(57)【要約】  ネットワークアーキテクチャ内の無線ノードの位置を特定するためのシステムおよび方法が本明細書で開示される。一例では、非同期システムは、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第１の無線ノードを含む。システムはまた、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第２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、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。【選択図】図８Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む前記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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードと、
第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で前記第１の無線ノードと双方向通信を可能にするための送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第２の無線ノードとを備え、前記第１の無線ノードの前記１つ以上の処理ユニットは、前記第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、前記第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される非同期システム。
【請求項２】
前記第１の無線ノードは第１の基準クロック信号を有し、前記第２の無線ノードは第２の基準クロック信号を有する、請求項１に記載の非同期システム。
【請求項３】
前記第１および第２のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記第１の無線ノードが前記第１のパケットを送信する第１の時刻、前記第２の無線ノードが前記第１のパケットを受信する第２の時刻、前記第２の無線ノードが前記第２のパケットを送信する第３の時刻、および前記第１の無線ノードが前記第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく、請求項２に記載の非同期システム。
【請求項４】
前記粗い飛行時間推定値は、送信または受信のタイミングを検出する回路を制御するためのｆｓの周波数を有するサンプリングクロックの時間分解能によって制限される分解能を有する、請求項３に記載の非同期システム。
【請求項５】
前記第１の無線ノードのチャネル情報は、前記第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、前記第２の無線デバイスのチャネル情報は、前記第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む、請求項３に記載の非同期システム。
【請求項６】
粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた順方向チャネル応答は、線形位相の加算としてクロック位相オフセットを第２の測定値へ適用することを含む、請求項５に記載の非同期システム。
【請求項７】
粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた逆方向チャネル応答は、線形位相の減算としてクロック位相オフセットを第１の測定値に適用することを含む、請求項６に記載の非同期システム。
【請求項８】
マトリクスペンシルおよびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが、組み合わされた順方向チャネル応答および組み合わされた逆方向チャネル応答からの複数の経路の最小遅延を推定するために使用される、請求項７に記載の非同期システム。
【請求項９】
前記第１および第２の無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードレス三角測量に基づいて、前記第１および第２の無線ノードの相対または絶対位置を特定するために使用される、請求項８に記載の非同期システム。
【請求項１０】
前記第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置特定情報を特定するために使用される、請求項８に記載の非同期システム。
【請求項１１】
前記第１および第２の無線ノードのチャネル情報を使用して、前記第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを少なくとも部分的に特定するための命令を実行するように構成された１つ以上の処理ユニットを備えたリモートデバイスをさらに含む、請求項１に記載の非同期システム。
【請求項１２】
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同期システムであって、
１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む前記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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードと、
第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内で前記第１の無線ノードと双方向通信を可能にするための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第２の無線ノードとを備え、前記第１の無線ノードの前記１つ以上の処理ユニットは、前記第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、前記第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、精密な飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成され、前記第１および第２の無線ノードは同じ基準クロック信号を有する同期システム。
【請求項１３】
前記第１および第２のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記第１の無線ノードが前記第１のパケットを送信する第１の時刻、前記第２の無線ノードが前記第１のパケットを受信する第２の時刻、前記第２の無線ノードが前記第２のパケットを送信する第３の時刻、および前記第１の無線ノードが前記第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく、請求項１２に記載の同期システム。
【請求項１４】
前記粗い飛行時間推定値は、送信または受信のタイミングを検出する回路を制御するためのｆｓの周波数を有するサンプリングクロックの時間分解能によって制限される分解能を有する、請求項１３に記載の同期システム。
【請求項１５】
前記第１の無線ノードのチャネル情報は、前記第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、前記第２の無線デバイスのチャネル情報は、前記第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む、請求項１４に記載の同期システム。
【請求項１６】
粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされたチャネル応答が、前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定する前に、線形位相シフトの加算として粗い遅延を前記チャネル応答に適用することを含む、請求項１５に記載の同期システム。
【請求項１７】
マトリクスペンシルおよびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが、前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定するために使用される、請求項１６に記載の同期システム。
【請求項１８】
前記粗い遅延のない前記チャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項１６に記載の同期システム。
【請求項１９】
前記粗い遅延のある前記組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項１６に記載の同期システム。
【請求項２０】
装置であって、
命令を保存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で複数のセンサノードを制御し、前記複数のセンサノードの位置を特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、
送信機と受信機を備えた無線デバイスをそれぞれ有する前記複数のセンサノードと通信を送受信する無線周波数（ＲＦ）回路であって、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記装置の前記ＲＦ回路との双方向通信を可能にするＲＦ回路とを含み、前記装置の前記１つ以上の処理ユニットは、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号をセンサノードに送信し、前記センサノードから第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を受信し、前記第１および第２の無線ノードのチャネル情報を使用して、前記第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される装置。
【請求項２１】
前記装置は第１の基準クロック信号を有し、前記センサノードは第２の基準クロック信号を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１および第２のパケットの前記粗い飛行時間推定値は、前記装置が前記第１のパケットを送信する第１の時刻、前記センサノードが前記第１のパケットを受信する第２の時刻、前記センサノードが前記第２のパケットを送信する第３の時刻、および前記装置が前記第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく、請求項２１に記載の装置
【請求項２３】
前記装置のチャネル情報は、前記第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、前記センサノードのチャネル情報は、前記第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
組み合わされたチャネル応答は、前記第１測定値と前記第２測定値を乗算して前記第１の基準クロック信号と前記第２の基準クロック信号との間の位相差を相殺することを含み、前記組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
分割されたチャネル応答は、前記第１の測定値を前記第２の測定値で除算して前記第１の基準クロック信号と前記第２の基準クロック信号との間の位相差を推定することを含み、前記分割されたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
第１のループバック較正信号を生成し、この第１ループバック較正信号を第１のノードの送信チェーンと受信チェーンに通すことにより、第１のノードの送信チェーンと受信チェーンを有するＲＦ回路の少なくとも１つのコンポーネントの較正を、処理ロジックを使用して開始することと、
前記第１のループバック較正信号を前記送信チェーンに通すための第１の送信時間遅延、および前記第１のループバック較正信号を前記第１のノードの前記受信チェーンに通すための第１の受信時間遅延を測定することとを含む方法。
