置を決定するために必要な基地局の数を２つに減少させている。これは、３つの基地局との通信が全く保証されない多くの移動通信システムにおいて有利であることが分かっている。例えば、都市環境において動作するセルラ式電話の場合でさえも、移動電話の平均１２％が２つ以上の基地局にアクセスできないことが確認されている。
【０００３】
到着時間及び到着時間差の計算の組み合わせは、移動電話機に関する位置決定の正確さ及び成功率を改善し、このような能力は、移動通信のシナリオ、特に緊急サービスを含むシナリオのますます重要な側面になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＷＯ−Ａ−９９／３７１０９号公報から知られているようなシステムは、それでもやはり欠点に苦しんでいる。例えば、改善された位置決定プロセスの有用性は、適切な機能を実現するネットワークのサービスプロバイダに依存する。また、上記位置決定プロセスの結果が移動端末において必要な場合、既知のシステムにおいてはこれは固有ではなく、移動端末の使用は、外部ネットワークのインフラストラクチャに依存するようになると共に、ユーザに位置情報を提供するための基地局と移動端末との間の通信を増大させる。
【０００５】
基地局と移動端末との間の潜在的に問題のある通信は、上記ＷＯ−Ａ−９９／３７１０９号公報において対処された問題のまさに中核にあるので、基地局と移動端末との間の更なる通信を必要とするいかなるシナリオも、上述したような従来技術の提案の有効性を制限することを助けてしまう。
【０００６】
また、そのような通信の更なるレベルの要求は、移動端末のユーザの、基地局−端末通信の上述したようなレベルを支持するサービスプロバイダへの依存性を強調してしまう。
【０００７】
従って、本発明は、既知の方法よりも優れた利点を示す移動端末の位置を決定する方法及び関連する装置を提供しようと努めるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、上記したように規定され、組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を、基地局から移動無線端末へのダウンリンク通信チャンネル内を伝送される信号に関して行うことを特徴とする移動無線端末の位置を決定する方法が提供される。
【０００９】
このような方法は、３ＧＰＰワーキンググループ内において定義され、新しく出現しつつある第３世代の規格の準拠のために特に適している。
【００１０】
本発明の上述した方法は、上記位置決定の計算が、移動端末自体において行われるという点で有利であり、端末ユーザがサービスプロバイダにより規定されるネットワーク特性に依存することなく、ユーザにとって容易に利用可能である。また、一度位置決定の結果を移動端末ユーザに配信するために位置の決定が行われると、分離した通信レベルの必要がない。
【００１１】
請求項２の特徴は、正確な到着時間が容易に得られ、従って、例えば２つの基地局のみからの信号に関しておいて行われる組み合わせられた計算をより良くする。
【００１２】
本発明は、また、複数の基地局と、これら基地局と通信する移動無線端末とを有する移動無線システムであって、移動無線端末が、基地局からダウンリンクチャンネル内を伝送される信号に関して、組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を行う手段を有し、位置決定計算の結果が前記移動無線端末において直接利用可能であることを特徴とする移動無線システムを提供する。
【００１３】
更に、本発明は、組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を、複数の基地局から伝送される信号に関して行う手段により特徴付けられる移動無線端末を提供する。
【００１４】
以下に、添付の図面を参照して、本発明を単に例として更に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による移動端末位置決定システムの基本原則は、ネットワークオペレータにより伝送される信号の１つを移動端末内部において生成される同一の信号のローカルな複製物と関係付けることである。標準的な技術によれば、得ることが可能な相関のピークは、信号線により進む距離に正比例する瞬間に正しいリズムで位置する。信号が光速で進むという根拠から、到着時間（ＴＯＡ）の遅延の見積もりを導き出すこと、及び３つの別個の見積もりから三角測量又は双曲線連立方程式により移動体の位置を計算することは比較的容易である。
