(57)【要約】【課題】容易な回路構成によりデータ通信と正確な距離測定を実行する。【解決手段】端末は、基地局が測距信号を発してから伝搬時間Ｘ後に受信し、さらにイメージ排除期間Ｎだけ遅延の後に応答信号を発信する。基地局は、端末が発した応答信号を伝搬時間Ｙの後に受信する。基地局は、測距信号を発信してからの経過時間Ｔを基に基地局〜端末間の伝搬時間を求め、これを光速で割ることによって基地局〜端末間の距離が分かる。基地局は、自身が発した測距信号の物理的な電波反射を取り除くために、イメージ排除期間が経過するまでは受信ゲートを開かないようにする。【選択図】　図８
2004085545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送が行なわれる無線通信システムであって、
第１の端末が第２の端末に測距信号を送信するとともに前記第２の端末が測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を返信し、前記第１の端末は測距信号を発信してからの経過時間から求まる前記第１及び第２の端末間の伝搬時間を基に前記第１及び第２の端末間の距離を測定する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信装置であって、
無線ネットワーク内の特定の端末に対して測距信号を送信する測距信号送信手段と、
前記測距信号を送出してから所定期間が経過した後に前記端末からの応答信号を受信処理する応答信号受信手段と、
前記測距信号を送出してから前記端末からの応答信号を受信するまでの経過時間から求まる伝搬時間を基に前記端末までの距離を測定する距離測定手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項３】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信方法であって、
無線ネットワーク内の特定の端末に対して測距信号を送信する測距信号送信ステップと、
前記測距信号を送出してから所定期間が経過した後に前記端末からの応答信号を受信処理する応答信号受信ステップと、
前記測距信号を送出してから前記端末からの応答信号を受信するまでの経過時間から求まる伝搬時間を基に前記端末までの距離を測定する距離測定ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項４】
無線ネットワークの伝送フレーム周期は送信データを送受信するデータ期間と情報の伝送相手との距離を測定する測距期間が設けられ、
前記測距信号送信ステップによる測距信号の送信処理及び前記応答信号受信ステップによる前記端末からの応答信号の受信処理を、前記測距期間を利用して実行する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
【請求項５】
前記測距信号送信ステップでは、単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される測距信号を送信する、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
【請求項６】
前記応答信号受信ステップでは、基地局と前記端末間の伝搬速度におけるパルスの往復伝搬時間以外に、意図しない物体からの反射をマスクするために必要なイメージ排除時間、及び／又は、前記端末側において信号処理により生じる遅延時間を見込んだ測距遅延時間が経過した後に、前記端末からの応答信号を受信するための受信ゲートを開く、
ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。
【請求項７】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信装置であって、
無線ネットワーク内の他の端末から測距信号を受信する測距信号受信手段と、
前記測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を送信処理する応答信号送信手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項８】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信方法であって、
無線ネットワーク内の他の端末から測距信号を受信する測距信号受信ステップと、
前記測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を送信処理する応答信号送信ステップと、
を具備することを特徴とする無線通信方法。
【請求項９】
無線ネットワークの伝送フレーム周期は送信データを送受信するデータ期間と情報の伝送相手との距離を測定する測距期間が設けられ、
前記測距信号受信ステップによる測距信号の受信処理及び前記応答信号送信ステップによる応答信号の送信処理を、前記測距期間を利用して実行する、
ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
【請求項１０】
前記応答信号送信ステップでは、単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される応答信号を送信する、
ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
【請求項１１】
前記応答信号送信ステップでは、ＰＮ系列からなる複数のパルス信号によって構成される応答信号を送信する、
ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
【請求項１２】
前記応答信号送信ステップでは、基地局と前記端末間の伝搬速度におけるパルスの往復伝搬時間以外に、意図しない物体からの反射をマスクするために必要なイメージ排除時間、及び／又は、前記端末側において信号処理により生じる遅延時間を見込んだ測距遅延時間が経過した後に、前記端末からの応答信号を送信する、
ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
