JPWO2019049623A1 - ゲート装置及びゲート装置における方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】タップレスで通過が可能な自動改札システム、また、入退システムを誤動作なく実現する。【解決手段】本開示によれば、複数の無線通信端末の位置を測位する測位部と、前記測位部による前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行う認証部と、を備える、ゲート装置が提供される。この構成により、タップレスで通過が可能な自動改札システム、また、入退システムを誤動作なく実現することが可能となる。【選択図】図31

Description

本開示はゲート装置及びゲート装置における方法に関する。
従来、例えば下記の特許文献1には、非接触式の自動改札システムに関して記載されている。
特開2001−148038号公報
上記特許文献に記載されているような自動改札システムでは、非接触式のカードを改札機にかざすと、入場が許可されたか否かが判定され、入場が許可されると改札のドアが開く仕組みになっている。
これに対し、カードをかざすことなく改札を通過できるようなタップレス改札のシステムが考えられる。しかし、このシステムでは、改札とユーザーが保持するデバイス(タグ)との通信距離を長くする必要があり、通信距離を長くした結果、通過しようとするゲートとは異なるゲート、例えば隣のゲートが開いてしまうことが想定される。
ここでタップレスとは、改札のリーダライタ部へのIC乗車券のタッチを行わないこと及び翳すという動作を行わないことをも含む。
そこで、タップレスで通過が可能な自動改札システムを誤動作なく実現することが求められていた。
本開示によれば、複数の無線通信端末の位置を測位する測位部と、前記測位部による前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行う認証部と、を備える、ゲート装置が提供される。
また、本開示によれば、複数の無線通信端末の位置を測位することと、測位した前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行うことと、を備える、ゲート装置における方法が提供される。
本開示によれば、タップレスで通過が可能な自動改札システムを誤動作なく実現することが可能となる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
改札を上方から見た状態を示す模式図である。 ゲート設置デバイスのアンテナからの放射電波範囲A10を各ゲート毎に絞る方法を示す模式図である。 改札を上方から見た状態を示す模式図である。 3つのアンカーを用いてタグの座標を求める原理を説明するための模式図である。 3つのアンカーを用いてタグの座標を求める原理を説明するための模式図である。 3つのアンカーを用いてタグの座標を求める原理を説明するための模式図である。 3つのアンカーを用いてタグの座標を求める原理を説明するための模式図である。 UWBにおけるパルス信号を用いるメリットを説明するための模式図である。 UWBにおけるパルス信号を用いるメリットを説明するための模式図である。 UWBにおけるパルス信号を用いるメリットを説明するための模式図である。 改札を上方から見た状態を示す模式図である。 高精度測位のみを用いた場合を示す模式図である。 高精度測位のみを用いた場合を示す模式図である。 認証を終え改札を通過したタグについては、一定時間コマンドに無反応とさせる例を示す模式図である。 精度の低い測位を行うシーケンスを示す模式図である。 認証意思検出位置付近にいる特定のタグに対して、アンカーよりタグIDを指定して連続24回の測距を行う様子を示す模式図である。 アンカーより各タグへタグID取得コマンドを送信し、各タグからタグIDを取得するシーケンスを示す模式図である。 各タグからタグIDを取得した後、精度の低い測位を行うシーケンスを示す模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを説明するための模式図である。 ノイズ耐性向上のための拡散符号方式を説明するための模式図である。 ノイズ耐性向上のための拡散符号方式を説明するための模式図である。 ゲート毎に制御する場合にアンカー同士のコマンドが衝突した様子を示す模式図である。 RFパケットの送信タイミングを1スロット内でランダムにずらした状態を示す模式図である。 タグID取得において、RFパケットが衝突しないようコマンド送信、レスポンス受信のタイミングをシーケンシャルにずらす例を示す模式図である。 自動改札システムの機能構成例を示すブロック図である。 アンカーとして、改札用のアンカーと駅構内の測位用のアンカー160を設けた例を示す模式図である。 コマンド送信と並行して測位計算を順次行う例を示す模式図である。 タグの状態遷移を復帰させる例を示す模式図である。 ゲートを通過してからタグの残額を差し引く例を示す模式図である。 通信機能をオン/オフする場合例を示す模式図である。 残額をサーバーで一括して管理する方式を示す模式図である。 タグID取得コマンドにアプリケーションIDを付加する例を示す模式図である。 改札の逆側にて位置検出が行われて2回残高が減算されないようにする方法を示す模式図である。 アンカーとタグが通信を行う場合に、直接波と反射波を示す模式図である。 アンカーから送信データを送信する場合に、タグで受信される直接波及び反射波を示す模式図である。 アンカーによる、アンカーとタグ間の測距値と測距誤差との関係を示す特性図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
1.背景
2.屋内高精度測位を実現する技術(UWB)に関して
2.1.測位原理の概要
2.2.タップレス改札を実現する測位技術に関して
2.3.UWB測位技術に関して
3.測位を含めた通信プロトコルに関して
3.1.概要
3.2.改札全体を測位制御する場合の通信プロトコル
3.2.1.高精度測位のみを用いる場合のプロトコル
3.2.2.精度の低い測位と高精度測位の組み合せ
3.2.3.タグIDを事前に収集する場合のプロトコル
3.2.4.認証通信に関して
3.2.5.通信性能を向上するための方法
3.2.6.改札横の窓口への対応に関して
3.3.ゲート毎に制御する場合の通信プロトコル
3.3.1.プロトコルに関して
3.3.2.RFパケット衝突への耐性
3.3.3.パケット衝突が許容される場合を想定した場合のシステム
4.自動改札システムの機能構成例
5.本実施形態の更なるバリエーションについて
5.1.改札以外への適用について
5.2.コマンド送信と並行して測位計算を行う例
5.3.タグの状態遷移を復帰させる例
5.4.ゲートを通過してからタグの残額を差し引く方法
5.5.2重の課金を防止する方策
5.6.UWBの反射波に対する対策
5.7.測距誤差に対する対策
5.8.測位精度向上のための施策
1.背景
先ず、公知の技術(Wi−Fi,Bluetooth(登録商標),RFID等)にてタップレス改札を実現する場合の問題点、および、それを解決する方法に関して説明する。タップレス改札を無線通信で実現するためには、現在、改札で使われているNFC(通信距離10cm程度)による無線技術ではなく、より遠距離まで通信距離が確保できる無線技術が必要である。
ここで、現在、一般的に使用されているWi−Fi,Bluetooth(登録商標),RFIDのような通信距離1〜10mが確保できる技術を適用すると仮定した場合について説明する。図1は、改札を上方から見た状態を示す模式図である。図1に示すように、改札には8つのゲート(Gate_1〜Gate_8)が設けられている。図1に示すように、改札を通過する人300がタップレスデバイス400を保持しており、タップレスデバイス400が各ゲートに対応して設けられたゲート設置デバイス500と通信を行い、認証に成功するとゲートが開くものとする。
その場合、図1に示すように、電波の飛び過ぎ等により通信距離が大きくなるため、通過しようとするゲートとは異なるゲートのゲート設置デバイス500とタップレスデバイス400が通信を行い、意図しないゲートが開いてしまうことが想定される。例えば、図1に示すGate_5を通過しようとしても、改札を通過しようとする人300が保有するタップレスデバイス400とGate_4に設置したゲート設置デバイス500とが通信してしまい、Gate_4が開いてしまうことが考えられる。
よって、通信距離を特定のゲートのみに対応させるため、ゲートに設置するデバイスの電波強度を調整することが解決策として考えられる。しかし、この方法では、人が保有するタグのアンテナの指向性により、また、温度、湿度等の環境変化により、意図した通信距離が変化する。このため、上記のような電波の飛び過ぎにより他のゲートが開く事態が生じるか、もしくは通信距離が短くなることによる通信不良により目的のゲートが開かないといったような事態が生じることが予想される。