【００１６】
信号の伝播遅延は、送信機（オペレータ）と受信機（移動端末）との間を進む特定のシーケンス（ＰＮシーケンス）の相関特性を用いて決定され得る。同じＰＮシーケンスの２つの複製物を関係付けることは、これら２つの同期がとられる際、相関関数における強いピークを生成するのに貢献する。例えばマルチパス及びノイズの影響により生じる強い歪みが存在する場合であっても、ピークは、位置決定プロセスにおける使用のために依然としてはっきり認識される。このような既知のＴＯＡ位置決定システムは、ネットワークにより供給される少なくとも３つの基地局の既知の絶対位置に基づいて、移動端末の固有の二次元的な位置を計算することができる。これら３つの基地局からの実際の距離が求められ得る。
【００１７】
ＴＯＡシステムの場合、各基地局は、通常の動作中、特定のメッセージをブロードキャストする。移動体が基地局の伝送範囲内にある場合には、当該移動体はその伝送を受信し、それを同一の信号のローカルな複製物と関連付ける。基地局から又は移動体から伝送される電波は、光速ｃで伝播するとみなされ、従って、進む距離は、ｃに測定される伝播時間を掛け合わせることにより簡単に計算することができる。３つの基地局に関して同じ計算を繰り返すと、移動体は、３つの基地局からの距離を見積もり、３つの距離及び３つの基地局の座標の情報（ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ）が与えられ、移動体の位置を探し出す三角測量を用いることができる。
【００１８】
この理想的なシナリオでは、図１に示したように、移動体は、各々が伝送している基地局の位置を中心とする３つの円の遮断点（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）に位置するとみなされると共に、移動体に到達するように光線により進む距離を半径に持っているとみなされる。
【００１９】
数学的な表記では、これは、以下の３つの式により表すことができ、その解は移動体にその位置を与える。
【数１】

ここで、ｘ，ｙ，ｚは未知の移動体の座標であり、（ｘ＿ＢＳ_１，ｙ＿ＢＳ_１），（ｘ＿ＢＳ_２，ｙ＿ＢＳ_２），（ｘ＿ＢＳ_３，ｙ＿ＢＳ_３）は基地局の座標であり、Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３は測定された伝播時間から計算される距離である。
【００２０】
このシステムの解は、閉じた形態（ｃｌｏｓｅｄ ｆｏｒｍ）であっても、反復（ｉｔｅｒａｔｉｖｅ）方法及びナットラボにおいて実現され、テストされているこれらの計算を行うアルゴリズムによっても共に実現可能である。
【００２１】
閉じた形態を実現することは、単一の距離ではなく、距離の差に関する動作による上記式の線形化に基づくマノラキス（Ｍａｎｏｌａｋｉｓ；ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ． ３２， Ｎｏ． ４， １９９６ ｐｐ１２３９−１２４８）による効率的なアルゴリズムに由来している。これは、１つのステップで解を与える。代替として、反復方法（ニュートン）はユーザによりもたらされる推測（例えば、ホームの基地局の位置）から始まり、いくつかのステップでシステムの解に収束する。これは、プロセスの各ステップにおいて必要な最小自乗を極小化するために、より多くの計算の手間を要する。両方の方法によりもたらされる結果は、非常に類似しており、期待値と一致する。
【００２２】
