JP6572848B2 - 距離推定システム - Google Patents

Description

本発明は、通信相手としての他の通信端末（以降、相手局）から送信された信号を受信することによって、当該相手局との距離を推定する技術に関する。

従来、第１の通信端末（以降、第１端末）と、第２の通信端末（以降、第２端末）が相互に無線通信を実施するシステムにおいて、第１端末が、第２端末から送信される信号の受信状況に基づいて、第１端末に対する第２端末の距離（以降、端末間距離）を推定する技術が種々検討されている。

例えば特許文献１には、第１端末が、第２端末に向けて応答を要求する信号を送信してから、第２の通信端末からの応答を受信するまでの時間（以降、ラウンドトリップ時間）を測定し、当該ラウンドトリップ時間と電波の伝搬速度に基づいて端末間距離を推定する方法について言及されている。

なお、第１、第２端末の通信方式としては、変調方式としてオンオフ変調方式を用いるＵＷＢ−ＩＲ（Ultra Wide Band - Impulse Radio）方式がある。ＵＷＢ−ＩＲ方式は、極短時間（例えば数ｎｓ）のパルス幅の信号（つまりインパルス信号）を送出することで通信を行う方式である。ＵＷＢ−ＩＲ方式にオンオフ変調方式が適用された場合、送受信予定時刻におけるインパルス信号の有無がデジタルデータのビット値（つまり０／１）を示す。

特開２０１４−８４５９５号公報

第２端末が、第１端末から送られてきた信号をそのまま返送するのではなく、受信信号の内容に応じた応答信号を生成して返送するように構成されている場合、ラウンドトリップ時間には、第２端末が受信信号に応じた応答信号を生成するための演算処理に要する時間（以降、演算所要時間）が含まれることになる（これを想定構成とする）。

例えば、第１端末と第２端末とが、チャレンジ／レスポンス方式による認証処理を無線通信によって実施するシステムにおいて、第１端末によるチャレンジ信号の送信が完了してからレスポンス信号を受信するまでの時間をラウンドトリップ時間として採用する場合には、第２端末においてレスポンス信号を生成するための演算所要時間がラウンドトリップ時間に含まれる。

ラウンドトリップ時間に含まれる演算所要時間は、実際には電波が伝搬していた時間ではないため、仮にラウンドトリップ時間をそのまま電波が伝搬していた時間（いわゆる飛行時間）と見なして端末間距離を算出すると、算出される端末間距離には演算所要時間の長さに応じた誤差が生じる。

そのような課題に対して、第２端末における演算所要時間の想定値を予め規定しておき、測定されたラウンドトリップ時間から演算所要時間の想定値を除外すれば、推定される端末間距離と実際の値との誤差は或る程度抑制できる。

しかしながら、演算所要時間の設計値と実際の値との間には、第２端末が備えるクロック発振器の精度に応じた誤差が含まれる。また、第１端末が備えるクロック発振器の精度に応じて、ラウンドトリップ時間として計測される時間自体にも誤差が含まれる。そのような各クロック発振器の精度に由来する誤差の影響は、演算所要時間が長いほど、また、トータルとしてのラウンドトリップ時間が長いほど、積み重なって大きくなる。

当然、ラウンドトリップ時間に含まれる誤差が大きいほど、ラウンドトリップ時間から定まる飛行時間の誤差も大きくなる。飛行時間の誤差は、推定される端末間距離の精度に影響を与えるため、飛行時間の誤差は小さいほど好ましい。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、第１の通信端末と第２の通信端末との距離をより精度よく推定可能な距離推定システムを提供することにある。

その目的を達成するための本発明は、インパルス信号を送受信することによってオンオフ変調方式の無線通信を実施する第１の通信端末である第１端末（１）及び第２の通信端末である第２端末（２）を備える距離推定システムであって、第１端末は、第２端末に対して応答信号の返送を要求する応答要求データを生成するデータ生成部（Ｆ１）と、応答要求データを構成するビット列に応じて所定の間隔でインパルス信号を配置した応答要求信号を送信するとともに、応答要求信号の送信が完了した以降において所定時間、所定の送信間隔でインパルス信号を同期用信号として逐次送信する第１端末側送信部（１２）と、応答要求信号に対する応答信号として第２端末から返送されてくる複数のインパルス信号を受信する第１端末側受信部（１３）と、を備え、第２端末は、応答要求信号を受信する第２端末側受信部（２３）と、第２端末側受信部が受信した応答要求信号を復調することによって特定される、応答要求データとしてのビット列に基づいて応答データを生成する応答データ生成部（Ｆ２２）と、応答データ生成部が生成した応答データとしてのビット列において送信対象とするビットを、先頭ビットから後尾ビットへと同期用信号を受信する度に１つずつ後ろ側にずらしていく送信対象ビット設定部（Ｆ２３）と、同期用信号を受信した時点において送信対象とするビットの値が、インパルス信号を送信するべき値である場合にはインパルス信号を送信する一方、インパルス信号を送信するべき値ではない場合にはインパルス信号を送信しない第２端末側送信部（２２）と、を備え、第１端末は、さらに、同期用信号を送信してからインパルス信号を受信するまでの時間をラウンドトリップ時間として計測するラウンドトリップタイマ（Ｆ１４）と、ラウンドトリップタイマが計測したラウンドトリップ時間からインパルス信号が空間を伝搬していた飛行時間を特定し、当該飛行時間とインパルス信号が空間を伝搬する速度である伝搬速度に基づいて、第２端末との距離を推定する距離推定部（Ｆ１５）と、を備えることを特徴とする。

