JP2014175999A - 移動通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】既存の測位システムを当該移動局に使用することなく、通常の無線通信サービスとの効率的な併用を行いながら、独立に測位システムを構築する。
【解決手段】移動局の位置を検出可能な移動通信システムにおいて、移動局が送信した送信タイミングと複数の固定局間が非同期の固定局から前記移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、固定局応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の固定局と移動局との距離を推定する移動局を備え、前記複数の固定局からの固定局応答処理遅延時間は固定局識別番号に対応して異なる固定局応答遅延時間を設定すると共に、前記複数の固定局は前記固定局識別番号に対応する固定局応答処理遅延時間を認識する手段を備えると共に、前記複数の固定局と前記移動局とは前記認識した固定局応答処理遅延時間を通知する手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動局の位置検出を行う無線通信システムに関するものである。

従来技術としては、ＧＰＳ（Ground Positioning System）等で知られる位置検出システムがある。基本原理は、３点以上の異なる地理的位置が既知の基地局との距離を測定することにより、三辺測量または三角測量の原理に基づいて位置を検出するものである。

また特許文献１の特表平１０−５０５７２３において、ＣＤＭＡを用いたワイヤレス無線システムにおいて、ＣＤＭＡにより各送信基地局からの送信信号が移動局受信端でコード多重化された受信信号の到来時間差を用いて各基地局からの伝搬遅延差を検出し距離を推定する方式が示されている。しかし、コード多重が行えるＣＤＭＡシステムが前提となり、無線ＬＡＮやＬＴＥ等、時間分割多重や周波数分割多重のシステムでは実現できない。
また特許文献２の特開２０００−２４４９６７では、前記特許技術の問題点である基地局間の時刻同期の必要性に言及し、送信時刻から、相手局応答信号受信までの時間差を用いて距離を推定する方式が示されている。また距離推定手段として受信電力から距離減衰量を推定することにより距離を求める方法の推定精度劣化についても言及している。
また特許文献３の特開２００５−１２３８４４では、応答時間差測定における他の移動局との送信時刻衝突を回避する方法が示されている。しかし、本従来技術では、測位を行うため基地局移動局間の信号応答時間の測定のため１対１の送受信時には他局間の送受信を禁止する必要があり、測位にかかる時間占有率が問題となる。特に移動局数が多い場合には、他局の送信禁止時間制御を含め測位に占める時間率が増大し、システム全体でのサービスのためのスループット低下が問題となる。

また特許文献４の特開２０１１−１０９３６３では、親局Ａ及び子局Ｂ〜Ｄの無線機が、予め複数の登録番号と遅延時間とを対応付けた遅延時間テーブルを記憶しておき、親局Ａが、子局Ｄから識別番号を含む登録要求信号を受信した場合には、当該登録要求信号に含まれる識別番号に前記テーブルに記憶されている登録番号を１対１に対応付けて記憶し、当該子局Ｄを点検対象とすると共に、要求元の子局Ｄ宛に当該登録番号を含む応答信号を送信し、子局Ｄが、登録要求信号の送信後、親局Ａから応答信号を受信すると、テーブルを参照して、当該応答信号に含まれる登録番号に対応する遅延時間ＤDを読み取って自己の応答遅延時間とし、点検信号ｑを受信した場合には当該応答遅延時間ＤD経過後に応答信号を送信する無線通信システムとしている。

特表平１０−５０５７２３ 特開２０００−２４４９６７ 特開２００５−１２３８４４ 特開２０１１−１０９３６３

本発明の目的は、通常の無線通信サービスと測位システムを併用するシステムであって、局間の時刻同期を必要とせずに、ＧＰＳのような既存の測位システムを当該システムに利用することなく、非同期で、運用可能なシステムを構築することにある。特に測位実施時間を短縮することにより、測位実施中に中断される無線通信サービスへの支障を軽減する測位システムを提供することである。

