JP6401671B2 - 位置検出装置及び位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置及び位置検出方法に関する。

近年、スマートフォンや無線ＬＡＮ（Local Area Network）の普及、並びに無線伝送される画像や動画等の高精細化により無線トラフィックが急増しており、利便性の高いマイクロ波帯の周波数逼迫が問題となっている。そのため、潤沢な周波数帯域を用いて超高速無線伝送が可能なミリ波帯の利用が検討されている。例えば６０ＧＨｚ帯は、日本国内においては９ＧＨｚ幅の広帯域を無線局免許なしで利用可能であり、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＤ等のミリ波無線規格の標準化が進められており、近年注目されている周波数帯である。

ミリ波通信のユースケースとして、情報端末（例えばキオスク端末）と携帯端末との間の非接触通信（通信距離数ｃｍ）などが検討されている。具体的には、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗などに設置された情報端末にユーザが携帯端末をタッチし、電子書籍、音楽、映画等の大容量コンテンツを瞬時にダウンロードするサービスが考えられている。

上記ユースケースに代表される非接触通信において、更なる通信速度の向上を目的とし、ＭＩＭＯ（Multiple−Input Multiple−Output）伝送技術の適用が検討されている。ＭＩＭＯ伝送では、複数の送信アンテナから同一時間、同一周波数で複数の信号を送信し、使用周波数帯域を広げることなく、送受アンテナ素子数に応じて通信速度を向上させることができる。移動体通信や無線ＬＡＮにおけるＭＩＭＯ伝送では、送信機と受信機との間がマルチパス環境であることを前提としている。マルチパス環境においては、各送受信アンテナ素子間の空間相関が低くなるため、高いチャネル容量を達成することができる。さらに、近年、非特許文献１に示されているように、送信機と受信機とが近接し、直接波が支配的な環境においてもＭＩＭＯ伝送が適用可能であることが注目されている。以下、送信機と受信機とが近接した環境におけるＭＩＭＯ伝送を近距離ＭＩＭＯ伝送と称する。

非特許文献１の技術によれば、近距離ＭＩＭＯ伝送において、送信機と受信機との間の距離に応じてアレーアンテナの素子間隔を適切に設定することにより、マルチパス環境でない場合においても各送受信アンテナ素子間の空間相関が低くなり、高いチャネル容量を達成することができる。

上述したように、近距離ＭＩＭＯ伝送では、送信機と受信機との間が直接波の支配的な環境である。そのため、各送受信アンテナ素子間の空間相関は送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との位置関係に大きく依存する。すなわち、近距離ＭＩＭＯ伝送の特性は送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との位置関係に依存する。

以下に、従来の近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置について説明する。
図１５は、従来の近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。図１５に示すように、送信アレーアンテナＴＸＡは、複数のアンテナ素子Ｔｘ_ｊを備える。受信アレーアンテナＲＸＡは、複数のアンテナ素子Ｒｘ_ｉを備える。
送信側のアンテナ素子Ｔｘ_ｊ（ｊは、１≦ｊ≦Ｍの自然数であり、Ｍは、Ｍ≧２の自然数である。）は平面ＰＴ上に配置されている。受信側のアンテナ素子Ｒｘ_ｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｎの自然数である。）は、平面ＰＴと平行をなす平面ＰＲ上に、送信側のアンテナ素子Ｔｘ_ｊと伝搬空間ＦＳを挟んで対向するように配置されている。なお、送受信間距離Ｄは、平面ＰＴと平面ＰＲとの間の距離である。また、間隔ｄは、送信機側および受信機側の双方において、隣接する任意の二つのアンテナ素子の間隔である。

図１６は、図１５に示すアンテナ素子の配置におけるアンテナ素子の位置ずれとＢＥＲ（Bit Error Rate：ビット誤り率）との関係を示すグラフである。送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とはそれぞれ１６素子（Ｍ＝Ｎ＝１６）とした。間隔ｄが７．２ｍｍ、送受信間距離Ｄが２０ｍｍとした。中心周波数が６０．４８ＧＨｚ、サブキャリア間隔が５．１６ＭＨｚ、サブキャリア数が３５５としてＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号を用い、一次変調は１６ＱＡＭとした。受信ＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio）は、２５ｄＢとした。受信側でのＭＩＭＯ信号を分離する方法としてＺＦ（Zero Forcing）法を用いた。すなわち、各アンテナ位置においてＺＦウェイトを算出し、ＭＩＭＯ信号の分離を行った。なお、Δｘは、送信アレーアンテナに対する受信アレーアンテナのｘ軸方向の位置ずれを示す。Δｙは、送信アレーアンテナに対する受信アレーアンテナのｙ軸方向の位置ずれを表す。

本間、西森、関、溝口、"近傍ＭＩＭＯ通信における伝送容量の評価"、信学技報、AP2008-125、Nov.2008.

図１６に示すように、アンテナ素子の位置ずれが大きくなるにつれてＢＥＲが増大する。すなわち、アンテナ素子の位置ずれが大きくなるにつれて伝送特性が劣化する。また、ｘ軸方向やｙ軸方向の位置ずれだけでなく、受信アレーアンテナが送信アレーアンテナに対して回転した場合においても、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との位置が対向状態からずれるため、伝送特性が劣化する。

実際の利用シーンにおいては、ユーザが携帯端末を情報端末にタッチする際に、情報端末側のアレーアンテナと携帯端末側のアレーアンテナの間の空間がユーザから死角となる。そのため、ユーザは、互いのアレーアンテナの位置を目視で確認できないため、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとを理想的な対向状態とすることは困難である。したがって、ユーザが携帯端末を情報端末にタッチする際に、アンテナ素子の位置ずれが生じ、伝送特性が劣化することが想定される。

アンテナ素子の位置ずれによる伝送特性の劣化を補償する手法として、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置関係を情報端末が映像や音声等によりユーザに通知することで、ユーザが行うアンテナ素子の位置合わせを補助する手法が考えられる。しかし、そのためには送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれを取得することが必要となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、近距離ＭＩＭＯ伝送を行うための送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置が理想的な対向状態からずれた場合に、その位置ずれを補償するために必要となるアンテナ素子の位置ずれを取得することが可能な位置検出装置及び位置検出方法を提供することである。

本発明の一態様は、第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得部と、前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定部と、前記エリア設定部によって設定された前記領域内に位置する第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得部と、を備える位置検出装置である。

また、本発明の一態様は、上述の位置検出装置であって、前記エリア設定部は、前記品質情報取得部によって取得された複数の前記品質情報に基づいて、最も良い品質が得られた前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの前記第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する。

また、本発明の一態様は、上述の位置検出装置であって、前記エリア設定部は、前記品質情報取得部によって取得された複数の前記品質情報に基づいて、良い品質が得られた複数の前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する。

