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JP7688286B2 - Position estimation device, position estimation method, and position estimation program - Google Patents
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JP7688286B2 - Position estimation device, position estimation method, and position estimation program - Google Patents

Position estimation device, position estimation method, and position estimation program Download PDF

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Description

本発明は、位置推定装置、位置推定方法、及び、位置推定プログラムに関する。 The present invention relates to a position estimation device, a position estimation method, and a position estimation program.

様々な機器がインターネットに繋がるIOT(Internet of things)の実現が進んでいる。自動車、ドローン、建設機械車両等、様々な機器が無線で接続されつつある。無線通信規格についても、標準化規格IEEE 802.11で規定される無線LAN(Local Area Network)、Bluetooth(登録商標)、LTEや5Gによるセルラー通信、IOT向けのLPWA(Low Power Wide Area)通信、車両用の通信に用いられるETC(Electronic Toll Collection System)、VICS(Vehicle Information and Communication System)、ARIB-STD-T109等、サポートする無線通信規格も発展しており、今後の普及が期待されている。The Internet of Things (IOT), in which various devices are connected to the Internet, is becoming a reality. Various devices, such as automobiles, drones, and construction machinery vehicles, are becoming wirelessly connected. Regarding wireless communication standards, the wireless LAN (Local Area Network) defined by the standard IEEE 802.11, Bluetooth (registered trademark), cellular communication using LTE and 5G, LPWA (Low Power Wide Area) communication for IOT, ETC (Electronic Toll Collection System), VICS (Vehicle Information and Communication System), ARIB-STD-T109, and other wireless communication standards that support them are also developing and are expected to become more widespread in the future.

無線通信機器は、高いスループットや信頼性能を確保するため、複数のアンテナを用いたMIMO(Multiple input multiple output)通信技術が導入されている。MIMO通信技術は、送信側と受信側との間でどのように電波が伝搬しているかを示すチャネル情報を利用することで、スループットや信頼性能を向上できる。例えば、送信側の無線通信機器には、受信側の無線通信機器に対してチャネル情報を伝えるフィードバック信号の送信機能がサポートされている(非特許文献1参照)。 In order to ensure high throughput and reliability, wireless communication devices have adopted MIMO (Multiple input multiple output) communication technology using multiple antennas. MIMO communication technology can improve throughput and reliability by utilizing channel information that indicates how radio waves are propagating between the transmitting and receiving sides. For example, wireless communication devices on the transmitting side support a function for transmitting a feedback signal that conveys channel information to wireless communication devices on the receiving side (see Non-Patent Document 1).

また、電波伝搬に関するチャネル情報を無線通信機器の位置を推定するために用いる技術が知られている(非特許文献2、3参照)。例えば、複数の基地局と無線通信した無線信号の到達時間やレベル等を基に、無線通信機器の位置を特定する。 There is also known technology that uses channel information related to radio wave propagation to estimate the position of a wireless communication device (see Non-Patent Documents 2 and 3). For example, the position of a wireless communication device is identified based on the arrival time and level of wireless signals wirelessly communicated with multiple base stations.

“Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”、IEEE Computer Society、IEEE Std 802.11、2016年、p.2396-p.2400“Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.11, 2016, p.2396-p.2400 Y. Tao、外1名、“A Novel System for WiFi Radio Map Automatic Adaptation and Indoor Positioning”、in IEEE Transactions on Vehicular Technology、 vol. 67、 no. 11、2018年11月、p.10683-p.10692Y. Tao and others, “A Novel System for WiFi Radio Map Automatic Adaptation and Indoor Positioning”, in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 11, November 2018, p.10683-p.10692 H. CAO、外5名、“Indoor Positioning Method Using WiFi RTT Based on LOS Identification and Range Calibration”、in Proc., ISPRS International Journal of Geo-Information、2020年9月H. CAO, 5 others, “Indoor Positioning Method Using WiFi RTT Based on LOS Identification and Range Calibration”, in Proc., ISPRS International Journal of Geo-Information, September 2020

しかしながら、従来の位置推定技術は、無線通信機器において、複数の基地局と同時に無線通信を行い、かつ、高性能な時間分解性能を備える機器を必要とするため、物体の位置推定に大きなコストを要するという課題があった。However, conventional position estimation technologies had the problem of requiring wireless communication devices to communicate wirelessly with multiple base stations simultaneously and with high time resolution capabilities, resulting in high costs for estimating the position of an object.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、物体の位置を低コストで推定可能な技術を提供することである。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technology that can estimate the position of an object at low cost.

本発明の一態様の位置推定装置は、固定端末の無線通信部から送信される無線信号を受信し、前記無線信号から電波伝搬に関するチャネル情報を取得する無線通信部と、前記チャネル情報を位置推定モデルに入力可能な入力特徴量に変換する入力特徴量生成部と、前記入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記固定端末と同じ環境内に位置する位置推定対象の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルに入力することで、前記位置推定対象の位置を推定計算する位置推定モデル利用部と、を備える。 A position estimation device of one embodiment of the present invention comprises a wireless communication unit that receives a wireless signal transmitted from a wireless communication unit of a fixed terminal and acquires channel information related to radio wave propagation from the wireless signal, an input feature generation unit that converts the channel information into input features that can be input to a position estimation model, and a position estimation model utilization unit that inputs the input features into a position estimation model that models, through machine learning, the relationship between the channel information related to radio wave propagation and position information of a position estimation target that is located in the same environment as the fixed terminal, thereby estimating and calculating the position of the position estimation target.

本発明の一態様の位置推定方法は、位置推定装置で行う位置推定方法において、固定端末の無線通信部から送信される無線信号を受信し、前記無線信号から電波伝搬に関するチャネル情報を取得するステップと、前記チャネル情報を位置推定モデルに入力可能な入力特徴量に変換するステップと、前記入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記固定端末と同じ環境内に位置する位置推定対象の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルに入力することで、前記位置推定対象の位置を推定計算するステップと、を行う。 A position estimation method according to one aspect of the present invention is a position estimation method performed by a position estimation device, which includes the steps of receiving a wireless signal transmitted from a wireless communication unit of a fixed terminal and acquiring channel information related to radio wave propagation from the wireless signal, converting the channel information into input features that can be input to a position estimation model, and inputting the input features into a position estimation model that models, by machine learning, the relationship between the channel information related to radio wave propagation and position information of a position estimation target located in the same environment as the fixed terminal, thereby estimating and calculating the position of the position estimation target.

本発明の一態様の位置推定プログラムは、上記位置推定装置としてコンピュータを機能させる。 A position estimation program according to one aspect of the present invention causes a computer to function as the position estimation device described above.

本発明によれば、物体の位置を低コストで推定可能な技術を提供できる。 The present invention provides technology that can estimate the position of an object at low cost.

図1は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成(第1例)を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration (first example) of a wireless communication system according to this embodiment. 図2は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成(第2例)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration (second example) of a wireless communication system according to this embodiment. 図3は、位置推定モデル利用部の構成(変形例)を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration (variation) of the position estimation model utilization unit. 図4は、無線通信システムの動作(第1例)を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the operation (first example) of the wireless communication system. 図5は、無線通信システムの動作(第2例)を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the operation (second example) of the wireless communication system. 図6は、実験環境エリアを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the experimental environment area. 図7は、実験環境エリアの分割例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of division of the experiment environment area. 図8は、位置推定誤差の測定結果(固定端末の無線信号のみを用いた場合)を示す図である。FIG. 8 shows the measurement results of the position estimation error (when only the radio signals of the fixed terminals are used). 図9は、位置推定誤差の測定結果(位置測定対象の無線信号を更に用いた場合)を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the measurement result of the position estimation error (when the radio signal of the position measurement target is further used). 図10は、位置推定の測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of position estimation. 図11は、位置推定装置のハードウェア構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a hardware configuration of the position estimation device.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are given the same reference numerals and the description will be omitted.

[発明の概要]
本発明は、通常用いられる汎用的な無線通信情報を用いて、つまり、無線通信端末の無線信号に含まれる電波伝搬に関するチャネル情報と位置推定モデルとを用いて、特定物体の位置を推定する。具体的には、無線信号に含まれるチャネル情報と特定物体の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルを予め生成しておき、無線信号から取得したチャネル情報(チャネル情報を位置推定モデルに入力可能に変換した入力特徴量)を上記位置推定モデルに入力することで、位置推定時における特定物体の実世界内での位置を推定する。
Summary of the Invention
The present invention estimates the position of a specific object by using commonly used general-purpose wireless communication information, that is, by using channel information related to radio wave propagation included in a wireless signal of a wireless communication terminal and a position estimation model. Specifically, a position estimation model is generated in advance by modeling the relationship between the channel information included in the wireless signal and the position information of a specific object by machine learning, and channel information acquired from the wireless signal (input feature converted so that the channel information can be input to the position estimation model) is input to the position estimation model, thereby estimating the position of the specific object in the real world at the time of position estimation.

このように、本発明は、無線通信端末の無線信号に含まれる電波伝搬に関するチャネル情報と位置推定モデルとを用いて特定物体の位置を推定するので、特定物体の位置推定を汎用的な無線通信で行うことが可能となり、特定物体の位置を低コストで推定可能な技術を提供できる。 In this way, the present invention estimates the position of a specific object using channel information regarding radio wave propagation contained in the wireless signal of a wireless communication terminal and a position estimation model, making it possible to estimate the position of a specific object using general-purpose wireless communication, and providing a technology that can estimate the position of a specific object at low cost.

なお、チャネル情報とは、送信側の無線通信端末と受信側の無線通信端末との間でどのように電波が伝搬しているか、及び無線通信の通信品質に関する情報である。例えば、無線通信における受信電力や電波伝搬係数、MIMO(Multiple Input Multiple Output)通信技術において、送信側の無線通信端末の備える複数のアンテナと受信側の無線通信端末の備える複数のアンテナとの間での電波伝搬の状態を表すチャネル行列、信号対雑音干渉電力に関する情報である。 Channel information is information about how radio waves propagate between a transmitting wireless communication terminal and a receiving wireless communication terminal, and about the communication quality of wireless communication. For example, it is information about the received power and radio wave propagation coefficient in wireless communication, the channel matrix that represents the state of radio wave propagation between multiple antennas equipped on a transmitting wireless communication terminal and multiple antennas equipped on a receiving wireless communication terminal in MIMO (Multiple Input Multiple Output) communication technology, and the signal-to-noise-interference power.

入力特徴量とは、チャネル情報を位置推定モデルに入力可能に変換したチャネル情報の特徴量である。例えば、入力特徴量は、変換しないチャネル情報そのもの、チャネル情報に様々な演算を施して得られる数値である。 The input features are the features of channel information that have been converted so that they can be input to the position estimation model. For example, the input features are the unconverted channel information itself, or numerical values obtained by performing various calculations on the channel information.

特定物体とは、無線通信端末と同じ環境内に位置する移動可能な位置推定対象である。特定物体の位置とは、例えば、特定物体が移動している経路上の位置、2次元空間内(地図等)の位置、3次元空間内の位置である。これらの位置情報に加え、向きや速度等、より詳細な物理的な状態を更に推定してもよい。A specific object is a movable target for position estimation that is located in the same environment as the wireless communication terminal. The position of a specific object is, for example, the position on the path along which the specific object is moving, the position in two-dimensional space (such as a map), or the position in three-dimensional space. In addition to this position information, more detailed physical conditions such as orientation and speed may also be estimated.

[無線通信システムの全体構成(第1例)]
図1は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成(第1例)を示す図である。
[Overall configuration of a wireless communication system (first example)]
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration (first example) of a wireless communication system according to this embodiment.

第1例の無線通信システムは、位置推定装置1と、固定端末3-1~3-Mと、位置推定対象2-1~2-Pと、を備える。The first example wireless communication system comprises a position estimation device 1, fixed terminals 3-1 to 3-M, and position estimation targets 2-1 to 2-P.

位置推定装置1は、固定端末3-1~3-Mのうち少なくとも1つの固定端末から送信される無線信号のチャネル情報を収集することで、固定端末3-1~3-Mと同じ環境内に位置する特定物体の位置、つまり、複数の位置推定対象2-1~2-Pのうち少なくとも1つの位置推定対象の位置を推定する。The position estimation device 1 collects channel information of a wireless signal transmitted from at least one of the fixed terminals 3-1 to 3-M, and estimates the position of a specific object located in the same environment as the fixed terminals 3-1 to 3-M, i.e., the position of at least one of the multiple position estimation targets 2-1 to 2-P.

固定端末3-1~3-Mは、無線通信部3-1-1~3-M-1を備える。無線通信部3-1-1~3-M-1は、それぞれ、送受で既知となるパイロット信号、又は、任意の無線通信部との間のチャネル情報を含む無線信号を送信する。任意の無線通信部とは、位置推定装置1に備わる無線通信部1-1~1-R、又は、それ以外の無線通信部である。 The fixed terminals 3-1 to 3-M are equipped with wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1. The wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1 transmit wireless signals including pilot signals that are known during transmission and reception, or channel information between any wireless communication unit. The any wireless communication unit is the wireless communication units 1-1 to 1-R provided in the position estimation device 1, or any other wireless communication unit.

位置推定装置1は、無線通信部1-1~1-Rを介して上記無線信号を受信する。位置推定装置1は、受信した無線信号から、複数の固定端末3-1~3-Mのうちいずれかの無線通信部3-i-1(1≦i≦M)と任意の自身の無線通信部1-1~1-Rとの間のチャネル情報を取得する。そして、位置推定装置1は、取得したチャネル情報を入力特徴量生成部1-2に入力する。入力特徴量生成部1-2は、チャネル情報を位置推定モデルへの入力に適した入力特徴量に変換し、変換した入力特徴量を位置推定モデル利用部1-3に入力する。The position estimation device 1 receives the wireless signals via the wireless communication units 1-1 to 1-R. From the received wireless signals, the position estimation device 1 acquires channel information between any wireless communication unit 3-i-1 (1≦i≦M) of the multiple fixed terminals 3-1 to 3-M and any of its own wireless communication units 1-1 to 1-R. The position estimation device 1 then inputs the acquired channel information to the input feature generation unit 1-2. The input feature generation unit 1-2 converts the channel information into input features suitable for input to the position estimation model, and inputs the converted input features to the position estimation model utilization unit 1-3.

その後、位置推定モデル利用部1-3は、複数の固定端末3-1~3-Mのうち少なくとも1つの固定端末3-i(1≦i≦M)から収集したチャネル情報の入力特徴量を、位置推定対象の位置情報とチャネル情報の入力特徴量との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルに入力することで、移動中又は停止中の位置推定対象2-j(1≦j≦P)の位置を推定する。Thereafter, the location estimation model utilization unit 1-3 inputs the input features of channel information collected from at least one fixed terminal 3-i (1≦i≦M) among the multiple fixed terminals 3-1 to 3-M into a location estimation model that models the relationship between the location information of the location estimation target and the input features of the channel information using machine learning, thereby estimating the location of a moving or stopped location estimation target 2-j (1≦j≦P).

