JP4937805B2 - RADIO COMMUNICATION DEVICE AND DISTANCE MEASURING METHOD IN RADIO COMMUNICATION DEVICE - Google Patents
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Description
この発明は、無線通信装置および無線通信装置における距離測定方法に関する。 The present invention relates to a radio communication apparatus and a distance measurement method in the radio communication apparatus.
無線通信装置の設置位置を特定する方法として、無線端末装置間の距離を電波伝搬遅延時間や電波受信強度から推定し、三つ以上の距離測定(測距)結果から三点測位の要領で自身の位置を特定する方式および装置が知られている。 As a method of identifying the installation position of the wireless communication device, the distance between the wireless terminal devices is estimated from the radio wave propagation delay time and the radio wave reception intensity, and it is self-established by three-point positioning from three or more distance measurement (ranging) results. There are known methods and devices for identifying the position of the.
電波伝播遅延時間を用いた距離測定方式(ToA方式)は、各々の装置に基準タイマを持ち、各装置間の基準タイマの時刻同期処理を実施した上で、送信−受信間の電波伝搬時間の測定を行っていた。基準タイマは、水晶発振素子にて生成されるが、同部品は生成周期の精度に個体差がある。各装置に搭載された発振部品の個体差により時間経過とともに各装置間の基準タイマにずれが生じる。そのため、測定精度を維持するために定期的に装置間のタイマのタイミングを合わせる同期処理が必要となる問題点があった。 The distance measurement method using the radio wave propagation delay time (ToA method) has a reference timer in each device, performs time synchronization processing of the reference timer between each device, and then determines the radio wave propagation time between transmission and reception. We were measuring. The reference timer is generated by a crystal oscillating element, but the same component has individual differences in the accuracy of the generation cycle. Due to the individual difference of the oscillation components mounted on each device, the reference timer between the devices shifts with time. For this reason, there is a problem in that a synchronization process for periodically adjusting the timing of the timer between the apparatuses is necessary to maintain the measurement accuracy.
この問題を解決する方法として、無線端末装置間の往復通信を行い、同一装置内のタイマにて往復の送信−受信間の時間を計測することによって、装置間のタイマ同期ずれによる誤差を回避する方法が示されている(例えば下記特許文献1、特許文献2参照)。
As a method of solving this problem, by performing round-trip communication between wireless terminal devices and measuring the time between round-trip transmission and reception with a timer in the same device, an error due to a timer synchronization shift between devices is avoided. A method is shown (see, for example,
ToAによる通信の到達時間にて測距を行う場合、従来の無線通信装置においては復調されたベースバンド信号や通信フレームを基に時間計測を行う方法が一般的であった。この場合、測距の精度はベースバンドのチップレートに依存し、帯域幅を広くしチップレートを高める必要がある。そのため、帯域幅の小さい無線方式(例えば、小電力無線方式の1つであるIEEE802.15.4)では、高精度の距離測定が難しいという問題があった。 When distance measurement is performed at the arrival time of communication by ToA, a conventional wireless communication apparatus generally uses a method of measuring time based on a demodulated baseband signal or communication frame. In this case, the accuracy of ranging depends on the chip rate of the baseband, and it is necessary to widen the bandwidth and increase the chip rate. For this reason, there is a problem that it is difficult to measure a distance with high accuracy in a wireless system with a small bandwidth (for example, IEEE802.15.4, which is one of the low-power wireless systems).
また、高精度測距を実現する小電力無線方式として超広帯域(UWB)無線方式が注目されている。インパルス状の無線信号を捕捉し測距を行うことで、高精度測距を可能となる。同方式は通信到達範囲が10m以下と狭いこと、屋外での使用が電波法上できないことから、適用可能な領域が制限される問題点がある。 In addition, as a low-power radio system that realizes high-precision ranging, an ultra-wideband (UWB) radio system has attracted attention. By capturing an impulse-like radio signal and performing distance measurement, high-precision distance measurement is possible. This method has a problem that the applicable area is limited because the communication range is as narrow as 10 m or less and the radio wave method cannot be used outdoors.
従来の測距方式(例えば上記特許文献1)は、前記のUWB方式を前提としたものである。また、相手無線装置からの返信が定時間後であることを前提としている。無線装置に搭載されているタイマは構成部品のバラツキによる周波数偏差を含んでおり、その個体差によって返信時間にバラツキが発生する。その個体差により、距離測定精度誤差が発生する。また、返信処理にソフトウェア処理が介在する場合、タスク切り替え時間などの処理時間を通信毎に一定に保つことは困難であり、前提としている定時間後の返信が難しくなる。 A conventional ranging method (for example, Patent Document 1) is based on the UWB method. Also, it is assumed that the reply from the counterpart wireless device is after a fixed time. The timer mounted on the wireless device includes a frequency deviation due to variations in component parts, and the response time varies due to individual differences. A distance measurement accuracy error occurs due to the individual difference. When software processing is involved in reply processing, it is difficult to keep processing time such as task switching time constant for each communication, and reply after a predetermined time becomes difficult.
