JP2005526257A - 無線信号の到着時刻誤差の検出及び補償のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線信号の到着時刻誤差の検出及び補償のためのシステム及び方法。
【解決手段】それによって到着時刻（ＴＯＡ）の誤差の影響を低減できるシステム及び方法が示される。移動ユニットにおいて、基地局から送信された信号が検出されるときに相関パルスが生成される。送信された信号はマルチパス信号が移動ユニットに到達するように反射され回折されるだろう。このことは、正確な（ＴＯＡ）測定における生成された相関パルスの歪及び誤差へと導く。本発明は応答関数をモデル化し、ピークから下ったどの点でパルス幅が計算されるかを示す動的に調節可能な係数を伴ったモデリング関数を用いてパルス幅を計算する。パルス幅の計算に基づいて、マルチパス信号のタイプが決定され適切な補正係数が測定された（ＴＯＡ）に適用されてより正確な（ＴＯＡ）決定を提供する。システムは移動電話ユニットにおいて基地局からの（ＴＯＡ）信号へ補正係数を適用してもよいし、或いは全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星から受信された信号からのＴＯＡ）信号へ補正係数を適用してもよい。

Description

本発明は一般には電気通信、より詳細には電気通信システムにおける到着時刻誤差に対する検出及び補償のための技術に関する。

緊急サービスは“９１１．”のような電話番号を用いてしばしば求められる。発信者が住宅のような固定された位置にいるならば、コンピュータシステムは自動番号識別（ＡＮＩ）を用いて入ってくる電話呼の電話番号を突き止め、呼が生じた住所をただちに決定する。それゆえ、緊急サービスが求められた位置を決定するのは比較的簡単な仕事である。

セルラー電話、個人通信システム（ＰＣＳ）装置、等のような移動通信を介して緊急サービスを求めているユーザの位置は容易には決定されない。無線の三角測量技術が移動ユニットの位置を決定するために長く用いられてきた。しかしながら、そのような無線の三角測量技術は本質的に不正確であることが知られている。数千メートルのオーダーの誤差が珍しくない。しかし、そのような誤差は緊急サービスの配送に対しては許容できない。

連邦通信委員会（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）（ＦＣＣ）は位置決定においてより高い精度を可能にする通信技術の変化を命じている。移動通信の場合、ＦＣＣは基盤施設（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に基づいた位置システムが６７％の時間で１５０メートルの精度（そして９５％の時間で３００メートルの精度）を有することを求める規則を制定している。修正されたハンドセットを必要とするシステムに対しては、ＦＣＣはそのようなシステムは６７％の時間で５０メートル（そして９５％の時間で１５０メートル）以内で位置を決定しなければならないと定めている。

全地球測位システム（ＧＰＳ）に基づいた現存する位置決定技術は既知の時間に信号を送信する大空の衛星のネットワークを用いる。地上のＧＰＳ受信機はそれが検出できるそれぞれの衛星からの信号の到着時刻を測定する。衛星の正確な位置及び信号がそれぞれの衛星から送信された正確な時刻と共に到着時刻はＧＰＳ受信機の位置を三角測量するために使用される。典型的なＧＰＳ受信機は三角測量を行うために４つの衛星を必要とし、計算結果の性能は検出し得る衛星の数が増えるに従って増大する。

ＧＰＳの代わりに、セルラー基地局の現存するネットワークは位置決定の目的に対して衛星のネットワークとして扱われる。ＧＰＳ技術に似て、各基地局の正確な位置、基地局が信号を送信している正確な時刻、そして基地局の信号の移動局での到着時刻は移動局の位置を三角測量するために使用できる。この技術はいくつかのサービスプロバイダーによって進歩した順方向リンク三角法（ＡＦＬＴ）とよばれる。移動局によって直面させられる重大な問題は各基地局から受信される信号の到着時刻を測定することである。異なる無線技術は到着時刻の測定に対して異なったアプローチをとってかまわない。符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）はそのような技術の一つである。ＣＤＭＡ変調は多数のシステムユーザが通信システムを共有することを可能にするいくつかの技術の一つである。ＡＦＬＴシステムの一部として通常のＣＤＭＡ変調技術を利用することは可能である。

無線位置システムは移動ユニットの位置を三角測量して推定するために既知の位置の異なる送信機から来る到着時刻（ＴＯＡ）信号を使用する。しかしながら、多重伝送パス或いはネットワークのアンテナと移動局の間の見通し（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）が得られないことに起因してＴＯＡ信号はしばしば歪まされるか誤ったものとなる。図１は乗り物１０のなかの移動電話が経験するかもしれない多重伝送パスの例を示す。図１で示された例において、移動ユニット１０はタワーの頂上に設置された送信機１２及び１４からの信号を受信している。図１の例では、移動ユニット１０は送信機１２及び１４から直接信号を受信するが、また近隣のビルに反射した送信機１４からの信号も受信する。それゆえ、移動ユニット１０は送信機１４から数多くの信号を受信する。図１で示された例において、移動ユニット１０は送信機１６の見通し（ＬＯＳ）の範囲にいない。即ち、ビル或いは他の建造物が移動ユニット１０と送信機１６との間の直接の見通しをふさぐ。しかしながら、それでも移動ユニット１０はビル或いは他の建造物に反射させられたかまたはビル或いは他の建造物の角で回折された送信機１６からの信号を検出する。その上、移動ユニット１０はビルの頂上に設置された送信機１６からの信号を受信し地球周りの軌道上の全地球測位システム（ＧＰＳ）衛星１８からの信号も受信してよい。結果として、移動ユニット１０は、送信機１６からのいずれも直接のＬＯＳ信号でない複数の信号を受信する。ＧＰＳ衛星１８からの信号はまたＬＯＳ信号と反射された信号の両方を含んでいるかもしれない。

