JP3595738B2

JP3595738B2 - 距離検出方法、位置検出方法及びその装置

Info

Publication number: JP3595738B2
Application number: JP24316999A
Authority: JP
Inventors: 正早川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2001069555A; DE60027654T2; EP1081503A3; EP1081503A2; DE60027654D1; US6973316B1; EP1081503B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動局と基地局との間の相対距離及び移動局の位置を検出するのに好適な距離検出方法、位置検出方法及びその装置に関し、特にスペクトラム拡散通信方式の移動体通信システムに好適可能な距離検出方法、位置検出方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セルラ移動体通信システムにおける移動局の位置を検出する方法としては、例えば特表平１０−５０５７２３号公報に記載されているものがある。
セルラ移動体通信システムにおける移動局と複数の基地局との間の相対距離を、移動局と基地局との間の交信の片道の伝播時間より求めることで、求めた複数の距離情報と複数の基地局の位置情報とを基に三角測量の原理で移動局の位置を求めることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のセルラ移動体通信システムにおいては次のような問題がある。
すなわち、情報通信サービスを実施済のセルラ移動体通信システムで、新たに移動局の位置を検出するサービスを開始する場合、移動局と複数の基地局の夫々との間の相対距離を求めるために、移動局と複数の基地局の夫々との間で交信可能であることが前提である。そのためには、基地局の通信可能範囲即ちセルが他の隣接している基地局をカバーしている必要がある。しかし、セルが他の隣接している基地局をカバーしているということは、基地局間の干渉が大きくなってセルラ移動体通信システムの基地局配置が不適切であることを意味している。すなわち、移動局の位置を検出するための基地局配置の要請と、情報通信における無線資源の効率の良い利用のための基地局配置の要請とは相反するものであり、現状のままでは、情報通信サービスと移動局の位置検出サービスの双方を効率よく行うことが困難である。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、スペクトラム拡散方式のセルラ移動体通信における情報通信のための無線資源の効率の良い利用を目的とした基地局配置で、移動局の位置検出を行うことができる距離検出方法、位置検出方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の距離検出方法は、基地局に報知チャンネルを持たせて、この報知チャンネルから基地局の有する基準タイマで発生した基準タイミングに基づいて周期性を持つ信号を送信し、移動局でその周期性を持つ信号を受信して受信タイミングを移動局の有する基準タイマで検出して位相差を求め、求めた位相差に基づいて移動局と基地局との相対距離を検出するようにした。
【０００６】
この方法により、基地局と移動局の基準タイマ合わせが済んでいれば、得られた位相差に光速を掛けることで基地局と移動局の相対距離を求めることができる。
【０００７】
また、本発明の距離検出方法は、移動局と基地局との間で信号の交信を行わせ、移動局では基地局からの信号を受信して移動局の有する基準タイマで受信タイミングを検出して位相差を求め、基地局では移動局からの信号を受信して基地局の有する基準タイマで受信タイミングを検出して位相差を求め、さらに求めた位相差と移動局で求められた位相差とに基づいて移動局と基地局との基準タイミングのずれを検出し、検出した基準タイミングのずれに基づいて移動局の基準タイマを基地局の基準タイマに合わせるようにした。
【０００８】
この方法により、移動局の基準タイマを基地局の基準タイマに合わせることができる。この場合、基地局の基準タイマを基準にして移動局の基準タイマのずれは、次式、
移動局の基準タイマのずれ＝（基地局検出位相差−移動局検出位相差）／２に基づいて求めることができる。
【０００９】
また、本発明の位置検出方法は、上記距離検出方法を用いて移動局と少なくとも三つの基地局の各々との間の距離を検出し、検出した距離に基づいて移動局の位置を検出するようにした。
【００１０】
この方法により、移動局と少なくとも三つの基地局の夫々との間で距離を検出できるので、三角測量の原理を用いて移動局の位置を検出することができる。
【００１１】
また、本発明の位置検出方法は、移動局と測距信号の交信を行う複数の基地局を、移動局が位置登録している主基地局と、その主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局として、前記移動局と前記主基地局との間の相対距離を検出し、この検出した相対距離と、主基地局とこの主基地局に隣接する前記少なくとも二つの基地局の夫々との間の距離と、移動局と主基地局との測距信号の通信パラメータの値とに基づいて、移動局と前記少なくとも二つの基地局の夫々との間の測距信号の通信パラメータの初期値を決定するようにした。
【００１２】
この方法により、移動局とこの移動局が位置登録している主基地局との間の相対距離と、主基地局とこれに隣接する少なくとも二つの基地局との間の距離を、輻射電力の距離に応じた減衰の関数に代入することにより、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の夫々と移動局との間で測距信号を相互に受信できるための通信パラメータの条件を求めることができる。
