JP4784651B2 - 通信装置、通信システム、位置検出方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、通信装置、通信システム、位置検出方法、及びプログラムに関する。

従来、無線通信により送受信される無線信号を用いて、自装置又は通信相手の位置を検出する様々な手法が提案されている。中でも、アレイアンテナを利用して位置を検出する手法においては、信号が受信アレイに対して球面波として到来することが前提となる。従って、想定される信号源までの距離に応じて受信アレイの基線を長くする必要がある。しかし、受信アレイのアンテナ間隔が半波長以上となるとグレーティングローブが生じ、位置を一意に決定できない。

こうした相反する条件を満たすために、例えば、下記特許文献１には、半波長以内の間隔で配置される受信アンテナのペアを複数用意し、ペアとペアとの間の間隔を広くとることで、位置検出の精度を高める技術が開示されている。

米国特許第６８２４４８０号

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、受信装置に多数のアンテナ素子を設けなくてはならず、回路規模が大きくなることからコストが増大していた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、少ない数のアンテナを用いて高い精度で通信相手の位置を測定することのできる、新規かつ改良された通信装置、通信システム、位置検出方法、及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を複数の受信アンテナにより受信する受信部と、前記受信部により受信された各無線信号の位相と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部と、前記推定部により推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定する位置決定部と、を備える通信装置が提供される。

また、前記受信部における受信アンテナ間のアンテナ間隔は、無線信号の波長の半分よりも大きくてもよい。

また、前記位置決定部は、前記推定部により推定された前記範囲内の各位置の座標に応じたステアリングベクトルを用いて、固有値解析法に従って前記存在位置を決定してもよい。

また、前記推定部は、各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相差に基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算する角度計算部と、前記角度計算部により計算された前記経路角度の受信アンテナ間の差に基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する範囲推定部と、を含んでもよい。

また、前記受信部は、少なくとも３つの受信アンテナを有し、前記推定部は、受信アンテナの第１のペアについての前記経路角度の差に応じて定まる第１の円形軌跡、及び受信アンテナの第２のペアについての前記経路角度の差に応じて定まる第２の円形軌跡の交点の座標に基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定してもよい。

また、前記推定部は、前記他の通信装置から前記受信部を介して送信アンテナ間のアンテナ間隔を取得してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、複数の送信アンテナから無線信号を送信する送信部を備える送信装置と、前記送信装置から送信される無線信号を複数の受信アンテナにより受信する受信部、前記受信部により受信された各無線信号の位相と前記送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記送信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部、及び、前記推定部により推定された前記範囲内で前記送信装置の存在位置を決定する位置決定部、を備える受信装置と、を含む通信システムが提供される。

また、前記送信部における送信アンテナ間のアンテナ間隔は無線信号の波長の半分以下であり、前記受信部における受信アンテナ間のアンテナ間隔は無線信号の波長の半分よりも大きくてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を複数の受信アンテナにより受信するステップと、受信された各無線信号の位相と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定するステップと、推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定するステップと、を含む位置検出方法が提供される。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を複数の受信アンテナにより受信する受信部を備える通信装置を制御するコンピュータを、前記受信部により受信された各無線信号の位相と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部と、前記推定部により推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定する位置決定部と、として機能させるためのプログラムが提供される。

以上説明したように、本発明に係る通信装置、通信システム、位置検出方法、及びプログラムによれば、少ない数のアンテナを用いて高い精度で通信相手の位置を測定することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、以下の順序にしたがって当該「発明を実施するための最良の形態」を説明する。
１．一実施形態に係る通信システムの概要
２．装置の構成の説明
２−１．送信装置の構成
２−２．受信装置の構成
３．範囲推定処理（第１段階）
４．位置決定処理（第２段階）
５．処理の流れ
６．まとめ

＜１．一実施形態に係る通信システムの概要＞
まず、本発明の一実施形態に係る通信システム１０の概要について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１０について概略的に示した模式図である。図１を参照すると、通信システム１０は、送信装置（Ｔｘ）１００と受信装置（Ｒｘ）２００とを含む。

送信装置１００は、それぞれ無線信号を送信可能な少なくとも２本の送信アンテナを有する。図１の例では、送信装置１００は、２本の送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１を有している。ここで、送信装置１００の２本の送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１のアンテナ間隔ｄ１は、送信装置１００から受信装置２００へ送信される無線信号の波長をλとすると、ｄ１≦λ／２を満たす。例えば、送信アンテナ間隔ｄ１＝λ／２などであってよい。

