JPH11215543A - セルラ基地局およびそれに搭載される位置標定装置 - Google Patents
セルラ基地局およびそれに搭載される位置標定装置Info
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- JPH11215543A JPH11215543A JP10009908A JP990898A JPH11215543A JP H11215543 A JPH11215543 A JP H11215543A JP 10009908 A JP10009908 A JP 10009908A JP 990898 A JP990898 A JP 990898A JP H11215543 A JPH11215543 A JP H11215543A
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Abstract
環境において高精度な位置標定サービスを行う。 【解決手段】 セルラ基地局SBは、セル内にある複数
の携帯端末PTが送信する多重化されたスペクトラム拡
散信号をアレイアンテナ101で受信する。その受信さ
れた信号は個々に設けられた受信装置(102−1〜1
02−M,103−1〜103−M)で逆拡散され、1
携帯端末毎の復調信号が得られる。PDA推定回路10
4は、複数の復調信号をデジタル信号に変換し、多重伝
搬環境の伝搬パラメータ(到来方位、遅延時間、相対電
力)を推定する。位置標定回路105は、この内、最短
の遅延時間を有する到来波を直接波として携帯端末PT
の位置を標定する。この標定は携帯端末毎に実行され
る。標定結果は、送信装置106で多重化され、送信ア
ンテナ107から各携帯端末PTに送信される。
Description
し、特に、セルラ基地局においてそれがカバーするサー
ビスエリア(セル)内にある携帯端末の位置を標定する
位置標定装置に関する。
システムには、接続方式として従来から種々の方式が採
用されている。すなわち、接続方式は、大きく次の3つ
の方式、すなわち、FDMA(周波数分割多元接続)方
式、TDMA(時分割多元接続)方式、およびCDMA
(符号分割多元接続)方式に分けることができる。これ
ら3つの接続方式のうちでCDMA方式は、スペクトラ
ム拡散技術を使うので、TDMA方式に比べて周波数利
用効率が高いため、次世代の携帯電話システムであるI
MT(International Mobile Telecommunication)20
00に採用されることが既に決定している。
(例えば、直接拡散(DS)方式や周波数ホッピング
(FH)方式など)があるが、本発明は、DS方式のス
ペクトラム拡散通信(CDMA)に適用される。
テムでは、携帯端末の位置を標定することが必要とな
る。そのような必要性は、コンシューマサービスや緊急
車両誘導システムにある。コンシューマサービスは、G
PSナビゲーションに代わるものとして、IMT200
0にて要求されている。また、緊急車両誘導システムと
して、米国ではエマージェンシーコールサービスが評価
実験中である。
として、次に述べる2つの方式が採用されている。その
1つはGPS(Global Positioning System )方式を利
用した位置標定システムである。この位置標定システム
では、各携帯端末にGPS受信機を設けることにより、
携帯端末の自己位置の標定が可能となり、各携帯端末が
標定した結果を基地局に送信すれば、基地局において携
帯端末の位置情報を管理することができる。
システムである。この位置標定システムでは、複数の基
地局に方位探知機能を持たせ、各々の基地局から出力さ
れる方位探知信号で規定される方位線の交点から携帯端
末の位置を標定する。各基地局は、その標定結果を携帯
端末に送信すれば、携帯端末においても自己位置を知る
ことができる。
たGPS方式を利用した位置標定システムでは、次に述
べるような問題がある。第1の問題点は、都市空間での
使用に制約が生じることである。その理由は、位置標定
には3〜4個のGPS衛星からの受信信号が必要で、ビ
ル、街路樹等の影となる位置では、位置標定が困難とな
るからである。第2の問題点は、標定精度が悪化するこ
