JP7710142B2 - Position estimation device, position estimation method, and position estimation program - Google Patents
Position estimation device, position estimation method, and position estimation programInfo
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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.
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に高精度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 and with high accuracy.
本発明の一態様の位置推定装置は、無線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して記憶し、複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルへ出力する入力特徴量生成部と、前記複数の入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記無線端末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、前記無線端末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 wireless 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, stores the input features, and outputs multiple input features corresponding to multiple times to the position estimation model, and a position estimation model utilization unit that inputs the multiple input features into a position estimation model that models the relationship between the channel information related to radio wave propagation and position information of the wireless terminal using machine learning, thereby estimating and calculating the position of the wireless terminal.
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、無線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して記憶し、複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルへ出力するステップと、前記複数の入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記無線端末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、前記無線端末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 radio signal transmitted from a wireless communication unit of a wireless terminal and acquiring channel information related to radio wave propagation from the radio signal, converting the channel information into input features that can be input to a position estimation model, storing the input features, and outputting a plurality of input features corresponding to a plurality of times to the position estimation model, and inputting the plurality of input features into a position estimation model that models the relationship between the channel information related to radio wave propagation and the position information of the wireless terminal using machine learning, thereby estimating and calculating the position of the wireless terminal.
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.
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無線端末である。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 mobile wireless terminal located in the same environment as the wireless communication terminal. The position of a specific object is, for example, a position on the path along which the specific object is moving, a position in two-dimensional space (such as a map), or a 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]
図1は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成を示す図である。
[Overall configuration of wireless communication system]
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a wireless communication system according to this embodiment.
無線通信システムは、位置推定装置1と、無線端末2-1~2-Qと、を備える。ここで、Qは1以上の整数である。The wireless communication system includes a position estimation device 1 and wireless terminals 2-1 to 2-Q, where Q is an integer greater than or equal to 1.
位置推定装置1は、無線端末2-1~2-Q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、無線端末の位置を推定する。The position estimation device 1 estimates the positions of the wireless terminals by collecting channel information of the wireless signals transmitted from the wireless terminals 2-1 to 2-Q.
無線端末2-1~2-Qは、無線通信部2-1-1~2-Q-1を備える。無線通信部2-1-1~2-Q-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 wireless terminals 2-1 to 2-Q are equipped with wireless communication units 2-1-1 to 2-Q-1. The wireless communication units 2-1-1 to 2-Q-1 transmit wireless signals including pilot signals that are known during transmission and reception, or channel information between the wireless communication units. The wireless communication units are the wireless communication units 1-1 to 1-R provided in the position estimation device 1, or other wireless communication units.
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、無線通信部2-1-1~2-Q-1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。The position estimation device 1 receives the above-mentioned wireless signals via the wireless communication units 1-1 to 1-R. From the received wireless signals, the position estimation device 1 obtains channel information between the wireless communication units 2-1-1 to 2-Q-1 and any of its own wireless communication units 1-1 to 1-R.
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。Then, the location estimation device 1 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 location estimation model, and inputs the converted input features to the location estimation model utilization unit 1-3.
その後、位置推定モデル利用部1-3は、無線端末2-1~2-Qから収集したチャネル情報の入力特徴量を、無線端末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無線端末2-i(1≦i≦Q)の位置を推定する。Then, the position estimation model utilization unit 1-3 inputs the input features of the channel information collected from the wireless terminals 2-1 to 2-Q into a position estimation model that models the relationship between the wireless terminal position information and the input features of the channel information using machine learning, thereby estimating the position of the moving or stopped wireless terminal 2-i (1≦i≦Q).
位置推定装置1は、例えば、主要場所に設置された基地局やクラウド等に設置される装置である。位置推定装置1は、無線端末2-iと通信可能な無線通信部、又は、無線端末2-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。 The location estimation device 1 is, for example, a device installed in a base station installed at a key location, in the cloud, etc. The location estimation device 1 may have any configuration including a wireless communication unit capable of communicating with the wireless terminal 2-i, or a wireless communication unit capable of decoding wireless signals transmitted from the wireless terminal 2-i. The location estimation device 1 does not necessarily need to have the function of transmitting wireless signals, and may be a device that only receives them.
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、無線端末2-i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 the wireless terminal 2-i.
無線通信部1-1~1-Rのうちいずれかは、無線端末2-iの無線通信部2-i-1と通信を行う基地局であってもよい。または、無線端末2-i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。また、無線端末2-iは、後述するように、無線端末2-iが通信接続している基地局のIDを基に位置推定モデルを切り替えることで、無線端末2-iが複数の基地局と接続しながら移動する場合に対応することもできる。受信側の無線通信部1-1~1-Rは、無線信号を同じ周波数のチャンネルで送信することで、複数の無線通信部2-i-1のチャネル情報を収集してもよい。Any of the wireless communication units 1-1 to 1-R may be a base station that communicates with the wireless communication unit 2-i-1 of the wireless terminal 2-i. Alternatively, the wireless terminal 2-i may communicate with any base station not shown in FIG. 1 and receive a wireless signal that it transmits to that base station. In addition, as described below, the wireless terminal 2-i can handle cases where the wireless terminal 2-i moves while connected to multiple base stations by switching the position estimation model based on the ID of the base station with which the wireless terminal 2-i is connected. The wireless communication units 1-1 to 1-R on the receiving side may collect channel information of multiple wireless communication units 2-i-1 by transmitting wireless signals on channels of 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、無線端末2-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、無線端末2-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、無線端末2-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 wireless terminal 2-i and the position estimation device 1, or channel information regarding radio wave propagation between a wireless communication device other than the wireless terminal 2-i and the position estimation device 1. When the wireless communication units 1-1 to 1-R acquire channel information corresponding to the wireless terminal 2-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して記憶する機能を備える。入力特徴量生成部1-2は、変換後のチャネル情報である複数の時間に対応する複数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 a position estimation model and storing them. The input feature generator 1-2 inputs multiple input features corresponding to multiple times, which are the converted channel information, to the position estimation model utilization unit 1-3.
位置推定モデル利用部1-3は、複数の時間に対応する複数の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無線端末2-1~2-Qのうち少なくとも1つの無線端末2-i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 wireless terminal 2-i among the wireless terminals 2-1 to 2-Q that are moving or stopped by inputting multiple input feature amounts corresponding to multiple times into a 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、無線端末2-iの位置情報と、無線端末2-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、仮想的に生成した無線端末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無線端末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 wireless terminal 2-i and channel information (≒ input features) related to radio wave propagation acquired from wireless terminal 2-i using machine learning, and is a model that outputs location information using the input features. 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 wireless terminal 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 wireless terminal.
位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定モデルを生成する機能、位置推定モデルをアップデート(更新)する機能を備える。The location estimation model training unit 1-4 has a function for generating a location estimation model and a function for updating the location estimation model.
例えば、位置推定モデル訓練部1-4は、無線端末2-i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無線端末2-iの位置を推定可能な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したり、アップデートしたりする。For example, the position estimation model training unit 1-4 separately acquires data regarding the position information of the wireless terminal 2-i, and generates or updates the position estimation model by training a position estimation model capable of estimating the position of the wireless terminal 2-i based on the relationship between the acquired position information and channel information.
または、位置推定モデル訓練部1-4は、位置情報に関するデータを別途取得するのではなく、あらかじめ決められた既知の位置に位置し、あらかじめ決められた既知の動作を無線端末2-iが行うことで、その際に得られたチャネル情報から生成した入力特徴量から、位置推定モデルを生成したり、アップデートしたりしてもよい。 Alternatively, the location estimation model training unit 1-4 may generate or update a location estimation model from input features generated from channel information obtained when the wireless terminal 2-i is located at a predetermined, known location and performs a predetermined, known operation, rather than separately acquiring data regarding location information.
別途取得する無線端末2-iの位置情報とは、位置測定データを取得する何らかの手段は、例えば、無線端末2-i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できる。The location information of the wireless terminal 2-i that is acquired separately can be realized by any means of acquiring location measurement data, for example, sensors, cameras, radio positioning, SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), GPS (Global Positioning System), and sensors, cameras, etc. installed in the environment, mounted on the wireless terminal 2-i.
