JP2012511149A - 照明システム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は照明システムにおける測位のためのシステム及び方法に関連する。到着時間差(TDOA)、到来角(AOA)、受信信号強度インデックス(RSSI)並びに統合されたTDOA及びRSSIによる位置推定アルゴリズムの内の少なくとも2つを利用して、測位情報を取得する。本方法は、少なくとも2つの基準ノードを用いて照明ユニット各々に対する偏微分マトリクスを導入した最尤推定法により、高精度化を達成する。

Description

本発明は照明システム及び方法に関連する。

業務用及び住居用の双方に関する照明システムにおいて、システム内の個々の照明ユニット(例えば、光量)を無線で制御する需要が増加しつつある。例えば、100×400メートルの寸法の通常の温室の場合、低コストの無線ノードとともに約10000ないし20000個の照明ユニットが配備されている。ノードは、対応する照明ユニットから離れた場所にあるが、それらは共に照明ユニット又は照明ユニットノードを形成する。無線ノードは全体でメッシュネットワークのようなネットワークを形成し、そのネットワークにより任意の無線制御部(又は制御ノード)からネットワーク内の如何なるノードに対してもコマンドが送信可能である。したがって、制御部は施設内の照明ユニット各々の正確な位置を知っている必要がある。システム内の照明ユニット各々の位置を判定するために現在使用されているいくつかのアルゴリズム/プロトコルがある。これらのアルゴリズム又はプロトコルは、受信信号強度(RSSI)方式、到来角(AOA)方式及び到着時間差(TDOA)方式等を含む。これらの方法はそれぞれ長所及び短所を有する。

照明システムを無線で制御することは、システム内の照明ユニットを遠隔的に切り替える及び調光できることに加えて、多くの利点をもたらす。例えばそのような制御により、照明システムの設定及び変更を簡易に行うことができ、しかもエネルギの利用効率を改善することができる。照明ユニットは、例えば、蛍光灯、高輝度放電ランプ(HID)、発光ダイオード(LED)、白熱灯等のような如何なるタイプのものでもよいし、何らかのタイプのものを組み合わせたものでもよい。様々な製品を幅広く利用できることは、緊急的な照明制御のような機能をシステムに提供でき、如何なる配線も変更せずにそのような機能を追加できる。システムのエネルギ利用効率も、変動する条件に合うように簡易に修正可能なプログラムにより制御できる。

RSSIを用いる測位又は位置決めプロトコルは、無線ノードに追加的なハードウェアを必要とせずに簡易に実現できる点で有利であり、システムコスト、電力消費及び物理的サイズ等を大幅に削減できる。しかしながら、RSSIを用いる測位プロトコルは、通常の無線環境においてシャドーイングやマルチパスフェージング等の影響を受け、測定精度を制限するだけでなく、測定範囲も制限してしまう。従来のRSSIを用いる測位プロトコルは、温室や商用建造物等のような照明ユニットシステムにおいて、大きな測定範囲及び高い精度という条件を満たしていない。

AOAを用いるシステムの場合、測位プロトコルは指向性アンテナ又はアンテナアレイを用いて、図1に示すような既知の位置に対する角度又は向きを測定する。測定されたいくつかの方向における交点が、位置の値をもたらす。AOA方式における精度は、測定する口径の達成可能な精度により、シャドーイングにより、及び異なる方向から到来するマルチパスの影響等により制限される。さらに、位置推定誤差は測位の範囲とともに線形に増加してしまう。

伝搬時間(time-of-flight:TOF)システムのような無線周波数伝搬遅延を用いるシステムは、信号の送信機及び受信機の間のタイミングの精度を当てにしている。したがって、このようなシステムの場合、高精度な同期が非常に重要である。少なくとも3つの基準ノードからの3つの距離を組み合わせる三角法を用いて、移動可能な通信局の位置を推定することができる。一方、到着時間差(TDOA)方式のシステムは、図2に示されているように、基準ノード各々に対する信号の到着時間差を用いて、照明ユニットノードから基準ノード各々に至る距離の差分を計算する。TOFシステムと同様に、照明ユニットノードの位置を推定するために、1つの照明ユニットから少なくとも2つの基準ノードに至る距離の差分が必要である。TDOA方式は、基準ノード同士の間でのみ高度に同期している必要がある。基準ノードにおいて、アーリーレート受信機(early-late receiver)、ハードウェアカウンタ、高精度クロック等が必要になる。照明ユニットノードは、追加的なハードウェアも高価なクロックも必要としない。このことは、TDOA方式に実現可能性をもたせ、特にネットワークにおいて安価な無線機が使用される場合に有望である。TDOAシステムは照明ユニット及び基準ノード間で同期を必要としないが、安価なノードにおける無線機の帯域幅が狭いことに起因して依然として特性が制約を受けてしまう。

国際公開第2006/095315号パンフレット 米国特許第6047192号明細書

従来の測位システムにおける多くの問題点のいくつかに対処する際、少なくとも3つの問題がある:(1) 特に屋内環境において、深刻なマルチパスフェージングが存在する。これは測位精度を劣化させてしまう。(2)基準ノードの数を減らそうとすると、測定範囲が広がり、測位精度の改善を図ることが困難になってしまう。(3)システムコストを低減するために単に安価な商用無線機を採用すると、不正確なクロックや狭い帯域幅を使用することになってしまう。さらに、照明ユニットノード各々に通常使用される低コストの無線機の場合、ハードウェアの変更は一切許容されていない。これらの問題点の各々に対処するため、精度を改善しかつオーバーヘッドを削減した測位システム及び方法が望まれている。

