JP2009225370A - 無線送信装置、距離判定装置、位置判定装置、及び無線送信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送信機及び受信機間の距離をより簡便に測定することができる技術を提供する。
【解決手段】所定のデータＰａ〜Ｐｃを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために、一度に所定の回数だけ無線送信する無線送信装置において、所定回数のデータの送信に際し、各回の送信出力レベルを異なるものとし、各回で送信するデータ中に、そのデータを送信するときの送信出力レベルに関する情報（出力レベル情報）を含めるようにする。所定のデータには無線送信装置の識別情報（ＩＤ部）が含まれる。また、所定回数のデータの送信は、識別情報に対して予め対応付けられた位置に基づいて受信装置の位置を把握するためのビーコンの送信として、周期的に行われる。
【選択図】図８

Description

本発明は、所定のデータを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために送信する無線送信装置及び無線送信方法、該距離の判定を行う距離判定装置、並びに該受信装置の位置を判定する位置判定装置に関する。

従来、送信機及び受信機間の距離を測定する技術としては、主として、送信機から受信機までの電波の到達時間に基づいて測定を行うもの、及び送信機からの電波を受信機で受信する際の受信電界強度に基づいて測定を行うものが利用されている。電波の到達時間に基づいて測定を行う技術によれば、誤差数センチメートルの精度で送信機から受信機までの距離を測定することができる。また、受信電界強度に基づいて測定を行う技術においては、受信電界強度を表すＲＳＳＩ値に基づいて距離の測定が行われるが、これによれば、２値（近いか遠いか）又は多値（近、中、遠等）の距離測定を行うことができる。

図１２はＲＳＳＩ値に基づいて距離の測定を行う場合の受信機の構成を示す。同図に示すように、送信機からの信号は、高周波処理部９１で受信され、局部発振信号により中間周波数に変換された後、中間周波処理部９２による不要成分の除去や、検波処理部９３における復調がなされ、低周波処理部９４に供給される。その際、検波処理部９３においてＲＳＳＩ信号が検出され、ＡＤコンバータ９５によりデジタル値に変換されて、マイコン９６に供給される。マイコン９６は、供給されるＲＳＳＩ値に基づき、送信機までの距離を判定することができる。

電波の到達時間に基づいて距離の測定を行う技術としては、たとえば特許文献１に記載されているものが知られている。この技術においては、基地局が第１のデータを送信し、これを受信したことに応答して移動局が第２のデータを送信し、これを基地局が受信するまでの時間を基地局が計測することにより基地局と移動局との間の距離を算出するようにしている。

特開平０７−２２６９７６号公報

しかしながら、上述従来の電波の到達時間に基づいて距離測定を行う技術によれば、誤差数センチメートルの測定精度を期待することができるが、少なくとも送信機において、又は送信機及び受信機の双方において、正確で同期のとれた時計を実装する必要がある。あるいは送信機のすべてが同期をとることができる正確な時計若しくは同期をとるためのネットワークを有している必要がある。

また、ＲＳＳＩ値に基づいて測定を行う技術によれば、誤差１[ｍ]前後の測定精度を期待することができるが、コンパレータ又はＡ／Ｄコンバータを必要とする。また、送信機及び受信機間の距離が近い強電界の下では、ＲＳＳＩ値に基づく距離測定を行うことができない。図１３に示すように、送信機及び受信機間がある程度離れており、受信電界強度がＴｈ以下の比較的弱い場合には、ＲＳＳＩ電圧は電界強度に対してほぼ比例するが、距離が近く、電界強度がＴｈ以上の場合には、ＲＳＳＩ電圧は飽和してしまい、電界強度を表すことができないからである。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、送信機及び受信機間の距離をより簡便に測定することができる技術を提供することにある。

