JP2001503576A - 無線システムにおけるターミナル位置の決定 - Google Patents

無線システムにおけるターミナル位置の決定

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Abstract

(57)【要約】 無線信号は、多経路伝播の形態で無線チャンネルを経て進行し、従って、ターミナル装置により送信されそしてベースステーションにより受信される信号は、異なる距離を伝播し、従って、異なる時間に受信器に到達する多経路成分で形成される。従って、受信信号の方位を計算するのに必要な情報は、多経路伝播信号の到着時間差から抽出することができる。複数のアンテナ素子により形成されたアンテナアレーは、先ず、多経路伝播信号を受信する。次いで、チャンネルインパルス応答を決定する手段(41,…4N)が各アンテナアレー素子の受信信号から無線チャンネルインパルス応答の推定値を形成し、その後、相関手段(46)が、各チャンネルインパルス応答推定値を、そのチャンネルインパルス応答推定値のグループから選択された基準推定値に相関させる。更に、上記手段は、最大相関を与える遅延値を受信信号の時間差として選択する。最後に、計算手段(46)は、このように決定された到着時間差から、ターミナル装置により送信された無線信号の方位を推定する。二次元アンテナアレーを用いて、受信信号の方位セクター及び仰角の両方を推定することかできる。

Description

【発明の詳細な説明】 無線システムにおけるターミナル位置の決定発明の分野 本発明は、加入者接続の一部分がターミナル装置とベースステーションとの間 の無線接続により形成されるシステムにおいてターミナル装置の位置を決定する 方法に係る。このようなシステムは、例えば、ターミナル装置が接続中にあるセ ルから別のセルへと移動し得る多数のベースステーションのセルラー移動無線シ ステムである。先行技術の説明 従来、ターミナル装置とベースステーションとの間の接続中にターミナル装置 の正確な位置に関する情報は、一般に著しく重要とは考えられていない。しかし ながら、セルラー電話システムのような無線システムをプランニングする際には 、ベースステーションからターミナル装置までの距離を考慮し、接続中の距離の 変化に特に注意を払わねばならない。これは、所与の送信タイムスロット中に送 信がバーストで行なわれる時分割デジタルセルラーシステムにおいて特に重要で ある。連続するタイムスロットにおいて同じ搬送波周波数で送信されたバースト がベースステーションの受信信号において重畳するのを防止するために、各個々 の移動ターミナルにより送信されるバーストは、各バーストの終わりにある時間 巾の保護時間だけ延長される。このような保護時間が必要な理由は、連続するタ イムスロットにおいて同じ無線搬送波で送信する移動ターミナルがベースステー ションからランダムな距離に配置され、従って、ベースステーションから移動タ ーミナルへの無線波の伝播時間がタイムスロットごとに変化するからである。保 護時間は、ベースステーションが、送信/受信フレームのタイミング余裕内で、 ベースステーションにより送信されるバーストと、移動ターミナルから受信した バーストとの間の到着時間差を測定し、そしてその後、タイミングの進み(TA )を計算し、その後、ベースステーションがその値を移動ターミナルに送信する ようにして決定される。従って、ベースステーションは、各移動ターミナルの送 信時間を、そこから受信したバーストに基づいて動的に制御する。GSMシステ ムでは、タイミングの進みに0−233msの範囲の値が指定され、これは、ス ロ ットの全時間巾に対し、最大のタイミング進みで動作する移動ターミナルがベー スステーションから35km以上離れられないことを意味する。 一般的に知られているように、放射信号源の位置決めは、常に、互いに空間的 に分離した2つ以上の受信器を必要とする。信号の方向を推定する方法は、同じ 信号が異なる受信器に到達するのに必要な時間の差を推定することに基づく。こ の受信信号の到着時間差の推定は、異なる受信器からの出力信号を相関すること により実行される。相関関数の最大値を与える信号間遅延は、相関関数の上記値 がプリセットスレッシュホールド値を越えるならば、到着時間差の最大見込みの 推定値を表わす。 