一実施例による方法は、
照明システムにおける少なくとも1つの照明ユニットの位置を特定する方法であって、
前記少なくとも1つの照明ユニットから信号を送信し、
少なくとも2つの測位プロトコル及び位置推定法を用いて前記少なくとも1つの照明ユニットの位置を推定するステップ
を有する方法である。

従来技術において到来角による位置推定方法を説明するための図。 従来技術において到着時間の差分による位置推定方法を説明するための図。 4つのノードを利用する場合において統合された到着時間差及び到来角に基づく本発明の一実施例によるプロトコルの第1段階を示す図。 統合された到着時間差及び到来角に基づく本発明の一実施例によるプロトコルの第2段階を示す図。 4つのノードを利用するが周波数ダイバーシチは利用しない場合において統合された到着時間差及び到来角によるシミュレーション結果を示す図。 4つのノード及び2つの周波数ダイバーシチを利用する場合において統合された到着時間差及び到来角によるシミュレーション結果を示す図。 統合された到着時間差及び到来角のプロトコルを上位ノードと共に使用する様子を3次元的に示す図。 4つのノードを使用する場合における統合された到着時間差及び到来角に基づく本発明の一実施例によるプロトコルの基本原理図。 照明ユニットがプロトコルに従って送信した場合に、本発明の一実施例により統合された到着時間差及び到来角に基づいて4つの基準ノード各々に到着時間を記録する様子を示す図。 1つの照明ユニットがプロトコルに従って送信した場合に、統合された到着時間差及び隣接受信信号強度に基づいて隣接ノードが受信信号強度インデックスを推定する様子を示す図。 本発明の一実施例を示す図(本発明により統合された到着時間差及び隣接受信信号強度インデックスに基づいて、照明ユニットの各々が、隣接ノードの受信信号強度インデックス情報をプロトコルに従って送信パケットに含める)。 本発明の一実施例により統合された到着時間差及び隣接受信信号強度インデックスに基づいて、基準ノードが、プロトコルに従って到着時間差及び隣接受信信号強度インデックス情報を収集する様子を示す図。 4つの基準ノード及び各ノードに2つのアンテナがある場合において統合された到着時間差及び受信信号強度インデックスプロトコルを使用した場合のシミュレーション結果を示す図。 4つの基準ノード及び各ノードに2つのアンテナがある場合において統合された到着時間差及び受信信号強度インデックスプロトコルを使用した場合のシミュレーション結果を示す図。 本発明の一実施例におけるトポロジグラフを示す図。 本発明の一実施例におけるタナーグラフを示す図。

本発明は、一般に照明システムにおける測位のためのシステム及び方法に関連し、大規模な設備（例えば、商用ビル）において特に有利である。到着時間差(TDOA)、到来角(AOA)及び受信信号強度インデックス(RSSI)の内の少なくとも2つを位置推定アルゴリズムとともに利用して、測位情報を判定する。

本発明の一形態による照明ユニットの位置を判定する方法は、複数の基準ノードが、照明ユニットから送信された信号の到着時間を記録するステップを含み、基準ノードの各々において距離の差分が計算される。少なくとも2つの測位プロトコルが少なくとも2つのサブマトリクスを含む偏微分マトリクスに使用され、第1のサブマトリクスは、照明ユニット各々に対して基準ノードにおいて測定された到来角を、x及びy座標に関して偏微分したものを含み、第2のサブマトリクスは、基準ノードの何れかと照明ユニットの内の対応するものとの間で測定された距離の差分を、x及びy座標に関して偏微分したものを含む。

本発明の他の形態による照明ユニットの位置を判定する方法は、照明ユニットからデータパケットを送信し、複数の基準ノードにおけるその送信されたデータパケットの信号強度を推定するステップを有する。推定された信号強度は、送信する照明ユニットに近接する照明ユニットが保存するデータパケットに組み込まれ、基準ノードにおいて到着時間が推定される。データパケットは、照明ユニット各々に関する情報を取得するためにデコードされ、近接する照明ユニットの信号強度及び到着時間が基準ノードに送信される。そして、照明ユニット各々における位置の推定値が計算される。

実施例の一形態における方法は、基準ノード各々が、照明ユニット各々からの到着時間信号を記録し、基準ノードの何れかが、その記録を他の基準ノードの各々に通知する。そして、基準ノードの各々において距離の差分が計算される。少なくとも2つの測位プロトコルが少なくとも3つのサブマトリクスを含む偏微分マトリクスに使用され、第1のサブマトリクスは、照明ユニット各々に保存されている測定された距離の差分を、対応する照明ユニットのx及びy座標に関して偏微分したものを含み、第2のサブマトリクスは、2つの照明ユニットの間で測定された信号強度、x及びy座標に関して偏微分したものを含み、第3のサブマトリクスは、基準ノード各々と照明ユニット各々との間における信号強度を含む。

