JP2009055138A - トレーニングデータの収集方法及びこれを用いた移動体通信端末の位置検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ある一の基地局A1の設定近傍域内に位置しているPHS端末10が得た電波情報を近似的に一の基地局A1の位置で得た電波情報とみなして、これを一の基地局A1の位置情報と組としたトレーニングデータとなし、同様にして他の各基地局ごとにトレーニングデータを取得する。そしてこれを位置情報提供センタのサーバで収集して、これに基づき各基地局ごとに基地局の位置座標周りの電波強度分布を求めて、電波マップを構築し、その電波マップと位置検出対象としてのPHS端末10から得た現在の受信電波情報とを比較して、PHS端末10の現在位置を検出する。
【選択図】 図3
Description
従って移動体通信端末の保有している電波情報から、詳しくは近くに位置している基地局の識別情報と、基地局からの受信電波強度情報とから、移動体通信端末の現在位置を割り出すことが可能である(基地局が特定できれば基地局の位置している緯度,経度等の位置情報が分り、また基地局からの電波出力の大きさも分る)。
基地局と移動体通信端末との関係を利用したこの種の位置検出方法は、GPS受信器による位置検出方法と比較して位置情報の精度が劣るものの、GPS電波の届かない家屋内や地下鉄等でも利用でき、またGPS受信器を備えることによる端末の大型化を避けることができ、更に消費電流が少なくて済むなどのメリットがあり、大まかな位置を絞込みするための有用な方法として利用されている。
こうしたことからPHS端末を利用した位置検出は有用な方法として研究が進められている。
基地局の位置情報及び電波出力の大きさは予め分っており、また電波の強度は発信源からの距離の二乗に反比例し、距離が長くなるほど減衰していくため、受信電波強度から、電波発信源となる基地局までの距離を計算により推測し、算出することができる。
従って複数の基地局に対して、それら基地局までの距離を受信電波強度から算出することで、移動体通信端末の現在位置を知ることが可能である。
例えば下記特許文献1にこの種のトレーニングデータ,電波マップを利用した位置検出方法が開示されている。
同図に示しているようにトレーニングデータ収集は、作業者がGPS受信器と無線デバイス搭載機器とを持ち、測定対象範囲内を移動しながら、各場所(地点)において観測される無線基地局のID(識別番号即ち識別情報)や、観測される電波状況をログデータとして収集する。
図に即して見ると、地点(x,y)では各基地局A1〜A6からの受信電波強度がそれぞれS1〜S6の値を示しており、位置情報とその場で得られる電波情報とを組としてトレーニングデータとして記録する。
そしてこうした作業を全国あらゆる場所でくまなくこれを行ってトレーニングデータを収集し、これに基づいて電波マップを構築する。
即ち従来のトレーニングデータの収集方法及びこれに基いて構築した電波マップを利用した位置検出方法にあっては、常にトレーニングデータ,電波マップを補正し続けなければならず、従来にあってはそのために要する人的,時間的,コスト的な負荷が大であった。
但し本発明では基地局地点(基地局の設定近傍域内の地点)での移動体通信端末の得た電波情報をトレーニングデータとして用いるために、以下のような特有の効果が得られる。
そのため従来にあってはGPS受信器を携行し、そのGPS受信器により位置を特定しながらその地点で電波観測を行う。
しかしながらこうした手法をとる限り、多大な人的労力,時間,コストを要してしまう。
移動体通信端末は、電波観測した基地局を識別する識別情報及びその基地局からの電波の強度即ち電波情報を、もともと保有している。但し移動体通信端末が電波を受信し、電波情報を保有しているからといって、それがどの地点で電波観測したものかは一般的には分らない。
具体的には、移動体通信端末が近似的にその基地局に位置しているとみなして、移動体通信端末を位置特定することが可能となる。
この場合移動体通信端末が、その基地局から受けている電波強度を有力な手掛かりとすることができる。
例えば基地局から10m離れた地点,或いは20m,30m離れた地点でのそれぞれの電波の大きさはそれほど変らないが、基地局から数mの範囲内の近傍域内と、基地局から10m以上離れた地点とでは、電波の強度或いは減衰曲線の傾き等が大きく異なったものとなる。
そしてこのことによって、基地局地点で移動体通信端末が観測した電波情報を、基地局の位置情報と組として、これをトレーニングデータとして扱うことが可能となる。
即ち本発明では、積極的にその意図を持ってトレーニングデータを取得し収集する作業を行わなくても、必要とするトレーニングデータを自動的に取得し収集することが可能である。
位置情報提供側のサーバと通信するのであればピギーバックを利用しなくとも、通信しているデータの前後等にトレーニングデータを加えて送信しても良い。
