JP2009517988A - 無線ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を算出するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、無線ネットワーク（１００）において動作するモバイル機器（２００、４０５）の場所を算出する方法を提供する。このシステムは、モバイル機器（４０５）において、少なくとも４つの基準装置（４１０、４１５、４２０、４２５）のそれぞれから、モバイル機器（４０５）と関連の固定基準装置との間の飛行時間を表す情報をそれぞれ含むそれぞれの信号を受信するように構成されている受信機を含む。このシステムは、モバイル機器（４０５）と、固定基準装置の各対に関連する位置との間の距離を示す、モバイル機器（４０５）と、固定基準装置の少なくとも３つの異なる対のそれぞれとの間の少なくとも３つのアポロニウスの円（５００、６００、７００）を算出し、モバイル機器（４０５）の位置を、算出されたアポロニウスの円の交点として計算することによって、モバイル機器（２００、４０５）の位置を推定するためのプロセッサ（２１５）を含む。

Description

本発明は、一般に無線通信ネットワークに関し、より詳細には、アドホック無線ネットワーク内で動作するモバイル機器の位置の算出に関する。

近年、「アドホック・マルチホップ」ネットワークとして知られる１種の移動通信ネットワークが開発されている。この種のネットワークでは、各移動ノード（すなわちモバイル機器）は、他の移動ノードの基地局またはルータとして動作し、したがって、基地局固定トインフラストラクチャの必要性をなくす。当業者には理解できるように、ネットワーク・ノードは、データ・パケット通信を、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）形式、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）形式、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）形式などの多重化形式で送受信する。

より高度なアドホック・ネットワークも開発されており、これは、従来のアドホック・マルチホップ・ネットワークの場合のように、移動ノードが互いに通信することができることに加えて、さらに、移動ノードが、固定ネットワークにアクセスすることができ、したがって、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）上や、インターネットなどのその他のネットワーク上のものなどの他の固定ノードまたは移動ノードと通信することができる。

定義上、アドホック・ネットワークの動作が、位置が変わる移動（すなわちモバイル）機器間の通信を含むことを、当業者なら理解できるであろう。したがって、任意の時点において、アドホック・マルチホップ無線ネットワーク内の各モバイル機器の位置を算出する正確な方法を有することは、有益である。例えば、消防士、警察などの機器ユーザのために、建物内の機器の位置の正確な算出の必要があることを、当業者なら理解できるであろう。

アドホック・マルチホップ・ネットワークにおいて動作する無線モバイル機器の位置を算出するいくつかの方法は、無線信号の伝搬速度が光の速度と同じであると想定する。最近の測定値では、一部の建物内の無線信号の伝搬速度は、実際には、光の速度よりゆっくりであることを示している。

同じ参照番号は、個々の図を通じて、同一のまたは機能的に似た要素を指し、以下の詳細な説明とともに本願明細書に援用され、本願明細書の一部を形成する添付の図面は、さらに様々な実施形態を示し、本発明による様々な原理および利点のすべてを説明するのに役立つ。

図面内の要素は、簡潔かつ明瞭にするために示されており、必ずしも正しい縮尺で示されていないことを当業者なら理解できるであろう。例えば、本発明の実施形態の理解の向上を助けるために、図面内の要素の一部の大きさが他の要素に対して誇張されている場合がある。

本発明による実施形態の詳細な説明の前に、これらの実施形態は、主に、無線ネットワークで動作するモバイル機器の位置を算出するための方法工程およびシステム構成要素の組み合わせにあることに注意されたい。したがって、システム構成要素および方法工程は、本明細書の説明の恩恵を受ける同業者に容易に理解できる詳細により開示を不明瞭にしないように、本発明の実施形態の理解に関係する特定の詳細のみを示す図面において、適切な箇所で、従来の記号によって表される。

本書では、１番目、２番目や、上下などの関係語は、エンティティまたはアクションの間の任意の実際のこうした関係や順序を必ずしも要求したり含意したりすることなく、単にあるエンティティまたはアクションを別のエンティティまたはアクションと区別するために使用される場合がある。「備える」、「備えている」という用語または任意のその他の活用形は、非排他的な包含を網羅するものとし、したがって一連の要素からなる工程、方法、物、または装置は、こうした要素のみを含んでいるのではなく、明示的に列挙されていない、またはこうした工程、方法、物、または装置に固有の他の要素を含んでいてもよい。「〜を備える」の前にある要素は、より多くの制約を受けずに、その要素からなる工程、方法、物、または装置における追加の同一要素の存在を排除しない。

