JP3990165B2

JP3990165B2 - Cellular communication system, radio terminal position estimating apparatus and radio terminal in cellular communication system

Info

Publication number: JP3990165B2
Application number: JP2002048537A
Authority: JP
Inventors: 英生松木; 英之松谷
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: JP2003250173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にセルラ無線通信の技術分野に関し、特にセルラ通信システムならびにセルラ通信システムにおける無線端末の位置推定装置および無線端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、この種の技術分野で使用されているセルラ通信システムの概略図を示す。セルラ通信システムは、無線端末と、所定の地理的領域を担当する複数の基地局と、複数の基地局を制御する基地局制御装置を有する。簡単のため、無線端末は１つしか描かれていないが、実際には複数の無線端末が存在し得る。また、基地局制御装置は、セルラ交換局や公衆交換網およびインターネット等のネットワークに接続される。このようなセルラ無線通信システムでは、無線端末に対する一斉呼出を行う領域を定めたり、通話中の信号品質を維持する等の理由により、無線端末の位置を把握する必要がある。無線端末はセルまたはセクタの範囲内で自由に移動することが可能であるので、常に無線端末位置を厳密に把握することは困難である。このため、所定の位置検出アルゴリズムに従って、無線端末の位置を推定するのが一般的である。
【０００３】
従来の位置推定手法の１つに、複数の基地局から受信した下り信号の到達時間の差分を無線端末で測定し、その測定値に基づいて無線端末の位置を推定する方法がある。この手法に関する参考文献として、例えば、Wade H. Foy,"Position-Location Solutions by Taylor-Series Estimation", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-12, no. 2, 1976, pp187-194 があり、本願でも利用可能である。この手法における前提として、無線端末が３以上の基地局からの下り信号を測定可能であることを要する。まず、無線端末は、各基地局からの下り信号を受信することによって、到達時間差を測定する。具体的には、第１基地局からの下り信号の到達時間と第２基地局からの到達時間との間の到達時間差（Ｔ１２）を測定する。同様に、第１基地局からの下り信号の到達時間と第３基地局からの到達時間との間の到達時間差（Ｔ１３）も測定する。これらの到達時間差（Ｔ１２，Ｔ１３）と無線端末の真の座標（Ｘ，Ｙ）とは以下の連立方程式を満足する：
【０００４】
【数１】

ただし、Ｌ１２は到達時間差Ｔ１２に電波伝播速度を乗じたものであり、Ｌ１３は到達時間差Ｔ１３に電波伝播速度を乗じたものであり、いずれも距離差としての意義を有する。この連立方程式を解くことによって、無線端末の真の座標（Ｘ，Ｙ）を求めることが可能である。しかしながら、頻繁に移動する多数の無線端末のそれぞれについて、常に数１のような非線形の連立方程式を解いて位置を推定するのは困難である。そこで、テイラー級数展開による逐次近似解法を利用して、上記の連立方程式の解（Ｘ，Ｙ）を求めるのが一般的である。すなわち、無線端末の近似的な座標を（ｘｎ，ｙｎ）とし、真の座標（Ｘ，Ｙ）に対する補正値δを（δｘｎ，δｙｎ）とし、数１の右辺を補正値近傍でテイラー(Taylor)級数展開し、２次以上の高次の項を無視する。こうして得られた線形な連立方程式を逐次的に計算することにより解を求める。無線端末の真の座標と近似的な座標と間の差が逐次的に小さくなるような補正値δは、次式により計算される。
【０００５】
δ＝[Ａ^ＴＡ]^−１Ａ^Ｔｄ・・・（２）
この場合において、
【０００６】
【数２】

