JP4348918B2 - 無線位置測定装置およびそれに使用する無線端末装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線端末の位置を検出する装置に関し、特に屋内等の地域において無線端末の位置を推定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２、３を用いて従来からなる技術を説明する。図２は、従来技術からなる無線位置測定装置の構成図を示す。また、図３は３つの電波発信源からの信号を使って端末の位置を検出方法である三辺測量の原理を示す図である。まず図３を用いて端末の位置を検出する原理を説明する。
図３において、端末ＭＳは周囲にある３つの基地局装置（ＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３）からの信号を受信している。各基地局装置はＧＰＳあるいはネットワークに同期しており、システムとして全基地局装置が共通な時計を持っている。また、各基地局装置は該時計に同期して、正確な時間でコントロールされた固定パタンの信号を送信している。端末ＭＳは、各基地局が送信している固定の信号パタンを予め知っており、相関演算器において、そのパタンと受信信号との相関演算を行って、受信した信号のタイミングを検出することができる。検出されたタイミングから、例えば各基地局（ＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３）からの信号の受信タイミングを（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）とすると、遅延時間差（Ｔ１−Ｔ２、Ｔ３−Ｔ２）を作成する。この遅延差が基地局と端末との距離差に一致することから図３内に記載された方程式を解くことにより端末の位置（ｘ、ｙ）を求めることができる。
特にＣＤＭＡセルラシステムでは、３つの基地局は同一の周波数帯を利用して信号を送信しているため、端末ＭＳは、ただ１つの周波数を観測し、観測する信号パタンを切り替えることで、３つの基地局からの信号を同時に受信することができる。これらの技術は、ＩＳ−９５については、特開平７−１８１２４２において開示されている。
図２を用いてＩＳ−９５を例に挙げて、端末の構成について説明する。端末は、アンテナ201、ＲＦ装置202、ベースバンド装置203、メモリ装置207、ＣＰＵ208からなる。アンテナ201が受信した信号は、ＲＦ部202でベースバンド信号に変換される。
位置測定を行う手順を説明する。ＩＳ−９５の基地局は固定のパタンであるパイロット信号を送信している。各信号の送信タイミングは、基地局が個別に持つＰＮオフセットに基づいて、システムの時計より遅れて送信されている。まず端末MSは、最寄りの基地局を判定するために、パイロットチャネル用の相関器206を動作させる。端末MSは相関を取るパイロット信号の位相を順次替えながら、次々とすべての位相をサーチしていき、最も大きな相関のピークが得られるタイミングを探す。検出された最大ピークのタイミングが、最も近くにあると考えられる基地局に同期するタイミングを示している。ベースバンド装置203内には、制御チャネル用の逆拡散器204が具備されており、上記で検出された最寄り基地局のタイミングで逆拡散器において逆拡散演算を実施し、制御チャネルの信号を取り出す。更に、取り出した制御チャネルの信号は、受信機205で検波されて、有意な情報に復調される。ＣＰＵ208は、取り出された検波出力の情報から受信している基地局のＩＤを取り出し、予めメモリ207に蓄積されていた周囲にある基地局の情報テーブルを検索して、周囲の観測するべき基地局のＰＮオフセットを取り出す。取り出された最寄り基地局および周囲基地局のタイミングに関して、パイロット信号用の相関器206を用いて遅延プロファイルを作成する。作成された遅延プロファイルはメモリ装置207に蓄積される。ＣＰＵ208はメモリ装置207に蓄積された遅延プロファイルを解析し、パスが検出されたタイミングを取り出す。取り出されたタイミングは、図３で説明した（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）に当たる。