本明細書に記載されている本発明の実施形態は、１つまたは複数の従来のプロセッサ、およびいくつかの非プロセッサ回路とともに、本明細書に記載された無線ネットワークで動作するモバイル機器の位置を算出する機能の一部、ほとんど、またはすべてを実施するよう１つまたは複数のプロセッサを制御する一意の格納されたプログラム命令で構成され得ることが理解できるであろう。非プロセッサ回路には、それだけには限定されないが、無線受信機、無線送信機、信号ドライバ、クロック回路、電源回路、およびユーザ入力装置などがある。したがって、これらの機能は、無線ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置の算出を行う方法の工程として解釈され得る。あるいは、一部またはすべての機能は、格納されたプログラム命令を有していない状態機械によって、または各機能またはいくつかの機能のいくつかの組み合わせがカスタム・ロジックとして実施される、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）において実施することができる。当然、２つの手法の組み合わせを使用することができる。したがって、これらの機能の方法および手段が本明細書に記載されている。さらに、同業者が、本明細書に開示された概念および原理によって導かれると、かなりの努力や、例えば使用可能な時間、現在の技術、および経済的な問題が動機となっている多くの設計選択の可能性にもかかわらず、こうしたソフトウェア命令およびプログラム、およびＩＣを最低限の実験で容易に生成することができることが予想される。

提案されたシステムおよび方法は、信号伝搬速度に関係なく、モバイル機器の位置を算出することができ、したがって、屋内、屋外、地下、水中、空中空間など、任意の環境において適用可能である。

本開示に示された方法は、例えば、アドホック・マルチホップ無線ネットワークにおいて動作し、モバイル機器といくつかの固定基準との間を移動する無線信号の飛行時間（ＴＯＦ）を推定する機能を有するメッシュ・イネブルド・アークテクチャ（ＭＥＡ）装置に適用される。

無線信号の伝搬速度は、媒体の透過率、反射率、屈折率、および伝導率に依存する。自由空間における無線信号の伝搬速度は、光の速度、すなわち毎秒０．２９９７９２４５８×１０^９メートルに等しいと考えられる。建物内で行われる測定は、無線信号が１つの直接信号およびいくつかの代替信号として伝搬することを識別している。ＴＯＦベースの方法によって送信機と受信機との間の範囲を算出するために使用される直接信号は、壁を通過するとき、非常に高い減衰による影響を受ける。代わりに、代替信号は、ほとんど減衰されず、送信局から比較的離れたところで、直接信号よりかなり高いエネルギーで受信される。

本発明の方法では、建物は、均質な塊ではない構造体であるが、建物内の無線信号の伝搬速度は、すべての方向で同じであると仮定する。この近似によって多少の誤差がもたらされ得るが、こうした誤差のサイズは、無線信号が光の速度で建物内のすべての方向に伝搬すると考えるよりかなり小さい。この方法は、建物内で使用するために特に設計されているが、無線信号の伝搬速度は算出のパラメータではないので、任意の状態でのアドホック移動端末の位置の算出に適用することもできる。

図１は、本発明の一実施形態を使用するアドホック無線通信ネットワーク１００の１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、複数の移動無線ユーザ端末１０２−１から１０２−ｎまで（一般にノード１０２または移動ノード１０２と呼ばれる）を含み、必須ではないが、ノード１０２に固定ネットワーク１０４へのアクセスを提供するための複数のアクセス・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を含む。固定ネットワーク１０４は、他のアドホック・ネットワーク、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、およびインターネットなど、他のネットワークへのアクセスをネットワーク・ノードに提供するために、例えば、コアのローカル・アクセス・ネットワーク（ＬＡＮ）、並びに複数のサーバおよびゲートウェイ・ルータを含む。ネットワーク１００は、他のノード１０２、１０６、または１０７間にデータ・パケットを送る複数の固定ルータ１０７−１から１０７−ｎまで（一般に固定ノード１０７または固定ルータ１０７と呼ばれる）をさらに含む。この説明のために、上述したノードを、まとめて「ノード１０２、１０６、および１０７」または単に「ノード」と呼ぶことができることに留意されたい。

当業者には理解できるように、ノード１０２、１０６、および１０７は、直接、またはノード間で送信されているパケットのルータとして動作する１つまたは複数の他のノード１０２、１０６、または１０７を介して、互いに通信することができる。

図２は、図１のノード１０２、１０６、および１０７の一実施形態の電子ブロック図である。具体的には、図２は、本発明とともに使用するノード２００を示している。
図示されているように、ノード２００は、アンテナ２０５、送受信機（またはモデム）２１０、コントローラ２１５、およびユーザ・インターフェイス２２５を含む選択肢も存在する。アンテナ２０５は、アドホック無線ネットワーク１００内の１つまたは複数のノード１０２、１０６、１０７から送信された信号を傍受し、信号をアドホック無線信号１００内の１つまたは複数のノード１０２、１０６、１０７に送信する。