以上の構成における第１端末は、応答要求信号の送信が完了した以降において所定時間、所定の送信間隔でインパルス信号を同期用信号として逐次送信する。また、第２端末は、応答データの各ビットの値を順次、インパルス信号を送信／非送信することによって第１端末に伝える。具体的には、送信対象とするビットの値がインパルス信号を送信するべき値（例えば１）である場合には、同期用信号の受信をトリガとしてインパルス信号を送信する。

そして、第１端末が備えるラウンドトリップタイマは、同期用信号を送信してからインパルス信号を受信するまでの時間をラウンドトリップ時間として計測する。

このような構成によって計測されるラウンドトリップ時間には、第２端末が応答要求データに応じた応答要求データを生成するための処理を実行する時間（つまり演算所要時間）が含まれない。そのため、第２端末における演算所要時間の想定値と実際の演算所要時間との差異が、飛行時間の誤差として反映されることはない。

また、上記構成によって計測されるラウンドトリップ時間には第２端末における演算所要時間が含まれないため、ラウンドトリップ時間として計測される時間自体が、上述した想定構成よりも短くなる。その結果、第１端末が備えるクロック発振器の精度に由来する誤差が、計測されるラウンドトリップ時間に含まれる量も低減できる。

つまり、以上の構成によれば、第２端末における演算所要時間の想定値と実際の演算所要時間との差異や第１端末が備えるクロック発振器の精度に由来する誤差がラウンドトリップ時間に含まれにくい。そのため、ラウンドトリップ時間から算出される飛行時間が実際の値とずれてしまうことを抑制することができる。つまり、飛行時間をより精度よく特定することができる。その結果、第１の通信端末と第２の通信端末との距離をより精度よく推定できる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

距離推定システム１００の概略的な構成を示すブロック図である。 第１端末側制御部１１の概略的な構成を示す機能ブロック図である。 距離推定システム１００が採用している変調方式を説明するための図である。 第１端末側制御部１１の概略的な構成を示す機能ブロック図である。 第２端末側制御部２１の作動を説明するためのフローチャートである。 本実施形態における距離推定システム１００の作動を説明するための図である。 比較構成の作動を表した図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る距離推定システム１００の概略的な構成の一例を示す図である。距離推定システム１００は、図１に示すように、第１の通信端末である第１端末１と、第２の通信端末である第２端末２と、を備える。

第１端末１は、ユーザによって携帯されるものでもよいし、車両などの移動体に搭載されるものでもよい。また、道路や施設等に固定されていてもよい。さらに、可搬型の装置であっても良い。第２端末２も同様である。以降において第１端末１と第２端末２とを区別しない場合には通信端末と記載する。

第１端末１と第２端末２は、UWB-IR （Ultra Wide Band - Impulse Radio）方式の通信を実施する。UWB-IR方式は、極短時間（例えば数ｎｓ）のパルス幅の信号（つまりインパルス信号）を送出することで通信を行う方式である。

これらの通信端末が実施する無線通信の変調方式としては、インパルス信号の存在／欠如によって情報を送信するオンオフ変調（ＯＯＫ：On Off Keying）方式が採用されている。すなわち、送信側の通信端末は、バイナリーの１を送信する場合にはインパルス信号を送信し、バイナリーの０を送信する場合にはインパルス信号を送信しない。インパルス信号を連続して送信する場合の間隔（以降、送信間隔）は、予め規定されている。例えば送信間隔は１ｍｓなどとすればよい。

受信側の通信端末は、インパルス信号を受信した場合に、バイナリーの１を受信したことを検知する。また、インパルス信号の受信が予定される時間軸上の位置（以降、受信予定位置）においてインパルス信号を受信しなかった場合には、バイナリーの０を検出する。受信予定位置は、インパルス信号を受信した時点を基準として送信間隔毎に配置される。もちろん、その他、周知の方法によって通信端末間で同期を取ることで、受信予定位置を決定してもよい。

＜第１端末１の構成について＞
まずは、第１端末１の構成について述べる。第１端末１は、図１に示すように、第１端末側制御部１１、第１端末側送信部１２、及び第１端末側受信部１３を備える。第１端末側制御部１１は、第１端末側送信部１２及び第１端末側受信部１３のそれぞれと通信可能に接続されている。

第１端末側制御部１１は、第１端末側送信部１２、及び第１端末側受信部１３の動作を制御するモジュールである。第１端末側制御部１１は、ＣＰＵ１１１、ＲＡＭ１１２、ＲＯＭ１１３、クロック発振器１１４、及びこれらの構成を接続するバスラインなどを備えた、通常のコンピュータとして構成されている。

ＣＰＵ１１１はマイクロプロセッサ等を用いて実現された、中央演算装置である。ＲＡＭ１１２は揮発性のメモリであり、ＲＯＭ１１３は不揮発性のメモリである。ＲＯＭ１１３には、通常のコンピュータを第１端末１として機能させるためのプログラム（以降、第１端末用プログラム）等が格納されている。クロック発振器１１４は、所定の動作周波数でクロック信号を逐次出力する。クロック発振器１１４は、所望の動作周波数、及び、精度を有するものを用いればよい。例えばクロック発振器１１４としては、水晶発信器や、ルビジウム発振器などを用いることができる。

なお、上述の第１端末用プログラムは、非遷移的実体的記録媒体（non- transitory tangible storage medium）に格納されていればよい。ＣＰＵ１１１が第１端末用プログラムを実行することは、第１端末用プログラムに対応する方法が実行されることに相当する。

