JP5665545B2 - 無線アクセスシステムにおける位置決定のシステム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、移動無線アクセスシステムに関し、特に、モバイル(無線)機器を操作する発信者の地理的位置を移動無線アクセスシステムを通して決定するための方式及び方法に関する。
無線ネットワークはここ数十年の間に世界に大きな影響を与えてきており、またその使用は大きく発展し続けている。人々や企業は、データの送信または共有が小さいオフィスビル内で行われるか世界中で行われるかを問わず、データを迅速に送信しまた共有するために無線ネットワークを使う。警察などの緊急サービスは、重要な情報を早急に伝えるために無線ネットワークを利用する。無線ネットワークの他の大事な利用は、多くの発展途上国におけるように電気通信基盤施設が低品質であるか、又は資源の乏しい国及び地域でのインターネットへの接続のための安価でかつ迅速な方法としてである。最新のそのような無線技術の1つがワイマックス(WiMax:Worldwide Interoperability for Microwave Access)である。
本発明についてのより良い理解を読み手へ提供するため、ワイマックス技術についての簡単な概説を以下に記す。本発明はワイマックス技術に限定されず、ワイマックスで使われるフレーム・プリアンブル、パイロットトーン、及び/又はレンジングコード(ranging code)等の既定の周期的ビット列と複数のアンテナとを用いる任意の無線技術にも適用可能であるということに注意すべきである。
ワイマックスは長距離無線通信を提供する新生の通信技術であり、ポイントツーポイント・アクセス又は完全移動セルラー型アクセスを可能にする。この技術は、IEEE802.16規格に基づく。802.16d又は802.16−2004と呼ばれたこの技術の当初の規格案は、標準状態に達することがなかった。無線インターフェースとして256個のキャリアを有する802.16−2004(802.16d)及び直交周波数分割多重物理層(OFDM PHY)を使用して作られたシステムは一般的に「固定ワイマックス」と称されている。
802.16dの修正である次のバージョン802.16e(802.16−2005)は、「モバイル・ワイマックス(mobile WiMax)」と称されることが多い。この用語は、エアインターフェースとして128個、512個、1024個及び2048個のキャリアを有する、802.16e−2005とOFDMA(直交周波数分割多重アクセス)とを使用する無線システムのことをいう。OFDMAでは、送信される信号のシンボルの拡散符号列が、好ましくは広周波数帯域に分散された複数のサブキャリアにおいて変調される。OFDMAは、複数のサブキャリアの一部を個々のユーザに割り当て、また、チャネル状態についてのフィードバックに基づいて、前記システムは、適応的なユーザ・サブキャリア間割り当てを実行することができる。
モバイル・ワイマックスの実装は、固定サービス及びモバイルサービスを提供するために使用することができる。モバイル・ワイマックスは、また、多重入出力通信(MIMO)を通して多重アンテナサポート(Multipe Antenna Suport)を使用する。基地局(BT)とも称される基地送受信機局(BTS)は、少なくとも2つの受信アンテナと2つの送信アンテナとを使用し、また、ユーザ装置(UEユニット)は少なくとも2つの受信アンテナと1つの送信アンテナとを使用する。これは、受信地域、空間多様性、空間多重化、干渉除去、周波数再利用、及び効率スペクトルに関して潜在的利益をもたらす。
モバイル・ワイマックスは国際電気通信連合(ITU)により認可を受けたところであり、米国のスプリント・ネクステル(Sprint−Nextel)及びフランス国のフランス・テレコム(France Telecom)のような電気通信事業者がこのシステムを展開する意図を表明している。カナダ国では、ロジャース・コミュニケーションズ(Rogers communications)及びベル・カナダ(Bell Canada)が、モトローラ社のDRMユニットを用いてトロント等の大都市の大部分に及ぶ、2.5GHz周波数帯域でのワイマックスに基づく広域インターネット・サービスの提供を開始した。
一方、無線ネットワーク技術の進歩は、無線位置特定システム、すなわち特に携帯機器を使って緊急通報(米国及びカナダ国における「911」等)を送る発信者の地理的位置を特定するように設計されたシステムの展開を可能にした。このサービスの目的の1つは、無線ネットワークが、どの緊急通報受信センタ(PSAP)に緊急通報を送るかを識別することと、発信に応答するPSAPに対し発信者の位置を通知することとを可能にすることである。PSAPは、次に、発信者の位置についての情報を利用して、方角、近隣レストラン、および美術館等の発信者の周辺状況を緊急サービスに提供する。位置情報サービスは、3GPP/UMTS/LTE(ロング・ターム・エボリューション)、ワイマックス/IEEE802.16e、UMB(ウルトラ・モバイル・ブロードバンド)、その他等のB3G(Beyond3G)無線システムにとって、注目の話題となっている。
現在のところ、「911」サービスは米国及びカナダ国のほぼ全地理的エリアにおいて固定電話の位置を特定することが可能であり、他の国々も同様の緊急サービスを保有している。有線「911」では、位置は住所である。
米連邦通信委員会(FCC)は、E911(エンハンスド911)と呼ばれる位置特定技術を展開した。このE911は、携帯/モバイル機器が、支援の適時展開を求める911緊急通報を処理することを可能にする。無線E911では、位置は座標である。FCCは2つのフェーズでE911を発表した。1998年に、フェーズIは、移動電話キャリア会社が発信者の電話番号と、1マイル未満の精度での信号塔又はセルとを識別することを要求した。2001年に、フェーズIlは、米国で事業を行っている各移動電話会社が、ALI(自動位置識別)と呼ばれる発信者の地理的位置が100m未満の精度で提供されるように携帯電話又はネットワークのいずれかに基づく位置検出能力を提供しなければならないことを要求した。