アンテナ２０５は、コントローラ２１５の制御下で、ノード２００との間で、パケット化信号などの通信信号を送受信する従来の復調技術を使用する送受信機２１０に結合されている。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制御信号を含み得る。送受信機２１０は、コントローラ２１５からコマンドを受信すると、アンテナ２０５を介してアドホック無線通信ネットワーク１００内の１つまたは複数の装置に信号を送信する。代替の実施形態（図示せず）では、ノード２００は、受信アンテナ、およびアドホック無線通信ネットワーク１００から信号を受信する受信機、並びに送信アンテナ、およびアドホック無線通信ネットワーク１００に信号を送信する送信機を含む。同じまたは代替のタイプの他の類似の電子ブロック図をノード２００に使用できることを当業者なら理解できるであろう。

送受信機２１０には、受信されたメッセージを処理する従来の信号処理技術を使用するコントローラ２１５が結合されている。コントローラ２１５の処理要求を処理するために、必要に応じて追加のプロセッサを使用できることを、当業者なら理解できるであろう。

本発明によれば、コントローラ２１５は、アドホック無線通信ネットワーク１００内の１つまたは複数のノード１０２、１０６、１０７の位置（場所）を算出する位置算出ブロック２３０を含む。位置算出ブロック２３０は、製造中にノード２００内にハード・コードまたはプログラムする、顧客の申し込みあり次第、無線でプログラムする、またはダウンロード可能アプリケーションとすることが可能であることを、当業者なら理解できるであろう。位置算出ブロック２３０をノード２００にプログラミングするために、他のプログラミング方法を使用することができることが理解できるであろう。位置算出ブロック２３０をノード２００内のハードウェア回路とすることができることを、当業者ならさらに理解できるであろう。本発明によれば、位置算出ブロック２３０は、図示されているように、コントローラ２１５内に含めることができる、または、コントローラ２１５に動作可能に結合されている個々のブロック（図示せず）とすることができる。

ノード２００の必要な機能を実行するために、コントローラ２１５は、好ましくはランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、およびフラッシュ・メモリを含むメモリ２２０に結合されている。メモリ２２０は、本発明によれば、飛行時間データ２３５、位置データ２４０などの格納のための格納先を含む。

例えば、メモリ記憶装置は、加入者識別モジュール（ＳＩＭ）カードとすることができる。ＳＩＭカードは、一般に、小さい軟質のプラスチック・カード内への封入に適したマイクロプロセッサ・ユニットおよびメモリを含む電子装置である。ＳＩＭカードは、さらに、ノード２００と通信する何らかの形のインターフェイスを含む。

オプションの一実施形態では、ユーザ・インターフェイス２２５は、コントローラ２１５に結合される。ユーザ・インターフェイス２２５は、１回のボタンの押し下げ、または一連のボタンの押し下げを生成するために使用される１つまたは複数のボタンなどのキーパッドを含み得る。ユーザ・インターフェイス２２５は、音声応答システム、または装置ユーザによって開始される手動入力を受ける他の類似の方法も含み得る。コントローラ２１５は、ユーザ・インターフェイス２２５を介したユーザ入力の受信に応答して、必要に応じてコマンドを実行する。様々な機能を実行し、ノード２００の機能のために様々な操作上の選択を行うために、ユーザ・インターフェイス２２５を使用することができることを、当業者なら理解できるであろう。例えば、ユーザ・インターフェイス２２５を、本発明に従ってノード１０２、１０６、１０７の位置を算出する位置算出ブロック２３０に入力を提供するために使用することができる。

図３は、本発明の一実施形態による移動体の位置を算出する方法３００を示すフローチャートである。移動体の場所を見つけるために、厳密には４つの基準が必要であるが、実際の操作では、関与する基準の数は、かなり多い場合がある。測定されたすべてのＴＯＦ_ｉが測定誤差によって影響を受けるので、このことは、算出された場所の誤差を最低限に抑えるのを助ける。

図３に示されているように、操作は、工程３０５で始まり、すべてのｎ＋１基準からのＴＯＦ値が集められる。次に、工程３１０で、最大ＴＯＦを提供する基準が「番号０」とみなされる。次に、工程３１５で、次いで、最大ＴＯＦとの関係で、ｋ_ｉ係数の値が算出される。次に、工程３２０で、移動体の座標が何らかの値に初期化される。これらの値は、何でもよいが、算出量を低減するために、以前に算出された移動体の場所が好ましい。次の工程３２５で、反復工程が始まる。これは、訂正によって、値が指定された精度より小さくなるまで実行される。本発明の算出方法により、例えば、下記で説明する方程式７を使用して、各基準