この通信パラメータの条件を、移動局と主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の通信パラメータの初期値に反映させることで、移動局と主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の夫々との間で確実に測距信号の交信を開始することができる。そして、移動局と主基地局及び主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の夫々との間で距離を検出することができるので、三角測量の原理を用いて移動局の位置を検出することができる。
【００１３】
また、本発明の位置検出方法は、前記主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の夫々が送信する測距信号の送信電力と拡散符号利得の初期値を、移動局と主基地局との間の相対距離と、主基地局とこの主基地局に隣接する前記少なくとも二つの基地局の夫々との間の距離と、主基地局が送信する測距信号の送信電力と拡散符号利得とに基づいて決定するようにした。
【００１４】
この方法により、移動局と主基地局との間の相対距離と、主基地局とこれに隣接する少なくとも二つの基地局との間の距離を、輻射電力の距離に応じた減衰の関数に代入することにより、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局の夫々から移動局への測距信号の実効送信電力を、主基地局の測距信号の実効送信電力の何倍にすれば移動局が受信可能となるか算出することができる。上記条件を送信電力と拡散符号利得の初期値に反映させれば、移動局は、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局から測距信号を確実に受信することができる。
【００１５】
また、本発明の位置検出方法は、上記位置検出方法において、移動局が自己の位置登録している主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局に対して送信する測距信号の送信電力と拡散符号利得の初期値を、移動局と主基地局との間の距離と、主基地局とこの主基地局に隣接する前記基地局間の距離の最大値と、移動局が位置登録して基地局に対して送信する測距信号の送信電力と拡散符号利得とに基づいて決定するようにした。
【００１６】
この方法により、移動局と主基地局との間の相対距離と、主基地局とこれに隣接する基地局間の距離の最大値を、輻射電力の距離に応じた減衰の関数に代入することにより、移動局から主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局への測距信号の実効送信電力を、主基地局に対する測距信号の実効送信電力の何倍にすれば、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局が受信可能となるか算出することができる。上記条件を、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局に対して送信する測距信号の送信電力と拡散符号利得の初期値に反映させれば、主基地局に隣接する少なくとも二つの基地局は、移動局からの測距信号を確実に受信することができる。
【００１７】
また、本発明の位置検出装置は、上記位置検出方法を実現するプログラムを記憶した記憶手段と、スペクトラム拡散変調された信号の送受信を行う通信手段と、を具備する構成を採る。
【００１８】
この構成により、上記位置検出方法をスペクトラム拡散変調方式の通信装置において実現することができる。
【００１９】
また、本発明の距離検出方法は、通信局同士が測距信号を交信して測距信号の伝播時間に基づいて距離を検出する際に、距離測定の許容誤差と、距離測定の距離分解能と、通信局間の相対速度情報とに基づいて測距信号の交信周期を決定するようにした。
【００２０】
この方法により、距離検出の最低限必要な頻度（１／交信周期）を通信局間の相対速度に応じて求めることができて、不必要な距離検出をしなくてすむ。
【００２１】
また、本発明の距離検出方法は、上記距離検出方法において、移動局が交信周期を決定して基地局に通知するようにした。
【００２２】
この方法により、基地局を含む網は、移動局が受信可能な測距信号の交信周期を知ることができる。
【００２３】
また、本発明の距離検出方法は、上記距離検出方法において、測距信号の交信周期と距離測定に必要な情報量とに基づいて測距信号のシンボルレートを決定し、さらに決定したシンボルレートと前記交信周期と前記情報量とに基づいて測距信号の間欠時間を求めて、測距信号の１交信毎に前記間欠時間の間に送信電力をオフにするようにした。
【００２４】
この方法により、距離検出の最低限必要な頻度（１／交信周期）とシンボルレートを通信局間の相対速度に応じて求めることができて、不必要な距離検出をしないで済み、不必要な輻射をしないで済む。
シボルレートが距離測定に必要な情報量を測距信号の交信周期で割った値と等しくなる時には測距信号の間欠時間が０となる。
拡散チップレートが固定値のときにシンボルレートを決定することは、拡散符号利得を決定することと等価である。
より小さい情報量を採用すれば、より長いシンボル周期を採用することと等価であり、それだけ大きな拡散符号利得が得られて、測距信号に必要な送信電力を低くすることができる。
【００２５】
また、本発明の距離検出方法は、上記距離検出方法において、移動局が交信周期とシンボルレートを決定して、基地局に通知するようにした。
【００２６】
