JP5624636B2 - 無線デバイス位置判定の動的補償 - Google Patents

Description

関連出願

この出願は、２０１２年１月３０日提出の英国特許出願第１２０１５３９．２号に基づく優先権の利益を主張するものであって、その全内容を本明細書に援用する。

本明細書で説明する実施形態は、無線デバイスの位置判定に関する。

信号強度測定のような無線技術に基づくデバイス位置判定のための多くの既存のアプローチは、測定誤差の存在下で高い位置精度を達成することを目的とするものであり、これらはランダムプロセスとして扱われることが多い。

図１は、本明細書で説明する実施形態を実装するように構成されたネットワークの概要図。 図２は、図１に示されたネットワークのデバイスによって実行される方法のフローチャート。 図３は、先行技術による方法の性能結果のグラフ。 図４は、本明細書で説明する実施形態の具体例の性能結果のグラフ。

本明細書で説明する実施形態は、ユーザとその環境に関して位置判定処理を動的に適応させるために、携帯型デバイスの方向／姿勢／移動についての知識を利用する。

また、本明細書で説明する実施形態は、デバイス無線位置判定方法および使用する補償の動的な適応のために、デバイスの方向／姿勢の情報を用いる。

これにはコンパス／加速度計に基づいた方向および／または姿勢決定方法を用いてもよい。相対信号強度トライ・ラテレーション技術のようなＷｉＦｉ位置判定方法を用いてもよい。適用すべき補償の算出を適切なものとするために、上記アプローチと共に動き判定を用いてもよい。また、相対信号レベル（ＲＦカバレッジ）マップを上記の技術と共に用いてもよい。

本明細書で説明する実施形態は、デバイスの能力を考慮してその方向、姿勢（およびこれらに動きを加えても良い）を確認する。そしてこれにより補償を動的に推定してデバイス／ユーザのコンテキストにおける位置判定処理に適用する。

本明細書で説明する実施形態は、デジタルコンパスおよびデジタル加速度計のような、方向／姿勢および他のセンサーを備えたタブレットや、他のハンドヘルドまたはポータブルなデバイスにおいて好適に実施することができる。

本明細書で説明する実施形態の特定の実装例では、位置誤差とその分散を低減することができ、これにより測定および再計算の必要性を全体的に少なくすることができる。

位置判定には、ＧＰＳ、ＲＦＩＤ、ＩＲ、超音波および無線ネットワークのような従来の技術が用いられる。無線ネットワークの解決手段としては、インフラストラクチャーに基づくもの（すなわち、到来方向または到来角、および時間差によるもの）あるいは、端末に基づくもの（すなわち、典型的には信号強度によるもの）のいずれかである。

前記の基本技術には、いずれも、インフラ支援または特別のセンサーデバイスが必要であるという問題点がある。また、これらは屋外使用のためのＧＰＳあるいはインフラストラクチャーに基づく無線通信技術、屋内使用のための端末ベースの無線通信技術という具合に、それぞれの環境向けに適合する傾向がある。技術が異なる場合の性能は、標準的には位置判定誤差として特定される。別の重要な特性は、特定の精度で位置を解決するために要する時間である。ほとんどの技術において、これは時間をかければ改善する傾向にある。

いくつかの既存のアプローチでは、異なる技術を組み合わせることによって精度および／または時間分解能を改善することを試みている。古典的技術は、多くのスマートフォンで実施されるようなＧＰＳ支援である。これは、インフラストラクチャーに基づく無線位置判定技術にＧＰＳセンサーを組み合わせることで位置判定をより高速かつ高精度にしようとするものである。しかしながら、この技術は屋内のようにＧＰＳや無線インフラ支援が存在しない場所ではうまくいかない。

（Ｇｏｏｇｌｅ ｌａｔｉｔｕｄｅ等で提供されるような）現行のＷｉｆｉベースの位置判定方法は、フィンガープリントを形成するＷｉＦｉアクセスポイント（ＡＰ）測定ベクトルをＧＰＳ位置データに関連付けることで、逆方向のデータベース・ルックアップ処理を可能にするものである。この技術および信号強度に依存するおよび同様のアプローチは、ノイズおよびフェージング／シャドウイングの影響を受けて精度が下がるという問題点がある。精度を改善するために、用いるＡＰの組（つまり最も強いＡＰ信号）を厳選したり、変化を平均するために長期的なデータ解析を行う技術がある。関連する付加的な技術は、デバイスがゆっくり移動（ノイズと製造誤差に相関がある）し、デバイス移動を追跡する能力ほどには初期位置時間分解能が重要ではない場合に上手く適応しようとするものである。

