(57)【要約】本発明は通信ネットワークにおいて移動通信装置の位置を求めること（ロカライズ）に関する。このために、通信ネットワークにおける基地局との、移動通信装置の通信信号から、移動通信装置に対する可能な所在地域が求められかつこれらが非線形の集合をベースにしているフィルタを使用して共通の所在地域に重畳される。それからこの共通の所在地域を使用して、移動通信装置の位置が突き止められる。
2005522918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動通信装置との第１の通信に対してセットアップされている少なくとも１つの第１の基地局と、前記移動通信装置との第２の通信に対してセットアップされている第２の基地局とを有する通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を求めるための方法において、
第１の通信の第１の通信信号を使用して、移動通信装置の第１の可能な所在地域を第１の基地局によって求め、
第２の通信の第２の通信信号を使用して、移動通信装置の第２の可能な所在地域を第２の基地局によって求め、
前記第１の可能な所在地域および第２の可能な所在地域を非線形の集合をベースとしたフィルタを使用して組み合わせ、ここで第１および第２の基地局に対して移動通信装置の１つの共通な所在地域が求められ、
該１つの共通な所在地域を使用して、移動通信装置の位置を特定する
方法。
【請求項２】
第１および／または第２の通信信号をデータパケットの形で伝送する
請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１および／または第２の通信信号を使用して、１つおよび／または複数の距離に依存しているパラメータを求め、該１つもしくは複数のパラメータは移動通信装置の、基地局の１つに対する距離に依存しておりかつ
該１つもしくは複数のパラメータを使用して第１および／または第２の可能な所在地域を求める
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
第１および／または第２の可能な所在地域を１つまたは複数の距離に依存しているパラメータから求める際に、信号伝搬モデルを使用する
請求項３記載の方法。
【請求項５】
距離に依存しているパラメータは、第１または第２の通信信号の信号伝搬遅延時間または第１または第２の通信信号の電界強度である
請求項３または４記載の方法。
【請求項６】
距離に依存しているパラメータを移動通信装置によって突き止める
請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
距離に依存しているパラメータをコード化、例えばビットコード化する
請求項３から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
ビットコード化されるパラメータはタイミング・アドバンス値またはＲｘＬｅｖ値である
請求項７記載の方法。
【請求項９】
第１および／または第２の可能な所在地域を求める際に、放射特性、例えば第１および／または第２の基地局の放射指向特性を考慮する
請求項３から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
第１の可能な所在地域は円環形、例えば円環部分である
請求項３から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
第２の可能な所在地域は円形、例えば扇形である
請求項３から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
通信ネットワークは複数の第１および／または第２の基地局を有しており、
該基地局のそれぞれは移動通信装置との通信に対してセットアップされており、
それぞれの通信の相応の通信信号を使用してその都度、１つの可能な所在地域を求め、
すべての可能な所在地域を非線形の集合をベースとしているフィルタを使用して組み合わせ、ここで移動通信装置の１つの共通な所在地域が複数の基地局に対して求められる
請求項３から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
順次常時、２つの可能な所在地域だけを組み合わせる
請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
すべての可能な所在地域を同時に相互に組み合わせる
請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
非線形の集合をベースとしたフィルタリングの際に、可能な所在地域を元の空間から超空間に変換し、該空間でこれら所在地域が楕円体を使用して記述されるようにする
請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
非線形の集合をベースとしたフィルタリングの際に、可能な所在地域を元の空間から超空間に変換し、該空間でこれら所在地域が１つの共通の所在地域に組み合わされるようにする
請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
超空間における１つの共通の所在地域を楕円体、例えば楕円包絡面によって記述する
請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
複数の可能な所在地域の、１つの共通の所在地域への組み合わせを共通集合形成によって実施する
請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
移動通信装置の位置として、１つの共通の所在地域の特性値、例えば共通の所在地域の重心または期待値を使用する
請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
移動通信装置が移動電話であり、第１の基地局が通話をリードする基地局でありかつ第２の基地局が該移動電話によって受信可能である、移動無線ネットワークにあるその他の基地局であるという、デジタルな、セル方式の移動無線ネットワーク、例えばＧＳＭネットワークにおける移動電話のロカライズのために使用する
請求項１から１９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