また、本発明の一態様は、上述の位置検出装置であって、アレーアンテナ面が平行になるように配置された前記受信アレーアンテナと複数の前記第１のアンテナ素子を備える送信アレーアンテナとの間の距離を取得する送受信間距離取得部と、前記送受信間距離取得部が取得した前記距離に基づいて前記トレーニング信号の信号帯域を決定する送信部と、をさらに有し、前記品質情報取得部は、前記第２のアンテナ素子で受信された前記トレーニング信号において、前記送信部が決定した前記信号帯域にわたって平均化した前記トレーニング信号の信号品質を品質情報とする。

また、本発明の一態様は、上述の位置検出装置であって、前記位置取得部によって取得された複数の前記第１のアンテナ素子の位置に基づいて、前記受信アレーアンテナに対する前記第１のアレーアンテナの回転角を推定する回転角推定部をさらに備える。

また、本発明の一態様は、上述の位置検出装置であって、前記回転角推定部は、前記位置取得部によって取得された複数の前記第１のアンテナ素子の位置の中で、より多くの前記品質情報を用いて取得された前記第１のアンテナ素子の位置を２つ用いて前記回転角を推定する。

また、本発明の一態様は、第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得ステップと、前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定ステップと、前記エリア設定ステップによって設定された前記領域内に位置する第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得ステップと、を備える位置検出方法である。

以上説明したように、本発明によれば、近距離ＭＩＭＯ伝送を行うための送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置が理想的な対向状態からずれた場合に、その位置ずれを補償するために必要となるアンテナ素子の位置ずれを取得することが可能な位置検出装置及び位置検出方法を提供することができる。

第１の実施形態が適用できる無線通信システム１の概要構成の一例を示す図である。 第１の実施形態における無線通信システム１の概略構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態におけるエリアｊの設定方法を示す説明図である。 第１の実施形態におけるアンテナ素子１１の位置の推定精度のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態における位置検出装置３０のアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示す図である。 第２の実施形態における無線通信システム１Ａの概略構成の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態におけるエリアｊの設定方法を示す説明図である。 第１の実施形態における位置検出装置３０Ａのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示す図である。 第３の実施形態における無線通信システム１Ｂの概略構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態におけるマルチパス環境を説明する図である。 マルチパス環境における第１の実施形態によるアンテナ位置推定精度を示す図である。 第３の実施形態における平均をとる周波数範囲の決め方について説明する図である。 第３の実施形態におけるマルチパス環境での位置推定精度を示す図である。 第３の実施形態における位置検出装置３０Ｂのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示す図である。 従来の近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。 図１５に示すアンテナ素子の配置におけるアンテナ素子の位置ずれとＢＥＲ（Bit Error Rate：ビット誤り率）との関係を示す図である。

本発明の実施形態の位置検出装置は、第１のアンテナ素子から送信され、複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報に基づいて、第２のアレーアンテナ上の所定の領域を設定する。そして、位置検出装置は、設定した領域内に位置する第２のアンテナ素子が受信したトレーニング信号の品質情報とその第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する。
以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態が適用できる無線通信システム１の概要構成の一例を示す図である。図１に示すように、無線通信システム１は、携帯端末２及び情報端末３を備える。
携帯端末２は、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを取得するためのトレーニング信号を情報端末３に無線送信する。
携帯端末２は、可搬型の無線通信装置である。携帯端末２は、第１のアレーアンテナ１０を備える。例えば、第１のアレーアンテナ１０は、携帯端末２の裏面に配置されている。例えば、携帯端末２は、携帯電話（スマートフォンを含む）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ノートパソコン、タブレット端末、携帯型音楽再生装置又は携帯型動画再生装置である。

情報端末３は、コンテンツを提供する無線通信装置である。情報端末３は、第２のアレーアンテナ２０を備える。例えば、情報端末３は、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗等に設置されている。携帯端末２のユーザは、携帯端末２を情報端末３にタッチすることで、情報端末３に電子書籍や音楽、映画などの大容量のコンテンツを瞬時にダウンロードすることができる。例えば、情報端末３は、キオスク端末である。

図２は、第１の実施形態における無線通信システム１の概略構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、無線通信システム１は、携帯端末２（第１の無線通信装置）及び情報端末３（第２の無線通信装置）を備える。
携帯端末２は、第１のアレーアンテナ１０及び送信部１２−１〜１２−４を備える。
第１のアレーアンテナ１０は、アンテナ素子１１（アンテナ素子１１−１〜１１−４）を備える。アンテナ素子１１−１〜１１−４は、同一平面上に正方配置され、それぞれのアンテナ素子の間隔は間隔ｄである。なお、本発明の実施形態では、アンテナ素子１１が４つの場合について説明するが、本発明はアンテナ素子１１の数に限定されない。なお、以下の説明において、第１のアレーアンテナ１０を送信アレーアンテナ、第２のアレーアンテナ２０を受信アレーアンテナと称する場合がある。また、アンテナ素子１１（第１のアンテナ素子）を送信アンテナ、アンテナ素子２１（第２のアンテナ素子）を受信アンテナと称する場合がある。

送信部１２−１〜１２−４は、トレーニング信号を生成し、生成したトレーニング信号をアンテナ素子１１−１〜１１−４から情報端末３に時分割多重伝送する。

情報端末３は、第２のアレーアンテナ２０及び位置検出装置３０を備える。なお、本実施形態において、位置検出装置３０が情報端末３に含まれる構成としたが、これに限定されない。例えば、位置検出装置３０は、情報端末３に含まれない構成としてもよい。
第２のアレーアンテナ２０は、アンテナ素子２１（アンテナ素子２１−１〜２１−４）を備える。なお、本実施形態では、アンテナ素子２１が４つの場合について説明するが、本発明はアンテナ素子の数に限定されない。

アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎは、同一平面上に正方配置され、それぞれのアンテナ素子の間隔はｄである。また、第１のアレーアンテナ１０の平面と第２のアレーアンテナ２０の平面とは平行である。第１のアレーアンテナ１０及び第２のアレーアンテナ２０とは、互いにアレーアンテナ面の垂直方向に距離Ｄ（送受信間距離Ｄ）離れて配置されている。なお、第２のアレーアンテナ２０の中心が第１のアレーアンテナ１０の中心の正面に位置するときを対向状態とする。
アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎは、アンテナ素子１１−１〜１１−４から送信されたトレーニング信号を受信する。アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎは、それぞれが受信したトレーニング信号を位置検出装置３０に出力する。

位置検出装置３０は、携帯端末２から送信されたトレーニング信号に基づいて第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを取得する。位置検出装置３０は、検出した位置ずれを映像や音声等を用いてユーザに通知することで、ユーザが行うアンテナ素子の位置合わせを補助する。

位置検出装置３０は、品質情報取得部３１、エリア設定部３２、位置取得部３３及び回転角推定部３４を備える。

品質情報取得部３１は、アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎから出力されたＮ個のトレーニング信号に基づいて、各トレーニング信号の品質情報を取得する。すなわち、品質情報取得部３１は、アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎから出力されたＮ個のトレーニング信号に基づいて、Ｎ個の品質情報を取得する。品質情報とは、トレーニング信号の受信状態を示す情報である。例えば、品質情報は、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）、ＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio：信号対雑音電力比）、又は伝搬利得である。品質情報取得部３１は、取得したＮ個の品質情報をエリア設定部３２に出力する。