本明細書で説明する実施形態のアプローチは、デバイスの方向、姿勢、（移動のような）他の要因を考慮して補償を計算することにより、デバイスの幾何学的配置の知識を活用するものである。これは、デバイスのコンテキストを利用してリファインメントを行うことができることから、位置判定処理に直接的に適合させることができる。

図１は、互いに通信可能であってネットワーク１０を形成する電子デバイスの構成を示している。ネットワーク１０は２つの携帯型デバイス１２を含んでおり、その各々はハブ１４と通信して位置データベースを確立している。図示のように、デバイス１２の各々はハブ１４との双方向通信が可能である。本開示の目的に関連する通信のみを示して説明するが、両方向で種々様々な通信が可能であることを理解されたい。

各デバイス１２は、ハブ１４で保持された位置データベースに対し、該位置データベースに保持された情報を参照するためのＲＦフィンガープリント情報（ＲＦ ＦＰ１、ＲＦ ＦＰ２）を含んだメッセージを送信する能力を有する。これを受けて、ハブ１４は、各デバイス１２からのＲＦフィンガープリント情報を処理し、それぞれのデバイス１２に位置メッセージ（Ｌｏｃ１，Ｌｏｃ２）を返すように動作可能である。

図１に示された補償処理は、デバイス１２のローカル方向、姿勢および移動を判定し、位置データベースに送られたフィンガープリント情報（ＲＦ ＦＰ２）、あるいは位置データベースから受け取った位置情報（Ｌｏｃ１）に適用される補償を判定する処理ステップを指す。

デバイス１２における微調整／処理では、付加的な無線位置判定方法と同時に、方向、姿勢および移動に基づく補償を行う。デバイスの方向（つまり、方向に応じた信号の変化）を考慮するのみならず、デバイスの姿勢（つまりピッチ、ヨーおよび回転）のような他の要因を考慮するための手段がオプションとして提供されてもよい。

位置判定の従来技術には、ノイジーなセンサーデータによる信頼性低下という欠点がある。位置精度の改善には、長期の位置時間分解能をもたらす長期間についての多数のサンプルを必要とし、または、ＧＰＳ支援のような技術と、局所のＧＰＳ位置サーチ領域によって改善可能な粗い位置判定とを組合せることが必要である。衛星航法（サテナビ）受信機における典型的なアプローチは、粗い位置判定とともに速度と方向のトラッキングを行うことで位置判定処理を改善するとともに迅速化するものである。

しかしながら、ＷｉＦｉ位置判定方法のような無線ネットワークのスキャンを利用する以前のアプローチは、ノイズがランダムまたは不定であるとみなすものであって、方向、姿勢および移動データのような微細なセンサーデータを利用して判定処理に適用するようなローカル補償には適合しない。その代わりに、一定時間期間にわたる変化を（それらが時間依存であると仮定して）平均するものである。

本明細書で説明する実施形態は、屋外またはＧＰＳが利用可能でない屋内で用いることが可能なように実施することができ、全体的に見て少ない処理により迅速かつ正確で電力効率的な位置判定を提供するものである。一実施形態によって実施される方法を、図２のフローチャートによって示す。この方法は、デバイスとユーザのコンテキストを考慮するものである。

最初のステップ（Ｓ１−２）は、無線ネットワークの信号強度をデバイスがスキャンする点で先行技術のアプローチと同様である。

次に、デバイスは、ハブ１４のようなローカルアクセスポイントからの受信信号レベルに方向が影響するかをチェックする（Ｓ１−４）。方向補償では、デバイスの絶対方向を補償する。この補償は、例えば、デバイスの方向によって影響される（つまり信号強度測定に影響する）アクセスポイントの信号レベルを増加させる。補償の量は、較正処理によって判定することができる推定された影響に一致する。必要ならば、ステップＳ１−６において方向補償を実施する。

次に、ステップＳ１−８では、方向の補償のための位置推定に適用することが可能な信頼度が閾値を十分に超えているかどうかを判定する。信頼度が閾値を十分に超えている場合には、他の補償技術は用いられず、方向補償のみに基づいて位置推定の処理が継続する。そうでなければ、ステップＳ１−１０では、デバイス１２は、デバイスの姿勢を補償する必要があるかどうか判断する。例えば、デバイス１２がある状態で保持されていれば、このことは信号強度測定に影響を与える。この場合、ステップＳ１−１２では姿勢補償を適用する。ステップＳ１−１４では、姿勢に関する位置情報の補償に適用することができる信頼度を判定する−この補償位置情報の信頼度が高い場合、さらなる補償ステップは省略される。