[固定端末の構成]
固定端末3-iは、無線通信部3-i-1を備え、所定環境内に設置された無線通信端末である。固定端末3-iは、例えば、壁、床、天井等に固定され、動かないように固定されていることが望ましい。固定端末3-iは、特殊な専用装置を用いて実現してもよいし、スマートフォン、PC、ドングル等の無線通信部を内蔵する任意の端末を用いて実現してもよい。1つの固定端末3-iが複数の無線通信部3-i-1を備えてもよい。固定端末3-iは、複数でもよい。
[Fixed terminal configuration]
The fixed terminal 3-i is a wireless communication terminal equipped with a wireless communication unit 3-i-1 and installed in a predetermined environment. The fixed terminal 3-i is preferably fixed to a wall, floor, ceiling, etc., so as not to move. The fixed terminal 3-i may be realized using a special dedicated device, or may be realized using any terminal having a built-in wireless communication unit, such as a smartphone, PC, or dongle. One fixed terminal 3-i may be equipped with multiple wireless communication units 3-i-1. There may be multiple fixed terminals 3-i.

[位置推定装置の構成]
位置推定装置1は、例えば、主要場所に設置された基地局である。位置推定装置1は、固定端末3-iと通信可能な無線通信部、又は、固定端末3-iから送信される無線信号を復号可能な無線通信部を備えるいかなる構成でもよい。位置推定装置1は、無線信号を送信する機能は必ずしも必要ではなく、受信を行うだけの装置であってもよい。
[Configuration of the position estimation device]
The position estimation device 1 is, for example, a base station installed at a major location. The position estimation device 1 may have any configuration including a wireless communication unit capable of communicating with the fixed terminal 3-i, or a wireless communication unit capable of decoding a wireless signal transmitted from the fixed terminal 3-i. The position estimation device 1 does not necessarily need to have a function of transmitting a wireless signal, and may be a device that only receives the signal.

位置推定装置1は、図1に示したように、例えば、無線通信部1-1~1-Rと、入力特徴量生成部1-2と、位置推定モデル利用部1-3と、位置推定モデル訓練部1-4と、を備える。As shown in FIG. 1, the location estimation device 1 includes, for example, wireless communication units 1-1 to 1-R, an input feature generation unit 1-2, a location estimation model utilization unit 1-3, and a location estimation model training unit 1-4.

無線通信部1-1~1-Rは、無線通信を行うか、無線信号の受信を行う通信部である。無線通信部1-1~1-Rは、複数の周波数、複数の周波数帯域、又は、複数の無線通信システムに対応してもよい。図1では、無線通信部1-1~1-Rは、M台の固定端末3-1~3-Mから送信された無線信号を受信する構成を示す。 The wireless communication units 1-1 to 1-R are communication units that perform wireless communication or receive wireless signals. The wireless communication units 1-1 to 1-R may be compatible with multiple frequencies, multiple frequency bands, or multiple wireless communication systems. In FIG. 1, the wireless communication units 1-1 to 1-R are shown configured to receive wireless signals transmitted from M fixed terminals 3-1 to 3-M.

無線通信部1-1~1-Rのうちいずれかは、固定端末3-1~3-Mの無線通信部3-1-1~3-M-1と通信を行う基地局であってもよい。固定端末3-1~3-Mは、図1に示されていない任意の基地局と通信し、自身が当該任意の基地局へ送信する無線信号を受信してもよい。それらを混合した構成であってもよい。受信側の無線通信部1-1~1-Rは、単一の搬送波周波数による無線信号を復号可能なので、固定端末3-1~3-Mは、無線信号を同じ周波数で送信することで、無線通信部3-1-1~3-M-1の回路の複雑性を軽減してもよい。Any of the wireless communication units 1-1 to 1-R may be a base station that communicates with the wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1 of the fixed terminals 3-1 to 3-M. The fixed terminals 3-1 to 3-M may communicate with any base station not shown in FIG. 1 and receive wireless signals that they themselves transmit to that base station. A mixed configuration of these is also possible. Since the wireless communication units 1-1 to 1-R on the receiving side are capable of decoding wireless signals at a single carrier frequency, the fixed terminals 3-1 to 3-M may reduce the complexity of the circuits of the wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1 by transmitting wireless signals at the same frequency.

無線通信部1-1~1-Rは、それぞれ、無線信号を受信し、受信した無線信号から、固定端末3-iと位置推定装置1との間の電波伝搬に関するチャネル情報、又は、固定端末3-i以外の無線通信機器と位置推定装置1との間の電波伝搬に関するチャネル情報を取得する機能を備える。無線通信部1-1~1-Rは、固定端末3-iに対応するチャネル情報を取得すると、取得したチャネル情報を入力特徴量生成部1-2へ入力する。 The wireless communication units 1-1 to 1-R each have a function of receiving a wireless signal and acquiring, from the received wireless signal, channel information regarding radio wave propagation between the fixed terminal 3-i and the position estimation device 1, or channel information regarding radio wave propagation between a wireless communication device other than the fixed terminal 3-i and the position estimation device 1. When the wireless communication units 1-1 to 1-R acquire channel information corresponding to the fixed terminal 3-i, they input the acquired channel information to the input feature generation unit 1-2.

入力特徴量生成部1-2は、入力されたチャネル情報を、位置推定モデルに入力可能な入力特徴量に変換する機能を備える。入力特徴量生成部1-2は、変換後のチャネル情報の入力特徴量を位置推定モデル利用部1-3へ入力する。The input feature generator 1-2 has a function of converting the input channel information into input features that can be input to the position estimation model. The input feature generator 1-2 inputs the converted input features of the channel information to the position estimation model utilization unit 1-3.

位置推定モデル利用部1-3は、入力特徴量を位置推定モデルに入力することで、移動中又は停止中の位置推定対象2-1~2-Pのうち少なくとも1つの位置推定対象2-jの位置を推定計算し、推定計算した位置情報を出力する機能を備える。位置推定モデル利用部1-3は、予め生成済みの位置推定モデルを用いてもよいし、位置推定モデル訓練部1-4で生成されアップデートされる位置推定モデルを用いてもよい。The position estimation model utilization unit 1-3 has a function of estimating and calculating the position of at least one position estimation target 2-j among the moving or stopped position estimation targets 2-1 to 2-P by inputting the input feature amount into the position estimation model, and outputting the estimated and calculated position information. The position estimation model utilization unit 1-3 may use a position estimation model that has been generated in advance, or may use a position estimation model that is generated and updated by the position estimation model training unit 1-4.

位置推定モデルとは、位置推定対象2-jの位置情報と、固定端末3-iから取得される電波伝搬に関するチャネル情報(≒入力特徴量)と、の関係性を、機械学習により訓練することで生成されたモデルであり、入力特徴量を用いて位置情報を出力するモデルである。その他、位置推定モデルは、デジタルツイン技術等により、シミュレーション空間に実空間と同等の空間を生成し、仮想的に生成した位置推定対象とシミュレーションにより計算したチャネル情報との間の関係性を用いて生成してもよい。位置推定モデルは、他の位置推定部で計測したチャネル情報と位置推定対象との関係性から作成した位置推定モデルを用いてもよい。 The location estimation model is a model generated by training the relationship between the location information of the location estimation target 2-j and the channel information (≒ input feature) related to radio wave propagation acquired from the fixed terminal 3-i using machine learning, and is a model that outputs location information using the input feature. Alternatively, the location estimation model may be generated by generating a space equivalent to the real space in a simulation space using digital twin technology, etc., and using the relationship between the virtually generated location estimation target and the channel information calculated by simulation. The location estimation model may be a location estimation model created from the relationship between the channel information measured by another location estimation unit and the location estimation target.

位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定対象2-jの位置情報に関するデータを別途取得し、取得した位置情報とチャネル情報との関係性を基に位置推定対象2-jの位置を推定可能な推定位置推定モデルを訓練することで、位置推定モデルを生成する機能を備える。また、位置推定モデル訓練部1-4は、生成した位置推定モデルをアップデートする更に機能を備える。The location estimation model training unit 1-4 has a function of generating a location estimation model by separately acquiring data on the location information of the location estimation target 2-j and training an estimated location estimation model capable of estimating the location of the location estimation target 2-j based on the relationship between the acquired location information and channel information. The location estimation model training unit 1-4 also has a function of updating the generated location estimation model.

位置推定対象2-jの位置情報については、位置推定対象2-jに搭載された位置測定機能による位置測定データを何らかの手段で定期的に収集することで取得できる。また、機械学習アルゴリズムを用いることで、位置推定対象2-jの位置情報と固定端末3-iから得られるチャネル情報との間の関係性を学習可能である。位置測定データを取得する何らかの手段は、例えば、位置推定対象2-jに搭載されたセンサ、カメラ、無線測位、SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)、GPS(Global Positioning System)、および、環境に設置されたセンサ、カメラ等を用いて実現され、本発明により提供される位置推定システム及び位置推定方法とは別の機器及び方法が必要となる。位置測定データは、例えば位置推定対象2-jの位置及び時間情報であり、記憶部に記憶される。また、少なくとも当該時間を含む入力特徴量のデータが入力特徴量生成部1-2において生成される。The location information of the location estimation target 2-j can be obtained by periodically collecting location measurement data by a location measurement function installed in the location estimation target 2-j by some means. In addition, by using a machine learning algorithm, it is possible to learn the relationship between the location information of the location estimation target 2-j and the channel information obtained from the fixed terminal 3-i. Some means for acquiring the location measurement data is realized, for example, by using a sensor, camera, radio positioning, SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), GPS (Global Positioning System), and sensors, cameras, etc. installed in the location estimation target 2-j, and requires equipment and methods other than the location estimation system and location estimation method provided by the present invention. The location measurement data is, for example, the position and time information of the location estimation target 2-j, and is stored in the storage unit. In addition, data of input features including at least the time is generated in the input feature generation unit 1-2.

位置推定モデル訓練部1-4は、記憶された位置推定対象2-jの位置及び時間情報と、同じく記憶部に記憶している入力特徴量及び時間情報とを、同じ時間軸で整理した教師データを用いて両者の関係性を学習することで、位置推定モデルを訓練できる。The location estimation model training unit 1-4 can train the location estimation model by learning the relationship between the stored location and time information of the location estimation target 2-j and the input feature and time information also stored in the memory unit using training data organized on the same time axis.

[無線通信システムの全体構成(第2例)]
図2は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成(第2例)を示す図である。
[Overall configuration of wireless communication system (second example)]
FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration (second example) of a wireless communication system according to this embodiment.

第2例の無線通信システムは、位置推定対象4-k(1≦k≦Q)が無線通信部4-k-1(1≦k≦Q)を備える点で第1例と異なる。位置推定装置1の無線通信部1-1~1-Rは、固定端末3-iから送信される無線信号を受信するだけでなく、位置推定対象4-kから送信される無線信号も受信する。位置推定モデル利用部1-3は、固定端末3-iからの無線通信に係るチャネル情報から生成される入力特徴量と、位置推定対象4-kからの無線通信に係るチャネル情報から生成される入力特徴量とを、位置推定モデルに入力し、位置推定対象4-kの位置を出力として得る。The wireless communication system of the second example differs from the first example in that the position estimation target 4-k (1≦k≦Q) has a wireless communication unit 4-k-1 (1≦k≦Q). The wireless communication units 1-1 to 1-R of the position estimation device 1 not only receive wireless signals transmitted from the fixed terminal 3-i, but also receive wireless signals transmitted from the position estimation target 4-k. The position estimation model utilization unit 1-3 inputs input feature amounts generated from channel information related to wireless communication from the fixed terminal 3-i and input feature amounts generated from channel information related to wireless communication from the position estimation target 4-k to the position estimation model, and obtains the position of the position estimation target 4-k as an output.

固定端末3-1~3-Mは、無線通信部3-1-1~3-M-1を備える。位置推定対象4-1~4-Qは、無線通信部4-1-1~4-Q-1を備える。無線通信部3-1-1~3-M-1及び無線通信部4-1-1~4-Q-1は、送受で既知となるパイロット信号、又は、任意の通信部との間のチャネル情報を含む無線信号を送信する。任意の通信部とは、位置推定装置1に備わる無線通信部1-1~1-R、又は、それ以外の無線通信部である。 The fixed terminals 3-1 to 3-M are equipped with wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1. The position estimation targets 4-1 to 4-Q are equipped with wireless communication units 4-1-1 to 4-Q-1. The wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1 and wireless communication units 4-1-1 to 4-Q-1 transmit pilot signals that are known during transmission and reception, or wireless signals that include channel information between any communication unit. The any communication unit is the wireless communication units 1-1 to 1-R provided in the position estimation device 1, or any other wireless communication unit.

位置推定装置1は、無線通信部1-1~1-Rを介して、固定端末3-iからの無線信号と、位置推定対象4-kからの無線信号と、を受信する。位置推定装置1は、受信した各無線信号から各チャネル情報をそれぞれ取得し、取得した各チャネル情報を入力特徴量生成部1-2に入力する。入力特徴量生成部1-2は、各チャネル情報を位置推定モデルへの入力に適した入力特徴量に変換し、変換した入力特徴量を位置推定モデル利用部1-3に入力する。 The position estimation device 1 receives wireless signals from the fixed terminal 3-i and wireless signals from the position estimation target 4-k via wireless communication units 1-1 to 1-R. The position estimation device 1 acquires each piece of channel information from each received wireless signal, and inputs each piece of acquired channel information to the input feature generation unit 1-2. The input feature generation unit 1-2 converts each piece of channel information into input features suitable for input to the position estimation model, and inputs the converted input features to the position estimation model utilization unit 1-3.

その後、位置推定モデル利用部1-3は、入力特徴量を、位置推定対象の位置情報とチャネル情報の入力特徴量との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルに入力することで、位置推定対象4-kの位置を推定する。Then, the position estimation model utilization unit 1-3 estimates the position of the position estimation target 4-k by inputting the input features into a position estimation model that models the relationship between the position information of the position estimation target and the input features of the channel information using machine learning.