【請求項１３】
所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう端末として動作するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
無線ネットワーク内の特定の端末に対して測距信号を送信する測距信号送信ステップと、
前記測距信号を送出してから所定期間が経過した後に前記端末からの応答信号を受信処理する応答信号受信ステップと、
前記測距信号を送出してから前記端末からの応答信号を受信するまでの経過時間から求まる伝搬時間を基に前記端末までの距離を測定する距離測定ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【請求項１４】
無線ネットワーク内で無線通信を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
無線ネットワーク内の基地局から測距信号を受信する測距信号受信ステップと、
前記測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を送信処理する応答信号送信ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の無線局間で相互に通信を行う無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、特定の制御局の管理下でネットワークが構築される無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、無線ネットワーク上での無線端末の地理的な位置を測定又は特定する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、セル範囲よりも細かい粒度で無線端末の地理的な位置を測定又は特定する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
複数のコンピュータを接続してＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）を構成することにより、ファイルやデータなどの情報の共有化、プリンタなどの周辺機器の共有化を図ったり、電子メールやデータ・コンテンツの転送などの情報の交換を行なうことができる。
【０００４】
従来、光ファイバーや同軸ケーブル、あるいはツイストペア・ケーブルを用いて、有線でＬＡＮ接続することが一般的であったが、この場合、回線敷設工事が必要であり、手軽にネットワークを構築することが難しいとともに、ケーブルの引き回しが煩雑になる。また、ＬＡＮ構築後も、機器の移動範囲がケーブル長によって制限されるため、不便である。そこで、従来の有線方式によるＬＡＮの配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。この種の無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。
【０００５】
近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入の検討が行なわれている。
【０００６】
例えば、２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システムが規定されている。ＩＥＥＥ８０２．１１方式の無線ネットワークでは、２．４ＧＨｚ又は５ＧＨｚ帯の無線電波を利用し、数Ｍｂｐｓから数十Ｍｂｐｓの空間情報伝達を可能としている。また、無線ネットワークの多くの場合、無線基地局の制御下に置かれる「セル」の範囲内において、有効な通信が可能な複数の無線送受信機が動作して、相互通信を行なっている。セルは、一般に、数十メートルから数百メートルの直径を持つ。
【０００７】
通常、１つのサービス・エリア内には複数の無線基地局が存在し、これら基地局間は有線ネットワークによって相互接続されている。各無線基地局は、ビーコン（Ｂｅａｃｏｎ：標識信号）と呼ばれる無線フレームをセル内の無線端末に向けて定期的にブロードキャストすることで、自基地局のセル範囲の存在を告知し、無線ネットワークを構築する。さらに、このビーコン・フレームには特定の端末に対する時間スロットを割り当てたりするような通信制御を行なうための情報が含まれる場合もある。
【０００８】
図１には、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ方式で用いられている無線区間におけるＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｓｅｎｓｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）を用いた多重アクセス方法について図解している。
【０００９】
ここでは、基地局が端末Ａ及びＢの２台の端末が通信を行なっている。同図に示す例では、基地局はそれぞれの端末とユニキャスト通信を行ない、受信側においてはデータ・フレームが正確に受信された場合、送信側へＡＣＫフレームを返すことにより送信側へ通信の成功を伝える仕組みとなっている。
【００１０】
図２にはこのＩＥＥＥ８０２．１１ａにおけるデータ・フレームのフォーマットを示し、また、図３にはＡＣＫフレームのフォーマットを示している。これらのフレーム・フォーマット内のＭＡＣ（Ｍａｃｈｉｎｅ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）ヘッダ部にはＤｕｒａｔｉｏｎ部フィールドが存在し、ここには一連の通信が完了するまでに必要となる時間を更新する値が代入される。現在送信を行なっていない他の端末はこのフィールドを受信することで、次に自分が送信可能となる時刻を予測することが可能となる。
【００１１】