ＣＰＵ208は更に図３内に示されている方程式の解を最小二乗法等の解法を用いて解を求め、端末の位置を計算する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術は、各基地局がＧＰＳ受信器を具備しており、これが発信する基準信号を元に基地局間の同期が保たれていた。しかしながら、屋内においては、各基地局は屋内にあることから、当然ＧＰＳ衛星の信号を受信することは難しく、上記と同じ方法は実施できない。また、窓等にＧＰＳアンテナを設置する方法も可能であるが、基地局を設置する条件が厳しくなり、運用面で使い勝手が悪い。また、時間精度の高いＧＰＳ受信器は、一般に高価であり、安価であることが望まれる屋内サービスには不適当である。
また、従来の技術は、移動体通信で使用している基地局を利用していた。こうした通信システムは、体の細胞のように基地局エリアが構成されることからセルラ通信と呼ばれている。こうした既存のインフラを使用する場合には、基地局がすでに分散配置されているため、基地局設置のためのコストはかからない。しかし、屋内に私設の位置測定装置を置く場合には、基地局を分散配置する必要があり、これがシステムのイニシャルコストを押し上げる主たる原因であった。従来の基地局では、基地局間隔が離れていたことから各局に高価な送受信機を具備していたが、より安価な方法が必要であった。
さらに、従来の技術では、同期した信号源から送信される信号を長期間について累積加算することで符号化利得を得て、遠近問題を解決していたが、屋内においては、遮蔽物が多いため、より強力な干渉対策が必要であった。以上が課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
共通のクロックにより生成した擬似乱数列により送信信号を拡散変調し、共通の発振器により無線周波数へアップコンバートする。無線周波数へ変換された送信信号を無線各分散装置へ分配し、分散装置が無線端末装置へ無線信号として送信信号を中継する。無線端末装置が無線信号を受信するタイミングにより、上記無線端末装置の位置を測位することにより上記課題を解決する。
無線端末装置が分散装置へ無線信号を送信し、分散装置が無線信号を信号解析装置へ光信号および電気信号として中継する。信号解析装置が信号の受信タイミングから、上記無線端末の位置を測定することにより上記課題を解決する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１を用いて本発明からなる第１の実施例を説明する。図１は無線位置測定装置の構成図を示す。
図１において、信号生成装置100は、複数の送信分散装置101-１〜101-3（以下、101-1〜101-3を総称して101と書く）から送信する信号を作成する。この際、信号生成装置100は、同一のクロックを用いて信号を発生させるため、キャリヤ周波数や、ベースバンド信号のタイミングについて、同期のとれた信号を作り出すことができる。
【０００６】
生成する信号としては、特定のパタン、例えば擬似乱数系列が望ましい。こうした系列は自己相関が急峻に下がる特性を持つことから、無線端末装置が受信タイミングを測定する際に必要となる遅延プロファイルの特性が急峻となり、高い精度の測定が可能となる。また、各分散装置101から送信される信号は、互いの相互相関が小さい信号が望ましい。なぜなら、相関が小さい信号であるならば、同一周波数で各分散装置101が信号を送信しても分離、識別することが容易だからである。特に無線端末装置120が特定の分散装置101の近傍にある場合には、その分散装置の信号が強烈となり、他の分散装置の信号を受信することが困難となる遠近問題が発生してしまう。この問題に対して相互相関の小さい信号であれば、微弱な信号を検知することができる。相互相関を小さくするための１つの方法は、非常に長い系列の信号を用いて、長期に渡る同相加算を行うことである。このためにもキャリヤ周波数も含めて完全に同期した信号を各分散装置が送信する本実施例の構成は有効である。よって本発明により、課題が解決できる。