一方、受信装置２００は、送信装置１００の送信アンテナから送信された無線信号をそれぞれ受信可能な少なくとも３本の受信アンテナを有する。図１の例では、受信装置２００は、３本の受信アンテナＲｘＡｎｔ０、ＲｘＡｎｔ１、及びＲｘＡｎｔ２を有している。また、受信装置２００の隣り合う受信アンテナのアンテナ間隔ｄ２は、受信装置２００が受信する無線信号の波長をλとすると、ｄ２≧λ／２を満たす。例えば、受信アンテナ間隔ｄ２＝１０λなどであってよい。

このような送信装置１００と受信装置２００との間には、図１に示した６本の通信チャネル（ＭＩＭＯチャネル）ｈ_００、ｈ_１０、ｈ_０１、ｈ_１１、ｈ_０２、及びｈ_１２が形成される。ここで、通信チャネルの符号の添え字は、送信アンテナと受信アンテナの番号に対応する。例えば、通信チャネルｈ_００は送信アンテナＴｘＡｎｔ０と受信アンテナＲｘＡｎｔ０との間の通信チャネルである。また、例えば、通信チャネルｈ_１０は送信アンテナＴｘＡｎｔ１と受信アンテナＲｘＡｎｔ０との間の通信チャネルである（以下、他のアンテナについても同様）。

なお、送信装置１００と受信装置２００との間の距離は、送信アンテナ間隔ｄ１よりも十分に長いものとする。即ち、送信装置１００の送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１から受信装置２００のいずれか１本の受信アンテナへの通信経路は互いに平行であると近似し得る。

このような通信システム１０の構成に関し、例えば、一般的な固有値解析法であるＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法に従って、受信装置２００において送信装置１００の位置を解析した結果を図２に示す。

図２は、受信装置２００の周囲のある平面内の各位置について、ＭＵＳＩＣ法に従って送信装置１００が存在する可能性を評価した結果（即ち、ＭＵＳＩＣスペクトラム）をプロットした説明図である。図２では、受信装置２００の受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜２の基線の方向をｘ軸、受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜２の基線と垂直な方向をｙ軸としている。ここで、ｘ−ｙ平面の各座標にプロットされた色の濃い程、その座標の位置が送信装置１００の存在位置である可能性が高いことを表している。

ここで、図２から理解されるように、受信装置２００の周囲のｘ−ｙ平面上には、送信装置１００の本来の位置とは異なる位置に、あたかも送信装置１００が存在しているかのような虚像が現れている。このような虚像は、一般的に、受信装置２００の受信アンテナ間隔ｄ２が無線信号の半波長を超えると現れ、アンテナ間隔が広くなる程その数は多くなる。こうした虚像は、ＭＵＳＩＣ法を用いて到来方向を推定する際に現れる所謂グレーティングローブの影響により生じる。

即ち、受信装置２００において、受信アンテナの数を増やすことなく送信装置１００の位置を高い精度で検出するためには、図２に示した虚像の影響を排除して正しい位置を特定することが求められる。そこで、本実施形態に係る通信システム１０では、次節より詳しく説明するように、まず第１段階で送信装置１００が存在する可能性のある範囲を絞り込み、その範囲内において第２段階で送信装置１００の位置を決定することで、上記虚像の影響を排除する。

なお、本明細書では、図１に示した受信装置２００が送信装置１００の位置を検出する場合を例にとり説明する。しかしながら、必ずしも通信における受信側の装置が送信側の装置の位置を検出しなくてもよい。即ち、本発明は、任意の通信装置が通信相手の位置を検出する場合に等しく適用可能である。

＜２．装置の構成の説明＞
まず、図３及び図４を用いて、図１に示した通信システム１０に含まれる送信装置１００及び受信装置２００の構成についてそれぞれ説明する。

［２−１．送信装置の構成］
図３は、本実施形態に係る送信装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図３を参照すると、送信装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１０、メモリ１１２、符号化部１２０、変調部１３０、無線送信部１４０及び１４１、並びに送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１を備える。

