JP7503563B2 - 到達の時間掃引時間差を使用する正確な無線周波数位置特定のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願
この出願は、２０１９年２月２４日に出願された米国特許出願第１６／２８３，７８０号の利益を主張し、その全内容は参照により本願に組み入れられる。

本発明の実施形態は、到達時間差情報を使用する正確な無線周波数位置特定のためのシステム及び方法に関する。

家電産業及びコンピュータ産業では、無線センサネットワークが長年にわたって研究されてきた。典型的な無線センサネットワークでは、ネットワーク内に配置される１つ以上のセンサノードからのデータの無線収集を可能にするために、無線機と併せて１つ以上のセンサが実装される。各センサノードは、１つ以上のセンサを含んでもよく、また、無線機と、センサノードの動作に給電するための電源とを含む。屋内無線ネットワークにおけるノードの位置検出は、多くの用途において有用且つ重要である。

マルチラテレーションのための到達時間差（ＴＤｏＡ）技術に基づく位置特定は、３次元空間内の無線装備物体の位置を決定するための無線周波数測定を使用して実行される。ＲＦベースの位置特定は、多くの方法で実行され得る。典型的な実装形態は、ハブ及び複数のセンサノードを含む。なお、ハブがノードと置き換えられてもよく、或いは、実際には、ノードのうちの１つ以上がハブと置き換えられてもよい。ＲＦ通信を介して全ての個々の対間で距離が無線周波数技術を使用して推定される。ＴＤｏＡでは、１つのノードが信号を送信する。複数の他のノードが信号を受信し、また、各受信ノードにおける受信間の時間差が計算される。ＴＤｏＡは、受信時間の差を正確に測定するために受信機の同期を必要とする。これは、全ての受信機を共有クロックで動作させて絶対タイムスタンプを比較することによって行なわれ得る。共有クロックが利用できないシステムでは、受信機が他の方法で同期されなければならない。

本発明の１つの実施形態に関し、本明細書中には、ネットワークアーキテクチャ内の無線センサノードの位置を決定するためのシステム及び装置が開示される。１つの例において、非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャにおいて通信を送受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１及び第２の無線ノードを含む。また、システムは、未知の位置を有するとともに、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１及び第２の無線ノードと通信できるようにするための送信機及び受信機を伴う無線デバイスを有する第３の無線ノードも含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、クラウドベースのエンティティに命令を送信する又は命令を実行して第３の無線ノードの送信された通信に関する位置座標仮説及び送信時間仮説を決定するとともに、位置座標仮説における受信する第１及び第２の無線ノードのそれぞれの受信経路ｊごとに送信時間仮説と関連付けられる誤差関数を決定し、経路測定精度の統計的特性を使用して第１及び第２の無線ノードのそれぞれの受信経路ｊごとに誤差関数の確率関数を決定するように構成される。

他の例において、無線ネットワークアーキテクチャ内の任意の無線デバイスの位置特定のためのコンピュータ実装方法は、複数の無線アンカーノードＩを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化するステップと、未知の位置を有する任意の無線デバイスに関する３次元における位置座標仮説を決定するステップと、それぞれの無線アンカーノードｉから位置座標仮説までの距離ｄ_ｉを計算するステップと、各無線アンカーノードｉからのチャネル状態情報と各無線アンカーノードｉからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉとを取得するステップとを含む。

他の例において、無線ネットワークアーキテクチャ内の無線ノードの位置特定のためのコンピュータ実装方法は、複数の無線アンカーノードを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化するステップと、アンカーノード及びクラウドベースのエンティティのうちの少なくとも一方により、未知の位置を有する無線ノードの位置座標仮説を決定するステップと、それぞれのアンカーノードｉから位置座標仮説までの距離を計算するステップと、各アンカーノードｉからチャネル状態情報及び信号到達タイムスタンプＴ_ｉを取得するステップとを含む。

本発明の実施形態の他の特徴及び利点は、添付の図面及び以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明の実施形態は、添付の図面の図に限定ではなく一例として示されており、図面中、同様の参照符号は同様の要素を示す。

図１Ａは、１つの実施形態に係る無線ノードのシステムの一例を示す。

図１Ｂは、１つの実施形態に係る通信のための複数のハブを有する無線ノードのシステムの一例を示す。

図２Ａは、１つの実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。

図２Ｂは、他の実施形態に係る飛行時間推定のために使用される非同期システムを示す。

図２Ｃは、１つの実施形態において二方向ＴｏＦ測定システム１０００を示す。

図３は、１つの実施形態に係るシステム２００の通信に関するタイミング図を示す。

図４は、別の実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。

図５は、１つの実施形態に係るシステム４００の通信に関するタイミング図を示す。

図６は、１つの実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定を決定するための方法を示す。

図７Ａは、１つの実施形態に係る電力コンセント用のオーバーレイ１５００として実装されるハブの典型的な実施形態を示す。

図７Ｂは、１つの実施形態に係る電力コンセント用のオーバーレイとして実装されたハブのブロック図の分解図の典型的な実施形態を示す。

図８Ａは、１つの実施形態に係るコンピュータシステム、電化製品、又は、通信ハブにおいて配備するためにカードとして実装されるハブの典型的な実施形態を示す。

図８Ｂは、１つの実施形態に係るコンピュータシステム、電化製品、又は、通信ハブにおいて配備するためにカードとして実装されるハブ９６４のブロック図の典型的な実施形態を示す。

図８Ｃは、１つの実施形態に係る電化製品（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート電化製品など）内に実装されるハブの典型的な実施形態を示す。

図８Ｄは、１つの実施形態に係る電化製品（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート電化製品など）内に実装されるハブ１６８４のブロック図の分解図の典型的な実施形態を示す。

図９は、１つの実施形態に係るセンサノードのブロック図を示す。

図１０は、１つの実施形態に係るハブを有するシステム又は電化製品１８００のブロック図を示す。

図１１は、１つの実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定を決定するための時間掃引方法を示す。

図１２は、１つの実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定を決定するための時間掃引方法を実施するための無線アーキテクチャを示す。

図１３は、１つの実施形態に係るノードの位置推定を決定するための周波数領域におけるビーム形成方法を示す。

図１４は、１つの実施形態に係るノードの位置推定を決定するためのビーム形成方法を実施するための無線アーキテクチャを示す。

図１５は、１つの実施形態に係るノードの位置推定を決定するための時間領域におけるビーム形成方法を示す。

到達時間差情報を使用する正確な無線周波数位置特定のためのシステム及び方法が本明細書中に開示される。１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャにおけるノードの位置特定のための非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャにおいて通信を送受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１、第２、及び、第３の無線ノードを含む。また、システムは、未知の位置を有するとともに、無線ネットワークアーキテクチャにおいて第１、第２、及び、第３の無線ノードと通信できるようにするための送信機及び受信機を伴う無線デバイスを有する第４の無線ノードも含む。第１の無線ノードは、第２、第３、及び、第４の無線ノードに通信を送信し、第４の無線ノードから確認応答パケットを伴う通信を受信するとともに、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間及び第１の無線ノードと第３の無線ノードとの間の到達時間差情報を決定する。

１つの例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、到達時間差情報を使用して第４の無線ノードの位置を決定するために、マルチラテレーションアルゴリズムに関する命令を実行するように構成される。

無線センサネットワークの様々な用途では、ネットワーク内のセンサノードの位置を決定することが望ましい場合がある。例えば、そのような情報は、セキュリティカメラ、動きセンサ、温度センサ、及び、当業者には明らかな他のそのようなセンサなどのセンサの相対位置を推定するために使用されてもよい。この情報は、その後、温度のマップ、動き経路、及び、マルチビュー画像捕捉などの拡張情報を生成するために使用されてもよい。したがって、位置特定システム及び方法は、無線ネットワーク、特に屋内環境におけるノードの正確で、低電力で、コンテキストを意識した位置特定を可能にすることが望ましい。この目的のために、屋内環境は、同様の問題（例えば、近くの壁の存在など）が存在する可能性がある建物及び他の構造物の周りの領域などの屋内に近い環境も含むと想定される。

家、アパート、オフィス、及び、商業ビルを含む屋内環境、並びに、駐車場、歩道、及び、庭園などの近辺の外部の場所で使用するための無線センサネットワークが記載される。また、無線センサネットワークは、電源を有する任意のタイプの建物、構造物、筐体、車両、ボートなどで使用されてもよい。センサシステムは、長い通信距離を維持しながら、センサノードにとって良好なバッテリ寿命を提供する。

本発明の実施形態は、屋内環境における位置特定検出のためのシステム、装置、及び、方法を提供する。参照により本願に組み入れられる、２０１５年８月１９日に出願された米国特許出願第１４／８３０，６６８号は、ＲＦベースの位置特定のための技術を開示する。具体的には、システム、装置、及び、方法は、位置特定が必要とされる際に経路長推定のために周期的なメッシュベース機能部と通信するためにツリーネットワーク構造を主に使用する無線センサネットワークにおいて位置特定を実施する。無線センサネットワークは、位置特定の精度を向上させると同時に、位置特定のために高周波を使用するとともに通信のために低周波を使用することによって屋内通信の良好な質を提供する。

ツリー状の無線センサネットワークは、無線信号受信機能に関連する電力要件の低減により、多くの用途にとって魅力的である。ツリー状のネットワークアーキテクチャの一例は、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４５号、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４７号、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４８号、及び、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０５０号に記載されており、これらは参照により全体が本願に組み入れられる。

よく使用される別のタイプの無線ネットワークはメッシュネットワークである。このネットワークでは、１つ以上のネイバー間で通信が行なわれ、その後、マルチホップアーキテクチャを使用してネットワークに沿って情報が渡され得る。これは、情報がより短い距離で送信されるため、送信電力要件を低減するために使用され得る。一方、マルチホップ通信方式を可能にするためには受信無線機が頻繁にオンになる必要があるため、受信無線電力要件が増大し得る。

