JP5813672B2

JP5813672B2 - 無線通信システム

Info

Publication number: JP5813672B2
Application number: JP2013000953A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　愛一郎; 愛一郎佐々木; 小笠原　隆行; 隆行小笠原; 森村　浩季; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: JP2014135539A

Description

本発明は、無線通信システムに関するものである。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信（エリア限定無線)に対するニーズが高まっている。例えば，特許文献１に開示された「電界通信システム」は、エリア限定無線を実現するための一手段である。

特開２００７‐１７４５７０号公報

電界通信では、環境に設置された設置端末の近傍エリアに存在する携帯端末装置だけが、設置端末との通信を行うことができる。しかし、設置端末の近傍の電界分布は設置環境やユーザの姿勢などに大きく依存するため、通信エリアの境界を明確に設定することが困難であった。

したがって，通信すべき位置に存在している携帯端末装置が設置端末と通信できなかったり、また逆に通信すべきでない位置に存在している携帯端末装置が設置端末と通信してしまったり、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができなかった。

このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は周囲に存在する導体や誘電体の影響を強く受けるためである。

一方で，低周波(およそ10MHz以下)磁界は，人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。

したがって、低周波磁界を生成するアンテナを設置端末の近傍に設置すれば、設置端末近傍に人体や他の物体があろうとなかろうと、設置端末近傍の磁界分布は不変である。

そこで，携帯端末装置には磁界強度を検出する機能が搭載されているとする。設置端末近傍の磁界分布は不変なので、携帯端末装置が検出した磁界強度の値から、設置端末からの距離を推定することができる。

したがって、磁界を利用したエリア限定無線が可能になる。

このようなエリア限定無線を実現するためには、通信エリアの広さや形状に応じて、適切な磁界分布を生成する必要がある。

しかし、任意の磁界分布を生成するのは不可能であり、携帯端末装置の位置の推定には誤差が発生する。

したがって、従来技術だけで信頼度の高いエリア限定無線を実現するのは難しい。

図７は、エリア限定無線の例を示す図である。

磁界を発生させるアンテナは床に設置されており、その上方に理想的な無線通信エリアＲ１が示されている。ユーザが所持する携帯端末装置１Ａが無線通信エリアＲ１に存在している時には「エリア内」と判定され、そうでない場合には「エリア外」と判定されることが理想である。エリア内外を判定するには、予め閾値電圧Vthを設定し、携帯端末装置１Ａが検出した磁界の振幅に比例した受信電圧Vrcvが、Vrcv ＞ Vthを満たしていればエリア内と判定し、Vrcv ≦ Vthを満たしていればエリア外と判定する。無線通信エリアＲ１内で磁界強度を一定に保つのは難しく、アンテナ２１Ａから遠ざかるほど磁界強度は小さくなる。したがって、Vrcv(P1) ＜ Vrcv(P0) となるので、Vth ＜ Vrcv(P1) となるように閾値を設定する必要がある。

一方、エリア外の点P2はP1よりもアンテナ２１Ａに近いので、Vrcv(P1) ＜ Vrcv(P2)となる可能性が高く、その場合Vrcv(P2)＞Vthが満たされるので、携帯端末装置がエリア外の点P2に存在するにも関わらず、エリア内に存在すると誤って判定されてしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁界を利用したエリア限定無線において、エリア内外の判定確度を向上できる無線通信システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末ならびに前記設置端末と通信する携帯端末装置を備える無線通信システムであって、前記設置端末は、第１アンテナと、前記第１アンテナに隣接する第２アンテナと、第１の周波数の交流磁界を前記第１アンテナから発生させ、第１の周波数とは異なる第２の周波数の交流磁界を前記第２アンテナから発生させる手段とを備え、前記携帯端末装置は、前記第１の周波数の交流磁界の振幅に対応する第１受信電圧と、前記第２の周波数の交流磁界の振幅に対応する第２受信電圧とを検出する手段と、予め設定された第１閾値電圧より前記第１受信電圧が大きく、かつ、予め設定された第２閾値電圧より前記第２受信電圧が小さい場合、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定する手段とを備えることを特徴とする。

第２の本発明は、予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末ならびに前記設置端末と通信する携帯端末装置を備える無線通信システムであって、前記設置端末は、第１アンテナと、前記第１アンテナに隣接する第２アンテナと、第１の周波数の交流磁界を前記第１アンテナから発生させ、第１の周波数とは異なる第２の周波数の交流磁界を前記第２アンテナから発生させる手段とを備え、前記携帯端末装置は、前記第１の周波数の交流磁界の振幅に対応する第１受信電圧と、前記第２の周波数の交流磁界の振幅に対応する第２受信電圧とを検出する手段と、前記第１受信電圧および前記第２受信電圧に関するデータを前記設置端末に送信する手段とを備え、前記設置端末は，前記第１および２の受信電圧に関するデータを受信し、予め設定された第１閾値電圧より前記第１の受信電圧が大きく、かつ、予め設定された第２閾値電圧より前記第２の受信電圧が小さい場合、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定する手段を備えることを特徴とする。