ＣＰＵ１１０は、例えばメモリ１１２に記憶されたプログラムを実行し、送信装置１００の各部の動作全般を制御する。例えば、ＣＰＵ１１０は、メモリ１１２に予め保持されている送信アンテナＴｘＡｎｔ０とＴｘＡｎｔ１との間のアンテナ間隔のデータを取得し、取得したデータを受信装置２００へ送信される通信パケットへ書き込む。受信装置２００は、かかる送信アンテナ間隔のデータを用いて、後述する第１段階の範囲推定処理を行う。メモリ１１２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）などの半導体メモリを用いて、送信装置１００と受信装置２００との間の通信に用いられるプログラムや制御データなどを記憶する。

符号化部１２０は、ＣＰＵ１１０から出力される送信データを任意の符号化方式に従って符号化し、通信パケットを生成して変調部１３０へ出力する。このとき、符号化部１２０により、送信データの符号化に加えてインタリーブ処理などが行われてもよい。変調部１３０は、符号化部１２０から入力された通信パケットを任意の変調方式に従って変調し、無線送信部１４０及び１４１へ出力する。無線送信部１４０は、変調部１３０から入力された変調済みの通信パケットを、送信アンテナＴｘＡｎｔ０から無線信号として送信する。同様に、無線送信部１４１は、変調部１３０から入力された変調済みの通信パケットを、送信アンテナＴｘＡｎｔ１から無線信号として送信する。このように送信された無線信号は、図１に示した６つの通信チャネルｈ_００〜ｈ_１２を経由して、次に説明する受信装置２００により受信される。

［２−２．受信装置の構成］
図４は、本実施形態に係る受信装置２００の構成の一例を示すブロック図である。図４を参照すると、受信装置２００は、受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜２、無線受信部２１０〜２１２、復調部２２０、復号部２３０、ＣＰＵ２４０、メモリ２４２、推定部２５０、及び位置決定部２６０を備える。

無線受信部２１０〜２１２は、送信装置１００の送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１から送信された無線信号を、対応する受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜ＲｘＡｎｔ２を用いてそれぞれ受信する。そして、無線受信部２１０〜２１２は、受信した無線信号を増幅し、ＡＤ変換（Analog-to-Digital変換）した後、復調部２２０へ出力する。

復調部２２０は、無線受信部２１０〜２１２からそれぞれ入力された受信信号を所定の変調方式に従って復調し、復号部２３０へ出力する。また、復調部２２０は、受信信号から各通信チャネルのチャネル応答ｈ_００〜ｈ_１２を推定し、受信信号の復調に使用する。また、復調部２２０は、推定したチャネル応答ｈ_００〜ｈ_１２を推定部２５０及び位置決定部２６０へ出力する。

復号部２３０は、復調部２２０から入力された復調済みの受信信号を所定の符号化方式に従って復号し、ＣＰＵ２４０へ出力する。また、復号部２３０は、例えば、受信した通信パケットに書き込まれた送信装置１００の送信アンテナ間隔のデータを取得し、推定部２５０へ出力する。ＣＰＵ２４０は、例えばメモリ２４２に記憶されたプログラムを実行し、受信装置２００の各部の動作全般を制御する。メモリ２４２は、例えばＲＯＭなどの半導体メモリを用いて、送信装置１００と受信装置２００との間の通信に用いられるプログラムや制御データなどを記憶する。

推定部２５０は、上述した位置検出のための第１段階の処理として、送信装置１００が存在する可能性のある存在範囲の推定を行う。より具体的には、推定部２５０は、復調部２２０により復調された受信信号の位相と、復号部２３０から入力された送信アンテナ間間隔とに基づいて、前述した存在範囲を推定する。推定部２５０による範囲推定処理については、後により詳細に説明する。

位置決定部２６０は、上述した位置検出のための第２段階の処理として、推定部２５０により推定された存在範囲内の各位置について、送信装置１００が存在している可能性を評価する。そして位置決定部２６０は、その評価結果に基づいて、送信装置１００の位置を決定する。位置決定部２６０による位置決定処理については、後により詳細に説明する。

ここまで、図３及び図４を用いて、本実施形態に係る送信装置１００及び受信装置２００の構成について説明した。次に、受信装置２００の推定部２５０による範囲推定処理、及び位置決定部２６０による位置決定処理について、図５〜図１０を参照しながらさらに詳しく説明する。

［３．範囲推定処理（第１段階）］
図５は、推定部２５０のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。図５を参照すると、推定部２５０は、角度計算部２５２及び範囲推定部２５４を有する。