【請求項２７】
第２のループバック較正信号を第２のノードの送信チェーンに通すための第２の送信時間遅延、および前記第２のループバック較正信号を前記第２のノードの受信チェーンに通すための第２の受信時間遅延を測定することと、
前記第１の送信時間遅延および前記第１の受信時間遅延に基づいて、前記第１のループバック較正信号の第１の時間遅延を計算することと、
前記第２の送信時間遅延および前記第２の受信時間遅延に基づいて、前記第２のループバック較正信号の第２の時間遅延を計算することとをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１のループバック較正信号の前記第１の時間遅延および前記第２のループバック較正信号の前記第２の時間遅延に基づいて、前記第１のノードと前記第２のノードとの間で通信を送信するための測定された往復時間を補正することと、
前記第１および第２のノードの前記送信チェーンおよび前記受信チェーンの周波数応答を較正することとをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記較正は、センサノードの無線ネットワークの通常の動作中に定期的に行われ、経時的にハードウェア遅延および非理想性の変化および温度を自動的に較正および修正可能にする、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１７年９月６日に出願された米国特許出願第１５／６９７，２８４号の優先権を主張し、２０１６年６月３日に出願された米国特許出願第１５／１７３，５３１号の一部継続出願であり、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、複数の通信経路が存在する場合の正確な無線周波数位置特定用の粗い飛行時間推定と細かい飛行時間推定のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
家庭用電化製品およびコンピュータ業界では、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、１つ以上のセンサが無線と組み合わせて実装され、ネットワーク内に配備された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。各センサノードは１つ以上のセンサを含むことができ、センサノードの動作に電力を供給するための無線機と電源を含む。屋内無線ネットワーク内のノードの位置検出は、多くのアプリケーションで有用かつ重要である。
【０００４】
無線周波数測定を使用して実行される三角測量に基づく位置特定は、３次元空間内の無線装備オブジェクトの位置を特定するための魅力的な方法である。ＲＦベースの位置特定は、様々な方法で実行され得る。複数のオブジェクトペア間の距離は、個々のペアの距離に基づいて、三角測量法を介して３次元空間内の相対位置を計算できるように特定する必要がある。例示的な実装には、ハブと複数のセンサノードが含まれる。なお、ハブがノードに置き換えられる可能性があり、実際、１つ以上のノードがハブに置き換えられる場合がある。距離は、ＲＦ通信を介したすべての個々のペア間の無線周波数技術を使用して推定される。距離が推定されると、三角測量を使用して、各オブジェクトの３次元空間内での相対位置を特定できる。少なくとも２つのオブジェクトの位置が実空間で既知の場合、ネットワーク内の各オブジェクトの絶対位置を特定できる。実際、ネットワーク内で１つのオブジェクト（ハブなど）の位置が、少なくとも１つの他のノードへの角度経路と共に既知の場合は、ネットワーク内の各オブジェクトの絶対位置を再度特定できる。
【０００５】
したがって、オブジェクトペア間の距離測定は、ＲＦベースの位置特定における重要なステップである。距離の推定は、様々な方法で実行できる。通信の信号強度（ＲＳＳＩ：Ｓｉｇｎａｌ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｏｆ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）をペア間で測定し、信号減衰の既知のモデルに基づいて距離を推定するために使用できる。飛行時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）は、オブジェクト間で送信される信号について測定でき、距離は既知の伝搬遅延モデルに基づいて推定できる。さらに、信号強度の角度変動の分解能に基づいて、到来角（ＡＯＡ：Ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ａｒｒｉｖａｌ）を推定できる。これらのうち、ＲＳＳＩは減衰の変動により誤差を起こしやすいことが多く、そのため、距離推定ではＴＯＦほど魅力的ではない。
【０００６】
ＴＯＦベースの距離推定は、反射により２つのオブジェクト間に複数の経路が存在するため、誤差の影響が受けやすくなる。この状況では、反射経路が直接経路よりも長いため、推定経路が実際の経路よりも長いと検出される場合がある。システムが反射経路に基づいてＴＯＦを推定すると、三角測量に誤差が導入される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態について、ネットワークアーキテクチャ内における無線センサノードの位置を特定するためのシステムおよび方法が本明細書で開示される。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非同期システムは、１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードを含む。システムはまた、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第２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、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。
【０００８】
別の一例では、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同期システムは、１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードを含む。無線ネットワークアーキテクチャ内で第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを有する第２の無線ノードは、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特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、第１および第２の無線ノードは、同じ基準クロック信号を有する。本発明の実施形態の他の構成および利点は、添付の図面および以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００９】
本発明の実施形態は、添付図面の図に限定ではなく例として示されており、同様の参照番号は同様の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】一実施形態に係る、通信用の複数のハブを有する非対称ツリーおよびメッシュネットワークアーキテクチャを備えたシステムを示す。
【図３】一実施形態に係る飛行時間測定システムを示す。
【図４】一実施形態に係る飛行時間測定システムのブロック図を示す。
【図５】一実施形態に係る距離推定に使用される完全同期システムを示す。
【図６】一実施形態に係る、記録されたＲＦ信号のパケットが、デバイス５１０から送信された信号の時間シフトされたバージョンである方法を示す。
【図７Ａ】一実施形態に係る理想的なチャネルの位相応答を示す。
【図７Ｂ】一実施形態に係る非理想的なチャネルの位相応答を示す。
【図８Ａ】一実施形態に係る、プロット８３０の例示的な経路に関連する遅延の関数として測定された信号振幅を示す。
【図８Ｂ】一実施形態に係る、プロット８６０における振幅対ＴｏＦ遅延の正規化を示す。
【図８Ｃ】別の一実施形態に係る飛行時間の推定に使用される非同期システムを示す。
【図９Ａ】一実施形態に係る自動利得制御を有する較正システムを示す。
【図９Ｂ】一実施形態に係る、ループバック較正を使用してハードウェア遅延および非理想性を除去するための方法を示す。
【図１０】一実施形態における、双方向ＴｏＦ測定システム１０００を示す。
【図１１】代替の一実施形態に係る非同期システム１１００を示す。
【図１２】一実施形態に係る、飛行時間技術を使用してノードの位置推定を特定するための方法を示す。
【図１３Ａ】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。
【図１３Ｂ】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るハブのブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。
【図１４Ａ】一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、また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一実施形態を示す。
【図１４Ｂ】一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、また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９６４のブロック図の例示的な一実施形態を示す。
【図１４Ｃ】一実施形態に係る、機器（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、他のスマート機器など）内に実装されたハブの例示的な一実施形態を示す。
【図１４Ｄ】一実施形態に係る、機器（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、他のスマート機器など）内に実装されたハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的な実施形態を示す。
【図１５】一実施形態に係るセンサノードのブロック図を示す。
【図１６】一実施形態に係る、ハブを有するシステムまたは機器１８００のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書では、複数の通信経路が存在する場合の正確な無線周波数位置特定のためのシステムおよび方法を開示する。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、１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードを含む。システムはまた、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第２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、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。
【００１２】
無線センサネットワークの様々なアプリケーションでは、ネットワーク内のセンサノードの位置を特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、運動センサ、温度センサ、およ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得る。そして、この情報を使用して、温度のマップ、運動経路、マルチビュー画像キャプチャなどの拡張情報を生成できる。したがって、特に屋内環境において、無線ネットワーク内のノードの正確で、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位置特定システムおよび方法が望まれる。この目的のために、屋内環境には、同様の問題（例えば、近くの壁の存在など）が存在する可能性のある建物やその他の構造物の周辺地域など、屋内に近い環境も含まれると想定される。
