JP5254315B2 - 散在u−tdoaワイヤレス位置検出ネットワーク - Google Patents
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Description
本願は、2007年4月18日に出願し、"Sparsed U-TDOA Wireless Location Networks"(散在U−TDOAワイヤレス位置検出ネットワーク)と題する米国特許出願第11/736,950号の優先権を主張する。この出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
技術分野
本発明は、一般的には、アナログまたはディジタル・セルラ・システム、個人通信システム(PCS)、強化特殊化移動体無線機(ESMR)、およびその他の種類のワイヤレス通信システムにおいて用いられるような、移動局(MS)とも呼ばれる、ワイヤレス・デバイスの位置検出方法および装置に関する。更に特定すれば、本発明は、ワイヤレス位置検出システム(WLS)の受信機配備密度を低下させ、これによってこのような配備の全体的なコストを削減する方法に関する。
ワイヤレス位置検出システムに関する初期の業績が、1994年7月5日付けの米国特許第5,327,144号"Cellular Telephone Location System"(セルラ電話機位置検出システム)(特許文献1)に記載されている。これは、到達時間差(TDOA)技法を用いてセルラ電話機の位置を検出するシステムを開示する。この特許およびその他の例示的特許(以下で論ずる)は、本発明の譲受人であるTruePosition, Inc.に譲渡されている。’144特許は、アップリンク到達時間差(U−TDOA)セルラ電話機位置検出システムと呼ぶことができるものについて記載している。記載されたシステムは、1つ以上のセルラ電話機からの制御チャネル送信を監視し、中央処理または局ベースの処理を用いて電話機(群)の地理的位置(群)を計算するように構成されている。TruePosition社およびその他は、当初の発明概念に対して重要な強化を開発し続けている。U−TDOA WLSの一例を図1に示す。図示のように、本システムは4つの主要サブシステム、信号収集システム(SCS)10、TDOA位置検出プロセッサ(TLP)12、アプリケーション・プロセッサ(AP)14、およびネットワーク動作プロセッサ(NOC)16を含む。各SCSは、制御チャネルおよび音声チャネル双方上においてワイヤレス送信機によって送信されるRF信号を受信することを責務とする。一般に、SCS(ここでは、LMU、即ち、位置測定ユニットと呼ぶこともある)をワイヤレス通信事業者のセル・サイトに設置することが好ましく、したがって、基地局と並列に動作する。各TLP12は、SCS10のネットワークを管理し、位置検出計算において用いることができるディジタル信号処理(DSP)リソースの集中的集合体(pool)を設けることを責務とする。SCS10およびTLP12は、一緒に動作して、ワイヤレス送信機の位置を判定する。SCS10およびTLP12の双方は、大量のDSPリソースを内蔵しており、これらのシステムにおけるソフトウェアは、処理時間、通信時間、整列時間、およびコスト間のトレードオフに基づいて、個々の処理機能をいつ実行するか判定するように動的に動作することができる。加えて、WLSは、複数のSCS領域を含むことができ、その各々は複数のSCS10を備えている。例えば、「SCS領域1」はSCS10Aおよび10Bを含み、これらはそれぞれのセル・サイトに位置し、これらのセル・サイトにおける基地局とアンテナを共有する。端数T1/E1ラインを最大T1/E1ラインにインターフェースするために間引き/挿入ユニット(drop and insert unit)11Aおよび11Bが用いられており、ディジタル・アクセスおよび制御システム(DACS)13Aに結合されている。このDACS13Aおよび別のDACS13Bは、SCS10A、10B等と複数のTLP12A、12B等との間の通信のために用いられる。図示のように、TLPは通例一括配置され、イーサネット(登録商標)・ネットワーク(バックボーン)および第2の冗長イーサネット(登録商標)・ネットワークを通じて相互接続されている。また、イーサネット(登録商標)・ネットワークには、複数のAP14Aおよび14B、複数のNOC16Aおよび16B、ならびに端末サーバ15も結合されている。ルータ19Aおよび19Bが、1つのWLSを1つ以上の別のワイヤレス位置検出システム(群)に結合するために用いられる。
非散在U−TDOAシステム(BTS毎に1つのLMUがあるU−TDOAシステム)では、LMUは、常駐セル(resident cell)からのダウンリンク信号(ビーコンまたはブロードキャスト制御チャネル(BCCH))を検出し復調することができる。次いで、測定したタイミングを、LMUのGPSベースのクロックによって決定する、システム時間と比較し、ついで格納または他のLMUに転送するために、SMLCに送る。すると、各LMUは素早くアップリンク・メッセージングを復調することができる。何故なら、チャネルおよびタイムスロットは位置検出要求において規定されており、隣接するセルおよびセクタ毎のシステム時間からのフレーム・タイミングずれは、分かっているからである。
A.全体像
U−TDOAシステムのコストを削減する取り組みでは、通信ネットワークにおけるセル・サイトの部分集合に受信機を設置するとよい。先に論じたように、BTS毎に1つのLMUを有するU−TDOAシステムでは、各LMUは、その常駐セル(例えば、それと一緒に位置するBTS)からのダウンリンク・ビーコンまたはブロードキャスト制御チャネル(BCCH)を検出し復調することができる。次いで、測定したタイミングを、LMUのGPSベースのクロックによって決定する、システム時間と比較し、ついで格納または他のLMUに転送するために、SMLCに送る。これによって、各LMUはアップリンク・メッセージングを復調することが可能となる。