エリア設定部３２は、品質情報取得部３１から出力されたＮ個の品質情報を参照し、Ｎ個のトレーニング信号の中で、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１を決定する。例えば、品質が最も良いとは、ＲＳＳＩ、ＳＮＲ又は伝搬利得が最大であることを意味する。エリア設定部３２は、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１の位置を基準として、トレーニング信号を送信したアンテナ素子１１の位置の算出に用いる第２のアレーアンテナ２０上のアンテナ素子２１のエリアｊを設定する。エリアｊは、左右と上下とがそれぞれ対称である。

位置取得部３３は、アンテナ素子２１−ｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｎの自然数）が受信したトレーニング信号の品質情報に基づく重みｗ_ｉと、アンテナ素子２１−ｉのｘｙ平面上における位置情報Ｐｒ_ｉ（ｘ，ｙ）とに基づいて、アンテナ素子１１−ｊの位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）を取得する。以下の説明において、位置取得部３３が取得するアンテナ素子１１−ｊの位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）を推定位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）と称される場合がある。例えば、位置取得部３３は、式（１）を用いてアンテナ素子１１−ｊの推定位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）を取得する。

ここで、重みｗ_ｉは、アンテナ素子２１−ｉがエリアｊ内に位置する場合、ＲＳＳＩ、ＳＮＲ、又は伝搬利得等の品質情報の真値である。一方、重みｗ_ｉは、アンテナ素子２１−ｉがエリアｊ外に位置する場合、０とする。すなわち、エリアｊ内に位置するアンテナ素子２１のみの品質情報と位置情報とを用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を取得する。

以下に、第１の実施形態におけるエリアｊの設定方法について、図３を用いて具体的に説明する。

図３は、第１の実施形態におけるエリアｊの設定方法を示す説明図である。図３に示すように、例えば第２のアレーアンテナ２０は、１００個のアンテナ素子２１（Ｎ＝１００）を備える。なお、以下の説明において、第１のアレーアンテナ１０のアンテナ素子１１−１〜１１−４の中心が第２のアレーアンテナ２０の中心に対してｘ軸方向にΔｘ、ｙ軸方向にΔｙずれた場合を考える。

以下に、第１の実施形態におけるアンテナ素子１１−１の位置の推定について説明する。例えば、アンテナ素子１１−１から送信されたトレーニング信号を第２のアレーアンテナ２０で受信した場合に、すべてのアンテナ素子２１の中でアンテナ素子２１―５６の受信信号が最も品質が良いとする。その場合、エリア設定部３２は、アンテナ素子２１−５６を基準にして第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。このとき、位置取得部３３の推定位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）の推定に用いられるアンテナ素子２１−ｉの数が多くなるほど、推定位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）の推定の推定精度が向上する。ただし、すべてのアンテナ素子２１の位置情報を位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）の推定に用いる場合、アンテナ素子２−５６を基準にして他のアンテナ素子２１の位置に偏りがあるため、アンテナ素子２１の数が多い偏りの方向に推定結果に誤差が生じてしまう。したがって、図３に示すエリア１のように、エリア設定部３２は、アンテナ素子２−５６を基準にして、対称で且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する。本実施形態では、エリア設定部３２がアンテナ素子２−５６を基準にして対称な形状のエリアｊとして四角形を描く場合について説明する。

エリア設定部３２は、基準のアンテナ素子２１からｘ軸の正の方向における端のアンテナ素子２１までの距離（以下、「第１距離」という。）と基準のアンテナ素子２１からｘ軸の負の方向における端のアンテナ素子２１までの距離（以下、「第２距離」という。）とを比較する。エリア設定部３２は、第１距離と第２距離とを比較した結果、短い方の距離（以下、「第３距離」という。）が上記四角形の中心から四角形のｘ軸方向（左右方向）の辺までの距離になるように、エリアｊとして四角形を描く。すなわち、四角形の中心から四角形のｘ軸の正方向の辺までの距離と四角形の中心から四角形のｘ軸の負方向の辺までの距離とがそれぞれ第３距離になる。同様に、エリア設定部３２は、四角形の中心から四角形のｙ軸方向（上下方向）の辺までの長さが、第３距離と一致するように四角形を描く。すなわち、四角形の中心から四角形のｙ軸の正方向の辺までの距離と四角形の中心から四角形のｙ軸の負方向の辺までの距離とがそれぞれ第３距離になる。本実施形態では、図３に示すように第３距離が第１距離となる。

以上により、位置取得部３３は、エリア設定部３２が描いた四角形のエリアｊ内のアンテナ素子２１を推定位置Ｐｔ_ｊ（ｘ，ｙ）の推定に使用する。同様に、位置取得部３３は、アンテナ素子１１−２の位置推定ではアンテナ素子２−５７を基準に、アンテナ素子１１−３の位置推定ではアンテナ素子２−６６を基準に、アンテナ素子１１−４の位置推定ではアンテナ素子２−６７を基準にして、対称且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する。なお、上述の第１の実施形態において、エリア設定部３２が対称な形状のエリアｊとして四角形を描く場合について説明したが、描く形状については特に限定されない。すなわち、本発明におけるエリアｊの形状は、四角形に限られることはなく、基準のアンテナ素子２１を基準にして対称な形状であればよい。例えば、エリア設定部３２は対称な形状のエリアｊとして円を描いてもよい。エリア設定部３２は、対称な形状のエリアｊとして円を描く場合は、基準のアンテナ素子２１からｘ軸の正と負との方向及びｙ軸の正と負との方向（上下左右方向）の端のうち、最短距離の端のアンテナ素子２１までの距離を円の半径として円を描けばよい。

回転角推定部３４は、位置取得部３３から出力されるアンテナ素子１１−１〜１１−４の推定位置に基づいて、第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定する。なお、回転角推定部３４は、４つの推定位置のうち、少なくとも２つの推定位置を用いることで第１のアレーアンテナ１０の回転角を求めることができる。例えば、アンテナ素子１１−１の推定位置Ｐｔ_１（ｘ，ｙ）＝（ｘ_１，ｙ_１）とアンテナ素子１１−２の推定位置Ｐｔ_２（ｘ，ｙ）＝（ｘ_２，ｙ_２）とを用いる場合、式（２）により回転角θ［ｄｅｇ］を求めることができる。

ここで、位置取得部３３から出力されるアンテナ素子１１−１〜１１−４の推定位置の誤差が大きいほど、第１のアレーアンテナ１０の回転角の推定誤差も大きくなる。したがって、回転角推定部３４は、アンテナ素子１１−１〜１１−４の推定位置のうち、アンテナ素子１１の位置推定に用いた第２のアレーアンテナ２０のアンテナ素子２１の数がより多い推定位置を２つ用いて回転角を求めることにより、より高精度に第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定することができる。

