位置検出方法、および位置検出システム
【課題】無線通信システムのノード位置を検出する位置検出システムで、ノードと周囲基地局間の距離を測定して三辺測量の原理によって求める位置検出方法において、ノードと基地局間で反射波しか受信できない状況においても、正しい位置検出を行う方法を提供する。
【解決手段】基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて、直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することにより、反射波しか拾えない環境においてもノードと基地局間の距離を正しく測定することを可能とすることを特徴し、基地局とノード間で見通しを確保しなくても、高い精度の位置検出を実現することができる。
【解決手段】基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて、直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することにより、反射波しか拾えない環境においてもノードと基地局間の距離を正しく測定することを可能とすることを特徴し、基地局とノード間で見通しを確保しなくても、高い精度の位置検出を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のノードで構成される無線通信システムおよびそのノードの位置検出方法に関するものである。特に、位置検出するノードの周囲基地局において、ノードと基地局との距離に関する情報を得るために用いる信号の到達経路が直接波または反射波であるかを判別し、判別した結果を用いてノードの位置を検出することを特徴とする位置検出方法、位置検出システム、及び基地局装置ならびにサーバ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の位置検出方法としては、無線の受信信号強度（RSS： Received Signal Strength）を用いて受信信号強度の距離減衰との関係から距離を求めて三辺測量を行う方法や、無線や超音波の到達時間（ToA： Time of Arrival）または到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）を利用して測定した距離を用いた三辺測量、無線の到来角度（AoA： Angle of Arrival）による三角測量、予め作成した受信信号強度マップとの照合で位置を同定する手法などが知られている。
【０００３】
屋外では、衛星からの電波を利用したTDoAによるGPS(Global Positioning System)が普及している。また、無線LAN(Local Area Network) の電波を利用してTDoAによる三辺測量システムや、RSSによるマップ照合システム、超音波のToAによる三辺測量システムが実用化されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００４】
前記の位置検出システムにおいて、特にToAやTDoAでは、距離を測定するノード間の信号到達経路で、直接波が届かずに壁などによる反射波のみ届くような場合、反射波の経路長が直接波よりも長いことによって誤差が生じ、位置検出精度が劣化するという問題があった。これに対して、特許文献１では、位置データ及び地図データに基づいて、アンテナがマルチパスによる反射波を受信しているか否かを判断し、マルチパスによる反射波に基づく時刻データを選択しないことにより、マルチパスによる反射波に基づく誤差を低減することが開示されている。
【特許文献１】特開2004-101254号公報
【非特許文献１】A. Savvides, C. C. Han, M. B. Srivastava, "Dynamic Fine-Grained Localization in Ad-Hoc Wireless Sensor Networks", in the proceedings of the International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom) 2001, Rome, Italy, July 2001
【特許文献２】特開2004-163195号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に示した位置検出システムでは、RSSによるマップ照合システムを除き、マルチパスによる反射波によって位置検出精度が劣化するという課題がある。このため、位置検出対象ノードと周囲の基地局との間で、見通しを極力確保するように基地局を設置し、マルチパスの影響を小さくすることが必要になってくる。このため、基地局設置にかかるコストが高くなるという課題がある。前記、特許文献２では、マルチパスのないデータを選択することが記述されているが、マルチパスが多数存在する環境では位置検出することができなくなってしまう。
【０００６】
また、RSSによるマップ照合システムにおいても、基地局設置時にRSSのデータベースを作成する必要があるため、設置コストが高くなるという課題がある。また、基地局のレイアウト変更や人間・遮蔽物の移動による影響によって、事前に調べたRSSデータベースとRSS測定データとで乖離が生じてしまい、位置検出精度が劣化するという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無線通信システムにおいて、位置検出の対象ノードと周囲基地局間の距離を測定するために用いる信号が直接届いたか、天井や壁などで反射して届いたかを判別して、判別した結果を用いてノード位置を特定することのできる無線システム、そのシステムを構成するサーバ、基地局、ノード、並びに、そのシステムにおけるノードの位置検出方法を得ることを目的とする。ここで、ノードとは、ユーザが使用する端末、または実環境をセンシングするセンサを搭載したセンサノードなどを示している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の問題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる無線通信システムにおいては、位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上にある天井や壁などの反射物と、ノード位置を計算するサーバから構成されるシステムであって、
周囲ノードあるいは基地局との距離を測定するために、時刻同期をとるための同期信号と、ToAのために距離を測るため、またはTDoAのために受信時刻を測るための観測信号の二種類の信号を送／受信する手段と、前記同期信号と観測信号を用いて反射物までの距離を測定する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、得られた受信振幅の情報をもとに観測信号の送信出力を制御する手段と、前記観測信号が反射物で反射して届くのか、あるいは直接届くのかを判別するのに必要な識別情報を同期信号に多重化する手段とを備えた少なくとも一つのノードと、
基地局とノード間の距離を測定するために、時刻同期をとるための同期信号と、ToAのために距離を測るため、またはTDoAのために受信時刻を測るための観測信号の二種類の信号を送／受信する手段と、前記同期信号と観測信号を用いて反射物までの距離を測定する手段と、前記ノードから送信された同期信号の識別情報を用いて観測信号が天井や壁などによって反射して届いたものか直接届いたものかを判別する手段と、ノードの位置を計算するサーバと通信する手段とを備えた基地局と、
前記基地局と通信する手段と、前記基地局、または、ノードで収集した基地局とノード間の距離情報あるいは、同期信号と観測信号の信号到達時間差の情報と、観測信号が反射物で反射して届いたか直接届いたかを表す情報を要素とする測定データベースと、基地局の位置情報を格納した基地局位置データベースと、前記測定データベースの情報を用いて、ノードと基地局間の時間または時間差情報を補正する手段と、補正された情報と前記基地局位置データベースの情報から三辺測量の原理によってノードの位置を求める手段とを有するサーバによって構成されるシステムであって、
基地局では、ノードから送信される観測信号が基地局までの到達経路で直接届いたものか天井や壁などの反射物で反射して届いたものかを判別し、
サーバでは、基地局における判別結果を用いて、各ノードと基地局間の距離情報、あるいは観測信号の信号到達時間差を補正することによって、位置検出精度を高めることを特徴とする位置検出方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ノードと基地局の間に見通しが確保できない状況においても、ノードと基地局間の距離を測るための信号が直接波または反射波で届いたのかを判断し、反射波で届いた場合は、ノードと基地局間の距離情報を補正することによって、ノードの位置検出精度を高めることができる。
【００１０】