本発明者らは、以上のような問題を解決する方法として、先ず、以下の2つの方法を想定した。
1.ゲートに設置するデバイスのアンテナに指向性を持たせ、放射電波範囲を特定領域に絞る。この方法は、図2に示すように、ゲート設置デバイス500のアンテナ510からの放射電波範囲A10を各ゲート毎に絞る方法である。
2.測位技術を用いてタグを保有する人がゲートを通過する意思を確認し、ゲートを通過する意思が確認できた場合に認証通信を行う。この方法は、図3に示すように、まず、測位技術を用いて人が保持するタグ200が各ゲートに対応する所定のスペース(一点鎖線で囲んだ領域A2)に入ったことを検知することで、乗客がゲートを通過する意思を確認する。その後、そのスペースに対応するゲートを開くための認証通信を行う。
以下に説明する本実施形態では、上記「2.」の方法を実現するためのシステム、通信プロトコルに関して説明する。
2.屋内高精度測位を実現する技術(UWB)に関して
以下では、測位原理の概要と、屋内高精度測位を実現する技術(UWB)に関して説明する。
2.1.測位原理の概要
先ず、図4に示すように、3つのアンカー(Anchor)100,102,104を用いてタグ(Tag)200の座標(x,y)を求める原理を説明する。なお、各アンカー100,102,104の座標(Xa,Ya),(Xb,Yb),(Xc,Yc)は既知とする。なお、アンカーは改札に設置されるデバイス(無線通信装置)であり、タグは改札を通過する人が保持するデバイス(無線通信端末)である。タグは、携帯電話やスマートフォンなどのモバイル機器であっても良い。
先ず、図5に示すように、アンカー100とタグ200に注目する。アンカー100とタグ200間で通信を行い、アンカー100からタグ200へコマンドを送り、タグ200からアンカー100へレスポンスを返信する。アンカー100のコマンド送信時刻、タグ200のコマンド受信時刻、タグ200のレスポンス送信時刻、および、アンカー100のレスポンス受信時刻をそれぞれT1,T2,T3,T4とする。ここで、コマンド、レスポンスの転送時間(T2−T1とT4−T3)に光速cを乗算し、その和を2で除算することでアンカー100とタグ200の距離L1が求められる。これは、図6に示すように、アンカー100にとって距離L1を半径とする円上にタグ200が存在することを意味する。
次に、図5で説明した計算をアンカー102,104についても行い、アンカー102とタグ200の距離L2、アンカー104とタグ200の距離L3を求める。そして、図7に示すように、アンカー102,104についても距離L2,L3を半径とする円を描くと、3つの円が重なった部分(交点)が求めるタグ200の位置となる。
以上のようにして、少なくとも3つのアンカーとタグが通信を行うことでタグの位置を検出することができる。タグと通信するアンカーの数を多くすることで、位置検出の精度を高めることができる。
2.2.タップレス改札を実現する測位技術に関して
測位を実現できる技術でもっとも代表的なものがGPSである。しかし、GPSは、屋内測位に適さない、精度がメートル単位である等々の理由で、上述したタップレス改札に適用することは困難である。
改札は屋根が存在するため、測位技術を用いてタップレス改札を実現するためには、屋内で測位ができることが必須である。また、測位の精度は数十センチメール程度が必要である。これを満たす技術としてUWB(Ultra Wide Band)が挙げられる。以下では、UWBにより高精度測位ができる理由に関して説明する。
2.3.UWB測位技術に関して
UWBとは超広帯域無線を意味するが、その特徴は1ナノ秒程度の非常に短いパルス信号を用いて測位を行うことである。パルス信号を用いるメリットを、図8、図9、図10を用いて説明する。なお、電波の伝搬時間はパルスの頂点の時間差より算出するものとする。
図8、図9は、送信波形と受信波形について、パルス幅が広い状態を示した図である。図8に示すように、理想状態としては、電波の送受信間には雑音は存在せず、送信波形と受信波形は全く同じものである。このため、送信波形と受信波形のパルスの頂点の時間差から伝搬時間を求めることができる。しかし、現実には雑音が存在するため、受信波形は、図9中に破線で示すように、送信波形とは異なるものとなる。このため、受信波形の頂点が理想状態と異なることになり、伝搬時間を正確に求めることができなくなる。ここで、距離を計算するにあたり、この伝搬時間に光速を乗算するため、1ナノ秒の伝搬時間のずれで30cmの誤差が生じてしまう。
一方、図10に示すように、パルス幅が狭い場合は、雑音環境下において伝搬時間のずれが小さくなり、高精度の測位が可能となる。UWBを使うメリットは、図10に示すような非常に短いパルス幅のパルス信号を用いることにより、雑音のある環境化でも正確な測距ができることである。
3.測位を含めた通信プロトコルに関して
以下では、タップレス改札を実現するプロトコルに関して説明する。
3.1.概要
改札全体を測位制御する場合、また、ゲート毎に測位制御する場合の2つの通信プロトコルに関して説明する。まず、アンカー(Anchor)とタグ(Tag)を定義する。アンカーはタグの測距、認証を行うためのコマンドを送信する。タグは測位、認証のために、アンカーから受けたコマンドに対してレスポンスを送信する。なお、NFCでは、アンカーはリーダ/ライタ(RW)に相当し、タグはカード、モバイル機器等に相当する。
本実施形態では、通信の物理レイヤーとしてUWBのみを用いる。つまり、測位と認証通信においては同じ周波数帯を使うものとする。RFパケットが衝突するため、測位と認証通信に関しては、周波数領域を分割して時間的に同時に通信させることはできず、時間領域上にシーケンシャルのみにしか通信できない。基本的なシーケンスとしては、測位通信→認証通信→測位通信→認証通信…といったように、測位と認証のシーケンスを繰り返す。測距の手法は、図4〜図7で説明したTime of Arrival−2way方式とする。ここで、測距に関しては、タグのコマンド受信よりレスポンス送信するまでの時間、つまりタグ内でのコマンド処理時間は固定されており、アンカーはその仕様を予め知っているものとする。つまり、コマンド、レスポンスにおいて時間情報は通信しない。
3.2.改札全体を測位制御する場合の通信プロトコル
改札全体を測位制御する場合の通信プロトコルに関して説明する。図11は、改札を上から見た状態を示す模式図である。図11では、改札の付近にいる人300がタグ200を保持している様子を示している。図11に示す改札では、8つのゲート(Gate_1〜Gate_8)が設けられており、右の6つのゲート(Gate_3〜Gate_8)は図面上で下から上へ人が通過するゲートであり、左の2つのゲート(Gate_1〜Gate_2)は図面上で上から下へ人が通過するゲートである。また、図11では、改札全体を例えば6個のアンカー110,112,114,116,118,120で対応させ、通信範囲内にある50個程度のタグ200を処理する場合を示している。なお、破線で囲んだ領域A1が通信範囲であり、かつ、一点鎖線で囲んだ領域A2が認証意思検出位置である。アンカー110,112,114,116,118,120は、認証意思検出位置である領域A2にタグが存在することを検出した後、そのタグに対してゲート開閉判断のための認証通信を行う。
3.2.1.高精度測位のみを用いる場合のプロトコル
ここでは、高精度測位(Fine測位)のみを用いた場合の通信プロトコルについて説明する。図12、図13は、高精度測位のみを用いた場合を示すシーケンス図である。ここでは、アンカー110と50個のタグ(Tag1〜50)が通信する場合について説明する。図12に示すように、先ずアンカー110より測距コマンドを送信する。その後、アンカー110は、各タイムスロットタイミングにおけるレスポンス待ちとなる。ここでは、測距コマンドに対するレスポンスのスロット数を32とする。タイムスロットを設ける理由は、タグ200からのレスポンスパケットの衝突確率を下げるためである。測距コマンドを受信した各タグは、返信するスロットのタイミングをランダムに決定し、レスポンスを自身のタグIDと共に送信する。
次に、アンカー110は、上記のコマンド−レスポンスシーケンスを複数回行う。図13に示すように、ここでは24回のコマンド−レスポンスシーケンスを行うものとする。複数回行う理由としては、測距の精度を上げるためである。例えば、24回のコマンド−レスポンスシーケンスにおける各測距値の平均値を演算することで、より精度を高めることができる。また、パケット衝突が生じても、測位を行うことができることを担保するためである。例えば、図12の1回目のシーケンスでは、Tag2とTag50のレスポンスが衝突しているが、24回のシーケンスを行うことで、衝突が生じたとしても各タグを正確に測位することができる。