また、ＣＳＭＡ／ＣＡ方式では、基地局や端末からは非同期に電波が送出される。このため、フレーム衝突の回避とフレーム種に応じた送信の優先順位を実現するために、コンテンション期間やバックオフ期間、そして送信が禁止されるＩＦＳと呼ばれる期間が各フレーム間に設定される。ＩＥＥＥ８０２．１１ａにおけるＩＦＳ期間の実値として、ＳＩＦＳ、ＤＩＦＳ時間はそれぞれ１６マイクロ秒、３４マイクロ秒である。
【００１２】
また、図４には、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ／Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｄｕｐｌｅｘ）を用いた多重アクセス方法について図解している。この方式では、基地局とその配下のすべての端末における送受信の動作は同期して行なわれる。図示の例では、同一周期で繰り返されるフレーム期間が複数のスロット期間に分割され、基地局や端末の送受信期間に割り当てられる。各スロット期間は一定であるため、データを送出するために必要な時間がスロット期間より短い場合にはデータ通信に使われない期間が発生することがある。また、基地局と端末間の距離差やタイミング誤差による送信スロットの衝突を防ぐための送信禁止区間すなわちガード期間が設けられる。
【００１３】
ところで、無線ネットワークでは、通常、各無線端末は地理的な移動を行なうことが可能である。ある基地局のセル範囲を越えても継続的に通信を行なうためには、無線端末の移動に伴い、接続する基地局の切り替え動作を逐次行なう必要がある。一般に、このような基地局切り替え動作のことを「ハンドオーバー」と呼ぶ。
【００１４】
ハンドオーバーのためには、無線端末は基地局から発せられるビーコン・フレームを受信して基地局の存在を知る必要がある。基地への接続や判断のためにビーコンの電界強度（ＲＳＳＩ）、また接続中であればさらにデータ通信フレームのＲＳＳＩを利用して、よりよい通信が可能な基地局を選択する。このようなシステムにおいては、基地局に接続されている間は端末が存在する位置を基地局のセル範囲という粒度で知ることができる。
【００１５】
そして、基地局と接続された端末は、基地局間を結ぶ有線ネットワークを経由して、さまざまなサーバとの間で情報のやり取りを行なうことができる。この場合、ユーザは端末とともに地理的な移動を行ないながらも、データ通信によるサービスの提供を受けることが可能となっている。
【００１６】
従来の無線ネットワーク技術においては、端末の地理的な位置を測定する機構は存在しない。基地のセル範囲を粒度とする大まかな推測ができるのみであるため、１つのセル範囲が大きい場合や複数のセルが重なる環境では問題となる場合がある。また、同一基地局に接続する複数の端末を区別することも不可能である。
【００１７】
無線セル範囲の粒度による位置特定では問題が発生するような場合、データ通信の仕組みとは別に超音波や赤外線によるさらに粒度の細かい位置測定技術を併用することで、より正確にアプローチすることも考えられる。しかしながら、無線通信装置はデータ通信と位置測定のために２つのシステムを実装する必要があるため、装置の肥大化やコスト増大を招来してしまう。
【００１８】
また、無線通信装置の位置測定を行なうための他のアプローチとして、基地局がデータ・フレームを送信し、これに対する端末からのＡＣＫフレームを受信するまでの所要時間を基に距離を測定するということも考えられる。例えば、１メートルの測距制度を実現するためにはＡＣＫフレームの生成や送出を１０ナノ秒以下で完了する必要があり、複雑で高価なシステムが必要となる。
【００１９】
最近では、端末の所在を検知する手段を提供するために、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）測位システムを併用したセルラー電話システムが出現している。これは、米国Ｑｕａｌｃｏｍｍ社によるｇｐｓＯｎｅとして知られる技術である。ＧＰＳ衛星からの測位信号を受信した無線端末は、基地局の協力を得ながら信号処理を行なう。一般に、セルラー電話網におけるセル範囲は数百から数キロメートルの直径を持つが、この方式により数メートル程度の精度で端末の地理的位置を特定することができる。
【００２０】
このようなＧＰＳ測位システムにおいては、数メートルの精度で端末の位置を特定することが可能であるが、ＧＰＳ衛星からの電波の到達しない環境では精度よく利用できないので、屋内で利用する場合には制約が生じる。また、ＧＰＳ信号を処理するための回路も必要となり、システムが複雑化する。
【００２１】
例えば特願平３−１１３９２７号明細書には、発信機の位置を特定するシステムについて開示されているが、測定領域内に時刻の基準局が必要となり、またデータ通信のための機能は存在しない。
【００２２】
また、特開平５−６０８５４号公報には、発信機の位置を測定するシステムについて開示されている。しかしながら、これは基準発信機や複雑な回路構成を採らずに位置測定を実現することを目的としたものであるが、基準局と位置を計算する計算機との間の遅延時間が測定精度に影響を及ぼす場合には問題がある。
【００２３】
また、従来の無線ＬＡＮ技術では、端末の正確な位置を測定することができない。それを実現するには各無線基地局間の同期が必要であったり、時計精度が高く一致する必要があったり、回路規模が大きくなることや基地管理コストが増大するという問題がある。そのため、多数の基地局が配置される無線ＬＡＮシステムにおいては端末の位置測定は適当でない。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、無線ネットワーク上での無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００２５】
本発明のさらなる目的は、セル範囲よりも細かい粒度で無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、容易な回路構成によりデータ通信と正確な距離測定を実行することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、所定の伝送フレーム周期で情報伝送が行なわれる無線通信システムであって、
