JP7287500B2 - 端末装置、通信方法、及び通信システム - Google Patents

Description

本開示は、基地局と端末装置との間の光／ＲＦ無線ハイブリッド通信に関する。

本明細書では、基地局から端末装置への方向を「下り」、端末装置から基地局への方向を「上り」として説明する。
Ｗｉ－Ｆｉなどの無線通信システムにおいて、基地局と端末装置との接続に必要なＳＳＩＤ及びパスワード（ＰＷ）などの接続認証データを光無線通信（ＬＥＤ照明などで下り方向の通信）を用いて端末装置へ通知する光／ＲＦ無線ハイブリッド通信が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。光／ＲＦ無線ハイブリッド通信は、端末装置のユーザがＳＳＩＤ及びＰＷを把握して入力操作などをしなくとも、光無線通信エリアに入っただけでＷｉ－Ｆｉに接続できるというメリットがある。

米国公開２０１８０１３９２０２号

光／ＲＦ無線ハイブリッド通信では、光無線通信でＲＦ通信の接続／認証情報自体を送信するのではなく、これらに対応したデータ量の小さい光ＩＤを送信する。基地局の光送信器は、上記の光ＩＤを人間が知覚できない条件の色／明るさ変化でデータを送信する。基地局と端末装置の双方で光ＩＤと接続／認証情報の対応リストを保有しており、端末装置は、前記対応リストから受信した光ＩＤに対応する接続／認証情報を抽出し、この情報に従ってＲＦ通信を行う。

このような光／ＲＦ無線ハイブリッド通信は、光信号を用いてＲＦ通信の接続／認証制御を行うため、基地局側で光無線通信／照明の兼用の光源を用いることができ、かつ、端末装置側で標準的なスマートフォン等の端末装置を用いることができる、というメリットがある。また、設備導入のコストや消費電力を抑制できるというメリットもある。

光ＩＤを用いて接続／認証作業を行う場合、スマートフォン等の端末装置に搭載される照度センサなどを利用し、光照度の変化あるいは色の変化を読み取り、ある閾値を元に二値変換することで光ＩＤの情報を受信する。しかし、端末装置の位置や受光角度に応じて受信する光照度の絶対値が変動する。例えば、光照度は光源付近では絶対値が大きく、距離に応じて変動する。つまり、光／ＲＦ無線ハイブリッド通信には、端末装置が固定的な閾値を用いて光照度の変化を読み取れば、端末装置の位置や受光角度によって誤検知が発生し、光ＩＤの情報を正確に取得することが困難という課題がある。

図８は、本発明の課題を説明する図である。端末装置３０は、基地局２０からの光信号を閾値ｐ_ｔｈを用いて二値化する。端末装置３０が基地局２０の通信エリア４０の中にいるとする。このときの光信号の照度が高いレベルが閾値ｐ_ｔｈより上にあり、低いレベルが閾値ｐ_ｔｈより下にあるため、端末装置３０は光信号を二値化することができる。しかし、ある時刻Ｔにおいて、端末装置３０が基地局２０の近傍へ移動したとする。そうすると、端末装置３０が受ける光信号の照度が全体的に強くなる。このため、光信号の照度が高いレベルも低いレベルも閾値ｐ_ｔｈより上にあるため、端末装置３０は光信号を二値化することができず、誤検知が発生する。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、端末装置の位置や受光角度に関わらず光ＩＤの情報を正確に取得することができる端末装置、通信方法、及び通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る端末装置は、自身の位置や受光角度などの変化に応じて、定期的に閾値設定を更新し、光照度の変化を読み取る仕組みを備えることとした。

具体的には、本発明に係る端末装置は、基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う端末装置であって、
前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信する光センサと、
前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得し、前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出する算出部と、
前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換する判定部と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る通信方法は、端末装置と基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う通信方法であって、
前記端末装置が、
前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信すること、
前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得すること、
前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出すること、及び
前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換すること、
を特徴とする。

さらに、本発明に係る通信システムは、端末装置と基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う通信システムであって、
前記端末装置は、
前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信する光センサと、
前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得し、前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出する算出部と、
前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換する判定部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る端末装置、通信方法、及び通信システムは、受信した光信号の照度の推移に基づいて閾値を変更するため、自身の位置や受光角度などの変化に応じた閾値で光信号を二値化することができる。従って、本発明は、端末装置の位置や受光角度に関わらず光ＩＤの情報を正確に取得することができる端末装置、通信方法、及び通信システムを提供することができる。