第2例の位置推定モデルは、入力情報に位置推定対象4-kのチャネル情報が加わる点で第1例の位置推定モデルと異なる。第2例の位置推定モデルは、無線通信部3-i-1及び無線通信部4-k-1の各チャネル情報と、同一時刻・同一時間帯における位置推定対象4-kの位置情報と、の関係性を学習するように訓練される。第2例の位置推定モデルの訓練方法及び生成方法は、第1例の方法と同様である。位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定対象4-kの位置情報及び時間情報を収集し、収集した位置推定対象4-kの位置情報及び時間情報と、同一時刻・同一時間帯における無線通信部3-i-1及び無線通信部4-k-1の各チャネル情報と、の関係性を学習することで、位置推定モデルを訓練できる。The location estimation model of the second example differs from the location estimation model of the first example in that channel information of the location estimation target 4-k is added to the input information. The location estimation model of the second example is trained to learn the relationship between the channel information of the wireless communication unit 3-i-1 and the wireless communication unit 4-k-1 and the location information of the location estimation target 4-k at the same time and the same time zone. The training method and generation method of the location estimation model of the second example are similar to the method of the first example. The location estimation model training unit 1-4 can train the location estimation model by collecting the location information and time information of the location estimation target 4-k and learning the relationship between the collected location information and time information of the location estimation target 4-k and the channel information of the wireless communication unit 3-i-1 and the wireless communication unit 4-k-1 at the same time and the same time zone.

また、第2例の無線通信システムは、位置推定対象4-kに関する情報を生成する位置推定対象情報生成部1-5を更に備える点でも第1例と異なる。位置推定対象情報生成部1-5は、例えば、位置推定対象4-kの無線通信における位置推定対象ID、無線通信ID等を取得する。その他、位置推定対象情報生成部1-5は、位置推定対象4-kの検出性能を上げるための固有情報として、例えば、所有者情報、ヒト・車・ドローン等の形態、無線通信部4-k-1のアンテナ構成・アンテナ高・アンテナ数・アンテナ形状・端末種別・通信モード・消費電力モード・利用アプリケーション等の通信部情報等により分類されたカテゴリIDを生成することもできる。位置推定対象情報生成部1-5で取得・生成された情報は、位置推定モデル利用部1-3の位置推定モデルへ入力され、又は、位置推定モデル訓練部1-4へ入力される。 The wireless communication system of the second example also differs from the first example in that it further includes a location estimation target information generation unit 1-5 that generates information about the location estimation target 4-k. The location estimation target information generation unit 1-5 acquires, for example, a location estimation target ID and a wireless communication ID in wireless communication of the location estimation target 4-k. In addition, the location estimation target information generation unit 1-5 can generate a category ID classified by, for example, owner information, the form of a person, a car, a drone, etc., and communication unit information such as the antenna configuration, antenna height, number of antennas, antenna shape, terminal type, communication mode, power consumption mode, and application used of the wireless communication unit 4-k-1, as unique information for improving the detection performance of the location estimation target 4-k. The information acquired and generated by the location estimation target information generation unit 1-5 is input to the location estimation model of the location estimation model utilization unit 1-3, or input to the location estimation model training unit 1-4.

第1例と第2例との各無線通信システムの構成は、共存可能、組み合わせて構成可能である。無線通信部を備えていない位置推定対象2-jと、無線通信部を備える位置推定対象4-kと、の両方の位置推定を位置推定モデル利用部1-3で行ってもよい。その両方の位置を推定可能な位置推定モデルを位置推定モデル訓練部1-4で生成して訓練してもよい。The configurations of the wireless communication systems in the first and second examples can coexist and can be configured in combination. The position estimation model utilization unit 1-3 may perform position estimation for both the position estimation target 2-j that does not have a wireless communication unit and the position estimation target 4-k that has a wireless communication unit. The position estimation model training unit 1-4 may generate and train a position estimation model that can estimate the positions of both of them.

[位置推定モデル利用部の構成(変形例)]
図3は、位置推定モデル利用部1-3の構成(変形例)を示す図である。この構成では、位置推定モデル利用部1-3は、複数の位置推定モデルを備える。
[Configuration of position estimation model utilization unit (variation)]
3 is a diagram showing a configuration (variation) of the position estimation model utilization unit 1-3. In this configuration, the position estimation model utilization unit 1-3 includes a plurality of position estimation models.

[位置推定モデル利用部の構成]
位置推定モデル利用部1-3は、チャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0と、複数の位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-Sと、位置情報算出部1-3-2と、を備える。
[Configuration of location estimation model utilization unit]
The location estimation model utilization unit 1-3 includes a channel information source combination determination unit 1-3-0, a plurality of location estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-S, and a location information calculation unit 1-3-2.

チャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0は、複数の無線通信部(固定端末の無線通信部3-1-1~3-M-1、位置推定対象の無線通信部4-1-1~4-Q-1)から複数の無線通信部を組み合わせた組み合わせを複数予め設定しておき、各組み合わせに対して、組み合わせ内の無線通信部に係るチャネル情報から入力特徴量をそれぞれ生成する機能を備える。The channel information source combination determination unit 1-3-0 has a function of presetting multiple combinations of multiple wireless communication units (wireless communication units 3-1-1 to 3-M-1 of fixed terminals, wireless communication units 4-1-1 to 4-Q-1 of target wireless communication units for position estimation) and generating input features for each combination from channel information related to the wireless communication units in the combination.

複数の位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-Sは、上記複数の組み合わせに対応し、それぞれの組み合わせに対してチャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0で生成される入力特徴量を入力し、それぞれの位置情報を出力する機能を備える。 The multiple location estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-S correspond to the multiple combinations mentioned above, and have the function of inputting the input feature values generated by the channel information source combination determination unit 1-3-0 for each combination and outputting the respective location information.

位置情報算出部1-3-2は、複数の位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-Sから出力される複数の位置情報を用いて、位置推定対象4-kの位置を算出する機能を備える。The position information calculation unit 1-3-2 has a function of calculating the position of the position estimation target 4-k using multiple pieces of position information output from multiple position estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-S.

[位置推定モデル利用部の動作]
まず、入力特徴量が位置推定モデル利用部1-3に入力されると、チャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0は、無線信号の送信源である固定端末3-iや位置推定対象4-kの識別IDから、入力特徴量をいくつかの組み合わせに分岐する。
[Operation of the location estimation model utilization unit]
First, when the input feature quantity is input to the position estimation model utilization unit 1-3, the channel information source combination determination unit 1-3-0 branches the input feature quantity into several combinations based on the identification ID of the fixed terminal 3-i, which is the transmission source of the wireless signal, and the position estimation target 4-k.

例えば、ここで、4台の固定端末3-1~3-4からチャネル情報を収集している場合において、位置推定モデルを4つ具備する場合を考える(S=4)。位置推定モデル利用部1-3は、{3-1,3-2,3-3,3-4}、{3-1,3-2}、{3-2,3-3}、{3-1,3-4}等、4台の固定端末3-1~3-4の候補から任意を組み合わせた4つの組み合わせが予め設定される。そして、チャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0は、このような4つの組み合わせに対し、入力特徴量をコピーする等して分岐し、分岐した入力特徴量を、4つの位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-4に入力する。例えば、チャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0は、固定端末3-2から送信された無線信号に係るチャネル情報の入力特徴量が、当該固定端末3-2を含む{3-1,3-2,3-3,3-4}、{3-1,3-2}、{3-2,3-3}に割り当てられるように、その入力特徴量を3つに分岐する。For example, consider a case where channel information is collected from four fixed terminals 3-1 to 3-4 and there are four location estimation models (S=4). The location estimation model utilization unit 1-3 is preset with four combinations of arbitrary combinations of the candidates for the four fixed terminals 3-1 to 3-4, such as {3-1, 3-2, 3-3, 3-4}, {3-1, 3-2}, {3-2, 3-3}, and {3-1, 3-4}. The channel information source combination determination unit 1-3-0 then branches these four combinations by copying the input feature amount, and inputs the branched input feature amount to the four location estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-4. For example, the channel information source combination determination unit 1-3-0 branches the input feature of the channel information relating to the wireless signal transmitted from the fixed terminal 3-2 into three so that the input feature is assigned to {3-1, 3-2, 3-3, 3-4}, {3-1, 3-2}, and {3-2, 3-3}, which includes the fixed terminal 3-2.

位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-4は、予め、上記4つの組み合わせ{3-1,3-2,3-3,3-4}、{3-1,3-2}、{3-2,3-3}、{3-1,3-4}のチャネル情報と位置推定対象4-kの位置情報との間の関係性をそれぞれ学習している。位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-4は、4台の固定端末3-iの組み合わせに対するチャネル情報がそれぞれ入力されると、位置推定対象4-kの位置情報をそれぞれ出力する。位置予測対象がK個あり、2-i又は4-kのうち、合計K個の位置を予測する場合、それぞれに個別に対応した位置推定モデル利用部を具備してもよいし、共通で用いるモデルを生成し、位置予測モデルにおいてK個の位置推定対象の予測された位置を出力してもよい。又は、位置予測モデルが現時点で推定したい位置推定対象を含む複数の位置情報を出力し、このうち、予測したい位置予測対象の情報のみを選択して用いることもできる。The location estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-4 have previously learned the relationship between the channel information of the above four combinations {3-1, 3-2, 3-3, 3-4}, {3-1, 3-2}, {3-2, 3-3}, and {3-1, 3-4} and the location information of the location estimation target 4-k. When the channel information for the combination of the four fixed terminals 3-i is input, the location estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-4 output the location information of the location estimation target 4-k. When there are K location prediction targets and the positions of a total of K targets out of 2-i or 4-k are predicted, a location estimation model utilization unit corresponding to each of them may be provided, or a model to be used in common may be generated and the predicted positions of the K location estimation targets may be output in the location prediction model. Alternatively, the location prediction model may output multiple location information including the location estimation target to be estimated at the present time, and only the information of the location prediction target to be predicted may be selected and used.

ここでは、固定端末3-iの無線通信部3-i-1からチャネル情報を取得する場合を例に説明したが、位置推定対象4-kの無線通信部4-k-1からの無線信号から得られるチャネル情報を組み合わせに含めてもよい。無線信号を受信する無線通信部1-1~1-Rの組み合わせに対して位置推定モデルを生成してもよい。さらに、受信する無線通信部1-1~1-Rのうちいずれかで取得した情報も組み合わせて構成してもよい。 Here, an example has been described in which channel information is obtained from wireless communication unit 3-i-1 of fixed terminal 3-i, but the combination may also include channel information obtained from a wireless signal from wireless communication unit 4-k-1 of location estimation target 4-k. A location estimation model may be generated for a combination of wireless communication units 1-1 to 1-R that receive wireless signals. Furthermore, information obtained from any of the receiving wireless communication units 1-1 to 1-R may also be combined.

その後、位置情報算出部1-3-2は、入力された複数の位置情報を用いて、最終的な位置情報を出力する。最終的な位置情報の計算方法の例を以下説明する。 Then, the location information calculation unit 1-3-2 uses the multiple pieces of location information that have been input and outputs the final location information. An example of how to calculate the final location information is described below.

[位置情報の計算方法(第1例)]
第1の計算方法は、複数の位置情報の中から位置情報を選択する方法である。後述の実験結果に示すように、位置情報の精度は、位置情報の計算に用いる固定端末や位置推定対象の状態に依存する。簡単には、固定端末3-iは、当該端末の近くに位置推定対象が存在するほど、検出精度を高めるため、検出対象から距離が近い、推定精度に貢献する固定端末3-iが選択されたモデルの通信予測精度が高くなりやすい。このため、位置情報算出部1-3-2は、位置推定対象2-jや4-kの位置情報に基づき、どの位置推定モデルの出力を用いるかを決定することもできる。
[Location information calculation method (first example)]
The first calculation method is a method of selecting location information from a plurality of pieces of location information. As shown in the experimental results described later, the accuracy of location information depends on the state of the fixed terminal and the location estimation target used in the calculation of the location information. Simply put, the closer the location estimation target is to the fixed terminal 3-i, the higher the detection accuracy is, so that the communication prediction accuracy of the model selected for the fixed terminal 3-i that is close to the detection target and contributes to the estimation accuracy is likely to be high. For this reason, the location information calculation unit 1-3-2 can also determine which location estimation model output to use based on the location information of the location estimation targets 2-j and 4-k.

例えば、位置情報算出部1-3-2は、入力された複数の位置情報を一度平均し、仮位置情報に変換した後、位置情報の平均値や仮位置情報を基に複数の仮位置情報の中で最も高い推定精度となる位置推定モデルの出力のみを用いる。仮位置情報に対し、どの位置推定モデルを選択するべきかは、位置推定モデルを生成するための訓練データを用いて評価することができる。それぞれの位置推定モデルを生成後、教師データ(入力特徴量と正解である位置情報とからなる)をそれぞれの組み合わせで入力し、どの位置推定モデルの出力の精度が高いか評価すればよい。予測時には、複数の位置推定モデルの出力結果を仮位置情報として、予測性能がより高くなる位置推定モデルを再選択してもよい。再選択後の位置推定モデルの出力と、一度目の仮位置情報の出力と、を平均化してもよい。For example, the location information calculation unit 1-3-2 first averages the multiple pieces of input location information, converts them into provisional location information, and then uses only the output of the location estimation model that has the highest estimation accuracy among the multiple provisional location information based on the average value of the location information and the provisional location information. Which location estimation model should be selected for the provisional location information can be evaluated using training data for generating the location estimation model. After generating each location estimation model, teacher data (consisting of input features and correct location information) can be input in each combination, and it can be evaluated which location estimation model has the highest accuracy of output. During prediction, the output results of the multiple location estimation models may be used as provisional location information, and a location estimation model with higher prediction performance may be reselected. The output of the reselected location estimation model and the output of the first provisional location information may be averaged.

[位置情報の計算方法(第2例)]
第2の計算方法は、複数の位置情報に対してそれぞれ重み付け演算処理を行う方法である。位置推定対象2-jの位置情報を(X,Y,Z)の3次元情報とし、位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-4からそれぞれ出力される位置推定対象2-jの位置情報を(X1,Y1,Z1)~(X4,Y4,Z4)とする場合、位置情報算出部1-3-2は、式(1)を用いて、最終的に出力する位置推定対象2-jの位置情報(Xout,Yout,Zout)を計算する。
[Location information calculation method (second example)]
The second calculation method is a method of performing weighting calculation processing on each of a plurality of pieces of position information. When the position information of the position estimation target 2-j is three-dimensional information of (X, Y, Z) and the position information of the position estimation target 2-j outputted from the position estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-4 is ( X1 , Y1 , Z1 ) to ( X4 , Y4 , Z4 ), respectively, the position information calculation unit 1-3-2 calculates the position information ( Xout , Yout , Zout ) of the position estimation target 2-j to be finally outputted by using the formula (1).