である。ただし、測定値(到達時間差Ｔｉｊまたは距離差Ｌｉｊ）が、互いに独立で分散が等しいことを想定している。この逐次近似解法によれば、適切な初期値（ｘ０，ｙ０）から出発して、（２）式を用いて補正値（δｘ０，δｙ０）を求め、この補正値に基づいて新たな座標（ｘ１，ｙ１）＝（ｘ０＋δｘ０，ｙ０＋δｙ０）を求め、この座標を再度（２）式に代入して新たな補正値を求め、以下同様な手順を続けることによって、無線端末の推定位置を求めることができる。
【０００７】
ところで、無線端末の行う通信はマルチパス伝搬環境に委ねられ、この環境下では無線端末と基地局との間の無線伝送路が多重波伝送路で形成される。マルチパス伝搬環境下では、無線伝送路の長短や強弱等に起因して、無線端末は、時間軸上に広がった複数の信号を受信することになる。このような時間軸上にばらつく特性は、遅延プロフィルとも呼ばれる。
【０００８】
図２は、そのようなマルチパス伝搬環境における無線端末の受信する信号の模式図を示す。図中左側の３本の線（パス）は、第１基地局から送信された下り信号が３つの伝送経路を通じて無線端末に伝搬してきたことを意味する。図中の破線は、無線端末における受信レベルを示し、この受信ベルの極大値（ピーク）の各々が「パス」と呼ばれる。３本の内最も早く無線端末に到達した信号は、通常は、見通し線または最短経路に沿って伝搬してきた信号と考えられる。同様に、図中右側の３本の線は、第２基地局から送信された下り信号が３つの伝送経路を通じて無線端末に伝搬してきたことを意味する。図示した例では、第１基地局からの先頭パスＴ１と第２基地局からの先頭パスＴ２とに基づいて、到達時間差Ｔ１２として測定される。なお、「到達時間差」とは、先頭パスとして測定された到達時刻どうしの間の時間差をいう。先頭パスが見通し線または最短経路に相当する場合は、測定値(到達時間差Ｔｉｊまたは距離差Ｌｉｊ）は充分に信頼できるものである。したがって、この測定値に基づく無線端末の位置推定の精度も高いことが予想される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
都市部から離れた郊外地のような高い建物が少ない環境では、基地局からの直接波を受信する確率が高い。しかしながら、高い建物が密集している都市部では、基地局および無線端末間の伝搬路はほとんどが見通し外状態である。さらに、先頭パスが雑音レベルよりも低くなり、検出されない場合もある。また、先頭パスが見通し線または最短の信号経路に沿うものである保証はない。
【００１０】
図３は、そのような状況を説明するための無線端末の受信する信号の模式図を示す。第１基地局からの下り信号に関するパスＴ１が雑音レベルより小さいために検出されず、第２のパスが先頭パスＴ１として測定されている。この場合、測定された到達時間差Ｔ１２は、真の到達時間差よりも短くなってしまう。この例では第１基地局の先頭パスが変動する場合を説明しているが、第２基地局や第３基地局についても同様に到達時間差がずれてしまうことがあり得る。その結果、不正確な測定値に基づく無線端末の位置推定の精度も悪くなってしまう。
【００１１】
本願課題は、マルチパス伝搬環境下における無線端末の位置推定の精度を向上させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下に説明する手段によって、上記課題が解決される。
【００１３】
本発明による解決手段によれば、複数の基地局から無線端末への信号の到達時間差の測定値の各々について、測定値と該測定値に対して所定の時間間隔だけ異なる仮想的な到達時間差とを含む到達時間差群を作成する手段と、複数の到達時間差群の中から複数の到達時間差を選択することにより定められる到達時間差の組み合わせの各々について、テイラー級数展開による逐次近似解法を利用して、該組み合わせに含まれる複数の到達時間差と前記無線端末の座標とが満足すべき連立方程式を解くことによって、前記無線端末に対する複数の推定座標を求める手段と、前記連立方程式を解く場合に使用される共分散行列の対角成分の和を比較することによって、前記複数の推定座標の内いずれか１つを選択する手段より成る位置推定装置が提供される。これにより、セルラ通信システムにおける無線端末の位置を推定する。
【００１４】
請求項１，２又は５記載の発明によれば、無線端末に対する複数の推定座標のうち、所定の尤度情報（共分散行列の対角成分の和）に基づいて１つの推定座標が選択されるので、マルチパス伝搬環境における無線端末位置の推定精度を向上させることが可能になる。
請求項３又は６記載の発明によれば、共分散行列の対角成分の和の最小値に基づいて推定座標が選択される。共分散行列の対角成分の各々は、無線端末位置の各方向成分に関する誤差に関連しているので、この基準を採用することにより、無線端末位置の精度を向上させることが可能になる。
【００１５】
請求項４又は７記載の発明によれば、前記無線端末が位置登録をしている基地局により、共分散行列の対角成分の和の目標値が提供される。これにより例えば、各基地局が担当する地理的領域の特徴を位置推定に関連付けることが可能になるので、無線端末位置の精度をいっそう向上させることが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図４は、本願実施例による無線端末の位置を推定する位置推定装置４００の概略ブロック図を示す。この位置推定装置４００には、後述する所定の測定値が入力され、最終的には無線端末の推定位置が出力される。位置推定装置４００は、移動局、基地局、基地局制御装置、セルラ交換局またはネットワーク内の装置のようないずれの装置内でも実現可能である。本願実施例における前提として、無線端末が３以上の基地局からの下り信号を受信し、その受信時刻および受信レベルを測定することが可能であるものとする。まず、無線端末が第１基地局からの下り信号を受信して、その受信時刻（Ｔ１）および受信レベルを測定する。第２基地局についても、下り信号の受信時刻（Ｔ２）および受信レベルを測定する。第３基地局についても、下り信号の受信時刻（Ｔ３）および受信レベルを測定する。これらの受信時刻および受信レベル（先頭パス）に基づいて、２つの到達時間差Ｔ１２およびＴ１３の測定値が算出される。すなわち、第１および第２基地局からの下り信号に対する先頭パス間の時間差Ｔ１２（＝Ｔ２−Ｔ１）が到達時間差の測定値Ｔ１２として算出される。また、第１および第３基地局からの下り信号に対する先頭パス間の時間差Ｔ１３（＝Ｔ３−Ｔ１）が到達時間差の測定値Ｔ１３として算出される。なお、第２および第３基地局に関する時間差Ｔ２３も算出することが可能であるが、目下必要な情報は、２つの到達時間差の測定値であるので、時間差Ｔ２３に関する測定値は使用されない。その理由は、後述するように、未知数の数は、無線端末の平面座標におけるＸ成分およびＹ成分の２つだからである。ただし、時間差Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ２３のうち、いずれの２つを選択してもよい。このようにして得られた到達時間差の測定値４０２（Ｔ１２，Ｔ１３）が図中左端に描かれており、生成手段４０４に入力される。
【００１７】
生成手段４０４では、入力された測定値（Ｔ１２，Ｔ１３）に基づいて、到達時間差の第１および第２到達時間差群を生成する。図３に関連して説明したように、先頭パスである受信時刻の最先の測定値（Ｔ１，Ｔ２）が、見通し線または最短の信号経路に沿うものである保証はない。一方、遅延プロフィル（Ｔ１，Ｔ１’，Ｔ１”，．．．等）を構成する複数のパスの時間的な広がり（Ｂ）は、経験的に例えば２６０ｎｓのように地域によってほぼ一定の値をとる。また、各パス間の時間間隔（ε）も、経験的に例えば１３０ｎｓのように地域によってほぼ一定の値をとる。そこで、先頭パスに関連する測定値（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）に対して、所定の時間間隔だけ離れた仮想的なパスを導入する。例えば、第１基地局に関する最先の測定値が、図３に示すような先頭パスＴ１で表わされる場合に、この仮想的なパスは、雑音に埋もれて検出されなかったパスや、後続のパスＴ１’を表現することになる。