図１Ａは、一実施形態に係る無線ノードの例示的なシステムを示す。この例示的なシステム１００は、無線ノード１１０～１１６を含む。ノードは、通信１２０～１３０と双方向に通信する（例えば、ノード識別情報、センサデータ、ノード状態情報、同期情報、位置特定情報、無線センサネットワークに関する他のそのような情報、飛行時間（ＴＯＦ）通信など）。飛行時間測定値を使用することに基づいて、ノードの個々の対間の経路長を推定することができる。例えば、ノード１１０とノード１１１との間の個々の飛行時間測定値は、ノード１１０からノード１１１に既知の時間に信号を送信することによって得ることができる。ノード１１１は、信号を受信し、通信１２０の信号の受信のタイムスタンプを記録し、次いで、例えば、戻り信号の送信のタイムスタンプと共に戻り信号をＡに送り返すことができる。ノード１１０は、信号を受信し、受信のタイムスタンプを記録する。これらの２つの送信及び受信のタイムスタンプに基づいて、ノード１１０とノード１１１との間の平均飛行時間を推定することができる。このプロセスを複数回、複数の周波数で繰り返して、精度を向上させ、特定の周波数での不十分なチャネル品質による劣化を排除又は低減することができる。経路長のセットは、様々なノード対に関してこのプロセスを繰り返すことによって推定することができる。例えば、図１では、経路長がＴＯＦ １５０－１６０である。その後、幾何モデルを用いて、三角測量的なプロセスに基づいて個々のノードの相対位置を推定することができる。

この三角測量プロセスは、任意のノードとハブとの間の経路長のみを測定することができるため、ツリー状のネットワークでは実現できない。これにより、ツリーネットワークの位置特定能力が制限される。位置特定を可能にしながらツリーネットワークのエネルギー利益を維持するために、本発明の１つの実施形態では、通信用のツリーネットワークが、位置特定のためのメッシュ状ネットワーク機能と組み合わされる。メッシュ状のネットワーク機能によって位置特定が完了すると、ネットワークは元のツリー状の通信に切り換わり、ノードとハブとの間の飛行時間のみが定期的に測定される。これらの飛行時間が比較的一定に保たれていれば、ネットワークは、ノードが移動しておらず、メッシュベースの位置特定を再実行しようとしているエネルギーを無駄にしないと推測する。一方、ツリーネットワークで経路長の変化が検出されると、ネットワークはメッシュベースのシステムに切り換わり、ネットワーク内の各ノードの位置を特定するために再度三角測量を行なう。

別の例では、複数のノードの到達時間差情報を使用して、未知の位置を有する無線ノードの位置を決定するために、マルチラテレーションアルゴリズムが実行される。

図１Ｂは、一実施形態に従って通信するための複数のハブを有する無線ノードの例示的なシステムを示す。システム７００は、無線制御デバイス７１１を有する中央ハブ７１０と、無線制御デバイス７２１を有するハブ７２０と、無線制御デバイス７８３を有するハブ７８２と、無線制御デバイスｎを有するハブｎを含む更なるハブとを含む。図示されていない更なるハブは、中央ハブ７１０、他のハブと通信することができ、又は、更なる中央ハブとなり得る。各ハブは、他のハブ及び１つ以上のセンサノードと双方向に通信する。また、ハブは、デバイス７８０（例えば、クライアントデバイス、モバイルデバイス、タブレットデバイス、コンピューティングデバイス、スマート電化製品、スマートＴＶなど）を含む他のデバイスと双方向に通信するように設計される。

センサノード７３０，７４０，７５０，７６０，７７０，７８８，７９２、ｎ、及びｎ＋１（又は終端ノード）はそれぞれ無線デバイス７３１，７４１，７５１，７６１，７７１，７８９，７９３，７５８、及び７５３を含む。センサノードは、上位レベルのハブ又はノードとのアップストリーム通信のみを有し且つ別のハブ又はノードとのダウンストリーム通信を有さない場合、終端ノードである。各無線デバイスは、ハブ又は他のセンサノードとの双方向通信を可能にするための送信機及び受信機（又はトランシーバ）を伴うＲＦ回路を含む。

一実施形態において、中央ハブ７１０は、ハブ７２０，７８２、ハブｎ、デバイス７８０、並びに、ノード７６０及び７７０と通信する。これらの通信は、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の通信７２２，７２４，７７４，７７２，７６４，７６２，７８１，７８４，７８６，７１４及び７１２を含む。無線制御デバイス７１１を有する中央ハブは、ノードのグループ及び各グループに対して保証された時間信号を割り当てることを含む無線非対称ネットワークアーキテクチャを制御及び監視するために、他のハブに通信を送信し、他のハブから通信を受信するように構成される。

ハブ７２０は、中央ハブ７１０と通信し、センサノード７３０，７４０及び７５０とも通信する。これらのセンサノードとの通信は、通信７３２，７３４，７４２，７４４，７５２及び７５４を含む。例えば、ハブ７２０の観点から、通信７３２はハブによって受信され、通信７３４はセンサノードに送信される。センサノード７３０の観点から、通信７３２はハブ７２０に送信され、通信７３４はハブから受信される。

一実施形態において、中央ハブ（又は他のハブ）は、ノード７６０及び７７０をグループ７１６に、ノード７３０，７４０及び７５０をグループ７１５に、ノード７８８及び７９２をグループ７１７に、ノードｎ及びｎ＋１をグループｎに割り当てる。別の例では、グループ７１６及び７１５が単一のグループに組み合わされる。

図１に示すアーキテクチャを使用することにより、長いバッテリ寿命を必要とするノードは、通信に費やされるエネルギーを最小限に抑え、ツリー階層内のより高いレベルのノードは、利用可能なエネルギー源を使用して実装されるか、或いは代わりに、より高い容量を提供するか、又は、より短いバッテリ寿命を提供するバッテリを使用することができる。バッテリで動作する終端ノードでの長いバッテリ寿命の達成を促進するために、それらのノードとそれらの上位レベルの相当物（以下、最下位レベルハブと呼ぶ）との間の通信は、最下位レベルのハブと終端ノードとの間で最小限の送受信トラフィックが発生するように確立され得る。

一実施形態において、ノードは、それらの時間の大部分（例えば、それらの時間の９０％超、それらの時間の９５％超、それらの時間の約９８％超又は９９％超）を低エネルギーの非通信状態で費やす。ノードが起動して通信状態に入ると、ノードは、最下位レベルのハブにデータを送信するように動作可能である。このデータとしては、ノード識別情報、センサデータ、ノード状態情報、同期情報、位置特定情報、及び、無線センサネットワークに関する他のそのような情報を挙げることができる。

ＲＦに基づいて２つの物体間の距離を決定するために、測距測定が実行される（すなわち、一対の物体間の距離を推定するためにＲＦ通信が使用される）。これを達成するために、ＲＦ信号が１つのデバイスから別のデバイスに送信される。米国特許出願第１５／１７３，５３１号の図３～図８Ｃは、飛行時間測定システムの実施形態を示す。

飛行時間測定は、ネットワーク内の動作のタイミングに本質的に敏感であり、したがって、測定を実行するデバイスのクロッキングが重要である。一実施形態において、未知の位置にあるノードは、共有クロックなしでＴＤｏＡを介して見つけることができる。受信ノードは、既知のノード間の更なるトランザクションを使用して同期される。なお、既知のノードの位置は、米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているような位置特定を使用して決定することができる。

図２Ａは、一実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。システム２００は、１つのマスターノード２１０（Ｍ２１０）と、未知の位置にある１つのノード２４０（Ｎ２４０）と、探知ノード（例えば、Ｓ２２０、２３０など）とを有するように構成される。マスターノード２１０は、まず最初に、各探知ノードに対して（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているような）ＲＴＴ及び部分距離による双方向飛行時間を実行する。例えば、図２Ｂは、一実施形態に係る飛行時間推定に使用される非同期システムを示す。デバイス８１０は、最初に、パケットを有するＲＦ信号８１２を時刻Ｔ１にデバイス８２０に送信する。パケットは、時刻Ｔ２にデバイス８２０に到達し、デバイス８２０のパケット検出アルゴリズムをトリガーして、この時刻を登録する。次に、デバイス８２０は、時刻Ｔ３にパケットを有する信号８２２を送り返し、この信号は、時刻Ｔ４にデバイス８１０に到達し、時刻を登録して波形を処理するためにデバイス８１０をトリガーする。完全同期システムの場合とは異なり、Ｔ１及びＴ４はデバイス８１０に記録された時刻であるため、その基準クロックを基準としていることに留意されたい。Ｔ２及びＴ３は、デバイス８２０の時間基準に基づいて記録される。粗い時間推定は次のように行なわれる。
２×ＴｏＦ＝（Ｔ４－Ｔ１）－（Ｔ３－Ｔ２）

Ｔ４とＴ１は同じクロックでサンプリングされるため、Ｔ４とＴ１との間に任意の位相はない。したがって、Ｔ４－Ｔ１は時間的に正確であり、同じ原理がＴ３－Ｔ２にも適用される。したがって、この測定は、このシステムの非同期性に起因する２つのデバイス間の位相ウォークの影響を受けない。前の実施形態と同様に、この測定は、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３／Ｔ４のサンプリングクロック周期の分解能によって制限される。この精度を向上させるために、両方のデバイスで周波数応答測定を実行することができる。デバイス８２０は、デバイス８１０からのパケットを用いてチャネル応答を測定し、デバイス８１０は、デバイス８２０からのパケットを用いてチャネル応答を測定する。２つのデバイスは同期していないため、２つのクロック間の位相に不確実性があり、ここではＴ_{ｏｆｆｓｅｔ}として注釈が付けられている。クロックのこの位相オフセットは、各側のチャネル応答測定の余分な位相として現れるが、２つの側からのチャネル応答を乗算することによって除去することができる。チャネル応答が以前と同じであると仮定すると、デバイス８２０からの測定値は以下のようになる。
Ｈ_８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ^{－ｊ ２πｆ Ｔｏｆｆｓｅｔ}

デバイス８１０からの測定値は以下のようになる。
Ｈ_８１０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ^{＋ｊ ２πｆ Ｔｏｆｆｓｅｔ}

したがって、組み合わされたチャネル応答は、
Ｈ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）^２＝（ΣＡ_ｋｅ^{－ｊ ２πｆ ΔＴｋ}）^２

これにより、２つのクロック間の位相差が相殺される。前の実施形態と同様に、例えば、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣなどのアルゴリズムを使用して、２ ｍｉｎ｛ΔＴ_ｋ｝を生成するＨ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）からの遅延を推定することができ、距離測定値は以下によって与えられる。
距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８１０（ｆ）Ｈ_８２０（ｆ）｝／２］×Ｃ

或いは、Ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、以下から推定され得る。
Ｈ_８１０（ｆ）／Ｈ_８２０（ｆ）＝ｅ^{＋２ｊ ２πｆ Ｔｏｆｆｓｅｔ}

Ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、分割されたチャネル応答の位相勾配の半分である。いずれの方向のチャネル応答も、計算されたオフセットによって補正され得る。距離推定値は、以下のように計算することができる。
距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８１０（ｆ）｝－Ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}］×Ｃ
又は
距離＝［（Ｔ４－Ｔ１）／２－（Ｔ３－Ｔ２）／２－Ｓ｛Ｈ_８２０（ｆ）｝＋Ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}］×Ｃ

この方法は、乗算方法に優る利点を有する。Ｈ（ｆ）^２チャネル応答は、各経路の振幅及び距離の２倍の項、並びに、２経路並び替えごとの交差項を含む。それは、Ａ_８１０ ^２ｅ^{ｊ ２πｆ２ ΔＴ１} _、Ａ_８２０ ^２ｅ^{ｊ ２πｆ２ ΔＴ２} _、及び、Ａ_８１０Ａ_８２０ｅ^{ｊ ２πｆ（ΔＴ１＋ΔＴ２）}の２経路の場合である。精密な推定方法は、単方向チャネル応答Ｈ（ｆ）に適用した場合、区別する経路が少なくなり、ダイナミックレンジが低くなるため、ノイズに対してより効果的でロバスト性が高い。

前述のショートパス除去アルゴリズムは、上記で開示したような非同期システムにおいても使用することができる。

先に示したように、非同期システムでは、２つのデバイスからの情報を計算のために組み合わせる必要がある。それを行なうために、１つの実施形態において、デバイスのうちの１つは、前述の同じＲＦ信号（例えば、８１２，８２２，１０２２，１０２３）を使用して、或いは、二方向ＴｏＦ測定システム１０００の一実施形態の図２Ｃに示されるように、独立したＲＦ信号経路１０２４を使用して、情報を他デバイスに送信できる。

図３は、一実施形態に係るシステム２００の通信のタイミング図を示す。Ｎ２４０は、マスターノード２１０からの通信２１２（例えば、ユニキャストパケット）に応答して、パケット２４１～２４３（例えば、確認応答パケット）として受信される通信（例えば、送信されたパケット）を送信するように構成される。このシステムは、マスターノードをアクセスポイント（ＡＰ）として利用し、未知のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）をそれに関連付けて又は他の手段によってセットアップされる。探知ノード２２０及び２３０は、マスターノード又はＮ２４０によって送信された任意のパケットを受信するように構成される。マスターノードは、時間Ｔ_１において通信２１２（例えば、転送パケット）をＮ２４０に送信する。Ｎ２４０は、時刻Ｔ_２においてこの通信２１２を受信する。各探知ノードは、受信した通信の検出タイムスタンプ及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）を記録する（例えば、ノード２２０は、時間Ｔ_３において転送パケット２０２を受信し、ノード２３０は、時間Ｔ_４において転送パケット２０４を受信する）。パケット２０２，２０４及び２１２は、Ｍ２１０からの同じ通信から発信される。未知ノードＮ２４０は、通信２１２の受信に応答して、パケット２４１～２４３として受信される通信（例えば、時刻Ｔ_５における確認応答パケット）を送信する。探知ノード及びマスターノードは全て、受信した通信２４１～２４３（例えば、時刻Ｔ_６、Ｔ_７、Ｔ_８で受信された確認応答パケット）のタイムスタンプ及びＣＳＩを記録する。

次に、マスターから探知のＴｏＦと、マスターノード及び探知ノードでのタイムスタンプ及びＣＳＩ情報とを組み合わせて、ノード２４０の位置を決定できる。マスターノードと各探知ノードとの間のＴ_ＤｏＡは、以下の式１に従って計算される。次に、これらのＴＤｏＡ値を標準のＴＤｏＡマルチラテレーションアルゴリズムで使用して、Ｎ２４０の位置を決定できる。

各探知ノードとマスターノードとの間のＴＤｏＡは、次のように決定される。理想的な場合、ＴＤｏＡは、マスターノードがノード２４０から確認応答パケットを受信する第１の時刻Ｔ_６と、探知ノードがノード２４０から確認応答パケットを受信する第２の時刻Ｔ_７との間の単なるデルタである。

しかしながら、マスターノードと探知ノードには、相互に位相オフセットと周波数オフセットだけでなくカウンタオフセットを有する独立したクロック基準がある。これを解決するために、一例では、マスターノードでの通信２１２のパケット送信時間（例えば、時刻Ｔ_１での転送パケット２１２）が、マスターノードと探知ノードの両方の時間基準として使用される。

式１：

Ｔ_{ＤｏＡ Ｍ２１０－Ｓ２２０}＝Ｔ_６－Ｔ_７

＝（Ｔ_６－Ｔ_１）－（Ｔ_７－Ｔ_１）

＝（Ｔ_６－Ｔ_１）－（Ｔ_７－（Ｔ_３－Ｔ_{ｏＦ Ｍ２１０－Ｓ２２０）}

＝（ＲＴＴ_Ｍ２１０－_{Ｎ２４０ ｓａｍｐｌｉｎｇ}＋Ｔ_{ｆｒａｃ Ｍ２１０－Ｎ２４０}）－（Ｔ_{Ｓ２２０ Ａｃｋ Ｒｘ ｓａｍｐｌｉｎｇ}＋Ｔ_{Ｓ２２０ Ａｃｋ Ｒｘ ｆｒａｃ}－（Ｔ_{Ｓ２２０ ｆｏｒｗ Ｒｘ ｓａｍｐｌｉｎｇ}＋Ｔ_{Ｓ２２０ ｆｏｒｗ Ｒｘ ｆｒａｃ}－Ｔ_{ｏＦ Ｍ２１０－Ｓ２２０}））

通信２４２及び２４３を受信する探知ノード（例えば、探知確認応答受信）の時刻は、通信２４２及び２４３を受信するための確認応答転送受信のタイムスタンプと、マスターノードと探知ノードとの間で計算された前に測定されたＴｏＦとの差を取ることにより、マスター転送パケット送信に揃えることができる。

ＴＤｏＡの時間分解能は、各パケット受信の部分サンプル推定にチャネル検知情報（ＣＳＩ）を使用することにより、サンプリングクロックのレートよりも細かくすることができる。ＣＳＩは、（単一の見通し線経路内で）位相の勾配を使用するか、或いは、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣ、又は、ＩＦＦＴなどの手法を使用することによって、部分サンプル推定値を計算するために使用することができる。図２及び図３並びに式１は、システムの一例とＴＤｏＡの計算方法を示す。式２は、基準クロックの違いから生じる遅延がどのように相殺されるかを示している。

式２：

Ｔ_６ ^’＝Ｔ６＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}

Ｔ_７ ^’＝Ｔ_７＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}

Ｔ_３ ^’＝Ｔ_３＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}

Ｔ_ＤｏＡ ^’＝Ｔ_６ ^’－Ｔ_７ ^’

＝Ｔ_ＤｏＡ＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}－ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}－ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}＋ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}

Ｎｏｔｅ：ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}＝ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＮ２４０－Ｍ２１０}

＝ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}－ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}

ｔ_{ｄＳ２２０－Ｍ２１０}－ｔ_{ｄＳ２２０－Ｎ２４０}＋ｔ_{ｄＭ２１０－Ｎ２４０}＝０

Ｔ_ＤｏＡ ^’＝Ｔ_ＤｏＡ

信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善するには、複数のパケットを用いてプロセスを繰り返すことができる。ＴＤｏＡはパケットごとに計算してから平均化できる。或いは、結合する前にタイムスタンプ及びＣＳＩを平均することができる。ＣＳＩを平均するには、大きさと位相を独立して平均してから結合する必要がある。別の未知のノードを用いてシステムを再構成することにより、複数のノードの位置を見つけることができる。

図４は、代替実施形態に係る到達時間差を利用するノードの位置特定のためのシステムを示す。システム４００は、１つのマスターノード４１０（Ｍ４１０）と、未知の位置にある１つのノード４４０（Ｎ４４０）と、探知ノード（例えば、Ｓ４２０、Ｓ４３０など）とを有するように構成される。図５は、一実施形態に係るシステム４００の通信のタイミング図を示す。未知のノードＮ４４０は、パケットトランザクションを開始することができる。Ｎ４４０は、時刻Ｔ_１において、通信４４１（例えば、転送パケット４４１）をマスター（Ｍ）ノード４１０に送信する。マスターノード４１０は、時刻Ｔ_２において通信４４１を受信する。マスターノード４１０は、時刻Ｔ_５において、通信４１２（例えば、確認応答パケット４１２）で応答する。探知ノード４２０及び４３０は、Ｎ４４０からの時間Ｔ_４及びＴ_３（例えば、転送パケット４４２～４４３）並びにマスターノード４１０からの通信４０２及び４０４（例えば、確認応答パケット４０２及び４０４）において通信４４２～４４３をリッスンする。探知ノード４２０は、時刻Ｔ_３において通信４４３を受信し、時刻Ｔ_６において通信４０２を受信する。探知ノード４３０は、時刻Ｔ_４において通信４４２を受信し、時刻Ｔ_７において通信４０４を受信する。受信されたパケット４４１～４４３は、Ｎ４４０からの同じ通信から発信される。

ここで、ＴＤｏＡは、Ｎ４４０からのマスターノード及び探知ノードにおける転送パケットの到達に基づいて計算される。ここで、マスターノードからの確認応答パケットのパケット送信時間は、ノード間のタイミングを揃えるために式３に従ってデルタオフセットをＴ_６－Ｔ_５－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}に等しくして使用される。

Ｔ_{ＤｏＡ Ｍ４１０－Ｓ４２０}＝Ｔ_２－Ｔ_３ ^Ｍ４１０

＝Ｔ_２－Ｔ_３－Ｍ４１０及びＳ４２０のクロック間のデルタオフセット

＝（Ｔ_２－Ｔ_３）＋Ｔ_６－Ｔ_５－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}

＝（Ｔ_{２ ｓａｍｐｌｉｎｇ}＋_{Ｔ２ｆｒａｃ}－Ｔ_{３ｓａｍｐｌｉｎｇ}－Ｔ_{３ ｆｒａｃ}）＋Ｔ_{６ ｓａｍｐｌｉｎｇ}＋Ｔ_{６ ｆｒａｃ}－Ｔ_{５ ｓａｍｐｌｉｎｇ}－Ｔ_{５ ｆｒａｃ}－Ｔ_{ｏＦ Ｍ４１０－Ｓ４２０}