次に、第１の実施形態におけるアンテナ素子１１の位置の推定精度について、図４を用いて説明する。以下に、位置検出装置３０のアンテナ素子１１の位置の推定精度についてシミュレーションを行った。なお、第２のアレーアンテナ２０は１００個のアンテナ素子２１で構成されている（Ｎ＝１００）。図４は、第１の実施形態におけるアンテナ素子１１の位置の推定精度のシミュレーション結果を示す図である。図４に示すシミュレーション結果は、第１のアレーアンテナ１０の中心を第２のアレーアンテナ２０の中心に対してｘ軸方向とｙ軸方向とにそれぞれ０〜２０ｍｍずらしたときのアンテナ素子１１−４の位置推定誤差を示す。なお、上記シミュレーションの条件として、周波数が６０．４８ＧＨｚ、送受信間距離Ｄが４０ｍｍ、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０の各アンテナ素子の間隔ｄが５．０ｍｍとした。エリア設定部３２が描くエリアｊの形状は四角形とした。また、各送受信アンテナ間の直接波からなるシングルパスチャネルで上記シミュレーションを行った。

図４（ａ）は、エリアｊを設定しない場合における、アンテナ素子１１−４をｘ軸方向とｙ軸方向とにそれぞれ０〜２０ｍｍずらしたときのアンテナ素子１１−４の位置の推定誤差（以下、「位置推定誤差」という。）のシミュレーション結果を示す。図４（ｂ）は、エリアｊを設定する場合における、アンテナ素子１１−４をｘ軸方向とｙ軸方向とにそれぞれ０〜２０ｍｍずらしたときのアンテナ素子１１−４の位置推定誤差のシミュレーション結果を示す。

図４（ａ）に示すように、エリアｊを設定しない場合では、アンテナ素子１１−４の位置におけるｘ軸方向への移動量Δｘ又はｙ軸方方向への移動量Δｙが大きくなるにつれて、位置推定精度が大幅に劣化する。一方、図４（ｂ）に示すように、エリアｊを設定する場合では、移動量Δｘ又はｙ軸方方向への移動量Δｙを大きくしてもエリアｊを設定しない場合と比較して位置推定精度の劣化が少ない。

以下に、第１の実施形態における位置検出装置３０のアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れについて、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施形態における位置検出装置３０のアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示すフローチャートである。

まず、ユーザが情報端末３に携帯端末２をタッチすると、携帯端末２はアンテナ素子１１−ｊからトレーニング信号を送信する。なお、初期条件として、ｊ＝１である。情報端末３は、各アンテナ素子２１でアンテナ素子１１−ｊから送信されたトレーニング信号を取得する（ステップＳ１０１）。
品質情報取得部３１は、各アンテナ素子２１で受信したそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する（ステップＳ１０２）。

エリア設定部３２は、品質情報取得部３１で取得した品質情報に基づいて、アンテナ素子１１の位置の算出に用いる情報端末３のアンテナ素子２１のエリアｊを設定する。例えば、エリア設定部３２は、品質情報取得部３１で取得した複数の品質情報に基づいて、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１の位置を決定する。エリア設定部３２は、決定したアンテナ素子２１の位置を基準として、対称且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する（ステップＳ１０３）。

位置取得部３３は、式（１）を用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を取得する。すなわち、位置取得部３３は、エリアｊ内に位置するアンテナ素子２１のみの品質情報と位置情報とを用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を推定する（ステップＳ１０４）。

位置取得部３３がアンテナ素子１１−ｊの位置の推定を終了すると、位置検出装置３０は、ｊがＫであるか否かを判定する。ここで、Ｋは、第１のアレーアンテナ１０に備えられたアンテナ素子１１の数である。位置検出装置３０は、ｊがＫである場合、ステップＳ１０６の処理に移行する。一方、位置検出装置３０は、ｊがＫでない場合、ステップＳ１０７の処理に移行する（ステップＳ１０５）。

回転角推定部３４は、ｊがＫであると判定された場合、位置取得部３３で推定した各アンテナ素子１１の位置情報に基づいて携帯端末２側の第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定する（ステップＳ１０６）。

位置検出装置３０は、ｊがＫではないと判定した場合、ｊをインクリメントしてステップＳ１０１の処理に移行する（ステップＳ１０７）。

上述したように、第１の実施形態における位置検出装置３０は、アンテナ素子１１のいずれか１つから送信された信号を複数のアンテナ素子２１で受信する。そして、位置検出装置３０は、アンテナ素子２１のそれぞれで受信したトレーニング信号の品質情報に基づいて第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。位置検出装置３０は、設定したエリアｊ内に位置するアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質情報とアンテナ素子２１の位置情報とに基づいてアンテナ素子１１の位置を推定する。したがって、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを正確に取得することができる。

上述の第１の実施形態において、第２のアレーアンテナ２０が１００個のアンテナ素子２１で構成される場合（Ｎ＝１００）について説明したが、第２のアレーアンテナ２０は、最低限６個のアンテナ素子２１（２素子×３素子）で構成されていれば（Ｎ≧６）、エリア設定部３２が、異なる複数のエリアを設定することが可能となるため、本発明の効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態における位置検出装置３０Ａについて説明する。図６は、第２の実施形態における無線通信システム１Ａの概略構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１の位置を基準としてエリアｊを設定する場合について説明したが、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１とその周辺の各アンテナ素子２１とが受信するトレーニング信号の品質に有意な差が生じないことも想定される。そこで、第２の実施形態では、複数のアンテナ素子２１の位置を基準としてエリアｊを設定する場合について説明を行う。

図６に示すように、無線通信システム１Ａは、携帯端末２及び情報端末３Ａを備える。
情報端末３Ａは、第２のアレーアンテナ２０及び位置検出装置３０Ａを備える。なお、本実施形態において、位置検出装置３０Ａが情報端末３Ａに含まれる構成としたが、これに限定されない。例えば、位置検出装置３０Ａは、情報端末３Ａに含まれない構成としてもよい。
位置検出装置３０Ａは、品質情報取得部３１、エリア設定部３２Ａ、位置取得部３３及び回転角推定部３４を備える。

アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎは、アンテナ素子１１−ｊ（ｊは、１≦ｊ≦４の自然数）から送信されたトレーニング信号を受信する。品質情報取得部３１は、アンテナ素子２１−１〜２１−Ｎから出力されたＮ個のトレーニング信号に基づいて、各トレーニング信号の品質情報を取得する。

エリア設定部３２Ａは、品質情報取得部３１が取得したＮ個の品質情報を参照し、品質が良いトレーニング信号を受信した複数のアンテナ素子２１の位置を基準として、アンテナ素子１１の位置の算出に用いる第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。