【００１８】
図５は、複数のパスの時間的広がりＢ、各パス間の時間間隔εおよび到達時間差の測定値Ｔ１２の相互関係を説明するタイミング図である。太い線で描かれた第１の先頭パスＴ１および第２の先頭パスＴ２が図示されている。さらに、第１基地局からの最先の測定値Ｔ１に対して、所定の時間間隔εだけ離れたＴ１ａおよびＴ１ｂが図中左側に描かれている。簡単のため、各パスの時間的広がりＢが３つのパスに相当する時間的広がりを有するように描かれているが、このことは本願に必須のことではなく、さらに多くのパスを包含するような時間的広がりＢを考察することも可能である。このようにして仮想的に導入されたパスＴ１ａ，Ｔ１ｂに対応する時間差Ｔ１２ａ（＝Ｔ２−Ｔ１ａ），Ｔ１２ｂ（＝Ｔ２−Ｔ１ｂ）が、測定値に基づく到達時間差Ｔ１２に加えて、算出される。到達時間差Ｔ１２ａは、図３の例で言えば真の到達時間差となるべきものである。一方、到達時間差Ｔ１２ｂは、真の到達時間差から大きく外れるものになる。第２基地局からの測定値Ｔ２についても、同様の考察から、仮想的なパスＴ２ａ，Ｔ２ｂが導入され、それらに対応する時間差も算出される（図示せず）。
【００１９】
図４を参照するに、生成手段４０４では、所定の時間的広がりＢおよびパス間の距離εに基づいて、所望の数のパスが仮想的に導入され、それらに対応する一群の到達時間差が算出される。第１生成手段４０６では、第１の到達時間差Ｔ１２（第１の測定値）に関する第１到達時間差群｛Ｔ１２ａ，Ｔ１２，Ｔ１２ｂ｝を生成する。第２生成手段４０７では、第２の到達時間差Ｔ１３（第２の測定値）に関する第２到達時間差群｛Ｔ１３ａ，Ｔ１３，Ｔ１３ｂ｝を生成する。なお、この実施例では、到達時間差の測定値Ｔ１２，Ｔ１３を生成手段４０４に導入しているが、各基地局からの下り受信時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に基づいて到達時間差Ｔ１２，Ｔ１３を算出する処理を生成手段４０４で行うようにしてもよい。このことは、無線端末の処理負担を軽減する観点から好ましい。生成手段４０４は、後段の演算手段４０８からの指示信号に従って、第１到達時間差群の中から１つの到達時間差（例えばＴ１２ａ）を抽出し、第２到達時間差群の中から１つの到達時間差（例えばＴ１３）を抽出し、それらを演算手段４０８に提供する。
【００２０】
図４を参照するに、演算手段４０８は、生成手段４０４から提供された一組の到達時間差（例えばＴ１２ａ，Ｔ１３）に基づいて、無線端末の位置を逐次近似手段４１０で推定し、無線端末の推定位置を出力する。演算手段４０８の目的は、上述した数１の連立方程式に対する近似的な解を求めることであり、所与の到達時間差に基づいて、近似解を求める手法自体は従来と同じである。すなわち、適切な初期値（ｘ０，ｙ０）に基づいてδ＝[Ａ^ＴＡ]^−１Ａ^Ｔｄの関係式を用いて第１の補正値（δｘ０，δｙ０）を求め、この補正値に基づいて新たな座標（ｘ１，ｙ１）＝（ｘ０＋δｘ０，ｙ０＋δｙ０）を求め、この座標を利用して上記の関係式から第２の補正値を求め、以下同様な手順を続けることによって、無線端末の推定位置を求める。前記の一組の信号到達時間差に対する無線端末の推定位置の演算が終了すると、逐次近似手段４１０は指示信号を生成手段４０４に提供する。この指示信号に応答して、生成手段４０４は、到達時間差の他の組み合わせ（例えば、Ｔ１２ａ，Ｔ１３ｂ）を演算手段４０８に提供する。演算手段４０８は、この新たな到達時間差の組み合わせに基づいて、無線端末の推定位置を出力する。到達時間差の総ての可能な組み合わせの各々について、無線端末の推定位置が得られるまで、この処理が繰り返される。本実施例では、第１および第２到達時間差群にはそれぞれ３つの到達時間差が含まれていたので、可能な組み合わせの総数は９である。したがって、９個の推定位置Ｈ１，．．．，Ｈ９が選択手段４１２に提供される。また、推定位置の９個の候補Ｈ１ないしＨ９の各々に対応して、９個の共分散行列（[Ａ^ＴＡ]^−１）が存在する。演算手段４０８は、この共分散行列に関する情報も選択手段４１２に提供する。なお、本実施例ではこれらの推定位置を順に１つずつ求めるような構成を採用したが、並列的に計算を行って一度に複数の推定位置を求めることも可能である。
【００２１】
選択手段４１２は、所定の判断基準（尤度情報）に基づいて、演算手段４０８から提供された推定位置の候補Ｈ１ないしＨ９の中から１つを選択する。本実施例では、逐次近似手段４１０において、数１の連立方程式の近似解を求める際に使用した共分散行列[Ａ^ＴＡ]^−１の対角成分の和が、その判断基準になる。δ＝[Ａ^ＴＡ]^−１Ａ^Ｔｄの関係式によれば、無線端末の真の座標（Ｘ，Ｙ）に対する概略位置（ｘｎ、ｙｎ）の補正値δ＝（δｘｎ，δｙｎ）は、共分散行列[Ａ^ＴＡ]^−１に比例する。Ａ^ＴまたはＡ自体は、各座標方向の単位方向成分を表わす。したがって、共分散行列[Ａ^ＴＡ]^−１は、概略位置の誤差（補正値）の拡大係数としての意義を有する。更に、この共分散行列の対角成分は、拡大係数の各座標方向の成分としての意義を有する。したがって、共分散行列の対角成分の和は、全座標方向を考慮した場合における拡大係数の尺度を表わしている。この尺度の大きさが小さいということは、補正値δも小さいことを意味し、真の位置座標に近いことを意味する。こうして、選択制御手段４１４により、複数の推定位置Ｈ１ないしＨ９のうち、共分散行列の対角成分の和が小さいものが選択され、最終的な推定座標として出力される。
【００２２】
ところで、無線端末が存在することの可能な場所は、路線形態や都市構造その他の地理的特徴に依存する。そこで、そのような地理的特徴をも考慮して無線端末の位置推定を実行すれば、位置推定の精度を向上させることが可能である。例えば、ある路線を走行している無線端末の位置を推定する際に、その路線形態を考慮するのである。例えば、図６に示されるように、真の位置座標Ｐ（Ｘ，Ｙ）の無線端末が路線６０２上を走行しているとする。そして、この無線端末に対する２つの推定位置Ｈ１，Ｈ２が、図６のような位置関係で得られたとする。すなわち、推定位置Ｈ１は、推定位置Ｈ２より補正値δが小さい。上記の共分散行列の対角成分の和の大小に基づいて選択するならば、より小さな補正値を与えるＨ１が採用される。推定位置Ｈ２は、推定位置Ｈ１より大きな補正値を要するが、路線６０２上に位置する。無線端末が路線６０２上を走行していることを考慮すれば、推定位置Ｈ１よりも、推定位置Ｈ２の方が適切である。このような地理的特徴は、その地域を担当する基地局から取得するようにシステムを構築することが可能である。そこで、各基地局に、共分散行列の対角成分の和に関する目標値を保持させておく。無線端末の位置推定に際して、その無線端末が位置登録を行っている基地局は、位置推定装置４００に対してその目標値を提供する。位置推定装置４００は、基地局から提供された目標値に最も近い対角成分の和を与える推定位置を、最終的な推定位置を出力する。このようにすれば、上述の図６のような状況において、適切な推定位置Ｈ２を選択することが可能になる。
【００２３】
本実施例では、簡単のため、３つの基地局から下り信号を受信し、無線端末の平面上における推定位置を計算した。しかしながら、他の実施例では３以上の基地局からの下り信号の中から適切なものを選択することも可能である。本実施例では、無線端末の平面上の位置を特定していた。しかしながら、本発明により無線端末の３次空間内での位置を推定することも可能である。この場合は、１つの推定位置を求める場合の未知数が、Ｘ，Ｙ，Ｚの３つの空間座標であるので、数１を拡張した３つの連立方程式を解く必要がある。このため、到達時間差の測定値４０２および生成手段４０４から供給する到達時間差も、３つの独立な到達時間差を１組とする必要がある。すなわち、測定値４０２として、Ｔ１２，Ｔ１３だけでなく、新たな第４基地局に関する到達時間差Ｔ１４も提供する必要がある。
【００２４】
以上本実施例によれば、到達時間差の測定値に直接的に対応する先頭パスだけでなく、仮想的に導入した先頭パスをも考慮する。これにより、測定値に基づいて得られる単独の推定位置に加えて、複数の推定位置の候補が得られる（Ｈ１ないしＨ９）。これらの推定位置の中には、ノイズ等の影響がなかったならば先頭パスとして検出されたであろう真のパスに対応する推定位置が含まれている可能性がある。複数の候補の中から、所定の尤度情報（共分散行列の対角成分の和）に基づいて、適切なものを選択することにより、最終的な無線端末の推定位置を求める。