・共通チャネル干渉
・隣接チャネル干渉
・受信機飽和
・指向性アンテナの配備
・アンテナのダウンティルト(downtilt)
・近遠効果(near-far effects)
都市エリアにおけるGSMネットワークにおいて、BTSに対して1:1の比率未満でLMUを配備した場合、限定要因となるのは、ビーコン(BCCH)発見およびアップリンク復調であり、位置検出精度ではないことを観察した。アップリンク復調が問題となるのは、TDOA値測定の成功が「明瞭な」(高SNR、低位相ノイズ、低干渉等)基準信号を拠り所としており、この基準信号を、複数のサイトからの測定信号を相関付けて、基準信号と各サイトにおいて受信した信号との間におけるTDOAの推定値を提供するからである(米国特許第5,327,144号、第6,047,192号、第6,400,320号、第6,483,460号、および第6,661,379号を参照のこと)。アップリンク復調が制限されるエリアでは、LMUにおいて基準信号として作用するに足る十分な品質の信号が得られない。
・共通チャネル干渉
・隣接チャネル干渉
・受信機飽和
・指向性アンテナの配備
・アンテナのダウンティルト
・近遠効果
・放射伝搬損失、信号吸収および回折損失、ならびにマルチパス信号転化による経路損失
TruePosition社は、散在によってU−TDOA配備のコストを極力抑える技法を多数開発している。これらの技法は、LMU対BTS配備比を低下するため、したがってU−TDOAワイヤレス位置検出システムの全体的なコストを低減するために、図3Aから図3Gに示すように適用する。図3Aから図3Gは、本発明によるプロセスの実現例の一例のフローチャートである。図示するステップを以下に纏める。
ステップ301:共通同期(co-synchronized)セル・セクタのクラスタを特定する。
ステップ302:インテリジェント・ネットワーク設計プロセスを実行する。
ステップ303:予備ネットワーク設計分析を実行する。
ステップ304:性能限定要因を決定する。
(A)ダウンリンク・ビーコン発見−図3B、図3Cに進む。
(B)精度−図3Dに進む。
(C)なし−図3Eに進み、LMU(群)を除去する(ステップ321)。または
(D)アップリンク復調−図3Fおよび図3Gに進む。
ステップ305:強化ダウンロード・アンテナを配備する。
ステップ306:ダウンリンク干渉キャンセルを配備する。
ステップ307:BTS同期を配備する。
ステップ308:追加のLMU(群)をサービス・エリアに追加する。
加えて、ステップ310において、本プロセスは、AMS(エービス監視システム)が配備されているか否か判定する(図3C参照)ことを含む。配備されていない場合、ステップ311に進む。配備されている場合、ステップ312に進む。
ステップ311:ダウンリンク専用LMUを、特定したサイトに配備する。
ステップ312:EBS(強化ビーコン同期)およびAMS派生ビーコン・タイミング機能の使用をイネーブルする。
ステップ313:信号積分時間を増加する。
ステップ314:TDOA/ECIDハイブリッドを配備する。
ステップ315:TDOA/AoAハイブリッドを配備する。
ステップ308:追加のLMU(群)をサービス・エリアに追加する。
図3Fおよび図3Gは、「アップリンク復調限界」想定場面に対するプロセス・ステップを示す。これらのステップは以下を含む。
ステップ316:通信システムの復調データがイネーブルされているか否か判定する。されていない場合、ステップ310に進み、されている場合、ステップ319に進む。
ステップ319:復調データ構造(demodulated data feature)をイネーブルする。
ステップ317:ミッドアンブル専用補正機構をイネーブルする。
ステップ318:AMS派生復調データ構造をイネーブルする。(AMSから復調データを入手すると、LMUのコスト削減および複雑度低下が可能になる。これは、散在化を問題にしない場合でも、有効である)。
ステップ308:追加のLMU(群)をサービス・エリアに追加する。
ステップ320:専用アンテナ設備を追加する。
ここでも再度、図3Fおよび図3Gに示したように、これらのステップの後には、ステップ309が続き、更新した設計仕様を用いて、インテリジェント・ネットワーク設計を実行する。
図2は、GSMネットワーク基準モデルを示す(この図は、GSM 03.71, Revision8.9.0 section 5.6)の3GPP標準化包括的LCS論理アーキテクチャの修正である)。ここで、本発明技術の現時点における好ましい実施形態の残りの説明について、更に別のコンテキストを規定するために、この基準モデルについて論ずる。GSMネットワーク基準モデルの概括説明は、本発明をGSMネットワーク基準モデルに準拠したシステムに限定することを示唆しようとするのでは決してない。以下の段落は、図2に示した要素を要約する。
295 A − Aインターフェースは、BSCとMSCとの間の、GSMネットワーク・アーキテクチャにおける標準化インターフェースである。このインターフェースは、シグナリングおよびトラフィック用チャネルをサポートする。
