JP2007043587A

JP2007043587A - 無線位置検出方法およびそのシステム

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Publication number: JP2007043587A
Application number: JP2005227375A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogino; 敦荻野; Ryota Yamazaki; 良太山崎; Takaki Uta; 隆基雅樂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: JP4609231B2; US20070032248A1; US7848766B2

Abstract

【課題】移動可能な端末と、該端末からの接続を許容する複数の基地局と、上記端末および基地局からの信号を受信する複数の無線受信局とからなる無線位置検出システムを屋内等で運用する際に、該端末の位置検出誤差を低減する方法を提供し、そのためのシステムを実現することが課題となる。
【解決手段】端末の位置検出の地理的範囲を示す複数の位置検出エリアの定義と、上記各位置検出エリアにおいて端末の位置を検出するために該各エリアに割り当てた予め位置が既知である複数の無線受信局を、特定するための定義とに基づいて、各無線受信局が受信した端末からの無線信号に関する測定結果を、上記位置検出エリア毎に評価し、該端末の位置を決定することを特徴とする無線位置検出方法。
【選択図】図５

Description

本発明は電磁波を用いた測距の結果に基づいて無線機の位置を検出する方法に関するもので、特に無線LANシステムにおいて端末の位置を検出する方法に関する。

特許文献1によれば、無線LANシステムにおいて、基地局および端末から送信された無線信号を、複数の無線受信局によって受信し、該各受信時刻と、上記基地局および上記各無線受信局の位置とに基づいて、上記端末の位置を検出する技術が開示されている。

同文献によれば、端末の位置検出に用いる複数の無線受信局に、該端末がアソシエーションを確立（以下、接続）している基地局に地理的に隣接しているものを選んでいる。

特開２００４−１０１２５４号公報

特開２００４−２８９７０２号公報

ところで、端末の接続可能な基地局が複数存在する場合、端末は常に最寄りの基地局と接続しているとは限らない。その理由として、端末が次の接続を確立する時間よりも短い時間に移動してしまう可能性があるからである。また、別の理由として、端末は、自己における受信特性が最良（例えば、受信信号強度が最大）となるような無線信号を送信している基地局と接続する様に調整されている可能性があるからである。従って、端末を取り巻く電波環境次第では、最寄りでない基地局からの無線信号の受信特性が、該端末にとって最良となって、該基地局に端末が接続してしまう可能性がある。後者は、壁や棚等、無線信号を遮蔽・反射するような障害物のある屋内等において、特に、顕著な問題となる。この様な状況において、上述の「端末の位置検出に用いる複数の無線受信局に該端末が接続している基地局に地理的に隣接しているものを選ぶという方法」を適用した場合、上記選ばれた複数の無線受信局が端末を囲えないケースが発生し、そのGDOP (Geometric Dilution Of Precision)の劣化から、該端末の位置検出誤差が増大してしまう可能性がある。これに対し、上記「隣接」に関する距離をより長く定義すれば、上記GDOPの劣化は回避できるかもしれない。しかし、この定義を長くすると、端末または基地局と無線受信局との電波伝搬路に、無線信号を遮蔽・反射するような障害物が存在する可能性が高くなる。そうなれば、送信元から直接的に到来する無線信号の正確な観測が難しくなり、無線受信局における上記各受信時刻には大きな誤差が含まれ、端末の位置検出誤差が増加してしまう。この問題は、特に、壁や棚等、無線信号を遮蔽・反射するような障害物のある屋内等において顕著となる。

そこで、移動可能な端末と、該端末からの接続を許容する複数の基地局と、上記端末および基地局からの信号を受信する複数の無線受信局とからなる無線位置検出システムを屋内等で運用する際に、最適な無線受信局群を選択して該端末の位置検出誤差を低減する方法を提供し、そのためのシステムを実現することが課題となる。

上記課題を解決するための手段は、
端末の位置検出の地理的範囲を示す複数の位置検出エリアの定義と、
上記各位置検出エリアにおいて端末の位置を検出するために該各エリアに割り当てた
予め位置が既知である複数の無線受信局を、特定するための定義とに基づいて、
各無線受信局が受信した端末からの無線信号に関する測定結果を、
上記位置検出エリア毎に評価し、
該端末の位置を決定することを特徴とする無線位置検出方法である。

本発明によれば、屋内等において、移動可能な端末が、複数ある基地局のいずれか一方への接続如何によらず、該端末の位置検出誤差を低減することが出来る。

図1を用いて本発明による無線位置検出システムの実施例を説明する。同図において、1A1、1A2、1A3は基地局を示す。1S1、1S2、1S3は端末を示す。1C1は位置計算ユニットを示す。1Z1、1Z2、1Z4は端末の位置検出の地理的範囲である位置検出エリアを示す。1R11、1R21、1R33、1R42、1R52、1R62、1R73、1R84、1R94、1Ra4は無線受信局を示す。基地局および端末は、例えばIEEE 標準規格802.11に準拠した、それぞれ、アクセスポイントおよび無線ステーションである。

無線受信局は、基地局や端末から送信される無線パケット信号（以下、フレーム）の受信と、受信したフレームのヘッダ部分の解析と、受信したフレームの受信信号強度（RSSI：Received Signal Strength Indicator)値の測定とを行う機能を有する。さらに、無線受信局はフレーム受信の際の受信時刻を自己の内蔵するクロックに基づいて測定する機能を有する。