第１端末側制御部１１は、第２端末２に送信するためのデータ（以降、送信用データ）を生成するとともに、第１端末側送信部１２と協働して、当該送信用データに対応するパルス系列信号を第２端末２に向けて送信する。なお、ここでのパルス系列信号とは、送信用データをオンオフ変調方式で変調することによって生成される、複数のインパルス信号を所定の時間間隔で配置した信号系列を意味する。また、第１端末側制御部１１は、第１端末側受信部１３が受信したデータを取得する。第１端末側制御部１１が備える機能や作動については別途後述する。

第１端末側送信部１２は、インパルス信号を送信するためのアンテナ１２１を備えている。第１端末側送信部１２は、第１端末側制御部１１からの指示に基づいて、インパルス信号を順次送信する。具体的には、第１端末側制御部１１から電気的なインパルス信号が入力された場合、当該インパルス信号を増幅したり整形したりしてアンテナ１２１に出力し、電波として放射する。

第１端末側受信部１３は、第２端末２が送信したインパルス信号を受信するためのアンテナ１３１を備えている。第１端末側受信部１３は、アンテナ１３１を介して、第２端末２が送信したインパルス信号を受信し、整形したり増幅したりして第１端末側制御部１１に出力する。

＜第１端末側制御部１１が備える機能について＞
第１端末側制御部１１は、ＣＰＵ１１１が第１端末用プログラムを実行することによって実現される機能として、図２に示すように、データ生成部Ｆ１１、送信処理部Ｆ１２、受信処理部Ｆ１３、ラウンドトリップタイマＦ１４、及び距離推定部Ｆ１５を備える。なお、第１端末側制御部１１が備える種々の機能ブロックの一部又は全部は、１つ又は複数のＩＣを用いてハードウェアとして実現されていてもよい。

データ生成部Ｆ１１は、第２端末２に送信するためのデータ（つまり送信用データ）を生成する機能ブロックである。データ生成部Ｆ１１が生成する種々の送信データのうち、第２端末２に対して応答信号の返送を要求するデータを応答要求データと称する。

ここでは一例としてデータ生成部Ｆ１１は、複数種類の応答要求データを生成可能に構成されているものとする。より具体的に、本実施形態におけるデータ生成部Ｆ１１は、或る１つの応答要求データとして、ビット列（換言すればビットパーン）が「１１０１１」に設定されたデータを生成する。また、他の１つの応答要求データとして「１０１０１」からなるビット列のデータを生成する。各応答要求データをどういう場合に生成し、第１端末側送信部１２と協働して当該データに対応するパルス系列信号を送信させるかといった、応答要求データ毎の送信条件は適宜設計されれば良い。なお、応答要求データを構成するビット数やビットパターン等は適宜設計されればよい。

後述するように、第２端末２は、応答要求データを受信した場合、その受信した応答要求データの内容（具体的にはビットパターン）に応じた応答データを生成する。そして、その生成した応答データに対応するパルス系列信号を第１端末１に返送する。

送信処理部Ｆ１２は、データ生成部Ｆ１１が生成した送信用データをオンオフ変調方式で変調する。これによって、送信用データは、図３に示すように送信用データを構成する各ビットの値（具体的には１／０）に応じて、極めて時間幅の狭いパルス信号（つまりインパルス信号）が配置されたパルス系列信号に変換される。なお、図３中に示すＴｐｓは、前述の送信間隔を表している。

そして、送信処理部Ｆ１２は、以上のようにして生成したパルス系列信号を構成するインパルス信号を、順次第１端末側送信部１２に出力していく。これによって、送信処理部Ｆ１２が生成したパルス系列信号は、アンテナ１２１から電波となって放射される。なお、応答要求データを変調してなるパルス系列信号が、請求項に記載の応答要求信号に相当する。

また、送信処理部Ｆ１２は、送信用データを送信させた後、所定の待機時間Ｔｗ経過した時点から一定時間（例えば数十ミリ秒間）、前述の送信間隔Ｔｐｓで逐次インパルス信号を同期用信号として送信させる。

受信処理部Ｆ１３は、第１端末側受信部１３から入力されるインパルス信号に基づいて、第２端末２が送信したパルス系列信号を取得する。受信処理部Ｆ１３が取得するパルス系列信号は、第１端末側受信部１３から入力される複数のインパルス信号を、実際の受信間隔をおいて時系列に並べたものである。

受信処理部Ｆ１３は、受信したパルス系列信号を復調し、第２端末２が送信したデータを復元する。つまり、受信処理部Ｆ１３は、受信信号を復調してなるデータ（例えば応答データ）を取得する。

ラウンドトリップタイマＦ１４は、第１端末側送信部１２が同期用信号を送信してから、第２端末２から返送されてくるインパルス信号を受信するまでの時間（以降、ラウンドトリップ時間）を計測するタイマである。ラウンドトリップタイマＦ１４は、クロック発振器１１４から入力されるクロック信号を計数することによって、同期用信号を送信してからの経過時間を測定する。ラウンドトリップタイマＦ１４のカウント値は、同期用信号が送信される度に０に戻る（つまりリセットされる）。したがって、ラウンドトリップタイマＦ１４が保持している時間は、同期用信号を最後に送信してからの経過時間に相当する。

距離推定部Ｆ１５は、ラウンドトリップタイマＦ１４が取得したラウンドトリップ時間に基づいて、第１端末１と第２端末２との距離（以降、端末間距離）を推定する。この距離推定部Ｆ１５の詳細については別途後述する。

