JP4855578B2 - メモリ制限環境中の位置特定 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は位置を特定することに係わる。特に、この発明はワイヤレス通信システムにおいて位置特定を行うための新しく、また改善された方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
政府の規制と消費者の需要はともに、セルラ電話機における位置を特定する機能の需要を駆り立てている。地球軌道の1組の衛星とともにグローバルポジショニングシステム(GPS)受信機を使用して位置特定を行うためにGPSが現在利用可能である。それゆえ、セルラ電話機にGPS機能を取り入れることが望まれている。
【0003】
しかしながら、セルラ電話機はコストや重量、電力消費の考慮事項に極端に敏感である。したがって、単にGPS位置特定を行う付加回路を加えることは、セルラ電話機に位置特定の機能を備えるためには不満足な解決法である。したがって、この発明ではセルラ電話機システムにおいて、最小限の付加ハードウェアやコスト、電力消費で、GPSの機能を備えることを目的とする。
【0004】
本発明はワイヤレス通信システムにおいて位置特定を実行する新規で改良された方法および装置である。1つの実施形態は、1組の衛星から送信される1組の信号を使用してワイヤレス通信システム中で位置特定を実行する方法を含み、この方法は、信号サンプルを受信し、第1の回転量だけ捕捉コードを回転させて、回転された捕捉コードを生成し、回転された捕捉コードを使用して前記信号サンプルを逆拡散して逆拡散データを生成し、第1の持続期間に対して前記逆拡散データを累積して、部分的に累積されたデータを生成し、第2の回転量だけ前記部分的に累積されたデータを回転させて回転されたデータを生成し、前記回転されたデータを累積するステップを含む。
【0005】
【発明の実施の形態】
この発明の特徴や目的、効果は、同じ参照符号が全体を通して対応したものを識別している図面を考慮に入れて以下に記述された詳細な説明からより明らかになる。
【0006】
ワイヤレス通信システムにおいて位置特定を行うための新しく、そして改善された、方法と装置を説明する。例示的な実施形態はデジタルセルラ電話機システムの状況の中で説明する。この状況の中での使用は有用であるが、この発明の異なった実施形態を違った環境や構成に組み込んでもよい。一般に、ここに記述されるさまざまなシステムは、ソフトウェア制御プロッセサ、集積回路、ディスクリート論理回路を使用してもよいが、集積回路での実施が好ましい。出願を通し言及されるデータや命令、コマンド、情報、信号、シンボル、チップは、電圧、電流、電磁波、磁界や粒子、オプティカルフィールドや粒子、もしくはそれらの組み合わせによって有用に表現される。さらに各ブロック図で示されたブロックはハードウェアや方法のステップを表現する。
【0007】
図1はグローバルポジショニングシステム(GPS)波形生成器のブロック図である。円にプラスの記号はモジューロ2加算を示す。一般にGPS配列は24の衛星からなり、ナビゲーションのために使用される21の宇宙飛行体(SVs)と3つの予備からなる。各SVは地上局を監視することによってGPS時間に同期されているクロックを含む。位置と時間を決めるために、GPS受信機はいくつかの衛星から受信される信号を処理する。4つの未知数(x,y,z,時間)を解決くために少なくとも4衛星が使われなければならない。
【0008】
各SVは2つのマイクロ波搬送波、すなわち標準ポジショニングサービス(SPS)に使われる信号を搬送する1575.42MHzのL1搬送波、そして精密ポジショニングシステム(PPS)に必要とされる信号を搬送する1227.60MHzのL2搬送波を送信する。PPSは政府機関に使用され、位置特定においてより高度な正確性を許容する。
【0009】
L1搬送波は粗捕捉(C/A)コードによって変調され、この粗捕捉コードは1.023Mcpsで送信される1023チップ擬似ランダムコードであり、民間の位置特定サービスに使用される。(粗捕捉コードは、ここに記述される粗と微の捕捉と混同すべきではない。粗と微の捕捉は両方ともにC/Aコードの使用に関係している。)各衛星は1ms毎ごとに繰り返されるそれ特有のC/Aコードを持つ。PPSのために使われるPコードは期間にして267日の10.23MHzコードである。Pコードは両搬送波で現れるが、L1搬送波上のC/Aコードと90度位相を異にしている。搬送波変調の前に、C/AコードとPコードの両方で排他的論理和がとられる50Hzのナビゲーションメッセージは、衛星軌道と時間補正のようなシステム情報を提供する。
