JP2019074422A - 無線受信機、無線受信方法および無線システム - Google Patents

Abstract

【課題】単一の受信機で受信した電波の信号からより高い精度で電波放射機までの距離を推定する。【解決手段】無線受信機１は、受信処理部３と、パラメータ推定部と、電力推定部６と、距離計算部７とを備える。受信処理部３は、電波放射器から電波を受信する。パラメータ推定部は、電波の受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定する。電力推定部は、パラメータと、受信電力の値とに基づき、受信電力における見通し成分の電力を推定する。距離計算部は、見通し成分の電力に基づき電波放射器までの距離を計算する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無線受信機、無線受信方法および無線システムに関する。

IoTの発展により、様々な場面で無線タグの活用が期待されている。その中の1つに、無線受信機が無線タグの位置を検出するシステムがある。

単一の受信機がタグの位置を推定するには、タグの方向と距離が検出できればよい。単一の受信機でタグまでの距離を測定する方法にRSSI (Received Signal Strength Indication: 受信信号強度)からの距離推定がある。単一の受信機がタグからの電波を受信し、その強度とタグの送信電力、伝搬路の減衰定数、アンテナ利得などから、伝搬路による減衰が距離の関数であることを利用して距離を推定する。しかし、RSSIはマルチパス環境ではフェージングにより著しく変動するため、推定した距離も著しく変動し、正確な値は得られない。

小野他、「無線を使った位置検出」沖テクニカルレビュー, vol.72, no.4, pp. 24-27, 2005年10月 Tepedelenlioglu, et.al, ‘The Ricean K factor: Estimation and Performance Analysis’, IEEE Tran. Wireless Comm., Vol. 2, No. 4, pp.799-810, 2003

本発明の実施形態では、このような課題を解決し、単一の受信機で受信した電波の信号から高い精度で電波放射器までの距離を推定することを目的とする。

本発明の実施の形態としての無線受信機は、受信処理部と、パラメータ推定部と、電力推定部と、距離計算部とを備える。前記受信処理部は、電波放射器から電波を受信する。前記パラメータ推定部は、前記電波の受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定する。前記電力推定部は、前記パラメータと、前記受信電力の値とに基づき、前記受信電力における見通し成分の電力を推定する。前記距離計算部は、前記見通し成分の電力に基づき前記電波放射器までの距離を計算する。

本発明の代表的な実施の形態に係る無線システムを示す図である。 本発明の実施の形態の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態の1つを説明するための図であり、周波数ホッピングを説明する図である。 周波数選択性フェージングを説明するための図である。 本発明の実施の形態の1つを説明するための図であり、広帯域信号の例を説明するための図である。 本発明の実施の形態の1つを示す図であり、他の無線送信機からの受信電波を利用する形態を示す図である。 他の無線送信機から受信した電波を利用する実施の形態を説明するための図である。 本発明の実施の形態の1つを示す図であり、Kファクタの値によって減衰定数を変化させる形態を示す図である。 本発明の実施の形態の1つを示す図であり、無線受信機がアレイアンテナを有する形態を示す図である。 本発明の実施の形態の1つを示す図であり、無線受信機の動作のアルゴリズムを示す図である。

本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、以下の形態においては、本発明の構成に本質的に必要な部分のみを示し、本発明の動作と関連しない部分については図示、説明を省略している。

図1は本発明の代表的な実施の形態に係る無線システムを示す。図1の無線システムは、無線受信機1と、電波放射器の一形態である無線送信機9とを備える。無線受信機1は、アンテナ2、受信処理部3、RSSI (Received Signal Strength Indication: 受信信号強度)抽出部4、Kファクタ推定部5、LOS電力推定部6、距離計算部7および結果出力端8を備える。要素3〜7は、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサで動作するソフトウェア（プログラム）によって実装されてもよいし、FPGA（Field Programmable Gate Array）やASIC（Application Specific Integrated Circuits）などのハードウェアまたは回路によって構成されてもよいし、これらの組み合わせでもよい。また、これらの要素は１チップによって構成されてもよいし、複数のチップに分散されてもよい。