セルラー無線システムにおいては、上記手順は、移動ターミナルの送信信号が 複数のベースステーションで受信されるか、或いは個々の受信器と共にアンテナ 素子のアレーが設けられたベースステーションで受信されるように実行される。 次いで、異なるベースステーション又は単一ベースステーションのアンテナアレ ーから得られた受信信号は、到着時間差を決定しそしてそこから受信信号の方位 角を決定するために、互いに相関することができる。 これらの従来の解決策は、それらによって与えられる精度に関連して含まれる 計算の複雑さが問題となっている。 しかしながら、ある場合には、移動ターミナルの位置に関する最も正確な情報 を与えることがネットワークの望ましい特性となる。1つのこのようなケースは 、移動ターミナルの移動が所与のセルの有効到達範囲内のみで生じるように制限 する必要があるとき、又は通話課金率の詳細な構成が望まれるときに遭遇する。 移動ターミナルの位置決めに関する1つの解決策が、本発明の出願日にまだ公 告されていない1996年8月30日出願のフィンランド特許出願第963,3 82号に開示されている。この方法は、ターミナル装置とベースステーションと の間の距離に比例して通信システムによって計算される容易に得られる値である タイミング進みの推定値を使用する。サービスベースステーションとターミナル 装置との間の距離に対して計算されたタイミング進みの推定値は、ベースステー ションからターミナル装置までの距離のおおよその推定値しか与えないが、最大 数のベースステーションに対して既に計算されているターミナル装置のタイミン グ進みの推定値は、比較的良好な精度でターミナル装置の位置を与える。後者の 技術は、移動ターミナルから異なるベースステーションへの信号の伝播時間差を 直接与えるGSM規格のフェーズ2のOTD(観察時間差)によってサポートさ れる。上記特許出願は、更に、CDMA(コード分割多重アクセス)システムに おいて、ベースステーションにより送信されたパイロット信号を相関させること により移動ターミナルの位置を決定できることを示唆している。 ターミナル装置の位置は、当局ネットワークにおいても特に重要である。これ らのネットワークは、種々の災難状態のもとでも動作するように特に設計された プライベートセルラーネットワークである。ここでは、移動ターミナルのオペレ ータが自分の位置を口頭で報告する必要なく、ネットワークがターミナル装置の 位置を識別できることが重要である。オープンネットワークにおいては、移動タ ーミナルの位置情報は、非常コール状態においても望ましい特性である。という のは、非常コール発信者は、必ずしも、自分の正確な位置を常に知っていないか らである。発明の要旨 本発明の目的は、簡単な計算ルーチンと、既存通信ネットワークの特性の最大 利用度とを特徴とする移動ターミナルの位置決め方法を提供することである。 本発明の目標は、独立請求項に記載する仕様により達成される。 本発明は、無線信号が多経路伝播の形態で無線チャンネルを経て進行し、従っ て、ベースステーションにより受信したターミナル装置の送信信号が異なる距離 を経て伝播した時間分散多経路信号成分より成り、ひいては、異なる時間に受信 器に到達するので、受信信号の方位を計算するのに必要な全ての情報を、多経路 信号の分散した到着時間の差から抽出できるという考え方をベースとする。従っ て、多経路伝播信号は、ベースステーションのアンテナアレーにより最初に受信 され、その後、個々のアンテナアレー素子により受信した信号のチャンネル推定 値が形成され、そしてそれらの間の相対的な時間差を決定するように相関される 。最後に、受信信号の推定方位を、個々のアンテナ信号の到着推定時間の差から 計算することができる。 本発明による方法は、受信信号の方位角のみを推定できる従来の一次元アンテ ナアレー、いわゆる直線アレーに関連して使用するのに適している。本発明の好 ましい実施形態によれば、二次元又は三次元アンテナアレーが使用される。従っ て、信号の仰角の推定値で方位角情報を補うことができる。ここでは、幾何学的 法則を使用し、地上からのアンテナアレーの高さについての既知の値と、アンテ ナアレーで受信される信号の推定方位角及び仰角から、ターミナル装置の位置を 計算することができる。 位置決定の精度は、同じ形式のアンテナアレーを各々備えた多数のベースステ ーションまで概念を拡張できる場合に更に改善される。