この方法により、基地局を含む網は、移動局が受信可能な測距信号の交信周期とシンボルレートを知ることができる。
【００２７】
本発明の位置検出装置は、上記距離検出方法を実現する手順と、上記位置検出方法を実現する手順と、を含むプログラムを記憶した記憶手段と、スペクトラム拡散変調された信号の送受信を行う通信手段と、を具備する構成を採る。
【００２８】
この構成により、上記位置検出方法と上記距離検出方法をスペクトラム拡散変調方式の通信装置において実現することができる。
【００２９】
また、本発明の速度検出方法は、上記位置検出方法を用いて、時間をずらして位置検出対象の移動局の位置を検出し、単位時間当たりの位置の変化から換算した距離の変化量より移動局の速度を検出するようにした。
【００３０】
この方法により、位置検出対象の移動局の速度を検出することができる。
【００３１】
また、本発明のスペクトラム拡散通信装置は、上記スペクトラム拡散通信方法を実現するプログラムを記憶した記憶手段を具備する構成を採る。
【００３２】
この構成により、上記スペクトラム拡散通信方法を実現するスペクトラム拡散通信装置を実現することができる。
【００３３】
本発明の位置検出装置は、上記スペクトラム拡散装置を具備する構成を採る。これにより、上記スペクトラム拡散通信方法において位置検出を行うことができる。
【００３４】
また、本発明の距離検出装置は、上記距離検出方法を実現するプログラムを記憶した記憶手段と、スペクトラム拡散通信手段とを具備する構成を採る。
【００３５】
この構成により、上記距離検出方法を実現する距離検出装置を実現することができる。
【００３６】
また、本発明の車載装置は、上記距離検出装置を具備する構成を採る。
【００３７】
この構成により、上記距離検出方法を実現した車載用の距離検出装置を実現することができる。
【００３８】
本発明の車載装置は、上記位置検出装置を具備する構成を採る。これにより、車載装置において上記位置検出方法を実現することができる。
【００３９】
本発明の装置は、前記記憶手段が、半導体メモリ、磁気記憶媒体、光記憶媒体、及び光磁気記録媒体からなる群より選ばれたものである。これにより、上記位置検出方法や距離検出方法のプログラムを格納することができる。
【００４０】
また、本発明の移動体通信システムは、上記装置を有する移動局と、上記装置を有する基地局とを具備する構成を採る。
【００４１】
この構成により、測距信号の拡散符号長を決定し更新する際に、上記スペクトラム拡散通信方法による効果と、上記各距離検出方法による効果を得ることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るスペクトル拡散通信方式の一つとしてＣＤＭＡ方式の無線通信が可能な基地局と移動局の機能ブロック図である。
この図において、基地局１０は、通信制御及び距離測定のための演算機能を有する基地局側制御部１１と、サンプルレートｆｓ（サンプル周期Ｔｓ）及びチップレートｆｃ（周期Ｔｃ）のクロックを生成するタイマ１２、送信データを拡散する拡散回路１３、拡散された信号を送出すると共に無線波を受信するアンテナ１４、受信信号を復調するためのスライディング相関器１５とを備えている。基地局側制御部１１は、ＣＰＵ、ＤＳＰ、メモリ等で構成されており、本来の基地局機能に加えて後述する位相差検出機能を備えている。スライディング相関器１５は、受信信号との相関をとるために拡散符号をシフトさせて逆拡散符号を発生させる逆拡散符号発生器１６と、受信信号に逆拡散符号を掛け合わせた相関値を出力する逆拡散回路１７とから構成されている。
【００４３】
一方、移動局２０は、スペクトラム拡散通信のために基地局１０と同様の機能ブロック図を備えている。すなわち、移動局側制御部２１、タイマ２２、拡散回路２３、アンテナ２４、スライディング相関器２５を備えている。移動局制御部２１は、ＣＰＵ、ＤＳＰ、メモリ等で構成されており、本来の移動局機能に加えて位相差検出機能及び基地局１０との間の相対距離を検出する演算機能を備える。スライディング相関器２５は、受信信号との相関をとるために拡散符号をシフトさせて逆拡散符号を発生させる逆拡散符号発生器２６と、受信信号に逆拡散符号を掛け合わせた相関値を出力する逆拡散回路２７とから構成されている。
【００４４】
以上のように構成された基地局及び移動局の動作について、図２及び図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。
図２は基地局１０と移動局２０の夫々のタイマ１２、２２の与える基準タイミングに基づいて相互にスペクトル拡散通信している状態を示している。
基地局１０では、基地局側制御部１１から送信データが拡散回路１３へ入力されると、拡散回路１３においてタイマ１２の与える送信タイミングで送信データが拡散符号Ｃ１にて所定のチップレートｆｃで拡散されアンテナ１４から無線送信される。ここで、タイマ１２、２２は同一周期である。
【００４５】
このとき拡散回路では、タイマ１２の発生するチップレートのクロックｆｃで拡散符号Ｃ１を送信データに掛け合わせてスペクトル拡散する。送信データをスペクトル拡散するための拡散符号Ｃ１の先頭が発生するタイミングをタイマ１２の基準タイミングが与える。具体的には、タイマ１２のクロックｆｃのカウント値が０のとき拡散符号Ｃ１の先頭が送信データに掛け合わされるように拡散符号Ｃ１を生成する。また、カウント値が最大値のときに拡散符号Ｃ１の最後が送信データに掛け合わされ、次のクロックでカウント値がリセットされて再びカウント値が０となって拡散符号Ｃ１の先頭が表われるようにしている。
【００４６】
このように、基地局１０に内蔵されたタイマ１２が周期的に与える基準タイミングに基づいて生成された周期性を持つ信号（スペクトル拡散信号）が移動局２０へ無線送信される。基地局１０から無線送信された信号は移動局２０と基地局１０との間に距離に比例した伝播時間Ｔｄ後に移動局２０に到達する。