Figure 0007688286000001
Figure 0007688286000001

w1~w4は、重み値である。w1+w2+w3+w4=1とする。w1=w2=w3=w4=0.25としてもよい。重み値は、例えば、対応する無線信号を送信した固定端末とその通信相手の位置とを結ぶ直線、対応する複数の無線信号を送信した固定端末とその通信相手の位置とを結んで得られる図形からの距離等、固定端末と通信相手との間の空間的な位置関係から算出してもよいし、線形回帰により、訓練データを用いた評価結果で決定してもよい。さらに、位置により重みを変更できるよう、位置情報の関数として、w1(x’,y’)~w4(x’,y’),w1(x’,y’)+w2(x’,y’)+w3(x’,y’)+w4(x’,y’)=1、としてもよい。ここで、(x’,y’)は前述の仮位置情報を用いることができる。 w 1 to w 4 are weight values. Let w 1 +w 2 +w 3 +w 4 =1. It may also be w 1 =w 2 =w 3 =w 4 =0.25. The weight value may be calculated from the spatial positional relationship between the fixed terminal and the communication partner, such as a straight line connecting the fixed terminal that transmitted the corresponding wireless signal and the position of the communication partner, or the distance from a figure obtained by connecting the fixed terminal that transmitted the corresponding multiple wireless signals and the position of the communication partner, or may be determined by an evaluation result using training data by linear regression. Furthermore, in order to change the weight depending on the position, it may be set as a function of the position information, as follows: w 1 (x',y') to w 4 (x',y'), w 1 (x',y') + w 2 (x',y') + w 3 (x',y') + w 4 (x',y') = 1. Here, (x',y') can be the above-mentioned tentative position information.

位置情報算出部1-3-2は、サポートベクターマシン、決定木回帰、ランダムフォレスト回帰、ニューラルネットワーク等、機械学習のアルゴリズムを用いて、訓練データを用いて入力された(X1,Y1,Z1)~(X4,Y4,Z4)から最も確からしい(Xout,Yout,Zout)を計算するようにしてもよい。 The location information calculation unit 1-3-2 may use a machine learning algorithm such as a support vector machine, decision tree regression, random forest regression, or neural network to calculate the most likely (X out , Y out , Z out ) from (X 1 , Y 1 , Z 1 ) to (X 4 , Y 4 , Z 4 ) input using training data.

[無線通信システムの動作(第1例)]
図4は、無線通信システムの動作(第1例)を示す図である。
[Operation of wireless communication system (first example)]
FIG. 4 is a diagram showing the operation (first example) of the wireless communication system.

まず、固定端末3-iの無線通信部3-i-1、位置推定対象4-kの無線通信部4-k-1、又は、その両方が、予め定められた無線通信機(位置推定装置1の無線通信部1-1と仮定する)との間で無線通信を行い、パイロット信号又はチャネル情報を含む無線信号の送信を開始する(ステップS1)。First, the wireless communication unit 3-i-1 of the fixed terminal 3-i, the wireless communication unit 4-k-1 of the location estimation target 4-k, or both, perform wireless communication with a predetermined wireless communication device (assumed to be the wireless communication unit 1-1 of the location estimation device 1) and start transmitting a wireless signal including a pilot signal or channel information (step S1).

次に、位置推定装置1の無線通信部1-1が、固定端末3-iの無線通信部3-i-1や位置推定対象4-kの無線通信部4-k-1から送信された無線信号を受信し、受信した無線信号から電波伝搬に関するチャネル情報を取得する(ステップS2)。Next, the wireless communication unit 1-1 of the position estimation device 1 receives wireless signals transmitted from the wireless communication unit 3-i-1 of the fixed terminal 3-i and the wireless communication unit 4-k-1 of the position estimation target 4-k, and acquires channel information regarding radio wave propagation from the received wireless signals (step S2).

次に、入力特徴量生成部1-2が、取得した電波伝搬に関するチャネル情報を、位置推定モデルへの入力に適した入力特徴量に変換する(ステップS3)。入力特徴量とは、例えば、変換しないチャネル情報、チャネル情報に様々な演算を施して得られる数値である。例えば、アンテナに対応するチャネル行列やチャネルベクトルを一定の値で割ったものである。チャネル行列やチャネルベクトルの絶対値やフロベニウムノルム等を一定にするよう規格化したものである。チャネル行列やチャネルベクトルを角度情報に変換したものである。チャネル行列やチャネルベクトルの絶対値やフロベニウムノルムを一定値で割ったものである。チャネル行列やチャネルベクトルをデシベル単位に変換して一定値で減算したものである。また、アンテナにおける受信電力値や、無線通信部に対応する信号電力や信号対雑音電力費の情報も、チャネル情報に含む。また、移動平均を用い、直近の一定時間におけるチャネル情報から得られる値の平均値を取得し、その値との比率や、その値で規格化した値である。それらの情報のうち少なくとも1つの時系列情報を用いることができる。入力特徴量の具体的な計算方法については、後述する。 Next, the input feature generator 1-2 converts the acquired channel information related to radio wave propagation into an input feature suitable for input to the position estimation model (step S3). The input feature is, for example, unconverted channel information, or a numerical value obtained by performing various operations on the channel information. For example, the input feature is obtained by dividing the channel matrix or channel vector corresponding to the antenna by a constant value. The absolute value or Frobenium norm of the channel matrix or channel vector is normalized to be constant. The channel matrix or channel vector is converted into angle information. The absolute value or Frobenium norm of the channel matrix or channel vector is divided by a constant value. The channel matrix or channel vector is converted into decibel units and subtracted by a constant value. The channel information also includes the received power value at the antenna, and the signal power and signal-to-noise power cost corresponding to the wireless communication unit. In addition, the moving average is used to obtain the average value of the values obtained from the channel information in the most recent fixed time, and the ratio to that value or the value normalized by that value can be used. At least one of the time series information can be used. A specific method for calculating the input feature will be described later.

また、位置推定装置1は、位置推定モデルに入力するチャネル情報以外の補助情報を別途生成し、生成した補助情報を入力特徴量に追加してもよい(ステップS4)。補助情報とは、例えば、位置推定対象2-j又は位置推定対象4-kを特定する特定情報、カメラ・センサ等の温度・位置情報、推定対象装置やその周辺の反射構造体に関する位置・速度・設定等の状態情報、気温、湿度、混雑状況、無線通信システムの設定情報である。In addition, the location estimation device 1 may generate auxiliary information other than the channel information to be input to the location estimation model, and add the generated auxiliary information to the input feature (step S4). The auxiliary information is, for example, specific information for identifying the location estimation target 2-j or the location estimation target 4-k, temperature and position information of cameras and sensors, status information such as the position, speed, and settings of the estimation target device and its surrounding reflective structures, temperature, humidity, congestion status, and setting information of the wireless communication system.

最後に、位置推定モデル利用部1-3が、変換したチャネル情報の入力特徴量を位置推定モデルに入力することで、位置推定対象2-jの位置情報を推定計算して出力する(ステップS5)。Finally, the location estimation model utilization unit 1-3 inputs the input features of the converted channel information into the location estimation model, thereby estimating, calculating, and outputting the location information of the location estimation target 2-j (step S5).

[無線通信システムの動作(第2例)]
図5は、無線通信システムの動作(第2例)を示す図である。
[Operation of wireless communication system (second example)]
FIG. 5 is a diagram showing the operation (second example) of the wireless communication system.

ステップS4までの動作は第1例の動作と同じなので、ステップS4までの説明は省略し、ステップS5以降の動作を説明する。 Since the operations up to step S4 are the same as those in the first example, the explanation up to step S4 will be omitted and the operations from step S5 onwards will be explained.

ステップS3、S4の後、位置推定モデル利用部1-3のチャネル情報源組み合わせ判定部1-3-0が、チャネル情報の入力特徴量を複数に分岐し、分岐した複数の入力特徴量を複数の位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-Sに入力し、複数の位置推定モデル1-3-1-1~1-3-1-Sが、位置推定対象2-jの複数の位置情報の候補を出力する(ステップS5)。After steps S3 and S4, the channel information source combination determination unit 1-3-0 of the position estimation model utilization unit 1-3 branches the input feature quantity of the channel information into multiple input feature quantities and inputs the multiple branched input feature quantities to multiple position estimation models 1-3-1-1 to 1-3-1-S, which then output multiple position information candidates for the position estimation target 2-j (step S5).

最後に、位置情報算出部1-3-2が、複数の位置情報の候補に対して平均化処理、フィルター処理、線形処理等を行い、更には統合モデルを用いることで、位置推定対象2-jの最終的な位置情報を計算する(ステップS6)。Finally, the location information calculation unit 1-3-2 performs averaging, filtering, linear processing, etc. on the multiple location information candidates, and further uses an integrated model to calculate the final location information of the location estimation target 2-j (step S6).

[チャネル情報の収集方法、入力特徴量の計算方法]
チャネル情報の収集方法、入力特徴量の計算方法の例を以下説明する。
[Method of collecting channel information and calculating input features]
An example of a method for collecting channel information and a method for calculating input feature quantities will be described below.

[チャネル情報の収集方法、入力特徴量の計算方法(第1例)]
第1の方法では、固定端末3-i、又は、位置推定対象4-kは、送受で既知となるパイロット信号を送信する。予め、既知のパターンを送信することで、位置推定装置1の無線通信部1-r(1≦r≦R)は、自身の無線通信部1-rのアンテナ(受信アンテナ数:Mr)と、パイロット信号を送信した無線通信部3-i-1又は無線通信部4-k-1のアンテナ(送信アンテナ数:Ni)と、の間のチャネル行列を取得できる。様々な無線通信システムで利用されているOFDM(直交波分割多重方式)であれば、複数の周波数に対応するサブキャリアのチャネル行列を得ることが可能である。
[How to collect channel information and how to calculate input features (first example)]
In the first method, the fixed terminal 3-i or the location estimation target 4-k transmits a pilot signal that is known in transmission and reception. By transmitting a known pattern in advance, the wireless communication unit 1-r (1≦r≦R) of the location estimation device 1 can obtain a channel matrix between the antenna (number of receiving antennas: Mr) of its own wireless communication unit 1-r and the antenna (number of transmitting antennas: Ni) of the wireless communication unit 3-i-1 or wireless communication unit 4-k-1 that transmitted the pilot signal. If OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) is used in various wireless communication systems, it is possible to obtain a channel matrix of subcarriers corresponding to multiple frequencies.

このようにして得られた「送信アンテナ数Ni×受信アンテナ数Mr」のチャネル行列Hから、位置推定モデル利用部1-3に入力する入力特徴量を生成する。例えば、OFDMにより複数のサブキャリアに対してチャネル行列を得る場合、η番目のサブキャリアのチャネル行列をHηと定義する。そして、入力特徴量に変換する方法としては、まず、式(2)のように、チャネル行列Hηを、予め定めたノルムで規格化した規格化チャネル行列Gηと、振幅情報γη又は電力情報γη 2と、に分離する。 From the channel matrix H of "the number of transmitting antennas Ni × the number of receiving antennas Mr" obtained in this way, an input feature to be input to the position estimation model utilization unit 1-3 is generated. For example, when a channel matrix is obtained for a plurality of subcarriers by OFDM, the channel matrix of the η-th subcarrier is defined as H η . As a method of converting into an input feature, first, as shown in formula (2), the channel matrix H η is separated into a normalized channel matrix G η normalized by a predetermined norm, and amplitude information γ η or power information γ η 2 .

Figure 0007688286000002
Figure 0007688286000002

Gηは、例えば、||Gη||F=1となるように設定できる。||・|| Fは、フロベニウムノルムを表す。γηは、一般に大きな振れ幅を持ち、10の5乗やそれ以上の値の変化がありうる。このため、γηやγη 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これを異なる周波数条件やアンテナ条件に対して複数選択したり平均したりした値γallを用いてもよい。 G η can be set so that, for example, ||G η || F =1. ||·|| F represents the Frobenium norm. γ η generally has a large fluctuation range, and the value can change by 10 to the power of 5 or more. For this reason, it is possible to convert γ η and γ η 2 into dB, specify their maximum and minimum values, and use values converted to express the range as a normalized value within a range of 0 to 1. It is also possible to use a value γ all obtained by selecting or averaging multiple values for different frequency conditions and antenna conditions.

その他、式(3)のように、振幅情報γηをアンテナ毎に分離し、ノルム値をある値に規格化した各列ベクトルg1,η~gMr,ηと、その振幅値γ1,η~γMr,ηと、を得るようにしてもよい。 Alternatively, as shown in equation (3), the amplitude information γ η may be separated for each antenna, and the norm value may be normalized to a certain value to obtain each column vector g 1, η to g Mr, η and its amplitude values γ 1, η to γ Mr, η .

Figure 0007688286000003
Figure 0007688286000003

ga,ηは、例えば、||ga,η||F=1となるように規定ベクトルとして設定できる。γa,ηやγa,η 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これをηに対して複数選択したり平均したりしたa番目の列ベクトルに対応する値γa,allを用いてもよい。 g a, η can be set as a prescribed vector so that, for example, ||g a, η || F = 1. It is also possible to use values obtained by converting γ a, η or γ a, η 2 into dB, prescribing their maximum and minimum values, and expressing the range as a normalized value within a range of 0 to 1. It is also possible to use the value γ a, all corresponding to the a-th column vector obtained by selecting or averaging multiple values for η.

その他、式(4)のように、振幅情報γηをアンテナ毎に分離し、ノルム値をある値に規格化した各行ベクトルg’1,η~g’Ni,ηと、その振幅値γ’1,η~γ’Ni,ηと、を得るようにしてもよい。 Alternatively, as shown in equation (4), the amplitude information γ η may be separated for each antenna, and row vectors g' 1, η to g' Ni, η with their norms normalized to a certain value, and their amplitude values γ' 1, η to γ' Ni, η may be obtained.

Figure 0007688286000004
Figure 0007688286000004

g’b,ηは、例えば、||g’b,η||F=1となるように規定ベクトルとして設定できる。γ’b,ηやγ’b,η 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これをηに対して複数選択したり平均したりしたb番目の列ベクトルに対応する値γ’b,allを用いてもよい。 g' b, η can be set as a prescribed vector so that, for example, ||g' b, η || F = 1. It is also possible to use values obtained by converting γ' b, η or γ' b, η 2 into dB, prescribing their maximum and minimum values, and expressing the range as a normalized value within a range of 0 to 1. It is also possible to use the value γ' b, all corresponding to the b-th column vector obtained by selecting or averaging multiple of these for η.