以下に、第２の実施形態におけるアンテナ素子１１−１の位置の推定について説明する。なお、アンテナ素子１１−２〜１１−４の位置の推定方法は、アンテナ素子１１−１と同様であるため、説明を省略する。
図７は、第２の実施形態におけるエリアｊの設定方法を示す説明図である。例えば、図７（ａ）に示すように、アンテナ素子１１−１がアンテナ素子２１−５６とアンテナ素子２１−５７とアンテナ素子２１−６６とアンテナ素子２１−６７とで囲まれた領域の中心付近に位置する場合、それら４つのアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質は互いに近い値を示す。また、上記４つのアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質は、それぞれ他のアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質より良い値を示す。したがって、位置検出装置３０Ａは、品質情報取得部３１が取得したＮ個の品質情報に基づいて、トレーニング信号の品質が互いに近い値を示し、且つ他のアンテナ素子２１と比較してトレーニング信号の品質がより良い値を示す複数のアンテナ素子２１を選択することで、選択したアンテナ素子２１で囲まれた領域の中心付近にアンテナ素子１１−１が位置することを大まかに検出できる。したがって、エリア設定部３２Ａは、それら４つのアンテナ素子２１の中心位置を基準として、対称且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する。

また、例えば、図７（ｂ）に示すように、アンテナ素子１１−１がアンテナ素子２１−５７付近に位置する場合、アンテナ素子２１−５７が受信したトレーニング信号の品質は最も良い値を示す。そして、アンテナ素子２１−４７とアンテナ素子２１−５６とアンテナ素子２１−５８とアンテナ素子２１−６７とが受信したそれぞれのトレーニング信号の品質は互いに近い値を示す。したがって、位置検出装置３０Ａは、品質情報取得部３１が取得したＮ個の品質情報に基づいて、トレーニング信号の品質が互いに近い値を示すアンテナ素子２１を選択する。そして、位置検出装置３０Ａは、他のアンテナ素子２１と比較してトレーニング信号の品質が最も良い値を示すアンテナ素子２１を選択する。これにより、位置検出装置３０Ａは、アンテナ素子１１−１が上記４つのアンテナ素子２１で囲まれた領域にあり、且つアンテナ素子２１−５７付近に位置することを大まかに検出できる。したがって、エリア設定部３２Ａ、上記４つのアンテナ素子２１の中心位置を基準として、対称且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する。

以下に、第１の実施形態における位置検出装置３０Ａのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れについて、図８を用いて説明する。図８は、第１の実施形態における位置検出装置３０Ａのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示すフローチャートである。

まず、ユーザが情報端末３Ａに携帯端末２をタッチすると、携帯端末２はアンテナ素子１１−ｊからトレーニング信号を送信する。なお、初期条件として、ｊ＝１である。情報端末３Ａは、各アンテナ素子２１でアンテナ素子１１−ｊから送信されたトレーニング信号を取得する（ステップＳ２０１）。

品質情報取得部３１は、各アンテナ素子２１で受信したそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する（ステップＳ２０２）。

エリア設定部３２Ａは、品質情報取得部３１で取得した品質情報に基づいて、アンテナ素子１１の位置の算出に用いる情報端末３Ａのアンテナ素子２１のエリアｊを設定する。例えば、エリア設定部３２Ａは、品質情報取得部３１で取得した複数の品質情報に基づいて、品質が良いトレーニング信号を受信した複数のアンテナ素子２１の位置を決定する。エリア設定部３２Ａは、決定した複数のアンテナ素子２１の位置を基準として、対称且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する（ステップＳ２０３）。

位置取得部３３は、式（１）を用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を取得する。すなわち、位置取得部３３は、エリアｊ内に位置するアンテナ素子２１のみの品質情報と位置情報とを用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を推定する（ステップＳ２０４）。

位置取得部３３がアンテナ素子１１−ｊの位置の推定を終了すると、位置検出装置３０Ａは、ｊがＫであるか否かを判定する。ここで、Ｋは、第１のアレーアンテナ１０に備えられたアンテナ素子１１の数である。位置検出装置３０Ａは、ｊがＫである場合、ステップＳ２０６の処理に移行する。一方、位置検出装置３０Ａは、ｊがＫでない場合、ステップＳ２０７の処理に移行する（ステップＳ２０５）。

回転角推定部３４は、ｊがＫであると判定された場合、位置取得部３３で推定した各アンテナ素子１１の位置情報に基づいて携帯端末２側の第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定する（ステップＳ２０６）。

位置検出装置３０Ａは、ｊがＫではないと判定した場合、ｊをインクリメントしてステップＳ２０１の処理に移行する（ステップＳ２０７）。

上述したように、第２の実施形態における位置検出装置３０Ａは、アンテナ素子１１のいずれか１つから送信された信号を複数のアンテナ素子２１で受信する。そして、位置検出装置３０Ａは、アンテナ素子２１のそれぞれで受信したトレーニング信号の品質情報に基づいて第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。位置検出装置３０Ａは、設定したエリアｊ内に位置するアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質情報とアンテナ素子２１の位置情報とに基づいてアンテナ素子１１の位置を推定する。したがって、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを正確に取得することができる。

また、第２の実施形態における位置検出装置３０Ａは、アンテナ素子２１のそれぞれで受信したトレーニング信号の品質情報に基づいて複数のアンテナ素子２１の位置を選定する。位置検出装置３０Ａは、複数のアンテナ素子２１の位置を基準としてエリアｊを設定する。これにより、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１とその周辺の各アンテナ素子２１とが受信するトレーニング信号の品質に有意な差が生じない場合でも第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを正確に取得することができる。

（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態における無線通信システム１Ｂについて説明する。図９は、第３の実施形態における無線通信システム１Ｂの概略構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。第１の実施形態では、図４を参照してシングルパス環境における本発明の有効性を示したが、第３の実施形態では、マルチパス環境においても高精度な位置推定を実現する構成について説明を行う。

図９に示すように、無線通信システム１Ｂは、携帯端末２Ｂ及び情報端末３Ｂを備える。
携帯端末２Ｂは、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを取得するためのトレーニング信号を情報端末３に無線送信する。
携帯端末２Ｂは、第１のアレーアンテナ１０、送信部１２Ｂ−１〜１２Ｂ−４及び送受信間距離取得部１３を備える。

送受信間距離取得部１３は、ユーザが情報端末３にタッチした携帯端末２Ｂの第１のアレーアンテナ１０と情報端末３の第２のアレーアンテナ２０との間の送受信間距離Ｄを取得する。送受信間距離取得部１３は、取得した送受信間距離Ｄを送信部１２Ｂ−１〜１２Ｂ−４に出力する。以下に、第３の実施形態における送受信間距離取得部１３の送受信間距離Ｄの検出方法の一例を説明する。

携帯端末２Ｂは、ユーザにより自装置が情報端末３のタッチ部（不図示）にタッチされると、携帯端末２Ｂが内蔵するスピーカーから情報端末３に向けて超音波を発信する。携帯端末２Ｂから発信された超音波は、情報端末に内蔵された第２のアレーアンテナ２０で反射される。携帯端末２Ｂは、情報端末３に内蔵された第２のアレーアンテナ２０から反射された超音波を受信する。携帯端末２Ｂは、情報端末３に内蔵された第２のアレーアンテナ２０から反射された超音波に基づいて、自装置から第２のアレーアンテナ２０までの距離Ｈを取得する。携帯端末２Ｂは、取得した距離Ｈに基づいて、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との間の送受信間距離Ｄを求める。

