JP6850739B2

JP6850739B2 - 無線端末局の位置推定方法および無線基地局

Info

Publication number: JP6850739B2
Application number: JP2018005797A
Authority: JP
Inventors: 友規村上; 誠梅内; 寛坂本; 智明小川; 真道細田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: JP2019124597A

Description

本発明は、分散配置される分散アンテナの切り替えが可能な無線基地局において、分散アンテナごとに当該無線基地局と無線端末局との間の電波到達時間を測定することで無線端末局の位置を推定する無線端末局の位置推定方法および無線基地局に関する。

無線信号の電波到達時間であるＴｏＡ（Time of Arrival ）を応用したサービスとして、無線ＬＡＮシステムにおける無線端末局の位置提供サービスがある。この位置提供サービスの実現例として、例えば非特許文献１に示すように、位置推定を行いたい無線端末局と複数の無線基地局との間で電波到達時間を測定する方法がある。

図４は、従来の無線端末局の位置推定方法を示す。
図４において、無線端末局４０の周辺に複数の無線基地局５０−１〜５０−３が存在する。無線端末局４０は、まず無線基地局５０−１との接続処理を行い（Ｓ11）、無線基地局５０−１に測定信号を送信し、無線基地局５０−１から応答信号を受信する（Ｓ12）。この無線端末局４０の測定信号の送信開始時刻と、無線基地局５０−１からの応答信号の受信開始時刻から往復遅延時間Ｔm1を測定する。無線端末局４０は、同様に他の無線基地局５０−２，５０−３との接続処理を行い、それぞれ測定信号の送信開始時刻と応答信号の受信開始時刻から往復遅延時間Ｔm2，Ｔm3を算出する（Ｓ13〜Ｓ16）。さらに、無線端末局４０は、各無線基地局５０−１〜５０−３との間の往復遅延時間Ｔm1〜Ｔm3から、それぞれの電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 を算出する。そして、複数の無線基地局５０−１〜５０−３の位置情報と各電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 から、無線端末局４０の位置を推定する（Ｓ17）。

M. Llombart, M. Ciurana, and F. Barcelo-Arroyo. "On the scalability of a novel WLAN positioning system based on time of arrival measurements." Proc. IEEE WPNC, 2008.

図４に示す従来の無線端末局の位置推定方法では、位置推定を行いたい無線端末局４０と複数の無線基地局５０−１〜５０−３との間の電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 を算出するために、無線端末局４０は、複数の無線基地局５０−１〜５０−３に順番に接続する必要があり、その接続処理に無線基地局数分の時間がかかっていた。

本発明は、無線基地局で分散配置される分散アンテナを切り替えながら無線基地局と無線端末局との間の電波到達時間を測定することで、高速に無線端末局の位置推定を行うことができる無線端末局の位置推定方法および無線基地局を提供することを目的とする。

第１の発明は、分散配置される複数の分散アンテナを切り替えて送受信が可能な無線基地局と、該無線基地局と通信する無線端末局とを備え、該無線基地局が該無線端末局の位置を推定する無線端末局の位置推定方法において、無線基地局が、分散アンテナごとに、測定信号を送信し、該測定信号を受信した無線端末局から送信された応答信号を受信することで、当該無線端末局との間の電波到達時間を測定する第１ステップと、第１ステップで測定した分散アンテナごとの電波到達時間を用いて無線端末局の位置を推定する第２ステップとを実行し、第１ステップは、分散アンテナごとに、測定信号の送信から応答信号の受信までの往復遅延時間を、無線端末局が受信する反射成分を削減するように測定信号の送信電力を低減して、または無線端末局が反射成分の少なくとも一部を受信しないように測定信号の変調方式・符号化率を変更して複数測定するステップと、分散アンテナごとに、複数測定された往復遅延時間を平均化した値から電波到達時間を算出するステップとを含む。