［３−１．経路角度の計算］
角度計算部２５２は、各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相の差に基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算する。

図６は、角度計算部２５２による経路角度の計算処理について説明するための説明図である。

図６を参照すると、受信アンテナＲｘＡｎｔ０についての送信アンテナの基線ＢＬ（Ｔｘ）に対する経路角度θ_０が示されている。かかる経路角度θ_０は、例えば、次のように角度計算部２５２により計算される。

まず、角度計算部２５２は、各通信チャネルのチャネル応答ｈ_００、ｈ_１０から、受信アンテナＲｘＡｎｔ０により受信された２つの無線信号（即ち送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１から送信された各無線信号）の位相差を計算する。ここで計算される位相差を位相差φ_０とする。次に、角度計算部２５２は、位相差φ_０を用いて、送信アンテナＴｘＡｎｔ０から受信アンテナＲｘＡｎｔ０までの行路長と送信アンテナＴｘＡｎｔ１から受信アンテナＲｘＡｎｔ０までの行路長との差ΔＬ_０を計算する。送信アンテナ間隔ｄ１は無線信号の半波長λ／２以下であるため、行路長差ΔＬ_０は次式により導かれる。

（１）

次に、角度計算部２５２は、復号部２３０から入力された送信アンテナ間隔ｄ１と行路長差ΔＬ_０とを用いて、送信アンテナの基線ＢＬ（Ｔｘ）に対して受信アンテナＲｘＡｎｔ０が描く双曲線軌道を計算する。そして、角度計算部２５２は、送信装置１００と受信装置２００との間の距離が送信アンテナ間隔ｄ１よりも十分に長いとの前提の下に双曲線軌道を近似した直線と基線ＢＬ（Ｔｘ）とのなす角度を、受信アンテナＲｘＡｎｔ０についての経路角度とする。

図７は、受信アンテナが描く双曲線軌道について説明するための説明図である。

図７を参照すると、間隔ｄ１だけ離れた２つの点を焦点とする９本の双曲線軌道が描かれている。これら２つの焦点は、それぞれ送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１の位置に相当する。また、２つの焦点を結ぶ直線は、送信アンテナの基線ＢＬ（Ｔｘ）に相当する。このような図７の平面上で、例えば行路長差ΔＬ_０が０であれば、受信アンテナＲｘＡｎｔ０が描く双曲線軌道は直線ＨＢ１となる。また、例えば行路長差ΔＬ_０が送信アンテナ間隔ｄ１の８０％であれば、受信アンテナＲｘＡｎｔ０が描く双曲線軌道は双曲線ＨＢ２となる。角度計算部２５２は、まず、このような双曲線軌道を計算する。ここで、送信装置１００と受信装置２００との間の距離が送信アンテナ間隔ｄ１よりも十分に長いという前提の下では、計算された双曲線軌道を直線に近似することができる。そこで、角度計算部２５２は、例えば、計算した双曲線軌道が双曲線ＨＢ２であった場合には、双曲線ＨＢ２が近似される直線と基線ＢＬ（Ｔｘ）とのなす角度（図中のθ_０）を、受信アンテナＲｘＡｎｔ０についての経路角度θ_０とする。

角度計算部２５２は、受信アンテナＲｘＡｎｔ１の経路角度θ_１及び受信アンテナＲｘＡｎｔ２の経路角度θ_２についても、同様に計算する。そして、角度計算部２５２は、計算した各受信アンテナについての経路角度θ_０〜θ_２を、範囲推定部２５４へ出力する。

［３−２．存在範囲の推定］
範囲推定部２５４は、角度計算部２５２により計算された上述した経路角度の受信アンテナ間の差に基づいて、送信装置１００が存在し得る位置の範囲である存在範囲を推定する。

より具体的には、範囲推定部２５４は、例えば、まず受信アンテナの第１のペアについての経路角度の差に応じて第１の円形軌跡を決定する。次に、範囲推定部２５４は、受信アンテナの第２のペアについての経路角度の差に応じて第２の円形軌跡を決定する。そして、範囲推定部２５４は、第１の円形軌跡と第２の円形軌跡との交点の座標に基づいて、送信装置１００の存在範囲を推定する

