JP2018054416A - 位置推定システム及び位置推定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ミリ波無線通信ネットワークにおいて、無線通信端末の位置推定精度を向上させることができる位置推定システム及び位置推定方法を提供する。【解決手段】Ｍ個の無線通信装置と制御装置とを備え、無線通信端末の位置を推定する位置推定システムであって、第ｉの無線通信装置は、Ｎｉ方向のビームそれぞれを用いて、無線通信端末から送信される信号を受信する通信部と、Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出する制御部と、を備え、制御装置は、第ｉの無線通信装置から取得するＮｉ個の受信品質とＮｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって第ｉの無線通信装置を基準とした信号の第ｉの到来方向を推定し、Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向およびＭ個の無線通信装置の位置に基づいて、無線通信端末の位置を推定する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、無線通信端末の位置を推定する位置推定システム及び位置推定方法に関する。
特許文献１には、通信ネットワークに接続される複数の基地局と、その基地局に無線で接続される移動局としての無線通信端末と、情報サーバとからなるシステムにおける位置検出方法が開示される。
特許文献１の位置検出方法では、無線通信端末が各基地局から送信される無線信号を受信し、その受信信号強度を測定する。そして、情報サーバの機能を有する無線通信端末等が、各受信信号強度に基づいて、当該無線通信端末が存在し得る範囲（つまり、無線通信端末と各基地局との間の距離）を求め、その範囲の重なりから無線通信端末の存在位置を推定する。
特許第３８２９７８４号公報
ミリ波帯を用いた無線通信ネットワーク（ミリ波無線通信ネットワーク）において、無線通信端末と基地局との間では、ビームパターン（例えば、セクタ）を切替える指向性制御が実施される。このような場合、基地局のビームパターンによってアンテナ利得が変化するため、各基地局から送信される無線信号の受信信号強度は、ビームパターンに応じて変化する。
しかしながら、無線通信端末は各基地局のビームパターンが未知であるため、特許文献１の位置検出方法のように、無線通信端末と基地局との間の正確な距離を受信信号強度から算出することは困難である。その結果、精度の高い無線通信端末の位置推定を行うことは困難である。
本開示の非限定的な実施例は、ミリ波無線通信ネットワークにおいて、無線通信端末の位置推定精度を向上させることができる位置推定システム及び位置推定方法を提供することである。
本開示の一態様に係る位置推定システムは、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置と制御装置とを備え、無線通信端末の位置を推定する位置推定システムであって、第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）は、Ｎｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信する通信部と、前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出する制御部と、を備え、前記制御装置は、前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性を記憶する記憶部と、前記第ｉの無線通信装置から取得する前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する制御部と、を備える。
本開示の一態様に係る位置推定方法は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置を少なくとも備えるシステムにおいて、無線通信端末の位置を推定する位置推定方法であって、第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）がＮｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信し、前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出し、前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、ミリ波無線通信ネットワークにおいて、無線通信端末の位置推定精度を向上させることができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