信号生成装置100の内部構成は、図４に示されている。制御部400は、装置全体のコントロールを行う。上記の特定のパタンは、無線変復調部403において作成される。本発明の特徴は、既に述べてあるが、同一の装置が同一のクロック405を用いて同期動作をする擬似乱数生成器406を使ってベースバンド信号部408で生成されたベースバンド信号にスペクトラム拡散を行い、複数の信号を作成していることである。作成された複数の信号は、電気・光変換器401によって光信号に置きかえられる。変換された信号は光ファイバーを通して複数の分散装置101に伝送される。ここで電気・光変換を使う理由は、分散装置の簡易化と同期の維持にある。信号生成装置100でベースバンド信号を作成して分散装置に伝送し、分散装置101でＲＦ信号に変換する構成も本発明の１実施例ではあるが、この場合、ベースバンド信号のクロックはソースが同じであるため、同期は容易に確立できるが、キャリア周波数の同期は難しい。なぜなら信号発生装置100から送信されてきたベースバンド信号をＲＦ信号にアップコンバートする際に必要となるローカル発振器を分散装置毎に持つこととなるためである。ここで発生する周波数の偏差により、各分散装置が送信するキャリヤ周波数に偏差が発生してしまう。各分散装置が送信するキャリヤ周波数に偏差があると、無線端末装置で信号を観測した際に、各分散装置の信号が独自の位相回転をしているように見えるために、結局、無線端末装置は各分散装置の信号を受信するために、各分散装置に対して同期確立を行う必要が発生し、回路規模が大きくなる欠点がある。特に遠近問題が発生して、特定の信号が微弱となっている場合においては、信号再生を行うこと自体が困難となる。しかし好ましい実施例であるＲＦ信号までを信号発生装置100で生成する実施例では、分散装置101側には、光・電気変換の装置のみがあればよく、第一に分散装置が簡易化できる。第二に無線端末装置も簡易化できる。第三にキャリア周波数も同期していることから微弱な信号を送信している分散装置に対する同期が容易となり、遠近問題に対する耐性が高い等のメリットが挙げられる。
本実施例の分散装置の構成を図5に示す。分散装置101は、信号発生装置100から送られてきた信号を光・電気変換502で電気信号に変換し、所望の信号電力まで持ち上げるためのアンプ505とアンテナ506で構成される。
本発明からなる実施例の無線端末装置120の構成は、従来例と何ら変わらない。構成は図2に示している。本構成の説明は従来の技術において行っているのでここでは省略する。
上記では、信号を送信するだけの機能を持つ、送信専用の分散装置101を中心に説明したが、送受信が可能な分散装置110を用いた構成も可能である。例えば、無線端末装置が位置測定を行い、その結果を図には書かれていないセンタ局において管理したい場合がある。こうした場合には、無線端末装置が計算した結果をセンタ局に送信する手段が必要となる。これに設置した分散装置110を利用する形態が本実施例である。位置計算するために必要な複数の分散装置101は、２次元の位置測定であれば、少なくとも３つの装置が必要となる。しかしながら、双方向通信可能な送受信分散装置110は少なくとも全システムで１台あれば、任意の無線端末装置と通信することができる。したがって、分散装置の全数が、送受信分散装置である必要はない。無線端末装置は、この送受信分散装置110との通信を介して信号生成装置100に情報を伝達し、信号生成装置100が、外部Ｉ／Ｆ404を通じて所望のセンタ局に情報を中継する。信号生成装置100の構成図4では、これを実現するために、電気・光変換401と光・電気変換402の双方向通信が可能な端子が具備されていて、分散装置110との通信を行っている。また、分散装置の構成図5では、電気・光変換501と光・電気変換502の双方向通信が可能な端子をもつ送受信分散装置110の構成が示されている。この装置が送信する信号は、光ファイバーから取り出され、光・電気変換502によって電気信号に変換され、信号増幅器505よって電力増幅されてからアンテナ506より送信される。アンテナが受信した信号は、分波器508で分離後、低雑音増幅器507で増幅された後に、電気・光変換によって光信号に変換されて光ファイバーで信号生成装置に伝送される。また、図１及び図６では信号生成装置は分散装置とは異なる装置として記載されているが、信号生成装置の機能をある特定の分散装置が有していても良い。図６を用いて、第２の実施例を説明する。第２の実施例では、送信分散装置605-1〜605-3は、無線端末装置MS120からの無線信号を受信する機能は全く持たない。無線端末装置はMS120は、別途、例えば無線ＬＡＮや構内ＰＨＳ等の通信手段を用いてセンタ局601と接続する。ここで602はイーサケーブルに接続されるハブを示している。