に対する個々の誤差が算出される。次に、工程３３０で、例えば下記で説明する方程式１５を使用して、現在の座標の訂正ｄＸおよびｄＹが算出される。次いで、これらの訂正は、工程３３５で、前の座標に適用される。次に、工程３４０で、適用された訂正のうちのいずれかが大きすぎるかどうかが決定される。適用された訂正が大きすぎるとき、操作サイクルは、工程３２５に戻り、次の反復が行われる。訂正が十分小さくなると、工程は停止する。

本開示に示された方法は、誤差の２乗の和を最小にすること（最小２乗法）によって、移動体の座標を提供する。誤差の２乗の和を最小にする、または別の最適化基準（好感度関数など）を使用する他の任意の方法を使用して、同じ結果を導くことができる。さらに、一部の特定の用途では、加重最小化基準が適用され、この場合、個々の各誤差は、事前に定義された加重方法に従って加重される。

本明細書では、続いて、図３の工程についてさらに説明する。
アドホック・マルチホップ・ネットワークにおいて動作する２つの端末間の距離の推定が、米国特許第６，７６８，７３０号および米国特許第６，４５３，１６８号に記載されている。これらの方法は、飛行時間に、自由空間における電波の伝搬速度である０．２９９７９２４５８・１０^９を掛けることによって、端末間の範囲を算出する。

アドホック・マルチホップ・ネットワークにおいて動作する移動端末の位置を算出する方法が、米国特許第６，７２８，５４５号に示されている。
未知の座標（Ｘ，Ｙ）のモバイル機器と、既知の座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を有する固定基準装置との間の距離ｐ_ｉは、次の関係を満たす。

上記したように、移動体の場所は未知であるため、算出された距離ρ_ｉは、ＸおよびＹの未知の値に応じて決まる。

同じ２つの端末間の範囲ｒ_ｉは、測定された飛行時間τ_ｉから算出することができる。
ｒ_ｉ＝τ_ｉ＊ｃ （２）
上記の方程式中、ｃは、自由空間において０．２９９７９２４５８×１０^９である無線信号の伝搬速度、または他の状態における他の何らかの未知の値である。

測定値および伝搬速度が正しいと仮定すると、移動端末と基準との間の距離ρ_ｉは、測定された距離ｒ_ｉと同じである。
ｒ_ｉ＝ρ_ｉ （３）
これは、移動体と２つの固定基準ｉおよびｊとの間で測定された飛行時間τ_ｉおよびτ_ｊに関連する係数ｋ_ｉ，ｊを算出することができることを意味する。

この結果、ｋ_ｉ，ｊ係数の値は、測定された飛行時間値τ_ｉおよびτ_ｊから算出することができ、信号の伝搬速度に依存しない。算出された距離を数式に置き換えると、以下が得られる。

方程式中、唯一の未知の変数は、移動端末の座標であるＸおよびＹである。

方程式は平面上の幾何学的軌跡のすべての点であり、２つの固定基準への距離ρ_ｉおよびρ_ｊが、方程式で示された固定的比率であるという性質を示している。
２２００年以上前から、この軌跡はアポロニウスの円として知られている。この幾何学的軌跡の解析式は、以下の通りである。

アポロニウスの円は、

に中心があり、半径

を有する。

移動体と両方の基準点との間の２つの距離がほぼ同じである場合、ｋ_ｉ，ｊの値は、ほぼ１である。この場合、アポロニウスの円の半径は、非常に大きくなり、円の中心の中心は、無限大に近づく。点Ｍ’が線分の中央に近づき、点Ｍ”が無限大に近づく。極限において、ｋ＝１であるとき、円が２つの基準点を結ぶ線分の垂直二等分線に縮退する。

次に、ある例で使用可能なすべての基準に、ｉ＝０，１，２，・・・ｎと番号を付けるとする。この組には、ｎ個のアポロニウスの円を構築することができるｎ＋１個の基準がある。算出を単純にするために、第１の範囲（ｉ＝０）を基準として選択し（上記の「ｊ」と同じ）、指数ゼロを無視する。これは、ｋ_ｉ，０を使用する代わりに、前と同じ意味で、ｋ_ｉと書くことを意味する。移動体の座標は、未知であるため、測定値は、以下の方程式（から算出された誤差によって影響を受ける。

方程式中、ｉ＝１，２，３，・・・ｎに対する誤差ε_ｉ（Ｘ，Ｙ）が、座標ＸおよびＹおよび測定誤差に依存する値を有する。移動端末の最も確度の高い場所（Ｘ，Ｙ）は、数式（ＬＳＭ）を最小にすることによって求めることができる。

