JP7315533B2 - 到達時間差を使用した正確な無線周波数位置特定のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１７年８月２３日に出願された米国特許出願第１５／６８４，８９３号の利益を主張し、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

本出願は、２０１５年８月１９日に出願され「メッシュベースの機能を備えたツリーネットワークアーキテクチャで無線センサノードの位置を特定するためのシステムと方法」と題された米国特許出願第１４／８３０，６６８号および２０１６年６月３日に出願され「複数の通信経路の存在下での正確な無線周波数位置特定のためのシステムと方法」と題された米国特許出願第１５／１７３，５３１号に関連し、これらは両方とも参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の実施形態は、到達時間差情報を使用した正確な無線周波数位置特定のためのシステムおよび方法に関する。

家庭用電化製品およびコンピュータ業界では、無線センサネットワークが長年にわたって研究されてきた。典型的な無線センサネットワークでは、１つ以上のセンサが無線と組み合わせて実装され、ネットワーク内に配備された１つ以上のセンサノードからのデータの無線収集を可能にする。各センサノードは１つ以上のセンサを含むことができ、センサノードの動作に電力を供給するための無線機と電源を含む。屋内無線ネットワーク内のノードの位置検出は、多くのアプリケーションで有用かつ重要である。

マルチラテレーションの到達時間差（ＴＤｏＡ）技術に基づく位置特定は、３次元空間内の無線装備オブジェクトの位置を特定するための無線周波数測定を使用して実行される。ＲＦベースの位置特定は、様々な方法で実行され得る。例示的な実装には、ハブと複数のセンサノードが含まれる。なお、ハブがノードに置き換えられる可能性があり、実際、１つ以上のノードがハブに置き換えられる場合がある。距離は、ＲＦ通信を介したすべての個々のペア間の無線周波数技術を使用して推定される。ＴＤｏＡでは、１つのノードが信号を送信する。複数の他のノードが信号を受信し、各受信ノードでの受信間の時間差が計算される。ＴＤｏＡでは、受信時間の差を正確に測定するために、受信機の同期が必要である。これは、共有クロックですべての受信機を操作し、絶対タイムスタンプを比較することでなされ得る。共有クロックが利用できないシステムでは、受信機は別の方法で同期する必要がある。

本発明の一実施形態について、ネットワークアーキテクチャ内における無線センサノードの位置を特定するためのシステムおよび装置が本明細書で開示される。一例では、非同期システムは、各々が無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第１および第２の無線ノードを含む。システムはまた、未知の位置と、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１および第２第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスとを有する無線ノードとを含む。第１の無線ノードは、第２の無線ノードおよび未知の位置を有する無線ノードに通信を送信し、無線ノードからの確認応答パケットとの通信を受信し、第１および第２の無線ノード間の到達時間差情報を特定する。別の一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定システムは、各々が無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第１、第２、および第３の無線ノードを含む。システムはまた、未知の位置と、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１、第２、および第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機および受信機とを備えた無線デバイスとを有する第４の無線ノードを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第４のノードからの転送パケットとの通信を受信し、転送パケットに応答して第２、第３、および第４の無線ノードに通信を送信し、第１と第２の無線ノード間と、第１と第３の無線ノード間の到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

本発明の実施形態の他の構成および利点は、添付の図面および以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の実施形態は、添付図面の図に限定ではなく例として示されており、同様の参照番号は同様の要素を示す。

一実施形態に係る無線ノードの例示的なシステムを示す。 一実施形態に従って通信するための複数のハブを有する無線ノードの例示的なシステムを示す。 一実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。 別の一実施形態に係る飛行時間推定に使用される非同期システムを示す。 一実施形態において、２層報告方向ＴｏＦ測定システム１０００を示す。 一実施形態に係るシステム２００の通信のタイミング図を示す。 代替実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。 一実施形態に係るシステム４００の通信のタイミング図を示す。 一実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定値を特定する方法を示す。 一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイ１５００として実装されるハブの例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイとして実装されるハブのブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブの例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブ９６４のブロック図の例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係る機器（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート機器など）内に実装されたハブの例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係る、機器（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート機器など）内に実装されるハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。 一実施形態に係るセンサノードのブロック図を示す。 一実施形態に係るハブを有するシステムまたは機器１８００のブロック図を示す。

本明細書では、到達時間差情報を使用した正確な無線周波数位置特定のためのシステムおよび方法を開示する。一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを各々が有する第１、第２、および第３の無線ノードを含む。システムはまた、未知の位置と、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１、第２、および第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機および受信機とを備えた無線デバイスとを有する第４の無線ノードを含む。第１の無線ノードは、第２、第３、および第４の無線ノードに通信を送信し、第４の無線ノードから確認応答パケットとの通信を受信し、第１と第２の無線ノード間および第１と第３の無線ノード間の到達時間差情報を特定する。

一例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、マルチラテレーションアルゴリズム用の命令を実行して、到達時間差情報を使用して第４の無線ノードの位置を特定するように構成される。

無線センサネットワークの様々なアプリケーションでは、ネットワーク内のセンサノードの位置を特定することが望ましい場合がある。例えば、そのような情報は、セキュリティカメラ、運動センサ、温度センサ、および当業者には明らかな他のそのようなセンサなどのセンサの相対位置を推定するために使用され得る。そして、この情報を使用して、温度のマップ、運動経路、マルチビュー画像キャプチャなどの拡張情報を生成できる。したがって、特に屋内環境において、無線ネットワーク内のノードの正確で、低電力で、コンテキストを意識した位置特定を可能にする位置特定システムおよび方法が望まれる。この目的のために、屋内環境には、同様の問題（例えば、近くの壁の存在など）が存在する可能性のある建物やその他の構造物の周辺地域など、屋内に近い環境も含まれると想定される。

無線センサネットワークは、家、アパート、オフィス、商業ビルを含む屋内環境、および駐車場、歩道、庭園などの近くの外部の位置で使用するために説明されている。無線センサネットワークはまた、電源を備えたあらゆるタイプの建物、構造物、エンクロージャ、乗り物、ボートなどでも使用できる。センサシステムは、長い通信距離を維持しながら、センサノードの良好な電池寿命を提供する。

本発明の実施形態は、屋内環境内における位置検出のためのシステム、装置、および方法を提供する。参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年８月１９日に出願された米国特許出願第１４／８３０，６６８号は、ＲＦベースの位置特定の技術を開示する。具体的には、システム、装置、および方法は、位置特定が必要な場合の経路長推定のための周期的なメッシュベースの構成との通信にツリーネットワーク構造を主に使用する無線センサネットワーク内で位置特定を実行する。無線センサネットワークは、位置特定の精度を向上させると同時に、位置特定に高周波を使用し、通信により低い周波数を使用することで、屋内通信の良好な質を提供する。

ツリー状の無線センサネットワークは、無線信号受信機能に関連する電力要件の低減により、多くのアプリケーションにとって魅力的である。例示的なツリー状のネットワークアーキテクチャは、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４５号、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４７号、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４８号、および２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０５０号に記載されており、これらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。

よく使用される別の種類の無線ネットワークは、メッシュネットワークである。このネットワークでは、１つ以上のネイバー間で通信が行われ、その後、マルチホップアーキテクチャを使用してネットワークに沿って情報が渡される。これは、情報がより短い距離で送信されるため、送信電力要件を低減するために使用できる。一方、マルチホップ通信方式を有効にするには受信無線機を頻繁にオンにする必要があるため、受信無線機の電力要件が増加する可能性がある。