また、上記特許文献2に示される方式は、通信の往復時間を相互の無線装置で計測し、その差分から電波の伝播遅延時間を求め距離を推定する方式がある。通信フレームを検出し、送信−受信の時間差または受信−送信の時間差を各々の無線端末装置が計測することにより任意の返信時間において電波伝搬時間をするもので、特許文献1と異なり返信時間は任意の時間で良い。但し、送信、受信の検出は復調後に実施しており、前述の帯域幅の小さい無線方式において高精度測距が難しい問題を解決するものではない。通信フレームが長くなった場合、通信時間が長くなり前述のタイマ構成部品の周波数偏差の個体差の影響が大きくなるため、測距精度を向上するためには長さのできるだけ短いフレームを使用する必要があるが、特許文献2では、フレーム長の短い測距専用メッセージを使用することで回避することができる。但し、通常のデータ通信の合間に測距通信を行うため、本来の目的であるデータ通信性能が低下する問題点がある。
In addition, the method disclosed in
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、通信への制約及び通信からの制約を抑えかつ精度の高い距離測定が行える無線通信装置および無線通信装置における距離測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a wireless communication apparatus and a distance measurement method in the wireless communication apparatus that can perform distance measurement with high accuracy while suppressing restrictions on communication and restrictions on communication. The purpose is to provide.
この発明は、電波の伝播遅延時間により通信相手の無線通信装置との距離を検出する無線通信装置であって、搬送波から無線通信フレームの終了を検出し、自身が送信する第1無線通信フレームの送信終了タイミングから通信相手の無線通信装置からの第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの第1フレーム終了間時間を計測すると共に、送られてくる通信相手の無線通信装置での前記第1無線通信フレームの受信終了タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの第2フレーム終了間時間を得る時間計測部と、前記第1フレーム終了間時間と第2フレーム終了間時間の時間差から通信相手の無線通信装置との距離を演算する距離演算部と、を備え、前記時間計測部が、前記第1無線通信フレームの送信開始タイミングから通信相手の無線通信装置からの前記第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数をカウントするフレームカウンタを有し、前記フレームカウンタのカウンタ値および送られてくる通信相手の前記第1無線通信フレームの受信開始タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数のカウンタ値から測距誤差要因の存在を判定することを特徴とする無線通信装置にある。 The present invention is a wireless communication device that detects a distance from a wireless communication device of a communication partner based on a propagation delay time of radio waves, detects the end of a wireless communication frame from a carrier wave, and transmits a first wireless communication frame transmitted by itself. The time between the end of the first frame from the transmission end timing to the reception end timing of the second wireless communication frame from the communication partner wireless communication device is measured , and the first wireless at the communication partner wireless communication device is sent. A time measuring unit that obtains a time between the end of the second frame from a reception end timing of the communication frame to a transmission end timing of the second wireless communication frame, and communication from a time difference between the time between the end of the first frame and the time between the end of the second frame It comprises a distance calculator for calculating a distance between the other party of the wireless communication device, wherein the time measuring unit is started transmission of the first radio communication frame A frame counter that counts the number of wireless communication frames from imming to the reception end timing of the second wireless communication frame from the wireless communication device of the communication partner, and the counter value of the frame counter and the communication partner that is sent The presence of a ranging error factor is determined from a counter value of the number of radio communication frames between the reception start timing of the first radio communication frame and the transmission end timing of the second radio communication frame. In the device.
また、電波の伝播遅延時間により通信相手の無線通信装置との距離を検出する無線通信装置における距離測定方法であって、搬送波から無線通信フレームの終了を検出し、自身が送信する第1無線通信フレームの送信終了タイミングから通信相手の無線通信装置からの第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの第1フレーム終了間時間を計測する工程と、送られてくる通信相手の無線通信装置での前記第1無線通信フレームの受信終了タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの第2フレーム終了間時間を得る工程と、前記第1フレーム終了間時間と第2フレーム終了間時間の時間差から通信相手の無線通信装置との距離を演算する工程と、前記第1無線通信フレームの送信開始タイミングから通信相手の無線通信装置からの前記第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数をカウントしたカウント値および送られてくる通信相手の前記第1無線通信フレームの受信開始タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数のカウント値から測距誤差要因の存在を判定する工程と、を備えたことを特徴とする無線通信装置における距離測定方法にある。
Also, a distance measurement method in a wireless communication device that detects a distance from a communication partner wireless communication device based on a radio wave propagation delay time, the first wireless communication that detects the end of a wireless communication frame from a carrier wave and transmits by itself A step of measuring a first frame end time from a transmission end timing of a frame to a reception end timing of a second wireless communication frame from the communication partner wireless communication device; A step of obtaining a second frame end time from a reception end timing of the first radio communication frame to a transmission end timing of the second radio communication frame, and a time difference between the first frame end time and the second frame end time. a step of calculating the distance from the radio communication device of the communication partner, the communication partner from the transmission start timing of the first wireless communication frame From the count value obtained by counting the number of radio communication frames until the reception end timing of the second radio communication frame from the line communication device and the reception start timing of the first radio communication frame of the communication partner to be transmitted, And a step of determining the presence of a distance measurement error factor from the count value of the number of wireless communication frames until the wireless communication frame transmission end timing .
この発明では、通信への制約及び通信からの制約を抑えかつ精度の高い距離測定が行える無線通信装置および無線通信装置における距離測定方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a wireless communication apparatus and a distance measurement method in the wireless communication apparatus that can perform distance measurement with high accuracy while suppressing restrictions on communication and restrictions on communication.