特に、多数のノード、多数の基地局を扱うシステムでは、基地局とノードの間の見通しを確保するために、基地局を高い場所に設置し、その設置コストが高くなるという課題があるが、本発明によれば、基地局とノード間の見通しを確保する必要がなく、設置コストを低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に、本発明にかかる無線通信システムの構成、およびノードの位置検出を行うためのシステム構成図を示す。位置検出対象のノード１０３が、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃとの距離に関する情報を測定するために、周期的に観測信号および、これと同時に同期信号を送信する。基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃは同期信号と観測信号の信号到達時間差を測定し、測定した結果をサーバ１０１に通知する。サーバ１０１は、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃの既知の座標と、ノード１０３と周囲基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃの距離に関する情報から、三辺測量の原理によってノード１０３の位置を計算する。
【００１３】
ここで、同期信号は光速で伝搬する電磁波、観測信号は音速で伝搬する超音波にするとよい。これにより、観測信号がノードから送信されて基地局で受信されるまでにかかる伝搬時間に対して、同期信号の伝搬時間が十分短くなるため、同期信号の受信時刻を同期信号（および観測信号）の送信時刻と近似することができ、観測信号の伝搬時間を十分な精度で求めることが可能となる。
【００１４】
天井１０５近くの高い場所に、基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃを設置すると、ノード１０３と基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの間の見通しを確保することができるため、ノード１０３と基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの間の距離に関する情報を正しく測定することができる。
【００１５】
図２に、本発明にかかる無線通信システムにおける反射波の影響に関する説明図を示す。基地局１０２ａとノード１０３の間に障害物201がある場合、ノード１０３が送信する観測信号が、基地局１０２ａに直接波として届かずに、天井１０５での反射波として届く場合がある。
【００１６】
特に、基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃを天井より低い場所に設置すると、位置検出対象のノード１０３が送信する観測信号を遮る障害物の影響が大きくなる。
【００１７】
このとき、反射波の経路は、直接波として届く経路よりも長いため、ノード１０３と基地局１０２ａ間の距離に関する情報が大きく誤り、ノード１０３の位置検出精度が劣化するという課題がある。
【００１８】
図１と図２を比べると、図２の方が基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃを天井１０５の近くに設置する必要がないため、基地局設置コストは低くなる。
【００１９】
図３に、本発明にかかる無線通信システムにおける直接波と反射波の測定距離に関する比較図を示す。基地局と障害物間の距離を５０ｃｍ、基地局・天井間の距離を２００ｃｍ、ノード・天井間の距離を２００ｃｍで固定とし、ノード・障害物間の距離を変化させたときの、ノード・基地局間の測定距離を示している。
【００２０】
従来は、反射波によって得られた情報は用いない方法をとっていたが、本発明では、直接波と反射波を区別することによって、反射波の情報から直接波として届いた場合の距離を推定することにより、反射波によって得られた情報を積極的に活用する。
【００２１】
図４に、本発明の実施形態における反射波で測定された距離から、ノード・基地局間の距離を推定する方法の説明図を示す。
【００２２】
まず、基地局１０２ａと天井１０５までの距離をaとし、ノード１０３と天井１０５までの距離をbとし、反射波による測定距離をdとすると、ノード・基地局間距離d’は、次の数式１で表すことができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ただし、ノード１０３と天井１０５までの距離bの2倍よりも大きい距離を計測する場合、図６で後述する理由により、本発明の実施形態では反射波か直接波かを区別することができないため、測定距離dをそのままノード・基地局間距離d’としている。
【００２５】
図５に、本発明の実施形態におけるノード位置を求める手順の説明図を示す。まず、基地局１０２ａと天井１０５までの距離ａを測定する（Ｓｔｅｐ１）。ここでは、天井１０５を例にとって説明するが、反射波の主要因となり得る壁などの場合も同様である。距離の測定方法としては、基地局１０２ａで同時に同期信号と観測信号を送信する。同期信号には、同時送信する観測信号の種類を識別するためにＭＯＤＥという識別情報を要素としてもち、ＭＯＤＥ＝０として送信する。周囲のノードまたは基地局は、ＭＯＤＥ＝０の同期信号を受信した場合は、受信してから一定時間の間、同期信号や観測信号を送信しないようにする。
【００２６】
基地局１０２ａは、同期信号と観測信号を送信したタイミングを記憶し、天井１０５で反射した観測信号を基地局１０２ａ自身で受信したタイミングと、前記記憶した送信タイミングとの時間差から距離を計算する。
【００２７】
次に、ノード１０３と天井までの距離bを測定する（Ｓｔｅｐ２）。距離の測定方法は、基地局１０２ａと同様にして測定する。
【００２８】
次に、ノード１０３において、天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める（Ｓｔｅｐ３）。この具体的な方法については、図８で後述する。
【００２９】
次に、ノード１０３は、送信出力Ｐ以下で観測信号を送信する（Ｓｔｅｐ４）。このとき、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１として同期信号を送信する。
【００３０】
周囲のノードまたは基地局で、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１の同期信号を受信してから観測信号を受信した場合は、観測信号を直接波として受信したものと判断する。
【００３１】
次いで、ノード１０１は観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２として同期信号を送信し、同時に、最大送信出力で観測信号を送信する。
【００３２】
観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２の同期信号を受信した基地局１０２ａは、ノード１０３から送信された同期信号の受信タイミングと観測信号の受信タイミングの差から距離dを計算する（Ｓｔｅｐ６）。
【００３３】
次に、基地局１０２ａにおいて、受信した観測信号が直接波なのか、反射波なのかを判定する（Ｓｔｅｐ７）。この具体的な方法については、図６で後述する。
【００３４】
基地局１０２ａは、直接波・反射波の判定結果と、基地局１０２ａと天井１０５までの距離a、ノード１０３と天井１０５までの距離b、そして基地局１０２ａで計測した距離dをサーバ１０１に通知する。ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離dの情報の代わりに到達時刻情報tを通知する。
【００３５】
サーバ１０１では、ノード１０３の周囲にある基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃから情報を収集する。基地局１０２ａで反射波と判定された場合、ノード１０３と基地局１０２ａ間の距離については、数式２に従って距離を補正する（Ｓｔｅｐ８）。ノード１０３と基地局１０２ｂ・１０２ｃが、直接波であるとすると、直接波に対しては計測された距離をそのまま位置検出計算に用いる。
【００３６】
サーバ１０１では、補正された距離を利用して位置検出計算することによって、ノード１０３の位置を求める（Ｓｔｅｐ９）。
【００３７】
前記のＳｔｅｐ４からＳｔｅｐ９までをＮ回繰り返し実行し、Ｓｔｅｐ１へ戻る。
【００３８】
図６に、本発明の実施形態における反射波の判定方法に関する説明図を示す。
【００３９】
Ｓｔｅｐ４では、送信出力Ｐ以下で観測信号を送信している。このとき、観測信号は基地局１０２ｂで受信され、基地局１０２ａでは受信されないものとする。
【００４０】
Ｓｔｅｐ５では、送信出力最大で観測信号を送信する。このとき、基地局１０２ａと基地局１０２ｂの両方で観測信号を受信できるものとする。
【００４１】
このとき、Ｓｔｅｐ４やＳｔｅｐ５で送信する同期信号は、送信するノードの識別子のＩＤと、反射波判定に用いる観測信号の識別情報ＭＯＤＥ、Ｓｔｅｐ４とＳｔｅｐ５の送信周期Ｔｄ、およびノード１０３と天井１０５までの距離bを要素として持っている。
