JP2005531985A - モバイルユニットの速度および距離を決定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

共通チャネル（ビーコンチャネルなど）（２４）がセクタ化セル（１００）の指定されたカバレッジエリア上でスウィープされる方法およびシステムが開示される。アイドルＷＴＲＵ（１６）は、共通チャネルの最後のいくつかの読み取りの受信電力および受信の時間など、適切な情報を保存する。ＷＴＲＵの次のアクセスにおいて、この情報はネットワークに送信されて、ＷＴＲＵの場所、その進行方向、および、無線リソース管理のために有用である速度推定値が決定される。

Description

本発明は無線通信システムを対象とする。より詳細には、本発明は、無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）の速度および距離を決定するための、複数のスマートアンテナを使用するセルラーシステムに関する。

現在の無線システム配置では、ＷＴＲＵの速度および位置は、多数の異なる方法を使用して決定される。例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）を、ＧＰＳ機能を有するこれらのＷＴＲＵのために使用することができる。代替として、ネットワークは速度および位置を、三角測量技術を使用して決定することができる。これらの各技術は一般に、望ましくない欠点を有する。例えば、ＧＰＳは著しい費用および複雑性をＷＴＲＵに加える。ＧＰＳが装備されたＷＴＲＵは基本的に２つのレシーバを有するデバイスであり、一方のレシーバはセルラーシステムとインターフェースを取るため、第２のレシーバは測位衛星を受信するためのものである。レシーバの追加によりバッテリ消費量が増し、貴重なＷＴＲＵリソースが消耗される。

ＷＴＲＵ位置決定のためのもう１つの方法は、追加の１次局および／または余分なハードウェアを各１次局で使用して、三角測量をサポートすることを必要とする、安定化技術を使用する。

ＷＴＲＵが１次局と通信中であるとき、ＷＴＲＵを効果的に探し出すことができる、改良されたＷＴＲＵトラッキングメカニズムを提供することが望ましい。

本発明は、共通チャネル（ビーコンチャネルなど）がセクタ化セルの指定されたカバレッジエリア上でスウィープされる、方法およびシステムを備える。

アイドルＷＴＲＵは、共通チャネルの最後のいくつかの読み取りの受信電力および受信の時間など、適切な情報を保存する。ＷＴＲＵの次のアクセスにおいて、この情報はネットワークに送信されて、ＷＴＲＵの場所、その進行方向、および、無線リソース管理のために有用である速度推定値が決定される。

本発明を、図面を参照して説明し、図面においては全体にわたって類似の数字は類似の要素を表す。図１Ａを参照すると、通信ネットワーク１０は一般に１つまたは複数の１次局１４を備え、各１次局は複数のＷＴＲＵ１６との無線通信が可能である。各ＷＴＲＵ１６は、最も近い１次局１４、または最強の通信信号を提供する１次局１４のいずれかと通信する。ＷＴＲＵは一般に当技術分野で周知であり、車両電話またはハンドヘルド携帯電話として使用される。一般に、このようなＷＴＲＵはまたモバイルユニットとしても知られる。１次局はまた基地局としても知られる。

各１次局１４は、カバレッジエリア１０を通じて、１次局のアンテナ２１を介して、信号をブロードキャストおよび受信する。アンテナ２１はそのアンテナアレイを通じて、アンテナの放射パターンをビーム２４の形状に成形する。ビーム２４は、図１Ｂのように、カバレッジエリア１００の全体にわたってスウィープされる。カバレッジエリア１００は複数のセクタＳ_１．．．Ｓ_Ｎを備える。基地局コントローラ２０は、複数の１次局１４の間の通信を、陸線（land line）でも無線リンクでもよいネットワークパス２６を用いて調整する。通信ネットワーク１０をオプションで公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）２２に、ＰＳＴＮネットワークパス２８を介して接続することができる。無線通信システム１０を、ネットワーク２６および１次局１４について別々のユニットを使用して示すが、これらの機能を物理的に基地局１４に結合させて、「マスタ１次局」を形成することができる。