L1搬送波は粗捕捉(C/A)コードによって変調され、この粗捕捉コードは1.023Mcpsで送信される1023チップ擬似ランダムコードであり、民間の位置特定サービスに使用される。各衛星は1ms毎ごとに繰り返されるそれ特有のC/Aコードを持つ。PPSのために使われるPコードは期間にして267日の10.23MHzコードである。Pコードは両搬送波で現れるが、L1搬送波上のC/Aコードと90度位相を異にしている。搬送波変調の前に、C/AコードとPコードの両方で排他的論理和がとられる50Hzのナビゲーションメッセージは、衛星軌道と時間補正のようなシステム情報を提供する。
L1搬送波は粗捕捉(C/A)コードによって変調され、この粗捕捉コードは1.023Mcpsで送信される1023チップ擬似ランダムコードであり、民間の位置特定サービスに使用される。各衛星は1ms毎ごとに繰り返されるそれ特有のC/Aコードを持つ。PPSのために使われるPコードは期間にして267日の10.23MHzコードである。Pコードは両搬送波で現れるが、L1搬送波上のC/Aコードと90度位相を異にしている。搬送波変調の前に、C/AコードとPコードの両方で排他的論理和がとられる50Hzのナビゲーションメッセージは、衛星軌道と時間補正のようなシステム情報を提供する。
【0010】
各衛星はゴールドコードと呼ばれるコードのファミリーに属する異なるC/Aコードを持つ。それらの間の相互相関は小さいので、ゴールドコードが使用される。C/Aコードは、図1.4−2に示される2つの10段シフトレジスタを使用し生成される。G1生成器は多項式1+X3+X10を使う一方、G2生成器は多項式1+X2+X3+X6+X8+X9+X10を使う。C/Aコードは、G2シフトレジスタの2ビットとG1シフトレジスタの出力を排他的論理和することによって生成される。
【0011】
図2はこの発明の使用にしたがって構成されるセルラ電話機システムを非常に簡略化したブロック図である。移動電話機10は、基地局制御局(BSC)14と結合されている基地局12の間に位置する。移動スイッチングセンタMSC16はBSC14を公衆電話交換網(PSTN)に接続する。動作の間、いくつかの移動電話機は、その他の移動電話機がスタンバイモードの間、基地局12とインターフェースすることによって電話通話を行っている。
【0012】
この発明の譲受人に譲渡され、また参照によりここに組み込まれている“ワイヤレスCDMAトランシーバの位置を決定するシステムおよび方法”と題する出願中の米国特許出願番号第09/040,051号で説明されているように、位置特定は、移動電話機にGPS信号を迅速に捕捉させることを許容する「補助情報」を含む位置要求メッセージの送信によって容易にされる。この情報は宇宙飛行体のID番号(SV ID)と、推定コード位相と、推定コード位相周辺のサーチウィンドウサイズと、推定周波数ドップラーとを含む。この情報を使い、移動体ユニットはGPS信号を捕捉でき、またより早くその位置を特定することができる。
【0013】
補助メッセージに応答して、移動体ユニットはGPS周波数に同調し、そして基地局によって示されたSVsのために局部的に生成されたC/Aシーケンスと受信信号を相関し始める。移動体ユニットは補助情報を使用してサーチ空間を狭め、ドップラー効果を補償し、時間相関を使用して各衛星に対する擬似範囲を獲得する。注意すべきは、それらの擬似範囲は、移動体ユニットの時間(CDMA受信機の合成システムの時間カウンタから参照される)に基づいていることであり、この移動体ユニットの時間はGPS時間を遅延したバージョンである。
【0014】
この情報が一度計算されると、移動体ユニットは(望ましくは1/8チップ分解能の)各衛星に対する擬似範囲と測量がなされた時間を基地局に送る。その後移動体ユニットは通話を続けるためCDMAに戻る。
【0015】
それゆえ情報を受け取ると、BSCは一方向遅延推定を使用して、移動体ユニット時間から基地局時間に擬似範囲を変換し、そしていくつかの球面の交差を解くことにより移動体ユニットの推定位置を計算する。
【0016】
補助メッセージによって提供されるもう1つのパラメータは周波数ドップラーか、もしくはドップラーオフセットである。ドップラー効果は、送信機と受信機の間における相対速度による受信信号の周波数に見かけ上の変化として現れる。搬送波におけるドップラーの影響は周波数ドップラーと呼ばれる一方、ベースバンド信号における影響はコードドップラーと呼ばれる。
【0017】
GPSのケースでは、周波数ドップラーは受信搬送波周波数を変えるため、影響は搬送波オフセットによる復調と同じである。基地局のGPS受信機は所要の衛星を積極的に追跡するので、衛星の動きによる周波数ドップラーが分かる。その上、その衛星は基地局と移動体ユニットからかなり遠くにあるために、移動体ユニットに見られるようなドップラーは、基地局によって見られるドップラーと事実上同じである。この発明の一実施形態において、周波数ドップラー値を補正するため、移動体ユニットは受信機にあるローテータを使用する。周波数ドップラーは、−4500Hzから+4500Hzまでの範囲で変化し、変化の割合は毎秒1Hzのオーダーである。
【0018】
