JP4156592B2 - 無線ネットワーク内にある無線通信装置の場所を特定する装置 - Google Patents

無線ネットワーク内にある無線通信装置の場所を特定する装置 Download PDF

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Description

本発明はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１やＨｉｐｅｒｌａｎ（ＴＭ）などの無線ＬＡＮ（local-area network)(ＷＬＡＮ）インフラストラクチャのアクセス・プロトコルのもとに参加している通信装置に場所認識機能を提供するために無線ネットワーク内において当該通信装置の場所を特定する装置と方法に関する。特に、本発明は無線ネットワークの到達範囲内において移動局とタグ付き対象物（tagged object)の場所を特定することを可能にするものである。
移動コンピューティング装置と無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮとも略称される）が急速に広まった結果、正確に場所を認識するシステムとサービスが関心を引きつつある。
特に関心が持たれているのは元来、無線データ・トラフィックをサポートするように設計され、場所認識サービスを可能にする機能も備えたＷＬＡＮのインフラストラクチャをアップグレードすることである。これらのＷＬＡＮ（たとえばＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１やＨｉｐｅｒｌａｎ（ＴＭ）など）の動作（ＰＨＹ層とＭＡＣ層）は標準化されているが、元来、無線データ・トラフィックだけのために設計されたものである。特に、ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準に基づいたＷＬＡＮが急速に広まっているので、付加価値を実現しうる機能を付加することがきわめて望ましい。したがって、上記した標準の組と矛盾しない場所認識機能を実現することが重要である。
全地球測位システム（Global Positioning System:ＧＰＳ）と無線の拡張９１１（Ｅ−９１１）型移動電話サービスとは場所探索の課題に取り組んでいる。しかし、これらの技術は、独自の市場と技術的課題を有する室内の場所認識を正確に行なうことができない。
移動局の場所を特定するために、移動局とアクセス・ポイントとの間の無線フレーム交換に由来する受信信号強度（received signal strength: ＲＳＳ）および／または時間遅延（time delay: ＴＤ、遅延時間ともいう）などの測定パラメータを取得して利用することができる。（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす。）
パラムヴィール・バールとヴェンカタ・パドマンバーンの「ＲＡＤＡＲ：構築中の、ＲＦに基づいてユーザの場所を特定し追跡するシステム」なる名称の論文（アイ・トリプルイー インフォコム、イスラエル、２０００年３月、第７７５〜７８４頁）（Paramvir Bahl and Venkata Padmanbhan, "RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System" , IEEE INFOCOM, Israel, March 2000, pp. 775-784.)には、所望の位置探索範囲内の様々な場所にある１組のアクセス・ポイント（ＡＰ）を使用して移動局にＲＳＳパラメータを付与し、チャネル減衰モデル（channel attenuation model)を用いた三角法によって場所の推定値を求めることが示唆されている。
従来技術には純粋なソフトウェアによる解決策も教示されている。それは所望の場所範囲当たり少なくとも３つのＡＰから成る組を用いてＲＳＳデータを生成しシグニチャ法（signature method) による処理の用に供するものである。
移動局までの距離を概算するために同一の場所範囲内に応答局として複数のＡＰを使用することは分かりやすい選択肢であるが、ＷＬＡＮインフラストラクチャの導入、データ処理能力、コスト、および、追加の場所認識機能の適用可能性に関していくつかの難点がある。ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ ＷＬＡＮ標準で使用している用語法を参照すると、ＡＰとは当該ＡＰに関連付けられた局に対して送受信するデータ・トラフィック用の専用領域すなわちセル内に無線アクセスを提供して基本サービス組（ＢＳＳ）を形成するもののことである。ＡＰの別の機能は分配システム（ＤＳ）内においてデータの転送を調整することである。この分配システム（ＤＳ）は異なるＢＳＳにサービスを提供する他のＡＰに接続されており、そして既存の有線ＬＡＮに接続しているポータルに接続されている。導入時には、建物内におけるＡＰの物理的な配置を注意深く選定し、電波の到達範囲を最適化するとともに同一のチャネルまたは近接するチャネルで動作するＡＰ間において生じうる干渉を最小化する必要がある。１つのＡＰの到達範囲内にある１つのＢＳＳにサービスを提供するために物理的に配置するＡＰを１つだけにするということと、（従来技術の解決策に従って追加のＡＰを用いて）上記と同じ到達範囲内における場所の検知に対して応答する局を２〜３局にするという要件との間には矛盾がある。ＷＬＡＮが所定の敷地または構内を対象にするために拡張サービス組（ＥＳＳ）を形成するいくつかのＢＳＳから成る場合、状況はより厳しくなる。この場合、１つのセルに１つのＡＰを配置して１つのＥＳＳを形成するにはセルの配置を計画し頻繁に割り当てることになるから、最良の場所検知結果を得るために、最適化した場所に少なくとも３つのＡＰを配置するという慣用方法との矛盾はより顕著になる。また、可聴範囲内のＡＰ群を同一のチャネルで動作するように選定すると相互干渉が激しくなるので、ＱｏＳ（quality of service: サービス品質）に対処した将来の拡張プロトコル（たとえばＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｅなど）を導入することが不可能になる。
不都合なのは、局はＡＰとの通信に先立って自身の認証と関連付け／再関連付けを行なう必要があるが、それには局とＡＰとの間でフレーム交換をいくつか行なう必要があるから、余分なプロトコルが多数必要になる、という点である。場所の検知を支援するために余分なＡＰを使用すると、余分なプロトコルの数がますます多くなる。従来技術のさらに不都合な点を挙げると、ＡＰ群から成る組と通信するために、局が完全なプロトコル・スタックをサポートしている点である。これによりハードウェアとソフトウェア（ＷＬＡＮアダプタやホスト・コンピュータなど）の完全な組が必要になるから、きわめて低廉で省電力型のハードウェア（たとえば対象物の場所を特定するための無線タグなど）を必要とするアプリケーションを導入することが不可能になる。
パラムヴィール・バールとヴェンカタ・パドマンバーン：「ＲＡＤＡＲ：構築中のＲＦに基づくユーザの場所確認・追跡システム」（アイ・トリプルイー インフォコム、イスラエル、２０００年３月、第７７５〜７８４頁）（Paramvir Bahl and Venkata Padmanbhan, "RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System" , IEEE INFOCOM, Israel, March 2000, pp. 775-784.)