位置測定データは、例えば無線端末2-iの位置情報及び時間情報であり、無線端末2-iに記憶された後、位置推定モデル訓練部1-4に入力されたり、位置推定モデル訓練部1-4に記憶されたりして用いられる。入力特徴量生成部1-2において生成される、位置測定データと同じ時間に対応する入力特徴量と、当該位置測定データからなる訓練データと、を用いて、位置推定モデル訓練部1-4において、位置推定モデルがアップデートされたり、生成されたりする。The position measurement data is, for example, position information and time information of the wireless terminal 2-i, and is stored in the wireless terminal 2-i, and then input to or stored in the position estimation model training unit 1-4 for use. The position estimation model is updated or generated in the position estimation model training unit 1-4 using input features corresponding to the same time as the position measurement data, which are generated in the input feature generation unit 1-2, and training data consisting of the position measurement data.
位置推定モデル訓練部1-4は、記憶された無線端末2-i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訓練データにより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。訓練データは、短い時間で多様な組み合わせを形成すると、位置推定モデルの性能を上げることができる。訓練データの生成方法は後述する。 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 wireless terminal 2-i and the input feature and time information also stored in the storage unit using training data organized on the same time axis. The performance of the location estimation model can be improved by forming various combinations of training data in a short time. The method of generating the training data will be described later.
すなわち、位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定モデル利用部1-3で推定計算する方法(本発明の方法)以外の方法で得られた複数の時間に対応する無線端末2-iの複数の位置情報と、複数の時間に対応する複数の入力特徴量と、を同じ時間でそろえた訓練データセット(複数の訓練データを含む訓練データセット)を生成し、当該訓練データセットを用いて入力特徴量と位置情報の間の関係の精度を高めるように、位置推定モデルを生成またはアップデートし、位置推定モデルの重みやバイアス等をアップデートする機能を備える。In other words, the location estimation model training unit 1-4 has the function of generating a training data set (a training data set including multiple training data) in which multiple location information of the wireless terminal 2-i corresponding to multiple times obtained by a method other than the method of estimation calculation by the location estimation model utilization unit 1-3 (the method of the present invention) and multiple input features corresponding to multiple times are aligned at the same time, and generating or updating a location estimation model using the training data set so as to improve the accuracy of the relationship between the input features and the location information, and updating the weights, biases, etc. of the location estimation model.
また、位置推定モデル訓練部1-4は、無線端末2-iがあらかじめ定めた既知の位置に位置することを検知した時間に、または無線端末2-iがあらかじめ定めた既知の動作を行っていることを検知した時間に無線端末2-iから取得したチャネル情報に係る入力特徴量と、あらかじめ定められた無線端末2-iの既知の位置情報と、を用いて、訓練データセットを生成またはアップデートする機能を備える。In addition, the location estimation model training unit 1-4 has a function of generating or updating a training data set using input features related to channel information acquired from the wireless terminal 2-i at the time when it is detected that the wireless terminal 2-i is located at a predetermined known location or when it is detected that the wireless terminal 2-i is performing a predetermined known operation, and the predetermined known location information of the wireless terminal 2-i.
また、前記位置推定モデル訓練部1-4は、訓練データセットに含まれる複数の訓練データの中から異なる時間間隔でそれぞれ訓練データを抽出した複数の訓練データセットを用いて、位置推定モデルを生成またはアップデートし、位置推定モデルの重みやバイアス等をアップデートする機能を備える。 In addition, the location estimation model training unit 1-4 has a function of generating or updating a location estimation model using multiple training data sets in which training data is extracted at different time intervals from multiple training data included in the training data set, and updating the weights, biases, etc. of the location estimation model.
[無線通信システムの動作]
[無線端末の位置推定方法(第1例)]
図2は、無線端末の位置を推定する位置推定フロー(第1例)を示す図である。
[Operation of wireless communication system]
[Wireless terminal position estimation method (first example)]
FIG. 2 is a diagram showing a position estimation flow (first example) for estimating the position of a wireless terminal.
まず、無線端末2-iの無線通信部2-i-1が、予め定められた無線通信機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S1-1)。First, the wireless communication unit 2-i-1 of the wireless terminal 2-i performs wireless communication with a predetermined wireless communication device and starts transmitting a wireless signal including a pilot signal or channel information (step S1-1).
次に、位置推定装置1の無線通信部1-1が、無線端末2-iの無線通信部2-i-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S1-2)。Next, the wireless communication unit 1-1 of the position estimation device 1 receives the wireless signal transmitted from the wireless communication unit 2-i-1 of the wireless terminal 2-i, and acquires channel information regarding radio wave propagation from the received wireless signal (step S1-2).
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であって、複数の時間に対応する複数の入力特徴量に変換して記憶する(ステップS1-3)。Next, the input feature generation unit 1-2 converts the acquired channel information regarding radio wave propagation into multiple input features suitable for input to a position estimation model and corresponding to multiple times, and stores them (step S1-3).
入力特徴量とは、例えば、アンテナ間の電波伝搬の係数であるチャネル情報や、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。受信電力、信号電力、信号対雑音電力比、信号対雑音干渉電力比、複数の送受のアンテナ間の電波伝搬係数を要素とするチャネル行列に関する係数、チャネル行列の列や行ベクトルであるチャネルベクトルやそれらを一定の値で割ったものである。チャネル行列とチャネル行列のエルミート行列の乗算により得られる相関行列や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。相関行列や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。相関行列や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。相関行列や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、移動平均を用い、直近の一定時間における電力情報や電力比情報やチャネル情報から得られる値の平均値を取得し、その値で規格化した値である。また、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。 The input feature is, for example, channel information, which is a coefficient of radio wave propagation between antennas, or a numerical value obtained by performing various calculations on the channel information. It is a coefficient related to a channel matrix whose elements are received power, signal power, signal-to-noise power ratio, signal-to-noise interference power ratio, radio wave propagation coefficient between multiple transmitting and receiving antennas, a channel vector which is a column or row vector of a channel matrix, or a value obtained by dividing them by a constant value. It is a standardization to make constant the absolute value or Frobenium norm of a correlation matrix, a channel matrix, or a channel vector obtained by multiplying a channel matrix by a Hermitian matrix of a channel matrix. It is a conversion of a correlation matrix, a channel matrix, or a channel vector into angle information. It is a division of an absolute value or Frobenium norm of a correlation matrix, a channel matrix, or a channel vector by a constant value. It is a conversion of a correlation matrix, a channel matrix, or a channel vector into decibel units and subtraction by a constant value. It is also a value obtained by using a moving average to obtain the average value of the values obtained from power information, power ratio information, or channel information in a recent fixed time period, and normalizing it by that value. It is also possible to use time series information of at least one of these pieces of information. A specific method for calculating the input feature amount 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S1-4)。補助情報とは、例えば、無線端末2-iを特定する特定情報、無線端末2-1の搭載物・所有者情報、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。 The position estimation device 1 may also generate auxiliary information other than the channel information to be input to the position estimation model, and add the generated auxiliary information to the input features (step S1-4). Examples of auxiliary information include specific information for identifying the wireless terminal 2-i, information on the equipment and owner of the wireless terminal 2-1, temperature and position information on the camera, sensor, etc., status information on the position, speed, settings, etc. 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である複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルに入力することで、無線端末2-iの位置情報を推定計算して出力する(ステップS1-5)。Finally, the location estimation model utilization unit 1-3 inputs multiple input features corresponding to multiple times, which are the converted channel information, into the location estimation model, thereby estimating, calculating, and outputting the location information of the wireless terminal 2-i (step S1-5).
[位置推定モデルの訓練方法(第1例)]
図3は、位置推定モデルを訓練する訓練フロー(第1例)を示す図である。
[Training method for localization model (first example)]
FIG. 3 is a diagram showing a training flow (first example) for training a location estimation model.
