JP6910557B2 - 第２のデバイスの既知のロケーションに基づいて第１のデバイスのロケーションを求めるミリ波通信システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、通信システムに関し、より詳細には、ｍｍＷａｖｅベースの屋内ロケーション特定システムに関する。

ミリメートル波（ｍｍＷａｖｅ）は、１ミリメートル（ｍｍ）〜１０ｍｍの範囲内の波長を有する電波であり、この範囲は、３０ギガヘルツ（ＧＨｚ）〜３００ＧＨｚの無線周波数に対応する。国際電気通信連合（ＩＴＵ）による定義によると、これらの周波数は、極高周波（ＥＨＦ：Extremely High Frequency）帯域とも称される。

ｍｍＷａｖｅは、固有の伝播特性を呈する。例えば、より低い周波数の電波と比較して、ｍｍＷａｖｅは、より高い伝播損失を被り、建物、壁、枝葉等の物体を通過する能力がより乏しく、空気中の粒子（例えば、雨粒）に起因する大気吸収、偏向及び散乱をより受けやすい。他方、ｍｍＷａｖｅのより短い波長に起因して、比較的小さい面積により多くのアンテナを敷き詰めることができ、それによって、小さいフォームファクターにおける高利得のアンテナの実施が可能になる。

ｍｍＷａｖｅは、より低い周波数の電波よりも利用頻度が少ない。ｍｍＷａｖｅ帯域において広範囲のスペクトルが利用可能である。例えば、６０ＧＨｚ周囲の周波数、通常６０ＧＨｚ帯域と称される周波数は、大半の国において無認可スペクトルとして利用可能である。

屋内ロケーション特定の技術分野は、閉ざされた屋内エリアにおいて物体のロケーションを特定するシステム及び方法の開発を取り扱う。物体は、他の或るデバイスに対して信号を送信及び／又は受信するデバイス又はそのような機能を有しないエンティティとすることができる。ロケーション特定は、或る既定の基準座標における物体の座標を推定することを指す。或いは、ロケーション特定は、より大きな屋内エリア内のサブエリアレベルにおいて物体のロケーションを特定することを目的とする近接検出問題としての枠組みで捉えることもできる。多くのアプリケーションが、数例を挙げると、病院、倉庫、ショッピングモール、工場において人々及びリソースの位置を突き止める等の精密な屋内ロケーション特定を必要とする。例えば、技術支援生活のパラダイムが、正確なロケーション特定に基づいて構築される。

全地球測位システム（ＧＰＳ：Global Positioning System）として知られている屋外ロケーション特定のよく知られた解決策は、屋内では効果的でない。なぜならば、ＧＰＳ衛星群内の衛星から送信された電磁波は屋内に進入しないからである。

屋内ロケーション特定における多くの手法は、屋内エリアに専用のハードウェアを設置することを必要とする。この手法は、正確なロケーション推定値を与える可能性もあるが、そのコストと、専用のシステムがロケーション特定タスクに必要とされることとによって望ましくない。この手法の一例は、市販されている超広帯域（ＵＷＢ：ultra-wide band）無線ロケーション特定システムであるが、比較的高価であり、最後の手段としてのみ用いられる。他の例としては、ライダー、レーダー又は超音波に基づくシステムがあり、通常、精度が高いが、設置コスト及び維持コストも高い。ｍｍＷａｖｅ通信の分野では、特許文献１に記載されたシステムが、ｍｍＷａｖｅベースの屋内ロケーション特定システムを開示している。しかしながら、そのシステムは、ｍｍＷａｖｅ周波数において動作する専用のインフラストラクチャの設置を必要とする。

ロケーション特定に用いられるインフラストラクチャは、達成することができる精度とともに屋内ロケーション特定方法の選択において主な役割を果たす。例えば、フィンガープリンティングを必要としないインフラストラクチャフリーの屋内ロケーション特定が、コスト及び実装の観点から望ましい手法である。そのようなシステムは、他の幾つかのタスクに専用化された既存のインフラストラクチャを活用する。代表的な例は、アクセスポイントがローカルエリアネットワークにおいて無線接続を有効にするために専用化されたＷｉＦｉインフラストラクチャである。これらの方法は、通常、ＷｉＦｉ信号の伝播のパス損失モデル化に依拠している。これについては、例えば、特許文献２を参照されたい。しかしながら、ｍｍＷａｖｅ通信の原理は、それよりも低い周波数における通信と非常に異なっており、ＷｉＦｉ信号に適した既存の方法は、ｍｍＷａｖｅロケーション特定には実用的でない。

中国特許出願公開第１０２９１４７６２号 米国特許第９，２８２，５３１号

幾つかの実施の形態は、ミリメートル波（ｍｍＷａＶｅ）チャネルがｍｍＷａｖｅの伝播について幾つかの特定の特性を有するという認識に基づいている。より低い周波数の電波とは対照的に、ｍｍＷａｖｅチャネルは、受信機アレイに衝突するｍｍＷａｖｅの到来数においてスパースである。加えて、伝播したｍｍＷａｖｅは、角度領域において拡散され、潜在的に特定の電力プロファイルを呈する可能性がある。さらに、ｍｍＷａｖｅ信号伝播の高いパス損失に起因して、ｍｍＷａｖｅ通信システムは、特定のビームフォーミング角を有するビームフォーミング手順を用いて形成されたｍｍＷａｖｅのビームを用いて通信する。本明細書において用いられるような各ビームフォーミング角は、通信ビームの発射角及び通信ビームの到来角のうちの一方又はそれらの組み合わせを含む。

したがって、増大する数のｍｍＷａｖｅ通信システムが、ｍｍＷａｖｅ伝播の異なる特性を活用するためにｍｍＷａｖｅチャネルを推定する。このチャネル推定は、通信リンクを確立することができる送信機と受信機との間のパスを見つけるビームトレーニングを含む。このビームトレーニング中に、送信機及び受信機は、異なるビームフォーミング角を用いて送信された或る特定の数のビームをプローブする。例えば、ビームトレーニング中に、送信機は、各ビームにおいてトレーニングシーケンスを順次送信し、受信機は、検査される全てのビームを順次ステアリングし、ステアリングされた各ビームからの信号の強度を測定する。

そのようにして、ｍｍＷａｖｅチャネル推定の結果は、本明細書においてビーム値と呼ばれる値の対を含む。各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、このビームフォーミング角を用いて通信されたビームのエネルギーとを含む。例えば、チャネル推定中に、ビームが１０個の異なるビームフォーミング角にわたって通信され、そのようなビームフォーミング送信のエネルギーが測定される場合、このｍｍＷａｖｅチャネル推定の結果は、１０個のビーム値対を含む。通常、チャネル推定中に受信された最も高いエネルギー値を有するビーム値対が、データのその後の通信用に選択される。

幾つかの通信システムでは、ｍｍＷａｖｅチャネル推定の結果は、ｍｍＷａｖｅ通信システムによって用いられる通信プロトコルの媒体アクセス制御（ＭＡＣ：medium access control）レイヤにおいて計算される。そのために、幾つかの実施の形態の目的は、ＭＡＣレイヤから取り出される情報を用いてｍｍＷａｖｅスペクトル内で通信するように構成されたデバイスのロケーションを特定することである。

理論上、ビーム値対において最も高いエネルギー値を有するビームフォーミング角は、２つのデバイスを接続する最短パスの方向に対応する。したがって、一方のデバイスのロケーションが既知である場合、これは、例えば、このデバイスがアクセスポイントであるときに該当するが、もう一方のデバイスのロケーションは、そのビームフォーミング角によって指定されるパス上に突き止めることができる。デバイスを接続するパスの角度が既知であるとき、様々な技法を用いてデバイスの間の距離を求めることができる。例えば、ｍｍＷａｖｅ伝播の飛行時間モデル又は通過損失モデルを用いることができる。

しかしながら、実際には、ビーム値対において最も高いエネルギー値を有するビームフォーミング角は、２つのデバイスを接続する最短パスの方向に対応していない。これは、チャネル推定を実行するのに用いられる解像度が、ｍｍＷａｖｅ通信の目的にとっては十分なものとすることができるが、２つのデバイスを接続する支配的パスの検出及び／又は正確なロケーション特定には不十分な場合がある、すなわち、低すぎる場合があるからである。

例えば、２つのデバイスを接続するパスの方向が或る座標系において３７度であり、ビームフォーミングの解像度が５度であるとする。そのような解像度は、チャネル推定に用いられる隣接するビームフォーミング角の間の離隔距離を規定する。そのために、この例では、チャネル推定中、ビームは、５度の倍数であるビームフォーミング角にわたってステアリングされる。したがって、この例では、チャネル推定は、３５度のビームフォーミング角が、最も高いエネルギー値を有するビームに対応すると判断する可能性が高い。なぜならば、３５度の角度が、２つのデバイスを接続するパスの角度に最も近いからである。

この例では、ｍｍＷａｖｅのビームが幅狭の放射光線である場合、一方のデバイスから送信されたそのようなビームは、第２のデバイスに全く到達しない。しかしながら、ｍｍＷａｖｅのビームは、特定の電力プロファイルに従って角領域において拡散される。そのために、３５度の角度にわたって一方のデバイスから送信されたそのようなビームは、データ通信にとって十分なものとすることができる相対的に高いエネルギーを有する３７度の角度にわたって位置するもう一方のデバイスに到達することができる。それが、多数のｍｍＷａｖｅ通信システムが高解像度チャネル推定を用いない理由のうちの１つである。

しかしながら、２つのデバイスを接続するパスの方向が誤って求められた場合であっても、支配的パスから逸脱したそのパス上に送信されたビームのエネルギーは、ビーム拡散に起因して支配的パス上で受信機に依然として到達する。飛行時間方法又は通過損失方法等の２つのデバイスの間の距離を求める方法は、支配的パス上でのみ正確な結果を提供する。したがって、支配的パスからのビームフォーミング角のずれは、方向の特定及び距離の特定の双方において誤差をもたらし、幾つかのロケーション特定ベースのアプリケーションにとって許容できない誤差に達する可能性がある。

幾つかの実施の形態は、ビームフォーミング角を用いて送信されたビームから支配的パス上で受信されるエネルギーと、支配的パスの方向からのビームフォーミング角のずれとの間に或る関係があるという理解に基づいている。そのような関係は、ビームを形成するのに用いられるハードウェアと、２つのデバイスの間の距離とに依存するが、支配的パスの方向を推定するのに潜在的に用いることができる。そのような関係は、本明細書では、支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、このビームフォーミング角を用いて送信され支配的パス上で受信されたビームのエネルギーに関係付けるビームフォーミングモデルと呼ばれる。