一方、移動局２０では、基地局１０と同様に移動局側制御部２１から拡散回路２３に与えられる送信データが自局のタイマ２２の与える基準タイミングを基に拡散符号Ｃ２でスペクトル拡散されてアンテナ２４から無線送信される。
このように、移動局２０からも基地局１０に対して移動局２０に内蔵のタイマ２２が周期的に与える基準タイミングに基づいて生成された周期性を持つ信号（スペクトル拡散信号）が基地局１０へ無線送信される。移動局２０から無線装置された信号が基地局１０に到達する時間は上記した基地局１０から移動局２０への送信と時間的な経過が小さければ同一伝播経路となるので、同じ伝播時間Ｔｄとなる。
【００４７】
移動局２０では、アンテナ２４にて受信された受信信号が逆拡散回路２７へ入力されると共に、逆拡散符号発生器２６の発生した逆拡散符号Ｃ１’が逆拡散回路２７へ入力される。逆拡散符号Ｃ１’は送信側でスペクトル拡散に使用した拡散符号と同じ拡散符号Ｃ１を逆拡散符号発生器２６において順次シフトさせて生成している。すなわち、図２に示すように、自局のタイマ２２のカウント値が０のタイミング（基準タイミング）に拡散符号Ｃ１の先頭を合わせ、カウント値が最大値になってリセットされるまでサンプリング周期Ｔｓで順次シフトさせる。このとき、逆拡散回路２７から受信信号のデータ列と逆拡散符号Ｃ１’との相関出力ＣＲが移動局側制御部２１へ出力される。移動局側制御部２１は最も大きな相関出力ＣＲが得られた時間を検出する。この相関処理を逆拡散の拡散パターンマッチングと呼ぶ。
【００４８】
移動局２０における逆拡散の拡散パターンマッチングによって相関出力ＣＲの最大値が得られるまでの時間は、送信側となった基地局１０のタイマ１２の基準タイミングと受信側となった移動局２０のタイマ２２の基準タイミングとのタイマずれ時間と、上記した伝播遅延Ｔｄとからなる。移動局２０のタイマ２２が与える基準タイミングを基準にして相関出力ＣＲの最大値が得られるまでの時間を自局検出位相差としての位相差Ｔ２とする。
サンプリングレートｆｓをチップレートｆｃのＮ倍（Ｎ≧１の整数）にとって、最大相関出力を検出するまでのシフト回数ｎより、位相差Ｔ２を次式より求める。
【００４９】
位相差Ｔ２＝ｎ×Ｔｓ …（１）
また、基地局１０においても移動局２０から受信した信号を基地局１０のタイマ１２の与える基準タイミングに基づいて逆拡散の拡散パターンマッチングを行うことで、基地局１０のタイマ１２が与える基準タイミングを基準にして相関出力ＣＲの最大値が得られるまでの時間＝位相差Ｔ１を検出することができる。
【００５０】
図３に基地局１０及び移動局２０で検出される位相差Ｔ１、Ｔ２と伝播遅延Ｔｄと基準タイミングの時間差であるタイマずれＴ０１、Ｔ０２を示している。同図に示すように、通信局（基地局、移動局）間の同期がとれていないときは、受信側を基準とした送信側のタイマずれをＴ０ｎとして、位相差Ｔｎは次式で表わされる。
位相差Ｔｎ＝受信側からみた送信側同期ずれＴ０ｎ＋伝播時間Ｔｄ …（２）
移動局２０を基準とした、基地局１０のタイマ１２のずれをＴ０２
基地局１０を基準とした、移動局２０のタイマ２２のずれをＴ０１
基地局１０を送信側、移動局２０を受信側としたときの位相差を位相差Ｔ２
移動局２０を送信側、基地局１０を受信側としたときの位相差を位相差Ｔ１
とすると、次式の関係がある。
【００５１】
Ｔ０２＋伝播時間Ｔｄ＝位相差Ｔ２ …（３）
Ｔ０１＋伝播時間Ｔｄ＝位相差Ｔ１ …（４）
基地局１０を基準として移動局２０のタイマ２２がＴ０１だけ進んでいるときは、逆に移動局２０を基準としたとき基地局１０のタイマ１２はＴ０２だけ遅れていることになる。
したがって、Ｔ０１＝−Ｔ０２の関係があり、式（３）と式（４）を加算すれば、左辺のタイマずれが打ち消し合って、伝播時間Ｔｄのみが左辺に残り、基地局１０と移動局２０の間の距離ｒを算出することができる。
【００５２】
伝播時間Ｔｄ＝（位相差Ｔ１＋位相差Ｔ２）／２ …（５）
距離ｒ＝光速×（位相差Ｔ１＋位相差Ｔ２）／２ …（６）
また、式（３）と式（４）を減算すれば、左辺の伝播時間Ｔｄが打ち消し合って、タイマずれのみが左辺に残り、同期のずれを算出することができる。
Ｔ０１＝（位相差Ｔ１−位相差Ｔ２）／２ …（７）
Ｔ０２＝（位相差Ｔ２−位相差Ｔ１）／２ …（８）
算出したタイマのずれ分だけ補正すれば、次式にて距離ｒを求めることもできる。
【００５３】
距離ｒ＝光速×（位相差Ｔ１−タイマずれＴ０１） …（９）
距離ｒ＝光速×（位相差Ｔ２−タイマずれＴ０２） …（１０）
移動局２０が基地局１０までの距離を測定する場合、移動局２０からの信号を受信した基地局１０において、自分のタイマ１２の基準タイミングに基づいて検出した位相差Ｔ０１を送信データとして基地局１０から移動局２０へ送信する。
【００５４】
移動局２０では、基地局１０から受信した位相差Ｔ０１に関する受信データを復調して基地局１０にて検出された位相差Ｔ０１を取得する。その一方で、当該位相差Ｔ０１に関する受信データとの逆拡散の拡散パターンマッチングにより自局のタイマ２２の基準タイミングに基づいた位相差Ｔ２を検出する。
移動局側制御部２１では、上記した式（６）に基づいて移動局２０から基地局１０までの距離ｒを計算する。または、上記した式（７）、（８）により移動局２０を基準とした基地局１０のタイマずれＴ０２または基地局１０を基準とした移動局２０のタイマずれＴ０１を検出し、式（９）または式（１０）に基づいてタイマずれ分を補正して相対距離ｒを計算するようにしても良い。
【００５５】
また、式（７）または式（８）により計算したタイマずれＴ０１またはＴ０２を用いて移動局２０と基地局１０のタイマ２２、１２を合わせる。例えば、基地局１０では移動局２０のタイマ２２を基準としたときのタイマずれＴ０２だけ基地局側制御部１１がタイマ１２を合わせ込む。移動局２０において同様の合わせ込み作業を実施しても良い。