第１の発明の無線端末局の位置推定方法において、第１ステップでは、分散アンテナごとに接続されるケーブルの長さによる遅延時間を校正する。

第１の発明の無線端末局の位置推定方法において、第１ステップでは、無線端末局の内部における時間ずれを校正する。

第１の発明の無線端末局の位置推定方法において、第１ステップでは、他無線局からの干渉による電波到達時間ずれを校正する。

第２の発明の無線基地局は、所定の長さを有するケーブルを介して分散配置される複数の分散アンテナと、無線端末局との電波到達時間を測定するための測定信号を送信する測定信号送信部と、測定信号を受信した無線端末局から送信された応答信号を受信する応答信号受信部と、複数の分散アンテナを切り替え、該切り替えた分散アンテナと測定信号送信部および応答信号受信部とを接続するアンテナ切替部と、分散アンテナごとに、測定信号の送信から応答信号の受信までの往復遅延時間を、無線端末局が受信する反射成分を削減するように測定信号の送信電力を低減して、または無線端末局が反射成分の少なくとも一部を受信しないように測定信号の変調方式・符号化率を変更して複数測定する往復遅延時間測定部と、分散アンテナごとに、複数測定された往復遅延時間を平均化した値から電波到達時間を算出する電波到達時間算出部と、分散アンテナごとの電波到達時間から無線端末局の位置を推定する位置推定部とを備える。

本発明は、分散配置される複数の分散アンテナを切り替えながら、無線基地局と無線端末局との間で送受信する測定信号および応答信号から電波到達時間を測定することにより、高速に無線端末局の位置推定することができる。

本発明における無線端末局の位置推定方法を説明する図である。本発明における無線基地局１０および無線端末局２０の構成例を示す図である。測定信号および応答信号の伝搬路を説明する図である。従来の無線端末局の位置推定方法を説明する図である。

図１は、本発明における無線端末局の位置推定方法を示す。
図１において、無線基地局１０には、分散配置される分散アンテナ１１−１〜１１−３が接続される。ここでは、分散アンテナが３本の例を示すが、３本以上であってもよい。無線基地局１０と各分散アンテナ１１−１〜１１−３は、所定の長さを有するケーブル１２−１〜１２−３を介して接続され、各分散アンテナ１１−１〜１１−３の位置を（ｘ₁，ｙ₁）、（ｘ₂，ｙ₂）、（ｘ₃，ｙ₃）とする。

無線基地局１０は、分散アンテナ１１−１〜１１−３を介して無線端末局２０との接続処理を行い、無線端末局２０の位置情報の収集を開始する（Ｓ１）。

無線基地局１０は、まず分散アンテナ１１−１に切り替え、無線端末局２０に対して測定信号を送信し、測定信号を受信した無線端末局２０は、無線基地局１０に対して応答信号を送信する（Ｓ２）。ここで、無線基地局１０は、測定信号の送信開始時刻と応答信号の受信開始時刻を測定し、往復遅延時間Ｔm1を取得する。この往復遅延時間Ｔm1には、接続されるケーブル１２−１の往復で発生する遅延時間２Ｔc1および測定信号の信号長Ｔs が含まれているので、無線基地局１０の分散アンテナ１１−１と無線端末局２０との間の電波到達時間Ｔ1 は、次式で求めることができる。
Ｔ1 ＝（Ｔm1−２Ｔc1−Ｔs ）／２ …(1)

次に、無線基地局１０は、分散アンテナ１１−２，１１−３に順次切り替え、無線端末局２０に対して測定信号を送信し、測定信号を受信した無線端末局２０は無線基地局１０に対して応答信号を送信し（Ｓ３，Ｓ４）、往復遅延時間Ｔm2，Ｔm3を測定する。ここで、分散アンテナ１１−２，１１−３と無線端末局２０との間の電波到達時間Ｔ2 ，Ｔ3 は、ケーブル１２−２，１２−３の往復で発生する遅延時間２Ｔc2，２Ｔc3と、測定信号の信号長Ｔs を用いて、次式で求めることができる。
Ｔ2 ＝（Ｔm2−２Ｔc2−Ｔs ）／２ …(2)
Ｔ3 ＝（Ｔm3−２Ｔc3−Ｔs ）／２ …(3)

次に、無線基地局１０は、得られた各分散アンテナ１１−１〜１１−３に対する電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 から、無線基地局１０と各分散アンテナ１１−１〜１１−３との間の距離Ｒ1 〜Ｒ3 に換算し、無線端末局２０の位置（ｘ，ｙ）を次式を用いて推定する（Ｓ５）。
Ｒ1 ＝｛ (ｘ−ｘ₁)²＋ (ｙ−ｙ₁)²｝^1/2＋ｃΔｔ …(4-1)
Ｒ2 ＝｛ (ｘ−ｘ₂)²＋ (ｙ−ｙ₂)²｝^1/2＋ｃΔｔ …(4-2)
Ｒ3 ＝｛ (ｘ−ｘ₃)²＋ (ｙ−ｙ₃)²｝^1/2＋ｃΔｔ …(4-3)