本開示の実施の形態に係るミリ波無線通信システムの構成の一例を示す図 本開示の実施の形態におけるアレイアンテナの構成の一例を示す図 本開示の実施の形態におけるアレイアンテナの放射パターンの一例を示す図 本開示の実施の形態におけるビームフォーミングトレーニングのタイミングチャートの一例を示す図 本開示の実施の形態における位置推定の一例を示す図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は一例であり、本開示は以下の実施の形態により限定されるものではない。
（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係るミリ波無線通信システム１００のシステム構成の一例を示す図である。図１のミリ波無線通信システム１００は、ＡＰ（Access Point）１、ＡＰ２、ＡＰ３、および、ＡＰＣ（Access Point Controller）４を有する。各ＡＰは、本開示における無線通信装置に相当し、ＡＰＣ４は、本開示における制御装置に相当する。また、ミリ波無線通信システム１００は、ＳＴＡ（Station）５の位置を推定する位置推定システムに相当する。
各ＡＰ（ＡＰ１〜ＡＰ３）とＳＴＡ５とは、ミリ波を用いて通信を行う。また、各ＡＰとＳＴＡ５とは、例えば、IEEE802.11ad/WiGigのプロトコルに基づいて接続、リンク確立、ビームフォーミングトレーニングを実施し、指向性制御を行いながらデータを送受信する。ＡＰＣ４は、複数のＡＰ（ＡＰ１〜ＡＰ３）を制御する。
各ＡＰは、ビームフォーミングトレーニングにおいて、ビームを切替えながらＳＴＡ５から送信される信号（例えば、トレーニングパケット）を受信し、各ビームに対応する受信品質を算出する。ＡＰＣ４は、各ＡＰから取得する受信品質に基づいて、各ＡＰが受信した信号の到来角（Angle of Arrival）を推定する。そして、ＡＰＣ４は、到来角の情報と各ＡＰの位置とに基づき、ＳＴＡ５の位置を推定する。
なお、各ＡＰとＳＴＡ５との間で実施されるビームフォーミングトレーニング、ＡＰＣ４によって実行される到来角を推定する処理（以下、到来方向推定処理と呼ぶ）、および、ＡＰＣ４によって実行されるＳＴＡ５の位置を推定する処理（以下、位置推定処理と呼ぶ）については後述する。
ＡＰ１〜ＡＰ３は、互いに同様の構成を有する。以下、ＡＰの構成についてＡＰ１を例にとって説明する。
ＡＰ１は、通信部１１、記憶部１２、外部インタフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１３、制御部１４を備える。
通信部１１は、複数のアンテナエレメントからなるアレイアンテナ１１１を備える。通信部１１は、ミリ波を用いた指向性通信を行う。なお、通信部１１が備えるアレイアンテナ１１１の構成については後述する。
記憶部１２には、ＡＰ１を制御するためのソフトウェア、制御データが記憶される。記憶部１２には、ＡＰ１とＳＴＡ５との間、ＡＰ１と他のＡＰ（ＡＰ２、ＡＰ３）との間、および、ＡＰ１とＡＰＣ４との間で送受信されるデータが記憶される。また、記憶部１２には、ビームフォーミングトレーニングのログが記憶される。
外部Ｉ／Ｆ部１３は、例えば、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ（登録商標）などを用いて他のＡＰ（ＡＰ２、ＡＰ３）およびＡＰＣ４と接続を行うインタフェースである。
制御部１４は、例えば、記憶部１２に記憶されるソフトウェアを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成される。制御部１４は、ＡＰ１の各ブロックを制御することにより、ＡＰ１とＳＴＡ５との間のビームフォーミングトレーニング制御を含む通信制御、ＡＰ１と他のＡＰ（ＡＰ２、ＡＰ３）との間の通信制御、ＡＰ１とＡＰＣ４との間の通信制御等を行う。
ＡＰＣ４は、記憶部４１、外部Ｉ／Ｆ部４２、制御部４３を備える。
記憶部４１には、ＡＰＣ４を制御するためのソフトウェア、制御データが記憶される。記憶部４１には、ＡＰＣ４とＡＰ（ＡＰ１〜ＡＰ３）との間で送受信されるデータが記憶される。また、記憶部４１には、各ＡＰが実行したビームフォーミングトレーニングのログ、および、各ＡＰの通信部が備えるアレイアンテナの特性、アレイアンテナの姿勢に関する情報が記憶される。
外部Ｉ／Ｆ部４２は、例えば、イーサネット、ＵＳＢなどを用いて各ＡＰ（ＡＰ１〜ＡＰ３）と接続を行うインタフェースである。