移動通信装置との第１の通信に対してセットアップされている少なくとも１つの第１の基地局と、前記移動通信装置との第２の通信に対してセットアップされている第２の基地局とを備えた通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を求めるための装置において、
第１の通信の第１の通信信号を使用して、移動通信装置の第１の可能な所在地域を第１の基地局によって求めることができる、所在地域を求めるための第１のユニットを備え、
第２の通信の第２の通信信号を使用して、移動通信装置の第２の可能な所在地域を第２の基地局によって求めることができる、所在地域を求めるための第２のユニットを備え、
前記第１の可能な所在地域および第２の可能な所在地域を非線形の集合をベースとしたフィルタを使用して組み合わせることができる所在地域重畳ユニットを備え、ここで第１および第２の基地局に対して移動通信装置の１つの共通な所在地域を求めることができ、かつ
該１つの共通な所在地域を使用して、移動通信装置の位置を特定することができる位置を求めるユニットを備えている
装置。
【請求項２２】
プログラムがコンピュータに実現されるとき、請求項１に記載のすべてのステップを実施するために、プログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
【請求項２３】
コンピュータ読み取り可能なデータ担体に記憶されている、請求項２２記載のプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
【請求項２４】
プログラムがコンピュータに実現されるとき、請求項１に記載のすべてのステップを実施するために、マシーン読み取り可能な担体に記憶されているプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を求めること（ロカライズ）に関する。
【０００２】
その際移動通信の普及が拡大するに従って、移動無線システムにおいて付加的なサービス業務、いわゆる「サービス」に関する需要も増えてくる。
【０００３】
その際「ロケーション・ベースド・サービス」（“Location Based Services”）とは、移動無線システムのユーザに場所に結び付けて、すなわちそれぞれのユーザの位置または所在地に依存して提供ないし用意される、移動無線業者の付加的なサービス業務、例えば、場所または距離に依存している指定先割引サービス（Nutzungstarife）または救助投入または検索サービスに対する手引きサービスである。
【０００４】
従って「ロケーション・ベースド・サービス」に対して基礎となっているのはそれぞれのユーザもしくはその移動通信機器のロカライズまたは位置決定である。
【０００５】
通信ネットワークにおいて移動通信機器をこのようにロカライズするために、種々の技術が公知である。例えば、移動無線機器から通信ネットワークの基地局への通信信号の伝搬遅延時間特定もしくは伝搬遅延時間測定に基づいた位置算出（〔１〕、〔２〕）またはＧＰＳのようなサテライトに支援されているシステムを用いたロカライズがある。
【０００６】
〔２〕から公知の、伝搬遅延時間に基づいている位置算出方法は、移動電話、一般にＴＤＭＡ移動無線技術（Time Division Multiple Access-Mobilfunk）に従ったＧＳＭ通信ネットワーク（＝Global System for Mobile Communication）（〔３〕、〔４〕、〔５〕）における移動局に対して実施される。
【０００７】
定置の基地局（通話をリードする基地局）にログインした個々の移動局に、該基地局においてその時点で空いている、ＴＤＭＡフレームにおけるタイムスロットが割り当てられる。
【０００８】
このタイムスロットで、当該移動局に定められている通信信号が信号パケット、所謂１５／２６ｍｓの長さを有するバーストにおいて基地局から発信されるか、もしくは移動局から送信された通信信号ないしバーストが基地局に到来することになる。
【０００９】
基地局から放射された通信信号は移動局までの経路をばらついている種々の経路に基づいて見つけ（マルチパス伝搬）、その際に信号は周波数に依存して減衰される。
【００１０】
従って移動局によって受信される通信信号の受信フィールド強度は移動局と基地局との距離のみならず、周波数や移動局および基地局間の地理上の（トポグラフィカル）条件にも依存している。それ故に個々のデータパケットは種々異なった搬送周波数において送信され、これにより周波数の選択的な干渉は複数の加入者に分配される可能性がある。
【００１１】
このために確かに、移動局と基地局との間に正確な同期が必要である。この同期はユーザの移動によって付加的に困難になる。というのは、移動局は基地局までの距離を絶えず変えており、従って通信信号は種々異なった伝搬遅延時間を有しているからである。
【００１２】
種々異なっている伝搬遅延時間を補償しかつ基地局にフレーム同期しているデータを供給することができるようにするために、移動局は基地局までの信号伝搬遅延時間を測定しかつこれによりこれらバーストの送信開始を補正する。
【００１３】
信号伝搬遅延時間はいわゆる「タイミング・アドバンス」（“timing advance”＝ＴＡ）においてコード化されかつ移動局と通話をリードする基地局との間の距離に対する依存性を有している。
【００１４】
ＴＡに対して６４段階が使用できるようになっており、これらは値０〜６３によって（ビット）コード化されかつ伝搬遅延時間を表している。
【００１５】
基地局の位置は周知であるので、ＴＡもしくは信号伝搬遅延時間から移動局の位置を推定することができる。
【００１６】
伝搬遅延時間特定の際の測定精度は１ビット持続時間、すなわちＧＳＭにおいて４８／１３μｓであり、これは約５５４ｍの１倍の路長（距離）に相応する。
【００１７】
〔３〕から、ＵＭＴＳネットワーク（＝Universal Mobile Telecommunication System ネットワーク）における移動通信装置の位置算出が公知である。
【００１８】
ＵＭＴＳネットワークが準拠している相応のＵＭＴＳ移動無線標準では、移動無線機器の位置算出が既に標準に明示的に含まれているもしくはこれによって要求される（ＴＳ２５．３０５Ｖ３．１．０：stage 2“Functional Specification of Location Services in UTRAN”（release 99）, 3GPP TSG-RAN-WG2, 2000）。