基地局1A1、1A2、1A3、および無線受信局1R11、1R21、1R33、1R42、1R52、1R62、1R73、1R84、1R94、1Ra4は、有線ネットワークもしくは無線ネットワークを介して位置計算ユニット1C1と繋がっている。

無線受信局は、受信測定したフレームに関する受信時刻や受信信号強度値を位置計算ユニットに報告する。上記無線受信局としては、例えば、前記特許文献1に記載の基地局を応用することができるが、その詳細については後に述べる。

位置計算ユニットは、各無線受信局の所定の位置と、各無線受信局から報告された各フレームの受信時刻とを元に、端末の位置を決定する機能を有する。位置計算ユニットとしては、例えば、上記機能を実装したコンピュータを応用することができる。その詳細については後に述べる。

各位置検出エリアは、例えば、平面上の多角形や線分としてそれぞれ表現される。各位置検出エリアには、端末の位置検出に用いられる2台以上の無線受信局が、適切に割り当てられる。各無線受信局は、その割り当てられた位置検出エリアに存在する端末を正確に位置検出できる様に適切に調整・設置される。各無線受信局を適切に割り当てて設置するには、例えば、位置検出エリア内の任意の位置についてGDOP (Geometric Dilution Of Precision)が所定の水準を満たす様、無線受信局の設置数と、その各設置場所を調整すればよい。あるいは、簡便には、例えば、無線受信局に関する次の第１の設置基準を満足する様に設置すればよい。

（無線受信局に関する第１の設置基準）位置検出エリアを表す多角形（位置検出エリアが線分の場合も含む）の頂点集合の凸包の全頂点上（その近傍も含む）へ無線受信局を少なくとも設置すること。

例えば、図1において、位置検出エリア1Z2には、5つの無線受信局1R33、1R42、1R52、1R62、1R73が割り当てられている。これらの各無線受信局は凸五角形状の当該エリアの頂点上あるいはその近傍にそれぞれ設置されている。

基地局は、基地局に関する次の第1の基準と第2の基準とを同時に満足する様に、その数が揃えられ、調整・設置される。

（基地局に関する第1の基準）位置検出エリア内に存在する端末と、所定の品質を満たしてフレーム交換可能な基地局が少なくとも一つ存在する。

（基地局に関する第2の基準）同一の位置検出エリアに割り当てられた複数の無線受信局の任意の対において、
当該対における一方の無線受信局を第1の無線受信局と、他方の無線受信局を第2の無線受信局と呼称するものとし、
上記第1の無線受信局が受信時刻測定の可能な所定フレームを送信する基地局を第1の基地局と、上記第2の無線受信局が受信時刻測定の可能な所定フレームを送信する基地局を第2の基地局と呼称するものとし、
上記第1の無線受信局と第2の無線受信局に関して、第1の基地局と第2の基地局とが同一となり得るか、
あるいは、第1の基地局と第2の基地局の双方から各々送信される所定フレームの受信時刻測定の可能で、上記位置検出エリアに割り当てられている第3の無線受信局が少なくとも一つ存在しうる。

例えば、図1を用いて上記基地局に関する第1及び第2の設置基準を説明する。基地局1A1は位置検出エリア1Z1内の端末とのフレームの交換が所定品質を満足する様に設置される。また、基地局1A2は位置検出エリア1Z2内の端末とのフレームの交換が所定品質を満足する様に設置される。位置検出エリア1Z1に割り当てられた無線受信局1R11、1R21、1R33、1R73のうち、どの対も基地局1A1からの所定フレームの受信時刻を測定できる。一方、位置検出エリア1Z2に割り当てられた無線受信局1R33、1R42、1R52、1R62、1R73のうち無線受信局1R33を除いた任意の対は当該基地局1A2からの所定フレームの受信時刻を測定できる。無線受信局1R73と無線受信局1R33の対は基地局1A1からの所定フレームの受信時刻を測定できる。無線受信局1R33と、無線受信局1R42、1R52、1R62のいずれか一つのとの対は、無線受信局1R33を第1の無線受信局、無線受信局1R42、1R52、1R62のいずれか一つを第2の無線受信局とすると、第1の基地局は1A1、第2の基地局は1A2であり、第3の無線受信局として無線受信局1R73が存在する。

上記位置検出エリア、無線受信局、基地局に関する各種の情報は、端末の位置を効果的に検出できる様に、少なくとも一時的・部分的に位置計算ユニットにおいて保持される。

まず、位置計算ユニットは、位置検出エリアとその定義とを対応づけた情報と、位置検出エリアと当該エリアに割り当てられた各無線受信局とを対応づけた情報とを保持する。例えば位置計算ユニットは図2に示す情報を保持している。同図によると、例えば、識別番号1Z4の位置検出エリアは、二つの頂点(X, Y, Z)[m] = (55, 24, 7)、(202, 42, 7)によって定義される線分形状の位置検出エリアであって、当該エリアには識別番号が各々1R84、1R94、1Ra4の3つの無線受信局が割り当てられていることが示されている。