以上の点から分かるように、当技術分野には無線ネットワーク内にある通信装置の場所を特定する方法を改善する必要性がいまだに存在する。また、局またはタグの位置を数メートルの精度で特定することがコスト効率の高い局またはタグの観点から望まれている。
本発明によれば、無線ネットワーク内にある通信装置の場所を特定する装置が得られる。その装置は、前記通信装置が前記無線ネットワークの到達領域に位置するときに前記通信装置と通信する少なくとも２つのトランスポンダ装置と、前記トランスポンダ装置から受信する情報に基づいて前記到達領域内にある前記通信装置の位置を導出する処理装置とを備えている。
本発明の別の側面によれば、無線ネットワーク内にある通信装置の場所を特定する方法が得られる。その方法は、前記通信装置が前記無線ネットワークの到達領域に位置するときに前記通信装置と通信する少なくとも２つのトランスポンダ装置を配置するステップと、前記トランスポンダ装置から情報を受信するステップと、受信した前記情報に基づいて前記到達領域内にある前記通信装置の位置を導出するステップとを備えている。
概説的に述べると、トランスポンダ装置から成る個別かつ自律型のサブシステムを使用する。これにより、最適化した所望の到達領域を有するアクセス・ポイントを物理的に配置する要件と、場所検知の最適な結果を得るために上記したものと同一の到達領域内に場所探索トランスポンダ装置を配置する要件との間の矛盾を解消することが可能になる。独立かつ静止した場所探索トランスポンダ装置から受信する受信信号強度（ＲＳＳ）および／または時間遅延（ＴＤ）データを収集し処理し、移動局またはタグ付き対象物（すなわち通信装置）の限局された位置（local position）を特定する。（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす。）換言すると、移動局またはタグ付き対象物の場所の特定は、移動局またはタグ付き対象物と、固定され、かつ位置が既知の通常は３つの応答局から成る組との間で無線フレームを交換することにより受信信号強度（ＲＳＳ）および／または時間遅延（ＴＤ）などの測定パラメータを取得することにより行なうことができる。次いで、その情報から移動局またはタグ付き対象物の場所を推定または導出することができる。
本発明に係る装置または方法によれば、場所検知機能用にアクセス・ポイントを使用する不都合を解消することが可能になる。
処理装置を通信装置（局とも呼ぶ）に統合することができる。これにより、局自体が自分の位置を特定できるという利点が得られれる。これは自身の所在を通知するために通信装置として移動コンピュータを備えたユーザにとって有益である。
通信装置としては商品に容易に取り付け可能なタグまたは無線タグ装置を用いることができる。これにより、建物または区画された領域内にある商品の場所をほぼ正確に特定することが可能になる。
トランスポンダ装置（場所探索トランスポンダ装置とも呼ぶ）、および対象物を追跡するための低コストかつバッテリ節減型の、本発明の適用例を代表する無線タグは縮小プロトコル・スタックで動作しうるとともにホスト・システムを付加しなくとも動作しうる。したがって、コストとプロトコルのオーバーヘッドを最小化することができる。各トランスポンダ装置または無線タグはＰＨＹ層（物理層）と、ＭＡＣ層（メディア・アクセス層）と、上記適用例に適合しうるとともにそれに合わせて設計された論理リンク制御機能とから成る縮小組を備えることができる。これにより、コスト効率の高いトランスポンダ装置または無線タグから成る構成をいくつか実現することが可能になる。
完全なプロトコル・スタックをサポートしている通常の無線ＬＡＮ（local-area network）（ＷＬＡＮ）局の場所を特定するために、大幅に縮小したプロトコル・スタックで動作する低コストの第１の型のトランスポンダ装置（第１のトランスポンダ装置または第１のトランスポンダ型とも呼ぶ）から成る組を適用することができる。第１のトランスポンダ装置は各々、通常局が検知目的で送信する入来ユニキャスト・データ・フレームに対してのみ確認応答を行なう。これにはアクセス・ポイントとの関連付けが必要ないから、プロトコルのオーバーヘッドを最小化することができる。
無線タグの場所を特定するために、第２のトランスポンダ装置（各々は第２のトランスポンダ装置または第２のトランスポンダ型とも呼ぶ）から成る組を使用することができる。第２のトランスポンダ型から成るこの組はより完全なプロトコル・スタックを実行することができるとともに、可聴範囲内にあるアクセス・ポイントに関連付けられている。無線タグはすべての第２のトランスポンダ装置に属すグループ・アドレスに宛てたマルチキャスト・フレームだけを通常の間隔で送出している送信機機能を用いて実装することができる。これにより、きわめて低コストでバッテリを節減しうる実装を実現することが可能になる。
通常のＷＬＡＮ局および無線タグの双方をサポートしている第１のトランスポンダ型と第２のトランスポンダ型とを組み合わせることにより、用途の組み合わせを実現することができる。
アクセス・ポイント装置はトランスポンダ装置に接続することができる。アクセス・ポイント装置はトランスポンダ装置から情報を受信し、その情報を処理装置に転送する。これにより、トランスポンダ装置の情報をさらに通知するためにアクセス・ポイント装置を使用する場合、通信装置の場所の特定用のアクセス・ポイント装置は１つで十分であるとうい利点が得られる。
また、アクセス・ポイント装置は通信装置を介してトランスポンダ装置に接続することができる。アクセス・ポイント装置は通信装置を介してトランスポンダ装置から情報を受領する。そうすることにより、アクセス・ポイント装置は通信装置とだけ通信すればよいことになる。
少なくとも２つのトランスポンダ装置、通信装置、およびアクセス・ポイント装置は到達範囲内にある通信装置の場所を決めるのに十分な情報を提供する基本サービス組を形成することができる。
到達範囲内に少なくとも３つのトランスポンダ装置を備えると、場所特定の精度が向上する。
通信装置の場所を導出するには、三角法またはシグニチャ法を用いることができる。シグニチャ法は実行するのが用意であるから、好適な方法である。通常、シグニチャ法はアクセス・ポイント装置を無計画に導入した場合に適用する。
本発明において場所認識の適用例を参照する場合、当該適用例はたとえば次に示す分野が予定されている。
−−会社
・サービスやリソースを場所の認識に基づいて提示すること。たとえばユーザの場所に応じた利用可能なデータ速度の表示など。