図１Ａは、一実施形態に係る無線ノードの例示的なシステムを示す。この例示的なシステム１００は、無線ノード１１０～１１６を含む。ノードは、通信１２０－１３０と双方向に通信する（例えば、ノード識別情報、センサデータ、ノードステータス情報、同期情報、位置特定情報、無線センサネットワークに関するその他の情報、飛行時間（ＴＯＦ）通信など）。飛行時間測定の使用に基づいて、ノードの個々のペア間の経路長を推定できる。例えば、ノード１１０と１１１の間の個々の飛行時間の測定は、ノード１１０からノード１１１へ既知の時間に信号を送信することにより達成され得る。ノード１１１は、信号を受信し、通信１２０の信号の受信のタイムスタンプを記録し、そして例えば、リターン信号の送信のタイムスタンプと共に、リターン信号をＡに送り返すことができる。ノード１１０は信号を受信し、受信のタイムスタンプを記録する。これらの２つの送信および受信のタイムスタンプに基づいて、ノード１１０と１１１間の平均飛行時間を推定できる。このプロセスを複数回、複数の周波数で繰り返して、精度を改善し、特定の周波数での劣悪なチャネル品質による劣化を排除または低減できる。一連の経路長は、様々なノードペアに対してこのプロセスを繰り返すことで推定できる。例えば、図１では、経路長は、ＴＯＦ １５０～１６０である。次に、幾何モデルを使用して、三角測量のようなプロセスに基づいて個々のノードの相対位置を推定できる。

この三角測量プロセスは、ノードとハブ間の経路長のみを測定できるため、ツリー状のネットワークでは実行できない。そのため、これによって、ツリーネットワークの位置特定機能が制限される。位置特定を可能にしながらツリーネットワークのエネルギーの利点を維持するために、本発明の一実施形態では、通信のためのツリーネットワークは、位置特定のためのメッシュ状ネットワーク機能と組み合わされる。メッシュ状のネットワーク機能で位置特定が完了すると、ネットワークはツリー状の通信に戻り、ノードとハブ間の飛行時間のみが定期的に測定される。これらの飛行時間が比較的一定に保たれていれば、ネットワークはノードが移動せず、メッシュベースの位置特定を再実行しようとしているエネルギーを無駄にしないと推測する。一方、ツリーネットワークで経路長の変化が検出されると、ネットワークはメッシュベースのシステムに切り替わり、ネットワーク内の各ノードの位置を特定するために再度三角測量を行う。

別の一例では、複数のノードの到達時間差情報を使用して、未知の位置を有する無線ノードの位置を特定するために、マルチラテレーションアルゴリズムが実行される。

図１Ｂは、一実施形態に従って通信するための複数のハブを有する無線ノードの例示的なシステムを示す。システム７００は、無線制御デバイス７１１を有する中央ハブ７１０、無線制御デバイス７２１を有するハブ７２０、無線制御デバイス７８３を有するハブ７８２、および無線制御デバイスｎを有するハブｎを含む追加のハブを含む。図示されていない追加のハブは、中央ハブ７１０、他のハブと通信することができるか、または追加の中央ハブとすることができる。各ハブは、他のハブおよび１つ以上のセンサノードと双方向に通信する。ハブはまた、デバイス７８０（クライアントデバイス、モバイルデバイス、タブレットデバイス、コンピューティングデバイス、スマート機器、スマートテレビなど）を含む他のデバイスと双方向に通信するように設計されている。

センサノード７３０、７４０、７５０、７６０、７７０、７８８、７９２、ｎ、およびｎ＋１（または終端ノード）はそれぞれ、無線デバイス７３１、７４１、７５１、７６１、７７１、７８９、７９３、７５８、および７５３を含む。センサノードは、上位レベルのハブまたはノードとのアップストリーム通信のみがあり、別のハブまたはノードとのダウンストリーム通信がない場合、終端ノードである。各無線デバイスには、ハブまたは他のセンサノードとの双方向通信を可能にするための送信機と受信機（またはトランシーバ）を備えたＲＦ回路が含まれる。

一実施形態では、中央ハブ７１０は、ハブ７２０、７８２、ハブｎ、デバイス７８０、およびノード７６０および７７０と通信する。これらの通信には、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の通信７２２、７２４、７７４、７７２、７６４、７６２、７８１、７８４、７８６、７１４、および７１２が含まれる。無線制御デバイス７１１を有する中央ハブは、ノードのグループおよび各グループに対して保証された時間信号を割り当てることを含む無線非対称ネットワークアーキテクチャを制御および監視するために、他のハブに通信を送信し、他のハブから通信を受信するように構成される。

ハブ７２０は、中央ハブ７１０と通信し、センサノード７３０、７４０、および７５０とも通信する。これらのセンサノードとの通信には、通信７３２、７３４、７４２、７４４、７５２、および７５４が含まれる。例えば、ハブ７２０の観点から、通信７３２はハブによって受信され、通信７３４はセンサノードに送信される。センサノード７３０の観点から、通信７３２はハブ７２０に送信され、通信７３４はハブから受信される。

一実施形態では、中央ハブ（または他のハブ）は、ノード７６０および７７０をグループ７１６に、ノード７３０、７４０、および７５０をグループ７１５に、ノード７８８および７９２をグループ７１７に、ノードｎおよびｎ＋１をグループｎに割り当てる。別の一例では、グループ７１６および７１５は単一のグループに結合される。

図１に示すアーキテクチャを使用することにより、長い電池寿命を必要とするノードは通信に費やされるエネルギーを最小限に抑え、ツリー階層内のより高いレベルのノードは利用可能なエネルギー源を使用して実装されるか、またはその代わりにより高容量を提供するか、またはより電池寿命の短い電池を使用可能である。電池で動作する終端ノードでの長い電池寿命の達成を促進するために、それらのノードとそれらの上位レベルの相当物（以下、最下位レベルハブと呼ぶ）間の通信は、最下位レベルのハブと終端ノードとの間で最小限の送受信トラフィックが発生するように確立され得る。

一実施形態では、ノードは、ほとんどの時間（例えば、時間の９０％超、時間の９５％超、時間の約９８％または９９％超）を低エネルギーの非通信状態で費やす。ノードが起動して通信状態に入ると、ノードはデータを最低レベルのハブに送信するように動作可能になる。このデータには、ノード識別情報、センサデータ、ノードステータス情報、同期情報、位置特定情報、および無線センサネットワークに関するその他のそのような情報が含まれる。

ＲＦに基づいて２つのオブジェクト間の距離を特定するには、測距測定を実行する（つまり、ＲＦ通信を使用してオブジェクトのペア間の距離を推定する）。これを実現するために、１つのデバイスから別のデバイスにＲＦ信号が送信される。米国特許出願第１５／１７３，５３１号の図３～図８Ｃは、飛行時間測定システムの実施形態を示す。

飛行時間測定は、ネットワーク内の動作のタイミングに本質的に敏感であるため、測定を実行するデバイスのクロッキングが重要である。一実施形態では、未知の位置にあるノードは、共有クロックなしでＴＤｏＡを介して見つけることができる。受信ノードは、既知のノード間の追加のトランザクションを用いて同期される。なお、既知のノードの位置は、米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているような位置特定を使用して特定できる。