また、関数Ｅ（Ｘ，Ｙ）が最小値を有するＸおよびＹの値は、以下を式変形する。

誤差ε_ｉ（Ｘ，Ｙ）の導関数は、以下のように算出される。

定数倍を無視した後、連立方程式は、以下のように書くことができる。

連立方程式は、ＸおよびＹについて線形ではない。

非線形連立方程式を解く標準的な方法は、問題の線形近似化を行い、近似解（Ｘ_０，Ｙ_０）を選択することである。反復工程は、近似の精度を向上させる訂正（ｄＸ，ｄＹ）を繰り返し算出するのに線形近似を使用する。

問題の線形近似を構築する１つの方法は、連立方程式をテイラー級数展開して１次の項のみを考えることである。

ＦｘおよびＦｙを方程式からの数式と置き換え、微分を実行することは、以下の通りである。

右辺に既知の要素を移項した後、連立方程式は、以下のようになる。

値

は、Ｘ＝Ｘ_０およびＹ＝Ｙ_０であるとき、方程式で算出された誤差である。

範囲の１つが基準範囲に等しい場合、対応するアポロニウスの円は、２つの基準点を結ぶ線の垂直二等分線に縮退する。算出中のオーバーフローを防ぐために、方程式を、以下に変形すべきである。

３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出するように、この方法は容易に拡張される。

図４から図９までは、建物内での本発明の方法の動作例を示す。図４から図８までは、シミュレーション・データを使用して処理されている。図９は、測定データを使用した結果を示す。

図４は、オフィス・ビル４００の例の図を示す。モバイル機器４０５は、オフィス・ビル４００内にある。さらに、５つの基準（４１０、４１５、４２０、４２５、および４３０）がオフィス・ビル４００内にある。５つの基準のそれぞれは、好ましくは、モバイル機器４０５の位置を算出する目的で、固定位置基準である。モバイル機器４０５および５つの基準（４１０、４１５、４２０、４２５、および４３０）のそれぞれは、無線通信ネットワーク内で通信する。例えば、無線通信ネットワークは、アドホック・マルチホップ無線ネットワークである。本発明の一実施形態によれば、５つの基準（４１０、４１５、４２０、４２５、および４３０）のそれぞれは、さらに、それに関連付けられているモバイル機器４０５までの飛行時間（ＴＯＦ）を有する。例えば、第１の基準４１０は、モバイル機器４０５と第１の基準４１０との間の第１の飛行時間を有する。第２の基準４１５は、モバイル機器４０５と第２の基準４１５との間の第２の飛行時間を有する。第３の基準４２０は、モバイル機器４０５と第３の基準４２０との間の第３の飛行時間を有する。第４の基準４２５は、モバイル機器４０５と第４の基準４２５との間の第４の飛行時間を有する。第５の基準４３０は、モバイル機器４０５と第５の基準４３０との間の第５の飛行時間を有する。各基準とモバイル機器４０５との間の飛行時間は、当分野で知られているように測定することができる。

図４から図９までの例では、オフィス・ビルのものを示しているが、本発明の方法およびシステムは、屋内環境、屋外環境、地下環境、空中環境、および水中環境など、任意の環境で使用できることを、当業者なら理解できるであろう。

図５は、本発明の方法の一実施形態の第１の工程を示す。具体的には、図５は、モバイル機器４０５の考え得る位置の円を表す第１のアポロニウスの円５００を示している。例えば、第１のアポロニウスの円５００は、第１の基準４００の場所、および第２の基準４１５の場所を使用して算出される。例えば、本発明による第１のアポロニウスの円５００は、モバイル機器４０５と第１の基準４１０との間の第１の飛行時間を測定し、モバイル機器４０５と第２の基準４１５との間の第２の飛行時間を測定し、第１の飛行時間、第２の飛行時間、第１の基準４１０の第１の場所、および第２の基準４１５の第２の場所を使用して第１のアポロニウスの円５００を算出することによって算出することができる。第１のアポロニウスの円５００の中心５０５は、空の小さい円として示されている。第１の基準４１０および第２の基準４１５が第１のアポロニウスの円５００の中心５０５と同一線上にあることを、当業者なら理解できるであろう。