【００２５】
基地局間の距離が数キロメートルないし数十キロメートルのセルラ通信システムに対して、本実施例に基づいて無線端末の位置を推定したところ、その精度は約８０ｍであった。すなわち、無線端末の真の位置を中心として半径８０ｍの精度で、無線端末の位置を推定することができた。本発明を利用することなく行った場合の精度は約１３０ｍであった。このように本願実施例によれば、無線端末の推定位置の精度を大幅に向上させることが可能になる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、マルチパス伝搬環境下における無線端末の位置推定の精度を向上させることである。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、セルラ通信システムの概略図を示す。
【図２】図２は、マルチパス伝搬環境における無線端末の受信する信号の模式図を示す。
【図３】図３は、従来技術における問題点を説明するための無線端末の受信する信号の模式図を示す。
【図４】図４は、本願実施例による無線端末の位置を推定する位置推定装置の概略ブロック図を示す。
【図５】図５は、各パスの時間的広がりＢ、各パス間の時間間隔εおよび到達時間差の測定値Ｔ１２の相互関係を説明するタイミング図である。
【図６】図６は、無線端末が路線６０２上を走行している様子を示す概念図である。
【符号の説明】
４００位置推定装置
４０２測定値
４０４生成手段
４０６第１生成手段
４０７第２生成手段
４０８演算手段
４１０逐次近似手段
４１２選択手段
４１４選択制御手段
６０２路線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to the technical field of cellular radio communication, and more particularly to a cellular communication system, a position estimation device for a radio terminal in the cellular communication system, and a radio terminal.
[0002]
[Prior art]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a cellular communication system used in this type of technical field. The cellular communication system includes a wireless terminal, a plurality of base stations in charge of a predetermined geographical area, and a base station controller that controls the plurality of base stations. For simplicity, only one wireless terminal is depicted, but there may actually be multiple wireless terminals. The base station controller is connected to a network such as a cellular switching center, a public switching network, and the Internet. In such a cellular radio communication system, it is necessary to determine the location of a radio terminal for reasons such as setting a region for performing a general call to radio terminals and maintaining signal quality during a call. Since the wireless terminal can freely move within the range of the cell or sector, it is difficult to always grasp the position of the wireless terminal strictly. For this reason, it is common to estimate the position of the wireless terminal according to a predetermined position detection algorithm.
[0003]
As one of the conventional position estimation methods, there is a method in which a difference in arrival times of downlink signals received from a plurality of base stations is measured by a wireless terminal, and the position of the wireless terminal is estimated based on the measured value. References on this method include, for example, Wade H. Foy, “Position-Location Solutions by Taylor-Series Estimation”, IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-12, no. 2, 1976, pp187-194. Yes, it can be used in the present application. As a premise in this method, it is necessary that the wireless terminal can measure downlink signals from three or more base stations. First, the wireless terminal measures the arrival time difference by receiving a downlink signal from each base station. Specifically, the arrival time difference (T12) between the arrival time of the downlink signal from the first base station and the arrival time from the second base station is measured. Similarly, the arrival time difference (T13) between the arrival time of the downlink signal from the first base station and the arrival time from the third base station is also measured. These arrival time differences (T12, T13) and the true coordinates (X, Y) of the wireless terminal satisfy the following simultaneous equations:
[0004]
[Expression 1]