図８は、範囲推定部２５４による範囲推定処理について説明するための説明図である。ここでは、範囲推定部２５４は、受信アンテナの第１のペアとして受信アンテナＲｘＡｎｔ０及びＲｘＡｎｔ１、第２のペアとして受信アンテナＲｘＡｎｔ１及びＲｘＡｎｔ２を選択している。

かかる受信アンテナの第１のペアについて、範囲推定部２５４は、まず角度計算部２５２により計算された経路角度θ_０とθ_１との差Δθ_１を計算する。そうすると、円周角一定の定理から、経路角度の差Δθ_１を一定とし、受信アンテナＲｘＡｎｔ０及びＲｘＡｎｔ１並びに送信装置１００がその円周上に位置する第１の円形軌跡Ｃ１を定めることができる。

次に、受信アンテナの第２のペアについて、範囲推定部２５４は、角度計算部２５２により計算された経路角度θ_１とθ_２との差Δθ_２を計算する。そうすると、円周角一定の定理から、経路角度の差Δθ_２を一定とし、受信アンテナＲｘＡｎｔ１及びＲｘＡｎｔ２並びに送信装置１００がその円周上に位置する第２の円形軌跡Ｃ２を定めることができる。

そして、範囲推定部２５４は、第１の円形軌跡Ｃ１と第２の円形軌跡Ｃ２の交点を求める。図８から理解されるように、第１の円形軌跡Ｃ１と第２の円形軌跡Ｃ２の交点は２つ存在するが、そのうち一方は受信装置２００上に位置している。よって、範囲推定部２５４は、第１の円形軌跡Ｃ１と第２の円形軌跡Ｃ２の２つの交点のうち、受信装置２００上にない交点の周囲に送信装置１００が存在しているものと推定する。

なお、ここでは受信アンテナの第１のペアとして受信アンテナＲｘＡｎｔ０及びＲｘＡｎｔ１、第２のペアとして受信アンテナＲｘＡｎｔ１及びＲｘＡｎｔ２を選択したが、受信アンテナのペアの選択の仕方はかかる例に限定されない。また、さらなる受信アンテナの第３のペアから第３の円形軌跡を決定し、第３の円形軌跡を用いて範囲推定の精度を高めてもよい。

図９は、範囲推定部２５４により推定される送信装置１００の存在範囲の一例を示す説明図である。

図９を参照すると、図２に示した受信装置２００の周囲のｘ−ｙ平面上に、送信装置１００が存在している可能性のある矩形の存在範囲ＥＲが示されている。このように、存在範囲ＥＲは、例えば、図８に示した第１の円形軌跡Ｃ１と第２の円形軌跡Ｃ２の交点の座標を中心とし、ｘ方向及びｙ方向に所定の幅と高さを有する矩形の範囲であってよい。その代わりに、存在範囲ＥＲは、例えば所定の半径を有する円形の範囲などであってもよい。存在範囲ＥＲの幅と高さ、又は半径などのパラメータは、無線信号の波長λに応じて予測される虚像の出現密度などに応じて、予め与えられる。例えば、存在範囲ＥＲの幅と高さを、無線信号の波長λの±１０倍程度としてもよい。

範囲推定部２５４は、このように推定した送信装置１００の存在範囲を示す情報（矩形の一頂点の座標と幅及び高さ、又は中心点の座標と半径など）を、位置決定部２６０へ出力する。

［４．位置決定処理（第２段階）］
位置決定部２６０は、推定部２５０により推定された送信装置１００の存在範囲内の各位置について、送信装置１００が存在している可能性をそれぞれ評価する。例えば、位置決定部２６０は、送信装置１００が存在している可能性を、各位置の座標に応じたステアリングベクトルを用いて、固有値解析法により評価することができる。

以下、固有値解析法の１つであるＭＵＳＩＣ法に従って、各位置について送信装置１００が存在している可能性を評価する例について説明する。

まず、位置決定部２６０には、既知の３つの受信アンテナの座標値が与えられる。ここでは、受信アンテナＲｘＡｎｔ０の座標値を（ｘ_Rx0，ｙ_Rx0）、ＲｘＡｎｔ１の座標値を（ｘ_Rx1，ｙ_Rx1）、ＲｘＡｎｔ２の座標値を（ｘ_Rx2ｙ_Rx2）とする。また、未知の送信装置１００の座標値を（ｘ_Tx，ｙ_Tx）とする。このような座標値を用いて、各受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜２と送信装置１００との間の行路長Ｌ_０〜Ｌ_２を、次のように定義することができる。