例えば、前記第２アンテナの個数が２以上であり、且つ、前記各第２アンテナの位置が互いに異なる。

例えば、前記第１アンテナと前記第２アンテナが、前記携帯端末装置を所持するユーザが歩く床に配置される。

本発明によれば、磁界を利用したエリア限定無線において、エリア内外の判定確度を向上できる。

本実施の形態に係る無線通信システムとその利用形態を示す図である。第１の実施の形態における携帯端末装置１の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態に係る携帯端末装置１を実現するための回路の一例を示す図である。第２の実施の形態における携帯端末装置１と設置端末２の動作を示すフローチャートである。第２の実施の形態に係る携帯端末装置１を実現するための回路の一例を示す図である。第１、第２の実施の形態の変形例に係るアンテナ２１、２２の設置例を示す図である。エリア限定無線の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る無線通信システムとその利用形態を示す図である。
無線通信システムは、携帯端末装置１と設置端末２とを備える。
設置端末２は、アンテナ２１（第１アンテナ）と，アンテナ２１に隣接するアンテナ２２（第２アンテナ）と、第１の周波数ｆ１の交流磁界をアンテナ２１から発生させ、周波数ｆ１とは異なる第２の周波数ｆ２の交流磁界をアンテナ２２から発生させるトランシーバ２３とを備える。周波数ｆ１、ｆ２は、実際には周波数の幅を有する周波数帯である。

アンテナ２１、２２は、例えば、携帯端末装置１を所持するユーザが歩く床に設置される。
アンテナ２１の上方の無線通信エリアＲ１は、理想的な通信エリアである。

携帯端末装置１は、通常、カバンの中や衣服のポケットなどに収納される。したがって、P0やP1などの位置に携帯端末装置１が存在している時には、携帯端末装置１は「エリア内」に存在すると判定されるべきである。一方、P2などの位置に存在している場合には、「エリア外」と判定されるべきである。

携帯端末装置１は、周波数ｆ１の交流磁界の振幅に比例した受信電圧Vrcv1（第１受信電圧）と、周波数ｆ２の交流磁界の振幅に比例した受信電圧Vrcv2（第２受信電圧）をそれぞれ検出する手段（機能）を有する。このような機能の詳細については、図を用いて後述する。

［第１の実施の形態］
図２は、第１の実施の形態における携帯端末装置１の動作を示すフローチャートである。

携帯端末装置１には、閾値電圧Vth1（第１閾値電圧）と閾値電圧Vth2（第２閾値電圧）が設定されていることとする。

携帯端末装置１は、通常は、Vrcv1、Vrcv2が検出されるのを待ち受ける状態（待受状態）となっている（Ｓ１）。

携帯端末装置１は、Vrcv1、Vrcv2が検出されると、Vrcv1とVth1を比較し（Ｓ３）、Vrcv1 ≦ Vth1ならば（Ｓ３：ＮＯ）、「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１外にある」と判定し、待受状態（Ｓ１）に戻る。

携帯端末装置１は、Vrcv1 ＞ Vth1（Ｓ３：ＹＥＳ）なら，Vrcv2とVth2を比較し（Ｓ５）、Vrcv2 ≧ Vth2ならば（Ｓ３：ＮＯ）、「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１外にある」と判定し、待受状態（Ｓ１）に戻る。

携帯端末装置１は、Vrcv2 ＜ Vth2（Ｓ５：ＹＥＳ）なら，「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１内にある」と判定し、待受状態を終了し、設置端末２との間でデータ通信を開始する（Ｓ７）。

携帯端末装置１は、データ通信が終了したら（Ｓ９）、待受状態（Ｓ１）に戻る。

図３は、第１の実施の形態に係る携帯端末装置１を実現するための回路の一例を示す図である。

携帯端末装置１は、周波数ｆ１およびｆ２の交流磁界の振幅に比例したVrcv1とVrcv2を独立に検出する。

携帯端末装置１は、周囲の磁界を捕捉するアンテナ１０１と、アンテナ１０１からの信号を増幅するアンプ１０２、１０３と、増幅後の信号から周波数ｆ１の帯域を取り出すバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０４と、増幅後の信号から周波数ｆ２の帯域を取り出すバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０５と、ＢＰＦ１０４で取り出した帯域の信号の振幅に比例する受信電圧Vrcv1を検出する振幅検出回路１０６と、ＢＰＦ１０５で取り出した帯域の信号の振幅に比例する受信電圧Vrcv2を検出する振幅検出回路１０７と、Vrcv1とVth1を比較するコンパレータ１０８と、Vrcv2とVth2を比較するコンパレータ１０９と、コンパレータ１０９の出力を反転するインバータ１１０と、コンパレータ１０８の出力とインバータ１１０の出力の論理和を求めるＡＮＤゲート１１１と、ＡＮＤゲート１１１の出力が“1”の場合に動作し、“0”の場合に動作を停止するデータ通信用回路１１２とを備える。