まず、無線端末2-iが、特定の時間に既知の位置に位置し、または既知の動作パターンを実施しつつ、チャネル情報を取得可能な無線信号を送信する(ステップS2-1)。First, the wireless terminal 2-i transmits a wireless signal from which channel information can be obtained while being located at a known position or performing a known operating pattern at a specific time (step S2-1).
次に、位置推定装置1の無線通信部1-1が、無線端末2-iが既知の位置に位置することを検知し、または無線端末2-iが既知の動作を行っていることを検知し、検知した時間に無線端末2-iから受信した無線信号よりチャネル情報を取得する(ステップS2-2)。ここで、無線端末2-iは、すべての位置推定対象となる無線端末2-1~2-Qでもよいし、この中から選ばれた一つ以上の無線端末でもよい。Next, the wireless communication unit 1-1 of the position estimation device 1 detects that the wireless terminal 2-i is located at a known position or that the wireless terminal 2-i is performing a known operation, and acquires channel information from the wireless signal received from the wireless terminal 2-i at the time of detection (step S2-2). Here, the wireless terminal 2-i may be any of the wireless terminals 2-1 to 2-Q that are to be subject to position estimation, or it may be one or more wireless terminals selected from among them.
次に、入力特徴量生成部1-2が、取得したチャネル情報から入力特徴量を生成する(ステップS2-3)。Next, the input feature generation unit 1-2 generates input features from the acquired channel information (step S2-3).
このとき、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S2-4)。At this time, the position estimation device 1 may generate auxiliary information other than the channel information to be input into the position estimation model, and add the generated auxiliary information to the input features (step S2-4).
最後に、位置推定モデル訓練部1-4が、生成した入力特徴量と、当該入力特徴量の時間に対応する時間における無線端末2-iの位置または動作と、を用いて訓練データセットを生成し、当該訓練データセットを用いて位置推定モデルを生成またはアップデートする(ステップS2-5)。Finally, the location estimation model training unit 1-4 generates a training data set using the generated input features and the position or movement of the wireless terminal 2-i at a time corresponding to the time of the input features, and generates or updates a location estimation model using the training data set (step S2-5).
[位置推定モデルの訓練方法(第2例)]
図4は、位置推定モデルを訓練する訓練フロー(第2例)を示す図である。
[Training method for localization model (second example)]
FIG. 4 is a diagram showing a training flow (second example) for training a location estimation model.
まず、位置推定モデル訓練部1-4が、本発明ではない別の位置推定技術や測定結果から位置情報を生成または取得し、同じ時間に対応する位置情報と入力特徴量とを関連付けた訓練データを生成して取得する(ステップS3-1)。First, the location estimation model training unit 1-4 generates or acquires location information from another location estimation technology or measurement results other than the present invention, and generates and acquires training data that associates the location information corresponding to the same time with input features (step S3-1).
例えば、自動走行車両やロボット等の無線端末2-iにおいて、位置情報に関するログを記憶し、一定の頻度で位置推定装置1に通知し、ログの時間に対応する入力特徴量を位置推定装置1において記憶しておき、両者を時間により整理することで、訓練データを得ることができる。For example, in a wireless terminal 2-i of an autonomous vehicle, robot, etc., a log related to location information is stored, notified to the location estimation device 1 at a certain frequency, and input features corresponding to the time of the log are stored in the location estimation device 1. By organizing both by time, training data can be obtained.
このとき、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、訓練データを生成してもよい(ステップS3-2)。At this time, the position estimation device 1 may generate auxiliary information other than the channel information to be input into the position estimation model, and add the generated auxiliary information to the input features to generate training data (step S3-2).
最後に、位置推定モデル訓練部1-4は、得られた訓練データを用いて、位置推定モデルを生成またはアップデートする(ステップS3-3)。例えば、位置推定モデル訓練部1-4は、訓練データセットを用いて入力特徴量と位置情報の間の関係の精度を高めるように、位置推定モデルの重み又はバイアスを更新する。Finally, the location estimation model training unit 1-4 generates or updates a location estimation model using the obtained training data (step S3-3). For example, the location estimation model training unit 1-4 updates the weights or biases of the location estimation model using the training data set to improve the accuracy of the relationship between the input features and the location information.
[訓練データの拡張方法]
図5は、訓練データを拡張する拡張フローを示す図である。この拡張方法は、位置推定モデルが複数の時間情報を含む時系列データを入力特徴量とする場合に、有効となる。
[Method of expanding training data]
5 is a diagram showing an extension flow for extending training data. This extension method is effective when the location estimation model uses time-series data including multiple pieces of time information as input features.
まず、位置推定モデル訓練部1-4が、位置推定モデルをアップデートしたり、生成したりするための訓練データを取得する(ステップS4-1)。当該訓練データは、時間に対して、位置情報と入力特徴量とを有する。First, the location estimation model training unit 1-4 acquires training data for updating or generating a location estimation model (step S4-1). The training data includes location information and input features over time.
次に、位置推定モデル訓練部1-4は、取得した訓練データに対して時系列の並べ方を変更したり、使用する複数の訓練データを任意に設定したりすることにより、有効なデータ数を増やす(ステップS4-2)。例えば、前記位置推定モデル訓練部1-4は、複数の訓練データの中から時間軸方向で異なる抽出頻度でそれぞれ訓練データを抽出した複数の訓練データセットを生成する。このようにすることで、有効データ数を増加させ、位置推定の精度をさらに高めることができる。Next, the location estimation model training unit 1-4 increases the number of valid data by changing the time series arrangement of the acquired training data or by arbitrarily setting multiple training data to be used (step S4-2). For example, the location estimation model training unit 1-4 generates multiple training data sets in which training data is extracted from multiple training data with different extraction frequencies in the time axis direction. In this way, the number of valid data can be increased, and the accuracy of location estimation can be further improved.
このとき、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、訓練データを生成してもよい(ステップS4-3)。At this time, the position estimation device 1 may generate auxiliary information other than the channel information to be input into the position estimation model, and add the generated auxiliary information to the input features to generate training data (step S4-3).
最後に、位置推定モデル訓練部1-4は、生成された訓練データを用いて、位置推定モデルの生成またはアップデートを行う(ステップS4-4)。例えば、位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定モデルの重み又はバイアスを更新する。Finally, the location estimation model training unit 1-4 generates or updates a location estimation model using the generated training data (step S4-4). For example, the location estimation model training unit 1-4 updates the weights or biases of the location estimation model.
なお、位置推定モデル訓練部1-4は、位置推定モデルに入力する入力特徴量の取得頻度、または対象となる位置検出対象の速度に応じて、複数の訓練データセットを用いる順番を決定し、決定後の順番に複数の訓練データセットを用いて、位置推定モデルを生成又は更新してもよい。In addition, the location estimation model training unit 1-4 may determine the order in which to use multiple training data sets depending on the acquisition frequency of the input features to be input to the location estimation model or the speed of the target location detection object, and generate or update the location estimation model using the multiple training data sets in the determined order.
一般には、訓練に用いる時系列な訓練データ全体をバッチデータに分割し、出力の誤差からモデル全体の係数や重みを更新する処理を全データに対して1エポックとして行う。 Generally, the entire time-series training data used for training is divided into batches of data, and the process of updating the coefficients and weights of the entire model based on the output error is performed on all data as one epoch.
本実施形態により生成した複数の訓練データセットの中から、これから推定を行う位置推定対象から得る入力情報の頻度とのずれが大きいものから順に選択して、その選択順に複数の訓練データセットを用いてモデル更新を行い、最後に最も位置予測を実施時の頻度とのずれが小さい時系列の訓練データを用いて1エポックのモデル更新を完了し、この処理を複数回繰り返して位置推定モデルの位置推定精度を高める。From the multiple training data sets generated by this embodiment, those with the greatest deviation from the frequency of the input information obtained from the location estimation target to be estimated are selected, and model updating is performed using the multiple training data sets in the selected order. Finally, one epoch of model updating is completed using the time series training data with the smallest deviation from the frequency at the time the location prediction is performed, and this process is repeated multiple times to improve the location estimation accuracy of the location estimation model.