そのようなマルチパス信号の結果、移動ユニットによる到着時刻の測定は誤差を受けやすい。そのような誤差はマルチパス信号の存在下では著しくなり得るので、位置の正確さに関するＦＣＣの指示を達成するのを困難或いは不可能にする。それゆえ、移動位置システムに対してＴＯＡ測定を改善するためのシステム及び方法に対する大きな需要が存在することを認識することができる。本発明は以下の詳細な説明及び添付された図面から明らかになるこれ及び他の利点を提供する。

［サマリー］
本発明は電気通信装置におけるマルチパス誤差の補正のためのシステム及び方法において具体化される。例示的な実施形態において、受信された信号を解析し時間上の予め定められた点における相関信号を決定するサーチャー（ｓｅａｒｃｈｅｒ）をシステムは含む。サーチャーは時間上の予め定められた点の選択された一つにおける最大信号レベルを決定する。信号解析器は選択時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルを用いて予め定められた応答関数の数学的モデルを生成する。信号解析器は予め定められた応答関数に関連した実際のピークレベルとパルス幅を決定するために数学的モデルを使用し補正された到着時刻を生成するためにパルス幅に基づいた到着時刻に補正係数を適用する。

ある実施形態では、相関信号のレベルが実際のピークレベルより予め定められた量だけ少ない数学的モデルにおける点でパルス幅は決定される。例示的な実施形態において、信号解析器は予め定められた量を動的に選択してよい。信号解析器は受信された信号の信号対雑音比に基づいて予め定められた量を選択してよい。

例示的な実施形態において、相関信号レベルは受信された信号の受信された信号強度に基づいている。選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルは数学的モデルの係数を決定するために用いられてよい。例示的な実施形態において、数学的モデルの係数は数学的モデルのパルス幅を決定するために使用される。ある実施形態では、数学的モデルは二次の数学的な関数である。別の実施形態において、数学的モデルは二次の関数より高次の数学的な関数である。

［詳細な説明］
本発明は基地送受信局（ＢＴＳ）から送信された信号の到着時刻（ＴＯＡ）をより正確に決定するための数学的なモデリング技術を使用する。図１は、移動ユニットの位置を決定するための進歩した順方向リンク三角法（ＡＦＬＴ）を用いる無線システムの動作を示す図である。図１に示されるように、移動ユニット１０は複数のＢＴＳｓ１２−１６の範囲の中にある。音声通信のような通常の通信を可能にするために、移動ユニット１０はＢＴＳｓ１２−１６のそれぞれと通信リンクを確立する。通信リンクの確立の過程で引き出された情報はＴＯＡを推定するために使用されてよく、それによってＢＴＳｓ１２−１６に関する移動ユニット１０の位置を決定する。しかしながら、マルチパス信号は通常移動ユニット１０内で生成される相関パルスの変更となり、正確なＴＯＡの計算における起こり得る誤差を導く。マルチパス信号の存在下でのＴＯＡ測定は移動ユニット１０の正確な位置を決定するには十分に正確ではない。本発明はマルチパス信号に対して補正或いは補償するより正確なＴＯＡデータを導き、移動ユニット１０の位置のより正確な決定を可能にする。

本発明は図２の機能ブロック図で示されたシステム１００で具体化される。システム１００はシステムの動作を制御する中央演算処理装置（ＣＰＵ）１０２を含む。ＣＰＵ１０２は電気通信システムを動作させる能力を有するいかなる処理装置も含むように意図されていることを当業者は認識するだろう。これは、マイクロプロセッサ、埋め込まれたコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）、状態機械（ｓｔａｔｅ ｍｃｈｉｎｅｓ）、個別離散ハードウェア、その他を含む。本発明はＣＰＵ１０２を実現するために選択された特定のハードウェア構成要素によって制限されない。

システムはまた好ましくはメモリ１０４を含み、メモリ１０４はリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の両方を含んでよい。メモリ１０４はＣＰＵ１０２に命令とデータを与える。メモリ１０４の一部はまた不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）を含んでよい。

通常セルラー電話のような無線通信装置に埋め込まれているシステム１００はまた、システム１００とＢＴＳ（例えば、図１のＢＴＳ１２）のような遠隔位置との間のオーディオ通信のようなデータの送受信を可能にするための送信機１０８及び受信機１１０を含んだ箱型部分（ｈｏｕｓｉｎｇ）１０６を備える。送信機１０８及び受信機１１０は送受信機１１２へと結合されてもよい。アンテナ１１４は箱型部分１０６に取り付けられており、電気的には送受信機１１２に接続されている。送信機１０８、受信機１１０及びアンテナ１１４の動作は当該技術分野で良く知られており、本発明に特に関連すること以外はここで説明する必要はない。