Vrcv1 ＞ Vth1かつVrcv2 ＜ Vth2ならばＡＮＤゲート１１１の出力が“1”となり、それ以外の条件ではＡＮＤゲート１１１の出力は“0”となる。ＡＮＤゲートから“1”が出力されると、データ通信用回路１１２が動作し、設置端末２との間でデータ通信が開始される。

このように、第１の実施の形態によれば、携帯端末装置１は、閾値電圧Vth1より受信電圧Vrcv1が大きく、かつ、閾値電圧Vth2より受信電圧Vrcv2が小さい場合、携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１に存在すると判定する。

よって、図１において、Vrcv1(P0)＞Vth1、Vrcv1(P1)＞Vth1、Vrcv2(P0)＜Vth2、Vrcv2(P1)＜Vth2、Vrcv2(P2)≧Vth2となるように閾値電圧Vth2とVth2を設定すれば、P0,P1では、携帯端末装置１無線通信エリアＲ１に存在すると判定され、P2では、携帯端末装置１無線通信エリアＲ１に存在しないと判定される。よって、携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１に存在するか否かの判定確度を向上できる。

また、第１アンテナ２１と第２アンテナ２２が、携帯端末装置１を所持するユーザが歩く床に配置されているので、床の上の空間における無線通信エリアＲ１について、判定確度を向上できる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１内にあるか否かの判定を携帯端末装置１で行ったが、設置端末２で行うことも可能である。

以下、第２の実施の形態として、設置端末２で判定を行う態様について説明する。

図４は、第２の実施の形態における携帯端末装置１と設置端末２の動作を示すフローチャートである。

携帯端末装置１には、閾値電圧Vth0が設定され、設置端末２には、閾値電圧Vth1（第１閾値電圧）と閾値電圧Vth2（第２閾値電圧）が設定されていることとする。

携帯端末装置１は、通常は、Vrcv1が検出されるのを待ち受ける状態（待受状態）となっている（Ｓ１１）。

携帯端末装置１は、Vrcv1が検出される（このときVrcv2も検出される）と、Vrcv1とVth0を比較し（Ｓ１３）、Vrcv1 ≧ Vth0ならば（Ｓ１３：ＮＯ）、待受状態（Ｓ１１）に戻る。

携帯端末装置１は、Vrcv1 ＞ Vth0（Ｓ１３：ＹＥＳ）なら，Vrcv1とVrcv2 の値を設置端末２に送信する（Ｓ１５）。この通信は、交流磁界で行ってもよいし、別途電波で行ってもよい。

設置端末２は、Vrcv1とVrcv2 の値を受信し、まず、Vrcv1とVth1を比較し（Ｓ２１）、Vrcv1 ≦ Vth1ならば（Ｓ２１：ＮＯ）、「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１外にある」と判定し、携帯端末装置１に対し、その旨を送信する（Ｓ２３）。これにより、携帯端末装置１は、待受状態（Ｓ１１）に戻り、設置端末２は、携帯端末装置１からVrcv1とVrcv2 の値が送信されるのを待ち受ける状態になる。

設置端末２は、Vrcv1 ＞ Vth1（Ｓ２１：ＹＥＳ）なら，Vrcv2とVth2を比較し（Ｓ２５）、Vrcv2 ≧ Vth2ならば（Ｓ２５：ＮＯ）、「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１外にある」と判定し、携帯端末装置１に対し、その旨を送信する（Ｓ２３）。これにより、携帯端末装置１は、待受状態（Ｓ１１）に戻り、設置端末２は、携帯端末装置１からVrcv1とVrcv2 の値が送信されるのを待ち受ける状態になる。

設置端末２は、Vrcv2 ＜ Vth2（Ｓ２５：ＹＥＳ）なら，「携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１内にある」と判定し、待受状態を終了し、携帯端末装置１との間でデータ通信を開始する（Ｓ２７）。

携帯端末装置１は、データ通信が終了したら（Ｓ２９）、待受状態（Ｓ１１）に戻り、設置端末２は、携帯端末装置１からVrcv1とVrcv2 の値が送信されるのを待ち受ける状態になる。