＜第２端末２の構成について＞
次に、第２端末２の構成について述べる。第２端末２は、図１に示すように、第２端末側制御部２１、第２端末側送信部２２、及び第２端末側受信部２３を備える。第２端末側制御部２１は、第２端末側送信部２２及び第２端末側受信部２３のそれぞれと通信可能に接続されている。

第２端末側制御部２１は、第２端末側送信部２２、及び第２端末側受信部２３の動作を制御するモジュールである。第２端末側制御部２１は、ＣＰＵ２１１、ＲＡＭ２１２、ＲＯＭ２１３、クロック発振器２１４、及びこれらの構成を接続するバスラインなどを備えた、通常のコンピュータとして構成されている。ＣＰＵ２１１など、第１端末１が備える部材と同一の名称の部材は、第１端末１が備えるものと同様の機能を備えるものである。ＲＯＭ２１３には、通常のコンピュータを第２端末２として機能させるためのプログラム（以降、第２端末用プログラム）等が格納されている。

第２端末側制御部２１が備える機能や作動については別途後述するが、概略的には次の通りである。第２端末側制御部２１は、第２端末側受信部２３が受信したデータを取得する。そして、第１端末１が送信した応答要求データを取得した場合には、当該応答要求データに応じた応答データを生成し、第２端末側送信部２２と協働して第１端末１に向けて返送する。

第２端末側送信部２２は、インパルス信号を送信するためのアンテナ２２１を備え、第２端末側制御部２１からの指示に基づいて、インパルス信号を送信する。第２端末側受信部２３は、第２端末２が送信したインパルス信号を受信するためのアンテナ２３１を備えている。第２端末側受信部２３は、アンテナ２３１を介して、第２端末２が送信したインパルス信号を受信し、整形したり増幅したりして第２端末側制御部２１に出力する。

＜第２端末側制御部２１が備える機能について＞
第２端末側制御部２１は、ＣＰＵ２１１が第２端末用プログラムを実行することによって実現される機能ブロックとして、図４に示すように、受信処理部Ｆ２１、応答データ生成部Ｆ２２、送信対象ビット設定部Ｆ２３、及び送信処理部Ｆ２４を備える。なお、第２端末側制御部２１が備える種々の機能ブロックの一部又は全部は、１つ又は複数のＩＣを用いてハードウェアとして実現されていてもよい。

受信処理部Ｆ２１は、第２端末側受信部２３から入力されるインパルス信号に基づいて、第１端末１が送信したパルス系列信号（例えば応答要求信号）を取得する。そして、受信したパルス系列信号を復調し、第１端末１が送信したデータを復元する。つまり、受信処理部Ｆ２１は、受信信号を復調してなるデータ（例えば応答要求データ）を取得する。

応答データ生成部Ｆ２２は、受信処理部Ｆ２１が取得した応答要求データに応じた応答データを生成する。例えばビット列が「１１０１１」となっている応答要求データを受信した場合には、「１０１０１０１」からなるビット列を応答データとして生成する。また、ビット列が「１０１０１」となっている応答要求データを受信した場合には、「１１１０１１１」からなるビット列を応答データとして生成する。

どのような応答要求データに対してどのような応答データを生成するかは適宜設計されれば良い。受信した応答要求データに対して応答データ生成部Ｆ２２が生成すべき応答データが一意に定まるように設計されていれば良い。応答データ生成部Ｆ２２が生成した応答データは、送信対象ビット設定部Ｆ２３に提供される。

送信対象ビット設定部Ｆ２３は、応答データ生成部Ｆ２２応答データを構成するビット列の先頭ビットから後尾ビットへと、同期用信号を受信する度に、送信対象とするビットを１つ後ろ側にずらしていく。送信対象ビットの値が１である場合には、送信処理部Ｆ２４を送信準備モードに設定する。一方、送信対象ビットの値が０である場合には、送信処理部Ｆ２４を送信保留モードに設定する。

送信処理部Ｆ２４は、動作モードとして、送信準備モードと送信保留モードとを備える。送信対象ビット設定部Ｆ２３によって送信準備モードに設定されている場合において、受信処理部Ｆ２１が同期用信号を受信した場合には、インパルス信号を第２端末側送信部２２に出力して電波として送信させる。一方、送信対象ビット設定部Ｆ２３によって送信保留モードに設定されている場合には、受信処理部Ｆ２１が同期用信号を受信してもインパルス信号を第２端末側送信部２２に出力しない。

つまり、第２端末側制御部２１は、応答要求データの受信した場合、図５のフローチャートに示すように作動する。まず、Ｓ１０１では応答データ生成部Ｆ２２が受信した応答要求データの内容に応じた応答データを生成してＳ１０２に移る。

Ｓ１０２では送信対象ビット設定部Ｆ２３が、以降の処理に用いる変数ｊを１に設定（つまり初期化）して、Ｓ１０３に移る。なお、変数ｊには、正の整数が設定される。

Ｓ１０３では送信対象ビット設定部Ｆ２３が、応答要求データのｊビット目の値が１であるか否かを判定する。例えば、ｊ＝１の時には、応答要求データの先頭ビットが１であるか否かを判定する。応答要求データのｊビット目の値が１である場合には、Ｓ１０３が肯定判定されてＳ１０４に移る。応答要求データのｊビット目の値が１ではない場合、つまり、ｊビット目の値が０である場合には、Ｓ１０３が否定判定されてＳ１０７に移る。