図６は、本発明の方法の一実施形態の第２の工程を示す。具体的には、図６は、モバイル機器４０５の考え得る位置の円を表す、中心６０５を有する第２のアポロニウスの円６００を示している。例えば、第２のアポロニウスの円６００は、モバイル機器４０５と第３の基準４２０との間の第３の飛行時間を測定し、第３の飛行時間と、第１の基準４１０の第１の飛行時間および第２の基準４１５の第２の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して第２のアポロニウスの円６００を算出することによって算出される。例えば、示されている第２のアポロニウスの円６００は、第１の基準４１０の第１の飛行時間、および第３の基準４２０の第３の飛行時間を使用して算出される。一実施形態では、第１の最大飛行時間基準は、第１の飛行時間を有する第１の基準４１０、および第２の飛行時間を有する第２の基準４１５のために計算された最大飛行時間として選択され、次いで、第２のアポロニウスの円６００の算出に使用される。図６に示されているように、第１のアポロニウスの円５００および第２のアポロニウスの円６００の２つの交点（６１０、６１５）がある。これら２つの交点（６１０、６１５）のうちの一方が、モバイル機器４０５の位置である。

図７は、本発明の方法の一実施形態のその後の工程を示す。具体的には、図７は、モバイル機器４０５の考え得る位置の円を表す、中心７０５を有する第３のアポロニウスの円７００を示している。例えば、第３のアポロニウスの円７００は、モバイル機器４０５と第４の基準４２５との間の第４の飛行時間を測定し、第４の基準４２５の第４の飛行時間と、第１の基準４１０の第１の飛行時間、第２の基準４１５の第２の飛行時間、および第３の基準４２０の第３の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して第３のアポロニウスの円７００を算出することによって算出される。例えば、図７に示されているように、第３のアポロニウスの円７００は、第１の基準４１０の第１の飛行時間、および第４の基準４２５の第４の飛行時間を使用して算出される。一実施形態では、第２の最大飛行時間基準は、第１の飛行時間を有する第１の基準４１０、第２の飛行時間を有する第２の基準４１５、および第３の飛行時間を有する第３の基準４２０のために計算された最大飛行時間として選択され、次いで、第３のアポロニウスの円７００の算出に使用される。図７に示されているように、第１のアポロニウスの円５００、第２のアポロニウスの円６００、および第３のアポロニウスの円７００の１つの交点７１０がある。交点７１０は、モバイル機器４０５の位置である。

本発明に従ってモバイル機器の位置を計算するには、少なくとも４つの基準が必要であることを、当業者なら理解できるであろう。しかし、計算の精度のために、追加の基準を使用することができることがさらに理解できるであろう。図８は、モバイル機器４０５の考え得る位置の円を表す、中心８０５を有する第４のアポロニウスの円８００を示している。例えば、第４のアポロニウスの円８００は、モバイル機器４０５と第５の基準４３０との間の第５の飛行時間を測定し、第５の基準４３０の第５の飛行時間と、第１の基準４１０の第１の飛行時間、第２の基準４１５の第２の飛行時間、および第３の基準４２０の第３の飛行時間、および第４の基準４２５の第４の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して第４のアポロニウスの円８００を算出することによって算出される。例えば、図８に示されているように、第４のアポロニウスの円８００は、第１の基準４１０の第１の飛行時間、および第５の基準４３０の第５の飛行時間を使用して算出される。一実施形態では、第３の最大飛行時間基準は、第１の飛行時間を有する第１の基準４１０、第２の飛行時間を有する第２の基準４１５、第３の飛行時間を有する第３の基準４２０、および第４の飛行時間を有する第４の基準４２５のために計算された最大飛行時間として選択され、次いで、第４のアポロニウスの円８００の算出に使用される。図８に示されているように、第１のアポロニウスの円５００、第２のアポロニウスの円６００、第３のアポロニウスの円７００、および第４のアポロニウスの円８００の１つの交点８１０がある。交点８１０は、モバイル機器４０５の位置である。

図９は、本発明の測定例を示す。図９に示されているように、４つのアポロニウスの円（９０５、９１０、９１５、および９２０）を使用したモバイル機器の算出場所９００は、モバイル機器４０５の実際の場所とは若干異なる。個々のＴＯＦ測定値は、図９の例に示されるように、誤差によって影響を受ける可能性があるため、４つの円（９０５、９１０、９１５、および９２０）は、正確には交差しない。アルゴリズムは、誤差の２乗の和を最小にすることによって、モバイル機器４０５の最も確度の高い場所を算出する。図９に示されているケースでは、アポロニウスの円により算出されたモバイル機器の場所は、その内容を本願明細書に組み込まれる、「Ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒｓ ｉｎ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｄ−ｈｏｃ ｎｅｔｗｏｒｋ ｕｓｉｎｇ ａ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ」という名称の米国特許第２００５／０１８６９６６号明細書に示されている方法を使用して調整されている。