指定レベルのU−TDOA性能を保持しつつ、最小数のサイトにLMUを配備するために、図3Aから図3Gに示した散在化プロセスを実行することができる。以下のサブセクションでは、以下の話題について更に詳しく取り組む。基地局タイミング分析、散在化に合ったインテリジェント・システムの設計、予測カバレッジ・エリア、予測サイト密度、および予測責任エリア;ダウンリンク・カバレッジ要件および二次セクタ・カバレッジ要件;散在化分析のための予備システム設計;ダウンリンク・ビーコン発見制限性能;アップリンク復調制限性能;ダウンリンク・ビーコン発見制限性能の改善、ダウンリンク・ビーコン発見制限性能を改善するための強化ダウンリンク・アンテナ、およびダウンリンク・ビーコン発見制限性能を改善するためのリンク監視;ビーコン同期の強化;ダウンリンクのみのLMU配備;アップリンク復調制限性能の改善、アップリンク復調制限性能を改善するためのリンク監視、アップリンク復調制限性能を改善するための既知のシーケンス相関;ならびに代替実施形態。
一旦性能パラメータを確定し、関連するワイヤレス・システム・データを収集したが、予備システム設計を完了できる前では、ワイヤレス・ネットワーク・タイミング・ソースを評価しなければならない。GSMのようなTDMAベースのシステムでは、既知送受信局(BTS)は、常時同期が取られていない。即ち、基地局は、共通クロック基準なしで配備されている。GSMベースの送受信局に対する精度要求は、ETSI組織(ヨーロッパ電気通信規格機関)によって、GSM 05.10推奨"Radio Subsystem synchronization"において以下のように定式化されている。
本発明の譲受人であるTruePosition, Inc.は、インテリジェント・システム設計ツールを製作する。システム計画アプリケーションは、市場設計プロセスの間に、自動LMUサイト選択を行う。この機構は、LMUのBTSに対する100%未満の配備率(「散在」システム)で、判断基準に基づくLMUサイトの選択を市場に組み入れる。
尚、定数K、L、およびMは、経験的に決定されていることを注記しておく。
カバレッジ・エリア:基地局のカバレッジ・エリアは、基地局セクタをWLSにおける協同機として用いることができる、平方キロメートルを単位とする大まかな面積である。この面積を計算するには、一定の閾値電力が得られる距離を求める。電力計算は、精巧な無線伝搬/経路損失モデル(拡張COST231-Hataモデルのようなモデル)に基づく。したがって、カバレッジ・エリアの計算に寄与するアンテナ・パラメータは、次の通りである。
平均海抜上の高さ(amsl)(有効な高さを見出すために用いられる)
垂直ビーム幅(値が小さい程、カバレッジは良くなる)
水平ビーム幅
ティルト(0に近い程よく、例えば、ティルトが10の場合、カバレッジを著しく縮小する可能性がある)
アンテナ利得(利得が大きい程、カバレッジは良くなる)
セクタ数
アンテナの個々のプロパティを考慮するためには、アンテナ・パラメータが必要となる。
インテリジェント・システム設計ツールは、散在LMU配備の想定場面において、どのサイトを配備せずに残しておくことができるかを定めるツールである。
最初にチェックする項目は、ダウンリンク・ビーコン発見である。これを分析するには、各ビーコンの送信電力、および送信アンテナから、LMUを配備する候補である各サイトへのダウンリンク信号の経路損失を考慮することにより、可能となる。これによって、各LMUにおける受信電力レベルが求められる。受信機感度特性に基づいて、各LMUが所与のダウンリンク・ビーコンを発見できるか否か判定することができる。少なくとも1つのLMU(または、冗長性が要求される場合はそれ以上)によって各ビーコンを発見することができる限り、設計は、ダウンリンク・ビーコン発見の制限がない。少なくとも1つのLMUにおいていずれかのビーコンを発見できない場合、システム設計はこの要因によって制限され、この状況が解消されるまで、この設計にLMUを追加しなければならない。
序文:WLS候補設計へのLMUの追加
初期基準線設計即ち候補設計において定められた、地理的サービス・エリアが定められたサービス・エリアの中に、ビーコン発見制限、アップリンク復調制限、または精度制限があるエリアが場合、初期散在率または現散在率を低下させて、LMUを初期基準線設計に追加しなければならない。
ビーコン制限に対するLMU(群)の追加(図3B、ステップ308)
あるエリアにビーコン制限がある場合、システム計画ツールは、潜在的なLMUサイト毎にビーコン発見リストを予測するために用いられる。次に、潜在的な各LMUサイトの予測ビーコン発見リストを、既存のLMU配置によって発見されると予測されなかったビーコンのリストと比較する。全てのビーコンが発見可能となり、ビーコン・リストにおける冗長量(複数のLMUによってビーコンが発見される回数)が最小になるまで、LMUを設計に追加する。
アップリンク復調制限に対するLMUの追加(図3G、ステップ308)
あるエリアにアップリンク復調制限がある場合、システム計画ツールは、潜在的なLMUサイト毎に、アップリンク復調性能を予測するために用いられる。次いで、潜在的な各LMUサイトの予測アップリンク復調エリアを、既存のLMU配置では十分にカバーされないエリアと比較する。アップリンク復調制限があるエリアが排除され、影響を受けるエリアに近接するLMUからのあらゆる重複カバレッジが最小になるまで、LMUを設計に追加する。
あるエリアに精度制限がある場合、システム計画ツールは、潜在的な各LMUサイト毎にシステム精度性能の改善を予測するために用いられる。サイト毎に、システム計画ツールは、現在の候補設計の中で既に存在するLMU配置全体に追加されるサイトに基づいて、サービス・エリア全体に対する精度予測を1つのサイトを追加しても、精度性能が十分に改善しない場合、潜在的LMUサイトの対毎に、このプロセスを繰り返す。LMUを追加し、新たな潜在的ネットワーク設計各々における予測精度を評価するこのプロセスは、精度性能閾値に達するまで、または全ての潜在的LMUサイトがLMUによって占められるまで繰り返される。
序文:WLS設計からのLMUの除去(図3E、ステップ321)