図２Ａは、一実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。システム２００は、１つのマスターノード２１０（Ｍ２１０）、１つの未知の位置（Ｎ２４０）にあるノード２４０、および探知ノード（例えば、Ｓ２２０、２３０など）を有するように構成される。マスターノード２１０はまず、各探知ノードに対して（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているような）ＲＴＴおよび部分距離による２方向の飛行時間を実行する。例えば、図２Ｂは、一実施形態に係る飛行時間推定値に使用される非同期システムを示す。デバイス８１０は、最初に、パケットを有するＲＦ信号８１２を時刻Ｔ１にデバイス８２０に送信する。パケットは、時刻Ｔ２にデバイス８２０に到達し、デバイス８２０のパケット検出アルゴリズムをトリガーして、この時刻を登録する。次に、デバイス８２０は、時刻Ｔ３にパケットを有する信号８２２を送り返し、これは、時刻Ｔ４にデバイス８１０に到達し、時刻を登録して波形を処理するためにデバイス８１０をトリガーする。完全同期システムの場合とは異なり、Ｔ１とＴ４はデバイス８１０に記録された時刻であるため、その基準クロックを基準としていることに注意されたい。Ｔ２およびＴ３は、デバイス８２０の時間基準に基づいて記録される。粗い時間推定は次のように行われる。

２ｘＴｏＦ＝（Ｔ４－Ｔ１）－（Ｔ３－Ｔ２）
Ｔ４とＴ１は同じクロックでサンプリングされるため、Ｔ４とＴ１の間に任意の位相はない。したがって、Ｔ４－Ｔ１は時間的に正確であり、同じ原則がＴ３－Ｔ２にも適用される。したがって、この測定は、このシステムの非同期性に起因する２つのデバイス間の位相ウォークの影響を受けない。前の実施形態と同様に、この測定は、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３／Ｔ４のサンプリングクロック周期の分解能によって制限される。この精度を向上させるために、両方のデバイスで周波数応答測定を実行できる。デバイス８２０は、デバイス８１０からのパケットを使用してチャネル応答を測定し、デバイス８１０は、デバイス８２０からのパケットを使用してチャネル応答を測定する。２つのデバイスは同期していないため、２つのクロック間の位相には不確実性があり、ここではＴ_{オフセット}として注釈が付けられている。クロックのこの位相オフセットは、各側のチャネル応答測定の余分な位相として現れるが、両側からのチャネル応答を乗算することで除去できる。チャネル応答が以前と同じであると仮定すると、デバイス８２０からの測定値は、以下のようになる。

Ｈ_８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ^{－ｊ２πｆＴオフセット}
デバイス８１０からの測定値は、以下のようになる。Ｈ_８１０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ^{＋ｊ２πｆＴオフセット}
したがって、結合されたチャネル応答は、
Ｈ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）^２＝（ΣＡ_ｋｅ^{－ｊ２πｆΔＴｋ}）^２
これにより、２つのクロック間の位相差が相殺される。前の実施形態と同様に、例えば、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣなどのアルゴリズムを使用して、２ｍｉｎ｛ΔＴ_ｋ｝を生成するＨ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）からの遅延を推定することができ、距離測定は、
距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）｝／２］×Ｃで与えらえる。

あるいはまた、Ｔ_{オフセット}は以下から推定され得る。Ｈ_８１０（ｆ）／Ｈ_８２０（ｆ）＝ｅ^{＋２ｊ２πｆＴオフセット}
Ｔ_{オフセット}は、分割されたチャネル応答の位相勾配の半分である。どちらの方向のチャネル応答も、計算されたオフセットによって修正できる。距離推定値は、次のように計算できる。

距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８１０（ｆ）｝－Ｔ_{オフセット}］×Ｃ
または
距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８２０（ｆ）｝＋Ｔ_{オフセット}］×Ｃ
この方法には、乗算法よりも利点がある。Ｈ（ｆ）^２チャネル応答には、各経路の振幅と距離の２倍の項と、２経路並べ替えごとのクロス項が含まれる。これは、Ａ_８１０ ^２ｅ^{ｊ２πｆ２ΔＴ１}、Ａ_８２０ ^２ｅ^{ｊ２πｆ２ΔＴ２}、およびＡ_８１０Ａ_８２０ｅ^{ｊ２πｆ（ΔＴ１＋ΔＴ２）}の２経路の場合である。精密な推定方法は、単方向チャネル応答Ｈ（ｆ）に適用した場合、区別する経路が少なくなり、ダイナミックレンジが低くなるため、ノイズに対してより効果的で堅牢になります。

前述のショートパス除去アルゴリズムは、上記で開示したような非同期システムでも使用できる。

上で示したように、非同期システムでは、２つのデバイスからの情報を計算のために組み合わせる必要がある。それを行うために、一実施形態では、デバイスのうちの１つは、前述の同じＲＦ信号（例えば、８１２、８２２、１０２２、１０２３）を使用するか、または２方向ＴｏＦ測定システム１０００の一実施形態の図２Ｃに示されるように、独立したＲＦ信号経路１０２４を使用して、情報を他デバイスに送信できる。

図３は、一実施形態に係るシステム２００の通信のタイミング図を示す。Ｎ２４０は、マスターノード２１０からの通信２１２（例えば、ユニキャストパケット）に応答して、パケット２４１～２４３（例えば、確認応答パケット）として受信される通信（例えば、送信されたパケット）を送信するように構成される。このシステムは、マスターノードをアクセスポイント（ＡＰ）として利用し、未知のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）をそれに関連付けるか、または他の手段によってセットアップされる。探知ノード２２０および２３０は、マスターノードまたはＮ２４０によって送信されたパケットを受信するように構成される。マスターノードは、時刻Ｔ_１でＮ２４０に通信２１２（例えば、転送パケット）を送信する。Ｎ２４０は、時刻Ｔ_２でこの通信２１２を受信する。各探知ノードは、受信した通信の検出タイムスタンプとチャネル検知情報（ＣＳＩ）を記録する（例えば、ノード２２０は時刻Ｔ_３に転送パケット２０２を受信し、ノード２３０は時刻Ｔ_４に転送パケット２０４を受信する）。パケット２０２、２０４、および２１２は、Ｍ２１０からの同じ通信から発信される。未知のノードＮ２４０は、通信２１２の受信に応答して、パケット２４１～２４３として受信される通信（例えば、時刻Ｔ_５における確認応答パケット）を送信する。探知ノードとマスターノードはすべて、受信した通信２４１～２４３（例えば、時刻Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８で受信した確認応答パケット）のタイムスタンプとＣＳＩを記録する。

次に、マスターから探知のＴｏＦと、マスターノードおよび探知ノードでのタイムスタンプおよびＣＳＩ情報とを組み合わせて、ノード２４０の位置を特定できる。マスターノードと各探知ノードとの間のＴ_ＤｏＡは、以下の式１に従って計算される。次に、これらのＴＤｏＡ値を標準のＴＤｏＡマルチラテレーションアルゴリズムで使用して、Ｎ２４０の位置を特定できる。

各探知ノードとマスターノードとの間のＴＤｏＡは、次のように特定される。理想的な場合、ＴＤｏＡは、マスターノードがノード２４０から確認応答パケットを受信する第１の時刻Ｔ_６と、探知ノードがノード２４０から確認応答パケットを受信する第２の時刻Ｔ_７の間の単なるデルタである。