制御部４３は、例えば、記憶部４１に記憶されるソフトウェアを実行するＣＰＵ等で構成される。制御部４３は、ＡＰＣ４の各ブロックを制御することにより、ＡＰＣ４と各ＡＰとの間の通信制御等を行う。
ＳＴＡ５は、通信部５１、記憶部５２、制御部５３を備える。
通信部５１は、ＡＰの通信部（例えば、ＡＰ１の通信部１１）とミリ波を用いた通信を行う。なお、通信部５１は、アレイアンテナを備えていなくても良く、指向性制御を行えなくても良い。
記憶部５２には、ＳＴＡ５を制御するためのソフトウェア、制御データが記憶される。記憶部５２には、ＳＴＡ５と各ＡＰとの間で送受信されるデータが記憶される。また、通信部５１がアレイアンテナを有し、指向性制御を行う場合、記憶部５２には、ビームフォーミングトレーニングのログが記憶される。
制御部５３は、例えば、記憶部５２に記憶されるソフトウェアを実行するＣＰＵ等で構成される。制御部５３は、ＳＴＡ５の各ブロックを制御することにより、ビームフォーミングトレーニング制御を含むＳＴＡ５と各ＡＰとの間の通信制御等を行う。
次に、アレイアンテナ１１１の構成について、図２を参照して説明する。
図２は、本実施の形態におけるアレイアンテナ１１１の構成の一例を示す図である。図２に示すアレイアンテナ１１１は、４つの矩形状のアンテナエレメント１１１ａが直線状に配置された平面アレイアンテナである。また、図２に示すＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸の３次元座標軸は、ローカル座標系を示す座標軸である。ローカル座標系を示す座標軸は、アレイアンテナの配置に対して規定される。
具体的に、アレイアンテナ１１１の中心は、ローカル座標系の原点として規定される。４つのアンテナエレメント１１１ａが配置される直線方向は、Ｘ’軸として規定される。アレイアンテナ１１１が配置される面は、Ｘ’−Ｙ’平面として規定される。そして、アレイアンテナ１１１から電波が放射される方向は、Ｚ’軸の正方向として規定される。
図２に示すアレイアンテナ１１１は、各アンテナエレメント１１１ａに適切な位相差が設定されることによって、規定されたローカル座標系のＸ’−Ｚ’平面上に指向性を持つ放射パターンを形成する。
例えば、アレイアンテナ１１１は、各アンテナエレメント１１１ａに設定する位相差の組を７組用意し、この位相差の組を切替えることによって、最大放射方向が互いに異なる７つの方向に指向性のビームを向けることができる。この７つの方向の指向性を以下では、セクタ（sector）と呼ぶ。つまり、この場合、アレイアンテナ１１１は、セクタ１からセクタ７までの７つのセクタを切替えるセクタ切替えアンテナである。また、セクタ毎に最大放射方向が互いに異なるため、アレイアンテナ１１１における放射角度毎の放射パターンは、セクタに応じて異なる。
なお、ＡＰ１のアレイアンテナ１１１は、４つの矩形状のアンテナエレメント１１１ａからなる平面アレイアンテナとして説明したが、アンテナエレメントの数、アレイアンテナの形状は、これに限定されない。また、各ＡＰが有する通信部のアレイアンテナは、互いに同一の構成で無くても良い。例えば、アレイアンテナのアンテナエレメントの数、および／または、セクタの数は、ＡＰ毎に異なっていても良い。
次に、アレイアンテナ１１１における各セクタの放射パターンと到来方向推定処理の概要について、図３を参照して説明する。
図３は、本実施の形態におけるアレイアンテナ１１１の放射パターンの一例を示す図である。図３に示す放射パターンは、ローカル座標系のＸ’−Ｚ’平面上の放射角度毎のアンテナ利得である。縦軸は、アンテナ利得（gain）を示している。横軸は、Ｚ’軸の正方向を０度とし、Ｚ’軸の正方向とのなす角（angle）を示している。なお、Ｚ’軸の正方向とのなす角は、Ｚ’軸の正方向からＸ’軸の正方向へ向かう回転方向の角度を正とする。そして、図３には、７つのセクタのうち、セクタ１、セクタ４、セクタ７の放射パターンの一例が示されている。
セクタ１は、約−６０度の方向に最大利得を有する。セクタ４は、約０度の方向（つまり、正面方向）に最大利得を有する。セクタ７は、約６０度の方向に最大利得を有する。
ただし、放射パターンの形状は、アレイアンテナが実装されるアンテナ基板の形状、アンテナエレメントに電力を供給する給電線の経路長等により異なるため、一般に左右対称とはならない。各ＡＰの制御部は、セクタ毎に角度を変更しながら電波を放射あるいは受信することにより、アジマス角に対するアンテナ利得の測定を行い、調整がなされる。
