無線測距システム及び無線測距方法
【課題】複数の基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係の入力を必要とすることなく、基地局と端末との距離を測定すること。
【解決手段】クロック移相部２１０は、送信パルスの発生に用いたクロックを１００ナノ秒毎に特定の移相量でシフトして、ＡＤ変換部２１１は、シフトしたクロックを用いて、端末１０３から再放射された信号をデジタル信号に変換する。相関演算部２１２は、デジタル信号と送信パルスとの相関演算を行い、シフトした位相におけるデジタル信号を同じ位相毎に加算して得られる遅延プロファイルを形成し、到来波検出部２１３は、遅延プロファイルにおいてパルスのピークを検出する。距離算出部２１４は、パルスを送信したタイミングとパルスのピークを検出したタイミングとに基づいて、端末１０３までの距離を算出する。
【解決手段】クロック移相部２１０は、送信パルスの発生に用いたクロックを１００ナノ秒毎に特定の移相量でシフトして、ＡＤ変換部２１１は、シフトしたクロックを用いて、端末１０３から再放射された信号をデジタル信号に変換する。相関演算部２１２は、デジタル信号と送信パルスとの相関演算を行い、シフトした位相におけるデジタル信号を同じ位相毎に加算して得られる遅延プロファイルを形成し、到来波検出部２１３は、遅延プロファイルにおいてパルスのピークを検出する。距離算出部２１４は、パルスを送信したタイミングとパルスのピークを検出したタイミングとに基づいて、端末１０３までの距離を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）通信方式を利用した無線通信端末装置及び基地局装置間の距離を測定する無線測距システム及び無線測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速無線伝送技術の一つとして、ＵＷＢ通信方式がある。ＵＷＢ通信方式は、所定の周期タイミングに同期したパルス信号からなるパルス信号列を用いて、超広帯域な通信を行う技術である。ＵＷＢ通信の一例として、搬送波を用いず、パルス幅が例えば１ナノ秒以下等の極めて細かいパルス信号からなるパルス信号列を用いて通信を行うことが知られている。
【０００３】
一方で、基地局装置（以下、「基地局」という）が無線通信端末装置（以下、「端末」という）との距離を測定する測距技術が、例えば、特許文献１等に開示されている。特許文献１に開示の測距技術は、３個又は４個の基地局を用いて、端末で受信される信号の到来時間差を用いるものである。
【０００４】
図１は、特許文献１に開示された測位システムを示す図である。図１に示すように、測位システムは、複数の基地局１１、１２、１３と、計算サーバ１４とを備えており、各基地局１１〜１３と計算サーバ１４とは有線ネットワーク１５によって互いに接続されている。この測位システムは、端末１０の位置座標を計算することを目的としている。
【０００５】
特許文献１に開示のシステムにおいて、端末の測位は、端末と基地局との間で送受信される測定用信号の伝搬時間差を用いて行われる。信号伝搬の絶対的な時間を求めるためには、端末のクロックと基地局のクロックとが同期している必要があるが、一般的な無線通信システムにおいては端末と基地局は非同期であるため、絶対的な伝搬時間を利用した測位（ＴＯＡ：Time Of Arrival）を行うことはできない。しかし、複数の基地局のクロックを同期させた場合、端末からの測定用信号が各基地局に到達するまでに要した時間の差を求めることができ、相対的な伝搬時間（伝搬時間差）を利用した測位（ＴＤＯＡ：Time Difference Of Arrival）を行うことができる。
【特許文献１】特開２００４−２４２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示の測位システムでは、端末からの測定用信号が複数の基地局に到達するまでの伝搬時間差を用いて測定するため、複数の基地局のクロックを同期させる必要がある。従って、基地局間をケーブルで接続する、または、測定を行う基地局とは別にクロックを同期させるための基準局を備える必要がある。また、複数の基地局への伝搬時間差から端末の距離を測定するためには、基地局間の相対位置関係をデータとして予め保持する必要があり、それには基地局の位置を予め測定しておかなければならないという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数の基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係の入力を必要とすることなく、基地局と端末との距離を測定することができる無線測距システム及び無線測距方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の無線測距システムは、基地局装置と無線通信端末装置とを備える無線測距システムであって、前記基地局装置は、クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを送信する送信手段と、送信された前記パルスを、前記無線通信端末装置を経由して受信する受信手段と、一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相手段と、移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、デジタル信号に変換したパルスと、前記送信手段が送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算手段と、前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出手段と、検出された前記到来波が前記送信手段から送信されてから前記受信手段に受信されるまでの経過時間を用いて、前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出手段と、を有し、前記無線通信端末装置は、前記基地局装置から送信されたパルスを受信して、受信信号と送信信号とを分配する分配手段と、受信した前記パルスを増幅して前記基地局装置に再放射する第１増幅手段と、を有する構成を採る。
【０００９】
本発明の無線測距方法は、クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを基地局装置から無線通信端末装置に送信する送信工程と、前記基地局装置から送信されたパルスを受信した前記無線通信端末装置が前記パルスを前記基地局装置に再放射する再放射工程と、前記無線通信端末装置から再放射されたパルスを受信する受信工程と、一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相工程と、移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、デジタル信号に変換したパルスと、前記送信工程において送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算工程と、前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出工程と、検出された前記到来波が前記送信工程において送信されてから前記受信工程において受信されるまでの経過時間を用いて、前記基地局装置と前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出工程と、を具備するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係の入力を必要とすることなく、基地局と端末との距離を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図２において、基地局１０１は、アンテナ１０２を備え、ＵＷＢ無線方式により非常に細かいパルス信号をアンテナ１０２から送信する。ＵＷＢ無線方式によれば、送信帯域幅は１〜３ＧＨｚ程度の帯域幅を有するため、パルス幅が１ナノ秒程度の非常に細いパルスが送信される。ここで、パルス幅が１ナノ秒である場合には、空間の伝搬遅延差が３０ｃｍ以上ある信号を分離できる。よって、受信側においては、マルチパス環境の多数反射波を受信する場合でも、それぞれの多重反射波を分離受信することが可能となる。
【００１３】
端末１０３は、アンテナ１０４、分配器１０５及び増幅器１０６を備え、一般的なセミパッシブ方式の無線タグと同様の構成である。基地局１０１から送信されたＵＷＢ帯域の信号はアンテナ１０４により受信される。
【００１４】
分配器１０５は、アンテナ１０４を介して受信した信号を増幅器１０６に出力する。また、分配器１０５は、後述する増幅器１０６から出力された信号をアンテナ１０４から再放射するため、受信信号と送信信号をカプリング（Coupling）し、送信信号をアンテナ１０４から送信する。なお、分配器１０５は、送信信号と受信信号に対して十分アイソレーションを確保できる部品により構成され、例えば、ウイルキンソン方式カプラやサーキュレータを用いることができる。
【００１５】
増幅器１０６は、分配器１０５から出力された信号を増幅し、増幅した信号を分配器１０５に戻す。ただし、分配器１０５がＵＷＢ帯域でのアイソレーションを確保できる大きさは２０ｄＢから３０ｄＢであり、このため端末１０３内部での発振現象を防ぐためには、増幅器１０６での増幅度は２０ｄＢ程度に限定される。
【００１６】