・無線接続されたラップトップ・コンピュータ、ＰＤＡ（personal digital assistant）、およびタグ付き対象物追跡用の場所探索ツール
・ユーザがアクセスしうる区画を限定することにより無線セキュリティを高めてアクセス区域外からの無線ハッキングを防止すること
−−小売り
・来訪者の振る舞いを追跡するために、百貨店とショッピング・モールがとる処置
・来訪者の所在地に基づく直接的な売り込みと販売促進・無線タグ付きの高価な対象物の追跡
−−健康管理
・非常用に無線警報システムを携行する患者の追跡
・ＰＤＡを携行する病院スタッフの追跡
・車椅子など、病院の移動式備品の追跡
−−社会
・場所探索対応のＰＤＡを用い表示に従って移動すること
・ＰＤＡ上にタグ付き対象物の情報を表示すること
図１を参照する。図１は無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）用の通信装置の位置を特定する（localize）ための位置探索（location）トランスポンダ・サブシステムを使用しうる通信環境の一般的な配置を示す図である。図中、同一の参照符号は同一または類似の部品を表す。本発明の実施形態を説明する前に、いくつかの基本的な事項を本発明に従って説明する。
通信装置（すなわち移動局またはタグ）の場所は三角法またはシグニチャ法を用いて特定することができる。
三角法は探索する場所の三角計算に基づいており、その際、移動局と固定応答局との間の見通し伝搬距離の推定値を考慮する。見通し伝搬距離の推定値は見通し伝搬時間の測定値（ＴＤ）、または受信信号強度（ＲＳＳ）の測定データから伝搬距離を推定するチャネル減衰モデルから導出することができる。
シグニチャ法では初期の場所調査の結果を使用する。初期の場所調査では最初に自動無線記録装置を使用して、アクセス可能な各応答局からＲＳＳおよび／または時間遅延（ＴＤ）を所定の場所ごとに収集する。そして、ＲＳＳの測定値および／またはＴＤパラメータを出している移動局の位置を推定するために、記録済みのシグニチャ・データベースから最も一致度の高い場所を探索して最も有望な場所を見つける。
以下、位置探索トランスポンダ・サブシステムの実施形態をＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１メディア・アクセス（ＭＡＣ）ＷＬＡＮ標準について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態によるＷＬＡＮアーキテクチャを備えた通信環境の概念図である。図１には第１のアクセス・ポイント（ＡＰ−１）が示されている。第１のアクセス・ポイント（ＡＰ−１）は通信装置１０（以下、クライアント局１０または局１０とも呼び、ＳＴＡなる標識を付す）に接続され、第１の基本サービス組（ＢＳＳ−１）を形成している。第１のアクセス・ポイント（ＡＰ−１）は専用領域すなわちセル（換言すれば到達領域）内に、第１のアクセス・ポイント（ＡＰ−１）に付随する局１０に対してＷＬＡＮのデータ接続８を介して送受信するデータ・トラフィック用に無線アクセスを提供している。ここでは、局１０は３つの第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−１１、ＴＰａ−１２、ＴＰａ−２２）によって取り囲まれている。この結果、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−１１、ＴＰａ−１２、ＴＰａ−１３）は第１の基本サービス組（ＢＳＳ−１）の到達範囲内に事前に配置され、位置検知接続６を介して局１０と通信しうるように適合することになる。第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−１１、ＴＰａ−１２、ＴＰａ−１３）は固定かつ最適化された場所に位置しているから、良好な位置探索結果を出力する。
局１０は移動局であるから、経路７に沿って第２の基本サービス組（ＢＳＳ−２）の到達範囲領域まで移動する。ここでは、第２の基本サービス組（ＢＳＳ−２）は第２のアクセス・ポイント（ＡＰ−２）を備え、さらに第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−２１、ＴＰａ−２２、ＴＰａ−２３）を備えている。また、図１には第３の基本サービス組（ＢＳＳ−３）も示されている。第３の基本サービス組（ＢＳＳ−３）は第３のアクセス・ポイント（ＡＰ−３）を備え、さらに第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−３１、ＴＰａ−３２、ＴＰａ−３３）を備えている。したがって、局１０は第２の基本サービス組（ＢＳＳ−２）からここまで移動することができる。
各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）は分配システム３に接続されている。分配システム３は分配接続９を介して情報を正確なアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）に伝達し、局１０への後続する分配の用に供する任に当たる。これにより、拡張基本サービス組（ＥＳＳ）が形成される。また、分配システム３はポータル１２を介して既存の有線のＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．ｘ型ＬＡＮ(local area network)４に接続されている。ＬＡＮ４は到達範囲領域内にある局１０の位置を導出する処理装置１４を備えたＷＬＡＮアドミニストレータ局すなわち位置探索サーバを備えている。しかしながら、局１０の位置を導出する処理装置１４は当該局１０自体に配置することができるから、自己始動型の位置推定が可能になる。ある基本サービス組（ＢＳＳ）から別の基本サービス組（ＢＳＳ）へ移動する移動局（たとえば局１０）は各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）に対する関連付けまたは再関連付けを確立するフレームを交換することによりハンドオーバすることができる。