【００１３】
無線センサネットワークは、家、アパート、オフィス、商業ビルを含む屋内環境、および駐車場、歩道、庭園などの近くの外部の位置で使用するために説明されている。無線センサネットワークはまた、電源を備えたあらゆるタイプの建物、構造物、エンクロージャ、乗り物、ボートなどでも使用できる。センサシステムは、長い通信距離を維持しながら、センサノードの良好な電池寿命を提供する。
【００１４】
本発明の実施形態は、屋内環境内における位置特定検出のためのシステム、装置、および方法を提供する。参照により本明細書に組み込まれる、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技術を開示する。具体的には、システム、装置、および方法は、位置特定が必要な場合の経路長推定のための周期的なメッシュベースの構成との通信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内で位置特定を実行する。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、位置特定に高周波を使用し、通信により低い周波数を使用することで、屋内通信の良好な質を提供する。
【００１５】
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、多くのアプリケーションにとって魅力的である。例示的なツリー状のネットワークアーキテクチャは、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、および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として本明細書に組み込まれる。
【００１６】
よく使用される別の種類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できる。一方、マルチホップ通信方式を有効にするには受信無線機を頻繁にオンにする必要があるため、受信無線機の電力要件が増加する可能性がある。
【００１７】
無線ネットワーク内のノード間の信号の飛行時間の使用に基づいて、信号伝搬の速度が比較的一定であるという事実を活用することにより、無線ネットワーク内のノードの個々のペア間の距離を推定することができる。本ネットワークアーキテクチャの実施形態は、経路長の複数のペアを測定し、三角測量を実行し、次いで三次元空間内の個々のノードの相対位置を推定することを可能にする。
【００１８】
図１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、ノードステータス情報、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その他の情報、飛行時間（ＴＯＦ）通信など）。飛行時間測定値の使用に基づいて、ノードの個々のペア間の経路の長さを推定できる。例えば、ノード１１０と１１１の間の個々の飛行時間の測定は、ノード１１０からノード１１１へ既知の時間に信号を送信することにより達成され得る。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、そして例えば、リターン信号の送信のタイムスタンプと共に、リターン信号を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つの送信および受信のタイムスタンプに基づいて、ノード１１０と１１１間の平均飛行時間を推定できる。このプロセスを複数回、複数の周波数で繰り返して、精度を改善し、特定の周波数での劣悪なチャネル品質による劣化を排除または低減できる。一連の経路長は、様々なノードペアに対してこのプロセスを繰り返すことで推定できる。例えば、図１では、経路長は、ＴＯＦ１５０〜１６０である。次に、幾何モデルを使用して、三角測量のようなプロセスに基づいて個々のノードの相対位置を推定できる。
【００１９】
この三角測量プロセスは、ノードとハブ間の経路長のみを測定できるため、ツリー状のネットワークでは実行できない。そのため、これによって、ツリーネットワークの位置特定機能が制限される。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の利点を維持するために、本発明の一実施形態では、通信のためのツリーネットワークは、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で位置特定が完了すると、ネットワークはツリー状の通信に戻り、ノードとハブ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せず、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替わり、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う。
【００２０】
図２は、一実施形態に係る、通信用の複数のハブを有する非対称ツリーおよびメッシュネットワークアーキテクチャを備えたシステムを示す。システム７００は、無線制御デバイス７１１を有する中央ハブ７１０、無線制御デバイス７２１を有するハブ７２０、無線制御デバイス７８３を有するハブ７８２、および無線制御デバイスｎを有するハブｎを含む追加のハブを含む。図示されていない追加のハブは、中央ハブ７１０、他のハブと通信することができるか、または追加の中央ハブとすることができる。各ハブは、他のハブおよび１つ以上のセンサノードと双方向に通信する。ハブはまた、デバイス７８０（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、スマート機器、スマートテレビなど）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ている。
【００２１】
センサノード７３０、７４０、７５０、７６０、７７０、７８８、７９２、ｎ、およびｎ＋１（または終端ノード）はそれぞれ、無線デバイス７３１、７４１、７５１、７６１、７７１、７８９、７９３、７５８、および７５３を含む。センサノードは、上位レベルのハブまたはノードとのアップストリーム通信のみがあり、別のハブまたはノードとのダウンストリーム通信がない場合、終端ノードである。各無線デバイスには、ハブまた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と受信機（またはトランシーバ）を備えたＲＦ回路が含まれる。
【００２２】
一実施形態では、中央ハブ７１０は、ハブ７２０、７８２、ハブｎ、デバイス７８０、およびノード７６０および７７０と通信する。これらの通信には、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、および７１２が含まれる。無線制御デバイス７１１を有する中央ハブは、ノードのグループおよ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および監視するために、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。
【００２３】
ハブ７２０は、中央ハブ７１０と通信し、センサノード７３０、７４０、および７５０とも通信する。これらのセンサノードとの通信には、通信７３２、７３４、７４２、７４４、７５２、および７５４が含まれる。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。
【００２４】
一実施形態では、中央ハブ（または他のハブ）は、ノード７６０および７７０をグループ７１６に、ノード７３０、７４０、および７５０をグループ７１５に、ノード７８８および７９２をグループ７１７に、ノードｎおよびｎ＋１をグループｎに割り当てる。別の一例では、グループ７１６および７１５は単一のグループに結合される。
【００２５】
図１〜図２に示すアーキテクチャを使用することで、長い電池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、ツリー階層の上位レベルのノードは、利用可能なエネルギー源を使用して実装されるか、その代わりに、より高い容量を提供する電池を使用するか、より短い電池寿命を提供することができる。電池で動作する終端ノードでの長い電池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）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。
【００２６】
一実施形態では、ノードは、ほとんどの時間（例えば、時間の９０％超、時間の９５％超、時間の約９８％または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、ノードはデータを最低レベルのハブに送信するように動作可能になる。このデータには、ノード識別情報、センサデータ、ノードステータス情報、同期情報、位置特定情報、および無線センサネットワークに関するその他のそのような情報が含まれる。
【００２７】
ＲＦに基づいて２つのオブジェクト間の距離を特定するには、測距測定を実行する（つまり、ＲＦ通信を使用してオブジェクトのペア間の距離を推定する）。これを実現するために、１つのデバイスから別のデバイスにＲＦ信号が送信される。図３は、一実施形態に係る飛行時間測定システムを示す。図３に示すように、送信デバイス３１０はＲＦ信号３１２を送信し、受信デバイス３２０はＲＦ信号３１２を受信する。ここで、例示的な無線ネットワークでは、デバイス３１０はハブまたはノードであってもよく、デバイス３２０もハブまたはノードであってもよい。
【００２８】
図４は、一実施形態に係る飛行時間測定システムのブロック図を示す。受信デバイス（例えば、デバイス３２０）は、送信デバイス（例えば、デバイス３１０）からの送信を受信し、ＲＦ信号４１２を処理して、粗分解能推定器４４０を使用して少なくとも１つの粗推定値４４２と、精密分解能推定器４５０を使用して無線による２つのデバイス間の伝搬遅延の少なくとも１つの精密推定値４５２を生成する。次いで、システム４００は、コンバイナ４６０を利用して、粗時間推定値４４２と精密時間推定値４５２とを組み合わせて、正確な飛行時間測定値４７０を生成する。図４に示すように、その後、この飛行時間測定値４７０に光速度を掛けて距離を計算できる。
【００２９】
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るため、測定を実行するデバイスのクロッキングが重要である。図５は、一実施形態に係る距離推定に使用される完全同期システムを示す。完全同期システム５００、すなわち、両方のデバイスが同じクロック基準を共有する場合、デバイス５１０はまず、時刻Ｔ１でデバイス５２０にＲＦ信号５１２（例えば、パケットを有するＲＦ信号）を送信する。パケットは、時刻Ｔ２でデバイス５２０に到達し、この時刻Ｔ２を登録するためにデバイス５２０のパケット検出アルゴリズムをトリガーする。同期システムであるため、飛行時間の粗い推定値はＴ２−Ｔ１として計算できる。ただし、この測定の分解能は、サンプリングクロックの時間分解能によって制限され、サンプリングクロックの周波数はｆｓ、時間分解能はＴｓである。時間分解能を図６に示す。ここで、サンプリングクロックは、システムの時間推定の最大精度を表し、例示的なシステムでは、送信または受信のタイミングを検出するために使用される回路を制御するために使用されるクロックの周波数によって設定され得る。例えば、サンプリングクロックが１００ＭＨｚの場合、この測定の分解能は１０ナノ秒（ｎｓ）になり、これは約１０フィートの精度に相当する。
【００３０】
この精度を改善するために、デバイス５２０でＲＦ信号５１２を記録および分析することができる。図６は、一実施形態に係る、記録されたＲＦ信号のパケットが、デバイス５１０から送信された信号の時間シフトされたバージョンである方法を示す。サンプルクロック時間間隔（Ｔｓ）で、Ｔ２でＲＦ信号５１２のパケット５１４が検出される。受信パケット５１４の真の始まりは、Ｔ２よりも早いサンプリングクロック周期の部分周期（例えば、ΔＴ）である。