第１の端末が第２の端末に測距信号を送信するとともに前記第２の端末が測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を返信し、前記第１の端末は測距信号を発信してからの経過時間から求まる前記第１及び第２の端末間の伝搬時間を基に前記第１及び第２の端末間の距離を測定する、
ことを特徴とする無線通信システムである。
【００２８】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
【００２９】
本発明の第１の側面に係る無線通信システムによれば、セル範囲よりも細かい粒度で無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる。この結果として、セル内に存在する各端末に対してその位置に応じたさまざまなサービスを提供することができる。
【００３０】
例えば、端末と基地局間の距離が正確に判るため、その距離に応じてデータ通信時の送信電力を制御することにより、端末や基地局の省電力化を実現することができる。
【００３１】
また、端末の移動速度や方向を判断することにより、端末側では次に接続する可能性のある基地局を事前に知ることができ、ハンドオーバーなどの処理を容易にすることができる。
【００３２】
また、同じ基地局に接続される端末であっても、その位置によって接続を禁止するような仕組みを実現することができる。
【００３３】
また、既存の無線通信装置にパルス処理部又はこれと等価な機能を追加することにより、既存の無線ＬＡＮシステムにおいても本発明に係る測距技術を実現することができ、既存のシステムとの親和性が高い。
【００３４】
また、本発明の第２の側面は、所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信装置又は無線通信方法であって、
無線ネットワーク内の特定の端末に対して測距信号を送信する測距信号送信手段又はステップと、
前記測距信号を送出してから所定期間が経過した後に前記端末からの応答信号を受信処理する応答信号受信手段又はステップと、
前記測距信号を送出してから前記端末からの応答信号を受信するまでの経過時間から求まる伝搬時間を基に前記端末までの距離を測定する距離測定手段又はステップと、
を具備することを特徴とする無線通信装置又は無線通信方法である。
【００３５】
また、本発明の第３の側面は、所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう無線通信装置又は無線通信方法であって、
無線ネットワーク内の他の端末から測距信号を受信する測距信号受信手段又はステップと、
前記測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を送信処理する応答信号送信手段又はステップと、
を具備することを特徴とする無線通信装置又は無線通信方法である。
【００３６】
ここで、無線ネットワークの伝送フレーム周期には、送信データを送受信するデータ期間と情報の伝送相手の距離を測定する測距期間が設けられているものとする。そして、情報の伝送相手との間で行なわれる測距信号の送信及びこれに対する応答信号の送信は、後者の測距期間を利用して行なわれるものとする。
【００３７】
本発明の第２及び第３の各側面に係る無線通信装置又は無線通信方法によれば、基地局はセル範囲よりも細かい粒度で無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる。この結果として、セル内に存在する各端末に対してその位置に応じたさまざまなサービスを提供することができる。
【００３８】
例えば、端末と基地局間の距離が正確に判るため、その距離に応じてデータ通信時の送信電力を制御することにより、端末や基地局の省電力化を実現することができる。
【００３９】
また、端末の移動速度や方向を判断することにより、端末側では次に接続する可能性のある基地局を事前に知ることができ、ハンドオーバーなどの処理を容易にすることができる。
【００４０】
また、同じ基地局に接続される端末であっても、その位置によって接続を禁止するような仕組みを実現することができる。
【００４１】
また、既存の無線通信装置にパルス処理部又はこれと等価な機能を追加することにより、既存の無線ＬＡＮシステムにおいても本発明に係る測距技術を実現することができ、既存のシステムとの親和性が高い。
【００４２】
ここで、応答信号を送信する端末は、端末間の伝搬速度におけるパルスの往復伝搬時間以外に、意図しない物体からの反射をマスクするために必要なイメージ排除時間、及び／又は、前記端末側において信号処理により生じる遅延時間を見込んだ測距遅延時間が経過した後に、前記端末からの応答信号を送信するようにしてもよい。
【００４３】
また、応答信号を受信する端末側では、イメージ排除時間と、応答信号を送信する端末側において信号処理により生じる遅延時間を見込んだ測距遅延時間が経過した後に、前記端末からの応答信号を受信するための受信ゲートを開くようにすればよい。これによって、自身が発信した測距信号を物理的な電波反射として受信するのを防止することができる。そして、受信ゲートは測距範囲の往復の電波遅延時間が経過するまで開かれる。
【００４４】
測距信号を送信する端末は、単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される測距信号を送信するようにしてもよい。
【００４５】
また、応答信号を送信する端末側では、単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される応答信号を送信するようにしてもよい。
【００４６】
応答信号を送信する端末側の受信ゲートの操作期間は、データ・フレーム内に指示されているので、パルス到着のタイミングを精度よく予期することが可能であり、高い処理利得を実現し測距信号とノイズの分別精度を向上することができる。しかし、応答信号を受信する端末側における受信ゲートの操作時期は、応答信号を送信する端末の測距対象範囲に対応する期間が必要となる。この期間は、端末からの応答信号幅に比べ大きくなるため、高い処理利得を得るには工夫が必要である。