しかしながら、そのようなビームフォーミングモデルは、デバイスの間の未知の距離に起因して劣決定であり、曖昧性を有する。しかしながら、幾つかの実施の形態は、チャネル推定中に求められる複数のビーム値が同じ支配的パスを共有するという理解に基づいている。例えば、上述した例では、３５度及び４０度のビームフォーミング角を用いたビームフォーミング送信は、３７度の同じ支配的パスを共有する可能性が高い。したがって、幾つかの実施の形態は、これらの複数のビーム値を用いて、ビームフォーミングモデルの曖昧性を解決し、支配的パスの方向を求める。

幾つかの状況では、支配的パスは、２つのデバイスを接続する最短パスである。しかしながら、ｍｍＷａｖｅの送信ビームの反射に起因して、ｍｍＷａｖｅチャネルは、受信機アレイに衝突するｍｍＷａｖｅの到来数が疎らであり、送信機デバイスと受信機デバイスとを接続する明確に区別できる支配的パスを複数有する可能性がある。そのために、支配的パスは、２つ又は複数のビームフォーミング角によって規定される角度内で２つのデバイスを接続する短絡パスである。例えば、屋内環境では、２つのデバイスの間のｍｍＷａｖｅチャネルは、３〜５つの支配的パスを有する可能性がある。

支配的パスの方向が求められた後、幾つかの実施の形態は、デバイスの間の距離を求め、一方のデバイスのロケーションを、既知のロケーションを有するもう一方のデバイスからの支配的パスの方向に沿った距離に基づいて求める。例えば、１つの実施の形態は、支配的パスにわたるビームの伝播の飛行時間を取得し、この飛行時間に基づいて第１のデバイスと第２のデバイスとの間の距離を求める。別の実施の形態は、支配的パスの方向に最も近いビームフォーミング角を用いて送信されたビームのエネルギーとともに、支配的パスの方向に沿ったｍｍＷａｖｅ信号伝播のパス損失モデルを用いて距離を求める。更に別の実施の形態は、複数の支配的パスを求め、それらの支配的パスの三角測量を用いて、デバイスのロケーションを求める。

したがって、１つの実施の形態は、第２のデバイスの既知のロケーションに基づいて第１のデバイスのロケーションを求めるミリ波（ｍｍＷａｖｅ）通信システムであって、一組のアンテナに接続されて、ｍｍＷａｖｅのビームを通信し、ｍｍＷａｖｅビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたって前記ビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続するチャネルの推定を行う送受信機と、ビーム値対を含む前記チャネルの推定の結果を記憶するメモリであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含む、メモリと、前記メモリに作動的に接続されたプロセッサであって、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を前記メモリから選択することと、前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、前記第２のデバイスの前記ロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることとを行うように構成されたプロセッサとを備える、通信システムを開示する。

別の実施の形態は、ミリ波（ｍｍＷａｖｅ）ビームフォーミングを用いて、第２のデバイスの既知のロケーションに基づいて第１のデバイスのロケーションを求める方法であって、該方法は、該方法を実施する記憶された命令と結合されたプロセッサを用い、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記ビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたって前記ｍｍＷａｖｅビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続するチャネルを推定して、ビーム値対を含む前記チャネル推定の結果を生成することであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含むことと、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を選択することと、前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、前記チャネル推定の前記結果のうちの少なくとも幾つかを用いて、前記第２のデバイスの前記ロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることとを含む、該方法のステップを実行する、方法を開示する。

更に別の実施の形態は、方法を実行するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化される非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記方法は、前記ビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたって前記ｍｍＷａｖｅビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続するチャネルを推定して、ビーム値対を含む前記チャネル推定の結果を生成することであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含むことと、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を選択することと、前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、前記チャネル推定の前記結果のうちの少なくとも幾つかを用いて、前記第２のデバイスの前記ロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることとを含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体を開示する。

幾つかの実施形態による、ミリ波周波数範囲を用いて無線で通信するデバイス１及びデバイス２の２つのデバイスの概略図である。 図１のデバイスの例示的な構造の概略図である。 幾つかの実施形態による、デバイス１０１によって用いられるチャネル推定段階のブロック図である。 幾つかの実施形態によって用いられる送信方向及び受信方向を規定する例示的なチャネル推定解像度を示す概略図である。 幾つかの実施形態によって用いられるマルチレベルビームトレーニングの１つの段階の概略図である。 幾つかの実施形態によって用いられるマルチレベルビームトレーニングの別の段階の概略図である。 幾つかの実施形態によって用いられるチャネル推定を示す概略図である。 幾つかの実施形態に従って求められるビーム値対の例を記憶する表である。 幾つかの実施形態によって用いられるロケーション特定のブロック図である。 幾つかの実施形態によって用いられる支配的パスの概念を示す例示的な概略図である。 幾つかの実施形態による支配的パス方向の推定用に選択される複数のビーム対の例を示す概略図である。 幾つかの実施形態による支配的パス方向の推定用に選択される複数のビーム対の例を示す概略図である。 幾つかの実施形態による、フェーズドアレイを用いたビームフォーミングの概略図である。 幾つかの実施形態によって計算されるビームパターンのプロットである。 １つの実施形態による、２つのデバイスの間の支配的パスの方向を推定する３つ以上のビーム値対の使用例の概略図である。 １つの実施形態による、デバイスのロケーションを推定する方法のブロック図である。 幾つかの実施形態による、飛行時間（ＴＯＦ：time-of-flight）測定を用いて２つのデバイスの間の距離を求める方法のブロック図である。 ＴＯＦチップを用いる幾つかの実施形態によるＴＯＦ測定値を求める方法の概略図である。 パス損失モデルを用いて２つのデバイスの間の距離を求める別の実施形態によって実施される方法の概略図である。 幾つかの実施形態による、最大尤度を用いて２つのデバイスの間の距離を求める方法のブロック図である。 幾つかの実施形態によって考慮される２つのデバイスの例示的な配置の概略図である。 １つの実施形態による、第１のデバイス及び第２のデバイスを取り囲む環境の地図を用いた屋内ロケーション特定のブロック図である。 幾つかの実施形態によって用いられる複数のパスに沿った２つのデバイスの間の例示的な通信の概略図である。 ２つのデバイスが２つ、３つ又は４つ以上のビーム値対を用いることによって無線で通信する支配的パスの方向を求めるために幾つかの実施形態によって用いられるチャネル推定の概略図である。 幾つかの実施形態によって用いられる三角測量の概略図である。 １つの実施形態によって用いられるロケーション特定のブロック図である。 通信プロトコルスタックのＭＡＣレイヤの上部において実施される幾つかの実施形態による屋内ロケーション特定の概略図である。 幾つかの実施形態による通信リンクを確立する図である。 ビームを送信及び受信するために幾つかの実施形態によって用いられるビームフォーミングを示す概略図である。 幾つかの実施形態によって考慮される通信デバイスの方位の概略図である。

図１は、幾つかの実施形態による、ミリ波周波数範囲を用いて無線で通信するデバイス１及びデバイス２の２つのデバイスの概略図を示している。一般性を失うことなく、この例では、デバイス１はモバイル端末１０１である一方、デバイス２はアクセスポイント１０２、基地局又は他の何らかのモバイル端末である。デバイス２のロケーションは事前に知られている一方、デバイス１のロケーションは未知である。幾つかの実施形態は、デバイス２に対するデバイス１のロケーションを推定する方法を開示している。このロケーションは、デバイス２に関連付けられた座標系におけるデバイス１の座標として表すことができる。２次元幾何学では、座標系は、デバイス１のロケーションが座標ｘ１０４及びｙ１０６によって与えられるように、ｘ軸１０３及びｙ軸１０５を用いて定義される。或いは、デバイス１のロケーションは、デバイス２からの距離ｒ１０７及び方位角θ１０８として報告することができる。３次元幾何学への拡張は簡単であり、様々な実施形態によって用いられる。

図２は、図１のデバイスの例示的な構造の概略図を示している。例えば、デバイス１０１及び１０２は、送受信機２０１及び２０２を用いてｍｍＷａｖｅ通信を実施し、これは、これらの２つのデバイスの間のデータ交換をいずれの方向にも行うことができることを意味する。各送受信機２０１及び２０２は、ビームフォーミング解像度まで或る所望の方向に対してビーム２０５及び２０６を生成する、すなわち、ｍｍＷａｖｅ信号を送信／受信することが可能な一組のアンテナ２０３及び２０４にそれぞれ接続されている。アンテナの例として、直線フェーズドアレイ、平面フェーズドアレイ、円筒フェーズドアレイ、ホーンアンテナ等があるが、これらに限定されるものではない。

デバイス１０１及び１０２等の２つのｍｍＷａｖｅデバイスは、ビームを用いてｍｍＷａｖｅ通信リンクを確立する。これは、ｍｍＷａｖｅが、壁及びキュービクルパーティション等の表面から反射するとき又はそのような障害物を貫通するときは言うまでもなく、２つのデバイスの間を見通し線に沿って伝播するときであっても急速に減衰するからである。したがって、２つのデバイスの間のリンクを閉じるためには、それらのデバイスは、ｍｍＷａｖｅ信号に最小の減衰を課すパスに沿ってビームをステアリングする必要がある。そのために、チャネル推定中に、デバイスは、そのようなパスを見つけてｍｍＷａｖｅリンクの確立を目指す。

図３は、幾つかの実施形態による、デバイス１０１によって用いられるチャネル推定段階のブロック図を示している。コントローラー３０２は、チャネル推定器３０１において実行されるチャネル推定プロトコルを実施する。アンテナ２０３と接続された送受信機２０１は、パイロット信号を送信ビーム方向３０４に送信し又は受信ビーム方向３０５から受信する。チャネル推定段階中、高レベルで、２つのデバイスは、全ての可能なビームの組み合わせに沿ってパイロット信号を送信及び受信する。コントローラー３０２は、どのビームの組み合わせを所与のタイムスロットにおいて検査するのかを指示する。チャネル推定の結果は、メモリ３０３に記録される。

図４は、幾つかの実施形態によって用いられる送信方向及び受信方向を規定する例示的なチャネル推定解像度を示す概略図を示している。この例では、デバイス１は、全ての送信方向に対して一度に１つずつの方向にパイロット信号を送信する。デバイス２は、全ての可能な受信方向から一度に１つずつの方向でパイロット信号を受信する。具体的には、デバイス１は、複数のタイムスロットの間にビーム４０１によって規定される方向にパイロット信号を送信する。１つのタイムスロットにおいて、デバイス２は、方向４２１から信号を受信し、受信信号品質を記録する。次のタイムスロットにおいて、デバイス２は、ビーム４２２によって規定される方向から信号を受信し、受信信号品質を記録する。デバイス２は、方向４２３、４２４、４２５、４２６、４２７、４２８、４２９、４３０、４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、及び４３６から、すなわち、全ての方向が試行されるまで、信号エネルギーの受信及び測定を継続する。