本明細書では、上記で、本発明を２次元位置の例に関して説明しているが、３次元の適用も本発明の範囲内であることを、当業者なら理解できるであろう。例えば、無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の３次元位置を決定するために、一実施形態における操作は、無線通信ネットワーク内の少なくとも５つの固定基準装置を提供し、モバイル機器と各対の関連の固定基準装置のそれぞれとの間の距離を示す、モバイル機器と固定基準装置の少なくとも４つの異なる対のそれぞれとの間の少なくとも４つのアポロニウスの球を算出し、モバイル機器の３次元位置を、算出されたアポロニウスの球の交点として計算することを含み得る。

上記の明細書では、本発明の特定の実施形態が記載されている。しかし、以下の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形および変更を行うことができることを当業者なら理解することができる。したがって、明細書および図面を、限定的な意味ではなく、例示的な意味で捉えるものとし、こうしたすべての変形は、本発明の範囲内に含まれるものとする。利益、利点、問題の解決策、および任意の利益、利点、または解決策をもたらす、またはより顕著にし得る任意の要素を、任意のまたはすべての特許請求の範囲の重大な、必須の、または本質的な特徴または要素と解釈しないものとする。本発明は、本出願の係属中に加えられる任意の修正、および発行された特許請求の範囲のすべての等価物を含む添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本発明の一実施形態によるシステムおよび方法を使用す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１例を示すブロック図。 本発明の一実施形態による図１に示されているネットワークで使用されるノードの１例を示すブロック図。 本発明の一実施形態による移動体の位置を算出する方法を示すフローチャート。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。 建物内での本発明の方法の動作例を示す図。

Claims (18)

