JP2005535208A - 移動体測位システム - Google Patents

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Abstract

ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)は、0dBmでビーコン信号を送信するアクセスポイントを具備する。移動体の検出しきい値は−65dBmであり、したがって、移動体はアクセスポイントから10メートルの範囲内に位置するときに検出される。

Description

本発明は移動体を測位するシステムに係わり、特に、このシステムはワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)を含むが、それに限定されない。
店を通過する潜在的顧客にターゲット広告のようなカスタマイズされたサービスを提供できるように、携帯電話機の送受話器または携帯情報端末(PDA)のような移動体を測位することが望まれている。
全地球測位システム(GPS)を使用して移動体を測位することは知られている。しかし、特に、大量販売用途のGPSは複数の欠点がある。第一に、GPS受信機を含む移動体を製造するためにはコストがかかる。第二に、移動体のスイッチが初めて入ったときに移動体の測位に遅延がある。第三に、移動体が屋内に置かれているときに移動体を測位することが困難である。
また、ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)を使用して移動体を測位することも知られている。たとえば、時間遅れが静止体と移動体との間の距離を計算するため使用されるいわゆる「到達時間」(TOA)法を用いて静止体と相対的に移動体を測位することが可能である。しかし、TOA法によって得られる粗い結果は約100メートルの正確さに過ぎない。より正確な方法は、移動体が異なる時刻に信号を受信する「到達時間差」(TDOA)法を使用する。しかし、TDOA法は多数の静止体を必要とする。別の方法は、より広い帯域幅に亘って信号を拡散するため使用される高チップレートを採用する。チップレートが高くなると、使用するパルス長が短くなり、分解能が改良される。
マイケル スプラット(Michael Spratt)著、「拡散による測位の概要(An Overview of Positioning by Diffusion)」、ヒューレットパッカード・ラボラトリーズ、ブリストル、英国、2001年9月9日発行に記載されているように、移動体は静止体およびその他の移動体と情報を交換することにより正確に測位される。
本発明は、移動体測位システムの提供を目的とする。
本発明によれば、比較的高い電力で第1の信号を送信する手段と、所定の比較的低い電力で第2の信号を送信する手段と、上記第1の信号を受信する手段と、上記第1の信号を受信する上記手段で上記第1の信号の第1の信号強度を判定する手段と、サービスが提供されるかどうかを判定するため上記第1の信号強度が比較的低いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する手段と、上記第2の信号を受信する手段と、上記第2の信号を受信する上記手段で受信された上記第2の信号の第2の信号強度を判定する手段と、上記第2の信号を送信する上記手段から既知の距離の範囲内で移動体を測位するため上記第2の信号強度が比較的高いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する手段と、を具備する移動体測位システムが提供される。
比較的高い電力は、少なくとも0dBm、6dBm、13dBmまたは20dBmである。比較的低い電力は0dBm以下である。比較的低いしきい値レベルは−85dBm以下である。比較的高いしきい値レベルは−65dBm以下である。上記第1および上記第2の信号を送信する手段は、異なる時刻に第1の信号と第2の信号を送信する。
このシステムはワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワークでもよい。第1の信号を送信する手段はアクセスポイントでもよく、第2の信号を送信する手段もまたアクセスポイントでもよい。第1の信号を受信する手段は移動体でもよく、第1の信号を受信する手段もまた移動体でもよい。
第1の信号を送信する手段は移動体でもよく、第2の信号を送信する手段もまた移動体でもよい。第1の信号を受信する手段はアクセスポイントでもよく、第2の信号を受信する手段もまたアクセスポイントでもよい。