【００３１】
複数の方法を使用して、この部分周期（例えば、ΔＴ）を推定できる。例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して時間領域信号を周波数領域に変換し、元の信号のスペクトルで除算して、チャネルの周波数応答を取得できる。直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）ベースのシステムでは、この情報はチャネル検知情報（ＣＳＩ）から取得することもできる。理想的な無線チャネルでは、周波数領域のチャネル応答は以下である。
【００３２】
Ｈ（ｆ）＝Ａｅｊ２πｆΔＴ
ここで、Ａはチャネルの損失、ΔＴはチャネルの遅延である。図７Ａは、一実施形態に係る理想的なチャネルの位相応答を示す。垂直軸上の位相２０２および水平軸上の周波数２０４のプロットは、理想的なチャネル２１０を、２π＊ΔＴに対応する傾きを有する直線として示している。
【００３３】
ΔＴとＴ２−Ｔ１を組み合わせると、次のように正確な距離推定を確立できる。
【００３４】
距離＝（Ｔ２−Ｔ１−勾配／（２π））ＸＣ
ここで、Ｃは光速である。
【００３５】
理想的でないチャネルの場合、環境からの複数の反射があり、全体的なチャネル応答は次のように注釈できる。
【００３６】
Ｈ（ｆ）＝ΣＡｋｅｊ２πｆΔＴｋ
ここで、Ａｋは各経路の振幅、ΔＴｋは各経路の遅延である。その結果、チャネル応答は位相が直線と異なる。図７Ｂは、一実施形態に係る非理想的なチャネルの位相応答を示す。垂直軸上の位相２５２と水平軸上の周波数２５４のプロットは、理想的でないチャネル２６０を示している。
【００３７】
マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣなどの高度なアルゴリズムを使用して、複数の経路の最小遅延（ΔＴｋ）を推定することができ、この抽出された最小遅延から距離を計算できる。
【００３８】
距離＝（Ｔ２−Ｔ１−Ｓ｛Ｈ（ｆ）｝）ＸＣ
ここで、Ｓ｛Ｈ（ｆ）｝は、チャネル応答測定からの最小遅延抽出の結果である。つまり、ｍｉｎ｛ΔＴｋ｝に等しくなければならない。
【００３９】
システムを粗推定と精密推定に分けることにより、高効率と高性能を同時に実現できる。粗時間推定器は、精度は低下するが、長距離をカバーできる。また、このような低い精度要件により、この推定器は干渉およびマルチパスの影響を受けにくくなる。これは、飛行時間測定の重要な誤差源である。粗時間推定を特定するために使用できる複数の方法がある。例えば、信号が送信された時間と信号が受信された時間を示すタイムスタンプから粗い時間を抽出できる。あるいはまた、複数の搬送周波数で受信した信号の位相の測定値は、中国の剰余定理を使用して展開して、粗遅延を推定できる。粗遅延を推定するために、特定の不均一搬送周波数のセットを使用した不均一離散フーリエ変換も使用できる。
【００４０】
一方、高分解能推定器は比較的短い範囲をカバーするだけでよいため、システムに必要なコンピューティングリソースが削減される。精密な推定は、１つの粗サンプル期間の最大遅延をカバーするためにのみ必要である。高度なアルゴリズムをこの推定器に適用して、干渉およびマルチパス環境でのパフォーマンスを改善することもできる。この精密な推定値はまた、複数の方法を使用して導出することもできる。例えば、受信信号と理想的なバージョンの信号との相互相関から導出できる。また、受信信号を使用したチャネル推定から導出することもできる。チャネル推定は、位相の勾配、逆ＦＦＴ、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣ、またはその他の方法を使用して、精密な遅延推定に変換できる。
【００４１】
線形代数では、マトリクスペンシルは複素変数λを有する行列値関数として定義される。
【００４２】
Ｌ（λ）＝ΣλｉＡｉ
測距測定のコンテキストでは、チャネル応答の形式は、
Ｈ（ｆ）＝Ｈ（ｎ＊ｆｓｕｂ）＝ΣＡｋｅｊ２πｆΔＴｋ＝ΣＡｋ（ｅｊ２πｆｓｕｂΔＴｋ）ｎ＝ΣＡｋ（λ）ｎ
の同様のフォーマットを有し、ここで、周波数領域の測定は、ｆｓｕｂ（サブキャリア周波数）で等間隔に配置された周波数で実行される。
【００４３】
したがって、マトリクスペンシル法を使用して、そのようなシステムの極（λ）を抽出して使用することができる。すべての可能な極（λｋ）が測定から抽出されると、各時間遅延は次のように計算できる。
【００４４】
ΔＴｋ＝ｌｏｇ（λｋ）／（ｊ２πｆｓｕｂ）
別の一実施形態では、多重信号分類（ＭＵＳＩＣ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｓｉｇｎａｌ  ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）アルゴリズムが使用され得る。ＭＵＳＩＣは、高調波信号の合計からなる信号モデリングに基づく。
【００４５】
Ｘ（ｎ）＝ΣＡｋｅｊ＊ｗｋ＊ｎ
マトリクスペンシルの場合と同様に、チャネル応答は次のように記述できる。
【００４６】
Ｈ（ｆ）＝Ｈ（ｎ＊ｆｓｕｂ）＝ΣＡｋｅｊ＊２πｆ＊ΔＴｋ＝ΣＡｋｅｊ＊２π＊ｆｓｕｂ＊ΔＴｋ＊ｎ
次に、アルゴリズムは測定結果Ｘ（ｎ）に基づいてＡｋとｗｋを抽出し、遅延要素は次のように計算できる。ΔＴｋ＝ｗｋ／（２πｆｓｕｂ））
本明細書で説明するシステムでは、ノイズ、数値誤差、およびその他のそのような制限により、誤った遅延が推定される可能性がある。実際の時間よりも長い遅延が推定される場合、最短の遅延のみが距離関連の遅延計算に使用されるため、時間遅延の結果には影響しない。一方、飛行時間よりも短い遅延が推定される場合、実際の飛行時間遅延と誤解される可能性がある。したがって、時間遅延の推定精度を向上させるために、偽のショートパスを排除することが重要である。したがって、一実施形態では、この誤差を修正するシステムが実装される。
【００４７】
無線環境では、自由空間経路損失（ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ−ｐａｔｈ−ｌｏｓｓ）で説明されるように、信号の振幅は距離と共に二次的に減少する。したがって、遅延推定アルゴリズムから推定されたより短い経路は、より高い振幅を有すると予想される。次に、この事前知識を使用して、誤った短い経路推定値を排除する。受信信号の振幅は、推定距離の２乗に推定振幅を乗算することで正規化できる。この正規化された振幅が特定の閾値よりも低い場合、この経路の推定はノイズまたはアルゴリズムの制限によるものであることを示すため、排除することができる。
【００４８】
実際には、実際の信号強度は、壁、窓、反射などを含む経路上で発生する追加の損失にも依存する。前述の閾値は、これらの要因による予想される損失に応じて設定され得るか、経験的データに応じて設定され得る。
【００４９】
一例では、経路推定アルゴリズムは５つの経路を生成することができる。これらの経路の１つはノイズのために生成されることができ、実際の見通し線内（ＬＯＳ）遅延が４０ｎｓの場合、ＴｏＦ遅延の推定値は２０ｎｓになる。これを図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ａは、一実施形態に係る、プロット８３０の５つの例示的な経路に関連する遅延の関数として測定された信号振幅を示す。プロット８３０は、横軸に５つの経路のＴｏＦ遅延（ｎｓ）８４２を示し、縦軸に測定された信号振幅（ｄＢ）８４０を示す。データ点８５１〜８５５は、５つの経路の異なるＴｏＦ遅延の測定された信号振幅を表す。データ点８５１は、４０ｎｓの実際のＬＯＳ遅延よりも短い２０ｎｓのＴｏＦ遅延を有することによる潜在的な誤った短い経路を表す。ＬＯＳ振幅は１である可能性があり、データ点８５１に関連付けられている誤った短い経路の振幅は０．１である可能性がある。振幅は距離の２乗で正規化できるため、ＬＯＳ振幅は１であり、誤った経路の正規化された振幅は０．０２５である。振幅対ＴｏＦ遅延のそのような正規化は、一実施形態に係る図８Ｂのプロット８６０に示されている。プロット８６０は、横軸に５つの経路のＴｏＦ遅延（ｎｓ）８６２を示し、縦軸に信号振幅（ｄＢ）８６４の正規化を示している。データ点８７１〜８７５は、５つの経路の異なるＴｏＦ遅延の測定振幅の正規化を表している。データ点８７１は、４０ｎｓの実際のＬＯＳ遅延よりも短い２０ｎｓのＴｏＦ遅延を有することによる潜在的な誤った短い経路を表す。データ点８７１に関連付けられている誤った経路の正規化された振幅は、ＬＯＳ振幅よりも３２ｄＢ低い。一例では、環境要因（経路損失を除く）からの最大３０ｄＢの損失が予想される場合、データ点８７１に関連付けられている２０ｎｓの経路を、誤った短い経路推定として除外できる。
【００５０】
閾値自体は、短距離と長距離で予想される環境損失量を説明するために、経路長の関数にすることもできる。他の実装では、閾値を設定する際に、物理ハードウェアのダイナミックレンジ（例えば、ハブ、センサノードのＲＦレシーバーの信号レベルのダイナミックオペレーションレンジなど）を組み込むこともできる。
【００５１】
別の一実施形態では、飛行時間推定のために非同期システムが使用される。２つのデバイスが非同期の場合、デバイス間のタイミングオフセットにより、遅延推定に大きな誤差が生じる可能性がある。前述のセットアップは、この問題を軽減するために双方向システムに拡張できる。図８Ｃは、別の一実施形態に係る飛行時間の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、これは、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と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注意されたい。Ｔ２および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われる。
【００５２】
２ｘＴｏＦ＝（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、同じ原則が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できる。デバイス８２０は、デバイス８１０からのパケットを使用してチャネル応答を測定し、デバイス８１０は、デバイス８２０からのパケットを使用し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は不確実性があり、ここではＴオフセット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、両側からのチャネル応答を乗算することで除去できる。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。
【００５３】
Ｈ８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ−ｊ２πｆＴオフセット
デバイス８１０からの測定値は、以下のようになる。
【００５４】
Ｈ８１０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ＋ｊ２πｆＴオフセット
したがって、結合されたチャネル応答は
Ｈ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）２＝（ΣＡｋｅ−ｊ２πｆΔＴｋ）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、２ｍｉｎ｛ΔＴｋ｝を生成するＨ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）からの遅延を推定することができ、距離測定は
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）｝／２］×Ｃで与えられる。
【００５５】
あるいはまた、Ｔオフセットは以下から推定され得る。
【００５６】
Ｈ８１０（ｆ）／Ｈ８２０（ｆ）＝ｅ＋２ｊ２πｆＴオフセット