ただし、マスターノードと探知ノードには、相互に位相オフセットと周波数オフセットだけでなくカウンタオフセットを有する独立したクロック基準がある。これを解決するために、一例では、マスターノードでの通信２１２のパケット送信時間（例えば、時刻Ｔ_１での転送パケット２１２）が、マスターノードと探知ノードの両方の時間基準として使用される。

式１
Ｔ_{ＤｏＡ Ｍ２１０－Ｓ２２０}＝Ｔ_６－Ｔ_７
＝（Ｔ_６－Ｔ_１）－（Ｔ_７－Ｔ_１）
＝（Ｔ_６－Ｔ_１）－（Ｔ_７－（Ｔ_３－Ｔ_{ｏＦ Ｍ２１０－Ｓ２２０）}
＝（ＲＴＴ_{Ｍ２１０－Ｎ２４０ サンプリング}＋Ｔ_{ｆｒａｃ Ｍ２１０－Ｎ２４０}）－（Ｔ_{Ｓ２２０ Ａｃｋ Ｒｘ サンプリング}＋Ｔ_{Ｓ２２０ Ａｃｋ Ｒｘ ｆｒａｃ}－（Ｔ_{Ｓ２２０ ｆｏｒｗ Ｒｘ サンプリング}＋Ｔ_{Ｓ２２０ ｆｏｒｗ Ｒｘ ｆｒａｃ}－Ｔ_{ｏＦ Ｍ２１０－Ｓ２２０}））
通信２４２および２４３を受信する探知ノード（例えば、探知確認応答受信）の時刻は、通信２４２および２４３を受信するための確認応答転送受信のタイムスタンプと、マスターノードと探知ノードの間で計算された前に測定されたＴｏＦとの差を取ることにより、マスター転送パケット送信に揃えることができる。

ＴＤｏＡの時間分解能は、各パケット受信の部分サンプル推定にチャネル検知情報（ＣＳＩ）を使用することにより、サンプリングクロックのレートよりも細かくすることができる。ＣＳＩは、（単一の見通し線経路内で）位相の勾配を使用するか、またはマトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣ、またはＩＦＦＴなどの手法を使用することによって、部分サンプル推定値を計算するために使用することができる。図２および図３、および式１は、システムの一例とＴＤｏＡの計算方法を示している。式２は、基準クロックの違いから生じる遅延がどのように相殺されるかを示している。

式２
Ｔ_６ ^’＝Ｔ６＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}
Ｔ_７ ^’＝Ｔ_７＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}
Ｔ_３ ^’＝Ｔ_３＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}
Ｔ_ＤｏＡ ^’＝Ｔ_６ ^’－Ｔ_７ ^’
＝Ｔ_ＤｏＡ＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}－ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}－ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}
注：ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}－ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}＝０
＝ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}－ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}
ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}－ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＝０
Ｔ_ＤｏＡ ^’＝Ｔ_ＤｏＡ
信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するには、複数のパケットを用いてプロセスを繰り返すことができる。ＴＤｏＡはパケットごとに計算してから平均化できる。あるいはまた、結合する前にタイムスタンプおよびＣＳＩを平均することができる。ＣＳＩを平均するには、大きさと位相を独立して平均してから結合する必要がある。別の未知のノードを用いてシステムを再構成することにより、複数のノードの位置を見つけることができる。

図４は、代替実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。システム４００は、１つのマスターノード４１０（Ｍ４１０）、１つの未知の位置にある１つのノード４４０（Ｎ４４０）、および探知ノード（例えば、Ｓ４２０、Ｓ４３０など）を有するように構成される。図５は、一実施形態に係るシステム４００の通信のタイミング図を示す。未知のノードＮ４４０は、パケットトランザクションを開始できる。Ｎ４４０は、時刻Ｔ_１において、通信４４１（例えば、転送パケット４４１）をマスター（Ｍ）ノード４１０に送信する。マスターノード４１０は、時刻Ｔ_２で通信４４１を受信する。マスターノード４１０は、時刻Ｔ_５で通信４１２（例えば、確認応答パケット４１２）で応答する。探知ノード４２０および４３０は、Ｎ４４０からの時刻Ｔ_４およびＴ_３（例えば、転送パケット４４２～４４３）およびマスターノード４１０からの通信４０２および４０４（例えば、確認応答パケット４０２および４０４）で通信４４２～４４３をリッスンする。探知ノード４２０は、時刻Ｔ_３で通信４４３を受信し、時刻Ｔ_６で通信４０２を受信する。探知ノード４３０は、時刻Ｔ_４で通信４４２を受信し、時刻Ｔ_７で通信４０４を受信する。受信されたパケット４４１～４４３は、Ｎ４４０からの同じ通信から発信される。

ここで、ＴＤｏＡは、Ｎ４４０からのマスターノードおよび探知ノードへの転送パケットの到達に基づいて計算される。ここで、マスターノードからの確認応答パケットのパケット送信時間は、ノード間のタイミングを調整するために式３に従ってデルタオフセットをＴ_６－Ｔ_５－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}に等しくして使用される。

Ｔ_{ＤｏＡ Ｍ４１０－Ｓ４２０}＝Ｔ_２－Ｔ_３ ^Ｍ４１０
＝Ｔ_２－Ｔ_３－Ｍ４１０とＳ４２０のクロック間のデルタオフセット
＝（Ｔ_２－Ｔ_３）＋Ｔ_６－Ｔ_５－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}
＝（Ｔ_{２ サンプリング}＋_{Ｔ２ｆｒａｃ－}Ｔ_{３サンプリング}－Ｔ_{３ ｆｒａｃ}）＋Ｔ_{６ サンプリング}＋Ｔ_{６ ｆｒａｃ}－Ｔ_{５ サンプリング}－Ｔ_{５ ｆｒａｃ}－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}
図６は、一実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定値を特定する方法を示す。方法６００の動作は、処理回路または処理ロジックを含む、無線デバイス、ハブの無線制御デバイス（例えば、装置）、またはシステムによって実行され得る。処理ロジックには、ハードウェア（回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステムまたは専用マシンまたはデバイス上で実行されるものなど）、または両方の組み合わせが含まれ得る。一実施形態では、ハブは方法６００の動作を実行する。

無線ネットワークアーキテクチャの初期化時に、動作６０１では、システムの処理ロジックは、第１のノード（例えば、マスターノード）、第２および第３の無線ノード（例えば、探知ノード）、および不明な位置にある第４のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）を有するように構成される。第１のノード（例えば、マスターノード）は、動作６０２で、第２および第３のノード（例えば、探知ノード）の（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されるような）ＲＴＴおよび部分距離を使用して、２方向の飛行時間を実行する。

動作６０４では、第１のノードは、第１の時刻に、第２、第３、および第４のノードへ転送パケットとの通信を送信する。動作６０６では、第４のノードは、第２の時刻に、この通信を受信する。動作６０８では、第２および第３のノードはそれぞれ、第３および第４の時刻に、これらの通信を受信する。動作６１０では、第４のノードは、第１のノードからの通信（例えば、転送パケット）に応じて、第５の時刻に、第１、第２、および第３のノードに確認応答パケットを伴う通信を送信するように構成される。一例では、このシステムは、マスターノードをアクセスポイント（ＡＰ）として利用し、未知の第４のノードがそれに関連付けられているか、または他の手段によってセットアップされる。探知ノードは、マスターノードまたは未知の第４のノードによって送信されたパケットを受信するように構成される。各探知ノードは、受信した通信の検出タイムスタンプおよびチャネル検知情報（ＣＳＩ）を記録する。探知ノードおよびマスターノードはすべて、動作６１２で、受信した通信（例えば、第６、第７、第８の時刻で受信した確認応答パケット）のタイムスタンプおよびＣＳＩを記録する。