図３には、セクタ１の放射パターンにおける角度θに対するアンテナ利得ｇ１、セクタ４の放射パターンにおける角度θに対するアンテナ利得ｇ４、セクタ７の放射パターンにおける角度θに対するアンテナ利得ｇ７が示される。角度θに対する各アンテナ利得は、ｇ４＞ｇ７＞ｇ１の関係となる。また、図示しないが、セクタ２、セクタ３、セクタ５、セクタ６の放射パターンにおける角度θに対するアンテナ利得をそれぞれｇ２、ｇ３、ｇ５、ｇ６とする。そして、ｇ４は、ｇ２、ｇ３、ｇ５、ｇ６よりも大きいとする。
ビームフォーミングトレーニングにおいて、ＡＰ１は、セクタ１からセクタ７までのセクタを切替えながら通信相手であるＳＴＡ５から送信される信号（例えば、トレーニングパケット）を受信し、受信した信号から算出した受信品質に基づいて、最も利得が大きいセクタを探索する。受信品質は、例えば、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）、ＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）である。
ＡＰ１がセクタ１に切替えて受信した信号の受信品質をｒ１とする。同様に、ＡＰ１がセクタ２〜セクタ７にそれぞれ切替えて受信した信号の受信品質をそれぞれｒ２〜ｒ７とする。アンテナ利得と受信品質とは比例関係があるため、例えば、ＳＴＡ５がアレイアンテナ１１１に対して角度θの方向に存在する場合、最も良い受信品質はｒ４となる。ＡＰ１は、受信した信号の受信品質ｒ１〜ｒ７を比較することによって、受信品質ｒ４に対応するセクタ４を選択する。
ここで、受信した信号の受信品質ｒ１〜ｒ７の組を受信品質ベクトル（ｒ１，ｒ２，・・・，ｒ７）とする。また、放射パターンの組を放射パターンベクトル（ｇ１（θ），ｇ２（θ），・・・，ｇ７（θ））とする。放射パターンベクトルの各要素は、それぞれ、７つのセクタに対応し、角度θに関する関数である。なお、７つのセクタの放射パターンは、アレイアンテナの特性として、例えば、ＡＰＣ４の記憶部４１に記憶される。
上述の通り、アンテナ利得と受信品質とは比例関係があるため、受信品質ベクトルと放射パターンベクトルとのパターンマッチングによる比較を行い、受信品質ベクトルと放射パターンベクトルとが最も類似する角度θを算出する。
なお、受信品質ベクトルとパターンマッチングを行う対象は、各ＡＰのアレイアンテナにおけるセクタの放射角度毎の特性を示す情報であれば、放射パターンベクトルに限定されない。例えば、放射パターンベクトルの代わりに、到来角θと関連付けた到来方向モデル（ｍ１（θ），ｍ２（θ），・・・）を用いてもよい。到来方向モデルは、複数の測定結果から機械学習などによりモデル化したものでも良い。
次に、ビームフォーミングトレーニングの流れについて、図４を参照して説明する。
図４は、本実施の形態におけるビームフォーミングトレーニングのタイミングチャートの一例を示す図である。なお、図４に示すビームフォーミングトレーニングは、ＡＰ１とＳＴＡ５との間で実施されるビームフォーミングトレーニングの例である。ＳＴＡ５は、他のＡＰ（例えば、ＡＰ２、ＡＰ３）との間とも同様のビームフォーミングトレーニングを実施する。
図４の横軸は、時間を示す。図４の上側には、ＳＴＡ５が送信するパケットとＳＴＡ５が受信するパケットとが示される。図４の下側には、ＡＰ１が送信するパケットとＡＰ１が受信するパケットとが示される。
まず、ＡＰ１は、ＳＴＡ５に対して、ビームフォーミングトレーニングに必要なセクタ数を通知するパケットを送信する。ビームフォーミングトレーニングに必要なセクタ数とは、ＡＰ１が切替え可能なセクタ数と同じであっても良いし、異なっていても良い。
ＳＴＡ５は、ビームフォーミングトレーニングに必要なセクタ数の通知を受信すると、当該通知に示されるセクタの数と同数のトレーニングパケットを所定の時間間隔で送信する。ＡＰ１は、セクタを切替えながら、ＳＴＡ５から送信されるトレーニングパケットを受信する。
例えば、ＡＰ１が７つのセクタを切替えるアレイアンテナを有し、ビームフォーミングトレーニングに必要なセクタ数を７としてＳＴＡ５に通知した場合、図４に示すように、ＳＴＡ５は、７つのトレーニングパケット（ｔｐ１〜ｔｐ７）を送信する。ＡＰ１は、トレーニングパケットｔｐ１の受信期間ではセクタ１に切替えてトレーニングパケットｔｐ１を受信する。同様に、ＡＰ１は、トレーニングパケットｔｐ２の受信期間ではセクタ２に切替えてトレーニングパケットｔｐ２を受信する。ＡＰ１は、セクタ１からセクタ７までの７つのセクタを順に切替えながら、７つのトレーニングパケットを受信する。
そして、ＡＰ１は、７つのトレーニングパケットの受信を終了すると、ＳＴＡ５に対して、ビームフォーミングトレーニングの終了を通知するパケットを送信する。
ＡＰ１の制御部１４は、通信部１１を介して受信したトレーニングパケットｔｐ１〜ｔｐ７の受信品質を算出する。
