JP5640599B2 - 無線端末方向探知装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いて無線端末の方向を探知する無線端末方向探知装置に関する。

アレーアンテナとして、指向特性を電子的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナが知られている。この電子制御導波器アレーアンテナは、指向特性を変化させることができることから、無線端末の方向探知に用いられる（たとえば特許文献１）。

上述の電子制御導波器アレーアンテナは、受信信号が１系統のみであるため、互いに異なる複数のリアクタンスベクトル状態において受信信号を観測することで方向探知を行う。たとえば、特許文献１では、まず、互いに異なる複数の方位角θに対する電力パターンを、可変リアクタンス値の複数のセット毎に予め記憶しておく。そして、可変リアクタンス値の複数のセット毎に、アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号の電力を測定する。次いで、測定した電力と、予め記憶しておいた電力パターンとの相関係数を方位角毎に計算し、相関係数が最大になる方位角を到来角として推定している。

特許第３８３６０８０号公報

電子制御導波器アレーアンテナを用いて方向探知を行う際には、干渉電波を観測しないようにすることが好ましい。そこで、干渉電波が存在する環境下においては、周波数選択性を持たせる対策が考えられる。しかし、ＩＳＭバンドのように、同じ周波数帯に多様なシステムが共存する環境では、干渉が少ない周波数チャンネルを用いて方向探知を行うことができない場合もある。そのため、同周波数帯の干渉電力によって方向探知の精度が劣化する恐れがあった。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、同周波数帯に干渉電力が存在する場合にも、精度の良い方向探知が可能な無線端末方向探知装置を提供することにある。

その目的を達成するための請求項１記載の発明によれば、方位角を変化させつつ電力検出回路が検出した電力値に基づいて方向探知を行うが、各方位角において受信した電波から、それに含まれる変調情報が復調器によって正常に復調できるかどうかも考慮して方向探知を行う。すなわち、変調情報が正常に復調できない場合には、その変調情報に対応する電力値を用いないで方向探知を行う。変調情報が正常に復調でたか否かは、変調情報に、無線信号の通信プロトコルに即したプリアンブルが存在するか否かにより判定する。

異なったシステムの無線端末からの電波の干渉が大きい場合には、電力値が大きくても、復調器によって変調情報が正常に復調できない。したがって、このように、変調情報が正常に復調できない場合に、その変調情報に対応する電力値を用いないで方向探知を行うことで、受信電力が大きくても、異なったシステムの無線端末からの電波の干渉が大きい電波を除去して無線端末の方向を探知することができる。よって、誤った方向を探知してしまうことが抑制できる。

ここで、正常に復調できなかった変調情報に対応する電力値を用いないで方向探知を行う場合、その電力値を欠落情報として扱って方向探知を行ってもよいが、請求項２のように、その電力値を補間することが好ましい。請求項２記載の発明によれば、復調器によって変調情報が正常に復調できなかった場合には、正常に復調できなかったときの方位角の前後の方位において検出された電力値に基づいて、復調できなかった変調情報に対応する電力値を補間により求める。そして、補間により求めた電力値も用いて方向探知を行う。よって、正常に復調できなかった変調情報に対応する電力値を欠落情報として方向探知を行う場合よりも、精度よく無線端末の方向を探知することができる。

上記補間には、ラグランジュ補間、ニュートン補間、スプライン補間など、公知の種々の補間方法を用いる。補間に際し、前後の何点の電力値を用いるかは、この補間方法等により決定する。ただし、補間精度が低くなる場合には、方向探知精度も低下してしまう。そこで、請求項３のように、変調情報が正常に復調できない方位角が予め設定された角度範囲にわたる場合、方位角制御部は方位角変化処理を再実行し、方向探知部は、再実行された方位角変化処理の際に検出された電力値に基づいて方向探知を行うことが好ましい。このようにすることで、信頼性の低い方向探知を行ってしまうことを抑制できる。