シーケンス数が多いほど、より精度の高い測距が可能であるが、シーケンス数を多くすると、測位のための通信時間が増大し、認証通信の時間が確保できなくなることが想定される。従って、この点を考慮してシーケンス数を設定することが望ましい。
以降、アンカー112,114,116,118,120に関しても順次同じ動作を行う。ここで、測位に関しては、アンカー110,112,114,116,118,120による全ての情報は必ずしも必要ではなく、最低3つのアンカーによる情報があれば可能である。測距情報の数が多いほど、つまりアンカーの数が多いほど、精度を高くすることができる。但し、前述した状況と同じように、アンカーの数を増やすと測距のための通信時間が増大し、認証通信の時間が確保できなくなってしまうため、その点を考慮してアンカーの数を決めることが望ましい。各アンカーによる測距後、測位による認証意思検出位置(図11中の領域A2)に存在が確認できたタグに対して認証通信を行う。これにより、全てのタグに対して認証通信を行うことがなく、通信の負荷を大幅に低減することが可能である。
以上の高精度測位のみを用いた方式のメリットは、以降で述べる高精度測位と精度の低い測位を用いた方式に比べてプロトコルの制御がシンプルなことである。しかし、同時に、レスポンスパケットの衝突により、検出できないタグが存在する可能性は否めない。
このデメリットへの対応として考えられるのは、スロット数、各アンカーにおけるコマンド−レスポンスシーケンス数、アンカー数の増大がある。つまり、コマンド−レスポンスシーケンス数を増やすことにより、パケット衝突による取りこぼしの確率を減らす方法である。一方、この手法では、測距通信時間が増大し、認証通信の時間が確保できなくなってしまう可能性がある。
また、スロット数を増やした場合は、測距の精度が下がってしまう可能性がある。具体的に、アンカーとタグの水晶発振子の周波数に誤差が存在する場合、タイムスロット数が大きいほどその誤差が大きく累積され、測距の誤差が大きくなる。この対策として、タグのレスポンスタイミングをランダムとし、複数回の平均化により、ある程度の精度は確保できる。
パケット衝突の別の対応として、図14に示すように、認証を終え改札を通過したタグ200については、一定時間コマンドに無反応とさせることで、パケット衝突の可能性を減らすことが考えられる。図14に示す例では、二点鎖線で囲んだ領域A3に存在するタグに対しては、既に改札を通過しているため、一定時間の間はコマンドに反応させないようにして、パケット衝突の可能性を減らしている。
3.2.2.精度の低い測位と高精度測位の組み合せ
以上の観点から、パケット衝突を更に低減可能な、精度の低い測位(Coarse測位)と高精度測位(Fine測位)を組み合わせた場合の通信プロトコルについて説明する。この方式では、精度の低い測位により各タグ200の大まかな位置を求め、認証意思検出位置の付近に存在するタグ200に対してのみ上述した高精度測位を行うことで、パケット衝突の可能性を低減する。
図15は、精度の低い測位を行うシーケンスを示す模式図である。ここでは、先ず、図15に示す精度の低い測位を行う。具体的に、アンカー110より測距コマンドを送信し、スロット数32において、タグ200のレスポンスを受信する。つまり、測距コマンドに対するレスポンスのスロット数は32である。図12及び図13ではこの通信を24回行っていたが、ここでは1回のみ行う。また、レスポンスには、レスポンスを送信した各タグのID(タグID)が含まれる。次に、同様の通信をアンカー112,114,116,118,120にて行い、測距、測位を行う。この時点では、各タグ200に対する測距の回数が少ないため、高精度の測位を行うことはできないが、タグ200の大まかな位置を把握できる。
次に、上記の精度の低い測位から得られる大まかな位置情報に基づいて、認証意思検出位置(図11に示す領域A2)付近にいるタグ200に対してのみ上述した高精度測位を行う。前もってタグ200からレスポンスを受信することで、アンカー110側では、各タグ200の位置とタグIDとが紐付けて取得されている。従って、認証意思検出位置付近にいるタグ200に対してのみ高精度測位のためのコマンドを送信することが可能である。
具体的に、図16に示すように、認証意思検出位置付近にいる特定のタグ200に対して、アンカー110よりタグIDを指定して連続24回の測距を行う。なお、この際のスロットは0に固定し、上述した水晶発振子の周波数誤差の影響を最小限にした高精度測位を行う。このため、アンカー110からは、測距コマンドとともに、タグIDとスロット(スロット0)を指定するための情報が送られる。この測距をアンカー112,114,116,118,120に関しても同様に行い、この特定のタグ200が認証意思検出位置に存在するかを確認する。そして、この高精度測位のシーケンスを認証意思検出位置付近にいる他のタグ200に対しても適用する。その後、認証意思検出位置に存在が確認できたタグ200に対して認証通信を行う
この方式のメリットは、初めにタグ200の大まかな位置を把握し、認証意思検出位置付近にあるタグのみに高精度測位を行うため、高精度測位のみを行う場合より効率的に通信を行うことができるところにある。なお、精度の低い測位に関しては、スロット方式を用いているため上述した水晶発振子の周波数誤差による測距誤差が生じる可能性があるが、精度の低い測位として割り切ることができる。また、高精度測位にてスロットを0に指定することにより、上述した高精度測位のみを行う場合よりも、更に高精度にて測位が可能である。なお、高精度測位のみを行う場合と同様に、レスポンスパケットの衝突により、検出できないタグ200が存在する可能性は、僅かではあるが存在する。
3.2.3.タグIDを事前に収集する場合のプロトコル
次に、通信範囲内(図11に示す領域A1内)にあり、改札を通過していないタグのIDを収集し、精度の低い測位と高精度測位を順に行う通信プロトコルに関して説明する。この手法によれば、レスポンスパケットの衝突確率を減らすことができる。図17に示すように、まずアンカー110より各タグ200へタグID取得コマンドを送信する。その後、アンカー110は各タイムスロットタイミングにおけるレスポンス待ちとなる。なお、ここではスロット数を32とする。タグID取得コマンドを受信した各タグ200は、返信するスロットタイミングを決定し、レスポンスを自身のタグIDと共に送信する。これにより、アンカー110は通信範囲内に存在するタグ200のIDを集めることができる。
以降、アンカー112,114,116,118,120に関しても順次同じ動作を行う。この時、タグID取得コマンドにアンカー110にて取得したタグIDをパラメータとして加え、タグID取得コマンドを受信した各タグ200はコマンドパラメータに自身のタグIDがある場合はレスポンスを返さない仕様としてもよい。この仕様により、レスポンスパケットの衝突確率が更に低くなる。また、アンカー110の通信範囲が十分広く、必要なタグIDを取得できる場合は、アンカー112,114,116,118,120からタグID取得コマンドを送信する必要はなく、次のステップである精度の低い測位を行ってもよい。つまり、上記の目的は、通信範囲内に存在するなるべく多くのタグのIDを取得することである。
次に、図18に示すように、精度の低い測位を行う。ここで行う精度の低い測位は、図15で説明した精度の低い測位とは以下の点で相違している。
(1)アンカーは、スロット数に相当する分だけ取得したタグIDと、各タグのレスポンスタイミングを、測位コマンドに付加するパラメータとして加える。
(2)タグは、受信した測位コマンド内にあるタグIDと自身のIDが一致した場合、測位コマンドにて指定されたタイミングでレスポンスを送信する。
(3)タグは、レスポンス送信後、一定時間タグID取得コマンドに反応しないように状態遷移を行う。
(4)各アンカーは、測位コマンドを送信する毎に、タグIDは同じ場合であってもレスポンスタイミングは前回送ったものとは異なるものを指定する(ランダムとする)。
以上のように、上記(1)と(2)により、測距するタグを指定し、レスポンスタイミングを指定することで、レスポンスパケットにて衝突が起きないようにすることができる。また、上記(3)は、レスポンスパケット衝突により、検出できないタグが存在する可能性を減らすための方策である。具体的に、シーケンス全体としては、タグID取得→精度の低い測位→高精度測位→認証通信、を繰り返す。この際、レスポンスパケット衝突によりタグ200を検出できない可能性があるのはタグIDの取得時である。ここで、測距コマンドへのレスポンス後、タグID取得コマンドに対して無応答とすれば、順次行われるタグID取得時におけるレスポンスパケットの衝突確率を減らすことができ、検出できないタグ200が存在する可能性を減らすことができる。また、上記(4)により、アンカーとタグの水晶発振子の周波数誤差による測距の誤差を最小化させることができる。