この発明は、帯域幅の小さい小電力無線方式(例えばIEEE802.15.4)において高精度測距を実現する手段として、無線通信の搬送波を抽出、デジタル化し、その信号変化から通信フレームの終了を検出し、送信から受信の時間差又は受信から送信の時間差を各々の無線通信装置にて計測して距離を求める無線通信装置および無線通信装置における距離測定方法を得る。 The present invention extracts and digitizes a wireless communication carrier as means for realizing high-precision distance measurement in a low-bandwidth low-power wireless system (for example, IEEE 802.15.4), and terminates a communication frame from the signal change. A wireless communication device that detects and measures a time difference from transmission to reception or a time difference from reception to transmission by each wireless communication device to obtain a distance and a distance measurement method in the wireless communication device are obtained.
実施の形態1.
図1はこの発明の一実施の形態における無線通信装置の機能構成を示すブロック図である。無線通信装置は例えば無線センサーノード等からなり、アンテナ1、無線通信を行う無線通信ブロック10、通信フレームを監視し時間計測から距離を求める測距ブロック20、及びソフトウェアや通信プロトコルスタックが搭載され装置全体を制御する制御ブロック30からなる。
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a wireless communication apparatus according to an embodiment of the present invention. The wireless communication apparatus includes, for example, a wireless sensor node and the like, and includes an
無線通信ブロック10は、アンテナ1で送受信される無線送信信号および受信信号を測距ブロック20に分配する分配部11、無線信号の送受信を行うRF部12、信号の変調、復調を行う変復調部13、無線通信制御を行う無線制御部14を含む。
The
測距ブロック20は、無線送信信号および受信信号の搬送波の抽出を行う搬送波抽出部21、抽出された搬送波のデジタル化を行うパルス変換部23、デジタル化された信号から時間計測を行う時間計測部24、時間計測結果から通信相手の無線通信装置との距離を求める距離演算部25を含む。なお、抽出された搬送波の周波数変換を行う周波数変換部22をさらに設けてもよい。
The ranging
そして制御ブロック30は、装置全体を制御する装置制御部31を含む。
The
通常の無線通信装置は、無線通信ブロック10と制御ブロック30からなる。ToA(遅延時間)による通信の到達時間にて測距を行う場合、従来の無線通信装置においては変復調部13、無線制御部14、装置制御部31などで復調されたベースバンド信号や通信フレームを基に時間計測を行う方法が一般的であった。この場合、測距の精度はベースバンドのチップレートに依存するため、通信帯域の小さい無線方式では、高精度の測位が難しいという問題があった。例えば、IEEE802.15.4の場合は、搬送波周波数2.4GHz、通信帯域(ベースバンドのチップレート)は2MHzである。よって、ベースバンドもしくは復調されたフレームにて時間計測を行った場合、チップレート(クロック周期)から500ナノ秒(2MHzの1周期時間)分のずれが生じる可能性がある。これは距離にして150mのずれに相当し、通信帯域が低い場合は高精度の測距は困難であった。
A normal wireless communication apparatus includes a
この発明における無線通信装置では、測距ブロック10にて搬送波を抽出しその到達時間を計測することにより高精度測距を実現するものである。搬送波抽出部21で無線送信信号および受信信号の搬送波成分(IEEE802.15.4の場合は2.4GHz)の増幅、フィルタリングを行う。また、送受信信号のレベルを同一に保つためのゲインコントロールを行う。これを、パルス変換部23にてデジタル化搬送波(High、Lowの2値信号)に変換し、時間計測部24にてデジタル化搬送波の信号変化を捉えて無線通信の到達を検出する。この方式では、測距精度は無線方式の通信帯域に依存せず、時間計測部24の計測分解能に依存する。よって、通信帯域の小さいIEEE802.15.4の様な通信方式においても高精度の測距が可能となる。
In the wireless communication apparatus according to the present invention, high-precision distance measurement is realized by extracting a carrier wave by the
尚、搬送波抽出部21とパルス変換部23の間に周波数変換部22を設け、搬送波をより低い周波数に変換して時間計測する方法もある。2.4GHzに搬送波をそのままデジタル化した場合は、パルス変換部23および時間計測部24を高速スイッチング部品にて構成する必要がある。周波数を落とすことでスイッチング速度の遅い低コスト部品にて装置を構成することが可能となる。
There is also a method in which a
測距ブロック20は、変復調部13および無線制御部14を持たないため、通信方式の識別(例えば、同一搬送波周波数2.4GHzを使用するIEEE802.15.4とIEEE802.11b)や自身宛の通信フレームの識別、送信フレームと受信フレーム識別ができないため、時間計測の対象となる無線送受信を正しくとらえる手段が必要となる。その手段として、無線制御部14より無線通信の判別情報を時間計測部24に入力(通知)し、適切なタイミングで時間計測を行う制御が可能となる。時間計測部24に渡す判別情報は、通信方式が自身の通信方式と合致するかを示す”フレーム検知信号”、通信フレームが自ノード宛ての受信であることを示す”自ノード受信信号”、2.4GHzの搬送波の検知を示す”キャリア検知信号”の3つである。
Since the ranging
図2は、この発明による無線通信装置における距離計測手順を示したタイミングチャートである。距離計測を行う無線通信装置をセンサーノードA、通信を行う相手方の無線通信装置をセンサーノードBとする。これらは共に図1の構成を有する。またセンサーノードA、Bにおいて、SG1a,SG1bは無線通信(状態)、SG2a,SG2bはフレーム検知信号、SG3a,SG3bは自ノード受信信号、SG4a,SG4bはデジタル化された搬送波をそれぞれ示す。また。各フレーム中、Sはフレーム開始フラグ、Lはフレーム長を示す。 FIG. 2 is a timing chart showing a distance measurement procedure in the wireless communication apparatus according to the present invention. A wireless communication apparatus that performs distance measurement is referred to as sensor node A, and a wireless communication apparatus that performs communication as a remote node is referred to as sensor node B. Both of these have the configuration shown in FIG. In sensor nodes A and B, SG1a and SG1b indicate wireless communication (state), SG2a and SG2b indicate frame detection signals, SG3a and SG3b indicate local node reception signals, and SG4a and SG4b indicate digitized carriers, respectively. Also. In each frame, S indicates a frame start flag, and L indicates a frame length.