フェーズIで要求されるような移動発信者(MC)の位置を決定するいくつかの方法が既知である。これらの方法は、広域配列の複数のアンテナと互いに連動する無線通話機とが採用され、移動発信者は無線通話機/アンテナによりカバーされるエリアにいるかぎりいつでも位置が特定され得るため、「ネットワークに基づく」方法と呼ばれる。そのような方法では、通常、ALIに含まれる移動装置に求められる修正は最小となる。しかし、現在のネットワークに基づく方法はあまり正確でなく、また屋内環境では特に良好な機能を発揮するとは言えない。
例えば、2つ(又は3つ以上)の基地局アンテナで受信された信号の到来角(AOA)を測定することが知られており、アンテナの既知の位置と受信された信号の到来角とを用いて三角法計算(trigonometric calculation)により発信者の座標が確立される。
3つ(又は4つ以上)のネットワーク・アンテナにおいて発信者の携帯電話機により発せられた信号の到着時間(TOA)を測定することによりMCの位置を識別することも知られている。前記移動発信者の位置は、次に、これらのアンテナの位置と、前記3つのTOA測定値と、信号の速度(電磁波/光の速度)とを知ることで決定することができる。これは、固定点(移動発信者の位置)から一定の既知の距離(レンジ)にある複数点の幾何学的軌跡を決定することにより行われる。レンジはTOAから決定される。この方法では2つの点が得られるので、この不正確さを除去するため又はクロック不一致(clock discrepancy)を補償するために第4のアンテナが使用されることがある。
他のネットワークに基づく解決方法は、基地局から携帯電話機に送られる信号の往復遅延、換言すると、基地局からの信号の送信と携帯電話機からの応答の受信との間の経過時間を基地局で測定することにより、携帯電話機の位置を提供する。この往復遅延は、次に、基地局及び携帯電話機間の距離を評価することに用いられる。基地局で測定された距離及びTOAは、携帯電話機の座標を推定するために用いられる。
しかし、到来角、到着時間及び往復遅延は、見通し距離の測定値(UEユニットと複数のアンテナとの間の直線距離)に基づいており、山岳地域又は高層ビル及び他の障害物が近在する都市部では、これを決定することは困難であるか不可能である。したがって、これらの方法で得られる結果は正確でない。加えて、発信者の位置は、特に屋内発信の場合にはあまり正確でない。
現在、前記E911技術のフェーズIIは、主に、発信者装置に組み込まれた全地球測位システム(GPS)を用いて実装されている。GPSユニットはモバイル機器に組み込まれ、通常、複数のGPS衛星群(すなわちGPS/NAVSTAR)から同時に送信される信号が到着する相対時間を計算することによりその位置を決定する。これらの衛星群は、衛星位置特定データとクロックタイミング又は「天体位置表」データのようなGPS支援データとの双方を送信する。ローミング装置が地上(例えば自動車内に搭載)にあることが知られていれば、適当な地形学を用いて、TOAの計算をさらに正確にするための付加的な基準「球面」として地球を用いることができる。
しかし、複数のGPS信号を検索及び取得し、複数の衛星群の天体位置表データを読み取り、このデータから受信機の位置を計算する処理は時間がかかり、数分間を要することが多い。多くの場合、この長い処理時間は、特に、911派遣センターのために位置を決定する緊急の状況では、容認し難い。加えて、GPSを利用するにはモバイル機器はGPSが利用可能でなければならならないが、常にGPSが利用可能であるというわけではない。また、モバイル機器にGPSユニットを装備するとコストが増大し、多くの人にとって法外に高い価格となる虞がある。さらにまた、GSP受信機は、屋内等の特定の環境下又は衛星信号が不通の場所では適切に作動しない。
上記の全ての方法は、小型、低価格、及び低出力のローミング装置を使用する発信者の位置を無線を使って決定する問題に対する満足な解決策を未だ提案していない。また、現在の方法及びシステムは、広い地域にわたって良好に動作するには、専用の基幹施設を必要とする。
したがって、モバイル機器のユーザに提供されるサービスを向上させるために、及び特に米国のFCCによるE911規則に関して、位置決定を改善する必要性は未だ存在する。
本発明の目的は、FCCの要求に準拠して移動発信者の位置を決定するための方法及びシステムを提供することにある。
本発明の他の目的は、専用の基幹施設を求めることなしに、安価でありかつ広い地域にわたって適用可能である移動発信者の位置決定方法及びシステムを提供することにある。
したがって、本発明は、無線アクセスネットワークを通して特定の周期的ビット列を送信する2つ又は3つ以上の基地送受信局(BTS)のカバレッジエリア内で動作するユーザ装置(UE unit)ユニットの位置を決定するための方法であって、a)前記ユーザ装置ユニットにおいて、前記特定の周期的ビット列を検出するために前記BTSから受信した着信トラフィックを監視すること、b)前記特定の周期的ビット列から、前記UEユニットの相対位置を2つ又は3つ以上の前記BTSに搬送する少なくとも2つの位置パラメータを決定すること、c)前記UEユニットの地理的座標を確立するために前記位置パラメータを処理することを含む、位置決定方法を提供する。
また、本発明は、第1及び第2のアンテナが装備されたユーザ装置(UE)ユニットのための位置識別モジュールであって、
前記着信トラフィックを監視しかつ少なくとも2つの隣接する基地送受信局(BTS)から受信した特定の周期的ビット列を識別するための監視部と、前記BTSのそれぞれからの前記UEユニットの相対位置を搬送する2つの位置パラメータを前記特定の周期的ビット列から決定するための位置パラメータ計算装置と、前記2つの位置パラメータを処理し前記UEユニットの地理的座標を確立する座標推定器とを含む、位置識別モジュールを提供する。
