JP2006522546A - 低速の中央処理装置を用いて無線アドホック・ネットワーク内の移動通信加入者の位置の計算精度を向上させるリアルタイム・システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

無線ネットワークに接続されている移動通信加入者装置の位置の計算精度を向上させるシステムおよび方法。本システムおよび方法は、測定値重み付けアルゴリズムを含む予測フィルタを用いて、標準偏差誤差を減少させ、移動通信加入者装置の位置を正確に特定する。予測フィルタは下位レベルの計算を必要とし、これにより無線ネットワークで通常用いられる低速の中央処理装置でリアルタイム処理が可能になる。

Description

関連出願の相互参照
本発明は、米国特許法１１９条（ｅ）（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ））に基づき、本明細書に全文を援用している２００３年３月１３日出願のジョン・Ｍ・ベルシア（Ｊｏｈｎ Ｍ．Ｂｅｌｃｅａ）による米国特許仮出願第６０／４５３，９６５号の優先権を主張する。

発明の背景
発明の分野
本発明は、無線ネットワークに接続されている移動通信加入者装置の位置を正確に計算するシステムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は標準偏差誤差を減らす測定重み付けアルゴリズムを含む予測フィルタの利用に関し、移動通信加入者の位置をより正確に特定する。

関連技術の説明
移動無線電話ネットワーク等の無線通信ネットワークは、過去１０年にわたりますます普及している。これらの無線通信ネットワークは、ネットワーク・インフラがサービスエリアを「セル」と呼ばれる複数の区域に分けるように構成されているため、一般に「セルラー・ネットワーク」と呼ばれる。地球規模のセルラー・ネットワークは、サービスエリア全体にわたり指定された場所に地理的に分布する、複数の相互接続された基地局または基地ノードを含む。基地ノードは１個以上のトランシーバを含み、その各々が、無線周波数（ＲＦ）通信信号等の電磁信号を、サービスエリア内に位置する無線電話機等の移動ユーザー・ノードとの間で送受信する能力を備える。通信信号は例えば、所望の変調技術により変調され、データ・パケットとして送信された音声データを含む。当業者に理解されるように、ネットワーク・ノードはデータ・パケット通信を、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）フォーマット、符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）フォーマット、あるいは周波数分割多重アクセス（ＦＤＭＡ）フォーマット等の多重化フォーマットで送受信可能であり、これにより基地ノードにおいて単一のトランシーバが、自身のサービスエリア内の複数の移動ノードと同時に通信可能になる。

近年、従来のインフラでは対応しきれない、複数の移動機器通信のニーズに応えるべく「アドホック」ネットワークとして知られる一種の移動通信ネットワークが開発されている。そのようなネットワークでは、各ユーザー端末（以下「移動ノード」）はネットワーク内で他の移動ノード用に基地局またはルータとして動作可能であり、従って基地局の固定的なインフラの必要性がなくなる。結果的に、ソース移動ノードから転送先の移動ノードへ送られているデータ・パケットは通常、宛先ノードに到着する前に多くの中間移動ノードを経由する。

これより洗練されたアドホック・ネットワークも開発されており、従来のアドホック・ネットワークと同様に移動ノードを相互に通信可能にすることに加え、移動ノードが固定ネットワークにアクセスして、更に公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）やインターネット上にある他の種類のユーザー端末との通信も可能にする。これら高度な種類のアドホック・ネットワークの詳細は、２００１年６月２９日出願の米国特許出願第０９／８９７，７９０号明細書「ＰＳＴＮおよびセルラー・ネットワークへのインターフェースを備えたアドホック・ピアツーピア移動無線アクセスシステム（Ａｄ Ｈｏｃ Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ＰＳＴＮ ａｎｄ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）」、２００１年３月２２日出願の米国特許出願第０９／８１５，１５７号明細書「個別予約チャネルを備えた共有並列データ・チャネルへのチャネルアクセス調整機能を有するアドホック、ピアツーピア無線ネットワーク用の時分割プロトコル（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ａｎ Ａｄ− Ｈｏｃ， Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ Ｒａｄｉｏ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｈａｖｉｎｇ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｎｇ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｃｃｅｓｓ ｔｏ Ｓｈａｒｅｄ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｄａｔａ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ）」、２００１年３月２２日出願の米国特許出願第０９／８１５，１６４号明細書「アドホック、ピアツーピア移動無線アクセスシステム用の優先ルーティング（Ｐｒｉｏｒｉｔｉｚｅｄ−Ｒｏｕｔｉｎｇ ｆｏｒ ａｎ Ａｄ−Ｈｏｃ， Ｐｅｅｒ−ｔｏ−Ｐｅｅｒ， Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ）」、２００１年１１月１６日出願の米国特許出願第０９／９８８，００１号明細書「無線通信ネットワーク内の移動端末の位置を計算するシステムおよび方法（Ａ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｎ ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）」、および米国特許第６，４５３，１６８号明細書と同第６，６６５，３３３号明細書に記述されており、本明細書に各々の全文を援用している。