まず通信手順について説明する。センサーノードAは、データフレームをセンサーノードBに送信する。データフレームを受信したセンサーノードBは、ACKフレームをセンサーノードAに返信する。データフレーム、ACKフレームは無線通信フレームである。 First, the communication procedure will be described. The sensor node A transmits a data frame to the sensor node B. The sensor node B that has received the data frame returns an ACK frame to the sensor node A. The data frame and the ACK frame are radio communication frames.
センサーノードAにおける時間計測を説明する。データフレームの送出にて、無線通信ブロック10の無線制御部14は測距ブロック20の時間計測部24に対し、”フレーム検知信号”(SG2a)にてフレームの検出を通知する。この検出をトリガに、時間計測部24は搬送波停止を検出するためにデジタル化搬送波(SG4a)のチェックを開始する(搬送波停止検出1a)。次に、ACKフレームの受信にて無線制御部14は、時間計測部24に”フレーム検知信号”(SG2a)にてフレーム検出を、”自ノード受信信号”(SG3a)にて自身宛のフレームを受信したことを通知する。時間計測部24は、両信号を受けたことをトリガにして、搬送波停止を検出するためにデジタル化搬送波(SG4a)のチェックを開始する(搬送波停止検出2a)。そして両搬送波停止の検出の間の経過時間を計測し、センサーノードAにおけるデータフレーム送出終了からACKフレーム受信終了までの時間(フレーム終了間時間A)を求める。
Time measurement in the sensor node A will be described. Upon sending the data frame, the
センサーノードBにおける時間計測を説明する。データフレームの受信にて、無線通信ブロック10の無線制御部14は測距ブロック20の時間計測部24に対して、”フレーム検知信号”(SG2b)にてフレーム検出を、”自ノード受信信号”(SG3b)にて自身宛のフレームを受信したことを通知する。この検出をトリガに、時間計測部24は搬送波停止を検出するためにデジタル化搬送波(SG4b)のチェックを開始する(搬送波停止検出1b)。次に、ACKフレームの送信にて無線制御部14は、時間計測部24に”フレーム検知信号”(SG2b)にてフレームの検出を通知する。時間計測部24はこの受信をトリガにして、搬送波停止を検出するためにデジタル化搬送波(SG4b)のチェックを開始する(搬送波停止検出2b)。両搬送波停止の検出の間の経過時間を計測し、センサーノードBにおけるデータフレーム受信終了からACKフレーム送出完了までの時間(フレーム終了間時間B)を求める。
The time measurement in the sensor node B will be described. Upon reception of the data frame, the
そして例えばセンサーノードBは求めたフレーム終了間時間BをセンサーノードAへ送る(測距する側にフレーム終了間時間を送る)。この際、センサーノードBの時間計測部24は、求めたフレーム終了間時間Bを無線制御部14に送り、無線制御部14が無線通信ブロック10の機能により求めたフレーム終了間時間BをセンサーノードAへ送る。
For example, the sensor node B sends the obtained frame end time B to the sensor node A (sends the frame end time to the distance measuring side). At this time, the
センサーノードAでは距離演算部25が、時間計測部24からフレーム終了間時間A、無線制御部14からセンサーノードBから受けたフレーム終了間時間Bを受け、これらの差分からセンサーノードA〜B間の距離を求める。
In the sensor node A, the
センサーノードA、Bの計測結果の差分(フレーム終了間時間A−フレーム終了間時間B)は、センサーノードAとセンサーノードB間の往復の電波伝搬時間を示す。この結果と単位時間当たりの電波伝搬時間(30万km/1秒)から、例えば、
距離=(30万km/1秒)×(フレーム終了間時間A−フレーム終了間時間B)/2
により、センサーノードAとセンサーノードBの間の距離を求めることができる。
The difference between the measurement results of the sensor nodes A and B (frame end time A−frame end time B) indicates a round-trip radio wave propagation time between the sensor node A and the sensor node B. From this result and the radio wave propagation time per unit time (300,000 km / 1 second), for example,
Distance = (300,000 km / 1 second) × (frame end time A−frame end time B) / 2
Thus, the distance between the sensor node A and the sensor node B can be obtained.