本発明の他の発明によれば、無線アクセスネットワーク内の基地送受信局(BTS)の複数のアンテナのカバレッジエリア内で動作するユーザ装置(UE)ユニットであって、特定の周期的ビット列をアップリンクに送信するUEユニットの位置を決定するための方法が提供される。この方法は、i)前記BTSにおいて、前記特定の周期的ビット列を検出するために2つの受信アンテナを通して前記UEユニットから受信した着信トラフィックを監視すること、ii)第1及アンテナび第2アンテナとしてそれぞれ受信された前記特定の周期的ビット列から第1位置パラメータ及び第2位置パラメータのそれぞれを測定すること、iii)前記UEユニットの地理的座標を確立するために前記BTSにおいて前記第1位置パラメータ及び第2位置パラメータを処理することを含む。
さらに、本発明は、無線アクセスネットワーク内で動作する、第1アンテナ及び第2アンテナを有する基地送受信局(BTS)のための位置識別モジュールを提供し、前記モジュールは、前記第1アンテナで受信された前記着信トラフィックを監視し、前記BTSのカバレッジエリア内に位置する前記ユーザ装置(UE)ユニットから受信した前記特定の周期的ビット列を識別し、第1位置パラメータを決定するための第1監視部と、前記第2アンテナで受信された前記着信トラフィックを監視し、前記UEユニットから受信した前記特定の周期的ビット列を識別し、第2位置パラメータを決定するための第2監視部と、2つの前記位置パラメータを処理し前記UEユニットの地理的座標を確立するための座標推定器とを含む。
本発明においては一般に自動位置識別用のGPSを携帯電話機に装備する必要がなく、したがって低コストのユーザ装置がそれ自体の位置を容易に特定できることが、本発明の特長である。加えて、ワイマックス規格の導入以来、無線ネットワークの動向は、3GPP LTE及びUMBシステム等の次世代の無線ネットワークに同様の技術を導入するところにある。このように、本発明は、また、3GPP LTE及びUMBシステムにも適用可能である。
本発明に係る方法及びシステムの他の特長は、本発明により、ワイマックス装置を用いて、ワイマック・スシステム内で、E911の位置特定に基づくサービスの実施が可能となることである。本発明は、特に小規模のワイマックスBT又は複数のアクセスポイント及びフェムト(Femto)BTSが一旦設置されると、ある特定の環境、特に、推定ではワイマックス及び911サービスのユーザの80%が位置する屋内環境では、GPSを良好に補完するか、又はGPSに取って代わるものとなる。
以下の図面を参照しつつ、本発明を説明する。なお以下の図面では、同様の参照番号は対応する部分を示すものである。
モバイル・ワイマックス・システムのためのフレームの一例を示す図である。 1024−FFT(高速フーリエ変換)を用いる10MHzの周波数帯域におけるOFDM変調のためのプリアンブルの構造の一例を示す図である。 ユーザ装置(UE)ユニットが、ワイマックスダウンリンクフレームに本質的に存在するプリアンブル又はパイロットトーンを用いてその位置を決定する、本発明の他の実施例を示す図である。 ユーザ装置(UE)ユニットが、ワイマックスダウンリンクフレームに本質的に存在するプリアンブル又はパイロットトーンを用いてその位置を決定する、本発明の他の実施例を示す図である。 UEユニットがワイマックス・システムに本質的に存在するプリアンブル又はパイロットトーンの到来角を用いてその位置を決定する、本発明の他の実施例を示す図である。 本発明の一実施例に係るユーザ装置のブロック図である。 ユーザ装置の位置が、UEユニットに本質的に存在する2つのアンテナを使用して複数の基地局間の協働により決定される、本発明のさらに他の実施例を示す図である。 基地局が、UEにより送信されるレンジングコード(ranging code)を用いてUEユニットの位置を決定する、本発明の一実施例を示す図である。 本発明のさらに他の実施例に従って、複数のアンテナを有する基地局がUEユニットの位置を識別する方法を示す図である。 本発明の一実施例に係る基地局のブロック図である。 複数の位置特定要求及びUEユニット識別情報をBTSに送信するためのアップストリーム・サブフレームにおける付加的なシンボルの使用を示す図である。
本明細書において、用語「移動発信者」又は「発信者」は、無線ネットワーク/サービスプロバイダにより提供されるサービスに現在アクセスしているユーザを指すために使用される。用語「ユーザ装置(UEユニット)」、「モバイル機器(MD)」又は「移動局(MS)」は、ディジタル形式の又はアナログ形式の情報の交信のための無線又は有線のネットワークに接続するために加入者により使用される送受話器、電話機、ノート型パソコン及び他の無線装置等の無線対応装置を指すために使用される。
用語「基地局(BS)」又は「基地送受信局(BTS)」は、無線の及び/又は有線の通信ネットワークへのモバイル機器の無線アクセスを容易にする無線アクセスネットワーク(WAN)における装置を指す。用語「アクセスポイント(AP)」は屋内アクセスポイントを指し、これにより、無線の又は有線のネットワークへの屋内UEユニットの接続が可能となる。BTS及びAPは本発明の観点から同じような方法で動作し、そのため、用語「BTS」は「AP」も含む。本明細書は、現在、アクセスネットワークにUEユニットを接続する基地局に対して用語「サービスBTS」を使用する。用語「隣接BTS」は、UEユニットに直接隣接するBTSに使用する。UEユニットは隣接BTSのカバレッジエリア内にある。この用語は、サービスBTSも含む。
用語「アップリンク」及び「ダウンリンク」の広く認められている意味は本明細書を通して使用される。すなわち、「アップリンク」はUEからBTSへのトラフィック方向を指し、また「ダウンリンク」はBTSから1つ又は2つ以上のUEへのトラフィックを指す。用語「着信トラフィック」は、相対的な用語であり、アップリンク又はダウンリンクで特定のネットワークエンティティに到達するトラフィックである。
本発明は、特にE911システムに関連するが、他のタイプの既存の又は新生の位置特定システム及びサービスに対するUEユニットの位置特定にも等しく適用され得る。E911サービスは、このサービスが近年、802.16e(モバイル・ワイマックス)導入の到来と共に、ワイマックス・サービスプロバイダの必須条件となってきたために、本明細書で言及されている。