また、位置計算ユニットは、無線受信局とそのインフラ側（位置計算ユニット側の）ネットワークアドレスとを対応づけた情報と、無線受信局とその位置（座標）を対応づけた情報と、無線受信局と当該局による受信時刻測定可能な各基地局とを対応づけた情報とを保持する。例えば位置計算ユニットは図3に示す情報を保持している。同図によると、例えば、識別番号1R73の無線受信局は、ネットワークアドレス（IPアドレス）「192.168.1.7」を有し、そのアンテナの（代表の）位置が(X, Y, Z)[m] = (120, 115, 2)であり、識別番号が各々1A1、1A2である2つの基地局から送信される特定フレームの受信時刻測定が可能であることが示されている。

さらに、位置計算ユニットは、基地局とその（端末側の）無線ネットワークアドレスとを対応づけた情報と、基地局とそのインフラ側（位置計算ユニット側の）ネットワークアドレスとを対応づけた情報と、基地局とそのPHY（物理層）規格とその無線チャネルとを対応づけた情報と、基地局とその位置（座標）と当該局へ接続可能な端末の存在エリアとを対応づけた情報を保持する。例えば位置計算ユニットは図4(A)(B)(C)に示す情報を保持している。同図によると、例えば、識別番号1A1の基地局は、端末側の無線ネットワークアドレス（MACアドレス）「01:ff:02:03:04:a1」と、インフラ側（位置計算ユニット側の）ネットワークアドレス（IPアドレス）「192.168.1.201」とを有し、そのPHY規格としてHR/DSSS（High Rate, direct sequence spread spectrum）方式を用い、その無線チャネルとして2412[MHz]を用い、そのアンテナ位置が(X, Y, Z)[m] = (162, 144, 3)であり、さらに、当該基地局に接続している端末は識別番号が各々1Z1、1Z2の位置検出エリアに存在する可能性があることが示されている。

本発明である無線位置検出システムによる位置検出フローについて図5を用いて説明する。各無線受信局は、予め測定指示S501が与えられる。当該指示は位置計算ユニットからなされてもよい。当該指示には、無線受信局が所定の端末あるいは所定の基地局から所定のフレームを受信するための情報が含まれている。当該指示の詳細内容については後に述べる。

各基地局は、定期的に特定のフレームS521を同報する。例えば、当該基地局がIEEE標準規格802.11に準拠したアクセスポイントであるならば、上記特定のフレームとしてビーコンフレームを適用できる。

各基地局は、端末とのアソシエーションの確立S522が生じると、接続状況報告S523によって、接続してきた端末の識別情報（例えば、MACアドレス）を報告する。

各基地局は、フレーム交換指示S502が与えられる。当該指示は位置計算ユニットからなされてもよい。当該指示発行の契機や頻度は、端末に対する位置検出の要求に基づいて適切に調整される。当該指示には、基地局が所定の端末と所定のフレームを交換するための情報が含まれている。当該指示には、フレーム交換先となる端末複数分の情報を含んでいても良い。当該指示を与えられた基地局は所定の端末と所定のフレーム交換S524を行う。例えば、当該基地局がIEEE標準規格802.11に準拠したアクセスポイントであるならば、上記フレーム交換として、データフレームと応答（ACK）フレームの対、あるいは、RTS（Request To Send）フレームとCTS（Clear To Send）フレームの対を適用できる。なお、基地局は一回のフレーム交換指示で複数回のフレーム交換を行ってもよい。

基地局と端末との間で交換されるフレームは無線信号であるため、各無線受信局は、そのPHY（物理層）機能や無線チャネルが適切に設定されれば、上記フレームを受信することができる。各無線受信局は前記測定指示S501に基づいてそのPHY（物理層）機能や無線チャネルを設定し、受信測定S511を行う。当該測定において、無線受信局は、フレーム受信の際の受信時刻を自己の内蔵するクロックに基づいて測定する。また、無線受信局は、受信したフレームの受信信号強度値の測定を行う。さらに、無線受信局は、受信したフレームを解析し、所定の端末あるいは所定の基地局から送信された所定のフレームであるか否かを判定する。

無線受信局は、上記受信測定した結果のうち、予め指示された所定のフレームに関する結果については、その都度測定結果S512として位置計算ユニットに報告する。あるいは、上記所定のフレームに関する結果を複数まとめて、測定結果S512として、定期的に位置計算ユニットに報告してもよい。当該測定結果の内容の詳細については後に述べる。

位置計算ユニットは、ステップS503、S504、S505によって端末の位置検出を実行する。

S503は端末の位置する位置検出エリアがどれであるか、あるいはどの位置検出エリアの無線受信局を用いると端末の位置を精度よく測定できるか、その候補を選定するステップである。本ステップにおいては、図6に示すとおり次のS5031、S5032の二つのサブステップによって候補エリアが選定される。

（S5031）各基地局からの接続状況報告S523と、事前に作成した「基地局と当該基地局へ接続可能な端末の存在エリアとを対応づけた情報」（図4(C)）とに基づいて、位置検出の対象である端末の位置する候補となる位置検出エリア（以下、候補エリア）を選定する。例えば、位置検出の対象となる端末の接続先が基地局1A1の場合、当該端末は位置検出エリア1Z1または1Z2に位置すると推定される。

（S5032）上記S5031において選定された各候補エリアより、当該各候補エリアに割り当てられた無線受信局から報告された測定結果に基づいて、上記端末の位置する候補エリアをより厳密に選定する。具体的には次の二つの方法のいずれか一方あるいは双方を同時に適用してよい。