【００１９】
〔４〕、〔５〕および〔６〕から、通信ネットワークにおいて移動通信装置をロカライズするための別の方法が公知である。
【００２０】
〔１０〕から、非線形の、集合に基づいているフィルタが公知である。
【００２１】
この非線形の、集合をベースにしたフィルタで、Ｎ次元の元の空間の複雑な不確定領域がＬ次元の超空間に変換される。超空間においてはこれら領域は楕円面として簡単に表示されかつ処理することができる。
【００２２】
処理された不確定領域を超空間から元の空間に逆変換することで、処理された不確定領域の解析的記述が元の空間においても可能になる。
【００２３】
上述のロカライズ方法はとりわけ、これら方法によって求められた、移動通信装置の位置が不正確であり、従って大きな不確実さにつきまとわれているという欠点を有している。しかし比較的正確な方法では、単数ないし複数の通信ネットワークおよび通信装置に煩雑な付加装置およびコストのかかる変形が必要になってくる。
【００２４】
従って本発明の課題は、できるだけ簡単かつコスト面で有利に実現することができる、通信ネットワークにおける移動通信装置の、正確かつできるだけ僅かな不確かさしか持ち合わせないロカライズを可能にすることである。
【００２５】
この課題は、それぞれ独立している請求項に記載の特徴を有する通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を突き止めるための方法および装置並びにプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品によって解決される。
【００２６】
移動通信装置との第１の通信に対してセットアップされている少なくとも１つの第１の基地局と、前記移動通信装置との第２の通信に対してセットアップされている第２の基地局とを有する通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を求めるための方法において、
第１の通信の第１の通信信号を使用して、移動通信装置の第１の可能な所在地域を第１の基地局によって求め、
第２の通信の第２の通信信号を使用して、移動通信装置の第２の可能な所在地域を第２の基地局によって求め、
前記第１の可能な所在地域および第２の可能な所在地域を非線形の集合をベースとしたフィルタを使用して組み合わせ、ここで第１および第２の基地局に対して移動通信装置の１つの共通な所在地域が求められ、
該１つの共通な所在地域を使用して、移動通信装置の位置を特定する。
【００２７】
移動通信装置との第１の通信に対してセットアップされている少なくとも１つの第１の基地局と、前記移動通信装置との第２の通信に対してセットアップされている第２の基地局とを備えた通信ネットワークにおける移動通信装置の位置を求めるための装置において、
第１の通信の第１の通信信号を使用して、移動通信装置の第１の可能な所在地域を第１の基地局によって求めることができる、所在地域を求めるための第１のユニットを備え、
第２の通信の第２の通信信号を使用して、移動通信装置の第２の可能な所在地域を第２の基地局によって求めることができる、所在地域を求めるための第２のユニットを備え、
前記第１の可能な所在地域および第２の可能な所在地域を非線形の集合をベースとしたフィルタを使用して組み合わせることができる所在地域重畳ユニットを備え、ここで第１および第２の基地局に対して移動通信装置の１つの共通な所在地域を求めることができ、かつ
該１つの共通な所在地域を使用して、移動通信装置の位置を特定することができる位置を求めるユニットを備えている。
【００２８】
本発明の非線形の集合をベースとしているフィルタリングとは一般に次のような手法と理解されるべきである：
可能な所在地域を、組み合わせのために元の空間から超空間に変換し、
この超空間において、可能な所在地域の、１つの共通な所在地域への組み合わせを行い、
引き続いて、この１つの共通な所在地域を元の空間から超空間に逆変換する。
【００２９】
この手法において有利なのは、超空間においてそこに変換された可能な所在地域を前以て決めることができる立体を使用して簡単に記述しかつ処理する、この場合組み合わせることができることである。
【００３０】
プログラムコード手段を有するコンピュータプログラムは、プログラムがコンピュータに実現されるとき、位置を求めるための本発明の方法、すなわち本発明のロカライズ方法によるすべてのステップを実施するようにセットアップされている。
【００３１】
マシーン読み取り可能な担体に記憶されているプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品は、プログラムがコンピュータに実現されるとき、本発明のロカライズ方法によるすべてのステップを実施するようにセットアップされている。
【００３２】
プログラムがコンピュータに実現されるとき、本発明のロカライズ方法によるすべてのステップを実施するようにセットアップされているプログラムコード手段を有する装置並びにコンピュータプログラム、並びにプログラムがコンピュータに実現されるとき、本発明のロカライズ方法によるすべてのステップを実施するようにセットアップされている、マシーン読み取り可能な担体に記憶されているプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品は殊に、本発明のロカライズ方法または以下に説明するその発展形態の実施のために適している。
【００３３】
本発明のロカライズ方法が基礎としている思想は、少なくとも２つの基地局と１つの移動局との間で行われている通信信号から距離に関連のあるパラメータおよびそこから地理的な情報、この場合移動局が所在している可能性のある地域または移動局の距離ないし所在地域情報を取り出すことである。
【００３４】
このような移動局が所在している可能性のある地域または移動局の距離ないし所在地域情報からは正確な間隔ないし距離は得られない。というのは、距離に関連のあるパラメータは、測定および計算精度またはモデルエラーのような不正確さ、従って上述した「アンシャープな」地域、いわゆる不確かな地域（不確定領域）において結果生じる不確かさを含んでいるからである。
【００３５】
そこで、不確定性もしくは不確定領域を狭めて、全体としての不確定が移動局が存在している可能性がある所在地よりずっと少なくなるもしくは全体としての不確定領域が移動局が存在している可能性がある所在地よりずっと小さくなるようにするために、個々の不確定領域が重畳される。