1. 無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法であって、
   無線通信ネットワーク内の少なくとも４つの固定基準装置を提供する工程と、
   該モバイル機器と、該固定基準装置の少なくとも３つの異なる対のそれぞれとにより決定される少なくとも３つのアポロニウスの円であって、該モバイル機器と、該固定基準装置の各対に関連する位置との間の距離を示す該少なくとも３つのアポロニウスの円を算出する工程と、
   モバイル機器の位置を、該算出されたアポロニウスの円の交点として計算する工程と
   を備える方法。
2. 各アポロニウスの円が前記モバイル機器の存在可能な位置の円を表す、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定する方法。
3. 前記算出する工程の前に、前記提供された基準のそれぞれについて、
   前記算出する工程で使用するために、前記モバイル機器と前記基準との間の飛行時間を測定する工程
   をさらに備える、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定する方法。
4. 前記算出する工程が、
   前記モバイル機器と第１の基準との間の第１の飛行時間を測定する工程と、
   前記モバイル機器と第２の基準との間の第２の飛行時間を測定する工程と、
   該第１の飛行時間、該第２の飛行時間、該第１の基準の第１の位置、および該第２の基準の第２の位置を使用して第１のアポロニウスの円を算出する工程と、
   前記モバイル機器と第３の基準との間の第３の飛行時間を測定する工程と、
   該第３の飛行時間と、該第１の飛行時間および該第２の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して、第２のアポロニウスの円を算出する工程と、
   前記モバイル機器と該第４の基準との間の第４の飛行時間を測定する工程と、
   該第４の飛行時間と、該第１の飛行時間、該第２の飛行時間、および該第３の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して、第３のアポロニウスの円を算出する工程と
   を含む、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
5. 前記計算する工程が、
   前記モバイル機器の位置を、前記第１、第２、および第３のアポロニウスの円の交点として計算する工程
   を含む、請求項４に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
6. 前記算出する工程が、
   前記モバイル機器と第１の基準との間の第１の飛行時間を測定する工程と、
   前記モバイル機器と第２の基準との間の第２の飛行時間を測定する工程と、
   該第１の飛行時間および該第２の飛行時間を使用して、第１のアポロニウスの円を算出する工程と、
   前記モバイル機器と第３の基準との間の第３の飛行時間を測定する工程と、
   該第１の飛行時間を有する該第１の基準、および該第２の飛行時間を有する該第２の基準からなる飛行時間基準群から第１の最大飛行時間基準を選択する工程と、
   該第３の飛行時間、および該第１の最大飛行時間基準の飛行時間を使用して、第２のアポロニウスの円を算出する工程と、
   前記モバイル機器と第４の基準との間の第４の飛行時間を測定する工程と、
   該第１の飛行時間を有する該第１の基準、該第２の飛行時間を有する該第２の基準、および該第３の飛行時間を有する該第３の基準からなる飛行時間群から第２の最大飛行時間基準を選択する工程と、
   該第４の飛行時間、および該第２の最大飛行時間基準の飛行時間を使用して、第３のアポロニウスの円を算出する工程と
   を含む、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
7. 前記無線通信ネットワークがアドホック・マルチホップ無線ネットワークである、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
8. 前記無線通信ネットワーク内の通信が、屋内環境、屋外環境、地下環境、空中環境、および水中環境からなる環境群のうちの１つまたは複数内での通信を含む、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
9. 前記推定する方法が、前記無線通信ネットワーク内の通信信号の伝搬の速度に依存しない、請求項１に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するための方法。
10. 無線通信ネットワークにおけるモバイル機器の位置を決定するためのシステムであって、
    モバイル機器において、少なくとも４つの基準装置のそれぞれから、該モバイル機器と発信元の固定基準装置との間の飛行時間を表す情報をそれぞれ含むそれぞれの信号を受信するように構成されている受信機と、
    プロセッサであって、
    該モバイル機器と、該固定基準装置の少なくとも３つの異なる対のそれぞれとにより決定される少なくとも３つのアポロニウスの円であって、該モバイル機器と、該固定基準装置の各対に関連する位置との間の距離を示す該少なくとも３つのアポロニウスの円を算出すること、
    該モバイル機器の位置を、該算出されたアポロニウスの円の交点として計算すること
    によって該モバイル機器の位置を推定するように構成されているプロセッサと
    を備える、システム。
11. 各アポロニウスの円が前記モバイル機器の存在可能な位置の円を表す、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
12. 前記プロセッサが、前記モバイル機器と、前記３つのアポロニウスの円の算出に使用するための前記基準のそれぞれとの間の前記飛行時間を決定するようにさらに構成されている、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
13. 前記プロセッサが、
    前記モバイル機器と第１の基準との間の第１の飛行時間を測定し、
    前記モバイル機器と第２の基準との間の第２の飛行時間を測定し、
    該第１のＴＯＦおよび該第２の飛行時間を使用して第１のアポロニウスの円を算出し、
    前記モバイル機器と第３の基準との間の第３の飛行時間を測定し、
    該第３の飛行時間と、該第１の飛行時間および該第２の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して、第２のアポロニウスの円を算出し、
    前記モバイル機器と第４の基準との間の第４の飛行時間を測定し、
    該第４の飛行時間と、該第１の飛行時間、該第２の飛行時間、および該第３の飛行時間からなる飛行時間群のうちの１つとを使用して、第３のアポロニウスの円を算出する
    ことによって、前記３つのアポロニウスの円を算出するように構成されている、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
14. 前記プロセッサが、前記モバイル機器の位置を、前記第１、第２、および第３のアポロニウスの円の交点として計算するようにさらに構成されている、請求項１３に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
15. 前記プロセッサが、
    前記モバイル機器と第１の基準との間の第１の飛行時間を測定し、
    前記モバイル機器と第２の基準との間の第２の飛行時間を測定し、
    該第１の飛行時間および該第２の飛行時間を使用して、第１のアポロニウスの円を算出し、
    前記モバイル機器と第３の基準との間の第３の飛行時間を測定し、
    該第１の飛行時間を有する該第１の基準、および該第２の飛行時間を有する該第２の基準からなる飛行時間基準群から第１の最大飛行時間基準を選択し、
    該第３の飛行時間、および該第１の最大飛行時間基準の飛行時間を使用して、第２のアポロニウスの円を算出し、
    前記モバイル機器と第４の基準との間の第４のＴＯＦを測定し、
    該第１のＴＯＦ、該第２のＴＯＦ、および該第３のＴＯＦからなるＴＯＦ群から第２の最大ＴＯＦ基準を選択し、
    該第４のＴＯＦおよび該第２の最大ＴＯＦ基準を使用して第３のアポロニウスの円を算出する
    ように構成されている、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
16. 前記無線通信ネットワークがアドホック・マルチホップ無線ネットワークである、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
17. 前記無線通信ネットワーク内の通信が、屋内環境、屋外環境、地下環境、空中環境、および水中環境からなる環境群のうちの１つまたは複数内での通信を含む、請求項１０に記載の無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の位置を決定するためのシステム。
18. 無線通信ネットワークにおいて動作するモバイル機器の３次元位置を決定するための方法であって、
    無線通信ネットワーク内の少なくとも５つの固定基準装置を提供する工程と、
    該モバイル機器と、該固定基準装置の少なくとも４つの異なる対のそれぞれとにより決定される少なくとも４つのアポロニウスの球であって、該モバイル機器と、該固定基準装置の各対に関連する位置との間の距離を示す該少なくとも４つのアポロニウスの球を算出する工程と、
    該モバイル機器の３次元位置を、該算出されたアポロニウスの球の交点として計算する工程と
    を備える、方法。

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