例えば、前記算出部は、
過去の複数の前記サンプリング値を用いた移動平均法、加重平均法、又は指数平滑移動平均法で前記閾値を算出することを特徴とするである。

本発明に係る端末装置は、前記光信号の照度以外の物理情報を取得するセンサをさらに備え、前記算出部は、前記センサが出力するセンサ情報に基づき、前記指数平滑移動平均法に使用される平滑化定数を変化させることを特徴とする。

本発明に係る端末装置は、
ＩＤ情報と前記ＲＦ無線通信を開始するための認証情報との対応を記載したリストと、
前記判定部が前記光信号を二値変換して得た前記ＩＤ情報を前記リストに照会し、対応する前記認証情報を取得する解析部と、
前記解析部が取得した前記認証情報を前記ＲＦ無線通信で前記基地局へ送信するＲＦ送受信部と、
をさらに備えることを特徴とする。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、端末装置の位置や受光角度に関わらず光ＩＤの情報を正確に取得することができる端末装置、通信方法、及び通信システムを提供することができる。

本発明に係る通信システムを説明する図である。 本発明に係る通信システムの基地局の構成を説明する図である。 本発明に係る通信システムの端末装置の構成を説明する図である。 本発明に係る端末装置で受光する光信号の照度を説明する図である。 本発明に係る端末装置の判定部で二値化された信号を説明する図である。 本発明に係る端末装置の解析部での処理を説明する図である。 本発明に係る端末装置の対応リストを説明する図である。 本発明の課題を説明する図である。 本発明に係る端末装置の算出部での処理を説明する図である。 本発明に係る通信方法を説明するフローチャートである。 本発明に係る通信システムの端末装置の構成を説明する図である。 本発明に係る端末装置の算出部での処理を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の通信システム３０１を説明する図である。通信システム３０１は、基地局２０と端末装置３０との間の通信を光無線通信とＲＦ無線通信とで行う通信システムである。
基地局２０は、ＲＦ送受信の接続／認証情報に対応する光ＩＤを所定エリア４０内に存在する端末装置３０へ光信号として送信する。
端末装置３０は、受信した光ＩＤに対応するＲＦ送受信の接続／認証情報を利用し、適切な基地局２０へ認証要求を送信する。

図２は、基地局２０の構成を説明する図である。基地局２０は、光送信器２１、ＲＦ送受信部２２、ビーム制御部２４、光信号制御部２５、光ＩＤ対応リスト２６、及び接続／認証制御部２７を備える。

接続／認証制御部２７は、ＲＦ通信利用のための接続動作／認証情報を管理する。なお、接続動作とは、どの無線方式／ＩＦを許可／優先して接続することを意味する。認証情報とは、ＳＳＩＤ（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）、ＩＤ（識別番号）、パスワードなどの情報を意味する。
また、接続／認証制御部２７は、端末装置３０からＲＦ認証要求を受け取り、当該要求の認証情報と自身が保有する認証情報との整合が確認できた端末装置３０に対して上位ＮＷ１０との通信を許可する。

光信号制御部２５は、接続／認証制御部２７から通知された接続動作／認証情報を光ＩＤ対応リスト２６に照合し、対応する光ＩＤを抽出する。そして、光信号制御部２５は、抽出した光ＩＤの信号パターンを変調する。ここで、変調は、光送信部２１からの出力光を人間が知覚できない変調条件とする。なお、光ＩＤ対応リスト２６は、ＲＦ送受信時の接続動作／認証情報と光ＩＤとを対応させたリストである。

光送信器２１は、調光又は調色可能なＬＥＤなどの光源を用いる。光源は照明用途を兼ねてもよい。光送信器２１は、光信号制御部２５からの光ＩＤ（変調された信号）を所定の波長、パワー、変調方式、又はデータレートの光信号に変換する。本実施形態では、所定のエリア４０内において一定以上の照度になるように光送信器２１が光信号（上記条件で光ＩＤにより変調された光信号）を送出する場合を説明する。

ビーム制御部２４は、光送信器２１からの光信号が所定のエリア４０に到達できるようにビーム形状を制御した上で、当該光信号を空間に送出する。光を遮る障害物が無ければ、所定のエリア４０にある全ての端末装置３０に光信号が到達する。