とがあることである。その理由は、一般に開放されてい
るGPS衛星の位置標定信号は、米国の国益に沿って故
意に標定精度が悪化するよう操作されているからであ
る。
標定システムでも、次に述べるような問題がある。第1
の問題点は、現在の携帯電話のセル構成のままでは適用
できないことである。その理由は、複数の方位探知装置
の出力に基づき位置標定を行うので、セルの充分なオー
バーラップが必要となるからである。第2の問題点は、
都市空間での使用に制約が生じることである。その理由
は、複数の方位探知装置を用いるため、複数の基地局ア
ンテナと携帯端末の見通しを確保する必要があるが、都
市空間においてはこの確保は困難となることが多いから
である。
使用に制約が少ない位置標定システムを提供することに
ある。
ル構成を変えることなく、携帯端末の位置標定を行える
位置標定システムを提供することにある。
を利用した位置標定システムに比較して、高精度が位置
標定を可能とする位置標定システムを提供することにあ
る。
カバーするセル内の携帯端末の位置を標定する手段と、
該標定結果を前記携帯端末に送信する手段とを備えたこ
とを特徴とするセルラ基地局が得られる。
標定するための位置標定装置を具備したセルラ基地局で
あって、前記位置標定装置は、前記携帯端末が送信する
スペクトラム拡散信号を受信する手段と、該受信したス
ペクトラム拡散信号に基づいて、到来する信号の方位、
遅延時間を推定して、該方位と遅延時間を示す推定結果
を出力する手段と、該推定結果に基づいて前記携帯端末
の位置を求める手段とを有するセルラ基地局が得られ
る。
搭載され、該セルラ基地局がカバーするセル内の携帯端
末の位置を標定するための位置標定装置であって、前記
携帯端末からの送信信号を受信して、複数の受信信号を
出力するアレイアンテナと、前記複数の受信信号をそれ
ぞれベースバンド信号に変換し復調して、複数の復調信
号を出力する複数の受信装置と、前記複数の復調信号か
ら到来方向と遅延時間を推定して、該到来方向と遅延時
間を示す推定結果を出力する推定手段と、前記推定結果
と当該セルラ基地局の地図上の位置とから前記携帯端末
の地図上の位置を求め、該携帯端末の地図上の位置を示
す位置信号を出力する位置計算手段と、を含む位置標定
装置が得られる。
て図面に基づいて詳細に説明する。
標定装置を備えたセルラ基地局SBを携帯端末PTと共
に示すブロック図である。図示のセルラ基地局SBは、
携帯端末PTの送信信号を受信する第1乃至第M(Mは
2以上の整数)のアンテナ素子101−1〜101−M
を含むアレイアンテナ101と、アレイアンテナ101
の各アンテナ素子からの信号をベースバンド信号に変換
する第1乃至第Mの受信機102−1〜102−Mと、
CDMA(符号分割多元接続)方式により多重化された
送信信号を復調して複数系統の復調信号を出力する第1
乃至第MのCDMA復調器103−1〜103−Mと、
複数系統の復調信号から到来方位φ、遅延時間τ、およ
び相対電力を推定して、これら到来方位φ、遅延時間
τ、および相対電力を表す推定結果を出力するPDA
(Power Delay Angle )推定回路104と、PDA推定
回路104の出力する推定結果で表される到来方位φお
よび遅延時間τに基づいて、携帯端末PTの位置を標定
して、その携帯端末PTの位置を表す位置標定結果を出
力する位置標定回路105と、位置標定結果を携帯端末
PTに送信する送信装置106と、送信アンテナ107
とから構成されている。受信機とCDMA復調器との組
み合わせは受信装置と呼ばれる。
アンテナ107は、それぞれ、セルラ基地局SBの送信
装置と送信アンテナと共有しても良い。
位置標定装置の動作について詳細に説明する。
で2次変調されたスペクトラム拡散信号が送信される。
セルラ基地局SBは当該セルラ基地局SBがカバーする
サービスエリア(セル)内にある複数の携帯端末PTが
送信する多重化されたスペクトラム拡散信号を受信す
る。この技術分野で周知のように、スペクトラム拡散信
号を復調するためには、スペクトラム拡散信号を同期捕
捉し、携帯端末PTに割当てられる2次変調コードで同
期捕捉したスペクトラム拡散信号を逆拡散することが必