本発明によれば、比較的高い電力で第1の信号を送信する第1の送信機と、所定の比較的低い電力で第2の信号を送信する第2の送信機と、上記第1の信号を受信する第1の受信機と、上記第1の受信機で上記第1の信号の第1の信号強度を判定する第1の検出器と、サービスが提供されるかどうかを判定するため、上記第1の信号強度が比較的低いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する第1のコントローラと、上記第2の信号を受信する第2の受信機と、上記第2の受信機で上記第2の信号の第2の信号強度を判定する第2の検出器と、上記第2の信号を送信する上記手段から既知の範囲内で移動体を測位するため、上記第2の信号強度が比較的高いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する第2のコントローラと、を具備する移動体測位システムが提供される。
本発明によれば、このシステムを運用する方法もまた提供される。
図1を参照すると、本発明による移動体測位システムが示されている。このシステムは、有線ネットワーク2と複数のアクセスポイント3、3、3、3、3とを含むワイヤレス・ローカル・アクセス・ネットワーク(LAN)1を具備する。移動体4はワイヤレスリンク5を介してワイヤレスLAN1に接続可能である。本例では、ワイヤレスネットワーク1と移動体4は、IEEE802.11規格に準拠し2.4GHz帯域で動作する無線周波数信号を使用して接続可能である。
図2を参照すると、各アクセスポイント3、3、3、3、3は、有線ネットワーク2へのコネクタ6と、入出力部7と、データ処理部8と、無線周波数部9と、アンテナ10と、コントローラ部11とを具備する。入出力部7は、有線ネットワーク2との間でデータを送受信し、特に、データをバッファリングする。処理部8は、たとえば、誤り保護/誤り検出ルーチンを作動させ、データを暗号化/復号化する。無線周波数部9は、たとえば、信号を変調および復調し、信号を増幅する。入出力部7、データ処理部8および無線周波数部9はコントローラ部11によって制御される。
図3を参照すると、移動体4は、ラップトップコンピュータのようなパーソナルコンピュータ12と、たとえば、ワイヤレスネットワークカードの形をしたワイヤレス送信機/受信機13とを具備する。ワイヤレス送信機/受信機13は、パーソナルコンピュータ12へのコネクタ14と、入出力部15と、データ処理部16と、無線周波数部17と、アンテナ18と、コントローラ部19とを具備し、ワイヤレスアクセスポイントの対応した部分とほぼ同じ機能を有する。
ワイヤレスLAN1とワイヤレス送信機/受信機13に関するさらなる詳細は、ギル ヘルド(Gil Held)による「ワイヤレスLANの配備(Deploying Wireless LANs)」の第5章(マグロウヒル社、2002年)に記載されている。
図4を参照すると、アクセスポイント3、3、3、3、3は、部屋20に配備される。本例では、アクセスポイント3、3、3、3、3は、部屋20のコーナー21に設置され、その一部は戸口22に設置され、一部は中央23に位置する。アクセスポイント3、3、3、3、3の位置は既知であり、それぞれ、(x,y)、(x,y)、(x,y)、(x,y)および(x,y)と呼ばれる。
移動体4は、以下に説明するように、アクセスポイント3、3、3、3、3を使用して測位される。
各アクセスポイント3、3、3、3、3は送受信機である。アクセスポイント3、3、3、3、3は選択可能な送信電力レベルPtxで信号を送信可能である。本例では、4個の選択可能な送信電力レベル、すなわち、20dBm(100mW)、13dBm(20mW)、6dBm(4mW)および0dBm(1mW)が存在する。その他の電力レベルを使用してもよい。たとえば、最大電力レベルは30dBm(1000mW)でもよい。
移動体4もまた送受信機である。移動体4は、アンテナ18によって受信された信号の電力を測定し、受信信号強度表示(RSSI)を定めることが可能である。これは無線周波数部17(図3)において行われる。本例において、最小検出レベル、本例では−85dBmに対応するレベル0から、最大許容入力レベル、本例では−10dBmに対応するレベル15まで5dBm間隔の16個のRSSIレベルが存在する。
移動体4は検出しきい値Pdetを設定する。本例では、検出しきい値の設定は、信号強度を測定し、受信信号強度が検出しきい値以上であるかどうかを判定することにより行われる。代替実施形態では、検出しきい値の設定は、検出可能である信号のレベルを制限する受信機4の利得を設定し、信号が検出されたかどうかを判定することにより行われる。
図5も参照すると、アクセスポイント3によって送信され、移動体4で受信された信号24が減衰している。受信信号強度Prxは、アクセスポイント3と移動体ユニット4とを分離する距離rの平方に反比例し、すなわち、Prx∝1/rである。移動体4が信号24を検出するならば、移動体4はアクセスポイント3の半径Rの範囲内に位置する。
低い送信電力レベルPtx、たとえば、0dBmと、高い検出しきい値Pdet、好ましくは、−65dBmは、移動体4を正確に、本例では、ワイヤレスアクセスポイント3の10メートルの半径の範囲内で測位できるように選択される。しかし、より高い送信電力レベルPtxおよびより低い検出しきい値Pdetは、たとえば、サービスを提供するため使用される。