このようなネットワークの移動ノードは、ネットワーク内で任意の個数の無作為な位置にあると想定されるため、必要な場合に正確なノード位置の特定が困難になる。そのようなアドホック無線ネットワークのノードの地理的座標を計算するために、典型的なネットワーク内の個々のノードで用いられるアルゴリズムは、「到着時刻」（ＴＯＡ）測定技術を使用している。当業者に理解されるように、ＴＯＡ測定は移動ノードと無線ルータの間の距離を与え、これは移動ノードの位置計算の基準点として用いられる。測定は、信号伝播時間、特に信号が移動ノードと固定局の間を光速で移動するのに必要な時間に基づいている。

さまざまな伝播要因のために、ＴＯＡ測定を行なうモデムは、直接信号を常時受信する訳ではなく、多くの２次信号も受信する場合がある。そのようなモデムは、アンテナおよび付随する信号処理を利用して、変調、符号化、およびフレーミング等、物理層内の特定の支援要素、更にはＭＡＣおよび無線リソース管理層の助けを借りて各種のデータ・パケットを送受信する機能を果たす。各々が、モデムが受信する信号の到着時刻（ＴＯＡ）、それらの到着位相（ＰＯＡ）、到着強度（ＳＯＡ）、到着頻度（ＦＯＡ）のいずれか、あるいはそのような技術の組合せを用いて位置と速度を推定する装置を含んでいる。

２次信号は直接信号の反射であるため、各々の２次信号はより長い距離を進み、従って、より長い伝送経路を有する。ほとんどの場合、測定モデムは、２次信号から直接信号を識別および分離して、正確な伝播時間を与えることができる。しかし、ある場合には、反射信号と比較して直接信号は微弱過ぎるためこれを実現することができない。そのような場合、モデムは正確な伝播時間を決定することができない。

屋内領域での距離測定の精度、または非常に高い建物が存在する領域での精度は、このような種類の環境に固有の伝播状況のために非常に低い。その結果、「都市の谷間」または建物内部で測定される伝播範囲に基づいて移動端末の位置を計算する通常の方法は極めて不正確な結果を与える。

いくつかのシステムおよび方法を用いて、都市や建物内部等の環境内での移動端末位置計算の計算精度を向上させることができる。例えば、これらのシステムおよび方法は、計算の基礎とする多数の基準点（ルータ）から得られた情報を考慮することができる。これらのシステムおよび方法はまた、自身のサンプリング周波数を増やすこと、および／または、予測フィルタを実装することにより位定の正確さの向上が図れる。

要求される精度のレベルに到達するために、これらのシステムおよび方法は、他のサービスを犠牲にする必要がある。例えば、これらの種類の「位置特定サービス」を実行するために４個を超える基準点（例：端末）または頻繁なサンプリングを用いるシステムおよび方法は、帯域幅および処理時間の追加を必要とする。帯域幅が制限されるため、この技術を実装すれば無線ネットワークが提供する他のサービスに利用可能な帯域幅が結果的に減少する。この状況は、基準点との間で送信される信号に対する飛行時間型（ＴＯＦ）問い合わせを実行する、効率的なプロトコルを考慮することにより多少向上させることができる。しかし、試験の結果から、８個を超えて基準点の数を増やしても精度の大幅な向上は得られないことがわかる。距離測定のためにサンプリング周波数を増やせば、他のサービスで利用できる帯域幅がさらに失われることになる。

基準点の数またはサンプリング周波数を増やす方式の代替策として、予測フィルタを実装して建物内で実行される位置特定サービス動作の精度を向上させることが可能である。従って、都市や建物内部等の特定の環境内で、移動端末位置計算の精度を向上させるべく予測フィルタを実装するシステムおよび方法に対するニーズが存在する。

