JP2003519996A - ワイヤレス通信システムにおいて署名領域に関する無線周波数署名を作成するための方法およびシステム - Google Patents

ワイヤレス通信システムにおいて署名領域に関する無線周波数署名を作成するための方法およびシステム

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Abstract

(57)【要約】 ワイヤレス通信システムにおいて、ワイヤレス通信システムのカバレージ・エリア内のいくつかの位置から送信される信号に関わる無線周波数信号伝播特性が測定される。次に、カバレージ・エリア内に複数の署名領域が定義され、この署名領域は、選択され測定される無線周波数信号伝播特性を有するいくつかの被選択位置をそれぞれ含む。被選択署名領域に関して、関連する被測定無線周波数信号伝播特性が処理され、その被選択署名領域に関して空間的に平均化される無線周波数署名が作成される。空間的に平均化される無線周波数署名は、被選択署名領域内で送信される信号の無線周波数信号伝播特性の主要な特徴を表す。最後に、空間的に平均化される無線周波数署名と被選択署名領域との間の関連性が記録される。

Description

【発明の詳細な説明】
（関連出願） 本出願は、本明細書と同日に出願され、本件に参考文献として含まれる「METH
OD AND SYSTEM FOR COMPARING MEASURED RADIO FREQUENCY SIGNAL PROPAGATION
CHARACTERISTICS IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM（ワイヤレス通信システ
ムにおいて被測定無線周波数信号伝播特性を比較するための方法およびシステム
）」と題される出願番号第０９／４７５，０９５号（文書番号CE04821N）に関連
する。
【０００１】 （産業上の利用分野） 本発明は、一般にワイヤレス通信システムに関し、さらに詳しくは、ワイヤレ
ス通信システムのカバレージ・エリアにおいて署名領域に関する無線周波数（RF
）署名を作成するための改善された方法およびシステムに関する。
【０００２】 （発明の背景） ワイヤレス通信システムのユーザにとってもオペレータにとっても、呼を発生
している、あるいはデータを送信または受信している加入者ユニットの位置を特
定することが望ましい場合が多い。加入者の位置を特定することのできる技術の
用途としては、９１１緊急サービスを要求する加入者の位置を特定すること，種
々の法執行活動において法執行機関を支援すること，ユーザに地域の地図や方向
を提供することおよびユーザにユーザ位置に関する広告情報を提供することがあ
る。
【０００３】 いくつかの技術が、通信システム内の加入者ユニットの位置を与えるために用
いられたり、あるいは提案されており、これらの技術にはそれぞれ欠点がある。
たとえば、到着時差（TDOA：time difference of arrival）システムは、周知の
位置にある複数の基地トランシーバからの測定値を利用する。この種のシステム
は、２つ以上の基地トランシーバにおける加入者ユニットの信号を受信すること
と、基地トランシーバ間の時間的同期を行うことと、多重経路信号と見通し線信
号（line-of-sight signal）を混同することなく見通し線波面伝播の測定を行う
こととを必要とする。多重経路信号とは、信号の伝播に影響を与える物体から反
射回折される信号である。暫定仕様９５（IS-95），符号分割多重接続（CDMA：c
ode division multiple access）規準に準拠するセルラ・システムにおける基地
トランシーバの同期精度は、所望の解像度をもって位置推定値を与える信号伝播
測定を行うには充分ではない。さらに、都市の谷間とも呼ばれる密集した市街地
においては、見通し線信号成分が密接する多重経路成分によって遮られたり弱め
られるために、見通し線波面の検出ができないこともある。
【０００４】 より高度なTDOAシステムでは、一部の多重経路成分を排除して、迅速な波面の
検出を助けるスマート・アンテナ（インテリジェント・アンテナ）を利用する。
スマート・アンテナは、位置探索のための幾何学式に到着角度（AOA：angle of
arrival）測定値を加えることもできる。これによりさらに性能が強化される。
残念ながら、都市の谷間の多重経路環境があまりに乱雑でスマート・アンテナが
有効な解決策とはならない場合もある。スマート・アンテナを重複して用いるに
は、既存のアンテナと協働する特殊な位相アレイ・アンテナを追加することも必
要になる。サービス・プロバイダは、位置探索要件のみならず容量要件に関して
スマート・アンテナが必要とされるまで追加のアンテナに投資することを、進ん
では行いたがらない。
【０００５】 一部のエンジニアおよびオペレータは、加入者の位置を決定するためにグロー
バル・ポジショニング・システムを利用することを提案する。この方法も、都市
の谷間においては問題がある。正確な位置推定値を生成するために必要な数の衛
星から見通し線信号を受信することができない場所が多い。
【０００６】 他の提案としては、都市中心部に多数のマイクロセルを配置して加入者がどの
セル・サイトを使用中であるかを識別することにより、加入者の位置を推定する
方法がある。マイクロセルは特定の地域では普及しつつあるが、市場全体として
は容量カバレージのためにマイクロセルを拒絶している。すなわち、展開される
マイクロセルの数が、位置探索に対応するには充分な規模にならない可能性があ
る。現在の通信配備プランの多くは、依然としてマイクロセルラ・カバレージを
特定する。
【０００７】 したがって、通信システムのサービス・エリア内の密集地域において加入者ユ
ニットの位置を特定するための改善された対費用効果の優れた方法であって、間
接的なあるいは非見通し線伝播信号の無線周波数特性を加入者ユニットの位置特
定に用いることができるという利点を有する方法が依然として必要であることは
明らかである。よって、ワイヤレス通信システムのカバレージ・エリアにおいて
無線周波数署名領域を作成するための改善された方法およびシステムであって、
無線周波数署名が、選択される署名領域から送信される信号の無線周波数伝播特
性の主要な特徴に呼応する方法およびシステムも必要とされる。