ＣＤＭＡ装置の実現において、システムはまた受信機１１０によって受信された信号のレベルを検出して値を測定するサーチャー１１６を含む。サーチャー１１６は、当該技術分野で知られている全エネルギー、擬似雑音（ＰＮ）チップ当たりのパイロットエネルギー、パワースペクトル密度、その他のパラメータのような一つ或いはそれ以上のパラメータを検出する。より詳細に説明されるように、サーチャー１１６はＢＴＳ１２（図１を見よ）のような位置からの到着時刻（ＴＯＡ）を決定するために相関解析を実行する。

サーチャー１１６は参照信号と受信された信号の間の相関解析を実行し相関出力信号を生成する。信号解析器或いはモデリングプロセッサ１２０は相関信号を解析し、マルチパス効果を補償或いは補正する正確なＴＯＡデータを生成するために数学的モデル１２２を使用する。

システム１００は異なるソース（ｓｏｕｒｃｅ）（例えば、ＢＴＳｓ１２−１６及び衛星１８）からの信号の到着における遅れ時間を測定するために使用されるシステムタイミングを供給するタイマー１２４を備える。タイマー１２４は独立した（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ）デバイス或いはＣＰＵ１０２の一部であってよい。

システム１００の様々な構成要素はバスシステム１２６によって共に接続されており、バスシステム１２６はデータバスに加えて、電力バス、制御信号バス、状態（ｓｔａｔｕｓ）信号バスを備えてよい。しかしながら明快さのために、様々なバスは図２ではバスシステム１２６として示される。

図２に示されたシステム１００は特定の構成要素を並べたものというよりは機能ブロック図であることを当業者は認識するだろう。例えば、サーチャー１１６及び信号解析器１２０はシステム１００内の二つの別個のブロックとして示されているが、実際にそれらはディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）のような一つの物理的な構成要素のなかで実現されてもよい。それらはまたメモリ１０４内のプログラムコードとして存在してもよく、そのようなコードはＣＰＵ１０２によって実行されている。同様な考えは、タイマー１２４のような図２のシステム１００の中に並べられている他の構成要素に対しても適用してかまわない。

ＢＴＳが検出されるとき、サーチャー１１６の出力はパルスであり、それは相関パルスと考えられてよい。この相関パルスはＢＴＳからの信号の到着時刻を測定するために使用してよい。しかしながら、そのような到着時刻測定の正確さは位置決定の正確さを厳しく制限する。

図２のシステム１００で示される構成要素の動作は図３−５と関連して説明されるだろう。図３はいかなるマルチパス効果も無い場合においてサーチャー１１６によって生成される典型的な相関パルスの大きさを示している波形―タイミング図である。本発明の適切な理解を助けるために、例としてＣＤＭＡ移動ユニットを用いたＴＯＡ処理の簡潔な説明が示される。図２のシステム１００を実現している移動ユニット（例えば図１の移動ユニット１０）は最初擬似雑音（ＰＮ）符号が割り当てられる。ＰＮ符号は局所的な参照としてメモリ１０４に保持されてよい。基地局（例えばＢＴＳ１２）が移動ユニット１０にデータを送信するとき、基地局はＰＮ符号を送信する。システム１００は局所的な参照（即ち、保持されたＰＮ符号）及び送信されたデータ（即ち、送信されたＰＮ符号）の間の相関を連続的に調べる。

当該技術分野で良く知られているように、全ての送信機（例えば、ＢＴＳｓ１２−１６）は同じＰＮ符号を送信するが、各々のＢＴＳの送信機からのＰＮ符号の送信の開始は正確に知られたオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）だけ時間で遅らされる。時間オフセットは６４チップの倍数として測定される。当業者が理解するように、“チップ”はＰＮ系列のデータの単一の単位である。データは既知のレートで送信されるので、チップが時間の単位として使用されてよい。本説明は時間の実際の単位で描写されてもよいが、システム１００はその解析及び測定をチップを用いて実行しているのでチップ或いはチップの部分を用いて時間に言及するのがより便利である。

送信機間の干渉を避けるために地理的領域内のオフセットが可能なだけ大きく広げられるようにＰＮオフセットは選択的に送信機に割り当てられる。送信機（例えば、ＢＴＳｓ１２‐１６内の送信機）は送信された識別（ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）データによって識別されてもよいが、しばしばそれらのＰＮオフセット時間によっても分類される。例えば、ＢＴＳ１２内の送信機はＰＮ３２０として識別されてよく、それは３２０チップのオフセットでＰＮ符号を送信することを示す。この例において、送信機１４及び１６はそれぞれＰＮ４４８及びＰＮ６４０として識別されてよく、それぞれがＰＮ符号を送信するオフセット時間を示す。

しかしながら、送信機がどのように分類されるかに関わらず、互いに関するそれぞれの相対オフセットは信号のなかに符号化されている情報から確立できることは理解されなければならない。移動ユニット１０の中の受信機１１０（図２を見よ）は地理的エリア内のそれぞれの送信機（例えば、ＢＴＳｓ１２−１６の中の送信機）からのＰＮを検出するだろう。