図６は、一実施形態に係る到達時間差技術を使用してノードの位置推定値を決定するための方法を示す。方法６００の動作は、処理回路又は処理ロジックを含む、無線デバイス、ハブの無線制御デバイス（例えば、装置）、又は、システムによって実行されてもよい。処理ロジックとしては、ハードウェア（回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン又はデバイス上で実行されるものなど）、又は、両方の組み合わせを挙げることができる。一実施形態では、ハブが方法６００の動作を実行する。

無線ネットワークアーキテクチャの初期化時に、動作６０１では、システムの処理ロジックは、第１のノード（例えば、マスターノード）、第２及び第３の無線ノード（例えば、探知ノード）、及び未知の位置にある第４のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）を有するように構成される。第１のノード（例えば、マスターノード）は、動作６０２において、第２及び第３のノード（例えば、探知ノード）の（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されるような）ＲＴＴ及び部分距離を使用して、双方向飛行時間を実行する。

動作６０４では、第１のノードは、第１の時刻に、第２、第３、及び第４のノードへ転送パケットとの通信を送信する。動作６０６では、第４のノードは、第２の時刻に、この通信を受信する。動作６０８では、第２及び第３のノードはそれぞれ、第３及び第４の時刻に、これらの通信を受信する。動作６１０では、第４のノードは、第１のノードからの通信（例えば、転送パケット）に応じて、第５の時刻に、第１、第２、及び第３のノードに確認応答パケットを伴う通信を送信するように構成される。一例では、このシステムは、マスターノードをアクセスポイント（ＡＰ）として利用し、未知の第４のノードがそれに関連付けられているか、又は他の手段によってセットアップされる。探知ノードは、マスターノード又は未知の第４のノードによって送信されたパケットを受信するように構成される。各探知ノードは、受信した通信の検出タイムスタンプ及びチャネル検知情報（ＣＳＩ）を記録する。探知ノード及びマスターノードは全て、動作６１２で、受信した通信（例えば、第６、第７、第８の時刻で受信した確認応答パケット）のタイムスタンプ及びＣＳＩを記録する。

次に、マスターから探知のＴｏＦ、及びマスターノード及び探知ノードのタイムスタンプ及びＣＳＩ情報を組み合わせて、動作６１４で未知の第４のノードの位置を特定することができる。マスターノードと各探知ノードとの間のＴ_ＤｏＡは、式１に従って計算される。次に、これらのＴＤｏＡ値を標準のＴＤｏＡマルチラテレーションアルゴリズムで使用して、Ｎ２４０の位置を特定できる。

一例では、本明細書で説明するＴＤｏＡアルゴリズムを使用して、未知の位置にある第４のノード（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチ、ロボットなど）を見つける。したがって、第４のノードのユーザは、ノードを検索する必要なしにこのノードを見つけることができる。

本明細書で説明されるハブとノードとの間の通信は、無線周波数を使用する直接無線通信、住宅、アパート、商業ビルなどの中での電気配線に信号を変調することによって達成される電力線通信、８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｎ、８０２．１１ａｃなどの標準ＷｉＦｉ通信プロトコル及び当業者に明らかな他のそのようなＷｉＦｉ通信プロトコルを使用するＷｉＦｉ通信、ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、３Ｇ、ＨＳＰＤＡ、ＬＴＥ、５Ｇなどのセルラー通信、及び、当業者に明らかな他のセルラー通信プロトコル、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信、Ｚｉｇｂｅｅなどの周知の無線センサネットワークプロトコルを使用する通信、並びに、当業者に明らかな他の有線又は無線通信方式を含むが、これらに限定されない様々な手段を使用して達成することができる。

一実施形態では、周波数領域技術を使用することにより、無線デバイスからの受信信号のモデルを構築し、このモデルを使用してサンプリングクロックを介して達成可能なものよりも細かい分解能で遅延を抽出することが可能である。これは、適切なチャネル状態情報（ＣＳＩ）が利用可能にされることを条件として可能であり、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、ＬＴＥ、又は５Ｇにおいて可能である。これは、ＣＳＩが、ＯＦＤＭ又はＳＣ－ＦＤＭＡ実装全体の一部として定期的に収集されるからである。

終端ノードとハブとの間の無線周波数通信の実装は、狭帯域、チャネル重複、チャネルステッピング、マルチチャネル広帯域、及び、超広帯域通信を含む様々な方法で実装され得る。

ハブは、本発明の実施形態に係る多くの方法で物理的に実装されてもよい。図７Ａは、一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイ１５００として実装されるハブの例示的な一実施形態を示す。オーバーレイ１５００（例えば、フェースプレート）は、ハブ１５１０と、ハブをコンセント１５０２に結合する接続部１５１２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）とを含む。これに代えて（又は加えて）、ハブはコンセント１５０４に結合される。オーバーレイ１５００は、安全及び審美的目的のためにコンセント１５０２及び１５０４を覆うか又は取り囲む。

図７Ｂは、一実施形態に係る、電力コンセント用のオーバーレイとして実装されたハブ１５２０のブロック図の分解図の例示的な実施形態を示す。ハブ１５２０は、周期的に方向を反転させる交流（ＡＣ）を一方向のみに流れる直流（ＤＣ）に変換する電源整流器１５３０を含む。電源整流器１５３０は、接続１５１２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコンセント１５０２からＡＣを受け取り、ＡＣをＤＣに変換して、接続１５３２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１５４０に電力を供給し、接続１５３４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１５５０に電力を供給する。コントローラ回路１５４０は、メモリ１５４２を含むか、又は本明細書で説明するように、無線非対称ネットワークの形成、監視、及び位置特定の実行のためにハブの動作を制御するためのコントローラ回路１５４０の処理ロジック１５４４（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を記憶するメモリに結合される。ＲＦ回路１５５０は、（１又は複数の）アンテナ１５５２を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバ又は別個の送信機１５５４及び受信機１５５６の機能を含むことができる。ＲＦ回路１５５０は、接続１５３４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１５４０と双方向に通信する。ＲＦ回路１５５０は、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含む。ハブ１５２０は、無線制御デバイス１５２０とすることができ、又はコントローラ回路１５４０、ＲＦ回路１５５０、及び（１又は複数の）アンテナ１５５２の組み合わせは、本明細書で説明されるような無線制御デバイスを形成することができる。

図８Ａは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、電化製品、又は通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブの例示的な実施形態を示す。カード１６６２は、矢印１６６３で示すように、システム１６６０（例えば、コンピュータシステム、電化製品、又は通信ハブ）に挿入することができる。

図８Ｂは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、電化製品、又は通信ハブ内に配備するためのカードとして実装されるハブ１６６４のブロック図の例示的な一実施形態を示す。ハブ１６６４は、接続１６７４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６６８に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給し、接続１６７６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１６７０に電力を供給する電源１６６６を含む。コントローラ回路１６６８は、メモリ１６６１を含むか、又は本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークの形成、監視、及び位置特定の実行のためにハブの動作を制御するためのコントローラ回路１６６８の処理ロジック１６６３（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を記憶するメモリに結合される。ＲＦ回路１６７０は、（１又は複数の）アンテナ１６７８を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバ又は別個の送信機１６７５及び受信機１６７７の機能を含むことができる。ＲＦ回路１６７０は、接続１６７２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６６８と双方向に通信する。ＲＦ回路１６７０は、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含む。ハブ１６６４は、無線制御デバイス１６６４とすることができ、又はコントローラ回路１６６８、ＲＦ回路１６７０、及び（１又は複数の）アンテナ１６７８を組み合わせて、本明細書で説明されるような無線制御デバイスを形成することができる。

図８Ｃは、一実施形態に係る、電化製品（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート電化製品など）内に実装されたハブの例示的な実施形態を示す。電化製品１６８０（例えば、スマート洗濯機）は、ハブ１６８２を含む。

図８Ｄは、一実施形態に係る、電化製品（例えば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、他のスマート電化製品）内に実装されるハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的な実施形態を示す。ハブは、接続１６９６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６９０に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給し、接続１６９８（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１６９２に電力を供給する電源１６８６を含む。コントローラ回路１６９０は、メモリ１６９１を含むか、又は本明細書で説明されるような無線非対称ネットワークの形成、監視、及び位置特定の実行のためにハブの動作を制御するためのコントローラ回路１６９０の処理ロジック１６８８（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を記憶するメモリに結合される。ＲＦ回路１６９２は、（１又は複数の）アンテナ１６９９を介して無線センサノードと双方向通信を送受信するためのトランシーバ又は別個の送信機１６９４及び受信機１６９５の機能を含むことができる。ＲＦ回路１６９２は、接続１６８９（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１６９０と双方向に通信する。ＲＦ回路１６９２は、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含む。ハブ１６８４は、無線制御デバイス１６８４とすることができ、又はコントローラ回路１６９０、ＲＦ回路１６９２、及び（１又は複数の）アンテナ１６９９を組み合わせて、本明細書で説明する無線制御デバイスを形成することができる。

一例では、本明細書に記載のＲＦ回路のいずれかは、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含むことができる。

一実施形態では、無線非対称ネットワークアーキテクチャを提供するための装置（例えば、ハブ）は、命令を記憶するためのメモリと、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内で通信を確立及び制御するための命令を実行するためのハブの処理ロジック（例えば、１つ以上の処理ユニット、処理ロジック１５４４、処理ロジック１６６３、処理ロジック１６８８、処理ロジック１７６３、処理ロジック１８８８）と、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内で通信を送信及び受信するための複数のアンテナ（例えば、（１又は複数の）アンテナ１５５２、（１又は複数の）アンテナ１６７８、（１又は複数の）アンテナ１６９９、アンテナ１３１１、１３１２、及び１３１３など）を含む無線周波数（ＲＦ）回路（例えば、ＲＦ回路１５５０、ＲＦ回路１６７０、ＲＦ回路１６９２、ＲＦ回路１８９０）とを含む。ＲＦ回路と複数のアンテナは、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にする送信機と受信機（又はトランシーバの送信機と受信機の機能）を備えた無線デバイスをそれぞれ有する複数のセンサノード（例えば、ノード１、ノード２）に通信を送信する。