ここで、ｃは光速、Δｔは無線端末局２０内で測定信号を受信して応答信号を送信するまでの遅延時間である。なお、当該遅延時間Δｔは、式(1) 〜式(3) の電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 で調整してもよい。式(4-1) 〜式(4-3) から無線端末局２０の位置（ｘ，ｙ）を算出する方法は様々あるが、例えばニュートン法を用いることで、（ｘ，ｙ）を算出することができる。この例では、２次元上での位置を想定しているが、分散アンテナ数を増加させることで、３次元上においても無線端末局２０の位置を推定することができる。

図２は、本発明における無線基地局１０および無線端末局２０の構成例を示す。なお、図中には、本発明に関係する主要な機能ブロックのみを抽出して示しており、一般的に無線基地局および無線端末局でも用いられる機能ブロックおよびその説明は省略している。

図２において、無線基地局１０は、分散アンテナ１１−１〜１１−ｎ（ｎは３以上の整数）、ケーブル１２−１〜１２−ｎ、アンテナ切替部１３、測定信号送信部１４、応答信号受信部１５、往復遅延時間測定部１６、電波到達時間算出部１７、位置推定部１８から構成される。

分散アンテナ１１−１〜１１−ｎは、アンテナ切替部１３からケーブル１２−１〜１２−ｎを介して入力する測定信号を空中に送信し、空中から受信した応答信号をケーブル１２−１〜１２−ｎを介しアンテナ切替部１３に出力する。

アンテナ切替部１３は、測定信号送信部１４から測定信号が入力される場合に、指定された分散アンテナ１１−１〜１１−ｎの１つに切り替えて出力する。また、指定された分散アンテナで受信する応答信号を応答信号受信部１５に出力する。

測定信号送信部１４は、無線基地局１０および無線端末局２０の間の往復遅延時間を測定するための測定信号を生成し、アンテナ切替部１３に出力する。また、測定信号の送信開始時刻を往復遅延時間測定部１６に出力する。

応答信号受信部１５は、分散アンテナから送信された測定信号を無線端末局２０が受信し、測定信号に対する応答信号が送信された場合に、その応答信号を受信し、その受信開始時刻を往復遅延時間測定部１６に出力する。

往復遅延時間測定部１６は、測定信号送信部１４から入力する送信開始時刻と、応答信号受信部１５から入力される受信開始時刻の差分を算出し、往復遅延時間Ｔm1〜Ｔmnとして電波到達時間算出部１７に出力する。

電波到達時間算出部１７は、往復遅延時間測定部１６から入力する往復遅延時間Ｔm1〜Ｔmnから、例えば式(1) 〜式(3) で示される各種の時間ずれを校正し、分散アンテナ１１−１〜１１−ｎと無線端末局２０との間の電波到達時間Ｔ1 〜Ｔn を位置推定部１８に出力する。

位置推定部１８では、電波到達時間算出部１７から入力される分散アンテナごとの電波到達時間Ｔ1 〜Ｔn から、例えば式(4-1) 〜式(4-3) を用いて無線端末局２０の位置を推定する。

無線端末局２０は、アンテナ２１、測定信号受信部２２、応答信号送信部２３から構成される。
アンテナ２１は、受信した測定信号を測定信号受信部２２に出力し、応答信号送信部２３から入力される応答信号を空中に送信する。

測定信号受信部２２は、アンテナ２１から入力される測定信号を受信し、その情報を応答信号送信部２３に出力する。
応答信号送信部２３では、測定信号受信部２２から入力する測定信号に対する無線基地局１０への応答信号を生成し、アンテナ２１に出力する。

ところで、式(1) 〜式(3) で示した分散アンテナ１１−１〜１１−３ごとに算出される電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 には、他無線局からの干渉信号によるずれも存在する可能性がある。例えば、無線端末局２０が応答信号を送信する際に、他無線局からの干渉によって送信待機が発生し、送信が遅れる場合がある。このように干渉信号によって正常に応答信号の送受信ができない場合があるため、電波到達時間に異常値が検出された場合は、その値を削除することによって、干渉による影響を削除する。

また、電波到達時間Ｔ1 〜Ｔ3 を高精度に算出するために、分散アンテナ１１−１〜１１−３ごとに測定信号の送信形式を変更する方法が有効である。その具体例を図３を参照して説明する。