方法1. 先のステップS5031における一つの候補エリアに割り当てられた無線受信局のうち、上記端末に関する測定結果を報告してきた無線受信局の数が、当該エリアについて事前に定められた閾値以上であった場合に、当該候補エリアを当該ステップにおける候補エリアとして選定する。

方法2. 先のステップS5031における一つの候補エリアに割り当てられた各無線受信局が報告してきた上記端末に関する測定結果において、当該各結果に含まれる受信信号強度値の上記無線受信局間の総和が、当該エリアに関する所定の条件を満足する場合に、当該候補エリアを当該ステップにおける候補エリアとして選定する。

例えば、図14に示す様に、先のステップS5031における一つの候補エリアに割り当てられた各無線受信局が報告してきた上記端末に関する測定結果において、当該各結果に含まれる受信信号強度値の上記無線受信局間の平均値Rを算出し（S1401）、当該平均値を当該エリアに関する所定の閾値と比較し（S1402）、その平均受信信号強度値Rが所定の閾値を超える場合に、当該候補エリアを当該ステップにおける候補エリアと選定する（S1403）。そうでなければ、当該エリアを候補エリアから除外する（S1404）。

S504は各候補エリアに割り当てられた各無線受信局による測定結果を元に候補エリア毎に端末の位置を計算するステップである。各候補エリアにおける端末の位置は、例えば、数1に示す二乗誤差E(P, d)の最小値E_minを与えるベクトル量Pとして計算することができる。ここで、A：候補エリア上の点全体、n：候補エリアに割り当てられた無線受信局の数、d：基準となる無線受信局のクロック誤差、t_k：無線受信局における端末からのフレーム受信時刻、W_k：無線受信局における受信時刻測定の信頼性を示す非負の重み付け係数、c：電波伝搬速度、P_k：無線受信局の位置、||x||：ベクトルxの大きさを示す。上記W_kは、受信時刻測定の信頼性が得難い場合には0また1をとるものとする。測定結果の報告の無かった無線受信局に関しては0に設定される。上記t_kは基準となる無線受信局のクロック上の受信時刻に修正されている。このようなt_kを得るためには、特許文献1あるいは特許文献2による方法を応用できる。当該内容の詳細については後に述べる。

S505は各候補エリアにおける位置計算結果を比較し端末の位置を決定するステップである。先のステップS504では候補エリア毎に端末位置P、最小二乗誤差E_min、無線受信局数n、重み付け係数{W₁,W₂,...,W_n}を得ている。当該ステップではこれらの結果を候補エリア間で比較し、端末の位置を一つに決定する。本ステップでは図7に示す次のサブステップS5051、S5052、S5053、S5054によって端末の位置を一つに決定する。

(S5051)各候補エリアに割り当てられた、非零の重み付け係数を有する無線受信局の数n'によって、正規化された最小二乗誤差（E_min/n'）を候補エリア毎に算出する。

(S5052)上記正規化された最小二乗誤差の最小値が他の最小二乗誤差と比べて小さいとき（他との比や差が所定の閾値以下となるとき）、当該最小値を与えている候補エリアにおける端末位置Pに決定する。

(S5053)そうでなければ、上記最小値に基づく所定の閾値以下の正規化された最小二乗誤差を与えている候補エリアの中で、上記重み付け係数に基づいて、数2もしくは数3で示されるSを算出する。

(S5054)上記Sの最大値を与えている候補エリアにおける端末位置Pに決定する。

上記は、換言すれば、各候補エリアで算出された端末位置のうち、最小の、最小二乗誤差となる端末位置に決定し、該各誤差に有意な差が無く決定できない場合には、該誤差の小さなものの中で、より受信測定の信頼性が高い、より多くの無線受信局によって検出された端末位置に決定するというものである。

無線受信局に対する測定指示S501の内容の詳細について述べる。当該指示には、例えば図8に示すように、無線受信局が所定の端末あるいは所定の基地局から所定のフレームを受信するための情報が含まれている。

同図において、受信方法811、...、81hは、無線受信局において適用すべき一つ乃至複数の受信方法に関する情報である。例えば、受信方法811には、受信時間8111、無線チャネル8112、受信アンテナ識別番号8113、PHY規格8114が含まれている。受信時間8111は、当該受信方法811の適用によって行う受信測定の時間を示す。無線チャネル8112は、上記受信測定の際に用いる無線チャネルを示す。受信アンテナ識別番号8113は、複数のアンテナを有する無線受信局が上記受信測定の際に使用すべきアンテナを特定するための番号を示す。PHY規格8114は、上記受信測定の際に対応すべきPHY（物理層）規格を示す。無線受信局は一つの受信方法による受信時間が経過したら次の受信方法に従って受信測定を実施する。受信方法hまで終了したら受信方法1に戻って受信測定を繰り返す。

端末情報821、...、82mは、無線受信局の受信すべきフレームの送信元となる一つ乃至は複数の端末に関する情報である。例えば、端末情報821には、識別番号8211とフレームタイプ8212が含まれている。識別番号8211は、無線受信局の受信すべきフレームの送信元となる端末を特定するための情報である。上記識別番号としては、例えば、端末のMACアドレスが適用できる。フレームタイプ8212は、上記端末の送信するフレームの中でも、特に、無線受信局の受信すべきフレームのタイプを特定するための情報である。上記フレームタイプとしては、例えば、IEEE802.11フレームコントロールフィールド内の「タイプおよびサブタイプフィールド」において規定される「ACK」等を指定して良い。

