JP5976703B2 - 調整されたラウンドトリップ時間測定を使用した無線位置決定 - Google Patents
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Description
本特許出願は、それぞれが本発明の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に明示的に組み込まれる、2008年11月21日に出願された米国特許仮出願第61/116,996号、「DETERMINATION OF PROCESSING DELAY FOR ACCURATE TWO−WAY RANGING IN A WIRELESS NETWORK」および2008年11月21日に出願された米国特許仮出願第61/117,055号、「LOCALIZATION VIA SIGNAL STRENGTH」に対する優先権を主張するものである。
本特許出願は、以下の同時係属米国特許出願に関する。
本発明と同時出願され、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に明示的に組み込まれる、整理番号第090215号、Aggarwalらによる「BEACON SECTORING FOR POSITION DETERMINATION」。
本発明と同時出願され、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に明示的に組み込まれる、整理番号第090505号、Aggarwalらによる「NETWORK−CENTRIC DETERMINATION OF NODE PROCESSING DELAY」。
本発明と同時出願され、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に明示的に組み込まれる、整理番号第090533号、Aggarwalらによる「WIRELESS−BASED POSITIONING ADJUSTMENTS USING A MOTION SENSOR」。
図3に、移動局108の位置を決定するための例示的な技法を示すための簡略化された環境が示されている。移動局108は、RF信号(たとえば2.4 GHz)およびRF信号の変調および情報パケットの交換のための標準化されプロトコル(たとえばIEEE 802.11)を使用して、複数のWAP 311と無線で通信してよい。交換された信号からそれぞれ異なるタイプの情報を抽出し、ネットワークのレイアウト(すなわちネットワーク形状)を使用することによって、移動局108は、事前定義された基準座標系でその位置を決定することができる。図3に示されたように、移動局は、2次元座標系を使用して、その位置(x,y)を指定してよいが、本明細書に開示された実施形態はそれに限定されず、追加の次元が望まれる場合には、3次元座標系を使用して位置を決定することにも適用可能であってよい。さらに、図3には3つのWAP 311a〜311cが示されているが、実施形態は、追加のWAPを使用し、過剰決定系に適用可能な技法を使用して位置について解決することができ、それによって、それぞれ異なる雑音効果によってもたらされた様々な誤差を平均し、したがって、決定された位置の精度を向上させることができる。移動局108は、その位置(x,y)を決定するために、まずネットワーク形状を決定する必要があり得る。ネットワーク形状は、基準座標系((xk,yk)、ここで、k=1,2,3)内の各WAP 311の位置を含むことができる。ネットワーク形状は、たとえばビーコン信号でこの情報を提供し、外部ネットワーク上の外部の専用サーバを使用して情報を提供し、ユニフォームリソース識別子を使用して情報を提供するなど、任意のやり方で移動局108に提供することができる。
移動局108と各WAP 311の間の距離を決定することは、RF信号の時間情報を利用することを要することがある。一実施形態では、移動局108とWAP 311との間で交換された信号のラウンドトリップ時間(RTT)の決定が実施され、距離(dk)に変換されてよい。RTT技法は、データパケットの送信と応答の受信との間の時間を測定してよい。これらの方法は、どんな処理遅延をも取り除くために較正を使用する。一部の環境では、移動局と無線アクセスポイントの処理遅延が同じであると仮定することができる。しかしながら、こうした仮定は、実際には真ではないことがある。
RTTk=2dk+Δk+ΔMS+nk (1)
ここで、dkは、移動局108とWAP 311kの間の実際の距離(ft)である。
Δkは、第kのWAPのハードウェア処理時間(ns)である。
ΔMSは、移動局108内のハードウェア処理時間(ns)である。ここで、処理遅延は、移動局108によって較正可能であると仮定され得る。したがって、それは、0に設定されてよい。
nk=nz,k+nMS,k+nAP,kであり、それはRTT測定の誤差(ns)である。この誤差は、WAPの高さ、移動局タイミング誤差およびWAPタイミング誤差が知られていないことによる誤差の和である。
各WAP 311と移動局108の間の距離は、上記に説明された処理時間の推定を得るためのRTTに加えて情報を使用することによって推定することもできる。この情報は一般に、本明細書では補足的情報と呼ばれる。補足的情報の1つの形は、各WAP 311から受信されたACKパケットに関連する測定された信号強度(RSSI)の形をとってよい。図5は、RSSIの例示的な関係、および移動局と無線アクセスポイントの間の距離を示すグラフである。