図３は、図２に示した基地局１０１の内部構成を示すブロック図である。図３において、基地局１０１は、送信部２０１、受信部２０２、測距部２０３及び表示部２１５を備えている。
【００１７】
送信部２０１は、パルス発生部２０４、ＤＡ変換部２０５及び送信ＲＦ部２０６を備え、端末１０３にパルスを送信する。以下、送信部２０１の内部構成について詳細に説明する。
【００１８】
パルス発生部２０４は、パルス幅を決定するクロックを入力して、一定間隔で短いパルスを発生する。発生させたパルスはＤＡ変換部２０５、相関演算部２１２及び到来波検出部２１３に出力される。なお、発生させるパルスのパルス幅が、到来波の距離の分解能と関連する。例えば、パルス幅が１ナノ秒の信号を用いた場合、３０ｃｍ以上の経路差を持った到来波を検出することができる。
【００１９】
ここでは、発生させるパルスの間隔は、基地局のカバレッジを想定して決定される。例えば、パルス間隔を１００ナノ秒とすると、電波は１００ナノ秒で３０ｍ伝搬する。これは、１つのパルスを送信してから次のパルスを送信するまでの間（パルス間隔）に、基地局から半径１５ｍ以内に存在する端末の応答を基地局が受信可能であることを意味する。
【００２０】
ＤＡ変換部２０５は、パルス発生部２０４から出力されたパルス信号をアナログベースバンド信号に変換し、変換したアナログベースバンド信号を送信ＲＦ部２０６に出力する。送信ＲＦ部２０６は、ＤＡ変換部２０５から出力されたアナログベースバンド信号に周波数変換処理、帯域制限処理、増幅処理を施すことにより、アナログベースバンド信号をＲＦ信号に変換し、ＲＦ信号をアンテナ１０２からＵＷＢパルス信号として送信する。
【００２１】
受信部２０２は、受信ＲＦ部２０９、クロック移相部２１０及びＡＤ変換部２１１を備え、端末１０３からパルスを受信する。以下、受信部２０２の内部構成について詳細に説明する。
【００２２】
受信ＲＦ部２０９は、端末１０３から送信された応答ＵＷＢパルス（再放射パルス）、空間内に存在する反射物からの反射波などをアンテナ１０２を介して受信し、受信したこれらのＲＦ信号に増幅処理、帯域制限処理、周波数変換処理を施すことにより、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換し、ベースバンド信号をＡＤ変換部２１１に出力する。
【００２３】
クロック移相部２１０は、クロックを入力し、入力したクロックをシフトする。例えば、クロック移相部２１０は、１００ナノ秒毎に特定の位相量だけクロックをシフトする。シフトしたクロックはＡＤ変換部２１１に出力される。なお、クロック移相部２１０は、遅延線又はマルチ移相ＰＬＬなどにより実現される。
【００２４】
ＡＤ変換部２１１は、受信ＲＦ部２０９から出力されたベースバンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。このとき、ＡＤ変換部２１１は、クロック移相部２１０によりシフトされたクロックを用いてＡＤ変換を行う。変換されたデジタル信号は相関演算部２１２に出力される。
【００２５】
なお、クロック移相部２１０がクロックをシフトする特定の移相量としては、例えば、次のように設定する。基地局が１ナノ秒幅の送信パルスを生成し、１ＧＨｚのクロックを用いる場合、サンプリング周波数も１ＧＨｚとなるが、伝搬遅延時間により端末１０３からの到来パルスのサンプリング点が異なり、到来パルスの受信レベルが変化する。そこで、クロック移相部２１０は、１００ナノ秒毎に位相に１ＧＨｚの８分の１程度の変動を与え、そのサンプリング点を変化させる。
【００２６】
測距部２０３は、相関演算部２１２、到来波検出部２１３及び距離算出部２１４を備え、端末１０３との距離を算出する。以下、測距部２０３の内部構成について詳細に説明する。
【００２７】
相関演算部２１２は、ＡＤ変換部２１１から出力されたデジタル信号と、パルス発生部２０４から出力されたパルス系列との相関演算を行い、遅延プロファイルを形成する。ここで、相関演算の方法には、例えば、スライディング相関法がある。この方法は、送信部２０１から送信されるパルス系列をレプリカ系列とし、レプリカ系列の位相を変化させながら相関演算を行うものである。なお、位相はパルスを送信してから次のパルスを送信するまでの間（パルス間隔）で変化させる。
【００２８】
また、相関演算部２１２は、クロック移相部２１０が位相変化させたタイミングでサンプリングされたパルスを合算することにより、パルス受信電力を増大させる。形成された遅延プロファイルは到来波検出部２１３に出力される。
【００２９】
到来波検出部２１３は、相関演算部２１２から出力された遅延プロファイルから到来波を抽出し、抽出した到来波がパルス発生部２０４から出力されてからの経過時間を算出し、抽出した到来波と算出した各到来波の経過時間を距離算出部２１４に出力する。
【００３０】
ところで、一般に、基地局から送出された信号は、自由空間伝搬損失によって距離の２乗に比例して減衰する。ところが、本実施の形態では、端末が信号を復調することなく再放射するため、通常のパッシブタグと同様、往復では距離の４乗に比例して減衰する。よって、基地局における感度を上げる必要がある。例えば、ＵＷＢ帯域を８ＧＨｚ帯とし、基地局と端末との距離を１０ｍとすると、基地局から送出された信号は往復で１４０ｄＢ減衰する。このため、上述したように端末が２０ｄＢ増幅すると、空間の伝搬損失として１２０ｄＢの減衰となる。
【００３１】
ここで、送信ピーク電力を３ｄＢｍ（デシベルミリワット）とし、帯域を１ＧＨｚとした場合、受信Ｃ／Ｎは約−５０ｄＢとなる。このため、相関演算部２１２は、１００ナノ秒毎に位相変化した遅延プロファイルを合算することにより、１つの遅延プロファイルを形成する。この処理として具体的な数値を挙げれば、例えば、１００ナノ秒で１００万回得られた遅延プロファイルを加算する。これによって、理論的には、１００万回は、２の２０乗とほぼ同じであるため、３（ｄＢ）×２０（乗）＝６０（ｄＢ）の利得が得られ、１秒程度で受信Ｃ／Ｎを約６０ｄＢに改善した数値で距離測定を行うことができる。なお、１００万回加算する間、送信部２０１と受信部２０２は同一のクロックを使用しているため、通常の通信機のように周波数ずれによる同期はずれが起こることはほとんどない。
【００３２】
距離算出部２１４は、到来波検出部２１３から出力された到来波と各到来波の経過時間とに基づいて、基地局１０１から端末１０３までの距離を算出し、算出した距離を表示部２１５に出力する。基地局１０１から端末１０３までの距離の算出は、基地局１０１が信号を送信してから端末１０３を経由して、基地局１０１が受信するまでの時間を経過時間とし、所望の端末からの応答である到来波の経過時間から距離を算出する。このとき、パルス発生以降のＤＡ変換部２０５および送信ＲＦ部２０６における遅延時間と、端末１０３が応答するときに発生する受信ＲＦ部２０９およびＡＤ変換部２１１における遅延時間とを経過時間から差し引く。この遅延時間に関しては、距離が０ｍの時の遅延時間を測定しておくことにより、事前キャリブレーションデータとして、距離算出部２１４に保持しておけばよい。遅延時間を経過時間から差し引くことによって、基地局１０１からパルスが送信されてから端末１０３で受信されるまでの到来時間と、端末１０３が応答を送信してから基地局１０１が受信するまでの到来時間を正確に求めることができる。このようにして算出した２つの到来時間を用いて、基地局１０１から端末１０３までの距離を算出する。
【００３３】
表示部２１５は、距離算出部２１４から出力された距離をディスプレイ上に表示する。
【００３４】
次に、図３に示した基地局１０１における距離測定手順について図４を用いて説明する。図４において、送信信号３０１は、パルス発生部２０４によってデジタル値として発生された送信パルス、またはＤＡ変換部２０５によってアナログ値として発生された送信パルスである。また、アナログベースバンド信号３０２は、受信ＲＦ部２０９から出力された検波出力である。
【００３５】
送信信号３０１及びアナログベースバンド信号３０２における破線は、１ナノ秒の８分の１ずつ移相した場合の各サンプルタイミングを示している。本実施の形態における実際の構成では、まず、基地局１０１の送信部２０１から送信パルス３０３及び３０５が１００ナノ秒間隔で送信され、これらの送信信号に空間伝搬遅延及び端末１０３内部における遅延が加わり、端末１０３から再放射された信号が基地局１０１の受信ＲＦ部２０９で検波される。また、基地局１０１の受信信号には、壁等からの反射波及び他の端末からの反射波が観測されるが、このような受信信号に対して１００ナノ秒毎にＡＤ変換部２１１のクロック位相を１ナノ秒の８分の１だけ位相をずらしてサンプリングを行う。
【００３６】
これにより、伝搬遅延時間とＡＤサンプルとの関係から、例えば、端末１０３からの伝搬パルス３０４及び３０６のように、サンプル位相が異なることにより、同じ受信信号でもＡＤ変換レベルが異なる。８位相のそれぞれでサンプリングしたパルスを同じ位相毎に合算することにより、それぞれの反射波のピークを検出することができる。よって、不要な反射波を除去し、所望の端末からの信号のみを抽出することができるので、基地局からパルスが送信されてから端末で受信されるまでの到来時間と、端末が応答を送信してから基地局が受信するまでの到来時間を正確に求めることができる。このようにして算出した２つの到来時間を用いて、基地局から端末までの距離を算出する。
【００３７】