説明を簡易にするために以下の記述においては、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−１１、ＴＰａ−１２、ＴＰａ−１３；ＴＰａ−２１、ＴＰａ−２２、ＴＰａ−２３；ＴＰａ−３１、ＴＰａ−３２、ＴＰａ−３３）をＴＰａ−ｎｍと標記する（ただし、ａは第１のトランスポンダ装置を表し、ｎ、ｍはそれぞれアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）とトランスポンダ番号を特定する添え字である）。
局１０の位置を取得するために、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）は場所検知情報を出す特定の第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）に宛てたユニキャスト・データ・フレームの確認応答だけを可能にする縮小プロトコル・スタックで動作する。場所検知情報の流れは、図７に示すとともに同図を参照して記述したメッセージ・シーケンス図を用いて説明する。
図２は図１に示す通信環境において第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）から成る組内で使用可能な第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）のアーキテクチャの概念図である。第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）は第１のトランスポンダ・アンテナ２０と物理層（ＰＨＹ）の機能を実行する回路とを備えている。物理層（ＰＨＹ）の機能の実行はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準に従って無線信号を送受信する、ＲＦ送信装置２１とＲＦ受信装置２２、ベースバンド送信装置２３とベースバンド受信装置２４によって行なう。受信信号強度（ＲＳＳ）の測定はＰＨＹ層において実行するが、ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準の一部である。また、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）はマイクロプロセッサまたはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）を用いて実装された縮小ａ型のＭＡＣスタック（Ｒ−ＭＡＣａ）装置２５を備えている。Ｒ−ＭＡＣａの機能は入来するデータ・フレームをフィルタリングして無エラーの受信と正確なＭＡＣアドレスを実現すること、および、短フレーム間スペース（ＳＩＦＳ）の後に確認応答フレーム（ＡＣＫ）を付してＰＨＹ層に渡し送信の用に供することである。さらに、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）は正確にＳＩＦＳ時間の後にＡＣＫフレームを送信する増設回路を備えてもよい。それにより、局１０と第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）との間の距離を伝搬時間に基づいて推定することが可能になる。時間遅延の測定を実行する増設回路は次に示す欧州特許庁の特許出願第０２００９７５２．３号（名称「場所認識サブシステム（Geolocation Subsystem)」、２００２年４月３０日出願、現在本出願人に承継済み）に記載されている。あるいは、トランスポンダの応答をトリガするために他のフレーム種別（たとえば送信要求（Request-to-Send:ＲＴＳ）と送信許可（Clear-to-Send:ＣＴＳ）など）を用いることも可能である。
図３は特定すべき位置にあるとともに図１に示す通信環境において使用可能な局１０のアーキテクチャの概念図である。局１０はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準で提案されているＰＨＹ層とＭＡＣ層を備えている。局１０はアンテナ３０と物理層（ＰＨＹ）の機能を実行する回路を備えている。物理層（ＰＨＹ）の機能は通常、ＷＬＡＮアダプタ・カードに含まれている。物理層（ＰＨＹ）の機能はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準に従って無線信号を送受信する、ＲＦ送信装置２１とＲＦ受信装置２２、ベースバンド送信装置２３とベースバンド受信装置２４が実行する。また、局１０はＭＡＣスタック装置３５を備えている。ＭＡＣスタック装置３５はホスト・マイクロプロセッサ・システムと、局１０のホスト・マイクロプロセッサ・システムにおいて実行可能な場所データ・パケット・ハンドラ・ソフトウェア・モジュール３６とを用いて実装されている。このソフトウェア・モジュール３６はアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）から受信するデータ・フレームに組み込まれた場所探索コマンドを認識することができる。上記データ・フレームは範囲内に存在する可能性の高い第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）の１組のＭＡＣアドレスと、この第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）が動作する際に依拠するチャネルを示す情報とを備えている。場所検知情報の流れは、図７に示すとともに同図を参照して記述したメッセージ・シーケンス図を用いてより詳細に説明する。一般に、局１０は場所探索コマンドを受信すると、個別の第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）に宛てて「０」データのフレームを送信する。そして、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）から受信するＡＣＫごとに、受信信号強度（ＲＳＳ）を当該第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）のＭＡＣアドレスとともに記録する。局１０が（上述したように）時間遅延を測定する回路も備えている場合には、この時間遅延も記録する。確認応答をすべて受信したら、あるいは、タイムアウト（時間切れ）になったら、記録済みのデータを集め、タイムスタンプを付し、ＷＬＡＮアドミニストレータ中の処理装置１４に各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）を経由して送付する。あるいは、トランスポンダの応答をトリガするのに他のフレーム種別（たとえば送信要求（ＲＴＳ）と送信許可（ＣＴＳ）など）を使用することも可能である。