時間計測部24において、フレーム終了間時間AはセンサーノードA内のタイマ(クロック)にて、フレーム終了間時間BはセンサーノードB内のタイマ(クロック)にて計測される。計測が各センサーノードで閉じているため(独立している)、ToA方式にて一般的に問題となるセンサーノード間の高精度時刻同期(タイマ同期)は不要となる。
In the
この点は従来装置においても同一の効果が得られる。但し、センサーノードAとセンサーノードBに搭載されているタイマ(クロック)の周波数には水晶振動部品の個体差よる偏差が存在する。汎用の水晶発振器では部品の定格周波数に対し100〜30ppm程度、GPS用の高精度品では数ppm程度の範囲で部品間ずれが存在する。そのため、フレーム終了間時間が長くなるほど、センサーノードA、B間の前記偏差による誤差蓄積が大きくなり、時間計測誤差(距離計測誤差)となって現れる。そのため、測距に使用する通信フレーム長は、前記偏差の影響を抑えるためにできるだけ短いことが必要となる。 In this respect, the same effect can be obtained in the conventional apparatus. However, the frequency of the timer (clock) mounted on the sensor node A and the sensor node B has a deviation due to the individual difference of the crystal vibrating parts. In general-purpose crystal oscillators, there is a displacement between components in the range of about 100 to 30 ppm with respect to the rated frequency of the components, and in a high-precision product for GPS in the range of about several ppm. For this reason, the longer the time between frames ends, the larger the error accumulation due to the deviation between the sensor nodes A and B, and this appears as a time measurement error (distance measurement error). Therefore, the communication frame length used for distance measurement needs to be as short as possible in order to suppress the influence of the deviation.
従来装置においては、明示されていないがフレーム長の短い測距専用メッセージを設け、これをデータ通信の合間に送受信することでこの問題を解消することができる。但し、専用メッセージをデータ通信の間に送受信するため、データ通信の性能が低下するデメリットがある。 In the conventional apparatus, this problem can be solved by providing a distance measuring message with a short frame length, which is not specified, and transmitting and receiving this message between data communications. However, since a dedicated message is transmitted and received during data communication, there is a demerit that the performance of data communication decreases.
一方、この発明の方式では、IEEE802.15.4にて通信フレームが最も短くかつ固定長であるACKフレームを測距に使用することで、前記偏差による誤差を抑える。また、本方式によれば、データフレーム長は測距精度に影響しないため、データフレーム長を任意に設定することができ通信性能へ影響は与えない。 On the other hand, according to the method of the present invention, the error due to the deviation is suppressed by using an ACK frame having the shortest communication frame and a fixed length in IEEE802.5.4 for distance measurement. Further, according to this method, since the data frame length does not affect the distance measurement accuracy, the data frame length can be arbitrarily set, and communication performance is not affected.
また、センサーノードBにおいてデータフレーム受信からACKフレーム送信までの時間は任意の値で良く、S/W処理などのバラツキがあっても方式上問題とならない利点がある。 The sensor node B may take any value from the data frame reception to the ACK frame transmission, and there is an advantage that there is no problem in the system even if there are variations in S / W processing or the like.
なおこの発明を、無線通信方式としてIEEE802.15.4を例に挙げて説明しているが、他の無線通信方式においても同様の方法を用いることにより、高精度測距が実現可能となる。 Although the present invention has been described by taking IEEE 802.15.4 as an example of the wireless communication system, high-precision distance measurement can be realized by using the same method in other wireless communication systems.
図3は、この発明による無線通信装置(無線センサーノード)における搬送波の変換方式を説明するための図であり、(a)は測距ブロックの構成(周波数変換部がない場合)、(b)は各部の入出力信号波形を示す。図3の(b)において、SG1は搬送波抽出部21の入力、SG41は搬送波抽出部21の出力、SG4はパルス変換部23の出力を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining a carrier wave conversion method in the wireless communication device (wireless sensor node) according to the present invention. FIG. 3A shows a configuration of a ranging block (when there is no frequency conversion unit), and FIG. Indicates the input / output signal waveform of each part. In FIG. 3B, SG1 indicates the input of the
測距ブロック20に入力された無線信号SG1から、搬送波抽出部21にて搬送波成分(IEEE802.15.4の場合は2.4GHz)の増幅、フィルタリングを行い、搬送波を抽出する。また、送信信号と受信信号は、信号の振幅レベルが異なるため、ゲインコントロールを行いパルス変換部23に入力する信号レベルを一定に調整した搬送波SG41にする。これをパルス変換部23にてデジタル化搬送波(High、Lowの2値信号)SG4に変換する。
A carrier
図4は、この発明による無線通信装置(無線センサーノード)の時間計測部24における搬送波停止検出方法を説明するためのタイミングチャートである。デジタル化搬送波SG4を単位遅延dで順次遅らせた信号(遅延波N−6〜N−1)を生成する。これをレンジビンクロック(SG5)で定周期(D=d×N)サンプリングする。サンプリング結果から”0”または”1”が連続した場合を搬送波停止とみなす。図4は”0”が連続した場合を搬送波停止とみなす例である。”0”連続の先頭の遅延波番号(N−6〜N−1)から、レンジビンクロックの立ち上りと搬送波停止ポイントの時間差を求めることができ、搬送波停止のタイミングを単位遅延dの時間分解能で把握することができる。
FIG. 4 is a timing chart for explaining a carrier wave stop detection method in the
遅延波の生成方法は、例えば、数10ピコ秒〜数ナノ秒の遅延特性を有するディレイライン素子を用い、単位遅延dを生成する方法がある。また、上記ディレイラインの代わりに、プリント基板のパターン配線の長さを調整することで、単位時間dの遅延を生成することができる。 As a method of generating a delay wave, for example, there is a method of generating a unit delay d using a delay line element having a delay characteristic of several tens of picoseconds to several nanoseconds. In addition, a delay of unit time d can be generated by adjusting the length of the pattern wiring of the printed board instead of the delay line.