次に、マスターから探知のＴｏＦ、およびマスターノードおよび探知ノードのタイムスタンプおよびＣＳＩ情報を組み合わせて、動作６１４で未知の第４のノードの位置を特定することができる。マスターノードと各探知ノード間のＴ_ＤｏＡは、式１に従って計算される。次に、これらのＴＤｏＡ値を標準のＴＤｏＡマルチラテレーションアルゴリズムで使用して、Ｎ２４０の位置を特定できる。

一例では、本明細書で説明するＴＤｏＡアルゴリズムを使用して、未知の位置にある第４のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチ、ロボットなど）を見つける。したがって、第４のノードのユーザーは、ノードを検索する必要なしにこのノードを見つけることができる。

本明細書で説明するハブとノード間の通信は、無線周波数を使用した直接無線通信、家、アパート、商業ビルなどの中での電気配線に信号を変調することで達成される電力線通信、８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｎ、８０２．１１ａｃなどの標準ＷｉＦｉ通信プロトコルおよび当業者には明らかな他のそのようなＷｉｆｉ通信プロトコルを使用したＷｉＦｉ通信、ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、３Ｇ、ＨＳＰＤＡ、ＬＴＥなどのセルラー通信および当業者には明らかな他のセルラー通信プロトコル、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信、Ｚｉｇｂｅｅなどの周知の無線センサネットワークプロトコルを使用した通信、および当業者には明らかな他の有線ベースまたは無線通信スキームを含むが、これらに限定されない様々な手段を使用して達成できる。

端末ノードとハブ間の無線周波数通信の実装は、狭帯域、チャネル重複、チャネルステッピング、マルチチャネル広帯域、およびウルトラワイドバンド通信を含む多様な方法で実装できる。

ハブは、本発明の実施形態に係る多くの方法で物理的に実装されてもよい。図７Ａは、一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイ１５００として実装されるハブの例示的な一実施形態を示す。オーバーレイ１５００（例えば、フェースプレート）は、ハブ１５１０と、ハブをコンセント１５０２に結合する接続１５１２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を含む。代替的に（または追加的に）、ハブはコンセント１５０４に結合される。オーバーレイ１５００は、安全性および美観を目的として、コンセント１５０２および１５０４を覆うかまたは囲む。

図７Ｂは、一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイとして実装されるハブ１５２０のブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。ハブ１５２０は、周期的に方向を反転させる交流（ＡＣ）を一方向のみに流れる直流（ＤＣ）に変換する電源整流器１５３０を含む。電源整流器１５３０は、接続１５１２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコンセント１５０２からＡＣを受け取り、ＡＣをＤＣに変換して、接続１５３２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１５４０に電力を供給し、接続１５３４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１５５０に電力を供給する。コントローラ回路１５４０は、メモリ１５４２を含むか、または、本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークの位置特定を形成、監視、および実行するためのハブの動作を制御するためのコントローラ回路１５４０の処理ロジック１５４４（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１５５０は、（１または複数の）アンテナ１５５２を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバまたは別個の送信機１５５４および受信機１５５６機能を含むことができる。ＲＦ回路１５５０は、接続１５３４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１５４０と双方向に通信する。ハブ１５２０は、無線制御デバイス１５２０とすることができるか、またはコントローラ回路１５４０、ＲＦ回路１５５０、および（１または複数の）アンテナ１５５２の組み合わせは、本明細書で説明されるような無線制御デバイスを形成することができる。

図８Ａは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブの例示的な一実施形態を示す。カード１６６２は、矢印１６６３で示されるように、システム１６６０（例えば、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ）に挿入することができる。

図８Ｂは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブ１６６４のブロック図の例示的な一実施形態を示す。ハブ１６６４は、接続１６７４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６６８に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給し、接続１６７６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１６７０に電力を供給する電源１６６６を含む。コントローラ回路１６６８は、メモリ１６６１を含むか、または本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークの位置特定を形成、監視、および実行するためのハブの動作を制御するためのコントローラ回路１６６８の処理ロジック１６６３（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１６７０は、（１または複数の）アンテナ１６７８を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバまたは別個の送信機１６７５および受信機１６７７機能を含むことができる。ＲＦ回路１６７０は、接続１６７２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６６８と双方向に通信する。ハブ１６６４は、無線制御デバイス１６６４とすることができるか、またはコントローラ回路１６６８、ＲＦ回路１６７０、および（１または複数の）アンテナ１６７８は組み合わせて、本明細書で説明されるような無線制御装置を形成することができる。

図８Ｃは、一実施形態に係る機器（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート機器など）内に実装されたハブの例示的な一実施形態を示す。機器１６８０（例えば、スマート洗濯機）は、ハブ１６８２を含む。

図８Ｄは、一実施形態に係る、機器（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート機器など）内に実装されるハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。ハブは、接続１６９６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６９０に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給し、接続１６９８（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１６９２に電力を供給する電源１６８６を含む。コントローラ回路１６９０は、メモリ１６９１を含むか、または本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークの位置特定を形成、監視、および実行するためのハブの動作を制御するためのコントローラ回路１６９０の処理ロジック１６８８（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１６９２は、（１または複数の）アンテナ１６９９を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバまたは別個の送信機１６９４および受信機１６９５機能を含むことができる。ＲＦ回路１６９２は、接続１６８９（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６９０と双方向に通信する。ハブ１６８４は、無線制御装置１６８４とすることができるか、またはコントローラ回路１６９０、ＲＦ回路１６９２、および（１または複数の）アンテナ１６９９を組み合わせて、本明細書で説明されるような無線制御デバイスを形成することができる。

一実施形態では、無線非対称ネットワークアーキテクチャを提供するための装置（例えば、ハブ）は、命令を格納するメモリと、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内で通信を確立および制御するための命令を実行するハブの処理ロジック（例えば、１つ以上の処理ユニット、処理ロジック１５４４、処理ロジック１６６３、処理ロジック１６８８、処理ロジック１７６３、処理ロジック１８８８）と、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための複数のアンテナ（例えば、（１または複数の）アンテナ１５５２、（１または複数の）アンテナ１６７８、（１または複数の）アンテナ１６９９、アンテナ１３１１、１３１２、１３１３など）を含む無線周波数（ＲＦ）回路（例えば、ＲＦ回路１５５０、ＲＦ回路１６７０、ＲＦ回路１６９２、ＲＦ回路１８９０）とを含む。ＲＦ回路と複数のアンテナは、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にする送信機と受信機（またはトランシーバの送信機と受信機の機能）を備えた無線デバイスをそれぞれ有する複数のセンサノード（例えば、ノード１、ノード２）に通信を送信する。