下記の説明は、RTT、およびたとえばRSSIなど他の補足的測定に基づき得るレンジングモデルを使用した位置決定のための移動局中心のアルゴリズムについて詳細を示している。この実施形態では、移動装置108は、2つ以上のレンジングモデルを使用して3つ以上の無線アクセスポイントへの距離を推定することができる。それぞれの無線アクセスポイントは、上記に言及された技法を使用してネットワーク形状情報を提供することにより移動装置に知られている位置を有する。これらの距離推定、および無線アクセスポイント311の位置を使用して、移動局108は、既知の測位技法を使用してその位置を決定することができる。
1.移動局108は、ローカルまたはグローバル座標系(先に記載された方法を使用して取得可能)内のWAP 311位置を有する。
2.移動局108は、2次元測位では、少なくとも3つの非共線形WAP 311の無線範囲内にある。
3.WAPがユニキャストパケットを受信するときと、WAPがACK応答を送信するときとの間に一貫した処理時間がある(すなわち処理時間が低分散を有する)。
4.各WAP 311は、それぞれ異なる処理時間遅延を有することがある。
5.移動局108は、RTTのナノ秒スケールの測定を行うことが可能であってよい。これは、無線トランシーバ204および/または206内の現在の移動局108チップセットへの変更を必要とすることがある。
6.移動局108は、RSSIの関数としての距離の近似モデルを有する。
7.完全な1組のRSSIとRTTの測定(すべてのターゲットWAPに対する)は、測定が行われる間、移動局108が静止していると見なされ得るほど高速に完了することができる。
8.移動局108は、RSSI、RTTの著しい変化、最後の1組の測定からの経過時間、および/または(たとえば動きセンサ212など)追加のセンサデータに基づいて、移動局108がいつ新しい位置に移動したか決定する方法を有する。
1.ローカルまたはユニバーサル座標系内の位置。
2.WAPに関連するネットワークの識別子(たとえばSSID)。
3.WAPハードウェアに関連する識別子(たとえばMACID)。
4.初期処理時間遅延の推定および分散。
5.一部の実施形態について、距離対信号強度(RSSI)のモデル。
RTTk=2dk+Δk+nk (4)
で示すことができる。
ここで、dkは、移動局108とWAP 311kの間の実際の距離(ft)であり、
Δkは、WAP 311kの実際の処理時間(ns)であり、
nkは、距離dkに依存する平均および分散をもつガウス雑音である。
fd(RSSIk)は、距離とRSSIを関連付ける数学的モデルである。
μn,k(dRSSI,k)は、WAP 311kへの距離の関数としての平均RTT雑音の数学的モデルである。
mkは、WAP 311kに関連するRTT測定回数である。
位置決定プロセスを向上させるために、本発明の様々な実施形態は、その精度を適応的に向上させるためにレンジングモデルを更新することを提供する。一実施形態では、RTTレンジングモデルで使用される各WAP 311kに関連する処理時間
図8をさらに参照すると、先に記載されたプロセス800の別の実施形態では、無線信号モデルがRTTレンジングモデルである場合の詳細が、下記に提供されている。移動局の位置が決定されると、移動局108は、位置に基づいて、各WAP 311kの推定された処理時間
図8に示されたプロセスの別の実施形態では、無線信号モデルは、RSSIレンジングモデルに基づいてよい。図9は、RSSIに基づいて移動局と無線アクセスポイントの間の距離を決定するのに使用される例示的なレンジングモデルのグラフである。様々な実施形態では、移動局108は、各WAP 311kによって送信された信号を「リスン」することができ、この信号はビーコンの形であってよい。各送信の信号強度は、たとえばオフィスビルやショッピングモールなど、配置環境に基づき得るモデルを使用して距離に変換することができる。図9に示されたように、RSSI対距離の例示的なプロットは、屋内環境を表すものであり、上限および下限が示されている。これらの限界は、RSSIの分散に基づいてよい。他の実施形態では、このモデルは、図10について下記により詳細に示されるように、WAP配置のマップに基づく伝搬モデルに基づいてよい。
図11は、移動局の位置を決定し、RTTモデルを適応的に向上させるためにRTTレンジングモジュールとRSSIレンジングモジュールの両方を使用する別の例示的なプロセス1100を示すフローチャートである。
RTTk=2dk+Δk+nk (12)
ここで、
dkは、移動局108とWAP 311kとの間の実際の距離(ft)である。
Δkは、WAP 311kの実際の処理時間(ns)である。
nkは、距離dkによって決まる平均および分散をもつ均一の雑音である。
Rk,min≦dk≦Rk,max (13)
(x,y)は、移動局の最新の位置である。
(xk,yk)は、各WAP 311kの位置である。
102 衛星測位システム/SPS
104,104a,104b,104c 広域ネットワーク無線アクセスポイント/WAN−WAP
106,106a,106b,106c,106d,106e ローカルエリアネットワーク無線アクセスポイント/LAN−WAP
108 移動局
110 測位サーバ
112 ネットワーク
200 移動局
202 アンテナ