図5は、この発明による無線通信装置(無線センサーノード)の時間計測部24におけるフレーム終了間時間の計測方法を説明するためのタイミングチャートである。上述の図4に示す方法で、データフレーム終了を検出しレンジビンクロックSG5に対する無線通信(SG1)のフレーム終了の時間を計測する(搬送波停止計測1)。データフレーム終了検出にてレンジビンカウンタのカウントを開始する。レンジビンカウンタのカウント値(SG6)はレンジビンクロックの立ち上りエッジ毎に1カウントアップされる。
FIG. 5 is a timing chart for explaining a method for measuring the time between frame ends in the
次に、上述の図4に示す方法で、ACKフレーム終了を検出しレンジビンクロックに対するフレーム終了の時間を計測する(搬送波停止計測2)。データフレーム終了検出にてレンジビンカウンタのカウントを終了する。 Next, the end of the ACK frame is detected by the method shown in FIG. 4 described above, and the frame end time with respect to the range bin clock is measured (carrier wave stop measurement 2). When the end of the data frame is detected, the range bin counter finishes counting.
搬送波停止計測1、搬送波停止計測2、およびレンジビンカウンタのカウント値から下記の式
From the carrier
フレーム終了間時間=レンジビンクロック周期D×レンジビンカウント値M
+搬送波停止計測1の計測値−搬送波停止計測2の計測値
Time between frame ends = range bin clock cycle D × range bin count value M
+ Measurement value of carrier stop measurement 1 -Measurement value of
によりフレーム終了間時間を計測することができる。 Thus, the time between frame ends can be measured.
実施の形態2.
図6〜8は、この発明の別の実施の形態による無線通信装置(無線センサノード)における測距ブロックの制御フローを示したタイミングチャートである。各図において、距離計測を行う無線通信装置をセンサーノードA、通信を行う相手方の無線通信装置をセンサーノードBとする。またセンサーノードA、Bにおいて、SG1a,SG1bは無線通信、SG2a,SG2bはフレーム検知信号、SG3a,SG3bは自ノード受信信号、SG7a,SG7bはキャリア検知信号、SG8a,SG8bはフレームカウンタ値をそれぞれ示す。無線通信装置の機能構成は図1に示したものと基本的に同じであるが、測距中の無線送受信数をカウントするフレームカウンタ(図示省略)が例えば時間計測部24に設けられる。
6 to 8 are timing charts showing the control flow of the ranging block in the wireless communication device (wireless sensor node) according to another embodiment of the present invention. In each figure, a wireless communication device that performs distance measurement is referred to as a sensor node A, and a counterpart wireless communication device that performs communication is referred to as a sensor node B. In sensor nodes A and B, SG1a and SG1b indicate wireless communication, SG2a and SG2b indicate frame detection signals, SG3a and SG3b indicate local node reception signals, SG7a and SG7b indicate carrier detection signals, and SG8a and SG8b indicate frame counter values, respectively. . The functional configuration of the wireless communication apparatus is basically the same as that shown in FIG. 1, but a frame counter (not shown) for counting the number of wireless transmission / reception during distance measurement is provided in the
測距ブロック20は、変復調部および無線制御部を持たないため、通信方式の識別(例えば、同一搬送波周波数2.4GHzを使用するIEEE802.15.4とIEEE802.11b)や自身宛の通信フレームの識別、送信フレームと受信フレームの識別ができず、時間計測の対象となる無線送受信を正しくとらえる手段が必要となる。その手段として、無線制御部14より無線通信の判別情報を時間計測部24に通知し、適切なタイミングで時間計測を行う制御が可能となる。時間計測部24に渡す判別情報は、通信方式が自身の通信方式と合致するかを示す”フレーム検知信号”、通信フレームが自ノード宛ての受信であることを示す”自ノード受信信号”、2.4GHzの搬送波の検知を示す”キャリア検知信号”の3つである。
Since the ranging
図6は通常の測距処理フローを示した図である。測距中の無線送受信数をカウントするフレームカウンタを設け、測距中の送受信数が適切であったかチェックする。センサーノードAは、自身のデータフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。また、ACKフレームの受信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。測距処理が終了した後、フレームカウンタを確認する。センサーノードBは、データフレーム受信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。また、ACKフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。測距処理が終了した後、フレームカウンタを確認する。本例では、測距通信に阻害要因が無いため、センサーノードA、Bともフレームカウンタの値(SG8a、SG8b)は、適切(=2)となっている。 FIG. 6 is a diagram showing a normal ranging process flow. A frame counter that counts the number of wireless transmission / reception during distance measurement is provided to check whether the number of transmission / reception during distance measurement is appropriate. The sensor node A increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2a) in its own data frame transmission. In addition, the frame counter is incremented by 1 with the frame detection signal (SG2a) in the reception of the ACK frame. After the distance measuring process is completed, the frame counter is checked. The sensor node B increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2b) in data frame reception. Further, the frame counter is incremented by 1 with the frame detection signal (SG2b) in the ACK frame transmission. After the distance measuring process is completed, the frame counter is checked. In this example, since there is no obstruction factor in the distance measurement communication, the frame counter values (SG8a, SG8b) are appropriate (= 2) for both the sensor nodes A and B.