一例では、命令を格納するためのメモリは、無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のセンサノードを制御し、複数のセンサノードと、各々が送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する複数のセンサノードとの間で通信を送受信するための無線周波数（ＲＦ）回路との位置を特定して、無線ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にするための命令を実行する１つ以上の処理ユニットを含む。装置の１つ以上の処理ユニットは、第１、第２、および第３の無線ノードに通信を送信し、未知の位置を有する第３のノードから確認応答パケットとの通信を受信し、装置と第１の無線ノードとの間および装置と第２の無線ノードとの間の到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

一例では、装置は主電源によって電力を供給され、複数のセンサノードはそれぞれ電池源によって電力を供給されて無線ネットワークアーキテクチャを形成する。

リチウムイオン、リチウムポリマー、リン酸リチウムなどのリチウムベースの化学物質、および当業者には明らかな他のそのような化学物質を含む、様々な電池を無線センサノード内で使用できる。使用できる追加の化学物質には、ニッケル水素、標準アルカリ電池の化学物質、銀亜鉛および亜鉛空気電池の化学物質、標準炭素亜鉛電池の化学物質、鉛酸電池の化学物質、または当業者に明らかであるような他の化学物質が含まれる。

本発明はまた、本明細書に記載の動作を実行するための装置に関する。この装置は、必要な目的のために特別に構築されてもよいし、またはコンピュータ内に保存されたコンピュータプログラムによって選択的に起動または再構成される汎用コンピュータを備えてもよい。そのようなコンピュータプログラムは、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、および光磁気ディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、または電子命令の保存に適したあらゆるタイプの媒体を含む任意のタイプのディスクなどが挙げられるが、それらに限定されないコンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよい。

本明細書で提示されるアルゴリズムおよびディスプレイは、特定のコンピュータまたは他の装置に本質的に関連するものではない。本明細書の教示に従って、様々な汎用システムをプログラムと共に使用することができるか、または必要な方法操作を実行するためにより特化した装置を構築することが便利であることが判明する場合がある。

図１５は、一実施形態に係るセンサノードのブロック図を示す。センサノード１７００は、接続１７７４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１７２０に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給する電源１７１０（例えば、エネルギー源、電池源、一次セル、充電式セルなど）を含み、接続１７７６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１７７０に電力を供給し、接続１７４６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介して検知回路１７４０に電力を供給する。コントローラ回路１７２０は、メモリ１７６１を含むか、または本明細書で説明されているような無線非対称ネットワークを形成および監視するためのセンサノードの動作を制御するためのコントローラ回路１７２０の処理ロジック１７６３（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１７７０（例えば、通信回路）は、（１または複数の）ハブおよびオプションの無線センサノードとの（１または複数の）アンテナ１７７８を介した双方向通信を送受信するためのトランシーバまたは別個の送信機１７７５および受信機１７７７機能を含むことができる。ＲＦ回路１７７０は、接続１７７２（例えば、電気接続）を介してコントローラ回路１７２０と双方向に通信する。検知回路１７４０は、（１または複数の）画像センサと回路１７４２、（１または複数の）水分センサと回路１７４３、（１または複数の）温度センサと回路、（１または複数の）湿度センサと回路、（１または複数の）空気質センサと回路、（１または複数の）光センサと回路、（１または複数の）運動センサと回路１７４４、（１または複数の）音声センサと回路１７４５、（１または複数の）磁気センサと回路１７４６、および（１または複数の）センサと回路ｎなどを含む様々なタイプの検知回路および（１または複数の）センサを含む。

本明細書で開示される無線位置特定技術は、他の感知された情報と組み合わされて、ネットワーク全体の位置特定精度を改善し得る。例えば、１つ以上のノードにカメラが含まれる無線センサでは、キャプチャされた画像を画像処理および機械学習の手法で使用して、監視されているセンサノードが同じシーンを見ているかどうか、したがって同じ部屋にある可能性があるかどうかを判定できる。周期的な照明と光検出器を使用することで、同様の利点を実現できる。照明をストロボし、光検出器を使用して検出することにより、光路の存在を検出でき、ストロボと検出器の間に不透明な壁がないことを示す可能性がある。他の実施形態では、磁気センサをセンサノードに統合し、監視されているセンサノードの向きを検出するためのコンパスとして使用することができる。次に、この情報を位置特定情報と共に使用して、センサが壁、床、天井、またはその他の位置にあるかどうかを判定できる。

一例では、各センサノードは画像センサを含むことができ、家の各周囲壁は１つ以上のセンサノードを含む。ハブは、位置特定情報と共に画像データおよび任意で方向データを含むセンサデータを分析して、各センサノードの絶対位置を特定する。次に、ハブは、ユーザーの建物の各部屋の３次元画像を構築できる。壁、窓、ドアなどの位置を有するフロアプランを生成できる。イメージセンサは、家の保全性の問題（例えば、水、屋根の漏れなど）を示し得る反射の変化を示す画像をキャプチャする場合がある。

図１０は、一実施形態に係るハブを有するシステム１８００のブロック図を示す。システム１８００は、無線非対称ネットワークアーキテクチャのハブ１８８２または中央ハブを含むか、またはそれと統合される。システム１８００（例えば、コンピューティングデバイス、スマートＴＶ、スマート機器、通信システムなど）は、あらゆるタイプの無線デバイス（例えば、携帯電話、無線電話、タブレット、コンピューティングデバイス、スマートＴＶ、スマート機器など）と無線通信の送受信用に通信することができる。システム１８００は、コントローラ１８２０および処理ユニット１８１４を含む処理システム１８１０を含む。処理システム１８１０は、ハブ１８８２、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１８３０、無線周波数（ＲＦ）回路１８７０、オーディオ回路１８６０、１つ以上の画像またはビデオをキャプチャするための光学デバイス１８８０、システム１８００用の運動データ（例えば、三次元の）を特定するためのオプションの運動ユニット１８４４（例えば、加速度計、ジャイロスコープなど）、電力管理システム１８４０、および機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０と、１つ以上の双方向通信リンクまたは信号線１８９８、１８１８、１８１５、１８１６、１８１７、１８１３、１８１９、１８１１を介してそれぞれ通信する。

ハブ１８８２は、接続１８８５（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１８８４に電力（例えば、ＤＣ電源）を提供し、ＲＦ回路１８９０に接続１８８７（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介して電力を提供する電源１８９１を含む。コントローラ回路１８８４は、メモリ１８８６を含むか、または本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークを形成および監視するためのハブの動作を制御するためのコントローラ回路１８８４の処理ロジック１８８８（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１８９０は、無線センサノードまたは他のハブとの（１または複数の）アンテナ１８９６を介した双方向通信を送受信するためのトランシーバまたは別個の送信機（ＴＸ）１８９２および受信機（ＲＸ）１８９４機能を含み得る。ＲＦ回路１８９０は、接続１８８９（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１８８４と双方向に通信する。ハブ１８８２は、無線制御デバイス１８８４またはコントローラ回路１８８４、ＲＦ回路１８９０、および（１または複数の）アンテナ１８９６とすることができ、組み合わせて、本明細書で説明するような無線制御デバイスを形成することができる。

