Brevet FR2822610A1 — publié le 20020927

La présente invention concerne un procédé de localisation d'un terminal mobile d'un réseau de radiotéléphonie cellulaire, par exemple de type GSM, comprenant une pluralité de stations de base couvrant chacune une cellule topographique déterminée. De tels procédés de localisation sont notamment utilisés dans des réseaux d'appel d'urgence, tels qu'on en trouve notamment le long des autoroutes. Lorsque l'utilisateur d'un téléphone mobile émet un appel d'urgence vers un centre de secours, il convient de localiser avec précision l'origine de l'appel. Il existe principalement trois types de procédé de localisation d'un mobile, de téléphonie ou autre. Le premier procédé utilise un système de localisation par satellites, appelé"GPS" (Global Positioning System-Système de Localisation Global), et repose sur la mesure, par le mobile, des différences entre les instants d'arrivée de signaux émis par plusieurs satellites. Le deuxième procédé, par"Timing Advance" (avance temporelle), repose sur la mesure du temps de propagation des ondes radio entre un mobile de téléphonie cellulaire et des stations de base. La précision est toutefois limitée. Le troisième procédé consiste à déterminer la position d'un téléphone cellulaire par triangulation, en comparant les niveaux de puissance des signaux provenant de stations de puissances relatives d'émission connues. On envisage aujourd'hui, dans les réseaux de transport souterrains, tel que le métro, de mettre un service d'appel d'urgence à la disposition des usagers disposant d'un terminal de téléphonie cellulaire. Une solution consisterait à installer des stations de base d'un réseau téléphonique cellulaire le long des voies du réseau de transport, les cellules des stations de base étant ainsi disposées en chapelets. La localisation d'un terminal le long d'une voie souterraine, pour reprendre cet exemple, soulève toutefois des difficultés. En effet, la localisation par GPS y est impossible. Le Timing Advance est trop imprécis. La triangulation est elle aussi imprécise car les stations de base sont alignées. Bref, la localisation d'un terminal mobile sur une voie d'un réseau de transport souterrain était jusqu'à maintenant de précision insuffisante. Or, en pratique, si l'on reprend l'exemple du métro, il s'agit par exemple de déterminer la station de métro d'où provient l'appel, si tel est le cas, et même de déterminer le quai ou un couloir correspondant, afin que les secours y parviennent sans perte de temps. L'invention n'est toutefois pas limitée à une telle télélocalisation et concerne aussi la détermination de sa position par le porteur du terminal, c'est-à-dire la navigation. La présente invention propose une solution pour améliorer la précision de localisation d'un tel terminal. A cet effet, l'invention concerne un procédé de localisation de terminaux mobiles d'un réseau de radiotéléphonie cellulaire comprenant une pluralité de stations de base, de positions déterminées, émettant des signaux vers les terminaux, procédé dans lequel : - dans les terminaux, on mesure les niveaux de puissance des signaux radio provenant de stations de base à distance radio et - par comparaison de ces mesures, on localise les terminaux par rapport aux positions des stations, procédé caractérisé par le fait qu'on recouvre le réseau cellulaire d'un réseau de localisation des terminaux comportant des balises radio d'émulation des stations de base et de positions déterminées et on mesure aussi, dans les terminaux, les niveaux de puissance de signaux radio provenant des balises pour déterminer les positions de ces terminaux. Ainsi, les balises complètent fonctionnellement le réseau de radiotéléphonie cellulaire pour fournir aux terminaux un nombre accru de signaux à mesurer se rapportant aux repères géographiques supplémentaires que constituent les positions des balises. Comme la fonction des balises n'est pas de traiter du trafic téléphonique, on conçoit qu'elles ne constituent pas une extension du réseau téléphonique, qui risquerait d'en gêner l'exploitation, puisque ce réseau téléphonique n'a pas de relation fonctionnelle avec la fonction des balises. Le réseau de balises est en parallèle sur le réseau téléphonique. Avantageusement, les balises du réseau de localisation sont des émetteurs et les positions des terminaux sont déterminées dans ces terminaux ou bien les terminaux transmettent leurs mesures de niveau de puissance à un centre de localisation. Le terminal peut ainsi obtenir directement sa position ou bien permettre sa localisation à distance. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, en référence à la figure unique annexée qui représente un réseau de radiotéléphonie cellulaire et un réseau de localisation de terminaux du réseau de radiotéléphonie. Le réseau de radiotéléphonie représenté, ici le réseau GSM, comporte une pluralité de stations de base dont trois sont représentées et référencées 1,2, 3, réparties en des positions déterminées le long d'une voie 9 d'un réseau de transport, ici une ligne de métro. Les aires de couverture radio ou cellules respectives 10,20, 30 sont donc disposées en chapelet, avec recouvrement partiel des cellules voisines. La référence 4 désigne l'un des terminaux du réseau GSM, recevant donc les émissions de signaux de celles des stations de base 1,2, 3 qui sont à distance radio et pouvant émettre des signaux vers celles-ci. En outre, les cellules 10,20, 30 sont recouvertes, au moins dans les zones utiles concernant la ligne de métro 9, d'un réseau de localisation des terminaux comme celui référencé 4. Le réseau de localisation comporte des balises radio 11, 12,21, 22,31, 32, d'émulation de stations de base comme les stations 1,2, 3 et de positions déterminées. Le procédé de localisation des terminaux 4 va maintenant être expliqué. Comme déjà exposé, il s'agit d'un procédé par triangulation, selon lequel, dans les terminaux 4, on mesure les niveaux de puissance des signaux radio provenant des stations de base 1,2, 3 à distance radio pour, par comparaison de ces mesures, localiser les terminaux 4 par rapport aux positions des stations de base 1,2, 3. Tous les signaux radio des stations de base 1,2, 3, tels que signaux périodiques de voie balise, pour gérer la mobilité des terminaux 4 changeant de cellule, ou encore les signaux de communication des divers terminaux 4 actifs, sont ici détectés et exploités. Toutefois, le nombre de stations de base 1,2, 3 dont les émissions sont simultanément reçues par un terminal 4 est limité du fait de la disposition en ligne ou chapelet des stations de base 1,2, 3. Les signaux d'une paire (1,2) de celles-ci permettraient théoriquement d'estimer grossièrement une hyperbole de positions possibles, axée sur la ligne 9, mais les atténuations radio parasites fausseraient le positionnement de cette hyperbole qui, en outre, ne permettrait pas de déterminer la position latérale du terminal 4 par rapport à la voie 9. Une paire différente (2,3) des stations de base fournirait bien une autre hyperbole, mais qui couperait l'autre sous un angle quasiment nul, fournissant une position latérale présentant une grande incertitude du fait de sa haute sensibilité aux erreurs de position des deux hyperboles. Pour localiser avec précision le terminal 4, les signaux émis par les balises d'émulation 11,12, 21,22, 31,32 sont reconnus par celui-ci comme étant des signaux de stations de base supplémentaires. Dans le terminal 4 considéré, on mesure donc aussi les niveaux de puissance des signaux radio provenant des balises 11,12, 21,22, 31,32 pour déterminer la position du terminal 4. On rappellera que la détermination de la position par triangulation à détection non directive consiste à déterminer les atténuations relatives de propagation radio des signaux reçus d'au moins trois émetteurs, comme exposé ci-dessus. Chaque paire d'émetteurs permet de déterminer une variable, d'écart d'atténuations de propagation et donc de distances, et on peut donc définir deux, au besoin trois, paires partiellement différentes d'émetteurs permettant d'obtenir au moins les valeurs de deux variables, ce qui suffit pour définir les coordonnées géographiques du ou des deux points d'intersection des deux hyperboles ainsi déterminées, la troisième levant toute ambiguïté éventuelle de position. Si ces émetteurs émettent à un même niveau, connu ou non du terminal récepteur 4, ou à des niveaux dont l'écart est connu, les différences des niveaux reçus permettent d'estimer les distances relatives entre les émetteurs et le terminal 4 et donc d'en déterminer la position par rapport à celles des émetteurs. On rappellera que, en propagation en espace libre, l'amplitude d'un signal radio émis décroît linéairement avec la distance de propagation, c'est-àdire que sa puissance décroît comme l'inverse du carré de la distance. En pratique, dans le réseau GSM, les terminaux mesurent les six plus forts niveaux reçus afin d'obtenir des informations redondantes permettant d'éliminer l'influence de trajets radio comportant des obstacles affaiblissant les signaux et augmentant donc l'estimation des distances. Le réseau de balises comme 11,12, qui pourrait d'ailleurs, à lui seul, permettre la localisation des terminaux 4, améliore le maillage d'émetteurs de localisation, c'est-à-dire que les stations de base 1,2, 3 et les balises 11, 12 forment globalement une matrice à maille réduite. Chaque cellule 10,20, 30 pourrait comporter une seule balise 11, mais, de préférence comme ici, chaque cellule 10,20, 30 comporte une pluralité de telles balises 11, 12. Le réseau linéaire 1,2, 3 permet uniquement d'établir des triangles de localisation par triangulation qui sont aplatis selon la direction x de la voie 9 et fournissent des tronçons d'hyperboles, représentant chaque variable cidessus, quasiment parallèles dans la zone de la voie 9. Les balises 11, 12 permettent de transformer le réseau 1,2, 3 en un vrai réseau ou matrice à deux (ou trois) dimensions, si l'on dispose, dans chaque station de métro, au moins une balise lia distance de la voie 9 et de préférence au moins deux balises 11,12 à des distances différentes de la voie 9 et par exemple selon une direction y sensiblement perpendiculaire à celle-ci. Cela fournit un tronçon d'hyperbole