図7は測距の阻害要因として、他のセンサーノードの通信をセンサーノードが受信したためACKフレームの送信が遅れるケースである。センサーノードは、他のセンサーノードが電波送信を行っている間は自身が電波送信を行うことができない。この様な場合、ACKフレームの送信が遅れ、フレーム終了間時間A’、B’が図6の場合に比べて増加することとなり、前述のクロック部品の個体偏差による測距誤差が大きくなる。 FIG. 7 shows a case where transmission of an ACK frame is delayed because the sensor node receives communication from another sensor node as an obstacle to ranging. A sensor node cannot perform radio wave transmission while another sensor node is performing radio wave transmission. In such a case, the transmission of the ACK frame is delayed, and the frame end times A ′ and B ′ are increased as compared with the case of FIG. 6, and the distance measurement error due to the individual deviation of the clock component described above increases.
図7において、センサーノードAは自身のデータフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。また、ACKフレームの受信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。センサーノードBは、データフレーム受信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。 In FIG. 7, the sensor node A increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2a) in its own data frame transmission. In addition, the frame counter is incremented by 1 with the frame detection signal (SG2a) in the reception of the ACK frame. The sensor node B increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2b) in data frame reception.
また、他センサーノードが発したフレーム(他フレーム1、他フレーム2)受信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタをインクリメントする。また、ACKフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。ここで、他フレーム1および2はセンサーノードB宛てフレームの他に、センサーノードB以外へ宛てたフレームの場合もあり得る。
Further, the frame counter is incremented by a frame detection signal (SG2b) upon reception of a frame (
本例では、他フレーム1、2が阻害要因となり、フレーム終了間時間A’、B’が長くなり、測距誤差が増加するケースである。センサーノードBのフレームカウンタのカウント値(SG8b)が4であることから阻害要因の発生を検出することができる。この様な場合は、測距処理のリトライを行うなどのリカバリによって、より精度の良い測距結果を得ることが可能である。
In this example, the
図8は測距の阻害要因として、同一周波数帯の他無線方式の通信をセンサーノードが受信した場合、もしくは他チャネルを使用したセンサーノードの通信を受信したためACKフレームの送信が遅れるケースである。 FIG. 8 shows a case in which the transmission of the ACK frame is delayed when the sensor node receives communication of another radio system in the same frequency band or the communication of the sensor node using another channel as an obstacle to ranging.
図8において、センサーノードAは自身のデータフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。次に、無線受信を示すキャリア検出信号(SG7a)が検出されたがフレーム検知信号(SG2a)が発行されない場合は他の無線方式もしくは他チャネルの受信があったとみなし、フレームカウンタを+1する。また、ACKフレームの受信におけるフレーム検知信号(SG2a)にてフレームカウンタを+1する。 In FIG. 8, the sensor node A increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2a) in its own data frame transmission. Next, when the carrier detection signal (SG7a) indicating radio reception is detected but the frame detection signal (SG2a) is not issued, it is considered that another radio system or another channel has been received, and the frame counter is incremented by one. In addition, the frame counter is incremented by 1 with the frame detection signal (SG2a) in the reception of the ACK frame.
センサーノードBは、データフレーム受信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。また、センサーノードAと同様に、無線受信を示すキャリア検出信号(SG7b)が検出されたがフレーム検知信号(SG2b)が発行されない場合は他の無線方式もしくは他チャネルの受信があったとみなし、フレームカウンタを+1する。また、ACKフレーム送信におけるフレーム検知信号(SG2b)にてフレームカウンタを+1する。 The sensor node B increments the frame counter by +1 with the frame detection signal (SG2b) in data frame reception. Similarly to the sensor node A, when the carrier detection signal (SG7b) indicating wireless reception is detected but the frame detection signal (SG2b) is not issued, it is assumed that another wireless system or another channel has been received, and the frame The counter is incremented by one. Further, the frame counter is incremented by 1 with the frame detection signal (SG2b) in the ACK frame transmission.
本例では、同一周波数帯の他無線方式の通信、又は他チャネルを使用したセンサーノードの通信が阻害要因となり、フレーム終了間時間A’、B’が長くなり、測距誤差が増加するケースである。センサーノードA、Bのフレームカウンタのカウント値が3であることから阻害要因の発生を検出することができる。この様な場合は、図7のケースと同様に測距処理のリトライを行うなどのリカバリによって、より精度の良い測距結果を得ることが可能である。 In this example, the communication between other wireless systems in the same frequency band or the communication of the sensor node using another channel becomes a hindrance, and the time between frame ends A ′ and B ′ becomes longer and the ranging error increases. is there. Since the count value of the frame counters of the sensor nodes A and B is 3, it is possible to detect the occurrence of the inhibition factor. In such a case, it is possible to obtain a more accurate distance measurement result by recovery such as retrying the distance measurement process as in the case of FIG.
