JP5461434B2 - 移動デバイスを位置特定するための方法、および移動デバイスを位置特定するための装置 - Google Patents
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Description
GPS(グローバル・ポジショニング・システム)は、米国国防省によって軌道に配置された24の衛星のネットワークから成る衛星ベースのナビゲーション・システムである。GPS受信機が、2D位置(緯度と経度)を計算し、さらに動きを追跡するのに、少なくとも3つの衛星の信号にロックオンさせられなければならない。4つ以上の衛星が視野に入っている状態で、受信機は、ユーザの3D位置(緯度、経度、および高度)を特定することができる。GPSは、ToA技術に基づき、衛星信号のLOS(見通し線)伝播を必要とする。残念ながら、すべてのMSにGPS機能を持たせることは、実現可能ではない。したがって、GPSベースの技術は、本提案の範囲外である。
信号強度を使用する無線位置特定は、距離につれてのパス・ロス減衰を記述する、知られている数学モデルを使用する、よく知られた位置特定法である。信号強度の測定は、MSとBSの間の距離推定をもたらすので、MSは、BSを中心とする円の上に位置する。複数のBSを使用することによって、MSの位置が、特定されることが可能である。
AoA技術は、アンテナ・アレイの使用を介して、いくつかのBSにおいてMSからの信号の迎角を最初に測定することによって、MSロケーションを推定する。しかし、LoS信号成分が欠如している場合、アンテナ・アレイは、MSの方向からは来ない可能性がある、反射された信号にロックオンする。LoS成分が存在する場合でさえ、マルチパスは、それでも、角測定に干渉する。アレイ・アンテナが使用されている場合、BSにおいて8つのアンテナが必要とされ、工学上の困難が増加する。アレイ・アンテナは、NLoSには適していないため、移動WiMAXは、通常、アレイ・アンテナ技術を使用しない。
時間ベースのアプローチは、MSによって送信され、複数のBSにおいて受信された信号のToAもしくはTDoA、または複数のBSにおいて受信された信号のTDoAもしくはToAをMSによって推定することに基づく。ToAアプローチにおいて、MSとBSの間の距離は、MSとBSの間の一方向伝播時間を求めることによって測定される。幾何学的には、このことは、MSが位置するはずの、BSを中心とした円をもたらし、すなわち、この円の半径は、MSとBSの間の距離である。あいまいさを解決するのに少なくとも3つのBSを使用することによって、MSの位置は、それらの円の交差によって与えられる。図1は、このToA位置特定法を示す。図1に示されるとおり、MSとBS1の間の距離、MSとBS2の間の距離、およびMSとBS3の距離は、それぞれ、R1、R2、およびR3である。前述した定義によれば、MSは、BS1、BS2、およびBS3をそれぞれ中心とする円の上に位置するはずであり、さらに各円の半径は、R1、R2、およびR3であり、したがって、この3つの円の交差点が、MSの位置である。
移動WiMAXシステムは、TDD(時分割複信)およびFDD(周波数分割複信)をサポートすることができる。本発明の、この提案は、物理層が、少なくともFBSS(高速BSスイッチング)ハンドオフ能力を伴うOFDMA(直交周波数分割多元接続)技術に基づく、TDDモードに主に的を絞る。そのようなシステムの例が、802.16e標準に現在、対応しており、さらに2006年に韓国の2つの事業者によって市販されたWiBroである。図3は、OFDMAを使用する移動WiMAX TDDフレーム構造の例を示す。
図4は、移動WiMAXネットワークのアーキテクチャを示す。本発明は、無線インタフェースを介してユーザ端末装置位置特定手続きを指定する。これらの動作は、IEEE802.16e−2005標準において規定されるMAC管理メッセージを利用する。位置特定サービスは、IMSサービスの1つと見なされることが可能である。位置特定サービスは、ロケーション計算サーバが、WiMAX CSN(接続サービス・ネットワーク)内の位置特定サービスのための1つの構成要素であるものと想定する。
移動WiMAX DPFD(ダウンリンク・プリアンブル高速検出)が、以下に詳細に例示される。第1に、MSSが、TDDモード移動WiMAXにおけるGPSによってすべて同期されているBSからダウンリンク・プリアンブルを検出する。次に、異なるBSのプリアンブルのTDoAが、プリアンブル・ベースの同期検出によって得られることが可能である。最終的に、正確なロケーションは、従来のTDoAアルゴリズム(以降、ファン(Fang)のアルゴリズム、およびチャン(Chan)のアルゴリズムと呼ばれる、B.T.Fang、「Simple solutions for hyperbolic and related position fixes」、IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst.、vol.26、748〜753頁、1990年9月、およびY.T.ChanおよびK.C.Ho、「A Simple and Efficient Estimator for Hyperbolic Location」、IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING、Vol.42、No.8、1994年、1905〜1915頁)を介して計算されることが可能である。
時間領域における1つのサンプルを移動させるステップ、