チャネル行列Hη、規格化チャネル行列Gη、規格化ベクトルga,η、規格化ベクトルg’b,ηは、各要素の実部と虚部をそれぞれ入力特徴量としたり、虚数のまま入力情報としたり、角度情報等の別形式に変換したり、量子化したりすることができる。 The channel matrix H η , normalized channel matrix G η , normalized vectors g a, η , and normalized vectors g' b, η can have the real and imaginary parts of each element as input features, or can be used as input information as imaginary numbers, or can be converted into another format such as angle information, or quantized.

また、上記のように、受信した信号からHのようなチャネル行列を取得することなく、単に、何かを受信した段階で、受信信号の電力をγη 2として取得してもよい。このような情報は、多くのシステムでRSSI(Received Signal Strength Index)として得ることができる。そのほか、LTEや5GシステムにおけるRSRQ(Reference Signals Received Power)やRSRP(Reference Signal Received Quality)等、電力に関するあらゆる情報を用いてもよい。 Also, as described above, the power of the received signal may be obtained as γ η 2 at the stage of simply receiving something, without obtaining a channel matrix such as H from the received signal. Such information can be obtained as RSSI (Received Signal Strength Index) in many systems. In addition, any information related to power, such as RSRQ (Reference Signals Received Power) and RSRP (Reference Signal Received Quality) in LTE and 5G systems, may be used.

また、電力情報は、時間とともに、電波伝搬環境の湿度や温度、端末や基地局の温度等により、時間変動するため、振幅値情報には、移動平均や比較情報とすることも有効である。つまり、ある時間に取得した振幅情報や電力情報やRSSIなどの値をγ[t]とすると、電力比情報ω[t]として、式(5)のような計算値を用いてもよい。 In addition, since power information fluctuates over time due to factors such as the humidity and temperature of the radio wave propagation environment and the temperatures of the terminal and base station, it is also effective to use moving averages or comparative information for the amplitude value information. In other words, if the value of amplitude information, power information, RSSI, etc. acquired at a certain time is γ[t], the calculated value as shown in equation (5) may be used as the power ratio information ω[t].

Figure 0007688286000005
Figure 0007688286000005

得られた値をそのまま用いてもよいし、dB単位としてもよい。 The value obtained may be used as is or may be expressed in dB.

また、チャネル行列Hηを用いて生成される相関行列HηHη H、Hη HHηを用いることができる。規格化チャネル行列Gηを用いて生成される相関行列GηGη H、Gη HGηを用いることができる。チャネル行列Hη、規格化チャネル行列Gη、それらの相関行列HηHη H、Hη HHη、GηGη H、Gη HGηを、複数の周波数に対して和や平均をとった行列ΣHη、ΣGη、ΣHηHη H、ΣHη HHη、ΣGηGη H、ΣGη HGηを用いることができる。これら行列のQR分解、SVD(Singular value decomposition)、固有ベクトル分解等をすることで得られる固有値、対角行列、ユニタリ行列を用いることができる。 Also, correlation matrices H η H η H , H η H H η generated using a channel matrix H η can be used. Correlation matrices G η G η H , G η H G η generated using a normalized channel matrix G η can be used. Matrices ΣH η , ΣG η , ΣH η H η H , ΣH η H H η , ΣG η G η H , ΣG η H G η obtained by summing or averaging the channel matrix H η , normalized channel matrix G η , and their correlation matrices H η H η H , H η H H η , G η G η H , and G η H G η for a plurality of frequencies can be used. Eigenvalues, diagonal matrices, and unitary matrices obtained by performing QR decomposition, SVD (Singular value decomposition), eigenvector decomposition , and the like of these matrices can be used.

また、上記行列ΣHη、ΣGη、ΣHηHη H、ΣHη HHη、ΣGηGη H、ΣGη HGηを用いて、到来波方向推定技術により得られる、通信機に対する到来方向に対する電力特性を入力特徴量としてもよい。例えば、ベクトル成分に、(1,exp(jdθ),exp(j2dθ),…,exp(jNdθ))をそれぞれ乗算して得られる値をθに対して計算できる。0~2πまでのθを任意の角度間隔で生成し、複数のθに対しての出力を入力特徴量とすることもできる。dは、予め定めた定数である。Nは、ベクトルの要素数である。 Furthermore, by using the above matrices ΣH η , ΣG η , ΣH η H η H , ΣH η H H η , ΣG η G η H , and ΣG η H G η , the power characteristics for the direction of arrival for the communication device, obtained by the direction of arrival estimation technology, may be used as the input feature. For example, the values obtained by multiplying the vector components by (1, exp(jdθ), exp(j2dθ), ..., exp(jNdθ)) can be calculated for θ. It is also possible to generate θ at any angle interval from 0 to 2π, and use the outputs for multiple θ as the input feature. d is a predetermined constant. N is the number of elements in the vector.

つまり、入力特徴量生成部1-2は、入力特徴量として、無線信号の受信電力、信号電力、受信電力や信号電力の移動平均から得られる電力比情報、複数アンテナ間の電波伝搬係数からなるチャネル行列、チャネル行列の相関行列、チャネル行列を信号処理して得られる演算行列、相関行列を信号処理して得られる演算行列、複数の周波数に対応するチャネル行列若しくは相関行列を信号処理して得られる演算行列、チャネル行列を線形演算して得られるユニタリ行列、相関行列を線形演算して得られるユニタリ行列、演算行列を線形演算して得られるユニタリ行列、チャネル行列を線形演算して得られる対角行列、相関行列を線形演算して得られる対角行列、演算行列を線形演算して得られる対角行列、チャネル行列を線形演算して得られる三角行列、相関行列を線形演算して得られる三角行列、演算行列を線形演算して得られる三角行列に関する特徴量のうち、1つ以上の特徴量の位相、振幅、実数成分、虚数成分の値、及びそれら1つ以上の値の係数の範囲を規格化した値を生成する。入力特徴量生成部1-2は、このような入力特徴量を時系列のデータとして記憶し、過去から現在までの複数の時間に対応する入力特徴量を位置推定モデルに出力する。In other words, the input feature generation unit 1-2 generates, as input features, values of the phase, amplitude, real component, imaginary component of one or more of the features related to the received power of a wireless signal, signal power, power ratio information obtained from the moving average of the received power and signal power, a channel matrix consisting of radio wave propagation coefficients between multiple antennas, a correlation matrix of the channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing the channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing the correlation matrix, an operational matrix obtained by signal processing a channel matrix or a correlation matrix corresponding to multiple frequencies, a unitary matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a unitary matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, a unitary matrix obtained by linearly operating the operational matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the operational matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, and a triangular matrix obtained by linearly operating the operational matrix, and generates values obtained by standardizing the range of the coefficients of one or more of these values. The input feature generating unit 1-2 stores such input feature values as time-series data, and outputs input feature values corresponding to a plurality of times from the past to the present to the position estimation model.

等化技術を用いる無線通信システムであれば、到来する電気信号のパスの到来時間と電力と位相条件を推定することができる。このように時系列で得られたチャネル情報であっても、電力の規格化、周波数成分への変換、既存の到来波方向技術で抽出される特徴量や角度情報を用いて位置推定モデルの入力特徴量とすることができる。 In a wireless communication system that uses equalization technology, it is possible to estimate the arrival time, power, and phase conditions of the path of an incoming electrical signal. Even channel information obtained in this way as a time series can be used as input features for a position estimation model by normalizing the power, converting it to frequency components, and using features and angle information extracted by existing direction-of-arrival technology.

[チャネル情報の収集方法、入力特徴量の計算方法(第2例)]
第2の方法では、固定端末3-i、又は、位置推定対象4-kは、ある特定の無線基地局と通信を行い、当該特定の無線基地局から送信され受信するパイロット信号からチャネル情報を推定し、何らかの形で量子化してフィードバック情報を生成し、生成したフィードバック情報を含む無線信号を送信する。位置推定装置1の無線通信部1-rは、当該無線信号を受信し、受信した無線信号の中に含まれる特定の無線基地局と固定端末3-i又は位置推定対象4-kとの間のチャネル情報を取得する。
[Method of collecting channel information and calculation of input features (second example)]
In the second method, the fixed terminal 3-i or the location estimation target 4-k communicates with a specific wireless base station, estimates channel information from a pilot signal transmitted from and received by the specific wireless base station, generates feedback information by quantizing the signal in some way, and transmits a wireless signal including the generated feedback information. The wireless communication unit 1-r of the location estimation device 1 receives the wireless signal and obtains channel information between the specific wireless base station and the fixed terminal 3-i or the location estimation target 4-k, which is included in the received wireless signal.

まず、特定の無線既知基地局から、送受で既知となるパイロット信号を送信する。予め、既知のパターンを送ることで、固定端末3-iの無線通信部3-i-1又は位置推定対象4-kの無線通信部の4-k-1は、自身の受信するアンテナ(受信アンテナ数:Ni)と、パイロット信号を送信した特定の無線基地局のアンテナ(送信アンテナ数:Mt)と、の間のチャネル行列を取得できる。様々な無線通信システムで利用されているOFDMであれば、複数の周波数に対応するサブキャリアのチャネル行列を得ることができる。 First, a pilot signal that is known for transmission and reception is transmitted from a specific known wireless base station. By transmitting a known pattern in advance, the wireless communication unit 3-i-1 of the fixed terminal 3-i or the wireless communication unit 4-k-1 of the location estimation target 4-k can obtain the channel matrix between its own receiving antenna (number of receiving antennas: Ni) and the antenna (number of transmitting antennas: Mt) of the specific wireless base station that transmitted the pilot signal. In the case of OFDM, which is used in various wireless communication systems, it is possible to obtain the channel matrix of subcarriers corresponding to multiple frequencies.

このようにして得られた「送信アンテナ数Mt×受信アンテナ数Ni」のチャネル行列Hαから、位置推定モデル利用部1-3に入力する入力特徴量を生成する。例えば、OFDMにより複数のサブキャリアに対してチャネル行列を得る場合、η番目のサブキャリアのチャネル行列をHα,ηと定義する。ここで、特定の無線基地局が位置推定装置1の無線通信部1-rである場合、送信アンテナ数Mtは、第1の方法において無線通信部1-rに対して定義した受信アンテナ数Mrと等しい。また、この場合、チャネル行列Hα,ηは、チャネル行列Hηの転置行列に対応する。 From the channel matrix of "the number of transmitting antennas Mt × the number of receiving antennas Ni" obtained in this manner, an input feature to be input to the position estimation model utilization unit 1-3 is generated. For example, when a channel matrix is obtained for a plurality of subcarriers by OFDM, the channel matrix of the η-th subcarrier is defined as Hα,η . Here, when a specific wireless base station is the wireless communication unit 1-r of the position estimation device 1, the number of transmitting antennas Mt is equal to the number of receiving antennas Mr defined for the wireless communication unit 1-r in the first method. In this case, the channel matrix Hα corresponds to the transposed matrix of the channel matrix .

そこで、入力特徴量に変換する方法としては、第1の方法と同じように、式(6)のように、チャネル行列Hα,ηを、予め定めたノルムで規格化した規格化チャネル行列Gα,ηと、振幅情報γα,η又は電力情報γη 2と、に分離する。 Therefore, as a method of converting into input features, similar to the first method, the channel matrix H α,η is separated into a normalized channel matrix G α,η normalized by a predetermined norm and amplitude information γ α,η or power information γ η2 as shown in equation ( 6 ).

Figure 0007688286000006
Figure 0007688286000006

Gα,ηは、例えば、||Gα,η||F=1となるように設定できる。||・||Fは、フロベニウムノルムを表す。γα,ηやγα,η 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これを複数選択したり平均したりした値γα,allを用いてもよい。γα,allを平均化して得る場合には、真値で平均化してもよいし、dBにしてから平均にしてもよいし、真値で平均化したものをdB単位にしてもよい。 G α, η can be set so that, for example, ||G α, η || F = 1. ||·|| F represents the Frobenium norm. γ α, η and γ α, η 2 may be converted to dB, their maximum and minimum values may be specified, and the converted values may be expressed as normalized values within a range of 0 to 1. A value γ α, all obtained by selecting or averaging multiple of these may also be used. When γ α, all is obtained by averaging, it may be averaged using true values, or may be averaged after being converted to dB, or the true values may be averaged in dB units.

その他、式(7)のように、振幅情報γα,ηをアンテナ毎に分離し、ノルム値をある値に規格化した各列ベクトルgα,1,η~gα,Ni,ηと、その振幅値γα,1,η~γα,Ni,ηと、を得るようにしてもよい。 Alternatively, as shown in equation (7), the amplitude information γα may be separated for each antenna, and the norm value may be normalized to a certain value to obtain each column vector gα ,1,η to gα ,Ni,η and its amplitude value γα ,1,η to γα ,Ni,η .

Figure 0007688286000007
Figure 0007688286000007

gα,a,ηは、例えば、||gα,a,η||F=1となるように規定ベクトルとして設定できる。γα,a,ηやγα,a,η 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これをηに対して複数選択したり平均したりしたa番目の列ベクトルに対応する値γα,a,allを用いてもよい。 g α,a,η can be set as a prescribed vector so that, for example, ||g α,a,η || F = 1. It is also possible to use values obtained by converting γ α,a,η or γ α,a,η 2 into dB, prescribing their maximum and minimum values, and expressing the range as a normalized value within a range of 0 to 1. It is also possible to use the value γ α,a,all corresponding to the a-th column vector obtained by selecting or averaging multiple of these for η.

その他、式(8)のように、振幅情報γα,ηをアンテナ毎に分離し、ノルム値をある値に規格化した各行ベクトルg’α,1,η~g’α,Mt,ηと、その振幅値γ’α,1,η~γ’α,Mt,ηと、を得るようにしてもよい。 Alternatively, as shown in equation (8), the amplitude information γα may be separated for each antenna, and row vectors g'α ,1,η ∼ g'α ,Mt,η with their norm values normalized to a certain value, and their amplitude values γ'α ,1,η ∼ γ'α ,Mt,η may be obtained.

Figure 0007688286000008
Figure 0007688286000008

g’α,b,ηは、例えば、||g’α,b,η||F=1となるように規定ベクトルとして設定できる。γ’α,b,ηやγ’α,b,η 2をdBに変換し、その最大値と最小値を規定し、その範囲を0~1の範囲内等で規格化した値で表現するように変換した値を用いてもよい。これをηに対して複数選択したり平均したりしたb番目の列ベクトルに対応する値γ’α,b,allを用いてもよい。 g' α,b,η can be set as a prescribed vector so that, for example, ||g' α,b,η || F = 1. It is also possible to use values obtained by converting γ' α,b ,η or γ' α,b,η 2 into dB, prescribing their maximum and minimum values, and expressing the range as a normalized value within a range of 0 to 1. It is also possible to use the value γ' α,b,all corresponding to the b-th column vector obtained by selecting or averaging multiple of these for η.