本発明のさらに別の形態における照明ユニットの位置を判定する方法は、TDOA情報を利用して、照明ユニット各々の位置を推定するステップを含み、その位置は、近接する他の照明ユニットからのRSSI情報を用いて、照明ユニット各々において微調整される。位置の推定値は、照明ユニット各々からの信号強度を含み、かつ測定されたRSSIを含み信号を送信することで判定され、照明ユニット各々から送信された到着時間信号は、基準ノード各々において記録される。送信され記録された到着時間信号は、他の基準ノード各々に与えられ、到着時間の差分を利用して照明ユニット各々の位置が推定される。推定の一部分として、代表(representative)トポロジグラフ及びタナー(Tanner)グラフが生成され、メッセージパッシング(message-passing)が生じ、タナーグラフを通るメッセージである情報は、様々な変化に関する位置情報を含む。そして、基準ノードに接続された照明ユニット各々の位置が計算される。

本発明は、本発明による方法を実行するシステムにも関連する。更なる特徴及び利点が本願において説明され、以下の説明及び図面により明らかになるであろう。

図面は図示のためのものであり、寸法を描いているとは限らない。異なる図面における同一の参照番号は同様な要素を表す。

照明システムにおいて、特に温室や商用ビルのような大規模な照明システムにおいて、無線ノードはメッシュネットワークのような無線ネットワークを形成する。例えばコンピュータ、PDA、遠隔制御部又は光スイッチ等のような制御部から、ネットワーク内の如何なる照明ユニットに対してでも、コマンドを送信することができる。照明ユニットにコマンドを送信するために、制御部は、照明ユニットの位置を知っている必要がある。照明ユニットの位置は、高精度な測位を行う測位システム及び方法を用いてそれらのシステム内で判定される。そのような高精度な測位は最尤（ML）位置推定法等のような位置推定法を用いることで決定され、少なくとも2つの基準ノードを利用して、照明ユニット各々に対して少なくとも2つの測位プロトコルを組み込む。しかしながら、同様な結果に至るために2つ以上の基準ノードがシステム内で使用されてもよいことが、理解されるであろう。測位システム及び方法は、統合されたプロトコル方式を利用することで、高精度化、カバレッジ範囲の増大及びコスト効率の改善を図る。

＜到着時間差(TDOA)及び到来角(AOA)の統合＞
本発明の一実施例において、TDOA及びAOAを算出及び使用する処理（TDOA及びAOAプロトコル）が組み合わせて使用され、従来の方法と比較して、高精度でありかつカバレッジが広範囲である測位推定値が得られる。一実施例において、照明ユニット又は照明ユニットノードの各々は、無線通信を行うことができる。例えば照明ユニットの各々には、単一のオムニ指向性アンテナのようなアンテナと、ZigBee(登録商標)無線機のような低電力無線機とが備わっている。照明ユニットの各々は、照明制御以外の様々な機能を照明ユニットが実行できるようにする追加的なハードウェア及びソフトウェアを含んでいてもよいことが、理解されるべきである。例えば、照明ユニット又は照明ユニットノードは、プロセッサ、モニタ検出器、アラーム又はその他の従来の装置若しくはソフトウェアを含んでいてもよい。基準ノードも同様にハードウェア及びソフトウェアの如何なる組み合わせにより形成されていてもよく、照明ユニット又は照明ユニットノードと同様な又はそれらに対応する機能を提供する。照明ユニットは、それ自体、上記の任意の装置及び/又はソフトウェアと置換されてもよいことが、理解されるであろう。

図3には、例示的な統合型TDOA及びAOA測位システム(unified TDOA and AOA based localization system)が示されている。この例示的なシステムにおいて、照明ユニットの各々は、時間領域において連続的に又は順番にデータを送信する。基準ノードは(0,0)、(0,L)、(L,L)及び(L,0)に位置し、基準ノードの各々は、照明ユニットの各々から送信された信号の到来角θ_i(∀i=1,2,3,4)を推定するためのアンテナを有する。そのような照明ユニットは座標(x*,y*)に示されている。基準ノード各々は、照明ユニットが送信した信号の到着時間(TOA)を記録し、そのTOAは他の基準ノード各々に送信される。そして、基準ノードの各々は、TOAの差分(TDOA)に光の速度を乗算することで、照明ユニットから各基準ノードまでの距離の差分を算出する。TDOA及びAOAの情報が基準ノードに通知され、図4に示されるように、ML位置推定アルゴリズムのような位置推定法により、TDOA及びAOA双方を利用して位置が計算される。1つの基準ノードを用いて手順を簡略化しているが、複数の基準ノードが計算を実行できることが理解されるべきである。

ML位置推定アルゴリズムを利用する場合において、統合型TDOA及びAOA測位プロトコル(unified TDOA and AOA based localization protocol)により偏微分マトリクスGが見出される。偏微分マトリクスGは、サブマトリクスA及びサブマトリクスBである2つのサブマトリクスを有し、それぞれAOA及びTDOAの偏微分マトリクスである。

マトリクスGは次のような形式をとる：

サブマトリクスAに関し、i番目の行における要素は、θ_iをx及びyに関して偏微分した偏導関数に初期座標(x*,y*)を代入したものである。これは、数学的には次のように表現される：

サブマトリクスBに関し、i番目の行における要素は、照明ユニットから各基準ノードまでの距離同士のペアのi番目の差分g_iを、x及びyに関して偏微分した偏導関数に、初期座標(x*,y*)を代入したものである。これは、数学的には次のように表現される：