本発明の実施形態に係る構成概要を示す図である。 受信状態判定部６２において判定した受信状態の一例と、電力値パターン生成部６４で生成した電力値パターンの一例とを並べて示す図である。 実施形態の無線端末方向探知装置において方向探知を行う処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下に説明する実施形態の無線端末方向探知装置は、Zigbee（登録商標）の規格により通信を行う装置であり、無線端末としてＲＦＩＤタグの方向探知を行う。図１は、本実施形態に係る無線端末方向探知装置の構成図である。

図１に示すように、本実施形態の無線端末方向探知装置は、アンテナ部１、分配器３、復調器４、電力検出回路５、方向探知コンピュータ６を備えている。アンテナ部１は、電子制御導波器アレーアンテナ装置であり、１本の励振素子１０と、その励振素子１０を中心とする円周上に等間隔に設けられた６本の非励振素子１１〜１６とを備えている。これらはいずれも直棒形状であり、その長さは、たとえば、いずれも約λ／４となっている。

これら励振素子１０、非励振素子１１〜１６は、接地導体１７の上に、その接地導体１７から絶縁された状態に設けられている。その接地導体１７は、励振素子１０や非励振素子１１〜１６に対して十分に大きい広さ（たとえば半径λ／２）を有している。

励振素子１０の給電点は、同軸ケーブル１９を介して分配器３に接続されており、外部の無線端末から送信され励振素子１０によって受信された電波を示す受信信号は分配器３に供給される。

非励振素子１１〜１６には、可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆがそれぞれ接続されている。この可変リアクタンス回路１８は、電子制御導波器アレーアンテナ装置において一般的に用いられるものと同一の回路であり、たとえば、バイアス電圧が印加されることによってリアクタンス値が変化する可変リアクタンス素子（例えば可変容量ダイオード）を含む回路として構成される。この回路は、高周波的に接地導体１７に接続され、方向探知コンピュータ６の後述する可変リアクタンス制御部６１によってリアクタンス値が電子的に変化させられる。このリアクタンス値が変化させられることにより、アンテナ部１は方位角が変化する。

分配器３は、励振素子１０から供給される受信信号を復調器４と電力検出回路５に分配する。復調器４では、分配器３から供給された受信信号から変調情報（搬送波によって搬送されたデジタル情報）を復調する。より詳しくは、分配器３から供給される受信信号は変調情報が搬送波によって変調されたアナログ信号であり、復調器４では、このアナログ信号から電気的デジタル信号（Ｈｉ／Ｌｏ）形式の変調情報を復調する。この復調器４で復調された変調情報は、図示しないＡＤ変換回路を介して方向探知コンピュータ６の受信状態判定部６２に供給される。

電力検出回路５は、分配器３から供給された受信信号の電力の大きさ（電力値）を検出する回路である。この電力検出回路５は、無線信号の電力を検出する種々の公知の回路を用いることができ、たとえばダイオード検波器を含む回路構成のものである。この電力検出回路５で検出された電力値を示す電力値信号は図示しないＡＤ変換回路を介して方向探知コンピュータ６の電力値パターン生成部６４に供給される。

方向探知コンピュータ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等（いずれも図示せず）を備えており、ＣＰＵがＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することにより、可変リアクタンス制御部６１、受信状態判定部６２、データ破棄判断部６３、電力値パターン生成部６４、方向探知部６５として機能する。

可変リアクタンス制御部６１は、図示しないメモリに記憶されたデジタル電圧値を参照して、内蔵した６個のＤＡ変換器（図示せず）を用いてそのデジタル電圧値をアナログのバイアス電圧値に変換し、このバイアス電圧値をリアクタンス値信号Ｃ１１（θ）〜Ｃ１６（θ）として各可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆに出力する。上記デジタル電圧値は、予め設定された複数の方位角（本実施形態では、０°から３３０°まで３０°毎）にビームを形成する複数の指向性ビームパターンに対して記憶されている。可変リアクタンス制御部６１は、特許請求の範囲の方位角制御部として機能し、リアクタンス値信号Ｃ１１（θ）〜Ｃ１６（θ）を切り替えることにより、指向性ビームパターンを、０°から３３０°まで方位角を３０°ずつ順次変化させる方位角変化処理を行う。