図１Ａおよび図２を参照すると、ＷＴＲＵ１６は、ビーム２４によってスウィープされる、１次局１４のカバレッジエリア１００の１つまたは複数のセクタを通じてトラバースする（ステップ３０１）。ＷＴＲＵ１６は、アイドル状態時に１つまたは複数の共通チャネルを監視するように構成され（ステップ３１０）、例えば、カバレッジエリア１００の全体にわたって１次局１４によってブロードキャストされるビーコンチャネルである。共通チャネルは意図的には、カバレッジエリア内のすべてのＷＴＲＵによって受信されるように意味づけされる。アイドル（オンにされているが、ユーザー情報交換内でアクティブではない）ＷＴＲＵ１６が静止しているか、あるいはカバレッジエリアを動き回るとき、ビーコンチャネルについての、ビーコンチャネルからの情報を格納するようになる（ステップ３２０）。この情報には、時間、信号パスロス、セクタＩＤ、ビーコン送信電力、受信電力および受信干渉レベルが含まれる可能性がある。ＷＴＲＵ１６は後に、共通チャネルから収集した情報を１次局１４にアップリンクする（ステップ３３０）。次いで、この情報はネットワークによって使用されて、モバイルの速度、距離および方向が決定される（ステップ３４０）。

ＷＴＲＵ１６が共通チャネルを獲得するとき、共通チャネルもまた１次局１４からの情報を含む可能性があり、この情報は、ネットワーク２０がＷＴＲＵの場所を決定する助けとなる。例えば、ネットワーク２０は１次局１４に、ビーム２４を決定論的方法でカバレッジエリア全体にわたって組織的にスウィープして、セクタを切り開く（curve out）ように命令する（図１Ｂを参照）。ネットワーク２０は共通チャネルに、ビームがその中で送信されているセクタを示すセクタＩＤまたはビーム番号を付加することができる。ＷＴＲＵ１６は後に、タイムスタンプ付きの情報をネットワーク２０にアップリンクする。次いで、ネットワーク２０は、ＷＴＲＵ１６によって受信されたセクタｉｄまたはビーム番号を、計算されたパスロスと共に使用して、１次局１４に対してＷＴＲＵ１６の場所を計算することができる。パスロスは、１次局１４の送信電力およびＷＴＲＵ１６での受信電力に基づく。次いで、適切な環境モデルが適用されて、地形（terrain）の影響が補償される。例えば、環境が地方（rural）であった場合、ネットワークは地方環境モデルをその計算で使用する。

１次局の位置は知られており、ネットワークは相対位置を絶対位置に変換することができる。１次局の位置は絶対位置ではなく、Ｘ、Ｙグリッドまたはデカルト座標系を使用した、既知の基準点に対する相対値であることに留意されたい。Ｘ軸は東西方向を表し、Ｙ軸は南北方向を表す。グリッド値は通常、ｍまたはｋｍ単位である。カバレッジエリアのためのＷＴＲＵデカルト座標表現の一実施例を、図３に例示する。

ＷＴＲＵの位置（ＷＴＲＵ＿Ｘ，ＷＴＲＵ＿Ｙ）を決めるため、ΔＸおよびΔＹ距離が最初に、１次局およびＷＴＲＵからのＸおよびＹ距離として決定される。ＷＴＲＵの位置のＷＴＲＵ＿Ｘを、式１で見つけることができる。
ＷＴＲＵ＿Ｘ＝ΔＸ＋ＰＳ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ＿Ｘ
式１
ただし、ΔＸはＷＴＲＵからＰＳまでのＸ距離であり、ＰＳ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ＿ＸはＰＳのＸ座標である。ＷＴＲＵ位置のＷＴＲＵ＿Ｙを、式２によって見つけることができる。
ＷＴＲＵ＿Ｙ＝ΔＹ＋ＰＳ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ＿Ｙ 式２
ただし、ΔＹはＷＴＲＵからＰＳまでのＹ距離であり、ＰＳ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ＿ＹはＰＳのＹ座標である。

１次局からＷＴＲＵまでの距離を、式３から見つけることができる。

ただし、ΔＸおよびΔＹは上記の式からの値である。ＰＳからＷＴＲＵまでの方位角を、式４から見つけることができる。
Ａｚｉｍｕｔｈ（ＷＴＲＵ）＝ｔａｎ^−１（ΔＹ／ΔＸ）
式４
ただし、Ａｚｉｍｕｔｈは度単位のアジマス角である。