要である。
整合フィルタによる同期捕捉について説明する。図2に
おいて、(a)は整合フィルタに入力する入力信号、
(b)は整合フィルタの構成、および(c)は整合フィ
ルタから出力される出力信号をそれぞれ示す。図2
(b)に示すように、整合フィルタは、遅延線108、
複数(図示の例では7個)のタップ109、複数(図示
の例では7個)の重み付け回路110、および加算器1
11から構成される。
るような、7個の重み付け回路110に設定された係数
(図2(b)の例では、1、1、1、−1、−1、1、
−1)に対応した符号を有する周期Tの時系列信号を入
力する。この場合、図2(c)に示すように、入力符号
と重み付け符号とが一致するタイミングで自己相関が最
大になってピークが現れる。このピークを同期パルスと
して使用して、各CDMA復調器103−1〜103−
Mは逆拡散を行い復調する。
調信号から携帯端末PTの到来方位φと遅延時間τを推
定するにあたり、特に都市環境においてはビル等による
反射、回折によって生じるマルチパス信号を考慮する必
要がある。すなわち、相関のある複数の到来信号の内か
ら直接波を選択し、その到来方位φと遅延時間τを求め
る必要がある。
位、遅延時間を推定する方法について、菊地秀生、菊間
信良、稲垣直樹著、“2D-Unitary ESPRIT を用いた多重
波の到来方向と伝搬遅延時間の同時推定”:信学技報
A.P97-98、1997年7月(以下、文献と呼ぶ)を参
考して説明する。
メータ推定(方位/高低角、到来方位/遅延時間等)を
行うために考案された方法で次の特徴を有する。
(ステアリングベクトル)の予備知識が不要、(イ).
ステアリングベクトルによるピークサーチが不要。
性(Rotational Invariance )の関係は、下記の数1お
よび数2で表される。
ず、μi およびνi は、それぞれ、下記の数3および数
4で表される。
示す通りである。
される。
示す。
記の数8で表される。
N の意味は、下記の数10で示す通りである。
される。
の数12で表される。
13で示すものを意味する。
は、下記の数14で表される。
で表される。
は、それぞれ、下記の数16および数17で表される。
けるaM (νi )は、それぞれ、下記の数18および数
19で表される。
8におけるNn (1≦n≦N)は、それぞれ、下記の数
20および数21で表される。
すものを意味する。
Invariance )の関係を有する「2D-Unitary ESPRIT 」
における到来方位と遅延時間の推定手順を、図3および
図4に示す。
に、図5に示すような行列に分割する(ステップS
1)。
3に示すようにベクトル化して、下記の数24に示すよ
うに相関行列RS を作成する(ステップS2)。
に示すように、移動平均処理を施す(ステップS3)。
タリ変換する(ステップS4)。
〜S4のアンサンブル平均をとって相関行列の実部を取
り出す(ステップS5)。
定義する(ステップS6)。
並べ、波数(L)推定を行う(ステップS7)。
構成する(ステップS8)。
法により到来方位を求める(ステップS9)。
テップS10)。
有値分解する(ステップS11)。
個の行列に分解する(ステップS12)。
(ステップS13)。
める(ステップS14)。但し、このとき作成する行列
Eνは下記の数36で表される。
ように、固有値分解する(ステップS15)。
位、遅延時間を求める(ステップS16)。
きの信号電力行列は、下記の数40で表される。
次の単位行列である。
の処理手順を簡単なブロック図で示す。図6において、
M個のアンテナで受信された信号はそれぞれフーリエ変
換されて、(移動平均+ユニタリ変換+固有値分解)の
ブロックに供給される。この(移動平均+ユニタリ変換
+固有値分解)のブロックは、図3のステップS1〜S
6の処理を行うブロックである。(移動平均+ユニタリ
変換+固有値分解)のブロックからの出力は、(信号部
分空間の構成)のブロックに供給され、このブロックは
図3のステップS7およびS8での処理を行う。(信号
部分空間の構成)のブロックからの出力は、(TLSES
PRIT法処理)のブロックに供給され、このブロックは図