【００４７】
そこで、応答信号を送信する端末側では、ＰＮ系列からなる複数のパルス信号によって構成される応答信号を送信するようにしてもよい。この場合、応答信号を受信する端末側では、端末と同一のＰＮ系列を測距信号の発信時間にあわせ、端末からのＰＮ系列との相関処理によって測定を行なうことができる。
【００４８】
また、本発明の第４の側面は、所定の伝送フレーム周期で情報伝送を行なう端末として動作するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
無線ネットワーク内の特定の端末に対して測距信号を送信する測距信号送信ステップと、
前記測距信号を送出してから所定期間が経過した後に前記端末からの応答信号を受信処理する応答信号受信ステップと、
前記測距信号を送出してから前記端末からの応答信号を受信するまでの経過時間から求まる伝搬時間を基に前記端末までの距離を測定する距離測定ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００４９】
また、本発明の第５の側面は、無線ネットワーク内で無線通信を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
無線ネットワーク内の基地局から測距信号を受信する測距信号受信ステップと、
前記測距信号を受信してから所定期間が経過した後に応答信号を送信処理する応答信号送信ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００５０】
本発明の第４及び第５の各側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第４及び第５の各側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第２及び第３の各側面に係る無線通信装置又は無線通信方法と同様の作用効果を得ることができる。
【００５１】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５３】
図５には、本実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるデータ・フレームのフォーマットを模式的に示している。同図に示すように、無線区間におけるフレームを「データ期間」と「測距期間」で構成して、この両者を併せた期間を擬似フレーム期間とする。
【００５４】
データ期間に存在するデータ・フレームは、図２に示したフレームや図４に示したスロットに相当し、端末と基地局間でデジタル情報が交信される。但し、本明細書中では、説明の便宜上、基地局と端末という階層構造を持つネットワーク・トポロジーを例に挙げているが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、特定の基地局若しくは制御局を配置せずに動作する無線アドホック・ネットワークに対しても、本発明を好適に適用することができる。
【００５５】
測距期間に存在する測距信号は、基地局（測距信号送信端末）から発信される単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される。１つのパルス幅については、既存のレーダ技術でおこなわれているように、測定する距離精度の要求に応じて短く又は長くすることができる。例えば、現在、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ）無線技術を用いることで１ナノ秒以下のパルス幅を実現することが可能である（ＵＷＢは、超極細パルスを用いることにより高い時間分解能を持ち、この性質を使ってレーダやポジショニングを行なう「測距」をすることが可能である）。
【００５６】
また、測距信号を受けた端末は、これに反応して、測距期間に存在する応答信号を発信する。この応答信号は、基地局からの測距信号に対応して単一パルス信号又は複数のパルス信号によって構成される。
【００５７】
基地局において測距信号を発信してから応答信号を受信するまでの時間のことを、本明細書中では「擬似距離時間」という。この時間には、基地局と端末間の伝搬速度におけるパルスの往復伝搬時間以外に、意図しない物体からの反射をマスクするために必要な「イメージ排除時間」や、端末におけるパルス処理回路で生じる遅延時間が含まれている。基地局と端末間の距離はこの擬似距離時間から決定される。
【００５８】
図６には、本実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるデータ・フレームの構成を模式的に示している。このデータ・フレームは、以下で説明する幾つかのフィールドで構成される。
【００５９】
端末アドレスは、このフレームの宛先となる端末のアドレス情報である。擬似フレーム期間は、データ・フレームの先頭から擬似フレーム終了までの時間情報である。測距フラグは、このフレームに続いて距離測定が行なわれることを示す情報である。測距遅延は、データ・フレームの先頭から測距信号の発信が開始されるまでの時間情報である。ペイロードには端末が必要とするサービスなどの適当な情報が格納される。
【００６０】
ここで、測距遅延のフィールド値を測距フラグの代用とするようなフレーム構成も勿論可能である。例えば、フィールド値がゼロの場合は測距フラグがオフ、値がゼロ以外の場合を測距フラグがオンで且つ測距遅延値の指定と同等とすることができる。さらに、上述したフィールド以外に、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａのフレーム内の存在するような他の情報フィールド（図２を参照のこと）が前後に存在してもよい。
【００６１】
図７には、基地局が端末までの距離を測定する場合に用いる各種の範囲を示している。ここでは１つの無線基地局と２つの無線端末、他に基地局からの測距信号電波を物理的に反射する可能性のある物体が２つ存在している。
【００６２】