そうでなければ、次のステップ（Ｓ１−１６）では、動き補償を適用する必要があるかどうか判断する。例えば、デバイスの推定された動き、または予測された動きに基づいて補償を適用することができる。わずかな移動によるフェージングが信号強度に変化をもたらし、（信号フェージングパターンの結果として）スプリアスな位置判定となることが良く知られている。この場合、ステップＳ１−１８においてこれを補償する。逆に、デバイスが静止していると見なされる場合、信号の変化はない可能性が高く（あるいは変化はわずかであって、これは近くを移動する物体に依存する）、したがって、ステップＳ１−１８による補償をスキップすることができる。この時点での信頼レベルが十分に高いと考えられる場合、他の補償は必要ではない。さらに、時間的な信号変化についての測定を用いて動きと相関させ、移動による迅速な信号強度変化を判定してもよく、これに応じて頻繁な測定を行ない、動きがあると判定された場合に時間ウィンドウ上で変化を平均（つまり、変化期間に基づいて平滑化する）してもよい。

最終的に（ステップＳ１−２０）において位置判定を行う。これは、関連する補償が適用された最後の位置における測定信号レベルに基づいている。

必要な場合、該方法は、ステップＳ１−２２においてネットワークの繰り返しスキャンによってループし、ステップＳ１−２０の判定に基づいて位置推定が更新される。

上記の実施形態では、位置推定を求めて補償を適用することを想定したが、それに基づいて当該位置推定を求めた情報に補償を適用してもよいことを理解されたい。例えば、上記の技術が、信号処理に基づく位置推定技術と組み合わされる場合、位置推定のための信号それ自体を上述した補償の対象としてもよい。

別の実施形態において、補償処理演算を行なう遠隔の実体に、端末装置が方向、姿勢および移動推定のようなローカルコンテキストデータを送信してもよい。しかしながら、この場合、較正データをさらに送る必要があるかもしれない。

上述した実施形態は、（細粒度の位置判定に関して）従来のルックアップに基づいた無線位置特定におけるネットワークオーバーヘッドの削減をも意味している。これは、ルックアップおよび後の平均化の必要回数の削減によるものである。

典型的な既存のシステムによる測定結果と、本明細書で説明した実施形態による測定結果を得た。図３および図４に示す測定結果は、本明細書に示したアプローチの特定の実装には利点があることを示している。まず、補償を行わない先行技術のアプローチでは、３つの最も強いＡＰ信号について記録された信号レベルから構成されるフィンガープリントが用いられる。これらは、（シャドウイングおよびアンテナパターンによって）デバイスの方向の影響を受ける。そして、位置判定結果には誤差が導入されるが、これは、従来、時間をかけて平均されるか、より多くのＡＰ測定結果を用いて平均される。

これに代えて、上述の実施形態では単純な較正処理が用いられる。これは、あるアプローチでは、解析的に判定され、位置は一定であるが方向が変化するーつまり、ユーザ／デバイスがその場で回転している場合の測定結果を受け取る。

較正補償は、補正処理において適用するべき１組のルールとして規定される。この場合、求められるルールはＡＰ２とＡＰ３の信号についてそれぞれ次のとおりである。

ＩＦ｛ＡＢＳ（ｂｅａｒｉｎｇＡＰ２）＜３０｝
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ＝ＡＢＳ（ｂｅａｒｉｎｇ）／２
ＩＦ｛ＡＢＳ（ｂｅａｒｉｎｇＡＰ３）＜３０｝
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ＝ＡＢＳ（ｂｅａｒｉｎｇ）／３
補償するには変化が小さすぎることが判定されているために、ＡＰ１信号には補償は適用されない。より複雑な式を求めても良い。

デバイスの（３つの軸内の）姿勢補償についても、１組のルールによって同じ方法で適用することができるが、較正または解析を通じて、ルールがある軸（つまりピッチ）にのみ注目することを決定してもよい。

ＩＦ｛ａｔｔｉｔｕｄｅ．ｙ＞４５｝ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ＋＝ＡＢＳ（ｂｅａｒｉｎｇＡＰ）／４
ルールにおいて、方向および姿勢の両方を組み合わせてもよいことを理解されたい。