照明ユニット各々の最尤推定位置は、次のように書ける。

(x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
ここで、Nは全エラーベクトルの共分散行列(covariance matrix)であり、r(・)は8次元列ベクトルであり、次のように表現可能である：

実際の測位は反復的な処理により行われる：

サブマトリクスAの行の各々は、基準ノードから特定の照明ユニットを見た場合に測定された到来角度を、その特定の照明ユニットのx及びy座標に関して偏微分したものを含む。目下の例の場合、4つの基準ノードが使用され、Lメートル×Lメートル（例えば、100×400）の四角形の格子の隅各々に1つの基準ノードがある。したがって、各照明ユニットは4×2の次元のサブマトリクスAをもたらす。

基準ノードの各々は、照明ユニット各々からの信号TOAを記録し、記録した情報を他の基準ノードに通知する。そして基準ノードは、2つの基準ノード間のTDOAに光の速度を乗算することで「距離の差分(g)」を算出する。サブマトリクスBは、各基準ノードで測定された距離の差分を、特定の照明ユニとのx及びy座標に関して偏微分したものを含む。したがって、各照明ユニットは4×2の次元のサブマトリクスBをもたらす。

図5は、周波数ダイバーシチを行わない状態で、統合型TDOA及びAOAプロトコルを利用した結果を示す。一実施例において、100×100メートルの四角形格子の4隅に4つの基準ノードを設けた場合の測位パフォーマンスが示されている。この例の場合、アンテナアレイは、3度の標準偏差の精度で到来角を推定できる。この結果は、従来のTDOA及びAOAの方法と個々に比較して、測位誤差を大幅に低減できることを示す。グラフの中央を参照すると、0．65メートルの精度が達成されており、4隅における精度は0．5メートルに達している。更に精度を向上させるため、無線機において異なる周波数サブチャネルを使用して位置を推定し、平均的な位置を計算することで、追加的な周波数ダイバーシチを行うことができる。図6は2つの周波数ダイバーシチを行って統合されたTDOA及びAOAを利用した場合の様子を示す。誤差の標準偏差は、中央、4辺又は4隅において0．5メートルを下回っている。

別の例として、図7に示すように、天井に通常的に設けられるのとは異なり、基準ノードはグランドから離れた位置(又は地面の水準から上昇した位置)に設けられてもよい。ノードをこの位置に設けることで、照明ユニットと基準ノードとの間の見通し線を改善できる。これは、システムを追加的に複雑化することなしに、TDOA及びAOAの測定精度を改善する効果をもたらす。

＜到着時間差(TDOA)及び受信信号強度インデックス(RSSI)の統合＞
本発明の別の実施例において、統合されたTDOA及びRSSIを組み合わせて使用することで、従来の方法と比較して、精度が改善されカバレッジ範囲が拡張された位置推定法をもたらす。一実施例において、照明ユニットの各々は、無線通信を行うことができる。例えば照明ユニットの各々には、単一のオムニ指向性アンテナのようなアンテナと、ZigBee(登録商標)無線機のような低電力無線機とが備わっている。照明ユニットの各々は、照明制御以外の様々な機能を照明ユニットが実行できるようにする追加的なハードウェア及びソフトウェアを含んでいてもよいことが、理解されるべきである。例えば、照明ユニット又は照明ユニットノードは、プロセッサ、モニタ検出器、アラーム又はその他の従来の装置若しくはソフトウェアを含んでいてもよい。基準ノードも同様にハードウェア及びソフトウェアの如何なる組み合わせにより形成されていてもよく、照明ユニット又は照明ユニットノードと同様な又はそれらに対応する機能を提供する。照明ユニットは、それ自体、上記の任意の装置及び/又はソフトウェアと置換されてもよいことが、理解されるであろう。

図8には例示的な統合型TDOA及びRSSI測位システムが示されている。この例示的システムにおいて、照明ユニットの各々は、図9に示すようにデータパケットを連続的に（順番に）送信する。図10に示されるように、送信を行っていない他の照明ユニットは、送信されたパケットを監視し、信号強度RSSIを推定し、RSSIを記録又は記憶する。そして、RSSIは、送信を行っていた照明ユニット近辺の照明ユニットに保存されるデータパケットに組み込まれる。したがって、図11に示されるように、各照明ユニットは、隣接する照明ユニットからのRSSIを送信し、その隣接する照明ユニットは以前に送信を行っていたものである。基準ノードは、各照明ユニットのTOAを推定し、各照明ユニットから送信されたデータパケットをデコードし、照明ユニットの各々と隣接する照明ユニットとの間に関して記録されたRSSIを取得する。全ての照明ユニットノードからのTOA及びRSSIデータに関し、基準ノードに蓄積された全ての情報は、図12に示されるように何れかの基準ノードに転送され、照明ユニット各々について、ML位置推定アルゴリズムのような位置推定方法が実行される。RSSIは、如何なる追加的なパケットも如何なる新たなハードウェアも必要とすることなく取得される。

ML位置推定アルゴリズムは、TDOA及び隣接ノード（すなわち、隣接している照明ユニット）のRSSI情報の双方を使用する。隣接する照明ユニット各々の厳密な位置は、(x,y)のように規定され、x及びyは、m個の隣接する照明ユニットが存在する場合はm次元列ベクトルである。ML位置推定値を求めるために、統合型TDOA及び隣接RSSI測位プロトコルに関する偏微分マトリクスGが使用される。偏微分マトリクスGは、サブマトリクスA、サブマトリクスB及びサブマトリクスCという3つのサブマトリクスを含む。