図４は本発明の第２の実施形態に従いタグ付き対象物の場所を特定する（localize）ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１アーキテクチャを備えた通信環境の概念図である。この第２の実施形態用の構成は図１に示すとともに同図を参照して説明した第１の実施形態と類似している。しかし、第２の実施形態は次に示す点において第１の実施形態と異なる。すなわち、局１０がタグ付き対象物を指すタグ４０で置換されている点、および、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）が第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）で置換されている点である。第２のトランスポンダ装置は「ＴＰｂ−ｎｍ」で表されている（ただし、ｂは第２のトランスポンダ装置の種別を表し、ｎ、ｍはそれぞれアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）とトランスポンダ番号を特定するための添え字である）。第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）は縮小プロトコル・スタックで動作するが、場所検知情報を中継するために１つのアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）への関連付けも可能にしている。したがって、第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）と各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）との間の通信はＷＬＡＮデータ接続８を介して行なうが、場所検知接続６は第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）とタグ４０との間で行なう。場所検知情報の流れは、図８に示すとともに同図を参照して記述したメッセージ・シーケンス図を用いてより詳細に説明する。
図５は図４に示す通信環境において第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）から成る組内で使用可能な第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）のアーキテクチャの概念図である。ＴＰｂ型の第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）は第２のトランスポンダ・アンテナ５０と物理層（ＰＨＹ）の機能を実行する回路とを備えている。物理層（ＰＨＹ）の機能の実行はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準に従って無線信号を送受信する、ＲＦ送信装置２１とＲＦ受信装置２２、ベースバンド送信装置２３とベースバンド受信装置２４によって行なう。また、第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）はマイクロプロセッサを用いて実装された縮小ｂ型ＭＡＣスタック（Ｒ−ＭＡＣｂ）も備えている。Ｒ−ＭＡＣｂの機能は第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）とそれが関連付けられたアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）との間においてＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘに従うデータ・トラフィックを可能にすることである。さらに、Ｒ−ＭＡＣｂはすべての第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）に有効なグループ・アドレスを備えた、タグ４０などの無線タグが出力するマルチキャスト・フレームを受信することができる。さらに、第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）はＲ−ＭＡＣｂを運用する任に当たるマイクロプロセッサにおいて実行しうる場所データ・パケット組立てソフトウェア・モジュール５６を備えている。この場所データ・パケット組立てソフトウェア・モジュール５６の機能はタイマ（図示せず）によって規定されたリスニング期間内に、対応するチャネルにおいて第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）から受信する各マルチキャスト・フレームのＲＳＳ、タグのＭＡＣアドレス、およびタイムスタンプを記録することである。タイマが満了したら、記録済みのデータを集め各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）を経由してＷＬＡＮのアドミニストレータ局の処理装置１４に送付する。アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）にデータを送信したら、リスニング期間を再開する。このリスニング期間は他のトランスポンダ装置または無線タグと共通の期間であるが、それらとは非同期である。
さらなる実施形態では、第３のトランスポンダ装置（図示せず）を適用することができる。ここでは第３のトランスポンダ装置を「ＴＰｃ−ｎｍ」で表す（ただし、ｃは第３のトランスポンダの種別を表し、ｎ、ｍはそれぞれアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）とトランスポンダ番号を特定する添え字である）。第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）は場所探索が有効なＷＬＡＮを訪問する外部局あるいはプロトコルに違反する外部局であって、場所データ・パケット・ハンドラ・ソフトウェア・モジュール３６を備えていない外部局の場所を特定するために使用する。第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）はＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘに従う通常のデータ交換サービスに参加するための完全なＷＬＡＮプロトコルまたはプロトコル・スタックをサポートしている。