基地局情報831、...、83kは、無線受信局の受信すべきフレームの送信元となる一つ乃至は複数の基地局に関する情報である。例えば、基地局情報831には、識別番号8311とフレームタイプ8312が含まれている。識別番号8311は、無線受信局の受信すべきフレームの送信元となる基地局を特定するための情報である。上記識別番号としては、例えば、基地局の、端末側の無線ネットワークの、MACアドレスが適用できる。フレームタイプ8312は、上記基地局の送信するフレームの中でも、特に、無線受信局の受信すべきフレームのタイプを特定するための情報である。上記フレームタイプとしては、例えば、IEEE標準規格802.11 フレームコントロールフィールド内の「タイプおよびサブタイプフィールド」において規定される「Beacon」や「Null function」等を指定して良い。

無線受信局の位置計算ユニットに対する測定結果S512の内容の詳細について述べる。当該結果には、例えば、図9に示すような、一つ乃至は複数の受信測定の結果を記載した測定情報が含まれている。同図において、測定情報911、...、91jは、それぞれ、端末もしくは基地局から送信された一つのフレームに関する受信測定の結果を記載している。例えば、測定情報911には、識別番号9111、フレームタイプ9112、シーケンス番号9113、無線チャネル9114、アンテナ識別番号9115、受信信号強度値9116、受信時刻9117が含まれている。識別番号9111は、当該測定情報におけるフレームの送信元となる端末あるいは基地局を特定するための情報である。上記識別番号としては、例えば、端末のMACアドレスや、基地局の、端末側無線ネットワークの、MACアドレスが適用される。なお、上記送信元識別番号を持たないフレームも存在する。例えば、「ACK」フレームである。このようなフレームに対しては、その対となるデータフレームの送信先識別番号を代用することによって送信元識別番号を特定するようにしてもよい。フレームタイプ9112は、当該測定情報におけるフレームのタイプを特定するための情報である。上記フレームタイプとしては、例えば、IEEE標準規格802.11フレームコントロールフィールド内の「タイプおよびサブタイプフィールド」値が適用される。シーケンス番号9113は、当該測定情報におけるフレームの時間的な順序を特定するための情報である。上記シーケンス番号としては、例えば、IEEE標準規格802.11フレームコントロールフィールド内の「シーケンス制御フィールド」の値が適用される。なお、上記「シーケンス制御フィールド」を持たないフレームも存在する。例えば、「ACK」フレームである。このようなフレームに対しては、その対となるデータフレームの「シーケンス制御フィールド」の値を代用することによって、フレームの時間的な順序を特定するようにしてもよい。無線チャネル9114は、当該測定情報におけるフレームの受信測定に用いられた無線チャネルを特定するための情報である。アンテナ識別番号9115は、複数のアンテナを有する無線受信局において、当該測定情報におけるフレームの受信測定に用いられたアンテナを特定するための情報である。受信信号強度値9116は、当該測定情報におけるフレームの当該無線受信局における受信信号強度を示す数値である。受信時刻9117は、当該測定情報におけるフレームの当該無線受信局における受信時刻を示す数値である。

上記位置検出フロー（図5）において適用される位置計算ユニットの構成について図10を用いて説明する。位置計算ユニットは、ローカルエリアネットワークインターフェース（以下、LAN I/F）1001、情報蓄積部1002、接続状況報告受信部1003、測定指示部1004、フレーム交換指示部1005、測定結果受信部1006、候補エリア選定部1007、位置計算部1008、位置決定部1009を有する。LAN I/F 1001は、当該位置計算ユニットと、LAN上の、無線受信局、基地局、あるいは、端末との通信を可能にする。情報蓄積部1002は、当該ユニットが端末の位置を効果的に検出するために、図2、図3、図4に示した各種情報を蓄積する様に構成される。接続状況報告受信部1003は、当該ユニットが基地局から該基地局に接続している端末の情報を受信する様に構成される。測定指示部1004は、無線受信局が所定の端末あるいは所定の基地局から所定のフレームを受信測定することを適切に指示する様に構成される。フレーム交換指示部1005は、基地局が所定の端末と所定のフレームを適切なタイミングで交換することを促す様に構成される。測定結果受信部1006は、各無線受信局から送信される測定結果を受信できる様に構成される。候補エリア選定部1007は、上述した方法で、端末の接続先となる基地局の情報と、上記受信した各測定結果とを元に、端末の位置する位置検出エリアがどれであるか、その候補を選定する様に構成される。位置計算部1008は、上述した方法で、各候補エリアに割り当てられた各無線受信局による測定結果を元に候補エリア毎に端末の位置を計算する様に構成される。位置決定部1009は、上述した方法で、各候補エリアにおける位置計算結果を比較し端末の位置を決定する様に構成される。本発明の実施においては、上記接続状況報告受信部1003、測定指示部1004、フレーム交換指示部1005、測定結果受信部1006、候補エリア選定部1007、位置計算部1008、位置決定部1009は、コンピュータ上で実行されるプログラムとして実装されることも含まれる。