そして、信号レベルを位置推定に分解する様々な方法を用いることができる。これには、「ラテレーション（ｌａｔｅｒａｔｉｏｎ）」に基づく従来技術が存在する。これは、クラスタリング法あるいは確率論的方法を用いてフィンガープリントまたはマップの既存データベースへの最近接を求めることを含む。選択的に利用することができる技術は、（既知のＡＰ位置および電力レベルに基づく）解析的な相対信号レベルマップを計算したり、あるいは、実際の測定に基づくな相対信号レベルマップを計算することである。その後のルックアップ処理は、当該デバイスについて最後に既知である位置推定の周囲の領域および発見された最近接のフィンガープリントに制限することができる。

サーチ処理は、最後の既知の位置の周囲のタイルから開始し、必要に応じてサイズを大きくしてもよい。

ＡＰ位置との相対方向を計算する必要がある場合、デバイスにおいて、既存の（先行技術）位置データベース解決策による補償処理の更なる機能拡張が可能である。該ステップは、デバイス位置に関してそれらの相対方向を推論するために、各ＡＰに接近している位置をスプーフィングし、適用される適切な方向補償をもつ実際のデバイス位置を要求することを含んでいる。しかしながら、これはルックアップペナルティーの増大を招くので、理想的には頻繁に繰り返されるべきではなく、新しいＡＰが発見され、適切な場合に限り行われることが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (13)

1. 無線通信デバイスの位置を代表する位置推定を判定する無線通信デバイスであって、
   前記無線通信デバイスの方向を判定する方向判定手段と、
   前記位置推定への方向の影響を閾値により判定する方向補償の必要性判定手段と、
   前記無線通信デバイスの姿勢を判定する姿勢判定手段と、
   前記位置推定への姿勢の影響を閾値により判定する姿勢補償の必要性判定手段と、
   方向補償が必要であると判定された場合に前記位置推定に方向影響補償を適用し、姿勢補償が必要であると判定された場合に前記位置推定に姿勢影響補償を適用する補償適用手段と、
   を具備する無線通信デバイス。
2. 前記無線通信デバイスの動きを判定する動き判定手段と、前記位置推定への動きの影響を閾値により判定する動き補償の必要性判定手段と、をさらに具備し、動き補償が必要であると判定された場合には、前記補償適用手段は動き影響補償を適用する請求項１に従う無線通信デバイス。
3. 他のデバイスからの可検知信号の存在を検出し、検出信号の信号強度を検出する信号検出手段を含む請求項１又は２に従う無線通信デバイス。
4. 位置判定デバイスが前記無線通信デバイスの位置に関して位置推定を判定できるように、前記位置判定デバイスに対し、当該無線通信デバイスによって検出された信号の信号方向情報を送信し、
   前記位置判定デバイスによって決定された位置推定の信号方向情報を受信する、請求項１に従う無線通信デバイス。
5. 前記検出信号の検出信号強度に基づいて位置推定を判定する位置判定手段を具備する請求項３に従う無線通信デバイス。
6. 前記信号強度に補償を適用する請求項３に従う無線通信デバイス。
7. 無線通信デバイスの位置を代表する位置推定を判定する方法であって、
   前記無線通信デバイスの方向を判定することと、
   前記位置推定への方向の影響を閾値により判定することと、
   前記無線通信デバイスの姿勢を判定することと、
   前記位置推定への姿勢の影響を閾値により判定することと、
   方向補償が必要であると判定された場合に前記位置推定に方向影響補償を適用し、姿勢補償が必要であると判定された場合に前記位置推定に姿勢影響補償を適用することと、
   を含む方法。
8. 前記無線通信デバイスの移動を判定することと、前記位置推定への動きの影響を閾値により判定することと、前記動きの影響が閾値を越える場合に、動き影響補償を適用することと、を含む請求項７に従う方法。
9. 他のデバイスからの可検知信号の存在を検出することと、検出信号の信号強度を検出することとを含む、請求項７又は８に従う方法。
10. 位置判定デバイスが前記無線通信デバイスの位置に関して位置推定を判定できるように、前記無線通信デバイスによって検出された信号に関する信号方向情報を前記位置判定デバイスに送信することと、前記位置判定デバイスによって判定された位置推定に関する信号方向情報を受信することと、を含む請求項７に従う方法。
11. 前記検出信号の検出信号強度に基づいて位置推定を判定することを含む請求項９に従う方法。
12. 前記信号強度に補償を適用することにより前記位置推定を補償することを含む請求項９に従う方法。
13. 汎用コンピューターで構成された無線通信デバイスによって実行された場合に請求項７乃至１２のいずれかに従う方法を当該無線通信デバイスに実行させる計算機実行可能命令を含むコンピュータプログラム。

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