発明の概要
本発明の目的は、都市や建物内部等の特定の環境内で用いられる無線ネットワークに接続されている移動通信加入者装置の位置の計算精度を向上させるシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、加入者装置移動の線形モデルとして実装可能な、また非現在位置データの影響を減らす重み付けアルゴリズムを含んでいることにより、加入者装置の位置の計算精度を向上させることができる予測フィルタを実現するシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、標準偏差誤差を減少させるアルゴリズムを含む予測フィルタを提供することにより加入者装置の位置の計算精度を向上させるシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、無線ネットワークにおいて動作するデバイスで共通に用いられる低速の中央処理装置（ＣＰＵ）でリアルタイム処理を可能にすべく、より下位レベルの計算を必要とする予測フィルタを提供するシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、移動端末のＣＰＵ、ホストＣＰＵ、またはリモートサーバ上のハードウェアまたはソフトウェアに実装可能な予測フィルタを用いるシステムおよび方法を提供することである。

これらおよび他の目的は、予測フィルタを用いて典型的な伝播距離測定技術に誤差が生じ得る加入者装置の位置を正確に特定するシステムおよび方法を提供することにより実質的に実現される。予測フィルタは、加入者装置の移動の線型モデルとして実装され、計算された加入者装置の移動特性を用いて加入者装置の位置を特定する。当該フィルタは、誤ったデータの影響を減らす重み付け係数アルゴリズムおよび位置計算の古いデータの重みを減らす「忘却」係数を含むことにより、低速の中央処理装置でのリアルタイム処理を可能にする。

具体的には、上記およびその他の目的は、通信ネットワーク、特に無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワーク内の移動通信装置の位置を特定するシステムおよび方法により実質的に実現される。当該システムおよび方法は、移動通信装置と複数の基準点の間の各々の距離を表わす測定データに基づいて移動通信装置の位置を推定し、位置推定に際して古い測定データを新たに測定されたデータほど重要に扱わない忘却係数を含む予測フィルタを用いて推定された位置を修正して、移動通信装置の位置を表わす修正済み推定位置を生成する動作を実行する。忘却係数は０と１の間の値を取り得る。修正動作は、移動通信装置の３座標軸上の移動を予測し、予測された移動を予測フィルタを用いて修正して、修正済み推定位置を確認する。

より具体的には、修正動作は、移動通信装置の初期位置を表わす変数および移動通信装置の移動速度を表わす変数を含む方程式を用いて、予測フィルタによる修正に従い、移動を予測する。当該方程式は３個の方程式系を含み、各系統は移動の各軸に関連して、忘却係数を用いて、各軸の推定初期位置座標および当該軸に沿った移動速度を調整する。

本発明のこれらおよび他の目的、利点並びに新規な特徴は、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。

好ましい実施形態の詳細な説明
以下に述べるシステムおよび方法は、予測フィルタを実装してアドホック・ネットワーク内で実行される位置特定サービス動作の品質を向上させる。特に、フィルタを用いるシステムおよび方法は、無線ネットワークに接続された移動通信加入者装置の位置を計算すべく動作して、建物等の障害物の内部および周囲でのネットワーク動作の間に典型的に生じる悪条件下でも性能を向上させるべく適合されている。当該フィルタは、移動通信加入者装置の中央処理装置（ＣＰＵ）に実装可能である。当該フィルタはまた、通常は利用可能なＣＰＵ時間がより長いホストＣＰＵまたはリモートサーバで実行することができる。

上述のように、電波の伝播が、例えば壁や建物等の障害物の存在のために干渉を受ける場合に、移動通信加入者装置と固定基準点の間の距離の正確な値を正しく評価することができない。そのような状況において、固定基準点に対する移動通信加入者装置の相対位置は、極めて大きい誤差で計算される。以下に述べる本発明の実施形態によるシステムおよび方法は位置特定サービス動作の品質を向上させて、移動通信加入者装置の計算された位置の精度を大幅に向上させる。