この実施の形態において、判別情報は、通信方式が自身の通信方式と合致するかを示す”フレーム検知信号”、通信フレームが自ノード宛ての受信であることを示す”自ノード受信信号”、2.4GHzの搬送波の検知を示す”キャリア検知信号”の3つとしたが、使用する無線通信方式や無線制御部14の内部構成に応じて、上記以外の信号を用いて同様の効果を得る制御を行っても良い。
In this embodiment, the discrimination information includes a “frame detection signal” indicating whether the communication method matches the own communication method, a “own node reception signal” indicating that the communication frame is reception addressed to the own node, and 2 Although there are three “carrier detection signals” that indicate detection of a .4 GHz carrier wave, depending on the wireless communication method used and the internal configuration of the
なお、この発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な構成の変更が可能である。例えば図1において、無線制御部14、時間計測部24、距離演算部25、装置制御部31はそれぞれコンピュータを含むものであり、距離演算部25の機能は時間計測部24とまとめて時間計測・距離演算部としてもよく、あるいは無線制御部14又は装置制御部31に含めるようにしてもよい。
In addition, this invention is not limited to said embodiment, A change of various structures is possible. For example, in FIG. 1, the
1 アンテナ、10 無線通信ブロック、11 分配部、12 RF部、13 変復調部、14 無線制御部、20 測距ブロック、21 搬送波抽出部、22 周波数変換部、23 パルス変換部、24 時間計測部、25 距離演算部、30 制御ブロック、31 装置制御部。 1 antenna, 10 wireless communication block, 11 distribution unit, 12 RF unit, 13 modulation / demodulation unit, 14 radio control unit, 20 ranging block, 21 carrier extraction unit, 22 frequency conversion unit, 23 pulse conversion unit, 24 time measurement unit, 25 Distance calculation unit, 30 control block, 31 device control unit.
Claims (7)
搬送波から無線通信フレームの終了を検出し、自身が送信する第1無線通信フレームの送信終了タイミングから通信相手の無線通信装置からの第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの第1フレーム終了間時間を計測すると共に、送られてくる通信相手の無線通信装置での前記第1無線通信フレームの受信終了タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの第2フレーム終了間時間を得る時間計測部と、
前記第1フレーム終了間時間と第2フレーム終了間時間の時間差から通信相手の無線通信装置との距離を演算する距離演算部と、
を備え、
前記時間計測部が、前記第1無線通信フレームの送信開始タイミングから通信相手の無線通信装置からの前記第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数をカウントするフレームカウンタを有し、前記フレームカウンタのカウンタ値および送られてくる通信相手の前記第1無線通信フレームの受信開始タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数のカウンタ値から測距誤差要因の存在を判定することを特徴とする無線通信装置。 A wireless communication device that detects a distance from a wireless communication device of a communication partner based on a propagation delay time of radio waves,
First frame end time from the transmission end timing of the first radio communication frame transmitted by itself to the reception end timing of the second radio communication frame from the communication partner radio communication device by detecting the end of the radio communication frame from the carrier wave with measuring the time to obtain a second frame end between time until transmission end timing of the second wireless communication frames from the reception end timing of the first wireless communication frame in a wireless communication device sent the incoming communication partner measurement And
A distance calculation unit that calculates the distance from the wireless communication device of the communication partner from the time difference between the time between the end of the first frame and the time between the end of the second frame;
With
The time measuring unit has a frame counter that counts the number of wireless communication frames from the transmission start timing of the first wireless communication frame to the reception end timing of the second wireless communication frame from the wireless communication device of the communication partner. Then, it is measured from the counter value of the frame counter and the counter value of the number of wireless communication frames from the reception start timing of the first wireless communication frame to the transmission end timing of the second wireless communication frame. A wireless communication apparatus that determines the presence of a distance error factor .
搬送波から無線通信フレームの終了を検出し、自身が送信する第1無線通信フレームの送信終了タイミングから通信相手の無線通信装置からの第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの第1フレーム終了間時間を計測する工程と、
送られてくる通信相手の無線通信装置での前記第1無線通信フレームの受信終了タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの第2フレーム終了間時間を得る工程と、
前記第1フレーム終了間時間と第2フレーム終了間時間の時間差から通信相手の無線通信装置との距離を演算する工程と、
前記第1無線通信フレームの送信開始タイミングから通信相手の無線通信装置からの前記第2無線通信フレームの受信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数をカウントしたカウント値および送られてくる通信相手の前記第1無線通信フレームの受信開始タイミングから前記第2無線通信フレームの送信終了タイミングまでの間の無線通信フレーム数のカウント値から測距誤差要因の存在を判定する工程と、
を備えたことを特徴とする無線通信装置における距離測定方法。 A distance measurement method in a wireless communication device that detects a distance from a wireless communication device of a communication partner based on a propagation delay time of radio waves,
First frame end time from the transmission end timing of the first radio communication frame transmitted by itself to the reception end timing of the second radio communication frame from the communication partner radio communication device by detecting the end of the radio communication frame from the carrier wave The process of measuring
Obtaining a second frame end time from a reception end timing of the first wireless communication frame to a transmission end timing of the second wireless communication frame in a wireless communication device of a communication partner to be transmitted ;
Calculating the distance from the wireless communication device of the communication partner from the time difference between the first frame end time and the second frame end time;
The count value obtained by counting the number of wireless communication frames between the transmission start timing of the first wireless communication frame and the reception end timing of the second wireless communication frame from the wireless communication device of the communication partner, and the communication partner to be sent Determining the presence of a ranging error factor from the count value of the number of radio communication frames between the reception start timing of the first radio communication frame and the transmission end timing of the second radio communication frame;
A distance measuring method in a wireless communication apparatus, comprising:
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