【０００８】 （発明の詳細な説明） 図１を参照して、通信システム・カバレージ・エリア２０が図示される。この
カバレージ・エリアには、加入者ユニット３８と基地トランシーバ４０との間の
伝播経路３２〜３６を進む無線周波数信号を反射拡散させる建造物２２〜３０が
含まれる。
【０００９】 図１から明らかなように、伝播経路３２〜３４は、伝播経路３６とは異なる進
行時間と到達角度とを有する。このため、トランシーバ４０が伝播中の信号から
の到達角度およびタイミング情報を測定し、そのデータを用いて加入者ユニット
３８の位置を推定しても、建造物２２〜３０により起こる信号の反射および拡散
を考慮しなければ、伝播経路３２〜３６のデータが一体となって通信システム・
カバレージ・エリア２０内の１つの位置を示すことにはならない。
【００１０】 次に図２を参照して、本発明によるワイヤレス通信システム内のカバレージ・
エリアにおける署名領域に関して空間的に平均化される無線周波数署名を作成す
るための方法および動作を説明する高レベル論理流れ図が図示される。図示され
る如く、プロセスはブロック２００で開始され、次にブロック２０２に進んで、
通信システムのカバレージ・エリア２０（図１参照）内の位置を選択する。好適
な実施例においては、この位置選択プロセスには、通信システム・カバレージ・
エリア２０内の送信機の現在位置に注目する段階が含まれる。これは、送信機と
共に配置されるGPS受信機からの位置を記録すること、あるいは、地図や探査機
器を用いて位置に注目することにより行われる。米国沿岸警備隊が操作するロラ
ン位置探索システムなど、その他の電子的な位置探索装置を用いることもできる
。好適な実施例においては、選択される位置は信号を放出する送信機を携帯しな
がら通信システム・カバレージ・エリア２０内を自動車で移動するか、あるいは
歩きながら選択される複数の位置のうちの１つである。図１内では、参照番号４
２により示される記号にいくつかの被選択位置が示される。
【００１１】 位置が選択されると、プロセスは被選択位置における送信機からの信号の無線
周波数信号伝播特性を測定する。これをブロック２０４に示す。測定される無線
周波数信号伝播特性には、多重経路成分の数，各多重経路成分内の平均電力，各
成分の方位および／または到達仰角および／または偏光によるアンテナの利得お
よび位相，各成分のドップラ周波数および各成分の相対的時間遅延が含まれる。
これらの特性は、被受信信号をパラメータ分解することにより明示的（explicit
）に測定される。しかし、好適な実施例においては、無線周波数信号伝播特性は
、加入者３８と基地トランシーバ４０の１つ以上のアンテナの各々との間の特定
のチャネルのチャネル衝撃応答をサンプリング，演算および記録することにより
内示的（implicit）に測定される。
【００１２】 無線周波数信号伝播特性が明示的に測定されると、チャネル衝撃応答のパラメ
ータ・モデルが以下の等式に表されるように形成される：
【００１３】
【数１】
【００１４】 ただし、ｅは当該アンテナに対する指数； Q(t)は経路数を表す； αq(t)は経路ｑの複素振幅； Γe(θ,ψ,ξ)は方位角θ，仰角ψおよび偏光角ξを伴う波面の刺激によるアン
テナｅの複素数化応答；および τq(t)は経路ｑの時間遅延である。
【００１５】 非静止衝撃応答に関してこの等式を、特定の部分の相対的静止性を求めること
によりさらに分解することができる：
【００１６】
【数２】
【００１７】 等式２においては、Ｔは時間、τは時間遅延を表す。これらのパラメータは、
被送信信号により観測される位置依存多重経路歪み（location dependent multi
path distortion）を特徴化するのに充分である。任意の時刻に、送信機は位置
、たとえば（x(t),y(t)）を占有し、これに関する被測定衝撃応答のパラメータ
が無線周波数信号伝播特性となる。（パラメータ・モデルのこの説明は、環境内
の進行速度によるドップラ周波数偏移を考慮しないことに留意されたい。このデ
ータは、αq(T)内に内示的に含まれる。ドップラ偏移は、位置に二次的にしか関
知しない進行速度によるものである。説明される他のパラメータは、送信機の位
置により直接的に相関する。しかし、場合によっては、ドップラを加えるほうが
有益である。） これらの特性の内示的測定は、基本パラメータに転化せずに衝撃応答のサンプ
ルを記録することにより行われる。たとえば、これらの無線周波数信号特性のベ
クトル化される内示的測定値he(T)を次式で表すことができる：
【００１８】
【数３】
【００１９】 応答を任意に線形変形する（たとえばフーリエ変換）することで、無線周波数
信号伝播特性の内示的記述に関して等しく有効な基礎が得られる。特定の変形を
行うと、データをより小さな支援領域に制限して、重要でないデータを廃棄し、
記録すべきデータ量を小さくする機会が得られる。たとえば、フーリエ変換の後
に大きな信号電力が存在する周波数ビンに帯域制限することで、データ記録量を
減らすことができる。これらの変換は、VanderbeenおよびPaulrajによるファン
・デル・ビーン法「Joint Angle and Delay Estimatin Using Shift-Invariance
Techniques」（IEEE Transactions on Signal Processing；１９９８年２月）
による。
【００２０】 好適な実施例においては、RF信号伝播特性は、基地トランシーバ４０の１つ以
上のアンテナからの電圧測定値をサンプリングすることにより内示的に測定され
る。ここで図３を参照すると、１つの電圧サンプルが参照番号３００で示される
。電圧サンプル３００は、測定中の信号の帯域幅よりも大きな速度で得なければ
ならない。
【００２１】 衝撃応答ベクトルh(i)を計算するために、要素vi−vi+N-1を有するサンプル群
３０２，３０４などの電圧サンプル群s(i)を、衝撃応答推定装置３０６に入力す
る。衝撃応答推定装置３０６は、等式３の被推定チャネル衝撃応答のサンプルと
図３のh(i)を与える。チャネル衝撃応答は、「Joint Angle and Delay Estimati
n Using Shift-Invariance Techniques」（IEEE Transactions on Signal Proce