第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）と各アクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）との間の通信もＷＬＡＮデータ接続８を介して直接に行なう。一方、場所検知接続６は第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）と外部局との間で行なう。第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）はＷＬＡＮアドミニストレータ局の処理装置１４が出すコマンドを受信して解釈し、外部局の場所をそのＭＡＣ局アドレスによって特定しうるようにも適合している。したがって、第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）はこの外部局に「０」データを送信し、当該外部局はＡＣＫを用いて応答する。そして、外部局から受信したＡＣＫごとに、ＲＳＳデータを当該外部局のＭＡＣアドレスとともに記録する。外部局のＭＡＣアドレス、ＲＳＳデータ、およびタイムスタンプから成る収集・組立済みの情報は付随するアクセス・ポイント（ＡＰ−１、ＡＰ−２、ＡＰ−３）を経由してＷＬＡＮアドミニストレータ局の処理装置１４に転送して当該外部局の場所特定の用に供する。
図６は特定すべき位置にあるとともに図４に示す通信環境において使用しうる１つのタグ４０の概念図である。タグ４０はＰＨＹ層の実装しか備えていない。すなわち、タグ４０は第２のトランスポンダ・アンテナ６０と、ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１ｘ標準に従って無線信号を送信するＲＦ送信装置２１およびベースバンド送信装置２３によって物理層（ＰＨＹ）の機能を実行する回路とを備えている。また、タグ４０はマイクロプロセッサまたはＦＰＧＡで実装した縮小型タグＭＡＣスタック（Ｒ−ＭＡＣｔａｇ）を備えている。Ｒ−ＭＡＣｔａｇの機能はすべての第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）から成るグループに宛てたマルチキャスト・フレームをＰＨＹ層に渡し、非同期のタイマ「ＴＡＧ」が制御する規則的間隔での送信の用に供することである。各マルチキャスト・フレームを送信した後、タグの回路はバッテリの電力を節約するためにスリープ・モードに入る。マルチキャスト・フレームのボディは空であるか、あるいは追加のタグ情報（たとえばバッテリの電力状態など）から成る。対象地域全体に導入しうるように、マルチキャスト・フレームはすべて同一のチャネル上に伝送するのが望ましい。
〔ＴＰａ型のトランスポンダを用いたＷＬＡＮ局の場所検知〕
図７は第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）を用いて通常局（たとえば局１０）の場所を探索するメッセージ・シーケンス図における場所検出情報の信号フローの概念図である。このメッセージ・シーケンス図には最上部に通信エンティティの組が示されており、各通信エンティティは実行すべきタスクを示す垂直の棒線を備えている。時はこの棒線に沿い下方に向かって経過する。通信エンティティの組は左から右へ、ＷＬＡＮアドミニストレータ局の処理装置１４、アクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）、局１０、第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎ１、ＴＰａ−ｎ２、ＴＰａ−ｎ３）を表している。所定の局１０の場所特定プロセスの開始（initiation）は処理装置１４中の場所探索モジュールで開始する（start)（ボックス７１．１参照）。アクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）は処理装置１４および付随する局とデータをやり取りしうる状態にある（ボックス７１．２参照）。第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎ１、ＴＰａ−ｎ２、ＴＰａ−ｎ３）は「０」データ・フレームに対してＡＣＫフレームで応答しうる状態にある（ボックス７１．３参照）。当該局が現在関連付けられている各アクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）には情報フレームを送付する（矢印７２参照）。この情報フレームはメッセージを場所特定コマンドとして識別するためのすべての情報、ならびに、対応するアクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）の可能性のある範囲内に存在するすべての第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）のＭＡＣアドレスおよびチャネル情報を担持している。次いで、この情報フレームはアクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）を経由して対応する局１０へＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１１プロトコルを用いてさらに転送する（矢印７３参照）。ボックス７５に示すように、局１０は上記フレームを受信すると、常駐する場所データ・パケット・ハンドラ・ソフトウェア・モジュール３６を初期化した後、（矢印７４で示す）確認応答（ＡＣＫ）の後に、対応する第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｘ）に宛てた一連のユニキャストの「０」データ・フレームを対応するチャネル上に送信する（矢印７６参照）。（矢印７７で示すように）各ＡＣＫを受信したら、対応するＲＳＳおよび／またはＴＤを記録する（ボックス７８参照）。場所データ・パケット・ハンドラ・ソフトウェア・モジュール３６はさらに、受信した応答ごとにＭＡＣアドレス、ＲＳＳおよび／またはＴＤ、ならびにタイムスタンプから成る受信済みの場所特定情報を備えたデータ・フレームのボディを構築する。次いで、このデータ・フレームをＷＬＡＮアドミニストレータ局中の処理装置１４中の場所特定機能モジュールに転送する（矢印７９参照）。ここ、すなわち処理装置１４では、三角法またはシグニチャ法に基づいて位置の推定値を算出するために、受信済みのデータを処理する（ボックス８０参照）。あるいは、ＷＬＡＮアドミニストレータ局中の処理装置１４中の場所特定機能モジュールを局１０自体に常駐させてもよい。それにより、自己始動型の位置推定を行なうことが可能になる。