このように、1エポック当たりの有効データ量を増やすとともに、再度のモデル更新を利用時の時系列条件に最も近い条件とすることで、エポックごとに得られる位置推定モデルの位置推定性能を高めることができる。 In this way, by increasing the amount of valid data per epoch and updating the model again under conditions that are closest to the time series conditions at the time of use, the location estimation performance of the location estimation model obtained for each epoch can be improved.
特に、訓練時と推論時で位置推定対象の速度条件が同様であれば、推論時に入力特徴量の取得間隔と最も近い時間間隔となる時系列の訓練データを最後に用いる。位置推定の実行時の位置推定対象の期待される速さが訓練データ生成時の速さのV倍になっている場合、推論時の入力特徴量の取得の時間間隔がTpであり、訓練時に取得した時系列の時間間隔がTtとなる場合、推論時の時間間隔Tpに位置推定対象が動く距離と最も近い距離動くと想定される時間間隔の時系列の訓練データを最後に用いるようにしてもよい。ここで、間隔Ttで生成した訓練データから、Tt、2Tt、3Ttの3つの時間間隔の時系列訓練データを生成した場合、VTtに近い値の時系列の訓練データを最後に用いるようにエポックごとの訓練を実施できる。In particular, if the speed conditions of the target for localization are the same during training and inference, the training data of the time series with the time interval closest to the acquisition interval of the input features during inference is used last. If the expected speed of the target for localization when performing localization is V times the speed when the training data is generated, and if the time interval for acquiring the input features during inference is Tp and the time interval of the time series acquired during training is Tt, the training data of the time series with the time interval at which the target for localization is expected to move the distance closest to the distance moved during the time interval Tp during inference may be used last. Here, if time series training data of three time intervals, Tt, 2Tt, and 3Tt, are generated from the training data generated with the interval Tt, training for each epoch can be performed so that the training data of the time series with a value close to VTt is used last.
図6は、訓練データの拡張例(第1例)を示す図である。時間に対して入力特徴量In-1~In-Lと、推定対象となる無線端末の位置情報(X,Y)と、が並ぶ訓練データである。取得時間は完全一致する必要はない。この例では、100msの時間幅で整理した形式としている。時間的に補完したり、欠損値を時間的に手前の値をコピーしたりしてもよい。そのほか、機械学習で用いられる補完技術を用いることができる。 Figure 6 shows an example of training data expansion (first example). This training data consists of input features In-1 to In-L and the location information (X, Y) of the wireless terminal to be estimated arranged over time. The acquisition times do not need to match exactly. In this example, the data is organized in a time span of 100 ms. It is also possible to supplement data over time, or to copy missing values from values earlier in time. Other supplementation techniques used in machine learning can also be used.
図6の例では、もともと100ms間隔で得られた訓練データを200ms周期で再抽出している。200ms周期の場合は、再抽出の開始点により、2パターンの訓練データセットが得られるのがわかる。当初訓練データセットに含まれる訓練データのタイムステップ数を全部でDとすると、200ms周期にした場合のタイムステップ数は、D/2となり、2つの訓練データセットができる。100ms周期と200ms周期との両方を訓練データとすれば、D+(D/2)×2となり、訓練データは2倍になるのがわかる。 In the example in Figure 6, training data originally obtained at 100 ms intervals is re-extracted at 200 ms intervals. In the case of a 200 ms interval, it can be seen that two patterns of training data sets are obtained depending on the starting point of the re-extraction. If the total number of time steps of the training data contained in the original training dataset is D, then when the interval is 200 ms, the number of time steps is D/2, and two training datasets are created. If both the 100 ms and 200 ms intervals are used as training data, it becomes D+(D/2)×2, and it can be seen that the training data is doubled.
300ms周期、400ms周期等と異なる時間幅に対して訓練データを再構成すれば、時間幅の種類だけ訓練データを増やすことができる。タイムステップの時間幅を長く設定しなおすことは、すなわち位置推定対象の移動速度を早くした場合を模擬していることになる。チャネル情報が無線端末の移動速度に影響を大きく受けていなければ、同じ訓練データセットから、無線端末の様々な移動速度を模擬した疑似データを増やしていることになる。 By reconstructing the training data for different time widths, such as 300 ms or 400 ms periods, it is possible to increase the number of training data by the number of different time widths. Resetting the time step width to a longer value simulates an increase in the moving speed of the target for location estimation. If the channel information is not significantly affected by the moving speed of the wireless terminal, then this increases the amount of pseudo data simulating various moving speeds of the wireless terminal from the same training data set.
図7は、訓練データの拡張例(第2例)を示す図である。訓練データをランダムに除去したパターンの訓練データを生成する。時間幅を単に最小時間幅の一定倍にした場合と違い、より複雑な無線端末の動きを疑似的に生成することになる。図6では無線端末の速度を等価的には早めてしまうが、この方法では、速度を極端に早くすることなく、多数の訓練データを生成できる。 Figure 7 shows an example of training data expansion (second example). Training data with a pattern in which training data is randomly removed is generated. Unlike when the time width is simply a fixed multiple of the minimum time width, this simulates more complex wireless terminal movements. In Figure 6, the speed of the wireless terminal is equivalently increased, but with this method, a large amount of training data can be generated without drastically increasing the speed.
図8は、訓練データの拡張例(第3例)を示す図である。訓練データの時間的な並びを逆順にする方法である。未来から過去へ並べ替えることで訓練データを生成する。このようにすることで無線端末が実際の動きと逆の動きをした場合と等価な疑似データが生成できる。また、図8で生成した訓練データセットとともに、図6や図7に示した訓練データセットを併せて用いることで、訓練データをさらに増やすこともできる。 Figure 8 is a diagram showing an example (third example) of expanding the training data. This is a method of reversing the chronological order of the training data. Training data is generated by rearranging the data from future to past. In this way, pseudo data equivalent to a wireless terminal moving in the opposite direction to its actual movement can be generated. In addition, by using the training data set generated in Figure 8 together with the training data sets shown in Figures 6 and 7, it is possible to further increase the amount of training data.
[無線端末の位置推定方法(第2例)]
次に、複数の基地局の通信エリアを移動する等、無線端末2-iの移動距離が長い場合の位置推定方法を説明する。
[Wireless terminal position estimation method (second example)]
Next, a method of estimating the position when the wireless terminal 2-i moves a long distance, such as when the wireless terminal 2-i moves through the communication areas of a plurality of base stations, will be described.
広いエリアに無線通信部1-1~1-Rを配置し、パイロット信号により推定するチャネル情報から入力特徴量を生成する場合には、無線通信部1-1~1-Rに対応して複数の位置推定モデルを用意したり、無線通信部1-1~1-Rの組み合わせに対して複数の位置推定モデルを用意したりして、適切な位置推定モデルに入力することで、無線端末2-iの位置を推定する。When wireless communication units 1-1 to 1-R are arranged in a wide area and input features are generated from channel information estimated using pilot signals, multiple position estimation models are prepared corresponding to wireless communication units 1-1 to 1-R, or multiple position estimation models are prepared for combinations of wireless communication units 1-1 to 1-R, and the position of wireless terminal 2-i is estimated by inputting the data into the appropriate position estimation model.
また、無線端末2-iからの無線信号に含まれるチャネル情報のフィードバックにより入力特徴量を生成する場合には、どの無線通信部で受信してもチャネル情報の内容は変わらないため、無線端末2-iがどの基地局に対してフィードバックした無線信号なのかを判定する必要がある。この場合のフローを図9に示す。 When generating input features by feedback of channel information contained in a wireless signal from wireless terminal 2-i, the channel information does not change regardless of which wireless communication unit receives the signal, so it is necessary to determine to which base station wireless terminal 2-i has fed back the wireless signal. The flow in this case is shown in Figure 9.