【００４２】
基地局１０２ｂは、Ｓｔｅｐ４でもＳｔｅｐ５でも両方観測信号を受信することができる。よって、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１とＭＯＤＥ＝２の両方が交互に来ることになる。また、観測信号の受信間隔が、ノード１０３の観測信号送信タイミング間隔のＴｄにほぼ近い状態となる。このような場合、Ｓｔｅｐ７における反射波判定では、直接波を受信したと判定する。
【００４３】
一方、基地局１０２ａは、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１を載せた同期信号を受信したとしても、観測信号を受信できず、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２のときにしか観測信号を受信しない。また、ノード１０３がＭＯＤＥ＝１とＭＯＤＥ＝２を周期的に交互に送信している場合、基地局１０２ａにおける観測信号の受信間隔は、ノード１０３の観測信号送信間隔の約２倍で２Ｔｄに近くなる。このような場合、Ｓｔｅｐ７における反射波判定では、反射波を受信したと判定する。
【００４４】
ここで、送信出力P以下で観測信号を送信した場合、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１で届く距離は2b以下である。よって、ノード・基地局間距離が距離2bよりも大きい場合は、常にＭＯＤＥ＝２の信号を受け取ることになるので、この場合は直接波か反射波の区別ができない。よって、この場合を考慮して、数式１を次の数式２のように場合分けする必要がある。
【００４５】
【数２】
【００４６】
図７に本発明の実施形態におけるノードの構成図を示す。ノード１０３は、同期信号を送受信するためのアンテナ７０１と、同期信号の符号化・変調処理を行う同期信号送信部７０２と、同期信号の復調・復号処理を行う同期信号受信部７０３と、観測信号を送信するスピーカ７０４と、観測信号を生成する観測信号送信部７０５と、観測信号の送信出力を制御する送信出力制御部７０６と、観測信号を受信するためのマイク７０７と、観測信号の受信を検出するための観測信号受信部７０８と、観測信号の受信振幅を測定する受信振幅測定部７０９と、天井までの距離を計算したり、観測信号の送信出力を決定したり、同期信号に多重する信号の情報を決定したりする制御部７１０と、同期信号や観測信号の送受信タイミングを測定するのに必要なタイマ７１１とから構成される。
【００４７】
ここで、観測信号として音波や超音波などを想定して、スピーカ７０４やマイク７０７を構成要素としたが、観測信号として無線を用いる場合は、観測信号送信部７０５は同期信号送信部７０２と同じ構成となり、また、観測信号受信部７０８は同期信号受信部７０３と同じ構成になる。送信出力制御部７０６や受信振幅７０７は、観測信号が音声・超音波の場合と無線の場合で、回路構成は異なっても、機能としては同一のものである。
【００４８】
図８を用いて、本発明の実施形態における天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める方法の説明図を示す。
【００４９】
まず、図５で説明したＳｔｅｐ２において、ノード１０３と天井１０５までの距離ｂを測定する際に、観測信号送信出力を最大で送信するものとする。天井１０５で反射した観測信号を受信して、前記受信振幅測定部７０９で受信振幅を測定する。観測信号受信部７０８で観測信号を検出するのに最低限必要な受信振幅を受信判定閾値とする。あらかじめ送信出力と受信振幅の関係を調べておき、送信出力最大のときに受信した受信振幅と受信判定閾値との差分から、観測信号の受信振幅が受信判定閾値となる送信出力Ｐを決定する。
【００５０】
また、ここで求めた送信出力Ｐよりもp(dB)出力を下げて送信した場合に、観測信号が受信されないことを確認する。
【００５１】
また、天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める別の実施形態について説明する。観測信号を送信出力最大で送信し、天井１０５の反射波を受信することを確認する。次に、送信出力をp(dB)だけ下げて送信し、観測信号が受信できるかどうか調べる。もし、観測信号が受信できる場合は、更に送信出力をp(dB)下げて送信して、観測信号が受信できるかどうか調べる。このように、観測信号が受信できなくなるまで、観測信号の送信出力を下げ続け、天井からの反射波を拾わなくなる送信出力Ｐを求める。
【００５２】
図９に、本発明の実施形態における基地局１０２ａの構成図を示す。基地局１０２ａは、同期信号を送受信するためのアンテナ９０１と、同期信号の符号化・変調処理を行う同期信号送信部９０２と、同期信号の復調・復号処理を行う同期信号受信部９０３と、観測信号を送信するスピーカ９０４と、観測信号を生成する観測信号送信部９０５と、観測信号を受信するためのマイク９０６と、観測信号の受信を検出するための観測信号受信部９０７と、天井までの距離を計算したり、同期信号に多重された情報を抽出したり、受信した観測信号が直接波なのか反射波なのかを判定したり、サーバへの報告内容を生成する制御部９０８と、サーバとの通信をするために必要な有線送信部９０９と有線受信部９１０と、同期信号や観測信号の送受信タイミングを測定するのに必要なタイマ９１１とから構成される。
【００５３】
ここで、観測信号として音波や超音波などを想定して、スピーカ９０４やマイク９０６を構成要素としたが、観測信号として無線を用いる場合は、観測信号送信部９０５は同期信号送信部９０２と同じ構成となり、また、観測信号受信部９０７は同期信号受信部９０３と同じ構成になる。
【００５４】
図１０に、本発明の実施形態における基地局制御部のアルゴリズム説明図を示す。まず、ＭＯＤＥ＝２の観測信号を受信した回数に関する内部変数ＣＯＵＮＴを０で初期化し、同期信号の待ち受け状態に入る（１００１）。
【００５５】
次に、同期信号を受信すると（１００２）、タイマを用いて同期信号の受信時刻Ｔ１を記録する（１００３）。
【００５６】
また、同期信号の情報を復調・復号することによって、同期信号を送信したノードまたは基地局の識別子ＩＤ、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ、観測信号の送信周期Ｔｄ、ノード・天井間の距離bなどを抽出する（１００４）。
【００５７】
次に、同期信号の後に到達するはずの観測信号を受信するまでの待ち時間として観測信号受信タイムアウト時間を設定する（１００５）。
【００５８】
受信タイムアウト時間経過した場合（１００７）は、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００５９】
受信タイムアウト時間内に観測信号を受信した場合（１００６）は、観測信号の受信時刻Ｔ２を記録する（１００８）。
【００６０】
次に、同期信号の受信時刻と観測信号の受信時刻から時間差を求め、これを距離ｄとして計算する（１００９）。
【００６１】
この観測信号は、ＭＯＤＥ＝２で送信されたものかどうかを調べる（１０１０）。
【００６２】
もし、ＭＯＤＥ＝２でない場合、ＭＯＤＥ＝０で送信されたものかどうかを調べる（１０１１）。ＭＯＤＥ＝０で送信されたものであれば、同期信号のＩＤが基地局自身のＩＤと同一である場合は、前記で求めた距離ｄを、基地局から天井までの距離ａとして保存し（１０１２）、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６３】
１０１１で、ＭＯＤＥ＝０で送信されたものでない場合、ＭＯＤＥ＝１で送信されたかどうかを調べる（１０１３）。ＭＯＤＥ＝１でもない場合には、設定外のＭＯＤＥが指定されているため、何もせずに同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６４】
１０１３でＭＯＤＥ＝１である場合、直接波を受信したものとして、直接波を検出した旨と、基地局と天井の距離ａ、ノードと天井の距離ｂ、ノードから基地局まで測定した距離ｄをサーバに報告する（１０１４）。
【００６５】
１０１０で、ＭＯＤＥ＝２である場合、内部変数ＣＯＵＮＴ＝１であるかどうかを調べる（１０１５）。ＣＯＵＮＴ＝１でない場合は、ＣＯＵＮＴ＝１とし（１０１６）、最後に同期信号を受信した時間T_lastの変数にT_last=T1を代入（１０１７）して、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６６】
ＣＯＵＮＴ＝１の場合は、内部変数ＣＯＵＮＴ＝０に初期化する（１０１８）。
【００６７】
同期信号の受信タイミングＴ１と、前回最後にＭＯＤＥ＝２の同期信号で観測信号を受信した受信タイミングT_lastとの差分が、観測信号の送信周期Tdの約２倍であるかどうかを調べる（１０１９）。
【００６８】
１０１９で送信周期の約２倍である場合は、ＭＯＤＥ＝２の観測信号が連続して受信されており、ＭＯＤＥ＝１の観測信号が受信されていないと判断し、反射波として判断する。サーバには、反射波を検出した旨と、基地局と天井の距離ａ、ノードと天井の距離ｂ、ノードから基地局まで測定した距離ｄをサーバに報告する（１０２０）。