システムのＲＦ回路１８７０および（１または複数の）アンテナ１８７１またはハブ１８８２のＲＦ回路１８９０および（１または複数の）アンテナ１８９６は、無線リンクまたはネットワークを介して本明細書で説明するハブまたはセンサノードの１つ以上の他の無線デバイスに情報を送受信するために使用される。オーディオ回路１８６０は、オーディオスピーカー１８６２およびマイクロフォン１０６４に結合され、音声信号を処理するための既知の回路を含む。１つ以上の処理ユニット１８１４は、コントローラ１８２０を介して１つ以上の機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０（例えば、コンピュータ可読媒体）と通信する。媒体１８５０は、１つ以上の処理ユニット１８１４によって使用されるコードおよび／またはデータを格納できる任意のデバイスまたは媒体（例えば、記憶装置、記憶媒体）とすることができる。媒体１８５０には、キャッシュ、メインメモリ、および２次メモリを含むがこれらに限定されないメモリ階層を含めることができる。

媒体１８５０またはメモリ１８８６は、本明細書で説明される方法論または機能のいずれか１つ以上を実施する１つ以上の命令セット（またはソフトウェア）を格納する。ソフトウェアは、オペレーティングシステム１８５２と、無線非対称ネットワークアーキテクチャを確立、監視、および制御するためのネットワークサービスソフトウェア１８５６と、通信モジュール１８５４と、アプリケーション１８５８（例えば、家または建物のセキュリティアプリケーション、家または建物の完全性アプリケーション、開発者アプリケーション等）とを含み得る。ソフトウェアはまた、デバイス１８００によるその実行中に、媒体１８５０、メモリ１８８６、処理ロジック１８８８内、または処理ユニット１８１４内に、完全にまたは少なくとも部分的に存在してもよい。図１８に示すコンポーネントは、１つ以上の信号処理および／または特定用途向け集積回路を含む、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせ内に実装されてもよい。

通信モジュール１８５４は、他のデバイスとの通信を可能にする。Ｉ／Ｏユニット１８３０は、異なるタイプの入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス１８３４（例えば、ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、陰極線管（ＣＲＴ）、ユーザー入力を受信して出力を表示するためのタッチディスプレイデバイスまたはタッチスクリーン、オプションの英数字入力デバイス）と通信する。

以下の例はいずれも単一の実施形態に組み合わせることができるか、またはこれらの例は別個の実施形態とすることができる。一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定用の非同期システムは、各々が無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第１および第２の無線ノードと、未知の位置と、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１および第２の無線ノードとの通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスとを有する無線ノードとを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第２の無線ノードおよび未知の位置を有する無線ノードに通信を送信し、無線ノードからの確認応答パケットとの通信を受信し、第１および第２の無線ノード間の到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

別の一例では、システムは、無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第３の無線ノードをさらに含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２の無線ノード間および第１および第３の無線ノード間の到達時間差情報を使用して、未知の位置を有する無線ノードの位置を特定するためのマルチラテレーションアルゴリズム用の命令を実行するように構成される。

別の一例では、第１の無線ノードは第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードは第２の基準クロック信号を有する。

別の一例では、未知の位置を有する無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１のノードからの転送パケットとの通信の受信に応答して、第１、第２、および第３の無線ノードに確認応答パケットを含む通信を送信する命令を実行するように構成される。

別の一例では、第２および第３の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１の無線ノードからの転送パケットおよび第４の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、受信した転送パケットおよび確認応答パケットの各々に対するタイムスタンプおよびチャネル検知情報を記録する命令を実行するように構成される。

別の一例では、第１の無線ノードからの転送パケットの送信時間が、第１、第２、および第３の無線ノードの時間基準として使用される。

別の一例では、第１および第２の無線ノード間の到達時間差情報は、第１の無線ノードが第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻、第２の無線ノードが第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻、および時間基準に基づいて特定される。

別の一例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１の時刻と時間基準との差を特定し、また第２の時刻と時間基準との差を特定する命令を実行するように構成される。

別の一例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２の無線ノード間の往復通信時間および第１および第３の無線ノード間の通信の時間推定値に基づく位置特定のための飛行時間推定値の特定に基づいて、到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

一例では、装置は、命令を保存するためのメモリと、無線ネットワークアーキテクチャ内で複数のセンサノードを制御し、複数のセンサノードの位置を特定するための命令を実行する１つ以上の処理ユニットと、送信機と受信機を備えた無線デバイスをそれぞれ有する複数のセンサノードと通信を送受信する無線周波数（ＲＦ）回路であって、無線ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にするＲＦ回路とを含む。装置の１つ以上の処理ユニットは、第１、第２、および第３の無線ノードに通信を送信し、未知の位置を有する第３のノードから確認応答パケットとの通信を受信し、装置と第１の無線ノードとの間および装置と第２の無線ノードとの間の到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

別の一例では、装置の１つ以上の処理ユニットは、到達時間差情報を使用して第３の無線ノードの位置を特定するためにマルチラテレーションアルゴリズムのための命令を実行するように構成される。

別の一例では、装置は第１の基準クロック信号を有し、第１の無線ノードは第２の基準クロック信号を有する。

別の一例では、送信された通信は、第１、第２、および第３の無線ノードに送信される転送パケットの送信時間を含み、送信時間は装置、第１の無線ノード、および第２の無線ノードのための間基準として使用される。

別の一例では、装置と第１の無線ノードとの間の到達時間差情報は、装置が第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻と、第１の無線ノードが第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻と、時間基準とに基づいて特定される。

別の一例では、装置の１つ以上の処理ユニットは、第１の時刻と時間基準との差を特定し、また第２の時刻と時間基準との差を特定するための命令を実行するように構成される。

一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定システムは、各々が無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第１、第２、および第３の無線ノードと、未知の位置と、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１、第２、および第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機および受信機とを備えた無線デバイスとを有する第４の無線ノードとを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第４のノードからの転送パケットとの通信を受信し、転送パケットに応答して第２、第３、および第４の無線ノードに通信を送信し、第１と第２の無線ノード間と、第１と第３の無線ノード間の到達時間差情報を特定するための命令を実行するように構成される。

別の一例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、マルチラテレーションアルゴリズム用の命令を実行して、到達時間差情報を使用して第４の無線ノードの位置を特定するように構成される。

別の一例では、第１の無線ノードは第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードは第２の基準クロック信号を有する。

別の一例では、第４の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、転送パケットを含む通信を第１、第２、および第３の無線ノードに送信する命令を実行するように構成される。

別の一例では、第２および第３の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第４の無線ノードからの転送パケットおよび第１の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、受信した転送パケットおよび確認応答パケットの各々に対するタイムスタンプおよびチャネル検知情報を記録する命令を実行するように構成される。

別の一例では、第１および第２の無線ノード間の到達時間差情報は、第１の無線ノードが第４の無線ノードから転送パケットを受信する第１の時刻、第２の無線ノードが第４の無線ノードから転送パケットを受信する第２の時刻、および第１および第２の基準クロック信号間の時間オフセットに基づいて特定される。

別の一例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第２の無線ノードが第１の無線ノードからの確認応答パケットを受信する第３の時刻、第１の無線ノードが第２の無線ノードに確認応答パケットを送信する第４の時刻、および第１および第２の無線ノード間の通信の飛行時間推定値に基づいて第１および第２の基準クロック信号間の時間オフセットを特定するための命令を実行するように構成される。

前述の明細書では、本発明をその特定の例示的な実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広い主旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がそれになされ得ることは明らかであろう。したがって、明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で見なされるべきである。

Claims (22)