移動体4は種々の状況下でアクセスポイント3、3、3、3、3を使用して測位される。
ワイヤレスLAN1への接続前の測位
移動体4は、アクセスポイント3、3、3、3、3によって送信されるビーコンフレームを監視することにより、一般に基本サービスセット(BSS)と呼ばれるアクセスポイント3、3、3、3、3がサービスを提供するセルにアクセスしてもよい。このプロセスはパッシブスキャンとして知られている。ビーコンフレームは、IEEE802.11規格の媒体アクセス制御(MAC)サブレイヤに規定されている。
修正パッシブスキャンプロセスが移動体4を測位するため使用される。
図6を参照すると、アクセスポイント3は、第1のビーコン信号24および第2のビーコン信号24を送信する。ビーコン信号24、24は、繰り返し送信され、たとえば、20ミリ秒〜1秒ごとに、好ましくは、1秒ごとに1回ずつ送信される。第1の信号24は高い送信電力P、たとえば、20dBm(100mW)で送信され、第2の信号24は低い送信電力P、本例では0dBm(1mW)で送信される。
図7を参照すると、移動体4は、パッシブスキャンモードで信号を監視し、受信信号強度を測定し、受信信号強度がそれぞれ第1および第2の信号検出しきい値PA、を上回るかどうかを判定する。第1の信号検出しきい値Pは低く、たとえば、−85dBmであり、第2の信号検出しきい値Pは高く、たとえば、−65dBmである。かくして、受信信号の有する電力PがPとPの範囲に収まるならば(P<P<P)、受信信号はPを上回り、検出される。しかし、PはPを下回り、検出されない。
したがって、Pで送信され、第1のしきい値Pで検出された第1の信号24の検出可能範囲Rは、移動体4とアクセスポイント3との間で視野方向に障害物がないならば、通常約100メートルである。Pで送信され、第2のしきい値Pで検出された第2の信号24の検出可能範囲Rは、約10メートルである。
このように、移動体4が第2の信号24を検出するならば、移動体はアクセスポイント3から10メートルの範囲内にある。アクセスポイント3の位置は、好ましくは、ビーコンフレーム内に組み込まれ、移動体4がそれ自体を測位可能である。付加的にまたは代替的に、移動体4は、移動体4自体を識別し、その移動体が第2の信号24を検出した旨を示す信号をアクセスポイント3へ返す。これにより、アクセスポイント3またはワイヤレスLAN1は移動体を測位可能である。
ワイヤレスLAN1への接続後の測位
移動体4が一旦セルに参加すると、移動体4はそこに留まるか、または、接続を失うことなく別のセルへ移動する。何れの場合も、移動体4はアクセスポイント3、3、3、3、3に接続され、管理、制御およびデータフレームを交換する。しかし、移動体4は、高いしきい値を使用して低電力信号を監視し、これにより、移動体4の場所を判定可能にさせる。
図8を参照すると、アクセスポイント3は、管理、制御またはデータフレームを含む第3の信号24を一つ以上の高い電力レベルP、Pで送信する。電力レベルP、Pは、電力が移動体4の位置の変化に起因して変化するときに適応させられる。周期的に、アクセスポイント3は低い電力レベルPで第4の信号24を送信する。
移動体4は、上述のように第1および第2のしきい値P、Pを用いてRSSIを判定する。P、Pで送信され、第1のしきい値Pで測定された第3の信号24の検出可能範囲Rは約10〜100メートルであり、Pで送信され、第2のしきい値Pを用いて測定された第4の信号24の検出可能範囲Rは約10メートルである。
したがって、移動体4は、比較的広いエリア内の、たとえば、10〜100メートルの半径の範囲内のアクセスポイント3によってサービスが提供され、アクセスポイント3の近傍を通過するならば、移動体4はより小さいエリア内で、たとえば、10メートルの半径の範囲内で測位され得る。
可変検出しきい値
上述の移動体4は、正確な測位のため唯一のしきい値Pを選択する。しかし、移動体4は、たとえば、移動体4がアクセスポイント3から30メートル離れているか、または、10メートル離れているかを判定できるようにするため、たとえば、低い値Pから値Pまで測位しきい値Plocを変化させるように変更してもよい。
図9を参照すると、しきい値Pdetは、通常動作のため使用される値Pと測位しきい値Plocとの間で交互に入れ替わり、測位しきい値はPからP、Pへと段階的に変化し、ここで、P<P<Pである。
図10を参照すると、このアプローチによって、移動体4は、半径の増加する円25、25、25によって示されるように、様々な精度で測位することが可能になる。
さらに、このアプローチは、移動体4が内側円25、25に位置せず、外側円25、25に位置するならば、移動体4を環26、26の範囲内で測位することを可能にさせる。
IEEE802.11規格に関するさらなる詳細は上記の「ワイヤレスLANの配備(Deploying Wireless LANs)」の第6章に記載されている。
種々の送信機、種々の送信電力
