JP5572188B2 - フェムトセル基地局、測位システム、及び測位プログラム - Google Patents

Description

本発明は、低軌道衛星からの衛星信号を擬似した擬似衛星信号を利用して測位を行うフェムトセル基地局、測位システム、及び測位プログラムに関する。

移動通信サービスに関しては、従来、移動通信事業者による高層ビル、住宅の屋内、及び地下街等における基地局の開設及び運用が困難であるため、このような場所での不感エリアの解消が十分に進まない状況にあったが、移動機（携帯電話等）をブロードバンド回線に接続する機能を有する低出力のフェムトセル基地局の実現により、不感エリアの解消が進められている。こうした状況を踏まえ、総務省では、移動通信の不感エリアの解消に向けてフェムトセル基地局の活用を図る観点から、「フェムトセル基地局の活用に係わる電波法及び電気通信事業法関連法令の適用関係に関するガイドライン」を公表し、移動通信事業者に課せられている義務の一つとして、フェムトセル基地局の設置場所がその申請住所に一致することの確認義務を挙げている。フェムトセル基地局の設置場所がその申請住所に一致することを確認するための技術的な実現方法に関しては、特段の制限はなく、例えば、現地に人員を派遣することにより、フェムトセル基地局の設置場所の確認作業を行ってもよく、或いは、低軌道衛星からの衛星信号のドップラーシフトを利用してフェムトセル基地局の設置場所の確認作業を行ってもよい。低軌道衛星からの衛星信号は、静止衛星からの衛星信号よりも感度が２０ｄＢ（約１００倍）ほど高いため、比較的高精度な測位に適している。低軌道衛星からの衛星信号のドップラーシフトを用いた測位方法については、例えば、特開平１０−２５３７３２号公報において言及されている。

特開平１０−２５３７３２号公報

衛星信号のドップラーシフトを利用して受信位置を割り出すためには、低軌道衛星からの衛星信号を一定期間継続して受信し続け、その周波数を測定してドップラーシフトを求めるとともに、低軌道衛星が送信する刻々と変化する低軌道衛星の軌道情報と時刻情報とを記録する。これにより、一つの衛星信号から受信位置をある回転双曲面と地上との交線上の推定範囲に絞ることができる。このような処理を複数の低軌道衛星からの各衛星信号について行うことにより、複数の推定範囲が重なり合う場所から、衛星信号の受信位置を割り出すことができる。

しかし、衛星電波の届き難い屋内や地下等にフェムトセル基地局が設置されると、一つの衛星信号を受信できても、測位に必要な他の衛星信号を十分に受信できず、結果として測位が失敗することがあり得る。

そこで、本発明は、低軌道衛星からの衛星信号の届き難い場所での測位を可能にすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わるフェムトセル基地局は、低軌道衛星からの衛星信号を受信する受信手段と、衛星信号のドップラーシフトを測定する測定手段と、衛星信号の受信位置から第１の方向に離れた第１の位置における衛星信号のドップラーシフトを推定する推定手段と、この推定されたドップラーシフトが第１の位置で測定されるように衛星信号を補正して第１の擬似衛星信号を生成する擬似衛星信号生成手段と、第１の擬似衛星信号を第１の方向に向けて送信する送信手段と、を備える。第１の疑似衛星信号の放射範囲は、衛星信号の受信位置から第１の方向に離れた少なくとも二点間で測定されるドップラーシフトの差を実用上無視し得る範囲内である。低軌道衛星からの衛星信号が届き難い場所にフェムトセル基地局から擬似衛星信号を送信することにより、衛星信号が届き難い場所での測位を可能にできる。

本発明の他の観点に係わるフェムトセル基地局は、フェムトセル基地局からの第１の擬似衛星信号を受信する受信手段と、第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを測定する測定手段と、第１の擬似衛星信号の受信位置から第２の方向に離れた第２の位置における第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを推定する推定手段と、推定されたドップラーシフトが第２の位置で測定されるように第１の擬似衛星信号を補正して第２の擬似衛星信号を生成する擬似衛星信号生成手段と、第２の擬似衛星信号を第２の方向に向けて送信する送信手段と、を備える。第１の擬似衛星信号の届く範囲は限られているため、第１の擬似衛星信号の受信位置から第２の擬似衛星信号を送信することにより、第１の擬似衛星信号の届かない範囲での測位を可能にできる。