コードドップラーの影響は1.023MHzチップレートを変化させることであり、それは受信したC/Aコードチップの幅を事実上、圧縮や拡大させる。この発明の一実施形態において、移動体ユニットは1.023/1575.42の比率を周波数ドップラーに乗算することによってコードドップラーを補正する。移動体ユニットはその後、必要なように1/16チップの増分で受信IQサンプルの位相を変えること(遅れを取り入れること)によって、時間に関してコードドップラーを補正できる。
【0019】
図3は、この発明の一実施形態にしたがって構成されるセルラ電話機(ワイヤレス加入者ユニット)の受信機部分のブロック図である。受信波形100は、周波数Wc+Wdの搬送波で変調されたC/A信号C(n)としてモデル化したものであり、Wcは1575.42MHzの公称搬送波周波数であり、Wdは衛星の動きによって作られたドップラー周波数である。ドップラー周波数は衛星が頭上真上である場合の0から最悪のケースにおける約4.5kHzまでの範囲で変化する。受信機のアナログ部分は周波数Wrでランダムな位相の搬送波による復調としてモデル化でき、ローパスフィルタ処理がその後に続く。
【0020】
結果として得られたベースバンド信号は、デジタルのIとQサンプルを作るために(図示していない)A/Dコンバータを通され、これらのデジタルIとQサンプルは繰り返してサーチされるかもしれないので記憶される。そのサンプルはC/Aコードチップレートの2倍で発生するが(チップ×2)、これは微サーチアルゴリズムを行うため必要なものよりも低い分解能であるが、18msサンプルデータを妥当な量のメモリに記憶させることを許容する。一般に、18msが好ましい積分期間である場合に、ほとんどの環境条件での捕捉を許容するため、10msより長い何らかの時間の間サーチを実行することが望ましい。このような環境条件は、内部であることや、衛星への直接的な視野がないことが含まれる。
【0021】
動作の間、そのサンプルは初めにドップラー周波数オフセットを補正するためローテータ102によって回転される。回転されたIとQのサンプルは、衛星のC/Aシーケンスのさまざまなオフセットと相関がとられ、結果として得られる積は積分器104によってNcチップの間でコヒーレントに積分される。コヒーレント積分合計は、未知の位相オフセットの影響を取り除くため、2乗され、お互いに加算される。特定のオフセットのための仮定テストを増やすために、いくつかのコヒーレントインターバルが、非コヒーレントに結合される。この逆拡散は、衛星信号の時間オフセットを明らかにするため、さまざまな時間オフセットで繰り返し行なわれる。ローテータ102は衛星の動きによって作られた周波数ドップラーを取り除く。ローテータ102は、(好ましくは10Hzインターバルに量子化された)基地局によって指定されたドップラー周波数を使用し、IとQサンプルを回転させて周波数オフセットを取り除く。
【0022】
この発明の一実施形態において、回転はコヒーレント積分ウィンドウに対してのみ連続的である。すなわち、例えば1msというコヒーレント積分期間の間においてローテータが止まる。結果として得られたどの位相差も、2乗と合計によって排除される。
【0023】
図4は、この発明の一実施形態にしたがって構成される受信機のもう1つのブロック図であり、受信機のローテータ部分がより詳細に描写されている。
【0024】
図5は、この発明の代替実施形態にしたがって構成された受信機である。この発明の内部実施形態は、入力サンプルの代わりに、ローカル的に生成されるC/Aシーケンスを回転させることによって、コヒーレント積分期間の間にローテータを止める能力を利用する。
【0025】
示されているように、C/AシーケンスC(n)は、シヌソイドSIN(WdnTc)とCOS(WdnTc)の適用によって回転され、その後記憶される。C/Aシーケンスの回転は、各衛星に対して一度行う必要があるだけである。したがって、C/Aシーケンスを回転させることは、必要とされる計算量を減らす。また、これは、この発明の一実施形態においてこの計算を行うために使用されるDSPにおけるメモリを節約することにもなる。
【0026】
位置特定アルゴリズムの性能を低下させているもう1つの重要な障害は、移動体ユニットの内部クロックにおける周波数誤差である。1msのオーダーの短いコヒーレント積分時間の使用を余儀なくさせているのはこの周波数誤差である。より長い時間期間を通してコヒーレント積分を行うことが望ましい。
【0027】
例示的な構成において、移動体の束縛なく動作する(内部の)局部発振器クロックは、+/−5ppmの周波数公差を持つ19.68MHz水晶である。このことは+/−7500Hzのオーダーの大きな誤差を引き起こす原因になる可能性がある。このクロックはGPS信号の復調に使われる搬送波を生成するのに使用されるので、クロック誤差は信号捕捉時間に加わる。サーチに利用可能な時間はとても小さいために、周波数公差によるこの大きさの誤差は許容できず、大きく減らさなければならない。