また、本発明は、ワイマックス・システムに限定されるものではなく、後述するように、ダウンリンクサブフレームにおける所定の(特定の)周期的なビット列のブロードキャストを義務付け及び/又はアップリンクサブフレームにおける特定の周期的なビット列の送信を要求する、他の既存の又は新生の無線技術とともに用いられ得るものである。このような無線ネットワークの例は、3GPP LTE及びUMBシステムである。
図1Aはワイマックス・フレーム10の一例を示し、また下り回線サブフレーム11と、上り回線サブフレーム12とを示す。ダウンリンクサブフレーム10により示されるBTSからUEユニットへの方向に、BTSが、セル/セクター識別、周波数再利用ファクタ、同期及びチャネル性能の評価のためにUEユニットにより使用される、プリアンブル13を送信する。このプリアンブルは128個の特徴的パターンの1つを有する。BTSが送信する各セクターが、セルIDを用いて、プリアンブルにおいて識別される。したがって、隣接する複数のセルまたはセクターは、UEユニットがセルまたはセクターを他から区別することができるように、異なる複数のパターンを有する。最初の同期操作は、プリアンブルを検出するために、前記プリアンブルの時間領域レプリカの自己相関を観察することにより前記フレームの開始を決定する。通常、プリアンブルは増大出力(例えば、データ信号より2.5dB高い)で送信される。
図1Bは、FTT−1024改良型に関するモバイル・ワイマックスで使用されるサブキャリアを示す。この実施例では、11.2MHzの全伝送帯域が1024個のビン(bin)に分割され、その間で中間の852個のビンがプリアンブルを保持するために使用される(DCビンが「0」を保持する)。
これらの852個のビンは、さらに、次の方程式を適用することにより、3つのセクターについて3つのセットに分割される(先に示したように、1セクター内のBTSが、他の2つのセクター内のBTSからの異なるプリアンブルを送信する)。
PreambleCarrierSetn=n+3k 方程式1
ここにおいて、PreambleCarrierSetnは、キャリア・セットnにおけるキャリア/ビン数であり、nは0,1,2,・・・等のインデックスを付されたプリアンブルキャリア・セットの数であり、また、kは0から283までの連続するインデックスである。
より正確には、852個のキャリア/ビンは次のように3セットに分割される。
キャリア・セット0:0,3,6,9,・・・・・,849
キャリア・セット1:1,4,7,10,・・・・,850
キャリア・セット2:2,5,8,11,・・・・,851
このように、各セットは284個のキャリアを有し、実際のDCキャリア数512はキャリア・セット0に属するプリアンブルキャリア426に位置する。各プリアンブル・コードは、各システム(BTS)が展開されるとき、1つのセクターにあらかじめ指定され割り当てられる。ダウンリンクフレームのプリアンブルは、ここでは一般的にダウンリンクの「特定の周期的ビット列」とよばれ、一方、用語「特定の」はビット列が受信機に知られていることを示すために使用され、また、用語「周期的」はビット列がダウンリンクで(各ダウンリンクフレームとともに)周期的に送信されることを示すために使用される。
図2A、図2B及び図3は、UEがその位置の座標を識別し、その座標を緊急通報受信センタ(PSAP)等への発信と共に送信する、自動位置識別(ALI)方法を示す。図2A及び図2Bは、UEユニットが、ワイマックスダウンリンクサブフレームにおいて受信したプリアンブルを用いてその座標を決定する、本発明の一実施例を示す。ここで、UEユニットは、位置UE(x,y)からそのサービスBTSへ「911」発信等を発信する(ただし、xおよびyは、USユニットの座標(未知)である)。UEユニットは少なくとも3つのBTS、すなわちBTS1で示されたサービスBTSと、BTS2及びBTS3で示された2つの隣接BTSとのから近距離に存在する。3つのBTSの座標は既知であり、多くの場合、これらはBTSに組み込まれたGPS装置を用いて確定される。各BTSの位置は、BTS1(x1,y1)、BTS2(x2,y2)及びBTS3(x3,y3)で表示される(x1,y1、x2,y2及びx3,y3は各座標である)。
上に示したように、各BTSはダウンリンクフレームにおいて特定のビット列を周期的に送信する。この実施例において、この既知の周期的ビット列は各セクターについてのダウンリンクプリアンブルであり、これらはそれぞれプリアンブル1、プリアンブル2及びプリアンブル3と示されている。UEユニットは、プリアンブルを識別するために着信トラフィックを常に監視する。BTS1、BTS2及びBTS3に対する距離が異なるため、UEユニットは異なる時間に3つのBTSからプリアンブルを受信する。これらの到着時間をTOA1、TOA2及びTOA3と表示する。
UEユニットは、これらのプリアンブル、BTS2及びBTS3から受信したプリアンブル2及びプリアンブル3の到着時間をサービスBTS1から受信したプリアンブル1の到着時間とに整列させる。図2Bにおいて、プリアンブル1の到着及びプリアンブル2の到着の間の時間差がT12で示され、プリアンブル1の到着及びプリアンブル3の到着の間の時間差がT13で示されている。これらの時間差は一般的に「位置パラメータ」と呼ばれ、また、これらは、BTSに対するUEユニットの相対位置を本質的に含む。UEユニットの地理的位置が2つの未知の値(UEの座標x及びy)により完全に決定されるため、2つのそのような位置パラメータは座標x,yを決定するのに十分である。
T12及びT13を決定するため、UEユニットはプリアンブル2及びプリアンブル3のローカルコピーを生成し、これらのコピーからのデータブロックを、サービスBTSから受信したプリアンブル1からのデータブロックと相互に関連付ける。この相互関連付けは、時間領域又は周波数領域のいずれかにおいて行うことができる。ユーザ装置はその位置(x,y)を得るために次の2つの未知数(x及びy)の方程式を解く。