1. 無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のノードの位置特定用の非同期システムであって、
   各々が前記無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１又はそれ以上の処理ユニット及び無線周波数回路を備えた無線デバイスを有する第１の無線ノード及び第２の無線ノードと、
   未知の位置と、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を備えた無線デバイスと、を有する無線センサノードと、
   を具備し、
   前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
   前記第２の無線ノード及び前記未知の位置を有する前記無線センサノードに第１の通信を送信し、
   前記無線センサノードからの確認応答パケットを有する第２の通信を受信し、
   前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードの各々の間における前記第２の通信の受信の到達時間差情報を決定する、
   ように構成される非同期システム。
2. 前記無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１又はそれ以上の処理ユニット及び無線周波数回路を備えた無線デバイスを有する第３の無線ノードをさらに具備し、
   前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、マルチラテレーションアルゴリズム用の命令を実行して、
   前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間、及び、前記第１の無線ノードと前記第３の無線ノードと間における到達時間差情報を使用して、前記未知の位置を有する前記無線センサノードの位置を決定する、
   ように構成される、請求項１に記載の非同期システム。
3. 前記第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、前記第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有する、請求項１に記載の非同期システム。
4. 未知の位置を有する無線センサノードの１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
   前記第１の無線ノードからの転送パケットを有する前記第１の通信を受信することに応答して、前記第１の無線ノード、前記第２の無線ノード及び前記第３の無線ノードに確認応答パケットを含む前記第２の通信を送信する、
   ように構成される、請求項２に記載の非同期システム。
5. 前記第２の無線ノード及び前記第３の無線ノードの１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
   前記第１の無線ノードからの転送パケット及び第４の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、
   前記受信した転送パケット及び確認応答パケットの各々に対するタイムスタンプ及びチャネル検知情報を記録する、
   ように構成される、請求項４に記載の非同期システム。
6. 前記第１の無線ノードから前記無線センサノードに送信される前記第１の通信の転送パケットの送信時間が、前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードの各々に対する時間基準として使用される、請求項１に記載の非同期システム。
7. 前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間における到達時間差情報は、前記第１の無線ノードが第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻と、前記第２の無線ノードが前記第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻と、前記時間基準と、に基づいて決定される、請求項６に記載の非同期システム。
8. 前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
   前記第１の時刻と前記時間基準との差を決定し、
   前記第２の時刻と前記時間基準との差を決定する、
   ように構成される、請求項７に記載の非同期システム。
9. 前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
   前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間における通信及び前記第１の無線ノードと第３の無線ノードとの間における通信の往復通信時間の時間推定値に基づく位置特定のための飛行時間推定値を決定することに基づいて、到達時間差情報を決定する、
   ように構成される、請求項７に記載の非同期システム。
10. 装置であって、
    命令を記憶するためのメモリと、
    無線ネットワークアーキテクチャ内で複数のセンサノードを制御し、該複数のセンサノードの位置を決定するための命令を実行する１又はそれ以上の処理ユニットと、
    前記複数のセンサノードに対して通信を送信しかつ該複数のセンサノードからの通信を受信する無線周波数（ＲＦ）回路であって、該複数のセンサノードの各々が、送信機及び受信機を備えた無線デバイスを有して、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の当該装置の前記無線周波数回路との双方向通信を可能にする、無線周波数回路と、
    を具備し、
    当該装置の前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
    各々が既知の位置を有する第１の無線ノード及び第２の無線ノードと、未知の位置を有する第３の無線ノードと、に対して、第１の通信を送信し、
    未知の位置を有する前記第３の無線ノードから確認応答パケットを有する第２の通信を受信し、
    当該装置と前記第１の無線ノードとの間における到達時間差情報を、当該装置及び前記第１の無線ノードの各々が前記第３の無線ノードから確認応答パケットをいつ受信するかに基づいて決定し、
    当該装置及び前記第２の無線ノードの各々の間における前記第２の通信の受信の到達時間差情報を決定する、
    ように構成され、
    当該装置から送信される前記第１の通信の送信時間が、当該装置及び前記第１の無線ノードの各々に対する時間基準として使用される、装置。
11. 当該装置の前記１又はそれ以上の処理ユニットが、マルチラテレーションアルゴリズムのための命令を実行して、前記到達時間差情報を使用して前記第３の無線ノードの位置を決定する、ように構成される、請求項１０に記載の装置。
12. 当該装置が第１の基準クロック信号を有し、前記第１の無線ノードが第２の基準クロック信号を有する、請求項１０に記載の装置。
13. 前記送信された第１の通信が、前記第１の無線ノード、前記第２の無線ノード、及び、前記第３の無線ノードに送信される転送パケットの送信時間を含み、該送信時間が、当該装置、前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードのための時間基準として使用される、請求項１０に記載の装置。
14. 当該装置と前記第１の無線ノードとの間における前記到達時間差情報は、当該装置が前記第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻と、前記第１の無線ノードが前記第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻と、前記時間基準と、に基づいて決定される、請求項１３に記載の装置。
15. 当該装置の前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
    前記第１の時刻と前記時間基準との差を決定し、
    前記第２の時刻と前記時間基準との差を決定する、
    ように構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定システムであって、
    各々が前記無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１又はそれ以上の処理ユニット及び無線周波数回路を備えた無線デバイスを有する、第１の無線ノード、第２の無線ノード及び第３の無線ノードと、
    未知の位置と、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記第１の無線ノード、前記第２の無線ノード及び前記第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を備えた無線デバイスと、を有する第４の無線ノードと、
    を具備し、
    前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
    前記第４の無線ノードからの転送パケットを有する第１の通信を受信し、
    前記転送パケットに応答して、前記第２の無線ノード、前記第３の無線ノード及び前記第４の無線ノードに、第２の通信を送信し、
    前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードの各々の間における前記第１の通信の受信の到達時間差情報を決定する、ように構成され、
    前記第１の無線ノードから送信される前記第２の通信の送信時間が、前記第１の無線ノード及び前記第２の無線ノードの各々に対する時間基準として使用される、システム。
17. 前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、マルチラテレーションアルゴリズムのための命令を実行して、到達時間差情報を使用して前記第４の無線ノードの位置を決定するする、ように構成される、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、前記第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有する、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記第４の無線ノードの１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、転送パケットを含む通信を、前記第１の無線ノード、前記第２の無線ノード及び前記第３の無線ノードに送信する、ように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第２の無線ノード及び第３の無線ノードの１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
    前記第４の無線ノードからの転送パケット及び前記第１の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、
    前記受信した転送パケット及び確認応答パケットの各々に対するタイムスタンプ及びチャネル検知情報を記録する、
    ように構成される、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間における到達時間差情報は、前記第１の無線ノードが前記第４の無線ノードから転送パケットを受信する第１の時刻と、前記第２の無線ノードが前記第４の無線ノードから転送パケットを受信する第２の時刻と、前記第１の基準クロック信号と前記第２の基準クロック信号との間の時間オフセットと、に基づいて決定される、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記第１の無線ノードの前記１又はそれ以上の処理ユニットが、命令を実行して、
    前記第２の無線ノードが前記第１の無線ノードから確認応答パケットを受信する第３の時刻と、前記第１の無線ノードが前記第２の無線ノードに確認応答パケットを送信する第４の時刻と、前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間の通信の飛行時間推定値と、に基づいて、前記第１の基準クロック信号と前記第２の基準クロック信号との間の時間オフセットを決定する、
    ように構成される、請求項２１に記載のシステム。

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