デバイス１は、次に、複数のタイムスロットにおいてビーム４０２に沿ってパイロット信号を繰り返し送信する。デバイス２は、ビーム４２１、４２２、．．．、４３６に沿って信号を受信し、信号品質を測定する。この場合、各タイムスロットにおいて１つのビームが試行される。全体のプロセスは、双方のデバイスが全ての可能なビームに沿って信号を送信及び受信するまで継続する。したがって、送信ビーム及び受信ビームの数をそれぞれＧ_ｔ及びＧ_ｒとすると、この方式は、全ての可能な送信ビーム及び受信ビームの対をプローブするのにＧ_ｔ×Ｇ_ｒ個のチャネルの使用を必要とする。受信機は、例えば、各ビーム対の信号対雑音比（ＳＮＲ）を介して信号品質を測定する。最大のＳＮＲを与えるビーム対が、デバイスが通信リンクを確立するのに用いる必要があるステアリング角を決定するビーム対である。そのようにして、デバイス１は、異なる送信方向４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８、４０９、４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５、及び４１６についてビームを送信し、これらの送信方向のそれぞれについて、デバイス２は、各受信方向４２１〜４３６についてエネルギーを測定する。本明細書において用いられているような送信方向は、ビームの発射角（ＡｏＤ：angle of departure）によって定義することができる一方、受信方向は、ビームの到来角（ＡｏＡ：angle of arrival）によって定義することができる。

図５Ａは、全ての可能な送信ビーム及び受信ビームをプローブする負担を削減するために幾つかの実施形態によって用いられるマルチレベルビームトレーニングの１つの段階の概略図を示している。マルチレベルビームトレーニングは、幅広ビームを用いてパイロット信号を送信及び受信することから開始し、より高い解像度ビームを用いてチャネルプローブを進める。図５Ａを参照すると、２次元幾何学を仮定するとともに、デバイス１とデバイス２との間の最良の通信リンクを、反射器５０１から反射されるパス５０３に沿って確立することができると仮定する。角度基準５０２は、上方を指す垂直軸に対して規定される。マルチレベルビームトレーニングは、以下のように動作する。

デバイス１は、まず、２つの連続したタイムスロットの間に角度（０度，１８０度）をカバーするビーム５１１を用いてチャネルをプローブする。デバイス２は、第１のタイムスロットにおいて角度（１８０度，３６０度）をカバーするビーム５１３をステアリングし、第２のタイムスロットにおいて角度（０度，１８０度）をカバーするビーム５１４をステアリングし、各タイムスロットの終了時に受信信号の品質を測定する。デバイス１は、次に、２つの連続したタイムスロットにおいて角度（１８０度，３６０度）をカバーするビーム５１２に沿ってパイロット信号を送信する。デバイス２は、ビーム５１３及び５１４から到来する信号を再び受信し、信号品質を測定する。それらの４つの信号品質測定値が与えられると、デバイス２は、２つのデバイスの間のリンクを、送信ビーム５１１及び受信ビーム５１３を用いて確立すべきであると判断する。

図５Ｂは、幾つかの実施形態によって用いられるマルチレベルビームトレーニングの別の段階の概略図を示している。例えば、マルチレベルビームトレーニングの次の段階は、以前の段階から決定された送信ビーム内の或る特定の数のより高い解像度ビームを送信することと、以前の段階から決定された受信ビーム内の或る特定の数のより高い解像度ビームを用いて受信することとを含む。図５Ｂに示す一例示として、デバイス１は、角度（０度，９０度）をカバーするビーム５２１を用いてチャネルをプローブし、角度（９０度，１８０度）をカバーするビーム５２２を用いてチャネルをプローブする。同様に、デバイス２は、角度（２７０度，３６０度）をカバーするビーム５２８をステアリングし、角度（１８０度，２７０度）をカバーするビーム５２７をステアリングすることによってパイロット信号を受信する。この段階は、最良の送信ビーム及び受信ビームがそれぞれ５２１及び５２８であるという決定によって終了する。特に、ビーム５２４及び５２３の送信並びに５２５及び５２６に向けてステアリングすることによる受信が、このマルチレベルビームトレーニング方式では回避され、これによって、時間、チャネルリソース及び消費電力が節約される。

図６Ａは、幾つかの実施形態によって用いられるチャネル推定を示す概略図を示している。全体的に、チャネル推定段階によって、複数のビーム値対６０１が得られる。ビーム対における第１の要素６１１は、送信ビーム６２１及び受信ビーム６２２を規定するＡｏＤ角及びＡｏＡ角等の角度を含む。第２の要素６２２は、その特定の送信ビーム−受信ビームの或る品質尺度である。リンク品質は、ＳＮＲ、信号強度等を用いて測定することができる。ビーム値対はメモリ３０３に記憶される。

図６Ｂは、幾つかの実施形態に従って求められるビーム値対の例を記憶する表を示している。そのようにして、メモリに記憶された情報は表形式６５０を有する。２つのデバイスの間の通信リンクは、送信ビーム及び受信ビームによって規定されるパスに沿って確立され、その対応するリンク品質は最良である。例えば、６５０に記憶された測定値は、送信機及び受信機がそれぞれ２２．５度及び４５度に向けてビームをステアリングするときに最良のリンクが確立されることを示している。

理論上、ビーム値対において最も高いエネルギー値を有するビームフォーミング角は、２つのデバイスを接続する最短パスの方向に対応する。したがって、一方のデバイスのロケーションが既知である場合、これは、例えば、このデバイスがアクセスポイントであるときに該当するが、もう一方のデバイスのロケーションは、そのビームフォーミング角によって指定されるパス上に突き止めることができる。デバイスを接続するパスの角度が既知であるとき、様々な技法を用いてデバイスの間の距離を求めることができる。例えば、ｍｍＷａｖｅ伝播の飛行時間モデル又は通過損失モデルを用いることができる。

しかしながら、実際には、ビーム値対において最も高いエネルギー値を有するビームフォーミング角は、２つのデバイスを接続する最短パスの方向に対応していない。これは、チャネル推定を実行するのに用いられる解像度が、ｍｍＷａｖｅ通信の目的にとっては十分なものとすることができるが、２つのデバイスを接続する支配的パスの検出及び／又は正確なロケーション特定には不十分な場合がある、すなわち、低すぎる場合があるからである。

例えば、２つのデバイスを接続するパスの方向が或る座標系において３７度であり、ビームフォーミングの解像度が５度であるとする。そのような解像度は、チャネル推定に用いられる隣接するビームフォーミング角の間の離隔距離を規定する。そのために、この例では、チャネル推定中、ビームは、５度の倍数であるビームフォーミング角にわたってステアリングされる。したがって、この例では、チャネル推定は、３５度のビームフォーミング角が、最も高いエネルギー値を有するビームに対応すると判断する可能性が高い。なぜならば、３５度の角度が、２つのデバイスを接続するパスの角度に最も近いからである。

この例では、ｍｍＷａｖｅのビームが幅狭の放射光線である場合、一方のデバイスから送信されたそのようなビームは、第２のデバイスに全く到達しない。しかしながら、ｍｍＷａｖｅのビームは、特定の電力プロファイルに従って角領域において拡散される。そのために、３５度の角度にわたって一方のデバイスから送信されたそのようなビームは、データ通信にとって十分なものとすることができる相対的に高いエネルギーを有する３７度の角度にわたって位置するもう一方のデバイスに到達することができる。それが、多数のｍｍＷａｖｅ通信システムが高解像度チャネル推定を用いない理由のうちの１つである。

しかしながら、２つのデバイスを接続するパスの方向が誤って求められた場合であっても、支配的パスから逸脱したそのパス上に送信されたビームのエネルギーは、ビーム拡散に起因して支配的パス上で受信機に依然として到達する。飛行時間方法又は通過損失方法等の２つのデバイスの間の距離を求める方法は、支配的パス上でのみ正確な結果を提供する。したがって、支配的パスからのビームフォーミング角のずれは、方向の特定及び距離の特定の双方において誤差をもたらし、幾つかのロケーション特定ベースのアプリケーションにとって許容できない誤差に達する可能性がある。

幾つかの実施形態は、ビームフォーミング角を用いて送信されたビームから支配的パス上で受信されるエネルギーと、支配的パスの方向からのビームフォーミング角のずれとの間に或る関係があるという理解に基づいている。そのような関係は、ビームフォーミングに用いられるハードウェアと、２つのデバイスの間の距離とに依存するが、支配的パスの方向を推定するのに潜在的に用いることができる。そのような関係は、本明細書では、支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、このビームフォーミング角を用いて送信され支配的パス上で受信されたビームのエネルギーに関係付けるビームフォーミングモデルと呼ばれる。

しかしながら、そのようなビームフォーミングモデルは、デバイスの間の未知の距離に起因して劣決定であり、曖昧性を有する。しかしながら、幾つかの実施形態は、チャネル推定中に求められる複数のビーム値が同じ支配的パスを共有するという理解に基づいている。例えば、上述した例では、３５度及び４０度のビームフォーミング角を用いたビームフォーミング送信は、３７度の同じ支配的パスを共有する可能性が高い。したがって、幾つかの実施形態は、これらの複数のビーム値を用いて、ビームフォーミングモデルの曖昧性を解決し、支配的パスの方向を求める。

図７は、幾つかの実施形態によって用いられるロケーション特定のブロック図を示している。プロセッサ７０１は、メモリ３０３からビームトレーニング測定値を取り出し、ビームフォーミングモデル７０２を適用して、２つのデバイスの間の支配的パスの方向７０３を推定し、ロケーション推定値７０４をレンダリングする。

様々な実施形態では、プロセッサ７０１は、選択されたビーム値対についてビームフォーミングモデル７０２を評価することによって支配的パスの方向を求める。ビームフォーミングモデルは、支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、ビームフォーミング角を用いて送信され支配的パス上で受信されたビームのエネルギーに関係付ける。上述したように、ビームフォーミングモデルは曖昧であるが、複数のビーム値対がこの曖昧性を解決し、幾つかの実施形態のロケーション特定方法が支配的パスの方向の知識を利用することを可能にする。

支配的パスの方向が求められた後、プロセッサ７０１は、チャネル推定の結果のうちの少なくとも幾つかを用いて、第２のデバイスのロケーションに対する、支配的パスの方向に沿って配置された第１のデバイスのロケーションを求める。例えば、プロセッサは、チャネル推定段階中にビームに適用されるビーム伝播のモデルを用いて、支配的パスの方向に沿った２つのデバイスの間の距離を求めることができる。

幾つかの状況では、支配的パスは、２つのデバイスを接続する最短パスである。ｍｍＷａｖｅの送信ビームの反射に起因して、ｍｍＷａｖｅチャネルは、受信機アレイに衝突するｍｍＷａｖｅの到来数が疎らであり、送信機デバイスと受信機デバイスとを接続する明確に区別できる支配的パスを複数有する可能性がある。そのために、支配的パスは、２つ又は複数のビームフォーミング角によって規定される角度内で２つのデバイスを接続する短絡パスである。例えば、屋内環境では、２つのデバイスの間のｍｍＷａｖｅチャネルは、３〜５つの支配的パスを有する可能性がある。