（２）
（３）
（４）

さらに、受信アンテナＲｘＡｎｔ０を基準とした各受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜２と送信装置１００との間の行路長の差を、次のように定義する。

（５）
（６）
（７）

このような行路長差Ｄ_０〜Ｄ_２を用いて、位置決定部２６０は、ＭＵＳＩＣスペクトラムを算出する際のステアリングベクトルｖを、次式のように構成する。

（８）

また、位置決定部２６０は、復調部２２０から入力されたチャネル応答のうち送信アンテナＴｘＡｎｔ０に関するチャネル応答ｈ_００，ｈ_０１，ｈ_０２を用いて、次式で表されるアンテナ間共分散行列Ｒを生成する。

（９）

ここで、アンテナ間共分散行列Ｒに対して一般的な空間平均処理が行われてもよい。空間平均処理とは、無線信号の反射等により相関の強い信号が入力信号に加わった場合に、直接波と反射波とを分離するために行われる処理である。空間平均処理により、直接波と反射波の間の相関度を低下させることで、相関行列のランクが回復し、一般的にはＭＵＳＩＣ法による測定精度を向上させることができる。

例えば、受信装置２００に入力される直接波と反射波の数をＮ_Ｌとする。直接波のみが入力される場合には、Ｎ_Ｌ＝１である。Ｎ_Ｌの値は、例えば、ＡＩＣ（Akaike Information Criteria）などの手法を用いて、実環境に応じて推定され得る。なお、Ｎ_Ｌは通常、受信アンテナの数よりも小さいことが求められるため、本実施形態の場合にはＮ_Ｌは最大で２である。

次に、位置決定部２６０は、例えばアンテナ間共分散行列Ｒの固有方程式を解くことにより、アンテナ間共分散行列Ｒの固有値と固有ベクトルとを計算する。ここで算出される固有ベクトルを、対応する固有値が小さい順にｅ_１、ｅ_２、ｅ_３と表す。

そして、位置決定部２６０は、送信装置１００の座標値（ｘ_Tx，ｙ_Tx）をパラメータとしたステアリングベクトルｖ（ｘ_Tx，ｙ_Tx）及び固有ベクトルｅ_１、ｅ_２、ｅ_３を用いて、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ（ｘ_Tx，ｙ_Tx）を次式のように計算する。

（１０）

図１０は、範囲推定部２５４により推定された送信装置１００の存在範囲ＥＲの内部の各座標について、位置決定部２６０により上述したＭＵＳＩＣ法に従って計算されたＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示す説明図である。

図１０を参照すると、存在範囲ＥＲの内部の各位置ごとに、位置決定部２６０により計算されたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ（ｘ_Tx，ｙ_Tx）の値の大きさが色の濃さにより示されている。ここでは、座標値（Ｘ_max，Ｙ_max）の位置において、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ（ｘ_Tx，ｙ_Tx）が極大値となっている。従って、位置決定部２６０は、座標値（Ｘ_max，Ｙ_max）の位置を、送信装置１００の存在位置と決定する。位置決定部２６０は、このように決定した送信装置１００の存在位置を、例えばＣＰＵ２４０へ出力する。

なお、第２段階における送信装置１００の存在位置の決定方法はかかる例に限定されない。例えば、位置決定部２６０は、ＭＵＳＩＣ法の代わりに、双曲線位置測定などの公知の手法を用いて送信装置１００の位置を決定してもよい。

ここまで、図５〜図１０を用いて、受信装置２００の推定部２５０による範囲推定処理、及び位置決定部２６０による位置決定処理について説明した。次に、図１１を用いて、本実施形態に係る受信装置２００による位置検出処理の流れについて説明する。

＜５．処理の流れ＞
図１１は、本実施形態に係る受信装置２００による位置検出処理の流れを示すフローチャートである。

図１１を参照すると、まず、受信装置２００において、送信装置１００の送信アンテナＴｘＡｎｔ０及びＴｘＡｎｔ１から送信された無線信号が、受信アンテナＲｘＡｎｔ０〜ＲｘＡｎｔ２を介して受信される（Ｓ１０２）。ここで受信された信号は、復調部２２０へ出力される。