一例では、命令を記憶するためのメモリは、無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のセンサノードを制御し、複数のセンサノードと、各々が送信機及び受信機を備えた無線デバイスを有する複数のセンサノードとの間で通信を送受信するための無線周波数（ＲＦ）回路との位置を特定して、無線ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にするための命令を実行する１つ以上の処理ユニットを含む。装置の１つ以上の処理ユニットは、第１の無線ノード、第２の無線ノード、及び第３の無線ノードに通信を送信し、未知の位置を有する第３のノードから確認応答パケットとの通信を受信し、装置と第１の無線ノードとの間、及び装置と第２の無線ノードとの間の到達時間差情報を決定するための命令を実行するように構成される。

一例では、装置は商用電源によって給電され、複数のセンサノードはそれぞれバッテリ電源によって給電されて、無線ネットワークアーキテクチャを形成する。

リチウムイオン、リチウムポリマー、リン酸リチウムなどのリチウムベースの化学物質、及び当業者には明らかな他のそのような化学物質を含む、様々な電池を無線センサノードで使用することができる。使用することができる更なる化学物質としては、ニッケル金属水素化物、標準アルカリ電池化学物質、銀亜鉛及び亜鉛空気電池化学物質、標準炭素亜鉛電池化学物質、鉛酸電池化学物質、又は当業者には明らかな他の任意の化学物質が挙げられる。

また、本発明は、本明細書に記載の動作を実行するための装置に関する。この装置は、必要な目的のために特別に構成されてもよく、又はコンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを備えてもよい。そのようなコンピュータプログラムは、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、及び光磁気ディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カード又は光カード、又は電子命令の保存に適したあらゆるタイプの媒体を含む任意のタイプのディスクなどが挙げられるが、それらに限定されないコンピュータ可読記憶媒体に記憶されてもよい。

本明細書に提示されているアルゴリズム及び表示は、特定のコンピュータ又は他の装置に本質的に関連していない。本明細書の教示に従って、様々な汎用システムをプログラムと共に使用することができるか、又は必要な方法操作を実行するためにより特化した装置を構築することが便利であることが判明する場合がある。

図９は、一実施形態に係るセンサノードのブロック図である。センサノード１７００は、接続１７７４（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１７２０に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給する電源１７１０（例えば、エネルギー源、電池源、一次セル、充電式セルなど）を含み、接続１７７６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１７７０に電力を供給し、接続１７４６（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介して検知回路１７４０に電力を供給する。コントローラ回路１７２０は、メモリ１７６１を含むか、又は本明細書で説明されているような無線非対称ネットワークを形成及び監視するためのセンサノードの動作を制御するためのコントローラ回路１７２０の処理ロジック１７６３（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１７７０（例えば、通信回路）は、（１又は複数の）ハブ及びオプションの無線センサノードとの（１又は複数の）アンテナ１７７８を介した双方向通信を送受信するためのトランシーバ又は別個の送信機１７７５及び受信機１７７７機能を含むことができる。ＲＦ回路１７７０は、接続１７７２（例えば、電気接続）を介してコントローラ回路１７２０と双方向に通信する。ＲＦ回路１７７０は、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含む。検知回路１７４０は、（１又は複数の）画像センサと回路１７４２、（１又は複数の）水分センサと回路１７４３、（１又は複数の）温度センサと回路、（１又は複数の）湿度センサと回路、（１又は複数の）空気質センサと回路、（１又は複数の）光センサと回路、（１又は複数の）運動センサと回路１７４４、（１又は複数の）音声センサと回路１７４５、（１又は複数の）磁気センサと回路１７４６、及び（１又は複数の）センサと回路ｎなどを含む様々なタイプの検知回路及び（１又は複数の）センサを含む。

本明細書に開示された無線位置特定技術は、ネットワーク全体の位置特定精度を向上させるために、他の記載された情報と組み合わされてもよい。例えば、１つ以上のノードにカメラが含まれる無線センサでは、捕捉された画像を画像処理及び機械学習の手法で使用して、監視されているセンサノードが同じシーンを見ているかどうか、したがって同じ部屋にある可能性があるかどうかを判定できる。周期的な照明と光検出器を使用することで、同様の利点を実現できる。照明をストロボし、光検出器を使用して検出することにより、光路の存在を検出でき、ストロボと検出器の間に不透明な壁がないことを示す可能性がある。他の実施形態では、磁気センサをセンサノードに統合し、監視されているセンサノードの向きを検出するためのコンパスとして使用することができる。次に、この情報を位置特定情報と共に使用して、センサが壁、床、天井、又はその他の位置にあるかどうかを判定できる。

一例では、各センサノードは画像センサを含むことができ、家の各周囲壁は１つ以上のセンサノードを含む。ハブは、位置特定情報と共に画像データ及び任意で方向データを含むセンサデータを分析して、各センサノードの絶対位置を特定する。次に、ハブは、ユーザの建物の各部屋の３次元画像を構築できる。壁、窓、ドアなどの位置を有するフロアプランを生成できる。イメージセンサは、家の保全性の問題（例えば、水、屋根の漏れなど）を示し得る反射の変化を示す画像をキャプチャする場合がある。

図１０は、一実施形態に係る、ハブを有するシステム１８００のブロック図を示す。システム１８００は、無線非対称ネットワークアーキテクチャのハブ１８８２又は中央ハブを含むか、又はそれと統合される。システム１８００（例えば、コンピューティングデバイス、スマートＴＶ、スマートアプライアンス、通信システムなどで）は、あらゆるタイプの無線デバイス（例えば、携帯電話、無線電話、タブレット、コンピューティングデバイス、スマートＴＶ、スマート電化製品など）と無線通信の送受信用に通信することができる。システム１８００は、コントローラ１８２０及び処理ユニット１８１４を含む処理システム１８１０を含む。処理システム１８１０は、ハブ１８８２、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１８３０、無線周波数（ＲＦ）回路１８７０、オーディオ回路１８６０、１つ以上の画像又はビデオを捕捉するための光学デバイス１８８０、システム１８００のための動きデータ（例えば、３次元で）を決定するための随意的な動きユニット１８４４（例えば、加速度計、ジャイロスコープなど）、電力管理システム１８４０、及び機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０と、１つ以上の双方向通信リンク又は信号線１８９８、１８１８、１８１５、１８１６、１８１７、１８１３、１８１９、１８１１を介してそれぞれ通信する。

ハブ１８８２は、接続１８８５（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１８８４に電力（例えば、ＤＣ電源）を供給し、接続１８８７（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してＲＦ回路１８９０に電力を供給する電源１８９１を含む。コントローラ回路１８８４は、メモリ１８８６を含むか、又は本明細書で説明するような無線非対称ネットワークを形成及び監視するためにハブの動作を制御するためのコントローラ回路１８８４の処理ロジック１８８８（例えば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を記憶するメモリに結合される。ＲＦ回路１８９０は、無線センサノード又は他のハブとの（１又は複数の）アンテナ１８９６を介した双方向通信を送受信するためのトランシーバ又は別個の送信機（ＴＸ）１８９２及び受信機（ＲＸ）１８９４機能を含むことができる。ＲＦ回路１８９０は、接続１８８９（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介してコントローラ回路１８８４と双方向に通信する。ＲＦ回路１８９０は、ＬＡＮ ＲＦ回路、ＷＡＮ ＲＦ回路、及びセルラーＲＦ回路のうちの少なくとも１つを含む。ハブ１８８２は、無線制御デバイス１８８４とすることができ、又はコントローラ回路１８８４、ＲＦ回路１８９０、及び（１又は複数の）アンテナ１８９６を組み合わせて、本明細書で説明する無線制御デバイスを形成することができる。

システムのＲＦ回路１８７０及び（１又は複数の）アンテナ１８７１、又はハブ１８８２のＲＦ回路１８９０及び（１又は複数の）アンテナ１８９６は、無線リンク又はネットワークを介して、本明細書で説明するハブ又はセンサノードの１つ以上の他の無線デバイスに情報を送受信するために使用される。オーディオ回路１８６０は、オーディオスピーカ１８６２及びマイクロフォン１０６４に結合され、音声信号を処理するための既知の回路を含む。１つ以上の処理ユニット１８１４は、コントローラ１８２０を介して１つ以上の機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０（例えば、コンピュータ可読媒体）と通信する。媒体１８５０は、１つ以上の処理ユニット１８１４によって使用するためのコード及び／又はデータを記憶することができる任意のデバイス又は媒体（例えば、記憶デバイス、記憶媒体）とすることができる。媒体１８５０としては、キャッシュ、メインメモリ、及び二次メモリを含むがこれらに限定されないメモリ階層を挙げることができる。

媒体１８５０又はメモリ１８８６は、本明細書に記載された方法又は機能のうちの任意の１つ以上を具現化する１つ以上の命令セット（又はソフトウェア）を記憶する。ソフトウェアは、オペレーティングシステム１８５２、無線非対称ネットワークアーキテクチャを確立、監視、及び制御するためのネットワークサービスソフトウェア１８５６、通信モジュール１８５４、及び、アプリケーション１８５８（例えば、家又は建物のセキュリティアプリケーション、家又は建物の完全性アプリケーション、開発者アプリケーションなど）を含むことができる。また、ソフトウェアは、完全に又は少なくとも部分的に、デバイス１８００によるその実行中に、媒体１８５０、メモリ１８８６、処理ロジック１８８８内に、又は処理ユニット１８１４内に存在してもよい。図１８に示される構成要素は、１つ以上の信号処理及び／又は特定用途向け集積回路を含む、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は、それらの任意の組み合わせで実装されてもよい。

通信モジュール１８５４は、他のデバイスとの通信を可能にする。Ｉ／Ｏユニット１８３０は、様々なタイプの入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス１８３４（例えば、ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、陰極線管（ＣＲＴ）、タッチディスプレイデバイス、又は、ユーザ入力を受信して出力を表示するためのタッチスクリーン、随意的な英数字入力デバイス）と通信する。

以下の実施例のいずれも、単一の実施形態に組み合わせることができ、又はこれらの例は別個の実施形態とすることができる。一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャにおいて通信を送受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１及び第２の無線ノードと、未知の位置並びに無線ネットワークアーキテクチャ内の第１及び第２の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を伴う無線デバイスを有する無線ノードとを備える。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第２の無線ノード及び位置が未知の無線ノードに通信を送信し、無線ノードから確認応答パケットによる通信を受信し、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の到達時間差情報を決定するための命令を実行するように構成される。

別の例では、システムは、無線ネットワークアーキテクチャにおいて通信を送信及び受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスを有する第３の無線ノードを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、マルチラテレーションアルゴリズムが、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間、及び第１の無線ノードと第３の無線ノードとの間の到達時間差情報を使用して、位置が未知の無線ノードの位置を決定するための命令を実行するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有する。