チャネル行列Hα,η、規格化チャネル行列Gα,η、規格化ベクトルgα,a,η、規格化ベクトルg’α,b,ηは、各要素の実部と虚部をそれぞれ入力特徴量としたり、虚数のまま入力情報としたり、角度情報等の別形式に変換したり、量子化したりすることができる。 The channel matrix H α, η , normalized channel matrix G α, η , normalized vector g α, a, η , and normalized vector g' α, b, η can have the real and imaginary parts of each element as input features, or can be used as input information as imaginary numbers, or can be converted into another format such as angle information, or quantized.

また、チャネル行列Hα,ηを用いて生成される相関行列Hα,ηHα,η H、Hα,η HHα,ηを用いることができる。規格化チャネル行列Gα,ηを用いて生成される相関行列Gα,ηGα,η H、Gα,η HGα,ηを用いることができる。チャネル行列Hα,η、規格化チャネル行列Gα,η、それらの相関行列Hα,ηHα,η H、Hα,η HHα,η、Gα,ηGα,η H、Gα,η HGα,ηを、複数の周波数に対して和や平均をとった行列ΣHα,η、ΣGα,η、ΣHα,ηHα,η H、ΣHα,η HHα,η、ΣGα,ηGα,η H、ΣGα,η Hα,ηを用いることができる。これら行列のQR分解、SVD、固有ベクトル分解等をすることで得られる固有値、対角行列、ユニタリ行列を用いることができる。 Also, correlation matrices Hα ,ηHα ,ηH and Hα , ηHHα,η generated using channel matrices Hα,η can be used. Correlation matrices Gα, ηGα ,ηH and Gα , ηHGα generated using normalized channel matrices Gα,η can be used. Matrices ΣHα , η ,ΣGα , ΣHα ,η,ΣHα , ηHα ,η,ΣHα, ηHHα,η , ΣHα ,ηHHα , η ,ΣGα ,ηGα ,ηH and ΣGα ,ηHGα , η obtained by summing or averaging the channel matrices ,η, normalized channel matrices , η and their correlation matrices Hα,ηHα , ηH, Hα ,ηHHα, η , , ηGα ,ηH and , ηHGα for a plurality of frequencies can be used. Eigenvalues, diagonal matrices, and unitary matrices obtained by performing QR decomposition, SVD, eigenvector decomposition, etc. of these matrices can be used.

一例として、無線LAN規格であるIEEE 802.11n/ac/axで用いられているチャネル情報のフィードバックを用いる場合を示す。これは、上述の例のうちチャネル行列Hα,ηのSVDで得られる右特異行列を角度情報に圧縮し、量子化したものを複数の周波数に対応して生成し、フィードバックするものである。 As an example, we will show a case where the feedback of channel information used in the wireless LAN standard IEEE 802.11n/ac/ax is used. In this case, the right singular matrix obtained by SVD of the channel matrix H α,η in the above example is compressed into angle information, which is quantized and generated corresponding to multiple frequencies, and then fed back.

Figure 0007688286000009
Figure 0007688286000009

ここで、UηはNi×Niの左特異行列、Σηは固有値λ1,η~λNi,ηを対角要素とするNi×Niの対角行列、0はNi×(Mt-Ni)のゼロを要素とする行列、(VS,η VN,ηHはMt×Mtの右特異行列であり、VS,ηは、固有値に対応するベクトルで、VN,ηは0行列に対応している。Niは、受信アンテナ数である。Mtは、送信アンテナ数である。フィードバックでは、空間多重するストリーム数分だけのベクトルと固有値を生成する。以下、受信アンテナ数Ni分のフィードバックを行う想定で記載するが、Ni以下の任意の数としてもよい。フィードバックされるのは右得意行列のうち、Ni個のベクトルVηと、固有値から得られるSNRの値となる。SNRは各サブキャリアではなく、平均化処理がなされ、例えば、λ1,η~λNi,ηを、産出されたサブキャリアで平均し、λ1,~λNiを熱雑音レベルで割った値をS1~SNiをフィードバックできる。Vηと、式(10)のように、角度情報(φ,ψ)に変換してフィードバックできる。 Here, U η is a left singular matrix of Ni×Ni, Σ η is a diagonal matrix of Ni× Ni with eigenvalues λ 1,η to λ Ni,η as diagonal elements, 0 is a matrix with zero elements of Ni×(Mt-Ni), (V S,η V N,η ) H is a right singular matrix of Mt×Mt, V S,η is a vector corresponding to the eigenvalue, and V N,η corresponds to the 0 matrix. Ni is the number of receiving antennas. Mt is the number of transmitting antennas. In the feedback, vectors and eigenvalues are generated for the number of streams to be spatially multiplexed. In the following, it is assumed that feedback is performed for the number of receiving antennas Ni, but any number less than Ni may be used. The vectors V η of the right singular matrix Ni are fed back, and the SNR value obtained from the eigenvalues. The SNR is not calculated for each subcarrier, but is averaged. For example, λ 1,η to λ Ni,η are averaged over the produced subcarriers, and λ 1, to λ Ni are divided by the thermal noise level to provide feedback as S 1 to S Ni . V η can be converted to angle information (φ, ψ) and fed back as shown in equation (10).

Figure 0007688286000010
Figure 0007688286000010

この表現は、ある周波数に注目して表記しており、式(10)のV行列は、指定されたサブキャリア数分存在し、サブキャリア毎に角度情報が生成される。更に、指定された量子化ビット数で量子化され、無線信号に格納されて送信される。位置推定装置1の無線通信部1-rは、この角度情報及びSNR情報を得ることができ、更には当該無線信号のRSSI情報を得ることができる。 This expression is written with a focus on a certain frequency, and the V matrix in equation (10) exists for the specified number of subcarriers, and angle information is generated for each subcarrier. It is then quantized with a specified number of quantization bits, stored in a wireless signal, and transmitted. The wireless communication unit 1-r of the position estimation device 1 can obtain this angle information and SNR information, and can also obtain the RSSI information of the wireless signal.

角度情報は、そのまま入力特徴量としてもよい。角度情報から算出した正弦と余弦成分を入力特徴量としてもよい。式(10)を用いて、角度情報を右特異行列に戻した行列を用いてもよい。角度情報を右特異行列に戻した後、右特異行列又はその相関行列を周波数方向に平均化した平均化行列を用いてもよい。平均化行列に更にQR分解等の信号処理を加えた行列を用いてもよい。たとえば、相関行列に戻す場合には、η番目のサブキャリアに対応するVηが得られる一方、SNRは全体での代表値しか得られない。このため、近似としてえられる、疑似相関行列は、例えば式(11)のように計算される。 The angle information may be used as the input feature as it is. The sine and cosine components calculated from the angle information may be used as the input feature. A matrix obtained by converting the angle information back to a right singular matrix using formula (10) may be used. After converting the angle information back to a right singular matrix, an averaging matrix obtained by averaging the right singular matrix or its correlation matrix in the frequency direction may be used. A matrix obtained by further performing signal processing such as QR decomposition on the averaging matrix may be used. For example, when converting back to a correlation matrix, V η corresponding to the η-th subcarrier is obtained, while only a representative value of the SNR as a whole is obtained. For this reason, a pseudo-correlation matrix obtained as an approximation is calculated, for example, as shown in formula (11).

Figure 0007688286000011
Figure 0007688286000011

ここでΘは、Vηを取得したサブキャリアのグループを表し、NΘはΘの要素数である。ここで得られる相関行列は非対角要素の下三角部分と、上三角部分が互いに複素共役の関係であるため、機械学習における入力特徴量として用いる場合には、ここで得られる疑似相関行列Rのうち、対角要素、および非対角要素のうちした左下半分、又は右上半分を用いることができる。非対角要素は虚数であるため、実部と虚部をそれぞれ実数として、入力特徴量とすることで、一般的な機械学習アルゴリズムが適用できる。 Here, Θ represents the group of subcarriers from which V η is obtained, and N Θ is the number of elements of Θ. Since the lower triangular part and the upper triangular part of the off-diagonal elements of the correlation matrix obtained here are complex conjugates of each other, when using them as input features in machine learning, the diagonal elements and the lower left half or upper right half of the off-diagonal elements of the pseudo-correlation matrix R obtained here can be used. Since the off-diagonal elements are imaginary numbers, general machine learning algorithms can be applied by using the real and imaginary parts as real numbers and using them as input features.

また、式(11)において、フィードバックされるVηの列数や、SNR(固有値)の数が、時間的に変わることが生じても、式(11)の相関行列が影響を受けないように、Vηのうち、1番目のベクトルと、1番目のSNRのみを用いて、式(11)による相関行列を求めたり、現在得られている列数(式(11)の場合では、NΘ)より小さい数のベクトル数NΘ’の列数とSNR数を選択し、相関行列を求めて、入力特徴量として求めてもよい。また、このとき、 In addition, in equation (11), even if the number of columns of V η fed back or the number of SNRs (eigenvalues) change over time, in order to prevent the correlation matrix of equation (11) from being affected, the correlation matrix of equation (11) may be calculated using only the first vector and the first SNR of V η , or the number of columns and SNRs of vector number N Θ ', which is smaller than the number of columns currently obtained (N Θ in the case of equation (11)), may be selected to calculate the correlation matrix and obtain it as the input feature.

Figure 0007688286000012
Figure 0007688286000012

として計算することで、算出されるRの要素が0~1または-1~1の範囲となるようにすることもでき、深層学習に入力するさいの規格化の処理を省くこともできる。 By calculating as above, the elements of the calculated R can be in the range of 0 to 1 or -1 to 1, and the standardization process can be omitted when inputting it into deep learning.

さらに、前述のように、1番目のベクトルを選択する方法で相関行列を求める場合には、1番目の対角要素は1となるため、単に、 Furthermore, as mentioned above, when calculating the correlation matrix by selecting the first vector, the first diagonal element is 1, so simply

Figure 0007688286000013
Figure 0007688286000013

として相関行列を計算できる。ここで、Vη,1はVηの1番目の列ベクトルを表す。 We can calculate the correlation matrix as follows: where V η,1 represents the first column vector of V η .

また、右得意行列Vを角度情報から復元した場合、各列ベクトルの最後の要素の虚部は必ず0になるため、右特異行列をM×Niの行列として得たとすると、各要素の実部と虚部の数値から、2×Mt×Ni-Niの数値が意味のある情報となる。例えば、右特異行列を4×1の行列とした場合、実部4、虚部3の計7つの要素が意味のある情報であり、4×2の行列を得た場合は、実部8、虚部6の計14つの要素が意味のある情報である。各列の最後の要素の虚部は0であるため、各列の最後の要素は用いなくてもよい。 In addition, when the right singular matrix V is restored from angle information, the imaginary part of the last element of each column vector is always 0, so if the right singular matrix is obtained as an M×Ni matrix, the value 2×Mt×Ni-Ni becomes meaningful information from the numerical values of the real and imaginary parts of each element. For example, if the right singular matrix is a 4×1 matrix, a total of 7 elements with a real part of 4 and an imaginary part of 3 are meaningful information, and if a 4×2 matrix is obtained, a total of 14 elements with a real part of 8 and an imaginary part of 6 are meaningful information. Since the imaginary part of the last element of each column is 0, the last element of each column does not need to be used.

[実験結果]
具体的な例と屋内実験結果を交えて、本実施形態の位置推定方法とその効果を説明する。
[Experimental Results]
The position estimation method and its effects according to this embodiment will be described with reference to specific examples and indoor experimental results.

図6に示す屋内の実験環境エリア内に、4台の固定端末3-1~3-4と、1台の位置推定対象2-1、4-1と、2つの無線通信部1-1、1-2が接続された位置推定装置1と、を配置した。位置推定対象2-1、4-1は、実験環境エリア内の中央部を8の字で走行している。固定端末3-1~3-4は、アクセスポイントである基地局(AP:Access Point)と無線通信を行っている。 Four fixed terminals 3-1 to 3-4, one location estimation target 2-1, 4-1, and a location estimation device 1 connected to two wireless communication units 1-1, 1-2 were placed in the indoor experimental environment area shown in Figure 6. The location estimation targets 2-1, 4-1 are moving in a figure-8 pattern in the center of the experimental environment area. The fixed terminals 3-1 to 3-4 communicate wirelessly with a base station (AP), which is an access point.

固定端末3-1~3-4と位置推定対象4-1は、APから100ms毎にチャネル情報の報告を求められており、無線LANの標準化規格IEEE 802.11acで定められたチャネル情報のフィードバック方法によりチャネル情報の角度情報をフィードバック送信している。APのアンテナ数は、4つである。固定端末3-1~3-4と位置推定対象2-1と無線通信部1-1と1-2の各アンテナ数は、それぞれ、2つである。 The fixed terminals 3-1 to 3-4 and the location estimation target 4-1 are requested by the AP to report channel information every 100 ms, and transmit channel information angle information as feedback using the channel information feedback method defined in the wireless LAN standard IEEE 802.11ac. The AP has four antennas. The fixed terminals 3-1 to 3-4, the location estimation target 2-1, and the wireless communication units 1-1 and 1-2 each have two antennas.

2つの無線通信部1-1、1-2は、固定端末3-1~3-4とAPとの間のチャネル行列の右特異行列から生成した角度情報、SNR、及び、固定端末3-1~3-4からの無線信号の無線通信部1-1、1-2におけるRSSIの値を得ることができる。無線通信部1-1、1-2からのRSSIは、各1つ取得した。The two wireless communication units 1-1 and 1-2 can obtain angle information generated from the right singular matrix of the channel matrix between the fixed terminals 3-1 to 3-4 and the AP, SNR, and the RSSI value at the wireless communication units 1-1 and 1-2 of the wireless signal from the fixed terminals 3-1 to 3-4. One RSSI was obtained from each of the wireless communication units 1-1 and 1-2.

入力特徴量生成部1-2は、前述の数式に従い角度情報からユニタリ行列を算出し、算出したユニタリ行列を周波数で平均化する。これにより、実部8、虚部6の計14つの成分が得られる。また、2つのSNR情報のdB値を0から1の範囲で分布するように規格化したものと、無線通信部1-1、1-2の受信アンテナにおけるRSSIのdB値を0から1の範囲で分布するように規格化したものと、の14+2+2=18の入力特徴量が、固定端末毎に100ms周期で取得される。 The input feature generation unit 1-2 calculates a unitary matrix from the angle information according to the above-mentioned formula, and averages the calculated unitary matrix by frequency. This results in a total of 14 components, with 8 real parts and 6 imaginary parts. In addition, 14+2+2=18 input features, including the dB values of the two pieces of SNR information normalized to be distributed in the range of 0 to 1, and the dB values of the RSSI at the receiving antennas of the wireless communication units 1-1 and 1-2 normalized to be distributed in the range of 0 to 1, are acquired for each fixed terminal at a cycle of 100 ms.