However, L12 is obtained by multiplying the arrival time difference T12 by the radio wave propagation speed, and L13 is obtained by multiplying the arrival time difference T13 by the radio wave propagation speed, both of which have significance as a distance difference. By solving these simultaneous equations, the true coordinates (X, Y) of the wireless terminal can be obtained. However, it is difficult to estimate the position by solving nonlinear simultaneous equations such as Equation 1 for each of a large number of frequently moving wireless terminals. Therefore, it is common to find a solution (X, Y) of the above simultaneous equations using a successive approximation method by Taylor series expansion. That is, the approximate coordinates of the wireless terminal are set to (xn, yn), the correction value δ for the true coordinates (X, Y) is set to (δxn, δyn), and the right side of Equation 1 is the Taylor in the vicinity of the correction value. Series expansion is performed, and second and higher order terms are ignored. The solution is obtained by sequentially calculating the linear simultaneous equations thus obtained. A correction value δ that sequentially reduces the difference between the true coordinates and approximate coordinates of the wireless terminal is calculated by the following equation.
[0005]
δ = [A ^T A] ⁻¹ A ^T d (2)
In this case,
[0006]
[Expression 2]

It is. However, it is assumed that the measured values (arrival time difference Tij or distance difference Lij) are independent from each other and have the same variance. According to this successive approximation method, starting from an appropriate initial value (x0, y0), a correction value (δx0, δy0) is obtained using equation (2), and new coordinates (x1) are obtained based on the correction value. , Y1) = (x0 + δx0, y0 + δy0), substituting these coordinates into the equation (2) again to obtain a new correction value, and then continuing the same procedure, the estimated position of the wireless terminal can be obtained. .
[0007]
By the way, communication performed by a wireless terminal is entrusted to a multipath propagation environment, and under this environment, a wireless transmission path between the wireless terminal and the base station is formed by a multiwave transmission path. Under a multipath propagation environment, the wireless terminal receives a plurality of signals spread on the time axis due to the length, strength, and the like of the wireless transmission path. Such a characteristic that varies on the time axis is also referred to as a delay profile.
[0008]
FIG. 2 shows a schematic diagram of a signal received by a wireless terminal in such a multipath propagation environment. The three lines (paths) on the left side in the figure mean that the downlink signal transmitted from the first base station has propagated to the wireless terminal through three transmission paths. The broken line in the figure indicates the reception level at the wireless terminal, and each maximum value (peak) of the reception bell is called a “path”. The signal that has reached the wireless terminal earliest among the three is usually considered to be a signal that has propagated along the line of sight or the shortest path. Similarly, the three lines on the right side in the figure mean that the downlink signal transmitted from the second base station has propagated to the wireless terminal through three transmission paths. In the illustrated example, the arrival time difference T12 is measured based on the leading path T1 from the first base station and the leading path T2 from the second base station. The “arrival time difference” refers to a time difference between arrival times measured as the first path. When the leading path corresponds to a line of sight or the shortest path, the measured value (arrival time difference Tij or distance difference Lij) is sufficiently reliable. Therefore, it is expected that the accuracy of position estimation of the wireless terminal based on this measurement value is also high.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In an environment where there are few high buildings such as suburbs away from urban areas, there is a high probability of receiving direct waves from a base station. However, in urban areas where high buildings are densely populated, most of the propagation paths between base stations and wireless terminals are out of line of sight. Further, the head path may be lower than the noise level and may not be detected. Also, there is no guarantee that the leading path is along the line of sight or the shortest signal path.
[0010]
FIG. 3 is a schematic diagram of a signal received by the wireless terminal for explaining such a situation. The path T1 related to the downlink signal from the first base station is not detected because it is smaller than the noise level, and the second path is measured as the head path T1. In this case, the measured arrival time difference T12 is shorter than the true arrival time difference. In this example, the case where the head path of the first base station fluctuates has been described, but the arrival time difference may also shift similarly for the second base station and the third base station. As a result, the accuracy of the position estimation of the wireless terminal based on the inaccurate measurement value also deteriorates.
[0011]
An object of the present application is to improve the accuracy of position estimation of a wireless terminal in a multipath propagation environment.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problem is solved by the means described below.
[0013]
According to the solution according to the present invention, for each measurement value of the arrival time difference of signals from a plurality of base stations to the wireless terminal, a virtual arrival time difference that differs from the measurement value by a predetermined time interval, and For each of the combinations of arrival time differences determined by selecting a plurality of arrival time differences from a plurality of arrival time difference groups, using a successive approximation solution by Taylor series expansion, Means for obtaining a plurality of estimated coordinates for the wireless terminal by solving simultaneous equations to be satisfied by a plurality of arrival time differences included in the combination and the coordinates of the wireless terminal, and used when solving the simultaneous equations A position estimation device comprising means for selecting any one of the plurality of estimated coordinates by comparing the sum of the diagonal components of the covariance matrix is provided. It is. Thereby, the position of the wireless terminal in the cellular communication system is estimated.
[0014]
According to the first, second, or fifth aspect of the present invention, one estimated coordinate is selected from a plurality of estimated coordinates for the wireless terminal based on predetermined likelihood information (sum of diagonal components of the covariance matrix). Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of the wireless terminal position in the multipath propagation environment.
According to the third or sixth aspect of the invention, the estimated coordinates are selected based on the minimum value of the sum of the diagonal components of the covariance matrix. Since each of the diagonal components of the covariance matrix is related to an error related to each direction component of the wireless terminal position, it is possible to improve the accuracy of the wireless terminal position by adopting this criterion.
[0015]