次いで、復調部２２０により、受信された信号に基づいて各通信チャネルのチャネル応答ｈ_００〜ｈ_１２が推定され、信号が復調される（Ｓ１０４）。ここで復調された信号は、復号部２３０へ出力される。また、チャネル応答ｈ_００〜ｈ_１２は、推定部２５０及び位置決定部２６０へ出力される。

次いで、復号部２３０により、復調済みの信号が復号され、送信装置１００から送信された送信アンテナ間隔ｄ１が取得される（Ｓ１０６）。ここで取得された送信アンテナ間隔ｄ１は、推定部２５０へ出力される。

次いで、推定部２５０により、位置検出のための第１段階の処理として、短基線アレイによる存在範囲の推定処理が行われる（Ｓ１０８）。ここで、短基線アレイとは、例えば送信アンテナ間隔ｄ１が無線信号の半波長以下となるように構成された送信装置１００のアンテナアレイを指す。より具体的には、推定部２５０は、まず、チャネル応答ｈ_００〜ｈ_１２から各受信アンテナについての送信アンテナごとの位相差を計算する。次に、推定部２５０は、各受信アンテナについての送信アンテナごとの位相差に対応する無線信号の行路差を計算し、その行路差と送信アンテナ間隔とに基づいて、送信装置１００の存在範囲を推定する。ここで推定された送信装置１００の存在範囲に関するデータは、位置決定部２６０へ出力される。

次いで、位置決定部２６０により、位置検出のための第２段階の処理として、長基線アレイによる存在位置の決定処理が行われる（Ｓ１１０）。ここで、長基線アレイとは、例えば受信アンテナ間隔ｄ２が無線信号の半波長よりも大きくなるように構成された受信装置２００のアンテナアレイ指す。より具体的には、位置決定部２６０は、例えば、Ｓ１０８で推定部２５０により推定された送信装置１００の存在範囲内の各位置について、送信装置１００が存在している可能性を表すＭＵＳＩＣスペクトラムを計算する。そして、位置決定部２６０は、上述した存在範囲内でＭＵＳＩＣスペクトラムが極大となる位置を、送信装置１００の存在位置として決定する。ここで推定された送信装置１００の存在位置は、例えばＣＰＵ２４０へ出力される。そして、受信装置２００による位置検出処理は終了する。

＜６．まとめ＞
ここまで、図１〜図１１を用いて、本発明の一実施形態に係る通信システム１０について説明した。

図２を用いて説明したように、通常、通信相手の位置を検出する装置においてアンテナ間隔を半波長以上とすると、グレーティングローブの影響による虚像が発生し、通信相手の位置を一意に特定できない。これに対し、上述した一実施形態によれば、第１段階で送信装置１００の短基線アレイの位置関係を用いて送信装置１００の位置の範囲を絞り込んだ後、第２段階で受信装置２００の長基線アレイを用いて送信装置１００の位置を決定する。それにより、受信装置２００に多数のアンテナを設けることなく、受信アンテナ間隔を広げて高い精度で送信装置１００の位置を一意に特定することができる。

また、本実施形態によれば、送信装置１００は、図３に示したように、一般的なＭＩＭＯ通信機と同等の物理的な構成を有していればよい。そのため、本実施形態に係る位置検出方法を実装した受信装置２００を用いて、一般的なＭＩＭＯ通信機の位置を柔軟に測定することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、第２段階において、一般的に処理コストの大きい固有値解析法などを用いた位置決定処理を、対象範囲を限定して実行することができる。それにより、位置検出に要する処理コストが低減される。

なお、本実施形態では、送信アンテナ間隔を送信装置１００から受信装置２００へ通知する例について説明した。しかしながら、受信装置２００において送信装置１００の送信アンテナ間隔が既知であれば、送信アンテナ間隔を通知する処理が省略されてもよい。

また、本実施形態で説明した受信装置２００の処理の一部を、送信装置１００が行ってもよい。例えば、角度計算部２５２による経路角度の計算処理を送信装置１００が行う場合には、送信アンテナ間隔を送信装置１００から受信装置２００へ通知する代わりに、経路角度の計算結果が送信装置１００から受信装置２００へ通知され得る。

また、本明細書において説明した一連の位置検出処理は、ハードウェアで実現されてもよく、又はソフトウェアで実現されてもよい。一連の処理又はその一部をソフトウェアで実行させる場合には、例えば、ソフトウェアを構成するプログラムが予めＲＯＭに格納され、実行時にＲＡＭに読み込まれてＣＰＵにより実行される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係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、各種の変更例又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発明の技術的範囲に属するものと了解される。