このように実施の形態１では、送信パルスの発生に用いたクロックを所定の間隔毎に特定の移相量でシフトして、シフトしたクロックを用いて、端末から再放射された信号をデジタル信号に変換する。そして、このデジタル信号と送信パルスとの相関演算を行い、シフトした位相におけるデジタル信号を同じ位相毎に加算して得られるパルスのピークを検出する。さらに、パルスを送信したタイミングとパルスのピークを検出したタイミングとに基づいて、基地局が端末までの距離を算出する。このように実施の形態１によれば、１つの基地局のみを用いて端末までの距離を算出することができるため、複数の基地局が協働しなくて済み、基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係を不要とすることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図５において、端末４００は、分配器１０５、増幅器４０１、検波器４０２、コンパレータ４０３、タイミングマスク部４０４、バッファアンプ４０５、電圧電流変換部４０６、ステップリカバリダイオード４０７及びバンドパスフィルタ４０８を備える。以下、端末内部の構成について図２と異なる点を詳細に説明する。
【００３９】
増幅器４０１は、分配器１０５から出力された信号を増幅し、増幅した信号を検波器４０２に出力する。なお、増幅器４０１の増幅度は、後述する検波器４０２及びコンパレータ４０３が作動するために十分な大きさとする。
【００４０】
検波器４０２は、増幅器４０１から出力された信号をダイオード等によって包絡線検波し、検波した信号をコンパレータ４０３に出力する。コンパレータ４０３は、検波器４０２から出力された信号をデジタル２値化し、端末４００から送信するパルスの生成タイミングを生成してタイミングマスク部４０４に出力する。
【００４１】
タイミングマスク部４０４は、コンパレータ４０３から出力された信号を所定のタイミングでマスクし、マスクした信号はタイミングマスク部４０４から出力しない。タイミングマスク部４０４は、マスクするタイミング以外では、コンパレータ４０３から出力された信号をバッファアンプ４０５に出力する。
【００４２】
バッファアンプ４０５は、タイミングマスク部４０４から出力された信号を増幅して電圧電流変換部４０６に出力し、電圧電流変換部４０６は、バッファアンプ４０５から出力された信号を電圧に比例した電流に変換し、ステップリカバリダイオード４０７を介してバンドパスフィルタ４０８に出力する。ただし、バッファアンプ４０５から出力された信号が立ち下がりエッジの場合、電圧電流変換部４０６から出力された電流がステップリカバリダイオード４０７を貫通することにより、インパルスが生成され、生成されたインパルスがバンドパスフィルタ４０８に出力される。
【００４３】
バンドパスフィルタ４０８は、ＵＷＢのスペクトルマスクを満たすように、ステップリカバリダイオード４０７によって生成されたインパルスの帯域を制限し、帯域制限したインパルス、すなわち、ＵＷＢパルスを分配器１０５及びアンテナ１０４を介して基地局１０１に送信する。
【００４４】
なお、端末４００から送信された信号は基地局１０１において受信され、基地局１０１は、実施の形態１に示した距離測定手順に従って、端末４００との距離を測定する。
【００４５】
ここで、分配器１０５のアイソレーションは、実施の形態１に示したように、２０〜３０ｄＢ程度である。よって、例えば、ＵＷＢパルスが−１０ｄＢｍであったとしても、−３０〜−４０ｄＢｍ程度の信号が分配器１０５から増幅器４０１に出力される。この信号は、受信電力と比較しても大きな電力である。このため、端末４００において発生したＵＷＢパルスが受信側に回り込むと、ループ処理が繰り返し行われ、パルスが連続して送信される状態になる。タイミングマスク部４０４は、このような繰り返しループ処理を防止するために設けられている。なお、タイミングマスク部４０４は、例えば、パルスの立ち下がりエッジでトグル動作するＤフリップフロップなどが挙げられる。
【００４６】
次に、図５に示した端末４００における動作について図６を用いて説明する。受信パルス５０１は、検波器４０２において検波され、検波された結果がコンパレータ４０３においてデジタル２値化される。２値化されたコンパレータ出力５０３は、タイミングマスク部４０４、バッファアンプ４０５、電圧電流変換部４０６及びステップリカバリダイオード４０７を介することにより、立ち下がりエッジ５０６でステップリカバリダイオード４０７からインパルスが生成される。
【００４７】
ステップリカバリダイオード４０７において生成されたインパルスは、バンドパスフィルタ４０８によって帯域制限され、再放射パルス５０７として送信される。再放射パルス５０７は、アンテナ１０４から空間に送信される一方、受信側にも回りこみ、分配器１０５において漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２として再び増幅器４０１に入力されてしまう。
【００４８】
そこで、コンパレータ出力５０３の立ち下がりエッジ５０６がタイミングマスク部４０４のクロック入力に入力されることにより、漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２のコンパレータ出力５０４がタイミングマスク部４０４によりマスクされ、コンパレータ出力５０４の立ち下がりエッジがタイミングマスク部４０４から出力されない。コンパレータ出力は、タイミングマスク部４０４のリセット信号として入力されるが、漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２が入力されている間は、デジタル信号としてはマスクされているため、再発振することはない。
【００４９】
このように実施の形態２によれば、端末の送信信号が分配器において受信側に漏れてしまっても、漏れ信号のエッジ信号をマスクすることにより、漏れ信号の再発振を防止することができる。
【００５０】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図７において、端末６００は、分配器１０５、増幅器４０１、検波器４０２、コンパレータ４０３、発振器６０１、クロック遅延時間制御部６０２、遅延器６０３、クロック切り替えスイッチ６０４、電圧電流変換部４０６、ステップリカバリダイオード４０７及びバンドパスフィルタ４０８を備える。以下、端末６００内部の構成について図５と異なる点を詳細に説明する。
【００５１】
発振器６０１は、基地局１０１の送信クロックレートと１パーセント程度異なる周波数で方形波信号を生成する。ここでは、基地局１０１は、１００ナノ秒間隔でＵＷＢパスルを送信しているため、基地局１０１の送信クロックレートは１０ＭＨｚであるのに対して、発振器６０１は９．９ＭＨｚで発振する。生成された方形波は、クロック遅延時間制御部６０２、遅延器６０３及びクロック切り替えスイッチ６０４の一方の端子に出力される。
【００５２】
クロック遅延時間制御部６０２は、Ｄフリップフロップが用いられており、コンパレータ４０３において検波出力が得られていれば、コンパレータ４０３から「１」信号が出力され、コンパレータ４０３において検波出力が得られていなければ、コンパレータ４０３から「０」信号が出力される。一方で、Ｄフリップフロップのトリガ端子は、クロックの立ち上がりエッジでコンパレータ出力をラッチするため、クロック遅延時間制御部６０２は、発振器６０１から出力されたクロック信号の立ち上がりエッジでＵＷＢ検波信号が得られているかを判定することになる。クロック遅延時間制御部６０２は、この判定結果に基づいて、クロック切り替えスイッチ６０４を制御する。
【００５３】
遅延器６０３は、発振器６０１において発振するクロック周期より小さく、かつ、ＵＷＢパルスの幅より大きい値を選択する。本実施の形態においては、発振器６０１のクロック周期が１０１ナノ秒であり、ＵＷＢパルスが１ナノ秒であることから、遅延器６０３は２ナノ秒から１０ナノ秒の間の値に設定される。この遅延されたクロックはクロック切り替えスイッチ６０４の他方の端子に出力される。
【００５４】
クロック切り替えスイッチ６０４は、Ｄフリップフロップから「１」信号が出力された場合、すなわち、コンパレータ４０３において検波出力が得られている場合には、遅延器６０３から出力された遅延が加えられたクロックを電圧電流変換部４０６に出力する。一方、クロック切り替えスイッチ６０４は、Ｄフリップフロップから「０」信号が出力された場合、すなわち、コンパレータ４０３において検波出力が得られていない場合には、発振器６０１から出力された遅延のないクロックを電圧電流変換部４０６に出力する。
【００５５】
次に、図７に示した端末６００における動作について図８を用いて説明する。受信パルス７０１は、検波器４０２において検波され、１ナノ秒程度のパルス幅の検波出力７０２が得られる。検波出力７０２は、コンパレータ４０３においてデジタル２値化され、２値化されたコンパレータ出力７０３及び７０８が得られる。
【００５６】
ここで、端末６００は、基地局１０１とは１パーセント程度異なる周波数で発振する発振器６０１を有して、その周波数に基づいて動作する。例えば、基地局１０１がＵＷＢパルスを１００ナノ秒間隔で送信する場合、繰り返し周期は１０ＭＨｚとなるため、端末６００の発振器６０１は９．９ＭＨｚの発振周波数に設定する。この場合、基地局１０１と端末６００は特に同期を取る必要はなく、基地局１０１と端末６００の発振器６０１の周波数誤差が、基地局１０１と端末６００の周波数差に対して十分小さければよい。
【００５７】