3のステップS9〜S14での処理を行う。(TLSES
PRIT法処理)のブロックから出力される行列Ψμおよび
Ψνは、(Ψμ+jΨνの固有値分解・信号電力・行列
演算)のブロックに供給され、このブロックは図3のス
テップS15〜S17での処理を行い、到来方位、遅延
時間、および相対電力を出力する。
1台の携帯端末PTから多重伝搬して基地局SBに到来
する受信信号の遅延時間、到来方位および相対電力の一
例を示す。図7に示す例では、多重伝搬した5つの受信
信号の例を示している。ここでは、5つの受信信号を、
遅延時間の短い順に第1乃至第5の受信信号と呼ぶこと
にする。
到来方位が−60°方向の信号である。第2の受信信号
は、遅延時間が4μ秒で、到来方位が−40°方向の信
号である。第3の受信信号は、遅延時間が6μ秒で、到
来方位が−20°方向の信号である。第4の受信信号
は、遅延時間が8μ秒で、到来方位が0°方向の信号で
ある。第5の受信信号は、遅延時間が10μ秒で、到来
方位が0°方向の信号である。
最も早く到来した到来方位が−60°方向の第1の受信
信号を直接波と判断し、携帯端末PTとセルラ基地局S
Bとの間の距離は遅延時間が2μ秒より600mと判断
する。到来方向と距離の推定結果はアプリケーションシ
ステムに送られると共に、必要に応じて携帯端末PTに
も送信される。
詳細に説明する。
置を示す。図1に示すものと同様の機能を有するものに
は同一の参照符号を付してある。図示の位置標定装置
は、アレイアンテナ101と、PDA推定回路104
と、位置標定回路105と、送信装置106と、送信ア
ンテナ107と、第1乃至第Mの受信装置112−1〜
112−Mと、制御回路113と、校正信号発生器11
4と、校正信号切替器115とから構成される。
ンテナ素子101−1〜101−Mから構成される。ア
レイアンテナ101は複数の携帯端末の送信信号を受信
し、校正信号切替器115を介して第1乃至第Mの受信
装置112−1〜112−Mに出力する。第1乃至第M
の受信装置112−1〜112−Mは同じ構成を有する
ので、ここでは第Mの受信装置112−Mのみを図示し
てある。第Mの受信装置112−Mは、受信機(RCV
R)102−Mと、複数のウエイト設定回路116と、
複数の整合フィルタ117と、多重化回路(MPX)1
18とから構成される。
01−Mの受信信号をベースバンド信号に変換してIQ
分離し、IQ分離した信号を整合フィルタ117に出力
する。整合フィルタ117とウエイト設定回路116は
想定される携帯端末の最大数だけ用意される。携帯端末
毎に逆拡散コードに対応するウエイトが制御回路113
からウエイト設定回路116に設定され、IQ分離した
信号は整合フィルタ117により逆拡散され復調され
る。携帯端末の数に応じた復調出力は多重化回路118
で時間領域で多重化され、PDA推定回路104に送出
される。すなわち、複数のウエイト設定回路116と複
数の整合フィルタ117と多重化回路118との組み合
わせは、図1に図示した1つのCDMA復調器に相当す
る。
に応じ、ウエイト情報をウエイト設定回路116に送る
とともに、多重化回路118を制御して設定されたタイ
ミングで各系統の復調信号を同時出力させる。
tary ESPRIT 」法を用い、各携帯端末毎の遅延時間、到
来方位を推定し、その推定結果を位置標定回路105に
送出する。位置標定回路105は、各携帯端末の遅延時
間、到来方位情報から、携帯端末の基地局に対する相対
位置を求め、その相対位置を示す相対位置情報を基地局
の絶対位置情報と合わせてアプリケーションシステム及
び送信装置106に送出する。送信装置106は、各携
帯端末の位置情報をCDMA方式により多重化して、空
中線107を介して、各携帯端末に送信する。
のチャネル間利得、伝送位相誤差を使用周波数帯域にわ
たり校正するための校正信号を発生する。校正時は、校
正信号切替器115の設定を変更して、第1乃至第Mの
受信装置112−1〜112−Mに校正信号を供給す
る。
の複数の携帯端末(移動端末)の位置情報がセルをカバ
ーする1基地局の装置のみで標定することが可能とな
る。移動端末に標定結果を表示させれば、現在のGPS
に代わるサービスが可能となる。また、標定結果を関係