ＲＦ送受信部２２は、所定のプロトコル（Ｗｉ－Ｆｉ、ＬＴＥなど）でＲＦ信号を送受信する。ＲＦ送受信部２２は、複数の無線規格（Ｗｉ－Ｆｉの２．４ＧＨｚ／５ＧＨｚなど）に対応してもよい。

図３は、端末装置３０の構成を説明する図である。端末装置３０は、
基地局２０からの光無線通信の光信号を受信する光センサ（光センサ情報取得部３１）と、
前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得し、前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出する算出部（閾値算出部３８）と、
前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換する判定部（閾値判定部３７）と、
を備える。

また、端末装置３０は、
ＩＤ情報と前記ＲＦ無線通信を開始するための認証情報との対応を記載したリスト（光ＩＤ対応リスト３６）と、
前記判定部が前記光信号を二値変換して得た前記ＩＤ情報を前記リストに照会し、対応する前記認証情報を取得する解析部（光ＩＤ解析部３５）と、
前記解析部が取得した前記認証情報を前記ＲＦ無線通信で前記基地局へ送信するＲＦ送受信部３３と、
をさらに備える。

光センサ情報取得部３１は、光送信器２１からの光信号を電気信号に変換し、光照度値として取得する。光センサ情報取得部３１は光無線通信専用の光受信器に限らず、端末装置３０がスマートフォンであれば、カメラ機能を利用してもよい。

閾値算出部３８は、光センサ情報取得部３１が取得した光照度値から最適な閾値を計算し、計算した閾値を閾値判定部３７へ入力する。図４は、閾値算出部３８が行う処理を説明する図である。図４において、ｐ（ｋ）は光照度のサンプリング値（ｋはサンプリング番号）、ｐ_ｔｈは閾値である。図４のように、閾値算出部３８は定期的に光信号の照度のサンプリング値を基に閾値ｐ_ｔｈを計算する。閾値の計算手法については後述する。

閾値判定部３７は、閾値算出部３８が計算した閾値を利用し、光センサ情報取得部３１が受光した光信号を二値化（１／０）する。図５は、閾値判定部３７が行う処理を説明する図である。閾値判定部３７は、ｐ（ｋ）≧ｐ_ｔｈの場合、Ｓ（ｋ）＝１と判断し、ｐ（ｋ）＜ｐ_ｔｈの場合、Ｓ（ｋ）＝０と判断し、受信信号を二値化する。ここで、Ｓ（ｋ）は、サンプリング番号ｋの照度ｐ（ｋ）について閾値判定部３７が行った１又は０の判定値である。つまり、閾値算出部３８が光照度に応じて閾値ｐ_ｔｈを適応的に変更するため、端末装置３０の位置や受光角度が変化して光信号の照度が変化しても、閾値判定部３７は光ＩＤの情報を正確に取得することができる。

光ＩＤ解析部３５は、閾値判定部３７で二値化されたデータをもとに光ＩＤを抽出する。図６は、光ＩＤ解析部３５が行う処理を説明する図である。光ＩＤ解析部３５は、入力された二値化データと記憶している光ＩＤの信号形状とを比較し、相関が最大となる信号形状の光ＩＤを抽出する。続いて、光ＩＤ解析部３５は、光ＩＤ対応リスト３６に光ＩＤを照合し、対応する接続動作／認証情報を光ＩＤ対応リスト３６から選択する。光ＩＤ対応リスト３６の記載内容は、基地局２０の光ＩＤ対応リスト２６と同じである。図７は、光ＩＤ対応リスト３６の例を説明する図である。

ＲＦ送受信部３３は、当該プロトコルでＲＦ無線信号を送受信している。当該プロトコルは、Ｗｉ－ＦｉやＬＴＥなどである。例えば、Ｗｉ－Ｆｉが２．４ＧＨｚ／５ＧＨｚなどの複数の無線規格に対応してもよい。ＲＦ送受信部３３は、光ＩＤ解析部３５が抽出した接続動作／認証情報を基地局２０へ送信する。