図４に示すように、ＡＰ１がセクタ１に切替えて受信したトレーニングパケットｔｐ１の受信品質をｒ１とする。同様に、ＡＰ１がセクタ２〜セクタ７にそれぞれ切替えて受信したトレーニングパケットｔｐ２〜ｔｐ７の受信品質をそれぞれｒ２〜ｒ７とする。ＡＰ１は、式（１）に示すように、受信品質ｒ１〜ｒ７を比較し、最も良い受信品質に対応するセクタ（best_sector）を選択する。
Figure 2018054416
図４の場合、受信品質ｒ２が最も良い値であるため、ＡＰ１の制御部１４は、セクタ２を選択する。ビームフォーミングトレーニングの後、ＡＰ１は、セクタ２に切替えて、ＳＴＡ５からデータ等のパケットを受信する。
ＡＰ１は、ビームフォーミングトレーニングにおいて、ＳＴＡ５が送信したトレーニングパケットのセクタ毎の受信品質ｒ１〜ｒ７を得ることができる。ＡＰ１の制御部１１は、外部Ｉ／Ｆ部１３を介して、セクタ毎の受信品質ｒ１〜ｒ７を組にした受信品質ベクトルをＡＰＣ４へ送信する。他のＡＰも、同様に、受信品質ベクトルをＡＰＣ４へ送信する。そして、ＡＰＣ４は、各ＡＰから取得する受信品質ベクトルに基づいて、ＳＴＡ５が送信したトレーニングパケットの到来方向、つまり、ＳＴＡ５が存在する方向を推定する。そして、ＡＰＣ４は、推定した到来方向に基づき、ＳＴＡ５の位置を推定する。
なお、各ＡＰは、ビームフォーミングトレーニングと異なるタイミングにおいて、ＳＴＡ５に信号の送信要求を通知し、ＳＴＡ５が送信した信号のセクタ毎の受信品質を算出する処理を実行しても良い。
次に、ＡＰＣ４によって実行される到来方向推定処理について説明する。
ＡＰＣ４の制御部４３は、外部Ｉ／Ｆ部４２を介して、各ＡＰから受信品質ベクトルを取得する。そして、制御部４３は、記憶部４１に記憶された各ＡＰの放射パターンベクトルと取得した受信品質ベクトルとの比較を行う。詳細には、制御部４３は、角度θの関数である放射パターンベクトルのθを変更しながら、受信品質ベクトルとパターンマッチングを行う。そして、制御部４３は、パターンマッチングの結果、受信品質ベクトルに最も類似する放射パターンベクトルとなる角度θを到来角として推定する。
例えば、パターンマッチングの方法としては、ベクトル間の最短ユークリッド距離から求めるK-Nearest NeighborアルゴリズムやSupport Vector Machine（ＳＶＭ）アルゴリズムによる識別、あるいは回帰などが用いられても良い。また、例えば、決定木やRandom Forest法による識別、あるいは、回帰などが用いられても良い。また、Neural Networkアルゴリズムによる識別あるいは回帰などが用いられても良い。複数のアルゴリズムを組み合わせても良い。
制御部４３は、ＡＰ１から取得した受信品質ベクトルに最も類似するＡＰ１の放射パターンベクトルとなる角度を、ＡＰ１のアレイアンテナ１１１のローカル座標系における到来角θ１として算出する。同様に、制御部４３は、ＡＰ２から取得した受信品質ベクトルに最も類似するＡＰ２の放射パターンベクトルとなる角度を、ＡＰ２のアレイアンテナのローカル座標系における到来角θ２として算出する。
次に、制御部４３は、推定した到来角に関する到来方向ベクトルを設定する。到来角がＸ’−Ｚ’平面における角度であるため、到来角θ１に対する到来方向ベクトルＡｏＡ１、および、到来角θ２に対する到来方向ベクトルＡｏＡ２は、それぞれ、同次座標表現を用いて、式（２）によって表される。
Figure 2018054416
なお、式（２）の到来方向ベクトルＡｏＡ１は、ＡＰ１のローカル座標系における大きさ１の単位ベクトルとして表される。式（２）の到来方向ベクトルＡｏＡ２は、ＡＰ２のローカル座標系における大きさ１の単位ベクトルとして表される。つまり、到来方向ベクトルＡｏＡ１と到来方向ベクトルＡｏＡ２とは、それぞれ異なるローカル座標系において規定される。
次に、推定された到来方向ベクトルに基づく位置推定処理の一例について図５を参照して説明する。なお、以下に説明する位置推定処理は、２つのＡＰ（ＡＰ１およびＡＰ２）の到来方向ベクトルからＳＴＡ５の位置を推定する処理である。
図５は、本実施の形態における位置推定の一例を示す図である。図５には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸によって表されるワールド座標系における、ＡＰ１の位置（点ＰＡＰ１＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１，０））、ＡＰ２の位置（点ＰＡＰ２＝（ｘ２，ｙ２，ｚ２，０））、および、ＳＴＡ５の推定位置（点Ｐｅｓｔ）が示されている。また、図５に示すｎ１は、ＡＰ１のアレイアンテナの姿勢と、到来方向ベクトルＡｏＡ１により算出される方向ベクトルである。ｎ２は、ＡＰ２のアレイアンテナの姿勢と、到来方向ベクトルＡｏＡ２により算出される方向ベクトルである。