ＰＮ符号がＢＴＳ(例えば、ＢＴＳ１２)から送信されるとき、それぞれの送信機に割り当てられたＰＮオフセットによる遅延が存在するだろう。さらに、送信機と移動ユニット１０の間の距離を表す伝播遅延が存在する。システム１００によって移動ユニットの位置を決定するために測定することができるのはこの伝播遅延である。例えば、最も小さいＰＮオフセットを有するＢＴＳからの相関パルスは他のいずれのＢＴＳからの信号の到着に先立って移動ユニット１０に到着するだろう。システム１００はこの最初の信号のＴＯＡを正確に決定する必要があり、そしてそれを勝手にゼロの時間オフセットとしてよい。他のＢＴＳｓ及び／又は衛星（例えば、衛星１８）からのその後の相関パルスも移動ユニット１０によって検出されるが、ＰＮオフセット及び伝播遅延の結果である更なる遅延を伴う。ＰＮオフセットに関連した遅延は正確に知られている。それゆえ残留遅延は、ＢＴＳと移動ユニット１０との間の距離の結果としての伝播遅延にネットワークアンテナと移動ユニットとの間に見通しが存在しないことによる誤差要因を加えたものである。

当業者は理解することができるが、正確なＴＯＡの測定における僅かな誤差が位置決定過程における著しい誤差となる。すなわち、マルチパス効果によって引き起こされたかもしれないＴＯＡの僅かな誤差がＡＦＬＴ計算における誤差となる。システム１００はマルチパス効果を補償するための技術を提供し、それゆえより正確ＴＯＡを提供する。ＴＯＡの遅延に基づいた三角測量を用いた移動ユニット１０の位置づけの実際の過程は当該技術分野で知られており、ここでさらに詳細に説明する必要はない。しかしながら、ＴＯＡに基づいたいかなる測定もＴＯＡの誤差によって影響を受けることは明確にすべきである。マルチパス効果はそのような誤差の一つの著しい原因を与える。システム１００はマルチパス誤差の効果を低減し、それゆえより正確なＴＯＡの決定を提供する。

サーチャー１１６は保持された参照と送信されたデータとの間で相関が検出されるまで保持された参照をシフトする。保持された参照のシフトの程度は、獲得（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）レートを最適化し無線装置１０と特定のＢＴＳ（例えば、図１のＢＴＳ１２）との間の十分な同期を与えるように選択される。これは図３の波形に示される。図３に示された例では、マルチパス効果は存在せず、相関波形１４０はチップ０のところで最大値を有する。

全エネルギー、ＰＮチップ当たりのパイロットエネルギー或いはパワースペクトル密度のような多くの異なった基準が相関値として使用されてよい。一つの通常用いられる基準は、受信信号強度指標（ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｅｘ）（ＲＳＳＩ）として示されてよいような単なる受信された信号の強度である。サーチャー１１６（図２を見よ）は保持されたＰＮ符号と送信されたＰＮ符号との間の相関に関連した数値を生ずることを当業者は理解するだろう。波形１４０は異なるチップの値でのサーチャーからの相関値をプロットすることから得られる。

図３の波形はいかなるマルチパス信号も存在しないときの単一のＢＴＳ（例えば、ＢＴＳ１２）からサーチャー１１６（図２を見よ）によって生成された見本の相関出力を示す。サーチャー１１６は、参照データと受信されたデータとの間の相関を検出するまで一度に１／２チップづつ参照データ（即ち、保持されたＰＮ）をシフトする。

システム１００を実現する移動ユニット１０が検出された相関信号のソースとして送信機１２を識別できるように、送信機１２から送信されたデータは識別データも含む。送信機１２に加えて、システム１００を実現する移動ユニット１０は送信機１４−１６からデータを受信する。

さらに、システム１００を実現する移動ユニット１０はさらなる基地局送信機（示されず）から或いは全地球測位システム（ＧＰＳ）信号を用いる衛星(例えば、衛星１８)からのパルスを検出してもよい。当該技術分野で知られるように、移動ユニット１０の位置を決定するためにＧＰＳもまた到着時刻のデータを使用する。例示的な実施形態において、移動ユニット１０は４つまたはそれ以上の異なる送信機から到着時刻のデータを決定する。いかなるマルチパス効果も存在しないとき、図３の波形で示されたパルスは比較的正確な到着時刻の基準を与え、それゆえ移動ユニット１０の位置を正確に決定するために他のＢＴＳｓ或いは衛星からの相関パルスとともに使用できる。

不運にも、マルチパス効果は殆ど全てのＴＯＡ測定で存在する。ＧＰＳ位置決め技術を用いた衛星の信号はより少ないマルチパス効果を有する傾向があるにもかかわらず、これらの効果は依然存在する。ＧＰＳ衛星（例えば、ＧＰＳ衛星１８）からのマルチパス効果は建物や他の人工構造物がＧＰＳ信号と干渉する都市地域に特に存在する。送信機１２−１６（図１をみよ）のような地上システムはまた人工構造物によって影響を受けその結果信号は回折及び／又は反射される。結果として移動ユニット１０は同じ信号の近接して間を保った複数の像を受け取る。システム１００はそのようなマルチパス効果から生ずる誤差を推定することができる。これらのマルチパス効果は“短いマルチパス効果”と名付けられてよい。なぜならこれらのマルチパス信号は一般に僅かな量の時間だけ遅延し、全体の相関関数に異なったピークを生ずるにはそれぞれの到着時刻が近づき過ぎるようにシステム１００のアンテナ１１４（図２をみよ）に到着してよいからである。即ち、信号がそのような短い時間の間に到着するのでサーチャー１１６からの出力は複数の検出された信号の重畳効果から生ずる歪まされたパルスとなる。