候補設計の初期基準線設計が、ビーコン発見制限、アップリンク復調制限、または精度制限がある規定地理的サービス・エリアの中にエリアを含まない場合、散在率を上昇させ、初期基準線設計即ち候補設計からLMU(群)を除去することができる。
ビーコン制限性能の劣化を伴わないLMU(群)の除去
設計から除去するために潜在的LMUを決定する際における最初のステップは、設計におけるLMU毎のビーコン・リストの試験である。システム計画ツールは、各LMUによって発見されるビーコンを予測するために用いられる。次いで、予測したビーコンの任意のものが、他のLMUによって発見されると予測されるか否か判定するために、システム計画ツールが用いられる。あるLMUによって発見されたビーコンの全てが他のLMUによっても発見される場合、このLMUは、除去の候補となる。どのLMUを最初に設計から除去するかを判定するのは、ビーコンの冗長性レベルである。設計からのLMUの除去は、ビーコン発見の冗長性が最小になるまで、他の散在に関する性能問題(精度、アップリンク復調等)の発生を阻みつつ、繰り返すことができる。理想的な最大散在システムでは、ビーコン冗長性はない。
アップリンク復調性能の劣化を伴わないLMU(群)の除去
設計から除去する潜在的LMUを決定する際における次のステップは、設計におけるLMU毎のアップリンク信号強度の試験である。
精度性能の劣化を伴わないLMU(群)の除去
精度制限は、精度数値(accuracy numbers)に対してある種の目標(例えば、ネットワークベースの位置検出システムに対するFCC Phase II通達)を満たすことに関して考えるべきである。現設計が要求精度目標を満たしていない場合、そのシステムは精度制限があることになる。即ち、精度要求を満たしていないので、候補設計からのLMU除去による追加の散在化を行うことはできない。
散在化分析のための予備システム設計を用いて、設計計画および評価アプリケーションによって生成したインテリジェント・システム設計に、TDOA性能制限要因が存在するか否か判定する。ネットワークにおけるセル・サイトに1対1未満の比率でLMUを配備する(散在配備)ことができるか否かは、3つの主要な要因によって制限される。即ち、ダウンリンク・ビーコン発見、アップリンク復調、および精度である。これらを、図3Bおよび図3C(ダウンリンク・ビーコン発見制限)、図3Dおよび図3E(精度制限)、ならびに図3Fおよび図3G(アップリンク復調制限)に表す。
チェックする最初の項目は、ダウンリンク・ビーコン発見である。これを分析するには、各ビーコンの送信電力、および送信アンテナから、LMUを配備する候補である各サイトへのダウンリンク信号の経路損失を考慮することにより、可能となる。これによって、各LMUにおける受信電力レベルが求められる。受信機感度特性に基づいて、各LMUが所与のダウンリンク・ビーコンを発見できるか否か判定することができる。少なくとも1つのLMU(または、冗長性が要求される場合はそれ以上)によって各ビーコンを発見することができる限り、設計は、ダウンリンク・ビーコン発見の制限がない。少なくとも1つのLMUにおいていずれかのビーコンを発見できない場合、システム設計はこの要因によって制限され、この状況が解消されるまで、この設計にLMUを追加しなければならない。
最初の性能制限要因は、ダウンロード・ビーコン発見である。U−TDOA技法を用いてGSMネットワーク上において移動局の位置を検出するには、移動局が用いているGSMフレーム・タイミングの知識が必要となる。移動体のフレーム・タイミングは、各セクタによってそのダウンリンクBCCHチャネルにおいてブロードキャストされるフレーム・タイミングによって定められる。一般に、GSMネットワーク内にある各セル・セクタは、独立したフレーム・タイミングを有する。各セル・サイトにLMUを配備すると、各LMUは、そのサイトにおいて、これらのセルが送信するBCCHをデコードすることによって、セルのフレーム・タイミングを取得する。このプロセス(図4に示す)を、ビーコン発見と呼ぶ。散在配備を用いると、LMUが配備されていないセルのフレーム・タイミングは、近隣サイトにおけるLMUによって発見しなければならない。LMU配備の比率が低すぎる場合、これらのセルに対してビーコンを発見できないLMUが出てくる。その場合、MSが発呼し、それをビーコンを発見できないセルが担当する場合、MSの位置を検出することはできない。この配備を、ダウンリンク・ビーコン発見に制限があると言う。
1.MSがRACH上でアクセス・バーストを送信する。この移動体が発信した呼は、対象のCGIおよび基準CGIの任意のものにおいて発呼される。いずれのMSが専用チャネルを要求しても、このプロセスが誘起される。
2.RACH信号をBTSが受信し、BTSがチャネル要求メッセージをBSCおよびAMS(エービス監視システム)に送る。チャネル要求メッセージは、目標CGIのRFNデータを収容している。
3.位置検出ゲートウェイ(LG)が、RFN同期照会メッセージをAMSに送り、AMSはRFN同期応答によって応答する。RFN同期応答は、1組のCGI、ARFCN、RFN、およびエービスTSデータを収容する。
4.次に、LGが強化同期監視(AFRCN int)メッセージをLMUに送り、LMUには、供給されたビーコン・チャネル上において、GPS時間に対して、51マルチフレーム境界を発見するタスクが割り当てられる。
5.LMUは、LGに、GSM同期報告(syncType=強化)メッセージで応答する。LGは、最終的な計算を行い、調節したRFNのGPSタイムスタンプに対するマッピングを求める。このマッピングをLGの同期表に記録する。
6.他の対象CGIについて、このプロセスを繰り返す。
アップリンク復調制限
第2の性能制限要因は、移動局からのアップリンク送信を復調する能力である。これは、協同するLMUにおいてTDOA測定を行うために用いられる基準信号を導出するために必要となる。