【００６９】
１０１９で送信周期の約２倍でない場合には、動機信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００７０】
ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、サーバに通知する情報としては、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報T2をサーバに通知する。
【００７１】
図１１に、本発明の実施形態におけるサーバの構成図を示す。サーバ１０１は、基地局の座標を格納した基地局位置データ１１０５と、基地局から収集したデータを格納する測定データ１１０６と、これらの基地局位置データ１１０５と測定データ１１０６を用いて、直接波と反射波の区別を行って距離を補正してから位置検出対象のノード位置を計算する位置計算処理部１１０１と、基地局から収集したデータの格納を行ったり、周囲のクライアントから要求を受けて位置計算を実行し、実行結果を返信するという位置計算プロトコル処理を行う制御部１１０２と、基地局との通信をするために必要な有線送信部１１０３と有線受信部１１０４とから構成される。
【００７２】
図１２に、本発明の実施形態におけるサーバの測定データベース構成図を示す。測定データには、観測信号を送信したノードの識別子ＩＤと、その観測信号を受信した基地局の識別子ＩＤと、その経路が直接波か反射波かを表す識別子と、基地局から天井までの距離ａと、ノードから天井までの距離ｂと、ノードから基地局までの距離ｄの情報で構成される。ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報tが格納されている。
【００７３】
次に、位置計算処理部１１０１での計算について説明する。位置検出対象ノードの座標を(x,y)とし、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの座標をそれぞれ(xa,ya)、(xb,yb)、（xc,yc）とする。
【００７４】
ノード１０３から基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃまで測定した距離を、それぞれda、db、dcとし、数式２による補正を行った結果をda’、db’、dc’とすると、次の数式３の誤差Fを最小とする(x,y)を求める。
【００７５】
【数３】
【００７６】
到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報tを用いる。このとき、測定した時刻情報をta,tb,tcとすると、次の数式４が成り立つ。
【００７７】
【数４】
【００７８】
ここで、cは光速を表すものとする。これらの連立方程式を解くことにより、ノード１０３から基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃまでの距離に変換し、それから数式２の補正を行うことで、同様に数式３の誤差Fを最小とするノード位置(x,y)を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明にかかる無線通信システムの構成、およびノードの位置検出を行うためのシステム構成図。
【図２】本発明にかかる無線通信システムの課題となる反射波の影響に関する説明図。
【図３】本発明にかかる無線通信システムにおける直接波と反射波の測定距離に関する比較図。
【図４】本発明における反射波で測定された距離から、ノード・基地局間の距離を推定する方法の説明図。
【図５】本発明におけるノード位置を求める手順の説明図。
【図６】本発明における反射波の判定方法に関する説明図。
【図７】本発明におけるノードの構成図。
【図８】本発明における天井からの反射波を拾わない送信出力を求める方法の説明図。
【図９】本発明における基地局の構成図。
【図１０】本発明における基地局制御部のアルゴリズム説明図。
【図１１】本発明におけるサーバの構成図。
【図１２】本発明におけるサーバの測定データベース構成図。
【符号の説明】
【００８０】
１０１ サーバ、１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃ 基地局、１０３ ノード、１０４ ＬＡＮ、１０５ 天井、２０１ 障害物、
７０１ アンテナ、７０２ 同期信号送信部、７０３ 同期信号受信部、７０４ スピーカ、７０５ 観測信号送信部、７０６ 送信出力制御部、７０７ マイク、７０８ 観測信号受信部、７０９ 受信振幅測定部、７１０ 制御部、７１１ タイマ、
９０１ アンテナ、９０２ 同期信号送信部、９０３ 同期信号受信部、９０４ スピーカ、９０５ 観測信号送信部、９０６ マイク、９０７ 観測信号受信部、９０８ 制御部、９０９ 有線送信部、９１０ 有線受信部、９１１ タイマ、
１１０１ 位置計算処理部、１１０２ 制御部、１１０３ 有線送信部、１１０４ 有線受信部、１１０５ 基地局位置データ、１１０６ 測定データ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のノードで構成される無線通信システムおよびそのノードの位置検出方法に関するものである。特に、位置検出するノードの周囲基地局において、ノードと基地局との距離に関する情報を得るために用いる信号の到達経路が直接波または反射波であるかを判別し、判別した結果を用いてノードの位置を検出することを特徴とする位置検出方法、位置検出システム、及び基地局装置ならびにサーバ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の位置検出方法としては、無線の受信信号強度（RSS： Received Signal Strength）を用いて受信信号強度の距離減衰との関係から距離を求めて三辺測量を行う方法や、無線や超音波の到達時間（ToA： Time of Arrival）または到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）を利用して測定した距離を用いた三辺測量、無線の到来角度（AoA： Angle of Arrival）による三角測量、予め作成した受信信号強度マップとの照合で位置を同定する手法などが知られている。
【０００３】
屋外では、衛星からの電波を利用したTDoAによるGPS(Global Positioning System)が普及している。また、無線LAN(Local Area Network) の電波を利用してTDoAによる三辺測量システムや、RSSによるマップ照合システム、超音波のToAによる三辺測量システムが実用化されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００４】
前記の位置検出システムにおいて、特にToAやTDoAでは、距離を測定するノード間の信号到達経路で、直接波が届かずに壁などによる反射波のみ届くような場合、反射波の経路長が直接波よりも長いことによって誤差が生じ、位置検出精度が劣化するという問題があった。これに対して、特許文献１では、位置データ及び地図データに基づいて、アンテナがマルチパスによる反射波を受信しているか否かを判断し、マルチパスによる反射波に基づく時刻データを選択しないことにより、マルチパスによる反射波に基づく誤差を低減することが開示されている。
【特許文献１】特開2004-101254号公報
【非特許文献１】A. Savvides, C. C. Han, M. B. Srivastava, "Dynamic Fine-Grained Localization in Ad-Hoc Wireless Sensor Networks", in the proceedings of the International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom) 2001, Rome, Italy, July 2001
【特許文献２】特開2004-163195号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に示した位置検出システムでは、RSSによるマップ照合システムを除き、マルチパスによる反射波によって位置検出精度が劣化するという課題がある。このため、位置検出対象ノードと周囲の基地局との間で、見通しを極力確保するように基地局を設置し、マルチパスの影響を小さくすることが必要になってくる。このため、基地局設置にかかるコストが高くなるという課題がある。前記、特許文献２では、マルチパスのないデータを選択することが記述されているが、マルチパスが多数存在する環境では位置検出することができなくなってしまう。
【０００６】