精度の低い測位を行った後、認証意思検出位置付近に存在するタグ200に対してのみ、図12及び図13に示した高精度測位を行い、タグ200が認証意思検出位置に存在するか否かを確認する。その後、認証意思検出位置に存在が確認できたタグに対して認証通信を行う。
この方式のメリットは、高精度測位のみを用いる場合のプロトコル、精度の低い測位と高精度測位の組み合せ、で説明したレスポンスパケット衝突により、検出できないタグが存在する可能性を確実に減少できることである。但し、上述した状態遷移を行うことでタグID取得コマンドに対して反応しないタグ200において、改札を出てすぐに再び改札に入る人のようなケースに対応できない。このケースに対しては、精度の低い測位のコマンドには一定時間、取得したタグIDをパラメータとして付加し続けることで対応する。これにより、状態遷移したタグのIDは取得できなくとも測位が可能となり、認証意思検出位置でのタグの存在を確認できる。
3.2.4.認証通信に関して
認証通信は、認証意思検出位置にて存在を検知したタグ200に対してのみ行う。つまり、認証通信のコマンドには対応するタグIDを付加する。ここで、認証通信に関しては、測位のように複数のアンカーが情報を得る必要はなく、1つのアンカーのみがタグ200と通信し、ゲートを通過する権利があるか否かを確認すればよい。その際、複数のアンカー110,112,114,116,118,120のうちのどのアンカーがタグ200と通信すべきかを選ぶ必要があるが、その手法を以下に説明する。
まず、認証しようとするタグ200の位置が分かっているため、タグ200と最も距離が近いアンカーを選ぶ手法が挙げられる。これは、基本的に距離が近いほど通信が雑音に強いことに起因する。一方、環境によっては距離が近いことと雑音に強いことは同義ではない場合もある。
ここで、測位のための通信で得られた情報を利用することを想定する。測位の際には、基本的に全てのアンカー110,112,114,116,118,120において各タグ200からのレスポンスを受信する。その際、アンカー110,112,114,116,118,120での復調時に得られた情報(例えば、SN比、誤り訂正の数、連続して通信する場合は通信性成功率)を保持しておき、その特性の最も良いアンカーを選択して所望のタグ200と認証させる。さらに、選ばれたアンカーが特定回数レスポンスを復調できなかった場合は、認証をするアンカーを、上記の情報から得られるアンカーのうち2番目に通信特性の良いものに変更してもよい。また、タグ200がアンカー110,112,114,116,118,120へのレスポンスを返信する際に、タグ200の復調時に得られた情報を含めて送信し、タグの復調特性が最もよいアンカーを選ぶ方法も考えられる。これらの手法により、通信の性能が最も安定した状態で認証通信することができる。さらに、レスポンス受信に関しては、特にコマンドを送信したアンカーのみが復調を行う必要はなく、各アンカー200が個別に復調を行い、誤り検出がされなかったパケットをレスポンスとして採用することで、通信の性能をより安定させることができる。また、この方式による別の効果として、タグ200からのレスポンス時のRF出力を弱めることができ、電力消費を抑えることが期待できる。なお、上述したような最適なアンカー100の選択は、後述するサーバー1000の選択部1700によって行われる。
3.2.5.通信性能を向上するための方法
ここでは、タグIDを事前に収集する場合のプロトコルにて、通信性能を向上させる方法を説明する。タグID取得においても、上述した認証通信の場合と同様に、コマンドを送信したアンカーのみがレスポンスを復調する必要はない。つまり、コマンドを送信していないアンカーも復調を行うことにより、タグID取得の確率を上げることで、通信効率を向上させることができる。
精度の低い測位における通信性能向上のための方法として、タグ200、アンカー110,112,114,116,118,120の双方において、直前のタグID取得コマンドの復調時、レスポンス復調時に、復調信号処理より得られる最適復調設定(フィルタの係数等)を保持しておき、精度の低い測位を行う時にはその最適復調設定に切り替え、受信に最適な状態で通信させることが挙げられる。ここで、タグ200は、どのような順番でアンカー110,112,114,116,118,120からコマンドが送信されるか、つまり事前にコマンドがどのアンカーから送られてきたものかを知っているものとする。これらは、予め仕様として決めておくことができる。また、図18で示したように、アンカー110,112,114,116,118,120は、精度の低い測位の測距コマンドにて、各タグ200に対するレスポンスタイミングを指定しているため、事前にレスポンスがどのタグ200から送られてきたものかを知っている。よって、各アンカー110,112,114,116,118,120、タグ200とも、対応する最適復調条件をレスポンス受信前に設定できる。
高精度測位においては、精度の低い測位の場合と同様に、精度の低い測位の通信で得られた最適復調条件を事前に設定することが望ましい。また、図16に示したように、高精度測位は通信を複数回行うため、各コマンド、レスポンスを受信する度に復調状態を逐次最適にすることで、常に最適条件化での通信が可能となる。認証通信においても、高精度測位と同様に、高精度測位の通信で得られた最適復調条件を事前に設定すること、もしくは、認証用のコマンド、レスポンスを受信する度に復調状態を逐次最適にすることが適用できる。その他、プロトコル的な観点からの方策として、高精度測位のコマンドに測距以外の情報を同時に読み出す機能を追加することで(例えば残高確認など)、認証時のコマンド、レスポンスの回数を減らすことができ、通信効率を高めることができる。なお、以上説明したような復調時の条件の最適化は、後述するサーバー1000の受信処理部1200により行われる。
3.2.6.改札横の窓口への対応に関して
図11に示したように、改札の横には窓口150が設けられている。改札横の窓口150に関しては、改札と同期したシステムである必要がなく、改札利用者からの問い合わせがあった時のみ対応すればよい。このため、窓口150については改札のゲートとは異なる対応を考える必要があるが、別途の測位システムを窓口150のみのために構築するのはコストがかかる。このため、窓口150においては、タグ200が特定の距離内に入ったことをトリガーとして認証通信を開始するNFCのようなインターフェースを行う。この場合、窓口150に設置するアンカーを1つに抑えることができ、コストを低減できる。また、窓口150に置かれるチャージ機についても、同様の適用を行うことができる。
3.3.ゲート毎に制御する場合の通信プロトコル
次に、ゲート毎に制御を行う場合について説明する。図19は、ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルを示す模式図である。以下では、ゲート毎に制御する場合の通信システム、プロトコルについて説明する。
3.3.1.プロトコルに関して
図19においては、各アンカー100の通信距離は、上述した改札全体を測位制御する場合の通信プロトコルにて想定したものに比べて、短かくてよい。つまり、1つのアンカー100は改札全体を測位制御する場合に比べて、多くのタグは検出しない。その場合、精度の低い測位は必ずしも行う必要はない。以下では、タグID取得→高精度測位→認証通信、のシーケンスを繰り返すものとして説明を行う。
図20に示すように、アンカー100からの通信距離は1つのゲートのみに対応する距離ではなく、環境等によるバラツキを考慮して、より遠距離まで通信できるように設定する。図20では、アンカー130からの通信距離が隣のゲートまで通信できる距離であることを示している。他のアンカー100の通信距離も同様である。各ゲートは自律的に通信の制御を行い、他のゲートとの同期はとらないこととする。この場合、図21に示すように、隣接するゲートに設けられたアンカーにおいて、RFパケットが衝突してしまう可能性がある。図21では、隣接するゲートに設けられた2つのアンカー130,132において、RFパケットが衝突している様子を示している。
各ゲート間にてコマンド送信するアンカーのタイミング同期させることを想定した場合でも、図22に示すように、隣接するゲートに設けられたアンカーにおいて、RFパケットが衝突してしまう可能性がある。図22では、隣接するゲートに設けられた2つのアンカー130,132において、RFパケットが衝突している様子を示している。
よって、図23に示すように、2つのゲート毎にアンカーからコマンドを送信するタイミングを同期させる必要がある。図23の例では、ゲート1とゲート2を同期させ、ゲート3とゲート4を同期させた例を示している。これにより、図23に示すゲート1のアンカー130と、ゲート3のアンカー134とは、RFパケットは衝突しないことになる。