Ｔオフセットは、分割されたチャネル応答の位相勾配の半分である。どちら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修正できる。距離推定値は、次のように計算できる。
【００５７】
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８１０（ｆ）｝−Ｔオフセット］×Ｃ
または
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８２０（ｆ）｝＋Ｔオフセット］×Ｃ
この方法には、乗算法よりも利点がある。Ｈ（ｆ）２チャネル応答には、各経路の振幅と距離の２倍の項と、２経路並べ替えごとのクロス項が含まれる。これは、Ａ８１０２ｅｊ２πｆ２ΔＴ１、Ａ８２０２ｅｊ２πｆ２ΔＴ２、およびＡ８１０Ａ８２０ｅｊ２πｆ（ΔＴ１＋ΔＴ２）の２経路の場合である。細かい推定方法は、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堅牢になる。
【００５８】
合計経路遅延を推定する前に、チャネル推定を粗遅延推定と組み合わせることもできる。粗遅延は、線形位相シフトとしてチャネル推定に追加できる。同期の場合は次の通りである。
【数１】
2020533569.tif 000003
【００５９】
非同期システムの場合、計算されたクロック位相オフセットはまた、順方向または逆方向のチャネル推定値に対する線形位相シフトの加算または減算としても適用される。
【数２】
2020533569.tif 000004
【００６０】
または
【数３】
2020533569.tif 000005
【００６１】
または
【数４】
2020533569.tif 000006
【００６２】
次に、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣ、またはその他の方法を、粗チャネル推定＋精密チャネル推定に適用できる。これにより、推定された経路はすべて、距離０を基準にした実際の距離とすることができる。これは、偽のショートパスの除去と見通し線経路の選択に役立つ。
【００６３】
ノードに同期クロックがある場合、複数のパケットまたは複数の無線伝送にわたって（粗遅延補正の有無にかかわらず）チャネル推定値を平均化できる。この平均化は、マトリクスペンシル、ＭＵＳＩＣ、またはその他の経路推定方法を使用する前に実行できる。複数のチャネル推定値がチャネルの変化（チャネルコヒーレンス時間）に対して迅速に測定される限り、チャネル推定値の平均化により信号対雑音比（ＳＮＲ）が向上する。ＳＮＲを高くすると、経路推定の精度が向上し、より弱い経路をノイズと区別できる。
【００６４】
非同期システムでは、上記の位相オフセット補正方法により、複数のチャネル推定値を平均化することもできる。乗算法を使用する場合、Ｈｔｏｔ（ｆ）２は、複数の伝送にわたって平均化できる。除算法を使用する場合、Ｈｔｏｔ（ｆ）は複数の伝送にわたって平均化できる。
【００６５】
前述の短い経路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でも使用できる。
【００６６】
上記の実施形態から明らかなように、タイミングの測定は、距離推定の確立にとって重要である。タイミングの誤差は、距離推定の精度を低下させる可能性がある。多くの場合、タイミング誤差は無線システム内に存在する。例えば、自動利得制御（ＡＧＣ）は、様々な信号強度の信号に対して堅牢な受信機動作を保証するために一般的に使用される。動作中、ＡＧＣステージには、ゲインに基づいて変化する遅延がある。そのため、これらの遅延の変動は、ＴＯＦ推定の不確実性を高める可能性がある。一実施形態では、この誤差は、較正によって最小化することができる。ＡＧＣステージゲインの関数としての遅延は事前に測定され、ベースライン遅延からこのような偏差を差し引くことにより、実際のＴＯＦ測定中のタイミングを修正するために使用される。図９Ａは、一実施形態に係る、自動利得制御を有するＲＦ回路を示す。本開示の実施形態で説明されるように、ＲＦ回路９００（例えば、１５５０、１６７０、１６９２、１７７０、１８７０など）は、任意の無線ノード（例えば、ハブ、センサノード）に含めることができる。ＲＦ回路９００は、ＲＦ信号を受信し、ＲＦ信号を所望の中間周波数にダウンコンバートするために同相直角位相（Ｉ／Ｑ）ダウンコンバージョンユニット９２０に送られる増幅信号を生成する低ノイズ増幅器を含む。可変利得増幅器９３０は中間周波数信号を増幅し、次にアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）が増幅された信号をベースバンド信号に変換する。ＡＧＣ９５０は、その入力９４２における振幅の変動にもかかわらず、その出力９５２において制御された信号振幅を提供する閉ループフィードバック調整回路である。上述のように、ＡＧＣステージゲイン（例えば、ＡＧＣ９５０）の関数としての遅延は、事前に測定され、ベースラインの事前測定された遅延からそのような偏差を差し引くことによって、実際のＴＯＦ測定中のタイミングを修正するために使用され得る。同様に、フィルタ遅延などの他の較正済みシステム構成も、事前に測定して差し引くことができる。
【００６７】
図９Ｂは、一実施形態に係る、ループバック較正を使用してハードウェア遅延および非理想性を除去するための方法を示す。この方法の動作は、無線デバイス、ハブ（例えば、装置）の無線制御デバイス、システム、または処理回路または処理ロジックを含むリモートデバイスまたはコンピュータによって実行され得る。処理ロジックには、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または専用マシンまたはデバイスで実行されるものなど）、または両方の組み合わせが含まれる。一実施形態では、アンカーノード、ハブ、無線デバイス、またはリモートデバイスまたはコンピュータがこの方法の動作を実行する。様々な計算に関連するアルゴリズムは、距離測定に関連する関連データが送信されるリモートコンピュータで実行され得る。リモートデバイスまたはコンピュータは、複数の無線ノードを有する無線ネットワークアーキテクチャとは異なる場所（例えば、クラウド内の異なるネットワーク）にあり得る。リモートデバイスまたはコンピュータは、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特定のノードとは異なる、無線ネットワークアーキテクチャ内の場所にあり得る。
【００６８】
無線ネットワークアーキテクチャのコンポーネントの製造プロセス中、または無線ネットワークアーキテクチャの初期化時に、動作９８０において、処理ロジックは、遅延のある無線デバイスまたはセンサノードのＲＦ回路（例えば、送信チェーン、受信チェーンなど）の少なくとも１つのコンポーネントを較正する。少なくとも１つのコンポーネントの較正は、動作９８１で、第１のループバック較正信号を生成し、この信号を第１のノード（例えば、無線デバイスまたはセンサノード）のＲＦ送信チェーンに通すことを含み得る。この第１のループバック較正信号は、必ずしも無線で送信されるとは限らない。送信チェーンは、無線デバイスまたはセンサノードの受信チェーンに明示的に、またはオンチップリークを介して接続される。この接続は、ＲＦチェーンの任意の点で実行され得る。一例では、ＲＦ送信および受信チェーンは、同時にアクティブになるように設定される。ＲＦ受信チェーンをループバックする前に第１のループバック較正信号が通過するＲＦ送信チェーンのブロックは、後で測定するために特性化および較正できる。動作９８２で、処理ロジックは、第１のループバック較正信号を送信チェーンに通すための第１の送信時間遅延Ｔｔｘ１と、第１のループバック較正信号を第１のノード（例えば、無線デバイス、センサノード）の受信チェーンに通すための第１の受信時間遅延Ｔｒｘ１とを測定する。動作９８４で、処理ロジックは、第２のループバック較正信号を生成し、第２の信号を第２のノードの送信チェーンおよび受信チェーンに通し、第２のループバック較正信号を第２のノードの送信チェーンに通すための第２の送信時間遅延Ｔｔｘ２と、第２のループバック較正信号を第２のノード（例えば、無線デバイス、センサノード）の受信チェーンを通すための第２の受信時間遅延Ｔｒｘ２とを測定する。
【００６９】
動作９８６で、処理ロジックは、第１の送信時間遅延および第１の受信時間遅延に基づいて、第１のループバック較正信号の時間遅延を計算でき（例えば、第１のノードの場合、Ｔｌｂ１＝Ｔｔｘ１＋Ｔｒｘ１）、および第２の較正信号の時間遅延は、第２の送信時間遅延および第２の受信時間遅延に基づいて計算される（例えば、第２のノードの場合、Ｔｌｂ２＝Ｔｔｘ２＋Ｔｒｘ２）。次に、動作９８８で、第１のノードと第２のノードとの間で送信される通信の測定されたＲＴＴを、Ｔｌｂ１およびＴｌｂ２に基づいて修正することができる（例えば、ＲＴＴｏｔａ＝ＲＴＴｍｅａｓ−Ｔｌｂ１−Ｔｌｂ２）。
【００７０】
動作９９０で、処理ロジックは、第１および第２のノードに対するハードウェア（例えば、送信チェーン、受信チェーン）の周波数応答を較正する。一例では、ループバック較正は、第１のノードに対してＨｌｂ１＝Ｈｔｘ１＊Ｈｒｘ１および第２のノードに対してＨｌｂ２＝Ｈｔｘ２＊Ｈｒｘ２を提供することができる。ループバック較正はさらに、Ｈｏｔａ２（ｆ）＝Ｈｍｅａｓ２（ｆ）／（Ｈｌｂ１＊Ｈｌｂ２）を提供する。単方向の場合、受信側のみ、送信側のみ、またはこの２つのある組み合わせ（平均など）からのループバック較正を使用できる。例えば、Ｈｏｔａ（ｆ）＝Ｈｍｅａｓ（ｆ）／Ｈｌｂ２である。
【００７１】
ループバックは、製造または工場テストの一部として実行でき、結果はメモリに保存されます。あるいはまた、通常の動作中に定期的にループバックを実行することもできる。通常の動作中に定期的に実行することにより、ハードウェアの遅延の変化や、時間や温度などにわたる非理想性の変化を自動的に較正および修正できる。製造または工場のテスト方法では、温度にわたる変動を特徴付ける必要がある。オンチップまたはオンボードの温度センサを使用して、特性化された温度プロファイルに応じて較正補正を調整できる。
【００７２】
一実施形態では、ベースバンドハードウェアは全二重動作を可能にする。この場合、信号は送信され、その後、送信チェーンと受信チェーンを通過した直後に受信される。ＣＳＩ、送信、および受信のタイムスタンプを組み合わせて、ハードウェアの較正プロファイルを生成する。遅延を直接抽出して削除することができるか、またはハードウェア自体の周波数応答を後続の測定から削除することができる。
【００７３】
別の一実施形態では、ベースバンドは全二重ではない。この場合、送信パケットはベースバンドから独立して生成できる。パケットの生データをメモリに保存し、デジタルアナログコンバーター（ＤＡＣ）に直接読み出すことができる。それは、以前と同様に、送信（ＴＸ）および受信（ＲＸ）ＲＦチェーンを通過する。ベースバンドは受信モードに設定され、着信パケットのＣＳＩおよびタイムスタンプをキャプチャできる。ＣＳＩ、送信、および受信のタイムスタンプは、前のケースと同様に使用できる。送信タイムスタンプは、ＤＡＣへのメモリ読み出しがトリガーされたときにキャプチャされる必要がある。
【００７４】
上記のように、非同期システムでは、２つのデバイスからの情報を組み合わせて計算する必要がある。これを行うために、一実施形態では、デバイスの一方は、前述の同じＲＦ信号（例えば、８１２，８２２，１０２２，１０２３）を使用するか、双方向ＴｏＦ測定システム１０００の一実施形態における図１０に示すように、独立したＲＦ信号経路１０２４を使用して、情報を他方のデバイスに送信することができる。
【００７５】
図１１は、代替の一実施形態に係る非同期システム１１００を示す。デバイス１１１０および１１２０は、同じＲＦ信号１１１２および１１１３または独立したＲＦ信号１１２２および１１２３を通じてそれらの情報を第３のデバイス１１３０に送ることができ、第３のデバイス１１３０は、情報を処理および組み合わせて飛行時間を計算することができる。
【００７６】