また、図５には、点ＰＡＰ１を通り方向ベクトルｎ１に平行な直線Ｌ１とＡＰ２を通り方向ベクトルｎ２に平行な直線Ｌ２が示されている。点Ｐ１は、直線Ｌ１上の点の中で、直線Ｌ２に最も近い点である。点Ｐ２は、直線Ｌ２上の点の中で、直線Ｌ１に最も近い点である。図５に示す距離ｄ１は、点ＰＡＰ１と点Ｐ１との間の距離であり、距離ｄ２は、点ＰＡＰ２と点Ｐ２との距離である。
位置推定処理において、ＡＰＣ４の制御部４３は、方向ベクトルｎ１、方向ベクトルｎ２の算出、点Ｐ１、点Ｐ２の算出を行い、線分Ｐ１Ｐ２の中点をＳＴＡ５の推定位置Ｐｅｓｔとして算出する。
方向ベクトルｎ１は、ＡＰ１のアレイアンテナ１１１の姿勢に相当する姿勢変換行列Ｍ１と、到来方向ベクトルＡｏＡ１との合成ベクトルである。制御部４３は、ＡＰ１のアレイアンテナ１１１のローカル座標系において表される到来方向ベクトルＡｏＡ１をワールド座標系に変換するため、オイラー角（ｒ，ｐ，ｈ）を用いて表されるアレイアンテナ１１１の姿勢変換行列Ｍ１と到来方向ベクトルＡｏＡ１との演算を行う。なお、各ＡＰのアレイアンテナの姿勢変換行列は、予め、ＡＰＣ４の記憶部４１に記憶されている。
例えば、ワールド座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｚ軸中心の回転角ｒ、Ｘ軸中心の回転角ｐ、Ｙ軸中心の回転角ｈとすると、オイラー変換Ｅ（ｒ，ｐ，ｈ）に基づく姿勢変換行列Ｍは、式（３）のように示される。
Figure 2018054416
つまり、方向ベクトルｎ１は、ＡＰ１のアレイアンテナの姿勢に相当する姿勢変換行列Ｍ１と到来方向ベクトルＡｏＡ１とを用いて式（４）により算出される。
Figure 2018054416
同様に、方向ベクトルｎ２は、ＡＰ２のアレイアンテナの姿勢に相当する姿勢変換行列Ｍ２と到来方向ベクトルＡｏＡ２とを用いて式（５）により算出される。
Figure 2018054416
次に、制御部４３は、点Ｐ１と点Ｐ２を算出する。点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ線分Ｐ１Ｐ２は、直線Ｌ１および直線Ｌ２の両方に対して直交するので、点Ｐ１と点Ｐ２について式（６）が成り立つ。
Figure 2018054416
 ここで、「・」は、ベクトル間の内積演算を示す。
また、距離ｄ１が点ＰＡＰ１と点Ｐ１との間の距離であり、距離ｄ２が点ＰＡＰ２と点Ｐ２との間の距離であるので、点Ｐ１と点Ｐ２について式（７）が成り立つ。
Figure 2018054416
 ここで、「＊」は、スカラー倍の演算を示す。例えば、ｄ１＊ｎ１は、方向ベクトルｎ１をｄ１倍することを示す。
制御部４３は、式（６）および式（７）に基づく式（８）を用いて、距離ｄ１、距離ｄ２を算出する。
Figure 2018054416
 ここで、ＰＡ２１＝ＰＡＰ２―ＰＡＰ１であり、ｎｉｐ＝ｎ１・ｎ２である。つまり、ｎｉｐは、スカラー量である。
制御部４３は、算出した距離ｄ１、距離ｄ２、および、式（７）を用いて、点Ｐ１、点Ｐ２を算出する。そして、制御部４３は、式（９）を用いて、ＳＴＡ５の推定位置（点Ｐｅｓｔ）を算出する。
Figure 2018054416
なお、方向ベクトルｎ１と方向ベクトルｎ２とが平行になる場合、制御部４３は、点Ｐ１、点Ｐ２を算出できない。その場合、制御部４３は、複数のＡＰの組み合わせ、例えば、ＡＰ１とＡＰ３、ＡＰ２とＡＰ３の組み合わせのそれぞれから取得する受信品質ベクトルに基づいて、複数の点Ｐｅｓｔを算出する。そして、制御部４３は、複数の点Ｐｅｓｔの中点または重心点等をＳＴＡ５の推定位置としても良い。この場合、ＡＰの組み合わせにおいて、線分Ｐ１Ｐ２の長さが所定の閾値よりも長い場合、制御部４３は、誤差が大きいと判断し、推定位置を算出する際に複数の点Ｐｅｓｔから除外する。
また、制御部４３は、ＡＰが設置されている空間に既知の障害物（例えば、床面、天井面）がある場合、既知の障害物を除いた範囲に制限するように推定しても良い。既知の障害物の位置に関する情報は、記憶部４２に予め記憶されていても良い。
例えば、算出した点Ｐｅｓｔが床面よりも下であることを示す場合、制御部４３は、実際のＳＴＡ５の推定位置が床面よりも上側になるように制限、あるいは、補正しても良い。
以上説明したように、本実施の形態では、各ＡＰは、セクタ（ビーム）を切替えながらＳＴＡ５から送信される信号を受信し、セクタ毎の受信品質を算出する。そして、ＡＰＣ４は、各ＡＰからセクタ毎の受信品質を取得し、取得した受信品質とセクタの放射角度毎の特性とを比較することによって、到来方向を推定する。そして、ＡＰＣ４は、推定した到来方向に基づいて、ＳＴＡ５の位置を推定する。