ssing；１９９８年２月）に説明される方法により推定することができる。
【００２２】 好適な実施例においては、複数のアンテナが用いられる場合は、衝撃応答は各
アンテナ毎に測定される。このときアンテナｅの衝撃応答をhe(i)と示す。たと
えば、Ｅ個のアンテナを用いる場合、各測定に関するすべてのアンテナの衝撃応
答は図４に示す行列H(i)内に配列される。
【００２３】
【数４】
【００２４】 無線周波数信号伝播特性を測定した後、プロセスは、通信システム・カバレー
ジ・エリア内に次に測定すべき位置があるか否かを判断する。これをブロック２
０６に示す。測定すべき位置がある場合は、プロセスはブロック２０８に進み、
次の位置が選択される。次の位置を選択すると、新たな測定値が得られる。これ
は、ブロック２０４に関して上述されたのと同様である。被選択位置は一意的で
ある必要はないことに留意されたい。たとえば、これは、カバレージ・エリア内
の交差点を２回車で移動したり歩く場合などである。同じ被選択位置について２
つ以上の衝撃応答ベクトルを格納することができるが、１つの署名領域内でいく
つかの異なる位置を選択すべきである。
【００２５】 ブロック２０６の判断により、すべての位置が測定されると、プロセスは次に
複数の署名領域を定義する。このとき各署名領域には、複数の被選択位置が含ま
れる。これをブロック２１０に示す。好適な実施例においては、被選択署名領域
は互いに隣接しており、形状および寸法が幾何学的に類似するので、領域は、通
信システム・カバレージ・エリア上におかれたタイルの格子状に見える。一例と
して、図１の署名領域４４には複数の被選択位置４２が含まれ、ここからRF信号
伝播特性が測定される。
【００２６】 代替の実施例においては、署名領域４４は、１つの位置の測定値を他の位置の
測定値と比較するか、あるいはある測定値群を他の測定値群と比較することによ
り決定されるチャネル衝撃応答に見られる位置相関に基づいて選択される。署名
領域の定義においてこのような分析を実行することによって、不定形の署名領域
を形成することができ、これらの署名領域は領域からの無線周波数伝播特性をよ
り正確に表し、それにより位置推定がさらに正確に行われる。
【００２７】 署名領域が定義されると、プロセスは第１署名領域を選択する。これをブロッ
ク２１２に示す。被選択署名領域に関して、測定されるRF信号伝播特性の各々が
処理されて、その署名領域に関して空間的に平均化される無線周波数署名が作成
される。これをブロック２１４に示す。この空間的に平均化される無線周波数署
名は、被選択署名領域から送信され、基地トランシーバ４０などの基地トランシ
ーバにおいて受信される信号の無線周波数信号伝播特性の主要な特徴を表す。
【００２８】 内示的に測定されるRF信号伝播特性に関して空間的に平均化される無線周波数
署名を計算するこのプロセスは、図７を参照するとより完璧に理解頂けよう。
【００２９】 図７においては、内示的に測定される無線周波数信号伝播特性から被選択署名
領域に関して空間的に平均化される無線周波数署名を計算するプロセスは、ブロ
ック７００で開始される。次にブロック７０２に進み、そこでプロセスは、無線
周波数信号伝播特性が測定された被選択署名領域内の第１位置を選択する。
【００３０】 次に、プロセスは被選択位置に関する被測定チャネル衝撃応答を呼び出す。こ
れをブロック７０４に示す。これらのチャネル応答は、好ましくは、これらが収
集された位置に関わるベクトルとして表される。２つ以上のアンテナが測定され
る場合、衝撃応答は行列として呼び出される。この行列では、等式４に示すよう
に各列が１つのアンテナからの衝撃応答を表す。
【００３１】 次に、プロセスは、呼び出した衝撃応答をベクトル化し、それに由来するベク
トルを行列Ｆの列として加える。このとき、列はブロック７０６に示されるよう
に被選択位置に対応する。ベクトル化のプロセスは、基地トランシーバにおいて
チャネル衝撃応答を測定するために２つ以上のアンテナが用いられる場合に限っ
て必要であることに留意されたい。Ｌ個の測定位置に関して、行列Ｆは次のよう
に表すことができる：
【００３２】
【数５】
【００３３】 次に、プロセスは被選択署名領域内の被測定位置に関するすべての被測定衝撃
応答が行列Ｆ内に加えられたか否かを判断する。これをブロック７０８に示す。
すべての位置からの応答が呼び出されてベクトル化されたのでない場合は、プロ
セスは次の位置を呼び出す。これをブロック７１０に示す。そしてブロック７０
４に戻り、次の被測定チャネル衝撃応答を呼び出す。
【００３４】 プロセスがブロック７０８において、すべてのデータが呼び出されて行列Ｆを
形成するために加えられたと判断すると、プロセスはブロック７１２に進み、基
本小区画（principle subspace）Ｔが行列Ｆから抽出される。この基本小区画の
抽出は、一般的には、行列Ｆに直接的に作用する単数値分解の結果またはデータ
行列Ｆから推定されるサンプル共分散行列に作用する固有分解（eigendecomposi
tion）の結果を分割することにより行われる。分割により、有意項を、ノイズま
たは他のアーチファクトにより大きく歪められたより重要性の低い項から切り離
す。この分割は、計算された単数値または固有値をその大きさの順に並べて、Ｎ
個の値の群からＰ・Ｎの最大値を選択することで簡単に実行することができる。
あるいは、閾値を超える成分を選択してもよい。基本小区画の順位を決定するた
めのより高度な方法は、たとえばSimon Haykin編「Advances in Spetrum Analys
is and Array Processing, Vol. III」（１９９５年Prentice Hall発行；pp.5-9
, pp21-23）などの文献に見られる。
【００３５】 ブロック７１２に示す段階が終了すると、行列Ｔが被選択署名領域に関して空
間的に平均化されるRF署名となる。これにより、内示的に測定される無線周波数
信号伝播特性から被選択署名領域に関する無線周波数署名を作成するプロセスは
ブロック７１４で終了する。
【００３６】 図７に関して説明されるプロセスは、内示的に測定される無線周波数伝播特性
から基本小区画を抽出するプロセスである。内示的に測定される無線周波数伝播
特性から基本小区画を抽出するプロセスに関して、他の基本小区画抽出法と共に