第１の実施例および第２の実施例において、センタ局が位置解析および無線端末装置の位置情報の管理を行ってもよい。
無線端末装置ＭＳ、送信分散装置、無線ＬＡＮ、構内ＰＨＳ等は同じ周波数、同じ信号を用いることが好ましいが、互いの干渉が問題となる。これには分散装置から送信する信号を、間欠的に送信することによって解決される。間欠送信するタイミングは、全分散装置に関して同期していれば、無線端末装置は同時に各分装置からの信号の受信タイミング測定することができる。また、間欠送信であるため、無線ＬＡＮ等の別システムに与える干渉も低減することができる。よって課題は解決される。
上記第１及び第２の実施例では、分散装置101が信号を送信し、無線端末装置MS120が受信することによって無線端末装置、分散装置間の距離を測定していたが、全く逆もの場合も本発明に含まれる。この第３の実施例を図７を用いて説明する。すなわち、無線端末装置が特定の信号を送信し、分散受信装置700-1〜700-3（以下、700-1〜700-3を総称して700と呼ぶ）その信号をそれぞれ受信し、その信号を中央装置である信号解析装置702に中継するシステムである。この場合、分散受信装置700の構成は、ここまで説明を行ってきた装置とは全く逆となる。すなわち、上記第１及び第２の実施例では、光・電気変換された信号を増幅してアンテナより送信していたが、本実施例では、アンテナが受信した信号を増幅して、電気・光変換して、信号解析装置701に伝送する。この時、信号解析装置701内では、予め、無線端末装置より送られる信号と、タイミングを通知してもらう必要がある。これには、上記解決手段と同様に、無線ＬＡＮ等の別システムを用いてもよい。信号解析装置701では、得られた情報から、受信信号に対して相関演算を行い、各分散装置が受信したタイミングを計算する。光ファイバー等による伝送遅延は、予め測定しておくことで、補償することができる。よって、それぞれの分散受信専用装置700が受信したタイミングから無線端末装置の位置を計算することができる。よって課題は解決される。
また、図８、図９にはそれぞれ、分散受信専用装置の幾つかが分散送信機能を有する第４の実施例、および分散受信専用装置の幾つかが無線LANなど別システムとの組み会わせによる第５の実施例の図を示した。
第３および第４および第５の実施例において、センタ局が位置解析および位置情報の管理を行ってもよい。図７から図９において信号解析装置は分散装置とは異なる装置として記載されているが、信号解析装置の機能をある特定の分散装置が有していても良い。
第４及び第５の実施例では、上記第２の実施例と同様に無線端末装置ＭＳ、分散装置、無線ＬＡＮ、構内ＰＨＳ等は同じ周波数を用いることが望ましい。この際、無線端末装置は、無線ＬＡＮ用に送信している信号を利用することができる。よって、何ら無線ＬＡＮシステムに対してインパクトを与えることがない。更に、複数に分散配置された分散装置が受信する信号から、背景となっている信号を検知することができるため、これらのレプリカ信号を再生し、受信信号から上記レプリカを差し引くことで所望の信号の信号対干渉電力比を上昇させることができる。この結果、無線ＬＡＮによる測位システムへの干渉を低減でき、課題は解決される。なお、上記実施例は屋内の例をとって説明を行ったが、屋外においても同様である。
【０００７】
【発明の効果】
従来の技術は、各基地局がGPS受信器を具備しており、これが発信する基準信号を元に基地局間の同期が保たれていた。しかしながら、屋内においては、各基地局は屋内にあることから、当然ＧＰＳ衛星の信号を受信することは難しく、上記と同じ方法は実施できない。また、窓等にＧＰＳアンテナを設置する方法も可能であるが、基地局を設置する条件が厳しくなり、運用面で使い勝手が悪い。また、時間精度の高いＧＰＳ受信器は、一般に高価であり、安価であることが望まれる屋内サービスには不適当である。