なお、メモリに記憶されたデジタル電圧値は、実験に基づいて予め求められた値である。この実験は、たとえば、前述の特許文献１に記載されているように、ホーンアンテナ装置を備えた電波暗室内にアンテナ部１を回転可能に配置して行う実験である。そして、次のようにして実験を行う。すなわち、アンテナ部１を回転させることでホーンアンテナ装置に対するアンテナ部１の方位角を順次変化させつつ、ホーンアンテナ装置からの基準無線信号をアンテナ部１によって受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、方位角別に、各可変リアクタンス素子に対するリアクタンス値のセットを決定する。受信した基準無線信号の解析方法としては、例えば、最急勾配法を用いて、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を順次所定のシフト量だけ摂動させ、各リアクタンス値に対する所定の評価関数値の傾斜ベクトルを計算し、計算された傾斜ベクトルに基づいて当該評価関数値が最大または最小となるように、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算する方法を用いることができる。

受信状態判定部６２は、受信信号に含まれる変調情報が復調器４によって正常に復調できたか否かを判断する。具体的には、受信状態判定部６２では、まず、復調器４から図示しないＡＤ変換回路を介することで電気的デジタル信号となっている変調情報を、論理的デジタル信号である符号に変換する符号化を行う。そして、符号化した情報が正常かどうかを判定することで受信状態の良否（すなわち、正常に復調できたか否か）を判定する。この良否判定を、可変リアクタンス制御部６１が０°から３３０°まで方位角を３０°ずつ順次変化させる前述の方位角変化処理の際、各方位角に対して行う。

なお、変調情報を符号化する符号化部をこの受信状態判定部６２とは別に設け、受信状態判定部６２は、その符号化部から符号化された情報を取得して受信状態を判定するようにしてもよい。

符号化した情報が正常かどうかは、たとえば、その情報が通信プロトコルに即しているかどうかで判断する。より具体的には、本実施形態の探知装置が探知する無線端末はZigbeeの規格に則して情報を送信している端末である。そこで、符号化した情報にZigbeeに即したプリアンブルが存在するかを調べ、そのプリアンブルが存在する場合には、符号化した情報は正常であると判定する。また、データのパリティが正常かどうかで、符号化した情報が正常かどうかを判定してもよい。また、通信プロトコルに即していること、および、パリティチェックの両方を用いて、符号化した情報が正常であるか否かを判定してもよい。

データ破棄判断部６３は、可変リアクタンス制御部６１が０°から３３０°まで方位角を３０°ずつ順次変化させる前述の方位角変化処理を行っている際に各方位角において電力検出回路５で検出された電力値を、後述する電力値パターンに含めるか否かを判断する。この判断は、受信状態判定部６２の判定結果に基づいて行ない、受信状態が不良であると判定された場合、受信状態が不良であると判定された方位角に対応する電力値は電力値パターンに含めない、すなわち、データを破棄すると判断する。また、データを破棄すると判断した電力値が予め設定された数連続する場合（この場合には、受信状態が不良である方位角が予め設定された角度範囲を超えることになる）、方位角変化処理を行っている際に検出した全ての電力値を破棄すると判断する。

電力値パターン生成部６４は、可変リアクタンス制御部６１が０°から３３０°まで方位角を３０°ずつ順次変化させる前述の方位角変化処理を行っている際に、各方位角において電力検出回路５から供給された電力値を用いて電力値パターンを生成する。この電力値パターンは、０°〜３３０°までの方位角とそれら方位角における電力値とのセットである。ただし、前述のデータ破棄判断部６３においてデータを破棄すると判断した電力値については、この電力値パターンには含めない。

また、この電力値パターン生成部６４は特許請求の範囲の電力値補間部としての機能も有しており、データ破棄判断部６３においてデータを破棄すると判断された電力値を、前後の方位角において検出された電力値を用いて補間により求める。補間方法は、ラグランジュ補間、ニュートン補間、スプライン補間など、公知の種々の補間方法を用いることができる。

図２は、受信状態判定部６２において判定した受信状態の一例と、電力値パターン生成部６４で生成した電力値パターンの一例とを並べて示す図である。この図２の例では、方位角１８０°において受信状態が×（不良）であり、他の方位角における受信状態は○（良好）となっている。図２に示される電力値パターンは、この受信状態に対応して方位角１８０°の電力値を含めずに作成されている。なお、無線端末方向探知装置は、上記受信状態をフラグとして記憶している。