従って、各ベースステー ションにおける受信信号方位の推定値が本発明により決定され、その後、移動タ ーミナルの正確な位置がこれらの方位角推定値から計算される。 ここに開示する方法の従来技術に勝る重要な効果は、計算が簡単なことである 。チャンネル推定値のみが相関されるので、必要な計算動作の数が根本的に減少 される。ここで達成される分解能は、少なくとも従来の方法と同程度に良好であ る。というのは、個々のアンテナ信号間の到着時間差を1サンプル間隔の分解能 で決定することができ、そしてあまり複雑でない到着時間差の決定を情報の後処 理に使用できるからである。特に、二次元又は三次元アンテナアレーを使用する 場合には、受信信号の方位が比較的ゆっくりと変化するので、後処理が、達成し 得る精度を著しく改善できるようにする。図面の簡単な説明 以下、添付図面を参照し、本発明を詳細に説明する。 図1は、セルラーネットワークを示す図である。 図2は、ベースステーションにおけるアンテナアレーを示す図である。 図3は、受信信号の遅延分布のグラフである。 図4は、受信器のブロック図である。 図5は、あるチャンネル応答推定を示す図である。 図6は、チャンネル応答推定の相関を示す図である。 図7は、本発明の方法のフローチャートを示す図である。 図8は、移動ターミナルの距離の決定を示す図である。好ましい実施形態の詳細な説明 図1には、典型的なセルラーシステムが示されており、ターミナル装置、即ち 移動ステーションMSは、無線チャンネルを経てベースステーションBTS1に 接続され、そこから接続は有線により更に続けられる。ターミナル装置は、ある セルから別のセルへの接続中に移動できるが、無線チャンネルを対応的に1つの ベースステーションから別のベースステーションへ、例えば、BTS1→BTS 2→BTS3のシーケンスでハンドオーバーすることを必要とする。 ターミナル装置を位置決めするためにTDMAシステムに従来使用された方法 は、推定タイミング進み値TA1、TA2及びTA3の使用をベースとするもの である。各タイミング進みの値は、ベースステーションからターミナル装置まで の距離に比例するので、これらのタイミング進み推定に基づいてターミナル装置 の位置を比較的正確に推定することは容易である。この解決策は、通信システム がいずれにせよタイミング進み値を計算するという点で特に効果的である。 本発明は、従来のアンテナアレーを使用するという考え方に基づく。このよう なアンテナアレーは、個々のアンテナとして動作する複数のアンテナ素子で構成 される。この形式のアンテナアレーにおいてアンテナ素子を整相することにより 、放射電力の最大値を所望の方向即ち空間角度に向けることができる一方、他の 方向においては、放射電力が強く抑制され、即ちアンテナアレーは、所望の放射 パターンを形成するのに使用される。 アンテナアレーの最も簡単な構成は、素子が直線状態で等距離に離間された一 次元直線アレーであり、次に複雑な構成は、素子が同じ平面において例えば長方 形の角に配置された二次元アレーであり、そして最も複雑な構成は、素子が立体 又はピラミッドのような空間構造を形成する三次元アレーである。素子受信/送 信信号を各アンテナ構成において各々個々に取り扱うための構成体が形成される 。 図2を参照すれば、アンテナマスト22の頂部に取り付けられるアンテナアレ ーの実施形態は、xy平面において等距離離間格子の交点に配置された第1組の アンテナ素子a、b、c、d、e、f、…k、lと、これも又xy平面において 最初の平面から距離zだけ垂直方向に離間された対応する第2組のアンテナ素子 m、n、…等とを備えた三次元構成体を有している。これら素子により受信 及び送信される信号は、アンテナ信号処理ブロック21において処理される。 以下の説明では、関連セルラーシステムがCDMAシステムであると仮定し、 従って、図2のベースステーションは、各接続に個々に割り当てられた拡散コー ドにより全送信帯域巾にわたって情報を拡散することにより送信を実行する。従 って、例えば、移動ステーションMS(図1)のようなターミナル装置は、その 個々の拡散コードを使用して全無線チャンネル帯域巾にわたってその送信電力を 拡散することによりベースステーションBTS1との接続を確立する。更に、ベ ースステーションには、例えば、図2に示す形態の二次元又は三次元アンテナア レーが設けられると仮定する。 