図８は、幾つかの実施形態によって用いられる支配的パスの概念を示す例示的な概略図を示している。この例では、チャネル推定段階は、デバイス１からデバイス２への通信リンクを確立するために、デバイス１がビーム８２０に沿って送信し、デバイス２がビーム８３０に沿って受信することを示している。ビーム８２０にわたる放射信号エネルギー及びビーム８３０にわたる受信信号エネルギーの分布は、デバイスのアンテナのタイプに依存し、ビームフォーミングモデルによって指定される。ほとんどの場合に、ビームフォーミングモデルは、最も強い送信信号がビーム８２０の中心に沿った方向８２１にあることを示す。同様に、受信機は、その最も強い感度がビーム８３０の中心８３１に沿うように調節される。しかしながら、障害物８１２が２つのデバイスの間の直接的な見通し線を遮断しているので、デバイス１からデバイス２への接続は、反射器８１１において反射される最短パスであるパス８１０に沿って確立される。この例では、反射されるパス８１０が２つのデバイスの間の支配的パスと呼ばれる。一般に、送信ビーム８２０及び受信ビーム８３０における最も強い光線は、不完全なビームフォーミング解像度のために支配的パスと一致していない。この不一致は、２つのデバイスの間の通信を著しく妨げることはない。他方、デバイス１及びデバイス２に対する支配的パスに関連した角度の推定は、デバイスロケーション特定の重要な側面である。この推定は、メモリ３３０に記憶されたビームトレーニング測定値と、ビームフォーミングモデル７０２とを用いてプロセッサ７０１において行われる。そのようにして、これらの実施形態は、２つのデバイスを直接及び／又は間接的に接続するパスを含む異なるタイプの支配的パスを考慮することができる。

プロセッサ７０１は、ビームフォーミングモデル７０２を用いて２つのデバイスの間の支配的パスの方向を推定するために、メモリ３０３から複数のビーム対６０１を選択する。幾つかの実施態様において、プロセッサは、異なるビーム角を有するが、同じ支配的パスを共有するビーム対６０１を選択する。

図９Ａ及び図９Ｂは、幾つかの実施形態による、支配的パス方向の推定用に選択される複数のビーム対の例を示す概略図を示している。図９Ａの例では、通信リンクは、チャネル推定段階におけるビームトレーニング測定値に基づいてデバイス２、１０２からデバイス１、１０１に情報を配信するために確立される。したがって、デバイス２は、ビーム９３０に沿って情報信号を送信するとともに、デバイス１は、ビーム９１０をステアリングすることによって情報信号を受信する。２つのデバイスを接続する、ビーム９１０及び９３０によって規定される角度内の最短パス９０１が支配的パスである。

不完全なビームフォーミング解像度に起因して、各ビームに沿った最も強いエネルギーの伝播方向は、支配的パスと一致していない。したがって、支配的パス９０１は、ビーム９１０及び９３０のそれぞれの中心方向９１１及び９３１と一致していない。支配的パスが、送信ビーム及び受信ビームの中心方向と完全に一致している場合、それらの中心方向は、各デバイスの他方のデバイスに対する方位角を直ちに示すことになり、その場合、支配的パスの方向を推定するステップは完了する。しかしながら、完全な一致を期待することは、現実にはほとんど不可能である。したがって、支配的パスの方向を推定するために、デバイス１におけるプロセッサ７０１は、ビーム９１０だけでなく、ビーム９１０と同じ支配的パス９０１を共有するビーム９２０にも対応するチャネル測定値を考慮する。

特に、一方のビーム値対は、送信ビーム９３０、受信ビーム９１０を規定する角度、並びにそれらの送信ビーム及び受信ビームを用いて確立されたリンクの品質の測定値からなる。他方のビーム値対は、送信ビーム９３０、隣接する受信ビーム９２０を規定する角度、並びにビーム９３０及び９２０を用いて確立されたリンクの品質の測定値を含む。この支配的パスも、隣接する受信ビーム９２０の中心方向９２１と一致していないことに留意されたい。

一般に、第２のビーム値対について選択された受信ビームは、２つのデバイスの間の通信リンクを確立するために選ばれた１つの隣接する受信ビームである。幾つかの実施態様では、その個数がアレイ形状に依存する２つ又は複数の隣接するビームの中で、その対応するリンク品質が最大であるビームが、支配的パスの方向の推定を助けるために選択される。特に、全ての隣接するビームが同じ範囲の空間周波数をカバーする場合、支配的パスは、２つのビームの中心方向の間にある。図９Ａを参照すると、支配的パス９０１は、中心方向９１１及び９２１の間にある。

他方、多段階ビームトレーニングが用いられる場合には、隣接する受信ビーム９２０は、より広い範囲の空間周波数をカバーすることが起こり得る。図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、５２８は、通信リンクを確立するために選択された受信ビームとすることができる。チャネル推定段階中に測定された利用可能なビーム値は、受信ビーム５２７及び５１４に対応する。マルチステップビームトレーニングによって、受信ビーム５２５及び５２６を用いて確立されたリンクの品質の測定が回避されることに留意されたい。なぜならば、受信ビーム５１４に対応する測定値は、５１４の範囲内の方向に沿ったビームフォーミングが実行可能でないことを示しているからである。したがって、隣接するビーム９２０が異なる範囲の空間周波数をカバーするとき、より良好なリンク品質をもたらすビームを選ぶことができる。

図９Ａに示すように、２つのビーム値対は同じ送信ビーム９３０を含む。ただし、他の配置も可能である。例えば、図９Ｂに示すように、一方のビーム値対は、送信ビーム９３０、受信ビーム９１０及び対応するリンク品質測定値を含むことができるのに対して、他方のビーム値対は、隣接する送信ビーム９４０、受信ビーム９１０を対応するリンク測定値とともに含むことができる。特に、図９Ｂに示すように、支配的パス９０１の方向は、中心方向９３１及び９４１によって規定される角度の範囲内にある。既述したように、それは、ビーム９３０及び９４０が同じ範囲の空間周波数をカバーする場合である。

図１０は、幾つかの実施形態によるフェーズドアレイを用いるビームフォーミングの概略図を示している。幾つかの実施形態では、フェーズドアレイが、アンテナ素子において、適切に計算された位相シフトを用いて信号を位相シフトすることによって特定の方向に対して信号を送信／受信する。各ステアリング方向は、一組の位相シフトに関連付けられている。位相シフトからステアリング方向へのマッピングは、アンテナ素子の数、それらの幾何形状、それらの間の離隔距離及び信号波長に依存する。以下では、送信モードを前提とするが、同等の議論は受信モードにも同様に当てはまることを指摘する。

図１０を参照すると、着信する情報である方位角信号１００１は、スプリッター１００２を通過する。このスプリッターの出力の数はアンテナ素子の数に等しい。スプリッターからの信号は、位相シフトされ（１００３）、アンテナ素子１００５によって放射される。各位相シフターにおいて適用される位相シフトの量は、所望のステアリング方向１００６に基づいて位相制御ユニット１００４において計算される。ステアリング方向は、ここでは、上方を指す垂直ライン１００７に対して規定される。ステアリング方向は、基準方向１００７との角度１００８を囲む。

一例として、図１０のような垂直ラインフェーズドアレイは、ｄ＝λ／２の等間隔で配置されたＮ個のアンテナ素子を備える。ここで、λ＝ｃ／ｆは、波の速さｃと搬送波周波数ｆとの間の比として与えられる波長である。

を虚数単位として、アンテナ素子ｎ＝１，．．．，Ｎが複素指数信号ｅｘｐ（ｊ２πλｄ（ｎ−１）ｃｏｓθ）を送信する場合、アレイからの距離約１０Ｎｄにおいて、アンテナアレイによって放射される電磁場は、角度θ１００８によって指定される方向１００６に伝播する平面波である。ここで、方向１００６は、上方を指す垂直ライン１００７に対して規定される。したがって、平面波モデルは、以下の式によって与えられる。

ここで、Ｔは転置演算子を表す。ｖ（θ）は、垂直ラインフェーズドアレイの平面波モデルであることを強調しておく。ｖ（θ）における複素指数関数の独立変数は、着信信号がθの方向にステアリングされるように着信信号１００１に適用される必要がある位相シフトを決定する。

信号は、或る特定の方向にステアリング又はビームフォーミングされるが、これは、全体の信号エネルギーが正確にその方向に伝播することを意味するものではない。実際、信号エネルギーは、所望のステアリング方向付近の方向に非ゼロのエネルギーを検出することができるように空間的に拡散される。これが、ビームを放射エネルギーの空間分布と呼ぶことができる理由である。垂直ラインアレイの場合、アンテナアレイが或る方向θに向かってステアリングするときの或る方向ψにおける信号は、以下のビームフォーミングモデルによって与えられる。

Ｓの大きさは、ビームパターンと呼ばれ、アレイが各方向に放射するエネルギーの量を示す。

図１１は、幾つかの実施形態によって計算されるビームパターンのプロットを示している。この例では、ビームパターンは、方向に対して２０ｌｏｇ_１０｜Ｓ｜ｄＢとして計算される。したがって、１１０１は、アンテナアレイが９０度に向かってステアリングされるときに、送信信号電力がどの程度方向に依存するのかを示している。特に、９０度付近の方向にかなりの量の電力が存在する。さらに、相対的に小さい電力も、９０度から離れた方向に見られる。

ビームフォーミングモデル（２）は、アンテナ素子における信号が同じ単位の大きさを有するという仮定の下で導出される。換言すれば、ビームフォーマーは、アンテナ素子における信号間に均一な重みを適用する。ビームパターンが、ステアリング方向から離れると小さな放射エネルギー量を有することができるか、又は、かなりの放射エネルギー量を有するステアリング方向付近のより広い角度範囲を有することができるように、ビームパターンを調整することを目標としてアンテナ素子にわたって信号を重み付けする、異なる実施形態によって用いられる複数の他の窓関数がある。

ビームフォーミングは、デジタル領域又はアナログ領域において実施することができる。システムの大部分は、今日では、デジタルビームフォーミングを実施し、位相シフトは、デジタル方式で実施される。デジタルビームフォーミングの利点のうちの１つは、適用することができる位相シフト値の自由度が大きいということである。技術的には、信号は、デジタルビームフォーマーにおいて実施される位相シフトの機械精度に達するまで任意の方向にステアリングすることができる。加えて、異なるアンテナ信号に対して異なる重みを適用する多種多様な窓関数も実施することができ、様々なビームパターンが得られる。