まず、無線端末2-iが、設置された複数の基地局の中から適切な基地局と通信し、チャネル情報を含む無線信号を送信する(ステップS5-1)。First, the wireless terminal 2-i communicates with an appropriate base station from among the multiple installed base stations and transmits a wireless signal including channel information (step S5-1).
次に、位置推定装置1の無線通信部1-1が、無線信号を受信し、チャネル情報と接続先の基地局IDを取得する(ステップS5-2)。Next, the wireless communication unit 1-1 of the position estimation device 1 receives the wireless signal and acquires channel information and the base station ID of the destination base station (step S5-2).
次に、位置推定モデル利用部1-3が、複数の位置推定モデルの中から基地局IDに対応する位置推定モデルを選択する(ステップS5-3)。Next, the location estimation model utilization unit 1-3 selects a location estimation model corresponding to the base station ID from among the multiple location estimation models (step S5-3).
次に、入力特徴量生成部1-2が、チャネル情報を入力特徴量に変換する(ステップS5-4)。Next, the input feature generation unit 1-2 converts the channel information into input features (step S5-4).
このとき、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S5-5)。At this time, the position estimation device 1 may generate auxiliary information other than the channel information to be input into the position estimation model, and add the generated auxiliary information to the input features (step S5-5).
最後に、位置推定モデル利用部1-3が、入力特徴量を、選択していた位置推定モデルに入力することで、無線端末2-iの位置を出力する(ステップS5-6)。Finally, the position estimation model utilization unit 1-3 outputs the position of the wireless terminal 2-i by inputting the input features into the selected position estimation model (step S5-6).
[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、無線端末2-i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2-i-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 wireless terminal 2-i 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 position 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 2-i-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(1)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 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 H η . As a method of converting into an input feature, first, as shown in formula (1), 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 .
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(2)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 (2), 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 .
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(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 (3), the amplitude information γ η may be separated for each antenna, and row vectors g' 1, η to g' Ni, η with their norm values normalized to a certain value, and their amplitude values γ' 1, η to γ' Ni, η may be obtained.
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(4)のような計算値を用いてもよい。 In addition, since power information fluctuates over time depending on the humidity and temperature of the radio wave propagation environment, the temperatures of the terminal and base station, etc., 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 (4) may be used as the power ratio information ω[t].
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または疑似相関行列、チャネル行列を信号処理して得られる演算行列、相関行列または疑似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または相関行列または疑似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、相関行列または疑似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、相関行列または疑似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、相関行列または疑似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。That is, the input feature generating unit 1-2 receives, as input features, the received power of a wireless signal, signal power, power ratio information obtained from a moving average of the received power and signal power, a channel matrix consisting of radio wave propagation coefficients between multiple antennas, a correlation matrix or pseudo-correlation matrix of a channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing of a channel matrix, an operational matrix obtained by signal processing of a correlation matrix or pseudo-correlation matrix, an operational matrix obtained by signal processing of a channel matrix, correlation matrix, or pseudo-correlation matrix corresponding to multiple frequencies, a unitary matrix obtained by linearly operating a channel matrix, a correlation matrix or pseudo-correlation matrix, Among features relating to a unitary matrix obtained by linearly operating columns, a unitary matrix obtained by linearly operating an operation matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating a channel matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating a correlation matrix or a pseudo-correlation matrix, a diagonal matrix obtained by linearly operating an operation matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating a channel matrix, a triangular matrix obtained by linearly operating a correlation matrix or a pseudo-correlation matrix, and a triangular matrix obtained by linearly operating an operation matrix, the input feature generator 1-2 generates values of phase, amplitude, real component, imaginary component, and standardized values of the range of coefficients of one or more of the features. The input feature generator 1-2 stores such input feature as time-series data, and outputs input feature 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、無線端末2-i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無線端末2-i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 wireless terminal 2-i 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 position estimation device 1 receives the wireless signal and obtains channel information between the specific wireless base station and the wireless terminal 2-i, 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、無線端末2-iの無線通信部2-i-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 2-i-1 of the wireless terminal 2-i 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 Hα 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 ,η corresponds to the transposed matrix of the channel matrix Hη .
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(5)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 ( 5 ).
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(6)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 (6), the amplitude information γα ,η may be separated for each antenna, and the norm value may be normalized to a certain value to obtain column vectors gα ,1,η to gα ,Ni,η and their amplitude values γα ,1,η to γα ,Ni,η .
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(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 (7), the amplitude information γα ,η 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.
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 HGα,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 ,η generated using normalized channel matrices Gα,η can be used. Matrices ΣHα , η ,ΣGα ,η , 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 Hα ,η, normalized channel matrices Gα , η and their correlation matrices Hα,ηHα , ηH, Hα ,ηHHα, η , Gα , ηGα ,ηH and Gα , ηHGα ,η 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.
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,η)H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(9)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 (9).
この表現は、ある周波数に注目して表記しており、式(9)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 (9) 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(9)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(10)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 (9) 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, but 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 (10).
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(10)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(10)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(10)による相関行列を求めたり、現在得られている列数(式(10)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 (10), 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 (10) from being affected, the correlation matrix of equation (10) 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 (10)), may be selected to calculate the correlation matrix and obtain it as the input feature.
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
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。前述のようにRの範囲を規格化するため、式(10)~式(12)の分母は省略し、規格化のための係数で割るようにしてもよい。 Here, V η,1 represents the first column vector of V η . As described above, in order to standardize the range of R, the denominators of equations (10) to (12) may be omitted and divided by a standardization coefficient.
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10に示す屋内の実験環境エリア内に、2つの無線通信部1-1、1-2を設置し、無線端末2-1の位置を推定した。無線端末2-1は、実験環境エリア内の中央部を8の字で走行しており、基地局(AP:Access Point)に対して、チャネル情報を含む無線信号をフィードバック送信している。Two wireless communication units 1-1 and 1-2 were installed in the indoor experimental environment area shown in Figure 10, and the position of wireless terminal 2-1 was estimated. Wireless terminal 2-1 was traveling in a figure-8 pattern in the center of the experimental environment area, and was transmitting a wireless signal including channel information as feedback to the base station (AP: Access Point).
無線端末2-1は、基地局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。基地局APのアンテナ数は、4つである。無線端末2-1と無線通信部1-1、1-2との各アンテナ数は、それぞれ、2つである。 The wireless terminal 2-1 is requested by the base station AP to report channel information every 100 ms, and transmits feedback of angle information of the channel information using the channel information feedback method defined in the wireless LAN standard IEEE 802.11ac. The base station AP has four antennas. The wireless terminal 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、無線端末2-1と基地局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(λ1,λ2)を得ることができる。無線通信部1-1では、RSSIの値(γ11,γ12)も得ることができ、無線通信部1-2でもRSSIの値(γ21,γ22)を得ることができる。RSSIの値がそれぞれ2つあるのは、無線通信部1-1と1-2がそれぞれ受信アンテナを2つ搭載しているためであり、2つの値はそれぞれのアンテナに対応する。 The two wireless communication units 1-1 and 1-2 can obtain angle information and SNR (λ 1 , λ 2 ) generated from the right singular matrix of the channel matrix between the wireless terminal 2-1 and the base station AP. The wireless communication unit 1-1 can also obtain an RSSI value (γ 11 , γ 12 ), and the wireless communication unit 1-2 can also obtain an RSSI value (γ 21 , γ 22 ). There are two RSSI values each because the wireless communication units 1-1 and 1-2 each have two receiving antennas, and the two values correspond to the respective antennas.