しかしながら、上述したことは、理想的なシナリオであり、伝送中実際は、マルチパスの歪みに加えて経路損失（ｐａｔｈ ｌｏｓｓ）が存在し、従って、受信機に到達する信号は完全ではない。しかしながら、この信号は、ピークの位置が伝播の時間遅延に比例して変動する当該ピークの検出を可能にするのに十分な情報を依然として含んでいる。図１は、実際のものを単純化しており、実際の状況では、見積もられる伝播遅延時間は、個々の環境及び関連するマルチパスの効果並びに大気ノイズ及び信号レベルの状態により影響を及ぼされる。各基地局からプロットされる円の各々は、この場合には、遮断の上限（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔ）と下限（ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔ）との間の環領域により規定される環状部分になり、各測定値に対して変化し、移動体の位置の周囲のあり得る見積もりにより不確実性の領域を規定する。
【００２３】
ＴＯＡ法の制限は、ＴＯＡ法を使用可能にするのに必要な仮定に関連している。移動体は、基地局の各々と正確に同期しなければならないか、又はホームの基地局と他の基地局との間における同期コードの伝送の正確な遅延を知らなければならない。これは、基地局の各々からの同期信号の伝播遅延を計算するために必要である。移動体が上述したような情報を得ることができない場合、その移動体は、相関のメカニズムをいつ開始するのか、又は同期と伝播遅延時間とをどのようにして区別するのかを決定することができない。同期の精度は、位置の見積もりの精度に影響を及ぼす。例えば、１マイクロ秒の同期の不正確さは、３００メートルの位置のエラーを招く。他のエラーを例えば５０メートルよりも小さくするためには、他の基地局との同期の不正確さは１６６ナノ秒よりも大きいべきではない。
【００２４】
従って、ＴＯＡシステムは、正確な絶対時間を得るために、移動体と送信機の各々との間における３つの同期の要求の必要により非常に高価に実現される。
【００２５】
位置アルゴリズムのわずかに変更された型は、既知であり、到着時間差（ＴＤＯＡ）と言われている。絶対距離を用いるのではなく、２つの特定の基地局と移動体との間の一定の差の曲線として計算される３つの擬似距離が計算される。各々のタイミングのエラーが打ち消し合うので、これは、位置の決定が移動体の絶対タイミングから独立であることを可能にする。
【００２６】
基本原則は、ＴＯＡシステムと同様であり、基地局は、移動体が復号しようとするメッセージをブロードキャストする。上記同様、移動体は３つの基地局の各々から伝播遅延の見積もりを計算するが、この場合には、計算は、２つの所与の独立した基地局間の一定の距離のラインに基づく。これは、図３に示されている。
【００２７】
必要な３つの測定値は、距離、又は見積もり、すなわち基地局の各々からの移動体の擬似距離である。２つのこのような測定値は、２つの基地局間において双曲線を規定するのに役立つ。例えば、移動体Ｍと基地局ＳＢ_１及び基地局ＳＢ_３との間の擬似範囲はそれぞれ、図２の双曲線Ｒ３〜Ｒ１を規定するパラメータを与える。移動体Ｍの位置は、この双曲線上に存在する。擬似曲線の第２のペアを用いると、他の双曲線Ｒ２〜Ｒ１が計算される。従って、移動体の位置は、２つの双曲線Ｒ３〜Ｒ１，Ｒ２〜Ｒ１の遮断点により正確に特定される。
【００２８】
この状況は、以下の式の簡単な数学的表現で説明され得る。
【数２】

ＢＳ１とＢＳ２との間の一定の距離の双曲線は
【数３】

である。各項を２乗すると、
Ｒ^２＝Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２−２・Ｒ_１・Ｒ_２　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
が得られ、これは、平方根の下で項を除去するために、書き改められ、再度２乗される。
（Ｒ^２−Ｒ_１ ^２−Ｒ_２ ^２）^２＝４Ｒ_１ ^２・Ｒ_２ ^２　　　　　　　　　　　　（４）
この式を簡単にすると、
Ｒ_１ ^４＋Ｒ_２ ^４−２Ｒ^２・Ｒ_１ ^２−２Ｒ^２・Ｒ_２ ^２＋Ｒ^４−２Ｒ_１ ^２・Ｒ_２ ^２＝０（５）
となる。式（１）を式（５）に戻し、単純化して、双曲線の式が以下の形でより単純に表現され得る。
Ｆ（ｘ，ｙ）＝Ｃ_１１・ｘ^２＋Ｃ_８１・ｘ・ｙ＋Ｃ_９１・ｘ＋Ｃ_３１・ｙ^２＋Ｃ_４１・ｙ＋Ｃ_５１＝０　（６）