ピギーバックとは、複数のデータを同時に(重ねて)送ることで、ピギーバックに対応した通信を中継する通信端末が、ピギーバックで送られてきたデータを複数の個々のデータへ分けることで、通信相手と位置情報提供側のサーバへデータを送信することが可能である。
この請求項6の位置検出方法は、上記にて収集したトレーニングデータ及びこれを基に構築した電波マップと移動体通信端末から得た受信電波情報との比較により位置検出の求められている移動体通信端末の現在位置を割り出すものであるが、この請求項6の方法で用いるトレーニングデータは、あらゆる地点で電波観測して得たものではなく、上記のように原則として基地局近傍域内で得たトレーニングデータに限られている。
前述したように基地局から発せられた電波の電波強度は基地局からの距離の二乗に反比例し、減衰する。その減衰の程度は理論計算によって求めることが可能である。
しかしながら途中に電波遮蔽物や障害物等があったりすると、減衰の程度は大きく変化し、計算した通りにはならない。
即ちその基地局の位置情報と、その近傍域内で移動体通信端末により観測された電波情報とを組としたトレーニングデータ(基地局近傍域内で観測された電波情報は近似的に基地局の位置で観測されたものとみなす)に基づいて、基地局の位置座標周りの電波強度分布を求める。
これは次のようにして行うことができる。
また移動体通信端末(厳密には移動体通信端末が近傍に位置しているところの基地)と電波観測した他の各基地局までの距離、及び電波発信源たる他の各基地局のそれぞれの電波出力の大きさは分る(各基地局の位置は固定でその位置情報、つまり近似的にある基地局に位置しているとみなした移動体通信端末と各基地局間の距離は分る)ので、そこで横軸に各基地局までの距離を、縦軸に各基地局ごとに観測した電波の受信強度をとってプロットし、それらプロットにフィットする最適の減衰曲線を求めることで、移動体通信端末の位置している(厳密には近傍に位置している)基地局周りの電波強度分布を求める。
そのようにして複数の基地局について電波強度分布を求めたものを併せて、その集合体としての電波マップを構築する。
例えばその手法として、従来公知のパーティクルフィルターによる手法を用いることができる。
図1において、10はPHS端末(移動体通信端末)で、基地局A,PHS接続装置14を介して公衆電話回線網16、或いはインターネットプロバイダ(のホストコンピュータ)28を通じてインターネット30に接続される。
そして公衆電話回線網16を通じて固定電話20や他のPHS端末等の移動体通信端末,位置情報提供センタ22のサーバ24と通信が可能である。或いはインターネット30を通じ、位置情報提供センタ22のサーバ24と通信が可能である。
尚18は公衆電話回線網16における交換局を表している。
位置情報提供センタ22に対する位置情報の要求は、PHS端末10からも行うことができるし、またパソコン32からも行うことが可能である。
尚34は、公衆電話回線網,インターネット30等の有線の公衆通信網を表している。
このときの位置検出及び位置情報の提供は次のようにして行われる。
例えばPHS端末10が、自身の現在位置の情報提供を求める信号を基地局A,公衆電話回線網16或いはインターネット30を通じて位置情報提供センタ22に送信すると、サーバ24側からPHS端末10の保有している受信電波情報を取得し、そしてその取得したPHS端末10の受信電波情報を、予めサーバ24にデータベース化してある電波マップ(電波マップの構築の仕方については後に詳述する)と比較照合して、PHS端末10の現在位置を割り出す。そしてその結果をインターネット30或いは公衆電話回線網16を通じてPHS端末10に伝送する。
この場合の位置検出の方法は上記したのと同様である。
而してトレーニングデータの取得及び収集は次のようにして行う。
PHS端末10は、常時基地局と関連づけた受信電波強度即ち電波情報を保有し且つこれを刻々と更新しているが、それぞれの電波情報をどの位置で取得したかは不明であり、従ってその電波情報はトレーニングデータとして利用することはできない。
但しその電波情報が、何れかの基地局の位置する地点で取得したものであれば、それはトレーニングデータとなり得る。
基地局はその全ての位置が固定で且つ既知であり、従って観測した電波情報が、何れの地点で受信したかを特定することが可能となるからである。
但しその場合には、PHS端末10が何れの基地局の地点で電波受信したのかが分らないといけない。
基地局から発信される電波の電波強度は、基地局からの距離の二乗に反比例し、減衰する。
その電波の減衰特性上、例えば基地局から10m,20m,30mないしそれ以上離れた地点では、何れも電波強度は大差のないものとなるが、これに対して基地局から数m程度例えば2m程度の近い位置である場合、10m以上離れた地点に比べて電波強度は明らかに高く、また僅かに距離が変化しても減衰の変化程度は大きい。
換言すれば、PHS端末10が受信した電波の強度が、特定の基地局に関して著しく高い場合には、PHS端末10はその特定の基地局近傍に位置していることを意味する。