［閾値の計算手法］
図９は、閾値算出部３８が行う計算手法を説明する図である。図９は、サンプルｋを判定するときの閾値ｐ_ｔｈ ^［ｋ］を算出するイメージである。閾値算出部３８は、ｎ個の過去のサンプル値（ｐ^{［ｋ－ｎ＋１］}～ｐ^［ｋ］）を用いてサンプルｋを判定する閾値ｐ_ｔｈ ^［ｋ］を算出する。同様に、閾値算出部３８は、ｎ個の過去のサンプル値（ｐ^{［ｋ－ｎ］}～ｐ^{［ｋ－１］}）を用いてサンプルｋ－１を判定する閾値ｐ_ｔｈ ^{［ｋ－１］}、ｎ個の過去のサンプル値（ｐ^{［ｋ－ｎ－１］}～ｐ^{［ｋ－２］}）を用いてサンプルｋ－２を判定する閾値ｐ_ｔｈ ^{［ｋ－２］}、・・・を算出する。

具体的な閾値計算方法を説明する。ここで、ｐ^［ｋ］はｋサンプル時の照度値、ｐ_ｔｈ ^［ｋ］はｋサンプル時の閾値、ｎは用いられるデータ群の個数、αは平滑化定数である。
（例１）閾値算出部３８が、過去の複数の前記サンプリング値を用いた移動平均法（数１）で前記閾値を算出する場合の例である。

（例２）閾値算出部３８が、過去の複数の前記サンプリング値を用いた加重平均法（数２）で前記閾値を算出する場合の例である。

（例３）閾値算出部３８が、過去の複数の前記サンプリング値を用いた指数平滑移動平均法（数３）で前記閾値を算出する場合の例である。

（実施形態２）
図１０は、実施形態１で説明した端末装置３０の動作（通信方法）を説明するフローチャートである。本通信方法は、端末装置３０と基地局２０と間の通信を光無線通信とＲＦ無線通信とで行う通信方法であって、
端末装置３０が、
前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信すること（ステップＳ０１）、
前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得すること（ステップＳ０２）、
前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出すること（ステップＳ０３）、及び
前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換すること（ステップＳ０４）、
を特徴とする。

ステップＳ０１及びＳ０２では、光センサ情報取得部３１が、基地局２０からの光信号を電気信号に変換し、光照度値をサンプリングする。
ステップＳ０３では、閾値算出部３８が、ステップＳ０２で取得した光照度値（サンプリング値）から最適な閾値を計算し、計算した閾値を閾値判定部３７へ入力する。図４のように、閾値算出部３８は定期的に光信号の照度のサンプリング値を基に閾値ｐ_ｔｈを計算する。
ステップＳ０４では、閾値判定部３７が、ステップＳ０３で計算された閾値を利用し、ステップＳ０１及びＳ０２で取得したサンプリング値を基に光信号を二値化（１／０）する。閾値判定部３７は、ｐ（ｋ）≧ｐ_ｔｈの場合、Ｓ（ｋ）＝１と判断し、ｐ（ｋ）＜ｐ_ｔｈの場合、Ｓ（ｋ）＝０と判断し、受信信号を二値化する。

（実施形態３）
図１０は、本実施形態の端末装置３０の構成を説明する図である。本実施形態の端末装置３０は、実施形態１の端末装置３０にセンサ情報取得部３２をさらに備える。センサ情報取得部３２は、前記光信号の照度以外の物理情報を取得するセンサである。そして、前記算出部（閾値算出部３８）は、前記センサが出力するセンサ情報に基づき、前記指数平滑移動平均法に使用される平滑化定数αを変化させる。
ここで、前記光信号の照度以外の物理情報とは、加速度センサからの端末装置３０の加速度、ジャイロセンサからの端末装置３０の傾き、磁気センサからの端末装置３０の方向（向き）などの情報である。

センサ情報取得部３２は、前記物理情報を取得し、それらを閾値算出部３８へ入力する。本実施形態の閾値算出部３８は、閾値を算出するときに光信号の照度だけでなく、物理情報も利用する。図１２は、閾値算出部３８が指数平滑移動平均で閾値を算出するときに物理情報を利用して平滑化定数αを設定する例を説明する図である。

加速度センサは端末装置３０の加速度を３軸（ｘ、ｙ、ｚ）毎に取得する。端末装置３０の移動に伴ってバックグラウンドの照度値は変動する。このため、図１２のように加速度に応じた平滑化定数αを数３に設定することで、閾値の照度値変動への追従性を高めることができる。具体的には、バックラウンドの照度変化が小さい場合（加速度が小さい場合）、αを大きくとりすぎると閾値の照度に対する追従性が高くなりすぎてしまうので、適度に小さい値をとることが有効である。一方、バックグラウンドの照度変化が大きい場合（加速度値が大きい場合）、αを比較的大きくとることで、閾値の照度に対する追従性を高めることができる。