デジタルビームフォーミングは、各アンテナに無線周波数（ＲＦ：radio frequency）チェーンを必要とする。すなわち、各アンテナにおける受信信号は、更なる処理の前にアナログ／デジタル変換（ＡＤＣ：analog-to-digital conversion）を必要とする。同様に、各アンテナにおける送信信号は、送信前にデジタル／アナログ変換（ＤＡＣ：digital-to-analog conversion）を必要とし、これは、幾つかのアプリケーションでは不利となる可能性がある。６ＧＨｚ未満の周波数範囲において動作するマルチアンテナ通信システムは、各アンテナに１つのＲＦチェーンを実装するが、これは、ハードウェアに関連した問題に起因してｍｍＷａｖｅ送受信機には当てはまらない。すなわち、マルチＧＨｚ範囲信号に対してｍｍＷａｖｅ周波数において動作するＡＤＣ及びＤＡＣは、高価であることに加えて、かなりの量の電力を消費する。したがって、ｍｍＷａｖｅ送受信機が、ｍｍＷａｖｅ周波数における波動減衰を克服するのに必要とされる長いアンテナアレイを実装し、ひいてはビームフォーミングを介して通信リンクを確立すると仮定すると、各アンテナに１つのＲＦチェーンを実装することは、大きなコスト及び消費電力をもたらすことになる。したがって、ｍｍＷａｖｅ送受信機が実施することができるビームフォーミングは、全体又は一部がアナログである。通常、ハイブリッドビームフォーミングと呼ばれる一部がアナログであるビームフォーミングでは、実装されるＲＦチェーンは多くとも少数にすぎず、各ＲＦチェーンは、アンテナ素子の全て又はサブセットに関連付けられている。

より単純な実施態様であるにもかかわらず、アナログビームフォーミングに関する１つの課題はビームフォーミング解像度である。すなわち、ｍｍＷａｖｅ送受信機におけるアナログ位相シフターは、着信信号に対して適用することができる有限個の、多くの場合に限られた数の位相シフトを有する。その結果、信号は、相対的に少数の方向にしかステアリングすることができない。ｍｍＷａｖｅ送受信機設計における現時点での最新の技術水準の解像度は５度であり、これは、角領域における連続したビームが少なくとも５度の間隔を有することを意味する。これは図１１に示されている。図１１では、ビーム１１０２及び１１０３はビーム１１０１の隣接するビームである。図示するように、１１０１、１１０２及び１１０３のステアリング方向は５度の間隔を有する。

ビームフォーミング解像度問題は、デジタルビームフォーミングにおいても生じることに留意されたい。すなわち、デジタルビームフォーマーが、２つのかなり接近した方向、例えば、９０度及び９０．０１度に向けてビームをステアリングすることができるとしても、空間エネルギー拡散及び雑音に起因して、受信信号がこれらの２つの方向のいずれから実際に到来したものであるのかを検出することは困難である可能性がある。換言すれば、アレイサイズ及び雑音レベルに応じて、受信信号の方向を確実に特定することができる解像度限界が存在する。

１つの実施形態は、２つのビーム値対に基づいて支配的パスの方向を推定する。図９Ａを参照して、上方を指す垂直ライン９０６に対するビーム９３０の中心方向９３１の角度をαで表すことにする。９０６に対する支配的パス９０１の角度はθで表される。デバイス２は、チャネル推定段階中に方向９３１に沿ってパイロット信号を送信するので、支配的パス９０１に沿って送信された信号は、その場合、以下の式によって与えられる。

ここで、Ｂ（α，θ）は（２）に導入されており、ここでは、支配的パスの方向θからのビームフォーミング角αのずれを、受信機に向かって伝播する信号エネルギーに関係付けるのに用いられる。特に、支配的パス９０１に沿った信号は重要なものである。なぜならば、この信号が受信機、この例ではデバイス１に到達する信号であるからである。

図９Ａを更に参照して、ビーム９１０及び９２０の中心方向９１１及び９２１が、上方を指す垂直ライン９０５と囲む角度をそれぞれβ及びγで表すことにする。支配的パス９０１が９０５と囲む角度はθ_１で表される。したがって、９１１に向けてステアリングするときのデバイス１によって、支配的パス９０５に沿って伝播するパイロット信号に導入される利得は、以下の式によって与えられる。

同様に、デバイス１が９２１に向けてステアリングするときのこの利得は、以下の式によって与えられる。

ビームフォーミングモデルは、ここでは、支配的パスの角度θ_１からの、受信機側に適用されるビームフォーミング角β及びγのずれを受信信号エネルギーに関係付けるのに用いられる。

デバイス１が、チャネル推定段階中に測定されたリンク品質を考慮するために受信信号の大きさを記録すると仮定すると、９１１に向けてステアリングするときの受信信号の大きさは、以下の式によって与えられる。

ここで、ｋは送信信号電力及び伝播減衰を考慮する係数であり、ｎ_１はビームフォーミング後に結果として生じる雑音である。同様に、９２１に向けてステアリングするときに、受信パイロット信号の大きさは、以下の式によって与えられる。

ここで、ｎ_２はビームフォーミング後に結果として生じる雑音である。２つのデバイスの間の距離の影響は倍率係数ｋに組み込まれていることに留意されたい。

様々な実施形態において、角度α、β及びγ並びに測定値ｚ_１及びｚ_２は既知であり、２つのビーム値対から得られる。他方、角度θ及びθ_１並びにｋは未知である。（６）と（７）との間の比を取り、雑音を無視すると、以下の式が得られる。

垂直ラインアレイの場合に、この比は、（２）を用いると、以下の式によって与えられる。

したがって、支配的パスが基準９０５と囲む角度θ_１として与えられる支配的パスの方向は、非線形方程式（９）を解くことによって得られる。支配的パス９０１の方向は９１１と９２１との間にあるので、ｍｉｎ（β，γ）からｍａｘ（β，γ）の角度の範囲においてθ_１の欲張り探索を行うことができる。この処理ステップの最終結果は、支配的パス方向θ_１の推定値である。

幾つかの実施形態は、チャネル推定段階からの結果には、支配的パスの方向について曖昧性があるという理解に基づいている。見識がない場合には、支配的パスは、デバイス１がデバイス２との通信リンクを確立するために適用すべきステアリング方向であるβによって与えられる方向を有すると推定することができる。それは、大きなロケーション特定誤差をもたらす。記載された方法は、ビームフォーミングモデルを適切に適用することによってこの問題を克服する。本質的に、ビームフォーミングモデルは、支配的パスの方向における曖昧性を解決するのに役立つ。

１つの実施態様では、支配的パス方向の特性式（９）は、比ｚ_１／ｚ_２に対する雑音実現値ｎ_１及びｎ_２の影響を無視することによって取得される。この仮定は、雑音項が、対応する信号項に対して小さくなるように、大きなＳＮＲをもたらす大きなビームフォーミング利得の場合に正当化することができる。特に、ｍｍＷａｖｅ通信システムは、実際、ｍｍＷａｖｅの大きな減衰を軽減し、それによってリンクを閉じる手段として大きなビームフォーミング利得に依拠する。しかしながら、無視できない雑音の場合には、後述するように、３つ以上のビーム値対が必要とされ、同じように用いられる。

上記例は垂直ラインフェーズドアレイを用いる。しかしながら、同じ論法は他のアレイ幾何形状にも当てはまる。また、図９Ｂに示す受信ビーム９１０並びに送信ビーム９３０及び９４０からなるビーム値対から支配的パス方向θを求めるのにも同じ手法を用いることができる。

図１２は、１つの実施形態による、３つ以上のビーム値対を用いて２つのデバイスの間の支配的パスの方向を推定する一例の概略図を示している。図１２を参照すると、チャネル推定段階の結果、デバイス２は、信号を方向９３１にステアリングすることによって情報を送信するように指示され、デバイス１は、方向９１１に向けてステアリングすることによって信号を受信するように指示される。これによって、送信ビーム９３０及び受信ビーム９１０がもたらされる。支配的パス９０１が基準方向９０５と囲む角度を用いて表される支配的パス９０１の方向を推定するために、プロセッサ７０１は、メモリ３０３から３つのビーム値対を選択する。それらの対は、（（α，β），ｚ_１）、（（α，γ），ｚ_２）及び（（α，δ），ｚ_３）である。ここで、αは、送信ステアリング方向９３１が基準方向９０６と囲む角度であり、βは、受信ステアリング方向９１１が基準方向９０５と囲む角度であり、γ及びδは、隣接するビーム９２０及び１２１０の中心方向９２１及び１２１１が基準方向９０５と囲む角度であり、最後に、ｚ_１、ｚ_２及びｚ_３は、対応する受信信号の大きさである。

（６）及び（７）と同様に、測定値ｚ_３は以下の式によって与えられる。

ここで、ｎ_３は測定雑音である。
前述同様に、測定値ｚ_１、ｚ_２及びｚ_３のうちの任意の２つの対の間の比が、支配的パス方向を推定するために統計量として取られる。したがって、

が得られる。ここで、ｗ_１は、雑音及び近似誤差を集計したものである。同様に、

が得られる。ここで、ｗ_２は、雑音及び近似誤差を集計したものである。支配的パス方向の角度θ_１は、例えば、最小二乗適合を用いて統計量ｔ_１及びｔ_２から推定することができる。

加えて又は代替的に、デバイス１は、支配的パス方向の正確な推定値を取得するために４つ以上のビーム対を利用することができる。また、ビーム対は、同じ受信ビーム方向を共有するとともに異なる送信ビームを用いることができる。さらに、ビーム値対における受信ビーム及び送信ビームの異なる組み合わせも可能である。例えば、２つのビーム対は、同じ送信ビームを共有するとともに異なる受信ビームを含むことができ、他の２つのビーム対は、同じ受信ビームを共有するとともに異なる送信ビームを含むことができる。全ての４つのビーム対における測定信号の大きさのモデルは、それらの全てのビームの未知の支配的パス方向及び既知のステアリング方向に依存する。

２つのデバイスの間の支配的パスの方向は、デバイス２等の他方のデバイスに対するデバイス１等の一方のデバイスの方向を与える。図１に示すように、これは、支配的パス方向から角度θ１０８を直接求めることができることを意味する。しかしながら、デバイス２に対するデバイス１のロケーションを特定するには、これらの２つのデバイスの間の距離ｒ１０７を推定する必要がある。

図１３Ａは、１つの実施形態による、デバイスのロケーションを推定する方法のブロック図を示している。具体的には、この実施形態は、支配的パスの推定された方向７０３に沿って他方のデバイスに対する一方のデバイスのロケーションを特定する（１３２０）。換言すれば、この実施形態は、支配的パスの方向７０３に沿った２つのデバイスの間の距離を推定し（１３１０）、ロケーション推定値７０４を生成する。異なる実施形態は、異なる方法を用いて、支配的パスの方向に沿ったデバイスの間の距離を求める。