基地局が発信した測距信号電波を物理的に反射し、その反射が基地局へ到達する可能性のある範囲をイメージ反射期間Ｎとして定義する。このＮの値は、基地局と反射物間の往復伝搬時間が用いられる。この値は、測距信号の送信電力や基地局周辺の物理的な電波反射状況に応じて決定する。
【００６３】
また、基地局が距離測定をおこなう範囲を測距ゲート期間Ｐとして定義する。このＮの値は、基地局から最大測距範囲までの往復伝搬時間と端末のパルス処理回路で生じる遅延時間から決定される。
【００６４】
そして、基地局から端末までの片道電波伝搬時間をＸとして定義する。このＸに光速を乗じた値が基地局と端末間の絶対距離として算出できる。
【００６５】
図８には、本実施形態において基地局と端末間の距離測定の全体的なシーケンスを図解している。
【００６６】
基地局と端末間の距離測定は、基地局が定期的に行なう場合、端末の基地局選択機構、端末のアプリケーションからの要求で開始することができる。その要求が到来した場合、基地局は測距フラグが立ったデータ・フレームを、測距対象とする端末アドレス宛てに送信する。そして、データ・フレーム送信の最初から測距遅延で示される時間の後に測距信号を発信する。
【００６７】
端末は、基地局からのデータ・フレームを受信し、宛先アドレスを判断することで、自分宛てのデータ・フレームであるかどうかを判断する。もし自分宛てのフレームでなければ、フレーム期間フィールドの値を参照することで、この擬似フレーム完了までの時間を判断することができる。一方、自分宛てのフレームであれば、測距遅延フィールドを参照して、受信したデータ・フレームの先頭から測距信号が到着する時間を判断する。
【００６８】
端末は、測距期間において、測距信号以外の信号を受信しないようにするために、無線受信回路において受信禁止機構を持ち、これをパルス受信ゲートという。端末は、このゲートが開いている間以外は信号を受信しない。この機構は、特にＵＷＢ無線技術を利用する場合において、目的信号と干渉信号との分別性能を向上するために重要な機構となる。この測距信号を受信するために必要なゲート幅Ｗは送信されるパルス信号幅により決定され、理想的な値としては送信パルス幅と等しい。しかし、受信回路の性能やマージンなどの影響により、一般にはそれより大きな値が設定される。そして、端末はデータ・フレームの最後を受信するとゲートを閉じ、データ・フレームの先頭を受信してから測距遅延−Ｗ／２の時間後に再度受信ゲートを開いて、ゲート幅Ｗ時間経過後にこのゲートを閉じる操作を行なう。
【００６９】
端末は、基地局から発信した測距信号を伝搬時間Ｘの後に受信する。そして、この測距信号を受信してからイメージ排除期間Ｎの値の時間だけ遅延の後に、応答信号を発信する。実際の遅延には、このＮ以外に回路通過に要した時間として、Ｄも加わることになる。この時間Ｄは、常にゼロ又は測距期間中は一定値であるように考慮されるが、測距制度の範囲内であれば変動することも許される。
【００７０】
基地局は、端末が発信した応答信号を伝搬時間Ｘの後に受信する。ここで基地局側にも受信ゲート機構が備わるが、このゲートが開く時間やその幅の決定方法は端末側とは相違する。
【００７１】
基地局は、測距信号を発信してから、図７に示した反射波到達範囲における往復の電波伝搬時間、つまりイメージ排除期間Ｎが経過するまでは受信ゲートを開かない。これによって、自身が発信した測距信号を物理的な電波反射として受信するのを防止することができる。そして、受信ゲートは図７における測距範囲の往復の電波遅延時間が経過するまで開かれる。
【００７２】
受信ゲートが開かれている間に応答信号が受信されると、基地局は測距信号を発信してからの経過時間を信号往復時間Ｔとして計測する。ここで、
【００７３】
【数１】
Ｔ＝Ｎ＋２Ｘ＋Ｄ
【００７４】
となる。よって、基地局から端末までの距離は、
【００７５】
【数２】
（Ｔ−Ｎ−Ｄ）／２×Ｃ　　　　Ｃ：光速
【００７６】
として求めることができる。
【００７７】
実際には、端末における処理遅延Ｄは信号の往復時間内に含まれるため、この値が決定できない場合は、Ｄ×Ｃ分だけ距離が長く計測されることになる。Ｄが絶対値として決定している場合は、ここで基地局と端末間の絶対距離が決定される。Ｄが未決定の場合は、擬似距離として決定される。
【００７８】
さらに他の基地局と距離測定を繰り返すことで、複数の基地局との擬似距離を求めることが可能である。この場合、擬似距離に含まれる処理遅延Ｄは、測距期間中においてＤの値が一定、若しくは要求される精度へ影響しない範囲での変動であれば、各基地局との相対的な距離順位を決定することができる。この結果を基に、端末又は基地局は相互の接続関係を更新する処理を行なったり、アプリケーションの処理を切り替えたりすることができる。図９には、この例を示している。図示の例では、擬似距離１より擬似距離２が短い場合、端末は基地局２と接続を行なう。
【００７９】
本発明の他の応用例として、各基地局の２次元座標が判明している場合、３つ以上の基地局からの擬似距離を測定することで端末の２次元位置を決定することができる。図１０において、３つの基地局１〜３の座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）とし、端末までの擬似距離をそれぞれｒ１、ｒ２、ｒ３とすると、
【００８０】
【数３】
（ｘ−ｘ１）２＋（ｙ−ｙ１）２＝（ｒ１−Ｄ×Ｃ）２
（ｘ−ｘ２）２＋（ｙ−ｙ２）２＝（ｒ２−Ｄ×Ｃ）２
（ｘ−ｘ３）２＋（ｙ−ｙ３）２＝（ｒ３−Ｄ×Ｃ）２
【００８１】
において、（ｘ，ｙ）について解いた結果が端末の座標となる。
【００８２】
同様に、４つ以上の３次元座標が判明している基地局からの相対距離を測定することで、端末の３次元座標を特定することが可能となるということは、当業者には容易に理解できるであろう。
【００８３】
図１１及び図１２には、本発明の第１の実施形態に係る無線基地局（測距信号送信端末）１００及び無線端末（測距信号受信端末）２００の構成を模式的に示している。但し、ここではＵＷＢ無線通信方式が採用されていることを前提とする（ＵＷＢは、超極細パルスを用いることにより高い時間分解能を持ち、この性質を使ってレーダやポジショニングを行なう「測距」をすることが可能である）。
【００８４】