Ｓ１０４では送信対象ビット設定部Ｆ２３が、送信処理部Ｆ２４の動作モードを送信準備モードに設定してＳ１０５に移る。Ｓ１０５では受信処理部Ｆ２１が同期用信号を受信するまで待機する。そして、同期用信号を受信した場合にはＳ１０６に移る。Ｓ１０５に移ってから所定の時間経過しても同期用信号を受信しなかった場合には、本フローを終了すればよい。Ｓ１０６では送信処理部Ｆ２４がインパルス信号を第２端末側送信部２２に出力して電波として送信させて、Ｓ１０９に移る。つまり、送信対象ビットの値が１の時には同期用信号の受信をトリガとしてインパルス信号を送信する。

なお、受信したインパルス信号が、同期用信号としてのインパルス信号であるか、データの一部としてのインパルス信号であるのかを識別する方法は適宜設計されれば良い。本実施形態では一例として、受信処理部Ｆ２１は、応答要求データを受信してから一定時間以内に受信するインパルス信号は、データの一部としてのインパルス信号ではなく、同期用信号としてのインパルス信号と見なすように構成されているものとする。

もちろん、受信したインパルス信号が、同期用信号としてのインパルス信号であるか、データの一部としてのインパルス信号であるのかを識別する方法はこれに限らない。例えば、第１端末１が送信するデータの末尾に、これから同期用信号を送信し始めることを示すビット列を配置することによって、第２端末２にこれから一定時間以内に受信するインパルス信号は同期用信号としてのインパルス信号であることを認識させても良い。

Ｓ１０７では送信対象ビット設定部Ｆ２３が、送信処理部Ｆ２４の動作モードを送信保留モードに設定してＳ１０８に移る。Ｓ１０８では受信処理部Ｆ２１が同期用信号を受信するまで待機する。そして、同期用信号を受信した場合にはＳ１０９に移る。つまり、送信対象ビットの値が０の時にはインパルス信号を送信しない。Ｓ１０８に移ってから所定の時間経過しても同期用信号を受信しなかった場合には、本フローを終了すればよい。

Ｓ１０９では、変数ｊの値が、応答データのビット数ｎよりも小さいか否かを判定する。変数ｊの値が、応答データのビット数ｎよりも小さい場合にはＳ１０９が肯定判定されてＳ１１０に移る。一方、応答データのビット数ｎよりも小さくない場合にはＳ１１０が否定判定されて本フローを終了する。なお、ここでのビット数ｎは７である。Ｓ１１０では送信対象ビット設定部Ｆ２３が、ｊの値に１を加算して（つまりインクリメントして）、Ｓ１０３に戻る。

なお、変数ｊの値が応答データのビット数ｎよりも小さい場合とは応答データを未だ送信しきれていない状態を意味する。また、変数ｊの値が応答データのビット数ｎよりも小さくない場合とは、応答データの送信が完了した状態を意味する。

＜距離推定システムの作動＞
次に、図６を用いて、本実施形態の距離推定システム１００の作動について説明する。ここでは一例として、第１端末１がビットパターンが「１１０１１」に設定されている応答要求データを送信する場合を例にとって、第１端末１及び第２端末２の作動を説明する。なお、図６に示す種々の図の横軸は時間の経過を表している。

第１端末１のデータ生成部Ｆ１１がビット列「１１０１１」からなる応答要求データを生成した場合、第１端末側送信部１２は、図６に示すように、当該応答要求データに対応するパルス系列信号を応答要求信号として送信する。応答要求信号としてのパルス系列信号は、前述の通り、応答要求データにおいてバイナリーの１がセットされているビットに対応する位置にインパルス信号を配置した信号系列である。

また、第１端末側送信部１２は、送信処理部Ｆ１２の指示に基づき、応答要求信号の送信が完了した時点Ｔ１からさらに所定の待機時間Ｔｗ経過した時点Ｔ２より、同期用信号としてのインパルス信号を送信間隔Ｔｐｓで送信し始める。待機時間Ｔｗは後述する演算所要時間Ｔｃｌの想定値（換言すれば設計値）に応じた長さとすればよく、例えば演算所要時間Ｔｃｌの想定値の７０％程度の長さとすれば良い。第１端末１が同期用信号を定期送信する状態は、所定の時間（以降、送信継続時間）継続されればよい。送信継続時間は、応答要求信号の送信が完了してから第２端末２から返送されてくる応答信号の受信が完了するまでにかかる時間の最大値に基づいて適宜設計されればよい。

ラウンドトリップタイマＦ１４は、クロック発振器１１４から入力されるクロック信号に基づき、第１端末側送信部１２が同期用信号を送信してからの経過時間の測定を開始する。なお、前述の通り、ラウンドトリップタイマＦ１４のカウント値は、同期用信号が送信される度にリセットされる。

第１端末側送信部１２が送信した応答要求信号を構成する各インパルス信号は、送信時点から飛行時間Ｔｆ遅れて第２端末側受信部２３で受信される。飛行時間Ｔｆは、第１端末１から第２端末２まで、電波が伝搬するためにかかる時間であって、端末間距離に比例する。具体的には、飛行時間Ｔｆは、端末間距離を電波の伝搬速度Ｃで除算した値に相当する。空気中における伝搬速度Ｃは、３×１０＾８［ｍ／ｓ］である。