送信部１２Ｂ−１〜１２Ｂ−４は、送受信間距離取得部１３から出力された送受信間距離検出Ｄに基づいてトレーニング信号の信号帯域幅を決定する。なお、ＯＦＤＭ伝送の場合において、信号帯域幅とはサブキャリア数である、送信部１２Ｂ−１〜１２Ｂ−４は、決定したトレーニング信号の信号帯域幅に基づいてトレーニング信号を生成し、生成したトレーニング信号をアンテナ素子１１−１〜１１−４から情報端末３に時分割多重伝送する。

情報端末３Ｂは、第２のアレーアンテナ２０及び位置検出装置３０Ｂを備える。なお、本実施形態において、位置検出装置３０Ｂが情報端末３Ｂに含まれる構成としたが、これに限定されない。例えば、位置検出装置３０Ｂは、情報端末３Ｂに含まれない構成としてもよい。
位置検出装置３０Ｂは、品質情報取得部３１Ｂ、エリア設定部３２、位置取得部３３及び回転角推定部３４を備える。また、位置検出装置３０Ｂは、送受信間距離取得部１３及び送信部１２Ｂ−１〜１２Ｂ−４を含んでもよい。

品質情報取得部３１Ｂは、アンテナ素子２１−ｉからトレーニング信号を取得する。そして、品質情報取得部３１Ｂは、Ｎｓ個の周波数（サブキャリア周波数）におけるトレーニング信号の信号品質を取得する。信号品質は、トレーニング信号の受信状態を示す情報である。例えば、信号品質は、ＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator：受信信号強度）、ＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio：信号対雑音電力比）、又は伝搬利得である。そして、品質情報取得部３１Ｂは、取得したＮｓ個の周波数（サブキャリア周波数）における信号品質の平均値を品質情報としてエリア設定部３２に出力する。

以下に、マルチパスが第１の実施形態による位置推定精度に与える影響と、位置推定精度の劣化を防ぐことが可能な第３の実施形態の原理について説明する。

図１０は、第１の実施形態におけるマルチパス環境を説明する図である。図１０に示すように、例えば、第１のアレーアンテナ１０及び第２のアレーアンテナ２０の各々が平面アレーアンテナで構成され、電波吸収体等による遅延波対策を行わない場合、シングルパスチャネルを構成する各送受信アンテナ間の直接波以外にも、送受信アレーアンテナ面で反射して送受信間を往復して到来する第１遅延波及び第２遅延波が受信されるマルチパス環境となる。

図１１は、マルチパス環境における第１の実施形態によるアンテナ位置推定精度を示す図である。なお、チャネルは、図１０に示すように直接波に加えて第１遅延波と第２遅延波とからなるマルチパス環境として評価を行った。なお、第２のアレーアンテナ２０は、１００個のアンテナ素子２１で構成されている。周波数が６１．５６ＧＨｚ、送受信間距離Ｄが４０ｍｍ、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との各アンテナ素子の間隔ｄが５．０ｍｍとした。エリアｊの形状は四角形とし第１の実施形態で上述したように、１点の周波数における品質情報を用いて位置推定を行った。

図４と図１１とを比較するとわかるように、１点の周波数における品質情報を用いて位置推定を行う第１の実施形態では、シングルパス環境においては高精度で位置推定ができるが、マルチパス環境では位置推定精度が大きく劣化する。第１の実施形態では、まず品質が最も良い信号を受信した情報端末３のアンテナ素子２１の位置を基準として、第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。しかし、直接波の位相に対して逆相に近い遅延波が直接波に足し合わされた場合、直接波と遅延波とが打ち消し合うことによって、アンテナ素子２１の受信信号の品質が低下する。それにより、適切なアンテナ素子２１がエリアｊの設定に必要な基準のアンテナ素子２１として選ばれず、適切なエリアｊが設定されなくなる。したがって、第１の実施形態の位置検出装置３０によるアンテナ素子１１の位置推定精度が劣化する。この遅延波の影響を抑え高精度な位置推定を可能とするために、第３の実施形態では複数の周波数（サブキャリア周波数）におけるトレーニング信号の信号品質の平均値を品質情報として位置推定に用いる。なお、第３の実施形態において、単に複数の周波数（サブキャリア周波数）における品質の平均をとればよいわけではなく、平均をとる周波数の範囲を適切に設定する必要がある。以下に、第３の実施形態における平均をとる周波数範囲の決め方について説明する。

自由空間を受信間距離Ｄ伝搬した電波の振幅及び位相の変化ｈは周波数に依存し、式（３）で表される。

ここで、電波の波長λはλ＝ｃ／ｆ、電波の速度ｃは、ｃ＝３．０×１０^８ｍ／ｓで表される。周波数ｆは、電波の周波数を表す。以下では、直接波と第１遅延波とについて説明する。直接波の伝搬距離Ｄ_０は送受信間距離Ｄであり、第１遅延波の伝搬距離Ｄ_１は送受信間をさらに一往復するため３Ｄである。受信点では直接波と第１遅延波とが足し合わされて受信されるため、送信アンテナｊ（アンテナ素子１１−ｊ）から受信アンテナｉ（アンテナ素子２１−ｉ）へのチャネルｈ_ｉｊは式（４）で表され、伝搬利得は式（５）で表される。

図１２は、第３の実施形態における平均をとる周波数範囲の決め方について説明する図である。図１２は、式（５）の第２項の周波数ｆに依存する部分を縦軸としたグラフである。図１２に示すとおり、式（５）の第２項は周波数によって正又は負の値となる。式（５）の第２項が負の値となる領域は、直接波と第１遅延波とが打ち消し合い、受信アンテナの受信信号の品質が低下する周波数である。したがって、第１の実施形態に示すように、所定の１点の周波数の品質情報のみを位置推定に用いる場合では、式（５）の第２項が負の値になる周波数を使用すると、適切なアンテナ素子２１がエリアｊの設定の基準のアンテナ素子２１として選択されない。したがって、アンテナ素子１１の位置の推定精度の劣化を招く。上記遅延波によって生じるアンテナ素子２１における受信信号の電力の周波数依存性の影響を抑えるために、第３の実施形態では図１２に示す式（５）の第２項のうねりの１周期よりも広い周波数範囲で取得したトレーニング信号の信号品質の平均値を品質情報として位置推定に用いる。理想的に１周期分の周波数の範囲において品質の平均値を取得した場合、式（５）の第２項はほぼ０となる。そのため、適切なアンテナ素子２１がエリアｊの設定の基準のアンテナ素子２１として選択される。なお、式（５）の第２項からわかるように、うねりの周期は直接波と第１遅延波との伝搬距離の差によって変動する。したがって、送受信間距離取得部１３で検出した送受信間距離Ｄに基づいて平均をとる周波数範囲を設定することで、アンテナ素子２１の遅延波による受信信号の周波数依存性の影響を抑えることができる。ここで、うねりの周期は１０００ｃ／（Ｄ_１−Ｄ_０）で表される。したがって、送受信間距離Ｄ＝４０ｍｍである場合、Ｄ_０＝４０ｍｍ、Ｄ_１＝１２０ｍｍとなり、うねりの周期は３．７５ＧＨｚとなる。したがって、３．７５ＧＨｚ以上広い周波数範囲で取得した品質の平均をとればよい。また、エリアｊの設定のときだけでなく、エリアｊの設定後の位置取得部３３での式（１）によるアンテナ素子１１の位置の算出においても、複数の周波数（サブキャリア周波数）で平均した品質情報を用いることで、遅延波の影響を抑え、高精度な位置推定が可能となる。