本発明は上記課題を解決するため、移動局が送信した送信タイミングと複数の（固定局間が非同期の）固定局から前記移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の（固定局間が非同期の）固定局と前記移動局との距離を推定する前記移動局を備え、前記複数の（固定局間が非同期の）固定局からの応答処理遅延時間は固定局識別番号に対応して異なる固定局応答遅延時間を設定すると共に、前記複数の（固定局間が非同期の）固定局は前記固定局識別番号に対応する固定局応答処理遅延時間を認識する手段を備えると共に、前記複数の（固定局間が非同期の）固定局と前記移動局とは前記認識した固定局応答処理遅延時間を通知する手段を備えること、を特徴とする移動通信システムである。
さらに、前記固定局識別番号に対応する固定局応答処理遅延時間は、該応答信号の時間長と想定される最大往復伝搬遅延時間の和に対し該移動局の通信可能範囲に属する固定局数の最大数を乗じた時間を超えるように設定することを特徴とする上記の移動通信システムである。

また、移動局が送信した送信タイミングと複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局とから前記第１の移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、半固定局応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局と前記移動局との距離を推定する前記移動局を備え、前記複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局からの半固定局応答処理遅延時間は半固定局識別番号に対応して異なる半固定局応答遅延時間を設定すると共に、前記複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局との前記半固定局識別番号に対応する半固定局応答処理遅延時間は、該応答信号の時間長と想定される最大往復伝搬遅延時間の和に対し前記移動局の通信可能範囲に属する位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局数の最大数を乗じた時間を超えるように設定し、前記複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局は前記半固定局識別番号に対応する半固定局応答処理遅延時間を認識する手段を備えることと、前記移動局と前記複数の位置が既知の（半固定局間が非同期の）の半固定局は前記認識した半固定局応答処理遅延時間を通知する手段を備えること、を特徴とする移動通信システムである。

さらに、移動局の位置を検出可能な移動体通信システムにおいて、移動局が送信した送信タイミングと複数の固定局から前記移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の固定局と移動局との距離を推定する移動局と、を備え、前記複数の固定局からの応答処理遅延時間は固定局識別番号に対応して異なる応答遅延時間を設定すると共に、移動局は前記固定局識別番号に対応する応答処理遅延時間を認識する遅延記録手段を備えるかあるいは各固定局より通知することを特徴とする移動体通信システムである。

本発明により、移動通信システムにおいて、局間の時刻同期を必要とせずに、ＧＰＳのような既存の測位システムを当該システムに利用することなく、非同期で、通常の無線通信サービスとの効率的な併用を行いながら、独立に測位システムの構築が可能となる。

本発明の１実施例の測位システムを実現する移動局と非同期の固定局との送受信機の構成を示すブロック図 本発明の１実施例の測位システムの測位応答要求信号送信の動作の模式図 本発明の１実施例の測位システムの測位応答信号送信の動作の模式図 本発明の１実施例の測位システムの固定局間が非同期の固定局応答の動作の模式図 本発明の１実施例の測位システムの固定局間が非同期の固定局遅延設定方法の動作の模式図 本発明の他の１実施例の測位システムを実現する移動局と複数の位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局との送受信機の構成を示すブロック図 本発明の他の１実施例の測位システムの測位応答要求信号送信の動作の模式図 本発明の他の１実施例の測位システムの測位応答信号送信の動作の模式図 本発明の他の１実施例の測位システムの位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局応答の動作の模式図 本発明の他の１実施例の測位システムの位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局遅延設定方法の動作の模式図

本発明の測位方法について、本発明の１実施例の測位システムの動作の模式図の図２と本発明の１実施例の測位システムの他の動作の模式図の図３及び本発明の１実施例の測位システムの非同期の固定局応答の動作の模式図の図４を用いて説明する。図２は、地理的に配置した固定局１〜６と測位を行うターゲットとなる移動局である。測位の手順として、移動局が全方位の固定局を対象に測位応答要求信号を出力する。図２と図３において、固定局１，２，３，６は移動局との通信圏内にあり、固定局４，５は通信圏外にあるとする。
図３は、測位応答要求信号に対して通信圏内の固定局から測位応答信号が出力される。通信圏外にある固定局４及び５は測位応答信号を出力できない。通信圏内の固定局１，２、３，６は、測位応答要求信号の受信タイミングから異なるdelay（固定局１はdelay=T1、固定局２はdelay=T2等）を持って測位応答信号を送信する。移動局では各固定局からの受信タイミングから各固定局との伝搬距離を測定する。