【００３６】
このために、状態推定のために不確定性を伴う複数の測定が考慮されなければならない制御工学から成る手段、すなわち集合をベースしている非線形フィルタが使用される。
【００３７】
集合をベースしている非線形フィルタにより不確定領域を重畳する際に、個々の不確定領域は１つの共通部分（積集合）、まとまった１つの不確定領域に還元される。
【００３８】
最終的にこのまとまった１つの不確定領域に移動局が存在していることが推定される。
【００３９】
本発明の特別な利点は、移動無線システムにおける通常の作動において生じ、従ってそこで使用できるようになっている通信信号と基地局の既知の位置とに基づいたロカライズが実施されということにある。これにより、既存の移動無線システムのもしくは既存の移動無線システムにおける変更および拡張並びに付加測定を行わないでもすむ。
【００４０】
本発明の有利な発展形態は従属請求項から明らかである。
【００４１】
以下に説明する発展形態は方法にも装置にも関連している。
【００４２】
本発明および、以下に説明する発展形態はソフトウェアにおいてもハードウェアにおいても、例えば固有の電気回路を使用して実現することができる。
【００４３】
更に、本発明または以下に説明する発展形態は、本発明または発展形態を実現するプログラムコード手段を備えているコンピュータプログラムが記憶されているコンピュータ読み取り可能なメモリ媒体によって可能である。
【００４４】
また、本発明または以下に説明する発展形態は、本発明または発展形態を実現するプログラムコード手段を備えているコンピュータプログラムが記憶されているメモリ媒体を有しているコンピュータプログラム製品によって実現されていてよい。
【００４５】
移動する通信装置（移動局）、例えば移動電話と、基地局、例えば円形アンテナもしくは円形放射器または１つないし複数の扇形アンテナとの間の通信ネットワークにおける通信の際に、データ、（第１および第２の）通信信号が信号パケット、いわゆるバーストにおいて伝送される。
【００４６】
伝送された単数ないし複数の通信信号ないし信号パケットの使用に基づいて、種々様々な距離に関連したパラメータが求められる。次いでこれらを可能な所在地域ないし距離地域を求めるための基礎として用いることができる。
【００４７】
この種の距離に関連のある、すなわち距離に依存しているパラメータは例えば、移動局と基地局との間の信号パケットの伝搬遅延時間である。
【００４８】
信号の伝搬遅延時間は勿論、移動局と（通話をリードする）基地局との間の距離に対する依存性を有しており、従って移動局の可能な所在地域ないし距離地域（不確定領域）に関する情報を供給する。
【００４９】
信号の伝搬遅延時間は移動局によって（または基地局によっても）測定されかついわゆるタイミング・アドバンス（ＴＡ）においてコード化することができる。ＴＡに対して６４個のコード化段（量子化段）を使用することができる。これらは値０ないし６３によって（ビット）コード化することができかつ伝搬遅延時間を表している。
【００５０】
信号の伝搬遅延時間を突き止める際の測定精度は量子化の結果として１ビット持続時間、例えばＧＳＭでは４８／１３μｓであり、このことはここでは約５５４ｍの１倍の路長に相応している。
【００５１】
従って、測定されかつこのようにコード化された信号伝搬遅延時間から可能な不確定領域が導き出せる。これは基地局を中心として円環の形をしており、１ビット持続時間に相応する幅を有していて、例えばＧＳＭの場合５５４ｍの幅を有する円環である。
【００５２】
基地局の放射指向特性が考慮されるとき、円環は扇形に限定することができる。
【００５３】
１つの基地局には複数のアンテナが存在していることが非常に多い。これらアンテナは所定の方向において放射しかつこれらのアンテナによって移動局との通信が確立される。３つのアンテナの場合例えば１２０°の扇形が生じ、円環をここに制限することができる。
【００５４】
距離に関連のある別のパラメータは例えば信号パケットの電界強度である。
【００５５】
電界強度は信号伝搬遅延時間と同様に、移動局と（通話をリードする）基地局との間の距離に対して自然の依存性を有しており、従って移動局の１つの可能な所在地域ないし距離地域ないし距離地域（不確定領域）を供給する。
【００５６】
電界強度と距離との間のこの依存性は、信号の伝搬特性を記述する物理的なモデルによって記述することができる。
【００５７】
この種のモデルにおいて信号の伝搬は妨げられていないと仮定して、このモデルは前以て決められているないし測定された電界強度に対して最大の距離を供給する。
【００５８】
すなわち、移動局によって基地局によって受信された信号パケットの電界強度を測定しかつそこから、伝搬モデルを使用して移動局の、基地局からの最大間隔を推定することができる。
【００５９】
この最大間隔は、基地局の周りの相応する半径を有する円の形の不確定領域によって記述することができる。
【００６０】
ここでもこの円は、基地局の放射指向特性が考慮されるとき扇形に制限することができる。従ってここでは、扇形の形の不確定領域が生じる。
【００６１】
ところで移動局が複数の基地局と通信しているもしくは移動局がこれら基地局から受信するもしくはこれらと信号パケットを交換するとき、複数のこの種の不確定領域を相応の基地局に関してそれぞれ求めることができる。
【００６２】
すなわち、信号伝搬遅延時間を定めるために移動局と通話をリードする基地局との間の通信を用石かつ相応の不確定領域、円環扇形地域を突き止めると有意味である。
【００６３】
更に、移動局によってもっとよく受信することができるその他の基地局はその都度、電界強度測定のために用いかつその都度、相応の不確定領域、円ないし扇形を求めることができる。
【００６４】
すべての不確定領域を組み合わせるために本発明によれば、集合をベースにした非線形のフィルタが使用される。
【００６５】
この集合をベースにした非線形のフィルタではＮ次元の元の空間の複雑な不確定領域がＬ次元の超空間に変換され、この空間においてこれらは単純に、例えば楕円面によって表示しかつ処理し、すなわち組み合わされることができる。
【００６６】
すべての不確定領域を正しく評価するために、すべての不確定領域の共通部分（積集合）を、この場合には超空間において形成することが有意味である。
【００６７】