位置を決定すべきターミナル装置により送信されるCDMA信号は、ベースス テーションにおいてアンテナアレーの各素子に平面波として到達する。各アンテ ナアレー素子により受信される信号は、多経路伝播を受けており、従って、各素 子に異なる時間に到達する多数の時間分散した信号成分より成る。各アンテナ素 子から、信号は、更に、従来のレーク(Rake)受信器へ送られる。各アンテナ素子 ごとに個別の受信器が設けられている。 図4には、ブロック41、42、…4Nと示されたN個の相関ブロックのバン クを含む受信器が示されている。各ブロックにおいて、アンテナ素子からブロッ クへ送り込まれる受信信号は、時間遅延は異なるか、送信ターミナル装置におい て信号を拡散するのに使用した同じコードと相関され、従って、受信信号から多 経路伝播成分を得ることができる。相関ブロックの数Nに基づき、所与のアンテ ナアレー素子とターミナル装置との間の無線チャンネルのインパルス応答を一緒 に形成するN個の多経路伝播成分を分析することができる。 チャンネルインパルス応答は、4個の相関ブロック(N=4)が使用される場 合には図3に示すものと同様の形状を有する。ここで、タップ1は、相関ブロッ ク1により形成され、タップ2は、相関ブロック2により形成され、等々である 。タップの高さは、異なる経路を経て伝播する各信号成分のスペクトルパワーに 対応し、そしてタップの距離は、基準時間を表わすゼロ時間点に対するインパル ス信号成分の到着時間差に比例する。従って、タップ1に対する到着遅延はDT 1であり、タップ2に対する到着遅延はDT2であり、タップ3に対する到着遅 延 はDT3であり、そしてタップ4に対する到着遅延はDT4である。それに対応 する多経路チャンネル応答推定値は、アンテナアレー素子に接続された各受信器 から得られ、そして全ての信号推定値は合成ブロックに送られ、そこで、コヒレ ントに加算される。加算結果は、検出器へ通される。 上記技術は、そのほとんどの部分が公知である。本発明によれば、従来の加算 段階は、各受信器により発生された多経路チャンネル応答推定値を相関すること により補足される。相関バンクから得られた多経路チャンネル応答推定値及びそ れらの伝播遅延値は、相関/位置計算ブロック46へ送られる。受信信号の推定 方位は、サンプル信号が異なる受信器に到達する瞬間と瞬間との到着時間差の推 定値に基づくので、これら時間差の推定は、ブロック56において異なる受信器 の出力信号を相関することにより達成できる。従って、ブロック56の入力信号 は、アンテナアレー素子の他の受信器の出力からのチャンネル応答推定値も含む 。最も高い相関を生じるチャンネル応答推定値間の遅延値は、上記相関関数値が プリセットスレッシュホールドより大きいとすれば、到着時間差の推定値を与え る。 次いで、図7を参照して本発明の機能を説明する。相関は、アンテナアレー素 子のいずれか1つから得られる多経路チャンネル応答推定値EREFが基準値とし て選択されるように実行するのが効果的である(段階71)。例えば、図2におい ては、アレー素子1のアンテナ信号から処理される多経路チャンネル応答が基準 値として選択される。次いで、サーチルーチンを実行し、アレー素子1のアンテ ナ信号から得た多経路チャンネル応答推定値EREFとの最良の合致(一致)を達 成するために、隣接アレー素子kのアンテナ信号から得た多経路チャンネル応答 推定値を時間的にどれほどシフトしなければならないかをテストする(段階72) 。この相関が最大になった後に、到着遅延差に等しい時間的シフトtiの対応値 が記憶され(段階73)、そしてシーケンス内の次のアンテナアレー素子jに対し て同等の相関動作が実行される。従って、相関ブロックにより発生される各多経 路チャンネル応答推定値に対して相関ルーチンが次々に繰り返され、その後、各 アンテナアレー素子の受信信号に対する多経路チャンネル応答推定値の最良の一 致が得られる。ここでは、アンテナアレー素子に接続された受信器は、正しい結 果を得るために非同期モードで動作しなければならないことに注意された い。 アンテナアレー素子の各受信信号が処理された後に、各アンテナアレー素子の チャンネル応答推定値を基準素子のタップ図(図3のタップ図を参照)に対して 時間的にどれほどシフトしなければならないか分かり、従って、基準素子の受信 信号に対する各アンテナアレー素子の受信信号の遅延差が決定される。