別の例では、位置が未知の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１のノードからの転送パケットとの通信の受信に応答して、第１の無線ノード、第２の無線ノード、及び第３の無線ノードに確認応答パケットを含む通信を送信するための命令を実行するように構成される。

別の例では、第２の無線ノード及び第３の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１の無線ノードからの転送パケット及び第４の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、受信した転送パケット及び確認応答パケットのそれぞれについてタイムスタンプ及びチャネル状態情報を記録する命令を実行するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードからの転送パケットの送信時間が、第１、第２、及び第３の無線ノードの時間基準として使用される。

別の例では、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の到達時間差情報は、第１の無線ノードが第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻、第２の無線ノードが第４の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻、及び、時間基準に基づいて決定される。

別の例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、命令を実行して、第１の時刻と時間基準との差を決定し、第２の時刻と時間基準との差も決定するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の通信、及び第１の無線ノードと第３の無線ノードとの間の通信の往復時間の時間推定値に基づく位置特定のための飛行時間推定値を決定することに基づいて、到達時間差情報を決定するための命令を実行するように構成される。

一例では、装置は、命令を記憶するためのメモリと、無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のセンサノードを制御し、複数のセンサノードの位置を決定するための命令を実行する１つ以上の処理ユニットと、無線ネットワークアーキテクチャ内の装置のＲＦ回路との双方向通信を可能にするために、送信機及び受信機を有する無線デバイスを各々が有する複数のセンサノードとの間で通信を送受信するための無線周波数（ＲＦ）回路とを備える。装置の１つ以上の処理ユニットは、第１の無線ノード、第２の無線ノード、及び第３の無線ノードに通信を送信し、未知の位置を有する第３のノードから確認応答パケットとの通信を受信し、装置と第１の無線ノードとの間、及び装置と第２の無線ノードとの間の到達時間差情報を決定するための命令を実行するように構成される。

別の例では、装置の１つ以上の処理ユニットは、到達時間差情報を使用して第３の無線ノードの位置を決定するために、マルチラテレーションアルゴリズムのための命令を実行するように構成される。

別の例では、装置は、第１の基準クロック信号を有し、第１の無線ノードは、第２の基準クロック信号を有する。

別の例では、送信された通信は、第１の無線ノード、第２の無線ノード、及び第３の無線ノードに送信される転送パケットの送信時間を含み、送信時間は、装置、第１の無線ノード、及び第２の無線ノードの時間基準として使用される。

別の例では、装置と第１の無線ノードとの間の到達時間差情報は、装置が第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第１の時刻、第１の無線ノードが第３の無線ノードから確認応答パケットを受信する第２の時刻、及び、時間基準に基づいて決定される。

別の例では、装置の１つ以上の処理ユニットは、命令を実行して、第１の時刻と時間基準との間の差を決定し、第２の時刻と時間基準との間の差も決定するように構成される。

一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のためのシステムは、無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送信及び受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１、第２、及び第３の無線ノードと、未知の位置並びに無線ネットワークアーキテクチャ内の第１、第２及び第３の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を伴う無線デバイスを有する第４の無線ノードとを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、命令を実行して、第４のノードから転送パケットとの通信を受信し、転送パケットに応答して第２、第３、及び第４の無線ノードに通信を送信し、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間、及び第１の無線ノードと第３の無線ノードとの間の到達時間差情報を決定するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、到達時間差情報を使用して第４の無線ノードの位置を決定するために、マルチラテレーションアルゴリズムのための命令を実行するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有する。

別の例では、第４の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、転送パケットを含む通信を第１、第２、及び第３の無線ノードに送信するための命令を実行するように構成される。

別の例では、第２及び第３の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第４の無線ノードからの転送パケット及び第１の無線ノードからの確認応答パケットを含む通信を受信し、受信した転送パケット及び確認応答パケットの各々についてタイムスタンプ及びチャネル状態情報を記録する命令を実行するように構成される。

別の例では、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の到達時間差情報は、第１の無線ノードが第４の無線ノードから転送パケットを受信する第１の時刻、第２の無線ノードが第４の無線ノードから転送パケットを受信する第２の時刻、及び、第１の基準クロック信号と第２の基準クロック信号との間の時間オフセットに基づいて決定される。

別の例では、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第２の無線ノードが第１の無線ノードから確認応答パケットを受信する第３の時刻、第１の無線ノードが第２の無線ノードに確認応答パケットを送信する第４の時刻、及び、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の通信の飛行時間推定値に基づいて、第１の基準クロック信号と第２の基準クロック信号との間の時間オフセットを決定するための命令を実行するように構成される。

図１１は、一実施形態に係る、到達時間差技術を使用してノードの位置推定を決定するための時間掃引方法を示す。方法１１００の動作は、処理回路又は処理ロジックを含む、無線デバイス、ハブ（例えば、装置）の無線制御デバイス、又はシステムによって実行されてもよい。処理ロジックとしては、ハードウェア（回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン又はデバイス上で実行されるものなど）、又は、両方の組み合わせを挙げることができる。一実施形態では、ハブ及びリモートクラウドベースのデバイス又はエンティティの少なくとも一方が、方法１１００の動作を実行する。

無線ネットワークアーキテクチャ（例えば、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、無線広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線セルラネットワーク）の初期化時に、動作１１０１において、システムの処理ロジックは、図１２に示すように、未知の位置に第１のノード（例えば、マスターノード１２１０）、第２及び第３の無線ノード（例えば、探知ノード１２２０、１２３０）、並びに、第４のノード１２４０（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）を有するように構成される。第１のノード（例えば、マスターノード）は、動作１１０２において、ＲＴＴ及び第２及び第３のノード（例えば、探知ノード）との部分距離（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているように）を用いて双方向飛行時間を実行する。方法は、飛行時間測定値に基づいてアンカーノード（例えば、第１、第２、及び第３のノード１２１０、１２２０、１２３０）の位置座標を決定又は取得することができる。

動作１１０４で、この方法は、任意のデバイス（例えば、第４のノード１２４０）の送信された通信のための位置座標仮説と送信時間仮説（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を決定する。各アンカーノードは、受信した通信の検出タイムスタンプ及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）を記録する。動作１１０６において、方法は、位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）にある受信デバイスｉ（例えば、アンカーノード）の時間ｔｒ_ｊｉにおける各受信経路ｊについての送信時間仮説に関連付けられた誤差関数（例えば、イプシロン＝ｓｑｒｔ（（ｘ_ｉ－ｘ）＾２＋（ｙ_ｉ－ｙ）＾２）－（ｔｒ_ｊｉ－ｔ）；イプシロン１２１５）を決定する。動作１１０８において、方法は、経路測定精度の統計的特性を使用して確率関数Ｐ_ｉｊ（イプシロン）を形成する。Ｐ_ｉｊ（ｅｐｓ）は、任意の形態であってもよく、例としては、正規分布ａ（ｉ）＊ｅ＾（－ε＾２／ｂ（ｉ））が挙げられ、式中、ａ（ｉ）及びｂ（ｉ）は、経路特性の関数であってもよい。

動作１１１０において、本方法は、各デバイスｉについてＰ_ｉ（イプシロン）を形成するために、全ての経路ｊの確率関数を加算する。動作１１１２において、本方法は、全てのデバイスｉからの全てのＰ_ｉ（イプシロン）関数を乗算してＰ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を形成する。乗算の数値実装は、加算ログ（Ｐ_ｉ）に置き換えることもできる。動作１１１４において、本方法は、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説についてＰ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を評価する。動作１１１６において、本方法は、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説について最も高い確率Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を選択する。

一例では、このシステムは、マスターノードをアクセスポイント（ＡＰ）として利用し、未知の第４のノードがそれに関連付けられているか、又は他の手段によってセットアップされる。探知ノードは、マスターノード又は未知の第４のノードによって送信されたパケットを受信するように構成される。各探知ノードは、受信した通信の検出タイムスタンプ及びチャネル検知情報（ＣＳＩ）を記録する。探知ノード及びマスターノードは全て、受信した通信のタイムスタンプ及びＣＳＩを記録する。

図１２は、一実施形態に係る時間掃引ＴＤｏＡのための無線アーキテクチャを示す。アンカーノード１２１０、１２２０、１２３０はそれぞれ、未知の位置を有するノード１２４０から通信を送受信する。アンカーノードは、パス１２１２、１２２２、及び１２３２に沿ってノード１２４０から通信を受信し、マルチパスｊは各ノードの半径１２１１、１２２１、及び１２３１によって示される。マルチパスは、環境内の通信の反射（例えば、屋内環境、建物、部屋）によって引き起こされる可能性がある。各ノードは、予測された座標とノード１２４０の実際の位置との間の差を表す誤差関数（例えば、イプシロン１２１５）を有する。各アンカーノードはまた、ノード１２４０からの送信の実際の送信時間とノード１２４０の送信時間仮説との間の差に基づく時間オフセット（例えば、時間オフセット１２１６）を有する。

従来の手法では、ビーム形成方法は、デバイスの送信機応答を測定することに基づいてデバイスを特定する。計算は時間領域で実行される。しかしながら、その送信機応答が知られておらず、チャネル状態情報（ＣＳＩ）を時間領域に変換するとアーチファクトが発生する可能性があるため、任意のデバイスまでの距離を推定することは困難である。

本設計は、既存のＴＤｏＡ問題を克服するために、（ステアリングベクトル発見のための）既存の強力なビーム形成アルゴリズムを利用する。任意のデバイスの送信機応答の推定値は、任意の位置仮説を仮定して、周波数領域においてコヒーレントに加算することができる。

図１３は、一実施形態に係るノードの位置推定を決定するための周波数領域におけるビーム形成方法を示す。方法１３００の動作は、処理回路又は処理ロジックを含む、無線デバイス、ハブ（例えば、装置）の無線制御デバイス、又はシステムによって実行されてもよい。処理ロジックとしては、ハードウェア（回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン又はデバイス上で実行されるものなど）、又は、両方の組み合わせを挙げることができる。一実施形態では、ハブ、アンカーノード、及びリモートクラウドベースのデバイス又はエンティティのうちの少なくとも１つが、方法１３００の動作を実行する。