共通部分の形成の結果として、集合をベースにした非線形のフィルタの方は簡単に記述することができる立体、例えば楕円包絡面とも称する楕円面を超空間内に供給する。
【００６８】
この楕円包絡面は次の条件を満足する：
ａ）  それは、積集合を含んでいる楕円面によって解析的に記述可能である立体である、
ｂ）  それは、不確定領域の合併集合内に完全に存在している。
【００６９】
楕円包絡面の、超空間から元の空間への引き続く逆変換により、元の空間においても不確定領域の積集合を解析的に記述することができるようになる。
【００７０】
変換された不確定領域を超空間において記述するために楕円面とは別の立体を使用することができることを指摘しておく。
【００７１】
更に、非線形の、集合をベースにしたフィルタを連続的にないしステップ的に使用することができ、すなわちいつもその都度、２つの不確定領域を順次交差させていく。
【００７２】
これに対して択一的に、非線形の、集合をベースにしたフィルタを複数の不確定領域を唯一のステップで同時に積集合形成のために使用することもできる。
【００７３】
それから交差され、逆変換された共通の不確定領域を使用して、移動局の位置を求めることができる。
【００７４】
このために、重心または期待値のような、共通の不確定領域の特性値を突き止めて、それを移動局の位置の推定のために使用することができる。
【００７５】
本発明は殊に、ＧＳＭネットワークのようなデジタルな、セル方式の移動無線システムの環境に使用する、例えばＧＳＭ電話（移動電話）のロカライズのために適している。
【００７６】
その際本発明の使用の際に、移動電話で使用することができるデータのみが使用され、その際ＧＳＭネットワークにおけるＧＳＭネットワークも移動局もコストのかかる変更を行う必要がない。
【００７７】
例えば、ＧＳＭネットワークから、個々の基地局およびそのアンテナの位置並びにそれぞれのアンテナのサービスエリアに関する情報を提供する、アンテナの特性が分かっている。期待することができる電界強度の予測マップは環境モデルから求められかつ同様に存在しているものである。
【００７８】
移動電話の方では正しいコネクション確立のために受信可能なアンテナと常に接続されていて、通話のために最も適しているアンテナをネットワークから割り当ててもらうことができるようにしている。このために移動電話はとりわけ、受信可能なアンテナの受信電界強度を測定しかつ信号伝搬遅延時間を決定する。これらはそれから同じように既知なものになる。
【００７９】
それからこれらの存在している情報に基づいて、移動電話のロカライズが行われる。
【００８０】
信号伝搬遅延時間に対してからは、量子化から生じる、通話をリードするアンテナに対する移動電話の距離領域が、また電界強度測定からは最大可能間隔が導出される。
【００８１】
付加的に、これら距離指示はアンテナの周りの所定の領域に制限されるようにすることができる。というのは、例えば僅かに１２０°の扇形エリアにしか給電しない指向性アンテナが扱われていることが多いからである。
【００８２】
それから個々の測定から結果生じるこれらの領域が非線形の、集合をベースとしたフィルタによって、モデルに従って電話が存在しているものと見なすことができる共通の積集合に還元される。
【００８３】
各図には本発明の実施例が示されており、次にこれらについて詳細に説明する。
【００８４】
図１は、ＧＳＭ移動通信ネットワークのＧＳＭネットワークアーキテクチャのスケッチを示しており、
図２は、ＴＡ不確定領域（ＴＡセグメント）のスケッチを示しており、
図３は、電界強度不確定領域（ＲｘＬｅｖ領域）のスケッチを示しており、
図４は、複数のＲｘＬｅｖ領域をＴＡセグメントに重ねたスケッチを示しており、
図５は、集合をベースとした非線形フィルタにより形成されるＴＡセグメントのスケッチを示しており、
図６は、集合をベースとした非線形フィルタにより形成されるＲｘＬｅｖ領域のスケッチを示しており、
図７は、ＴＡセグメントと集合をベースとした非線形フィルタによるＲｘＬｅｖ領域との共通集合の形成のスケッチを示している。
実施例：ＧＳＭ移動通信ネットワークにおける移動電話の位置把握
ＧＳＭ移動通信ネットワークのＧＳＭネットワークアーキテクチャ
図１には、ＧＳＭ移動通信ネットワーク１００のネットワークアーキテクチャ１０１が示されている。
【００８５】
この移動通信ネットワーク１００は、図１に示されているＧＳＭシステムアーキテクチャ１０１の階層構造を有するセル方式のデジタル移動通信システム（［７］，［８］，［９］）である。
【００８６】
セル１０２として、アンテナ１０３によりカバーされる領域が示されている。この領域は予想される加入者数に応じてサイズが定められる。
【００８７】
基地局（ＢＴＳ）１０４は、区域アンテナ１０３が設置された場所をつねに管理する。もちろん、複数の区域アンテナが設置されていてよい。ＢＴＳ１０４にその周辺地域全体をカバーするアンテナ１０３が１つしかない場合は、全方向アンテナである。
【００８８】
複数の基地局は共通して基地局制御装置（ＢＳＣ）１０５により制御される。
【００８９】
移動局（ＭＳ）１０６の通話は、これら移動局のセル１０２ごとに束ねられ、交換ノードにより移動体通信交換局（ＭＳＣ）に接続される。
【００９０】
移動局（ＭＳ）１０６の位置把握のためには、特に基地局１０４と移動局１０６との間の通信が重要である。
【００９１】
移動局（ＭＳ）１０６によってできるだけ多くの加入者に同時にサービスが提供されるように、ＧＳＭネットワーク１００はセル方式で構成されており、これにより周波数帯域の多重化が可能となる。というのも、同じ周波数グループで動作してはならないのは、直接隣接する通信セル１０２だけだからである。
【００９２】
さらに、ネットワークオペレータにより使用される２５ＭＨｚの帯域幅は、１２４の個別のチャネル（搬送周波数）に分割される。これらのチャネル内では、専らそれぞれ８つの時間的にずらした通話チャネルが収容され、時間多重アクセスにより処理される。したがって、周波数帯域の多重化がない場合、１つの領域で１０００の加入者をカバーすることができる。
【００９３】
データ伝送は、いわゆるバーストという信号パケットの中のタイムスロット内において１５／２６ｍｓの長さで行われる。
【００９４】
基地局（ＢＴＳ）１０４により発信される信号は、異なる通信路（マルチパス伝搬）による拡散に基づいて基地局（ＭＳ）１０６への通信路を見出す。その際、この信号は周波数に依存して減衰される。
【００９５】