その後、 アンテナ信号の方位を計算することができる(段階75)。 相関手順は、図5において更に明らかであり、その上部は、基準素子1の受信 信号に対するチャンネル応答推定値の4タップ図であり、一方、その下部は、ア ンテナアレー素子eの対応する4タップチャンネル応答推定値を示す。チャンネ ル応答推定値は、同じ時間スケールでプロットされ、そして共通の時間基準点は 、基準素子自身のチャンネル応答信号タップの基準時間点により形成される。相 関の機能は、素子eのチャンネル応答推定に適用したときに、各所望の相関関数 の値を最大にする時間シフト値を見つけることである。 図6には、アンテナアレー素子eのチャンネル応答推定値を時間軸に沿ってシ フトするときの相関関数の考えられる形状を示す。このグラフから明らかなよう に、素子eのチャンネル応答推定値が時間teだけシフトされたときに最良の相 関が得られる。明らかに、この時間は、アンテナアレー素子における受信信号間 の到着時間差に等しい。 各個々のアンテナ素子の受信信号間の到着時間差が計算された後に、図8の幾 何学表示を用いて受信信号の方位を推定することができる。使用するアンテナア レーが一次元の直線アレーである場合には、受信信号のセクター即ちその方位角 αしか決定できず、ターミナル装置の距離は計算できない。ほとんどの場合には 、ターミナル装置の方位セクターに関する情報で充分である。他方、アンテナア レーが二次元又は三次元である場合には、受信信号の信号仰角βも計算できる。 従って、信号源の既知の空間角度座標(方位及び仰角)に基づいて、通常の幾何 学的法則を適用して、ベースステーションからターミナル装置までの距離dを計 算することができる。従って、この手順は、ターミナル装置を位置決めすること ができる。 上述したように、本発明の方法は、受信信号の方位を決定するのに必要な全て の情報を多経路信号の到着時間差から抽出することをベースとし、従って、受信 信号に保持された他の情報、例えば、加入者送信信号の拡散コード又は送信記号 データが、受信信号方位の推定に本質的に影響することはない。 本発明の最も有効な用途は、CDMAシステムに見られる。というのは、多経 路チャンネル応答推定値は、CDMA受信器から連続的に及び直接的に得られ、 従って、個別の計算を回避するからである。別の考えられる用途は、チャンネル イコライザーを調整する目的で受信信号のチャンネルインパルス応答が計算され るTDMAシステムにも見られる。多素子のアンテナアレーは、多数のチャンネ ル応答を発生し、これらは共通の時間基準点に対して相関され、その後に、多経 路伝播時間差を計算することができる。最後に、到着時間差から受信信号の方位 を計算することができる。 両方の用途において、得られた結果に、例えばローパスフィルタ動作のような 処理を施すことにより計算精度を改善することができる。というのは、受信信号 の方位は、実際の状態のもとでは、比較的ゆっくりとした速度で変化するからで ある。従って、フィルタ処理は、移動ステーションの距離の推定値からランダム な過渡状態を排除できるようにする。 公知の他の全ての技術と同様に、本発明の方法の精度は、無線チャンネルの質 に大きく依存する。ベースステーションとターミナル装置との間に直接的な視線 を確立できる場合には、移動ステーションの位置を容易に決定できるが、大きな チャンネル応答分散の状態のもとでは、受信信号が多反射信号成分より成り、タ ーミナル装置の位置決めが不可能な作業となる。このような状態は、ネットワー クの大きなマクロセルにおいて生じる。 本発明による方法の上記説明は、単一のベースステーションへの適用のみに関 するものであった。必要であれば、隣接ベースステーションもカバーするように 計算格子を拡張することを意味するマクロダイバーシティと称する技術を利用す ることによりターミナル装置の位置決め精度を改善することができる。従って、 移動ターミナルの位置決めは、各ベースステーションにより計算される方位椎定 値を用いて実行することができる。この構成は、方位情報を一点に集め、そこで 、ターミナル装置の位置を最終的に計算するものと仮定する。