ここで、位置推定モデルの生成方法を説明する。 Here we explain how to generate a location estimation model.

本実施形態に係る位置推定モデルを生成するため、屋内の実験環境エリア内において、位置推定対象2-1である自律走行ロボットを8時間走行させた。図6における8の字状に残る線がロボットの実際の経路であり、まったく同じ経路は通らないように、60cmの区間にランダムに設定された途中ゴールを通過しながら走行するように、走行データを設定した。この際、位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定対象に具備されたLIDAR(light detection and ranging)とタイヤの制御情報とから得られる高精度な自律走行ロボットの位置情報と、上述の伝搬伝搬に関する入力特徴量と、を200ms周期で同じ時系列で整理した訓練データを生成する。前述のように、入力特徴量の生成周期は100msであるが、200ms周期で区切った時間幅で得られる最新の情報を選択して用いて訓練データを生成した。 In order to generate a position estimation model according to this embodiment, an autonomous robot, which is a position estimation target 2-1, was run for 8 hours in an indoor experimental environment area. The lines remaining in the figure of eight in FIG. 6 are the actual path of the robot, and the running data was set so that the robot would run while passing through intermediate goals set randomly in 60 cm sections so as not to follow exactly the same path. At this time, the position estimation model training unit 1-4 generates training data in which highly accurate position information of the autonomous robot obtained from the LIDAR (light detection and ranging) and tire control information equipped in the position estimation target and the above-mentioned input feature amount related to propagation are arranged in the same time series at 200 ms intervals. As mentioned above, the generation period of the input feature amount is 100 ms, but the latest information obtained in a time width divided by a 200 ms interval was selected and used to generate training data.

そして、生成した8時間分の訓練データを用いて、GRU(Gated Reccurent Unit)と直接結合とを用いた深層ニューラルネットワークによる位置推定モデルを訓練した。学習率は0.0002、最適化アルゴリズムはADAMを用いた。GRUは隠れ層1、次元を35とし、入力35、出力35の2つの直接結合層と、入力35、出力2の1つの直接結合層と、を用いて、実験環境エリア内におけるX座標とY座標情報を出力するように、重みとバイアスを逆伝搬により更新した。バリデーション用として用いる15分のデータにより、MSEが最小となる更新後の位置推定モデルを用いた。 Then, using the generated training data for 8 hours, a location estimation model was trained using a deep neural network that uses GRU (Gated Recurent Unit) and direct connections. The learning rate was 0.0002, and the optimization algorithm used was ADAM. The GRU had 1 hidden layer and a dimension of 35, and the weights and biases were updated by backpropagation to output X and Y coordinate information within the experimental environment area using two direct connection layers with input 35 and output 35, and one direct connection layer with input 35 and output 2. The updated location estimation model that minimized the MSE using 15 minutes of data used for validation was used.

入力特徴量生成部1-2は、1つの固定端末3-iに対して、前述の通り18の入力特徴量を生成する。位置推定モデル利用部1-3は、固定端末3-1~3-4のそれぞれの入力特徴量(18×1=18)のセットのみを用いた4つの位置推定モデルをモデル1A~モデル4Aとして用い、固定端末3-1~3-4の全ての入力特徴量(18×4=72)を用いた1つの位置推定モデルをモデル5Aとして用いた。また、実験環境エリアを図7に示すようにArea A~Fの6つに分割した。The input feature generator 1-2 generates 18 input features for each fixed terminal 3-i as described above. The location estimation model utilization unit 1-3 uses four location estimation models using only the sets of input features (18 x 1 = 18) of each of the fixed terminals 3-1 to 3-4 as Model 1A to Model 4A, and one location estimation model using all the input features (18 x 4 = 72) of the fixed terminals 3-1 to 3-4 as Model 5A. The experimental environment area was divided into six areas, Areas A to F, as shown in Figure 7.

そして、8の字走行を行う位置推定対象2-1の位置を5つの位置推定モデル1A~5Aでそれぞれ推定した後、推定した5つの位置情報の平均値を基に、位置推定対象2-1がArea A~Fのうちどのエリアに所属するか判定する。その後、位置情報算出部1-3-2において、所属するエリアで最も良い位置推定モデルの出力を選択し、その位置推定モデルをモデル6Aとして位置推定精度の結果を評価した。 The position of the position estimation target 2-1, which is traveling in a figure-of-eight pattern, is then estimated using each of the five position estimation models 1A to 5A, and a decision is made as to which area (A to F) the position estimation target 2-1 belongs to, based on the average value of the five estimated position information. After that, the position information calculation unit 1-3-2 selects the output of the best position estimation model for the area to which the target belongs, and the position estimation accuracy results are evaluated using this position estimation model as model 6A.

具体的には、前述の訓練データとは別に、3時間、チャネル情報を収集させ、このとき生成した位置推定結果を、前述と同様に予め収集していた高精度の位置推定対象の正解位置情報と照合して、誤差[m]を評価する。位置情報算出部1-3-2は、Area A、Bではモデル5A、Area Cではモデル4A、Area Dではモデル2A、Area Eではモデル4A、Area Fではモデル2Aを選択した。 Specifically, separate from the training data mentioned above, channel information was collected for three hours, and the location estimation results generated at this time were compared with the correct location information of the target with high accuracy that had been collected in advance as described above, to evaluate the error [m]. The location information calculation unit 1-3-2 selected Model 5A for Areas A and B, Model 4A for Area C, Model 2A for Area D, Model 4A for Area E, and Model 2A for Area F.

位置推定誤差を評価した評価結果を図8に示す。単位はメートルである。いずれも1m以下の高い推定精度を得ており、4台の固定端末からチャネル情報を収集したモデル5Aで50cm以下の精度を得た。さらに、場所により、適切な入力特徴量に対応する位置推定モデルを選択したモデル6Aは、全てのチャネル情報を常に用いる場合よりも、更に高い位置推定精度を得ており、30cmを下回ることが確認できる。 Figure 8 shows the results of the evaluation of location estimation error. The unit is meters. All models achieved a high estimation accuracy of less than 1m, with model 5A, which collected channel information from four fixed terminals, achieving an accuracy of less than 50cm. Furthermore, model 6A, which selected a location estimation model corresponding to the appropriate input feature depending on the location, achieved an even higher location estimation accuracy than when all channel information was always used, achieving an accuracy of less than 30cm.

更に、位置推定対象が無線通信部を備える場合を考えるため、図6において、位置推定対象4-1から100ms周期で無線信号を送信させた。この無線信号を更に用いて位置推定モデルを生成する場合を説明する。位置推定対象4-1と固定端末3-1の両チャネル情報から生成した入力特徴量(18×2=36)により位置推定モデルを生成した位置推定モデルをモデル1Bとした。位置推定対象4-1と固定端末3-2の両チャネル情報から生成した入力特徴量(18×2=36)により位置推定モデルを生成した位置推定モデルをモデル2Bとした。位置推定対象4-1と固定端末3-3の両チャネル情報から生成した入力特徴量(18×2=36)により位置推定モデルを生成した位置推定モデルをモデル3Bとした。位置推定対象4-1と固定端末3-4の両チャネル情報から生成した入力特徴量(18×2=36)により位置推定モデルを生成した位置推定モデルをモデル4Bとした。位置推定対象4-1と固定端末3-1~3-4の5つの固定端末から収集した入力特徴量(18×5=90)で生成した位置推定モデルをモデル5Bとした。更に、モデル1B~5Bで生成した位置推定結果を平均した結果からどのエリアに存在するか判定し、最も適した位置推定モデルを選択した結果をモデル6Bとした。 Furthermore, in order to consider a case where the location estimation target has a wireless communication unit, in FIG. 6, a wireless signal is transmitted from the location estimation target 4-1 at a period of 100 ms. A case where this wireless signal is further used to generate a location estimation model is described. The location estimation model generated using the input feature amount (18×2=36) generated from both channel information of the location estimation target 4-1 and the fixed terminal 3-1 is model 1B. The location estimation model generated using the input feature amount (18×2=36) generated from both channel information of the location estimation target 4-1 and the fixed terminal 3-2 is model 2B. The location estimation model generated using the input feature amount (18×2=36) generated from both channel information of the location estimation target 4-1 and the fixed terminal 3-3 is model 3B. The location estimation model generated using the input feature amount (18×2=36) generated from both channel information of the location estimation target 4-1 and the fixed terminal 3-4 is model 4B. The location estimation model generated from the input feature values (18 x 5 = 90) collected from the location estimation target 4-1 and the five fixed terminals 3-1 to 3-4 was named model 5B. Furthermore, the location estimation results generated by models 1B to 5B were averaged to determine which area the target was in, and the most suitable location estimation model was selected, which was named model 6B.

この場合の位置推定誤差を評価した評価結果を図9に示す。Area A,Bではモデル5B、Area Cではモデル1B、Area Dではモデル3B、Area E、Fではモデル4Bが選択された。前述の固定端末のみを用いる場合と選択モデルが異なるのは、基本的に位置推定対象4-1のチャネル情報の寄与が大きいため、位置推定対象4-1と相関の低い情報ほど重要となっているためである。また、位置推定対象の情報が得られることで位置推定精度が全体に向上していることも確認できる。この場合では、全ての固定端末のチャネル情報を用いて単一の位置推定モデルを生成したモデル5Bは、モデル1B、3B、4Bより顕著な改善がない。一方、複数の位置推定モデルのうち、位置情報算出部1-3-2で選択処理を行ったモデル6は位置推定精度を大きく改善しており、モデル5Bよりも20%誤差を低減している。 The evaluation results of the location estimation error in this case are shown in Figure 9. Model 5B was selected in Areas A and B, Model 1B in Area C, Model 3B in Area D, and Model 4B in Areas E and F. The reason why the selected model is different from the case where only fixed terminals are used is that the contribution of the channel information of the location estimation target 4-1 is basically large, so the information with a low correlation with the location estimation target 4-1 is more important. It can also be confirmed that the location estimation accuracy is improved overall by obtaining the information of the location estimation target. In this case, model 5B, which generates a single location estimation model using the channel information of all fixed terminals, does not show a significant improvement over models 1B, 3B, and 4B. On the other hand, among the multiple location estimation models, model 6, which was selected by the location information calculation unit 1-3-2, has greatly improved the location estimation accuracy, reducing the error by 20% compared to model 5B.

さらに、用いる入力特徴量の種類と、生成した位置推定モデルの有効期限を確認するため、追加の実験を行った。この実験では、図6において示される固定端末3-1~3-4をそのまま用い、無線通信機は1-1だけとした。さらに、位置推定モデルに入力する入力特徴量の時間間隔は500msとして取得する頻度を1/5にした。さらに、時系列方向に15サンプル(7.5秒)を用いた。このとき、7日間の中で実験を行った4日分のデータ(27時間)のデータを用いて、GRU(Gated Reccurent Unit)と直接結合とを用いた深層ニューラルネットワークによる位置推定モデルを訓練した。学習率は0.0002、最適化アルゴリズムはADAMを用いた。GRUは隠れ層1、次元を35とし、入力35、出力35の2つの直接結合層と、入力35、出力2の1つの直接結合層と、を用いて、実験環境エリア内におけるX座標とY座標情報を出力するように、重みとバイアスを逆伝搬により更新した。 In addition, an additional experiment was conducted to confirm the type of input feature used and the validity period of the generated location estimation model. In this experiment, the fixed terminals 3-1 to 3-4 shown in Figure 6 were used as they were, and only the wireless communication device 1-1 was used. Furthermore, the time interval of the input feature input to the location estimation model was set to 500 ms, and the frequency of acquisition was set to 1/5. Furthermore, 15 samples (7.5 seconds) were used in the time series direction. In this case, the location estimation model was trained using a deep neural network using GRU (Gated Recurent Unit) and direct coupling using data from 4 days (27 hours) of data from the experiment conducted over 7 days. The learning rate was 0.0002, and the optimization algorithm used was ADAM. The GRU had 1 hidden layer and a dimension of 35, and the weights and biases were updated by backpropagation to output X- and Y-coordinate information within the experimental environment area using two direct coupling layers with input 35 and output 35 and one direct coupling layer with input 35 and output 2.

ここでは、4つの固定端末からは、フィードバック情報から数式Cにより算出した相関行列Rの対角要素(4)と非対角項の左下三角行列の虚数と実数(12)、フィードバック情報に含まれるSNR(2)、及びフィードバック信号を受信したRSSI(2)の計20の情報を、各端末から取得して入力特徴量とした。固定端末は4台あるため、入力特徴量は80となる。 Here, a total of 20 pieces of information were obtained from each of the four fixed terminals as input features: the diagonal elements (4) of the correlation matrix R calculated from the feedback information using formula C, the imaginary and real numbers (12) of the lower left triangular matrix of the off-diagonal terms, the SNR (2) included in the feedback information, and the RSSI (2) at which the feedback signal was received. As there are four fixed terminals, the total number of input features is 80.

まず、深層学習において、27時間分で訓練し、当該7日間の実験期間で、訓練とは別に測定した、3時間分の自律走行ロボットの位置とチャネル情報のデータから、予測結果の精度を評価すると、0.1969[m]という高い予測精度となることが確認された。今度は、この位置予測モデルがどの程度の時間有効であるか確認するため、この7日間の測定から、さらに7日後に当該モデルを用いた位置予測実験を行った。その結果が図10である。まずアップデート無し、と記載された行と時間に対しての推定精度を見ると、予測精度は6mを超えており、まったく使い物にならない状態となったことがわかる。固定端末による位置予測では、モデルのアップデートが重要である。First, deep learning was used for 27 hours of training, and the accuracy of the prediction results was evaluated based on 3 hours of data on the autonomous robot's position and channel information measured during the 7-day experiment period, which was separate from the training. This confirmed a high prediction accuracy of 0.1969 [m]. Next, to confirm how long this location prediction model would be effective, a location prediction experiment was conducted using the model 7 days after the 7-day measurement. The results are shown in Figure 10. First, looking at the line marked "No update" and the estimated accuracy for the time, we can see that the prediction accuracy exceeded 6m, making it completely unusable. Model updates are important for location prediction using fixed terminals.