図１３Ｂは、幾つかの実施形態による、飛行時間（ＴＯＦ）測定値を用いて２つのデバイスの間の距離を求める方法のブロック図を示している。ＴＯＦは、信号が一方のデバイスから他方のデバイスに伝播するのに要する時間間隔である。ＴＯＦ測定値１３１１をτを用いて表すと、２つのデバイスの間の距離は以下のように計算される（１３１２）。

ここで、ｃは、環境を通過する波の伝播速度であり、この例では、空気中の光の速度である。計算された距離ｄは、次に、デバイスロケーション特定１３２０に用いられる。ＴＯＦ測定値は、複数の方法で取得することができる。

図１３Ｃは、ＴＯＦチップを用いる幾つかの実施形態による、ＴＯＦ測定値を求める方法の概略図を示している。例えば、１つの実施形態は、一方又は双方のデバイスに組み込まれた市販のＴＯＦチップを用いて図１３Ｃの方法を実施する。加えて又は代替的に、別の実施形態は、デバイスによって実施される通信規格を用いて、２つのデバイスの間の信号のＴＯＦを測定する。例えば、ＴＯＦは、一方のデバイス１０２から他方のデバイス１０１にパイロット信号１３１６を送信することによって測定することができる。このパイロット信号は、プリアンブル１３１４と、送信の時刻ｔ_１を指定する１つのフィールド１３１３とを含むパケットを搬送する。他方のデバイスは、この送信信号を受信し、プリアンブルを検出し、受信の時刻ｔ_２を記録する。２つのデバイスが同期されていると仮定すると、ＴＯＦは、τ＝ｔ_２−ｔ_１によって与えられる。この同期は、チャネル推定段階中に実現することができる。或いは、ＴＯＦは、信号送信から、他方のデバイスからの肯定応答確認メッセージ受信までの、デバイスによって測定するラウンドトリップ時間（ＲＴＴ）から測定することができる。ＴＯＦは、その場合、ＲＴＴの２分の１として与えられる。

図１４Ａは、パス損失モデルを用いて２つのデバイスの間の距離を求めるために別の実施形態によって実施される方法の概略図を示している。パス損失モデルは、伝播信号の電力が、拡散及び減衰に起因して距離とともにどのように減少するのかを記述する。アクセスポイント（ＡＰ）１４１０は、基準距離ｄ_０１４１２における基準受信信号強度（ＲＳＳ）レベルｚ^Ｒ１４１１を用いて特徴付けられる。ＡＰの基準ＲＳＳレベルｚ^Ｒは事前に求められる。

ＡＰから発信し、デバイス１４２０によって受信される信号のレベルは、ｚ１４２１を用いて表される。パス損失モデルは、ＲＳＳ測定値ｚと、ＡＰ及びデバイスの間の距離ｄ１４１５との間の以下の関係を記述する。

ここで、ηはパス損失係数であり、ｖは測定雑音である。パス損失係数は、放射された信号電力がアクセスポイントからの距離の増加とともに減衰する速さを定量化するものである。自由空間伝播環境では、η＝２である。パス損失係数は、屋内エリア等のより複雑な状況ではより高い値を有する。

ガウス分布測定雑音ｖの場合、距離ｄの最大尤度（ＭＬ）推定値は、以下の式によって与えられる。

ｖのガウス雑音統計量は、実際に正当と認められた仮定である。

幾つかの実施形態では、より正確な距離推定値を取得するために、減衰に起因した伝播損失が、パス損失モデルにおいて考慮されるべきである。単位距離当たりの減衰損失をαを用いて表すと、ＲＳＳ ｚは以下の式によって与えられる。

その場合、距離ｄのＭＬ推定値は以下の式によって与えられる。

この式は、非線形最適化ルーチンを用いて解かれる。

パス損失係数η及び減衰αは、一般に未知である。しかしながら、ｍｍＷａｖｅ伝播を伴う非常に多くの実験測定は、異なる環境におけるそれらの係数を報告している。その結果、１つの実施形態では、距離推定ブロックは、テーブルルックアップを実行して環境のタイプのそれらの値を収集し、その後、測定されたＲＳＳ値ｚに基づいてｄを推定する。

図１４Ｂは、幾つかの実施形態による、減衰係数を用いて２つのデバイスの間の距離を求める方法のブロック図を示している。例えば、式（１７）に従ってＭＬ推定を実施するプロセッサ１４３５は、パス損失及び減衰係数１４３０を、様々な環境についてのそれらの値を記憶するメモリから取得するとともに、実際にはビームエネルギー６１２である信号強度測定値１４３２及び他方のデバイスの送信電力１４３４を取得する。他方のデバイスの送信電力は、通常、チャネル推定段階に先行する初期デバイス関連付け段階中に取得される。１４３５において実施される非線形最適化ルーチンは、距離推定値１４３６を与える。

幾つかの実施形態によれば、デバイス２に対するデバイス１のロケーションは、支配的パスの推定された方向

と、２つのデバイスの間の距離

とに基づいて求められる。一般に、デバイス１は、

を用いて求められた方向に沿った距離

に位置している。実施形態は、デバイスが互いの間の直接的な見通し線（ＬＯＳ）にいる限り、正確なロケーション特定を提供する。しかしながら、代替の実施形態の場合、２つのデバイスは直接的なＬＯＳ通信を行わない。

図１５Ａは、幾つかの実施形態によって考慮される２つのデバイスの例示的な配置の概略図を示している。１つの例では、デバイス２は、水平剛壁１５０５及び垂直剛壁１５０６からなるコーナーの近くのロケーション１５０１にある。支配的パス方向及び距離の推定値が与えられると、角度

１５１０によって規定される方向に沿って距離

１５１１を進み、デバイス１のロケーション１５１５を推定することができる。そのようなロケーション特定は、デバイス１が剛壁の背後にあることを暗に意味し、これは、壁を通過して伝播する能力が低いｍｍＷａｖｅ通信には当てはまらない場合がある。そのために、幾つかの実施形態は、エリアのフロアマップを用いて、デバイスの推定されたロケーションを補正する。これらの実施形態によって、デバイスの間に直接的及び／又は間接的な（反射された）通信リンクが存在する場合に、或るデバイスの、別のデバイスに対するロケーションを求めることが可能になる。

図１５Ａのこの例では、受信されたｍｍＷａｖｅ信号強度が非常に小さいので、２つのデバイスが高い確実性で関連することはないことから、エリアのフロアマップが与えられると、実施形態は、デバイス１が１５１５に位置する可能性がないと結論付ける。このマップが与えられると、実施形態は、デバイス２の仮想ロケーションを自動的に計算する。それらの仮想ロケーションは、デバイス２をミラーリングしたロケーションであり、剛壁１５０６及び１５０５に対してそれぞれ１５０２及び１５０３に位置する。したがって、２つのデバイスの間のリンクが、反射パス１５１８に沿って確立された場合、このリンクは、デバイス１と通信する仮想デバイス２−２をロケーション１５０３に有するのと等価である。同様に、デバイス１とデバイス２との間のリンクが、壁１５０６から反射するパスに沿っている場合、このリンクは、デバイス１と通信する仮想デバイス２−１を１５０２に有するのと等価である。

図１５Ｂは、１つの実施形態による、第１のデバイス及び第２のデバイスを取り囲む環境の地図を用いる屋内ロケーション特定のブロック図を示している。この実施形態によれば、デバイス２に対するデバイス１のロケーション特定を実行するデバイスに地図１５２０が供給されると、実施形態は、デバイス２から生じる全ての仮想デバイスのロケーションをデバイス２の既知のロケーション１５２１に基づいて自動的に計算する（１５２５）。次に、実施形態は、推定された支配的パス方向及び距離１５２６を実際のデバイス及び仮想デバイスのそれぞれに適用する。

図１５Ａを参照すると、実施形態は、デバイス２、デバイス２−１及びデバイス２−２のそれぞれからの角度

及び距離

におけるロケーションを計算し、地図と最も整合するロケーションを出力する（１５３０）。この例では、そのロケーションはロケーション１５１６である。図１５Ａの単純な例では、より多くのロケーションが地図と整合することが起こり得る。しかしながら、屋内エリアは、通常、より複雑であり、より多くの壁を考慮することによって、単一のロケーション推定値が得られる。最も整合するロケーション推定値１５３０が、最終的なロケーション推定値７０４である。

幾つかの実施形態は、１５３０におけるルーチンの代替の実施態様を提供する。すなわち、デバイス１及びその虚像から角度

及び距離

におけるロケーションを直接見つけることの代替の形態は、屋内エリアを格子に分割し、各格子点の尤度関数を計算するものである。これを行うために、実施形態は、支配的パス方向推定及び距離推定の誤差モデルを指定する。推定値

に対応する真の角度をβと仮定すると、誤差は、分散σ^２ _βを有するゼロ平均ガウス分布としてモデル化することができる。同様に、真の距離ｄからの距離推定値

の誤差は、分散σ^２ _ｄを有するゼロ平均ガウス分布としてモデル化することができる。これらの分散σ^２ _β及びσ^２ _ｄは、用いられるセンサーに基づいて較正又は評価することができる。例えば、現時点における現行技術水準のｍｍＷａｖｅＴＯＦセンサーは、標準偏差１５ｃｍの距離推定値を与える。

支配的パス方向及び距離推定の誤差モデルが与えられると、各格子点がデバイス２及びその虚像のそれぞれに対して角度

及び距離

にある尤度が求められる。例えば、格子点ｐがデバイス２の虚像ｉから角度α及び距離ｒにあると仮定する。その場合、尤度関数は以下の式によって与えられる。

ここで、ｐは全ての格子点を対象にし、ｉは基準デバイス又はその虚像のうちの１つを指す。このロケーションは、その場合、全てのｉにわたって最大尤度関数を与える格子点ｐに対応するロケーションとして推定される。α及び

があまり異なっていない限り、支配的パスの方向を推定する際に作成される誤差のガウスモデルは優れたものであることに留意されたい。例えば、

であり、α＝１０度であり、アンテナの数が例えば１００である場合に、αと

との間の相違から生じる尤度は、方向８０度におけるビームパターンの大きさであって、ビームが８０度の方向において１０度に向かってステアリングされるときに対応するビームパターンの大きさから考慮することができ、これは０にかなり近い。

実施形態は、２つのデバイスが反射パスに沿って通信すると判断した後、反射に起因した信号エネルギーの損失を考慮することによって距離推定値を任意選択で精緻化することができる。これは、実験から知られており、例えば、ルックアップテーブルとして表にされている反射損失を差し引くことによって行われる。非常に正確な距離推定値を取得するために、壁に用いられている材料のタイプ及びｍｍＷａｖｅが被る反射損失を含む詳細な地図が用いられる。

幾つかの実施形態では、支配的パス方向の推定には、雑音だけでなく、例えば、反射に由来する干渉も伴う。すなわち、（１０）における雑音ｎ_３に加えて、ビームフォーマーを通過している反射に由来する全ての干渉をモデル化する項も存在する。しかしながら、デバイスは、１つの支配的パスの近くをステアリングしているので、他の方向、すなわち、他の支配的パスから到来する信号はかなり減衰される。したがって、干渉の影響は無視することができ、推定精度を著しく悪化させることはない。