【0028】
この発明の一実施形態において、より長いコヒーレント積分時間を許容するために、CDMA受信機は、CDMAパイロットから捕捉されるタイミングを使い、もしくは利用できるタイミング情報の他の何らかのソースを使用して、局部発振器の誤差を補正する。これは、可能な限り19.68MHzに近く局部発振器クロックを同調するのに使われる制御信号を作り出す。RFユニットがCDMAからGPSに切り替わるとき、局部発振器クロックに加えられる制御信号は固定される。
【0029】
補正は基地局(もしくは他のソース)からのタイミング情報を使用して補正が行われた後でさえ、何らかの付加的なクロック誤差が残る。この発明の一実施形態において、補正後に結果として得られた周波数の不正確さは+/−100Hzである。この残余誤差は依然として受信機の性能を低下させ、そして一般的に、より長いコヒーレント積分時間を妨害してしまう。この発明の一実施形態では、残余誤差は、性能を低下させる1msより長い持続期間に、非コヒーレント積分を行うことによって簡単に避けられる。
【0030】
図1に示したように、50HzのNAV/システムデータもL1搬送波に変調される。(0から1や1から0)といったデータの遷移が、半分のコヒーレント積分ウィンドウの2つ間で起これば、その2つの半分のものはお互いに打ち消してしまうため、結果として得られるコヒーレント積分合計は零になるであろう。これは最悪のケースで1だけ非コヒーレント記憶数を有効に減らす。全衛星のデータ境界は同期されているが、経路遅延の相違のため移動体ユニットに同時に到達しない。この経路遅延は事実上、受信データ位相をランダムにする。
【0031】
この発明の一実施形態において、異なる信号における異なるデータ位相の問題は、基地局から移動体ユニットに送られる補助情報に位相データを含めることである。基地局は50Hzのデータを復調しているので、データ遷移が各衛星に対していつ発生するかは分かる。一方向遅延の知識を使用して、データ遷移が(20の範囲の中からの)どの1msインターバルで起こるかを示すことにより、基地局は例えば(衛星ごとに)5ビットでデータ位相を符号化できる。
【0032】
コヒーレント積分ウィンドウが50Hzのデータの境界をまたぐ場合には、コヒーレント積分は2つのセクションに分けられる。1つのセクションはデータ境界に先立ち、1つのセクションはデータ境界に続く。例えば、もしEn1が、データ境界に先行するウィンドウすなわちこのウィンドウの最初の半分に対するコヒーレント積分合計であり、En2がデータ境界に続くウィンドウに対するコヒーレント積分合計であれば、移動体ユニットはその後、位相の変化を補償するため、(データが同じのままであれば)(En1+En2)、(データが変化していれば)(En1−En2)の中から(大きさが)最大の方を選択する。移動体ユニットは、このデータウィンドウに対して2つの半分を非コヒーレントに結合するか、もしくは完全にこのデータウィンドウを避けるオプションも持っている。この発明の代替実施形態において、移動体ユニットは、合計を2乗した大きさと1msコヒーレント積分における差とを比較することにより、基地局からの補助情報なしでデータ遷移を発見しようと試みる。
【0033】
この発明の一実施形態において、ファームウエアベースのデジタルシグナルプロセッサ(DSP)アプローチがGPS処理を行うために使われる。DSPはチップ×2(2.046MHz)か、チップ×8(8.184MHz)のレートでIとQサンプルを受信し、そして、その内部RAMに4ビットのIとQサンプルのスナップショットを記憶する。
【0034】
例示的な実施形態において、DSPは、C/Aシーケンスを生成し、周波数ドップラーを排除するために回転を行い、各衛星に対して基地局によって提供されるサーチウィンドウを通して相関をとる。DSPは、コヒーレント積分と非コヒーレント結合を行い、そしてコードドップラーを補償するのに必要なようにIQサンプルデシメータをスリューさせる。
【0035】
計算とメモリを節約するため、初めのサーチはチップ分解能を使用して行われ、そして(より高い)1/8チップ分解能を得るためのより微細なサーチは、最良のインデックスのあたりで行われる。システム時間は(局部発振器から引き出される)ハードウェア生成された1msインターラプト信号をカウントすることによって維持される。
【0036】
さらに、この発明の一実施形態において、微サーチはさまざまなチップ×8オフセットで1つのチップの持続期間に対して、チップ×8サンプル(より高分解能)を記憶することにより行われる。相関コードは記憶された値に適用され、これは特定のチップ×8オフセットで変化する相関値をもたらす。これはコードオフセットをチップ×8分解能で決定させることを許容する。
【0037】