方向探知部６５は、電力値パターン生成部６４が生成した電力値パターンに基づいて、無線端末の方向探知を行う。本実施形態では、電力値パターンのピーク値を示す方位角を無線端末の方向に決定する。前述の図２の例の場合、方位角１８０°の電力値を含めてしまうと、方位角１８０°付近がピークとなってしまい、実際とは異なる方向を無線端末の方向に決定してしまうが、本実施形態では、方位角１８０°は受信状態が不良であることにより、方位角１８０°の電力値を除外して電力値パターンを生成している。それにより、方位角１５０°をピークに決定することができる。

次に、本実施形態の無線端末方向探知装置において方向探知を行う処理を図３に示すフローチャートに従って説明する。なお、この図３に示す処理は、たとえば、操作者の所定の方向探知開始操作により開始する。

図３において、まず、ステップＳ１では、初期設定として、θ＝０に設定し、受信不可フラグRxng（θ）の初期化を行う。このステップＳ１および次のステップＳ２は、可変リアクタンス制御部６１の処理である。ステップＳ２では、アンテナ部１の方位角をθ°に設定するために、メモリを参照して、そのθ°に対応する各可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆのバイアス電圧値をリアクタンス信号値C１１（θ）〜C１６（θ）として各可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆに出力する。

続くステップＳ３は電力検出回路５が行うものであり、方位角がθ°に設定された状態で分配器３から供給された受信信号の電力値を検出する。ステップＳ４は復調器４が行うものであり、分配器３から供給された受信信号から変調情報を復調する。なお、この図３では、便宜上、電力値検出（Ｓ３）に続いて復調（Ｓ４）を行うことになっているが、実際には、ステップＳ３とステップＳ４とは略同時に行う。

続くステップＳ５は受信状態判定部６２が行う処理であり、変調情報が正常に復調できたか否かを判断する。この判断が肯定断である場合にはステップＳ６へ進む。ステップＳ６は、電力値パターン生成部６４の処理であり、直前のステップＳ３で取得した電力値を方位角θ°における受信信号強度RSSI（θ）とする。一方、ステップＳ５の判断が否定判断である場合にはステップＳ７へ進み、受信不可フラグRxng（θ）＝１とする。これらステップＳ７、Ｓ８は受信状態判定部６２が行う。

ステップＳ６またはステップＳ７を実行したらステップＳ８を実行する。ステップＳ８は、可変リアクタンス制御部６１の処理であり、θ＝３３０°となったか否かを判断する。この判断が否定判断である場合にはステップＳ９へ進み、θを３０°増加させる。このステップＳ９も可変リアクタンス制御部６１の処理である。ステップＳ９を実行後は、ステップＳ２に戻る。一方、ステップＳ８が肯定判断である場合にはステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０は電力値パターン生成部６４の処理であり、θ＝０、３０、６０、・・・３３０°と変化させたとき、受信不可フラグRxng（θ）＝１が予め設定された所定数連続しているかを判断する。このステップＳ１０の判断が肯定の場合、すなわち、受信不可である方位角θが複数の角度範囲にわたり連続する場合には、ステップＳ１へ戻り、測定を最初からやり直す。

一方、ステップＳ１０が否定判断であった場合にはステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１は電力値パターン生成部６４の処理であり、受信不可フラグRxng（θ）≠１である方位角θに対するＲＳＳＩ(θ)を用いて、補間により電力値パターンを生成する。そして、ステップＳ１２では、方向探知部６５が、ステップＳ１１で生成した電力値パターンを用いて、その電力値パターンの最大値を示す方位角をタグすなわち無線端末の存在する方向に決定する。

以上、説明した本実施形態によれば、方位角変化処理を実行して方位角θを変化させつつ、電力検出回路５により検出した電力値に基づいて方向探知を行うが、各方位角θにおいて受信した電波から、それに含まれる変調情報が復調器４によって正常に復調できるかどうかも考慮して方向探知を行う。すなわち、変調情報が正常に復調できない場合には、その変調情報に対応する電力値を用いないで方向探知を行う。このようにすることで、受信電力が大きくても、異なったシステムの無線端末からの電波の干渉が大きい電波を除去してタグの方向を探知することができる。よって、誤った方向を探知してしまうことが抑制できる。