ただし、セルラシステムでは、一つの基地局が多数の移動局と通信を行うので、移動局のタイマを基地局のタイマに合わせるほうがシステム運用上都合が良い。
タイマずれを無くした後は、次式にて相対距離ｒを計算するようにしても良い。
距離ｒ＝ｃ×位相差 …（１１）
但し：ｃは光速に相当する定数
【００５６】
（実施の形態２）
ところで、スペクトラム拡散方式においては、通常は全チャネルで、同一の値のチップレートｆｃ（周期Ｔｃ）を使用してサンプルレートｆｓ（シンボル周期Ｔｓ）と同一周期の拡散符号信号を重畳するようにしている。一般に、測距に必要な情報量Ｉｓｒはユーザー情報通信で伝送する情報量Ｉｓｉに比べて十分少ないので、測距信号Ｒに重畳する拡散符号Ｃｒのビット長Ｎｒ（＝拡散符号利得Ｇｒ）を、ユーザー情報通信の信号Ｉに重畳する拡散符号Ｃｉのビット長Ｎｉ（＝拡散符号利得Ｇｉ）に比べて十分大きくとることができる。
【００５７】
拡散符号利得Ｇと送信電力Ｐの積Ｇ・Ｐを実効送信電力ＰＥと定義する。測距信号Ｒの実効送信電力ＰＥｒ（＝Ｇｒ・Ｐｒ）の上限値をユーザー情報通信の信号Ｉの実効送信電力の上限値ＰＥｉｍａｘ＝（Ｇｉ・Ｐｉｍａｘ）に比べて十分大きくできることは明らかである。これは図４に示す通り、測距信号Ｒに関する基地局１０、移動局２０の交信可能半径Ｒｒｍａｘが、ユーザー情報通信の信号Ｉの交信可能半径Ｒｉｍａｘに比べて十分長くなることを意味する。これにより、測位（測距）対象の移動局２０を覆うように送信電力Ｐｒを調整することで、移動局２０が複数の基地局１０と交信可能になるようにすることができる。このとき、実効送信電力ＰＥｒとＰＥｉｍａｘを比較するとＰＥｒ＞ＰＥｉｍａｘであるが、拡散利得ＧｒとＧｉを比較するとＧｒ＞＞Ｇｉなので、Ｐｒ＜＜Ｐｉｍａｘとなり、基地局１０間の干渉は近似的に無いとみなして良い。したがって、上記実施の形態を実施することによって「発明が解決しようとする課題」で前記した従来の課題を解決できる。以上が本発明の主な原理である。
【００５８】
さて、この実施の形態２は、既にＣＤＭＡ方式のセルラ移動体通信システムにおいて情報通信サービスが実用化されていて、そこに位置検出サービスを追加したものである。
既存の位置検出サービスの方法には、ＧＰＳシステムやＡＯＡ（ＡｎｇｌｅｏｆＡｒｉｖａｌ）法が実用化されている。しかし、ＧＰＳシステムを採用することは、セルラ移動体通信システムとは別のシステムを導入することになり、移動局２０にＧＰＳの信号を受信するハードウェアと位置計算装置を加えることになり、移動局２０のハードウェア構成が複雑になってコスト高になる。また、ＡＯＡ法を採用すると、基地局１０のアンテナが無指向性静止のアンテナだけでは実現できなくなり、指向性回転アンテナを増設しなければならなくなり、基地局１０のハードウェア構成が複雑になってコスト高になる。
【００５９】
その点、三角測量の原理による測位法を採用すればセルラ移動体通信システムとは別のシステムを導入する必要はなく、現状のハードウェア構成をそのまま利用することができる。しかし、従来からの三角測量の原理に基づく測位法を採用する場合には前述した課題があるので、この課題を解決する必要がある。
通常、移動局２０は最も近くに存在する基地局１０に対して自己の位置登録を行うので、移動局２０と相対距離を検出する基地局１０は、位置登録を行っている基地局１０−０と、基地局１０−０に隣接した基地１０−ｉ（ｉ＝１〜６）で構成されることが合理的である。移動局２０が位置登録を行っている基地局１０−０を主基地局と定義し、この主基地局１０−０に隣接している基地局１０−ｉを副基地局と定義する。
図５は主基地局１０−０と二つの副基地局１０−１、１０−２の計三つの基地局で移動局２０の位置検出を行っている様子を示すものである。
【００６０】
さて、上述した原理の説明において、測距信号Ｒの干渉量は近似的に無視できるが、厳密にいうならば測距信号Ｒの基地局間の干渉は０ではない。この測距信号Ｒの干渉は近似的に無視できるとはいえ、より少なくした方が望ましい。そのためには、拡散符号利得Ｇｒ（測距信号Ｒに重畳する拡散符号Ｃｒのビット長Ｎｒ）を大きくすれば良いが、システムのハードウェアの負担が大きくなる。すなわち、両者はトレードオフの関係にある。そこで、拡散符号利得Ｇｒの決定の仕方について説明する。
【００６１】
ここで、基地局１０が個別の移動局２０に対して測距チャンネルＲを設けて距離を検出することを想定する。
説明を簡単にするため、前記の実用化されているセルラ移動体通信システムにおいては、通信の障害物は無視して直接波による通信のみとし、基地局１０の配置は理想的な配置をしているものとする。すなわち、領域が正六角形のヘクサの通信セルで埋め尽くされていて、基地局１０はヘクサの中央に位置している。基地局間の距離Ｄは一定である。
Ｐ：送信機の輻射する希望波の送信電力
Ｐ（ｒ）：送信機から距離ｒの地点の希望波の送信電力
Ｇ（＝Ｎ）：拡散符号利得（＝拡散符号のビット長）
ＰＥ（＝Ｇ・Ｐ）：送信機の輻射する希望の実効送信電力
ｒ：距離
Ｐｓ（ｒ）：送信機から距離ｒの地点の希望波の逆拡散後の受信電力
Ｐｎ：干渉波の逆拡散後の受信電力
ｆｄ（ｒ）＝Ｐ（ｒ）／Ｐ：距離ｒを変数とした信号の送信電力の減衰の状態を表す関数
Ｄ：隣接する基地局間の距離
ｒ０：主基地局と移動局の相対距離
【００６２】
通信品質Ｑを希望波の逆拡散後の受信電力Ｐｓと、干渉波の逆拡散後の受信電力Ｐｎの比Ｐｓ／Ｐｎ（所謂Ｓ／Ｎ比）とする。通信品質Ｑはその定義によって数多く種類があるが、前記Ｓ／Ｎ比と単調増加の関係にあるので、本質は変らない。
Ｐｓと希望波の到達距離ｒの関係は、次式（１２）で表わされる。
Ｐｓ（ｒ）＝Ｇ・Ｐ・ｆｄ（ｒ） …（１２）
ここで、拡散符号利得Ｇと送信電力Ｐの積Ｇ・Ｐを実効送信電力ＰＥと定義する。