機関のサービスシステムに通知することにより、例えば
緊急車両の誘導等、様々なサービスが可能となる。
が25°、遅延時間差が5ナノ秒の2到来波の場合、到
来方位推定精度が0.5°、遅延時間推定精度が0.1
ナノ秒となる。現在の携帯電話のセル半径は約1kmで
あるので、位置標定精度は方位が支配的で約9mとな
る。これは、GPSの位置標定精度が20〜200mで
あるのに比較して、良好な値である。
による位置標定システムには、次に述べるような効果が
ある。
スにおいて都市空間での制約が生じ難いことである。そ
の理由は、直接波とマルチパス波とを分離識別し、直接
波の到来方位と遅延時間を基に携帯端末の位置標定を行
うからである。
のまま運用が可能となることである。その理由は、セル
ラ基地局において到来方位だけでなく、遅延時間の推定
機能を持たせ測定を可能としたためである。
が可能となることである。その理由は、GPSのように
一国の利害のため故意に精度を落とす操作がないためで
ある。
えたセルラ基地局を携帯端末と共に示すブロック図であ
る。
れる整合フィルタを用いた同期信号発生の原理を説明す
るための図である。
時間の推定手順の前半部分を示すフローチャートであ
る。
時間の推定手順の後半部分を示すフローチャートであ
る。
を示す説明図である。
ク図である。
結果の一例を示すグラフである。
示すブロック図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 自局がカバーするセル内の携帯端末の位
置を標定する手段と、該標定結果を前記携帯端末に送信
する手段とを備えたことを特徴とするセルラ基地局。 - 【請求項2】 携帯端末の位置を標定するための位置標
定装置を具備したセルラ基地局であって、前記位置標定
装置は、前記携帯端末が送信するスペクトラム拡散信号
を受信する手段と、該受信したスペクトラム拡散信号に
基づいて、到来する信号の方位、遅延時間を推定して、
該方位と遅延時間を示す推定結果を出力する手段と、該
推定結果に基づいて前記携帯端末の位置を求める手段と
を有するセルラ基地局。 - 【請求項3】 セルラ基地局に搭載され、該セルラ基地
局がカバーするセル内の携帯端末の位置を標定するため
の位置標定装置であって、 前記携帯端末からの送信信号を受信して、複数の受信信
号を出力するアレイアンテナと、 前記複数の受信信号をそれぞれベースバンド信号に変換
し復調して、複数の復調信号を出力する複数の受信装置
と、 前記複数の復調信号から到来方向と遅延時間を推定し
て、該到来方向と遅延時間を示す推定結果を出力する推
定手段と、 前記推定結果と当該セルラ基地局の地図上の位置とから
前記携帯端末の地図上の位置を求め、該携帯端末の地図
上の位置を示す位置信号を出力する位置計算手段と、 を含む位置標定装置。 - 【請求項4】 前記セルラ基地局がカバーするセル内に
ある複数の携帯端末は、前記送信信号として多重化され
たスペクトラム拡散信号を送信し、 前記複数の受信装置の各々は、複数の整合フィルタを有
し、前記多重化されたスペクトラム拡散信号を個々に復
調することを特徴とする、請求項3に記載の位置標定装
置。 - 【請求項5】 前記推定手段は、1携帯端末に対応する
アレイアンテナの複数の復調出力をデジタル信号に変換
し、2D Unitary ESPRIT 法を用いて、前記1携帯端末の
送信信号の到来方向、遅延時間、相対電力を推定して、
これら到来方向、遅延時間、相対電力を示す信号を前記
推定結果として出力する、請求項3に記載の位置標定装
置。 - 【請求項6】 前記位置計算手段は、前記推定結果から
最短の遅延時間を有する到来信号を直接波として判定
し、前記携帯端末の位置を計算する、請求項3に記載の
位置標定装置。 - 【請求項7】 前記位置信号を送信する送信装置と、該
送信装置の出力を空間に放射するアンテナとを更に有す
る請求項3に記載の位置標定装置。 - 【請求項8】 前記送信装置は、前記位置信号として複
数の携帯端末の位置標定結果を多重化した信号を送信す
る、請求項7に記載の位置標定装置。
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