この構成により、ミリ波無線通信ネットワークにおいて、各ＡＰとＳＴＡ５が指向性制御を行っている場合であっても、精度の高い到来方向が推定できるため、ＳＴＡ５の位置推定精度を向上させることができる。
また、ＡＰＣ４は、ＡＰとＳＴＡ５との間のビームフォーミングトレーニングにおいて算出される受信品質を用いて到来方向を推定できる。そのため、到来方向推定のための受信品質算出処理をビームフォーミングトレーニングとは別に実行する必要が無いため、位置推定処理の簡略化を図ることができる。
また、各ＡＰのアレイアンテナはローカル座標系の２次元平面（図３のＸ’−Ｚ’平面）において指向性を変更するため、推定される到来方向も２次元平面上の到来方向となる。本実施の形態によれば、ＡＰＣ４は、推定した到来方向をローカル座標系からワールド座標系に変換し、変換後の到来方向とワールド座標系の各ＡＰの位置とからＳＴＡ５の位置を推定するため、推定した到来方向が２次元平面上の到来方向であっても、ＳＴＡ５の位置を推定することができる。
なお、上述の実施の形態では、ＡＰＣ４の制御部４３が到来方向推定処理を実行するとして説明したが、本開示はこれに限定されない。到来方向推定処理は、各ＡＰの制御部によって実行されても良い。その場合、各ＡＰの記憶部には、アレイアンテナの特性（例えば、放射パターンベクトル）が記憶されている。そして、ＡＰの制御部は、推定した到来方向（例えば、到来方向ベクトルＡｏＡ）を外部Ｉ／Ｆ部を介してＡＰＣ４へ送信する。
また、上述の実施の形態では、ＡＰＣ４がＡＰとは別の装置として無線通信システムに含まれる構成の例について説明したが、本開示はこれに限定されない。ＡＰの少なくとも１つが、ＡＰＣの機能を有する構成であっても良い。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
上記各実施の形態では、本開示はハードウェアを用いて構成する例にとって説明したが、本開示はハードウェアとの連携においてソフトウェアでも実現することも可能である。
また、上記各実施形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。集積回路は、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックを制御し、入力と出力を備えてもよい。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサを用いて実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＬＳＩ内部の回路セルの接続又は設定を再構成可能なリコンフィギュラブル プロセッサ（Reconfigurable Processor）を利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術により、ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックを集積化してもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
＜本開示のまとめ＞
本開示の位置推定システムは、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置と制御装置とを備え、無線通信端末の位置を推定する位置推定システムであって、第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）は、Ｎｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信する通信部と、前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出する制御部と、を備え、前記制御装置は、前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性を記憶する記憶部と、前記第ｉの無線通信装置から取得する前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する制御部と、を備える。
また、本開示の位置推定システムにおいて、前記第ｉの無線通信装置の制御部は、前記Ｎｉ個の受信品質のうち、最も良い受信品質に対応するビームを用いて、前記無線通信端末と通信を行う。
また、本開示の位置推定システムにおいて、前記制御装置の制御部は、前記Ｎｉ個の受信品質を示す受信品質ベクトルと、前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性を示す到来方向モデルとのパターンマッチングを行うことによって、前記第ｉの到来方向を推定する。