According to the invention of claim 4 or 7, the target value of the sum of the diagonal components of the covariance matrix is provided by the base station with which the wireless terminal is registered. As a result, for example, it becomes possible to associate the characteristics of the geographical area in charge of each base station with the position estimation, so that the accuracy of the wireless terminal position can be further improved.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 4 is a schematic block diagram of a position estimation apparatus 400 that estimates the position of a wireless terminal according to the present embodiment. The position estimation apparatus 400 receives a predetermined measurement value, which will be described later, and finally outputs the estimated position of the wireless terminal. The position estimation device 400 can be implemented in any device such as a mobile station, a base station, a base station control device, a cellular switching center, or a device in a network. As a premise in the embodiment of the present application, it is assumed that the wireless terminal can receive downlink signals from three or more base stations and measure the reception time and reception level. First, the wireless terminal receives a downlink signal from the first base station, and measures its reception time (T1) and reception level. Also for the second base station, the downlink signal reception time (T2) and reception level are measured. Also for the third base station, the downlink signal reception time (T3) and reception level are measured. Based on these reception times and reception levels (first path), the measured values of the two arrival time differences T12 and T13 are calculated. That is, the time difference T12 (= T2−T1) between the head paths for the downlink signals from the first and second base stations is calculated as the measurement value T12 of the arrival time difference. Also, a time difference T13 (= T3−T1) between the head paths for the downlink signals from the first and third base stations is calculated as a measured value T13 of the arrival time difference. Although it is possible to calculate the time difference T23 related to the second and third base stations, the currently required information is the measured value of the two arrival time differences, and therefore the measured value related to the time difference T23 is not used. This is because, as will be described later, the number of unknowns is two, that is, the X component and the Y component in the plane coordinates of the wireless terminal. However, any two of the time differences T12, T13, and T23 may be selected. The measurement value 402 (T12, T13) of the arrival time difference obtained in this way is drawn at the left end in the figure and is input to the generation means 404.
[0017]
The generation unit 404 generates first and second arrival time difference groups of arrival time differences based on the input measurement values (T12, T13). As described with reference to FIG. 3, there is no guarantee that the earliest measured value (T1, T2) of the reception time that is the first path is along the line of sight or the shortest signal path. On the other hand, the temporal spread (B) of a plurality of paths constituting the delay profile (T1, T1 ′, T1 ″,...) Has an empirically constant value depending on the region, for example, 260 ns. Also, the time interval (ε) between the paths also has an empirically constant value depending on the region, for example, 130 ns, so that the measured values (T1, T2, T3) related to the head path are For example, if the earliest measured value for the first base station is represented by the first path T1 as shown in FIG. Represents a path that was buried in noise and was not detected, and a subsequent path T1 ′.
[0018]
FIG. 5 is a timing diagram for explaining the interrelationship between the time spread B of a plurality of paths, the time interval ε between the paths, and the measured value T12 of the arrival time difference. A first head path T1 and a second head path T2 drawn with thick lines are shown. Further, T1a and T1b that are separated by a predetermined time interval ε with respect to the earliest measurement value T1 from the first base station are depicted on the left side in the figure. For simplicity, the time spread B of each path is depicted as having a time spread corresponding to three paths, but this is not essential to the present application and may include more paths. It is also possible to consider a wide temporal spread B. The time differences T12a (= T2−T1a) and T12b (= T2−T1b) corresponding to the paths T1a and T1b virtually introduced in this way are calculated in addition to the arrival time difference T12 based on the measured values. The arrival time difference T12a should be a true arrival time difference in the example of FIG. On the other hand, the arrival time difference T12b greatly deviates from the true arrival time difference. For the measured value T2 from the second base station, virtual paths T2a and T2b are introduced from the same consideration, and a time difference corresponding to them is calculated (not shown).
[0019]
Referring to FIG. 4, the generation unit 404 virtually introduces a desired number of paths based on a predetermined temporal spread B and the distance ε between paths, and calculates a group of arrival time differences corresponding to them. Is done. The first generation means 406 generates a first arrival time difference group {T12a, T12, T12b} related to the first arrival time difference T12 (first measurement value). The second generation means 407 generates a second arrival time difference group {T13a, T13, T13b} relating to the second arrival time difference T13 (second measurement value). In this embodiment, the arrival time difference measured values T12 and T13 are introduced into the generating means 404, but the arrival time differences T12 and T13 are calculated based on the downlink reception times T1, T2 and T3 from the base stations. The processing may be performed by the generation unit 404. This is preferable from the viewpoint of reducing the processing load on the wireless terminal. The generation unit 404 extracts one arrival time difference (for example, T12a) from the first arrival time difference group in accordance with the instruction signal from the subsequent calculation unit 408, and one arrival time difference (for example, T12a) from the second arrival time difference group (for example, T13) are extracted and provided to the computing means 408.
[0020]
Referring to FIG. 4, the calculation means 408 estimates the position of the wireless terminal by the successive approximation means 410 based on a set of arrival time differences (eg, T12a and T13) provided from the generation means 404, and Output the estimated position. The purpose of the calculation means 408 is to obtain an approximate solution for the simultaneous equations of Equation 1 described above, and the method for obtaining an approximate solution based on a given arrival time difference is the same as the conventional method. That is, a first correction value (δx0, δy0) is obtained based on an appropriate initial value (x0, y0) using a relational expression of δ = [A ^T A] ⁻¹ A ^T d, and based on this correction value. New coordinates (x1, y1) = (x0 + δx0, y0 + δy0) are obtained, a second correction value is obtained from the above relational expression using these coordinates, and the same procedure is followed to estimate the wireless terminal. Find the position. When the calculation of the estimated position of the wireless terminal with respect to the set of signal arrival time differences is completed, the successive approximation means 410 provides an instruction signal to the generation means 404. In response to this instruction signal, the generating unit 404 provides the computing unit 408 with another combination of arrival time differences (eg, T12a, T13b). The computing means 408 outputs the estimated position of the wireless terminal based on the new combination of arrival time differences. This process is repeated until an estimated position of the wireless terminal is obtained for each possible combination of arrival time differences. In this embodiment, since the first and second arrival time difference groups each include three arrival time differences, the total number of possible combinations is nine. Therefore, the nine estimated positions H1,. . . , H9 are provided to the selection means 412. There are nine covariance matrices ([A ^T A] ⁻¹ ) corresponding to each of the nine candidates H1 to H9 of the estimated positions. The computing unit 408 also provides information regarding the covariance matrix to the selection unit 412. In the present embodiment, a configuration is employed in which these estimated positions are obtained one by one in order, but it is also possible to obtain a plurality of estimated positions at a time by performing calculations in parallel.