上記位置検出フロー（図5）において適用される無線受信局の構成について図11を用いて説明する。無線受信局は、アンテナ1101、高周波（RF）部1102、Analog to Digital変換部（ADC）1103、ベースバンド（BB）部1104、Media Access Control（MAC）処理部1105、Time of Arrival（TOA）測定部1106、クロック1107、制御部1108、LAN I/F 1109を有する。アンテナ1101は、端末や基地局からのフレーム（無線パケット信号）を受信するためのアンテナである。RF部1102は、所定の無線チャネルにある高周波信号をベースバンド信号に変換する。ADC 1103は、クロック1107によるクロックパルスに基づいて、アナログベースバンド信号をディジタルベースバンド信号に変換する。なお、変換時のサンプリング周波数は帯域制限されているベースバンド信号を再現できる様に、制限帯域周波数の2倍以上とする。BB部1104は、ベースバンド信号を復調して、例えば{0,1}からなる、二値系列を出力する。また、BB部はRF部との連動して、フレームの受信信号強度値を得る。MAC処理部1105は、復調後の二値系列よりMACヘッダを解析し、当該局が受信したフレームが所定の端末もしくは基地局からの所定のフレームであるか否かを判定する。TOA測定部1106は、クロック1107からのクロックパルスを参照して、ADC 1103から出力されるディジタルベースバンド信号に現れるフレームの到着時刻を測定する。制御部1108は、先に述べた測定指示に基づいて、所定の端末や所定の基地局からの所定のフレームについて受信測定するために、アンテナ1101、高周波（RF）部1102、ベースバンド（BB）部1104、MAC処理部1105、Time of Arrival（TOA）測定部1106を適切に制御する。また、上記各部と連携し、所定の端末もしくは基地局の所定のフレームに関する測定結果を構成し、位置計算ユニットに報告する。LAN I/F 1109は、当該無線受信局と、LAN上の、位置計算ユニットとの通信を可能にする。

複数の無線受信局において、端末からのフレームを受信測定したそれぞれの受信時刻を、上記複数の無線受信局のうち基準となる一つの無線受信局のクロック上に修正する方法について述べる。上記修正は、一つの端末からのフレームをそれぞれ受信測定した複数の無線受信局が、一つの基地局から、同一のフレームを受信測定できているときに、上記複数の無線受信局の間で、可能となる。以下では上記修正について図12および図13を用いて例示する。

図12において、無線受信局12Rbと無線受信局12Rkは、基地局12Aから送信されるフレームを、それぞれ受信測定可能な状況にある。また、無線受信局12Rbと無線受信局12Rkは、端末12Sから送信されるフレームをそれぞれ受信測定可能な状況にある。位置計算ユニットが図3、図4の情報を保持していることから、無線受信局12Rb、12Rk、基地局12Aの位置は予め分かっている。従って、基地局12Aと無線受信局12Rbとの間の理論上のフレーム伝搬時間T_{A_b}は容易に求まる。また、基地局12Aと無線受信局12Rkとの間の理論上のフレーム伝搬時間T_{A_k}も容易に求まる。基地局12Aからフレーム(i)とフレーム(j)が送信されたとする。そして、無線受信局12Rb、12Rkにおいて上記各フレームはそれぞれのクロックによって受信測定されたとする。例えば、フレーム(i)の無線受信局12Rbにおける受信時刻はt_{A(i)_b}、フレーム(j)の無線受信局12Rkにおける受信時刻はt_{A(j)_k}などと表す。端末12Sからもあるフレームが送信され、無線受信局12Rb、12Rkにおいて上記フレームがそれぞれのクロックによって受信測定されたとする。上記フレームの無線受信局12Rbにおける受信時刻はt_{S_b}、無線受信局12Rkにおける受信時刻はt_{S_k}と表す。

図13は、無線受信局12Rkにおける受信時刻t_{S_k}を、無線受信局12Rbの時間軸T_b上の受信時時刻t_kに修正する方法を示している。例えば、フレーム(i)の無線受信局12Rkにおける受信時刻t_{A(i)_k}は無線受信局12Rbの時間軸T_b上では、t_{A(i)_b}+T_{A_k}-T_{A_b}に換算できる。フレーム(j)の無線受信局12Rkにおける受信時刻t_{A(j)_k}は無線受信局12Rbの時間軸T_b上では、t_{A(j)_b}+T_{A_k}-T_{A_b}に換算できる。

上記各無線受信局による基地局12Aからのフレーム(i)、フレーム(j)のそれぞれの受信時刻から、無線受信局12Rkに対する無線受信局12Rbのクロックの変化を示す直線Cの方程式を得ることができる。そして、この直線Cの方程式を用いることによって、無線受信局12Rkにおける受信時刻t_{S_k}を、無線受信局12Rbの時間軸T_b上の受信時時刻t_kに修正できる。

無線受信局12Rkに対する無線受信局12Rbのクロックの変化率が1に近似できる場合には、上記各無線受信局による、基地局12Aからの一つのフレームのみのそれぞれの受信時刻から上記直線Cの方程式を得ることができる。

上記各無線受信局による基地局12Aからの三つ以上のフレームのそれぞれの受信時刻を得ている場合には、例えば、最小二乗法による直線近似（曲線近似を含む）によって、無線受信局12Rkに対する無線受信局12Rbのクロックの変化を示す直線（曲線）Cの方程式を得ることができる。なお、上記近似に用いる、無線受信局12Rkによる基地局12Aからのフレームの受信時刻は、より厳密な近似を目的として、無線受信局12Rkによる端末12Sからのフレームの受信時刻t_{S_k}、の前T_B時間、後T_F時間の間に制限しても良い。