図１は、本発明の実施形態を採用しているアドホック・パケット交換無線通信ネットワーク１００の例を示すブロック図である。具体的には、ネットワーク１００は加入者装置１０２に固定ネットワーク１０４へのアクセスを提供すべく、複数の移動無線ユーザー端末１０２−１〜１０２−ｎ（一般にノード１０２、移動ノード１０２、または加入者装置と呼ばれる）を含み、複数のアクセス・ポイント１０６−１，１０６−２，．．，１０６−ｎ（一般にノード１０６またはアクセス・ポイント１０６と呼ばれる）を有する固定ネットワーク１０４を含んでいてよいが、必須ではない。固定ネットワーク１０４は、ネットワーク・ノードから他のアドホック・ネットワーク、公衆交換電話回線ネットワーク（ＰＳＴＮ）およびインターネット等の他のネットワークへのアクセスを提供すべく、例えば中核ローカル・アクセス・ネットワーク（ＬＡＮ）と、複数のサーバおよびゲートウェイ・ルータ含んでいてよい。ネットワーク１００は更に、データ・パケットを他のノード１０２、１０６、または１０７の間でルーティングをすべく複数の固定ルータ１０７−１〜１０７−ｎ（一般にノード１０７、固定ルータ１０７または無線ルータ１０７と呼ばれる）を含んでいてよい。これらは可動でないため、移動ノードの位置測定用にルータ１０７を基準ノードとして用いることが好適である。この議論のために、上述のノードを集合的に「ノード１０２、１０６、および１０７」、または単に「ノード」と呼ぶ場合がある点に注意されたい。

当業者に理解されるように、本明細書に援用しているメイヤー（Ｍａｙｏｒ）による米国特許第５，９４３，３２２号明細書、または先に引用した米国特許出願第０９／８９７，７９０号明細書、同第０９／８１５，１５７号明細書および同第０９／８１５，１６４号明細書に述べる通り、ノード１０２、１０６および１０７は直接相互に通信することも、あるいはノード間で送信されているパケット用のルータまたはルータ群として動作している１個以上の他のノード１０２、１０６または１０７を介して通信することも可能である。

図２に示すように、各ノード１０２、１０６および１０７は送信器および受信器を含むトランシーバを備え、これらは集合的にモデム１０８と呼ばれる場合がある。図２に示すように、各ノード１０２、１０６および１０７は、アンテナ１１０に接続されていてコントローラ１１２の制御下で他のノード１０２、１０６および１０７との間でパケット化信号等の信号の送受信が可能なモデム１０８を含む。パケット化データ信号は例えば、音声、データまたはマルチメディア情報、およびノード更新情報を含むパケット化された制御信号を含んでいてよい。

各ノード１０２、１０６および１０７は更に、特に自身およびネットワーク１００の他のノードに関連するルーティング情報を格納できるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）等のメモリ１１４を含んでいてよい。ノード１０２、１０６および１０７は、例えばネットワーク１００に新規ノードが登録された場合やネットワーク１００内の既存ノードが移動した場合に、ブロードキャスト機構を介して相互に定期的に、ルーティング広告またはルーティング・テーブル情報と呼ばれる各自のルーティグ情報を交換する。

図２に更に示すように、特定のノード、特に移動ノード１０２は、ノート・コンピュータ端末、移動電話装置、移動データ装置その他任意の適当な装置等の任意個数の装置で構成され得るホスト１１６を含んでいてよい。各ノード１０２、１０６および１０７はまた、インターネット・プロトコル（ＩＰ）およびアドレス解決プロトコル（ＡＲＰ）を実行する適当なハードウェアおよびソフトウェアを含んでおり、その目的は当業者に容易に理解されよう。伝送制御プロトコル（ＴＣＰ）およびユーザー・データグラム・プロトコル（ＵＤＰ）を実行する適当なハードウェアおよびソフトウェアも含まれていてよい。

各ノードのモデム１０８もまた、ネットワークの他のノードから直接経路および反射路の両方を経てノード１０２、１０６および１０７で受信された信号の到着時刻を識別、区別、および測定する機能を含む。各ノードで使用されるアルゴリズムは、当業者に知られている「到着時刻（ＴＯＡ）」測定技術を用いて、個々のノード位置を計算すべくノード間の距離を提供することができる。測定値は信号伝播時間、具体的には信号が光速で移動ノードと基準点として用いられる固定ノードの間を移動するために必要な時間に基づく。

当業者に理解されるように、直接経路信号到着時刻の測定は、加入者装置１０２と無線ルータ１０７の間等のノード間距離を識別して測定するのに役立つ。この距離測定の精度は、「位置特定サービス」モジュール等の装置により計算される移動ノードの地理的位置特定の正確さに直接的な影響を及ぼす。