こうして、移動局（ＭＳ）１０６の受信電界強度は、移動局から基地局（ＢＴＳ）１０４までの距離だけでなく、移動局の周波数および送信者と受信者との間の所与のトポロジーにも依存する。
【００９６】
さらに、個々のデータパケットは異なる搬送周波数で送られ、これにより、１つの周波数の妨害を複数の加入者に選択的に分散させることが可能となる。ただし、このためには、移動局と基地局との間の精密な同期化が必要となる。
【００９７】
この同期化は加入者の移動性によりさらに困難となる。というのも、移動局は基地局に対して異なる距離に位置し、さらにその信号異なる伝搬時間を有しているからである。
【００９８】
これらを補償し、基地局がフレーム同期されたデータを送ることができるように、移動局は基地局までの信号伝搬時間を測定し、それによりデータパケットの送信開始を補正する。信号伝搬時間はいわゆるタイミングアドバンス（ＴＡ）で符号化され、もちろん移動局と通話管轄基地局との間の距離に依存する。
【００９９】
基地局の座標は既知なので、そこから移動局の位置を推論することができる。
【０１００】
加入者の移動性は、移動局が基地局のカバーエリアを離れ、したがって隣接する基地局が移動局を引き受けるという結果ももたらしうる。このプロセスはハンドオーバと呼ばれる。
【０１０１】
接続品質に関して最良の前提条件で正しい基地局を選択することができるように、とりわけ移動局によって移動中に受信可能なすべてのアンテナの電界強度が測定される。
【０１０２】
最も良く受信される６つのアンテナの電界強度は、いわゆるＲｘＬｅｖ値で、通話管轄基地局に通知され、基地局はこのことから接続品質と他の基地局の加入者数とを考慮してハンドオーバ決定を行うことができる。
【０１０３】
ＲｘＬｅｖ値は他の受信可能な基地局１０４までの距離に関する情報を含んでいる。というのも、電界強度は距離とともに低減し、したがって移動局（ＭＳ）１０６の位置把握に関係するからである。
【０１０４】
純粋な自由空間伝搬であれば、送信電力に対する受信電力は方程式
【０１０５】
【数１】
2005522918.tif 000003
によって記述される。ここで、ＧｓおよびＧｅは送信アンテナおよび受信アンテナのゲインを表しており、ｃは光速、ｒはＭＳ−ＢＴＳ間距離、ｆは搬送周波数を表している。
【０１０６】
地表での反射および障害物での反射、または例えば建物内での減衰によるマルチパス伝搬により、この減力は真空中のように距離の２乗に比例せず、５倍までの値に達しうる。
【０１０７】
【数２】
2005522918.tif 000004
【０１０８】
ハンドオーバを同期させるためには、すでに、新たな通話管轄基地局に対する移動局の第１のデータパケットでさえ、正しいタイムフレームでＢＴＳに到着しなければならない。さらに、移動局は、ハンドオーバそのものが行われる前に、とりわけ、次の通話管轄基地局のＴＡ値を知っていなければならない。
【０１０９】
このために、ＭＳは通話管轄基地局と他の受信可能な基地局との間の時間差をつねに計算する。これは観測時間差（ＯＴＤ）と呼ばれる。
【０１１０】
基地局の方は、近隣基地局までの実時間差（ＲＴＤ）をつねに準備しており、ハンドオーバ前に、次の通話管轄基地局までのＲＴＤを移動局に通知する。
【０１１１】
このＲＴＤと関連するＯＴＤとから、ＭＳは新たな通話管轄ＢＴＳに対するＴＡ値を計算することができる。このことから、ＭＳ−ＢＴＳ間距離に関して推論することが可能となる。ただし、この第２のＴＡ値はハンドオーバの時点でのみ使用され、一般に的には位置把握には使用されない。
ＧＳＭ移動通信ネットワークにおける位置把握パラメータおよび位置把握パラメータの不確定領域
位置把握に関連するパラメータとして、移動局は絶えずＭＳ−ＢＴＳ間距離の尺度であるタイミングアドバンス（ＴＡ）および最多で６つの別の基地局に関する電界強度の尺度であるＲｘＬｅｖ値を使用する。
【０１１２】
さらに、ＧＳＭネットワークから、とりわけ基地局とセル中心の座標を呼び出すことも可能である。
【０１１３】
ＴＡ値またはＲｘＬｅｖ値がそもそも位置把握に使用可能となる前に、各基地局までの距離に対する従属関係がモデル化されなければならない。
【０１１４】
ＲｘＬｅｖ値については、このために、ネットワークオペレータが使用する予測地図を援用することができる。これらの予測地図は２５ｍラスタごとに予測電界強度を含んでいる。
タイミングアドバンス（ＴＡ）
タイミングアドバンス（ＴＡ）については、値０〜６３で符号化され、ＢＴＳ−ＭＳ−ＢＴＳ伝搬時間を表す６４の段階が使用される。３．６９μｓのビット持続時間はＢＴＳとＭＳとの間の距離
【０１１５】
【数３】
2005522918.tif 000005
に相当する。
【０１１６】
このようにして、使用可能な値の範囲全体で最大で約３５ｋｍの距離を補償することができる。
【０１１７】
ＴＡ値のビットごとの表示における丸めのゆえに、通話管轄ＢＴＳに対するＭＳの距離ｒは量子化区間
【０１１８】
【数４】
2005522918.tif 000006
の範囲内にある。ＴＡ値からは、通話管轄ＢＴＳの周りに５５３ｍの幅２０２を有するリング２００が導出される。ＭＳはこのリング内にある。ただし、このリング２００はアンテナに応じてさらに（リングセグメント２０４まで）縮小されうる。したがって、ＢＴＳの電波塔には、ある一定の方向に放射する複数のアンテナがあることが多い。
【０１１９】
これらの方向は各アンテナのセル中心を示している。同じ電波塔に３つのアンテナが有る場合、例えば１２０°のセクタないし扇形２０３が得られる（図２）。
【０１２０】
移動局の所在場所、すなわち滞在位置は、このＴＡセグメント２０４の内部に推定される。
ＲｘＬｅｖ値
通話をリードしている基地局、すなわち通話管轄ＢＴＳが他のＢＴＳへのハンドオーバを選択できるように、通話管轄ＢＴＳに対してＭＳから最も良く受信される６つの近隣ＢＴＳの電界強度が通知される。
【０１２１】
この電界強度は、ＴＡ値と同様に０〜６３の値の範囲で表される、いわゆるＲｘＬｅｖ値で符号化される。これは、−１１０ｄＢｍ〜−４８ｄＢｍの電界強度の測定範囲に相当する。
【０１２２】
このＲｘＬｅｖ値は、位置把握に使用可能となるには、各基地局までの距離に変換されなければならない。その際、ＲｘＬｅｖ値はＭＳ−ＢＴＳ間距離のみに依存する訳ではないことを考慮しなければならない。
【０１２３】
［１１］に従って電界強度値から距離情報を求めると、移動局と基地局との間の距離ｒに到る。
【０１２４】
【数５】
2005522918.tif 000007