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疑似相関行列を算出し、算出した疑似相関行列を周波数で平均化し、式(10)において、疑似相関行列Rを算出し、得られたRの対角項の和でRを割り、規格化を行った。疑似相関行列Rとしては、対角項4つ、非対角項のうち左下半分の6要素の実部と虚部で12つ、の計16つの入力特徴量を生成した。これを疑似相関行列特徴量(R1, …, R16)とし、Rと表記する。フィードバック信号に含まれる2つのSNR(λ1、λ2)のdB値を、実験環境で観測されうる値を上回る値で割り、規格化を行った係数をSNRと表記する。また、無線通信部1-1の受信アンテナにおけるRSSI(γ11,γ12)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をRSSIと表記し、RSSIは無線通信部1-1を用いた結果を用いる。 The input feature generator 1-2 calculates a pseudo correlation matrix from the angle information according to the above formula, averages the calculated pseudo correlation matrix by frequency, calculates the pseudo correlation matrix R in formula (10), and divides R by the sum of the diagonal terms of the obtained R for normalization. For the pseudo correlation matrix R, a total of 16 input features are generated, including four diagonal terms and 12 off-diagonal terms, which are the real and imaginary parts of the six elements in the lower left half. This is the pseudo correlation matrix feature (R 1 , …, R 16 ), denoted as R. The dB values of the two SNRs (λ 1 , λ 2 ) included in the feedback signal are divided by a value that exceeds the value that can be observed in the experimental environment, and the normalized coefficient is denoted as SNR. Moreover, the dB value of RSSI (γ 11 , γ 12 ) at the receiving antenna of wireless communication unit 1-1 is normalized to be distributed in the range of 0 to 1 and expressed as RSSI, and the result obtained using wireless communication unit 1-1 is used as RSSI.
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、無線端末2-1である自律走行ロボットを4日間走行させた。図10に示した8の字状に残る線が自律走行ロボットの実際の経路であり、動作を複雑化するため、60cm四方の四角で定義されたゴール地点へロボットは向かうが、この四角の中で、実際に目指すポイントをランダムにし、50%の確率でスキップするように設定した。 To generate a position estimation model according to this embodiment, an autonomous robot, wireless terminal 2-1, was driven for four days in an indoor experimental environment area. The lines remaining in the figure-eight shape shown in Figure 10 are the actual route of the autonomous robot, and to complicate the movement, the robot heads toward a goal defined as a 60 cm square, but within this square, the point it actually aims for was set randomly, with a 50% probability of skipping.
この際、位置推定モデル訓練部1-4は、無線端末2-1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。 At this time, the position estimation model training unit 1-4 generates training data by organizing the highly accurate autonomous robot position information obtained from the LIDAR (light detection and ranging) and tire control information provided in the wireless terminal 2-1, and the above-mentioned input feature amounts related to propagation, in the same time series at 200 ms intervals. As mentioned above, the input feature amount generation period is 100 ms, but the training data is generated by selecting and using the latest information obtained in a time span divided by 200 ms intervals.
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400とし、入力400、出力400の2つの直接結合層と、入力400、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座標の情報を出力するように、位置推定モデルの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30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 localization 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 was ADAM. The GRU had 1 hidden layer and a dimension of 400, and the weights and biases of the localization model were updated by backpropagation to output information on X and Y coordinates within the experimental environment area, using two direct connection layers with input 400 and output 400, and one direct connection layer with input 400 and output 2. The updated localization model that minimized the MSE using 30 minutes of data used for validation was used.
図11は、本実施形態により生成した位置推定モデルを用いて、無線端末2-1の位置を推定した場合の位置ずれ量を誤差として累積確率分布(CDF:Cumulative Distribution Function)でプロットした図である。 Figure 11 is a graph plotting the amount of position deviation as an error using a cumulative distribution function (CDF) when the position of wireless terminal 2-1 is estimated using the position estimation model generated by this embodiment.
「SNR/RSSI/R」のグラフは、前述の疑似相関行列R、SNR、RSSIの計20(=16+2+2)の入力特徴量を用い、それぞれの時系列データとして20サンプルをそれぞれRNN(Recurrent Neural Network)に入力し、訓練を行い生成した位置推定モデルによる位置推定の誤差結果である。 The "SNR/RSSI/R" graph shows the location estimation error results using a location estimation model generated by inputting 20 samples of each of the aforementioned pseudo-correlation matrix R, SNR, and RSSI (a total of 20 (=16 + 2 + 2)) as time-series data into an RNN (Recurrent Neural Network), training, and generating the model.
「SNR/RSSI/R(訓練直後)」のグラフは、4日間走行させ、そのうち訓練データとは異なる時間で測定したテストデータに対して位置推定モデルを用いた誤差結果であり、「SNR/RSSI/R」よりも低い位置推定誤差を確認できる。 The graph "SNR/RSSI/R (immediately after training)" shows the error results obtained by using the location estimation model on test data measured at different times from the training data after running for four days. A lower location estimation error can be seen than in "SNR/RSSI/R".
それ以外の誤差結果(「R」、「SNR/RSSI」、「単一時間SNR/RSSI」のグラフ)は、4日間の訓練データを用いて生成された位置推定モデルを30日後に同様の特徴量を測定し、位置を推定した際の誤差の累積確率分布である。 The other error results (graphs for "R", "SNR/RSSI", and "single-time SNR/RSSI") are the cumulative probability distribution of the error when the location estimation model generated using four days of training data is used to measure the same features 30 days later and estimate the location.
まず、「SNR/RSSI/R」の計20の入力特徴量を用いた結果は、訓練直後に用いた特性より、位置推定誤差が増加し、中央値で7.7cmだった誤差が12.7cmに増加しているものの、依然として10cm程度の位置推定誤差という高精度な位置推定効果が得られることがわかる。これは、SNRとRSSIの計4つの入力特徴量を時系列に20サンプル用いて訓練し、30日後の訓練データに適用した「SNR/RSSI」での推定結果よりも、著しく高い結果であることを確認できる。時系列データを用いず、時間方向に単一のサンプルのみを用いた「単一時間SNR/RSSI」は、さらに著しく位置推定誤差が大きい。それ故、疑似相関行列Rによる高い位置推定精度が確認できる。First, the results using a total of 20 input features of "SNR/RSSI/R" show that the location estimation error has increased compared to the characteristics used immediately after training, increasing from a median error of 7.7 cm to 12.7 cm, but still achieves a highly accurate location estimation effect with a location estimation error of about 10 cm. This is significantly higher than the estimation result of "SNR/RSSI", which was trained using a total of 20 samples of the four input features of SNR and RSSI in a time series and applied to the training data 30 days later. "Single-time SNR/RSSI", which does not use time series data and uses only a single sample in the time direction, has an even larger location estimation error. This confirms the high location estimation accuracy achieved by the pseudo correlation matrix R.
図12は、前述の深層学習の位置推定モデルの次元を大きくし、GRUの次元を2000、全結合層の初めの2層を入力2000、出力2000、最後の1層を入力2000、出力2とし、前述のケースと同様に4日間のデータで訓練し、4日間内の訓練とは時間の異なるテストデータ、34日後のデータ、6日後のデータに対し、「SNR/RSSI/R」、「R」、「SNR/RSSI」の各推定誤差の累積確率分布をプロットした図である。 Figure 12 shows the cumulative probability distribution of the estimation errors for "SNR/RSSI/R", "R", and "SNR/RSSI" for test data from different times, data 34 days later, and data 6 days later, trained on four days of data as in the previous case, with the dimension of the GRU increased to 2000, the first two fully connected layers having an input of 2000 and an output of 2000, and the last layer having an input of 2000 and an output of 2, and the model is then trained on four days of data as in the previous case.
この結果では、疑似相関行列Rの結果がさらに改善し、「SNR/RSSI/R」の推定誤差に漸近しているほか、「SNR/RSSI」は訓練直後に用いた場合の特性は大きく向上するものの、1か月、2か月と経過すると、位置推定精度が低下していくことが確認できる。 These results show that the results of the pseudo-correlation matrix R have further improved, approaching the estimation error of "SNR/RSSI/R". In addition, it can be seen that although the performance of "SNR/RSSI" is greatly improved when used immediately after training, the location estimation accuracy deteriorates after one or two months.