sensiblement parallèle à la voie 9 et donc sensiblement perpendiculaire aux tronçons d'hyperboles des paires de stations de base 1,2, 3. Un déplacement du terminal 4 perpendiculairement à la voie 9 correspond ainsi à un changement notable de sa distance à la balise 11 et peut donc être mesuré avec précision. Les balises 11,12 sont ici uniquement des émetteurs, c'est-à-dire qu'elles ne détectent pas les émissions éventuelles des terminaux 4 et n'ont pas de fonction téléphonique. Le réseau GSM 1,2, 3 associé n'est donc pas perturbé par les balises 11,12. Chaque balise, comme les balises 11,12 de la cellule 10, émet à une fréquence déterminée, différente des fréquences des stations de base 1 et 2 proches de ces balises 11,12. Les signaux reçus par le terminal 4, en provenance des divers émetteurs que constituent les stations 1,2, 3 et les balises comme 11, 12 comportent des signaux d'identification de leur émetteur pour que les mesures puissent être exploitées d'après la position de leur émetteur. Une table des positions géographiques des stations de base 1,2, 3 et des balises 11, 12 est alors adressée par les signaux d'identification pour associer chaque mesure de niveau reçu à la position de l'émetteur considéré. Les calculs de détermination de la position d'un terminal 4 peuvent être effectués dans une unité centrale de celui-ci et l'information de position ainsi déterminée est transmise à la station de base 1,2, 3 qui gère alors le terminal 4, celle-ci retransmettant cette information de position à un centre de localisation, éventuellement intégré à la station considérée 1,2, 3. En variante, le terminal 4 effectue uniquement les mesures de niveau et transmet celles-ci, associées aux signaux d'identification des émetteurs 1, 11, 12 respectifs, à un centre de calcul de localisation. Dans les deux cas, il peut être prévu que le terminal 4 fournisse aussi, à son utilisateur, sa position, qu'il a calculée ou qu'il a reçue en retour du centre de calcul de localisation. L'identification des balises 11, 12 utilise le principe d'identification des stations de base 1,2, 3, c'est-à-dire s'insère dans le schéma d'adressage ou d'identification de celles-ci. Les balises 11,12 sont ainsi des stations de base virtuelles pour les terminaux 4. On utilise en particulier un mot de code diffusé de 8 bits, appelé BSIC (Code d'Identité de Site de Base) comportant un champ BCC de 3 bits (Code de Couleur de Base), identifiant une cellule, et un champ NCC de 3 bits (Code de Couleur Réseau), d'identité de l'opérateur réseau. L'identification des émetteurs 1, 11, 12 peut aussi utiliser des champs MCC (Code de Pays pour Mobile), MNC (Code de réseau pour Mobile) et LAC (Code de zone locale) pour un groupe de cellules. En outre, chaque station de base 1,2, 3 peut s'identifier dans le groupe par un champ CI (Identité Cellule). Les stations de base 1, 2,3 sont regroupées (LAC) en motifs de fréquences attribuées qui se répètent sur le territoire couvert et dans lesquels chaque station de base 1,2, 3 dispose de canaux à des fréquences nettement écartées de celles des stations adjacentes du groupe et des groupes voisins éventuels. Ce principe est étendu aux balises 11, 12, dont les besoins radio peuvent être limités à un ou quelques canaux, ce qui ne perturbe sensiblement pas le plan d'attribution des fréquences du réseau GSM. REVENDICATIONS 1-Procédé de localisation de terminaux mobiles (4) d'un réseau de radiotéléphonie cellulaire comprenant une pluralité de stations de base (1,2, 3), de positions déterminées, émettant des signaux vers les terminaux (4), procédé dans lequel : - dans les terminaux (4), on mesure les niveaux de puissance des signaux radio provenant de stations de base à distance radio (1,2, 3) et - par comparaison de ces mesures, on localise les terminaux (4) par rapport aux positions des stations (1,2, 3), procédé caractérisé par le fait qu'on recouvre le réseau cellulaire (10,20, 30) d'un réseau de localisation des terminaux (4) comportant des balises radio (11,12, 21,22, 31, 32) d'émulation des stations de base (1,2, 3) et de positions déterminées et on mesure aussi, dans les terminaux (4), les niveaux de puissance de signaux radio provenant des balises (11,12, 21,22, 31,32) pour déterminer les positions de ces terminaux (4). 2-Procédé selon la revendication 1, dans lequel le réseau de localisation recouvre chaque cellule (10,20, 30) du réseau radio par une pluralité de balises (11,12, 21,22, 31,32). 3-Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les balises (11,12) du réseau de localisation sont des émetteurs. 4-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les signaux émis par les balises de localisation (11,12) comportent des signaux d'identification. 5-Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les positions des terminaux (4) sont déterminées dans ces terminaux. 6-Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les terminaux (4) transmettent leurs mesures de niveau de puissance à un centre de localisation. 7-Procédé selon la revendication 6, dans lequel le centre de localisation transmet en retour la position calculée aux terminaux (4).