第２端末２の受信処理部Ｆ２１は、応答要求信号としての一連のパルス系列信号を受信し終わると、当該パルス系列信号を復調して受信データを生成する。そして、応答データ生成部Ｆ２２が受信したデータ（つまり応答要求データ）の内容に応じた応答データを生成する。ここでは応答要求データとしてビット列「１１０１１」を受信する為、応答データ生成部Ｆ２２は、応答データとして「１０１０１０１」からなるビット列を生成する。

なお、受信したデータ（つまり応答要求データ）の内容を特定し、その内容に応じた応答データを生成する処理が、請求項に記載の演算処理に相当する。図６に示すＴｃｌは、当該演算処理にかかる時間（以降、演算所要時間）を表している。

そして、送信処理部Ｆ２４は送信対象ビット設定部Ｆ２３と協働し、同期用信号の受信に同期して応答データの１ビット目から順番に、送信対象ビットの値に応じてインパルス信号を送信／非送信していく。なお、図中に示すＴｄは、送信処理部Ｆ２４が送信準備モードとなっている場合において、同期用信号としてのインパルス信号を第２端末側受信部２３が受信してから、第２端末側送信部２２がインパルス信号を送信するまでの内部伝達時間を表している。

この内部伝達時間Ｔｄは、第２端末側受信部２３から第２端末側制御部２１へのインパルシンス信号の伝達時間や、第２端末側制御部２１から第２端末側送信部２２へのインパルス信号の伝達時間などに由来する。また、第２端末側制御部２１が第２端末側受信部２３からインパルス信号が入力されたことを認識してインパルス信号を出力するまでの時間も内部伝達時間Ｔｄに含まれうる。ただし、内部伝達時間Ｔｄは、演算所要時間Ｔｃｌに比べて十分に小さい。

第２端末側送信部２２が応答信号として送信した一連の複数のインパルス信号は、それぞれ送信時点から飛行時間Ｔｆ遅れて第１端末側受信部１３で受信される。

ラウンドトリップタイマＦ１４は、第１端末側受信部１３がインパルス信号を受信した時点でのカウント値を、ラウンドトリップ時間としてＲＡＭ１１２等に保存する。なお、送信間隔Ｔｐｓは、検出範囲とする端末間距離の最大値に対応する飛行時間Ｔｆと、内部伝達時間Ｔｄの想定値を足し合わせた時間よりも十分に大きい値に設定されている。

図６に示す例では、第２端末側送信部２２は応答信号として４つのインパルス信号を含むパルス系列信号を送信するため、ラウンドトリップ時間を４回測定することができる。図６中のＴｒｔ１〜４は何れもラウンドトリップタイマＦ１４によって検出されるラウンドトリップ時間を表している。

距離推定部Ｆ１５は、以上のようにして取得されたラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１に基づいて、端末間距離を推定する。ここでは一例として、ラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１から、予め設定された内部伝達時間Ｔｄの想定値を減算した往復飛行時間を算出する。そして、往復飛行時間を２で割った値に、伝搬速度Ｃを乗算した値を端末間距離として採用する。

なお、他の態様として、ラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１〜４のそれぞれに対して上述した演算処理を実施することで、複数の端末間距離候補を算出し、それらの平均値を端末間距離として採用してもよい。また、ラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１〜４のそれぞれの平均値から、飛行時間の平均値を算出し、その平均的な飛行時間と伝搬速度とから端末間距離を算出してもよい。もちろん、平均値に代わって中央値を用いても良い。複数のラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１〜４を用いて端末間距離を推定することによって精度を向上させることができる。

ところで、第２端末２における内部伝達時間Ｔｄだけでなく、第１端末１内での内部伝達時間ＴｄもラウンドトリップタイマＦ１４が計測するラウンドトリップ時間に含まれるように第１端末１が構成されている場合も考えられる。そのような場合には、ラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１から、内部伝達時間Ｔｄの想定値の２倍を減算した値を往復飛行時間とすることが好ましい。

＜本実施形態の効果について＞
次に、以上で述べた本実施形態の作動及び効果について、従来技術に相当する比較構成を導入して説明する。ここでの比較構成とは、図７に示すように、応答要求信号を構成する最後のインパルス信号を送信してから第１端末側受信部１３がインパルス信号を受信するまでの経過時間をラウンドトリップ時間として採用する構成である。図７中に示すＴｒｔ＿ａ，Ｔｒｔ＿ｂ，Ｔｒｔ＿ｃ，Ｔｒｔ＿ｄが、比較構成が検出するラウンドトリップ時間（以降、比較トリップ時間）を表している。

比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ａは、第１端末１から第２端末２へのインパルス信号の飛行時間Ｔｆ、演算所要時間Ｔｃｌ、内部伝達時間Ｔｄ、第２端末２から第１端末１へのインパルス信号の飛行時間Ｔｆの合算値として算出される。また、比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ｂや、比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ｃ、比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ｄは何れも、比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ａに送信間隔Ｔｐｓの整数倍（例えば２倍、４倍、６倍）を加えた値となる。

このような比較構成においては、ラウンドトリップ時間としての比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ａに、演算所要時間Ｔｃｌの想定値が含まれる。そのため、比較トリップ時間Ｔｒｔ＿ａから端末間距離を推定するためには、測定されたラウンドトリップ時間から演算所要時間Ｔｃｌの想定値を除外する必要がある。

しかしながら、演算所要時間Ｔｃｌの設計値と実際の値との間には、第２端末が備えるクロック発振器２１４の精度（以降、クロック精度）に応じた誤差が含まれる。また、第１端末が備えるクロック発振器１１４の精度に応じて、ラウンドトリップ時間として計測される時間自体にも誤差が含まれる。そのような各クロック発振器の精度に由来する誤差は、演算所要時間Ｔｃｌが長ければ長いほど、積み重なって大きくなる。つまり、比較構成ではクロック精度に由来する誤差の影響を受けやすい。