偏微分マトリクスGは次のような形式をとる：

サブマトリクスA、B、Cは、TDOA、各照明ユニット及び隣接する照明ユニット間のRSSI、並びに各照明ユニット及び基準ノード間のRSSIに関する微分マトリクスである。TDOAの微分マトリクスはm個のサブマトリクスにより表現され、そのサブマトリクスの各々は隣接する照明ユニット各々に関する微分マトリクスであり、次式のように表現される：

i番目の照明ユニットに関する微分マトリクスは、次のように書ける：

サブマトリクスBは、各照明ユニット及び隣接する照明ユニット間におけるRSSIの偏微分を表す。したがって、サブマトリクスBの各行は、2つの隣接する照明ユニット間で測定されたRSSIをユニットのx及びy座標で偏微分したものを含む。したがって、微分マトリクスBは、

という次元を有する。このマトリクスは次のように規定される：

マトリクスCは、各照明ユニット及び各基準ノード間におけるRSSIに関連し、m個のサブマトリクスにより表現でき、各サブマトリクスは隣接する照明ユニット各々に関する微分マトリクスであり、次のように表現される：

各々のサブマトリクスC_iに関し、マトリクスは次のように表現される：

照明ユニット各々のML推定位置は、次のように書ける。

(x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
ここで、Nは全エラーベクトルの共分散行列(covariance matrix)であり、r(・)は8次元列ベクトルであり、次のように表現可能である：

実際の測位は反復的な処理により行われる：

全ての基準ノードは、各照明ユニットからの信号TOAを記録、記憶又は保存し、保存した情報を他の基準ノードに通知する。そして、各基準ノードは、2つの基準ノードの「到着時間差に光の速度を乗算することで「距離の差分」f_i（∀i=1,2,3,4）を計算する。サブマトリクスAは、各基準ノードにおいて測定された距離の差分を、特定の照明ユニットのx及びy座標に関して偏微分したものを含む。したがって、各照明ユニットは4×2次元のサブマトリクスAをもたらす。

サブマトリクスCは、各照明ユニット及び各基準ノード間におけるRSSIに関連する。各基準ノードは各照明ユニットのRSSI(∀i=1,2,3,4)を記録する。目下の場合、図9に示されているように4つの基準ノードが使用されており、100メートル×400メートルの四角形格子の隅各々に1つ基準ノードがある。したがって、各照明ユニットは4×2の次元のサブマトリクスをもたらす。

4つの基準ノードが100メートル×100メートルの格子の4隅にあり、基準ノードの各々に2つの受信アンテナがある一実施例における測位パフォーマンスが、2×2の隣接ノード(図13)又は3×3の隣接ノード(図14)の各々について示されている。第1の例の場合、2×2の隣接ノードが互いに測位の高精度化を支援し、その結果のグラフの中央は0．7メートルの精度を達成している。第2の例の場合、3×3の隣接ノードが互いに測位の高精度化を支援し、その結果のグラフの中央は0．47メートルの精度を達成している。例えば、近接する測位ユニット数を増やすことで、測位精度をさらに改善することができる。

TDOA及びAOAプロトコルの場合と同様に、基準ノードは、天井の通常的な位置とは異なり、グランドから離れた位置(又は地面の水準から上昇した位置)に設けられてもよい。

＜精度が改善され複雑さが緩和された測位方法に基づくTDOA及びRSSIの統合＞
上述した統合型TDOA及び隣接RSSIプロトコル(unified TDOA and neighboring RSSI protocol)において、最尤(Maximum−Likelihood:ML)位置推定アルゴリズムが使用される。ML位置推定アルゴリズムは、「3m乗の (m-cubed)」の演算負担を必要とし、ここで「m」は隣接するノードの数である。「m」に関する複雑さの次数が高くなると、照明ユニットの位置を正確に検出するのに使用可能な隣接ノード数を制限する。しかしながら、この種のシステムは高密度の領域に多数のノードを含んでいるのが通常的であるので、隣接ノード数に関する制約は高精度に測位する可能性を潰してしまう。

本実施例では、統合型TDOA及び隣接RSSIプロトコルについて別の位置推定アルゴリズムが使用される。この位置推定アルゴリズム(以下、「位置推定アルゴリズム」又は「アルゴリズム」という)は、隣接するノード間のRSSI情報の全てを利用することができ、演算負担は隣接ノード数に比例して増加するにすぎない。このアルゴリズム(又は方法)は簡易であり、ほぼ最適なパフォーマンスを示す。

さらに、このアルゴリズムは分散された及びセントラル化されていない方法に適用されてもよい。

一実施例による位置推定アルゴリズムは、低密度パリティチェック(LDPC)チャネルコードのメッセージパッシングデコードアルゴリズム(message passing decoding algorithm)から導出される。図15a及び15bを参照すると、ネットワーク接続グラフが、LDPCデコードに使用するのに便利なタナー(Tanner)グラフに変換されている。図15aに示すネットワーク接続グラフの場合、ネットワーク内の無線ノード1−5の各々は、(位置情報が算出される)チェックノード(check node)及び(様々なパスからの情報が合成される)バリアブルノード(variable node)にそれぞれ対応している。各自対応するチェック及びバリアブルノードの間に1つのエッジ又は線分が接続されている。2つのノード間のRSSIが所定の閾値より強かった場合、その2つが対応するバリアブル及びチェックノードの間にエッジが付加される。