図１、２に示すように、各ノード１０２、１０６および１０７は、反射路を経て受信された信号と、直接経路を経て受信された信号を区別および識別する能力を有する。しかし、そのような直接経路信号の識別は、あるノードと直接経路内の他のノードとの通信が悪条件のために阻害された場合に極めて困難か、またはほぼ不可能である。例えば、コンクリート床を有する建物内に位置する２個のノード間の通信では信号が反射しやすく、また建築の内外に位置する物体により回折および拡散しやすい。これらの環境において、直接信号が信号を吸収するコンクリート床または物体を通過することにより減衰し得るため、反射路を経て受信された信号は、直接経路を経て受信された信号よりはるかに強い場合があり得る。残念ながら、直接信号と２次または反射信号の間のそのように大幅なレベル差により、ある場合には直接信号の識別がほぼ不可能になる。さらに、移動ノードが障害物の一時的な「影」に入った場合、反射信号を介してしか他のノードと通信することができない。そのような通信はネットワーク内で転送されるデータの品質には極端に影響を及ぼさないにせよ、距離測定値に用いる直接信号到着時刻の測定は不可能になる。距離の推定値を与えるべく履歴データを用いてもよいが、推定された正確さはノードに保持されている履歴データの正確さに大きく依存しており、信頼性が不詳である。

上述のように、電波の伝播が干渉を受ける場合、移動通信加入者装置と固定基準点の間の距離の正確な値を正しく評価することができない。そのような条件では、固定基準点に関する移動通信加入者装置の相対位置は、極めて大きい誤差を伴って計算される。しかし、以下に述べるように、本発明の実施形態による予測フィルタを用いることで、位置特定サービス動作の品質が大幅に向上し、従って加入者装置の計算された位置の精度を実質的に向上させる。

予測フィルタを、移動ノードまたは加入者装置中央処理装置（ＣＰＵ）上のハードウェアまたはソフトウェアに実装して、無線ネットワークに接続されている加入者装置の位置の計算を支援することができる。以下に提示する例において、加入者装置は、建物内で、または人口密集地域内で極めて遅い速度で移動することができる。建物内にある加入者装置の位置を正確に特定すべく、加入者装置の移動モデルを考える。

本発明の実施形態に従うフィルタの一例は、方程式の組（１）で示す加入者装置の移動の線形モデルまたはアルゴリズムを使用する。ここに、３座標軸上の移動の射影は独立している。方程式の組（１）において、時間ｔ以外の全ての値は未知である。加入者装置の実際の位置（ｘ’，ｙ’，ｚ’）の推定は、位置（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ，ｚ_ｏ）における出発から計算され、移動装置が一定速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）で移動すると仮定する。

ｘ’＝ｘ_ｏ+Ｖ_ｘ ^＊ｔ
ｙ’＝ｙ_ｏ+Ｖ_ｙ ^＊ｔ （１）
ｚ’＝ｚ_ｏ+Ｖ_ｚ ^＊ｔ

位置特定サービス動作は現在距離推定値を用いて位置（ｘ，ｙ，ｚ）を提供し、これは以下に示す方程式の組（２）の誤差の影響を受ける。

ｘ＝ｘ+ε_ｘ
ｙ＝ｙ+ε_ｙ （２）
ｚ＝ｚ+ε_ｚ

方程式の組（２）は移動端末（ｘ，ｙ，ｚ）の計算された位置と実際の位置（ｘ'，ｙ'，ｚ’）の関係を示す。この例において、誤差（ε_ｘ，ε_ｙ，ε_ｚ）がランダムに分布している場合、以下に示すように３個の方程式系を方程式の組（３）で記述できる。

方程式の組（３）の全ての方程式がランダム誤差の影響を受けるため、方程式の組（３）の系は最小二乗法（ＬＳＭ）により解いて、その後で移動端末の初期位置（ｚ_０，ｙ_０，ｚ_０）および移動速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）を計算することができる。これらの方程式系に関連付けられた行列が、時刻ｔ_ｌ，ｔ_２，．．，ｔ_ｎにおいて位置特定サービス動作により提供される（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）を用いて計算される。

この例の加入者装置が一方向へ一様に移動する場合、方程式の組（３）の系は移動の完全な記述を与える。実際には、加入者装置は通常、方向、速度またはその両方を変化させるに違いない。そのような場合、過去に集められたデータはもはや現状を表わさず、計算結果の精度を低下させる恐れがある。

この懸念に対処すべく、係数ψ^ｎ−ｉ（０＜ψ＜１）を各測定の重み付けとして用いることができる。ｎ−ｉが大きい場合に係数ψ^ｎ−ｉの値は非常に小さいため、フィルタ・アルゴリズムが非常に古い測定値を「忘却する」ように当該係数を各測定の重み付けに用いることができる。このために、ψは「忘却」係数と呼ばれる。忘却係数を使用する効果は、サイズが１／（１−ψ）であるスライディング・ウインドウを使用する場合に類似しているが、同一ではない。