図３を参照すると、例示的カバレッジエリア３０はデカルト座標系によって参照され、基準点（ＲＰ）３２は原点（０，０）に位置する。ＰＳ１４は座標（−５，２）に位置し、ＷＴＲＵ１６は（−１，５）に位置する。アジマス角Φ３８は、ＰＳ１４からＷＴＲＵ１６までの角度である。ＰＳ１４からＷＴＲＵ１６までの距離を計算するためには、ΔＸおよびΔＹの値が得られなければならない。ΔＸおよびΔＹの値は、それぞれＰＳ１４からＷＴＲＵ１６までのＸおよびＹ距離であり、これらのＸおよびＹ距離は、パスロスおよび既知のＰＳ送信電力およびＷＴＲＵ１６での受信電力を使用した計算から得られた。ΔＸは４に等しく、ΔＹは３に等しい。式３は、ＰＳからＷＴＲＵ１６までの距離が５ｍであると決定するために使用されたものである。アジマス角Φ３８は式４から決定され、約３９度である。

距離計算は、パスロス計算、および、大気条件（atmospheric conditions）などの環境変数に依存する。距離をパスロスおよび環境に基づいて決定するための自由空間モデルにおける通常の伝搬を、式５に示す。
距離＝１０^{（パスロス−３２．４−２０ｌｏｇ（ｆ））／２０} 式５
ただし、ｆはＭＨｚ単位の中心搬送周波数であり、距離はＫｍ単位であり、パスロスはｄＢ単位である。距離を計算するためのもう１つの方法は平面地上伝搬モデル（plane earth propagation model）であり、これを式６によって例示する。
距離＝１０^{（パスロス＋２０ｌｏｇ（ＨｂＨｍ））／４０} 式６
ただし、Ｈｂは基地局アンテナの高さ（ｍ）であり、Ｈｍは移動局アンテナの高さ（ｍ）であり、距離はｍ単位である。距離を計算するためのさらにもう１つの方法は、パスロス計算のためのｃｏｓｔ−２３１ Ｈａｔａモデルであり、式７によって例示する。
パスロス＝４６．３＋３３．９ｌｏｇ（ｆ）−１３．８２ｌｏｇ（Ｈｂ）−ａ（Ｈｍ）＋（４４．９−（６．５５ｌｏｇ（Ｈｂ）））＊ｌｏｇ（距離）＋Ｃｍ
式７
また、距離については、式８の通りである。
距離＝１０^{（パスロス−４６．３−３３．９ｌｏｇ（ｆ）＋１３．８２ｌｏｇ（Ｈｂ）−ａ（Ｈｍ）−Ｃｍ／（４４．９−６．５５ｌｏｇ（Ｈｂ）））}
式８
ただし、ＨｂおよびＨｍは、ｍ単位の基地局およびＷＴＲＵのアンテナの高さであり、ｆはＭＨｚ単位の中心周波数であり、距離はＫｍ単位であり、ａは中小都市向けのモバイルのアンテナの高さのための、ｄＢ単位の相関係数であり、これを式９に例示する。
（Ｈｍ）＝（１．１ｌｏｇｆ−０．７）Ｈｍ−１．５６ｌｏｇｆ＋０．８
式９
ただし、Ｃｍの値は、郊外（suburban）または地方環境に応じて変化する。郊外環境モデルでは、Ｃｍ値は０ｄＢであり、大都市環境モデルでは、３ｄＢの値が使用される。

ＷＴＲＵがカバレッジエリアを動き回るとき、次いでネットワーク２０は、ＷＴＲＵ１６の速度および方向を、ＷＴＲＵ１６のビーム２４獲得測定値（acquisition mesurements）を比較することによって計算することができる。例えば、概算の速度決定を得るための、位置の変化が時間の変化によって除算されるような単純な式を式１０に示す。
速度＝Δ位置／Δ時間
式１０
ただし、Δ位置は位置の変化であり、Δ時間は時間の変化である。

式１のさらなる分解を、式１１によって例示する。
速度＝（Ｐ_ｎ−Ｐ_ｎ−１）／（Ｔ_ｎ−Ｔ_ｎ−１）
式１１
ただし、Ｐ_ｎおよびＴ_ｎは、ＷＴＲＵ１６の現在位置および現在時間を表し、Ｐ_ｎ−１およびＴ_ｎ−１は、以前の位置およびその関連付けられた時間を表す。