Ｐｓ（ｒ）＝ＰＥ・ｆｄ（ｒ） …（１３）
【００６３】
通信局から距離ｒ離れた地点で希望波を所定の通信品質Ｑ１以上で受信するための条件は、次式（１４）、式（１５）で表わせる。
Ｐｓ（ｒ）／Ｐｎ≧Ｑ１ …（１４）
ＰＥ≧Ｑ１・Ｐｎ／ｆｄ（ｒ） …（１５）
距離ｒ１離れた地点から実効送信電力ＰＥ１で送信した希望波を品質Ｑ１で受信できたとき、距離ｒ２離れた地点から送信した希望波を品質Ｑ１で受信するための条件は、次式（１９）で表わせる。
ＰＥ１＝Ｑ１・Ｐｎ／ｆｄ（ｒ１） …（１６）
ＰＥ２≧Ｑ１・Ｐｎ／ｆｄ（ｒ２） …（１７）
ＰＥ２／ＰＥ１≧ｆｄ（ｒ１）／ｆｄ（ｒ２） …（１８）
ＰＥ２≧ＰＥ１・ｆｄ（ｒ１）／ｆｄ（ｒ２） …（１９）
【００６４】
主基地局１０−０は移動局２０が位置登録している基地局なので、移動局２０と通信可能な状態にある。したがって、主基地局１０−０と移動局２０との間で相対距離ｒ０を求めることができる。また、このとき、主基地局１０−０、移動局２０のそれぞれが相手局に対して送信した測距信号Ｒの実効送信電力ＰＥｒ０、ＰＥｒ０′も分かっている。主基地局１０−０に隣接する六つの副基地局１０−ｉ（ｉ＝１〜６）のうち少なくとも二つは、移動局２０を中心として基地局１０−０と基地局１０−ｉ間の距離Ｄを半径とする円内に存在する。したがって、次式（２０）で得られる実効送信電力ＰＥで副基地局１０−ｉが測距信号Ｒを送信することで、移動局２０は少なくとも二つ以上の基地局１０−ｉから測距信号Ｒを受信することができる。
ＰＥ＝ＰＥ０・ｆｄ（Ｒ０）／ｆｄ（Ｄ） …（２０）
【００６５】
移動局２０から副基地局１０−ｉに対して送信する測距信号Ｒの実効送信電力も同様にして求めることができる。理想的なセルラ移動体通信システムでは基地局間の距離Ｄｉは一定であるが、実際は一定ではない。しかし、主基地局１０−０と隣接する六つの副基地局１０−ｉ（ｉ＝１〜６）間の距離Ｄｉのうち最長の距離Ｄｍａｘを用いれば良い。
移動局２０が移動することにより基地局１０と離れていき、送信側が送信電力の上限値Ｐｍａｘで送信しているにも関わらず、受信側が所定の通信品質Ｑ１以上で受信できなくなることがあり得る。この場合、拡散符号利得Ｇ（＝拡散符号長Ｎ）を増加させて通信品質Ｑ１以上にすれば良い。
【００６６】
拡散符号利得Ｇと、チップレートｆｃとシンボルレートｆｓは、次式（２１）の関係にある。
Ｇ＝ｆｃ／ｆｓ …（２１）
拡散符号利得Ｇを増加させるにはチップレートｆｃを大きくするか、シンボルレートｆｓを小さくすれば良い。現行のセルラ移動体通信システムではチップレートｆｃ固定で複数の異なるシンボルレートｆｓが混在して通信を行うシステムがあるので、チップレートｆｃを固定にしてシンボルレートｆｓを小さくした方が実現が容易である。なお、現行のセルラ移動体通信システムでは、通信毎にシンボルレートｆｓを決定すると、以後同一のシンボルレートで通信を続けるようにしている。また、送信電力の上限値で送信して所定の通信品質を満たせなくなったからといってシンボルレートｆｓを変更することはない。
【００６７】
シボルレートｆｓと信号の交信周期Ｔｆと信号のシンボル数で表した情報量Ｉｓは、次式（２２）の関係にある。
ｆｓ≧Ｉｓ／Ｔｆ …（２２）
シンボルレートｆｓを小さくするには情報量Ｉｓを小さくするか、交信周期Ｔｆを大きくすれば良い。
初めから情報量Ｉｓは必要最小限で通信して、必要に応じて交信周期Ｔｆを大きくする方が合理的である。
【００６８】
（実施の形態３）
上記実施の形態２は、基地局１０が個別の移動局２０毎に個別の測距チャンネルＲを設けて距離を検出することを想定していたが、測位対象の移動局２０の数が多いときは、測距チャンネルＲの数が増えて使用する無線資源、基地局１０の処理能力が多くなってしまう。そこで、基地局１０が複数の移動局２０に対して報知チャネルの形態で測距信号Ｒを送信するケースを想定する。
報知チャネルとは、基地局１０が自局のセル内に存在する全ての移動局２０を対象に共通の情報を報知するための共通のチャネルである。現行のセルラ携帯電話システムでは、携帯電話の位置登録のための情報を報知するための止まり木チャネル（ＰｅａｒｃｈＣｈａｎｎｅｌ）という報知チャネルが実施されている。なお、位置登録は位置検出とは異なる。
【００６９】
基地局１０と移動局２０の基準タイマのタイマ合わせができていれば、移動局２０は測距信号Ｒの受信タイミングを測定して位相差Ｔｍとして、上述した式（１１）に基づいて基地局１０と自局の相対距離ｒを求めることができる。なお、タイマ合わせは、上述した式（７）、（８）を基に行うことができる。
ところで、測距信号Ｒは、隣接する基地局１０の直近に存在する移動局２０で受信可能でなければならず、前記の止まり木チャネルＰでは保証されない。そこで、測距用報知チャネルＲを止まり木チャネルＰとは別のチャネルＲとして、このチャネルＲの実効送信電力ＰＥｒを止まり木チャネルＰの実効送信電力ＰＥｐより大きくする。
【００７０】
セルラ携帯電話システムの基地局は、正六角形のヘクサの中心に位置していて、そのヘクサの外接円（半径Ｄ′）内は止まり木チャネルＰの信号Ｐが受信できることが保証されている。前記ＤとＤ′の関係は、図６より明らかに式（２５）の関係にある。
Ｄ′＝正三角形の一辺の長さ …（２３）
Ｄ＝正三角形の頂点から底辺に引いた垂線の長さ×２ …（２４）
Ｄ＝√３・Ｄ′ …（２５）
【００７１】
電波の電力は、距離の−２乗に比例して減衰するので、距離Ｄの地点の希望波の逆拡散前の受信電力Ｐ（Ｄ）は、距離Ｄ′の地点の逆拡散前の受信電力Ｐ（Ｄ′）の１／３になる。したがって、測距信号Ｒの拡散符号利得Ｇｒと送信電力Ｐｒの積、すなわち実効送信電力ＰＥｒを信号Ｐの実効送信電力ＰＥｐの９倍以上とすれば、測距信号Ｒの距離Ｄの地点の逆拡散後の受信電力Ｇｒ・Ｐｒ（Ｄ）は、止まり木チャネルＰの信号Ｐの距離Ｄ′の地点の逆拡散後の受信電力Ｇｐ・Ｐｐ（Ｄ′）以上になり、移動局２０が測距信号Ｒを受信できることが保証される。Ｇｒ・Ｐｒ≧３・Ｇｐ・Ｐｐ …（２６）