図３の波形に関して論じた前の例では、移動ユニット１０はマルチパス信号を伴わずに送信機１２から単一の信号を受信する。同位相で移動ユニット１０に互いに１チップ以内に到着する２つの信号１４２と１４４から得られる相関値をサーチャー１１６が示す図４の波形において複数の信号の効果は示される。二つの同位相の信号の更なる効果は波形１４６に示される。波形１４６は同じ信号を短い時間の間に複数回受信する結果として通常の大きさより高くより広いパルス幅の単一のピークを持つ。図３の波形に示されるような０．０チップにおける比較的狭いパルスの代わりに、サーチャー１１６はほぼ０．５チップに中心をおいた広いパルスを生成する。システムはピーク信号を検出するように設計されているのでこの誤差はＴＯＡを正確に決定するのを困難にする。それゆえ、マルチパス効果は真のＴＯＡに結果として生ずる誤差に伴う相関パルスの広がりを生ずる。

図５の波形は、位相が異なって互いに１チップ以内で移動ユニット１０に到着する二つの信号１４６及び１４８から得られるサーチャー１１６（図２をみよ）によって生成された出力を示す。二つの同位相な信号を加えた効果は、それぞれ二つのピーク１５２及び１５４を有する波形１５０である。ピーク１５２及び１５４は通常より僅かに高い大きさと通常よりもより狭いパルス幅を有する。０．０チップにおける単一パルスの代わりに図３の波形で示されるように、サーチャー１１６はそれぞれおよそ−０．２５チップ及び＋１．２５チップのところにピーク１５２及び１５４を有する二つの狭いパルスを生ずる。この誤差はＴＯＡを正確に決定するのを困難にしている。

図４及び５の波形で示される効果は単に説明のためであることに注意しなければならない。多くのマルチパス効果はアンテナ１１４（図２を見よ）において同位相で或いは位相が異なって到着するより多くの信号を生じてよく、その結果サーチャー１１６は単一の信号に関して複数のピークを生成する。本発明はマルチパス効果から生ずる誤差に対して少なくとも部分的な補償を提供する。ここで述べられた補償システムは図３及び４で示された波形の形状或いは超過の遅延時間に制限されるものではない。

システム１００は相関応答関数の一般曲線を模擬するために数学的モデル１２２を使用する。曲線の形状、実際のピーク及びパルス幅は比較的少ない数のサンプル点を用いて容易に決定することが出来る。代表的な実施形態において、応答関数は以下の形の単純な２次関数でモデル化される：
ｙ（ｘ）＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃ （１）
ここでｙ（ｘ）はｘの関数として相関出力値（例えば、ＲＳＳＩ）に等しく、ｘはチップの値に等しく、ａ、ｂ及びｃは係数である。係数ａ、ｂ及びｃは３つのサンプル点での相関値を用いて容易に決定されるだろう。第１のサンプル点は最大の信号レベルが検出されたチップの値である。これはしばしば“定刻（ｏｎ−ｔｉｍｅ）”のエネルギー値と呼ばれ、数学的には上述の式（２）に関してｙ（０）と言及されるだろう。残りの二つの値は隣接したサンプル点での相関値である。サーチャー１１６が１／２チップの増加量でサーチする（ｓｅａｒｃｈｅｓ）上述の例では、定刻の値の１／２チップ前及び定刻の値の１／２チップ後での相関値が係数ａ、ｂ及びｃを決定するために用いられる。これらは“早い”エネルギー値及び“遅い”エネルギー値と呼ばれて良く、上述の式（１）に関して、それぞれｙ（−０．５）及びｙ（０．５）と呼ばれる。

係数ａ、ｂ及びｃは以下を用いて直ちに決定されるだろう：
ａ＝２ｙ（０．５）＋２ｙ（−０．５）−４ｙ（０） （２）；
ｂ＝ｙ（０．５）−ｙ（−０．５） （３）；
そして ｃ＝ｙ（０） （４）．
応答関数の２次式によるモデリングは実際のピーク位置の正確な決定とパルス幅の簡単な計算を可能にする。実際のピーク位置に関して、図３はサーチャー１１６（図２を見よ）からの応答関数が正確に０チップの位置にあるとして示す。しかしながら、当業者はサーチ１１６が保持されたＰＮ符号を半チップの増加量でシフトすることを理解するだろう。それゆえサーチャーの解像度はプラス或いはマイナス１／４チップである。即ち、実際のピーク位置はサーチャー１１６によって決定された位置から１／４チップだけ離れているかもしれない。しかしながら、信号解析器１２０は係数ａ、ｂ及びｃを用いて実際のピーク位置を正確に決定することが出来る。ひとたび実際のピーク位置が決定されると、信号解析器は数学的モデル１２２を用いて実際のパルス幅を決定を行う。図６の波形は２次関数による応答関数のモデリングを示し、そこにおいて最大の相関値（例えば、ＲＳＳＩ）はチップ０において検出されて参照数字１６０で示される。早いエネルギー値（即ち、−０．５チップにおける）に対する相関値は参照数字１６２で示され、他方遅いエネルギー値（即ち、０．５チップにおける）に対する相関値は参照数字１６４で示される。点１６０〜１６４における相関値は係数ａ、ｂ及びｃに対する値を決定するために上述の式（２）〜（４）に代入されてよい。図５の波形を見ると、ピーク値がチップ０及び０．２５の間のどこかにあることを決定することが出来る。しかしながら、簡単な数学を用いてピークの正確な位置を決定することが可能である。式（1）は単純な２次式でありその導関数は
ｙ^‘（ｘ）＝２ａｘ＋ｂ （５）．
によって表現されるだろう。