図１１に示す無線基地局１００の構成において、フレーム生成部１０８、符号変調部１０２、符号復調部１０９、フレーム再構成部１１０の各機能モジュールはデータ・フレームを扱う。また、基準時間発生部１１１は、各種の制御タイミングを決定するための基準信号を発生する。
【００８５】
無線基地局１００における測距動作は次のような手順に従って行なわれる。
【００８６】
（１）基地局１００内の制御部１０１は、計測する端末のアドレス、擬似フレーム期間、測距遅延を決定し、測距フラグが立ったデータ・フレームをフレーム生成部１０８で生成し、符号変調部１０２へ送る。また、受信ゲート切替部１０５は、パルス受信部１０６のゲートを閉じる。
【００８７】
（２）符号変調部１０２は、パルス位相、パルス位置、パルス数、ＰＮコード変調などのＵＷＢ技術で実現可能な方式によりベースバンド信号を変調して、パルス発信部１０３へ送る。
【００８８】
（３）パルス発信部１０３は、符号変調部１０２からの要求毎にインパルスを発生し、アンテナ１１４を通して空間へ放射する。
【００８９】
（４）測距信号発生部１０４は、符号変調部１０２で生成したデータ・フレームの先頭から、制御部１０１により決定された測距時間経過後にパルス発信部１０３でインパルスを発生するように指示し、アンテナ１１４を通して空間へ放射する。また同時に、位相差測定部１０７へも信号を送る。
【００９０】
（５）受信ゲート切替部１０５は、測距信号の発生からイメージ排除期間Ｎの経過後に受信ゲートを開き、端末が発信した応答信号の受信に備える。
【００９１】
（６）パルス受信部１０６は、受信ゲートが開いているときにのみパルスの受信を行なう。そして、端末からの応答信号をパルス信号として受信し、それを位相差測定部１０７へ送る。
【００９２】
（７）位相差測定部１０７は、測距信号発生部１０４からの信号とパルス受信部１０６からの信号との位相差を測定する。この位相差を時間で表したものが図８に示した信号往復時間Ｔとなる。
【００９３】
また、図１２に示す無線端末２００の構成において、フレーム生成部２０８、符号変調部２０２、符号復調部２０９、フレーム再構成部２１０の各機能モジュールはデータ・フレームを扱う。また、基準時間発生部２１１は、各種の制御タイミングを決定するための基準信号を発生する。
【００９４】
無線端末２００における測距動作は次のような手順に従って行なわれる。
【００９５】
（１）端末２００は、受信に先立ち、受信ゲート切替部２１３は、パルス受信部２０６のゲートを開く。そして、データ・フレームを受信して、フレーム識別部１６はそれが自分宛てのフレームであり且つ測距フラグが立っているかどうかを判断する。
【００９６】
（２）受信ゲート切替部２１３は、データ・フレームの終了とともに、受信ゲートを閉じる。そして、データ・フレームの先頭の到着時刻からデータ・フレーム内で指示される開始遅延値−受信ゲート幅／２の時間後にパルス受信部２０６のゲートを開く。これにより、基地局からのパルスを受信する準備が整う。また同時に、切替部２１５を制御して、パルス受信部２０６からの信号が信号遅延部２１４へ向かうようにする。ここで、受信ゲート幅Ｗは、送信されるパルス幅や、基地局における開始遅延値と実際のパルスの発信までの誤差時間や、端末２００におけるデータ・フレームの終了検出の誤差時間により決定される。
【００９７】
（３）パルス受信部２０６は、測距信号をパルスとして受信し、その信号を信号遅延部２１４へ送る。
【００９８】
（４）信号遅延部２１４は、信号を受信すると、反射波到達時間Ｎの時間だけ信号を遅らせた後、パルス発信部２０３へ送る。
【００９９】
（５）パルス発信部２０３は、信号遅延部２１４からの信号によりインパルスを発生させ、応答信号としてアンテナを通して空間へ放射する。
【０１００】
無線端末２００側の受信ゲートの操作時期はデータ・フレーム内に指示されているため（図６を参照のこと）、パルス到着のタイミングを精度よく予期することが可能であり、高い処理利得を実現し測距信号とノイズの分別精度を向上することができる。
【０１０１】
しかし、無線基地局１００側における受信ゲートの操作時期は端末２００の測距対象範囲に対応する期間が必要となる。この期間は、端末２００からの応答信号幅に比べ大きくなるため、高い処理利得を得るには工夫が必要である。
【０１０２】
そこで、図１３及び図１４に示した本発明の第２の実施形態に係る無線基地局（測距信号送信端末）１００−２及び無線端末（測距信号受信端末）２００−２によれば、端末２００−２は基地局１００−２からのインパルスに対応してＰＮ系列からなる複数のパルスを基地局１００−２へ送り返す。基地局１００−２は、端末２００−２と同じＰＮ系列を測距信号の発信時刻に合わせ、端末２００−２からのＰＮ系列との相関処理によって測定を行なう。
【０１０３】
図１４に示すように、端末側２００−２では、信号遅延部２１４の後段にＰＮ符号発生部２１９が付加されている。このＰＮ符号には、Ｍ系列などの自己相関が低い符号系列を利用する。
【０１０４】
ＰＮ符号発生部２１９は、信号遅延部２１４からの信号到着と同時にＰＮ符号を１周期だけ発生して符合変調部２０２へ送る。ここで、受信側の相関処理ために、数周期のＰＮ系列を発生させることも可能である。その場合、周期値をＰＮ符号で変調し、受信側の相関処理において相関一致時の周期も取り出し、遅延時間を決定する。
【０１０５】
また、図１３に示すように、基地局１００−２では、端末２００−２側と同じＰＮ符号発生部が装備されている。
【０１０６】
測距信号発生部１０４は、端末２００−２への測距信号の発生をＰＮ符号発生部１１５へ伝え、ＰＮ符号の生成を開始する。
【０１０７】
相関処理部１１６では、ＰＮ符号発生部１１５からの信号と符号復調部１０９からの信号との相関値を検出し、最大相関位置から信号往復時間Ｔを決定することができる。
【０１０８】
［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１０９】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、無線ネットワーク上での無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【０１１０】