方程式の組（３）に示す方程式系は、忘却係数を用いて以下に示す方程式の組（４）に書き直すことができる。

これら３個全ての方程式系は、全く同一の主行列を有する。この例において、簡略表記ａ_１，１ ^（ｎ），ａ_１，２ ^（ｎ），ａ_２，１ ^（ｎ），ａ_２，２ ^（ｎ）を主行列の要素に用いることができる。上付き添え字（ｎ）は要素を計算する際の処理のステップを示す。同様に、これら３個の方程式系に対して、右辺の項はｂ_ｘ１ ^（ｎ），ｂ_ｘ２ ^（ｎ），ｂ_ｙ１ ^（ｎ），ｂ_ｙ２ ^（ｎ），ｂ_ｚ１ ^（ｎ），およびｂ_ｚ２ ^（ｎ）であり、方程式の組（５）として以下のように書ける。

上に示す方程式の組（５）は、反復的な方法を用いて主行列および右辺項を以前に計算された値から計算する仕方を説明する。この方法が有用なのは、行列要素を更新する際に古いデータを格納する必要をなくし、計算量を減らすためである。

加入者装置移動の要素は次いで、方程式の組（６）に示すように計算される。

フィルタは、滑らかな現在位置を計算し、加入者装置の将来の移動位置を予測するために必要な全てのパラメータを提供する。

方程式（１）〜（６）に提示するフィルタを用いて計算された予測値の品質は、以前に収集されたデータおよび忘却係数ψのサイズに依存する。通常、当該係数は１に極めて近い（例：０．９９）値をとる。本発明の実施形態によるＫフィルタの利用により、上述の予測システムおよび方法の精度が更に高くなる。

以下に述べるＫフィルタというフィルタリング方法は、当業者に知られている「カルマン・フィルタ」の態様を含んでいるが、多くの面で異なっている。顕著な違いの一つは、カルマン・フィルタに比べて本発明の実施形態で必要とする計算量が少ない点である。これにより、本実施形態のＫフィルタを低速のＣＰＵ装置上でリアルタイム処理に用いることが可能になる。（フィルタの名称に文字Ｋを使用するのは、フィルタ方法に関するカルマンの教示にちなんでいる）。

移動ノード用の位置特定サービス動作により得られた個々の位置は通常、ランダム誤差の影響を受ける。これらの誤差は、建物内部および密集地域内外での無線周波数（ＲＦ）伝播の性質に依存して大きい場合も小さい場合もあり、制御不可能である。以下に示すＫフィルタの例は、加入者装置により得られた各測定値に対する個々の重み付けを計算する。測定値の重み付けは、ある測定値と次の測定値の誤差の標準偏差を減少させる目的で計算される。この目的は誤差の標準偏差を連続的に減少させることであるが、標準偏差の変動は依然として入力データの正確さに強く依存している。

ある測定値と次の測定値の誤差の標準偏差を減少させるべく、Ｋフィルタは最初に、移動ノードまたは加入者装置から提供される時刻および位置、および方程式の組（７）に示す基準点（ｚ_０，ｙ_０，ｚ_０）および移動速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）等、以前に計算された加入者装置の移動特性を用いて誤差ε^’（ｎ）を計算する。

項ｓ^ｎ−１の計算は後述する。現在の測定値の重み付け係数ｗ^（ｎ）は以前の標準偏差から方程式の組（８）に示すように計算され、新規な測定誤差ε'_ｘ ^（ｎ）、ε'_ｙ ^（ｎ）およびε'_ｚ ^（ｎ）は方程式の組（７）から計算される。

方程式の組（８）におけるＫの値は、常に正であり、特定のアプリケーションに基づいて選ばれて、入力データの変動に対するＫフィルタの「感度」を提供する。ＭｉｎおよびＭａｘ値は正であり、計算された重み付け係数ｗの変動を制限する機能を果たす。