これに対し、本実施形態によって計測されるラウンドトリップ時間Ｔｒｔ１〜４は、第１端末１から第２端末２へのインパルス信号の飛行時間Ｔｆと、内部伝達時間Ｔｄと、第２端末２から第１端末１へのインパルス信号の飛行時間Ｔｆとの合算値であって、演算所要時間Ｔｃｌや送信間隔Ｔｐｓを含まれない。つまり、本実施形態の構成によれば、ラウンドトリップ時間として計測する時間を、比較構成に対して短縮できる。

前述の通り、ラウンドトリップ時間の長さが短いほど、クロック精度に由来する誤差の影響を受けにくい。また、内部伝達時間Ｔｄ自体も、演算所要時間Ｔｃｌに比べて十分に小さい。したがって、本実施形態の構成によれば、比較構成に比べて精度よく端末間距離を測定することができる。

また、本実施形態ではラウンドトリップタイマＦ１４のカウント値は、同期用信号が送信される度にリセットする。これによって、図６に示す時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの時間を誤ってラウンドトリップ時間として採用してしまうことを抑制することができる。なお、時刻Ｔ３で送信した同期用信号をトリガとしたインパルス信号は、その時点における送信対象ビットの値が０であるため、オンオフ変調方式に則り、送信されない。

さらに、本実施形態のように第１端末と第２端末とが、オンオフ変調方式が適用されたＵＷＢ−ＩＲ方式の通信を実施する場合には、第２端末２が応答データを送信し始めてから送信し終わるまでに、応答データのビット数ｎから１を減算した値（つまりｎ−１）に、送信間隔Ｔｐｓを乗じた長さの時間がかかる。

したがって、第１端末と第２端末とが、オンオフ変調方式が適用されたＵＷＢ−ＩＲ方式の通信を実施する構成において、仮に第１端末でのデータ送信が完了してから応答データの受信が完了するまでの時間（例えば図７のＴｒｔ＿ｄ）をラウンドトリップ時間として採用する場合には、Ｔｐｓにｎ−１を乗じた長さの時間がラウンドトリップ時間に含まれることになる。

そのため、比較構成が取得するラウンドトリップ時間から端末間距離を演算するためには、演算所要時間Ｔｃｌだけでなく、送信間隔Ｔｐｓに由来する時間もラウンドトリップ時間から除外する必要がある。

しかしながら、インパルス送信間隔自体も前述のクロック発振器の誤差の影響を受けてしまう。そのため、送受信されるビット列が長いほど、ラウンドトリップ時間に含まれる誤差も大きくなる。

そのような課題に対して、本実施形態の構成によれば、ラウンドトリップ時間に送信間隔Ｔｐｓに依存する要素は含まれない。したがって、より一層、高精度に端末間距離を推定することが出来る。

なお、本実施形態のようにインパルス信号の伝送媒体として電波を用いる場合、ラウンドトリップ時間が７ナノ秒の誤差を含むだけで、端末間距離としては１ｍ以上の誤差が生じる。したがって、より正確なラウンドトリップ時間を特定することは、正確な端末間距離を推定する上で重要な課題であるといえる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、以降で述べる種々の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

なお、前述の実施形態で述べた部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。

＜本実施形態の適用例＞
以上で述べた距離推定システムは、周知の車両用電子キーシステムに適用されても良い。車両用電子キーシステムとは、ユーザによって携帯される携帯機と、車両に搭載された車両側装置とが無線通信を実施することによって車両ドアの施錠状態を制御するシステムである。車両用電子キーシステムとしては、キーレスエントリーシステムや、スマートエントリーシステムなどが該当する。

例えば、車両側装置が上記第１端末１としての機能を備え、携帯機が第２端末としての機能を備える構成とすることができる。その場合、車両側装置は、携帯機と無線通信を実施する際に上述したラウンドトリップ時間を計測することで、携帯機との距離を推定することができる。

また、以上で述べた距離推定システムは、ユーザによって携帯される携帯機と、家に設置された通信装置とが無線通信を実施することによって家のドアの施錠状態を制御するシステムに適用されても良い。

また、３つ以上の第１端末１をそれぞれ異なる位置に配置すれば、各第１端末１の設置位置と、各第１端末１から第２端末２までの距離に基づいて、第２端末２の位置を特定できるようになる。つまり、上記実施形態によって推定される端末間距離は、第２端末２の位置推定に応用することができる。第２端末２の位置を推定するシステムは、物流における物品の在庫管理や、倉庫作業員の動線の解析など、色々なことに応用することができる。

［変形例１］
以上で述べた実施形態では、第１端末１が送信する応答要求データのビットパターンと第２端末２が返送する応答データのビットパターンとの対応関係が予め定まっており、第２端末２は、受信した応答要求データのビットパターンから返送すべき応答データのビットパターンを特定する態様を開示したが、これに限らない。応答データの生成に、所定の関数を用いた演算処理が伴っていてもよい。

例えば、上述した距離推定システム１００は、第１端末１と第２端末２とが、例えばチャレンジ／レスポンス方式などの、データの送受信によって認証処理を実施する通信システムにも適用することができる。