FFT変換するステップ、および
ローカル候補プリアンブル系列によって隣接BSプリアンブルと互いに関係付けるステップである。
n個のプリアンブルを受信すること
ワイリー識別を実行して、m個のLoSプリアンブル、および(n−m)個のNLoS(n>m)を検出すること
多くのNLoSプリアンブル、および3つ以上のLoSプリアンブルが検出された場合、本発明は、ワイリー識別法を使用して、いずれの信号がNLoSであるかを識別しなければならず(例えば、以降、参照文献3として言及される、M.P.WylieおよびJ.Holtzman、「The None−Line−of−Sight Problems in Mobile Location Estimation」、WINLAB TR−121、1996年6月)、さらに、その後、本発明は、他の3つのLoS信号を使用して、ファンのアルゴリズムを介してロケーションを計算することができる。また、本発明は、2つのLoS信号、およびアップリンク・レンジング情報を使用して、本発明によって提案されるURAD−TDoAアプローチを介してロケーションを計算することもできる。
多くのセルが、ネットワークを構成する場合、隣接セルのプリアンブルは、現在のセルの信号強度が非常に強い場合、忘却であり得る。したがって、「ブラインド領域」が生じ、検出されるプリアンブルが低減して、位置特定されることが可能な領域が小さくなることになる。
Ttr=Tfull−T’delay (3)
であり、この式で、Tfullは、BSにおけるDLフレーム開始点からULフレーム開始点までの時間間隔である。T’delayは、考慮されるレンジング符号のUL伝播遅延BSである。
Tre=Ttr+Tdelay (4)
であり、この式で、Tdelayは、レンジング符号の真のUL伝播遅延である。
Tdiff =Tfull−Tre
=(Ttr+T’delay)−(Ttr+Tdelay)
=T’delay−Tdelay (5)
Tdelay=Tu−Td−Ttr−Tdiff (6)
Tdelay=Tu−Td−Ttr (7)
1つだけのLOSプリアンブルしか検出されない事例に関して、我々は、レンジング情報を使用して、直径がRTDであり、中心がBSである円を獲得し、RTDは、BSからMSSまでの距離である。次に、セルIDおよびセクタIDが、位置特定を支援するのに使用されることが可能である。セクタにおける弧の中央が、参考のための図15を参照して、推定される位置特定として使用される。
MOB_NBR−ADV、MOB_SCN−REQ、MOB_SCN−RSP、およびMOB_SCN−REPなどのMAC管理メッセージが、本発明の提案されるURAD−TDoAにおいて利用される。このソリューションにおいて測定結果を伝送するために使用されるすべてのMACメッセージは、IEEE802.16e標準において定義されているため、本発明は、それらのメッセージを、それらのメッセージが使用されるべき仕方で使用する。
このタイプの位置特定技術は、既存のハンドセットにおける変更を全く有さない。
ネットワークによって開始される位置特定のシグナリング・フローチャートが、図16として示される。CSNにおけるロケーション関連のアプリケーションが、位置関連のアプリケーションがロケーション計算サーバにLOC_REQメッセージを送信することによって、位置特定を呼び出す。LOC_REQメッセージは、SSID(位置特定ターゲットMSS ID)を含む。ロケーション計算サーバは、このロケーション要求を実行し、要求をサービングBSに転送する。この要求を受信した後、サービングBSは、隣接BSの数、およびそれらのBSのBS IDをMSSに知らせるMOB_NBR−ADVを送る。次に、サービングBSは、スキャンに関する開始フレームおよび終了フレームを示すMOB_SCN−RSPをユーザ端末装置に送る。サービングBSは、MSSスキャンのために隣接BSとスキャン間隔をネゴシエートすることも行わなければならない。
ユーザによって開始される位置特定のシグナリング・フローチャートが、図17に示される。ユーザ端末装置におけるアプリケーションが、ユーザ端末装置自らのSSIDを有するLOC_REQメッセージをロケーション管理サーバに送って、測定を要求する。ロケーション計算サーバが、位置特定測定をトリガするためにサービングBSに問い合わせる。サービング基地局は、無線チャネル測定を実行するためにユーザ端末装置にMOB_NBR−ADVおよびMOB SCN−REPを送り、さらに或るスキャン間隔の後、ロケーション測定情報、MOB_SCN−REPを受信する。その後、サービングBSは、ロケーションを計算するために、LOC_RSP(SSID、BSID、遅延、RTD)メッセージの中でロケーション計算サーバにパラメータを転送する。ロケーション計算サーバは、適切なアルゴリズムを選択し、ユーザのロケーションを計算する。計算結果は、ユーザ端末装置のSSID、およびユーザ端末装置のロケーション(x,y)を含むLOC_REPメッセージを使用して、ユーザ端末装置に送り返される。ロケーション計算サーバは、ユーザのロケーションをユーザに知らせる。
このタイプの位置特定技術は、ロケーションを計算すること、ならびに背景地図において、そのロケーションを表示することを担う、既存のハンドセット上で実行されるソフトウェア・アプリケーションを要求する。
LoS環境におけるファンのアルゴリズム、およびURAD−TDoAを使用するDPFDの性能比較が、図20に示される。LoSに関して、AWGNチャネルが、想定される。本発明は、URAD−TDoAが、DPFD−ファンの性能と同一の性能をほぼ有することを示す。しかし、DPFD−ファンは、2つのプリアンブルの事例に関しては、機能しない。