ネットワーク上の様々なペア間の距離が確立されると、ネットワークの様々なメンバーの相対位置および／または絶対位置を推定するために、ネットワークの１つ以上のメンバーまたはネットワーク外部のシステムに情報を渡すことができる。これは、様々な手法を使用して実行できる。例えば、当業者によく知られているように、三角測量法を使用することができる。最小二乗法などの誤差最小化手法を使用して、精度を向上させ、位置推定の誤差を減らすことができる。このようなアプローチは、様々な対の距離推定で生成された冗長な情報を利用することにより、上記の実施形態における距離推定に関連するあらゆる誤差を低減するために使用され得る。特定された測距データに基づいて位置特定を実行するために使用できる他の手法には、多次元スケーリング、セルフポジショニングアルゴリズム、地形アルゴリズム、協調マルチラテレーション、分散最大尤度、双曲線位置固定、モバイル地理的分散位置特定、弾性位置特定アルゴリズム、および他のそのようなアンカーフリーおよびアンカーベースの位置特定アルゴリズムが含まれる。
【００７７】
本明細書で特定された位置特定情報は、無線センサネットワークの動作を促進または改善するために使用され得る。例示的な無線センサネットワークは、２０１５年８月１９日に出願された米国特許出願第１４／９２５，８８９号に開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。位置特定は、ネットワーク内で論理的および／または機能的な関係を確立するために使用できる。例示的な一実施形態では、位置特定情報を使用して、図２に示すような、通常はツリー状のネットワークのコンステレーションとのノード間通信を可能にする、センサネットワークのコンステレーションメンバーシップを定義することができる。この実施形態では、位置特定は、同じコンステレーション内にあるように割り当てられるべきノードを識別するために使用される。そして、これらはハブを経由せずに互いに直接通信できる。このアプローチの利点は、三角測量の計算を乗り越えた距離推定の誤差がネットワークの壊滅的な障害を引き起こさず、むしろ、せいぜい、これらの誤差はコンステレーションの誤った割り当てを引き起こすことである。オーバーラップコンステレーション割り当てまたはルースコンステレーション割り当てルールの使用は、これが望ましくない方法でネットワークパフォーマンスに影響を与えないようにするためにさらに使用できる。
【００７８】
一実施形態では、ロケーションアルゴリズムは、アンカーベースの三角測量を含む。アンカーベースのシステムでは、アンカーノード（例えば、ハブ、センサ、デバイスなど）の位置は既知である。他のデバイスの未知の位置は、アンカーの既知の位置ならびに各デバイスと各アンカーとの間の測定された距離に基づいて計算される。これらの未知のデバイスの位置は、同じ手順で１つずつ計算される。デバイスごとに、アンカーｉを使用した距離測定は次の通りである。
【数５】
2020533569.tif 000007
【００７９】
ここで、ｘｉ、ｙｉ、およびｚｉはｉ番目のアンカーの座標であり、ｄｉは未知のデバイスとｉ番目のアンカーとの間の測定距離であり、ｘ、ｙ、およびｚは、推定の目標である未知のデバイスの座標である。推定に異なる誤差関数を設定することにより、線形最小二乗を使用して、未知のデバイスの位置（ｘ、ｙ、ｚ）を計算できる。
【００８０】
別の一実施形態では、アンカーレスの三角測量設定の場合、デバイスのいずれについても既知の位置はない。アルゴリズムは、デバイスのペア間の距離測定を使用して、各デバイスの相対位置を特定する必要がある。目標は、距離測定の全体的な誤差を最小限に抑えるために、すべてのデバイスの相対位置を見つけることである。インクリメンタルアルゴリズムとコンカレントアルゴリズムを含む複数のタイプのアルゴリズムが存在する。インクリメンタルアルゴリズムは、小さなデバイスセットから始まり、距離測定に基づいてデバイスの位置を計算する。その後、デバイスの小さなセットは、他のデバイスのアンカーノードとして使用される。これは単純なアルゴリズムであるが、初期のノードの位置を更新する高度なアルゴリズムを使用しても、初期に計算されたノードの誤差が後のノードに容易に伝播する可能性があるという欠点がある。
【００８１】
コンカレントアルゴリズムは、コンカレントアルゴリズムがすべての場所を同時に推定するため、インクリメンタルアルゴリズムの問題を解決し、インクリメンタルアルゴリズムよりも誤差の少ない全体的な最適値を達成する。通常、反復プロセスを使用してデバイスの位置を更新し、したがって、より多くの計算能力とメモリを使用しながら、収束により多くの時間がかかる。
【００８２】
図１２は、一実施形態に係る、飛行時間技術を使用してノードの位置推定を特定するための方法を示す。方法１２００の動作は、無線デバイス、ハブ（例えば、装置）の無線制御デバイス、システム、または処理回路または処理ロジックを含むリモートデバイスまたはコンピュータによって実行され得る。処理ロジックには、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または専用マシンまたはデバイスで実行されるものなど）、または両方の組み合わせが含まれる。一実施形態では、アンカーノード、ハブ、無線デバイス、またはリモートデバイスまたはコンピュータは、方法１２００の動作を実行する。様々な計算に関連するアルゴリズムは、距離測定に関連する関連データが送信されるリモートコンピュータで実行され得る。リモートデバイスまたはコンピュータは、複数の無線ノードを有する無線ネットワークアーキテクチャとは異なる場所（例えば、クラウド内の異なるネットワーク）にあり得る。リモートデバイスまたはコンピュータは、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特定のノードとは異なる、無線ネットワークアーキテクチャ内の場所にあり得る。
【００８３】
無線ネットワークアーキテクチャの初期化時に、動作１２０１において、処理ロジックは、遅延を有する少なくとも１つのコンポーネント（例えば、ＲＦ回路の自動利得制御（ＡＧＣ）ステージ、ＲＦ回路のフィルタステージなど）を較正する。少なくとも１つのコンポーネントの較正は、少なくとも１つのコンポーネント（例えば、ゲインの関数としてのＡＧＣステージ、フィルタステージ）の遅延を測定し、測定された遅延と少なくとも１つのコンポーネントのベースライン遅延との間に偏差が存在するかどうかを判定し、偏差が存在する場合は、特定された飛行時間推定のタイミングを修正することを含み得る。較正は通常、無線ネットワークアーキテクチャの初期化中に行われる。あるいはまた、方法１２００の後で較正が行われてもよい。
【００８４】
動作１２０２で、無線周波数（ＲＦ）回路および少なくとも１つのアンテナを有するハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）は、無線ネットワークアーキテクチャ（例えば、無線非対称ネットワークアーキテクチャ）内の複数のセンサノードに通信を送信する。動作１２０３で、ハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）のＲＦ回路と少なくとも１つのアンテナは、送信機と受信機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から通信を受信し、無線ネットワークアーキテクチャ内でハブのＲＦ回路との双方向通信を可能にする。動作１２０５で、無線制御デバイスを有するハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）の処理ロジックは、最初にセンサノードの無線ネットワークを一定期間（例えば、所定の期間、位置特定に十分な期間など）メッシュベースのネットワークアーキテクチャとして構成させる。
【００８５】
動作１２０６で、ハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）の処理ロジックは、少なくとも１つの飛行時間技術およびおそらく本明細書に開示されている様々な実施形態で説明されているような信号強度技術を使用して、少なくとも２つのノード（またはすべてのノード）の位置特定を判定する。
【００８６】
動作１２０８で、少なくとも２つのネットワークセンサノードの位置特定が完了すると、ハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）の処理ロジックは、飛行時間測定を行っている場合、飛行時間測定を終了し、少なくとも２つのノードとの通信の信号強度を引き続き監視する。同様に、少なくとも２つのノードは、ハブとの通信の信号強度を監視することができる。動作１２１０で、ハブ（またはアンカーノード、無線デバイス、リモートデバイスまたはコンピュータ）の処理ロジックは、位置特定の完了時に無線ネットワークをツリーベースまたはツリーのようなネットワークアーキテクチャ（またはメッシュベースの機能のないツリーアーキテクチャ）に構成する。
【００８７】
本明細書で説明するハブとノード間の通信は、無線周波数を使用した直接無線通信、家、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で達成される電力線通信、８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｎ、８０２．１１ａｃなどの標準ＷｉＦｉ通信プロトコルおよび当業者には明らかな他のそのようなＷｉＦｉ通信プロトコルを使用したＷｉＦｉ通信、ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、３Ｇ、ＨＳＰＤＡ、ＬＴＥなどのセルラー通信および当業者には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した通信、および当業者には明らかな他の有線ベースまたは無線通信スキームを含むが、これらに限定されない様々な手段を使用して達成できる。
【００８８】
終端ノードとハブ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、およびウルトラワイドバンド通信を含む多様な方法で実装できる。
【００８９】
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１３Ａ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１５１２（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を含む。代替的に（または追加的に）、ハブはコンセント１５０４に結合される。オーバーレイ１５００は、安全性および美観を目的として、コンセント１５０２および１５０４を覆うかまたは囲む。
【００９０】
図１３Ｂ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るハブ１５２０のブロック図の分解図の例示的な一実施形態を示す。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、または、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位置特定を形成、監視、および実行するための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格納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または別個の送信機１５５４および受信機１５５６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。ハブ１５２０は、無線制御デバイス１５２０とすることができるか、またはコントローラ回路１５４０、ＲＦ回路１５５０、および（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。
【００９１】
図１４Ａは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、また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一実施形態を示す。カード１６６２は、矢印１６６３で示されるように、システム１６６０（例えば、コンピュータシステム、機器、または通信ハブ）に挿入することができる。
