JP3859944B2 - ワイヤレス通信システムにおいて受信した位相変調信号を処理する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤレス通信システムに関し、特に、差分変調あるいは他の種類の位相変調を用いた、ワイヤレス時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）システムにおいて、移動体の位置を突きとめる方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体の数が増えるにつれて、移動体の位置を特定するアプリケーションがでてきている。これらのアプリケーションには、「９１１」コール（緊急電話）、旅行情報、携帯電話の不正使用の追跡、不法な活動、社用車／公用車の位置の特定等が含まれる。従来のワイヤレス通信システムは、移動体の位置をそれに最も近い基地局が３〜１０マイル（約４〜１５Ｋｍ）の精度でしか決定できなかった。
【０００３】
しかし、ＦＣＣ９４−１０２で規定されたＦＣＣ規則では、２０００年の１０月１日からサービスされる、Ｅ−９１１（緊急−９１１）用には、移動体（セルラユーザ／ＰＣＳユーザ）を４００フィート（約３５０ｍ）の精度で位置を突き止める必要がある。
【０００４】
そのため、多大な努力が、移動体の位置をより正確に追跡できるシステムを開発することに向けられている。移動体の位置を突き止める１つの公知の方法は、ＬＯＲＡＮとＧＰＳのようなアプリケーションで何年間にも渡って使用されてきた、到達時間差（time difference of arrival：ＴＤＯＡ）を用いることである。これらのプロセスを携帯電話に適用することは、移動体から送信された同一信号が複数の場所（基地局）に到達する時間を測定し、この時間を比較して、移動体の位置を特定するものである。
【０００５】
しかし、ＴＤＯＡのアルゴリズムは、厳格な要件を必要とする。例えば、アンテナを用いたワイヤレス通信システムのＴＤＯＡアルゴリズムを用いることは、少なくとも３つの基地局が正確に時間が同期していなければならず、そしてこれらの基地局は、移動局から送信された信号を同時に捕獲できなければならない。そしてその後で初めて、ＴＤＯＡアルゴリズムを用いて移動体の位置を計算することができる。かくして、１つの挑戦的事項は、複数の基地局が同時に受信する公知の送信信号を選択することである。位置精度が約４００フィートを必要とするような、Ｅ−９１１サービスの場合には、受信信号は、移動局の位置を正確に計算するためには、数ナノ秒（約４００ナノ秒）の精度でもって受信信号をタイムスタンプしなければならない。かくして、数マイクロ秒（通常４１．２μ秒）の間に、従来の送信された信号を受信することは、Ｅ−９１１用には向いていない。従来の送信信号を用いることは、数マイルの位置精度となるが、ワイヤレス信号は、高速で伝搬するため、１ナノ秒の誤差は１フィートの精度に対応する。４００フィートの所望の位置精度を得るためには、送信された信号（事象）の間、あるいは信号内の位相変化（事象）の瞬間を捕獲しなければならない。この事象は、その性質上非常に特殊で位置の決定に関してすべての基地局により合意が得られなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、数ナノ秒の持続時間しか有さないイベントを生成し測定する装置と方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、通信システムにおいて、直交位相偏移変調（quadrature phase-shift-keyed：ＱＰＳＫ）信号と、他の種類の位相変調信号とともに用いられる位相復調技術を提供する。この位相復調技術は、位相変調信号の位相復調により生成された周波数情報に少なくとも一部が基づいた「シグネチャー事象」（signature event）を生成する。このシグネチャー事象は数ナノ秒持続し、ゲインとノイズの変動に対し高い耐性を有する。
【０００８】