本発明によれば、低軌道衛星からの衛星信号の届き難い場所での測位を可能にすることができる。

本実施形態に係わる測位システムのネットワーク構成を示す説明図である。 本実施形態に係わる低軌道衛星からの衛星信号のドップラーシフトを利用した測位方法の原理を示す説明図である。 本実施形態に係わる擬似衛星信号を利用した測位方法の原理を示す説明図である。 本実施形態に係わる擬似衛星信号を利用した測位方法の原理を示す説明図である。 本実施形態に係わるフェムトセル基地局の構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係わるサーバの構成を示す機能ブロック図である。

図１は本実施形態に係わる測位システム１０のネットワーク構成を示す説明図である。測位システム１０は、複数のフェムトセル基地局２０と、複数の低軌道衛星７０のそれぞれから送信される衛星信号７１のドップラーシフトを利用して各フェムトセル基地局２０の位置（経緯度）を割り出すサーバ（地上局）４０とを備えている。フェムトセル基地局２０は、セル半径が数１０m程度のフェムトセルを通信エリアとする小型基地局であり、セル半径が数百mから十数km程度のマクロセルを通信エリアとするマクロ基地局（図示せず）からの電波が届き難い場所（例えば、屋内や地下等）に設置される。フェムトセル基地局２０は、ブロードバンド回線５１を介してインターネット網５０に接続されており、移動機８０がインターネット網５０を介して通話するのを中継する。ブロードバンド回線５１は、例えば、非対称デジタル加入者線、光ファイバー又は同軸ケーブル等の高速データ回線である。移動通信事業者のコアネットワーク６０には、フェムトセル基地局２０を介した移動機８０の接続制御を行うフェムトセル制御局３０と、各低軌道衛星７０を制御するためのサーバ４０とが接続されている。中継装置６１は、例えば、セキュリティゲートウェイやパケットデータゲートウェイであり、インターネット網５０とコアネットワーク６０との間の通信を中継する。

次に、図２を参照しながら、低軌道衛星７０からの衛星信号７１のドップラーシフトを利用した測位方法の原理について説明する。同図において、Ｓ１〜Ｓ６は、時刻ｔ１〜ｔ６における低軌道衛星７０とフェムトセル基地局２０との間の距離を示す。また、ｆ１〜ｆ６は、時刻ｔ１〜ｔ６における衛星信号７１の受信周波数を示す。ここで、衛星信号７１の送信周波数をｆｔ、受信周波数をｆｒ、フェムトセル基地局２０と低軌道衛星７０との間の距離をＳとする。低軌道衛星７０は、地上３５０ｋｍ〜１４００ｋｍ程度の高度を飛行しているため、低軌道衛星７０がフェムトセル基地局２０に近づいてくるときには、ドップラー効果により、受信周波数ｆｒは、送信周波数ｆｔよも高くなる。一方、低軌道衛星７０がフェムトセル基地局２０から遠ざかるときには、ドップラー効果により、受信周波数ｆｒは、送信周波数ｆｔよも低くなる。ドップラーシフトをΔｆ、電波の伝播速度をｃとすると、下式が成立する。
ｆｒ＝ｆｔ±Δｆ …（１）
Δｆ＝（ｆｔ／ｃ）×（ｄＳ／ｄｔ） …（２）

上式より、ドップラーシフトΔｆの測定により、距離Ｓの時間変化率を求めることができる。衛星信号７１には、低軌道衛星７０の軌道情報、及び衛星信号７１の時刻情報が含まれているため、ある一定時間毎のドップラーシフトΔｆを積分すると、その間の距離Ｓの変化量を計算できる。即ち、衛星信号７１の受信位置は、積分開始時点の低軌道衛星７０の位置と、積分終了時点の低軌道衛星７０の位置とを焦点とする回転双曲面と地上とが交わる推定範囲内にあることが分る。低軌道衛星７０の周回速度は高速であるため、衛星電波を受信し続けていると、比較的短時間の間に複数の低軌道衛星７０からの衛星信号７１を受信できる。複数の低軌道衛星７０からの衛星信号７１について誤差がある一定値以下になるまで受信位置の推定範囲を求める処理を繰り返し、複数の推定範囲が重なる場所から衛星信号７１の受信位置（フェムトセル基地局２０の位置）を割り出すことができる。