方程式（８）は、標準偏差σの連続的な最小化を保証する加重係数ｗを提供する。この方程式において、σ’^（ｎ）が方程式（７）により計算され、新規測定値が重み付けｗ＝ｌを以って考慮されていれば、標準偏差の予測値である。そのような仮定は正しい場合もあれば正しくない場合もある。σ’^（ｎ）が標準偏差σ’^{（ｎ−１）}σ^{（ｎ−１）}の前の値より小さい場合、σ^{（ｎ−１）}／σ’^（ｎ）は１より大きく、従って１より大きい重み付け値が得られる。σ’^（ｎ）が標準偏差σ^{（ｎ−１）}の前の値より大きい場合、σ^{（ｎ−１）}／σ’^（ｎ）は１より小さく、従って１より小さい重み付け値が得られる。Ｋの値により、特定のアプリケーションでの必要に応じて重み付け処理の感度を調整することが可能になる。

次いで、計算された重み付け係数ｗを用いて、方程式の組（９）の系を構築する。

方程式の組（６）で記述したように方程式の組（９）からのａおよびｂ値を用いて、基準点（ｚ_０，ｙ_０，ｚ_０）および移動速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）の新しい値を計算する。標準偏差の値は次いで、方程式の組（１０）に示すように更新される。

標準偏差σ^（ｎ）は、先験的には未知であり、従って最初のいくつかの測定を行なう際には方程式（７）、（８）は適用できない。このために、最初の数個のサンプルは正しいと考えられ、ｗ＝１と重み付けられる。方程式（５）、（１０）について記述したように、いくつかの項は、先の繰り返しからの自身の値を用いて再帰的に計算される。本計算が加算動作を示すため通常は、反復的に計算される全ての変数の初期値は、フィルタが最初に開始される時点ではゼロに等しい。

アドホック・ネットワークにおける本発明の実施形態の実装は、図３、４および５のように示すことができる。図３は、加入者装置の報告された位置を地理的プロット１２０上に示す。２８１個のサンプル集合が、２秒毎に１サンプルの割合で建築内部の位置から収集され、図３に示すように報告された。図３のプロットは、２５×２５メートル四方の領域内に囲まれた全ての測定値を示す。上述のように精度を向上させるべくＫフィルタでこのデータをフィルタリングした結果を図４に表示し、図３に示すフィルタリングされた値の例を地理的プロット１３０上に示す。

図３のフィルタリングされていないデータの誤差の標準偏差は以下の通りである。
σ_ｘ＝３．１;
σ_ｙ＝２．６;
σ_ｚ＝０．５;
σ＝４．１

図４に示すフィルタリングの後で、誤差の標準偏差は以下の通りである。
σ_ｘ＝１．２;
σ_ｙ＝０．８;
σ_ｚ＝０．１;
σ＝１．４

このデータは、３次元（３Ｄ）データ精度において３倍の向上を示す。図４において、フィルタリングされた値、またはフィルタリングされた位置は約４×４メートル四方の領域を覆う状態を示し、未加工データよりもはるかに良好な分散を示す。

上で述べた本発明の実施形態を用いて実現された改善結果を、図５により明確に示す。図５のチャート１４０は、標準の位置特定サービス動作が提供する加入者装置位置の精度を、上で述べた本発明のシステムおよび方法を用いてフィルタリングされたデータと比較して示す。図に示すように、入力データ１４２のプロットは、フィルタリングされたデータ１４４と比較して誤差の累積が極めて大きい。図に示す例において、収集されたデータは開始時点で誤差が非常に小さく、それによりＫフィルタは急速に収束できて、６個のサンプルだけを集めた後で極めて正確な精度を与える。他の例において、より大きい誤差も同様に除去することができる。

本発明のごく少数の例証的な実施形態だけについて上で詳述したにもかかわらず、本発明の新規な知見および利点から逸脱することなく、例証的な実施形態に対して多くの変更が可能である点は当業者に容易に理解されよう。従って、そのような変更は全て、本発明の範囲内に含まれるものと見なされる。

本発明の実施形態を用いる、複数のノードを含むアドホック無線通信ネットワークの一例のブロック図である。 図１に示す無線ノードまたは加入者装置の例のブロック図である。 図１に示すアドホック無線通信ネットワーク内の加入者装置の報告された位置の例を示すプロット図である。 本発明の一実施形態による予測フィルタによりフィルタリングされた、図３に示す値の例を示すプロット図である。 本発明の一実施形態によるフィルタ精度の時間変化の例を示すプロット図である。

Claims (21)