無線受信機1は、無線送信機9が送信した電波をアンテナ2で受信する。受信された電気信号は受信処理部3において、増幅、フィルタ、ベースバンド変換、A/D変換(アナログ-デジタル変換)など適切な物理層受信処理を受け、必要に応じて誤り検出・訂正、パケットの読出しなど適切なデジタル信号・プロトコル層処理を受けて、出力される。この時、受信処理部3から出力される情報には、アンテナ2における電波の受信信号の強度、たとえばRSSI (Received Signal Strength Indication: 受信信号強度)そのものか、またはRSSIが計算できる情報、たとえば、電波の受信信号の振幅や電力に関する情報が含まれているものとする。

RSSI抽出部4は、受信処理部3から入力された情報からRSSIを抽出し、Kファクタ推定部5に出力する。Kファクタ推定部5は、RSSIのばらつきからライシアンKファクタ(以下、Kファクタと呼ぶ)を推定する。Kファクタは、マルチパスによる伝搬路のばらつきを定量化するパラメータである。Kファクタは、強い1つのパスと弱い複数のパスの電力比であり、多くの場合、これは、見通し成分（直接波）の電力と見通し外成分（反射波）の電力比となっている。Kファクタは、受信電力における見通し成分の電力の割合に関するパラメータの一例である。

マルチパス環境では、受信信号の振幅のばらつきはライス分布になるが、Kファクタはライス分布の形状を決定するパラメータの1つである。
ライス分布は［数1］のようにあらわされる。

xは振幅、v²は強いパスの電力平均値、2σ²は弱いパスの電力合計平均値、I₀は0次の第1種変形ベッセル関数である。Kファクタはv²/2σ²で表され、1つの強いパスが存在し、その他の多数の弱いパスが合成されている場合の、強いパスの電力と弱いパスの合計電力の比である。

Kファクタは、マルチパス伝搬路のモデル化時に使用されることが多く、無線通信規格の標準化などの際、どのような伝搬条件で通信を行う必要があるかを示すために使用される。多くの場合、Kファクタは測定器による電波測定結果から推定することができる。

受信強度（強度は、電力値でも、相対数値（RSSIなど）でもよい）のばらつきを使用したKファクタ推定方法の一例を以下に示す。
受信サンプルx(n)の振幅をR(n)とする。

R(n)のk次モーメントμ_ｋを計算する。

モーメントの比f_1,2とKファクタの関係式を以下に示す。

ただし、I_mはm次の変形ベッセル関数である。
この関係式に基づき、f_1,2とKとの対応テーブルを事前に作成し、Kファクタ推定部5の内部バッファまたはKファクタ推定部5からアクセス可能な記憶部に格納しておく。Kファクタ推定部5では、この対応テーブルを用いて、計算したモーメント比からKを求める。

推定したKファクタの値はLOS(見通し)電力推定部6に入力される。LOS電力推定部6は、入力されたKファクタ（＝v²/2σ²）と、受信信号の電力値（受信電力値）とを使用して、見通し成分の電力（LOS電力）を推定する。受信電力値は、一例としてRSSIを変換することで得られる。または、受信処理部3から電力値を受信し、この値を用いてもよい。Kファクタは比であるので相対値からでも推定可能であるが、電力を距離に変換するためには絶対電力値が必要である。このため、LOS電力推定部6では、後段の距離計算部7で距離を算出するために、LOS電力値を計算する。

見通し成分電力の推定は、以下の計算で行うことができる。

KファクタをK、見通し成分電力をp_rx 、見通し外成分電力をP_nとすると、K = p_rx/P_nである。全受信電力（受信信号の絶対電力値）をP_allとすると、P_all =P_n+p_rxである。この2つの式から、p_rx = P_all*K/(1+K)が得られる。よって、全受信電力にK/(1+K)を掛けることで、見通し成分電力を求めることができる。