次に、その日の朝10:30から、33分、訓練データを収集し、GRUと全結合のモデルを学習率は0.0001、最適化アルゴリズムはADAMを用い、ファインチューニングを行い、同じようにこの日の自律走行ロボットの位置を予測した。この結果が図10のファインチューニングの結果である。1日の間でも、推定精度が変化するが、チューニング後、5時間程度は1m以下の位置予測精度を有することがわかる。このように、位置推定モデル訓練部は、定期的に、訓練データを収集して、位置推定モデルのアップデートを行うことで、高い推定精度を維持することができる。Next, training data was collected for 33 minutes from 10:30 that morning, and a GRU and fully connected model was fine-tuned using a learning rate of 0.0001 and the ADAM optimization algorithm, and the autonomous robot's position for that day was predicted in the same way. The fine-tuning results are shown in Figure 10. Although the estimation accuracy changes even over the course of a day, it can be seen that after tuning, the position prediction accuracy was below 1m for about 5 hours. In this way, the position estimation model training unit can maintain high estimation accuracy by periodically collecting training data and updating the position estimation model.

[本実施形態の効果]
本実施形態によれば、位置推定装置1は、固定端末の無線通信部から送信される無線信号を受信し、前記無線信号から電波伝搬に関するチャネル情報を取得する無線通信部1-1~1-Rと、前記チャネル情報を位置推定モデルに入力可能な入力特徴量に変換する入力特徴量生成部1-2と、前記入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記固定端末と同じ環境内に位置する位置推定対象の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した位置推定モデルに入力することで、前記位置推定対象の位置を推定計算する位置推定モデル利用部1-3と、を備える。つまり、無線通信端末の無線信号に含まれる電波伝搬に関するチャネル情報と位置推定モデルとを用いて位置推定対象の位置を推定するので、位置推定対象の位置推定を汎用的な無線通信で行うことが可能となり、位置推定対象の位置を低コストで推定可能な技術を提供できる。
[Effects of this embodiment]
According to this embodiment, the position estimation device 1 includes wireless communication units 1-1 to 1-R that receive wireless signals transmitted from wireless communication units of fixed terminals and acquire channel information related to radio wave propagation from the wireless signals, an input feature generating unit 1-2 that converts the channel information into input feature information that can be input to a position estimation model, and a position estimation model utilizing unit 1-3 that inputs the input feature information into a position estimation model that models the relationship between the channel information related to radio wave propagation and the position information of a position estimation target located in the same environment as the fixed terminal by machine learning, thereby estimating and calculating the position of the position estimation target. In other words, the position of the position estimation target is estimated using channel information related to radio wave propagation included in the wireless signal of the wireless communication terminal and the position estimation model, so that the position estimation of the position estimation target can be performed by general-purpose wireless communication, and a technology that can estimate the position of the position estimation target at low cost can be provided.

[その他]
本発明は、上記実施形態に限定されない。本発明は、本発明の要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
[others]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope of the present invention.

上記説明した本実施形態の位置推定装置1は、例えば、図11に示すように、CPU901と、メモリ902と、ストレージ903と、通信装置904と、入力装置905と、出力装置906と、を備えた汎用的なコンピュータシステムを用いて実現できる。メモリ902及びストレージ903は、記憶装置である。当該コンピュータシステムにおいて、CPU901がメモリ902上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、位置推定装置1の各機能が実現される。The position estimation device 1 of the present embodiment described above can be realized, for example, as shown in FIG. 11, using a general-purpose computer system including a CPU 901, a memory 902, a storage 903, a communication device 904, an input device 905, and an output device 906. The memory 902 and the storage 903 are storage devices. In the computer system, the CPU 901 executes a predetermined program loaded onto the memory 902, thereby realizing each function of the position estimation device 1.

位置推定装置1は、1つのコンピュータで実装されてもよい。位置推定装置1は、複数のコンピュータで実装されてもよい。位置推定装置1は、コンピュータに実装される仮想マシンであってもよい。位置推定装置1用のプログラムは、HDD、SSD、USBメモリ、CD、DVD等のコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶できる。位置推定装置1用のプログラムは、通信ネットワークを介して配信することもできる。 The position estimation device 1 may be implemented in one computer. The position estimation device 1 may be implemented in multiple computers. The position estimation device 1 may be a virtual machine implemented in a computer. The program for the position estimation device 1 may be stored in a computer-readable recording medium such as a HDD, SSD, USB memory, CD, or DVD. The program for the position estimation device 1 may also be distributed via a communication network.

1:位置推定装置
1-1~1-R:無線通信部
1-2:入力特徴量生成部
1-3:位置推定モデル利用部
1-3-0:チャネル情報源組み合わせ判定部
1-3-1-1~1-3-1-S:位置推定モデル
1-3-2:位置情報算出部
1-4:位置推定モデル訓練部
1-5:位置推定対象情報生成部
2-1~2-P:位置推定対象
3-1~3-M:固定端末
3-1-1~3-M-1:無線通信部
4-1~4-Q:位置推定対象
4-1-1~4-Q-1:無線通信部
901:CPU
902:メモリ
903:ストレージ
904:通信装置
905:入力装置
906:出力装置
1: Position estimation device
1-1 to 1-R: Wireless communication unit
1-2: Input feature generation unit
1-3: Location estimation model utilization section
1-3-0: Channel information source combination judgment unit
1-3-1-1 to 1-3-1-S: Position estimation model
1-3-2: Location information calculation section
1-4: Location estimation model training section
1-5: Location estimation target information generation unit
2-1 to 2-P: Location estimation target
3-1 to 3-M: Fixed terminals
3-1-1 to 3-M-1: Wireless communication department
4-1 to 4-Q: Location estimation target
4-1-1 to 4-Q-1: Wireless communication section
901: CPU
902: Memory
903: Storage
904: Communications equipment
905: Input device
906: Output device

Claims (6)

固定端末の無線通信部から送信される無線信号を受信し、前記無線信号から電波伝搬に関する第1のチャネル情報を取得する無線通信部と、
前記第1のチャネル情報を第1の位置推定モデルに入力可能な第1の入力特徴量に変換する入力特徴量生成部と、
前記第1の入力特徴量を、前記固定端末の無線通信部から過去に送信された無線信号の電波伝搬に関する第2のチャネル情報と前記固定端末と同じ環境内に位置する第1の位置推定対象の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した前記第1の位置推定モデルに入力することで、前記環境内に含まれる第2の位置推定対象の第1の位置を推定計算する位置推定モデル利用部と、を備え、
前記固定端末の無線通信部は、複数の無線通信部であって、
前記位置推定モデル利用部は、
前記複数の無線通信部の中から2つ以上の無線通信部を相異なるように組み合わせた無線通信部に関する複数の組み合わせを有し、前記複数の無線通信部のうちいずれかの無線通信部から送信された無線信号の電波伝搬に関する第3のチャネル情報に関する第2の入力特徴量を、前記複数の組み合わせのうち当該無線通信部を含む複数の組み合わせに対して生成するチャネル情報源組み合わせ判定部と、
当該複数の組み合わせに対応する相異なる複数の第2の位置推定モデルであって、前記第2の入力特徴量をそれぞれ入力し、前記第2の位置推定対象の第2の位置をそれぞれ出力する前記複数の第2の位置推定モデルと、
前記複数の第2の位置推定モデルから出力された複数の前記第2の位置推定対象の前記第2の位置を用いて、前記第2の位置推定対象の前記第1の位置を算出する位置情報算出部と、
を備える位置推定装置。
a wireless communication unit that receives a wireless signal transmitted from the wireless communication unit of the fixed terminal and acquires first channel information related to radio wave propagation from the wireless signal;
an input feature generator that converts the first channel information into a first input feature that can be input to a first location estimation model;
a location estimation model utilization unit that estimates and calculates a first location of a second location estimation target included in the same environment as the fixed terminal by inputting the first input feature amount to the first location estimation model that models, by machine learning, a relationship between second channel information related to radio wave propagation of a wireless signal previously transmitted from a wireless communication unit of the fixed terminal and location information of a first location estimation target located in the same environment as the fixed terminal ,
The wireless communication unit of the fixed terminal includes a plurality of wireless communication units,
The position estimation model utilization unit
a channel information source combination determination unit that has a plurality of combinations of wireless communication units in which two or more wireless communication units are combined in different ways from among the plurality of wireless communication units, and that generates a second input feature amount related to third channel information related to radio wave propagation of a wireless signal transmitted from any of the plurality of wireless communication units for a plurality of combinations including the wireless communication unit among the plurality of combinations;
a plurality of different second location estimation models corresponding to the plurality of combinations, the plurality of second location estimation models each receiving the second input feature amount and each outputting a second location of the second location estimation target;
a position information calculation unit that calculates the first position of the second position estimation target by using the second positions of the second position estimation targets output from the second position estimation models;
A position estimation device comprising:
前記位置推定モデル利用部は、
前記第1の入力特徴量と、前記第1の位置推定対象又は前記第2の位置推定対象の無線通信部から送信され無線信号の電波伝搬に関する第4のチャネル情報に関する第3の入力特徴量とを、前記第1の位置推定モデルに入力することで、前記第2の位置推定対象の前記第1の位置を推定計算する請求項1に記載の位置推定装置。
The position estimation model utilization unit
2. The position estimation device according to claim 1 , wherein the first position of the second position estimation target is estimated and calculated by inputting the first input feature and a third input feature related to fourth channel information related to radio wave propagation of a wireless signal transmitted from a wireless communication unit of the first position estimation target or the second position estimation target into the first position estimation model.
前記入力特徴量生成部は、
前記第1の入力特徴量として、前記無線信号の受信電力、信号電力、受信電力又は信号電力の移動平均から得られる電力比情報、複数アンテナ間の電波伝搬係数からなるチャネル行列、前記チャネル行列の相関行列、前記チャネル行列を信号処理して得られる演算行列、前記相関行列を信号処理して得られる演算行列、複数の周波数に対応する前記チャネル行列又は前記相関行列を信号処理して得られる演算行列、前記チャネル行列を線形演算して得られるユニタリ行列、前記相関行列を線形演算して得られるユニタリ行列、前記演算行列を線形演算して得られるユニタリ行列、前記チャネル行列を線形演算して得られる対角行列、前記相関行列を線形演算して得られる対角行列、前記演算行列を線形演算して得られる対角行列、前記チャネル行列を線形演算して得られる三角行列、前記相関行列を線形演算して得られる三角行列、前記演算行列を線形演算して得られる三角行列に関する特徴量のうち、つ以上の特徴量の位相、振幅、実数成分、虚数成分の値、及び当該1つ以上の値の係数の範囲を規格化した値を生成する請求項1又は2に記載の位置推定装置。
The input feature generation unit
3. The position estimation device according to claim 1 or 2 , wherein, as the first input feature, among feature quantities related to the received power, signal power, power ratio information obtained from a moving average of the received power or signal power of the wireless signal, a channel matrix consisting of radio wave propagation coefficients between a plurality of antennas, a correlation matrix of the channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing the channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing the correlation matrix, an operational matrix obtained by signal processing the channel matrix or the correlation matrix corresponding to a plurality of frequencies, a unitary matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a unitary matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, a unitary matrix obtained by linearly operating the operational matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating the operational matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating the channel matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating the correlation matrix, and a triangular matrix obtained by linearly operating the operational matrix, the device generates values obtained by standardizing values of phase, amplitude, real component, and imaginary component of one or more feature quantities, and a coefficient range of the one or more values.
前記入力特徴量生成部は、
前記第1の入力特徴量を時系列のデータとして記憶し、過去から現在までの間に記憶していた前記第1の入力特徴量を前記第1の位置推定モデルに対して出力する請求項に記載の位置推定装置。
The input feature generation unit
4. The position estimation device according to claim 3 , wherein the first input feature amount is stored as time-series data, and the first input feature amount stored from the past to the present is output to the first position estimation model.
位置推定装置で行う位置推定方法において、
固定端末の無線通信部から送信される無線信号を受信し、前記無線信号から電波伝搬に関する第1のチャネル情報を取得する第1のステップと、
前記第1のチャネル情報を第1の位置推定モデルに入力可能な第1の入力特徴量に変換する第2のステップと、
前記第1の入力特徴量を、前記固定端末の無線通信部から過去に送信された無線信号の電波伝搬に関する第2のチャネル情報と前記固定端末と同じ環境内に位置する第1の位置推定対象の位置情報との関係性を機械学習によりモデル化した前記第1の位置推定モデルに入力することで、前記環境内に含まれる第2の位置推定対象の第1の位置を推定計算する第3のステップと、を行い、
前記固定端末の無線通信部は、複数の無線通信部であって、
前記第3のステップでは、
チャネル情報源組み合わせ判定部が、前記複数の無線通信部の中から2つ以上の無線通信部を相異なるように組み合わせた無線通信部に関する複数の組み合わせを有し、前記複数の無線通信部のうちいずれかの無線通信部から送信された無線信号の電波伝搬に関する第3のチャネル情報に関する第2の入力特徴量を、前記複数の組み合わせのうち当該無線通信部を含む複数の組み合わせに対して生成し、
当該複数の組み合わせに対応する相異なる複数の第2の位置推定モデルが、前記第2の入力特徴量をそれぞれ入力し、前記第2の位置推定対象の第2の位置をそれぞれ出力し、
位置情報算出部が、前記複数の第2の位置推定モデルから出力された複数の前記第2の位置推定対象の前記第2の位置を用いて、前記第2の位置推定対象の前記第1の位置を算出する、
位置推定方法。
A position estimation method performed by a position estimation device,
A first step of receiving a radio signal transmitted from a radio communication unit of a fixed terminal and acquiring first channel information related to radio wave propagation from the radio signal;
a second step of converting the first channel information into first input features that can be input to a first location estimation model;
a third step of estimating and calculating a first position of a second position estimation target included in the same environment as the fixed terminal by inputting the first input feature amount into the first position estimation model that models, by machine learning, a relationship between second channel information regarding radio wave propagation of a wireless signal previously transmitted from a wireless communication unit of the fixed terminal and position information of a first position estimation target located in the same environment as the fixed terminal ;
The wireless communication unit of the fixed terminal includes a plurality of wireless communication units,
In the third step,
a channel information source combination determination unit has a plurality of combinations of wireless communication units obtained by combining two or more wireless communication units from among the plurality of wireless communication units in different combinations, and generates a second input feature amount related to third channel information related to radio wave propagation of a wireless signal transmitted from any one of the plurality of wireless communication units for a plurality of combinations including the wireless communication unit among the plurality of combinations;
a plurality of different second location estimation models corresponding to the plurality of combinations receive the second input feature amount, and output the second location of the second location estimation target, respectively;
a position information calculation unit calculates the first position of the second position estimation target by using the second positions of the second position estimation targets output from the second position estimation models;
Location estimation method.
請求項1乃至のいずれかに記載の位置推定装置としてコンピュータを機能させる位置推定プログラム。 A position estimation program that causes a computer to function as the position estimation device according to any one of claims 1 to 4 .
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