精度制限
場合によっては、アップリンク復調の制限や、ダウンリンク・ビーコン発見の制限がなくても、U−TDOA配備は精度に制限がある可能性がある。精度に制限があるU−TDOA配備は、主に、正確度の幾何学的希釈(GDOP)である。全ての多元的システムに共通して、GDOPは、TDOA発生双曲線が交差する(intercept)角度が狭いことのために、TDOA LMU配備において生ずる。GDOP増大(multiplier)の影響により、エリアにおける位置検出誤差が設計仕様よりも大きくなった場合、このエリアは精度制限がある。図5は、無線マルチパス環境によって誘発されたタイミングおよび測定誤差、ならびに実際のU−TDOAシステムにおける種々のタイミングおよび測定誤差によって広がったTDOA双曲線を呈する、散在化U−TDOAネットワークの図示例を示す。
GSMまたはUMTSのような非同期ネットワークでは、1つの基地局によって放射された信号の他方に対する送信時間ずれは分からないので、LMUはビーコン・タイミングを監視してフレーム・タイミングを決定しなければならない。LMU配備が1:1(BTS:LMU)未満であると、セルの無線送信のタイミングは、常駐LMUによって決定するのではなく、隣接するセルまたは別のセルにおけるLMUから決定しなければならない。
ダウンリンク・アンテナの強化(図3Bにおけるステップ305)
性能制限要因がダウンリンク・ビーコン発見である場合、最初のそして最も費用がかからない選択肢は、強化したダウンリンク・アンテナを、性能制限エリアの近辺において特定されたLMUサイトに追加することである。強化ダウンリンク受信アンテナの使用により、LMUは、散在配備における周囲のセルおよびセクタからブロードキャストされるビーコン(GSMにおけるBCCH)をより良く検出し復調することが可能になる。ダウンリンク・アンテナの配備は、LMUへの直接実装によって行うことができるが、セル・タワー外部またはセル・タワー上に取り付けられたアンテナの方が、減衰が少ない環境を提供するので、受信が改善する。
ビーコン同期改善のためのリンク監視(図3Cのステップ312)
2004年8月24日付け米国特許第6,782,264号"Monitoring of Call Information in a Wireless Location System"(ワイヤレス位置検出システムにおける呼情報の監視)に開示され、更に、2005年6月10日に出願され"Advanced Triggers for Location-based Service Applications in a Wireless Location System"(ワイヤレス位置検出システムにおける位置検出に基づくサービス・アプリケーションのための高度トリガ)と題する米国公開特許出願第20060003775号において更に拡張されているように、エービス監視システム(AMS)またはリンク監視システム(LMS)を、ワイヤレス位置検出システムと共に配備して、位置検出システムを誘起する受動的手段を供給することができる。コスト節約対策として、オーバーレイLMSを配備してエービス(BTSからBSCへの)リンクだけを配備することもでき、あるいは必要なLMS機能性を直接BSCに組み込むこともできる。AMSまたはLMS機能性を配備することにより、より密度が低いLMU配備を考慮したある種の技法も可能になる。
2.LMUは、高精度のタイミングを得るために、同期チャネル(SCH)を検出する。LMUはフレーム・タイミングを知っているが、絶対フレーム番号や、どのセルが送信しているのか(CGI)については知らない。
3.LMUは、ブロードキャスト制御チャネル(BCCH)を復調し、フレーム番号およびCGIをデコードする。尚、信号の復調は、前述のステップ1および2よりも遥かに高いSNRを拠り所とする。これは、検出が復調よりも簡単であるからである。
4.この絶対フレーム・タイミング基準は、LMUがU−TDOA位置検出プロセスにおける信号収集を補助するために利用することができる。
強化ビーコン同期は、次のようにして、基本的なビーコン同期プロセス上に構築する。
2.これらのメッセージの相関付けを行い、短縮フレーム番号(フレーム番号全体を表すのに必要な22ビット中16ビット)、およびGSMフレームとGPS時間との間における時間同期の大まかな推定値を導き出す。
3.短縮フレーム番号(22ビット中16ビット)情報をLMUに送る。次いで、LMUは、FCCHおよびSCH検出(前述のステップ1および2)を実行し、高精度の時間整合(time alignment)を戻す。LMUはもはやBCCHチャネルを復調する必要がないので、SNRを低くして検出を実行することができる。
4.LMUが供給する高精度のタイミングを、既に計算してある短縮フレーム番号と組み合わせる。こうして、このフレーム番号は、LMUによる位置検出のための信号収集において補助するために利用可能になる。
ダウンリンク・ビーコン制限エリアにおいて位置検出システムの性能を向上させる1つの技法は、ダウンリンク専用LMUユニットの設置の絞り込みである。低価格で設置が容易な受信ユニットを配備して、図4に示すプロセスを用いてLMUを配備することなく、セル・サイトにおいてダウンリンク・ビーコン・タイミングを測定する。配備するLMUの数を減少させ、ビーコン・カバレッジ「ホール」を埋めるためにビーコン発見を行う(しかし、位置検出プロセスにおいて協同することはできない)ユニットを設置することによって、システム全体のコスト削減を達成する。このユニットは、SMLCに転送するための、SMLCまたはその他のLMUへの有線またはワイヤレス逆送を用いることもできる。逆送は、タイミング収集とは無関係であるので、可変リンク・レイテンシは動作に影響を及ぼさない。