図５は、第２の実施の形態に係る携帯端末装置１を実現するための回路の一例を示す図である。

携帯端末装置１は、第１の実施の形態と同様に、アンテナ１０１と、アンプ１０２、１０３と、ＢＰＦ１０４、１０５と、振幅検出回路１０６、振幅検出回路１０７と、制御信号によりオンオフするスイッチ１１５、１１６と、Vrcv1とVth0を比較するコンパレータ１１７と、オンのスイッチ１１５を介して伝達されるVrcv1をデジタル化するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１８と、オンのスイッチ１１６を介して伝達されるVrcv2をデジタル化するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１１９と、Vrcv1とVrcv2の値を設置端末２に送信するデータ通信用回路１２０とを備える。

Vrcv1 ＞ Vth0ならば、コンパレータ１１７が"1"を出力し、これにより、スイッチ１１５、１１６が“オン”となり、振幅検出回路１０６、１０７の出力である受信電圧Vrcv1、Vrcv2が、ＡＤＣ１１８、１１９に入力される。

また、Vrcv1 ＞ Vth0ならば、コンパレータの出力“1”が、トリガ信号としてデータ通信用回路１２０に入力され、携帯端末装置１はデータ通信モードに切り替わる。この時、データ通信用回路１２０は、ＡＤＣ１１８、１１９から入力されたVrcv1とVrcv2の値を取り込み、設置端末２に送信する。

したがって、第２の実施の形態によれば、携帯端末装置１は、受信電圧Vrcv1および受信電圧Vrcv2を設置端末２に送信し、設置端末２は、閾値電圧Vth1より受信電圧Vrcv1が大きく、かつ、閾値電圧Vth2より受信電圧Vrcv2が小さい場合、携帯端末装置１が無線通信エリアＲ１に存在すると判定する。

（変形例）
第１の実施の形態と第２の実施の形態では、第２アンテナ２２を１つとして説明したが、図６に示すように、２個以上の第２アンテナ２２を位置が互いに異なるように、かつ、第１アンテナ２１に隣接させて配置してもよい。２個以上の第２アンテナ２２を位置が互いに異なるように配置すれば、第１アンテナ２１が第２アンテナ２２に囲まれる状態となり、限定的な無線通信エリアを設定できる。

１…携帯端末装置
２…設置端末
２１…アンテナ（第１アンテナ）
２２…アンテナ（第２アンテナ）
１０１…アンテナ
１０２、１０３…アンプ
１０４、１０５…ＢＰＦ
１０６、１０７…振幅検出回路
１０８、１０９、１１７…コンパレータ
１１０…インバータ
１１１…ＡＮＤゲート
１１２…データ通信用回路
１１５、１１６…スイッチ
１１８、１１９…ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
１２０…データ通信用回路

Claims

予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末ならびに前記設置端末と通信する携帯端末装置を備える無線通信システムであって、
前記設置端末は、第１アンテナと、前記第１アンテナに隣接する第２アンテナと、第１の周波数の交流磁界を前記第１アンテナから発生させ、第１の周波数とは異なる第２の周波数の交流磁界を前記第２アンテナから発生させる手段とを備え、
前記携帯端末装置は、前記第１の周波数の交流磁界の振幅に対応する第１受信電圧と、前記第２の周波数の交流磁界の振幅に対応する第２受信電圧とを検出する手段と、予め設定された第１閾値電圧より前記第１受信電圧が大きく、かつ、予め設定された第２閾値電圧より前記第２受信電圧が小さい場合、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定する手段とを備える
ことを特徴とする無線通信システム。
予め設定された無線通信エリアに配置される設置端末ならびに前記設置端末と通信する携帯端末装置を備える無線通信システムであって、
前記設置端末は、第１アンテナと、前記第１アンテナに隣接する第２アンテナと、第１の周波数の交流磁界を前記第１アンテナから発生させ、第１の周波数とは異なる第２の周波数の交流磁界を前記第２アンテナから発生させる手段とを備え、
前記携帯端末装置は、前記第１の周波数の交流磁界の振幅に対応する第１受信電圧と、前記第２の周波数の交流磁界の振幅に対応する第２受信電圧とを検出する手段と、前記第１受信電圧および前記第２受信電圧に関するデータを前記設置端末に送信する手段とを備え、
前記設置端末は，前記第１および２の受信電圧に関するデータを受信し、予め設定された第１閾値電圧より前記第１の受信電圧が大きく、かつ、予め設定された第２閾値電圧より前記第２の受信電圧が小さい場合、前記携帯端末装置が前記無線通信エリアに存在すると判定する手段を備える
ことを特徴とする無線通信システム。
前記第２アンテナの個数が２以上であり、且つ、前記各第２アンテナの位置が互いに異なることを特徴とする請求項１または２記載の無線通信システム。
前記第１アンテナと前記第２アンテナが、前記携帯端末装置を所持するユーザが歩く床に配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線通信システム。