【００９２】
図１４Ｂは、一実施形態に係る、コンピュータシステム、機器、また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、また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位置特定を形成、監視、および実行するための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格納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または別個の送信機１６７５および受信機１６７７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。ハブ１６６４は、無線制御デバイス１６６４とすることができるか、またはコントローラ回路１６６８、ＲＦ回路１６７０、および（１又は複数の）アンテナ１６７８は組み合わせて、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。
【００９３】
図１４Ｃは、一実施形態に係る、機器（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、他のスマート機器など）内に実装されたハブの例示的な一実施形態を示す。機器１６８０（例えば、スマート洗濯機）は、ハブ１６８２を含む。
【００９４】
図１４Ｄは、一実施形態に係る、機器（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、他のスマート機器など）内に実装されたハブ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、また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位置特定を形成、監視、および実行するための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格納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または別個の送信機１６９４および受信機１６９５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。ハブ１６８４は、無線制御デバイス１６８４とすることができるか、またはコントローラ回路１６９０、ＲＦ回路１６９２、および（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。
【００９５】
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、命令を格納するメモリと、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および制御するための命令を実行する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、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（また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。
【００９６】
一例では、第１の無線ノードは、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における通信を送受信するための１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを含む。第２の無線ノードは、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内における第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする送信機および受信機を備えた無線デバイスを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２のパケット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と、第１および第２の無線ノードのチャネル検知情報に基づく飛行時間の時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。
【００９７】
一例では、装置は主電源によって電力を供給され、複数のセンサノードはそれぞれ電池源によって電力を供給されて無線ネットワークアーキテクチャを形成する。
【００９８】
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、およ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内で使用できる。使用できる追加の化学物質には、ニッケル水素、標準アルカリ電池の化学物質、銀亜鉛および亜鉛空気電池の化学物質、標準炭素亜鉛電池の化学物質、鉛酸電池の化学物質、または当業者に明らかであるような他の化学物質が含まれる。
【００９９】
本発明はまた、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築されてもよいし、またはコンピュータ内に保存されたコンピュータプログラムによって選択的に起動また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、および光磁気ディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、また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格納されてもよい。
【０１００】
本明細書で提示されるアルゴリズムおよびディスプレイは、特定のコンピュータまたは他の装置に本質的に関連するものではない。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、また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。
【０１０１】
図１５は、一実施形態に係るセンサノードのブロック図を示す。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、また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およ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）ハブおよ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または別個の送信機１７７５および受信機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。検知回路１７４０は、（１又は複数の）画像センサおよび回路１７４２、（１又は複数の）水分センサおよび回路１７４３、（１又は複数の）温度センサおよび回路、（１又は複数の）湿度センサおよび回路、（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、および（１又は複数の）センサおよび回路ｎなどを含む様々なタイプの検知回路および（１又は複数の）センサを含む。
【０１０２】
本明細書で開示される無線位置特定技術は、他の感知された情報と組み合わされて、ネットワーク全体の位置特定精度を改善し得る。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、キャプチャされた画像を画像処理およ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、またはその他の位置にあるかどうかを判定できる。
【０１０３】
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およびオプション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、ユーザーの建物の各部屋の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。
【０１０４】
図１６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または中央ハブを含むか、また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、スマート機器、通信システムなど）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、スマート機器など）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および処理ユニット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つ以上の画像またはビデオをキャプチャするための光学デバイス１８８０、システム１８００用の運動データ（例えば、三次元の）のためのオプションの運動ユニット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、およ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または信号線１８９８、１８１８、１８１５、１８１６、１８１７、１８１３、１８１９、１８１１を介してそれぞれ通信する。
【０１０５】
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）を提供し、ＲＦ回路１８９０に接続１８８７（例えば、通信リンク、信号線、電気接続など）を介して電力を提供する電源１８９１を含む。コントローラ回路１８８４は、メモリ１８８６を含むか、また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を形成および監視するための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格納するメモリに結合される。ＲＦ回路１８９０は、無線センサノードまたは他のハブとの（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または別個の送信機（ＴＸ）１８９２および受信機（ＲＸ）１８９４機能を含み得る。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。ハブ１８８２は、無線制御デバイス１８８４またはコントローラ回路１８８４、ＲＦ回路１８９０、および（１又は複数の）アンテナ１８９６とすることができ、組み合わせて、本明細書で説明するような無線制御デバイスを形成することができる。
【０１０６】
システムのＲＦ回路１８７０および（１又は複数の）アンテナ１８７１またはハブ１８８２のＲＦ回路１８９０および（１又は複数の）アンテナ１８９６は、無線リンクまたはネットワークを介して本明細書で説明するハブまたはセンサノードの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ー１８６２およびマイクロフォン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によって使用されるコードおよび／またはデータを格納できる任意のデバイスまたは媒体（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には、キャッシュ、メインメモリ、および２次メモリを含むがこれらに限定されないメモリ階層を含めることができる。
【０１０７】