図6は、この発明の一実施形態にしたがって行われるときに、位置特定手順の間に局部発振器誤差を補正するために実行されるステップを描写しているフローチャートである。ステップ500では、局部発振器が最近補正されたかどうかが決定される。もし補正されていなければ、パイロットが基地局から捕捉され、そして、局部発振器誤差はステップ502でパイロットタイミングと比較することにより決められ、そして、補正信号がその誤差をもとにして生成される。
【0038】
フローはその後ステップ504に導かれ、そこで補正信号は現在値で固定される。ステップ506では、GPSモードに入り、補正されたクロックを使い位置特定を行う。一度、位置特定が行われると、移動体ユニットはステップ508でGPSモードを離れる。
【0039】
図7は、この発明の一実施形態にしたがって構成されるDSP受信機システムの描写である。DSPは最小限に加えたハードウェアで全体のサーチ動作を行う。DSPコア308、モデム306、インターフェースユニット300、ROM302、メモリ(RAM)304はバス306を介して結ばれている。インターフェースユニット300は(図示されていない)RFユニットからRFサンプルを受け取り、RAM304にそのサンプルを提供する。RFサンプルは、粗分解能や微分解能で記憶することができる。DSPコア308は、メモリ304とともにROM302にも記憶されている命令を使って、メモリに記憶されているサンプルを処理する。メモリ304は、そのいくつかはサンプルを記憶し、またいくつかは命令を記憶する複数の“バンク”を備えている。モデム306は通常モードの間はCDMAの処理を行う。
【0040】
図8は、位置特定動作の間に行われるステップのフローチャートである。位置特定動作は補助メッセージが受信される時に始まり、RFシステムはステップ600でGPS周波数に切り替えられる。RFシステムがGPS周波数を受信するため切り替えられる時、周波数追跡ループが固定される。DSPは補助情報を電話機マイクロプロセッサから受信し、ドップラーの大きさによって衛星を分類する。
【0041】
ステップ602で、粗サーチデータがDSP RAMに記憶される。DSPは数百マイクロセカンドの入力データを受け取って、Rx AGCをセットする。DSPはシステム時間を記録し、その内部RAMにチップ×2のIQデータの18msウィンドウ(DSPメモリの限度)を記憶し始める。隣接するデータのウィンドウを使用してコードドップラーの影響が軽減される。
【0042】
一度データが記憶されると、粗サーチがステップ604にて行われる。DSPは粗サーチ(チップ×2分解能)を始める。各衛星に対して、DSPはC/Aコードを生成し、周波数ドップラーに基づいてコードを回転させ、C/Aコードの記憶された粗サーチデータへの適用を繰り返すことにより、基地局によって指定されたサーチウィンドウに対して相関をとる。衛星は同じ18msデータウィンドウに対して処理され、各衛星に対して、しきい値を超える最良のチップ×2仮定が得られる。(9非コヒーレント積分で)2msのコヒーレント積分時間が、この発明の一実施形態で使われているが、以下に記述するように、付加的な調整を行うことが好ましいものの、より長いコヒーレント積分時間(例えば18ms)を使用することができる。
【0043】
一度、粗サーチが行われると、ステップ606で微サーチが行われる。微サーチを始める前に、DSPは各衛星に対して回転されたC/Aコードを計算する。これはDSPがリアルタイムで微サーチを処理できるようにする。微サーチ(チップ×8分解能)を行う際、衛星は異なるデータに対して一度に1つ処理される。
【0044】
DSPは最初にデシメータをスリューさせて所定の衛星に対するコードドップラーを補償する。DSPは、またチップ×8サンプルの1msコヒーレント積分ウィンドウを記憶する前に、次の1ms境界を待つ間、Rx AGC値をリセットする。
【0045】
DSPはこの1msコヒーレント積分ウィンドウで、5つの隣接するチップ×8分解能仮定を処理し、ここで中心になる仮定は粗サーチで得られる最良の仮定である。次の1msウィンドウを処理した後、結果はコヒーレントに結合され、この2ms合計は全てのNn反復に対して非コヒーレントに結合される。
【0046】
(デシメータを変えることから始める)このステップは、全ての衛星が処理されるまで、次の衛星に対して同じデータで繰り返される。もし2衛星に対するコードドップラーが大きさにおいて似ていれば、要求されるデータセットの数を減らすために、同じデータを通して両衛星を処理することが可能となるであろう。最悪のケースでは、1msの2*Nnデータウィンドウの8セットが微サーチのために使われる。
【0047】
最後にステップ608で、結果がマイクロプロセッサに報告され、ボコーダ処理は通話が継続できるようにDSP内で再スタートされる。DSPはマイクロプロセッサに擬似範囲を報告し、マイクロプロセッサはそれらを基地局に送る。マイクロプロセッサがボコーダプログラムコードをDSPメモリに再ダウンロードした後、DSPはそのデータメモリを消去し、ボコーダを再スタートさせる。
【0048】