204 広域ネットワークトランシーバ
206 ローカルエリアネットワークトランシーバ
208 SPS受信機
210 プロセッサ
212 動きセンサ
214 メモリ
216 測位モジュール
218 アプリケーションモジュール
220 RSSIモジュール
222 RTTモジュール
224 パラメータデータベース
226 補助位置/動きデータ
250 ユーザインターフェース
252 マイクロホン/スピーカ
254 キーパッド
256 ディスプレイ
311,311a,311b,311c 無線アクセスポイント/WAP
1006,1006a,1006b,1006c,1006d,1006e ローカルエリアネットワーク無線アクセスポイント/LAN−WAP
Claims (23)
- 移動局の位置を無線で決定するため、複数の無線アクセスポイントにおいて前記移動局からの信号を受信してから前記移動局に応答するまでに要する処理時間を、決定する方法であって、
前記複数の無線アクセスポイントの各々へのラウンドトリップ時間遅延を前記移動局において計測する段階と、
前記複数の無線アクセスポイントからのパケットの受信信号強度を測定し、前記測定された信号強度に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を推定し、前記複数の無線アクセスポイントの各々への推定される距離と、前記ラウンドトリップ時間遅延とを用いて、前記複数の無線アクセスポイントの各々についての処理時間を初期に推測する段階と、
前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記計測されたラウンドトリップ時間遅延と初期に推測された前記処理時間とに基づいて前記移動局の位置を計算する段階と、
前記移動局の前記計算された位置に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々についての初期に推測された前記処理時間を更新する段階と、を具備し、
前記複数の無線アクセスポイントの各々について初期に推定された前記処理時間を更新する段階が、
前記移動局の前記計算された位置および前記複数の無線アクセスポイントの各々の位置に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を計算する段階と、
前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記計測されたラウンドトリップ時間遅延および前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記計算された距離に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々の前記処理時間を計算する段階と、を具備する、
前記方法。 - 初期処理時間遅延に関するしきい値を用いて前記更新された処理時間が収束していないことを判断する段階と、
前記複数の無線アクセスポイントへの前記ラウンドトリップ時間遅延を計測する段階と、
前記更新された処理時間が収束していないと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記計測されたラウンドトリップ時間遅延と前記更新された処理時間とに基づいて、前記移動局の位置を再計算する段階と、
前記更新された処理時間が収束していないと判断された場合に、前記移動局の前記再計算された位置に基づいて前記無線アクセスポイントの各々に関する前記更新された処理時間を改良する段階と、
を更に具備し、
前記無線アクセスポイントの各々に関する前記更新された処理時間を改良する段階が、
前記移動局の前記計算された位置および前記複数の無線アクセスポイントの各々の位置に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を計算する段階と、
前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記計測されたラウンドトリップ時間遅延および前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記計算された距離に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々の前記処理時間を計算する段階と、を具備する、
請求項1に記載の方法。 - 初期処理時間遅延に関するしきい値を用いて前記更新された処理時間が収束したことを判断する段階と、
前記更新された処理時間が収束したと判断された場合に、動きセンサ、もしくは、更なる位置決定手段を用いて前記移動局が位置を変えたことを判断する段階と、
前記移動局が位置を変えたと判断された場合に、複数の無線アクセスポイントの各々へのラウンドトリップ時間遅延を計測する段階と、
前記移動局が位置を変えたと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記計測されたラウンドトリップ時間遅延と前記更新された処理時間とを用いて前記移動局の位置を計算する段階と、
を更に具備する請求項1に記載の方法。 - 前記無線アクセスポイントへのラウンドトリップ時間遅延を測定する前記段階が、
前記移動局から前記無線アクセスポイントへパケットを送信する段階と、
前記送信されたパケットが送られた第1の時間を記録する段階と、