媒体１８５０またはメモリ１８８６は、本明細書で説明される方法論または機能のいずれか１つ以上を実施する１つ以上の命令セット（またはソフトウェア）を格納する。ソフトウェアは、オペレーティングシステム１８５２と、無線非対称ネットワークアーキテクチャを確立、監視、およ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と、通信モジュール１８５４と、アプリケーション１８５８（例えば、家または建物のセキュリティアプリケーション、家また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等）とを含み得る。ソフトウェアはまた、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、または処理ユニット１８１４内に、完全にまたは少なくとも部分的に存在してもよい。図１８に示すコンポーネントは、１つ以上の信号処理および／また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、またはそれらの任意の組み合わせ内に実装されてもよい。
【０１０８】
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、異なるタイプの入出力（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）、ユーザー入力を受信して出力を表示するためのタッチディスプレイデバイスまたはタッチスクリーン、オプションの英数字入力デバイス）と通信する。
【０１０９】
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、１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む前記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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードと、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内で第１の無線ノードと双方向通信を可能にするための送信機および受信機を備えた無線デバイスを有する第２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、第１および第２の無線ノードのチャネル検知情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。
【０１１０】
別の一例では、第１の無線ノードは第１の基準クロック信号を有し、第２の無線ノードは第２の基準クロック信号を有する。
【０１１１】
別の一例では、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値は、第１の無線ノードが第１のパケットを送信する第１の時刻、第２の無線ノードが第１のパケットを受信する第２の時刻、第２の無線ノードが第２のパケットを送信する第３の時刻、および第１の無線ノードが第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく。
【０１１２】
別の一例では、第１の無線ノードのチャネル情報は、第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、第２の無線デバイスのチャネル情報は、第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む。
【０１１３】
別の一例では、粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた順方向チャネル応答は、線形位相の加算としてクロック位相オフセットを第２の測定値へ適用することを含む。別の一例では、粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされた逆方向チャネル応答は、線形位相の減算としてクロック位相オフセットを第１の測定値へ適用することを含む。
【０１１４】
別の一例では、マトリクスペンシルおよびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが、第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値および第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値から複数経路の最小遅延を推定するために使用される。別の一例では、第１および第２の無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードレス三角測量に基づいて、第１および第２の無線ノードの相対または絶対位置を特定するために使用される。
【０１１５】
別の一例では、第１および第２の無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードレス三角測量に基づいて、第１および第２の無線ノードの相対または絶対位置を特定するために使用される。
【０１１６】
別の一例では、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置特定情報を特定するために使用される。別の一例では、１つ以上の処理ユニットを備えたリモートデバイスは、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を使用して、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを少なくとも部分的に特定するための命令を実行するように構成される。
【０１１７】
一実施形態では、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同期システムは、１つ以上の処理ユニットを備えた無線デバイスと、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号を含む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ＲＦ回路とを有する第１の無線ノードを含む。第２の無線ノードは、第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１の無線ノードとの双方向通信を可能にする１つ以上の処理ユニットおよびＲＦ回路を備えた無線デバイスを含む。第１の無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を用いて、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、細かい飛行時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。第１および第２の無線ノードは、同じ基準クロック信号を有する。
【０１１８】
一例では、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値は、第１の無線ノードが第１のパケットを送信する第１の時刻、第２の無線ノードが第１のパケットを受信する第２の時刻、第２の無線ノードが第２のパケットを送信する第３の時刻、および第１の無線ノードが第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく。
【０１１９】
粗い飛行時間推定値は、送信または受信のタイミングを検出する回路を制御するためのｆｓの周波数を有するサンプリングクロックの時間分解能によって制限される分解能を有する。
【０１２０】
別の一例では、第１の無線ノードのチャネル情報は、第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、第２の無線デバイスのチャネル情報は、第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む。
【０１２１】
別の一例では、粗いおよび細かいチャネル推定のための組み合わされたチャネル応答が、第１の無線ノードと第２の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定する前に、線形位相シフトの加算として粗い遅延をチャネル応答に適用することを含む。
【０１２２】
別の一例では、マトリクスペンシルおよびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが、前記第１の無線ノードと前記第２の無線ノードとの間の複数経路の最小遅延を推定するために使用される。
【０１２３】
別の一例では、前記粗い遅延のない前記チャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する。
【０１２４】
別の一例では、粗い遅延のある組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する。
【０１２５】
一実施形態では、装置は、命令を保存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で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特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、送信機と受信機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と通信を送受信する無線周波数（ＲＦ）回路であって、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ＲＦ回路とを含む。装置の１つ以上の処理ユニットは、第１のパケットを有する第１のＲＦ信号をセンサノードに送信し、センサノードから第２のパケットを有する第２のＲＦ信号を受信し、第１および第２の無線ノードのチャネル情報を使用して、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値と、飛行時間の細かい時間推定値とを特定するための命令を実行するように構成される。
【０１２６】
一例では、装置は第１の基準クロック信号を有し、センサノードは第２の基準クロック信号を有する。
【０１２７】
別の一例では、第１および第２のパケットの粗い飛行時間推定値は、装置が第１のパケットを送信する第１の時刻、センサノードが第１のパケットを受信する第２の時刻、センサノードが第２のパケットを送信する第３の時刻、および装置が第２のパケットを受信する第４の時刻に基づく。
【０１２８】
別の一例では、装置のチャネル情報は、第２のパケットのチャネル応答の第１の測定値を含み、センサノードのチャネル情報は、第１のパケットのチャネル応答の第２の測定値を含む。
【０１２９】
一例では、組み合わされたチャネル応答は、第１の測定値と第２の測定値を乗算して第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位相差を相殺することを含む。組み合わされたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する。
【０１３０】
別の一例では、分割されたチャネル応答は、第１の測定値を第２の測定値で除算して第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位相差を推定することを含む。分割されたチャネル応答は、複数のパケットまたは複数の無線送信にわたって平均化され、信号対雑音比を改善し、したがって経路推定の精度を改善する。
【０１３１】
前述の明細書では、本発明をその特定の例示的な実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明のより広い主旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がそれになされ得ることは明らかであろう。したがって、明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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