ここで、ΔＰは電界強度の低減、ｆは搬送周波数、ｃは光速、αは周波数に依存する係数、βは地形に依存する係数である。
【０１２５】
受信電力は距離のβ乗で低下する。
【０１２６】
距離を求めるための他の使用可能な近似法は［１２］に記載されている。
【０１２７】
代替的に、距離を求めるためのモデルを電界強度の測定から導出してもよい。
【０１２８】
近似として、ＲｘＬｅｖ値とＭＳ−ＢＴＳ間距離との間の直線の形の線形従属関係を選択してもよい。
【０１２９】
線形の定式化は、周辺領域に合わせるために、アンテナ３０６，３０７，３０８（図３）ごとに少なくとも１つこのような直線を定義することにより改良される。したがって、最大距離ｒ＿ｍａｘに関しては、
ｒ＿ｍａｘ＝オフセット＋傾き＊ＲｘＬｅｖ                    （６）
が導かれる。ここで、オフセットおよび傾きのパラメータはアンテナに固有のデータバンクから由来するものであっても、または予測地図から得たものであってもよい。
【０１３０】
以下では、信号はどのような障害物にもかかわらず円状に伝搬する（図３）と仮定する。ただし、上でＲｘＬｅｖ値から導出された距離が円３０１，３０２，３０３の半径として使用される。
【０１３１】
このようにして、理想的なケースでは、円３０１，３０２，３０３は、受信される電界強度に関して可能な最大距離を表す等電位線として生じる（図３参照）。
【０１３２】
さらに、ＴＡ値の場合と同様に、区域アンテナ３０５，３０６，３０７における伝搬の方向依存性を考慮し、円３０１，３０２，３０３を例えば１２０°セグメント３０８，３０９，３１０に制限することもできる。
【０１３３】
移動電話の滞在位置は、制限された円セグメント３０８，３０９，３０１０の内部に推定される。
ＴＡ情報とＲｘＬｅｖ情報の考慮および組合せ
さらに、移動電話の推定滞在位置であるＴＡセグメント（４０１，図４；図２）も、推定滞在位置であるＲｘＬｅｖ円（４０２，４０３，図４；図３）も、移動電話の位置４０７の計算のために考慮される。
【０１３４】
その際、通話管轄アンテナ４０４のＴＡセグメント４０１は、近隣基地局４０５，４０６に関する電界強度測定からの６つまでの円４０２，４０３と組み合わされる（４０７，図４）。
【０１３５】
電界強度の非常に簡単な線形距離モデルに基づいて、ＴＡセグメント４０１はこの組合せ４０７、すなわち個々の領域の共通集合形成のベースとして機能する。
【０１３６】
集合をベースとした非線形フィルタを用いた不確定領域のフィルタリングないし重ね合わせ
領域４０１，４０２，４０３の共通集合形成４０７（図４）は、集合をベースとした非線形フィルタを使用して行われる。このような集合をベースとした非線形フィルタは［１０］に記載されている。
【０１３７】
この集合をベースとした非線形フィルタは、状態評価のために、不確定領域の形態をとる不確定要素を伴った複数の測定を考慮しなければならない制御技術からの手段である。
【０１３８】
不確定領域を集合をベースとした非線形フィルタによって重ね合わせる際、個々の不確定領域は、共通不確定領域である共通の積集合に還元される。
【０１３９】
［１０］による集合をベースとした非線形フィルタを上記の位置把握問題に適用するために、ＴＡリングセグメン４０１もＲｘＬｅｖｅｎｎ４０２，４０３の各々も距離測定の不確定領域として扱われ、このことから集合をベースとした非線形フィルタによって移動電話の推定滞在位置が求められる。
基礎
この集合をベースとした非線形フィルタの技術思想は、Ｎ次元の原空間の複雑な不確定領域をＬ＞ＮのＬ次元超空間内で簡単に表現することにある。
【０１４０】
【数６】
2005522918.tif 000008
【０１４１】
ＴＡリングの非線形測定式は
【０１４２】
【数７】
2005522918.tif 000009
として表現することができる。ここで、Ｒｉは内径、Ｒａは外径、ａｘ、ａｙはアンテナの座標、ｖは状態ベクトル
【０１４３】
【数８】
2005522918.tif 000010
を有する超空間（インデックス＊）における測定の不確定要素である。上記式は線形形式では
【０１４４】
【数９】
2005522918.tif 000011
である。変換された測定の不確実性ｖ＊＝ｖは区間
【０１４５】
【数１０】
2005522918.tif 000012
に制限されている。一般化すると、状態変数の測定方程式（１０）に対して、
【０１４６】
【数１１】
2005522918.tif 000013
が導かれる。これは領域
【０１４７】
【数１２】
2005522918.tif 000014
により制限される。ここで、Ｈ＊は超空間への伝送行列であり、ｘ＊は状態ベクトルであり、ｃｆは一定の補正係数である。これはすべての測定を含む予測領域（インデックスｐ）と交差しなければならない。最終的には、共通集合に対して、限定的な楕円面（インデックスｓ）
【０１４８】
【数１３】
2005522918.tif 000015
が描かれる。ここで、
【０１４９】
【数１４】
2005522918.tif 000016
である。パラメータλは予測と測定との重み付けに貢献し、限定的な楕円面の体積の最小化に使用することができる。
【０１５０】
【数１５】
2005522918.tif 000017
【０１５１】
形成された擬楕円面Ｘｓ，＊５０２はリングの広がりをよく近似しているが、セクタを制限する際に有意な誤差を有する。
【０１５２】
それゆえ、楕円面はさらに高次元の超空間内でさらに狭められるか、または直線対の間の角度を小さくするかしなければならない。
【０１５３】
超空間の広がりに関する厳密解は、計算時間が極端に増大するという欠点を有している。２つの直線対に夾まれた角を変化させることにより、セクタは確かに見かけ上はよりよく近似されることが可能だが、それは成果を報いられない。明らかに、すべての測定がモデルにより仮定されるセグメント内にある訳ではないので、角度範囲を多少より大きくすると測定はより正しくなる。
【０１５４】
それゆえ、計算のために、図５には近似が含まれ、それにより測定の不確定性が定式化通りに集合論的ＴＡモデルに取り込まれる。
【０１５５】
電界強度のモデルをアンテナの放射特性に合わせ、それとともに方向に依存しない信号の伝搬をアンテナの放射セクタに制限するために、この場合にも別の仮想的測定が近似として導入される。ただし、この近似はフィルタを介して再帰的に考慮されなければならない。
【０１５６】