より完全な説明を求めるには、Michaela C. Vanderveenによる論文「Estimation
of Parametric Channel Models in Wireless Communication Networks」（１９
９８年５月；スタンフォード大学発行）を参照されたい。
【００３７】 基本小区画抽出は、署名領域からRF信号伝播特性の主要な特徴を捉える。この
プロセスは、被選択署名領域に関する複数の衝撃応答ベクトル内に内示的に受信
および記録される情報を取捨選択し、位置探索にとって重要でない、あるいは重
要性の低いと思われる情報を取り除く。
【００３８】 主要な特徴を抽出する代替の方法であって、概念的によりわかりやすい方法は
、署名領域に関わる被測定衝撃応答を非線形的に平均化して、１つの平均電力遅
延プロフィルを得ることである。図１０を参照して、被測定衝撃応答は、各遅延
における衝撃応答の複素数化されたサンプルの大きさをとることにより、電力遅
延プロフィルに変換することができる。グラフ１０００は、このような遅延プロ
フィルの集合をグラフに示したもので、電力をデシベルで、遅延をマイクロ秒で
、各測定値の位置を整数の指標として大まかに示す。グラフ１０００内のプロフ
ィルの集合は位置軸１００２に沿って進み、位置軸１００２からのオフセットは
被選択署名領域内にある複数の収集測定値を表す。位置軸１００２に沿って平均
化することにより、平均的特徴を抽出することができ、平均電力遅延プロフィル
が得られる。図１１を参照して、グラフ１１００は図１０のデータから抽出され
るこのような平均電力遅延プロフィルをグラフに表すものである。平均電力遅延
は、測定される各アンテナに関して計算することができる。平均電力遅延プロフ
ィルは、基本小区画と同様に、無線周波数信号伝播特性の平均的なあるいは主要
な特徴を表すために用いることができる。
【００３９】 無線周波数信号伝播特性の主要な特徴は、送信機と受信機の位置に関連する傾
向がある。基地トランシーバは従来のワイヤレス通信システムにおいては静止し
ているのが普通であるので、主要な特徴を利用して加入者ユニットの位置を特定
することができる。
【００４０】 空間的に平均化される無線周波数署名が被選択署名領域に関して作成されると
、プロセスは空間的に平均化される無線周波数署名と、被選択署名領域を表す位
置との間の関連を記録する。これをブロック２１６に示す。好ましくは、この記
録は空間的に平均化される無線周波数署名の各々を、署名領域４４の中央にある
位置４６（図１参照）などの位置により表される個々の署名領域に関連させるデ
ータベース内に記録を書き込むことで実行される。
【００４１】 次にプロセスは、別の空間的に平均化される無線周波数署名をカバレージ・エ
リア内の別の署名領域に関して計算する必要があるか否かを判断する。これをブ
ロック２１８に示す。別の署名領域に関する処理がさらに必要な場合には、プロ
セスは次の署名領域を選択する。これをブロック２２０に示す。その後、ブロッ
ク２１４に戻り、次の空間的に平均化される無線周波数署名を計算する。
【００４２】 ブロック２１８において、すべての署名領域が処理されたと判断されると、デ
ータベース情報のプロセスは終了する。これをブロック２２２に示す。データベ
ースには、各署名領域に関する空間的に平均化される無線周波数署名が含まれる
。空間的に平均化される無線周波数署名には、署名領域内の複数の被選択位置の
測定値から重要性の低い情報を数学的に取捨選択することにより決定される、署
名領域から送信される信号の主要な無線周波数伝播特性を表す情報が含まれる。
これで、データベースを加入者ユニット位置を推定するために用いる準備が整っ
た。位置の推定について、以下に詳細に説明する。
【００４３】 図４を参照して、本発明の方法およびシステムによる、ワイヤレス通信システ
ムのカバレージ・エリア内の送信機に関して時間的に平均化される無線周波数署
名を測定するための方法および動作を説明する高レベル論理流れ図が示される。
ここでは、時間的に平均化される無線周波数署名を空間的に平均化される無線周
波数署名と比較し、その比較に応じて性能指数（figure of merit）を作成する
。性能指数の集合を利用して、どの署名領域から送信機が送信する可能性が高い
かを決定することにより、送信機の位置を推定することができる。
【００４４】 図示される如く、プロセスはブロック４００で始まる。次にブロック４０２に
進み、加入者ユニットの位置推定の要求を受信する。
【００４５】 要求を受信すると、プロセスはシステムが位置を推定しようとする加入者ユニ
ットの送信機からの信号の無線周波数信号伝播特性を測定する。これをブロック
４０４に示す。被測定無線周波数信号伝播特性には、多重経路成分の数，各多重
経路成分内の平均電力，到達方位角および仰角と波面の偏光によるアンテナの利
得および位相，波面のドップラ周波数および波面の相対的時間遅延が含まれる。
これらの特性は、被受信信号をパラメータ分解することで明示的に測定すること
ができる。しかし、好適な実施例においては、無線周波数信号伝播特性は、位置
を特定すべき加入者と基地トランシーバとの間の特定のチャネルのチャネル衝撃
応答をサンプリングおよび記録することにより、内示的に測定される。
【００４６】 位置を特定すべき加入者ユニットからの信号の無線周波数信号伝播特性の測定
は、図２のブロック２０４に示す、空間的に平均化される無線周波数署名データ
ベースの形成中の、被選択位置における送信機からの信号の無線周波数信号伝播
特性の測定ときわめて似ている。
【００４７】 無線周波数信号伝播特性が測定されると、プロセスは更なる測定が必要である
か否かを判断する。これをブロック４０６に示す。好ましくは、RF信号伝播特性
の測定値をいくつか周期的に得ると、位置を特定すべき加入者ユニットの時間的
に平均化される無線周波数署名を計算することができる。RF信号伝播特性を瞬間
的に１回測定するだけでも状況によっては充分であるが、１つのサンプル推定装
置だけでは信号伝播の根底にある無作為なプロセスのために大きな変動を起こし
やすい。複数の測定値からRF信号伝播特性を推定することは、統計的原則を利用
して、無作為性を軽減し、RF信号伝播特性の平均的構造すなわち主要な特徴を引
き出す。
【００４８】 さらに測定が必要な場合は、プロセスはブロック４０８に示すように遅延し、