IEEE802.16 TGe、「Part 16:Airinterface to fixed and mobile broadband wireless access systems,Amendment2」、IEEE802.16e、2005年12月は、位置特定アプリケーションのための新たな、実現可能なURAD−TDoAソリューションを提供しない。本発明は、移動WiMAX位置特定のための新たなURAD−TDoA法を提案する。このスキームは、特に、3つ以上のプリアンブルが検出される場合に、DPFD(ダウンリンク・プリアンブル高速検出)に基づく。さらに、2つだけのBSのプリアンブルしか検出されない場合に、URA(アップリンク・レンジング・アシスタント)アプローチが、TDoAにアシスタント・データを供給するように導入される。本発明は、LoSアプリケーションに関するURAD−TDoAの精度が、AWGNチャネルにおけるファンの精度とほぼ同一であることをさらに示す。URAD−TDoAは、2つより多くのプリアンブルが検出される場合にも機能するものの、特に、NLoS環境に関して、3つのプリアンブルを使用するDPFD−ファンの精度と比べて、それほど正確ではない。
位置特定は、移動デバイスに、移動デバイスの位置についての情報を集めさせる、または正確な特定のロケーションを提供させることができる。この技術は、ロケーションに左右される料金請求、フリート追跡、パッケージ追跡および個人追跡、移動体イエローページ、ロケーション・ベースのメッセージング、経路案内、ならびに交通情報を提供することを含め、多くの新たな概念およびサービスを提案する。位置特定は、GSMネットワークおよび3Gネットワークにおいて既に適用されており、次世代無線システムの最も有望で、重要なフィーチャの1つとなる。
Claims (13)
- ダウンリンク・プリアンブル高速検出DPFDによるWiMAX位置特定のための方法であって、
移動ユーザ局MSSが、TDDモードで移動WiMAXによってすべて同期されているBSからのダウンリンク・プリアンブルを検出するステップと、
プリアンブル・ベースの同期検出を介して異なるBSのプリアンブルのTDoAを獲得するステップと、
従来のTDoAアルゴリズムを介して正確なロケーションを計算するステップとを備え、
3つ未満のプリアンブルが検出されたときには、URAD(アップリンク・レンジング・アシスタント検出)アプローチが実行され、レンジングを実行するアシスタント・データがもたらされる、方法。 - 前記MSSは、サービング/アンカBSに対してレンジングを行い、前記URADアプローチにおけるTDoA計算のためのさらなる遅延測定を獲得する、請求項1に記載の方法。
- 1つの往復遅延RTDに関して可能な2つのルートが存在するときには、セルID情報またはセクタID情報が、セル/セクタに関する1つの正確なルートを選択するのに使用される、請求項2に記載の方法。
- 1つの往復遅延RTDに関して可能な2つのルートが存在するときには、前記2つのルートが同一のセル/セクタにある場合、前記2つのルートの中間点が推定される位置として選択される、請求項2に記載の方法。
- ダウンリンク同期パラメータおよびアップリンク送信パラメータが獲得された後、前記MSSは、利用可能なレンジング領域からのランダムに選択されたレンジング・スロットの中でランダムに選択されたレンジング符号を送信する、請求項1に記載の方法。
- 前記BSがレンジング符号を受信した後、時間補正とともにRNG−RSPを送り、さらに前記遅延測定が同時に得られる、請求項1に記載の方法。
- 片道/往復遅延は、初期レンジングまたは周期的レンジングが行われた際に、BSによって獲得されることが可能であり、さらに前記BSは、前記BSのメモリの中にそのような遅延、すなわち、最新の更新された値、を格納し、さらに、この値を、MSSにおいて2つのプリアンブルが検出された際の1つの時間オフセットと一緒にロケーション計算サーバに送る、請求項1に記載の方法。
- 移動窓ベースのプリアンブル検出がTDoA検出のために使用される、請求項1に記載の方法。
- 前記TDoA検出は、
1つのサンプル・チップを移動させるステップと、
FFT変換するステップと、
ローカル候補プリアンブル系列によって隣接BSプリアンブルと互いに関係付けるステップとを備える、請求項8に記載の方法。 - 多くのNLoSプリアンブルおよび2つのLoSプリアンブルが検出されたときには、ワイリー識別法を使用して、いずれの信号がNLoSであるかが識別され、さらに、
2つのLoS信号およびアップリンク・レンジング情報を使用して、URAD−TDoAアプローチを介してロケーションが計算される、請求項1に記載の方法。 - 1つだけのLoSプリアンブルが検出される、または1つだけのLoSプリアンブルが、NLoS信号から再構築されるときには、アップリンク・レンジング・アシスタント・セル/セクタIDアプローチが使用される、請求項1に記載の方法。
- 1つだけのLOSプリアンブルしか検出されないことに関して、レンジング情報を使用して、直径がRTDである円が獲得され、さらにセルIDおよびセクタIDが位置特定を支援するのに使用される、請求項1に記載の方法。
- 前記セクタにおける弧の中央が、推定される位置特定として使用される、請求項12に記載の方法。
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