次に、図３を参照しながら、本実施形態に係わる擬似衛星信号を利用した測位方法の原理について説明する。ここでは、フェムトセル基地局２０Ａは、衛星信号７１の受信感度が高い位置９０に配置され、フェムトセル基地局２０Ｂ，２０Ｃは、それぞれ、衛星信号７１の受信感度が低い位置９１，９２に配置されている場合を例示する。説明の便宜上、３台のフェムトセル基地局２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを区別する観点から、異なる符号２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを付してあるが、これらは、図１及び図５に示すフェムトセル基地局２０と同じである。衛星信号７１の受信感度の高い位置９０に配置されているフェムトセル基地局２０Ａは、衛星信号７１のドップラーシフトを利用してその受信位置９０を求めることができる。一方、衛星信号７１の受信感度の低い位置９１に配置されているフェムトセル基地局２０Ｂは、例えば、一つの衛星信号７１を受信できるものの、測位に必要な他の衛星信号７１を十分に受信できないため、衛星信号７１のドップラーシフトを利用してその受信位置９１を求めることが困難である。同様の理由により、フェムトセル基地局２０Ｃは、衛星信号７１のドップラーシフトを利用してその受信位置９２を求めることが困難である。

そこで、フェムトセル基地局２０Ａは、衛星信号７１のドップラーシフトを測定し、衛星信号７１の受信位置９０から所定方向１２１に離れた位置９１における衛星信号７１のドップラーシフトを推定し、この推定されたドップラーシフトが位置９１で測定されるように衛星信号７１を補正して擬似衛星信号１０１を生成し、擬似衛星信号１０１を所定方向１２１に向けて送信する。フェムトセル基地局２０Ｂは、衛星信号７１の代替として機能する擬似衛星信号１０１を感度よく受信できるため、受信位置９１を特定する上で不足している衛星信号７１を擬似衛星信号１０１で補うことにより、受信位置９１を求めることができる。

また、フェムトセル基地局２０Ｂは、擬似衛星信号１０１を受信してそのドップラーシフトを測定し、擬似衛星信号１０１の受信位置９１から所定方向１２２に離れた位置９２における擬似衛星信号１０１のドップラーシフトを推定し、この推定されたドップラーシフトが位置９２で測定されるように擬似衛星信号１０１を補正して擬似衛星信号１０２を生成し、擬似衛星信号１０２を所定方向１２２に向けて送信する。フェムトセル基地局２０Ｃは、衛星信号７１の代替として機能する擬似衛星信号１０２を感度よく受信できるため、受信位置９２を特定する上で不足している衛星信号７１を擬似衛星信号１０２で補うことにより、受信位置９２を求めることができる。特に、フェムトセル基地局２０Ａからの擬似衛星信号１０１が届く範囲外にフェムトセル基地局２０Ｃが位置している場合には、フェムトセル基地局２０Ｃは、フェムトセル基地局２０Ａよりも近距離に位置するフェムトセル基地局２０Ｂから擬似衛星信号１０２を受信することにより、受信位置９２を求めることができる。

フェムトセル基地局２０Ｂは、フェムトセル基地局２０Ａ以外のフェムトセル基地局が生成した擬似衛星信号を受信してその位置９１を求めてもよい。同様に、フェムトセル基地局２０Ｃは、フェムトセル基地局２０Ｂ以外のフェムトセル基地局が生成した擬似衛星信号を受信してその位置９２を求めてもよい。各フェムトセル基地局２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、擬似衛星信号を受信してその受信位置を求める機能と、他のフェムトセル基地局の位置推定のために擬似衛星信号を送信する機能とを併有している。このようなフェムトセル基地局同士の連携により、低軌道衛星７０からの衛星電波の届き難い場所での測位を可能にできる。