図４にその信号送受信時間を時間軸で示し、伝搬距離測定方法の説明を行う。初めに移動局が各固定局に対して測位応答要求信号を出力する。各固定局では距離により異なる伝搬遅延差を持って受信される。各固定局は受信時刻から、受信処理で発生する固定的な処理遅延と、あらかじめ各固定局で定められたdelay値（図４においてはT1〜T6）を受信時刻に加えて測位応答信号を出力する。ここでdelay値は各固定局から移動局に到達する時点で信号が重ならないような値を設定する。
一例として、通信圏内で最大となる伝搬遅延時間差(往復時間)をMax_delay、測位応答信号長をSとすると式１となる。
delay＝（Max_delay＋S）×k ＝Tu×ｋ ……式１
ここで、ｋは固定局に固有の整数、Tuは最小遅延単位とする。
式１は一例であって、移動局での受信が重ならない条件を満たしていれば別の定義で運用することが可能である。

移動局では、各固定局からの受信タイミングを計測し伝達距離を測定する。伝達距離は式２となる。
固定局nとの距離＝（固定局ｎ測位応答信号受信時刻−測位応答要求送信時刻−処理遅延−delayTn)×電波伝搬速度／2……式２
ここで、delayTnは固定局nに設定されているDelay値である。電波伝搬速度は299,792,458m/sである。
処理遅延は全固定局共通の遅延である。delayTnは固定局の位置情報と共に固定局からの測位応答信号に含めて送信する等により容易に共有化できる。
delayTnは各固定局に全て異なる値k（式１）を設定することにより実現することもできる。しかし、広域をカバーするためには固定局数が膨大となり、それに応じて、測位に占める時間率が増えるため、無線通信サービスの伝送効率低下する問題が発生する。これを回避するにはkの最大値を制限する必要がある。それを改善する方法を本発明の１実施例の測位システムの非同期の固定局遅延設定方法の動作の模式図の図５を用いて示す。

図５は、DelayTn（＝kTu）設定方法の説明例図である。図５では説明を容易とするため固定局を直線状に配置した例を示している。通達可能最大距離をＭとし、最大時間差Tmaxは式３となる。
Ｔmax＝２Ｍ／電波速度[sec] ……式３
つまり、固定局間の距離が２Ｍを超えた距離に配置された固定局は、一方は必ず通信圏外となるため、同時に応答することがない。従って半径Ｍの中に配置できる固定局数Ｌは式４を満たすように設定する必要がある。
Ｌ＜Ｔmax／Ｔu ……式４
半径Ｍの中に配置する固定局毎にｋ＝0〜Ｌ−１の範囲で設定すれば良い。これにより測位に占める時間率の低減が可能となり、無線通信サービスの伝送効率の低下を軽減できる利点がある。

図１に本発明の１実施例の測位システムを実現する送受信機の構成を示すブロック図を示す。図１において、移動局送受信機１、時間計測用クロックカウンタ２、測位応答要求信号発生部１７、測位応答要求信号送信部４、アナログ送受信部５、アンテナ６、測位応答信号検出部７、受信タイミング検出部８、測位応答信号復調部９、伝搬遅延差計算部１０、測位演算処理部１１、固定局送受信機２１、アナログ送受信部２２、測位応答要求信号検出部２３、受信タイミング検出部２４、時間計測用クロックカウンタ２５、送信タイミング設定部２６、固定局Ｎｏ識別部２７、測位応答信号発生部２８、測位応答信号送信部２９、アンテナ３０となる。以下、詳細に説明する。
測位応答要求信号送信部４は、測位応答要求信号発生部１７で生成した測位応答要求信号をアナログ送受信部５、アンテナ６を介して周囲に配置されている全固定局に向けて送信する。その際、送信時の時間計測用クロックカウンタ２のカウンタ値(送信時刻相当値)を記録し、伝搬遅延差計算部に出力する。

測位応答要求信号は固定局２１のアンテナ３０、アナログ送受信部２２を介して測位応答要求信号検出部２３で信号の解析を行い、測位応答要求信号であることを確認する。受信タイミング検出部２４は、測位応答要求信号検出部２３が測位応答要求信号を確認した時点で時間計測用クロックカウンタ２５のカウンタ値(受信時刻相当値)を記録する。送信タイミング設定部２６は、固定局Ｎｏ識別機２７から該固定局個別のDelay値と、各種信号処理遅延に相当する処理遅延量を該受信時刻相当値に加算することにより送信タイミングを計算し測位応答信号送信部に出力する。また、固定局Ｎｏ識別機２７は、固定局の識別Ｎｏを測位応答信号発生部２８に出力し、測位応答信号発生部２８は固定局の識別Ｎｏを測位応答信号に含めた測位応答信号を生成し、測位応答信号送信部２９に出力する。
測位応答信号には該固定局の位置情報を含める場合もある。該位置情報は移動局に固定局Ｎｏと関連付けてテーブル化することで対応することも可能である。