この目的を達成するため、第１の発明に係る無線送信装置は、所定のデータを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために、一度に所定の回数だけ無線送信する無線送信装置であって、前記所定回数のデータの送信に際し、各回の送信を、前記距離の判定に利用できるように、異なる所定の送信出力レベルで行うようにしたことを特徴とする。ここで、無線送信装置及び受信装置としてはたとえば、ビーコン受信機の位置の測定に供するビーコンを送信するビーコン送信機、及びそのビーコンを受信し、位置が測定される該ビーコン受信機が該当する。

この構成において、無線送信装置が所定のデータを所定回数無縁送信する際、各回の送信は、異なる所定の送信出力レベルで行われる。たとえば、所定のデータは、大、中、小の３段階のレベルで３回送信される。受信装置がこれを受信する際には、該３段階の送信出力レベルに応じ、３段階の受信電界強度のレベルで受信されることになる。したがって、無線送信装置から受信装置までの距離に応じ、３回分のすべてのデータが受信できたり、一部のみが受信できたり、すべて受信できなかったりすることになる。したがって、どのデータが受信できたかを調べることによって、無線送信装置及び受信装置間の距離を、何段階かにおいて判定することができる。

第２の発明に係る無線送信装置は、第１発明において、前記所定回数のデータの送信に際し、各回で送信するデータ中に、前記データの送信出力レベルに関する情報を含めることを特徴とする。

第３の発明に係る無線送信装置は、第２発明において、前記所定のデータには前記無線送信装置の識別情報が含まれることを特徴とする。

第４の発明に係る無線送信装置は、第３発明において、前記所定回数のデータの送信は周期的に行われることを特徴とする。

第５の発明に係る距離判定装置は、第２〜第４のいずれかの発明に係る無線送信装置と、それが送信するデータを受信する受信装置との間の距離を判定する距離判定装置であって、前記受信装置により受信することができた前記無線送信装置からのデータに含まれる送信出力レベルに関する情報に基づき、前記距離の判定を行うことを特徴とする。

第６の発明に係る位置判定装置は、第３又は第４の発明に係る無線送信装置が送信するデータを受信する受信装置の位置を判定する位置判定装置であって、前記受信装置により受信することができた前記無線送信装置からのデータに含まれる識別情報対して予め定められている位置、及び該データに含まれる送信出力レベルに関する情報に基づき、前記受信装置の位置の判定を行うことを特徴とする。

第７の発明に係る無線送信方法は、所定のデータを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために、一度に所定の回数だけ無線送信する無線送信方法であって、前記所定回数のデータの送信に際し、各回の送信を、前記距離の判定に利用できるように、異なる所定の送信出力レベルで行うことを特徴とする。

本発明によれば、各回の送信を、受信装置との間の距離の判定に利用できるように、異なる所定の送信出力レベルで行うようにしたため、無線送信装置及び受信装置間の距離を簡便な構成で判定することができる。

図１は本発明の一実施形態に係る位置管理システムの構成を示す。同図に示すように、このシステムは、微弱無線（ショートレンジラジオ）のビーコンを送信するビーコン送信機１、このビーコンを受信するビーコン受信機２、ビーコン受信機２に接続された移動局無線機３、移動局無線機３との間で通信を行う基地局４、及び、基地局４に接続され、ビーコン受信機２の位置を管理するための端末管理システムパソコン（以下、単に「パソコン」という。）５を備える。

図２はビーコン送信機１の構成を示すブロック図である。ビーコン送信機１は、同図に示すように、搬送波を生成し、ビーコンデータにより変調を行う発振部１１、発振部１１からの変調された搬送波を増幅し、アンテナから出力する電力増幅部１２、発振部１１及び電力増幅部１２を制御する中央制御処理部１３、及び中央制御処理部１３による制御に用いられる制御情報を記憶する制御情報記憶部１４を備える。ビーコンデータにはビーコン送信機１に固有のビーコンＩＤが含まれる。