ここで、（ｘ，ｙ）は未知の移動体の座標であり、Ｃ_１１，Ｃ_８１，Ｃ_９１，Ｃ_３１，Ｃ_４１，Ｃ_５１は（既知の）基地局の座標の関数であり、従って、（ｘ＿ＢＳ_１，ｙ＿ＢＳ_１），（ｘ＿ＢＳ_２，ｙ＿ＢＳ_２），（ｘ＿ＢＳ_３，ｙ＿ＢＳ_３）及びＲ（測定された距離の差）はｘ及びｙに関して一定とみなされ得る。
【００２９】
第２の双曲線の式を使う場合にも、移動体の位置を導き出す解を得られる同時方程式の系が与えられ得る。
【数４】

ここで、Ｃ_ｉｊは未知の（ｘ，ｙ）に対して一定である。
【００３０】
上述した規定によれば、以下に到達することが可能である。
【数５】

同時方程式（７）の系は、テーラー級数及びニュートン反復に基づく反復方法、又は、例えばチャンにより提案されたもの（ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｖｏｌ． ４２， Ｎｏ． ８， Ａｕｇｕｓｔ １９９４）のような閉じた形態の解法により解を得られる。両方の方法は、３つ以上の基地局からの測定値を含むように、又はそれらを重み付けするようにも適用され得るが、上記チャンの方法は、１ステップの解であるという固有の利点を有している。
【００３１】
これらの式を解く方法は、標準的であり、ここではより詳細には議論しないが、ＴＤＯＡシステムにおいて、移動体のｎ次元の位置を計算するために、（ｎ＋１）個の測定値が必要であることを不要にしない。２次元の位置の決定を得るために、移動局が少なくとも３つの基地局にアクセスすることが必要である。
【００３２】
本発明を具現化する方法は、ＴＯＡ及びＴＤＯＡの混合されたシステムを有利に使用する。移動体は、隣接する基地局と同期をとることが難しいが、それ自身、すなわち「ホームの」基地局と同期を取り、それにより到達の絶対時間を正確に計算することができる。従って、１つのＴＯＡの式を用い、上記ホームの基地局と隣接する基地局との間の一定の距離の双曲線を伴うシステムに当該式を結合することが可能である。この場合、移動体は、位置の決定を計算することが可能である２つの基地局にアクセスする必要しかない。
【００３３】
このようなシステムは、図３を参照して説明される。図３において、移動体が、２つの遮断点のどちらが適切であるかを区別するために更なる情報を必要とすることに注意されたい。この更なる情報は、位置の決定のために知られる必要がある。該情報は、例えばセクタがコードを伝達している情報を用いて得ることができる。実際は、上述した３ＧＰＰの典型的なセルは３つのセクタに分割され、これらの各々がおそらく異なるコードを持っている。代替として、上記情報は、ＴＯＡの概算を用い、同期エラーを無視することにより得られる。
【００３４】
この付加的な情報が移動体に利用できない場合であっても、上述した方法は、「コールド」状態（少しも情報を利用することができないとき）において移動体の位置を計算する代わりに、移動体の位置を追跡するために依然として用いられ得る。実際には、移動体が既にその位置の適切な又はほぼ適切な見積もりを持っていると仮定すると、２つの解のうちどちらが位置及びその動きの連続的な追跡を表すかを決定することは、一般に容易である。この見積もりは、ＴＤＯＡ−テーラー法に対して良好な推測であり、上記方法は正しい解に収束する。
【００３５】
この第２のシナリオも、他の方法はうまくいかない多くの場合に非常に有効であることが分かっている。例えば、簡単なＴＤＯＡシステムにおいて３つの基地局から生じる測定値により移動体の２次元の位置を計算することが可能であることが分かっている。しかしながら、ユーザが、突然信号が弱まる（ｆａｄｅ）領域、例えば２つの基地局のみしか認識することができない「都市部の峡谷」に入らなければならない場合、それ自身に関するＴＤＯＡ法はいかなる有効な情報も与えず、ユーザはいかなる位置の応答も得ることができない。「標準的な」方法では、上記位置の供給（ｓｅｒｖｉｃｅ）はこれらの領域内では全く機能しない。ユーザが例えば非常サービスと緊急な連絡を要する場合、この機能停止が最も問題であることが分かるであろう。同様の場合において本願の概念を用いると、ユーザは、上述した混合されたアルゴリズムにより計算される移動体の位置を得ることができる。
【００３６】
アルゴリズム自体の数学的な詳細に目を向け、上記（７）と同様の表記を維持すると、上述したＴＯＡとＴＤＯＡとが組み合わせられた場合に関する新規のシステムを