無線ネットワークアーキテクチャ（例えば、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、無線広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線セルラネットワーク）の初期化時に、動作１３０１において、システムの処理ロジックは、図１４に示すように、アンカーノード（例えば、マスターノード１４１０）、少なくとも１つの更なるアンカー無線ノード（例えば、探知ノード１４２０）、及び未知の位置にあるノード１４４０（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）を有するように構成される。ノード（例えば、マスターノード）は、動作１３０２において、少なくとも１つのアンカーノード（例えば、少なくとも１つの探知ノード）を用いて、ＲＴＴ及び部分距離（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているように）で双方向飛行時間を実行する。各アンカーノードは、受信した通信のチャネル１４１２及び１４２２からの検出タイムスタンプ及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）を記録する。

動作１３０４において、本方法は、未知の位置を有するノードの位置座標仮説（ｘ，ｙ，ｚ）を決定し、動作可能な受信機を有する各リスニングアンカーノードｉ，（例えば、ノード１４１０、１４２０）から位置座標（例えば、１４５０）までの距離をｄ_ｉ（例えば、１４５２、１４５４）として計算する。

動作１３０６において、本方法は、各アンカーノードｉからＣＳＩ_ｉ（ｆ）及び信号到達タイムスタンプＴ_ｉを取得し、修正ＣＳＩを計算する。
当初のＣＳＩに時間シフトｄｉ－Ｔｉを加算することによるＣＳＩ_ｍ，ｉ＝ＣＳＩ_ｉ・ｅ＾（ｊω（ｄ_ｉ－Ｔ_ｉ））この時間シフトを行なうことによって、組み合わされたＣＳＩは、正しい位置仮説において高いエネルギーを有する。アンカーが同期していない場合、アンカークロック位相差が測定され、タイムスタンプに含まれなければならない。相対タイムスタンプ値のみが必要とされるため、全てのタイムスタンプから定数を減算して、それらを可能な限り小さい値に保つことができる。小さいタイムスタンプ値は、以下の動作の精度を高めることができる。

動作１３０８において、本方法は、ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ΣｆΣｉ｜ｖ_ｉ・ＣＳＩ_ｍ，ｉ（ｆ）｜＾^２を最大化する複素ステアリングベクトルｖを決定する。

動作１３１０において、本方法は、任意の実現可能な座標仮説についてｅ（ｘ、ｙ、ｚ）を評価し、最高値を有する座標位置を選択する。

各リスニングアンカーノードが任意のデバイスの送信機応答の推定値を計算すると仮定すると、任意の位置仮説を仮定して、全ての推定値を周波数領域でコヒーレントに加算することができる。仮説が任意のデバイスの実際の位置に対応する場合、合計は最高値を有する。

図１５は、一実施形態に係る、ノードの位置推定を決定するための時間領域におけるビーム形成方法を示す。方法１５００の動作は、処理回路又は処理ロジックを含む、無線デバイス、ハブ（例えば、装置）の無線制御デバイス、又はシステムによって実行されてもよい。処理ロジックとしては、ハードウェア（回路、専用ロジックなど）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステム又は専用マシン又はデバイス上で実行されるものなど）、又は、両方の組み合わせを挙げることができる。一実施形態では、ハブ、アンカーノード、及びリモートクラウドベースのデバイス又はエンティティのうちの少なくとも１つが、方法１５００の動作を実行する。

無線ネットワークアーキテクチャ（例えば、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、無線広域ネットワーク（ＷＡＮ）、無線セルラネットワーク）の初期化時に、動作１５０２において、システムの処理ロジックは、図１４に示すように、アンカーノード（例えば、マスターノード１４１０）、少なくとも１つの更なるアンカー無線ノード（例えば、探知ノード１４２０）、及び未知の位置にあるノード１４４０（例えば、センサノード、モバイルデバイス、スマートデバイス、スマートウォッチなど）を有するように構成される。アンカーノード（例えば、マスターノード）は、動作１５０２において、ＲＴＴによる双方向飛行時間と、少なくとも１つのアンカーノード（例えば、少なくとも１つの探知ノード）による部分距離（米国特許出願第１５／１７３，５３１号に記載されているように）とを実行する。各アンカーノードは、受信した通信のチャネル１４１２及び１４２２からの検出タイムスタンプ及びチャネル状態情報（ＣＳＩ）を記録する。

動作１５０４において、本方法は、未知の位置を有するノードの位置座標仮説（ｘ、ｙ、ｚ）を決定し、各リスニングアンカーノードｉ（例えば、ノード１４１０、１４２０）から位置座標仮説までの距離をｄ_ｉ（例えば、１４５２、１４５４）として計算する。

動作１５０６において、本方法は、各アンカーノードｉからチャネル状態情報（例えば、ＣＳＩ_ｉ（ｆ））及び信号到達タイムスタンプＴ_ｉを取得し、修正ＣＳＩを計算する。

元のＣＳＩに時間シフトを加算することによるＣＳＩ_ｍ，ｉ＝ＣＳＩ_ｉ・ｅ＾（ｊω（ｄ_ｉ－Ｔ_ｉ））或いは、動作１５０６において、ＣＳＩに窓関数のフーリエ変換を乗算することができる。以下に説明する窓関数は、周波数領域から時間領域への変換によって生成されるノイズ及びスプリアス要素を低減するために使用することができる。

動作１５０８において、本方法は、疎近似、マトリクスペンシルなどを使用して、各ＣＳＩ_ｍ、ｉを時間領域チャネル応答ｈ_ｉ（ｔ）に変換する。動作１５１０において、本方法は、全ての応答ｓ（ｔ）＝Σ＿_ｉ｜ｈ_ｉ｜の大きさを加算する。

動作１５１２において、本方法は、例えば、所望の位置精度及び推定距離測定精度に対応する適切な窓関数でｓ（ｔ）を畳み込むことによって、偽の成分を除去する。動作１５０８における幾つかの変換方法は、時間領域チャネル応答に偽要素を作り出すことができる。これらのスプリアス成分は、実際の遅延パス成分に近い振幅を有する場合がある。変換が位置精度に必要とされるよりも高い分解能を有する場合、偽の成分は窓関数によって減衰され得る。窓関数は、幾つかの時間サンプルにわたる単純な平均とすることができ、特定の変換方法又は畳み込みステップによりよく適合するより複雑な形状を完全に省略することができる。動作１５１４において、本方法は、出力の最高値ｓ_ｍａｘを選択する。

動作１５１６において、本方法は、任意の実現可能な座標仮説についてｓ_ｍａｘを評価し、最高値を有する座標位置を選択する。

従来のビーム形成手法は、デバイスの送信機応答を測定することに基づいてデバイスを配置することを含む。しかしながら、任意のデバイスまでの距離を推定することは、その送信機の応答が分からないため困難である。周波数領域応答をコヒーレントに加算するには、エラーを引き起こす可能性がある各アンカーノード位相を推定する必要がある。

図１５の方法１５００は、周波数領域から時間領域への変換を実行して、アンカーノードの未知の位相を除去する。各リスニングアンカーノードが任意のデバイスの送信機時間応答振幅の推定値を計算する場合、任意の位置仮説について全ての推定値を加算することができる。仮説が任意のデバイスの実際の位置に対応するとき、合計は最も高い振幅ピーク値を有する。

以下の実施例のいずれも、単一の実施形態に組み合わせることができ、又はこれらの例は別個の実施形態とすることができる。第１の実施形態の１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャ内の任意の無線デバイスの位置特定のためのコンピュータ実装方法は、複数の無線アンカーノードを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化するステップと、アンカーノード及びクラウドベースのエンティティのうちの少なくとも一方により、任意の無線デバイスの送信された通信に関する位置座標仮説及び送信時間仮説を決定するステップと、位置座標仮説において受信する複数のアンカーノードのそれぞれの受信経路ｊごとに前記送信時間仮説と関連付けられる誤差関数を決定するステップと、経路測定精度の統計的特性を使用して各アンカーノードのそれぞれの受信経路ｊごとに誤差関数の確率関数を決定するステップとを含む。

第１の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、全ての経路ｊの確率関数を加算して、複数のアンカーノードのそれぞれに関して誤差関数の確率関数を形成するステップを更に含む。

第１の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、複数のアンカーノードのそれぞれに関して誤差関数の確率関数を乗算して、任意の無線デバイスに関する３次元における座標位置及び送信時間仮説の確率関数Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を形成するステップを更に含む。

第１の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説に関して３次元における座標位置及び送信時間仮説の確率関数を評価するステップと、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説に関して最も高い確率Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）から少なくとも１つの仮説を選択するステップとを更に含む。

第１の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、任意の実現可能な送信時間仮説に関して３次元における座標位置及び送信時間仮説の確率関数を評価するステップと、ｘ、ｙ及びｚの少なくとも１つの所定の範囲にわたってＰ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）の値を合計し、最も高い合計を伴う範囲を選択することによって任意のデバイスがどの範囲に最も位置する可能性が高いかを決定するステップとを更に含む。

第１の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、合計が所定の値に等しくなるように、選択された最も高い確率を中心とするｘ、ｙ及びｚの範囲にわたってＰ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）の値を合計するステップと、範囲のサイズを位置精度の表示として使用するステップとを更に含む。

第１の実施形態の他の例において、誤差関数は、位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）でアンカーノードを受信する時間ｔｒ_ｊｉにおけるそれぞれの受信経路ｊごとに送信時間仮説と関連付けられるｓｑｒｔ（（ｘ_ｉ－ｘ）＾２＋（ｙ_ｉ－ｙ）＾２）－（ｔｒ_ｊｉ－ｔ）を含む。

第２の実施形態の１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１及び第２の無線ノードと、未知の位置並びに無線ネットワークアーキテクチャ内の第１及び第２の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を伴う無線デバイスとを有する第３の無線ノードとを備え、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、クラウドベースのエンティティに命令を送信する又は命令を実行して第３の無線ノードの送信された通信に関する位置座標仮説及び送信時間仮説を決定するとともに、位置座標仮説における受信する第１及び第２の無線ノードのそれぞれの受信経路ｊごとに送信時間仮説と関連付けられる誤差関数を決定し、経路測定精度の統計的特性を使用して第１及び第２の無線ノードのそれぞれの受信経路ｊごとに前記誤差関数の確率関数を決定するように構成される。

第２の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、命令を実行して全ての経路ｊの確率関数を加算し、第１の無線ノード及び第２の無線ノードに関する誤差関数の確率関数を形成する。

第２の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、命令を実行して第１及び第２の無線ノードに関する誤差関数の確率関数を乗算し、第３の無線ノードに関する３次元における座標位置及び送信時間仮説の確率関数Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を形成するように構成される。