制御情報記憶部１４は、ビーコンの送信を行うに際しての、送信周波数、送信出力レベル、送信タイミング、送信内容等の制御情報を記憶する。中央制御処理部１３は、制御情報記憶部１４が記憶している制御情報に基づき、発振部１１における搬送波の周波数、変調等の制御や、電力増幅部１２における出力レベルの制御を行う。

図３はビーコン受信機２の構成を示すブロック図である。ビーコン受信機２は、同図に示すように、アンテナから入力される受信信号から所定の帯域を抽出する帯域フィルタ２１、抽出された所定帯域の受信信号を増幅する高周波増幅部２２、高周波増幅部２２からの高周波を中間周波に変換し、検波を行う局部発振・検波部２３、検波により得られた低周波信号を増幅する低周波増幅部２４、及び低周波増幅部２４からの信号を処理してビーコンデータを得るとともに、高周波増幅部２２における増幅率の制御や、局部発振・検波部２３における局部発振周波数の制御を行う中央制御処理部２５を備える。

図４は移動局無線機３の構成を示すブロック図である。移動局無線機３は、同図に示すように、無線機本体３１、及び無線機本体３１を制御する中央制御処理部３２を備える。中央制御処理部３２はビーコンデータをビーコン受信機３から受け取り、無線機本体３１を介して基地局４に送信する。

図５は基地局４の構成を示すブロック図である。同図に示すように、基地局４は、移動局無線機３との間で通信を行う基地局無線機４１、及び基地局無線機４１を制御し、基地局無線機４１により受信されるビーコンデータをパソコン５に送る中央制御処理部４２を備える。パソコン５においては、各移動局無線機３の位置を管理する端末管理システムが稼動しており、各ビーコン送信機１のビーコンＩＤを、その実際の地図上の位置に対応させたデータベースが設けられている。端末管理システムは、各移動局無線機３に固有のＩＤと、その現在の位置との対応が登録される位置管理データベースを更新し、維持する。

図６はビーコン送信機１からビーコン受信機２ａ及び２ｂに対してビーコンデータが送信されるイメージを示す。所定の繰返し周期で、１サイクル毎に、ビーコン送信機１のビーコンＩＤを含むパケットが、たとえば３つずつビーコン送信機１から送出される。これは従来の位置管理システムにおいても行われていたものであり、このように同一内容のパケットを３つずつ送信するのは、ビーコンＩＤの受信が確実に行われるようにするためである。ただし、本実施形態においては、各サイクル毎の３つのパケットの送信はそれぞれ大、中、小の各送信出力レベルで行われる。したがって、たとえば、ビーコン送信機１に近いビーコン受信機２ａは３つのパケットのすべてを受信することができ、遠いビーコン受信機２ｂは大出力で送られた最初のパケットのみを受信することができる。

図７はビーコン受信機２が受信する各パケットの電界強度を示す。図中のＰａ〜Ｐｃはそれぞれ大、中、小の送信出力レベルでビーコン送信機１から送信されたパケットＰａ〜Ｐｃをビーコン受信機２が受信するときの各パケットについての受信電界強度の変化を示すグラフ図形である。図中のＴｈはビーコン受信機２がパケットを受信することができる受信電界強度の最小値である。

時刻ｔ１から始まるサイクルにおいては、パケットＰａ及びＰｂについては、電界強度がＴｈより大きいので、ビーコン受信機２は受信することができる。パケットＰｃは電界強度がＴｈより小さいので、受信することができない。一方、時刻ｔ２から始まるサイクルにおいては、パケットＰａ〜Ｐｃのいずれについても電界強度がＴｈより大きいので、受信することができる。パケットＰａ〜Ｐｃを受信するときの電界強度はビーコン送信機１からビーコン受信機２までの距離に応じて減少するので、図７の場合、時刻ｔ１〜ｔ２の間に、ビーコン受信機２はビーコン送信機１に対し、近づいたことがわかる。ビーコン受信機２が受信できたパケットは、移動局無線機３によって、基地局４に送信される。