この式の勾配はピークにおいてゼロに等しい。式（５）をゼロとおくことによって、ｘについて解くことができて、以下を得る：
ｘ＝−ｂ／（２ａ） （６）．
それゆえ、ピークは係数ａ及びｂを計算することによって直ちに決定されるだろう。

パルス幅を計算するために、式（１）を以下の形式に書き換えることが出来る：
ｙ（ｘ）＝Ａ（ｘ−ｘ_０）^２＋Ｂ （７）．
また、式（７）によって表現される曲線は以下が最大点である放物線である：
Ｙ（ｘ_０）＝Ｂ （８）．
これらの式から、Ａ＝ａでありまたピークの位置が以下のように表現できることはすぐわかる：
Ｂ＝ｃ−ｂ^２／（４ａ） （９）．
システム１００は、放物線が最大値からδ倍減衰した点を計算することによってパルス幅が容易に決定されることを可能にする。その点は線形或いは対数空間で計算されてかまわない。値が対数空間で計算されるならば、パルス幅は最大値の下のδデシベル（ｄＢ）となる点において決定される。以下の方程式の組は線形空間での解を示す：

δという用語はピーク点（即ち、点ｘ_０）からの放物線上での減衰量を表すために用いられる。システム１００は信号対雑音比率（ＳＮＲ）の増大或いは減少に適応するように係数δを動的に変更する。例えば、ある実施形態では、システム１００はδが１０の値を有するように選択してよい。即ち、パルス幅は放物線において値がピークから１０の係数だけ減少した点から決定される。しかしながら、雑音が存在する場合（例えば、減少させられたＳＮＲ）、雑音の存在下においてピークはそれほど高くならないだろうという事実を補償するために値δは減らされてよい。あるいは、雑音が存在しないときはパルスがよりはっきりするであろうという事実を考慮に入れて、係数δは低雑音の状況（即ち、増大されたＳＮＲ）では増加させてよい。それゆえ、システム１００はパルス幅のより信頼できる決定を与えるために係数δが動的に変更させられるのをうまく可能にする。

マルチパス信号のピーク幅が図３に示される通常の相関パルスより大きい（図４に示されるように個々のピークが同位相のとき）か或いはより小さい（図５に示されるように個々のピークの位相が異なるとき）ことをいくつかのシミュレーション研究は示している。

信号解析器１２０（図２参照）は上述のやり方でパルス幅を計算する。パルス幅に基づいて、受信された信号が通常の信号か或いはマルチパスの信号かを判断することができる。さらに、マルチパス信号が図４に示されるように同位相のマルチパス信号からなるものであるのか、或いは図５に示されるように位相の異なるマルチパス信号からなるものであるかを判断することができる。

ひとたび信号解析器１２０がマルチパス信号のタイプと程度（ｄｅｇｒｅｅ）を決定すると、マルチパス信号に対する補償をしてより正確なTOA決定を提供するためにピークの位置に補正係数が加えられてよい。以下の表１はマルチパス信号に対する補償をするための補正係数を与えるために用いられる。

信号解析器１２０はマルチパス効果を補償するためにピーク値の位置（即ち、点ｘ_０）にチップ或いはチップの一部を加え或いは引く。表１に示されるように、信号解析器は
同位相のマルチパス信号に対して増加するチップ量を引き、位相の異なるマルチパス信号に対して追加量を加える。当業者は理解できるが、システム１００によって提供されるより正確なＴＯＡ信号は移動ユニット１０に対するより正確な位置決定につながる。

ＩＳ−８０１や位置決定のためのＣＤＭＡ標準のような現行の電気通信標準の下では、移動ユニット１０はその位置を決定するためにＴＯＡデータを用いて計算を実行することができてよい。しかしながら、同様に移動ユニット１０の位置は固定基盤設備（ｆｉｘｅｄ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の一部によって決定されてもかまわない。この実施形態において、移動ユニットはＢＴＳ１４のような遠隔位置に識別データ及び遅延測定データを送信する。ＢＴＳ１４に関係付けられた位置決定の本体（ｅｎｔｉｔｙ）（ＰＤＥ）が、様々な送信機の既知の位置や各送信機から測定された遅延データに基づいて計算を実行し、移動ユニット１０の位置を決定する。

以前述べたように、移動ユニットが様々な送信機の正確な位置を与えられているならばＰＤＥは移動ユニット１０自身の内部で実現されてもよい。現行の電気通信標準の下では、この情報は移動ユニットには与えられず、様々な基地局に与えられる。ＰＤＥが基地局（例えば、ＢＴＳ１２）に関連付けられているならば、移動局は検出されたＰＮ番号と遅延時間をＢＴＳ１２に関連付けられたＰＤＥに送信する。遅延時間は測定された遅延時間および補正係数を含んでもよく、或いは補正された遅延時間のみを含んでもよい。さらに別の代替的な実施形態において、システム１００はＰＤＥ内での補正係数の計算を可能にするために、例えばＢＴＳ１２に関連付けられたＰＤＥへ測定されたパルス幅を送信してよい。本発明は補正係数が計算され測定された遅延時間に適用される場所によって制限されず、またＰＤＥの場所に制限されない。