前記送信されたパケットに応答して前記無線アクセスポイントから応答パケットを受信する段階と、
前記応答パケットが受信された第2の時間を記録する段階と、
記録された前記第2の時間と記録された前記第1の時間との間の差を計算する段階と、
を更に具備する請求項1に記載の方法。 - 前記送信されたパケットがプローブ要求であり、前記応答パケットが前記パケットへのACKである請求項4に記載の方法。
- 前記送信されたパケットがプローブ要求であり、前記応答パケットが前記パケットの復号成功によるACKである請求項4に記載の方法。
- 前記移動局および前記無線アクセスポイントが、IEEE 802.11規格、セルラピコネット、セルラフェムトセル、および/またはBluetooth(登録商標)ネットワーキング規格に従って動作する請求項4に記載の方法。
- 各無線アクセスポイントへの前記処理時間を初期に推測する前記段階が、
各無線アクセスポイントからのパケットの受信信号強度を測定する段階と、
前記測定された信号強度に基づいて各無線アクセスポイントへの距離を推定する段階順と、
前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記ラウンドトリップ時間遅延から前記推定された距離に応じた往復時間を差し引いて各無線アクセスポイントに関する前記処理時間を初期に計算する段階と、
を更に具備する請求項1に記載の方法。 - 前記受信信号強度に基づいて各無線アクセスポイントへの前記距離を所定範囲内にあるものとして推定する段階を更に具備する請求項8に記載の方法。
- 少なくとも2つの無線アクセスポイントの初期に推測された前記処理時間が実質的に異なることが事前に分かっている場合に、
各無線アクセスポイントの初期に推測された前記処理時間を、前記各無線アクセスポイントがそれぞれの前記所定範囲の中間点にあるとして、推定する段階をさらに有する
請求項9に記載の方法。 - 前記無線アクセスポイントの前記処理時間が実質的に類似することが事前に分かっている場合に、
初期に推測された前記処理時間を、前記無線アクセスポイントの前記所定範囲の共通部分の中間点を用いて、推定する段階をさらに有することを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 移動局の位置を無線で決定するための、複数の無線アクセスポイントにおいて前記移動局からの信号を受信してから前記移動局に応答するまでに要する処理時間を、決定するための装置であって、
無線トランシーバと、
前記無線トランシーバに接続されたプロセッサと、
前記プロセッサに接続されたメモリと
を具備し、
前記メモリは、実行可能命令およびデータを格納し、
前記実行可能命令およびデータは、前記プロセッサに、
前記複数の無線アクセスポイントのそれぞれへのラウンドトリップ時間遅延を前記移動局において測定する手順と、
前記複数の無線アクセスポイントからのパケットの受信信号強度を測定し、前記測定された信号強度に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を推定し、前記複数の無線アクセスポイントの各々への推定される距離と、前記ラウンドトリップ時間遅延とを用いて、前記無線アクセスポイントのそれぞれについて処理時間を初期に推定する手順と、
前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および推定された処理時間に基づいて前記移動局の前記位置を計算する手順と、
前記移動局の前記計算された位置に基づいて前記無線アクセスポイントのそれぞれについて初期に推定された前記処理時間を更新する手順と、
を実行させる装置であって、
前記無線アクセスポイントのそれぞれについて初期に推定された前記処理時間を更新する手順が、
前記移動局の前記計算された位置および前記無線アクセスポイントの位置に基づいて前記無線アクセスポイントの各々への距離を計算する手順と、
前記無線アクセスポイントの各々への前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および前記無線アクセスポイントの各々への前記計算された距離に基づいて前記無線アクセスポイントの各々の前記処理時間を計算する手順と、を具備する、
前記装置。 - 初期処理時間遅延に関するしきい値を用いて前記更新された処理時間が収束していないと決定する手順と、
前記更新された処理時間が収束していないと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのそれぞれへの前記ラウンドトリップ時間遅延を測定する手順と、
前記更新された処理時間が収束していないと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および前記更新された推定された処理時間を使用して前記移動局の位置を再計算する手順と、
前記更新された処理時間が収束していないと判断された場合に、前記移動局の前記再計算された位置に基づいて前記無線アクセスポイントのそれぞれについて前記更新された処理時間を改良する手順と、
を実行させる命令を更に具備し、
前記無線アクセスポイントのそれぞれについて前記更新された処理時間を改良する手順が、
前記移動局の前記計算された位置および前記複数の無線アクセスポイントの各々の位置に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を計算する手順と、