また、本開示の位置推定システムにおいて、前記制御装置の制御部は、前記第ｉの無線通信装置を基準として規定された座標系において推定された前記第ｉの到来方向を、前記第ｉの無線通信装置の位置を規定する座標系へ変換する。
本開示の位置推定方法は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置を少なくとも備えるシステムにおいて、無線通信端末の位置を推定する位置推定方法であって、第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）がＮｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信し、前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出し、前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する。
本開示は、無線通信システムに有用である。
１、２、３ ＡＰ（Access Point）
４ ＡＰＣ（Access Point Controller）
５ ＳＴＡ（Station）
１１、５１ 通信部
１２、４１、５２ 記憶部
１３、４２ 外部インタフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）
１４、４３、５３ 制御部
１００ ミリ波無線通信システム
１１１ アレイアンテナ
１１１ａ アンテナエレメント

Claims (5)

  1. Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置と制御装置とを備え、無線通信端末の位置を推定する位置推定システムであって、
    第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）は、
    Ｎｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信する通信部と、
    前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出する制御部と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性を記憶する記憶部と、
    前記第ｉの無線通信装置から取得する前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する制御部と、
    を備える、
    位置推定システム。
  2. 前記第ｉの無線通信装置の制御部は、
    前記Ｎｉ個の受信品質のうち、最も良い受信品質に対応するビームを用いて、前記無線通信端末と通信を行う、
    請求項１に記載の位置推定システム。
  3. 前記制御装置の制御部は、
    前記Ｎｉ個の受信品質を示す受信品質ベクトルと、前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性を示す到来方向モデルとのパターンマッチングを行うことによって、前記第ｉの到来方向を推定する、
    請求項１に記載の位置推定システム。
  4. 前記制御装置の制御部は、
    前記第ｉの無線通信装置を基準として規定された座標系において推定された前記第ｉの到来方向を、前記第ｉの無線通信装置の位置を規定する座標系へ変換する、
    請求項１に記載の位置推定システム。
  5. Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の無線通信装置を少なくとも備えるシステムにおいて、無線通信端末の位置を推定する位置推定方法であって、
    第ｉの無線通信装置（ｉは１からＭの整数）がＮｉ方向（Ｎｉは２以上の整数）のビームそれぞれを用いて、前記無線通信端末から送信される信号を受信し、
    前記Ｎｉ方向のビームそれぞれに対応するＮｉ個の受信品質を算出し、
    前記Ｎｉ個の受信品質と前記Ｎｉ方向のビームの放射角度毎の特性とを比較することによって前記第ｉの無線通信装置を基準とした前記信号の第ｉの到来方向を推定し、
    前記Ｍ個の無線通信装置それぞれを基準として推定した第１から第Ｍの到来方向、および、前記Ｍ個の無線通信装置の位置に基づいて、前記無線通信端末の位置を推定する、
    位置推定方法。
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