図15bに例示するようにタナーグラフが形成されると、そのグラフを用いて以下の手順に従ってメッセージパッシング位置推定法が実行される。

ステップ1：各ノードについてML位置推定値が算出される。TDOAを用いて算出された位置が、LDPCデコードにおけるチャネル尤度比(likelihood ratio:LLR)として使用され、各エッジは初期出力としてTDOAによる位置を使用する。

ステップ2：チェックノードの各々が、接続されているエッジの出力と、そのエッジにより表現されている2つのノード間のRSSIとを入力として使用し、ML推定を実行する。各バリアブルノードの位置がそのエッジについて出力される。

ステップ3：TDOAから算出された初期位置及びエッジ出力位置を用いて、各バリアブルノードが最大比率合成を実行する。(例えば5回のような所定の回数である)最大反復回数を超えた場合、本プロセスは停止し、最終的な出力が得られる。最大反復回数を超えていなかった場合、各エッジの出力が最大比率合成による位置に設定される。

LDPC符号の設計によっては、タナーグラフのショートサイクル(short cycle)が問題となる。ガース(girth)4のショートサイクルはシステムパフォーマンスを著しく落としてしまう。従ってタナーグラフを構築する際にショートサイクルを招くエッジを削除すべきである。

図15a及び15bに関して具体例が示されている。この例の場合、チェックノード1はバリアブルノード2,4,5に接続されている。同じインデックスのチェックノード及びバリアブルノード(例えば、チェックノード1とバリアブルノード1)は同一の実体又はエンティティ(entity)であるので、それらは分散を伴う初期のTDOAの位置や反復後の分散を伴う最大比率合成された位置のような同じ情報にアクセスする。一方、バリアブルノード2,4,5の各々は、初期のTDOA推定位置を有しており、その情報を各自のチェックノード(すなわち、チェックノード2,4,5)に通知する。それに加えて、バリアブルノード2,4,5及びチェックノード1の間のRSSIもチェックノード2,4,5の各々に通知される。従ってチェックノード1は以下の情報の全てを取得する：ノード2,4,5の初期推定位置、及びノード1からの信号についてノード2,4,5において測定されたRSSI。チェックノード1はその情報を利用して偏微分マトリクス「G」を算出し、Gは統合型TDOA及びRSSI方式におけるサブマトリクスA_iと同じものであり、ノード1-2、1-4及び1-5の間におけるRSSIの偏導関数により形成される。チェックノード1における最尤推定位置は次のように書ける：
(x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
ここで、
・(x,y)は算出されたノード2,4,5の位置である。従ってこの例の場合偏微分マトリクスは3×2の行列である。

・(x^*,y^*)はノード2,4,5の初期TDOA推定位置であり、この例の場合3×2の行列である。

・「G」は3×6の次元の偏微分マトリクスである。ノード1は3つのノード(すなわち、ノード2,4,5)に接続され、RSSI測定値各々の偏微分に関して2つの次元(x及びy)を有するからである。

位置推定アルゴリズムに基づく計算結果として、チェックノード1はノード2,4,5の微調整された推定位置を提供し、その推定位置は初期のTDOAによる推定値よりも高精度なものである。チェックノード1はその情報をバリアブルノード1に与える。同様に、他のノードもそれぞれ初期TDOA及びRSSI偏微分マトリクスを用いて位置推定を行う。バリアブルノードの各々は、各ノードについて1つより多い数の位置推定値を受信してもよいことに留意を要する。すなわち、各バリアブルノードは、各自が接続しているチェックノード各々から位置推定値を受信してもよい。そして、バリアブルノードは、接続されている全てのチェックノードから渡された情報を合成し(例えば、最大比率合成法により合成し)、様々なノードについての正確な位置推定値を出力する。この例ではチェックノード及びバリアブルノードが使用されているが、基準ノードにおいて計算が実行されてもよいことが、理解される。

本実施例は従来の例とは顕著に異なり優れた恩恵をもたらすことに留意を要する。例えば、
・メッセージパッシングアルゴリズムは、最尤アルゴリズムではなく、TDOA情報を利用して各ノードの位置を推定するが、基準ノードは例えば簡易なMMSE推定法を利用できる。

・全ての隣接ノードからの追加的なRSSI情報を利用して、各ノードの位置の近似値がさらに微調整又は改善される。各照明ユニットは、その照明ユニットに先行する全ての照明ユニットからの信号のRSSIを測定し、測定したRSSIを含む信号を送信する。従って基準ノードは、任意の2つの照明ユニットの間の及び全てのRSSI測定値を有する。

・各基準ノードは、各証明ユニットからの信号(送信された信号)のTOAを記録し、他の基準ノードとの間でその情報を共有する。何れかの基準ノードが計算を実行するように指定され、各照明ユニットについてのTDOAを用いて各自の位置を推定する。

・(全ての処理を実行するように指定されている)基準ノードは、何れの2つのノード間におけるRSSI情報をも有する。従ってアルゴリズムの一部としてトポロジ(ネットワーク)及びタナーグラフ(図15a及び15b)を生成することができる。