図9は、粗サーチの後に行われる微サーチを描写した図である。粗サーチにおける最良のチップ×2位相を分離した後、DSPはチップ×8分解能を得るために、この位相のあたりの微サーチを行う。
【0049】
微サーチで比較するための5つの位相は、長方形に閉じて表されている。最良のチップ×2位相は、同じ1組のデータを通して比較できるように、再評価される。これは粗サーチと微サーチが、異なる積分時間を使用できるようにする。微サーチは、各衛星がコードドップラーに対して異なる値を持っているかもしれないので、各衛星に対して別々に行われる。
【0050】
図10は、この発明の一実施形態にしたがって行われたときの、サーチプロセスのタイムラインを表したものである。(粗と微のサーチ)全処理時間は、この発明の一実施形態において約1.324秒であり、これは通話をインターラプトするが、いったんサーチが行われると、依然として通話を継続できるようにする。1.324秒の総サーチ時間は上限の境界であり、なぜなら、DSPは全8衛星をサーチし、各衛星は68チップのサーチウィンドウを持っていることが仮定されるからである。全1.324秒が必要とされる確率は小さいが、それは衛星軌道の幾何学的配置のためである。
【0051】
初めの18ms80の間に、IQサンプルデータがGPS周波数で集められる。期間82の間には、粗サーチは内部的に実行され、これは1.13秒まで続くが、おそらく衛星信号が識別されるとすぐに終了する。一度、粗サーチが行われると、C/Aコードが24msかかる時間期間84の間に計算される。時間期間86の間に、スリュー値がコードドップラーに対して調整され、Rx AGCがさらに調整される。時間期間86の間に連続的な調整を実行して、時間期間88の間に、微サーチがIQデータサンプルにおいて行われ、18msの積分時間の使用は、受信C/Aコード位相が1チップの1/16より少ない量だけシフトされるので、ドップラーコードを無視することを許容する。8つまでの衛星に対して8つまでのシーケンスの調整と微サーチが実行され、そのとき位置特定手順が終了する。
【0052】
さらに、この発明のいくつかの実施形態において、位置特定手順が行われる間に、電話機は基地局にリバースリンクフレームを送信し続ける。これらのフレームは、単に基地局が加入者ユニットと同期をとったままにできるようにヌル情報を含んでいてもよく、もしくはフレームは、電力制御コマンドや情報要求のような付加情報を含んでいてもよい。RF回路が利用できる時にGPSサンプルが集められていない場合や、十分なRF回路が利用できればGPSサンプルが集められる間に、これらのフレーム送信を実行することが好ましい。
【0053】
18msの積分時間の使用はコードドップラーの影響を回避するが、50HzレートでGPS信号に対してのデータの送信は、もしデータの変化が(上記に記述したように)18msのプロセス期間内に起これば、問題を引き起こす。データの変化は信号位相をシフトさせる。50Hzのデータ境界は各衛星に対して異なった場所で起こる。各衛星に対する50Hz遷移の位相は、各衛星から電話機への変化する経路長によって事実上ランダムになる。
【0054】
最悪のケースでは、データビットがコヒーレント積分インターバルの中間において反転されると、コヒーレント積分は完全に失敗する。この理由のために、この発明の代替実施形態において、(上記にも記述したが)基地局は各衛星のデータ遷移境界を電話機に通信しなければならない。データの送信境界は(遷移が各衛星に対して起こるミリセカンドインターバルを示す1組の5ビットメッセージ中のような)基地局から送られる補助メッセージにも含まれていることが好ましい。電話機はこの境界を使用して衛星に対するコヒーレント積分インターバルを2つに分割し、これらの2つのインターバル中のコヒーレント積分合計を加えるか減じるかどうかを決める。したがって、各GPS信号のデータ境界も含めることにより、位置特定手順の信頼性が増大する。
【0055】
この発明の例示的な実施形態において、何らかの周波数の不確実性は、コヒーレント積分時間に伴い増えるEc/Ntにおける損失を生み出す。例えば、表1に示すように、+/−100Hzの不確実性では、Ec/Ntの損失はコヒーレント積分時間が増加するにしたがって急速に増加する。
【表1】
【0056】
上記にも示したように、移動体ユニット中の局部発振器の未知の周波数オフセットが常にいくつか存在する。より長いコヒーレント逆拡散と積分が実行されるのを妨げているのはこの未知の周波数オフセットである。未知の周波数オフセットの影響を減らすことができるのであれば、より長いコヒーレントはプロセスを改善するであろう。
【0057】
この発明の一実施形態において、サーチ空間を2次元に拡げて周波数サーチを含めることによって、この未知の周波数オフセットが消去される。各仮定に対して、いくつかの周波数サーチが行われ、各周波数サーチは周波数オフセットが既知の値であると仮定する。周波数オフセットの間隔をあけることによって、加えられた計算とメモリを犠牲にして、周波数の不確実性を任意の小さな値に減らすことができる。例えば、5つの周波数仮定が使われる場合と、結果として得られるサーチ空間は図10に示された通りとなる。