立ち上がりエッジ７０４、７０９及び立ち下がりエッジ７０５は、発振器出力に遅延が加えられていないエッジである。この立ち上がりエッジ７０４及び７０９のタイミングでコンパレータ出力がＤフリッププロップでラッチされるため、クロック切り替えスイッチ６０４から出力されるクロックの立ち下がりエッジは、コンパレータ出力７０３については、遅延を加えられていないクロックの立ち下がりエッジ７０５であり、コンパレータ出力７０８については、遅延が加えられたクロックの立ち下がりエッジ７１０である。
【００５８】
この結果、ステップリカバリダイオード４０７のインパルスは、立ち下がりエッジ７０５及び７１０に対応したインパルス７０６及び７１１となり、インパルス７０６及び７１１はバンドパスフィルタ４０８を通過後、再放射パスル７０７及び７１２として送信される。
【００５９】
このように、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致する場合には、再放射パルスの送信タイミングに遅延時間が与えられる。すなわち、この再放射パルスは、パルス位置変調されたＵＷＢパスルとして送信されることになる。一方、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致しない場合には、再放射パルスの送信タイミングに遅延時間が与えられない。
【００６０】
本実施の形態では、受信パルスの間隔は１００ナノ秒であり、受信パルスの間隔と端末６００のクロックとは周波数差が１ナノ秒である。このため、受信パルスと端末６００のクロックのタイミングは１００回に１回の割合で一致して、端末６００からの再放射パルスに遅延時間が与えられて送信される。
【００６１】
端末６００から送信されたＵＷＢパルスは、基地局１０１のアンテナ１０２で受信され、基地局１０１は、実施の形態１に示した距離測定手順に従って、端末６００との距離を測定する。上述したように、端末６００は、１００パルスのうち９９パルスを１０１ナノ秒間隔で送信し、１パルスを１０１ナノ秒に遅延時間を加えて送信するため、基地局１０１は、これらの１０１ナノ秒間隔を検出し、９９パルスに対して平均化することにより、基地局側で端末６００との同期をとることができる。
【００６２】
一方、１０１ナノ秒に遅延時間を加えて端末６００から送信されたＵＷＢパルスは、基地局１０１の基準クロック（ここでは１０ＭＨｚ）に対して端末６００において加えられた遅延時間と、基地局１０１から端末６００への電波の往復時間とを含むため、基地局１０１は、遅延時間を加えて送信されたＵＷＢパルスから端末６００における既知の遅延時間を減算することにより、基地局１０１と端末６００との間の往復時間を検出し、距離を求めることができる。
【００６３】
このように実施の形態３によれば、基地局のクロックに対して、端末のクロックを低い周波数に設定しておき、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致する場合には、再放射パルスに遅延時間を与え、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致しない場合には、再放射パルスに遅延時間を与えない。そして、基地局が遅延時間の与えられていないパルスを検出し、検出したパルスを平均化することにより、基地局は端末との同期をとることができる。また、基地局は、遅延時間の与えられたパルスを用いて、端末までの距離を算出することができる。
【００６４】
なお、上記各実施の形態では、増幅器の増幅度を２０ｄＢとして説明したが、本発明はこれに限るものではない。
【００６５】
また、上記各実施の形態において説明した基地局は例えばリーダー／ライターであり、端末は例えば無線タグである。具体的には、リモコンや名札などに装着された無線タグの位置測定などに本発明を用いることができる。また、物体間の精密な距離測定などにも本発明を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明にかかる無線測距システム及び無線測距方法は、リーダー／ライター及び無線タグを備える無線タグシステム等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】特許文献１に開示された測位システムを示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図３】図２に示した基地局の内部構成を示すブロック図
【図４】図３に示した基地局における距離測定手順の説明に供する図
【図５】本発明の実施の形態２に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図６】図５に示した端末における動作の説明に供する図
【図７】本発明の実施の形態３に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図８】図７に示した端末における動作の説明に供する図
【符号の説明】
【００６８】
１０１ 基地局
１０２、１０４ アンテナ
１０３、４００、６００ 端末
１０５ 分配器
１０６、４０１ 増幅器
２０１ 送信部
２０２ 受信部
２０３ 測距部
２０４ パルス発生部
２０５ ＤＡ変換部
２０６ 送信ＲＦ部
２０９ 受信ＲＦ部
２１０ クロック移相部
２１１ ＡＤ変換部
２１２ 相関演算部
２１３ 到来波検出部
２１４ 距離算出部
２１５ 表示部
４０２ 検波器
４０３ コンパレータ
４０４ タイミングマスク部
４０５ バッファアンプ
４０６ 電圧電流変換部
４０７ ステップリカバリダイオード
４０８ バンドパスフィルタ
６０１ 発振器
６０２ クロック遅延時間制御部
６０３ 遅延器
６０４ クロック切り替えスイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）通信方式を利用した無線通信端末装置及び基地局装置間の距離を測定する無線測距システム及び無線測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速無線伝送技術の一つとして、ＵＷＢ通信方式がある。ＵＷＢ通信方式は、所定の周期タイミングに同期したパルス信号からなるパルス信号列を用いて、超広帯域な通信を行う技術である。ＵＷＢ通信の一例として、搬送波を用いず、パルス幅が例えば１ナノ秒以下等の極めて細かいパルス信号からなるパルス信号列を用いて通信を行うことが知られている。
【０００３】
一方で、基地局装置（以下、「基地局」という）が無線通信端末装置（以下、「端末」という）との距離を測定する測距技術が、例えば、特許文献１等に開示されている。特許文献１に開示の測距技術は、３個又は４個の基地局を用いて、端末で受信される信号の到来時間差を用いるものである。
【０００４】
図１は、特許文献１に開示された測位システムを示す図である。図１に示すように、測位システムは、複数の基地局１１、１２、１３と、計算サーバ１４とを備えており、各基地局１１〜１３と計算サーバ１４とは有線ネットワーク１５によって互いに接続されている。この測位システムは、端末１０の位置座標を計算することを目的としている。
【０００５】
特許文献１に開示のシステムにおいて、端末の測位は、端末と基地局との間で送受信される測定用信号の伝搬時間差を用いて行われる。信号伝搬の絶対的な時間を求めるためには、端末のクロックと基地局のクロックとが同期している必要があるが、一般的な無線通信システムにおいては端末と基地局は非同期であるため、絶対的な伝搬時間を利用した測位（ＴＯＡ：Time Of Arrival）を行うことはできない。しかし、複数の基地局のクロックを同期させた場合、端末からの測定用信号が各基地局に到達するまでに要した時間の差を求めることができ、相対的な伝搬時間（伝搬時間差）を利用した測位（ＴＤＯＡ：Time Difference Of Arrival）を行うことができる。
【特許文献１】特開２００４−２４２１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示の測位システムでは、端末からの測定用信号が複数の基地局に到達するまでの伝搬時間差を用いて測定するため、複数の基地局のクロックを同期させる必要がある。従って、基地局間をケーブルで接続する、または、測定を行う基地局とは別にクロックを同期させるための基準局を備える必要がある。また、複数の基地局への伝搬時間差から端末の距離を測定するためには、基地局間の相対位置関係をデータとして予め保持する必要があり、それには基地局の位置を予め測定しておかなければならないという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数の基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係の入力を必要とすることなく、基地局と端末との距離を測定することができる無線測距システム及び無線測距方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の無線測距システムは、基地局装置と無線通信端末装置とを備える無線測距システムであって、前記基地局装置は、クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを送信する送信手段と、送信された前記パルスを、前記無線通信端末装置を経由して受信する受信手段と、一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相手段と、移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、デジタル信号に変換したパルスと、前記送信手段が送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算手段と、前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出手段と、検出された前記到来波が前記送信手段から送信されてから前記受信手段に受信されるまでの経過時間を用いて、前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出手段と、を有し、前記無線通信端末装置は、前記基地局装置から送信されたパルスを受信して、受信信号と送信信号とを分配する分配手段と、受信した前記パルスを増幅して前記基地局装置に再放射する第１増幅手段と、を有する構成を採る。