ブロック４０４に戻る。ここで、無線周波数信号伝播特性が再び測定される。得
られる測定値数は、所定の一定の間隔の間にとることのできる周期的な測定値数
により決まる。
【００４９】 ブロック４０６において、プロセスが充分な数の測定値が得られたと判断する
と、プロセスはブロック４１０に進む。そこで、被測定無線周波数信号伝播特性
が処理されて、位置を特定すべき加入者ユニットからの信号に関する時間的に平
均化される無線周波数署名を作成する。この時間的に平均化される無線周波数署
名は、無線周波数信号伝播特性の主要な特徴を表す。時間的に平均化される無線
周波数署名を計算するプロセスは、図５を参照するとより完璧に理解頂けよう。
【００５０】 図５において、内示的に測定される無線周波数信号伝播特性から時間的に平均
化される無線周波数署名を計算するプロセスは、ブロック５００で始まり、ブロ
ック５０２に進む。ここで、プロセスは位置を特定すべき加入者ユニットからの
信号に関して、無線周波数信号伝播特性が測定された第１時刻を選択する。
【００５１】 次に、プロセスは、選択された時刻に関して被測定チャネル衝撃応答を呼び出
す。これをブロック５０４に示す。このチャネル衝撃応答は、好ましくは、収集
された時刻に関するベクトルとして表される。２つ以上のアンテナが測定される
場合、応答は行列として呼び出され、行列の各列が式４の場合と同様に、１つの
アンテナからの衝撃応答を表す。
【００５２】 次にプロセスは呼び出した衝撃応答をベクトル化し、それに由来するベクトル
を行列Ｇ内の列として加える。この列は、ブロック５０６に示すように被選択時
刻に対応する。ベクトル化のプロセスは、基地トランシーバにおいてチャネル衝
撃応答を測定するために２つ以上のアンテナが用いられる場合に限り必要である
ことに留意されたい。Ｌ回の測定に関して、行列Ｇを以下のように表すことがで
きる：
【００５３】
【数６】
【００５４】 次に、プロセスは、すべての被測定時刻に関して測定された衝撃応答がすべて
行列Ｇに加えられたか否かを判断する。これをブロック５０８に示す。すべての
時刻が呼び出され、ベクトル化され、Ｇに加えられたのでない場合は、プロセス
は次の時刻を選択する。これをブロック５１０に示す。そしてブロック５０４に
戻り、次の被測定チャネル衝撃応答を呼び出す。
【００５５】 ブロック５０８において、プロセスが、すべてのデータが呼び出されて行列Ｇ
を形成するために加えられたと判断すると、プロセスはブロック５１２に進み、
そこで基本小区画Ｓが行列Ｇから抽出される。この小区画抽出は、一般的に、行
列Ｇに直接働きかける単数値分解か、またはデータ行列Ｇから推定されるサンプ
ル共分散行列に働きかける固有分解のいずれかによる結果を分割することによっ
て行われる。この分割により、有意項を、ノイズまたは他のアーチファクトによ
り大きく歪められた重要性の低い項から分割する。この分割は、計算された単数
値または固有値をその大きさの順に並べ、Ｎ個の値の群からＰ・Ｎの最大値を選
択することにより行うことができる。あるいは、閾値を超える成分を選択する。
基本小区画の順位を決定するためのより高度な方法は、たとえばSimon Haykin編
「Advances in Spetrum Analysis and Array Processing, Vol. III」（１９９
５年Prentice Hall発行；pp.5-9, pp21-23）などの文献に見られる。
【００５６】 ブロック５１２に示される段階が終了すると、行列Ｓは位置を特定すべき加入
者ユニットからの信号に関する時間的に平均化されるRF署名となる。これにより
、内示的に測定される無線周波数信号伝播特性から時間的に平均化される無線周
波数署名を作成するプロセスはブロック５１４で終了する。
【００５７】 図５に関連して説明されるプロセスは、内示的に測定される無線周波数伝播特
性から基本小区画を抽出するプロセスである。内示的に測定される無線周波数伝
播特性から基本小区画を抽出するプロセスに関して、他の基本小区画抽出法と共
により完全な説明を求めるには、Michaela C. Vanderveenによる論文「Estimati
on of Parametric Channel Models in Wireless Communication Networks」（１
９９８年５月；スタンフォード大学発行）を参照されたい。
【００５８】 基本小区画抽出は、署名領域からRF信号伝播特性の主要な特徴を捉える。この
プロセスは、被選択署名領域に関する複数の衝撃応答ベクトル内に内示的に受信
および記録される情報を取捨選択し、位置探索にとって重要でない、あるいは重
要性の低いと思われる情報を取り除く。
【００５９】 主要な特徴を抽出する代替の方法であって、概念的によりわかりやすい方法は
、署名領域に関わる被測定衝撃応答を非線形的に平均化して、１つの平均電力遅
延プロフィルを得ることである。図８を参照して、被測定衝撃応答は、各遅延に
おける衝撃応答の複素数化されたサンプルの大きさをとることにより、電力遅延
プロフィルに変換することができる。グラフ８００は、このような遅延プロフィ
ルの集合をグラフに示したもので、電力をデシベルで、遅延をマイクロ秒で、各
電力遅延プロフィルが測定される測定時刻をミリ秒で表す。グラフ８００内のプ
ロフィルの集合は時間軸８０２に沿って進み、時間軸８０２は、一定の時間内に
収集される複数の測定値を表す。時間軸８０２に沿って平均化することにより、
平均的特徴を抽出することができ、平均電力遅延プロフィルが得られる。図９を
参照して、グラフ９００は図８のデータから抽出されるこのような平均電力遅延
プロフィルをグラフに表すものである。平均電力遅延は、測定される各アンテナ
に関して計算することができる。平均電力遅延は、基本小区画と同様に、無線周
波数信号伝播特性の平均的なあるいは主要な特徴を表すために用いることができ
る。
【００６０】 無線周波数信号伝播特性の主要な特徴は、送信機と受信機の位置に関連する傾
向がある。基地トランシーバは従来のワイヤレス通信システムにおいては静止し
ているのが普通であるので、主要な特徴を利用して加入者ユニットの位置を特定
することができる。
【００６１】 再び図４を参照して、時間的平均無線周波数署名がブロック４１０で計算され