上記修正方法を適用することによって、複数の無線受信局における端末からのフレームの各受信時刻を、上記複数の無線受信局のうち基準となる一つの無線受信局のクロック上に修正することができる。

例えば、図1において、位置検出エリア1Z2に割り当てられた無線受信局1R33による、端末1S2からのフレームの受信時刻は、無線受信局1R33および1R73による基地局1A1からのフレームの各受信時刻を元に、無線受信局1R73のクロック上に修正することができる。位置検出エリア1Z2に割り当てられた無線受信局1R42、1R52、1R62、1R73による、端末1S2からのフレームの各受信時刻は、無線受信局1R42、1R52、1R62、1R73による基地局1A2からのフレームの各受信時刻を元に、無線受信局1R73のクロック上に修正することができる。結局、位置検出エリア1Z2に割り当てられた無線受信局1R33、1R42、1R52、1R62、1R73の、端末1S2からのフレームの各受信時刻は、無線受信局1R73のクロック上に修正することができる。

図5のシステムフローにおいて、図15に示す測定結果を適用しても良い。図9に示した測定結果と比較して特徴的な箇所は、例えば、測定情報1に、送信先識別番号158が含まれていることである。送信先識別番号は、当該受信測定されたフレームの送信先を特定するためのもので、例えばMACアドレスが適用できる。送信先識別番号158は、識別番号151と、フレームタイプ152とを合わせて解析することによって、端末の接続先の基地局を特定することができる。例えば、識別番号151が、ある端末を示しており、フレームタイプ152が「ACK」を示しているならば、送信先識別番号158は、上記端末の接続先の基地局ということになる。この様に図15に示す測定結果を適用することによって、基地局に対して、図5のシステムフローにおける接続状況報告S523を実施する機能を省略できる。従って、本システムに適用可能な基地局の選択肢が柔軟となりコスト低下に役立つ。

本発明は、例えば、人の携行する無線LAN端末の位置を特定するシステムを、複数の建物や複数階層から成る屋内環境において設置運用する際、特に有効に利用できる。

本発明による位置検出システムの構成図である。本発明による位置検出システムにおいて、位置検出エリアに関して、位置検出ユニットが保持する情報を示すテーブル構成図である。本発明による位置検出システムにおいて、無線受信局に関して、位置検出ユニットが保持する情報を示すテーブル構成図である。本発明による位置検出システムにおいて、基地局に関して、位置検出ユニットが保持する情報を示すテーブル構成図である。本発明による位置検出方法を示すフロー図である。本発明による位置検出方法において、候補となる位置検出エリアの選定方法を示すフロー図である。本発明による位置検出方法において、候補となる位置検出エリア毎に算出された位置から一つに決定する方法を示すフロー図である。本発明による位置検出方法において、無線受信局になされる測定指示の内容を示すフォーマット構成図である。本発明による位置検出方法において、無線受信局から報告される測定結果の内容を示すフォーマット構成図である。本発明による位置検出システムにおける位置計算ユニットの構成図である。本発明による位置検出システムにおける無線受信局の構成図である。本発明による位置検出方法において、無線受信局間のクロック修正を説明するための、システム要素の関連を示す図である。本発明による位置検出方法において、無線受信局間のクロック修正方法を説明するためのグラフである。本発明による位置検出方法において、候補となる位置検出エリアの選定方法の詳細を示すフロー図である。本発明による位置検出方法において、無線受信局から報告される測定結果の別の実施の内容を示すフォーマット構成図である。

符号の説明

1S1，1S2，1S3，12S：端末、1A1，1A2，1A3，12A：基地局、1R11，1R21，1R33，1R42，1R52，1R62，1R73，1R84，1R94，1Ra4，12Rb，12Rk：無線受信局、1C1：位置計算ユニット、1Z1，1Z2，1Z4：位置検出エリア、1001：LAN I/F、1002：情報蓄積部、1003：接続状況報告受信部、1004：測定指示部、1005：フレーム交換指示部、1006：測定結果受信部、1007：候補エリア選定部、1008：位置計算部、1009：位置決定部、1101：アンテナ、1102：高周波部、1103：ADC、1104：ベースバンド部、1105：MAC処理部、1106：TOA測定部、1107：クロック、1108：制御部、1109：LAN I/F。