これはＴＡセグメントにおいて２つの直線対５０３，５０４、つまり２つのさらなる測定を介して行われる。
【０１５７】
セクタへの制限を近似する別の方法は、図６に具体的に示されているように、第２の円状測定を導入することである。
【０１５８】
この場合、ＲｘＬｅｖモデルの可能な最大距離の円６０１は、放射方向にシフトした別の円６０２と交差させられる。
【０１５９】
シフトした円６０２の円の方程式は
【０１６０】
【数１６】
2005522918.tif 000018
である。ここで、Ｒｖは半径であり、
【０１６１】
【数１７】
2005522918.tif 000019
であり、（ａｘ，ａｙ）は座標であり、φはｘ軸とアンテナの主放射方向との間の角度である。
【０１６２】
このことから、集合をベースとした非線形フィルタは新たに、共通集合をアンテナの放射特性を考慮した擬楕円面６０３として図６内のグレーの近似の形で供給する。
【０１６３】
ＴＡセグメントとは対照的に、フィルタステップは省くことができる。もちろん、ＴＡセグメントを同じようにシフトした円との交差を介して形成することも考えられるが、結果は多少悪くなる。これに対してＲｘＬｅｖセグメントでは、上述のセクタ近似がよりよい選択であり、これは測定精度にとって重要である。
【０１６４】
このように、集合をベースとした非線形フィルタを用いることにより、指向性アンテナに対するＴＡモデルもＲｘＬｅｖモデルもアンテナの放射特性に従って近似的にセクタに制限することが可能となる。
【０１６５】
しかし、フィルタの主要な課題はそのほかに、複数の測定をそれらの位置的制限によって把握することである。
【０１６６】
場合によってセクタに縮小されるＴＡ円形リングから始めて、ＲｘＬｅｖ測定の別の円が再帰的に考慮され、そのつど共通集合を含んだ１つの擬楕円面ＸＳ，＊が求められる。
【０１６７】
通話を管轄する１２０°アンテナ（ＴＡリングセグメント）および全方向アンテナもしくは１２０°アンテナ（ＲｘＬｅｖ測定）によるアンテナ配位の例に関して、図７にもう一度フィルタの動作と不確定領域（図７ａ〜図７ｄ、７０４−７０５−７０６−７０７）の逐次的縮小が具体的に示されている。
【０１６８】
ここで、Ａ１  ７０１は、共通集合形成の母体である扇形ＴＡセグメント７０４を伴った通話管轄アンテナである。
【０１６９】
Ａ２  ７０２は、１２０°の方向特性を有する第２の別のアンテナないし基地局である。
【０１７０】
Ａ３は方向特性なしの第３の全方向アンテナである。
【０１７１】
第１の交差（図７ｂ）では、扇形ＴＡセグメント７０４は第２のアンテナの不確定領域（まだ方向特性は考慮されない）である円７０８と交差し、これにより縮小された交差領域７０５が得られる。
【０１７２】
次のステップ（図７ｃ）では、第２のアンテナ７０２の方向特性が考慮される。これは、上述のように、シフトした円７０９により行われる。さらに縮小された交差領域として領域７０６が得られる。
【０１７３】
最後のステップ（図７ｄ）では、全方向アンテナＡ３の不確定領域である別の円７０９との交差が行われる。これにより不確定領域７０７へとさらなる縮小が行われる。
位置決定
位置把握の目的は、移動電話の位置をその測定からできるだけ正確に評価することである。
【０１７４】
そのために、測定から滞在領域が導出される。滞在領域内では一様分布が仮定される。
【０１７５】
集合をベースとした非線形フィルタは、この領域から、すべての旅域の共通集合を含んだ楕円面を決定する。
【０１７６】
これ（図７ｄ、７０７）から、最終的な領域の擬楕円面全体にわたって平均距離を最小化する点がさらに求められる。
【０１７７】
【数１８】
2005522918.tif 000020
【０１７８】
つまり、移動局の位置および位置把握の結果として、楕円面内部の点までの平均距離が最小の点が選択される。
【０１７９】
そのためには、これらの平均距離の最小値が結果として出される前に、これらの各点に対して平均距離が求められなければならない。平均距離の最小値の探索は多少制限してもよい。また、問題となる点を予め選び出すことにより計算時間を制限することもできる。
【０１８０】
これには、セグメント内部にあるラスタ点にわたる平均値の近傍が適している。なお、セグメント内部にあるこれらのラスタ点も期待値に対する数値的近似であり、距離の平方を最小化するものである。
【０１８１】
このために、ＴＡセグメントを図２に示されているように座標原点での適当な変換によりｘ軸の周りに対称的に配置すれば、
【０１８２】
【数１９】
2005522918.tif 000021
により、移動局の位置として期待値が計算される。
【０１８３】
この明細書では以下の文献が引用されている：
【０１８４】
【数２０】
2005522918.tif 000022
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】ＧＳＭ移動通信ネットワークのＧＳＭネットワークアーキテクチャのスケッチを示す図。
【図２】ＴＡ不確定領域（ＴＡセグメント）のスケッチを示す図。
【図３】電界強度不確定領域（ＲｘＬｅｖ領域）のスケッチを示す図。
【図４】複数のＲｘＬｅｖ領域をＴＡセグメントに重ねたスケッチを示す図。
【図５】集合をベースとした非線形フィルタにより形成されるＴＡセグメントのスケッチを示す図。
【図６】集合をベースとした非線形フィルタにより形成されるＴＡセグメントのスケッチを示す図。
【図７】ＴＡセグメントと集合をベースとした非線形フィルタによるＲｘＬｅｖ領域との共通集合の形成のスケッチを示す図。
【図１】
2005522918.tif 000023
【図２】
2005522918.tif 000024
【図３】
2005522918.tif 000025
【図４】
2005522918.tif 000026
【図５】
2005522918.tif 000027
【図６】
2005522918.tif 000028
【図７Ａ】
2005522918.tif 000029
【図７Ｂ】
2005522918.tif 000030
【図７Ｃ】
2005522918.tif 000031
【図７Ｄ】
2005522918.tif 000032
【国際調査報告】
2005522918.tif 000033
2005522918.tif 000034
2005522918.tif 000035
2005522918.tif 000036
2005522918.tif 000037
2005522918.tif 000038