た後、プロセスは、被選択署名領域の無線周波数信号伝播特性の主要な特徴を表
すデータを有する署名データベースから、データ記録を選択する。これをブロッ
ク４１２に示す。
【００６２】 次に、プロセスは、位置を特定すべき加入者ユニットからの信号に関する時間
的に平均化される無線周波数署名を、空間的に平均化される無線周波数署名を含
む署名データベースから選択されるデータ記録と比較して、性能指数を作成する
。これをブロック４１４に示す。無線周波数署名が内示的測定から導かれる好適
な実施例においては、性能指数を計算するプロセスは、位置を特定すべき加入者
ユニットからの時間的に平均化される無線周波数署名と、データベース内の被選
択データ記録からの空間的に平均化される無線周波数署名とにより表される基本
小区画間の距離を計算することにより行われる。この距離計算は、１つの署名の
他の署名に対する射影のノルム（norm of projection）を計算することにより行
われる。この比較は、より重要な情報に重きを置く重み付け比較である。
【００６３】 あるいは、明示的に測定される無線周波数信号伝播特性に関しては、署名は等
式２に示すような明示的な伝播モデルのパラメータを表す超次元的ベクトルであ
り、その比較を表す性能指数は、内示的測定に関して上記に示した方法と同様に
、これらの超時限的ベクトルの空間的平均化ベクトルと時間的平均化ベクトルと
の間の距離とすることができる。他の場合同様、この場合も、平均化には従来の
線形平均化，非線形平均化または基本小区画の抽出による小区画に基づく平均化
が含まれることに注目されたい。
【００６４】 次に、プロセスは、空間的に平均化される無線周波数署名データベースから選
択されるデータ記録に関わる性能指数を格納する。これをブロック４１６に示す
。その後、プロセスは、比較すべきデータ記録がさらにあるか否かを判断する。
これをブロック４１８に示す。比較すべきデータ記録がさらにある場合、プロセ
スはブロック４２０に示すように次のデータ記録を選択し、ブロック４１４に戻
って２つの無線周波数署名を比較する。
【００６５】 すべてのデータ記録が比較されたとプロセスが判断すると、プロセスはブロッ
ク４２２に進み、関連の性能指数に基づいてデータ記録に順位を付けて位置推定
値を探索する。位置推定値が発見されると、プロセスは位置推定値に対応する署
名領域の座標を出力する。これをブロック４２４に示す。この出力は、位置４６
の座標など、署名領域に関わる位置の座標である。これでプロセスはブロック４
２６で終了する。
【００６６】 次に図６を参照して、本発明の方法およびシステムにより、ワイヤレス通信シ
ステムのカバレージ・エリア内で署名領域に関する無線周波数署名を作成し、さ
らにカバレージ・エリア内で位置を特定すべき加入者ユニットに関する時間的に
平均化される無線周波数署名を測定するために用いられるシステムを図示する。
図示される如く、複数の波面６００，６０２がアンテナ６０４〜６０６により受
信される。波面６００〜６０２は、多重経路歪みを受けた１つの発信源からの信
号を表す。言い換えると、両波面６００，６０２は、異なる伝播経路を通り同じ
送信機から来たものである。
【００６７】 典型的な実施例においては、アンテナ６０６〜６０４は、通常のセルラ・タワ
ーの頂部の３つのセクタの各々に２つのダイバーシチ受信アンテナを組み込む。
アンテナ６０６〜６０４は、受信機および下方変換器６０８に結合され、これが
スペクトルを無線周波数から複素数化されたベースバンドに変換する。
【００６８】 受信機および下方変換器６０８は、複素数化ベースバンド信号をデジタル値の
ストリームに変換するアナログ−デジタル変換器６１０の入力に結合される。ア
ナログ−デジタル変換器６１０により出力されるデジタル値のストリームは、チ
ャネル推定装置６１２の入力に結合される。チャネル推定装置６１２は、波面６
００〜６０２の無線周波数信号伝播特性を推定する。これらの無線周波数信号伝
播特性には、多重経路成分の数，各多重経路成分の平均電力，波面の到達方位角
および仰角と偏光によるアンテナの利得および位相，波面のドップラ周波数およ
び波面の相対的時間遅延が含まれる。前述の如く、これらの特性は、被受信信号
をパラメータ分解することにより明示的に、あるいはチャネル衝撃応答を推定，
サンプリングおよび記録することにより内示的に測定される。
【００６９】 チャネル推定装置６１２の出力は、無線周波数伝播特性が内示的に表現されよ
うと、これらの特性が明示的に測定されようと、格納装置６１４に格納される。
この格納装置には、ハード・ディスク，テープ，ランダム・アクセス・メモリ，
CD ROMなどの一般的な周知のデータ格納装置が組み込まれることがある。
【００７０】 プロセッサ６１６が格納装置６１４に結合されて、データの呼出と処理を行い
、この処理の結果を格納する。プロセッサ６１６には、汎用マイクロプロセッサ
，特注の用途特定集積回路またはデジタル信号プロセッサなどが組み込まれる。
プロセッサ６１６内には、ハードウェアおよびソフトウェアの種々の組み合わせ
が組み込まれる他の機能ブロックがある。チャネル推定装置６１２もプロセッサ
６１６に組み込まれることがあることに注目されたい。
【００７１】 空間的に平均化される無線周波数署名データベースを構築するシステムに関し
て、プロセッサ６１６は格納装置６１４に格納されるデータを呼び出す領域セレ
クタ６１８を備える。ここでは、データは、特定の署名領域の被測定無線周波数
信号伝播特性を表す。領域セレクタ６１８は、このデータを署名領域プロセッサ
６２０に送る。署名領域プロセッサ６２０は、選択された署名領域に関して空間
的に平均化される無線周波数署名を計算し、この署名をデータベース６２２に格
納し、ここで署名は特定の署名領域に関連付けられる。空間的に平均化される無
線周波数署名は図２および図７に関して説明されるように計算される。
【００７２】 プロセッサ６１６がある加入者ユニットの位置を推定する要求を受信すると、
加入者署名プロセッサ６２４がチャネル推定装置６１２により作成されるデータ
測定値を格納装置６１４から呼び出す。これらの測定値は、複数回に亘り測定さ
れた、位置を特定すべき加入者ユニットからの信号の無線周波数署名伝播特性を
表す。加入者署名プロセッサ６２４は、図４および図５に関して説明したように
、時間的に平均化される無線周波数署名を計算する。