そのような通信システムが備える第１端末１は、第２端末２に対してチャレンジコードを含むデータを応答要求データとして送信するものとする。チャレンジコードは、乱数列に相当するビット列であってもよいし、予め設計されたビット列であってもよい。

第２端末２はチャレンジコードを含むデータを受信した場合には、第２端末２に予め登録されている所定の暗号関数を用いてチャレンジコードからレスポンスコードを生成し、当該レスポンスコードを含むデータを応答データとして返送する。

第１端末１は、チャレンジコードを含むデータを応答要求データとして送信するつともに、所定の暗号関数を用いて、当該チャレンジコードから照合用コードを生成する。ここで用いる暗号関数は、第２端末２に登録されている暗号関数と同じものである。そして、第２端末２と返送されてきたレスポンスコードと、照合用コードとを比較して、これらが一致、又は、所定の関係を充足する場合に、認証成功と判断する。認証成功と判断するということは、通信相手が第２端末２であると判定することに相当する。

このような態様においても、第１端末１が計測するラウンドトリップ時間には、レスポンスコードの生成に用いられる演算所要時間等が含まれないため、上述した実施形態と同様の効果を奏する。

［その他 変形例］
以上では、インパルス状の電波をインパルス信号として送信する態様を開示したが、送受信するインパルス信号は、インパルス状の音波であってもよい。

以上では、第１端末１と第２端末２とでそれぞれ異なる機能を備える態様を開示したがこれに限らない。距離推定システム１００が備える通信端末は、第１端末１と第２端末２の両方の機能を備えるように構成されていても良い。換言すれば、上述した第１端末１に、第２端末２としての機能を付加してもよい。

１００ 距離推定システム、１ 第１端末、２ 第２端末、１１ 第１端末側制御部、１２ 第１端末側送信部、１３ 第１端末側受信部、２１ 第２端末側制御部、２２ 第２端末側送信部、２３ 第２端末側受信部、１１１・２１１ ＣＰＵ、１１２・２１２ ＲＡＭ、１１３・２１３ ＲＯＭ、１１４・２１４ クロック発振器、Ｆ１１ データ生成部、Ｆ１２ 送信処理部、Ｆ１３ 受信処理部、Ｆ１４ ラウンドトリップタイマ、Ｆ１５ 距離推定部、Ｆ２１ 受信処理部、Ｆ２２ 応答データ生成部、Ｆ２３ 送信対象ビット設定部、Ｆ２４ 送信処理部

Claims (5)

1. インパルス信号を送受信することによってオンオフ変調方式の無線通信を実施する第１の通信端末である第１端末（１）及び第２の通信端末である第２端末（２）を備える距離推定システムであって、
   前記第１端末は、
   前記第２端末に対して応答信号の返送を要求する応答要求データを生成するデータ生成部（Ｆ１１）と、
   前記応答要求データを構成するビット列に応じて所定の間隔で前記インパルス信号を配置した応答要求信号を送信するとともに、前記応答要求信号の送信が完了した以降において所定時間、所定の送信間隔で前記インパルス信号を同期用信号として逐次送信する第１端末側送信部（１２）と、
   前記応答要求信号に対する前記応答信号として前記第２端末から返送されてくる複数の前記インパルス信号を受信する第１端末側受信部（１３）と、を備え、
   前記第２端末は、
   前記応答要求信号を受信する第２端末側受信部（２３）と、
   前記第２端末側受信部が受信した前記応答要求信号を復調することによって特定される、前記応答要求データとしてのビット列に基づいて応答データを生成する応答データ生成部（Ｆ２２）と、
   前記応答データ生成部が生成した前記応答データとしてのビット列において送信対象とするビットを、先頭ビットから後尾ビットへと前記同期用信号を受信する度に１つずつ後ろ側にずらしていく送信対象ビット設定部（Ｆ２３）と、
   前記同期用信号を受信した時点において前記送信対象とするビットの値が、前記インパルス信号を送信するべき値である場合には前記インパルス信号を送信する一方、前記インパルス信号を送信するべき値ではない場合には前記インパルス信号を送信しない第２端末側送信部（２２）と、を備え、
   前記第１端末は、さらに、
   前記同期用信号を送信してから前記インパルス信号を受信するまでの時間をラウンドトリップ時間として計測するラウンドトリップタイマ（Ｆ１４）と、
   前記ラウンドトリップタイマが計測した前記ラウンドトリップ時間に基づいて前記インパルス信号が空間を伝搬していた飛行時間を特定し、当該飛行時間と前記インパルス信号が空間を伝搬する速度である伝搬速度に基づいて、前記第２端末との距離を推定する距離推定部（Ｆ１５）と、を備えることを特徴とする距離推定システム。
2. 請求項１において、
   前記ラウンドトリップタイマのカウント値は、前記同期用信号が送信される度にリセットされることを特徴とする距離推定システム。
3. 請求項１又は２において、
   前記第２端末は、１つの前記応答信号として、複数の前記インパルス信号を備えるパルス系列信号を送信するように構成されており、
   前記ラウンドトリップタイマは、１つの前記応答信号に相当する一連の複数の前記インパルス信号のそれぞれに対応する前記ラウンドトリップ時間を計測し、
   前記距離推定部は、複数の前記ラウンドトリップ時間を用いて前記第２端末との距離を推定することを特徴とする距離推定システム。
4. 請求項１から３の何れか１項において、
   前記インパルス信号は、インパルス状の電波であることを特徴とする距離推定システム。
5. 請求項１から３の何れか１項において、
   前記インパルス信号は、インパルス状の音波であることを特徴とする距離推定システム。

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