測位応答信号送信部２９は、時間計測用クロックカウンタ２５と送信タイミング設定部２６より指定された送信タイミングが一致する時刻において送信を開始し、アナログ送受信部２２、アンテナ３０を介して送信出力する。固定局２１より出力した信号は移動局１のアンテナ６、アナログ送受信部５を介して測位応答信号検出部７、測位応答信号復調部９に入力される。測位応答信号検出部７及び受信タイミング８は、固定局２１の測位応答要求信号検出部２３及び受信タイミング２４と同様の処理により測位応答信号を受信し、測位応答信号を確認した時点で時間計測用クロックカウンタ２のカウンタ値(受信時刻相当値)を記録し、伝搬遅延差計算部１０に出力する。さらに測位応答信号復調部９では、受信信号に含まれる固定局識別Ｎｏを復調し（該位置情報を含む場合は該位置情報も復調）、伝搬遅延差計算部１０に出力する。伝搬遅延差計算部１０では固定局識別Ｎｏより得られるDelay値、送信時刻相当値、及び受信時刻相当値から移動局固定局間の正味の伝搬遅延差を計算する。

また、移動局１では周囲に配置されている他の応答可能な固定局からの信号を合わせて受信し、同様に伝搬遅延差計算部１０に情報を集約し、少なくとも３つの固定局との伝搬遅延差を得て、測位演算部１１に出力する。
測位演算部１１は、固定局間が非同期であっても、の固定局の位置情報と伝搬遅延差を用いて、三辺測量等の原理により測位を行うものである。

本発明により、既存の測位システムを補助的に使用することなく、固定局間が非同期であっても、通常の無線通信サービスとの効率的な併用を行いながら、独立に測位システムの構築が可能となる。

本発明の他の測位方法について、実施例１との相違点のみ、本発明の他の１実施例の測位システムを実現する送受信機の構成を示すブロック図の図６と、本発明の他の１実施例の測位システムの動作の模式図の図７と本発明の他の１実施例の測位システムの動作の模式図の図８及び本発明の他の１実施例の測位システムの位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局応答の動作の模式図の図９と、本発明の他の１実施例の測位システムの位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局遅延設定方法の動作の模式図の図１０とを用いて説明する。
実施例１の図１−図５と実施例２の図６−図１０との相違は、実施例１の固定局間が非同期の固定局の代わりに、実施例２では位置登録により位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局があることである。
図６において、１２は移動局送受信機、１４は位置登録部、１５は半固定局間が非同期の半固定局送受信機、１６は半固定局Ｎｏ識別部、１７は測位応答要求信号発生部である。実施例１の図１と同様に、送信タイミング設定部２６は、半固定局Ｎｏ識別機１６から該固定局個別のDelay値と、各種信号処理遅延に相当する処理遅延量を該受信時刻相当値に加算することにより送信タイミングを計算し測位応答信号送信部に出力する。また、半固定局Ｎｏ識別機１６は、半固定局の識別Ｎｏを測位応答信号発生部２８に出力し、測位応答信号発生部２８は半固定局の識別Ｎｏと半固定局応答処理遅延時間とを測位応答信号に含めた測位応答信号を生成し、測位応答信号送信部２９に出力する。そこで、実施例１の図１の固定局応答処理遅延時間と伝搬遅延差計算部１０の応答処理遅延時間の計算を省略した伝搬遅延差計算部１７が図６にはある。

また、図６において、半固定局を設置する際に、図示しないＧＰＳ受信機や準天頂衛星の位置信号の受信機などにより、半固定局を設置する場所を測定し、位置登録部１４に半固定局を設置する場所を登録することより半固定局の位置を特定する。半固定局間は非同期とする。