予備ネットワーク設計分析(ステップ303、図3A)が、散在U−TDOA配備がアップリンク復調に制限があることを示す場合、アップリンク復調制限性能を緩和または補正するために、5つの技法を用いることができる。これらのうち最初の技法(ステップ319、図3F)では、無線メッセージまたはビット・シーケンス(群)を、信号相関付け処理のための代表的信号(representative signal)への再変調のための逆チャネル(移動体デバイスから基地局へ)無線メッセージからワイヤレス位置検出システムに転送するように構成されている必要がある。
復調データの転送(図3F、ステップ316および319)
先に紹介したように、ワイヤレス通信ネットワークは、逆制御および/またはトラフィック無線チャネル上で発生するビット・シーケンスをサンプリングし転送することができる。
この技法は、特に、内部BTS通信経路を用いてビット・シーケンスが素早く配信される基地局送受信機にLMU機能性を組み込んだ場合に適している。LMUをワイヤレス通信システムと統合することにより、ワイヤレス位置検出システム配備から単体受動監視デバイスの必要性およびコストを排除する。
アップリンク性能向上のためのリンク監視(図3F、ステップ310および318)
先に論じたように、リンク監視サブシステム(LMS)を用いると、位置検出システムを誘起させる受動的手段を供給することができる。また、LMSシステムは、アップリンク復調性能を向上させることによって、より密度が低いLMU配備を考慮したある種の技法も可能にする。非散在U−TDOA配備では、基準信号は、通常、担当セル内に常駐するLMU、または隣接するセルに常駐するLMUによって生成する。散在配備では、誤差を最小に抑えて復調できる十分な品質で信号を満足に受信することができるLMUがない場合もある。この場合、LMS(またはAMS)を用いて、信号に含まれていたビット・シーケンス・サンプルを取り込むことができる。次いで、このサンプルを再変調し、ベースバンド信号を生成する。次いで、この再変調したベースバンドを、基準信号として用いる。更に、基準信号を、LMUを配備した受信サイトにおいて記録した受信信号と相関付けて、理想的な基準とこれらのサイトにおいて受信した信号との間におけるTDOA推定値を得ることができる。(1994年7月5日付け米国特許第5,327,144号"Cellular Telephone Location System"(セルラ電話機位置検出システム)参照。)ここでも、先に注記したように、AMSまたは他のリンク監視システムから復調データを入手することにより、LMUのコスト/複雑さを低減することができる。これは、散在化が争点でない場合でも利点となる。
アップリンク性能向上のための既知シーケンスの相関付け(ステップ317、図3F)
TDOA値の測定に成功するには、「明瞭な」(高SNR、低位相ノイズ、低干渉等)基準信号が必要となり、この基準信号を、複数のサイトからの測定信号と相関付けて、基準信号と各サイトにおいて受信した信号との間におけるTDOAの推定値を提供する。この基準信号は、通例、非散在U−TDOAネットワークでは2つの方法のうち1つで取得する。最初の手法は、移動体に近いサイト(例えば、担当セル・サイト)において受信した信号を基準信号として用いることである。この手法は、至近のサイトにおける受信信号もかなり明瞭である(無線干渉またはノイズによって転化されていない)というようなリンク案であることを想定している。第2の手法は、1つのサイトにおいて受信信号を復調(そして、必要であれば、デコード)し、次いでこのデータを用いて、受信サイトにおける期待波形を発生することにより、理想的な基準信号を再現することである。この手法は、1つ以上のサイトにおいて、最小限の誤差で復調できる十分な品質で信号を受信することを想定している。
D.結論
本発明の真の範囲は、本明細書に開示した現在における好適な実施形態には限定されない。例えば、前述のワイヤレス位置検出システムの現在における好適な実施形態の開示では、信号収集システム(SCS)、TDOA位置検出プロセッサ(TLP)、アプリケーション・プロセッサ(AP)、位置測定ユニット(LMU)等のような、説明用語が用いられているが、これらは、以下の請求項の真の範囲を限定するように解釈したり、それ以外では、ワイヤレス位置検出システムの発明的形態が、開示した特定の方法および装置に限定されることを暗示するように解釈してはならない。更に、当業者には言うまでもないであろうが、本明細書に開示した発明的形態の多くは、TDOA技法に基づかない位置検出システムにおいても適用することができる。例えば、本発明は、前述のように構成したSCSを採用するシステムには限定されない。SCS、TLP等は、本質的に、プログラム可能なデータ収集および処理デバイスであり、本明細書に開示した発明的概念から逸脱することなく、種々の形態を取ることができる。ディジタル処理およびその他の処理機能の急速に低下するコストを考えると、例えば、特定の機能に対する処理を、本明細書において記載した機能要素の1つ(TLPのような機能要素)から別の機能要素(SCSのような機能要素)に移転することは、システムの発明的動作を変更することもなく、容易に可能である。多くの場合、本明細書に記載した実現例(即ち、機能的要素)の場所は、単に設計者の好みに過ぎず、厳格な要件ではない。したがって、明示的に限定され得る場合を除いて、以下の請求項の保護範囲は、前述した具体的な実施形態には限定されないこととする。
Claims (32)
- コンピュータによって実行される、ワイヤレス通信システム(WCS)に重ね合わされた散在ワイヤレス位置検出システム(WLS)を設計するための検索方法であって、
初期WLSネットワーク設計を生成するためにインテリジェント・ネットワーク設計を実行するステップと、