その際、P_allは電波の受信電力値である。時間領域での受信信号の波形の平均電力値でもよいし、受信信号に含まれる複数の周波数成分ごとの電力の平均値でもよいし、その他の方法で測定してもよい。通信方式に周波数ホッピングを用いた場合、複数の周波数で取得した受信信号の電力の平均値をP_allとすればよい。また、P_allはアンテナ2と受信処理部3の接続点での電力であり、無線受信機1のアンテナ利得またはアンテナ実効面積、受信処理部3で受ける増幅・減衰量、および、受信機のアンテナ利得などは既知であって、LOS電力推定部6は入力された受信電力をアンテナ2の出力端の電力値に変換できるものとする。

距離計算部7は入力された見通し成分電力の値を受けて、無線送信機9までの距離を推定する。その際、伝搬路の減衰に関する定数（減衰定数）を使用する。

距離の計算式は、次のようである。

P_txはアンテナ利得を含む送信電力、λは電波の波長、G_rxは受信機のアンテナ利得である。mおよびnは減衰定数であり、送信機と受信機以外に何もない自由空間では2である。Rは、計算された距離である。

p_rxには、計算した見通し成分の電力値、P_txには、無線送信機のアンテナ利得等も含む送信電力値を用いる。無線送信機9の送信電力（電波強度）に関する情報は、無線送信機9から通知されるか、あるいは、無線規格等で一意に決定していているなどで既知であるとする。

mは伝搬路が導波管を形成するように閉じた条件では2未満のこともあるが、RSSIからの通常の距離推定では2以上の値を使用することが多い。本実施形態では、見通し成分電力が正しく得られたと仮定すると伝搬路は自由空間に近いとみなせるため、mに2を用いればよい。見通し成分は原理的に減衰定数２で届くため、p_rxを見通し成分のみの電力値とすることで、伝搬環境の考慮など、難しい分岐条件なしに、高精度に距離を計算できる。ただし、見通し成分電力に見通し外成分電力が混入することが多い条件ではmとして2より小さい値を用いても良い。

λⁿは波長に依存する損失成分であり、これは基本的にはアンテナ実効面積に起因する。それ以外に波長に依存する損失がない場合、nは2でよい。しかし、マルチパスが壁や家具など様々な面で反射する際の反射係数は多くの場合波長が短い(周波数が高い)方が損失が大きいことから、nは2より大きい値を使用することがある。ただし、見通し成分電力が正しく得られているならば、見通し成分は壁などでの反射を受けていないためnは2でよい。

なお、nとmは必ずしも同一である必要はない。また、mおよびnの値は、上記のような理論値が当てはまらないことが多いため、可能であれば試験を行って適切な値を設定するとよい。

距離計算部7は、このようにして計算した距離の値を結果出力端8から出力する。なお、結果出力端8は、配線上の任意の位置でもよいし、距離計算部7の処理がソフトウェア実行の場合は、ソフトウェアのプログラムのインタフェースでもよい。このように距離の値を出力することによって、個々のRSSIから推定するよりも高い精度で距離の推定が可能になる。

図２は本実施の形態の効果を示すシミュレーション例である。10mの距離にある送信機からの電波をマルチパス環境を介して単一の受信機で受信する条件で、距離推定を行う。破線が、個々のRSSIから推定した場合、実線がKファクタから推定した場合であり、50万回の試行のヒストグラムを比率に換算してプロットしたものである。最頻値が10mよりやや短距離側にあるものの、Kファクタ推定を使用すると、個々のRSSIから推定した場合より、分布の広がりが小さく、全体的に正解値に近づいていることがわかる。ヒストグラムを30mまでの範囲で取得したため、個々のRSSIから推定した場合のグラフを示す破線は30mの位置で盛り上がっているが、実際にはこれより長い距離が多数出力されている。個々のRSSIから距離推定した場合のRMSE（平均二乗誤差）は10.2mである。一方、Kファクタから距離推定した場合のRMSEは2.8mであり、大幅に改善していることがわかる。