【数６】

と書くことができる。ここで、Ｃ_ｉｊは未知の（ｘ，ｙ）に対して一定であり、表現方法は上述した規定と同様である。すなわち、Ｒ_１は、ホームの基地局と移動体との間で計算される正確な擬似範囲であり、ｘ_ＢＳ１，ｙ_ＢＳ１はホームの基地局の既知の座標である。このシステムは、式（７）と同様の方法で解が得られる。
【００３７】
図４は、本発明の一側面を具現化する移動端末のベースバンド処理機能部１０の模式的なブロック図であり、少なくとも２つの基地局から信号を受信し、移動端末のＲＦ部１３を経由してベースバンド処理装置１０に信号を配信するアンテナ１２、すなわちダウンリンクチャンネルを含んでいる。ベースバンド処理装置１０は、位置の決定を移動体において有利に直接利用可能にするために、ダウンリンクトラフィック上においてＴＯＡ及びＴＤＯＡの計算を行う装置を含んでいる。この装置は、ＲＦ部１３からのダウンリンクトラフィックとコード発生器１６からローカルに生成される複製コードとの両方を受け取る相関器（ｃｏｒｒｅｌａｔｏｒ）１４を有している。相関結果１１はピーク検出器１８に出力され、ピーク検出器１８は内挿ユニット２０に信号を順次出力する。内挿ユニット２０からの出力は、ＴＯＡサブユニット２４とＴＤＯＡサブユニット２６とを有する位置決定計算ユニット２２に出力される。そののち、出力位置決定データ２８が計算され、移動端末において直接利用可能になる。
【００３８】
このように、本発明によれば、移動無線端末、及びその位置を決定する、関連する方法が提供され、この方法では、位置決定計算が、移動端末において直接計算されるようにダウンリンクチャンネル上において行われる。従って、位置の情報は、基地局からのいかなる余分なデータ送信ステップも必要とすることなく、移動端末において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置決定の既知の方法が、本発明の方法の一実施態様の側面を含む装置においてどのように用いられるかを示す模式図である。
【図２】位置決定の既知の他の方法が、本発明の方法の一実施態様の側面を含む装置においてどのように用いられるかを示す模式図である。
【図３】本発明の方法及びシステムの一実施態様を示す模式図である。
【図４】本発明の一側面の一実施態様に係る移動無線端末の模式的なブロック図である。

Claims (9)

1. 複数の基地局と通信する移動無線端末の位置を決定する方法であり、到着時間の計算を到着時間差の計算と組み合わせて用いるステップを含む方法であって、
   前記組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を、前記基地局から前記移動無線端末へのダウンリンク通信チャンネル内を伝送される信号に関して行うことを特徴とする方法。
2. 前記到着時間の計算が、前記移動無線端末が位置決めされる前記基地局から受信される信号に関して行われる請求項１記載の方法。
3. 前記移動無線端末がセルラ式電話を有する請求項１又は２記載の方法。
4. 複数の基地局と、これら基地局と通信する移動無線端末とを有する移動無線システムであって、
   前記移動無線端末が、前記基地局からダウンリンクチャンネル内を伝送される信号に関して、組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を行う手段を有し、前記位置決定計算の結果が前記移動無線端末において直接利用可能であることを特徴とする移動無線システム。
5. 前記位置計算の前記到着時間の部分を行う手段が、前記移動無線端末が位置決めされる前記基地局から受信される信号に関して計算を行う請求項４記載のシステム。
6. 前記移動無線端末がセルラ式電話を有する請求項４又は５記載のシステム。
7. 組み合わせられた到着時間及び到着時間差の計算を、複数の基地局から伝送される信号に関して行う手段により特徴付けられる移動無線端末。
8. 前記到着時間の計算及び前記到着時間差の計算を行う手段が、前記到着時間の計算を、当該移動無線端末が位置決めされる基地局から受信される信号に関して行う請求項７記載の移動無線端末。
9. セルラ式電話を有する請求項７又は８記載の移動無線端末。