[0021]
The selection unit 412 selects one of the estimated position candidates H1 to H9 provided from the calculation unit 408 based on a predetermined determination criterion (likelihood information). In the present embodiment, the sum of the diagonal components of the covariance matrix [A ^T A] ⁻¹ used when the successive approximation means 410 obtains an approximate solution of the simultaneous equations of Equation 1 becomes the determination criterion. According to the relational expression of δ = [A ^T A] ⁻¹ A ^T d, the correction value δ = (δxn, δyn) of the approximate position (xn, yn) with respect to the true coordinates (X, Y) of the wireless terminal is It is proportional to the covariance matrix [A ^T A] ⁻¹ . ^AT or A itself represents a unit direction component of each coordinate direction. Therefore, the covariance matrix [A ^T A] ⁻¹ has significance as an expansion coefficient of the approximate position error (correction value). Furthermore, the diagonal component of the covariance matrix has significance as a component in each coordinate direction of the expansion coefficient. Therefore, the sum of the diagonal components of the covariance matrix represents a scale of the expansion coefficient when all coordinate directions are taken into account. The fact that the scale is small means that the correction value δ is also small and means that it is close to the true position coordinate. In this way, the selection control means 414 selects one of the plurality of estimated positions H1 to H9 that has a small sum of the diagonal components of the covariance matrix and outputs it as final estimated coordinates.
[0022]
By the way, the place where the wireless terminal can exist depends on the route form, the urban structure, and other geographical features. Therefore, if the position estimation of the wireless terminal is executed in consideration of such geographical characteristics, the position estimation accuracy can be improved. For example, when estimating the position of a wireless terminal traveling on a certain route, the route form is taken into consideration. For example, as shown in FIG. 6, it is assumed that a wireless terminal having a true position coordinate P (X, Y) is traveling on a route 602. Then, it is assumed that two estimated positions H1 and H2 with respect to the wireless terminal are obtained in a positional relationship as shown in FIG. That is, the estimated position H1 has a smaller correction value δ than the estimated position H2. If the selection is made based on the sum of the diagonal components of the covariance matrix, H1 giving a smaller correction value is adopted. The estimated position H2 requires a larger correction value than the estimated position H1, but is located on the route 602. Considering that the wireless terminal is traveling on the route 602, the estimated position H2 is more appropriate than the estimated position H1. Such a geographical feature can be configured to obtain a system from a base station in charge of the area. Therefore, each base station holds a target value related to the sum of the diagonal components of the covariance matrix. When estimating the position of a wireless terminal, the base station with which the wireless terminal performs position registration provides the target value to the position estimating apparatus 400. The position estimation apparatus 400 outputs an estimated position that gives a sum of diagonal components closest to the target value provided from the base station as a final estimated position. In this way, it is possible to select an appropriate estimated position H2 in the situation shown in FIG.
[0023]
In this embodiment, for simplicity, downlink signals are received from three base stations, and an estimated position on the plane of the wireless terminal is calculated. However, in another embodiment, an appropriate signal can be selected from downlink signals from three or more base stations. In this embodiment, the position of the wireless terminal on the plane is specified. However, the present invention can also estimate the position of the wireless terminal in the tertiary space. In this case, since the unknown when obtaining one estimated position is three spatial coordinates of X, Y, and Z, it is necessary to solve three simultaneous equations obtained by expanding Equation 1. For this reason, the arrival time difference value 402 and the arrival time difference supplied from the generation unit 404 also need to be a set of three independent arrival time differences. That is, as the measured value 402, it is necessary to provide not only T12 and T13 but also the arrival time difference T14 related to the new fourth base station.
[0024]
As described above, according to the present embodiment, not only the head path that directly corresponds to the measured value of the arrival time difference but also the head path that is virtually introduced is considered. Thereby, in addition to the single estimated position obtained based on the measured value, a plurality of estimated position candidates are obtained (H1 to H9). Among these estimated positions, there is a possibility that an estimated position corresponding to a true path that would have been detected as the head path if there was no influence of noise or the like may be included. The final estimated position of the wireless terminal is obtained by selecting an appropriate one from a plurality of candidates based on predetermined likelihood information (sum of diagonal components of the covariance matrix).
[0025]
When the position of the wireless terminal was estimated based on this embodiment for a cellular communication system having a distance between base stations of several kilometers to several tens of kilometers, the accuracy was about 80 m. That is, the position of the wireless terminal can be estimated with an accuracy of a radius of 80 m around the true position of the wireless terminal. The accuracy when performed without using the present invention was about 130 m. Thus, according to the present embodiment, it is possible to greatly improve the accuracy of the estimated position of the wireless terminal.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the accuracy of position estimation of a wireless terminal in a multipath propagation environment is improved.
[0027]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a cellular communication system.
FIG. 2 is a schematic diagram of a signal received by a wireless terminal in a multipath propagation environment.
FIG. 3 is a schematic diagram of a signal received by a wireless terminal for explaining problems in the prior art.
FIG. 4 is a schematic block diagram of a position estimation apparatus that estimates the position of a wireless terminal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a timing diagram for explaining the interrelationship between the temporal spread B of each path, the time interval ε between the paths, and the measured value T12 of the arrival time difference;
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state in which a wireless terminal is traveling on a route 602.
[Explanation of symbols]
400 Position Estimation Device 402 Measured Value 404 Generation Unit 406 First Generation Unit 407 Second Generation Unit 408 Calculation Unit 410 Sequential Approximation Unit 412 Selection Unit 414 Selection Control Unit 602 Route