〔ＴＰｂ型のトランスポンダを用いた無線タグ付き対象物の場所検知〕
図８は第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）を用いてタグ付き対象物の場所を探索する別のメッセージ・シーケンス図における場所検出情報の信号フローの概念図である。タグ付き対象物（たとえばタグ４０）の経常的な更新（running update) を実現するために、場所検知は継続的に行なう。このメッセージ・シーケンス図には最上部に通信エンティティの組が示されており、各通信エンティティは実行すべきタスクを示す垂直の棒線を備えている。時はこの棒線に沿い下方に向かって経過する。通信エンティティの組は左から右へ、処理装置１４、アクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）、２つの第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎ１、ＴＰｂ−ｎ２）、タグ４０を表している。タイマが満了するごとに（たとえば毎分）、タグ４０は導入済みのすべての第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）に到達するのに有効なグループ・アドレスを備えたマルチキャスト・フレームを送信する（矢印８１参照）。送信する情報はタグ４０を特定する送信元ＭＡＣアドレスである。タグの特定に関する付加情報はマルチキャスト・フレームのボディで構成する。タグの送信が終わるごとに、回路は省電力モードに復帰した後、タイマを始動させる（ボックス８２参照）。
第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）はタグ４０が送信しているチャネル上で周期的にリスニング間隔に入る（ボックス８３参照）。これは非同期のトランスポンダ・タイマ８４（「ＴＰ」なる標識も付す）がタグ・タイマ８５（「ＴＡＧ」なる標識も付す）と同じタイミング間隔で制御する。リスニング間隔の間に、受信したマルチキャスト・フレームに由来するＲＳＳと送信元アドレスを記録する。タイマが満了したら、記録済みのデータを個別に受信したタグＩＤ、ＲＳＳ、およびタイムスタンプから成る集合（aggregate)タグ情報ボディに組み立てる。次いで、この集合タグ情報ボディを付随するアクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）へ転送する（矢印８５参照）。この付随するアクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）は処理装置１４とデータ・トラフィックをやり取りする準備ができている（ボックス８６参照）。次いで、上記集合タグ情報を第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）の各々から、ＷＬＡＮアドミニストレータ局の処理装置１４において無線タグ情報を処理する任に当たる場所探索機能モジュールに転送する（矢印８７参照）。すべての第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）は独立かつ相互に同期することなく動作する。場所更新タイマ８８（「場所更新」なる標識も付す）が制御する周期的な間隔において、場所探索機能モジュールは各タグ４０から受信したデータに基づいて位置の推定値の算出を行なう（ボックス８９参照）。
３種類のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ、ＴＰｂ−ｎｍ、ＴＰｃ−ｎｍ）、すなわち第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）、第２のトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）、および第３のトランスポンダ装置（ＴＰｃ−ｎｍ）を組み合わせると、あらゆるモードの動作が可能になる。
ＷＬＡＮの場所特定機能をサポートする場所特定機能モジュールはＷＬＡＮアドミニストレータ局中の処理装置１４に常駐させるのが望ましい。それは場所特定システムの保守、初期場所調査の間に記録したＲＳＳ値および／またはＴＤ値から成るデータベースの構築と保守、場所特定要求の個別あるいは周期的な始動と処理、および、場所の推定値の算出と表示の任に当たる。
ＲＳＳデータを用いた位置決めの精度を評価する実験をＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．１ｂに準拠したＷＬＡＮ装置を用いて行なった。アクセス・ポイント（ＡＰ−ｎ）の無線信号が到達する建物から成る区画を使用した。５つの第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）を様々な場所に配置した。第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）用に利用可能なＲＳＳを示す輪郭線を、ＲＳＳの測定値（ｄＢｍ単位）で印を付してプロットした。それによると、２．８ｍ間隔の格子網が、５つの第１のトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）すべてが出すＲＳＳ値を記録した場所を示していた。これにより、引き続く位置の推定値（シグニチャ法）用のデータベースを実現することができた。位置決めアルゴリズムを使用し、事前に記録したデータベースを用いて、特定すべき位置にある局が測定した５つのＲＳＳ試料を比較した。位置の推定値はＲＳＳ試料の測定値と最も良好に一致する補間格子点を見い出すことにより取得した。典型的な結果は０．５ｍの位置決め精度を示している。平均して、１ｍ〜２ｍの位置決め精度が得られる。
開示した実施形態の任意のものを、示した、および／または記述した他の１個または数個の実施形態と組み合わせることができる。このことは実施形態群の少なくとも１つの特徴についても当てはまる。