殆どの応用において、式（１）の二次のモデルは、一般にマルチパス信号の存在下においてＴＯＡを決定するために十分であり、従来のＡＦＬＴ技術を用いて移動ユニット１０（図１参照）の位置を決定することにおいて許容し得る程度の正確さを提供する。しかしながら、より高い正確さが望まれるならば、相関応答関数を模擬するより高い次数の数学的モデルを提供することが可能である。例えば、３次式は所望の関数をより近くモデル化することができるだろう。高次の関数は係数を決定するためにより多くのサンプル点を必要とすることを当業者は理解するだろう。しかしながら、応答関数の数学的なモデリングは本発明によってより効果的に実行されるだろう。本発明の原理は３次或いは他の更に高次なモデルへと一般化されてよい。２次の関数は正確さと処理時間の間のトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）として選択される。２次式の場合、３つの計算されたデータ点（即ち、早いエネルギー値、定刻のエネルギー値、そして遅いエネルギー値）は全て実際の応答関数と交わり、それゆえ正確なピーク位置及びパルス幅を決定することにおいて許容し得る程度の正確さを提供することは特筆されるべきである。

システム１００の動作は図７のフローチャートに示され、開始２００で移動ユニット１０は電力を受けている。ステップ２０２で、システム１００は相関パルスを検出し相関値を計算する。当業者に知られているように、相関値は全エネルギー、ＰＮチップ当たりのパイロットエネルギー、ＲＳＳＩ、或いはその他のような多くの異なるタイプの基準によって示されてよい。移動ユニット１０は受信機１１０（図２を見よ）によって受信されたＰＮ符号を保持されているＰＮ符号と比較する。ＰＮ符号がマッチ（ｍａｔｃｈ）するならば、比較的高い相関値がステップ２０２で計算されるだろう。

ステップ２０４では、システム１００は従来の手法でＳＮＲを決定する。例えば、ＳＮＲを決定するためにピーク相関値は背景雑音のフロア（ｆｌｏｏｒ）と比較されてよい。

ステップ２０６では、システム１００は、例えばステップ２０４で計算されたＳＮＲに基づいてパラメータδに対する値を選択する。係数δは、当該技術分野で知られている全エネルギー、擬似雑音（ＰＮ）チップ当たりのパイロットエネルギー、パワースペクトル密度、その他のパラメータのような他の因子を用いて計算されてよい。

ステップ２０８では、信号解析器１２０（図２を見よ）は数学的モデル１２２に関連した係数を計算する。応答関数をモデル化するために２次式が用いられる例においては、サーチャー１１６によって決定されるピークエネルギー信号と早いエネルギー値と遅いエネルギー値が係数を決定するために用いられる。ステップ２１０において、信号解析器１２０は実際のピーク位置を決定する。

ステップ２１２において、信号解析器はδの選択された値に対してパルス幅を決定する。即ち、信号解析器１２０はパルス幅を決定するために計算された係数及びδに対して選択された値を利用する。ステップ２１４で、信号解析器１２０はマルチパスのタイプを決定する。例えば、信号解析器は１／２チップ離れた同位相のマルチパス信号からマルチパス信号が生じていることを決定するだろう。ステップ２１６で、信号解析器は、例えば表１に与えられたデータを用いて適切な補正係数を適用する。上述の例で、信号解析器はマルチパス効果を補償するために、計算されたＴＯＡから１／４チップを引く。システム１００で、マルチパス効果の信号を補償し、そしてより正確なＴＯＡを与えて処理は２１８で終了する。

当業者は上記処理が一つの基地局或いは衛星（例えば、ＢＴＳ１２）からのマルチパス効果を補正するために使用されることを理解するだろう。同じ処理は他のＢＴＳ（例えば、ＢＴＳｓ１４−１６）からの相関信号、或いはＧＰＳ衛星（例えば、衛星１８）からの信号へ適用される。それゆえ、システム１００はいずれのＢＴＳ或いは衛星からのマルチパス効果に対する補償を与え、より正確なＴＯＡデータを与える。補正されたＴＯＡデータに基づいて、より正確な位置決定がなされてよい。ＴＯＡデータに基づいた実際の位置の計算は当該技術分野で知られており、ここで述べる必要はない。しかしながら、システム１００によって与えられたより正確なＴＯＡデータは移動ユニット１０の位置のより正確な計算につながることになる。ユーザによって緊急なサービスが求められる場合に、そのように高められた正確さは移動ユニット１０を位置づけることにおいて決定的であり得る。

２つのマルチパス信号に関してシステム１００を説明してきたが、本発明の原理は３つ或いはそれ以上のマルチパス信号に拡張されてかまわない。或いは、システム１００は上述のシステムを用いて３つ或いはそれ以上のマルチパス信号の効果を適切にモデル化することができる。ＴＯＡデータの正確さの結果的な増大は移動ユニット１０の位置のより正確な決定を与える。