図８はビーコン送信機１が送信するパケットの形式を示す。ビーコンの送信は一定の周期でサイクリックに行われるが、同図に示すように１サイクルの期間は送信期間Ｔ１及び休止期間Ｔ２により構成される。送信期間Ｔ１において、所定の大、中、小の送信出力レベルでそれぞれ３つのパケットＰａ、Ｐｂ、及びＰｃが送信される。各パケットは、送信先アドレス等の制御情報が格納されるヘッダ、そのパケットを送信するビーコン送信機１のビーコンＩＤが格納されるＩＤ部、ヘッダ及びＩＤ部の誤り検出を行うためのチェックサム、そのパケットが大、中、小のいずれの送信出力レベルで送信されるかを示す出力レベル情報、通信制御用の情報が格納されるフッタ、及び総合チェックサムの各フィールドにより構成される。パケットＰａ、Ｐｂ、及びＰｃにおけるＩＤ部の内容は同一であり、出力レベル情報の内容が異なっている。

図９はビーコン受信機２が受信するパケットＰａ〜Ｐｃに基づいて、ビーコン送信機１からビーコン受信機２までの距離を判定する方法を示す。この判定は、後述するようにパソコン５の位置管理システムにより行われる。図の横軸はビーコン送信機１からビーコン受信機２までの距離であり、縦軸はビーコン受信機２におけるパケットＰａ〜Ｐｃを受信するときの電界強度である。受信電界強度がＴｈ以上のとき、パケットＰａ〜Ｐｃの受信を行うことがでる。図中のＡは送信出力レベルが大であるパケットＰａについてのグラフ曲線、Ｂは送信出力レベルが中であるパケットＰｂについてのグラフ曲線、そしてＣは送信出力レベルが小であるパケットＰｃについてのグラフ曲線である。

同図に基づき、パケットＰａ、Ｐｂ、及びＰｃのいずれも受信することができた場合、ビーコン送信機１及びビーコン受信機２間の距離Ｄはｄ１以下、すなわち近距離であると判定することができる。パケットＰａ及びＰｂを受信することができ、パケットＰｃを受信することができない場合には、距離Ｄはｄ１を超えるがｄ２以下であり、中距離であると判定することができる。パケットＰａを受信することができ、パケットＰｂ及びＰｃを受信することができない場合には、距離Ｄはｄ２を超えるがｄ３以下であり、遠距離であると判定することができる。パケットＰａ、Ｐｂ及びＰｃのいずれも受信することができない場合には、距離Ｄはｄ３を超えており、ビーコン受信機２はビーコン送信機１の通信圏外に位置すると判定することができる。

図１０は位置管理システムの動作を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ビーコン送信機１が１サイクル分のビーコンを送信する（ステップＳ１）。送信に際し、ビーコン送信機１の中央制御部１３は、ビーコンを構成するパケットＰａ〜ＰｃのＩＤ部に自己のビーコンＩＤを格納する。また、パケットＰａ〜Ｐｃの出力レベル情報のフィールドにはそれぞれ、制御情報記憶部１４において規定された大、中、小の送信出力レベルを示す情報を格納する。そして、パケットＰａ〜Ｐｃをそれぞれ、その大、中、小の送信出力レベルで、かつこの順序で送信する。

これに応じ、ビーコン受信機２は送信されたパケットＰａ、Ｐｂ又はＰｃのうちの可能なものを受信する（ステップＳ２）。つまり、図９におけるＴｈ以上の電界強度で受信されるパケットを受信することができる。ビーコン受信機２はパケットＰａ、Ｐｂ又はＰｃの受信に際し、受信することができた最後のパケットのビーコンデータを無線機用データとし、シリアルケーブルを介して移動局無線機３へ送る（ステップＳ３）。したがってこのデータに含まれる出力レベル情報の内容は、受信できたパケットＰａ、Ｐｂ又はＰｃの出力レベル情報の内容のうち、最小の出力レベルを示すものとなる。