図13と図14は、前述の訓練方法を検証したグラフを示す図である。ここでは、GRUの次元を500、全結合層の初めの2層を入力500、出力500、最後の1層を入力500、出力2として評価し、100ms間隔で得られるフィードバック信号による訓練データを用いて、以下のケースの位置推定モデルを訓練することを考える。 Figures 13 and 14 show graphs verifying the above-mentioned training method. Here, we consider training a localization model for the following cases using training data from feedback signals obtained at 100 ms intervals, with the GRU dimension set to 500, the first two fully connected layers with input 500 and output 500, and the last layer with input 500 and output 2.
ケース1は、100ms毎に得られるフィードバック信号により、100ms毎の入力特徴量を40サンプル分、時系列で深層学習の位置推定モデルに入力し、ロボットの位置推定を行う位置推定モデルを訓練する場合である。 Case 1 is a case in which 40 samples of input features every 100 ms are input to a deep learning position estimation model in time series using a feedback signal obtained every 100 ms, and a position estimation model is trained to estimate the position of the robot.
ケース2は、200ms毎に得られるフィードバック信号により、200ms毎の入力特徴量を40サンプル分、時系列で深層学習の位置推定モデルに入力し、ロボットの位置推定を行う位置推定モデルを訓練する場合である。 Case 2 is a case in which 40 samples of input features every 200 ms are input to a deep learning position estimation model in time series using a feedback signal obtained every 200 ms to train a position estimation model that estimates the robot's position.
図13において、位置推定モデルを訓練する際に、オリジナルの100ms毎に得られた訓練データのみを用いた場合を「100ms間隔データのみ」と記載している。 In Figure 13, the case where only the original training data obtained every 100 ms was used when training the position estimation model is shown as "100 ms interval data only."
また、図6に示したデータの拡張方法を用いて、100ms間隔のデータセットを、200ms間隔の2つのデータ系列に再構成し、訓練する際に当該2つのデータ系列のデータを分割してバッチデータとし、全てのバッチデータに対して出力の誤差を1エポックとして評価し、位置推定モデル全体の係数や重みを更新する。また、200ms間隔の訓練データからバッチデータごとの出力からモデルを更新し、全データ検討後、さらに100ms間隔の訓練データからバッチデータを生成し、この中の全データを検討して、1エポックとして、位置推定モデルを更新していく。この場合の推定誤差を「200、100ms間隔データ」と記載している。 Using the data expansion method shown in Figure 6, a data set with 100 ms intervals is reconstructed into two data series with 200 ms intervals, and during training, the data of the two data series is divided into batch data, and the output error for all batch data is evaluated as one epoch, and the coefficients and weights of the entire location estimation model are updated. In addition, the model is updated from the output of each batch data from the training data with 200 ms intervals, and after considering all the data, batch data is generated from the training data with 100 ms intervals, and all the data in this is considered as one epoch, and the location estimation model is updated. The estimation error in this case is described as "200, 100 ms interval data".
さらに、「400、300、200、100ms間隔データ」は、400ms間隔の4つのデータ系列、300ms間隔の3つデータ、200ms間隔の2つのデータ、100ms間隔のデータ、を順に用いて1エポックの訓練を繰り返した結果である。本発明のデータ拡張により生成した200msの訓練データを用いて適用した場合で、推定誤差を7%低減している。 Furthermore, the "400, 300, 200, 100 ms interval data" is the result of repeating one epoch of training using four data series spaced at 400 ms intervals, three data series spaced at 300 ms intervals, two data series spaced at 200 ms intervals, and data series spaced at 100 ms intervals, in that order. When applied to the 200 ms training data generated by the data expansion of the present invention, the estimation error was reduced by 7%.
すなわち、図13では、位置推定モデル訓練部1-4は、「400、300、200ms間隔データ」といった複数の訓練データセットを用いて位置推定モデルを更新した後に、予め生成していた「100ms間隔データ」であるオリジナルの訓練データセットを最後に用いて位置推定モデルを更新している。これにより、上述の通り、位置推定誤差を更に低減可能となる。 In other words, in Fig. 13, the location estimation model training unit 1-4 updates the location estimation model using multiple training data sets, such as "data at intervals of 400, 300, and 200 ms," and then finally updates the location estimation model using the original training data set, which is "data at intervals of 100 ms," that was previously generated. This makes it possible to further reduce the location estimation error, as described above.
図14では、200ms毎の時系列の入力特徴量を用いて位置を推定する位置推定モデルにおいて、同様に図6のデータ拡張方法の効果を検証している。まず、「200ms間隔のデータのみ」の訓練データは、図6に示したデータ拡張方法のように、100ms間隔で存在した訓練データから2つの200ms間隔の訓練データを抽出することで、100ms間隔の訓練データと同等の訓練データを学習のために用いる。図14を図13と比較すると、用いるデータの使用頻度を半分にしているにもかかわらず、位置推定性能が図13とほぼ同等になっていることも確認できる。 In Figure 14, the effect of the data augmentation method in Figure 6 is also verified for a location estimation model that estimates location using time-series input features every 200 ms. First, as with the data augmentation method shown in Figure 6, training data for "only data at 200 ms intervals" is used for learning by extracting two training data sets at 200 ms intervals from training data that existed at 100 ms intervals. Comparing Figure 14 with Figure 13, it can be seen that the location estimation performance is almost the same as that of Figure 13, even though the frequency of use of the data used is halved.
また、オリジナルの100msの訓練データから300ms間隔のデータを3つ生成し、300ms間隔の訓練データで位置推定モデルを訓練したのち、200ms間隔の訓練データで位置推定モデルを訓練する場合を「300、200ms間隔データ」で示しており、図13に示した「100ms間隔データのみ」の場合と同様に、位置推定精度を向上し、誤差を低減していることが確認できる。 In addition, three pieces of data spaced 300 ms apart were generated from the original 100 ms training data, and the location estimation model was trained using the training data spaced 300 ms apart, followed by training the location estimation model using training data spaced 200 ms apart. This is shown as "300, 200 ms interval data." As with the case of "100 ms interval data only" shown in Figure 13, it can be confirmed that the location estimation accuracy is improved and errors are reduced.
さらに、400、300、200ms間隔のデータをこの順番で用いて訓練することで得られた位置推定モデルによる「400、300、200ms間隔データ」の結果についても、同様に高い効果を得られている。このようにデータ拡張により、限られた訓練データを拡張することで、位置推定モデルの位置推定精度を向上することができる。 Furthermore, similarly high results were obtained for the results of "400, 300, 200 ms interval data" using a location estimation model trained using data at intervals of 400, 300, and 200 ms in that order. In this way, data augmentation can be used to expand the limited training data, thereby improving the location estimation accuracy of the location estimation model.
すなわち、図14では、位置推定モデル訓練部1-4は、「400、300、200ms間隔データ」といった複数の訓練データセットのうち、訓練データの時間間隔が予め生成していた「100ms間隔データ」であるオリジナルの訓練データセットにより近い訓練データセットほどより後に用いて位置推定モデルを更新している。これにより、上記の通り、位置推定誤差を更に低減可能となる。 In other words, in Fig. 14, the location estimation model training unit 1-4 updates the location estimation model by using later training data sets, among multiple training data sets such as "400, 300, and 200 ms interval data," the training data sets whose time intervals are closer to the original training data set, which is the "100 ms interval data" generated in advance. This makes it possible to further reduce the location estimation error, as described above.
疑似相関行列の効果を確認するため、疑似相関行列Rの16の特徴量の代わりに、フィードバック情報から復元されるV行列をサブキャリア数で平均し、得られる4×2の行列の実部と虚部の情報Vを用いた場合との位置推定精度の違いを図15に示す。図15より、疑似相関行列RとSNRとRSSIを用いる場合の方が、V行列平均の場合よりも、位置推定性能が高いことを確認できる。 To confirm the effect of the pseudo correlation matrix, the V matrix restored from feedback information is averaged by the number of subcarriers instead of the 16 features of the pseudo correlation matrix R, and the difference in location estimation accuracy using the information V of the real and imaginary parts of the resulting 4 × 2 matrix is shown in Figure 15. From Figure 15, it can be confirmed that the location estimation performance is higher when the pseudo correlation matrix R, SNR, and RSSI are used than when the V matrix is averaged.