速度の推定値は、位置推定値の精度に依存することに留意されたい。位置推定値は、カバレッジエリア１０が大きい場合、または、ＷＴＲＵ１６がセルの最も遠い周辺の付近にある場合、不正確になる可能性がある。しかし、カバレッジエリア１０が比較的小さく、ＷＴＲＵ１６がセルの中心に近い場合、推定値は非常に正確になる。セクタのサイズもまた位置推定値に影響を与えるようになり、より多くのセクタはカバレッジエリアを、より多くの位置決定可能な場所にスライスするようになる。

ＷＴＲＵの方向を得るには、システムは単に、ＷＴＲＵの現在および以前の場所を使用することができる。最初に距離は、上記の式を使用して、新しい数字で計算される。

最も効率的なリソースの割り当てを達成するために、ＷＴＲＵ１６が最初にカバレッジエリア１００に入ってくるとき、ＷＴＲＵ１６の位置および速度の推定値を作成することが、大変望ましい。これにより、通信ネットワーク２０はアドミッションアルゴリズムを使用し、通信リソースを効率的に割り当てることが可能となる。

もう１つの実施形態では、通信システムは、隣接する１次局または隣接するセルを利用して、より正確にＷＴＲＵ１６の位置を推定することができる。ＷＴＲＵ１６が１次局１４にアクセスするとき、同じくアダプティブアンテナレシーバを使用する隣接する１次局によって通信を監視することができる。リンクされた受信側の１次局は次いで、ＷＴＲＵ１６の場所を、単純な三角測量技術を使用して決定して、ＷＴＲＵの位置をより正確に計算することができる。

代替実施形態では、３つまたはそれ以上のＷＴＲＵビーコン測定値がＷＴＲＵによって取られ、通信システムに戻すようにレポートされる。これにより、ＷＴＲＵの速度および方向のよりよい決定が可能となる。

本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲で概説するような、本発明の範囲内である他の変形形態は、当業者には明らかになるであろう。

本発明を組み込む教示による通信システムの図である。 図１Ａに例示されたシステムの１次局のカバレッジエリアの図である。 本発明の教示による、ＷＴＲＵの速度および距離を決定するための方法の流れ図である。 図２に例示されたカバレッジエリアのＷＴＲＵデカルト座標表現の一実施例の図である。

Claims (11)

1. 複数の無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）を有する通信システムであって、
   アイドル状態にある間に、選択されたチャネルを監視するように構成されるレシーバと、
   前記選択されたチャネルに関する情報を格納するためのメモリと、
   前記格納された情報を前記ＷＴＲＵから適切な時間に送信するためのトランスミッタと、
   前記複数の各ＷＴＲＵの速度および距離を、前記格納された情報を使用して計算する手段とを備えることを特徴とする通信システム。
2. 前記送信するステップは、以前の３つのＷＴＲＵアクセスからの情報を送信するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記情報は、パスロス、セクタ識別、電力、および獲得時間のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
4. 前記共通チャネルは一意セクタ識別子を含むことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
5. 前記パスロスは地方または郊外環境係数から決定されることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
6. 前記距離はｃｏｓｔ−２３１ Ｈａｔａモデルによって計算されることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
7. 前記距離は平面地上伝搬モデルによって計算されることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
8. 前記距離は自由空間モデルによって計算されることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
9. １つまたは複数のセクタをトラバースするＷＴＲＵの速度、方向および距離を決定するための方法であって、各セクタは少なくとも１つの共通チャネルを有し、前記方法は、
   アイドル状態にある間に、各トラバースされたセクタの前記少なくとも１つのチャネルを監視するステップと、
   各ビーコンチャネルに関する情報を格納するステップと、
   前記格納された情報を前記ＷＴＲＵから適切な時間に送信するステップと、
   三角測量および前記情報を使用して、前記ＷＴＲＵの速度および距離を計算するステップとを備えることを特徴とする方法。
10. 前記送信するステップは、少なくとも３つの以前のＷＴＲＵアクセスからの情報を送信するステップをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記情報は、パスロス、セクタ識別、電力、および獲得時間のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
    

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