本発明の一実施例においては、位相変調信号は、第１部分と第２部分に分離される。その後第１部分は位相復調され復調シンボルを生成する、一方第２部分は周波数変調され位相変調信号の瞬時周波数の測定値を生成する。この瞬時周波数の測定値をその後処理して、シンボルの遷移を特定するこの特定された遷移を、その後用いて事象を生成する。これは、正確かつ独自のもので「シグネチャー特性」を有する。
【０００９】
このシグネチャー事象を基地局が捕獲すべき合意（agreed-upon）事象として用い、そしてこのシグネチャー事象は、移動体の位置決定用のＴＤＯＡアルゴリズムで用いられる。このシグネチャー事象を用いることにより、数メートルの精度で位置が特定できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
π／４ＤＱＰＳＫとして知られる、位相変調技術を用いて、例えばワイヤレスＴＤＭＡシステムのようなある種の通信システムでは、デジタルデータを伝送している。この技術によれば、データは変調信号の位相を変えることにより送信される。特定の時間間隔の間の各位相シフトは、シンボルと称する。この技術は、２つの信号を位相直交状態で多重化することにより、スペクトラム効率を増加させている。この２つの信号すなわち同位相（in-phase）（Ｉ）信号と、直交（Ｑ信号）（前記Ｉ信号から９０°位相がずれている）をキャリア信号に変調して、伝送に適したＤＱＰＳＫ信号を生成している。π／４ＤＱＰＳＫの場合には、４つの位相シフトは、±π／４（±４５°）と、±３π／４（±１３５°）であり、従来のＩＳ−１３６あるいはＩＳ−９５ワイヤレスＴＤＭＡシステムにおける、シンボル周期Ｔは、４１．２マイクロ秒である。
【００１１】
従来のπ／４ＤＱＰＳＫ復調器は、キャリア信号を抑制して、Ｉ信号とＱ信号を再生している。このＩ信号とＱ信号は、π／４の間隔でサンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータを用いてデジタル化されている。このデジタル化されたサンプルをその後、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）内で処理して、シンボルの位相とその信号強度を再生している。図１は、あるＩ信号またはＱ信号のπ／４サンプリングプロセスを表す。このＩ信号またはＱ信号は、この実施例ではＮ−１、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２、と符号の付けられたシンボルのストリームを含む。Ｉ信号、またはＱ信号の各シンボルは、π／４の周期でサンプリングされる。
【００１２】
一般的に、ワイヤレスＴＤＭＡシステム内の基地局あるいは移動体（移動局）のいずれかにおいては、ＤＱＰＳＫ復調器内の受信シンボルのπ／４サンプリングは、送信されたシンボルと非同期状態にある。図２に示すように、最適な状況においては、あるシンボルに対し４個のπ／４サンプルは、現在のシンボル（すなわちシンボルＮ）の最も安定した部分で取り出される。図３に示されるような最悪の場合は、Ｔ／４サンプルの１つは、現在のシンボルＮと、前のシンボルＮ−１、あるいは後のシンボルＮ＋１の間の遷移期間の時に取り出されてしまう。
【００１３】
本発明においては、高精度の位相復調技術を用いて、シグネチャー事象を創設し、これは移動局の位置を特定するために複数の基地局により同時に捕獲される。
【００１４】
図４は、本発明の一実施例による基地局のＱＰＳＫ受信器１００のブロック図である。このＱＰＳＫ受信器１００を用いて、移動局から受信したπ／４ＤＱＰＳＫ信号あるいは他の種類のＱＰＳＫ信号を復調する。
【００１５】
受信器のアンテナ１０２を介して受信した、ＱＰＳＫ変調キャリア信号は、ミキサ／ダウンコンバータ１０４内でダウンコンバートされ、フィルタ１０６内でバンドパスフィルタ処理され、ＱＰＳＫ信号を再生する。このＱＰＳＫ信号はその後、１：２スプリッタ１０８内で２つのコピーに分離される。ＱＰＳＫ信号の第１のコピーは、従来のＱＰＳＫ復調器１１０内に加えられる。このＱＰＳＫ復調器１１０により生成された、同位相（Ｉ信号）と直交位相（Ｑ信号）は、Ａ／Ｄコンバータ１１２内に加えられ、そしてこのＡ／Ｄコンバータ１１２が、対応するシンボルをサンプリングして、デジタルＩ出力とＱ出力を生成し、ＦＩＦＯバッファ１１４内に記憶させる。