この無線機用データを受信すると（ステップＳ４）、移動局無線機３は、この無線機用データを送信するためのデータ通信用メッセージを生成し（ステップＳ５）、基地局４へ送信する。このメッセージには、移動局無線機３に固有の無線機ＩＤが含められる。このメッセージを受信すると（ステップＳ６）、基地局４は、無線機用データを再生成し（ステップＳ７）、シリアルケーブルを介してパソコン５へ送る。この無線機用データを受信すると（ステップＳ８）、パソコン５の位置管理システムは、無線機用データからビーコンＩＤを取り出し（ステップＳ９）、ビーコン無線機１及び移動局無線機３間の距離を判定する（ステップＳ１０）。

距離の判定は、無線機用データ中の出力レベル情報に基づいて行うことができる。すなわちこの出力レベル情報が示す送信出力レベルは、受信できたパケットＰａ、Ｐｂ、又はＰｃの送信出力レベルのうちの最小ものであるので、図９に示されるとおり、その最小の送信出力レベルが小出力、中出力、又は大出力かに応じ、距離はそれぞれ所定の近距離、中距離、遠距離であると判定することができる。

この判定結果に基づき、位置管理システムは、位置管理データベースにおける移動局無線機３についてのレコードを更新する（ステップＳ１１）。すなわち、無線機用データ中のビーコンＩＤに対応する地図上の位置をデータベースに基づいて取得し、その位置及びステップＳ１０における判定結果に基づいて、移動局無線機３の位置を求め、移動局無線機３の無線機ＩＤに対応するレコードを更新する。

図１１はビーコン受信機２の中央処理制御部２５による処理を示すフローチャートである。この処理においては、１サイクルで送信される各パケットのうち、受信できた最後のものがビーコンバッファに残るようにしてそのビーコンデータを取得し、これを無線機用データとして、移動局無線機３に供給するようにしている。すなわち、処理を開始すると中央処理制御部２５は、まず、ステップ７１においてビーコン受信機２を受信待機状態とし、ステップ７２においてビーコンの受信の有無を判定する。ビーコンを受信したと判定した場合にはステップ７３へ進み、得られたビーコンデータによってビーコンバッファを上書きし、さらにステップ７４において送信待機タイマをリセットして、ステップ７１に戻る。この送信待機タイマは、１サイクルの送信が終了し、そのサイクルについての無線機用データの供給を行うタイミングを判定するために用いられる。

ステップ７２においてビーコンを受信しなかったと判定した場合にはステップ７５へ進み、ビーコンバッファが空であるかどうかを判定する。空であると判定した場合にはステップ７１に戻る。空ではないと判定した場合にはステップ７６へ進み、送信待機タイマがオーバフローしたかどうかを判定する。オーバフローしていないと判定した場合にはステップ７１へ戻る。オーバフローしたと判定した場合には、ステップ７７へ進み、ビーコンバッファの内容を無線機用データとして、移動局無線機３に供給する。このデータが移動局無線機３の位置を示す位置情報として基地局４に報告されることになる。この後、ステップ７８においてビーコンバッファの内容を破棄し、ステップ７１に戻る。

本実施形態によれば、１サイクルで送信する各パケットを異なる送信出力レベルで送信するとともに、その送信出力レベルの情報をそのパケットに含めるようにしたため、ビーコン受信機２が受信できたパケットの送信出力レベル情報に基づき、ＧＰＳやＲＳＳＩを用いる必要なく、ビーコン送信機１及びビーコン送信機２間の距離を判定することができる。