図３は、無線基地局１０に接続される１つの分散アンテナ１１のみを示し、送信形式を変更せず、分散アンテナ１１と無線端末局２０との間の往復遅延時間を測定する例を示す。ただし、本環境における伝搬路は、直接成分、反射物３０−１による第１反射成分、反射物３０−２による第２反射成分、反射物３０−３による第３反射成分の４種類となり、往復遅延時間は４種類の合成波から算出される。なお、往復遅延時間は反射成分が存在するほど測定誤差が増加する傾向にある。

ここで、無線基地局１０から送信する測定信号の送信電力を低減した場合には、例えば無線基地局１０から遠い反射物３０−２で測定信号の反射波が小さくなり、この反射成分を削減できる。

また、無線基地局１０から送信する測定信号の変調方式および符号化率を変更することにより、無線端末局２０における必要な受信感度を変更することができ、３種類の反射成分の一部または全部の受信可否を選択できる。

また、無線基地局１０から送信する測定信号の伝送帯域もしくは伝送周波数を調整する方法がある。一般的に、伝送周波数や伝送帯域によって伝搬路が異なることが知られている。したがって、複数の周波数や伝送帯域によって異なる伝搬路の往復遅延時間を測定することができる。

このように、送信電力、変調方式・符号化率、周波数・伝送帯域を変更することで、伝搬路の反射環境が変更されるため、それらの往復遅延時間を平均化（重み付き平均も含む）することによって、電波到達時間を高精度に算出することができる。

１０，５０無線基地局
１１分散アンテナ
１２ケーブル
１３アンテナ切替部
１４測定信号送信部
１５応答信号受信部
１６往復遅延時間測定部
１７電波到達時間算出部
１８位置推定部
２０，４０無線端末局
２１アンテナ
２２測定信号受信部
２３応答信号送信部
３０反射物

Claims

分散配置される複数の分散アンテナを切り替えて送受信が可能な無線基地局と、該無線基地局と通信する無線端末局とを備え、該無線基地局が該無線端末局の位置を推定する無線端末局の位置推定方法において、
前記無線基地局が、
前記分散アンテナごとに、測定信号を送信し、該測定信号を受信した前記無線端末局から送信された応答信号を受信することで、当該無線端末局との間の電波到達時間を測定する第１ステップと、
前記第１ステップで測定した前記分散アンテナごとの電波到達時間を用いて前記無線端末局の位置を推定する第２ステップと
を実行し、
前記第１ステップは、
前記分散アンテナごとに、前記測定信号の送信から前記応答信号の受信までの往復遅延時間を、前記無線端末局が受信する反射成分を削減するように前記測定信号の送信電力を低減して、または前記無線端末局が反射成分の少なくとも一部を受信しないように前記測定信号の変調方式・符号化率を変更して複数測定するステップと、
前記分散アンテナごとに、複数測定された前記往復遅延時間を平均化した値から前記電波到達時間を算出するステップと
を含むことを特徴とする無線端末局の位置推定方法。
請求項１に記載の無線端末局の位置推定方法において、
前記第１ステップでは、前記分散アンテナごとに接続されるケーブルの長さによる遅延時間を校正する
ことを特徴とする無線端末局の位置推定方法。
請求項１に記載の無線端末局の位置推定方法において、
前記第１ステップでは、前記無線端末局の内部における時間ずれを校正する
ことを特徴とする無線端末局の位置推定方法。
請求項１に記載の無線端末局の位置推定方法において、
前記第１ステップでは、他無線局からの干渉による電波到達時間ずれを校正する
ことを特徴とする無線端末局の位置推定方法。
所定の長さを有するケーブルを介して分散配置される複数の分散アンテナと、
無線端末局との電波到達時間を測定するための測定信号を送信する測定信号送信部と、前記測定信号を受信した前記無線端末局から送信された応答信号を受信する応答信号受信部と、
前記複数の分散アンテナを切り替え、該切り替えた分散アンテナと前記測定信号送信部および前記応答信号受信部とを接続するアンテナ切替部と、
前記分散アンテナごとに、前記測定信号の送信から前記応答信号の受信までの往復遅延時間を、前記無線端末局が受信する反射成分を削減するように前記測定信号の送信電力を低減して、または前記無線端末局が反射成分の少なくとも一部を受信しないように前記測定信号の変調方式・符号化率を変更して複数測定する往復遅延時間測定部と、
前記分散アンテナごとに、複数測定された前記往復遅延時間を平均化した値から電波到達時間を算出する電波到達時間算出部と、
前記分散アンテナごとの前記電波到達時間から前記無線端末局の位置を推定する位置推定部と
を備えたことを特徴とする無線基地局。