しかし、通信距離は環境に大きく依存するため、図23の場合においても、図24のように通信距離が変化すると、衝突が起きてしまうことは大いに想定できる。図24に示す例では、ゲート1のアンカー130からのコマンドとゲート3のアンカー134からのコマンドが衝突している例を示している。また、RFパケットの衝突は、複数のタグ200からのレスポンス時も同様の課題が生じる。
以上のような事態を避けるため、図25に示すように、ゲートを3つ以上設け、3つのゲート毎に同期した制御を行い、同期するアンカー間の距離を十分にとることで、パケット衝突が起きないようにすることが考えられる。図25に示すように、ゲート1のアンカー130とゲート4のアンカー136のRFパケットに衝突は生じないことになる。なお、3つのゲートに存在するアンカーのコマンド送信タイミングを、RFパケット衝突がないようにシーケンシャルにずらすため、高精度測位に要する時間が比較的長くなる可能性はある。
3.3.2.RFパケット衝突への耐性
ここでは、RFパケット衝突への耐性に関して説明する。一般的な無線通信は、ノイズ耐性向上のため、拡散符号方式を実装している。ここで拡散符号方式の概要を図26、図27に基づいて説明する。図26の左側の図に示すように、送信側はデータ“0”,“1”を拡散符号[1 0 0 1 0 1 1]でEXOR処理することで拡散し、拡散後の信号を伝送する。復調側は、受信信号を送信側と同じ拡散符号でEXOR処理することにより送信データを復調できる。ここで、復調側は送信側の拡散信号を予め知っているものとする。
図27は、図26と同様に、送信側で拡散した信号と、受信側で復調した信号を示している。図27に示すように、復調側の拡散信号が送信側と異なる場合は、送信データを復調できず、単にノイズとして判定する。
ここで、図28に示す状況を想定する。具体的に、アンカー130とアンカー138のコマンドがタグ300にて衝突したとする。また、タグ300はアンカー138の拡散符号を予め知っているものとする。この場合、図26、図27に示したように、タグ300は拡散符号により、アンカー130からのコマンドはノイズとしてみなす一方、アンカー138のコマンドは復調できる可能性がある。但し、タグ300におけるアンカー138のRF受信信号のレベルに依存する。また、アンカーにて複数のタグレスポンスが衝突した時も、同様である。
ここで、UWB測位通信を規定しているIEEEでは、拡散符号方式を用いており、また図29に示すように、RFパケットの送信タイミングを1スロット内で意図的にランダムにずらすことにより、RFパケットの衝突に対応している。つまり、IEEEにて規定されているものと同様な方法により、ある程度はRFパケットが衝突してもパケットの復調は可能である。但し、拡散によりスループットが落ちるデメリットは生じる可能性がある。以下では、RFパケット衝突がある程度許容される想定で説明を行う。
3.3.3.パケット衝突が許容される場合を想定した場合のシステム
各ゲートが、同期を取らず自律的に通信を行う場合、タグID取得→高精度測位→認証通信、のシーケンスにて、パケット衝突のパターンを下記に列挙する。なお、両矢印は衝突を示している。
タグID取得レスポンス⇔タグID取得レスポンス
タグID取得レスポンス⇔タグID取得コマンド
タグID取得レスポンス⇔高精度測位コマンド・レスポンス
タグID取得レスポンス⇔認証通信コマンド・レスポンス
タグID取得コマンド⇔タグID取得コマンド
タグID取得コマンド⇔高精度測位コマンド・レスポンス
タグID取得コマンド⇔認証通信コマンド・レスポンス
高精度測位コマンド・レスポンス⇔高精度測位コマンド・レスポンス
高精度測位コマンド・レスポンス⇔認証通信コマンド・レスポンス
認証通信コマンド・レスポンス⇔認証通信コマンド・レスポンス
この中で、確率的に最も衝突の可能性が高いのはタグID取得レスポンスとタグID取得レスポンスの衝突である。なぜなら、タグID取得レスポンスは、タイムスロットを用いて連続してレスポンスが送信されることを想定しているため、長時間のパケットがRFに送信されているからである。
ここで、以下のように各シーケンスにおけるRFパケット衝突に関して整理する。
タグID取得:衝突によりタグIDが取得できないと、以降の通信が全くできないため、ここでの通信不良は避けることが望ましい。
高精度測位:1つのアンカーにて複数回通信を行う。この時、確率的にRFパケットの衝突が起こるが、数回通信が行えなくとも、測位は可能である。但し、精度が低下するトレードオフは存在する。
認証通信:通信が失敗した場合において、タイムアウト・再送要求等でリカバリは可能である。但し、通信時間が長くなるトレードオフは存在する。
よって、結論としては、タグID取得においてはシステムを同期させ、パケットの衝突を避けると同時に、タグに拡散符号を割り当てる。または、各タグに拡散符号を予め割り当てるものとする。高精度測位、認証通信に関しては、割り当てた拡散符号によりデータを拡散させると共に、各ゲートを自律的に通信させる方式が、システムとして効率が良いと考えられる。
例えば、図30において、タグID取得においては、アンカー2とアンカー20→アンカー8→アンカー14の順にて、RFパケットが衝突しないようコマンド送信、レスポンス受信のタイミングをシーケンシャルにずらす。アンカー2とアンカー20については、距離が十分に離れており、RFパケットが衝突することはないため、同じタイミングでコマンドを送信することが可能である。以降、一定時間は高精度測位と認証通信のための時間とし、各ゲート間で特に同期を行わず自律的に通信を行わせる。ここで、タグID取得にて、複数のタグ200からのレスポンスが衝突することが考えられるが、複数のアンカーがレスポンスを復調することで対応する。
4.自動改札システムの機能構成例
図31は、自動改札システムの機能構成例を示すブロック図である。図31に示すようにアンカー100はサーバー1000に接続されている。サーバー1000は、送信処理部1100、受信処理部1200、測位部1300、認証部1400、ゲート制御部1500、決済処理部1600、選択部1700、データベース1800、誤り検出部1900を有して構成されている。
送信処理部1100は、アンカー100を介して送信データをタグ200に送信するための処理を行う。例えば、送信処理部1100は、測距コマンド、タグID取得コマンド、タグID、スロットを指定するための情報、等をタグ200へ送信するための処理を行う。また、送信処理部1100は、送信データを変調するための処理を行う。受信処理部1200は、タグ200からレスポンス、タグIDなどの各種データを受信するための処理を行う。また、受信処理部1200は、受信したデータを復調するための処理を行う。
測位部1300は、第1の測位部1310と第2の測位部1320を含む。第1の測位部1310は、上述した精度の低い測位を行うことでタグ200の位置を測位する。第2の測位部1320は、上述した高精度測位を行うことでタグ200の位置を取得する。
認証部1400はタグ200の認証を行う。認証の方法は一般的な方法を用いることができる。例えば、認証部1400は、タグ200から鉄道会社の種別情報を示す情報と残額情報を受信すると、受信した種別情報が予めサーバー1000のデータベース1600に登録されている種別情報と一致し、且つ残額が一定以上である場合に認証が成功したと判断する。
ゲート制御部1500は、改札に設置されたゲート800を制御する。ゲート制御部1500は、認証部1400による認証が成功すると、ゲート800が開くようにゲート800を制御する。また、ゲート制御部1500は、認証部1400による認証が失敗すると、ゲート800が閉じるようにゲート800を制御する。
決済処理部1600は、認証部1400による認証が成功した場合に、必要に応じて、タグ200の残額から所定の金額を減算する処理を行う。減算した結果は送信処理部1100からアンカー100を経てタグ200に送信される。選択部1700は、測位、認証を行う際に、最適なアンカー100を選択する処理を行う。データベース1600には、サーバー1000側で必要な各種情報が格納されている。誤り検出部1900は、パリティチェック等の方法により受信データに誤りがあるか否かを検出する。
また、タグ200は、送信処理部210、受信処理部220、ID保持部230、操作入力部240、残額情報保持部250、表示部260を有して構成されている。送信処理部210は、送信データをアンカー100に送信するための処理を行う。例えば、送信処理部210は、測距コマンドに対するレスポンス、タグID、残額情報などをアンカー100へ送信するための処理を行う。また、送信処理部210は、送信データを変調するための処理を行う。受信処理部220は、アンカー100から測距コマンド、タグID取得コマンド、タグID、スロットを指定するための情報、決済後の残額情報などを受信するための処理を行う。また、受信処理部210は、受信したデータを復調するための処理を行う。