また、本発明によれば、セル範囲よりも細かい粒度で無線端末の地理的な位置を好適に測定又は特定することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【０１１１】
また、本発明によれば、容易な回路構成によりデータ通信と正確な距離測定を実行することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法，並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【０１１２】
本発明に係る無線通信システムによれば、セル内に存在する端末の正確な距離測定を実現する結果として、各端末に対してその位置に応じたさまざまなサービスを提供することができる。
【０１１３】
例えば、端末と基地局間の距離が正確に判るため、その距離に応じてデータ通信時の送信電力を制御することにより、端末や基地局の省電力化を実現することができる。
【０１１４】
また、端末の移動速度や方向を判断することにより、端末側では次に接続する可能性のある基地局を事前に知ることができ、ハンドオーバーなどの処理を容易にすることができる。
【０１１５】
また、同じ基地局に接続される端末であっても、その位置によって接続を禁止するような仕組みを実現することができる。
【０１１６】
また、既存の無線通信装置にパルス処理部又はこれと等価な機能を追加することにより、既存の無線ＬＡＮシステムにおいても本発明に係る測距技術を実現することができ、既存のシステムとの親和性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩＥＥＥ８０２．１１ａ方式で用いられている無線区間におけるＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｓｅｎｓｅ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）を用いた多重アクセス方法を説明するための図である。
【図２】ＩＥＥＥ８０２．１１ａにおけるデータ・フレームのフォーマットを示した図である。
【図３】ＡＣＫフレームのフォーマットを示した図である。
【図４】ＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ／Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｄｕｐｌｅｘ）を用いた多重アクセス方法を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるデータ・フレームのフォーマットを模式的に示した図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるデータ・フレームの構成を模式的に示した図である。
【図７】基地局（測距信号送信端末）が他の端末までの距離を測定する場合に用いる各種の範囲を示した図である。
【図８】基地局（測距信号送信端末）と他の端末との間の距離測定の全体的なシーケンスである。
【図９】複数の基地局との相対的な距離順位に基づいて相互の接続関係を交信したりアプリケーションの処理の切り替えを行なう様子を示した図である。
【図１０】各基地局の２次元座標が判明している場合に３つ以上の基地局からの擬似距離を測定することで端末の２次元位置を決定する様子を示した図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る無線基地局（測距信号送信端末）１００の構成を模式的に示した図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る無線端末（測距信号受信端末）２００の構成を模式的に示した図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る無線基地局（測距信号送信端末）１００−２の構成を模式的に示した図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る無線端末（測距信号受信端末）２００−２の構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１００，１００−２…基地局
１０１…制御部，１０２…符号変調部
１０３…パルス発信部，１０４…測距信号発生部
１０５…受信ゲート切替部，１０６…パルス受信部
１０７…位相差測定部，１０８…フレーム生成部
１０９…符号復調部，１１０…フレーム再構成部
１１１…基準時間発生部，１１２…インターフェース部
１１３…送受切替部，１１４…送受信アンテナ部
１１５…ＰＮ符号発生部，１１６…相関処理部
２００，２００−２…端末
２０１…制御部，２０２…符号変調部
２０３…パルス発信部，２０６…パルス受信部
２０８…フレーム生成部，２０９…符号変調部
２１０…フレーム再構成部，２１１…基準時間発生部
２１２…インターフェース部，２１３…受信ゲート切替部
２１４…信号遅延部，２１５…切替部
２１６…フレーム識別部，２１７…送受切替部
２１８…送受信アンテナ部，２１９…ＰＮ符号発生部
【図１】
2004085545.tif 000003
【図２】
2004085545.tif 000004
【図３】
2004085545.tif 000005
【図４】
2004085545.tif 000006
【図５】
2004085545.tif 000007
【図６】
2004085545.tif 000008
【図７】
2004085545.tif 000009
【図８】
2004085545.tif 000010
【図９】
2004085545.tif 000011
【図１０】
2004085545.tif 000012
【図１１】
2004085545.tif 000013
【図１２】
2004085545.tif 000014
【図１３】
2004085545.tif 000015
【図１４】
2004085545.tif 000016