Figure 0005665545
方程式2
ここにおいて、νは光の速度(3x10m/s)である。
UEユニットの地理的座標(x,y)が決定されると、位置データが、位置識別の認知範囲に照らしてPSAP又は他の関連サービスに送信される。例えば、911発信は、北米では緊急サービス派遣に送られる。PSAPはさらに、この情報を処理し、例えば各地域又は所在地住所等の地図を用いて、発信者の位置に関する実際上の詳細を確立する。
プリアンブルと同様に、BTSは基準キャリアのダウンリンクフレームにおいてパイロット信号も送る。異なるサブチャンネル化方式は、伝送帯域におけるパイロットの位置及び番号、及びその保持するデータ関して、異なるパイロットの設計を有する。各セクターのパイロットは、セルIDに基づいて確立された疑似ランダムビット列と関連付けられている。セクターの各パイロットが同一の所定基準シンボルを保持するため、UEユニットは、各プリアンブルからセルIDを識別することによりセクターのパイロットを認識することができる。プリアンブルのように、パイロットもまた増大出力(データ信号より2.5dB高い)で送信される。
パイロットキャリアの大きさ及び位相は受信機に知られているため、ワイマックスシステムにおいて、時間及び周波数の同期化、チャネルの推定、信号対干渉/雑音比の測定等に使用される。10MHz、モバイル・ワイマックスのFTT‐1024変形に関して、120個のパイロットが各OFDMシンボルに挿入されている。これらのパイロットの属性は、プリアンブルについて図2A及び2Bで前述したように、モバイル機器の地理的座標を決定するために本発明において使用される。
本発明は、また、位置パラメータT12及びT13を測定するためにワイマックスダウンリンクパイロットを使用することも提案する。これらのパイロットはダウンリンクの「特定の周期的ビット列」として一般的に呼ばれている。この場合、T12及びT13は、隣接基地局BTS2及びBTS3から受信したパイロットの到着時間と、サービス基地局BTS1から受信したパイロットの到着時間との間の時間差を提供する。
本発明は、上述したプリアンブル及びパイロットの実施例の1つを用いてUEユニットの座標を確立することに限定されないことに注意すべきである。むしろ、UEユニットはプリアンブル及びパイロットの方法の双方を使用することができる。加えて、UEユニットは、その位置を決定するために、他の無線通信技術(現在の又は新生の)のダウンリンクフレームにおいて周期的に送信される既知のパターンの他の任意のビット列を使用してもよい。
また、上述したように、モバイル・ワイマックス規格は、携帯電話機に半波長の距離を隔てられた最低限2つのアンテナが装備されていることを求める。図3に示す実施例において、UEユニットは、ワイマック・スシステム(及び他の新生の無線システム)でBTSにより本質的にブロードキャストされるダウンリンクの特定の周期的ビット列(プリアンブル、パイロット、又は双方)を用いて、その位置を決定する。上述の例におけるように、UEユニットは、隣接基地局から受信するダウンリンク送信を継続的に監視する。各アンテナA1およびアンテナA2は、異なる到来角(AOA)でBTS1、BTS2及びBTS3から信号を受信する。UEユニットはこれらの2つのアンテナで受信する最も強い2つの信号を選択する。ここで、最も強い2つの信号が、BTS1(x1,y1)に位置するサービス局BTS1から受信したパイロット又はプリアンブルと、BTS2(x2,y2)に位置する基地局BTS2から受信したパイロット又はプリアンブルとであると仮定する。次に、UEユニットは、これらの2つの信号の到来角AOA1及びAOA2を推定し、2つの未知数の一時方程式を解くことにより座標x及びyを決定する。
Figure 0005665545
方程式3
前述したように、地図又は他の任意のタイプの既知の位置データを用いて、座標を使用して詳細な位置情報を確立する。例えば、UEユニットにGPSが装備されているときは、位置(x,y)の詳細がUEユニットにより詳述され、911オペレータ(又は他の任意の関連関係者)に自動的に送信される。そのような詳細は、救助隊に対する指示を含む所在地住所又はビル、階等の発信者の屋内位置に関する詳細を含んでもよい。この情報は、発信者が居住地域に居ない場合、地理的座標に関する説明も含んでもよく、又は迅速にその位置を突き止めるように救助隊を支援するための関連する任意の目印への方角を含んでもよい。この実施例が屋内の発信者の位置を決定するために推奨できることにも注意すべきである。
図4は、UEユニットを無線アクセスネットワーク接続するアクセス・ネットワーク・インターフェース41と、データの通信及び処理のための送受信機45と、ユーザによるUEユニットの操作を可能にするユーザ・インターフェース48とを示すUEユニットのブロック図を示す。大まかには、トラフィックのダウンリンク方向(BTSからUE)に関しては、インターフェース41が、アンテナ1及び/又はアンテナ2を通じて複数のBTSから受信したダウンリンクフレームの処理を担当する。送受信機45の受信側はダウンリンクサブフレームからデータを抽出して処理し、送受信機45の送信側は処理されたデータをユーザ・インターフェース48を通してユーザに提供する。
図4は、本発明の一実施例に関連する処理部を含む位置識別モジュール40を示す。監視部42は着信トラフィックを監視し、特定の周期的ビット列(プリアンブル又はパイロット)を検出し、それを送信したBTSを識別する。位置パラメータ計算装置43は、2つ又は3つ以上のBTSに対するUEユニットの相対位置を本質的に保持する2つの位置パラメータを複数のBTSから受信したビット列から決定する。例えば、前述したように、位置パラメータは、図2Aに示す実施例に関してはT12及びT13であってもよく、又は/及び、図3に示す実施例に関してはAOA1及びAOA2であってもよい。位置パラメータは次に座標推定器44に提供される。