Claims

端末の位置検出に用いられる地理的範囲を示す複数の位置検出エリアの定義と、
上記各位置検出エリアにおいて端末の位置を検出するために該各位置検出エリアに割り当てた、予め位置が既知である複数の無線受信局を、特定するための定義とに基づいて、
各無線受信局が受信した端末からの無線信号に関する測定結果を、
上記位置検出エリア毎に評価して該端末の位置検出に用いる位置検出エリアを選別し、
該選別された位置検出エリアに割り当てられた複数の無線受信局における上記端末からの無線信号の受信タイミングを用いて該端末の位置を決定することを特徴とする無線位置検出方法。
上記評価は、上記測定結果を有する上記各位置検出エリアに割り当てた無線受信局の数に基づくことを特徴とする請求項１に記載の無線位置検出方法。
上記測定結果には、上記端末からの無線信号を受信した無線受信局における当該信号に関する受信信号強度が含まれ、
上記評価は、さらに、上記測定結果を有する上記各位置検出エリアに割り当てた無線受信局の間の上記受信信号強度の合計値に基づくことを特徴とする請求項１または２に記載の無線位置検出方法。
上記評価は、さらに、上記端末の接続先となる基地局の位置に基づくことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線位置検出方法。
請求項１、３、４のいずれかに記載の無線位置検出方法であって、
さらに、上記各無線受信局が受信可能な一つ以上の基地局に関する定義とに基づいて、
各無線受信局が測定した基地局からの無線信号の受信時刻と該無線信号の送信元基地局とを参照して、各無線受信局が測定した端末からの無線信号の受信時刻を補正し、
上記一つ以上の位置検出エリアにおいてそれぞれの端末の位置を算出し、
上記各算出の結果を上記エリア間で比較し、
該端末の位置を決定することを特徴とする無線位置検出方法。
上記各算出の結果は、数１に示す最小二乗誤差E_minを含むことを特徴とする請求項５に記載の無線位置検出方法。
上記算出の結果は、数２に示す端末からの無線信号の受信時刻測定に関する重み付け係数の和Sを含むことを特徴とする請求項５、６のいずれかに記載の無線位置検出方法。
上記算出の結果は、数３に示す端末からの無線信号の受信時刻を測定した無線受信局の数の和Sを含むことを特徴とする請求項５、６のいずれかに記載の無線位置検出方法。
上記各無線受信局に対して、所定の基地局および所定の端末からの無線信号を受信測定するように指示する手順を有することを特徴とする請求項５、６、７、８のいずれかに記載の無線位置検出方法。
上記受信測定の指示は、
受信すべき無線チャネルとアンテナ識別番号とを含む受信方法と、
受信すべき端末に関する識別番号と無線信号のフレームタイプとを含む端末情報と、
受信すべき基地局に関する識別番号と無線信号のフレームタイプとを含む基地局情報とを含む指示であることを特徴とする請求項９に記載の無線位置検出方法。
上記所定の基地局および所定の端末との間での所定の無線信号の交換を促すことを特徴とする請求項１０に記載の無線位置検出方法。
ローカルエリアネットワーク上の無線受信局および基地局との通信を可能にするローカルエリアネットワークインターフェースと、
端末の位置検出の対象となる領域を複数に分割して定義される位置検出エリアおよび該位置検出エリアに対応付けられる基地局ならびに無線受信局に関する情報を蓄積する情報蓄積部と、
複数の前記無線受信局における端末からの信号の測定結果を受信するための測定結果受信部と、
上記受信される測定結果を上記位置検出エリア毎に評価して該端末の位置検出に用いる候補位置検出エリアを選定するための候補エリア選定部と、
候補位置検出エリア毎に端末の位置を計算する位置計算部と、
各候補エリアにおける位置計算結果の比較によって端末位置を決定する位置決定部とを有することを特徴とする位置計算ユニット。
基地局から該基地局に接続している端末の情報を受信するための接続状況報告受信部を有することを特徴とする請求項1２に記載の位置計算ユニット。
上記情報蓄積部は、
位置検出エリアに対し、当該エリアの定義と、当該エリアに割り当てられた各無線受信局とを対応づけた情報と、
無線受信局に対し、当該インフラ側ネットワークアドレスと、当該位置と、当該局による受信時刻測定の可能な各基地局とを対応づけた情報と、
基地局に対し、当該端末側無線ネットワークアドレスと、当該インフラ側ネットワークアドレスと、当該物理層規格と、当該無線チャネルと、当該位置と、当該局へ接続可能な端末の存在エリアとを対応づけた情報とを蓄積する情報蓄積部であることを特徴とする請求項１２、１３に記載の位置計算ユニット。
一つ以上の無線端末と、複数の無線基地局と、上記端末および基地局から送信される無線信号の受信時刻を測定する機能を有する複数の無線受信局と、
請求項１４に記載の位置計算ユニットとから構成されることを特徴とする無線位置検出システム。
上記複数の無線受信局が、少なくとも上記位置検出エリアを表す多角形の頂点集合の凸包の略全頂点上に設置されることを特徴とする請求項１５に記載の無線位置検出システム。
上記複数の基地局が、
上記位置検出エリア内に存在する端末と、所定の品質を満たしてフレーム交換可能な基地局が少なくとも一つ存在する、という第１の条件と、
同一の上記位置検出エリアに割り当てられた第１および第２の無線受信局それぞれにおいて受信時刻測定の可能な所定フレームを送信する第1および第２の基地局とに関して、
第1の基地局と第2の基地局とが同一となり得るか、あるいは、第1の基地局と第2の基地局の双方から各々送信される所定フレームの受信時刻測定の可能で、上記位置検出エリアに割り当てられている第3の無線受信局が少なくとも一つ存在しうる、という第２の条件とを満たすことを特徴とする請求項１５、１６に記載の無線位置検出システム。
上記測定結果は、
一つ以上の受信測定の結果を記載した測定情報を含み、
該測定情報は、受信測定された一つの無線信号の送信元を特定するための識別番号と、該無線信号のフレームタイプと、該無線信号のシーケンス番号と、該受信測定に用いられたアンテナの識別番号と、該無線信号の受信信号強度値と、該無線信号の受信時刻とを含む測定情報であることを特徴とする請求項１７に記載の無線位置検出システム。