従来の技術は、移動体通信で使用している基地局を利用していた。こうした通信システムは、体の細胞のように基地局エリアが構成されることからセルラ通信と呼ばれている。こうした既存のインフラを使用する場合には、基地局がすでに分散配置されているため、基地局設置のためのコストはかからない。しかし、屋内に私設の位置測定装置を置く場合には、基地局を分散配置する必要があり、これがシステムのイニシャルコストを押し上げる主たる原因であった。従来の基地局では、基地局間隔が離れていたことから各局に高価な送受信機を具備していたが、より安価な方法が必要であった。
また、従来の技術では、同期した信号源から送信される信号を長期間について累積加算することで符号化利得を得て、遠近問題を解決していたが、屋内においては、遮蔽物が多いため、より強力な干渉対策が必要であった。
こうした課題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線位置測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】無線位置測定装置における無線端末装置構成を示すブロック図である。
【図３】従来技術からなる無線位置測定原理を示す構成図である。
【図４】無線位置測定装置の信号生成装置の構成を示すブロック図である。
【図５】無線位置測定装置における分散装置の構成を示す回路図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第３の装置構成を示す図である。
【図８】本発明の第４の装置構成を示す図である。
【図９】本発明の第５の装置構成を示す図である。
【符号の説明】
１００ 信号生成装置
１０１-１ 送信分散装置
１０１-２ 送信分散装置
１０１-３ 送信分散装置
１１０ 送受信分散装置
１２０ 無線端末装置
２０１ アンテナ
２０２ RF部
２０３ ベースバンド装置
２０４ 制御ｃｈ逆拡散器
２０５ 検波器
２０６ 相関器
２０７ メモリー
２０８ CPU
４００ 制御部
４０１ 電気．光変換インターフェース
４０２ 光．電気変換インターフェース
４０３ 無線変復調部
４０４ インターフェース
４０５ クロック
４０６ 擬似乱数生成器
４０７ 遅延線
４０８ ベースバンド信号部
５０１ 電気・光変換インターフェース
５０２ 光・電気変換インターフェース
５０５ アンプ
５０６ アンテナ
５０７ 低雑音増幅器
５０８ 分波器
６００ 無線LANアクセスターミナル
６０１ センタ局
６０２ ネットワークハブ
６０５-１ 送信分散装置
６０５-２ 送信分散装置
６０５-３ 送信分散装置
７００-１ 受信分散装置
７００-２ 受信分散装置
７００-３ 受信分散装置
７０１ 信号解析装置
８００-１ 受信分散装置
８００-２ 受信分散装置
８００-３ 分散受信装置
８０１ 信号解析装置
８０２ 分散送受信装置
９００-１ 受信分散装置
９００-２ 受信分散装置
９００-３ 受信分散装置
９０１ 信号解析装置
９０２ 無線LAN AT
９０３ ネットワークハブ
９０４ センタ局。

Claims (2)

1. 信号生成装置と、
   該信号生成装置とそれぞれ光ファイバを介して接続された複数の分散装置とを有し、無線端末装置の位置を測定する無線位置測定システムであって、
   上記信号生成装置は、共通のクロックにより同期して動作する複数の擬似乱数発生器によってそれぞれベースバンド信号にスペクトラム拡散を行う手段と、スペクトラム拡散された各信号をキャリア周波数も同期している無線周波数信号にアップコンバートする無線変復調部と、アップコンバートされた各信号に電気・光変換を行って上記光ファイバを介して上記複数の分散装置に分配する電気・光変換インターフェースを備え、
   上記分散装置の各々は、分配された信号を電気信号に変換して無線信号として上記無線端末装置に送信する通信手段を有し、
   上記無線端末装置の上記分散装置からの各無線信号の受信タイミングから、上記無線端末装置の位置を測定することを特徴とする無線位置測定システム。
2. 上記分散装置の少なくとも一つが有する上記通信手段は、送信に加えて上記無線端末装置からの信号を受信する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の無線位置測定システム。

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