なお、以上では電波の受信強度としてRSSIを使用すると説明したが、電波の受信信号の強度を知ることができれば他の指標もよい。また、強度は電力の関数であり、振幅、相対電力、dB値など、1:1に電力に変換できるものであればよい。

また、以上の説明での無線送信機は、より一般的な電波放射器、たとえば電磁雑音を放射する家電製品などに置き換えてもよい。さらに、電波放射器は自ら電波を発射・送信しないテレビ電波などを反射するだけのレーダ目標物であり、無線受信機がパッシブレーダ受信機であってもよい。

また、Kファクタと説明した部分は、Kファクタそのもののである必要はなく、受信した電波の電力の内のどの程度の割合が見通し成分であるかがわかる他のパラメータであってもよい。

既述のKファクタ推定方法は、複数サンプルの電力ばらつきからKファクタを推定する方法である。したがって、この方法では、Kファクタを推定するために、振幅が伝搬路の変化によってばらついた受信信号が必要である。以下、振幅がばらついた受信信号を取得する例をいくつか説明する。

1つ目の例は、図３に示すように、無線送信機は周波数ホッピング型であり、無線受信機はホッピングした複数の周波数の信号を受信する。たとえば、ブルートゥースは周波数ホッピングを定めた規格であり、無線送信機はその規格にのっとり送信を行う。ブルートゥースの方式によっては、1連のセッションを同一周波数で行うこともできるが、本例では、無線送信機は複数の周波数で信号を送信し、無線受信機はそれらの信号を周波数ごとに受信する。

マルチパス環境では周波数選択性フェージングが発生する。図4は2.4GHz帯の周波数選択性フェージングのシミュレーション例であり、横軸が周波数、縦軸が受信電力である。横軸の一番左の値が2400MHz（2.4GHz）、一番右の値が2480MHz（2.48GHz）である。図では、横軸の値を、2400MHz（2.4GHz）を0としたときの相対値で表している。周波数によって大きく受信電力が変動しており、振幅変動はライス分布に従う。したがって、図３のように、無線送信機から周波数ホッピングで送信を行うことで、無線受信機ではライス分布する振幅の複数サンプルを取得でき、そこからたとえば既述した方法などによりKファクタを推定できる。

このように周波数ホッピングした複数の信号を使用することによりKファクタ推定が可能となり、推定したKファクタから距離推定を行うことで、距離の推定精度を上げることができる。

なお、図３は周波数ホッピングの例であるが、無線送信機および無線受信機が複数の周波数で同時に送受信できる場合は、同時に送受信した複数周波数の信号を使用しても良い。

なお、ばらついた信号を受信するために、伝搬環境を送信ごとに変化させることでこれを実現してもよい。たとえば無線送信機または無線受信機が移動体であり、複数の送信の間にある程度の移動距離、たとえば送信周波数の波長の長さ以上を無線送信機または無線受信機が移動する。これによりマルチパスの構成または干渉状態が変化するようにする。あるいは、無線送信機と無線受信機が存在する空間内で反射物体が移動することでマルチパスの状態が変化しても同様の効果が期待できる。移動体が移動または反射物体が移動することで伝搬環境を送信毎に変化させる場合、各送信の周波数は同一周波数でもよい。

2つ目の例として、広帯域信号を用いる形態を図５で説明する。同時に広い周波数にわたる同一信号（広帯域信号）を無線送信機が送信する。広帯域信号は周波数選択性フェージングによって、その中の周波数毎に異なる損失を受ける。送信信号のスペクトルが比較的フラットであるか、送信信号スペクトルの平均的な形状が既知である場合(パイロット信号や、シンボル長より十分に長い時間受信した場合など)、送信信号スペクトルと受信信号スペクトルを比較することによって、複数の周波数のそれぞれの損失量を知ることができる。帯域内の各周波数の損失量から振幅（電力値）のばらつき具合を推定し、Kファクタを推定できる。