また、RSSによるマップ照合システムにおいても、基地局設置時にRSSのデータベースを作成する必要があるため、設置コストが高くなるという課題がある。また、基地局のレイアウト変更や人間・遮蔽物の移動による影響によって、事前に調べたRSSデータベースとRSS測定データとで乖離が生じてしまい、位置検出精度が劣化するという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無線通信システムにおいて、位置検出の対象ノードと周囲基地局間の距離を測定するために用いる信号が直接届いたか、天井や壁などで反射して届いたかを判別して、判別した結果を用いてノード位置を特定することのできる無線システム、そのシステムを構成するサーバ、基地局、ノード、並びに、そのシステムにおけるノードの位置検出方法を得ることを目的とする。ここで、ノードとは、ユーザが使用する端末、または実環境をセンシングするセンサを搭載したセンサノードなどを示している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の問題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる無線通信システムにおいては、位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上にある天井や壁などの反射物と、ノード位置を計算するサーバから構成されるシステムであって、
周囲ノードあるいは基地局との距離を測定するために、時刻同期をとるための同期信号と、ToAのために距離を測るため、またはTDoAのために受信時刻を測るための観測信号の二種類の信号を送／受信する手段と、前記同期信号と観測信号を用いて反射物までの距離を測定する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、得られた受信振幅の情報をもとに観測信号の送信出力を制御する手段と、前記観測信号が反射物で反射して届くのか、あるいは直接届くのかを判別するのに必要な識別情報を同期信号に多重化する手段とを備えた少なくとも一つのノードと、
基地局とノード間の距離を測定するために、時刻同期をとるための同期信号と、ToAのために距離を測るため、またはTDoAのために受信時刻を測るための観測信号の二種類の信号を送／受信する手段と、前記同期信号と観測信号を用いて反射物までの距離を測定する手段と、前記ノードから送信された同期信号の識別情報を用いて観測信号が天井や壁などによって反射して届いたものか直接届いたものかを判別する手段と、ノードの位置を計算するサーバと通信する手段とを備えた基地局と、
前記基地局と通信する手段と、前記基地局、または、ノードで収集した基地局とノード間の距離情報あるいは、同期信号と観測信号の信号到達時間差の情報と、観測信号が反射物で反射して届いたか直接届いたかを表す情報を要素とする測定データベースと、基地局の位置情報を格納した基地局位置データベースと、前記測定データベースの情報を用いて、ノードと基地局間の時間または時間差情報を補正する手段と、補正された情報と前記基地局位置データベースの情報から三辺測量の原理によってノードの位置を求める手段とを有するサーバによって構成されるシステムであって、
基地局では、ノードから送信される観測信号が基地局までの到達経路で直接届いたものか天井や壁などの反射物で反射して届いたものかを判別し、
サーバでは、基地局における判別結果を用いて、各ノードと基地局間の距離情報、あるいは観測信号の信号到達時間差を補正することによって、位置検出精度を高めることを特徴とする位置検出方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ノードと基地局の間に見通しが確保できない状況においても、ノードと基地局間の距離を測るための信号が直接波または反射波で届いたのかを判断し、反射波で届いた場合は、ノードと基地局間の距離情報を補正することによって、ノードの位置検出精度を高めることができる。
【００１０】
特に、多数のノード、多数の基地局を扱うシステムでは、基地局とノードの間の見通しを確保するために、基地局を高い場所に設置し、その設置コストが高くなるという課題があるが、本発明によれば、基地局とノード間の見通しを確保する必要がなく、設置コストを低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に、本発明にかかる無線通信システムの構成、およびノードの位置検出を行うためのシステム構成図を示す。位置検出対象のノード１０３が、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃとの距離に関する情報を測定するために、周期的に観測信号および、これと同時に同期信号を送信する。基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃは同期信号と観測信号の信号到達時間差を測定し、測定した結果をサーバ１０１に通知する。サーバ１０１は、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃの既知の座標と、ノード１０３と周囲基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃの距離に関する情報から、三辺測量の原理によってノード１０３の位置を計算する。
【００１３】
ここで、同期信号は光速で伝搬する電磁波、観測信号は音速で伝搬する超音波にするとよい。これにより、観測信号がノードから送信されて基地局で受信されるまでにかかる伝搬時間に対して、同期信号の伝搬時間が十分短くなるため、同期信号の受信時刻を同期信号（および観測信号）の送信時刻と近似することができ、観測信号の伝搬時間を十分な精度で求めることが可能となる。
【００１４】
天井１０５近くの高い場所に、基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃを設置すると、ノード１０３と基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの間の見通しを確保することができるため、ノード１０３と基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの間の距離に関する情報を正しく測定することができる。
【００１５】
図２に、本発明にかかる無線通信システムにおける反射波の影響に関する説明図を示す。基地局１０２ａとノード１０３の間に障害物201がある場合、ノード１０３が送信する観測信号が、基地局１０２ａに直接波として届かずに、天井１０５での反射波として届く場合がある。
【００１６】
特に、基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃを天井より低い場所に設置すると、位置検出対象のノード１０３が送信する観測信号を遮る障害物の影響が大きくなる。
【００１７】
このとき、反射波の経路は、直接波として届く経路よりも長いため、ノード１０３と基地局１０２ａ間の距離に関する情報が大きく誤り、ノード１０３の位置検出精度が劣化するという課題がある。
【００１８】
図１と図２を比べると、図２の方が基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０３ｃを天井１０５の近くに設置する必要がないため、基地局設置コストは低くなる。
【００１９】
図３に、本発明にかかる無線通信システムにおける直接波と反射波の測定距離に関する比較図を示す。基地局と障害物間の距離を５０ｃｍ、基地局・天井間の距離を２００ｃｍ、ノード・天井間の距離を２００ｃｍで固定とし、ノード・障害物間の距離を変化させたときの、ノード・基地局間の測定距離を示している。
【００２０】
従来は、反射波によって得られた情報は用いない方法をとっていたが、本発明では、直接波と反射波を区別することによって、反射波の情報から直接波として届いた場合の距離を推定することにより、反射波によって得られた情報を積極的に活用する。
【００２１】
図４に、本発明の実施形態における反射波で測定された距離から、ノード・基地局間の距離を推定する方法の説明図を示す。
【００２２】
まず、基地局１０２ａと天井１０５までの距離をaとし、ノード１０３と天井１０５までの距離をbとし、反射波による測定距離をdとすると、ノード・基地局間距離d’は、次の数式１で表すことができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ただし、ノード１０３と天井１０５までの距離bの2倍よりも大きい距離を計測する場合、図６で後述する理由により、本発明の実施形態では反射波か直接波かを区別することができないため、測定距離dをそのままノード・基地局間距離d’としている。
【００２５】
図５に、本発明の実施形態におけるノード位置を求める手順の説明図を示す。まず、基地局１０２ａと天井１０５までの距離ａを測定する（Ｓｔｅｐ１）。ここでは、天井１０５を例にとって説明するが、反射波の主要因となり得る壁などの場合も同様である。距離の測定方法としては、基地局１０２ａで同時に同期信号と観測信号を送信する。同期信号には、同時送信する観測信号の種類を識別するためにＭＯＤＥという識別情報を要素としてもち、ＭＯＤＥ＝０として送信する。周囲のノードまたは基地局は、ＭＯＤＥ＝０の同期信号を受信した場合は、受信してから一定時間の間、同期信号や観測信号を送信しないようにする。