ID保持部230は、自身のタグIDを保持するメモリである。また、ID保持部230は、その他の各種情報を保持している。操作入力部240は、タッチセンサ等から構成され、ユーザーからの操作情報が入力される。残額情報保持部250は、残額に関する情報を保持するメモリである。表示部260は、液晶ディスプレイ等から構成される。
なお、図31に示すサーバー1000、タグ200の各構成要素は、ハードウェア(回路)、またはCPUなどの中央演算処理装置とこれを機能させるためのソフトウェア(プログラム)から構成することができる。
5.本実施形態の更なるバリエーションについて
以下では、上述した実施形態に基づき、更なるバリエーションについて説明する。
5.1.改札以外への適用について
上述した説明では、基本的に改札のシステムについて記載したが、本実施形態は、例えば駅校内等での測位に関し、人の流れ等の把握のためにも適用可能である。この場合、タグ200は、駅構内の測位コマンド処理中に、改札におけるコマンドを受信する可能性があり、その場合、スピードが求められる改札処理が遅れることも想定される。そこで、改札における測位コマンドは、他の場所(駅構内、車両)の測位コマンド系とは別とし、改札のコマンド処理の優先度は高くすることが望ましい。これにより、駅構内の測位の最中でも、スムーズに改札を通過することが可能となる。
具体的に、図32に示すように、アンカーとして、改札用のアンカー100と駅構内の測位用のアンカー160を設ける。ステップS10,S12,S14,S20では、駅構内の測位用のアンカー160とタグ200との間で通信が行われ、アンカー160からのコマンドに対してタグ200からのレスポンスが送られる。
一方、ステップS16で改札用のアンカー100からタグ200コマンドが送られると、アンカー160とタグ200との間の通信は一旦停止され、ステップS18でタグ200からアンカー100へレスポンスが送られる。このように、改札系コマンドを受けた場合は、駅構内を測位するコマンドの処理は止め、改札系コマンドの処理を優先させる。つなり、改札系コマンドを受けた場合は、以降の一定時間の間、駅構内測位系コマンドの受信は行われない。改札のコマンド処理の優先度を高くすることで、駅構内の測位最中でも、スムーズに改札を通過することが可能となる。
5.2.コマンド送信と並行して測位計算を行う例
上述した実施形態では、6つのアンカー110,112,114,116,118,120による測位を行ったが、全てのアンカー110,112,114,116,118,120がタグ200からのレスポンスを得てから、測位の計算を行う必要はない。測位は基本的に3つの測距情報があれば可能であるため、3つのアンカーで測距情報が集まったら、図33に示すように、コマンド送信と並行して測位計算を順次行うことで、時間短縮に効果的となる。
図33中で左側に示すシーケンスは、上述した手法により、6つのアンカー110,112,114,116,118,120がタグ200からのレスポンスを得てから、タグ200の測位計算を行う場合を示している。一方、図33中で右側に示すシーケンスは、3つのアンカー110,112,114でレスポンスが得られたら、得られた情報に基づいて、残りの3つのアンカー116,118,120の測距シーケンスの間に測位計算を順次行う例を示している。これにより、測位計算完了までの時間を短縮することが可能である。
5.3.タグの状態遷移を復帰させる例
上述したタグIDを収集する手法を用いる場合、例えばタグ200の残高不足等でゲートが閉まり、タグ200を保持する人が窓口150での対応を行う場合がある。この場合、上述のようにタグ200は、タグID取得コマンドに反応しないように状態を遷移しているため、窓口150においてタグIDを取得できず、通信ができない場合が想定される。
このため、窓口150(チャージ機等を含む)での通信においては、まず、遷移状態を元に戻すコマンドを送信する。また、タグ200に関しては、このコマンドは、状態が遷移した後でも反応するようにする。具体的に、図34に示すように、ステップS30〜ステップS52でタグID取得、精度の低い測位、高精度測位、認証の一連の処理が行われた後、タグ200の残高不足等により窓口150での対応を行う場合は、ステップS54にて、窓口用のアンカー170からタグ200へ状態遷移復帰コマンドが送信される。状態遷移復帰コマンドを受けたタグ200は、ステップS56にて、状態遷移復帰レスポンスをアンカー170へ送る。これにより、ステップS58にて、アンカー170からタグ200へタグID取得コマンドが送られ、ステップS60でタグ200からアンカー170へタグID取得レスポンスが送られる。タグID取得レスポンスにはタグIDが含まれる。以上により、タグ200の状態遷移が復帰するため、アンカー170は、タグ200のタグIDを取得し、以降の処理を行うことができる。
5.4.ゲートを通過してからタグの残額を差し引く方法
上述した実施形態によれば、アンカーとタグの距離が離れていても、通信がある程度安定していれば、ゲートを開くための条件は、例えば、タグ200内の残高がゲートを通過するのに必要な金額以上、という条件のみで構わない。一般的なNFCによる改札では、通信距離が短いため、改札を通過する際に必要な金額がタグ200から減算されてからゲートが開くが、本実施形態の手法によれば、アンカー100によるタグ200からの金額の減算は、ゲートを開いてから行ってもよい。これにより、ゲートをより早く開くことができ、ラッシュ時等の混雑を解消できる。
図35に示すように、ゲート8を人が通過する場合に、アンカーによる認証時には、二点鎖線で示す領域A4の範囲をタグ200が通過するまでにタグ200の残高を確認し、ゲートを通過してから金額を減算させる。これにより、ゲートを通過する際の人の流れがスムーズになり、混雑を確実に緩和できる。
5.5.2重の課金を防止する方策
改札通過時にユーザーがタグ200を2つ持っていた場合、どちらのタグ200から金額が減算されるかが不明であると、ユーザーが意図しないタグ200より金額が減算される可能性がある。このため、タグ200の操作入力部240からユーザが操作することで、タグ200のUWBによる通信機能をオン/オフできるようにする。図36は、タッチパネル242からの操作により通信機能をオン/オフする場合と、タグ200に設けられたメカニカルスイッチ244の操作により通信機能をオン/オフする場合を示している。
また、図37に示すように、各タグ200には残額が記録されておらず、クラウド上のサーバー600内に残額が記録されており、残額をサーバー600で一括して管理する方式とすることもできる。図37において、サーバー600側では、タグIDに基づいて、タグ200(Tag_1)とタグ202(Tag_2)のIDは同じ持ち主であること認識できるようにしておく。このため、サーバー側では、タグIDと持ち主とを紐付けるテーブルを予め保持しているものとする。そして、例えば、特定時間内に同一人物のIDを取得した場合は、2回の減算は行われない。この場合、アンカー100は、認証通信を行わずに、タグIDのみ取得するようにしても良い。
また、ユーザーが、アプリケーションの異なる2つのタグを2つ持っている場合に、ユーザーが意図しない一方のタグがアンカーに捉えられてしまうと、認証が失敗し、ゲートが閉まってしまう可能性がある。このため、最初のコマンドであるタグID取得コマンドにて、アプリケーションIDを指定する。
具体的に、図38に示すように、ステップS70でアンカー100からタグ200,202へタグID取得コマンドを送信する際に、タグID取得コマンドにアプリケーションを指定するためのアプリケーションIDを付加しておく。これにより、タグID取得コマンドを受信したタグ200,202のうち、アプリケーションIDが合致したタグ200がレスポンスを返信できる。
また、タグ200は1つであっても、タグ200に2つのアプリケーションが入っており、かつ、改札側で2つのアプリケーションのどちらでも支払が可能で、2つのアプリケーションIDのどちらかをタグ200に送信している場合、ユーザーの意図しないアプリケーションから金額を引かれてしまうことが想定される。このような場合、操作入力部240を操作することにより、タグ200のアプリケーションを活性化、非活性化できるようにする。
また、改札を人が遅いスピードで通過する場合、タグ200から2回に渡って金額が減算されないように、一定時間内に同じ場所で同じタグ200の位置を検出した場合は、認証通信は行わないようにする。具体的に、図11に示す一点鎖線で囲んだ領域A2において、一定時間の間に同じタグ200を2回検出した場合は、2回目は認証通信を行わないようにする。