アップリンク復調性能制限要因が、前記初期ネットワーク設計に影響を及ぼすと決定するステップと、
アップリンク復調性能制限要因が前記初期WLS設計に影響すると決定したことに応じて、更新された散在WLS設計を生成するための以下の行為のうち少なくとも1つを実行することにより、前記初期WLS設計を修正するステップであって、前記行為が、
(a)前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされているかどうかを決定し、そうである場合に、WLS復調データ機構をイネーブルする行為、
(b)前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされておらず、かつ、前記WCSにおいてエービス監視システム(AMS)が配備されていない場合に、前記WLSにおいてミッドアンブル専用補正機構をイネーブルする行為、
(c)前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされておらず、かつ、エービス監視システム(AMS)が配備されている場合に、前記WLSにおいてAMS派生復調データ構造をイネーブルする行為、
であり、
少なくとも1つの位置測定ユニット(LMU)を前記ネットワークに追加するステップと、
更新された設計仕様とともにインテリジェント・ネットワーク設計プロセスの他の反復を実行し、そして、他の性能制限要因が更新された散在WLS設計に影響するかどうかを決定するステップと、
を備えた、方法。 - 請求項1記載の方法において、前記WLSは、複数の地理的に散在した位置測定ユニット(LMU)を含む、アップリンク到達時間差(U−TDOA)システムを備えた、方法。
- 請求項1記載の方法において、複数の地理的に散在した基地送受信局(BTS)を備えたGSM(登録商標)ワイヤレス通信システムに、前記WLSを重ね合わせる、方法。
- 請求項1記載の方法であって、更に、相互同期セル・セクタの少なくとも1つのクラスタを特定し、前記初期WLSネットワーク設計を生成するためにインテリジェント・ネットワーク設計プロセスを実行するステップを備えた、方法。
- 請求項1記載の方法であって、更に、前記初期WLSネットワーク設計またはその修正バージョンが、精度性能制限要因による影響を受けると決定するステップを備えた、方法。
- 請求項5記載の方法であって、更に、1つ以上の位置測定ユニット(LMU)において積分時間を増加することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項5記載の方法であって、更に、前記WLSにおいて、ハイブリッド到達時間差(TDOA)/強化セル特定(ECID)位置検出プロセスを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項5記載の方法であって、更に、前記WLSにおいて、ハイブリッド時間TDOA/到達角度(AoA)位置検出プロセスを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項5記載の方法であって、更に、少なくとも1つの位置測定ユニット(LMU)を前記初期WLSネットワーク設計に追加することによって、前記ネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項1記載の方法であって、更に、前記初期WLSネットワーク設計またはその修正バージョンが、ダウンリンク・ビーコン発見性能制限要因による影響を受けると決定するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、少なくとも1つの強化ダウンリンク・アンテナを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、ダウンリンク干渉キャンセルを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、基地送受信局(BTS)同期を配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、少なくとも1つの位置測定ユニット(LMU)を前記初期WLSネットワーク設計に追加することによって、前記ネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、エービス監視システム(AMS)が配備されていないと決定し、次いで特定したサイトにおいて少なくとも1つのダウンリンク専用位置測定ユニット(LMU)を配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 請求項10記載の方法であって、更に、エービス監視システム(AMS)が配備されていると決定し、次いで、強化ビーコン同期(EBS)およびAMS派生ビーコン・タイミング機能の使用をイネーブルすることによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、方法。
- 散在ワイヤレス位置検出システム(WLS)を設計するための既定の方法をコンピュータに実行させるコンピュータ読み取り可能命令を備えた非一時的コンピュータ読み取り可能媒体であって、前記既定方法が、
初期WLSネットワーク設計を生成するためにインテリジェント・ネットワーク設計を実行するステップと、
アップリンク復調性能制限要因が、前記初期ネットワーク設計に影響を及ぼすと決定するステップと、
アップリンク復調性能制限要因が前記初期WLS設計に影響すると決定したことに応じて、更新された散在WLS設計を生成するための以下の行為を実行することにより、前記初期WLS設計を修正するステップであって、前記行為が、