実施例１の図１でも、実施例２の図６でも、移動局が測位応答要求信号を送信し、位置が既知の局（実施例１では固定局で、実施例２では位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局）が受信し、位置が既知の局（実施例１では固定局で、実施例２では位置が既知の半固定局間が非同期の半固定局）が測位応答信号を送信し、移動局が受信する。その結果、半固定局間が非同期であっても、移動局が往復伝搬遅延時間（半固定局ｎ測位応答信号受信時刻−測位応答要求送信時刻）と半固定局応答処理遅延時間（処理遅延＋半固定局nに設定されているDelay値のdelayTn）と電波伝搬速度299,792,458m/sに基づいて、実施例１の式２と同様の式５のより、半固定局nとの距離を推定している。
半固定局nとの距離＝（半固定局ｎ測位応答信号受信時刻−測位応答要求送信時刻−半固定局応答処理遅延時間)×電波伝搬速度／2……式５

つまり、ＧＰＳ受信による測位システムを有しない移動局と位置が既知の半固定局同士のアドホック中継時において、半固定局間が非同期であっても、通常の無線通信サービスとの効率的な併用を行いながら、独立に測位システムの構築が可能となる。

１，１２：移動局送受信機、２，２５：時間計測用クロックカウンタ、
４：測位応答要求信号送信部、
５，２２：アナログ送受信部、６，３０：アンテナ、
７：測位応答信号検出部、８，２４：受信タイミング検出部、９：測位応答信号復調部、
１０：伝搬遅延差計算部、１１：測位演算処理部、
１４：位置登録部、１５：半固定局間が非同期の半固定局送受信機、
１６：半固定局Ｎｏ識別部、１７：測位応答要求信号発生部、
２１：固定局間が非同期の固定局送受信機、２３：測位応答要求信号検出部、２６：送信タイミング設定部、
２７：固定局Ｎｏ識別部、２８：測位応答信号発生部、２９：測位応答信号送信部、

Claims (4)

1. 移動局が送信した送信タイミングと複数の固定局から前記移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、固定局応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の固定局と前記移動局との距離を推定する前記移動局を備え、前記複数の固定局からの固定局応答処理遅延時間は固定局識別番号に対応して異なる固定局応答遅延時間を設定すると共に、前記複数の固定局は前記固定局識別番号に対応する固定局応答処理遅延時間を認識する手段を備えると共に、前記複数の固定局と前記移動局とは前記認識した固定局応答処理遅延時間を通知する手段を備えること、を特徴とする移動通信システム。
2. 前記固定局識別番号に対応する固定局応答処理遅延時間は、該応答信号の時間長と想定される最大往復伝搬遅延時間の和に対し該移動局の通信可能範囲に属する固定局数の最大数を乗じた時間を超えるように設定することを特徴とする請求項１記載の移動通信システム。
3. 移動局が送信した送信タイミングと複数の位置が既知の半固定局とから前記第１の移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、半固定局応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の位置が既知の半固定局と前記移動局との距離を推定する前記移動局を備え、前記複数の位置が既知の半固定局からの半固定局応答処理遅延時間は半固定局識別番号に対応して異なる半固定局応答遅延時間を設定すると共に、前記複数の位置が既知の半固定局との前記半固定局識別番号に対応する半固定局応答処理遅延時間は、該応答信号の時間長と想定される最大往復伝搬遅延時間の和に対し前記移動局の通信可能範囲に属する位置が既知の半固定局数の最大数を乗じた時間を超えるように設定し、前記複数の位置が既知の半固定局は前記半固定局識別番号に対応する半固定局応答処理遅延時間を認識する手段を備えることと、前記移動局と前記複数の位置が既知の半固定局は前記認識した半固定局応答処理遅延時間を通知する手段を備えること、を特徴とする移動通信システム。
4. 移動局の位置を検出可能な移動体通信システムにおいて、移動局が送信した送信タイミングと複数の固定局から前記移動局への応答信号の受信タイミングとの時間差から、応答処理遅延時間を差し引くことにより往復伝搬遅延時間を計算し、該往復伝搬遅延時間と電波伝搬速度に基づいて前記複数の固定局と移動局との距離を推定する移動局と、を備え、前記複数の固定局からの応答処理遅延時間は固定局識別番号に対応して異なる応答遅延時間を設定すると共に、移動局は前記固定局識別番号に対応する応答処理遅延時間を認識する遅延記録手段を備えるかあるいは各固定局より通知することを特徴とする移動体通信システム。
   

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