上述の実施形態において、ワイヤレスLAN1は、各アクセスポイント3、3、3、3、3がサービス配信用の比較的高い電力と移動体4の測位用の比較的低い電力との間で送信電力を多重化するように構成される。
図11を参照すると、ワイヤレスLAN1は、代替案として、第1のアクセスポイントの組、たとえば、20dBm(100mW)のような比較的高い送信電力で送信するアクセスポイント3、3、3、3と、第2のアクセスポイントの組、たとえば、0dBm(1mW)の比較的低い送信電力で送信するアクセスポイント3とを具備するように構成してもよい。比較的高い送信電力は、比較的高い送信電力の範囲に収まり、好ましくは、0dBm(1mW)よりも大きい送信電力である。
ワイヤレスLAN1は、第2の組のアクセスポイントのそれぞれが第1の組の少なくとも1個のアクセスポイントのカバレッジ範囲内に位置するように配置される。明確にするために、第3および第5のアクセスポイント3、3によって与えられるカバレッジの領域が示されている。このように、代替的な構成の場合、第1のアクセスポイントの組は移動体4へサービスを配信することが可能であり、一方、第2のアクセスポイントの組は測位のため使用されてもよい。たとえば、移動体4は、第3のアクセスポイン3に接続してもよく、第3のアクセスポイント3によるサービスの提供を受けてもよく、同時に、第3のアクセスポイント3をパッシブスキャンする。移動体4が第3のアクセスポイント3からの信号を受信するとき、移動体4は上述したように測位のためその信号を使用する。
この代替的な配置には複数の利点がある。この配置は容易に実施可能であり、コストおよび複雑さを削減する。この配置はレイテンシーを短縮し、サービスの品質を向上させる。
上記の実施形態において、測位は送信機としてアクセスポイント3、3、3、3、3を使用し、受信機として移動体4を使用して実行される。しかし、上記の実施形態は送信機としてのアクセスポイント3、3、3、3、3の役割と、受信機としての移動体4の役割が反対になるように変更してもよい。すなわち、移動体4は、低い送信信号、たとえば、0dBm(1mW)で信号を送信するように構成され、一方、アクセスポイント3、3、3、3、3は高い信号電力検出しきい値を設定するように構成される。このようにして、アクセスポイント3、3、3、3、3が移動体4によって低い電力で送信された信号を検出するならば、アクセスポイントは移動体4を正確に測位することが可能である。随意的に、アクセスポイントは移動体4と位置情報を共有してもよい。
別の変形例では、アクセスポイント3、3、3、3、3は、サービスを配信する高い送信電力で送信する送信機として使用され、一方、移動体4は測位のための低い送信電力で送信する送信機として使用される。
本明細書を読むことにより、その他の変形および変更が当業者に明白になるであろう。このような変形および変更は、移動体測位システム、並びに、その構成部品の設計、製造および使用において既に知られている等価的な特徴およびその他の特徴であって、本明細書に記載された特徴の代わりに使用され、または、付加的に使用される特徴を含む。たとえば、特別のローカル・エリア・ネットワークまたはBluetoothTM仕様に準拠する複数の装置がワイヤレスLAN1と移動体4の代わりに使用されてもよい。移動体4は携帯情報端末(PDA)でもよく携帯電話機送受話器でもよい。
請求項は、本出願において、特定の特徴の組み合わせの形で記載されているが、本発明の開示の範囲は、本明細書に明示的若しくは示唆的に記載されたあらゆる新規性のある特徴、または、記載された特徴のあらゆる新規性のある組み合わせ、或いは、それらの一般形を包含することに注意する必要があり、現時点で記載されているいずれかの請求項に係る発明と同じ発明に関係しているかどうかを問題とせず、また、本発明が解決する技術的課題の一部若しくは全部を解決するかどうかを問題としない。出願人は、本出願または本出願から派生したさらなる出願の係属中に、このような特徴および/またはこのような特徴の組み合わせに関する新しい請求項が立てられる可能性があることをここに予告する。
ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワークの概略図である。 アクセスポイントの概略図である。 移動体の概略図である。 室内で利用される図1のワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワークを表す図である。 移動体で受信された信号の電力と、移動体と送信機との間の距離との関係を表す図である。 時間に対する送信電力のプロットである。 時間に対する検出しきい値のプロットである。 時間に対する送信電力の別のプロットである。 時間に対する送信電力の別のプロットである。 移動体が位置している領域を表す図である。 室内で利用される図1のワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワークの別の構造を表す図である。