・タナーグラフ(図15b)に表現されているように、照明ユニット間の接続により、各チェックノードは、各自に接続されている他のノードの位置を推定することができる。

本願において説明された上記の実施例に対する様々な変形例や修正例が当業者にとって明らかであることが、理解されるべきである。そのような変形例や修正例は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく及び期待される恩恵を減少させることなく適用することができる。従ってそのような変形例や修正例は添付の特許請求の範囲に包含されることが意図されている。

Claims (41)

1. 照明システムにおける少なくとも1つの照明ユニットの位置を特定する方法であって、
   前記少なくとも1つの照明ユニットから信号を送信し、
   少なくとも2つの測位プロトコル及び位置推定法を用いて前記少なくとも1つの照明ユニットの位置を推定するステップ
   を有する方法。
2. 複数の基準ノードの内の少なくとも1つが、前記少なくとも1つの照明ユニット各々からの信号の到着時間を記録し、
   該記録を複数の基準ノードの内の前記少なくとも1つから他の基準ノード各々へ通知し、
   前記基準ノード各々が距離の差分を計算するステップ
   をさらに有する請求項1記載の方法。
3. 前記少なくとも2つの測位プロトコルに偏微分マトリクスを使用するステップをさらに有する請求項2記載の方法。
4. 前記偏微分マトリクスが少なくとも2つのサブマトリクスを有し、
   第1のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニット各々に対して前記基準ノードで測定された到来角をx及びy座標に関して偏微分したものを含み、
   第2のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットと前記基準ノードとの間について測定された距離の差分を、x及びyに関して偏微分したものを含む、請求項3記載の方法。
5. 前記偏微分マトリクスが、
   

   

   として規定されている、請求項3記載の方法。
6. 前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置が、
   (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
   として規定されている、請求項5記載の方法。
7. 前記基準ノードが、改善された見通し線をもたらすように、グランド水準から離れた位置に設けられている、請求項2記載の方法。
8. 前記位置推定法が最尤位置推定アルゴリズムによるものである、請求項1記載の方法。
9. 前記少なくとも1つの照明ユニットからデータパケットを送信し、
   前記少なくとも1つの照明ユニット及び該少なくとも1つの照明ユニット以外の各々が送信した前記データパケットの信号強度を、複数の基準ノードが推定するステップ
   をさらに有する請求項1記載の方法。
10. 送信を行った照明ユニットに近接している他の照明ユニットが保存するデータパケットに、推定された信号強度を含め、
    前記基準ノードが、到着時間を推定し、前記データパケットをデコードし、前記少なくとも1つの照明ユニット各々の情報を取得し、
    前記照明ユニットに近接している少なくとも1つの照明ユニットから前記基準ノードへ到着時間及び信号強度を通知し、
    前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置を計算するステップ
    をさらに有する請求項9記載の方法。
11. 前記基準ノードの各々が、前記少なくとも1つの照明ユニット各々からの信号の到着時間を記録し、
    何れかの基準ノードにおいて記録されたものを他の基準ノードの各々に通知し、
    前記基準ノードの各々において距離の差分を計算するステップ
    をさらに有する請求項10記載の方法。
12. 前記少なくとも2つの測位プロトコルに偏微分マトリクスを使用するステップをさらに有する、請求項11記載の方法。
13. 前記偏微分マトリクスが少なくとも3つのサブマトリクスを有し、
    第1のサブマトリクスは、前記基準ノード各々において測定された距離の差分を、前記少なくとも1つの照明ユニットの内の対応するもののx及びy座標に関して偏微分したものを含み、
    第2のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットの内の2つの間において測定された信号強度を、x及びy座標で偏微分したものを含み、
    第3のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットと前記基準ノード各々との間における信号強度を含む、請求項12記載の方法。
14. 前記偏微分マトリクスが、
    

    

    として規定されている、請求項12記載の方法。
15. 前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置が、
    (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
    として規定されている、請求項14記載の方法。
16. 前記基準ノードが、改善された見通し線をもたらすように、グランド水準から離れた位置に設けられている、請求項11記載の方法。
17. TDOA情報を用いて前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を推定し、
    前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を、該少なくとも1つの照明ユニットに近接している他の少なくとも1つの照明ユニットからのRSSI情報を用いて修正するステップ
    をさらに有する請求項1記載の方法。
18. 信号強度及び前記RSSI情報を含む信号を、前記少なくとも1つの照明ユニット各々から送信し、
    前記少なくとも1つの照明ユニット各々から送信された信号到着時間を前記基準ノード各々が記録し、送信され記録された信号到着時間を他の基準ノード各々に提供し、
    信号到着時間の差分を用いて前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を推定するステップ
    をさらに有する請求項17記載の方法。
19. 前記位置を推定する前記ステップにおいて、
    代表的なネットワーク接続グラフ及びメッセージパッシング法におけるタナーグラフを生成し、該タナーグラフにおいて通知される情報は異なる差分を伴う位置情報を含み、
    前記基準ノードに接続された前記少なくとも1つの照明ユニット各々の前記位置を計算する、請求項18記載の方法。
20. 前記少なくとも2つの測位プロトコルに偏微分マトリクスを使用するステップをさらに有する請求項19記載の方法。
21. 修正された推定位置が、
    (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
    として規定されており、
    (x,y)は計算対象のノードの位置を示し、
    (x^*,y^*)はノードのTDOAによる初期推定位置を示し、
    Gは偏微分マトリクスを示す、請求項20記載の方法。
22. 前記位置推定法が最尤位置推定アルゴリズム又はMMSE推定アルゴリズムによるものである、請求項10記載の方法。
23. 少なくとも1つの照明ユニットの位置を特定する照明システムであって、
    少なくとも2つの測位プロトコル及び位置推定法を用いて前記少なくとも1つの照明ユニットの位置を推定する少なくとも1つの基準ノードを有し、前記少なくとも1つの基準ノードは、
    前記少なくとも1つの照明ユニット各々からの信号の到着時間を記録し、
    前記少なくとも1つの基準ノードの内の何れかにおいて記録されたものを、他の基準ノードの各々に通知し、
    距離の差分を計算する、照明システム。
24. 前記少なくとも2つの測位プロトコルにおいて少なくとも2つのサブマトリクスを有する偏微分マトリクスが使用され、
    第1のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニット各々に対して前記基準ノードで測定された到来角をx及びy座標に関して偏微分したものを含み、
    第2のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットと前記基準ノードとの間について測定された距離の差分を、x及びyに関して偏微分したものを含む、請求項23記載の照明システム。
25. 前記偏微分マトリクスが、
    