第２の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、命令を実行して、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説に関して３次元における座標位置及び送信時間仮説の確率関数を評価するとともに、任意の実現可能な座標及び送信時間仮説に関して最も高い確率Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）を選択するように構成される。

第２の実施形態の他の例において、第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有し、第３の無線ノードが第３の基準クロック信号を有する。

第２の実施形態の他の例では、無線ネットワークアーキテクチャが無線ＷＡＮアーキテクチャを備える。

第２の実施形態の他の例において、無線ネットワークアーキテクチャは、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）ネットワークアーキテクチャ及び無線ＷＡＮアーキテクチャのうちの少なくとも一方を備える。

第２の実施形態の他の例において、第１の無線ノードは、無線ＲＦ通信を送受信するための無線広域ネットワーク（ＷＡＮ）ＲＦ回路を含む。

第３の実施形態の１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャ内の任意の無線デバイスの位置特定のためのコンピュータ実装方法は、複数の無線アンカーノードｉを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化するステップと、未知の位置を有する任意の無線デバイスに関する３次元における位置座標仮説を決定するステップと、それぞれのリスニング無線アンカーノードｉから位置座標仮説までの距離ｄ_ｉを計算するステップと、各無線アンカーノードｉからのチャネル状態情報と各無線アンカーノードｉからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉとを取得するステップとを含む。

第３の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、当初のチャネル状態情報、距離ｄ_ｉ、及び、各アンカーノードｉからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉに基づいて、修正チャネル状態情報を計算するステップを更に含む。

第３の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、位置座標仮説の変数を有する関数を最大化する複素ステアリングベクトルｖを決定するステップであって、関数がステアリングベクトルと修正チャネル状態情報とに基づく、ステップを更に含む。

第３の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、任意の実現可能な座標仮説に関する前記関数を評価して、最高値を伴う座標位置を選択するステップを更に含む。

第４の実施形態の１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置特定のための非同期システムは、無線ネットワークアーキテクチャ内で通信を送受信するための１つ以上の処理ユニット及びＲＦ回路を伴う無線デバイスをそれぞれが有する第１及び第２の無線ノードと、未知の位置並びに無線ネットワークアーキテクチャ内の第１及び第２の無線ノードとの通信を可能にする送信機及び受信機を伴う無線デバイスを有する第３の無線ノードとを備え、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、クラウドベースのエンティティに命令を送信する又は命令を実行して未知の位置を有する第３の無線ノードデバイスに関する３次元における位置座標仮説を決定するとともに、第１及び第２の無線ノードから位置座標仮説までの距離を計算し、第１及び第２の無線ノードからのチャネル状態情報と第１及び第２の無線ノードからの信号到達タイムスタンプＴとを取得するように構成される。

第４の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、命令を実行して、チャネル状態情報、計算された距離、第１及び第２の無線ノードからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉ、並びに、第１及び第２の無線ノードに関する既知の受信応答に基づいて、第３の無線デバイスの送信機応答を計算する。

第４の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、命令を実行して、位置座標仮説の変数を有する関数を最大化する複素ステアリングベクトルｖを決定するように構成され、関数は、ステアリングベクトルと、第３の無線ノードの計算された送信機応答とに基づく。

第４の実施形態の他の例において、第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニット又はクラウドベースのエンティティは、任意の実現可能な座標仮説に関して関数を評価し、最高値を伴う座標位置を選択するように構成される。

第４の実施形態の他の例において、第１の無線ノードが第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードが第２の基準クロック信号を有し、第３の無線ノードが第３の基準クロック信号を有し、第１及び第２の基準クロック位相差が信号到達タイムスタンプを使用する前に除去される。

第５の実施形態の１つの例において、無線ネットワークアーキテクチャ内の無線ノードの位置特定のためのコンピュータ実装方法は、複数の無線アンカーノードｉを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化するステップと、アンカーノード及びクラウドベースのエンティティのうちの少なくとも一方により、未知の位置を有する無線ノードの位置座標仮説を決定するステップと、それぞれのアンカーノードｉから位置座標仮説までの距離を計算するステップと、各アンカーノードｉからチャネル状態情報及び信号到達タイムスタンプＴ_ｉを取得するステップとを含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、当初のチャネル状態情報、距離ｄ_ｉ、及び、各アンカーノードｉからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉに基づいて、修正チャネル状態情報を計算するステップを更に含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、当初のチャネル状態情報、距離ｄ_ｉ、及び、各アンカーノードｉからの信号到達タイムスタンプＴ_ｉに基づいて、修正チャネル状態情報を計算するステップを更に含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、それぞれのアンカーノードに関する無線の各修正チャネル状態情報を時間領域チャネル応答ｈ_ｉ（ｔ）に変換するステップと、時間領域における全ての時間領域応答振幅ａｂｓ（ｈ_ｉ）を加算して、送信機応答の合計ｓ（ｔ）を生成するステップとを更に含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、ｓ（ｔ）を適切な窓関数で畳み込んで出力を生成するステップであって、窓関数が所望の位置精度及び推定距離測定精度に対応する、ステップを更に含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、出力の最高値ｓ_ｍａｘを選択するステップを更に含む。

第５の実施形態の他の例において、コンピュータ実装方法は、任意の実現可能な座標仮説に関してｓ_ｍａｘを評価して、最高値を伴う座標位置を選択するステップを更に含む。

第５の実施形態の他の例では、無線ネットワークアーキテクチャが無線ＷＡＮアーキテクチャを備える。

第５の実施形態の他の例において、無線ネットワークアーキテクチャは、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）ネットワークアーキテクチャ及び無線ＷＡＮアーキテクチャのうちの少なくとも一方を備える。

「Ａ及びＢのうちの少なくとも一方」という語句は、「Ａのみ、Ｂのみ、又は、ＡとＢの両方」を意味すると理解されるべきである。「Ａ及びＢのグループから選択される少なくとも１つ」という語句は、「Ａのみ、Ｂのみ、又は、ＡとＢの両方」を意味すると理解されるべきである。「Ａ、Ｂ、又は、Ｃのうちの少なくとも１つ」という語句は、「Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、又は、Ａ、Ｂ、もしくは、Ｃの任意の組み合わせ」を意味すると理解されるべきである。

上述した明細書では、本発明をその特定の典型的な実施形態に関連して説明してきた。しかしながら、本発明のより広い思想及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を本発明に対して行なうことができることが分かる。したがって、本明細書及び図面は、限定的な状態ではなく例示的な状態とみなされるべきである。

Claims (7)

1. 方法において、
   １組のアンカーノードを有する無線ネットワークアーキテクチャを初期化する段階と、
   前記１組のアンカーノードのうちの第１のアンカーノード及びクラウドベースのエンティティを用いて、任意の無線デバイスの位置座標仮説、および前記任意の無線デバイスから送信された通信に関する送信時間仮説を規定する段階と、
   前記位置座標仮説、前記送信時間仮説、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードにおけるノードの位置、および前記１組のアンカーノードの各アンカーノードにおける前記通信の受信時間に基づいて、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードにおける前記通信の受信経路ごとの前記送信時間仮説と、前記任意の無線デバイスの位置座標仮説とに関連する誤差関数を導く段階であって、当該誤差関数が：
   ・前記１組のアンカーノードの各アンカーノードのノード位置と、前記位置座標仮説との間の距離の差と、
   ・前記１組のアンカーノードの各アンカーノードにおける前記通信の受信時間と、前記送信時間仮説との間の時間の差と、を表すものである誤差関数を導く段階と、
   経路測定精度の統計的特性を使用して、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードの各受信経路ごとに前記誤差関数の確率関数を導く段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 全ての受信経路の１組の経路の確率関数を加算して、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードに対して前記誤差関数の確率関数を形成する段階、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記１組のアンカーノードの各アンカーノードに関して前記誤差関数の前記確率関数を乗算して、前記位置座標仮説および前記送信時間仮説の値の確率分布を示す累積確率関数を形成する段階、をさらに含む請求項２に記載の方法。
4. １組の実現可能な位置座標仮説および１組の実現可能な送信時間仮説についての前記累積確率関数を評価することにより、１組の位置確率および１組の送信時間確率を生成する段階と、
   前記１組の実現可能な位置座標仮説から第１の位置座標仮説を選択する段階であって、当該第１の位置座標仮説が、前記１組の位置確率の中で最も高い位置確率に関連するものである、第１の位置座標仮説を選択する段階と、
   前記第１の位置座標仮説を、前記任意の無線デバイスのデバイス位置として特定する段階と、
   前記１組の実現可能な送信時間仮説から第１の送信時間仮説を選択する段階であって、当該第１の送信時間仮説が、前記１組の送信時間確率の中で最も高い送信時間確率に関連するものである、第１の送信時間仮説を選択する段階と、
   前記第１の送信時間仮説を、前記任意の無線デバイスからの前記通信の送信時間として特定する段階と、をさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. １組の確率を生成する段階であって、
   １組の送信時間仮説における前記累積確率関数を評価することと、
   １組の位置仮説の範囲に前記累積確率関数を積分することと、によって１組の確率を生成する段階と、
   前記１組の位置仮説の範囲から第１の位置仮説の範囲を特定する段階であって、当該第１の位置仮説の範囲が、前記１組の確率の中で最も高い確率に関連するものである、第１の位置仮説の範囲を特定する段階と、
   前記第１の位置仮説の範囲を、前記任意の無線デバイスを含む位置の範囲として特定する段階と、をさらに含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記第１の位置座標仮説の近くの位置座標仮説の範囲にわたる前記累積確率関数の積分を評価する段階であって、積分値が所定の値に対応するものである段階と、
   前記位置座標仮説の範囲のサイズに基づいて、前記デバイス位置の位置精度を特定する段階と、をさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記誤差関数を導く段階が、ｓｑｒｔ（（ｘ _ｉ －ｘ）＾２＋（ｙ _ｉ －ｙ）＾２）－（ｔｒ _ｊｉ －ｔ）を含む誤差関数を規定することを含み、
   ｓｑｒｔ（（ｘ _ｉ －ｘ）＾２＋（ｙ _ｉ －ｙ）＾２）が、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードのノード位置と、前記位置座標仮説との間の距離の差を表しており、
   （ｔｒ _ｊｉ －ｔ）が、前記１組のアンカーノードの各アンカーノードにおける前記通信の受信時間と、前記送信時間仮説との間の時間の差を表すものである、請求項１に記載の方法。

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