上述したように、第１遅延波のみの影響を考えてきたが、実際には第２遅延波、第３遅延波、…第ｎ遅延波と複数の遅延波がアンテナ素子２１で受信される。そして、アンテナ素子２１で受信される受信信号の電力は周波数依存性を持つことになる。しかしながら、第１遅延波以降の遅延波（すなわち、第２遅延波、第３遅延波、…第ｎ遅延波）は、第１遅延波に比べて伝搬距離が長く電力が小さい。そのため、遅延波が直接波に与える影響は、第１遅延波が支配的となる。したがって、第１遅延波の影響を抑えるために直接波と第１遅延波との伝搬距離の差に着目して、平均をとる周波数範囲を設定すればよい。

図１３は、マルチパス環境における第３の実施形態の位置推定精度を示す図である。図１３（ａ）は、サブキャリア間隔５．１５６２５ＭＨｚでサブキャリア数３５５、すなわち帯域幅１．８４ＧＨｚのＯＦＤＭ信号でパイロット信号を送信し、送信された３５５のサブキャリア周波数から１００のサブキャリア周波数を選択し、選択した１００サブキャリア周波数で平均をとった品質情報を用いて位置推定を行ったときの位置推定誤差を示す。図１３（ｂ）は、サブキャリア間隔５．１５６２５ＭＨｚでサブキャリア数８３７、すなわち帯域幅４．３２ＧＨｚのＯＦＤＭ信号でパイロット信号を送信し、送信された８３７のサブキャリア周波数から１００のサブキャリア周波数を選択し、選択した１００サブキャリア周波数で平均をとった品質情報を用いて位置推定を行ったときの位置推定誤差を示す。その他の送受信間距離Ｄやアンテナ素子数等のパラメータは、図１１に示す評価時と同じである。なお、１００のサブキャリア周波数の選択方法としては、例えば、下端のサブキャリア周波数から上端のサブキャリア周波数までを１００等分し、１００等分して得られた周波数のそれぞれにおいて、隣接する両側のサブキャリアのうちの周波数差が少ない方のサブキャリア周波数を選択すればよい。但し、選択するサブキャリア周波数は等間隔でなくても構わない。

上述したように送受信間距離Ｄ＝４０ｍｍの場合のうねりの周期は３．７５ＧＨｚであるため、図１３（ａ）に示す帯域幅１．８４ＧＨｚの場合の位置推定では精度が悪いが、図１３（ｂ）に示す帯域幅４．３２ＧＨｚの場合の位置推定では位置推定誤差が数ｍｍ程度と高い精度を達成できていることがわかる。

次に、図１４を参照して、第３の実施形態における位置検出装置３０Ｂのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れについて、図１４を用いて説明する。図１４は、第３の実施形態における位置検出装置３０Ｂのアンテナ素子１１の位置の推定方法の流れを示すフローチャートである。

まず、ユーザが情報端末３Ｂに携帯端末２Ｂをタッチすると、携帯端末２Ｂの送受信間距離取得部１３は、送受信間距離Ｄを取得する。そして、送受信間距離取得部１３は、取得した送受信間距離Ｄに応じてトレーニング信号の信号帯域幅（サブキャリア数）を決定する。そして、携帯端末２Ｂは、送受信間距離取得部１３が決定した信号帯域幅（サブキャリア数）でアンテナ素子１１−ｊからトレーニング信号を送信する。なお、初期条件として、ｊ＝１である。情報端末３Ｂは、各アンテナ素子２１でアンテナ素子１１−ｊから送信されたトレーニング信号を取得する（ステップＳ３０１）。

品質情報取得部３１Ｂは、各アンテナ素子２１で受信したそれぞれのトレーニング信号の信号品質を取得する（ステップＳ３０２）。
品質情報取得部３１Ｂは、複数の周波数（サブキャリア周波数）におけるトレーニング信号の信号品質の平均値を品質情報として取得する（ステップＳ３０３）。

エリア設定部３２は、品質情報取得部３１Ｂで取得した品質情報に基づいて、アンテナ素子１１の位置の算出に用いる情報端末３Ｂのアンテナ素子２１のエリアｊを設定する。例えば、エリア設定部３２は、品質情報取得部３１Ｂで取得した複数の品質情報に基づいて、品質が最も良いトレーニング信号を受信したアンテナ素子２１の位置を決定する。エリア設定部３２は、決定したアンテナ素子２１の位置を基準として、対称で且つできるだけ多くのアンテナ素子２１が含まれるようにエリアｊを設定する（ステップＳ３０４）。

位置取得部３３は、式（１）を用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を取得する。すなわち、位置取得部３３は、エリアｊ内に位置するアンテナ素子２１のみの品質情報と位置情報とを用いてアンテナ素子１１−ｊの位置を推定する（ステップＳ３０５）。

位置取得部３３がアンテナ素子１１−ｊの位置の推定を終了すると、位置検出装置３０は、ｊがＫであるか否かを判定する。ここで、Ｋは、第１のアレーアンテナ１０に備えられたアンテナ素子１１の数である。位置検出装置３０は、ｊがＫである場合、ステップＳ３０６の処理に移行する。一方、位置検出装置３０は、ｊがＫでない場合、ステップＳ３０７の処理に移行する（ステップＳ３０６）。

回転角推定部３４は、ｊがＫであると判定された場合、位置取得部３３で推定した各アンテナ素子１１の位置情報に基づいて携帯端末２Ｂ側の第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定する（ステップＳ３０７）。

位置検出装置３０は、ｊがＫではないと判定した場合、ｊをインクリメントしてステップＳ３０１の処理に移行する（ステップＳ３０８）。

上述したように、第３の実施形態における位置検出装置３０Ｂは、アンテナ素子１１のいずれか１つから送信された信号を複数のアンテナ素子２１で受信する。そして、位置検出装置３０Ｂは、アンテナ素子２１のそれぞれで受信したトレーニング信号の品質情報に基づいて第２のアレーアンテナ２０上のエリアｊを設定する。位置検出装置３０Ｂは、設定したエリアｊ内に位置するアンテナ素子２１が受信したトレーニング信号の品質情報とアンテナ素子２１の位置情報とに基づいてアンテナ素子１１の位置を推定する。したがって、第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との位置ずれを正確に取得することができる。

また、第３の実施形態における位置検出装置３０Ｂは、複数の周波数におけるトレーニング信号の信号品質の平均値を品質情報とする。これにより、マルチパス環境においても高精度な位置推定を実現することができる。なお、複数の周波数は、送受信間距離Ｄに基づいて決定される。