なお、フェムトセル基地局２０Ａは、擬似衛星信号１０１を生成する上で、必ずしもフェムトセル基地局２０Ｂの正確な位置９１を把握している必要はなく、擬似信号１０１の送信方向に応じて異なるドップラーシフトが測定されるように補正された擬似信号１０１を生成することにより、実用上十分な測定精度が得られる。例えば、図４に示すように、フェムトセル基地局２０Ａは、位置９０から八方向１３１〜１３８に向けて擬似衛星信号１０１を送信してもよい。このとき、ある方向１３２に向けて送信される擬似衛星信号１０１は、ある方向１３２上のある位置１４１でのドップラーシフトを推定し、この推定されたドップラーシフトがある方向１３２上のある位置１４１で測定されるように補正されたものである。擬似衛星信号１０１の放射範囲１５０は、位置９０から半径約数１０ｍ程度であるので、ある方向１３２上のある二つの位置１４１，１４２で測定されるドップラーシフトの差は、無視しても実用上差し支えない。従って、フェムトセル基地局２０Ａは、方向１３１〜１３８に応じて異なるドップラーシフトが測定されるように補正された擬似信号１０１を送信すればよい。擬似衛星信号１０１の送信方向は、八方向に限られるものではなく、例えば、全方向でもよく或いは二方向、四方向等でもよい。なお、擬似衛星信号１０１は、必ずしも、常時送信する必要はなく、新規に設置されたフェムトセル基地局２０の位置を特定するときに、一時的に送信すればよい。

図５は本実施形態に係わるフェムトセル基地局２０の構成を示す機能ブロック図である。フェムトセル基地局２０は、アンテナ２１０，２２０と、無線通信部２３０と、制御部２４０と、ネットワーク通信部２５０とを備えている。アンテナ２１０は、移動機８０との間で電波を送受信するためのものである。アンテナ２２０は、衛星信号７１の受信と擬似衛星信号１０１の送信を行うためのものである。無線通信部２３０は、無線通信回路等から構成されており、低軌道衛星７０からの衛星信号７１を受信する受信手段２３１、衛星信号７１のドップラーシフトを測定する測定手段２３２、及び擬似衛星信号１０１を所定方向１２１に向けて送信する送信手段２３３として機能する。制御部２４０は、測位プログラム２４３を格納するメモリと、測位プログラム２４３を実行するＣＰＵ等から構成されており、衛星信号７１の受信位置９０から所定方向１２１に離れた所定位置９１における衛星信号７１のドップラーシフトを推定する推定手段２４１、及び推定されたドップラーシフトが所定位置９１で測定されるように衛星信号７１を補正して擬似衛星信号１０を生成する擬似衛星信号生成手段２４２として機能する。ネットワーク通信部２５０は、ネットワークモジュール等から構成され、所定の通信プロトコルに従ってサーバ４０との間で測位に必要な情報の送受信等を行う。

なお、受信手段２３１、測定手段２３２、送信手段２３３、推定手段２４１、及び擬似衛星信号生成手段２４２の各機能は、フェムトセル基地局３０のハードウェア資源（無線通信部２３０、及び制御部２４０）と測位プログラム２４３との協働により実現される。

図６は本実施形態に係わるサーバ４０の構成を示す機能ブロック図である。サーバ４０は、制御部４００と、ネットワーク通信部４１０とを備えている。制御部４００は、ＣＰＵ及びメモリ等から構成され、各低軌道衛星７０の運行を管理している。制御部４００は、低軌道衛星７０の軌道情報、衛星信号７１のドップラーシフト、及び衛星信号７１の時刻情報をインターネット網５０及びコアネットワーク６０を介してフェムトセル基地局２０から受信すると、これらの情報に基づいて衛星信号７１の受信位置の推定範囲を計算する計算手段４０１として機能する。また、計算手段４０１は、低軌道衛星７０の軌道情報、擬似衛星信号１０１のドップラーシフト、及び擬似衛星信号１０１の時刻情報をインターネット網５０及びコアネットワーク６０を介してフェムトセル基地局２０から受信すると、これらの情報に基づいて擬似衛星信号１０１の受信位置の推定範囲を計算する。ネットワーク通信部４１０は、ネットワークモジュール等から構成され、所定の通信プロトコルに従ってフェムトセル基地局２０との間で測位に必要な情報の送受信等を行う。

なお、計算手段４０１の機能は、サーバ４０のハードウェア資源（制御部４００）と計算プログラム４０２との協働により実現される。計算手段４０１の機能は、必ずしもサーバ４０が有している必要はなく、各フェムトセル基地局２０又はフェムトセル制御局３０が有していてもよい。