このようにすることによって、広帯域信号の場合もKファクタ推定が可能となり、推定したKファクタから距離推定を行うことで、距離の推定精度を上げることができる。

以上の形態では、Kファクタ推定に使用する電波は、距離を測定する対象となる無線送信機が送出した電波であった。しかし、無線受信機が壁や天井など固定された場所にある場合、その時、距離を測定したい無線送信機の電波を使用せずに、あるいは、その無線送信機の電波を使用するとともに、周辺の他の無線送信機から受信する電波を使用して、周辺の空間のパスモデルとしてのKファクタを求める方法もある。

図６および図７は、そのような実施形態を説明するための図である。図６において、無線送信機9は、無線受信機1がその時点で距離を測定する対象となる端末である。無線受信機1は以前に無線送信機10-1および10-2、さらには図示しない他の複数の無線送信機からの電波を受信している。

図７は、電波の信号の受信タイミングを説明するための図である。信号100-n (n= 1〜N)は無線送信機10-1、10-2を含む他の無線送信機からの信号である。信号101は無線送信機9からの信号である。

無線受信機1の動作は基本的には図1と同様であるが、Kファクタ推定については、過去の期間に他の無線送信機から受信した信号から抽出した電力などの情報も使用する。推定したKファクタを用いて行う見通し電力成分の推定、および距離の計算は図1と同様に行う。

Kファクタ推定は、図７の期間Aのように、過去に他の無線送信機から受信した信号100-1,…,100-n,…,100-N…に基づいて十分に尤もらしいKファクタを推定しておき、無線送信機9に対して使用しても良い。Kファクタの値は新規の受信がある度に随時更新しても良いし、定期的に更新しても良い。さらには、その時に保存している値の尤もらしさが下がった時に、Kファクタの値を更新しても良い。

また、図７の期間Bのように、過去に他の無線送信機から受信した信号100-1,…,100-n,…,100-N…の他、距離を推定する対象となる無線送信機9から受信した信号101も使用しても良い。

距離推定したい無線送信機以外の無線送信機はそれぞれ距離が異なっている。したがって受信電力もそれぞれ異なっている。さらには、それぞれの無線送信機の無線受信機に対する角度も異なっているために、無線送信機が見通し外であったり、非常に近い場所にあることもある。

そこで、過去に受信した信号を電力（あるいはRSSI等）とKファクタとの組の類似度に基づきいくつかのグループに分類しておくとよい。そのグループに属する信号のデータ（受信電力等）を一緒に用いて、グループのKファクタを推定しておく。類似度は、例えば電力とKファクタとを軸とする空間上での距離によって定義してもよい。その上で、距離を推定したい無線送信機の電力やKファクタに近いグループを選択し、そのグループに属する信号のデータ（受信電力等）を一緒に用いて、改めてKファクタを推定するとよい。あるいは、そのグループのすでに推定されているKファクタを使用するとよい。このようにすることで、多くのサンプルが反映されたKファクタを利用することができる。なお、同じグループ内の複数の異なる無線送信機から過去に信号を受信した際にこれらの無線送信機までの距離や受信電力は全く同じではないため、これらの無線送信機からの信号を合わせてKファクタ推定するときには、それぞれの平均電力または推定した見通し成分電力が等しくなるように、各電力を正規化してからKファクタ推定を行うとよい。

図８は本発明の他の実施形態を説明するための図である。前述のように、推定されるKファクタは、無線送信機と無線受信機の位置関係で大きく変化する。Kファクタが著しく下がっている、すなわち、見通し外成分電力の比率が上がっているということは、無線送信機と無線受信機の間に見通し成分がない、すなわち、無線送信機は見通し内にいない可能性がある。電力から距離を推定する際に用いる減衰定数は、見通し成分の有無で大きく変化することが知られている。