【０００９】
本発明の無線測距方法は、クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを基地局装置から無線通信端末装置に送信する送信工程と、前記基地局装置から送信されたパルスを受信した前記無線通信端末装置が前記パルスを前記基地局装置に再放射する再放射工程と、前記無線通信端末装置から再放射されたパルスを受信する受信工程と、一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相工程と、移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、デジタル信号に変換したパルスと、前記送信工程において送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算工程と、前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出工程と、検出された前記到来波が前記送信工程において送信されてから前記受信工程において受信されるまでの経過時間を用いて、前記基地局装置と前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出工程と、を具備するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係の入力を必要とすることなく、基地局と端末との距離を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図２において、基地局１０１は、アンテナ１０２を備え、ＵＷＢ無線方式により非常に細かいパルス信号をアンテナ１０２から送信する。ＵＷＢ無線方式によれば、送信帯域幅は１〜３ＧＨｚ程度の帯域幅を有するため、パルス幅が１ナノ秒程度の非常に細いパルスが送信される。ここで、パルス幅が１ナノ秒である場合には、空間の伝搬遅延差が３０ｃｍ以上ある信号を分離できる。よって、受信側においては、マルチパス環境の多数反射波を受信する場合でも、それぞれの多重反射波を分離受信することが可能となる。
【００１３】
端末１０３は、アンテナ１０４、分配器１０５及び増幅器１０６を備え、一般的なセミパッシブ方式の無線タグと同様の構成である。基地局１０１から送信されたＵＷＢ帯域の信号はアンテナ１０４により受信される。
【００１４】
分配器１０５は、アンテナ１０４を介して受信した信号を増幅器１０６に出力する。また、分配器１０５は、後述する増幅器１０６から出力された信号をアンテナ１０４から再放射するため、受信信号と送信信号をカプリング（Coupling）し、送信信号をアンテナ１０４から送信する。なお、分配器１０５は、送信信号と受信信号に対して十分アイソレーションを確保できる部品により構成され、例えば、ウイルキンソン方式カプラやサーキュレータを用いることができる。
【００１５】
増幅器１０６は、分配器１０５から出力された信号を増幅し、増幅した信号を分配器１０５に戻す。ただし、分配器１０５がＵＷＢ帯域でのアイソレーションを確保できる大きさは２０ｄＢから３０ｄＢであり、このため端末１０３内部での発振現象を防ぐためには、増幅器１０６での増幅度は２０ｄＢ程度に限定される。
【００１６】
図３は、図２に示した基地局１０１の内部構成を示すブロック図である。図３において、基地局１０１は、送信部２０１、受信部２０２、測距部２０３及び表示部２１５を備えている。
【００１７】
送信部２０１は、パルス発生部２０４、ＤＡ変換部２０５及び送信ＲＦ部２０６を備え、端末１０３にパルスを送信する。以下、送信部２０１の内部構成について詳細に説明する。
【００１８】
パルス発生部２０４は、パルス幅を決定するクロックを入力して、一定間隔で短いパルスを発生する。発生させたパルスはＤＡ変換部２０５、相関演算部２１２及び到来波検出部２１３に出力される。なお、発生させるパルスのパルス幅が、到来波の距離の分解能と関連する。例えば、パルス幅が１ナノ秒の信号を用いた場合、３０ｃｍ以上の経路差を持った到来波を検出することができる。
【００１９】
ここでは、発生させるパルスの間隔は、基地局のカバレッジを想定して決定される。例えば、パルス間隔を１００ナノ秒とすると、電波は１００ナノ秒で３０ｍ伝搬する。これは、１つのパルスを送信してから次のパルスを送信するまでの間（パルス間隔）に、基地局から半径１５ｍ以内に存在する端末の応答を基地局が受信可能であることを意味する。
【００２０】
ＤＡ変換部２０５は、パルス発生部２０４から出力されたパルス信号をアナログベースバンド信号に変換し、変換したアナログベースバンド信号を送信ＲＦ部２０６に出力する。送信ＲＦ部２０６は、ＤＡ変換部２０５から出力されたアナログベースバンド信号に周波数変換処理、帯域制限処理、増幅処理を施すことにより、アナログベースバンド信号をＲＦ信号に変換し、ＲＦ信号をアンテナ１０２からＵＷＢパルス信号として送信する。
【００２１】
受信部２０２は、受信ＲＦ部２０９、クロック移相部２１０及びＡＤ変換部２１１を備え、端末１０３からパルスを受信する。以下、受信部２０２の内部構成について詳細に説明する。
【００２２】
受信ＲＦ部２０９は、端末１０３から送信された応答ＵＷＢパルス（再放射パルス）、空間内に存在する反射物からの反射波などをアンテナ１０２を介して受信し、受信したこれらのＲＦ信号に増幅処理、帯域制限処理、周波数変換処理を施すことにより、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換し、ベースバンド信号をＡＤ変換部２１１に出力する。
【００２３】
クロック移相部２１０は、クロックを入力し、入力したクロックをシフトする。例えば、クロック移相部２１０は、１００ナノ秒毎に特定の位相量だけクロックをシフトする。シフトしたクロックはＡＤ変換部２１１に出力される。なお、クロック移相部２１０は、遅延線又はマルチ移相ＰＬＬなどにより実現される。
【００２４】
ＡＤ変換部２１１は、受信ＲＦ部２０９から出力されたベースバンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。このとき、ＡＤ変換部２１１は、クロック移相部２１０によりシフトされたクロックを用いてＡＤ変換を行う。変換されたデジタル信号は相関演算部２１２に出力される。
【００２５】
なお、クロック移相部２１０がクロックをシフトする特定の移相量としては、例えば、次のように設定する。基地局が１ナノ秒幅の送信パルスを生成し、１ＧＨｚのクロックを用いる場合、サンプリング周波数も１ＧＨｚとなるが、伝搬遅延時間により端末１０３からの到来パルスのサンプリング点が異なり、到来パルスの受信レベルが変化する。そこで、クロック移相部２１０は、１００ナノ秒毎に位相に１ＧＨｚの８分の１程度の変動を与え、そのサンプリング点を変化させる。
【００２６】
測距部２０３は、相関演算部２１２、到来波検出部２１３及び距離算出部２１４を備え、端末１０３との距離を算出する。以下、測距部２０３の内部構成について詳細に説明する。
【００２７】
相関演算部２１２は、ＡＤ変換部２１１から出力されたデジタル信号と、パルス発生部２０４から出力されたパルス系列との相関演算を行い、遅延プロファイルを形成する。ここで、相関演算の方法には、例えば、スライディング相関法がある。この方法は、送信部２０１から送信されるパルス系列をレプリカ系列とし、レプリカ系列の位相を変化させながら相関演算を行うものである。なお、位相はパルスを送信してから次のパルスを送信するまでの間（パルス間隔）で変化させる。
【００２８】
また、相関演算部２１２は、クロック移相部２１０が位相変化させたタイミングでサンプリングされたパルスを合算することにより、パルス受信電力を増大させる。形成された遅延プロファイルは到来波検出部２１３に出力される。
【００２９】
到来波検出部２１３は、相関演算部２１２から出力された遅延プロファイルから到来波を抽出し、抽出した到来波がパルス発生部２０４から出力されてからの経過時間を算出し、抽出した到来波と算出した各到来波の経過時間を距離算出部２１４に出力する。
【００３０】
ところで、一般に、基地局から送出された信号は、自由空間伝搬損失によって距離の２乗に比例して減衰する。ところが、本実施の形態では、端末が信号を復調することなく再放射するため、通常のパッシブタグと同様、往復では距離の４乗に比例して減衰する。よって、基地局における感度を上げる必要がある。例えば、ＵＷＢ帯域を８ＧＨｚ帯とし、基地局と端末との距離を１０ｍとすると、基地局から送出された信号は往復で１４０ｄＢ減衰する。このため、上述したように端末が２０ｄＢ増幅すると、空間の伝搬損失として１２０ｄＢの減衰となる。
【００３１】