    

    として規定されている、請求項24記載の照明システム。
26. 前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置が、
    (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
    として規定されている、請求項25記載の照明システム。
27. 前記基準ノードが、改善された見通し線をもたらすように、グランド水準から離れた位置に設けられている、請求項23記載の照明システム。
28. 前記位置推定法が最尤位置推定アルゴリズムによるものである、請求項23記載の照明システム。
29. 前記少なくとも1つの照明ユニットがデータパケットを送信し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、前記少なくとも1つの照明ユニット及び該少なくとも1つの照明ユニット以外の各々により送信された前記データパケットの信号強度を推定する、請求項23記載の照明システム。
30. 送信を行う照明ユニットが、該聡明ユニットに近接している他の少なくとも1つの照明ユニットのデータパケットに、推定された信号強度を含め、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、到着時間を推定し、前記データパケットをデコードし、前記少なくとも1つの照明ユニット各々の情報を取得し、
    前記照明ユニットに近接している少なくとも1つの照明ユニットが、到着時間及び信号強度を前記少なくとも1つの基準ノードに通知し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置を計算する、請求項29記載の照明システム。
31. 前記少なくとも1つの基準ノードが、前記少なくとも1つの照明ユニット各々からの信号の到着時間を記録し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、記録したものを他の少なくとも1つの基準ノード各々に通知し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、距離の差分を計算する、請求項30記載の照明システム。
32. 前記少なくとも2つの測位プロトコルが少なくとも3つのサブマトリクスを有する偏微分マトリクスを使用し、
    第1のサブマトリクスは、前記基準ノード各々において測定された距離の差分を、前記少なくとも1つの照明ユニットの内の対応するもののx及びy座標に関して偏微分したものを含み、
    第2のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットの内の2つの間において測定された信号強度を、x及びy座標で偏微分したものを含み、
    第3のサブマトリクスは、前記少なくとも1つの照明ユニットと前記基準ノード各々との間における信号強度を含む、請求項31記載の照明システム。
33. 前記偏微分マトリクスが、
    

    

    として規定されている、請求項32記載の照明システム。
34. 前記少なくとも1つの照明ユニット各々の推定位置が、
    (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
    として規定されている、請求項32記載の照明システム。
35. 前記少なくとも1つの基準ノードが、改善された見通し線をもたらすように、グランド水準から離れた位置に設けられている、請求項23記載の照明システム。
36. 推定位置が前記少なくとも1つの基準ノードにおいて計算され、
    TDOA情報を用いて前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を推定し、
    前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を、該少なくとも1つの照明ユニットに近接している他の少なくとも1つの照明ユニットからのRSSI情報を用いて修正する、請求項23記載の照明システム。
37. 前記位置を推定する際に、
    前記少なくとも1つの照明ユニットが、信号強度及び前記RSSI情報を含む信号を送信し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、前記少なくとも1つの照明ユニット各々から送信された信号到着時間を記録し、送信され記録された信号到着時間を他の基準ノード各々に提供し、
    前記少なくとも1つの基準ノードが、信号到着時間の差分を用いて前記少なくとも1つの照明ユニット各々の位置を推定する請求項36記載の照明システム。
38. 前記少なくとも1つの基準ノードにおいて前記位置を推定する際に、
    代表的なネットワーク接続グラフ及びメッセージパッシング法におけるタナーグラフを生成し、該タナーグラフにおいて通知される情報は異なる差分を伴う位置情報を含み、
    前記少なくとも1つの基準ノードに接続された前記少なくとも1つの照明ユニット各々の前記位置を計算する、請求項37記載の照明システム。
39. 前記少なくとも2つの測位プロトコルにおいて偏微分マトリクスが使用される、請求項38記載の照明システム。
40. 修正された推定位置が、
    (x,y)=(x^*,y^*)+(G^TN^-1G)^-1G^TN^-1(r(x^*,y^*))
    として規定されており、
    (x,y)は計算対象のノードの位置を示し、
    (x^*,y^*)はノードのTDOAによる初期推定位置を示し、
    Gは偏微分マトリクスを示す、請求項39記載の照明システム。
41. 前記位置推定法が最尤位置推定アルゴリズム又はMMSE推定アルゴリズムによるものである、請求項23記載の照明システム。

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