一実施形態に係る通信システムについて概略的に示した模式図である。 一般的なＭＵＳＩＣ法に従って計算されるＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示す説明図である。 一実施形態に係る送信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る受信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る推定部のより詳細な構成の一例を示すブロック図である。 角度計算部による経路角度計算処理について説明するための説明図である。 受信アンテナに関連する双曲線軌道について説明するための説明図である。 範囲推定部による範囲推定処理について説明するための説明図である。 範囲推定部により推定される送信装置の存在範囲の一例を示す説明図である。 範囲推定部により推定された存在範囲内でＭＵＳＩＣ法に従って計算されるＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示す説明図である。 一実施形態に係る位置検出処理の流れを示すフローチャートである。

１０ 通信システム
１００ 送信装置
２００ 受信装置
２１０、２１１、２１２ 無線受信部
２２０ 復調部
２３０ 復号部
２４０ ＣＰＵ
２５０ 推定部
２５２ 角度計算部
２５４ 範囲推定部
２６０ 位置決定部

Claims (8)

1. 他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を少なくとも３つの受信アンテナにより受信する受信部と；
   前記受信部により受信された各無線信号の位相と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部と；
   前記推定部により推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定する位置決定部と；
   を備え、
   前記推定部は、
   各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相差と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算し、
   受信アンテナの第１のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第１の円形軌跡と受信アンテナの第２のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第２の円形軌跡との交点の座標に基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する、
   通信装置。
2. 前記受信部における受信アンテナ間のアンテナ間隔は、無線信号の波長の半分よりも大きい、請求項１に記載の通信装置。
3. 前記位置決定部は、前記推定部により推定された前記範囲内の各位置の座標に応じたステアリングベクトルを用いて、固有値解析法に従って前記存在位置を決定する、請求項１又は請求項２に記載の通信装置。
4. 前記推定部は、前記他の通信装置から前記受信部を介して送信アンテナ間のアンテナ間隔を取得する、請求項１に記載の通信装置。
5. 複数の送信アンテナから無線信号を送信する送信部を備える送信装置と；
   前記送信装置から送信される無線信号を少なくとも３つの受信アンテナにより受信する受信部、
   前記受信部により受信された各無線信号の位相と前記送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記送信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部、
   及び、前記推定部により推定された前記範囲内で前記送信装置の存在位置を決定する位置決定部、
   を備える受信装置と；
   を含み、
   前記推定部は、
   各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相差と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算し、
   受信アンテナの第１のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第１の円形軌跡と受信アンテナの第２のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第２の円形軌跡との交点の座標に基づいて、前記送信装置が存在し得る位置の範囲を推定する、
   通信システム。
6. 前記送信部における送信アンテナ間のアンテナ間隔は無線信号の波長の半分以下であり、前記受信部における受信アンテナ間のアンテナ間隔は無線信号の波長の半分よりも大きい、請求項５に記載の通信システム。
7. 他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を少なくとも３つの受信アンテナにより受信するステップと；
   各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相差と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算するステップと；
   受信アンテナの第１のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第１の円形軌跡と受信アンテナの第２のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第２の円形軌跡との交点の座標に基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定するステップと、
   推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定するステップと；
   を含む、位置検出方法。
8. 他の通信装置から複数の送信アンテナを用いて送信された無線信号を少なくとも３つの受信アンテナにより受信する受信部を備える通信装置を制御するコンピュータを：
   前記受信部により受信された各無線信号の位相と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する推定部と；
   前記推定部により推定された前記範囲内で前記他の通信装置の存在位置を決定する位置決定部と；
   として機能させるためのプログラムであって、
   前記推定部は、
   各受信アンテナについて、当該受信アンテナにより受信された無線信号の送信アンテナごとの位相差と送信アンテナ間のアンテナ間隔とに基づいて、送信アンテナの基線に対して当該受信アンテナまでの通信経路のなす経路角度を計算し、
   受信アンテナの第１のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第１の円形軌跡と受信アンテナの第２のペアについて計算された前記経路角度の差に応じて定まる第２の円形軌跡との交点の座標に基づいて、前記他の通信装置が存在し得る位置の範囲を推定する、
   プログラム。