この構成では、異 な るベースステーションの受信器は、必ずしも相互に同期して動作する必要はない が、ベースステーションは同じアンテナアレーをもたねばららず、そして各ベー スステーションにおいてはアンテナアレーに接続された受信器が相互に同期して 動作しなければならない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG ,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT ,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA, CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,F I,GB,GE,GH,HU,ID,IL,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZW 【要約の続き】 することかできる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.加入者接続の一部分がターミナル装置とベースステーションとの間の無線接 続により形成され、そしてターミナル装置により送信された信号がベースステ ーションのアンテナにより多経路伝播信号の形態で受信され、上記アンテナが 複数のアンテナ素子で形成されるシステムにおいてターミナル装置の位置を位 置決めする方法であって、 各アンテナアレー素子の受信信号から無線チャンネルインパルス応答の推定 値を形成し、 各チャンネルインパルス応答推定値を、そのチャンネルインパルス応答推定 値のグループから選択された基準推定値に相関させ、そして各チャンネルイン パルス応答成分の伝播時間差を、最大相関を与える伝播遅延値に等しくセット し、そして このようにして決定された時間差から、ターミナル装置により送信された無 線信号の方位を推定する、 という段階を備えたことを特徴とする方法。 2.使用するアンテナアレーは、少なくとも二次元アレーであり、これにより、 受信信号の方位セクター及び仰角の両方に対して無線信号の方向を求めること ができる請求項1に記載の方法。 3.使用するアンテナアレーは一次元アレーであり、これにより、受信信号の方 位セクターのみに対して無線信号の方向を求めることができる請求項1に記載 の方法。 4.上記システムはCDMAシステムであり、そしてCDMA受信器から直接得 られるチャンネルインパルス応答推定値が使用される請求項1に記載の方法。 5.上記ターミナル装置により送信される無線信号は、複数のベースステーショ ンにおいて受信され、そして 上記ターミナル装置の位置は、各ベースステーションにおいて推定される方 位情報に基づいて求められる請求項1に記載の方法。 6.上記求められた方位情報は、ローパスフィルタ動作を受ける請求項1又は5 に記載の方法。 7.加入者接続の一部分がターミナル装置とベースステーションとの間の無線接 続により形成され、そしてターミナル装置により送信された信号がベースステ ーションのアンテナにより多経路伝播信号の形態で受信され、複数のアンテナ 素子で形成されたアンテナアレーを備えたシステムにおいて、 チャンネルインパルス応答を決定するための手段(41,…4N)であって、各ア ンテナアレー素子の受信信号から無線チャンネルインパルス応答の推定値を形 成する手段と、 各チャンネルインパルス応答推定値を、そのチャンネルインパルス応答推定 値のグループから選択された基準推定値に相関させる相関手段(46)であって、 各アンテナアレー素子ごとに、最大相関を与える遅延値を受信信号の時間差と して選択する相関手段と、 このようにして決定された到着時間差から、ターミナル装置により送信され た無線信号の方位を推定するための計算手段(46)と、 を備えたことを特徴とするシステム。 8.上記アンテナアレーは少なくとも二次元アレーであり、これにより、受信信 号の方位セクター及び仰角の両方に対して無線信号の方向を求めることができ る請求項7に記載のシステム。 9.使用するアンテナアレーは一次元アレーであり、これにより、受信信号の方 位セクターのみに対して無線信号の方向を求めることができる請求項7に記載 のシステム。 10.上記システムはCDMAシステムであり、そしてチャンネルインパルス応答 を決定する上記手段(41,…4N)は、従来のCDMA受信器の固有の部分である 請求項7に記載のシステム。
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