TOAの実施例(図2A)に関して、各ビット列のコピーは、座標推定器部44がT12及びT13を決定するためにサービスBTSから受信したビット列と、ビット列のコピーとを関連付けることができるように、一時的にメモリ49に保存される。、次に座標推定器44は方程式2を用いてT12及びT13に基づいて、UEユニットの座標を決定する。あるいは、監視部が到来角を提供する場合、座標推定器44は方程式3を用いてUEユニットの座標を決定する。
図4は、座標推定器の動作を可能にするための汎用メモリであるスタンドアロン型のメモリ49も示す。例えば、メモリ49は、UEユニットが複数のBTSの既知の座標に基づいてUEユニットの座標を算出することができるように、サービス基地局の座標及び隣接BTSの座標を一時的に保存するように使用されてもよい。UEユニットが各発信を開始した後、メッセージングを通してUEユニットに送信された場合、BTSの地理的位置もメモリ49に一時的に保存されてもよい。あるいは、メモリ49は、UEユニットがアクセスネットワークがサービスを提供するエリアに入ると、各アクセスネットワークに存在するBTSのリストを保存してもよい。BTSの座標を取得するための他の方法も可能であるが、これらの方法は本発明の範囲を超えている。また、メモリ49は、UEユニットに既に存在する他のメモリで実装されてもよいことも述べておく。
位置発信プロセッサ47は、911発信等を識別し、座標推定器44から受信した座標情報を発信と関連付け、発信を座標情報と共に関連関係者(例えばPSAP)に送信するために設けられている。図4に示すように、この情報は正規の発呼としてアクセス・ネットワーク・インターフェースを通して送信することができ、また、別個の直通リンクを通してPSAPに直接に転送されてもよい。発信を座標情報と共に送信するための他の任意の適当な装置は可能である。ユーザ装置に例えばGPSが装備されている場合、プロセッサ47は所望により前記座標情報についての詳細をさらに付加してもよいことにも注意すべきである。あるいは、詳細な位置情報はPSAPで集められてもよい。しかしこれらの詳細は本発明の範囲を超えるものである。
本発明のさらなる実施例は、UEユニットの座標が、アップリンクサブフレームにおいてUEユニットによりBTSに本質的に提供される情報に基づいて決定される、ネットワークに基づく方法である。アップリンクフレーム12(図1A参照)は、異なるユーザからのいくつかのアップリンクバースト15、15’、15”で構成されている。アップリンクサブフレームの一部は、BTSが、ネットワークに入る間またその後に周期的に、閉ループの周波数、時間及び出力の調整を行うことができるようにするレンジング(ranging)チャネル14のために主に使用されるコンテンション(contention)に基づくアクセスのために確保されている。レンジングの基本的なメカニズムは、ネットワークにより規定されたレンジング機会においてランダムに選択されたレンジングスロット上で、特定のレンジングチャネルでランダムに選択された符号分割多重アクセス(CDMA)コードをUEユニットが周期的に送信することに関する。したがって、UEユニットがネットワークに接続した後、接続の様々な段階の間、レンジングコードはUEユニットにより周期的に送信される。多数のコードが、例えば初期レンジング、ハンドオーバーレンジング、周期的レンジング、帯域幅要求レンジング等(これらのレンジングモードは現在ワイマックス規格に規定されている)の各レンジングモードに割り当てられる。1つのBTSは、各レンジングモードにおける各UEユニットのレンジング信号を監視し続け、次にUEユニットに対して、タイミング(進捗又は遅延)、出力レベル、周波数オフセット等の伝送パラメータを調整するように指示し、又はUEユニットに対して命じられた方法で応答するように指示する(例えば、割り当てられた無線リソースにおいてBTSに既知の信号を連続的に繰り返し送信する)。
本発明はワイマックス・システム、又は特定の周期的ビット列(周期的なレンジング、帯域幅要求レンジング等)を用いる他の任意のシステムに特有のレンジング信号を活用する。さらに、本発明によれば、新たな「位置レンジング」信号が位置識別のために割り当てられてもよい。この新たな位置レンジング信号は、UEユニット上の特殊用途ボタン(例えばE911ボタン)を押すことにより、トリガされる。要約すると、レンジング信号は、一般的にアップリンクの「所定周期的ビット列」と呼ばれ、無線ネットワーク内でUEユニットの位置を特定し追跡するための非常に重要なリソースである。
図5に示す実施例に見られるように、3つの隣接基地受送信局BTS−A(サービスBTS)、BTS−B及びBTS−CがUEユニットからレンジングコードを受信し、この信号を用いて三角測量を行う。全てのBTSがGPSと同期しているため、BTSは、UEユニットがレンジングコードを送信した時間と、クロックにより提供されるレンジングコードの到着時間とを比較することにより、UEユニットまでの距離(ただしUEユニットの座標ではない)を推定することができる。これは、BTSが常にレンジングコードを追跡しているために可能である。
基地局及びUEユニットの位置について、前述したと同様の表記法、すなわち、BTS−A(x1,y1)、BTS−B(x2,y2)、BTS−C(x3,y3)及びUE(x,y)を用いることとする。各BTSはレンジングコードの到着時間TOAを推定する。すなわち、BTS−AはTOA−Aを決定し、BTS−BはTOA−B決定し、BTS−CはTOA−Cを決定する。基地局BTS−A及びBTS−Bは、点線の矢印5および矢印6で示すように、サービスBTS−Aに推定値を送信し、BTS−AはレンジングコードがUEユニットによって発信された時間の情報を得て三角測量を行う。BTS−Aは三角測量の結果としてUEユニットの座標(x,y)を確立する。
本発明のさらに他の実施例を図6に示す。この実施例では、BTS26は分散アンテナシステムを有し、図6では2つの受信アンテナが符号20及び30で示されている。これらのアンテナの座標(x1,y1)及び(x2,y2)は既知であり、これらのアンテナ間の距離は、波長に対して大きいが、UEユニット及びBTS間の距離に対しては比較的小さい。BTSは、同一のレンジングコード(アンテナ20及び30に対する(レンジングコードはBTSに知られている送信時間に基づいて識別される))の到着時間を推定することにより、円55及び円60を表わす方程式を確立する。次に、BTSは、2つの円の交点を算出し、これにより、方程式4に示すように、UEユニットの座標(x,y)が求められる。