Claims

A wireless terminal capable of measuring arrival times of signals from a plurality of base stations;
Means for creating an arrival time difference group including a measurement value and a virtual arrival time difference that differs from the measurement value by a predetermined time interval for each of the measurement values of the arrival time differences of signals from the plurality of base stations to the radio terminal When,
For each combination of arrival time differences determined by selecting a plurality of arrival time differences from a plurality of arrival time difference groups, using a successive approximation solution by Taylor series expansion, the plurality of arrival time differences included in the combination Means for obtaining a plurality of estimated coordinates for the wireless terminal by solving simultaneous equations to be satisfied with the coordinates of the wireless terminal;
Means for selecting any one of the plurality of estimated coordinates by comparing the sum of diagonal components of a covariance matrix used when solving the simultaneous equations, and the predetermined time interval is A cellular communication system characterized by being determined from a time difference between paths constituting a delay profile .

A position estimation device for estimating a position of a wireless terminal in a cellular communication system,
Means for creating an arrival time difference group including a measurement value and a virtual arrival time difference that differs from the measurement value by a predetermined time interval for each of the measurement values of the arrival time differences of signals from the plurality of base stations to the radio terminal When,
For each combination of arrival time differences determined by selecting a plurality of arrival time differences from a plurality of arrival time difference groups, using a successive approximation solution by Taylor series expansion, the plurality of arrival time differences included in the combination Means for obtaining a plurality of estimated coordinates for the wireless terminal by solving simultaneous equations to be satisfied with the coordinates of the wireless terminal;
Means for selecting any one of the plurality of estimated coordinates by comparing the sum of diagonal components of a covariance matrix used when solving the simultaneous equations, and the predetermined time interval is A position estimation apparatus characterized by being determined from a time difference between paths constituting a delay profile .

The position estimation apparatus according to claim 2, wherein one of the plurality of estimated coordinates is selected based on a minimum value of the sum of diagonal components of the covariance matrix.

One of the plurality of estimated coordinates is selected based on a target value of a sum of diagonal components of a covariance matrix provided by a base station with which the wireless terminal is registered. The position estimation apparatus according to claim 2.

A wireless terminal in a cellular communication system,
Means for measuring the arrival time difference of signals from a plurality of base stations;
Means for creating a arrival time difference group including a measurement value and a virtual arrival time difference that differs from the measurement value by a predetermined time interval for each of the plurality of arrival time difference measurement values;
For each combination of arrival time differences determined by selecting a plurality of arrival time differences from a plurality of arrival time difference groups, using a successive approximation solution by Taylor series expansion, the plurality of arrival time differences included in the combination Means for obtaining a plurality of estimated coordinates for the wireless terminal by solving simultaneous equations to be satisfied with the coordinates of the wireless terminal;
Means for selecting any one of the plurality of estimated coordinates by comparing the sum of diagonal components of a covariance matrix used when solving the simultaneous equations, and the predetermined time interval is A wireless terminal characterized by being determined from a time difference between paths constituting a delay profile .

6. The wireless terminal according to claim 5, wherein one of the plurality of estimated coordinates is selected based on a minimum value of a sum of diagonal components of a covariance matrix.

One of the plurality of estimated coordinates is selected based on a target value of a sum of diagonal components of a covariance matrix provided by a base station with which the wireless terminal is registered. The wireless terminal according to claim 6.