図１５Ｃは、この態様について更に詳しく述べるために、幾つかの実施形態によって用いられる複数のパスに沿った２つのデバイスの間の例示的な通信の概略図を示している。この例では、これらのデバイスは、支配的パス１５５０に沿って通信リンクを確立するために、それぞれ送信ビーム１５４１及び受信ビーム１５４６を生成する。支配的パスの方向を推定するために、デバイス１は２つのビーム値対を用いる。一方のビーム値対はビーム１５４１及び１５４６を規定する角度を有し、他方のビーム値対はビーム１５４１及び１５４５を規定する角度を有する。図示するように、壁１５５３から反射する、１５５４及び１５５５からなる支配的パスも存在する。それは、デバイス２がビーム１５４１に沿って信号を送信すると、送信エネルギーの一部分が１５５４及び１５５５に沿って伝播し、受信機に到達することを意味する。したがって、デバイス１がビーム１５４６に沿ってステアリングするときの受信信号強度は、エネルギーのその一部分から生じる干渉を含む。同様に、ビーム１５４５に沿ってステアリングするときは、受信信号強度は、反射信号から生じる干渉も含む。しかしながら、双方の干渉項は相対的に小さい。なぜならば、方向１５５４に向けて漏出するデバイス２からの信号は、デバイス２のビームフォーミングが１５４１に向けてステアリングすることによって既に減衰されているからである。その結果、他の支配的パスに沿って伝播する信号からの干渉が支配的パス方向の推定精度に与える影響は無視することができる。

図１６Ａは、２つのデバイスが２つ、３つ又はそれよりも多くのビーム値対を用いることによって無線で通信する支配的パスの方向を求めるために幾つかの実施形態によって用いられるチャネル推定の概略図を示している。特に、チャネル推定段階は複数の支配的パスをプローブし、２つのデバイスの間の通信リンクが、最も高い品質を示す支配的パスにわたって確立される。例えば、デバイス２が送信モードにあり、デバイス１が受信モードにあるような２つのデバイスが、均一なラインアレイを用いると仮定すると、図１６Ａは、チャネルトレーニング段階及び／又は推定段階中にプローブされた発射角（ＡｏＤ）１６０１及び到来角（ＡｏＡ）１６０２の組み合わせを図によって表している。チャネルトレーニング段階は、最良の通信リンク１６３１が、デバイス２がＡｏＤ角度範囲（１３５度，１５７．５度）内でビームをステアリングするとともに、デバイス１が角度範囲（４５度，６７．５度）に向けて受信ビームをステアリングするときに確立されるものであることを明らかにしている。

上記例では、実施形態は、それらの送信ビーム及び受信ビーム内で支配的パスの方向を推定する。次に、デバイスの間の距離の推定値を用いて、実施形態は、デバイスロケーション特定を実行する。ただし、代替の実施形態は、複数の支配的パスにわたるチャネル測定値をロケーション特定に用いる。すなわち、図１６Ａに示すように、チャネル推定段階は、確立されるリンク、例えば、送信ビーム（０度，９０度）及び受信ビーム（０度，９０度）について確立されるリンク１６１０、同様に組み合わせ１６１１、１６１２、より高い解像度ビームを用いて確立されるリンク１６２１、１６２２、１６２３、並びにより一層高い解像度ビームを用いて確立されるリンク１６３１、１６３２、１６３３及び１６３４の品質を測定する。各送信受信ビームの組み合わせは或る特定の支配的パスに対応する。少なくとも２つのビーム値対を用いて支配的パス方向を求めるのと同様に、複数のグループのビーム値を利用して、複数の支配的パスの方向を求めることができる。ビーム値を選択する際には、より高い品質尺度に関連付けられたビーム値が優先される。

図１６Ｂは、幾つかの実施形態によって用いられる三角測量の概略図を示している。２つのグループのビーム対に基づいて、２つの支配的パスの方向が求められるものと仮定する。図１６Ｂを参照して、それらの支配的パスに対応する角度を

１６４１及び

１６４２とする。したがって、それらの２つの角度に基づく三角測量は、デバイス１のロケーションを推定するのに十分である。具体的には、デバイスロケーション特定は、

に対応する支配的パス１６４３がＬＯＳパスである一方、

に対応する支配的パス１６４４が、仮想デバイス２−１からのＬＯＳと等価な反射点１６４５を有するパスであることを検出することからなる。

図１６Ｃは、１つの実施形態によって用いられるロケーション特定のブロック図を示している。この実施形態は、１つ以上のｍｍＷａｖｅ反射を説明する全ての仮想デバイスを特定する（１５２５）ために、エリアの地図１５２０と、この地図におけるデバイス２のロケーション１５２１とを用いる。チャネル推定段階において取得された複数組のビーム値対を用いて、実施形態は、次に、２つ以上の支配的パスの方向１６５０を求める。推定された角度と最も整合するロケーションが見つけられ（１６６０）、最終的なデバイスロケーション推定値７０４として宣言される。

推定された角度と最も整合するロケーションは、複数の方法で求めることができる。例えば、１つの実施態様は、推定された角度を用いてデバイス２及びその虚像からのラインをトレースし、それらの交点を求め、地図、及び支配的パスに対応する可能なビーム値と最も整合する交点を見つける。別の実施態様は、地図を格子点に分割し、式（１８）と同様に、各角度が尤度関数における１つの項に寄与する差分を用いて各格子点の尤度の値を求める。例えば、格子点が角度α_１及びβ_１にあると仮定すると、尤度は以下の式によって与えられる。

ここで、ｉ、ｊはデバイス及び全てのその虚像からなる組からの任意の対である一方、σ^２は、例えば、測定値から較正された推定誤差の分散である。全てのｉ、ｊの組み合わせ及び全ての格子点ｐにわたる最大の尤度を与えるデバイスロケーションｐが、最終的なロケーション推定値を与える。

幾つかの実施形態では、第１のデバイス及び第２のデバイスは、通信プロトコルの物理レイヤを用いてチャネル推定を実行し、通信プロトコルの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤにチャネル推定の結果を記憶し、プロセッサは、ＭＡＣレイヤから取り出された情報のみを用いて支配的パスの方向を求める。そのようにして、幾つかの実施形態の屋内ロケーション特定は、通信プロトコルスタックのＭＡＣレイヤの上部において実施することができる。

図１７は、通信プロトコルスタックのＭＡＣレイヤの上部において実施される幾つかの実施形態による屋内ロケーション特定の概略図を示している。図１７に示すように、２つのデバイス１０１及び１０２は、情報を無線で交換するためにｍｍＷａｖｅ通信プロトコルを実施する。送信機の物理レイヤ１７０３は、受信機の物理レイヤ１７０３において受信及び処理される信号波形１７０１を生成する。２つのデバイスの関連付け及びチャネル推定段階は、ＭＡＣレイヤ１７０５によって制御される。チャネル推定結果、すなわち、送信ビーム及び受信ビームの異なる組み合わせによって形成されたリンクの品質は、ＭＡＣレイヤのメモリに記憶される。屋内ロケーション特定方法１７０７は、概念的には、ＭＡＣレイヤの上部において実施される。これは、屋内ロケーション特定方法が送信／受信信号波形に直接アクセスしないことを意味する。代わりに、屋内ロケーション特定方法は、ＭＡＣレイヤのメモリから完全な又は部分的なチャネル状態情報（ＣＳＩ：channel state information）１７１０を得るだけである。

図１７において説明した実施態様の利点は、コストの削減及びフレキシビリティの改善である。すなわち、新たなハードウェアを設計、購入及び設置する必要がない。方法全体を、ｍｍＷａｖｅ通信チップセットのＭＡＣレイヤのファームウェアで実施することができる。加えて、上記の実施にあるように、屋内ロケーション特定はｍｍＷａｖｅ通信と干渉しない。なぜならば、屋内ロケーション特定は、通信プロトコルスタックのＭＡＣレイヤが通信を有効にすることを目的として既に有する情報を活用するからである。或る意味で、その情報の全て、すなわち、部分的なＣＳＩは、実際には無料で得られ、屋内ロケーション特定を容易にするのに用いることができる。

図１８は、幾つかの実施形態による通信リンクを確立する図を示している。様々な実施形態において、送信機及び受信機は、チャネルトレーニング段階からの測定値を用いて、それらの間に通信リンクを確立する。特に、最も高いリンク品質を与える送信ビーム及び受信ビームの組み合わせは、送信機及び受信機がデータを通信するためにそれぞれ実施するビームである。図１８を参照すると、それは、デバイス２が、９３１に向かって送信信号をステアリングし、ビーム９３０を生成するとともに、デバイス１が、その信号を受信するために９２１に向かってステアリングし、したがって、ビーム９２０を生成することを意味する。

しかしながら、屋内ロケーション特定方法は、チャネル推定段階において求められた送信ビーム及び受信ビームを用いて囲まれる支配的パスの方向を推定するので、１つの実施形態では、デバイスは、支配的パスに沿って通信することもできる。特に、１つの実施態様では、屋内ロケーション特定方法が支配的パスの角度を推定した後、デバイスは、それらのビームをそれらの角度に向けてステアリングして、支配的パスに沿ったリンクを確立する。特に、そのようなリンクはより良好な品質のリンクである。図１８を再度参照すると、屋内ロケーション特定方法は、２つのデバイスの間の支配的パス９０１の方向を求める。したがって、デバイス２は、支配的パス９０１の方向に向けて信号をステアリングすることによってその信号を送信することができるとともに、デバイス１は、支配的パス９０１の同じ方向に向けてステアリングすることによって信号を受信することができる。

図１９は、ビームを送信及び受信するために幾つかの実施形態によって用いられるビームフォーミングを示す概略図を示している。ビームフォーミング角のフォーマットは、デバイスに実装されるアレイのタイプに依存する。例えば、デバイスが均一なラインアレイを実装する場合には、１つの角度のみがビームフォーミング角を規定する。図１９に示すように、基準方向１９０１に対して、波が送信又は受信される方向１９０３の角度１９０４が測定される。均一な垂直ラインアレイは、ビームフォーミング角を構成する、アレイの方向に対する仰角のみを決定することができる。アレイが波を送信する場合、この角度は発射角（ＡｏＤ）と呼ばれる。他方、アレイが波を受信する場合、この角度は到来角（ＡｏＡ）と呼ばれる。

図２０は、幾つかの実施形態によって考慮される通信デバイスの方位の概略図を示している。幾つかの実施態様では、双方のデバイスのアレイの方位は既知であり、支配的パスの方向の推定において考慮される。