Figure 0005665545
方程式4
方程式4を解くと、2つの解が得られ、両アンテナの前の位置が結果として選択される。
図7は、ワイマックスBTSにおける複数のアンテナを活用する、本発明のさらに他の実施例を示す。この変形において、BTS25はアンテナ20におけるレンジングコードの到来角を推定し、アンテナ30に対する携帯電話機までの距離(レンジ)を推定する。上に示したように、UEユニットとBTSとの間の距離を決定することは公知であるが、この位置パラメータは、UEユニットが位置しうる円50を確立することができるにすぎない。第2の位置パラメータ(この実施例においてAOA)をさらに決定することにより、BTS25はアンテナの平面70までの距離「d」、次いでUEユニットの地理的座標(x,y)を決定することができる。この決定は、既知であるBTS及びアンテナの地理的座標に基づくものである。
BTSがUEユニットの座標を決定すると、その情報は「911」発信に追加され、これによりオペレータは、上述したように、地図又は他の任意のタイプの既知の詳細な位置情報を使用して発信者の正確な位置を決定することができる。
図8は、本発明の一実施例に係るユーザ装置のブロック図である。この図は、アップリンクサブフレームにおいて受信されたレンジングコード(所定の周期的ビット列)を処理することに基づいてUEユニットを検索することに関連する処理部を示す。
図4に示す場合のように、図8は基地送受信局の処理部、すなわちBTSがUEユニットと通信する無線アクセスネットワークとのインターフェース81と、BTSと無線の又は有線の通信ネットワークとの間のインターフェース88とを全体的に示す。送受信機84は、例えばアップリンク方向に関しては、アクセスネットワークから受信したフレームからデータを抽出し、そのデータを処理し、それを再構成して通信ネットワークを通して宛先に向けて送信する等の、BTSに期待される機能性を全体的に示す。もちろん、BTSは他の様々な通信シナリオを可能にするが、これらは本発明の範囲を超えるものである。図8は、無線アクセスネットワーク(WAN)側にアンテナ1及びアンテナ2で示された2つの受信アンテナも示す。
図8に示す本発明の実施例において、BTSは、第1監視部82と第2監視部83とを含む位置識別モジュール80を含む。これらの監視部は、アンテナ1及びアンテナ2によりそれぞれ受信された着信トラフィックにおける特定の周期的ビット列(ここでは、アップリンクサブフレームからのレンジングコード)を識別する。例えば、図6に示す実施例に関しては、監視部により決定された位置パラメータは、アンテナ1におけるレンジングコードの到着時間TOA1と、アンテナ2におけるレンジングコード到着時間TOA2とである。あるいは、位置パラメータは、図7に示す実施例に関しては、アンテナ1におけるレンジングコードの到来角と、アンテナ2からのUEユニットまでの距離とである。
図5に示す実施例に関しては、監視部82はUEユニットからBTSで受信したレンジングコードのTOAを検出し、監視部83は、2つの他のBTSにより測定され、ダウンリンクフレームでBTSに送信された(図5で矢印5及び矢印6により示されているように)TOAを識別する。BTSに両方の測定を行う1つの監視部が組み込まれ得ることも注意すべきであるが、これは設計上の好みの問題である。
図5に示す実施例においては、位置パラメータ送受信機部89が、隣接BTSにより送信された任意の位置パラメータを受信し認識するため、及びBTSにより測定された位置パラメータを隣接BTSに送信するために、使用される。あるいは位置パラメータは、位置が決定されるUEユニットにサービスを提供するBTSからの要求に応じてBTSにおいて隣接BTSから受信され、又は送信されてもよい。
また、位置識別器モジュール80は、監視部又は送受信機89から受信した測定値に基づいてUEユニットの座標を決定する座標推定器85も含む。例えば、座標が、図5に示す実施例におけるように、TOA推定値に基づいて決定される場合、座標推定器85は(x,y)を取得するために三角測量を行ってもよい。位置パラメータが図6に示す実施例におけるようにレンジングであるか、又は図7におけるようにレンジング及び到来角である場合、座標推定器は前述したように適当な計算を行う。
UEユニットの地理的座標が決定されると、位置発信プロセッサ86により示されるように、BTSは地理的座標を発呼911発信(又はこれと同様のもの)に挿入し、次に、位置情報を有する発信が、位置送信機87により示されるように、宛先へ切り替えられ、救急サービスの又はPSAPのオペレータが発信を適宜に処理する。
上に示したように、本発明の一実施例において、UEユニットは、位置決定に関連するものとしてBTSにより認識される、本明細書で「位置レンジング」コード/信号と称される特定の信号をBTSへ送信することができる。これは図9に示されており、アップリンクサブフレームは第1レンジングコード90と位置レンジングコード92とを提供する。位置レンジングコードは、例えばUEユニットの識別と地理的位置の要求とを含んでもよい。、この信号はBTSに既知である。位置レンジングコードの送信はユーザにより開始されてもよく、あるいは予め定められた時間間隔で自動的に行われてもよい。例えば、位置レンジングモードにおいて、UEユニットは2つのOFDMシンボルを使用ししてもよい。ここにおいて、第1OFDMシンボルは、それぞれ144ビットの位置レンジングコードを含む一方で、第2OFDMシンボルは、最大で144ビットの発信者ID及び/又は要求を含む。

Claims (15)

  1. 無線アクセスネットワークを通して特定の周期的ビット列を送信する2つの又は3つ以上の基地送受信局(BTS)のカバレッジエリア内で動作するユーザ装置(UE)ユニットの位置を決定するための方法であって、前記方法は、