そこで本実施形態では、Kファクタ推定の結果に対応して、減衰定数の値を変更する。図８において、Kファクタ推定部5は推定したKファクタの値を、定数選択部11に出力する。定数選択部11はKファクタの値に対応して適切な減衰定数を選択し、選択した減衰定数の値を距離計算部7に出力する。定数選択部11の内部バッファまたは定数選択部11からアクセス可能な記憶部には、Kファクタの値に対応してあらかじめ適切な減衰定数を定めた対応テーブルが保存されている。減衰定数の値は、可能であれば実環境での実験などで決定するとよい。

減衰定数の値は、たとえば、Kファクタの値が閾値以上か未満かで、切り替えるとよい。閾値は2つ以上あっても良く、3段階以上で減衰定数を細かく切り替えても良い。また、定数選択部11は、閾値との比較ではなく、減衰定数をKファクタの関数として計算するアルゴリズムを持っていても良い。

このようにすることによって、無線送信機と無線受信機の間に障害物があり、見通し外となっていても、より実際の距離に近い距離を推定することが可能となる。

なお、Kファクタが著しく低く無線送信機が見通し内にいないと推定される場合、そのことを示すデータを、結果出力端8の後段処理部に警告として出力しても良い。あるいは、Kファクタを、計算した距離とともに結果出力端8の後段の処理部に出力してもよい。後段の処理部が距離をどのように利用するかによるが、たとえばトラッキングを行っている場合、Kファクタが著しく低い距離の値を使用しないことで、外れ値による追従はずれを抑圧するといったことが可能になる。

図９は本発明の他の実施の形態を説明するための図である。ここまでの実施形態では無線受信機のアンテナ構成に特段の制限はなかった。図９の形態では無線受信機1はアレイアンテナ12を具備する。また、無線受信機1は、方向推定部13とビーム形成・信号算出部14を具備する。

アレイアンテナ12は複数のアンテナ素子を有する。受信処理部3は、アレイアンテナ12の各アンテナ素子で受信した信号をそれぞれ図1の場合と同様に処理してRSSI抽出部4に出力する。また、受信処理部3は、アレイアンテナ12の各アンテナ素子で受信した信号を方向推定部13に出力する。

無線送信機9の位置を1局の無線受信機で推定するためには方向（角度）と距離が必要であるが、アレイアンテナ12によって方向推定が可能となり、よって距離の計算結果と合わせることで、無線送信機9の位置が推定できる。また、アレイアンテナ12を使用することで、ここまで記述してきた方法とは異なる方法でKファクタを推定することもできる。

方向推定部13は、アレイアンテナ12の複数のアンテナ素子からの受信信号を処理して、たとえば、ＭＵＳＩＣ(MUltiple SIgnal Classification)のようなアルゴリズムで、無線送信機9の方向を推定する。方向推定部13は、推定した方向の値を、結果出力端8の後段の処理部に出力してもよい。後段の処理部は、推定された方向と、距離計算部7で計算された距離とから、無線送信機9の位置を推定すればよい。

図９の形態では、さらに、方向推定部13は、算出した方向の値を、ビーム形成・信号算出部14に出力している。ビーム形成・信号算出部14は、アレイアンテナ12での受信信号と推定された方向とを用いて、その方向から到来する成分を受信信号からビーム形成（例えばウェイト演算）により抽出している。算出した成分（ビームで抽出した成分）はKファクタ推定部5に送られ、Kファクタ推定に使用される。

このようにビームで抽出した成分の信号強度からKファクタを推定する方法はいくつかある。

１番目の方法として、複数サンプルでのビーム抽出成分の信号の強度のばらつきから、既述した方法でKファクタを推定することができる。既述のKファクタ推定方法では、無限個のサンプルが得られた場合にそれらのサンプルによって形成されるライス分布のKファクタの値が大きいほど、推定精度が高い。複数サンプルでビーム算出を行うことにより、ビーム外にある見通し外成分の電力が除去され、算出されるKファクタは、ビーム抽出しなかった場合より高くなる。そのため、本方法を用いることで、ビーム抽出しない場合より、高いKファクタ推定精度が期待できる。本方法を用いる場合、LOS電力推定部6で見通し電力を推定する際に用いる全受信電力P_allは、ビームを形成して抽出した成分の電力とし、かつ、G_rx（数６参照）としてアンテナ素子の利得のみでなくビーム形成によるアンテナ利得も含めたものを用いればよい。