ここで、送信ピーク電力を３ｄＢｍ（デシベルミリワット）とし、帯域を１ＧＨｚとした場合、受信Ｃ／Ｎは約−５０ｄＢとなる。このため、相関演算部２１２は、１００ナノ秒毎に位相変化した遅延プロファイルを合算することにより、１つの遅延プロファイルを形成する。この処理として具体的な数値を挙げれば、例えば、１００ナノ秒で１００万回得られた遅延プロファイルを加算する。これによって、理論的には、１００万回は、２の２０乗とほぼ同じであるため、３（ｄＢ）×２０（乗）＝６０（ｄＢ）の利得が得られ、１秒程度で受信Ｃ／Ｎを約６０ｄＢに改善した数値で距離測定を行うことができる。なお、１００万回加算する間、送信部２０１と受信部２０２は同一のクロックを使用しているため、通常の通信機のように周波数ずれによる同期はずれが起こることはほとんどない。
【００３２】
距離算出部２１４は、到来波検出部２１３から出力された到来波と各到来波の経過時間とに基づいて、基地局１０１から端末１０３までの距離を算出し、算出した距離を表示部２１５に出力する。基地局１０１から端末１０３までの距離の算出は、基地局１０１が信号を送信してから端末１０３を経由して、基地局１０１が受信するまでの時間を経過時間とし、所望の端末からの応答である到来波の経過時間から距離を算出する。このとき、パルス発生以降のＤＡ変換部２０５および送信ＲＦ部２０６における遅延時間と、端末１０３が応答するときに発生する受信ＲＦ部２０９およびＡＤ変換部２１１における遅延時間とを経過時間から差し引く。この遅延時間に関しては、距離が０ｍの時の遅延時間を測定しておくことにより、事前キャリブレーションデータとして、距離算出部２１４に保持しておけばよい。遅延時間を経過時間から差し引くことによって、基地局１０１からパルスが送信されてから端末１０３で受信されるまでの到来時間と、端末１０３が応答を送信してから基地局１０１が受信するまでの到来時間を正確に求めることができる。このようにして算出した２つの到来時間を用いて、基地局１０１から端末１０３までの距離を算出する。
【００３３】
表示部２１５は、距離算出部２１４から出力された距離をディスプレイ上に表示する。
【００３４】
次に、図３に示した基地局１０１における距離測定手順について図４を用いて説明する。図４において、送信信号３０１は、パルス発生部２０４によってデジタル値として発生された送信パルス、またはＤＡ変換部２０５によってアナログ値として発生された送信パルスである。また、アナログベースバンド信号３０２は、受信ＲＦ部２０９から出力された検波出力である。
【００３５】
送信信号３０１及びアナログベースバンド信号３０２における破線は、１ナノ秒の８分の１ずつ移相した場合の各サンプルタイミングを示している。本実施の形態における実際の構成では、まず、基地局１０１の送信部２０１から送信パルス３０３及び３０５が１００ナノ秒間隔で送信され、これらの送信信号に空間伝搬遅延及び端末１０３内部における遅延が加わり、端末１０３から再放射された信号が基地局１０１の受信ＲＦ部２０９で検波される。また、基地局１０１の受信信号には、壁等からの反射波及び他の端末からの反射波が観測されるが、このような受信信号に対して１００ナノ秒毎にＡＤ変換部２１１のクロック位相を１ナノ秒の８分の１だけ位相をずらしてサンプリングを行う。
【００３６】
これにより、伝搬遅延時間とＡＤサンプルとの関係から、例えば、端末１０３からの伝搬パルス３０４及び３０６のように、サンプル位相が異なることにより、同じ受信信号でもＡＤ変換レベルが異なる。８位相のそれぞれでサンプリングしたパルスを同じ位相毎に合算することにより、それぞれの反射波のピークを検出することができる。よって、不要な反射波を除去し、所望の端末からの信号のみを抽出することができるので、基地局からパルスが送信されてから端末で受信されるまでの到来時間と、端末が応答を送信してから基地局が受信するまでの到来時間を正確に求めることができる。このようにして算出した２つの到来時間を用いて、基地局から端末までの距離を算出する。
【００３７】
このように実施の形態１では、送信パルスの発生に用いたクロックを所定の間隔毎に特定の移相量でシフトして、シフトしたクロックを用いて、端末から再放射された信号をデジタル信号に変換する。そして、このデジタル信号と送信パルスとの相関演算を行い、シフトした位相におけるデジタル信号を同じ位相毎に加算して得られるパルスのピークを検出する。さらに、パルスを送信したタイミングとパルスのピークを検出したタイミングとに基づいて、基地局が端末までの距離を算出する。このように実施の形態１によれば、１つの基地局のみを用いて端末までの距離を算出することができるため、複数の基地局が協働しなくて済み、基地局間のクロック同期、及び、基地局間の位置関係を不要とすることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図５において、端末４００は、分配器１０５、増幅器４０１、検波器４０２、コンパレータ４０３、タイミングマスク部４０４、バッファアンプ４０５、電圧電流変換部４０６、ステップリカバリダイオード４０７及びバンドパスフィルタ４０８を備える。以下、端末内部の構成について図２と異なる点を詳細に説明する。
【００３９】
増幅器４０１は、分配器１０５から出力された信号を増幅し、増幅した信号を検波器４０２に出力する。なお、増幅器４０１の増幅度は、後述する検波器４０２及びコンパレータ４０３が作動するために十分な大きさとする。
【００４０】
検波器４０２は、増幅器４０１から出力された信号をダイオード等によって包絡線検波し、検波した信号をコンパレータ４０３に出力する。コンパレータ４０３は、検波器４０２から出力された信号をデジタル２値化し、端末４００から送信するパルスの生成タイミングを生成してタイミングマスク部４０４に出力する。
【００４１】
タイミングマスク部４０４は、コンパレータ４０３から出力された信号を所定のタイミングでマスクし、マスクした信号はタイミングマスク部４０４から出力しない。タイミングマスク部４０４は、マスクするタイミング以外では、コンパレータ４０３から出力された信号をバッファアンプ４０５に出力する。
【００４２】
バッファアンプ４０５は、タイミングマスク部４０４から出力された信号を増幅して電圧電流変換部４０６に出力し、電圧電流変換部４０６は、バッファアンプ４０５から出力された信号を電圧に比例した電流に変換し、ステップリカバリダイオード４０７を介してバンドパスフィルタ４０８に出力する。ただし、バッファアンプ４０５から出力された信号が立ち下がりエッジの場合、電圧電流変換部４０６から出力された電流がステップリカバリダイオード４０７を貫通することにより、インパルスが生成され、生成されたインパルスがバンドパスフィルタ４０８に出力される。
【００４３】
バンドパスフィルタ４０８は、ＵＷＢのスペクトルマスクを満たすように、ステップリカバリダイオード４０７によって生成されたインパルスの帯域を制限し、帯域制限したインパルス、すなわち、ＵＷＢパルスを分配器１０５及びアンテナ１０４を介して基地局１０１に送信する。
【００４４】
なお、端末４００から送信された信号は基地局１０１において受信され、基地局１０１は、実施の形態１に示した距離測定手順に従って、端末４００との距離を測定する。
【００４５】
ここで、分配器１０５のアイソレーションは、実施の形態１に示したように、２０〜３０ｄＢ程度である。よって、例えば、ＵＷＢパルスが−１０ｄＢｍであったとしても、−３０〜−４０ｄＢｍ程度の信号が分配器１０５から増幅器４０１に出力される。この信号は、受信電力と比較しても大きな電力である。このため、端末４００において発生したＵＷＢパルスが受信側に回り込むと、ループ処理が繰り返し行われ、パルスが連続して送信される状態になる。タイミングマスク部４０４は、このような繰り返しループ処理を防止するために設けられている。なお、タイミングマスク部４０４は、例えば、パルスの立ち下がりエッジでトグル動作するＤフリップフロップなどが挙げられる。
【００４６】
次に、図５に示した端末４００における動作について図６を用いて説明する。受信パルス５０１は、検波器４０２において検波され、検波された結果がコンパレータ４０３においてデジタル２値化される。２値化されたコンパレータ出力５０３は、タイミングマスク部４０４、バッファアンプ４０５、電圧電流変換部４０６及びステップリカバリダイオード４０７を介することにより、立ち下がりエッジ５０６でステップリカバリダイオード４０７からインパルスが生成される。
【００４７】
ステップリカバリダイオード４０７において生成されたインパルスは、バンドパスフィルタ４０８によって帯域制限され、再放射パルス５０７として送信される。再放射パルス５０７は、アンテナ１０４から空間に送信される一方、受信側にも回りこみ、分配器１０５において漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２として再び増幅器４０１に入力されてしまう。
【００４８】
そこで、コンパレータ出力５０３の立ち下がりエッジ５０６がタイミングマスク部４０４のクロック入力に入力されることにより、漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２のコンパレータ出力５０４がタイミングマスク部４０４によりマスクされ、コンパレータ出力５０４の立ち下がりエッジがタイミングマスク部４０４から出力されない。コンパレータ出力は、タイミングマスク部４０４のリセット信号として入力されるが、漏れ信号であるＵＷＢパルス５０２が入力されている間は、デジタル信号としてはマスクされているため、再発振することはない。
【００４９】