    a)前記ユーザ装置において、前記特定の周期的ビット列を検出するために前記BTSから受信した着信トラフィックを監視するステップと
    b)前記特定の周期的ビット列から、前記UEユニットの相対位置を2つの又は3つ以上の前記BTSに搬送する少なくとも2つの位置パラメータを決定するステップであって、前記決定するステップは、前記UEユニットの第1アンテナにおいて、第1BTSからの前記特定の周期的ビット列の第1到来角(AOA1)として、第1位置パラメータを決定するステップと、前記UEユニットの第2アンテナにおいて、第2BTSからの前記特定の周期的ビット列の第2到来角(AOA2)として、第2位置パラメータを決定するステップと、を含む、ステップと
    c)前記UEユニットの地理的座標を確立するために前記位置パラメータを処理するステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記ステップb)は、
    1、第2及び第3のそれぞれのBTSからの前記特定の周期的ビット列の第1到着時間(TOA1)、第2到着時間(TOA2)及び第3到着時間(TOA3)を確立するステップと、
    前記第1到着時間と前記第2到着時間との間の第1時間差(T12)として第1位置パラメータを決定するステップと、
    前記第1到着時間と前記第3到着時間との間の第2時間差(T13)として第2位置パラメータを決定するステップと、
    を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ステップc)は、
    前記UEユニットにおいて、前記BTSの地理的座標を取得するステップと、
    前記第1時間差(T12)及び前記第2時間差(T13)と前記BTSの前記地理的座標とに基づいて、前記UEユニットの地理的座標を確立するステップと、
    を含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記ステップc)は、
    前記UEにおいて、前記BTSの地理的座標を取得するステップと、
    前記第1到来角(AOA1)及び前記第2到来角(AOA2)と前記BTSの前記地理的座標とに基づいて、前記UEユニットの前記地理的座標を確立するステップと
    を含む、請求項に記載の方法。
  5. 前記第1BTS及び第2BTSは、前記第2アンテナにおける前記周期的ビット列の強さに基づいて選択される、請求項に記載の方法。
  6. 前記無線アクセスネットワークは、ワイマックス、3GPP LTE及びUMBネットワークのうちの1つである、請求項1に記載の方法。
  7. 前記特定の周期的ビット列は、各前記BTSにより前記ダウンリンクサブフレームにおいて送信されるプリアンブルである、請求項1に記載の方法。
  8. 前記特定の周期的ビット列は、各前記BTSにより前記ダウンリンクサブフレームにおいて送信されるパイロットトーンである、請求項1に記載の方法。
  9. 前記地理的座標を、前記UEユニットに生成された緊急発進に追加するステップと、
    前記UEユニットから緊急通報受信センタへ前記発信を送信するステップと、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  10. 第1アンテナ及び第2アンテナが装備されたユーザ装置(UE)ユニットのための位置識別モジュールであって、前記位置識別モジュールは、
    前記着信トラフィックを監視し、少なくとも2つの基地送受信局(BTS)から受信した特定の周期的ビット列を識別するための監視部と、
    前記各BTSから前記UEユニットの前記相対位置を搬送する2つの位置パラメータを前記特定の周期的ビット列から決定するための位置パラメータ計算装置であって、前記位置パラメータ計算装置は、前記第1アンテナにおいて第1BTSから受信した前記特定の周期的ビット列の第1到来角として、第1位置パラメータを決定するための手段と、前記第2アンテナにおいて第2BTSから受信した前記特定の周期的ビット列の第2到来角として、第2位置パラメータを決定するための手段と、を備える、位置パラメータ計算装置と、
    前記2つの位置パラメータを処理し、前記UEユニットの地前記理的座標を推定するための座標推定器と
    を含む、位置識別モジュール。
  11. 前記位置パラメータ計算装置は、
    第1、第2及び第3のそれぞれのBTSからの前記特定の周期的ビット列の第1、第2及び第3の到着時間(TOA1,TOA2,TOA3)を確立するための手段と、
    前記第1到着時間と前記第2到着時間との間の第1時間差(T12)として、第1位置パラメータを決定し、前記第1到着時間と前記第3到着時間との間の第2時間差(T13)として第2位置パラメータを決定するための手段と
    を含む、請求項10に記載の位置識別モジュール。
  12. 前記座標推定器は、
    前記基地局の前記地理的座標を一時的に記憶するためのメモリと、
    前記第1時間差及び第2時間差と前記BTSの前記地理的座標とに基づいて、前記UEユニットの前記座標を確立するための手段と
    を含む、請求項11に記載の位置識別モジュール。
  13. 前記座標推定器は、
    前記BTSの前記地理的座標を一時的に記憶するためのメモリと、
    前記第1到来角及び前記第2到来角と前記BTSの前記地理的座標とに基づいて、前記UEユニットの前記座標を確立するための手段と、
    を含む、請求項10に記載の位置識別モジュール。
  14. 前記地理的座標を、前記UEユニットに生成された緊急発信に追加し、前記UEユニットから緊急通報受信センタへ前記発信を送信するための位置発信プロセッサをさらに含む、請求項10に記載の位置識別モジュール。
  15. 前記発信への挿入のため付加的な詳細な位置情報を前記位置発信プロセッサに提供するためGPSユニットを含む、請求項14に記載の位置識別モジュール。
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