【0058】
移動体ユニットの典型的動作仕様である、+/−100Hz周波数の不確実性に対して、この構成は最大周波数オフセットを20Hzに減らす(仮定の1つは実際の周波数オフセットの20Hz以内にならなければならない)。20msのコヒーレント積分時間により、20Hzの周波数オフセットでのEc/Ntの損失は2.42dBである。周波数仮定の数を倍にして10にすると、周波数の不確実性は10Hzに減らすことができ、それは0.58dBのEc/Nt損失になる。しかしながら、付加的な仮定を付け加えることはサーチ空間を拡大し、これは計算とメモリの要求の両方を増加させる。
【0059】
この発明の一実施形態は、周波数ドップラーで周波数オフセットを1つに扱うことにより、また各周波数仮定に対して新しい回転されたPNコードを計算することによって周波数仮定を計算する。しかしながら、これは周波数仮定の数を全計算における倍数的に増加する要因にし、それは、5つの周波数仮定は5倍の計算を意味している。
【0060】
あるいは、周波数の不確実性はドップラー周波数と比較して小さいので、回転位相はこの発明のもう1つの実施形態において、1msのインターバル(80Hz仮定の期間の8%)を通して一定であるとみなすことができる。それゆえ、コヒーレント積分インターバルを、1msのサブインターバルまでに分けることによって、サブインターバルの積分合計は、3次の大きさによって周波数サーチを計算するのに必要がある付加された計算を減らすために回転される。結果としてより長いコヒーレント逆拡散を行うことができ、性能が改善される。
【0061】
図12はより長いコヒーレント逆拡散アプローチの使用にしたがって構成された受信機のブロック図である。第1組の乗算器50は、回転されたC/AコードとIQサンプルを相関することにより周波数ドップラーを補償する。これは修正されていないC/Aコードとの相関の前に、IQサンプルを回転させることと同等である。周波数ドップラーは4500Hzと同じ位大きくなりえるので、回転は全てのチップに適用される。累算器52を使用して1msのインターバル(1023チップ)を通してコヒーレントに積分した後、第2組の乗算器54が周波数仮定を実現するために1msの積分合計(−Iと−Q)を回転させる。回転された合計はその後、コヒーレント積分インターバル全体を通して加算される。
【0062】
周波数ドップラーの回転がメモリと計算を節約するため1023チップでのみ計算されたことを思い出す。1msより長いコヒーレント積分時間に対して、各コヒーレント積分合計は、位相オフセットによって乗算され、回転の位相を時間的に連結にする。これを数学的に表すと、周波数ドップラーの回転を伴う1msコヒーレント積分合計は次のように表すことができる。
【数1】
【0063】
ここでI(n)とQ(n)はそれぞれIとQチャネルで受けた入力サンプルであり、c(n)は回転されていないC/Aコードであり、wdは周波数ドップラーであり、Tcはチップインターバルである(0.9775μs)。2msコヒーレント積分合計は次のように表すことができる。
【数2】
【0064】
ここでS1は、第1の1ms積分合計であり、S2はS1を計算するのに使用されたのと同じ回転されたC/A値を使用して計算された第2の1ms積分合計である。
【数3】
【0065】
の項は、同一の回転された値を使用して補償する位相オフセットである。同様に3msコヒーレント積分合計は次のように表すことができる。
【数4】
【0066】
同一の1023要素の回転されたC/Aシーケンスを使用しながら積分時間を広げるため、(n+1)個の1ms積分合計は、全合計に加えられる前に、
【数5】
【0067】
によって乗算されなければならない。これは1ms積分合計の回転であるため、2度の回転を行わなければならないのを避けるため、周波数サーチと共にこの動作を結合できる。すなわち、
【数6】
【0068】
周波数仮定をサーチし周波数ドップラー位相オフセットを消去するために、(n+1)番目の1ms積分合計に、
【数7】
【0069】
を乗算することができる。
【0070】
周波数の不確実性は衛星によるものではないため、周波数サーチは一衛星を捕捉した後、減らすことができることに留意すべきである。より長いコヒーレント積分が望まれているのならば、さらに微細な周波数サーチを行うことができる。
【0071】
この発明の例示的な実施形態において、微サーチは2つの違いがあるが粗サーチに似た方法で行われる。初めに積分インターバルは、2乗して非コヒーレントに加算する代わりに、常にコヒーレントに加算される。次に、(粗サーチの後に知られるべき)周波数の不確実性を取り除くための回転は、周波数ドップラー位相オフセットと結合され、そしてお互いに加算する前に、1msコヒーレント積分インターバルを回転させるのに使われる。