また、改札に人を検知するセンサを設け、一度認証を行った後は、該当する人が改札を出るまでの間は、そのゲートでの高精度測位、認証通信は行わないようにしても良い。この場合、認証通信を行った後、改札にあるセンサでその人が改札を出たと認識するまでは、その人が保持するタグ200に向けての通信は行わない。
また、改札への入出を記録しておき、「入」→「入」(または「出」→「出」)と連続する場合は、2回目は一定時間の間の入出は無視し、認証は行わないようにする。この方法は、改札にて減算されたが、それに気づかず、別の改札を通過しようとする場合にも適用可能である。図37に示したようなID管理型の場合は、一定時間内に同じIDを取得した場合は、2回目の金額を減算しないようにする。
また、図39に示すように、両方向から入ることのできる改札にて、人がゆっくりと通過する場合、逆側にて位置検出が行われ、2回残高が減算される可能性がある。このため、アンカー100は、同じタグIDを検出した場合は、そのタグ200との認証通信を行わないようにする。例えば、図39において、一点鎖線で囲んだ領域A5にタグ200が位置する際に金額を差し引いた後、次に一点鎖線A6で囲んだ領域にタグ200が位置した場合が相当する。この場合、一定時間内に2つの領域A5,A6で同じタグIDを検出した場合は、後で検出された領域A6では認証通信を行わないようにする。
また、ユーザーがSuicaなどのカード型のデバイスと、タグ200の双方を保持しており、ユーザーがタグ200を保持していることを忘れている場合、カード型デバイスを改札にかざすと、タグ200からも減算されてしまう。このため、改札側では、タグ200が検出されたら、リーダ/ライタのSuicaの通信を非活性化する。改札側でSuicaまたは切符とタグ200の双方に同時に対応(課金)してしまった場合は、入場の場合はタグ200の入場記録を消すようにする。また、退場の場合は、タグ200に金額を戻すようにする。
5.6.UWBの反射波に対する対策
ここでは、UWBの反射波に対する対策について説明する。UWBは反射に弱い特性があり、反射波と直接波との距離差分が、ビットレートと光速cを乗算した値と一致すると、正常な通信ができなくなる可能性がある。図40は、アンカー100とタグ200が通信を行う場合に、直接波と反射波を示す模式図である。直接波はアンカー100からタグ200へ直接伝送するのに対し、反射波は壁700で反射してタグ200へ伝送される。
図41は、アンカー100から送信データとして“1”,“0”,“1”,“0”を送信する場合に、タグ200で受信される直接波及び反射波を示している。図40に示したように、直接波よりも反射波の方が伝送経路は長い。このため、図41に示すように、反射波は直接波に対して遅延時間Δtだけ遅れてタグ200に受信される。従って、図41に示すように、タグ200が受信する受信波形は、直接波と反射波を加算した波形となる。ここで、遅延時間Δtがビットレートと一致する場合は、図41に示したように、受信波形から求まる受信データは、“1”,“1”,“1”,“1”となり、受信データにエラーが生じてしまう。
図41に示すように、Δtは、反射波の伝送距離と直接波の伝送距離の差分をΔdとすると、Δdを光速で除算することによって得られる。例えば、ビットレートが50[Mbps]の場合、Δdは6m程度である。従って、ビットレートが50[Mbps]の場合、改札の近辺に存在する壁によってΔdが6mとなる環境下では、受信データにエラーが生じてしまう。
反射波は空間とアンテナ配置によってある程度定まるため、改札などのシステムで反射波を変更することは現実的ではない。このため、プロトコル側でこの弱点を吸収するため、反射波では通信エラーが生じることを想定しておき、同じ通信を複数回行い、通信毎にビットレート変更することで対処する。これにより、受信データを正確に取得することが可能である。
一方で、受信器側で複数のビットレートの復調器を並列に持たせるのは回路規模の増大となる。このため、本実施形態では、アンカー100とタグ200の間で送受信されるデータのビットレートを変更可能としておき、パケットヘッダに、その後に送られるデータのビットレートを書き込んでおく。これにより、受信側で受信データを復調する際に、パケットヘッダに書き込まれたビットレートに基づいて復調することで、受信データを誤りなく復調することができる。
一方、パケットヘッダのビットレートについては、反射波の伝送距離と直接波の伝送距離の差分Δdが、通常ではあり得ない程度の距離となるようにしておく。上述のように、ビットレートが50[Mbps]であれば、Δdは6m程度である。また、ビットレートが100[Mbps]であれば、Δdは3m程度である。一例として、パケットヘッダのビットレートは、Δdが100m程度となるような値としておく。改札において、直接波と反射波の伝送距離の差分Δdが100mとなることは想定できないため、パケットヘッダを受信した際に、受信データにエラーが生じることを抑制できる。
また、RFの出力を弱めることで、反射派の影響を抑えることも可能である。よって、アンカーからのコマンド、および、タグからのレスポンス送信毎にRFの出力を変更することでも、反射波の影響を抑えることができる。また、タグからのレスポンス送信時におけるRF出力設定を、アンカーからのコマンドにて設定できるようにしてもよい。
5.7.測距誤差に対する対策
アンカー100とタグ200の距離を測距した際の測距誤差(実際の距離と測距値との誤差)は、アンカー100とタグ200との間の距離が大きいほど大きくなる。図42は、アンカー100によるタグ200との間の測距値(横軸)と測距誤差(縦軸)との関係を示す特性図である。測距誤差は、ハードウェアの特性に依存するので、これを小さくことにはある程度の困難が伴う。
このため、図42に示すような特性を予め把握しておき、測距値に応じた補正を行い、補正した値にて測位計算を行う。例えば、図42において、測距値が0.2mの時は測距値に対して5cmの補正を行い、測距値が5mの場合は測距値に対して30cmの補正を行う。これにより、測距誤差を抑制して精度の高い測位が可能となる。
5.8.測位精度向上のための施策
高精度測位(Fine測位)においては、アンカー100とタグ200の距離を測距する際、図16に示すように、測距のための通信を複数回行い、各測距値の平均値を測位計算に用いることが考えられる。その際、雑音等の影響で測距のための通信がうまくいかず、通信回数が少ない場合は、平均するための母数が小さくなるため、測距値の誤差が大きくなることが予想される。この課題に対し、通信回数が少ない場合に得られた測距値は、測位計算の対象からはずすことで上記の課題が解決できる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
(1) 複数の無線通信端末の位置を測位する測位部と、
前記測位部による前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行う認証部と、
を備える、ゲート装置。
(2) 前記測位部は、パルス通信を利用した測位技術により前記無線通信端末の位置を測位する、前記(1)に記載のゲート装置。
(3) 前記認証部は、前記無線通信端末が所定範囲に位置する場合に、前記認証を行う、前記(1)に記載のゲート装置。
(4) 前記測位と前記認証のために前記無線通信端末と通信を行い、異なる位置に配置された複数の無線通信装置を備え、
前記測位部は、前記無線通信端末への測位コマンドの送信から前記測位コマンドに対する前記無線通信端末からのレスポンスの受信までの時間に基づいて前記無線通信端末の位置を測位する、前記(1)に記載のゲート装置。
(5) 前記測位部は、
前記複数の無線通信装置のそれぞれが前記無線通信端末へ送信する1の前記測位コマンドと当該1の測位コマンドに対する前記レスポンスとに基づいて前記無線通信端末の位置を測位する第1の測位部と、
前記複数の無線通信装置のそれぞれが前記無線通信端末へ送信する複数の前記測位コマンドと当該複数の測位コマンドに対する複数の前記レスポンスとに基づいて前記無線通信端末の位置を測位する第2の測位部と、を有し、
前記第1の測位部により所定の範囲に位置することが測位された前記無線通信端末に対して、前記第2の測位部による測位を行う、前記(4)に記載のゲート装置。
(6) 前記第2の測位部は、複数の前記測位コマンドに対する前記レスポンスを受信する際に、前記レスポンスを受けるためのスロットを固定する、前記(5)に記載のゲート装置。
(7) 前記複数の無線通信装置は、前記測位部が前記無線通信端末の位置を測位する前に、前記無線通信端末を識別するための識別子を取得するための識別子取得コマンドを前記無線通信端末へ送信することで、前記無線通信端末から前記識別子を取得し、
前記第1の測位部により前記無線通信端末の位置を測位する際に、前記測位コマンドとともに、前記識別子と前記レスポンスを受信する際のタイミング情報とを送信する、前記(5)に記載のゲート装置。