本発明のさまざまな実施形態および利点が前述の説明で述べられてきたが、上記開示は単なる説明であり、本発明の広い原理のなかにとどまる変形は詳細にわたってなされてかまわない。それゆえ、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるべきものである。

この明細書で言及された、及び／又は出願データシート（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ）に列挙された、上記米国特許、米国特許出願公開（Ｕ．Ｓ．ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、米国特許出願（Ｕ．Ｓ．ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、外国特許、外国特許出願及び非特許出版物の全ては参照として、そのままここに組み入れられる。

送信源と移動ユニットの間の複数の受信パスを示す。 本発明を実現するシステムの機能ブロック図である。 マルチパス効果が無い場合において図２のシステムによって生成される相関信号を示す波形図である。 同位相のマルチパス信号が存在する場合において図２のシステムによって生成される相関信号を示す波形図である。 位相が異なるマルチパス信号が存在する場合において図２のシステムによって生成される相関信号を示す波形図である。 到着時刻をより正確に決定するために本発明によって使用されるモデリング関数を示す波形である。 本発明の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…移動ユニット、 １２、１４、１６…送信機、 １８…ＧＰＳ衛星、
１４０…相関波形

Claims (23)

1. 電気通信装置におけるマルチパス誤差の補正のためのシステムであって、以下を具備するシステム：
   時間上の予め定められた点で相関信号のレベルを決定するために受信された信号を解析するためのサーチャーであって、時間上の予め定められた点の選択された一つにおいて最大信号レベルを決定するサーチャー；そして
   選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルを用いて予め定められた応答関数の数学的モデルを生成するための信号解析器であって、予め定められた応答関数に関連付けられた実際のピークレベル及びパルス幅を決定するために数学的モデルを使用し、補正された到着時刻を生成するためにパルス幅に基づいて到着時刻に対して補正係数を適用する信号解析器。
2. 相関信号のレベルが実際のピークレベルより予め定められた量だけ少ない点でパルス幅が決定される請求項１記載のシステム。
3. 信号解析器は予め定められた量を動的に選択する請求項２記載のシステム。
4. 信号解析器は受信された信号の信号対雑音比に基づいて予め定められた量を選択する請求項２記載のシステム。
5. 相関信号のレベルは受信された信号の受信された信号強度に基づいている請求項１記載のシステム。
6. 選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルは数学的モデルの係数を決定するために使用される請求項１記載のシステム。
7. 数学的モデルの係数は数学的モデルのパルス幅を決定するために使用される請求項６記載のシステム。
8. 数学的モデルは２次の数学的な関数である請求項１記載のシステム。
9. 数学的モデルは２次より高次の数学的な関数であり、選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルが数学的モデルの係数を決定するために使用される請求項１記載のシステム。
10. 電気通信装置におけるマルチパス誤差の補正のためのシステムであって、以下を具備するシステム：
    時間上の予め定められた点で相関信号のレベルを決定するために受信された信号を解析するための手段；
    時間上の予め定められた点の選択された一つにおいて最大信号レベルを決定するための手段；そして
    選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルを用いて予め定められた応答関数の数学的モデルを生成するための解析手段であって、予め定められた応答関数に関連付けられた実際のピークレベル及びパルス幅を決定するために数学的モデルを使用し、補正された到着時刻を生成するためにパルス幅に基づいて到着時刻に対して補正係数を適用する解析手段。
11. 解析手段は相関信号のレベルが実際のピークレベルより予め定められた量だけ少ない点でパルス幅を決定する請求項１０記載のシステム。
12. 解析手段は予め定められた量を動的に選択する請求項１１記載のシステム。
13. 解析手段は受信された信号の信号対雑音比に基づいて予め定められた量を選択する請求項１１記載のシステム。
14. 相関信号のレベルは受信された信号の受信された信号強度に基づいている請求項１０記載のシステム。
15. 解析手段は数学的モデルとして２次の数学的な関数を用いる請求項１０記載のシステム。
16. 解析手段は２次より高次の数学的モデルを用いる請求項１０記載のシステム。
17. 電気通信装置におけるマルチパス誤差の補正のための方法であって、以下を具備する方法：
    時間上の予め定められた点で相関信号のレベルを決定するために受信された信号を解析すること；
    時間上の予め定められた点の選択された一つにおいて最大信号レベルを決定すること；
    選択された時間に隣接した時間上の予め定められた点からの最大信号レベル及び相関信号レベルを用いて予め定められた応答関数の数学的モデルを生成すること；そして
    予め定められた応答関数に関連付けられた実際のピークレベル及びパルス幅を決定するために数学的モデルを使用し、補正された到着時刻を生成するためにパルス幅に基づいて到着時刻に対して補正係数を適用すること。
18. パルス幅を決定することは相関信号のレベルが実際のピークレベルより予め定められた量だけ少ない点でパルス幅を決定する請求項１７記載の方法。
19. 予め定められた量を動的に選択することを更に具備する請求項１８記載の方法。
20. 受信された信号の信号対雑音比に基づいて予め定められた量を選択することを更に具備する請求項１８記載の方法。
21. 相関信号のレベルは受信された信号の受信された信号強度に基づいている請求項１７記載の方法。
22. 数学的モデルは２次の数学的な関数である請求項１７記載のシステム。
23. 数学的モデルは２次より高次の数学的モデルである請求項１７記載のシステム。

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