２番目の方法としては、アンテナ開口径を大きくしビームを細くして、ビームでほぼ見通し成分のみを抽出するようにする。ビームで抽出された電力とビームで除去された電力の比を取ることにより、Kファクタが計算できる。ビームで除去された電力は、たとえば受信電力からビームで抽出された電力を減算することで計算できる。なお、ビームが十分に細く完全に見通し成分のみ抽出できれば、Kファクタを推定せずとも、そのままビーム抽出成分の電力を距離に換算することもできる。ただし、ビームを十分に細くするにはアンテナ径、アンテナ本数の面から現実的ではない。

３番目の方法として、見通し外成分はおおよそ全方向からランダムに到来していると仮定して、ビーム幅からその中に含まれる見通し外成分の電力を推定する。推定した見通し外成分の電力を、ビームで除去された見通し外成分の電力に加算して、見通し外成分電力合計値とし、また、ビーム抽出電力からビームに含まれる見通し外成分電力を引いて、見通し成分電力とする。これら見通し成分電力と見通し外成分電力合計値からKファクタを推定する。あるいは、ビーム抽出電力から見通し外成分電力推定値を引いた電力から距離を直接、推定しても良い。

４番目の方法としては、ビーム形成方式としてDCMP(方向拘束付電力最小化規範)を用いても良い。DCMPでは、特定の方向のみビームの振幅を固定した上でビーム抽出電力を最小化するビーム形成方式である。特定の方向を信号の見通し成分の方向とすれば、見通し成分の信号は算出でき、それ以外から到来する見通し外成分電力の寄与は最小化できる。見通し成分の角度の直近にいる見通し外成分の電力が小さければ、見通し成分の電力を、より高い精度で算出できる。

なお、Kファクタ推定のためにビームを形成する場合、到来方向推定は必須ではなく、外部装置から方向情報の入力を受けて、その方向にビームを形成しても良い。

アレイアンテナを使用した他のKファクタ推定方法としては、ビームを形成せず、個々のアンテナ素子の電力のばらつきから推定する方法も可能である。この方法を複数周波数での送信や複数回の送信と併用することで、Kファクタ推定に用いるサンプル数を増加させても良い。電力のばらつきからのKファクタ推定は高い精度を得るために通常、非常に多数のサンプルを用いる。稼働中の無線システムでは、送信期間・パケット数などが他の条件で限られているためサンプル数が少なく、精度が落ちることが多いが、アンテナ素子毎の電力を用いることでアンテナ素子数を掛けた分だけ、サンプル数を増加させられる。ただし、この形態で効果を得るためには、アンテナ開口径を大きくしアンテナ間相関を下げる必要がある。本方法を用いる場合、LOS電力推定部6で見通し電力を推定する際に用いる全受信電力P_allは、全アンテナ素子の受信電力の平均とすればよい。

なお、受信処理部3は各アンテナ素子の信号を必ずしも同時に処理する必要はない。たとえば、ＢＬＥ(Bluetooth Low Energy)ではアレイアンテナによる方向測定が規格化されているが、この規格では、アレイアンテナの出力部に切り替えスイッチが設けられており、アレイアンテナの各アンテナ素子をスイッチで時系列に切り替えて受信する。このように、受信処理部3はアンテナ素子を切り替えて受信し、常に1系統のアンテナの処理を行う形としても良い。

図１０は本発明の実施の形態の1つであり、無線受信機において、本発明を実施するアルゴリズムのフローチャートである。

無線受信機は無線送信機からの複数の周波数の電波を受信する(200)。次に、各周波数で受信した電波の受信電力からRSSIを算出する(201)。算出したRSSIのばらつきからKファクタを推定する(202)。受信電力と、Kファクタから、受信電力における見通し成分の電力を推定する(203)。見通し成分の電力から無線送信機までの距離を推定する(204)。