このように実施の形態２によれば、端末の送信信号が分配器において受信側に漏れてしまっても、漏れ信号のエッジ信号をマスクすることにより、漏れ信号の再発振を防止することができる。
【００５０】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る無線測距システムの構成を示すブロック図である。図７において、端末６００は、分配器１０５、増幅器４０１、検波器４０２、コンパレータ４０３、発振器６０１、クロック遅延時間制御部６０２、遅延器６０３、クロック切り替えスイッチ６０４、電圧電流変換部４０６、ステップリカバリダイオード４０７及びバンドパスフィルタ４０８を備える。以下、端末６００内部の構成について図５と異なる点を詳細に説明する。
【００５１】
発振器６０１は、基地局１０１の送信クロックレートと１パーセント程度異なる周波数で方形波信号を生成する。ここでは、基地局１０１は、１００ナノ秒間隔でＵＷＢパスルを送信しているため、基地局１０１の送信クロックレートは１０ＭＨｚであるのに対して、発振器６０１は９．９ＭＨｚで発振する。生成された方形波は、クロック遅延時間制御部６０２、遅延器６０３及びクロック切り替えスイッチ６０４の一方の端子に出力される。
【００５２】
クロック遅延時間制御部６０２は、Ｄフリップフロップが用いられており、コンパレータ４０３において検波出力が得られていれば、コンパレータ４０３から「１」信号が出力され、コンパレータ４０３において検波出力が得られていなければ、コンパレータ４０３から「０」信号が出力される。一方で、Ｄフリップフロップのトリガ端子は、クロックの立ち上がりエッジでコンパレータ出力をラッチするため、クロック遅延時間制御部６０２は、発振器６０１から出力されたクロック信号の立ち上がりエッジでＵＷＢ検波信号が得られているかを判定することになる。クロック遅延時間制御部６０２は、この判定結果に基づいて、クロック切り替えスイッチ６０４を制御する。
【００５３】
遅延器６０３は、発振器６０１において発振するクロック周期より小さく、かつ、ＵＷＢパルスの幅より大きい値を選択する。本実施の形態においては、発振器６０１のクロック周期が１０１ナノ秒であり、ＵＷＢパルスが１ナノ秒であることから、遅延器６０３は２ナノ秒から１０ナノ秒の間の値に設定される。この遅延されたクロックはクロック切り替えスイッチ６０４の他方の端子に出力される。
【００５４】
クロック切り替えスイッチ６０４は、Ｄフリップフロップから「１」信号が出力された場合、すなわち、コンパレータ４０３において検波出力が得られている場合には、遅延器６０３から出力された遅延が加えられたクロックを電圧電流変換部４０６に出力する。一方、クロック切り替えスイッチ６０４は、Ｄフリップフロップから「０」信号が出力された場合、すなわち、コンパレータ４０３において検波出力が得られていない場合には、発振器６０１から出力された遅延のないクロックを電圧電流変換部４０６に出力する。
【００５５】
次に、図７に示した端末６００における動作について図８を用いて説明する。受信パルス７０１は、検波器４０２において検波され、１ナノ秒程度のパルス幅の検波出力７０２が得られる。検波出力７０２は、コンパレータ４０３においてデジタル２値化され、２値化されたコンパレータ出力７０３及び７０８が得られる。
【００５６】
ここで、端末６００は、基地局１０１とは１パーセント程度異なる周波数で発振する発振器６０１を有して、その周波数に基づいて動作する。例えば、基地局１０１がＵＷＢパルスを１００ナノ秒間隔で送信する場合、繰り返し周期は１０ＭＨｚとなるため、端末６００の発振器６０１は９．９ＭＨｚの発振周波数に設定する。この場合、基地局１０１と端末６００は特に同期を取る必要はなく、基地局１０１と端末６００の発振器６０１の周波数誤差が、基地局１０１と端末６００の周波数差に対して十分小さければよい。
【００５７】
立ち上がりエッジ７０４、７０９及び立ち下がりエッジ７０５は、発振器出力に遅延が加えられていないエッジである。この立ち上がりエッジ７０４及び７０９のタイミングでコンパレータ出力がＤフリッププロップでラッチされるため、クロック切り替えスイッチ６０４から出力されるクロックの立ち下がりエッジは、コンパレータ出力７０３については、遅延を加えられていないクロックの立ち下がりエッジ７０５であり、コンパレータ出力７０８については、遅延が加えられたクロックの立ち下がりエッジ７１０である。
【００５８】
この結果、ステップリカバリダイオード４０７のインパルスは、立ち下がりエッジ７０５及び７１０に対応したインパルス７０６及び７１１となり、インパルス７０６及び７１１はバンドパスフィルタ４０８を通過後、再放射パスル７０７及び７１２として送信される。
【００５９】
このように、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致する場合には、再放射パルスの送信タイミングに遅延時間が与えられる。すなわち、この再放射パルスは、パルス位置変調されたＵＷＢパスルとして送信されることになる。一方、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致しない場合には、再放射パルスの送信タイミングに遅延時間が与えられない。
【００６０】
本実施の形態では、受信パルスの間隔は１００ナノ秒であり、受信パルスの間隔と端末６００のクロックとは周波数差が１ナノ秒である。このため、受信パルスと端末６００のクロックのタイミングは１００回に１回の割合で一致して、端末６００からの再放射パルスに遅延時間が与えられて送信される。
【００６１】
端末６００から送信されたＵＷＢパルスは、基地局１０１のアンテナ１０２で受信され、基地局１０１は、実施の形態１に示した距離測定手順に従って、端末６００との距離を測定する。上述したように、端末６００は、１００パルスのうち９９パルスを１０１ナノ秒間隔で送信し、１パルスを１０１ナノ秒に遅延時間を加えて送信するため、基地局１０１は、これらの１０１ナノ秒間隔を検出し、９９パルスに対して平均化することにより、基地局側で端末６００との同期をとることができる。
【００６２】
一方、１０１ナノ秒に遅延時間を加えて端末６００から送信されたＵＷＢパルスは、基地局１０１の基準クロック（ここでは１０ＭＨｚ）に対して端末６００において加えられた遅延時間と、基地局１０１から端末６００への電波の往復時間とを含むため、基地局１０１は、遅延時間を加えて送信されたＵＷＢパルスから端末６００における既知の遅延時間を減算することにより、基地局１０１と端末６００との間の往復時間を検出し、距離を求めることができる。
【００６３】
このように実施の形態３によれば、基地局のクロックに対して、端末のクロックを低い周波数に設定しておき、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致する場合には、再放射パルスに遅延時間を与え、受信パルスの検波出力と、端末のクロックの立ち上がりエッジとが一致しない場合には、再放射パルスに遅延時間を与えない。そして、基地局が遅延時間の与えられていないパルスを検出し、検出したパルスを平均化することにより、基地局は端末との同期をとることができる。また、基地局は、遅延時間の与えられたパルスを用いて、端末までの距離を算出することができる。
【００６４】
なお、上記各実施の形態では、増幅器の増幅度を２０ｄＢとして説明したが、本発明はこれに限るものではない。
【００６５】
また、上記各実施の形態において説明した基地局は例えばリーダー／ライターであり、端末は例えば無線タグである。具体的には、リモコンや名札などに装着された無線タグの位置測定などに本発明を用いることができる。また、物体間の精密な距離測定などにも本発明を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明にかかる無線測距システム及び無線測距方法は、リーダー／ライター及び無線タグを備える無線タグシステム等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】特許文献１に開示された測位システムを示す図
【図２】本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図３】図２に示した基地局の内部構成を示すブロック図
【図４】図３に示した基地局における距離測定手順の説明に供する図
【図５】本発明の実施の形態２に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図６】図５に示した端末における動作の説明に供する図
【図７】本発明の実施の形態３に係る無線測距システムの構成を示すブロック図
【図８】図７に示した端末における動作の説明に供する図
【符号の説明】
【００６８】
１０１ 基地局
１０２、１０４ アンテナ
１０３、４００、６００ 端末
１０５ 分配器
１０６、４０１ 増幅器
２０１ 送信部
２０２ 受信部
２０３ 測距部
２０４ パルス発生部
２０５ ＤＡ変換部
２０６ 送信ＲＦ部
２０９ 受信ＲＦ部
２１０ クロック移相部
２１１ ＡＤ変換部
２１２ 相関演算部
２１３ 到来波検出部
２１４ 距離算出部
２１５ 表示部
４０２ 検波器
４０３ コンパレータ
４０４ タイミングマスク部
４０５ バッファアンプ
４０６ 電圧電流変換部
４０７ ステップリカバリダイオード
４０８ バンドパスフィルタ
６０１ 発振器
６０２ クロック遅延時間制御部
６０３ 遅延器
６０４ クロック切り替えスイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局装置と無線通信端末装置とを備える無線測距システムであって、