本発明の第１の実施形態による通信環境の概念図である。 図１に示す通信環境において使用可能な第１のトランスポンダ装置の概念図である。 図１に示す通信環境において使用可能な局の概念図である。 本発明の第２の実施形態による通信環境の概念図である。 図４に示す通信環境において使用可能な第１のトランスポンダ装置の概念図である。 図４に示す通信環境において使用可能なタグの概念図である。 第１のトランスポンダ装置を用いて通常局の場所を探索する、メッセージ・シーケンス図における信号フローの概念図である。 第２のトランスポンダ装置を用いてタグ付き対象物の場所を探索する、メッセージ・シーケンス図における信号フローの概念図である。
符号の説明
３ 分配システム
４ ＩＥＥＥ（Ｒ）８０２．ｘ型ＬＡＮ
６ 位置検知接続
７ 経路
８ データ接続
９ 分配接続
１０ 局
１４ 処理装置
２０ アンテナ
２１ ＲＦ送信装置
２２ ＲＦ受信装置
２３ ベースバンド送信装置
２４ ベースバンド受信装置
３０ アンテナ
３５ ＭＡＣスタック装置
３６ 場所データ・パケット・ハンドラ・ソフトウェア・モジュール
４０ タグ
５０ アンテナ
５５ 縮小ＭＡＣ（Ｒ−ＭＡＣｂ）
５６ 場所データ・パケット組立てソフトウェア・モジュール
６０ アンテナ
６５ 縮小ＭＡＣ（Ｒ−ＭＡＣｔａｇ）
ＰＯＲＴＡＬ ポータル
ＡＤＭＩＮ 管理者
ＳＴＡ ＷＬＡＮ局

Claims (4)

  1. 無線ネットワーク内にある無線通信装置（１０）の場所を特定する装置であって、
    前記通信装置（１０）が前記無線ネットワークの到達領域に位置するときに前記通信装置（１０）と通信する、縮小ａ型のメディア・アクセス制御（Ｒ−ＭＡＣａ）スタック装置（２５）を有する少なくとも３つのトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）と、
    前記トランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）から受信する情報に基づいて、前記到達領域内にある前記通信装置（１０）の位置を導出する処理装置（１４）と、
    前記通信装置（１０）を介して前記トランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）に結合され、前記トランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）から前記通信装置（１０）を介して前記情報を受信し、当該情報を前記処理装置（１４）に転送する、アクセス・ポイント装置（ＡＰ−ｎ）とを備え、
    前記通信装置（１０）が、完全なメディア・アクセス制御（ＭＡＣ）スタック装置（３５）を有し、当該完全なメディア・アクセス制御（ＭＡＣ）スタック装置（３５）が、前記通信装置（１０）の位置を検知するために前記トランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）のうち特定のトランスポンダ装置に宛てたユニキャスト・データ・フレームを送信するように構成され、
    前記トランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ）の各々に設けられた前記縮小ａ型のメディア・アクセス制御（Ｒ−ＭＡＣａ）スタック装置（２５）が、マイクロプロセッサまたはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを用いて実装され、前記通信装置（１０）から入来する前記ユニキャスト・データ・フレームをフィルタリングして無エラーの受信と正確なＭＡＣアドレスを実現し且つ短フレーム間スペース（ＳＩＦＳ）の後に前記ユニキャスト・データ・フレームに対する確認応答フレームのみを物理層（ＰＨＹ）に渡し前記通信装置（１０）への送信の用に供するように構成されている、装置。
  2. 前記処理装置（１４）が前記通信装置（１０）に統合されている、請求項１に記載の装置。
  3. 無線ネットワーク内にある無線通信装置（４０）の場所を特定する装置であって、
    前記通信装置（４０）が前記無線ネットワークの到達領域に位置するときに前記通信装置（４０）と通信する、縮小ｂ型のメディア・アクセス制御（Ｒ−ＭＡＣｂ）スタック装置（５５）を有する少なくとも３つのトランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）と、
    前記トランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）から受信する情報に基づいて、前記到達領域内にある前記通信装置（４０）の位置を導出する処理装置（１４）と、
    前記トランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）に結合され、前記トランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）から前記情報を受信し、当該情報を前記処理装置（１４）に転送する、アクセス・ポイント装置（ＡＰ−ｎ）とを備え、
    前記通信装置（４０）が、縮小タグ・メディア・アクセス制御（ＭＡＣ）スタック装置（６５）を有する無線タグであり、当該縮小タグ・メディア・アクセス制御（ＭＡＣ）スタック装置（６５）が、前記通信装置（４０）の位置を検知するために前記トランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）のすべてから成るグループに宛てたマルチキャスト・フレームを送信するように構成され、
    前記トランスポンダ装置（ＴＰｂ−ｎｍ）の各々に設けられた前記縮小ｂ型のメディア・アクセス制御（Ｒ−ＭＡＣｂ）スタック装置（５５）が、マイクロプロセッサを用いて実装され、前記通信装置（４０）から入来する前記マルチキャスト・フレームを受信し且つ当該マルチキャスト・フレームの受信信号強度及び前記通信装置（４０）のＭＡＣアドレスを含むデータを物理層（ＰＨＹ）に渡し前記アクセス・ポイント装置（ＡＰ−ｎ）への送信の用に供するように構成されている、装置。
  4. 前記少なくとも３つのトランスポンダ装置（ＴＰａ−ｎｍ、ＴＰｂ−ｎｍ）、前記通信装置（１０、４０）、および前記アクセス・ポイント装置（ＡＰ−ｎ）が基本サービス組（ＢＳＳ−ｎ）を形成している、請求項１または３に記載の装置。
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