【００２６】
基地局１０２ａは、同期信号と観測信号を送信したタイミングを記憶し、天井１０５で反射した観測信号を基地局１０２ａ自身で受信したタイミングと、前記記憶した送信タイミングとの時間差から距離を計算する。
【００２７】
次に、ノード１０３と天井までの距離bを測定する（Ｓｔｅｐ２）。距離の測定方法は、基地局１０２ａと同様にして測定する。
【００２８】
次に、ノード１０３において、天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める（Ｓｔｅｐ３）。この具体的な方法については、図８で後述する。
【００２９】
次に、ノード１０３は、送信出力Ｐ以下で観測信号を送信する（Ｓｔｅｐ４）。このとき、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１として同期信号を送信する。
【００３０】
周囲のノードまたは基地局で、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１の同期信号を受信してから観測信号を受信した場合は、観測信号を直接波として受信したものと判断する。
【００３１】
次いで、ノード１０１は観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２として同期信号を送信し、同時に、最大送信出力で観測信号を送信する。
【００３２】
観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２の同期信号を受信した基地局１０２ａは、ノード１０３から送信された同期信号の受信タイミングと観測信号の受信タイミングの差から距離dを計算する（Ｓｔｅｐ６）。
【００３３】
次に、基地局１０２ａにおいて、受信した観測信号が直接波なのか、反射波なのかを判定する（Ｓｔｅｐ７）。この具体的な方法については、図６で後述する。
【００３４】
基地局１０２ａは、直接波・反射波の判定結果と、基地局１０２ａと天井１０５までの距離a、ノード１０３と天井１０５までの距離b、そして基地局１０２ａで計測した距離dをサーバ１０１に通知する。ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離dの情報の代わりに到達時刻情報tを通知する。
【００３５】
サーバ１０１では、ノード１０３の周囲にある基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃから情報を収集する。基地局１０２ａで反射波と判定された場合、ノード１０３と基地局１０２ａ間の距離については、数式２に従って距離を補正する（Ｓｔｅｐ８）。ノード１０３と基地局１０２ｂ・１０２ｃが、直接波であるとすると、直接波に対しては計測された距離をそのまま位置検出計算に用いる。
【００３６】
サーバ１０１では、補正された距離を利用して位置検出計算することによって、ノード１０３の位置を求める（Ｓｔｅｐ９）。
【００３７】
前記のＳｔｅｐ４からＳｔｅｐ９までをＮ回繰り返し実行し、Ｓｔｅｐ１へ戻る。
【００３８】
図６に、本発明の実施形態における反射波の判定方法に関する説明図を示す。
【００３９】
Ｓｔｅｐ４では、送信出力Ｐ以下で観測信号を送信している。このとき、観測信号は基地局１０２ｂで受信され、基地局１０２ａでは受信されないものとする。
【００４０】
Ｓｔｅｐ５では、送信出力最大で観測信号を送信する。このとき、基地局１０２ａと基地局１０２ｂの両方で観測信号を受信できるものとする。
【００４１】
このとき、Ｓｔｅｐ４やＳｔｅｐ５で送信する同期信号は、送信するノードの識別子のＩＤと、反射波判定に用いる観測信号の識別情報ＭＯＤＥ、Ｓｔｅｐ４とＳｔｅｐ５の送信周期Ｔｄ、およびノード１０３と天井１０５までの距離bを要素として持っている。
【００４２】
基地局１０２ｂは、Ｓｔｅｐ４でもＳｔｅｐ５でも両方観測信号を受信することができる。よって、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１とＭＯＤＥ＝２の両方が交互に来ることになる。また、観測信号の受信間隔が、ノード１０３の観測信号送信タイミング間隔のＴｄにほぼ近い状態となる。このような場合、Ｓｔｅｐ７における反射波判定では、直接波を受信したと判定する。
【００４３】
一方、基地局１０２ａは、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１を載せた同期信号を受信したとしても、観測信号を受信できず、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝２のときにしか観測信号を受信しない。また、ノード１０３がＭＯＤＥ＝１とＭＯＤＥ＝２を周期的に交互に送信している場合、基地局１０２ａにおける観測信号の受信間隔は、ノード１０３の観測信号送信間隔の約２倍で２Ｔｄに近くなる。このような場合、Ｓｔｅｐ７における反射波判定では、反射波を受信したと判定する。
【００４４】
ここで、送信出力P以下で観測信号を送信した場合、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ＝１で届く距離は2b以下である。よって、ノード・基地局間距離が距離2bよりも大きい場合は、常にＭＯＤＥ＝２の信号を受け取ることになるので、この場合は直接波か反射波の区別ができない。よって、この場合を考慮して、数式１を次の数式２のように場合分けする必要がある。
【００４５】
【数２】
【００４６】
図７に本発明の実施形態におけるノードの構成図を示す。ノード１０３は、同期信号を送受信するためのアンテナ７０１と、同期信号の符号化・変調処理を行う同期信号送信部７０２と、同期信号の復調・復号処理を行う同期信号受信部７０３と、観測信号を送信するスピーカ７０４と、観測信号を生成する観測信号送信部７０５と、観測信号の送信出力を制御する送信出力制御部７０６と、観測信号を受信するためのマイク７０７と、観測信号の受信を検出するための観測信号受信部７０８と、観測信号の受信振幅を測定する受信振幅測定部７０９と、天井までの距離を計算したり、観測信号の送信出力を決定したり、同期信号に多重する信号の情報を決定したりする制御部７１０と、同期信号や観測信号の送受信タイミングを測定するのに必要なタイマ７１１とから構成される。
【００４７】
ここで、観測信号として音波や超音波などを想定して、スピーカ７０４やマイク７０７を構成要素としたが、観測信号として無線を用いる場合は、観測信号送信部７０５は同期信号送信部７０２と同じ構成となり、また、観測信号受信部７０８は同期信号受信部７０３と同じ構成になる。送信出力制御部７０６や受信振幅７０７は、観測信号が音声・超音波の場合と無線の場合で、回路構成は異なっても、機能としては同一のものである。
【００４８】
図８を用いて、本発明の実施形態における天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める方法の説明図を示す。
【００４９】
まず、図５で説明したＳｔｅｐ２において、ノード１０３と天井１０５までの距離ｂを測定する際に、観測信号送信出力を最大で送信するものとする。天井１０５で反射した観測信号を受信して、前記受信振幅測定部７０９で受信振幅を測定する。観測信号受信部７０８で観測信号を検出するのに最低限必要な受信振幅を受信判定閾値とする。あらかじめ送信出力と受信振幅の関係を調べておき、送信出力最大のときに受信した受信振幅と受信判定閾値との差分から、観測信号の受信振幅が受信判定閾値となる送信出力Ｐを決定する。
【００５０】
また、ここで求めた送信出力Ｐよりもp(dB)出力を下げて送信した場合に、観測信号が受信されないことを確認する。
【００５１】
また、天井からの反射波を拾わない送信出力Ｐを求める別の実施形態について説明する。観測信号を送信出力最大で送信し、天井１０５の反射波を受信することを確認する。次に、送信出力をp(dB)だけ下げて送信し、観測信号が受信できるかどうか調べる。もし、観測信号が受信できる場合は、更に送信出力をp(dB)下げて送信して、観測信号が受信できるかどうか調べる。このように、観測信号が受信できなくなるまで、観測信号の送信出力を下げ続け、天井からの反射波を拾わなくなる送信出力Ｐを求める。
【００５２】
図９に、本発明の実施形態における基地局１０２ａの構成図を示す。基地局１０２ａは、同期信号を送受信するためのアンテナ９０１と、同期信号の符号化・変調処理を行う同期信号送信部９０２と、同期信号の復調・復号処理を行う同期信号受信部９０３と、観測信号を送信するスピーカ９０４と、観測信号を生成する観測信号送信部９０５と、観測信号を受信するためのマイク９０６と、観測信号の受信を検出するための観測信号受信部９０７と、天井までの距離を計算したり、同期信号に多重された情報を抽出したり、受信した観測信号が直接波なのか反射波なのかを判定したり、サーバへの報告内容を生成する制御部９０８と、サーバとの通信をするために必要な有線送信部９０９と有線受信部９１０と、同期信号や観測信号の送受信タイミングを測定するのに必要なタイマ９１１とから構成される。
【００５３】