第３の実施形態の無線通信システム１Ｂは、超音波を用いて送受信間距離Ｄを取得したが、これに限定されない。例えば、無線伝送においてミリ波帯が利用される場合、損失を低減するため、携帯端末２Ｂの筐体に透明なアクリル樹脂製の窓を設け、その透明なアクリル樹脂製の窓にアンテナを配置することが想定される。その場合、情報端末３Ｂは、携帯端末２Ｂが自装置のタッチ部にタッチされた場合に、情報端末３Ｂが内蔵するカメラで携帯端末２Ｂのアクリル樹脂製の窓を介して携帯端末２Ｂに内蔵された第１のアレーアンテナ１０を撮像する。情報端末３Ｂは、撮像した第１のアレーアンテナ１０の画像に基づいて自装置から第１のアレーアンテナ１０までの距離Ｌを取得する。情報端末３Ｂは、取得した距離Ｌに基づいて第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との間の送受信間距離Ｄを求める。情報端末３Ｂは、求めた送受信間距離Ｄを携帯端末２Ｂに無線信号等で通知する。

また、携帯端末２Ｂは、自装置の筐体表面から第１のアレーアンテナ１０までの距離Ｖの情報を予め記憶している。情報端末３Ｂは、自装置のタッチ部の表面から第２のアレーアンテナ２０までの距離Ｗの情報を記憶している。携帯端末２Ｂが情報端末３Ｂのタッチ部にタッチされた際に、情報端末３Ｂは、自装置のタッチ部の表面から第２のアレーアンテナ２０までの距離Ｗの情報を携帯端末２Ｂに無線信号等により通知する。携帯端末２Ｂは、情報端末３Ｂから通知された距離Ｗの情報と距離Ｖの情報とに基づいて第１のアレーアンテナ１０と第２のアレーアンテナ２０との間の送受信間距離Ｄを求めるようにしてもよい。

また、第３の実施形態の無線通信システム１Ｂにおいて、エリア設定部３２をエリア設定部３２Ａとしてもよい。すなわち、情報端末３Ｂは、アンテナ素子２１のそれぞれで受信したトレーニング信号の品質情報に基づいて複数のアンテナ素子２１の位置を決定してもよい。その場合、情報端末３Ｂは、複数のアンテナ素子２１の位置を基準としてエリアｊを設定する。

上述の実施形態において、品質情報を取得するための信号としてトレーニング信号を用いる場合について説明したが、トレーニング信号を用いないブラインド推定により品質情報を取得してもよい。

また、上述の実施形態において、携帯端末に備えられた各アンテナ素子１１が時分割多重伝送により順にトレーニング信号を情報端末に送信する場合について説明したが、直交符号を用いて携帯端末の各アンテナ素子１１が同時にトレーニング信号を送信してもよい。

また、上述の実施形態において、携帯端末の４つのアンテナ素子１１からトレーニングを情報端末に送信し、得られた４つのアンテナ素子１１の推定位置のうちの２つを用いて携帯端末の第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定する場合について説明してきたが、携帯端末の第１のアレーアンテナ１０の回転角を推定するには、少なくともアンテナ素子１１の推定位置のうち２つ以上であればよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ 無線通信システム
２ 携帯端末
３ 情報端末
１０ 第１のアレーアンテナ（送信アレーアンテナ）
１１、２１ アンテナ素子
１２ 送信部
２０ 第２のアレーアンテナ（受信アレーアンテナ）
３０ 位置検出装置

Claims (8)

1. 第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得部と、
   前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定部と、
   前記エリア設定部によって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得部と、
   を備え、
   前記エリア設定部は、
   前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、最も良い品質が得られた前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの前記第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する位置検出装置。
2. 第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得部と、
   前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定部と、
   前記エリア設定部によって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得部と、
   を備え、
   前記エリア設定部は、
   前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、他のいずれよりも良い品質が得られた複数の前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する位置検出装置。
3. アレーアンテナ面が平行になるように配置された、複数の第１のアンテナ素子を備える送信アレーアンテナと複数の第２のアンテナ素子を備える受信アレーアンテナとの間の距離を取得する送受信間距離取得部と、
   前記送受信間距離取得部が取得した前記距離に基づいて決定した信号帯域幅を有するトレーニング信号を生成し、前記第１のアンテナ素子から送信する送信部と、
   複数の前記第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれの前記トレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得部と、
   前記品質情報取得部が取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定部と、
   前記エリア設定部によって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得部と、
   を備え、
   前記品質情報取得部は、前記第２のアンテナ素子で受信された前記トレーニング信号において、前記送信部が決定した前記信号帯域幅にわたって平均化した前記トレーニング信号の信号品質を前記品質情報とする位置検出装置。
4. 前記位置取得部によって取得された複数の前記第１のアンテナ素子の位置に基づいて、前記受信アレーアンテナに対する複数の前記第１のアンテナ素子を備える送信アレーアンテナの回転角を推定する回転角推定部をさらに備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位置検出装置。
5. 前記回転角推定部は、
   前記位置取得部によって取得された複数の前記第１のアンテナ素子の位置の中で、より多くの前記品質情報を用いて取得された前記第１のアンテナ素子の位置を２つ用いて前記回転角を推定する請求項４に記載の位置検出装置。
6. 第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得ステップと、
   前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定ステップと、
   前記エリア設定ステップによって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得ステップと、
   を備え、
   前記エリア設定ステップでは、
   前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、最も良い品質が得られた前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの前記第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する位置検出方法。
7. 第１のアンテナ素子から送信され、受信アレーアンテナに備えられた複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれのトレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得ステップと、
   前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定ステップと、
   前記エリア設定ステップによって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得ステップと、
   を備え、
   前記エリア設定ステップでは、
   前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、他のいずれよりも良い品質が得られた複数の前記第２のアンテナ素子の位置を基準として左右と上下とがそれぞれ対称で且つできるだけ多くの第２のアンテナ素子が前記領域に含まれるように前記領域を設定する位置検出方法。
8. アレーアンテナ面が平行になるように配置された、複数の第１のアンテナ素子を備える送信アレーアンテナと複数の第２のアンテナ素子を備える受信アレーアンテナとの間の距離を取得する送受信間距離取得ステップと、
   前記送受信間距離取得ステップで取得した前記距離に基づいて決定した信号帯域幅を有するトレーニング信号を生成し、前記第１のアンテナ素子から送信する送信ステップと、
   複数の第２のアンテナ素子で受信されたそれぞれの前記トレーニング信号の品質情報を取得する品質情報取得ステップと、
   前記品質情報取得ステップで取得した複数の前記品質情報に基づいて、前記受信アレーアンテナ上の所定の領域を設定するエリア設定ステップと、
   前記エリア設定ステップによって設定された前記領域内に位置する前記第２のアンテナ素子が受信した前記トレーニング信号の品質情報と前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて前記トレーニング信号を送信した第１のアンテナ素子の位置を取得する位置取得ステップと、
   を備え、
   前記品質情報取得ステップでは、前記第２のアンテナ素子で受信された前記トレーニング信号において、前記送信ステップで決定した前記信号帯域幅にわたって平均化した前記トレーニング信号の信号品質を前記品質情報とする位置検出方法。