1. 通信ネットワーク内の移動通信装置の位置を特定する方法であって、
   前記移動通信装置と複数の基準点の間の各々の距離を表わす測定データに基づいて前記移動通信装置の位置を推定するステップと、
   位置を推定する際に古い測定データよりも新たに測定されたデータを重要視する忘却係数を含む予測フィルタを用いて前記推定位置を修正して、前記移動通信装置の位置を表わす修正された推定位置を生成するステップとを含む方法。
2. 前記修正ステップが、３座標軸上における前記移動通信装置の移動を予測し、予測した移動を、前記予測フィルタを用いて調整して、前記修正された推定位置を確定する、請求項１に記載の方法。
3. 前記修正ステップが、前記予測フィルタによる修正に従い、前記移動通信装置の初期位置を表わす変数および前記移動通信装置の移動速度を表わす変数を含む方程式を用いて、前記移動を予測する、請求項２に記載の方法。
4. 前記方程式が、３個の方程式系を含み、前記系の各々が、移動の各軸に関連しており、前記忘却係数を用いて各軸における推定初期位置の座標および各軸に沿った移動速度を調整する、請求項３に記載の方法。
5. 前記ネットワークが無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワークを含み、前記移動通信装置が前記無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワーク内のノードである、請求項１に記載の方法。
6. 前記移動通信装置が、前記推定および前記修正ステップを実行する、請求項１に記載の方法。
7. 前記忘却係数が０〜１の間に値を有する、請求項１に記載の方法。
8. 通信ネットワーク内の移動通信装置の位置をプロセッサが特定できるようにする、コンピュータ可読な命令の媒体であって、
   前記プロセッサを制御して、前記移動通信装置と複数の基準点の間の各々の距離を表わす測定データに基づいて前記移動通信装置の位置を推定させるべく適合されている第１の命令の組と、
   前記プロセッサを制御して、位置を推定する際に古い測定データよりも新たに測定されたデータを重要視する忘却係数を含む予測フィルタを用いて前記推定位置を修正して、前記移動通信装置の位置を表わす修正された推定位置を生成させるべく適合されている第２の命令の組とを含む、コンピュータ可読な命令の媒体。
9. 前記第２の命令の組が、前記プロセッサを制御して、３座標軸上における前記移動通信装置の移動を予測し、予測した移動を、前記予測フィルタを用いて調整して、前記修正された推定位置を確定させるべく適合されている、請求項８に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
10. 前記第２の命令の組が、前記プロセッサを制御して、前記予測フィルタによる修正に従い、移動通信装置の初期位置を表わす変数および移動通信装置の移動速度を表わす変数を含む方程式を用いて、前記移動を予測させるべく適合されている、請求項９に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
11. 前記方程式が、３個の方程式系を含み、前記系の各々が、移動の各軸に関連しており、前記忘却係数を用いて各軸における推定初期位置の座標および各軸に沿った移動速度を調整する、請求項１０に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
12. 前記ネットワークが無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワークを含み、前記移動通信装置が前記無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワーク内のノードである、請求項８に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
13. 前記プロセッサが、前記推定および前記修正動作を実行すべく、前記移動通信装置に採用されている、請求項８に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
14. 前記忘却係数が０〜１の間に値を有する、請求項８に記載のコンピュータ可読な命令の媒体。
15. 通信ネットワーク内の移動通信装置の位置を特定するシステムであって、
    前記移動通信装置と複数の基準点の間の各々の距離を表わす測定データに基づいて前記移動通信装置の位置を推定すべく適合されていて、更に、位置を推定する際に古い測定データよりも新たに測定されたデータを重要視する忘却係数を含む予測フィルタを用いて前記推定位置を修正して、前記移動通信装置の位置を表わす修正された推定位置を生成すべく適合されているプロセッサを含むシステム。
16. 前記修正動作が、３座標軸上における前記移動通信装置の移動を予測し、予測した移動を、前記予測フィルタを用いて調整して、前記修正された推定位置を確定する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記修正動作が、前記予測フィルタによる修正に従い、移動通信装置の初期位置を表わす変数および移動通信装置の移動速度を表わす変数を含む方程式を用いて、前記移動を予測する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記方程式が、３個の方程式系を含み、前記系の各々が、移動の各軸に関連しており、前記忘却係数を用いて各軸における推定初期位置の座標および各軸に沿った移動速度を調整する、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記ネットワークが無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワークを含み、前記移動通信装置が前記無線アドホック・ピアツーピア通信ネットワーク内のノードである、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記移動通信装置が、前記推定および前記修正動作を実行するプロセッサを含む、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記忘却係数が０〜１の間に値を有する、請求項１５に記載のシステム。