なお、図１２は一例であり、利用する照明の照度プロファイル（光源の指向性）を考慮して、αの設定値を柔軟に変更してもよい。また、閾値算出部３８は、加速度センサ以外のセンサ情報を利用してもよい。

［付記］
本発明は、照度センサなどによって取得した光照度を二値変換する閾値判定に関する仕組みを改良したものである。
具体的には、
（１）移動平均法を利用して閾値を設定する方式
（２）加重移動平均法を利用して閾値を設定する方式
（３）指数平滑移動平均を利用して閾値を設定する方式
である。さらに、
（４）端末装置に搭載されている速度、加速度センサなどの外部情報から端末装置の動きを予測し、最適な閾値を設定する方式
が追加されてもよい。

［発明の効果］
光信号を用いてＲＦ通信の接続／認証制御を行う通信システムにおいて、受信側がスマートフォン等の端末装置に搭載される照度センサなどを利用することで、端末装置の位置や受光角度に寄らず制御情報を正しく受信できる。

１０：上位ネットワーク
２０：基地局
２１：光送信部
２２：ＲＦ送受信部
２４：ビーム制御部
２５：光信号制御部
２６：基地局側光ＩＤ対応リスト
２７：接続／認証制御部
３０：端末
３１：光センサ情報取得部
３２：センサ情報取得部
３３：ＲＦ送受信部
３５：光ＩＤ解析部
３６：端末側光ＩＤ対応リスト
３７：閾値判定部
３８：閾値算出部
４０：エリア

Claims (7)

1. 基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う端末装置であって、
   前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信する光センサと、
   前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得し、前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出する算出部と、
   前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換する判定部と、
   ＩＤ情報と前記ＲＦ無線通信を開始するための認証情報との対応を記載したリストと、
   前記判定部が前記光信号を二値変換して得た前記ＩＤ情報を前記リストに照会し、対応する前記認証情報を取得する解析部と、
   前記解析部が取得した前記認証情報を前記ＲＦ無線通信で前記基地局へ送信するＲＦ送受信部と、
   を備えることを特徴とする端末装置。
2. 前記算出部は、
   過去の複数の前記サンプリング値を用いた移動平均法で前記閾値を算出することを特徴とする請求項１に記載の端末装置。
3. 前記算出部は、
   過去の複数の前記サンプリング値を用いた加重平均法で前記閾値を算出することを特徴とする請求項１に記載の端末装置。
4. 前記算出部は、
   過去の複数の前記サンプリング値を用いた指数平滑移動平均法で前記閾値を算出することを特徴とする請求項１に記載の端末装置。
5. 前記光信号の照度以外の物理情報を取得するセンサをさらに備え、
   前記算出部は、
   前記センサが出力するセンサ情報に基づき、前記指数平滑移動平均法に使用される平滑化定数を変化させることを特徴とする請求項４に記載の端末装置。
6. 端末装置と基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う通信方法であって、
   前記端末装置が、
   前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信すること、
   前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得すること、
   前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出すること、
   前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換すること、
   ＩＤ情報と前記ＲＦ無線通信を開始するための認証情報との対応を記載したリストに、
   前記光信号を二値変換して得た前記ＩＤ情報を照会し、対応する前記認証情報を取得すること、及び
   取得した前記認証情報を前記ＲＦ無線通信で前記基地局へ送信すること
   を特徴とする通信方法。
7. 端末装置と基地局と間の通信を光無線通信とＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）無線通信とで行う通信システムであって、
   前記端末装置は、
   前記基地局からの前記光無線通信の光信号を受信する光センサと、
   前記光信号の照度をサンプリングしてサンプリング値を取得し、前記サンプリング値の推移に基づいて前記光信号を二値変換するための閾値を算出する算出部と、
   前記閾値に基づいて前記光信号を二値変換する判定部と、
   ＩＤ情報と前記ＲＦ無線通信を開始するための認証情報との対応を記載したリストと、
   前記判定部が前記光信号を二値変換して得た前記ＩＤ情報を前記リストに照会し、対応する前記認証情報を取得する解析部と、
   前記解析部が取得した前記認証情報を前記ＲＦ無線通信で前記基地局へ送信するＲＦ送受信部と、
   を備えることを特徴とする通信システム。

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