【0072】
この発明における代替実施形態において、チップ×2データのコヒーレント積分ウィンドウは18msよりも長い積分時間に対して積分される。この実施形態では付加的なメモリが利用できると便利である。18msよりも長いコヒーレント積分に対して、50Hzデータ境界は、より短い積分時間と同じように処理される。基地局は各衛星に対して境界がどこであるのかを示し、DSPはそのランニング合計から、もしくはランニング合計に、20個の1msコヒーレント積分期間の合計を加えるか、もしくは差し引くかを決める。
【0073】
しかしながら、周波数の不確実性と積分時間の定数の積が、Ec/Ntの損失に影響を及ぼすため、周波数の不確実性は、長いコヒーレント積分インターバルに対して非常に小さく減らされなければならない。20Hz周波数の不確実性を持つ20ms積分は結果的に2.42dBのEc/Ntの損失になるので、400msの積分時間で同じ損失を維持するためには、周波数の不確実性を1Hzに減少させることが必要である。この問題を補正するために、周波数の不確実性は、階層的方法で1Hzまで減らされる。例えば、第1の周波数サーチは、不確実性を100Hzから20Hzに減らし、第2のサーチは不確実性を4Hzまで減らし、第3のサーチは不確実性を1Hzまで減らす。周波数サーチは、基地局から得られた周波数ドップラーの誤差をも補償するであろう。
【0074】
さらに、より長い積分を行うために似たようなドップラーを持った衛星だけが長い積分時間の同じデータを通してサーチされるが、それはドップラーコードが各衛星で異なるためである。DSPは一チップの1/16をスリップさせるのにどれぐらいかかるかを計算し、コヒーレント積分データウィンドウを集めるのにしたがってデシメータをスリューさせる。加えて、この実施形態において複数のデータウィンドウがとられる。
【0075】
このように、ワイヤレス通信システムにおいて位置特定を行うための方法と装置を説明した。好ましい実施形態の先の記述は、当業者がこの発明を作り使用出きるように提供されている。これらの実施形態のさまざまな改良は、当業者に容易に明らかになり、ここに規定された一般的な原理は、独創的能力なしでも他の実施形態に適用できるであろう。したがって、この発明はここに示された実施形態に限定されることを意図しているものではなく、ここで開示された原理や新しい構成と矛盾しない最も広い範囲に一致すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 グローバルポジショニングシステム(GPS)波形生成器のブロック図。
【図2】 この発明の使用にしたがって構成されたセルラ電話システムの非常に簡略化したブロック図。
【図3】 発明の一実施形態にしたがって構成された受信機のブロック図。
【図4】 図3で描写した受信機のもう1つのブロック図。
【図5】 発明の代替実施形態にしたがって構成された受信機。
【図6】 位置特定の動作の間に行われるステップのフローチャート。
【図7】 発明の一実施形態にしたがって構成されたDSPのブロック図。
【図8】 発明の一実施形態にしたがって行われるサーチの間に行われるステップを説明するフローチャート。
【図9】 微と粗サーチが、発明の一実施形態において行われる位相を説明するタイムライン。
【図10】 発明の一実施形態にしたがって行われるときのサーチプロセスのタイムライン。
【図11】 サーチ空間の図。
【図12】 発明のもう1つの実施形態にしたがった受信機のブロック図。
Claims (5)
- 1組の衛星から送信される1組の信号を使用してワイヤレス通信システム中で位置特定を実行する際に使用する計算の量を減少させる方法において、
(a)前記1組の衛星のうちの1つからの拡散コードにより拡散された信号サンプルを受信し、
(b)前記1組の衛星のうちの1つの衛星の移動による周波数ドップラーに対応する第1の回転量だけ捕捉コードを回転させて、回転された捕捉コードを生成し、
(c)回転された捕捉コードを使用して前記信号サンプルを逆拡散して逆拡散データを生成し、
(d)第1の持続期間に対して前記逆拡散データを累積して、部分的に累積されたデータを生成し、
(e)前記1組の衛星のうちの1つの衛星の移動によるコードドップラーに対応する第2の回転量だけ前記部分的に累積されたデータを回転させて回転されたデータを生成し、
(f)第2の持続期間に対して前記回転されたデータを累積するステップを含む方法。 - ステップ(b)−(f)は各衛星に対して実行される請求項1記載の方法。
- 前記第1の持続期間は2ミリ秒よりも短い請求項1記載の方法。
- 前記第2の持続期間は10ミリ秒よりも長い請求項1記載の方法。
- ステップ(d)および(f)の前記累積はコヒーレントに実行される請求項1記載の方法。
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