ここで、観測信号として音波や超音波などを想定して、スピーカ９０４やマイク９０６を構成要素としたが、観測信号として無線を用いる場合は、観測信号送信部９０５は同期信号送信部９０２と同じ構成となり、また、観測信号受信部９０７は同期信号受信部９０３と同じ構成になる。
【００５４】
図１０に、本発明の実施形態における基地局制御部のアルゴリズム説明図を示す。まず、ＭＯＤＥ＝２の観測信号を受信した回数に関する内部変数ＣＯＵＮＴを０で初期化し、同期信号の待ち受け状態に入る（１００１）。
【００５５】
次に、同期信号を受信すると（１００２）、タイマを用いて同期信号の受信時刻Ｔ１を記録する（１００３）。
【００５６】
また、同期信号の情報を復調・復号することによって、同期信号を送信したノードまたは基地局の識別子ＩＤ、観測信号の識別情報ＭＯＤＥ、観測信号の送信周期Ｔｄ、ノード・天井間の距離bなどを抽出する（１００４）。
【００５７】
次に、同期信号の後に到達するはずの観測信号を受信するまでの待ち時間として観測信号受信タイムアウト時間を設定する（１００５）。
【００５８】
受信タイムアウト時間経過した場合（１００７）は、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００５９】
受信タイムアウト時間内に観測信号を受信した場合（１００６）は、観測信号の受信時刻Ｔ２を記録する（１００８）。
【００６０】
次に、同期信号の受信時刻と観測信号の受信時刻から時間差を求め、これを距離ｄとして計算する（１００９）。
【００６１】
この観測信号は、ＭＯＤＥ＝２で送信されたものかどうかを調べる（１０１０）。
【００６２】
もし、ＭＯＤＥ＝２でない場合、ＭＯＤＥ＝０で送信されたものかどうかを調べる（１０１１）。ＭＯＤＥ＝０で送信されたものであれば、同期信号のＩＤが基地局自身のＩＤと同一である場合は、前記で求めた距離ｄを、基地局から天井までの距離ａとして保存し（１０１２）、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６３】
１０１１で、ＭＯＤＥ＝０で送信されたものでない場合、ＭＯＤＥ＝１で送信されたかどうかを調べる（１０１３）。ＭＯＤＥ＝１でもない場合には、設定外のＭＯＤＥが指定されているため、何もせずに同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６４】
１０１３でＭＯＤＥ＝１である場合、直接波を受信したものとして、直接波を検出した旨と、基地局と天井の距離ａ、ノードと天井の距離ｂ、ノードから基地局まで測定した距離ｄをサーバに報告する（１０１４）。
【００６５】
１０１０で、ＭＯＤＥ＝２である場合、内部変数ＣＯＵＮＴ＝１であるかどうかを調べる（１０１５）。ＣＯＵＮＴ＝１でない場合は、ＣＯＵＮＴ＝１とし（１０１６）、最後に同期信号を受信した時間T_lastの変数にT_last=T1を代入（１０１７）して、同期信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００６６】
ＣＯＵＮＴ＝１の場合は、内部変数ＣＯＵＮＴ＝０に初期化する（１０１８）。
【００６７】
同期信号の受信タイミングＴ１と、前回最後にＭＯＤＥ＝２の同期信号で観測信号を受信した受信タイミングT_lastとの差分が、観測信号の送信周期Tdの約２倍であるかどうかを調べる（１０１９）。
【００６８】
１０１９で送信周期の約２倍である場合は、ＭＯＤＥ＝２の観測信号が連続して受信されており、ＭＯＤＥ＝１の観測信号が受信されていないと判断し、反射波として判断する。サーバには、反射波を検出した旨と、基地局と天井の距離ａ、ノードと天井の距離ｂ、ノードから基地局まで測定した距離ｄをサーバに報告する（１０２０）。
【００６９】
１０１９で送信周期の約２倍でない場合には、動機信号の待ち受け（１００２）に戻る。
【００７０】
ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、サーバに通知する情報としては、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報T2をサーバに通知する。
【００７１】
図１１に、本発明の実施形態におけるサーバの構成図を示す。サーバ１０１は、基地局の座標を格納した基地局位置データ１１０５と、基地局から収集したデータを格納する測定データ１１０６と、これらの基地局位置データ１１０５と測定データ１１０６を用いて、直接波と反射波の区別を行って距離を補正してから位置検出対象のノード位置を計算する位置計算処理部１１０１と、基地局から収集したデータの格納を行ったり、周囲のクライアントから要求を受けて位置計算を実行し、実行結果を返信するという位置計算プロトコル処理を行う制御部１１０２と、基地局との通信をするために必要な有線送信部１１０３と有線受信部１１０４とから構成される。
【００７２】
図１２に、本発明の実施形態におけるサーバの測定データベース構成図を示す。測定データには、観測信号を送信したノードの識別子ＩＤと、その観測信号を受信した基地局の識別子ＩＤと、その経路が直接波か反射波かを表す識別子と、基地局から天井までの距離ａと、ノードから天井までの距離ｂと、ノードから基地局までの距離ｄの情報で構成される。ただし、到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報tが格納されている。
【００７３】
次に、位置計算処理部１１０１での計算について説明する。位置検出対象ノードの座標を(x,y)とし、周囲の基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃの座標をそれぞれ(xa,ya)、(xb,yb)、（xc,yc）とする。
【００７４】
ノード１０３から基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃまで測定した距離を、それぞれda、db、dcとし、数式２による補正を行った結果をda’、db’、dc’とすると、次の数式３の誤差Fを最小とする(x,y)を求める。
【００７５】
【数３】
【００７６】
到達時間差（TDoA： Time Difference of Arrival）で位置検出を行うシステムでは、距離ｄの情報の代わりに観測信号の受信時刻情報tを用いる。このとき、測定した時刻情報をta,tb,tcとすると、次の数式４が成り立つ。
【００７７】
【数４】
【００７８】
ここで、cは光速を表すものとする。これらの連立方程式を解くことにより、ノード１０３から基地局１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃまでの距離に変換し、それから数式２の補正を行うことで、同様に数式３の誤差Fを最小とするノード位置(x,y)を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明にかかる無線通信システムの構成、およびノードの位置検出を行うためのシステム構成図。
【図２】本発明にかかる無線通信システムの課題となる反射波の影響に関する説明図。
【図３】本発明にかかる無線通信システムにおける直接波と反射波の測定距離に関する比較図。
【図４】本発明における反射波で測定された距離から、ノード・基地局間の距離を推定する方法の説明図。
【図５】本発明におけるノード位置を求める手順の説明図。
【図６】本発明における反射波の判定方法に関する説明図。
【図７】本発明におけるノードの構成図。
【図８】本発明における天井からの反射波を拾わない送信出力を求める方法の説明図。
【図９】本発明における基地局の構成図。
【図１０】本発明における基地局制御部のアルゴリズム説明図。
【図１１】本発明におけるサーバの構成図。
【図１２】本発明におけるサーバの測定データベース構成図。
【符号の説明】
【００８０】
１０１ サーバ、１０２ａ・１０２ｂ・１０２ｃ 基地局、１０３ ノード、１０４ ＬＡＮ、１０５ 天井、２０１ 障害物、
７０１ アンテナ、７０２ 同期信号送信部、７０３ 同期信号受信部、７０４ スピーカ、７０５ 観測信号送信部、７０６ 送信出力制御部、７０７ マイク、７０８ 観測信号受信部、７０９ 受信振幅測定部、７１０ 制御部、７１１ タイマ、
９０１ アンテナ、９０２ 同期信号送信部、９０３ 同期信号受信部、９０４ スピーカ、９０５ 観測信号送信部、９０６ マイク、９０７ 観測信号受信部、９０８ 制御部、９０９ 有線送信部、９１０ 有線受信部、９１１ タイマ、
１１０１ 位置計算処理部、１１０２ 制御部、１１０３ 有線送信部、１１０４ 有線受信部、１１０５ 基地局位置データ、１１０６ 測定データ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムのノード位置を検出する位置検出システムにおいて、
位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上の反射物と、ノード位置を計算するサーバを有する位置検出システムであって、
ノードは、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、