このようにすることによって、フェージングによる受信電力のばらつきによる影響を軽減し、より高い精度で距離を推定することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。たとえば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 無線受信機
２ アンテナ
３ 受信処理部
４ ＲＳＳＩ抽出部
５ Ｋファクタ推定部
６ ＬＯＳ電力推定部
７ 距離計算部
８ 結果出力端
９ 無線送信機
１０ 無線送信機
１１ 定数選択部
１２ アレイアンテナ
１３ 方向推定部
１４ ビーム形成・信号算出部
１００ 信号
１０１ 信号
２００〜２０４ 処理

Claims (14)

1. 電波放射器から電波を受信する受信処理部と、
   前記電波の受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定するパラメータ推定部と、
   前記パラメータと、前記受信電力の値とに基づき、前記受信電力における見通し成分の電力を推定する電力推定部と、
   前記見通し成分の電力に基づき前記電波放射器までの距離を計算する距離計算部と
   を備えた無線受信機。
2. 前記パラメータ推定部は、前記受信電力のばらつきに基づき、前記受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定する
   請求項１に記載の無線受信機。
3. 前記電波放射器は無線送信機である
   請求項１または２に記載の無線受信機。
4. 前記受信処理部は、前記電波放射器から複数の周波数で放射された電波を前記周波数ごとに受信し、
   前記電力推定部は、前記複数の周波数の前記受信電力のばらつきに基づき前記見通し成分の電力を推定する
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線受信機。
5. 前記受信処理部は、前記電波放射器から放射された広帯域の電波を受信し、
   前記電力推定部は、前記広帯域の電波の受信信号における複数の周波数の電力値のばらつきに基づき、前記見通し成分の電力を推定する
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線受信機。
6. 前記パラメータ推定部は、前記電波の受信電力と、前記電波放射器から前記電波を受信する時点までに他の電波放射器から受信された電波の受信電力とに基づき、前記パラメータを推定する
   請求項１に記載の無線受信機。
7. 前記距離計算部は、伝搬路の減衰に関する定数と、前記パラメータを用いて前記距離を計算し、前記パラメータの値に応じて前記定数の値を変える
   請求項１に記載の無線受信機。
8. アレイアンテナを備え、
   前記受信処理部は、前記アレイアンテナを介して前記電波を受信する
   請求項１に記載の無線受信機。
9. 前記パラメータ推定部は、前記電波放射器の方向に形成したビームで抽出した成分の信号の強度と、前記受信電力の値とに基づき、前記パラメータを推定する
   請求項８に記載の無線受信機。
10. 前記アレイアンテナで受信した電波の受信信号から前記電波放射器の方向を推定する方向推定部
    を備えた請求項８に記載の無線受信機。
11. 前記パラメータ推定部は、前記電波放射器の方向に形成したビームで抽出した信号の強度のばらつきから前記パラメータを推定する
    請求項８に記載の無線受信機。
12. 前記パラメータは、前記見通し成分の電力と見通し外成分の電力の比を表す
    請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の無線受信機。
13. 電波放射器から電波を受信し、
    前記電波の受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定し、
    前記パラメータと、前記受信電力の値とに基づき、前記受信電力における見通し成分の電力を推定し、
    前記見通し成分の電力に基づき前記電波放射器までの距離を計算する
    無線受信方法。
14. 電波を送信する電波放射器と、
    前記電波放射器から電波を受信する受信処理部と、前記電波の受信電力のうち見通し成分の電力の割合に関するパラメータを推定するパラメータ推定部と、前記パラメータと、前記受信電力の値とに基づき、前記受信電力における見通し成分の電力を推定する電力推定部と、前記見通し成分の電力に基づき前記電波放射器までの距離を計算する距離計算部と
    を備えた無線システム。

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