前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされているかどうかを決定し、そうである場合に、WLS復調データ構造をイネーブルすることと、
前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされておらず、かつ、前記WCSにおいて前記エービス監視システム(AMS)が配備されていない場合には、前記WLSにおいてミッドアンブル専用補正機構をイネーブルする行為、
前記WCSにおいて通信システム復調データがイネーブルされておらず、かつ、前記WCSにおいてAMSが配備されている場合に、前記WLSにおいてAMS派生復調データ構造をイネーブルする行為、および
更新された設計仕様とともにインテリジェント・ネットワーク設計プロセスの他の反復を実行し、そして、他の性能制限要因が更新された散在WLS設計に影響するかどうかを決定する行為、
を備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。 - 請求項17記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記WLSは、複数の地理的に散在した位置測定ユニット(LMU)を含む、アップリンク到達時間差(U−TDOA)システムを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項17記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、複数の地理的に散在した基地送受信局(BTS)を備えたGSMワイヤレス通信システムに、前記WLSを重ね合わせる、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項17記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、相互同期セル・セクタの少なくとも1つのクラスタを特定し、前記初期WLSネットワーク設計を生成するためにインテリジェント・ネットワーク設計プロセスを実行するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項17記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、前記初期WLSネットワーク設計またはその修正バージョンが、精度性能制限要因による影響を受けると決定するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項21記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、1つ以上の位置測定ユニット(LMU)において積分時間を増加することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項21記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、前記WLSに、ハイブリッド到達時間差(TDOA)/強化セル特定(ECID)位置検出プロセスを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項21記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、前記WLSに、ハイブリッド時間TDOA/到達角度(AoA)位置検出プロセスを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項21記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、少なくとも1つのLMUを前記ネットワーク設計に追加することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項17記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、前記初期WLSネットワーク設計またはその修正バージョンが、ダウンリンク・ビーコン発見性能制限要因による影響を受けると決定するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、少なくとも1つの強化ダウンリンク・アンテナを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、ダウンリンク干渉キャンセルを配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、基地送受信局(BTS)同期を配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、少なくとも1つの位置測定ユニット(LMU)を前記初期WLSネットワーク設計に追加することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、エービス監視システム(AMS)が配備されていないと決定し、次いで特定したサイトにおいて少なくとも1つのダウンリンク専用位置測定ユニット(LMU)を配備することによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
- 請求項26記載のコンピュータ読み取り可能媒体において、前記方法は、更に、エービス監視システム(AMS)が配備されていると決定し、次いで、強化ビーコン同期(EBS)およびAMS派生ビーコン・タイミング機能の使用をイネーブルすることによって、前記初期WLSネットワーク設計を修正するステップを備えた、コンピュータ読み取り可能媒体。
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