前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記計算された距離に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々の前記処理時間を計算する手順と、を具備する、
請求項12に記載の装置。 - 初期処理時間遅延に関するしきい値を用いて前記更新された処理時間が収束していると決定する手順と、
前記更新された処理時間が収束したと判断された場合に、動きセンサ、もしくは、更なる位置決定手順を用いて前記移動局が位置を変更したと決定する手順と、
前記移動局が位置を変えたと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのそれぞれへのラウンドトリップ時間遅延を測定する手順と、
前記移動局が位置を変えたと判断された場合に、前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および前記更新された推定された処理時間を使用して前記移動局の位置を計算する手順と、
を前記プロセッサに実行させる更に命令を具備する請求項12に記載の装置。 - 前記無線アクセスポイントへのラウンドトリップ時間遅延を測定する前記手順が、
前記移動局から前記無線アクセスポイントにパケットを送信する手順と、
前記送信されたパケットが送られた第1時間を記録する手順と、
前記送信されたパケットに応答して前記無線アクセスポイントから応答パケットを受信する手順と、
前記応答パケットが受信された第2時間を記録する手順と、
記録された前記第2時間と記録された前記第1時間との間の差を計算する手順と、
を更に具備する請求項12に記載の装置。 - 前記送信されたパケットがプローブ要求であり、前記応答パケットが前記パケットへのACKである請求項15に記載の装置。
- 前記送信されたパケットがプローブ要求であり、前記応答パケットが前記パケットの復号成功によるACKである請求項15に記載の装置。
- 前記移動局および前記無線アクセスポイントが、IEEE 802.11規格、セルラピコネット、セルラフェムトセル、および/またはBluetooth(登録商標)ネットワーキング規格に従って動作する請求項15に記載の装置。
- 前記処理時間を初期に推定する前記手順が、
各無線アクセスポイントからのパケットの受信信号強度を決定する手順と、
前記決定された信号強度に基づいて各無線アクセスポイントへの距離を推定する手順と、
前記複数の無線アクセスポイントの各々への前記ラウンドトリップ時間遅延から前記推定された距離に応じた往復時間を差し引いて各無線アクセスポイントの初期に推定された前記処理時間を計算する手順と
をさらに含む請求項12に記載の装置。 - 前記受信信号強度に基づいて、各無線アクセスポイントへの前記距離を所定範囲内にあるものとして推定する手順を、前記プロセッサに実行させる命令を更に具備する請求項19に記載の装置。
- 少なくとも2つの無線アクセスポイントの前記処理時間が実質的に異なることが事前に分かっている場合に、
各無線アクセスポイントの初期に推定された前記処理時間を、前記各無線アクセスポイントがそのそれぞれの所定範囲の中間点にあるとして、推定する手順を、前記プロセッサに実行させる命令を更に具備する請求項20に記載の装置。 - 前記無線アクセスポイントの前記処理時間が実質的に類似すると事前に分かっている場合に、
初期に推定された前記処理時間を、前記無線アクセスポイントの前記所定範囲の共通部分の中間点を用いて、推定する手順を、前記プロセッサに実行させる命令を更に具備する請求項20に記載の装置。 - 移動局の位置を無線で決定するための、複数の無線アクセスポイントにおいて前記移動局からの信号を受信してから前記移動局に応答するまでに要する処理時間を、決定するための装置であって、
前記複数の無線アクセスポイントのそれぞれへのラウンドトリップ時間遅延を前記移動局において測定する手段と、
前記複数の無線アクセスポイントからのパケットの受信信号強度を測定し、前記測定された信号強度に基づいて前記複数の無線アクセスポイントの各々への距離を推定し、前記複数の無線アクセスポイントの各々への推定される距離と、前記ラウンドトリップ時間遅延とを用いて、前記無線アクセスポイントのそれぞれについて処理時間を初期に推定する手段と、
前記複数の無線アクセスポイントのうちの3以上の前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および推定された処理時間に基づいて前記移動局の前記位置を計算する手段と、
前記移動局の前記計算された位置に基づいて前記無線アクセスポイントのそれぞれについて初期に推定された前記処理時間を更新する手段と
を具備し、
前記無線アクセスポイントのそれぞれについて推定された前記処理時間を更新する手段が、
前記移動局の前記計算された位置および前記無線アクセスポイントの各々の位置に基づいて前記無線アクセスポイントの各々への距離を計算する手段と、
前記無線アクセスポイントの各々への前記測定されたラウンドトリップ時間遅延および前記無線アクセスポイントの各々への前記計算された距離に基づいて前記無線アクセスポイントの各々の前記処理時間を計算する手段と、を具備する、
ことを特徴とする装置。
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