【００７３】 時間的に平均化される無線周波数署名を空間的に平均化される無線周波数署名
と比較するプロセスは、署名領域サーチャ６２６が被選択署名領域に関して、デ
ータベース６２２から空間的に平均化される無線周波数署名を呼び出すことで開
始される。署名領域サーチャ６２６の出力は、署名比較器６２８の入力の１つに
結合され、署名比較器６２８の別の入力は加入者署名プロセッサ６２４の出力に
結合される。署名比較器６２８は、位置を特定すべき加入者ユニットからの信号
の時間的に平均化される無線周波数署名と被選択署名領域の空間的に平均化され
る無線周波数署名とを比較して、比較結果として性能指数を作成する。署名比較
器６２８は、格納装置６１４に結合され、署名領域サーチャ６２６により呼び出
される各署名領域に関連する性能指数を一時的に格納する。署名比較器６２８は
、また、性能指数と対応する署名領域とをピークを保持した状態で格納するので
、より高い性能指数が作成されると、その性能指数は署名領域座標と共に、前の
値と置き換わる。署名比較器６２８は、署名領域で表される加入者ユニットの被
推定位置を最良の性能指数でフォーマットする出力機能部６３０に結合される。
この出力は、位置４６などの署名領域の位置座標の形式で、あるいは加入者ユニ
ットの位置を示す地図を表示することにより行われる。
【００７４】 上記の実施例は、移動加入者ユニットが送信機であり、基地トランシーバが受
信機であるアップリンク動作モードに関して言及されていることに留意されたい
。実際には、ダウンリンク動作も含めて受信機と送信機の別の組み合わせも可能
である。ダウンリンク動作は、加入者ユニットにおける無線周波数信号伝播特性
を測定し、加入者ユニット内の関連する無線周波数署名を計算するか、あるいは
、特性を基地トランシーバに送付して無線周波数署名に処理することによって実
行される。アップリンク方法と同様に、これは基地トランシーバにおける複数の
アンテナに関して実行することができる。
【００７５】 本発明の好適な実施例の上記説明は、実証と説明とのために提示されたもので
ある。排他的であったり、本発明を開示される特定の形式に制限する意図はない
。上記の教義に照らして明らかな変更または変形が可能である。実施例は、本発
明の原理とその実際的用途を最良な形態で説明するために、また当業者が意図す
る特定の用途に適合するよう、種々の実施例においてまた種々の変更を加えて本
発明を利用することができるように選択され、説明されたものである。これらす
べての変更および変形は、公正に合法的にまた平等に権利を与えられる範囲によ
り解釈される添付の請求項の決定する範囲にある。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴と考えられる新規の特性は、添付の請求項に明記される。しかし
、発明そのものは、その好適な使用方法，更なる目的および利点と共に、実施例
の詳細な説明を添付の図面と関連させて参照することにより、良く理解頂けよう
。
【図１】 ワイヤレス通信システム・カバレージ・エリアの都市の谷間地域
における多重経路信号伝播を示す。
【図２】 本発明の方法およびシステムにより、ワイヤレス通信システムの
カバレージ・エリアにおいて署名領域に関する空間的に平均化される無線周波数
署名を作成する方法および動作を示す高レベル論理流れ図である。
【図３】 本発明の方法およびシステムにより、無線周波数署名を表すデー
タベース記録を作成するために用いられるチャネル衝撃応答測定値の形式で無線
周波数伝播特性の内示的測定値を生成するための生測定データの処理を示す。
【図４】 本発明の方法およびシステムにより、ワイヤレス通信システムの
カバレージ・エリアにおいて加入者ユニットの時間的に平均化される無線周波数
署名を測定するための方法および動作を示す高レベル論理流れ図である。
【図５】 図４に示す時間的に平均化される無線周波数署名を作成するプロ
セスの、より詳細な論理流れ図である。
【図６】 本発明の方法およびシステムにより、ワイヤレス通信システムの
カバレージ・エリアにおいて署名領域に関する無線周波数署名を作成するために
用いられ、さらに位置特定事象の間にカバレージ・エリア内で位置を特定すべき
加入者ユニットの無線周波数署名を測定するシステムを示す。
【図７】 図２に示す空間的に平均化される無線周波数署名を作成するプロ
セスのより詳細な論理流れ図である。
【図８】 本発明の方法およびシステムにより利用される、展開中の電力遅
延プロフィルのグラフである。
【図９】 図８のデータの非線形的平均化のグラフである。
【図１０】 署名領域内の複数の位置から収集される電力遅延プロフィルの
グラフである。
【図１１】 図１０のデータの非線形的平均化のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スリカンス・グンマディ アメリカ合衆国テキサス州フォート・ワー ス、ナンバー2058、ウエスタン・センタ ー・ブールバード3400 Ｆターム(参考） 5K067 AA21 BB04 EE02 EE10 FF02 FF03 JJ52 JJ53 JJ55 LL11

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ワイヤレス通信システムのカバレージ・エリアにおいて、署
    名領域に関する無線周波数署名を作成する方法であって： 前記ワイヤレス通信システムの前記カバレージ・エリアにおける複数の位置か
    ら送信される信号に関わる無線周波数信号伝播特性を測定する段階； 選択され測定される無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を含む前記カ
    バレージ・エリア内の複数の署名領域を定義する段階； 被選択署名領域に関して、前記被選択署名領域内の前記被選択被測定無線周波
    数信号伝播特性を処理して、前記被選択署名領域に関する空間的に平均化される
    無線周波数署名を作成する段階であって、前記処理が前記被選択署名領域内で送
    信される信号の前記無線周波数信号伝播特性の主要な特徴を抽出する段階；およ
    び 前記空間的に平均化される無線周波数署名と前記被選択署名領域との間の関連
    性を記録する段階； によって構成されることを特徴とする無線周波数署名作成方法。