【００１６】
本発明によれば、ＱＰＳＫ信号の第２コピーは、周波数変調（ＦＭ）復調器１２０内を通り、信号の瞬時周波数の測定値を生成する。これは、送信されたデータを含む位相から得られたものである。
【００１７】
周波数変調（ＦＭ）復調器１２０は、ＦＭディスクリミネータおよび／または他の公知のＦＭ復調回路を含む。周波数変調（ＦＭ）復調器１２０の瞬時周波数出力は、その後ピーク検出器１２４に入力される。このピーク検出器１２４は、周波数出力内のピークを捕獲してシグネチャーを生成し、それをデジタル信号プロセッサ１２６に与える。デジタル信号プロセッサ１２６はこのシグネチャーを用いて、適宜のシグネチャー信号（シグネチャー事象）をコールプロセッサ１２８に与える。このデジタル信号プロセッサ１２６は、Ｔ／２シンボル周期のうちのタイムスロットシンボルを復調し、２つの所定のシンボル間の位相遷移を捉える。デジタル信号プロセッサ１２６は、Ｔ／２ウィンドウをモニターし、ピークの発生を捉える。ピークが捉えられると常に、デジタル信号プロセッサ１２６はこの発生（シグネチャー事象）をコールプロセッサ１２８に伝える。このコールプロセッサ１２８は、シグネチャー事象を受領し、それにタイムスタンプを押す。このシグネチャー事象を用いて、シンボルストリーム内の、あるシンボルのスタート時を終了時の決定、および移動局の位置を特定するのに用いられるＴＤＯＡアルゴリズムの計算の一部として捕獲される事象の、スタートと終了時を決定する。
【００１８】
シグネチャー事象は、数ナノ秒のオーダーの持続時間しか有さず、それを用いてＥ−９９１の規則の要件を満たすことができる。
【００１９】
図５は、図４に受信器内で生成された、ＦＭ復調器の出力と、それに対応するＩとＱの復調出力信号の例を示す。図５のプロット内の水平方向のメモリは、２Ｔ、すなわちシンボル期間Ｔの２倍に対応する。図５の最も上の信号は、図４の周波数変調（ＦＭ）復調器１２０の信号出力で、変調された信号が特定の同期ワード、すなわち図７の同期ワードＳｙｎｃ１に対応するときの、ＱＰＳＫ信号の第２コピーから生成されたものである。図５のＩ信号とＱ信号は、同一のＱＰＳＫ信号の第１コピーから生成された、ＱＰＳＫ復調器１１０の対応するＩ出力とＱ出力である。
【００２０】
図６は、図７の同期ワードＳｙｎｃ１内のシンボル間の位相変化に関連する、瞬時周波数変化をシミュレートしたものである。図５に示した、ＦＭディスクリミネータの信号出力は、図６に示した、シミュレートされた瞬時周波数変化にきわめて密接に対応する。図７の表は、ＴＩＡ／ＥＩＡ６２７標準の、ＩＳ−１３６．２−Ａのような、ＩＳ−１３６ＴＤＭＡシステムにおいて、６個の同期ワード、すなわちＳｙｎｃ１からＳｙｎｃ６のおのおのに対する１４個のシンボル、すなわちＳ０からＳ１３の組に対する位相変化を示す。図７には示していないが、用語「π」は、数値を示す。
【００２１】
図７の表に示した同期ワードのおのおのは、ＱＰＳＫ受信器１００内で使用することのできる、独自のシグネチャーを提供し、それにより適宜のシグネチャー信号を生成する。ピーク検出器の出力点での同期ワードシグネチャーを用いて、あるシンボルにおける位相変化の開始点を正確に捕獲することができる。デジタル信号プロセッサ１２６は、例えば、従来のゼロ交差ディテクタ、およびこのような決定を行う適宜の論理回路を含む。図７の同期ワード、Ｓｙｎｃ１に対する位相変化は、図５、６に示された瞬時周波数変化となる。例えば、Ｓｙｎｃ１の最初の４個のシンボル、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ図７に示すように、−π／４、−π／４、−π／４、３π／４の位相シフトを有する。
【００２２】
その結果、シンボルＳ０、Ｓ１、Ｓ２は、瞬時周波数においては、実質的に変化しないが、シンボルＳ３は、図６に示すシンボルＳ３とＳ４の間で、瞬時周波数の変化がある。同期ワードＳｙｎｃ１に対応するシグネチャーの検出を用いて、シンボルＳ３に開始点を決定し、そしてこの情報を用いて、適宜のシグネチャー事象を確立する。
【００２３】
シグネチャーシンボルを生成するために、同期ワードを用いることにより、π／４サンプリングは、所望のタイミング、例えば図２に関して説明したように、最良の場合のＴ／４サンプルタイミングに対応する。