この図2は、基地局から2m離れた地点及び10m,20m,30m,80m離れた地点を、歩行者が歩きながら電波受信強度を観測し、得られた多数の観測値(減衰強度)を横軸に、観測値(サンプルデータ)の累積値を縦軸にとって表したものである。
従ってある基地局に対し、そこからの受信電波強度を観測することで、PHS端末10がその基地局の近傍域内に位置しているか否かを知ることができる。
従ってこの実施形態では、PHS端末10に備えられた制御回路自体が、PHS端末10が何れかの基地局の近傍域内に位置しているか否かを判定する判定手段を成している。
但し各基地局から発信される電波の出力は同じ大きさではなく、様々に異なっている。
従ってしきい値の設定は、基地局から発信される電波の出力の大小に応じて設定される(位置情報提供側がしきい値の設定及び必要に応じて更新もできる)こととなる。
従ってPHS端末10には、基地局ごとに設定されたしきい値を内部に保有しており、そのしきい値との比較により、PHS端末10が基地局の近傍域内に入り込んだか否かが判定される。
図に示しているようにPHS端末10を保持した使用者が基地局A1に向って移動しているとき、PHS端末10で観測される基地局A1からの受信電波強度が、基地局A1に対応して設定されたしきい値K1を超えると、そこでPHS端末10が基地局A1周りの近傍域内で電波受信したものと判定されて、その受信電波情報が、トレーニングデータとして自動的に記憶され保存される。
同図に示しているようにPHS端末10は、使用者が各地を移動する中で(ステップS12)、電波情報を常時収集し(ステップS14)、そしてPHS端末10の受信電波強度がある基地局に関して設定されたしきい値よりも高くなったときに(ステップS16)、これをトレーニングデータとして保存する(ステップS18)。そして保存したトレーニングデータを、位置情報提供センタ22のサーバ24若しくは他の通信端末との通信のタイミングで同位置情報提供センタ22のサーバ24に自動的に送信する(ステップS20)。
このときPHS端末10の使用者は、意図的にトレーニングデータを送信することはせず、そのトレーニングデータは他の通信端末との通信を行ったタイミングで、例えば位置情報提供の求めに応じて位置情報提供センタ22のサーバ24とPHS端末10との間で行われる通信、詳しくは位置情報の検出や提供の通信のタイミングで、自動的に位置情報提供センタ22のサーバ24へと送信される。
更にその後同じPHS端末10、或いは別のPHS端末10が新たな最新のトレーニングデータを取得した場合にも、そのトレーニングデータが、日常的にサーバ24へと送信され、サーバ24側において必要に応じトレーニングデータ及びこれを基礎とした後述の電波マップの補正(修正)が行われる。
同図に示しているように、基地局A1近傍域内においてPHS端末10にて得られたトレーニングデータには、他の基地局A2,A3,A4,A5,A6の各基地局から発信された電波の受信強度情報が含まれている。
他の基地局A3,A4,A5,A6の各基地局近傍域内でPHS端末10にて得られたトレーニングデータについても同様である。
S3,S4,S5,S6についても、対応する符号の基地局から発信された電波の受信強度を表している。
例えば基地局A1周りの電波強度分布を求める場合、基地局A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9(図6参照。尚図4では基地局A7,A8,A9は図示省略されている)から発信された電波の基地局A1近傍域内での受信電波強度と、基地局A1から各基地局A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9までの距離を対とし(基地局A2〜A9までの距離はそれぞれの基地の位置が既知であるので計算で求めることができる)、そして横軸に基地局A1から各基地までの距離を、縦軸に受信電波強度をとって、それぞれのトレーニングデータをプロットする。
そして全てのプロット点からの距離を最小とする指数関数近似を最小二乗法により行って、図6(B)の式Qを求める。
図7において直交する横軸x,yは位置座標軸を表しており、また縦軸zは電波強度を表している。
尚この図では、−80dBmを観測可能な限界位置として、−80dBmより小さい電波強度(数値の絶対値の大きい)ものについては表していない。
即ち他の各基地局ごとに、対応する基地局の位置座標周りの電波強度分布を求める。そしてその集合体としての電波マップを構築する。
図9はその電波マップの要部をモデル的に表している。
図に示しているようにここではステップS22において、PHS端末10からトレーニングデータ群を取得(収集)し、そして収集したトレーニングデータ群から、特定の基地局Aiからの電波を受信し得たトレーニングデータ群を抽出する。
そしてステップS28において、距離と受信電波強度の対から基地局Ai周りの電波強度分布を求めて、トレーニングデータが存在していない基地局間の電波強度を補間する。