したがって、屋内や、坑内等のＧＰＳの使用が不可能な場所において、ＲＳＳＩ値をデジタルデータに変換するためのＡＤコンバータを設ける必要なく、ビーコン受信機２の位置を判定することができる。また、ＲＳＳＩ値を用いないので、ビーコン送信機１及びビーコン受信機２間の距離がＲＳＳＩ値の飽和により測定不能なほど近い場合でも、ビーコン送信機１における各パケットの送信出力レベルを適切に設定することにより、１サイクルにおけるパケット数に応じた分解能で距離の判定を行うことができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、適宜変形して実施することができる。たとえば、上述においては、１サイクルで送信するパケット数を３として説明したが、これに限らず４以上のパケットを送信し、これらを４以上の異なる送信出力レベルで送信するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る位置管理システムの構成を示す図である。 図１のシステムにおけるビーコン送信機の構成を示すブロック図である。 図１のシステムにおけるビーコン受信機の構成を示すブロック図である。 図１のシステムにおける移動局無線機の構成を示すブロック図である。 図１のシステムにおける基地局の構成を示すブロック図である。 図１のシステムにおいてビーコンデータが送信されるイメージを示す図である。 図１のシステムにおいてビーコン受信機が受信する各パケットの電界強度を示す図である。 図１のシステムにおけるビーコンのパケットの形式を示す図である。 図１のシステムにおけるビーコン送信機からビーコン受信機までの距離の判定方法を示す図である。 図１のシステムの動作を示すフローチャートである。 図１のシステムのビーコン受信機の処理を示すフローチャートである。 従来のＲＳＳＩ値に基づいて距離測定を行う受信機の構成を示すブロック図である。 受信電界強度及びＲＳＳＩ電圧間の関係を示すグラフである。

符号の説明

１：ビーコン送信機、２，２ａ，２ｂ：ビーコン受信機、３：移動局無線機、４：基地局、５：パソコン、１１：発振部、１２：電力増幅部、１３：中央制御処理部、１４：制御情報記憶部、２１：帯域フィルタ、２２：高周波増幅部、２３：局部発振・検波部、２４：低周波増幅部、２５：中央制御処理部、３１：無線機本体、３２：中央制御処理部、４１：基地局無線機、４２：中央制御処理部、９１：高周波処理部、９２：中間周波処理部、９３：検波処理部、９４：低周波処理部、９５：ＡＤコンバータ、９６：マイコン、Ａ，Ｂ，Ｃ：グラフ曲線、Ｐａ〜Ｐｃ：パケット。

Claims (7)

1. 所定のデータを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために、一度に所定の回数だけ無線送信する無線送信装置であって、
   前記所定回数のデータの送信に際し、各回の送信を、前記距離の判定に利用できるように、異なる所定の送信出力レベルで行うようにしたことを特徴とする無線送信装置。
2. 前記所定回数のデータの送信に際し、各回で送信するデータ中に、前記データの送信出力レベルに関する情報を含めることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 前記所定のデータには前記無線送信装置の識別情報が含まれることを特徴とする請求項２に記載の無線送信装置。
4. 前記所定回数のデータの送信は周期的に行われることを特徴とする請求項３に記載の無線送信装置。
5. 請求項２〜４のいずれかの無線送信装置と、それが送信するデータを受信する受信装置との間の距離を判定する距離判定装置であって、
   前記受信装置により受信することができた前記無線送信装置からのデータに含まれる送信出力レベルに関する情報に基づき、前記距離の判定を行うことを特徴とする距離判定装置。
6. 請求項３又は４の無線送信装置が送信するデータを受信する受信装置の位置を判定する位置判定装置であって、
   前記受信装置により受信することができた前記無線送信装置からのデータに含まれる識別情報に対して予め定められている位置、及び該データに含まれる送信出力レベルに関する情報に基づき、前記受信装置の位置の判定を行うことを特徴とする位置判定装置。
7. 所定のデータを、これを受信する受信装置との間の距離の判定に供するために、一度に所定の回数だけ無線送信する無線送信方法であって、
   前記所定回数のデータの送信に際し、各回の送信を、前記距離の判定に利用できるように、異なる所定の送信出力レベルで行うことを特徴とする無線送信方法。

Images