また、本実施形態によれば、電力値パターン生成部６４は、正常に復調できなかったときの方位角の前後の方位角の電力値に基づいて、復調できなかった変調情報に対応する電力値を補間により求め、補間により求めた電力値も用いて電力値パターンを生成している。よって、正常に復調できなかった変調情報に対応する電力値を欠落情報として方向探知を行う場合よりも、精度よく方向探知を行うことができる。

さらに、本実施形態によれば、変調情報が正常に復調できない方位角が予め設定された角度範囲にわたる場合には、可変リアクタンス制御部６１は方位角変化処理を再実行している。そして、方向探知部６５は、再実行した方位角変化処理の際に検出した電力値に基づいて方向探知を行っている。これにより、信頼性の低い方向探知を行ってしまうことを抑制できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

たとえば、前述の実施形態では、電力値検出値パターンの最大値を示す方位角を無線端末の存在する方向に決定していた。しかし、本発明は、電力値をどのように用いて方向探知を行うかに特に限定はない。よって、特許文献１に記載の電力パターン相互相関法を用い、電力値パターンと予め記憶された参照パターンの相関の最大値を示す方位角を探知方位としてもよい。また、ＭＵＳＩＣ法を用いるなど、本発明には、電子制御導波器アレーアンテナを用いた無線端末の方向探知において知られている種々の方向決定手法を用いることができる。

１：アンテナ部、 ３：分配器、 ４：復調器、 ５：電力検出回路、 ６：方向探知コンピュータ、 １０：励振素子、 １１〜１６：非励振素子、 １７：接地導体、 １８：可変リアクタンス回路、 １９：同軸ケーブル、 ６１：可変リアクタンス制御部（方位角制御部）、 ６２：受信状態判定部、 ６３：データ破棄判断部、 ６４：電力情報パターン生成部（電力値補間部）、 ６５：方向探知部

Claims (3)

1. 無線信号を受信するための励振素子と、その励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１個の非励振素子と、その非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、その可変リアクタンス素子のリアクタンス値が変化することにより方位角が変化するアレーアンテナと、
   前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御して、予め設定された複数の角度にアレーアンテナの方位角を順次変化させる方位角変化処理を行う方位角制御部と、
   無線端末から送出され、前記アレーアンテナによって受信された電波の電力値を検出する電力検出回路と、
   前記方位角制御部が前記方位角変化処理を行う際、前記電力検出回路が検出した電力値に基づいて無線端末の方向探知を行う方向探知部とを含み、
   さらに、前記無線端末から送信され、前記アレーアンテナによって受信された電波に含まれる変調情報を復調する復調器と、
   前記復調器によって前記変調情報が正常に復調できたか否かを、前記変調情報に、前記無線信号の通信プロトコルに即したプリアンブルが存在するか否かにより判定する受信状態判定部とを備え、
   前記方向探知部は、前記受信状態判定部が、前記復調器によって前記変調情報が正常に復調できないと判定した場合には、その変調情報に対応する電力値を用いないで前記方向探知を行うことを特徴とする無線端末方向探知装置。
   
2. 請求項１において、
   前記復調器によって前記変調情報が正常に復調できなかった場合に、復調できなかったときの方位角の前後の方位角において検出された電力値に基づいて、復調できなかった変調情報に対応する電力値を補間により求める電力値補間部をさらに備え、
   前記方向探知部は、前記電力値補間部において電力値が補間により求められた場合、その補間により求められた電力値も用いて前記方向探知を行なうことを特徴とする無線端末方向探知装置。
3. 請求項１または２において、
   前記復調器によって前記変調情報が復調できない方位角が、予め設定された角度範囲にわたる場合、前記方位角制御部は前記方位角変化処理を再実行し、
   前記方向探知部は、再実行された方位角変化処理の際に前記電力検出回路によって検出された電力値に基づいて前記方向探知を行うことを特徴とする無線端末方向探知装置。

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