一般に、２つのデバイスは、任意のランダムな方位を有する場合がある。例えば、ユーザーによって保持されるモバイル端末は、任意の方位を有する場合がある。図２０に示すように、デバイス１及びデバイス２のそれぞれのラインアレイ２０１０及び２０２０は、ランダムな方位を示すことができる。これらの方位は、基準方向２００１及びそのコピー２００２に対して測定される。したがって、デバイス１は基準方向に対して方位γ２０１１を有する一方、デバイス２は基準方向に対して方位φ２０２１を有する。支配的パスの方向は、角度β２００２及びα２０１２を用いて記述される。これらの全ての角度は、関係２０２５、すなわち、α＋β＋γ＋φ＝πを満たす。他のアレイの幾何形状の場合も、他の類似の関係を確認することができる。関係２０２５から、幾つかの実施形態は、関与する４つの角度の中の少なくとも３つを推定する。

まず、上述した方法を用いて支配的パスの角度β及びαを推定することができる。角度の推定が行われる箇所に関して多数の異なる組み合わせが可能である。すなわち、デバイスのそれぞれが、上記角度のうちの１つを推定することができ、必要に応じて、他のデバイスと推定値を共有することができる。或いは、双方の角度を１つのデバイスが推定することもでき、必要に応じて、他のデバイスと共有することができる。

デバイスの方位γ及び／又はφを推定する方法も多数ある。第１に、これらの方位のうちの一方が固定され、事前に知られている場合がある。これは、デバイスのうちの一方が、ラインアレイを実施する場合にはその方位が常に知られており、平面アレイ等の他の或る幾何形状を実施する場合には少なくとも１つの方位が事前に知られているようなアクセスポイント又は基地局であるときに起こる。第２に、双方のデバイスのうちの一方が、方位を測定するセンサーを備えている場合がある。これは、デバイスのうちの一方が、その方位を追跡するジャイロスコープを既に組み込んでいるスマートフォンであるときに起こる。

全体的に、支配的パス方向に関連した角度のサブセット及び双方のデバイスがラインアレイを実施する場合には４つの角度の中の少なくとも３つの推定値を与える方位のサブセットの測定の任意の組み合わせを用いることができる。また、屋内ロケーション特定方法の必要に応じて、この全体の推定プロセスを一方又は双方のデバイス上で実施することができ、結果を共有することができる。

本発明の上記で説明した実施形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。

用語「プログラム」又は「ソフトウェア」は、本明細書において、コンピューター又は他のプロセッサをプログラミングし、上記で論じられたような本発明の種々の態様を実施するために用いることができる任意のタイプのコンピューターコード又は一組のコンピューター実行可能命令を指すために、一般的な意味において用いられる。

コンピューター実行可能命令は、１つ以上のコンピューター又は他のデバイスによって実行された、プログラムモジュール等の多くの形式をとることができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、及びデータ構造を含む。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望に応じて組み合わせることも分散させることもできる。関数を実行するか又は関数を実行するように構成されたプロセッサを、追加の変更なしにその関数を実行するようにプログラムされるか又は他の方法で構成される任意の好適なフォーマットの回路類を使用して実装することができる。

また、本発明の実施形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施形態を構築することができ、これには、例示の実施形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、幾つかの動作を同時に実行することを含めることもできる。

請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ（序数の用語の使用を除く）名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。

Claims (19)

1. 第２のデバイスの既知のロケーションに基づいて第１のデバイスのロケーションを求めるミリ波（ｍｍＷａｖｅ）通信システムであって、
   一組のアンテナに接続されて、ｍｍＷａｖｅのビームを通信し、ｍｍＷａｖｅビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたってビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続するチャネルの推定を行う送受信機と、
   ビーム値対を含むチャネル推定の結果を記憶するメモリであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含む、メモリと、
   前記メモリに作動的に接続されたプロセッサであって、
   前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を前記メモリから選択することと、
   前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、
   前記第２のデバイスの前記ロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることと、
   を行うように構成された、プロセッサと、
   を備え、
   各ビームフォーミング角は、通信されるビームの発射角と、前記通信されるビームの到来角とを含む、
   通信システム。
2. 前記選択された複数のビーム値対は、前記ビームフォーミングの前記解像度に従って互いに隣接するビームフォーミング角を有する２つのビーム値対を含み、前記支配的パスは、前記選択されたビーム値対からの前記隣接するビームフォーミング角によって規定される角度内における前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間の最短パスである、請求項１に記載の通信システム。
3. 前記ビームフォーミングモデルは、該ビームフォーミングモデルが、前記選択された複数のビーム値対を用いて前記プロセッサによって解決される曖昧性を含むように、前記支配的パスからの前記ビームフォーミング角の前記ずれを、前記ビームの前記エネルギー及び前記ビームフォーミングを実行する送受信機の間の未知の距離に関係付ける、請求項１に記載の通信システム。
4. 前記選択された複数のビーム値対は、前記チャネル推定中に受信された最も高いエネルギー値を有する第１のビーム値対を含み、前記ビームフォーミングの前記解像度に従って前記第１のビーム値対の前記ビームフォーミング角に隣接する前記ビームフォーミング角を有する第２のビーム値対を含む、請求項１に記載の通信システム。
5. 前記プロセッサは、前記対応するビームフォーミング角から前記ビームフォーミングモデルに従って拡散される前記第１のビーム値対及び前記第２のビーム値対におけるビームの前記エネルギーと整合する前記支配的パスの前記方向を求める、請求項４に記載の通信システム。
6. 前記選択された複数のビーム値対は、少なくとも３つのビーム値対を含み、前記プロセッサは、前記複数のビーム値対のビーム値を前記ビームフォーミングモデルに当てはめて、前記３つのビーム値対と整合する前記支配的パスを生成する、請求項１に記載の通信システム。
7. 前記プロセッサは、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間の距離を求め、前記支配的パスの前記方向に沿って前記距離に基づいて前記第１のデバイスの前記ロケーションを求める、請求項１に記載の通信システム。
8. 前記プロセッサは、前記支配的パスにわたる前記ビームの伝播の飛行時間を取得し、該飛行時間に基づいて前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間の前記距離を求める、請求項７に記載の通信システム。
9. 前記飛行時間を測定するセンサー、
   を更に備える、請求項８に記載の通信システム。
10. 前記プロセッサは、前記支配的パスの前記方向に最も近い前記ビームフォーミング角を用いて送信された前記ビームの前記エネルギーとともに、前記支配的パスの前記方向に沿ったｍｍＷａｖｅ信号伝播のパス損失モデルを用いて前記距離を求める、請求項７に記載の通信システム。
11. 前記プロセッサは、
    前記支配的パスの前記方向にわたって進む前記距離に沿ったｍｍＷａｖｅ信号伝播のパス損失モデルを用いて、前記支配的パスが直接的な見通し線を介して前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続しているか否かを調べることと、
    前記支配的パスが前記直接的な見通し線を介して前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続しているとき、前記支配的パスの前記方向に沿った前記第２のデバイスからの前記距離において前記ロケーションを決定することと、
    そうでないとき、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを取り囲む環境の地図を用いて前記支配的パスの反射を特定し、該反射に従って前記第１のデバイスの前記ロケーションを調整することと、
    を行う、請求項７に記載の通信システム。
12. 前記プロセッサは、
    異なる組からのビーム値対が前記ビームフォーミングされた通信の異なる支配的パスを用いるような複数の組のビーム値対を前記メモリから選択することと、
    各組のビーム値対の前記支配的パスを決定して一組の支配的パスを生成することと、
    前記第２のデバイスの前記ロケーションを起点として前記支配的パスを三角測量して前記第１のデバイスの前記ロケーションを生成することと、
    を行うように構成されている、請求項１に記載の通信システム。
13. 前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスは、通信プロトコルの物理レイヤを用いて前記チャネル推定を実行し、前記チャネル推定の前記結果を前記通信プロトコルの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）レイヤに記憶し、前記プロセッサは、前記ＭＡＣレイヤから取り出された情報のみを用いて前記支配的パスの前記方向を求める、請求項１に記載の通信システム。
14. 前記第２のデバイスは、前記第１のデバイスをネットワークに接続するアクセスポイント（ＡＰ）である、請求項１に記載の通信システム。
15. 送受信機は、前記チャネル推定中に求められた前記ビームフォーミング角を有するビームを用いて前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間でデータを通信する、請求項１に記載の通信システム。
16. 送受信機は、前記支配的パスの前記方向に沿った前記ビームフォーミング角を有するビームを用いて前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間でデータを通信する、請求項１に記載の通信システム。
17. ミリ波（ｍｍＷａｖｅ）ビームフォーミングを用いて、第２のデバイスの既知のロケーションに基づいて第１のデバイスのロケーションを求める方法であって、該方法は、該方法を実施する記憶された命令と結合されたプロセッサを用い、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、
    ビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたって前記ｍｍＷａｖｅビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続するチャネルを推定して、ビーム値対を含むチャネル推定の結果を生成することであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含むことと、
    前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を選択することと、
    前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、
    前記チャネル推定の前記結果のうちの少なくとも幾つかを用いて、前記第２のデバイスの前記ロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることと、
    を含み、
    各ビームフォーミング角は、通信されるビームの発射角と、前記通信されるビームの到来角とを含む、
    該方法のステップを実行する、方法。
18. 前記選択された複数のビーム値対は、前記ビームフォーミングの前記解像度に従って互いに隣接するビームフォーミング角を有する２つのビーム値対を含み、前記支配的パスは、前記選択されたビーム値対からの前記隣接するビームフォーミング角によって規定される角度内における前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間の最短パスである、請求項１７に記載の方法。
19. 方法を実行するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化される非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記方法は、
    ｍｍＷａｖｅビームフォーミングの解像度に従って分離された異なるビームフォーミング角にわたって前記ｍｍＷａｖｅビームフォーミングを用いて通信されるビームのエネルギーを比較することによって第１のデバイス及び第２のデバイスを接続するチャネルを推定して、ビーム値対を含むチャネル推定の結果を生成することであって、各ビーム値対は、ビームフォーミング角と、該ビームフォーミング角を用いて通信される前記ビームのエネルギーとを含むことと、
    前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスを接続する同じ支配的パスを共有するビームフォーミング通信に対応する複数のビーム値対を選択することと、
    前記選択されたビーム値対のビームフォーミングモデルであって、前記支配的パスからのビームフォーミング角のずれを、前記ビームフォーミング角を用いて送信されて前記支配的パス上で受信される前記ビームの前記エネルギーに関係付ける、ビームフォーミングモデルを評価することによって前記支配的パスの方向を求めることと、
    前記チャネル推定の前記結果のうちの少なくとも幾つかを用いて、前記第２のデバイスのロケーションに対する前記支配的パスの前記方向に沿って配置された前記第１のデバイスの前記ロケーションを求めることと、
    を含み、
    各ビームフォーミング角は、通信されるビームの発射角と、前記通信されるビームの到来角とを含む、
    非一時的コンピューター可読記憶媒体。

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