そして同様の処理を複数の基地局ANまで全て行い、それらの集合体である電波マップを構築する。
尚図示はしていないが、抽出したトレーニングデータ群でその値が有用でないような小さなものについては、電波強度分布の計算には用いない。
そして何れかのPHS端末10についての位置情報の提供が求められたときに、そのPHS端末10の保有する受信電波情報をサーバ24側で取得して、これを電波マップと比較照合し、位置情報を求めているPHS端末10の現在位置を割り出す。
そしてその位置を従来公知の手法を用いて推定し、これを位置情報提供を求めている相手側に送信し、現在位置を知らせる。
サーバ24は常時こうした動作を行って、常に最新のトレーニングデータを収集及びこれに基づいて電波マップを構築し、位置情報検出に際しこれを用いて位置の割り出しを行う。
尚、送信の相手側はPHS端末10自身であったり、或いはパソコン32を通じて位置情報提供を求めてきたユーザであったりする。
ここではその割り出しの手法としてパーティクルフィルタ手法を用いることができる。
ここで本実施形態による位置検出は、基地局として無線LANの基地局を用い、そして人が無線端末を携行して歩きながらその時々の位置検出を行い、その位置検出結果を、横軸に経過時間を縦軸に実際に計測した位置との間の推定誤差を採って表している。
また比較例1の方法は、トレーニングデータを用いない位置検出の方法であって、無線端末の観測データの電波強度値から、理論的な電波の自由空間損失の式を用いて電波観測された各基地局への推定距離を求め、受信端末の現在位置を割り出す方法である。
因みに本実施形態の方法の場合、測定した範囲内での位置検出の平均誤差は約18m程度であったが、比較例1の方法の場合、平均誤差は約54mである。
図13から、GPS受信器を用いてトレーニングデータを収集し、その結果から無線端末の位置検出を行う比較例2に比べて、本実施形態の方法は精度的には劣るものの、その差は比較的僅かであることが見てとれる。
22 位置情報提供センタ
24 サーバ
34 公衆通信網
Ai 基地局
Claims (6)
- 位置の判明した地点で電波観測して得た、該地点の位置情報と、観測した基地局の識別情報及び該基地局から受けた受信電波強度を含む電波情報とを組としたトレーニングデータを、PHS端末等所定の移動体通信端末の現在位置を検出するための基礎データとして収集するトレーニングデータの収集方法であって、
ある一の基地局の設定近傍域内に位置している前記移動体通信端末が他の基地局に関して観測により得た前記電波情報を近似的に該一の基地局の位置で取得した電波情報とみなして、これを該一の基地局の位置情報と組とした前記トレーニングデータとなし、該一の基地局以外の他の基地局についても各基地局ごとに該トレーニングデータを取得して、それら取得したトレーニングデータを収集することを特徴とするトレーニングデータの収集方法。 - 請求項1において、前記トレーニングデータを取得する際、前記移動体通信端末が前記ある一の基地局の設定近傍域内に位置しているか否かを、該移動体通信端末が該一の基地局から受けている電波に基づいて判定手段により自動的に判定することを特徴とするトレーニングデータの収集方法。
- 請求項2において、前記判定手段は、前記移動体通信端末が前記一の基地局から受けている電波強度が、設定したしきい値よりも大であることを検知することで、該移動体通信端末が該一の基地局の前記設定近傍域に位置するものと判定することを特徴とするトレーニングデータの収集方法。
- 請求項3において、前記移動体通信端末に前記トレーニングデータを記憶しておき、該移動体通信端末と位置情報提供側のサーバ若しくは他の通信端末との間で該トレーニングデータの送信以外の目的で通信が行われたタイミングで、記憶してある該トレーニングデータを該位置情報提供側のサーバに自動的に送信し、該位置情報提供側のサーバで該送信された該トレーニングデータを収集することを特徴とするトレーニングデータの収集方法。
- 請求項4において、前記トレーニングデータを送信する際の前記通信が、位置情報の提供の求めに応じて前記位置情報提供側のサーバと前記移動体通信端末との間で行われる通信であることを特徴とするトレーニングデータの収集方法。
- 請求項1〜5の何れかにおいて得た前記トレーニングデータを位置情報提供側のサーバで収集するとともに、該収集したトレーニングデータに基づいて各基地局ごとに該基地局の位置座標周りの電波強度分布を求めることで、該トレーニングデータの得られていない基地局間の地点を含む広域に亘った電波マップを構築して予め該サーバにデータベース化しておき、位置検出対象である前記移動体通信端末が観測により得た現在の受信電波情報を、該位置情報提供側で該移動体通信端末との通信で取得して該受信電波情報を前記電波マップと比較し、該移動体通信端末の現在位置を割り出すことを特徴とする移動体通信端末の位置検出方法。
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