Ｐｒ＝Ｐｐとしたとき、
Ｇｒ≧３・Ｇｐ …（２７）
【００７２】
（実施の形態４）
次に、位置測定の前提となる距離測定の誤差、並びに現行の無線仕様で本発明が実現可能かどうかについて説明する。
測定機器と測距対象物の間で電磁波のやりとりして、電磁波の片道の伝播時間Ｔを測定して、この伝播時間Ｔに電磁波の伝播速度（光速ｃ＝３．０×１０^８ｍ）を掛ければ距離が算出できる。このとき、伝播時間Ｔの測定の時間分解能ｄＴに光速を掛けて算出される距離ｄｘが距離測定の距離分解能となる。逆に距離の許容誤差ｄｘから光速を割って算出されるｄＴが時間分解能の許容値となる。
実施例として、セルラ移動体通信システムにおけるロケータ、ナビゲータなどの位置検出システムが実現できる。例えば、１１０番、１１９番緊急サービスや迷子捜索などに応用できる。なお、米国では、携帯電話事業者に、加入者の移動局の位置を一定の精度、確率で検出することが義務づけられている。
【００７３】
セルラ携帯電話の位置（距離）検出に要求される精度が６０ｍオーダと仮定すると、距離分解能６０ｍを時間分解能に換算すると２００ｎｓｅｃになる。測距対象の移動局２０が自動車に搭載されていて、速度約１００ｋｍ／ｈで移動しているとすると、自動車が６０ｍ進むに要する時間は約２．２秒である。この値は、要求される時間分解能２００ｎｓｅｃの約１千万倍であり、静止とみなして良い。
【００７４】
スペクトラム拡散通信方式において、信号の伝播時間の測定の時間分解能はチップ同期をとる際のサンプル周期であり、前記の２００ｎｓｅｃをチップ周波数に換算すると５ＭＨｚになる。現行のセルラ移動体通信システムとしてＩＳ９５が実用化されていて、そのチップレートが約１．２ＭＨｚであることから、４倍のオーバサンプリングをとればオーダ的に前記時間分解能を実現できる。すなわち、現行のＩＳ９５の拡散スペクトラム通信方式と同程度のオーダの無線仕様で、通話と距離測定を同時に実現することができる。
【００７５】
例えば、チップレートを約２倍にすることは現在の技術で容易に実現可能である。この場合、距離測定の許容誤差の換算時間−時間分解能は１００ｎｓｅｃである。１００ｎｓｅｃの距離換算は３０ｍであり、時速１００ｋｍ／ｈの自動車は３０ｍ移動するのに約１．１秒かかる。したがって、図７に示すとおり、測距信号Ｒの交信を約１．１秒以上の周期で行うと、測位対象の移動局２０を搭載した自動車３０は許容誤差の範囲外に走り去ってしまう可能性がある。逆に測距信号Ｒの交信を１．１秒以下の周期で行えば測位対象の移動局２０を搭載した自動車３０は許容誤差△Ｒの範囲内に留まることが保証される。
【００７６】
このように、移動局２０の速度Ｖに応じて測距信号Ｒの交信周期を決定することが合理的である。勿論、速度Ｖそのものでなくても、移動局２０の想定される最高速度Ｖｍａｘ、またはＶｍａｘに所定のマージンを加えたＶｍａｘ′で置き換えても良い。また、移動局２０に速度Ｖの検出装置を装備しても良いし、自動車３０に装備済みの速度検出装置から速度Ｖを移動局２０に通知しても良い。また、移動局２０に速度検出装置を装備しなくても、最高速度選択ボタン（例えば、「歩行」、「自動車」、「電車」）を装備して移動局２０のユーザがボタンを押して速度の上限の予想値、概算値を選択しても良い。
【００７７】
移動局２０は、自局の速度情報Ｖに基づいて測距信号Ｒの交信周期の上限値を求めて、その範囲内で自局に都合の良い交信周期Ｔｆｒを決定して網に通知する。測距信号Ｒの干渉の軽減のみを考慮するならば、交信周期Ｔｆｒはより長い方が望ましい。説明を簡単にするため、ここでは交信周期Ｔｆｒを１秒とする。
【００７８】
一般に距離測定に必要な情報量は通常の情報通信に比べて十分少ない。特に、上記した式（７）、（８）で基準タイマを合わせた後では、距離測定そのものに必要な情報はなく、移動局２０の識別情報のみを送れば良い。さらに言えば、スペクトラム拡散通信方式では、特定の拡散符号で逆拡散を行って相関出力が検出できることそれ自体が移動局２０の識別情報を送っていることと等価なので、識別情報すら必要でない。それでも確認のため識別情報を送るとしても、情報量を冗長度を考慮して１００ｂｉｔ程度と仮定すると、測距信号Ｒの伝送速度は０．１ｋｂｐｓ程度である。それに対して、ＩＳ９５の情報通信信号の伝送速度は約１４ｋｂｐｓである。測距信号Ｒの拡散符号利得Ｇｒは、現行ＩＳ９５の拡散利得の約１４０倍が得られる計算になる。この値は上記した式（２７）で算出した３倍より十分大きい。したがって、本発明は現時点で実用化されているセルラ移動体通信システムの無線仕様と同程度のオーダの無線仕様で十分実現することができる。
【００７９】
移動局２０は次式、
ｆｓｒ≧Ｉｓｒ／Ｔｆｒ …（２８）
但し：ｆｓｒは測距信号Ｒのシンボルレート
Ｉｓｒは測距信号Ｒのシンボル数で表した情報量
の条件を満たす範囲内で自局に都合の良いシンボルレートｆｓｒを決定して、基地局１０を介して網に通知する。拡散符号利得Ｇｒとシンボルレートｆｓｒは次式、
Ｇｒ＝ｆｃ／ｆｓｒ …（２９）
の関係にあるので、シンボルレートｆｓｒを決定することは拡散利得Ｇｒを決定することと等価である。
【００８０】
測距信号Ｒの干渉量を軽減することのみを考慮するならば、拡散符号利得Ｇｒ（シンボル周期Ｔｓｒに比例する）はより大きい方が高い拡散符号利得が得られてその分送信電力を低くできて望ましい。しかし、拡散符号長Ｎｒを通信装置の送受信手段で実現可能な拡散符号のビット長以上とすることはできない。前記の「自局に都合の良い」とはこのことを意味している。
【００８１】
シンボルレートｆｓｒをＩｓｒ／Ｔｆｒより大きい値に決定したとき、次式（３１）のＴｒｏｆｆ時間が余る。この余った期間は測距信号Ｒをオフすれば干渉量を減らし、かつ消費電力も減らすことができる。