本実施形態によれば、低軌道衛星７０からの衛星信号７１が届き難い場所にフェムトセル基地局２０から擬似衛星信号１０１を送信することにより、衛星信号７１が届き難い場所でのドップラーシフトに基づく測位を可能にできる。また、擬似衛星信号１０１の届く範囲は限られているため、擬似衛星信号１０１の受信位置９１から擬似衛星信号１０２を送信することにより、擬似衛星信号１０１の届かない範囲でのドップラーシフトに基づく測位を可能にできる。

１０…測位システム
２０…フェムトセル基地局
３０…フェムトセル制御局
４０…サーバ
５０…インターネット網
５１…ブロードバンド回線
６０…コアネットワーク
６１…中継装置
７０…低軌道衛星
７１…衛星信号
１０１…擬似衛星信号
１０２…擬似衛星信号
２３０…無線通信部
２３１…受信手段
２３２…測定手段
２３３…送信手段
２４０…制御部
２４１…推定手段
２４２…擬似衛星信号生成手段
２４３…測位プログラム
２５０…ネットワーク通信部
４００…制御部
４０１…計算手段
４０２…計算プログラム
４１０…ネットワーク通信部

Claims (7)

1. 低軌道衛星からの衛星信号を受信する受信手段と、
   前記衛星信号のドップラーシフトを測定する測定手段と、
   前記衛星信号の受信位置から第１の方向に離れた第１の位置における前記衛星信号のドップラーシフトを推定する推定手段と、
   前記推定されたドップラーシフトが前記第１の位置で測定されるように前記衛星信号を補正して第１の擬似衛星信号を生成する擬似衛星信号生成手段と、
   前記第１の擬似衛星信号を前記第１の方向に向けて送信する送信手段と、を備え、
   前記第１の疑似衛星信号の放射範囲は、前記衛星信号の受信位置から前記第１の方向に離れた少なくとも二点間で測定されるドップラーシフトの差を実用上無視し得る範囲内である、フェムトセル基地局。
2. 請求項１に記載のフェムトセル基地局からの第１の擬似衛星信号を受信する受信手段と、
   前記第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを測定する測定手段と、
   前記第１の擬似衛星信号の受信位置から第２の方向に離れた第２の位置における前記第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを推定する推定手段と、
   前記推定されたドップラーシフトが前記第２の位置で測定されるように前記第１の擬似衛星信号を補正して第２の擬似衛星信号を生成する擬似衛星信号生成手段と、
   前記第２の擬似衛星信号を前記第２の方向に向けて送信する送信手段と、
   を備えるフェムトセル基地局。
3. 請求項１に記載のフェムトセル基地局と、
   前記衛星信号のドップラーシフトに基づいて前記衛星信号の受信位置の推定範囲を計算する計算手段を有するサーバと、
   を備える測位システム。
4. 請求項２に記載のフェムトセル基地局と、
   前記第１の擬似衛星信号のドップラーシフトに基づいて前記第１の擬似衛星信号の受信位置の推定範囲を計算する計算手段を有するサーバと、
   を備える測位システム。
5. 低軌道衛星からの衛星信号を受信し、
   前記衛星信号のドップラーシフトを測定し、
   前記衛星信号の受信位置から第１の方向に離れた第１の位置における前記衛星信号のドップラーシフトを推定し、
   前記推定されたドップラーシフトが前記第１の位置で測定されるように前記衛星信号を補正して第１の擬似衛星信号を生成し、
   前記第１の擬似衛星信号を前記第１の方向に向けて送信する、測位方法であって、
   前記第１の疑似衛星信号の放射範囲は、前記衛星信号の受信位置から前記第１の方向に離れた少なくとも二点間で測定されるドップラーシフトの差を実用上無視し得る範囲内である、測位方法。
6. 請求項５に記載の測位方法によって生成された第１の擬似衛星信号を受信し、
   前記第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを測定し、
   前記第１の擬似衛星信号の受信位置から第２の方向に離れた第２の位置における前記第１の擬似衛星信号のドップラーシフトを推定し、
   前記推定されたドップラーシフトが前記第２の位置で測定されるように前記第１の擬似衛星信号を補正して第２の擬似衛星信号を生成し、
   前記第２の擬似衛星信号を前記第２の方向に向けて送信する、測位方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の測位方法をフェムトセル基地局に実行させるための測位プログラム。

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