Claims (19)

  1. 比較的高い電力で第1の信号を送信する手段と、
    所定の比較的低い電力で第2の信号を送信する手段と、
    前記第1の信号を受信する手段と、
    前記第1の信号を受信する前記手段で前記第1の信号の第1の信号強度を判定する手段と、
    サービスが提供されるかどうかを判定するため前記第1の信号強度が比較的低いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する手段と、
    前記第2の信号を受信する手段と、
    前記第2の信号を受信する前記手段で受信された前記第2の信号の第2の信号強度を判定する手段と、
    前記第2の信号を送信する前記手段から既知の距離の範囲内で移動体を測位するため前記第2の信号強度が比較的高いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する手段と、
    を具備する、移動体を測位するシステム。
  2. 前記比較的高い電力が少なくとも0dBmであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  3. 前記比較的高い電力が少なくとも6dBm、13dBmまたは20dBmであることを特徴とする請求項1または2に記載のシステム。
  4. 前記比較的低い電力が0dBm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のシステム。
  5. 前記比較的低いしきい値レベルが−85dBm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のシステム。
  6. 前記比較的高いしきい値レベルが−65dBm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のシステム。
  7. 前記第1の信号および前記第2の信号を送信する前記手段が異なる時刻に前記第1および第2の信号を送信することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のシステム。
  8. ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワークであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のシステム。
  9. 前記第1の信号を送信する手段がアクセスポイントであることを特徴とする請求項8に記載のシステム。
  10. 前記第2の信号を送信する手段がアクセスポイントであることを特徴とする請求項8または9に記載のシステム。
  11. 前記第1の信号を受信する手段が移動体であることを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載のシステム。
  12. 前記第2の信号を受信する手段が移動体であることを特徴とする請求項8から11のいずれかに記載のシステム。
  13. 前記第1の信号を送信する手段が移動体であることを特徴とする請求項8に記載のシステム。
  14. 前記第2の信号を送信する手段が移動体であることを特徴とする請求項8から13のいずれかに記載のシステム。
  15. 前記第1の信号を受信する手段がアクセスポイントであることを特徴とする請求項8、13または14のいずれかに記載のシステム。
  16. 前記第2の信号を受信する前記手段がアクセスポイントであることを特徴とする請求項8、13、14または15のいずれかに記載のシステム。
  17. 添付図面の図1から7を参照して以上に実質的に説明されるようなシステム。
  18. 比較的高い電力で第1の信号を送信する第1の送信機と、
    所定の比較的低い電力で第2の信号を送信する第2の送信機と、
    前記第1の信号を受信する第1の受信機と、
    前記第1の受信機で前記第1の信号の第1の信号強度を判定する第1の検出器と、
    サービスが提供されるかどうかを判定するため、前記第1の信号強度が比較的低いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する第1のコントローラと、
    前記第2の信号を受信する第2の受信機と、
    前記第2の受信機で前記第2の信号の第2の信号強度を判定する第2の検出器と、
    前記第2の信号を送信する前記手段から既知の距離の範囲内で移動体を測位するため、前記第2の信号強度が比較的高いしきい値レベルを超えるかどうかを判定する第2のコントローラと、
    を具備する、移動体を測位するシステム。
  19. 請求項1から18のいずれかに記載のシステムに使用するよう構成されるアクセスポイント。
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