(8) 前記複数の無線通信装置のそれぞれは、前記第1の測位部により前記無線通信端末の位置を測位する際に、異なるタイミング情報を前記無線通信端末へ送信する、前記(7)に記載のゲート装置。
(9) 前記測位コマンドとともに前記識別子及び前記タイミング情報を受信した前記無線通信端末は、受信した前記識別子が自身の識別子と一致する場合は、受信したタイミング情報に基づいて前記レスポンスを送信する、前記(7)に記載のゲート装置。
(10) 前記認証部による認証のために、前記無線通信端末の位置を測位する際に前記無線通信端末から受信した情報を復調する際に得られた情報に基づいて、複数の前記無線通信装置の中から前記認証を行うための前記無線通信装置を選択する選択部を備える、前記(4)に記載のゲート装置。
(11) 前記レスポンス又は前記識別子を受信する際に、複数の前記無線通信装置が復調を行い、
前記レスポンスの誤り検出を行う誤り検出部を備え、
前記複数の無線通信装置が受信した前記レスポンスのうち、誤りが検出されなかった前記レスポンスを最終的な前記レスポンスとして確定する、前記(7)に記載のゲート装置。
(12) 前記測位コマンドに反応した前記無線通信端末は、一定時間の間は前記無線通信装置から送られる前記識別子取得コマンドに対して反応しないように状態遷移が行われる、前記(7)に記載のゲート装置。
(13) 前記状態遷移が行われた前記無線通信端末を前記状態遷移から復帰させる状態遷移復帰コマンドを送信する、前記(12)に記載のゲート装置。
(14) 前記無線通信端末は、前記識別子取得コマンド内の前記識別子が自端末に対応する場合は、前記識別子取得コマンドに対するレスポンスを行わない、請求項7に記載のゲート装置。
(15) 前記測位コマンドには、一定時間の間のみ前記識別子が付加されて前記無線通信端末へ送信される、請求項7に記載のゲート装置。
(16) 前記無線通信端末の位置を測位するための測位コマンドとして、前記ゲートに関連する第1のコマンドと、前記ゲートに関連しない第2のコマンドを有し、
前記無線通信端末は、前記第2のコマンドよりも前記第1のコマンドの優先度を高くして前記第1のコマンドに反応する、前記(1)〜(15)のいずれかに記載のゲート装置。
(17) 前記認証部による認証を行った後は、人を検知するセンサから得られる情報に基づいて、前記無線通信端末を保持する人が前記ゲートを通過するまでの間は、前記測位部による測位、又は前記認証部による認証を行わない、前記(1)〜前記(16)のいずれかに記載のゲート装置。
(18) 前記無線通信端末が認証されると、前記無線通信端末を保持する人が別途保持する他の端末との通信を非活性化する、前記(1)〜(17)のいずれかに記載のゲート装置。
(19) 前記無線通信端末が前記ゲートの外の特定の範囲内に入ったことをトリガーとして前記認証のための通信を開始する、前記(1)〜(19)のいずれかに記載のゲート装置。
(20) 複数の無線通信端末の位置を測位することと、
測位した前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行うことと、
を備える、ゲート装置における方法。
100 アンカー
1300 測位部
1310 第1の測位部
1320 第2の測位部
1400 認証部
1700 選択部
1900 誤り検出部

Claims (20)

  1. 複数の無線通信端末の位置を測位する測位部と、
    前記測位部による前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行う認証部と、
    を備える、ゲート装置。
  2. 前記測位部は、パルス通信を利用した測位技術により前記無線通信端末の位置を測位する、請求項1に記載のゲート装置。
  3. 前記認証部は、前記無線通信端末が所定範囲に位置する場合に、前記認証を行う、請求項1に記載のゲート装置。
  4. 前記測位と前記認証のために前記無線通信端末と通信を行い、異なる位置に配置された複数の無線通信装置を備え、
    前記測位部は、前記無線通信端末への測位コマンドの送信から前記測位コマンドに対する前記無線通信端末からのレスポンスの受信までの時間に基づいて前記無線通信端末の位置を測位する、請求項1に記載のゲート装置。
  5. 前記測位部は、
    前記複数の無線通信装置のそれぞれが前記無線通信端末へ送信する1の前記測位コマンドと当該1の測位コマンドに対する前記レスポンスとに基づいて前記無線通信端末の位置を測位する第1の測位部と、
    前記複数の無線通信装置のそれぞれが前記無線通信端末へ送信する複数の前記測位コマンドと当該複数の測位コマンドに対する複数の前記レスポンスとに基づいて前記無線通信端末の位置を測位する第2の測位部と、を有し、
    前記第1の測位部により所定の範囲に位置することが測位された前記無線通信端末に対して、前記第2の測位部による測位を行う、請求項4に記載のゲート装置。
  6. 前記第2の測位部は、複数の前記測位コマンドに対する前記レスポンスを受信する際に、前記レスポンスを受けるためのスロットを固定する、請求項5に記載のゲート装置。
  7. 前記複数の無線通信装置は、前記測位部が前記無線通信端末の位置を測位する前に、前記無線通信端末を識別するための識別子を取得するための識別子取得コマンドを前記無線通信端末へ送信することで、前記無線通信端末から前記識別子を取得し、
    前記第1の測位部により前記無線通信端末の位置を測位する際に、前記測位コマンドとともに、前記識別子と前記レスポンスを受信する際のタイミング情報とを送信する、請求項5に記載のゲート装置。
  8. 前記複数の無線通信装置のそれぞれは、前記第1の測位部により前記無線通信端末の位置を測位する際に、異なるタイミング情報を前記無線通信端末へ送信する、請求項7に記載のゲート装置。
  9. 前記測位コマンドとともに前記識別子及び前記タイミング情報を受信した前記無線通信端末は、受信した前記識別子が自身の識別子と一致する場合は、受信したタイミング情報に基づいて前記レスポンスを送信する、請求項7に記載のゲート装置。
  10. 前記認証部による認証のために、前記無線通信端末の位置を測位する際に前記無線通信端末から受信した情報を復調する際に得られた情報に基づいて、複数の前記無線通信装置の中から前記認証を行うための前記無線通信装置を選択する選択部を備える、請求項4に記載のゲート装置。
  11. 前記レスポンス又は前記識別子を受信する際に、複数の前記無線通信装置が復調を行い、
    前記レスポンスの誤り検出を行う誤り検出部を備え、
    前記レスポンスのうち、誤りが検出されなかった前記レスポンスを最終的な前記レスポンスとして確定する、請求項7に記載のゲート装置。
  12. 前記測位コマンドに反応した前記無線通信端末は、一定時間の間は前記無線通信装置から送られる前記識別子取得コマンドに対して反応しないように状態遷移が行われる、請求項7に記載のゲート装置。
  13. 前記状態遷移が行われた前記無線通信端末を前記状態遷移から復帰させる状態遷移復帰コマンドを送信する、請求項12に記載のゲート装置。
  14. 前記無線通信端末は、前記識別子取得コマンド内の前記識別子が自端末に対応する場合は、前記識別子取得コマンドに対するレスポンスを行わない、請求項7に記載のゲート装置。
  15. 前記測位コマンドには、一定時間の間のみ前記識別子が付加されて前記無線通信端末へ送信される、請求項7に記載のゲート装置。
  16. 前記無線通信端末の位置を測位するための測位コマンドとして、前記ゲートに関連する第1のコマンドと、前記ゲートに関連しない第2のコマンドを有し、
    前記無線通信端末は、前記第2のコマンドよりも前記第1のコマンドの優先度を高くして前記第1のコマンドに反応する、請求項1に記載のゲート装置。
  17. 前記認証部による認証を行った後は、人を検知するセンサから得られる情報に基づいて、前記無線通信端末を保持する人が前記ゲートを通過するまでの間は、前記測位部による測位、又は前記認証部による認証を行わない、請求項1に記載のゲート装置。
  18. 前記無線通信端末が認証されると、前記無線通信端末を保持する人が別途保持する他の端末との通信を非活性化する、請求項1に記載のゲート装置。
  19. 前記無線通信端末が前記ゲートの外の特定の範囲内に入ったことをトリガーとして前記認証のための通信を開始する、請求項1に記載のゲート装置。
  20. 複数の無線通信端末の位置を測位することと、
    測位した前記無線通信端末の位置に基づいて、前記無線通信端末のゲートの通過可否を判断するための認証を行うことと、
    を備える、ゲート装置における方法。
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