Ｔｓｒ＝１／ｆｓｒ …（３０）
Ｔｒｏｆｆ＝Ｔｆｒ−Ｉｓｒ・Ｔｓｒ …（３１）
なお、シンボルレートｆｓｒをＩｓｒ／ＴｆｒとしたときＴｒｏｆｆは０になる。この場合は、測距信号Ｒを常時送信することになる。
【００８２】
（実施の形態５）
実施の形態２で説明した通信方法や、実施の形態４で説明した距離測定方法を実現するプログラムを、基地局１０、移動局２０の制御部１１、２１のメモリに書き込むことによって、上記の距離測定方法を実行する距離検出装置を実現できる。すなわち、既存のスペクトラム拡散通信装置のハードウェア構成を変更すること無く距離検出装置を実現することができる。このメモリとしては、半導体メモリ、磁気記憶媒体、光記憶媒体、及び光磁気記録媒体等を挙げることができる。
また、この距離検出装置を位置検出システムの移動局、基地局に搭載することにより、位置検出装置を実現できる。
また、この距離検出装置を自動車に搭載すれば、カーナビゲータ、カーロケータを実現できる。
【００８３】
（実施の形態６）
この実施の形態６は、上記距離測定装置を備えた車載装置を搭載した車両と、複数の基地局１０を含む網間で上述した位置検出方式に基づいた位置検出を複数回行い、そのときの位置の差から換算した移動距離と位置検出のタイミングの時間差とから車両の速度を検出する速度検出装置である。
速度Ｖ^２＝｛（ｘ２−ｘ１）^２＋（ｙ２−ｙ１）^２＋（ｚ２−ｚ１）^２｝／（ｔ２−ｔ１）^２ …（３２）
但し、（ｘ１、ｙ１、ｚ１）は時刻ｔ１で検出された位置座標、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）は時刻ｔ２で検出された位置座標である。
この実施の形態６によれば、検出した位置を利用して速度を検出することができる。
【００８４】
なお、本発明は、上記各実施の形態に制約されず、全ての改変、修正、変形を包含するものである。例えば、本発明の実施の形態では、説明を簡単にするために既存のユーザ情報通信システムの基地局の配置は理想的と仮定したが、勿論現実には理想的でない。そのため、本発明の実施の形態で説明した数式、数値には所定のマージンを持たせる必要がある。そのための安全係数の乗余、オフセットの加減で補正した数式、数値は当然本発明に含有される。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一般に測距信号に必要な情報量が情報通信に必要な情報量に比べて十分少ないことに着目して、移動局の速度から必要最小限のシンボルレートを求め、測距信号に十分に長いシンボル周期（拡散符号周期）をとって十分大きな拡散符号ビット長（拡散符号利得）を得るようにしたので、測距信号の交信可能距離をのばすことと、干渉量を軽減することを両立させることができる。そして、このことにより、セルラ移動体通信における情報通信のための無線資源の効率良い利用のための基地局配置上で移動体の位置検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＣＤＭＡ方式の無線通信が可能な基地局と移動局の機能ブロック図
【図２】図１の基地局と移動局との間でのスペクトラム通信のタイミングチャート
【図３】図１の基地局と移動局で検出される位相差を説明するためのタイミングチャート
【図４】本発明の実施の形態２を説明するための測距信号の状態を示す図
【図５】本発明の実施の形態２を説明するための測距信号の状態を示す図
【図６】本発明の実施の形態３を説明するための測距信号の状態を示す図
【図７】本発明の実施の形態４を説明するための移動局の速度と測距信号の交信周期の関係を示す図
【符号の説明】
１０−０、１０−１、１０−２基地局
１１基地局側制御部
１２、２２タイマ
１３、２３拡散回路
１５、２５スライディング相関器
２０移動局
３０車両

Claims

移動局と、前記移動局と測距信号の交信を行う複数の基地局とを有し、前記複数の基地局は、前記移動局が位置登録を行っている主基地局と、前記主基地局に隣接する少なくとも二つの副基地局とからなる移動体通信システムに用いられる位置検出方法であって、
前記移動局と前記主基地局との間の相対距離を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した相対距離と、前記主基地局と前記各副基地局との間の距離と、前記移動局と前記主基地局との間の測距信号の送信電力および拡散符号利得とに基づいて、前記移動局と前記各副基地局との間の測距信号の送信電力および拡散符号利得の初期値を決定する決定工程と、
を有することを特徴とする位置検出方法。
前記決定工程は、
前記各副基地局が送信する測距信号の送信電力および拡散符号利得の初期値を決定する場合は、前記移動局と前記主基地局との間の相対距離と、前記主基地局と前記各副基地局との間の距離と、前記主基地局が送信する測距信号の送信電力および拡散符号利得とに基づいて、前記決定を行う、
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出方法。
前記決定工程は、
前記移動局が前記各副基地局に対して送信する測距信号の送信電力および拡散符号利得の初期値を決定する場合は、前記移動局と前記主基地局との間の距離と、前記主基地局と前記各副基地局との間の距離の最大値と、前記移動局が前記主基地局に対して送信する測距信号の送信電力および拡散符号利得とに基づいて、前記決定を行う、
ことを特徴とする請求項１記載の位置検出方法。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置検出方法を実現するプログラムを記憶する記憶手段と、
スペクトラム拡散変調された信号の送受信を行う通信手段と、
を具備することを特徴とする位置検出装置。