【００２４】
周波数変調（ＦＭ）復調器１２０の出力は、位相から得られたシグネチャーイベントの瞬時周波数であるため、自動ゲイン制御、あるいは自動周波数修正は必要ない。このことは、本発明のシグネチャー事象生成技術は、ゲインの変動、フェージング、速度、距離、フィルタグループ遅延、および送信ソースの処理時間のようなファクタに対し、耐性がある。
【００２５】
本発明は、ワイヤレスＴＤＭＡシステムを例に説明したが、ＧＭＳＫ変調系を用いたＧＳＭのような、他のアプリケーションでも用いることができる。さらに本発明のシステムは、複数の基地局と移動局、基地局を公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）に接続するための移動交換機センタ（ＭＳＣ）、およびシステムプログラム、コンフィグレーションデータ、ユーザデータ、課金情報等を記憶するメモリ、あるいは他の記憶装置を含むことができる。
【００２６】
本明細書に示した受信器は、様々な方法で構成でき、例えば、ダウンコンバータ、信号ソース、フィルタ、復調器、検出器、信号プロセッサを含むこともできる。さらにまた、本発明の一実施例では、位相変調信号から周波数を測定する回路、および周波数の測定値に基づいて、シグネチャー事象を生成する回路を含むことができる。さらにまた、位相変調信号の周波数測定値を生成する回路を用いることもできる。本明細書で使用される周波数の測定値は、位相変調信号から得られた、あらゆる種類の周波数情報を含む。
【００２７】
本発明は、ＱＰＳＫ変調器技術を例に説明したが、本発明は、特定の通信システムに限定されるものではなく、システムの複雑さを増加させずに、位相復調性能を改善するために、いかなるシステムにも適応可能である。さらにまた本発明は、あらゆる種類の位相変調信号の復調にも適応できる。
【００２８】
位相変調信号から周波数測定値を生成し、そしてシグネチャー事象を生成するプロセスは、移動局が送信し、複数の基地局が受信する逆方向リンク信号を用いて、ネットワーク側で実行された。同様に、複数の基地局から送信された順方向リンク信号を用いて、移動局側で同様な処理を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のπ／４ＤＱＰＳＫ復調技術によるシンボルのサンプリング例を表す図。
【図２】 従来のπ／４ＤＱＰＳＫ復調技術によるシンボルのサンプリング例を表す図。
【図３】 従来のπ／４ＤＱＰＳＫ復調技術によるシンボルのサンプリング例を表す図。
【図４】 本発明の一実施例による受信器のブロック図。
【図５】 図４の受信器内で生成された、ＦＭ復調器出力と、それに対応する復調Ｉ出力信号とＱ出力信号を表す図。
【図６】 図５のＦＭ復調器の出力をシミュレートした図。
【図７】 ＴＤＭＡシステム用に、シグネチャーイベントを与えるのに用いられた、同期ワードの組を表す表。
【符号の説明】
１００ ＱＰＳＫ受信器
１０２ アンテナ
１０４ ミキサ／ダウンコンバータ
１０６ フィルタ
１０８ １：２のスプリッタ
１１０ ＱＰＳＫ復調器
１１２ Ａ／Ｄコンバータ
１１４ ＦＩＦＯバッファ
１２０ 周波数変調（ＦＭ）復調器
１２４ ピーク検出器
１２６ デジタル信号プロセッサ
１２８ コールプロセッサ

Claims (7)

1. ワイヤレス通信システムにおいて受信した位相変調信号を処理する方法であって、
   （ａ）位相変調信号の第１コピーと第２コピーを生成するステップと、
   （ｂ）前記第１コピーを位相復調して、前記位相変調信号について復調されたシンボルを生成するステップと、
   （ｃ）前記第２コピーを周波数復調して、前記位相変調信号について瞬時周波数測定値を生成するステップと、
   （ｄ）前記瞬時周波数測定値に基づいて、前記復調されたシンボル間のシンボル遷移の時間を同定するステップと、
   （ｅ）前記シンボル遷移に基づいて、シグネチャー事象を生成するステップを含み、前記シグネチャー事象は、前記位相変調信号によって運ばれた同期ワードに対する時間基準であり、そして