前記基地局装置は、
クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを送信する送信手段と、
送信された前記パルスを、前記無線通信端末装置を経由して受信する受信手段と、
一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相手段と、
移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
デジタル信号に変換したパルスと、前記送信手段が送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算手段と、
前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出手段と、
検出された前記到来波が前記送信手段から送信されてから前記受信手段に受信されるまでの経過時間を用いて、前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出手段と、
を有し、
前記無線通信端末装置は、
前記基地局装置から送信されたパルスを受信して、受信信号と送信信号とを分配する分配手段と、
受信した前記パルスを増幅して前記基地局装置に再放射する第１増幅手段と、
を有する無線測距システム。
【請求項２】
前記無線通信端末装置は、
前記第１増幅手段によって増幅された受信パルスを包絡線検波する検波手段と、
前記検波手段による検波結果を２値化するコンパレータと、
２値化された信号のうち、前記分配手段において送信信号が回り込んだ漏れ信号をマスクするマスク手段と、
前記マスク手段を通過した信号を増幅する第２増幅手段と、
前記第２増幅手段によって増幅された信号を電圧電流変換する電圧電流変換手段と、
２値化された前記信号のエッジにおける電圧電流変換された信号からインパルスを生成するダイオードと、
生成された前記インパルスの帯域を制限して前記基地局装置に再放射するバンドパスフィルタと、
を有する請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項３】
前記無線通信端末装置は、
前記第１増幅手段によって増幅された受信パルスを包絡線検波する検波手段と、
前記検波手段による検波結果を２値化するコンパレータと、
前記基地局装置におけるクロックとは異なる周波数のクロックを発生する発振手段と、
前記発振手段によって発生されたクロックを遅延させる遅延手段と、
前記検波手段によって検波出力が得られている場合、遅延された前記クロックを出力し、前記検波手段によって検波出力が得られていない場合、前記発振手段によって発生されたクロックを出力するように切り替える切り替え手段と、
前記切り替え手段によって出力された信号を電圧電流変換する電圧電流変換手段と、
２値化された前記信号のエッジにおける電圧電流変換された信号からインパルスを生成するダイオードと、
生成された前記インパルスの帯域を制限して前記基地局装置に再放射するバンドパスフィルタと、
を有する請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項４】
クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを基地局装置から無線通信端末装置に送信する送信工程と、
前記基地局装置から送信されたパルスを受信した前記無線通信端末装置が前記パルスを前記基地局装置に再放射する再放射工程と、
前記無線通信端末装置から再放射されたパルスを受信する受信工程と、
一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相工程と、
移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、
デジタル信号に変換したパルスと、前記送信工程において送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算工程と、
前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出工程と、
検出された前記到来波が前記送信工程において送信されてから前記受信工程において受信されるまでの経過時間を用いて、前記基地局装置と前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出工程と、
を具備する無線測距方法。
【請求項１】
基地局装置と無線通信端末装置とを備える無線測距システムであって、
前記基地局装置は、
クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを送信する送信手段と、
送信された前記パルスを、前記無線通信端末装置を経由して受信する受信手段と、
一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相手段と、
移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
デジタル信号に変換したパルスと、前記送信手段が送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算手段と、
前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出手段と、
検出された前記到来波が前記送信手段から送信されてから前記受信手段に受信されるまでの経過時間を用いて、前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出手段と、
を有し、
前記無線通信端末装置は、
前記基地局装置から送信されたパルスを受信して、受信信号と送信信号とを分配する分配手段と、
受信した前記パルスを増幅して前記基地局装置に再放射する第１増幅手段と、
を有する無線測距システム。
【請求項２】
前記無線通信端末装置は、
前記第１増幅手段によって増幅された受信パルスを包絡線検波する検波手段と、
前記検波手段による検波結果を２値化するコンパレータと、
２値化された信号のうち、前記分配手段において送信信号が回り込んだ漏れ信号をマスクするマスク手段と、
前記マスク手段を通過した信号を増幅する第２増幅手段と、
前記第２増幅手段によって増幅された信号を電圧電流変換する電圧電流変換手段と、
２値化された前記信号のエッジにおける電圧電流変換された信号からインパルスを生成するダイオードと、
生成された前記インパルスの帯域を制限して前記基地局装置に再放射するバンドパスフィルタと、
を有する請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項３】
前記無線通信端末装置は、
前記第１増幅手段によって増幅された受信パルスを包絡線検波する検波手段と、
前記検波手段による検波結果を２値化するコンパレータと、
前記基地局装置におけるクロックとは異なる周波数のクロックを発生する発振手段と、
前記発振手段によって発生されたクロックを遅延させる遅延手段と、
前記検波手段によって検波出力が得られている場合、遅延された前記クロックを出力し、前記検波手段によって検波出力が得られていない場合、前記発振手段によって発生されたクロックを出力するように切り替える切り替え手段と、
前記切り替え手段によって出力された信号を電圧電流変換する電圧電流変換手段と、
２値化された前記信号のエッジにおける電圧電流変換された信号からインパルスを生成するダイオードと、
生成された前記インパルスの帯域を制限して前記基地局装置に再放射するバンドパスフィルタと、
を有する請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項４】
クロックに基づいてパルスを発生し、発生したパルスを基地局装置から無線通信端末装置に送信する送信工程と、
前記基地局装置から送信されたパルスを受信した前記無線通信端末装置が前記パルスを前記基地局装置に再放射する再放射工程と、
前記無線通信端末装置から再放射されたパルスを受信する受信工程と、
一定の周期で前記クロックを特定量移相する移相工程と、
移相した前記クロックを用いて、受信したパルスを複数の移相においてデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、
デジタル信号に変換したパルスと、前記送信工程において送信したパルスとの相関演算を行い、相関値を同じ位相毎に加算して遅延プロファイルを形成する相関演算工程と、
前記遅延プロファイルにおけるパルスのピークに基づいて、所望の無線通信端末装置からの到来波を検出する検出工程と、
検出された前記到来波が前記送信工程において送信されてから前記受信工程において受信されるまでの経過時間を用いて、前記基地局装置と前記無線通信端末装置との距離を算出する距離算出工程と、
を具備する無線測距方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２２６６（Ｐ２０１０−２２６６Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６０４４４（Ｐ２００８−１６０４４４）
【出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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