  2. 【請求項２】 被選択被測定無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を
    含む前記カバレージ・エリアにおいて複数の署名領域を定義する前記段階が、被
    選択被測定無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を含む前記カバレージ・
    エリア内に複数の署名領域を定義する段階をさらに備え、前記署名領域が互いに
    隣接し、形状および寸法が幾何学的に類似することを特徴とする請求項１記載の
    無線周波数署名作成方法。
  3. 【請求項３】 前記被選択署名領域内で前記被選択被測定無線周波数信号伝
    播特性を処理して、前記被選択署名領域に関して空間的に平均化される無線周波
    数署名を作成する前記段階が、前記被選択署名領域内で前記信号伝播特性のベク
    トル表現を含む構造の行列を分解して、前記被選択署名領域内の前記無線周波数
    信号伝播特性の前記主要特徴を表す小区画を抽出する段階をさらに含むことを特
    徴とする請求項１記載の無線周波数署名作成方法。
  4. 【請求項４】 前記信号伝播特性のベクトル表現を含む構造の行列を分解す
    る前記段階が： 前記信号伝播特性のベクトル表現を含む構造の前記行列に関して固有分解を行
    い、複数の固有ベクトルとその対応固有値とを作成する段階；および Ｎ個の最大の固有値に対応するＮの固有ベクトルを選択する段階； をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の無線周波数署名作成方法。
  5. 【請求項５】 前記ワイヤレス通信システムの前記カバレージ・エリア内の
    複数の位置から送信される信号に関わる無線周波数信号伝播特性を測定する前記
    段階が、無線周波数信号伝播特性を、前記ワイヤレス通信システムの前記カバレ
    ージ・エリア内の複数の位置に関する衝撃応答の形式で測定する段階をさらに含
    むことを特徴とする請求項１記載の無線周波数署名作成方法。
  6. 【請求項６】 前記カバレージ・エリア内の複数の位置に関して衝撃応答の
    無線周波数信号伝播特性を内示的に測定する前記段階が前記ワイヤレス通信シス
    テムの前記カバレージ・エリア内の複数の位置に関する電力遅延プロフィルを測
    定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の無線周波数署名作成方
    法。
  7. 【請求項７】 ワイヤレス通信システムのカバレージ・エリアにおいて、署
    名領域に関する無線周波数署名を作成するシステムであって： 前記ワイヤレス通信システムの前記カバレージ・エリアにおける複数の位置か
    ら送信される信号に関わる無線周波数信号伝播特性を測定する手段； 選択され測定される無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を含む前記カ
    バレージ・エリア内の複数の署名領域を定義する手段； 被選択署名領域内の前記被選択被測定無線周波数信号伝播特性を処理して、前
    記被選択署名領域に関する空間的に平均化される無線周波数署名を作成する手段
    であって、前記処理が前記被選択署名領域内で送信される信号の前記無線周波数
    信号伝播特性の主要な特徴を抽出する処理手段；および 前記空間的に平均化される無線周波数署名と前記被選択署名領域との間の関連
    性を記録する手段； によって構成されることを特徴とする無線周波数署名作成システム。
  8. 【請求項８】 被選択被測定無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を
    含む前記カバレージ・エリアにおいて複数の署名領域を定義する前記手段が、被
    選択被測定無線周波数信号伝播特性を有する被選択位置を含む前記カバレージ・
    エリア内に複数の署名領域を定義する手段をさらに備え、前記署名領域が互いに
    隣接し、形状および寸法が幾何学的に類似することを特徴とする請求項７記載の
    無線周波数署名作成システム。
  9. 【請求項９】 前記被選択署名領域内で前記被選択被測定無線周波数信号伝
    播特性を処理して、前記被選択署名領域に関して空間的に平均化される無線周波
    数署名を作成する前記手段が、前記被選択署名領域内で前記信号伝播特性のベク
    トル表現を含む構造の行列を分解して、前記被選択署名領域内の前記無線周波数
    信号伝播特性の前記主要特徴を表す小区画を抽出する手段をさらに含むことを特
    徴とする請求項７記載の無線周波数署名作成システム。
  10. 【請求項１０】 前記信号伝播特性のベクトル表現を含む構造の行列を分解
    する前記手段が： 前記信号伝播特性のベクトル表現を含む構造の前記行列に関して固有分解を行
    い、複数の固有ベクトルとその対応固有値とを作成する手段；および Ｎ個の最大の固有値に対応するＮの固有ベクトルを選択する手段； をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の無線周波数署名作成システム。
  11. 【請求項１１】 前記ワイヤレス通信システムの前記カバレージ・エリア内
    の複数の位置から送信される信号に関わる無線周波数信号伝播特性を測定する前
    記手段が、無線周波数信号伝播特性を、前記ワイヤレス通信システムの前記カバ
    レージ・エリア内の複数の位置に関する衝撃応答の形式で測定する手段をさらに
    含むことを特徴とする請求項７記載の無線周波数署名作成システム。
  12. 【請求項１２】 前記カバレージ・エリア内の複数の位置に関して衝撃応答
    の無線周波数信号伝播特性を内示的に測定する前記手段が前記ワイヤレス通信シ
    ステムの前記カバレージ・エリア内の複数の位置に関する電力遅延プロフィルを
    測定する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の無線周波数署名作
    成システム。
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