   （ｆ）前記シグネチャー事象の時間に基づいて、前記ワイヤレス通信システム内の移動局の位置を決定するステップを含み、前記位置が、前記移動局と前記位相変調信号を送信した局との間の距離で表現され、そして前記距離が前記シグネチャー事象の時間と前記位相変調信号の伝搬速度とを用いて計算されることを特徴とする方法。
2. 前記（ｆ）のステップは、複数のシグネチャー事象に基づいて、到達時間差アルゴリズムを実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ワイヤレス通信システムにおいて受信した位相変調信号を処理する方法であって、
   （ａ）位相変調信号の第１コピーと第２コピーを生成するステップと、
   （ｂ）前記第１コピーを位相復調して、前記位相変調信号について復調されたシンボルを生成するステップと、
   （ｃ）前記第２コピーを周波数復調して、前記位相変調信号について瞬時周波数測定値を生成するステップと、
   （ｄ）前記瞬時周波数測定値に基づいて、前記復調されたシンボル間のシンボル遷移の時間を同定するステップと、
   （ｅ）前記シンボル遷移の時間に基づいて、前記ワイヤレス通信システム内の移動局の位置を決定するステップとを含み、前記位置が、前記移動局と前記位相変調信号を送信した局との間の距離で表現され、そして前記距離が前記シンボル遷移の時間と前記位相変調信号の伝搬速度とを用いて計算されることを特徴とする方法。
4. 前記（ｅ）のステップは、前記シンボル遷移に対する複数の時間に基づいて、到達時間差アルゴリズムを実行するステップを含み、前記時間の各々は、受信した異なる位相変調信号に対して実行されるステップ（ａ）−（ｄ）の処理に対応し、
   前記受信した位相変調信号の各々は、異なる基地局が送信し前記移動局が受信する順方向リンク信号であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記位相変調信号の前記瞬時周波数測定値は、前記システム内で用いられる特定の同期ワードに関連するシグネチャーを有する信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ワイヤレス通信システムにおいて受信した位相変調信号を処理する装置であって、
   （ａ）スプリッタと、
   （ｂ）前記スプリッタに接続された位相復調器と、
   （ｃ）前記スプリッタに接続された周波数復調器と、
   （ｄ）前記位相復調器と前記周波数復調器との出力に入力が接続されたプロセッサとを有し、
   前記スプリッタは前記位相変調信号の第１コピーと第２コピーを生成し、
   前記位相復調器は、前記第１コピーを復調して、前記位相変調信号について復調されたシンボルを生成し、
   前記周波数復調器は、前記第２コピーを復調して前記位相変調信号について瞬時周波数測定値を生成し、そして、
   前記プロセッサは、前記瞬時周波数測定値に基づいて、前記復調シンボル間のシンボル遷移の時間を同定し、前記プロセッサはさらに、
   （ｄ１）前記シンボル遷移の時間に基づいて、前記ワイヤレス通信システム内の移動局の位置を決定するものであり、前記位置が、前記移動局と前記位相変調信号を送信した局との間の距離で表現され、そして前記距離が前記シンボル遷移の時間と前記位相変調信号の伝搬速度とを用いて計算される、または、
   （ｄ２）前記シンボル遷移に基づいて、シグネチャー事象を生成するものであり、前記シグネチャー事象は、前記位相変調信号によって運ばれた同期ワードに対する時間基準であり、そして前記シグネチャー事象の時間に基づいて、前記ワイヤレス通信システム内の移動局の位置を決定するものであり、前記位置が、前記移動局と前記位相変調信号を送信した局との間の距離で表現され、そして前記距離が前記シグネチャー事象の時間と前記位相変調信号の伝搬速度とを用いて計算されることを特徴とする装置。
7. 前記ステップ（ｅ）は、前記同期ワードに対応する瞬間周波数測定値のピークをタイムスタンプするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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