基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、
サーバは、基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、
基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することを特徴とする位置検出システム。
【請求項２】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記サーバは、前記基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、ノードと基地局間の観測信号到達経路が直接波か反射波か基地局での判定結果を利用して、ノードと基地局間の距離を補正してノードの位置を計算することを特徴とする位置検出システム。
【請求項３】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定することを特徴とする位置検出システム。
【請求項４】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記ノードは、該ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送受信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を交互に繰り返すことを特徴とする位置検出システム。
【請求項５】
請求項４記載の位置検出システムであって、前記ノードは、該ノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段において、ノードと反射物までの距離を測定する際に、観測信号送信出力を最大で送信し、反射物で反射してから受信した観測信号の受信振幅を測定し、送信出力と受信振幅の関係をあらかじめ調べておき、この関係に照らし合わせることにより、観測信号を受信することが可能な受信判定閾値になる送信出力を求めることを特徴とする位置検出システム。
【請求項６】
請求項４記載の位置検出システムであって、前記ノードは、観測信号を送信出力最大で送信し、反射物で反射する観測信号を受信することを確認した後、送信出力を一定値下げて送信し、観測信号の受信可否を調べ、観測信号が受信されなくなるまで、観測信号の送信出力を下げ続けることによって、反射物からの反射波を拾わなくなる送信出力を求めることを特徴とする位置検出システム。
【請求項７】
無線通信システムのノード位置を検出する位置検出システムにおける位置検出方法であって、
該位置検出システムは、位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上の反射物と、ノード位置を計算するサーバを有し、
ノードは、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、
基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、
サーバは、基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、
基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することを特徴とする位置検出方法。
【請求項１】
無線通信システムのノード位置を検出する位置検出システムにおいて、
位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上の反射物と、ノード位置を計算するサーバを有する位置検出システムであって、
ノードは、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、
基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、
サーバは、基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、
基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することを特徴とする位置検出システム。
【請求項２】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記サーバは、前記基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、ノードと基地局間の観測信号到達経路が直接波か反射波か基地局での判定結果を利用して、ノードと基地局間の距離を補正してノードの位置を計算することを特徴とする位置検出システム。
【請求項３】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定することを特徴とする位置検出システム。
【請求項４】
請求項１記載の位置検出システムであって、前記ノードは、該ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送受信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を交互に繰り返すことを特徴とする位置検出システム。
【請求項５】
請求項４記載の位置検出システムであって、前記ノードは、該ノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段において、ノードと反射物までの距離を測定する際に、観測信号送信出力を最大で送信し、反射物で反射してから受信した観測信号の受信振幅を測定し、送信出力と受信振幅の関係をあらかじめ調べておき、この関係に照らし合わせることにより、観測信号を受信することが可能な受信判定閾値になる送信出力を求めることを特徴とする位置検出システム。
【請求項６】
請求項４記載の位置検出システムであって、前記ノードは、観測信号を送信出力最大で送信し、反射物で反射する観測信号を受信することを確認した後、送信出力を一定値下げて送信し、観測信号の受信可否を調べ、観測信号が受信されなくなるまで、観測信号の送信出力を下げ続けることによって、反射物からの反射波を拾わなくなる送信出力を求めることを特徴とする位置検出システム。
【請求項７】
無線通信システムのノード位置を検出する位置検出システムにおける位置検出方法であって、
該位置検出システムは、位置検出対象ノードとノード周囲にある基地局と、ノードと基地局間の信号到達経路上の反射物と、ノード位置を計算するサーバを有し、
ノードは、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を送信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を送信する手段と、ノードと反射物までの距離を計算する手段と、観測信号の受信振幅を測定する手段と、観測した受信振幅からノードにおいて反射物からの反射波が拾うことのできない送信出力を決定する手段と、前記送信出力以下で観測信号を送信する場合と最大出力で観測信号を送信する場合を区別する識別情報を前記同期信号に載せる手段とを有し、
基地局は、ノードと基地局間の時刻同期をとるための同期信号を受信する手段と、ノードと基地局間の距離を測定するための観測信号を受信する手段と、基地局と反射物までの距離を計算する手段と、位置計算を行うサーバと信号を送受信する手段と、前記識別情報を利用してノードから送信された観測信号が直接波か反射波であるかを判断する手段とを有し、
サーバは、基地局と信号を送受信する手段と、基地局経由で得られたノードと基地局間の観測信号の測定データを収集する手段と、収集された測定データベースと、基地局の座標を記録したデータベースを用いて、ノードの位置を計算する手段とを有し、
基地局において、前記同期信号の識別情報によってノードから送信された観測信号が直接波か反射波かを判定し、サーバにおいて直接波か反射波かの判定結果を利用してノードと基地局間の距離を補正することを特徴とする位置検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１５５５２３（Ｐ２００７−１５５５２３Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５１８４１（Ｐ２００５−３５１８４１）
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００２３３１６９）株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ (327)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００２３３１６９）株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ (327)
【Ｆターム（参考）】
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