図16は、図10に示した実験環境エリアにおいて、無線通信部1-1におけるRSSIの値(γ11,γ12)と、無線通信部1-2におけるRSSIの2つの値(γ21,γ22)とを用いて、GRUの次元を400、全結合層の初めの二層を入力400、出力400、最後の1層を入力400、出力2とし、前述のケースと同様4日間のデータで訓練し、無線通信部1-1におけるRSSIの値(γ11,γ12)のみを用いた場合との推定精度を比較した図である。無線通信部1-2を加えた効果は大きくはないが、中央値で6.48cmの誤差を5.97cmまで改善している。 Fig. 16 is a diagram comparing the estimation accuracy in the experimental environment area shown in Fig. 10 using the RSSI values ( γ11 , γ12 ) in wireless communication unit 1-1 and two RSSI values ( γ21 , γ22 ) in wireless communication unit 1-2, setting the GRU dimension to 400, the first two fully connected layers having input 400 and output 400, and the last layer having input 400 and output 2, and training with four days of data as in the previous case, and using only the RSSI values ( γ11 , γ12 ) in wireless communication unit 1-1. Although the effect of adding wireless communication unit 1-2 is not large, the median error of 6.48 cm is improved to 5.97 cm.
[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、無線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して記憶し、複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルへ出力する入力特徴量生成部1-2と、前記複数の入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記無線端末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、前記無線端末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無線端末の位置を推定するので、無線端末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、無線端末の位置を低コストかつ高精度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 wireless terminals and acquire channel information related to radio wave propagation from the wireless signals, an input feature amount generation unit 1-2 that converts the channel information into input feature amounts that can be input to a position estimation model, stores the input feature amounts, and outputs a plurality of input feature amounts corresponding to a plurality of times to the position estimation model, and a position estimation model utilization unit 1-3 that inputs the plurality of input feature amounts into a position estimation model that models the relationship between the channel information related to radio wave propagation and the position information of the wireless terminal by machine learning, thereby estimating and calculating the position of the wireless terminal. In other words, the position of the wireless terminal is estimated using the channel information related to radio wave propagation included in the wireless signal of the wireless terminal and the position estimation model, so that the position of the wireless terminal can be estimated by general-purpose wireless communication, and a technology that can estimate the position of a wireless terminal at low cost and with high accuracy 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16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. 16, 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
1-4:位置推定モデル訓練部
2-1~2-Q:無線端末
2-1-1~2-Q-1:無線通信部
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
1-4: Location estimation model training section
2-1 to 2-Q: Wireless terminals
2-1-1 to 2-Q-1: Wireless communication section
Claims (7)
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して記憶し、複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルへ出力する入力特徴量生成部と、
前記複数の入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記無線端末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、前記無線端末の位置を推定計算する位置推定モデル利用部と、
前記位置推定モデルを更新する位置推定モデル訓練部と、を備え、
前記位置推定モデル訓練部は、
前記推定計算する方法以外の方法で得られた複数の時間に対応する前記無線端末の複数の位置情報と、前記複数の時間に対応する複数の入力特徴量と、を同じ時間で揃えた訓練データセットを生成し、前記訓練データセットを用いて入力特徴量と位置情報の間の関係の精度を高めるように、前記位置推定モデルを更新する位置推定装置。 a wireless communication unit that receives a wireless signal transmitted from a wireless communication unit of a wireless terminal and acquires channel information related to radio wave propagation from the wireless signal;
an input feature generating unit that converts the channel information into an input feature that can be input to a position estimation model, stores the converted input feature, and outputs a plurality of input feature values corresponding to a plurality of times to the position estimation model;
a location estimation model utilization unit that estimates and calculates a location of the wireless terminal by inputting the plurality of input feature amounts into a location estimation model that models a relationship between channel information related to the radio wave propagation and location information of the wireless terminal by machine learning;
a location estimation model training unit that updates the location estimation model,
The location estimation model training unit is
A location estimation device that generates a training data set in which multiple location information of the wireless terminal corresponding to multiple times obtained by a method other than the estimation calculation method and multiple input features corresponding to the multiple times are aligned at the same time, and updates the location estimation model using the training data set to improve accuracy of the relationship between the input features and the location information .
前記無線端末が予め定めた既知の位置に位置することを検知した時間に、又は前記無線端末が予め定めた既知の動作を行っていることを検知した時間に前記無線端末から取得したチャネル情報に係る入力特徴量と、予め定められた前記無線端末の既知の位置情報と、を用いて、前記訓練データセットを生成する請求項1に記載の位置推定装置。 The location estimation model training unit is
2. The position estimation device according to claim 1, wherein the training data set is generated using input features relating to channel information acquired from the wireless terminal at a time when the wireless terminal is detected to be located at a predetermined known position or when the wireless terminal is detected to be performing a predetermined known operation, and predetermined known position information of the wireless terminal.
前記訓練データセットの訓練データの中から異なる時間間隔でそれぞれ訓練データを抽出した複数の訓練データセットを用いて、前記位置推定モデルを更新する請求項1又は2に記載の位置推定装置。 The location estimation model training unit is
The position estimation device according to claim 1 or 2 , wherein the position estimation model is updated using a plurality of training data sets each obtained by extracting training data at different time intervals from the training data set.
前記抽出した複数の訓練データセットを用いて前記位置推定モデルを更新した後に、前記生成していた訓練データセットを最後に用いて前記位置推定モデルを更新する、又は、前記抽出した複数の訓練データセットのうち、訓練データの時間間隔が前記生成していた訓練データセットにより近い訓練データセットほどより後に用いて前記位置推定モデルを更新する請求項3に記載の位置推定装置。 The location estimation model training unit is
4. The position estimation device according to claim 3, wherein, after updating the position estimation model using the extracted plurality of training data sets, the generated training data set is used last to update the position estimation model, or, among the extracted plurality of training data sets, a training data set having a time interval closer to the generated training data set is used later to update the position estimation model.
前記入力特徴量として、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又は疑似相関行列、前記チャネル行列を信号処理して得られる演算行列、前記相関行列又は疑似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又は疑似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、前記相関行列又は疑似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、前記相関行列又は疑似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、前記相関行列又は疑似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、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乃至4のいずれかに記載の位置推定装置。 The input feature generation unit
As the input feature amount, the received power of the wireless signal, the signal power, power ratio information obtained from a moving average of the received power or the signal power, a channel matrix consisting of radio wave propagation coefficients between a plurality of antennas, a correlation matrix or a pseudo-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 or the pseudo-correlation matrix, an operational matrix obtained by signal processing the channel matrix or the correlation matrix or the pseudo-correlation matrix corresponding to a plurality of frequencies, a unitary matrix obtained by linearly operating the channel matrix, and a unitary matrix obtained by linearly operating the correlation matrix or the pseudo-correlation matrix. 5. The position estimation device according to claim 1 , further comprising: a unitary matrix obtained by linearly operating the operation matrix; a diagonal matrix obtained by linearly operating the channel matrix; a diagonal matrix obtained by linearly operating the correlation matrix or the pseudo correlation matrix; a diagonal matrix obtained by linearly operating the operation matrix; a triangular matrix obtained by linearly operating the channel matrix; a triangular matrix obtained by linearly operating the correlation matrix or the pseudo correlation matrix; and a triangular matrix obtained by linearly operating the operation matrix, the unitary matrix obtained by linearly operating the operation matrix;
無線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して記憶し、複数の時間に対応する複数の入力特徴量を位置推定モデルへ出力するステップと、
前記複数の入力特徴量を、前記電波伝搬に関するチャネル情報と前記無線端末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、前記無線端末の位置を推定計算するステップと、
前記位置推定モデルを更新するステップと、を行い、
前記更新するステップでは、
前記推定計算する方法以外の方法で得られた複数の時間に対応する前記無線端末の複数の位置情報と、前記複数の時間に対応する複数の入力特徴量と、を同じ時間で揃えた訓練データセットを生成し、前記訓練データセットを用いて入力特徴量と位置情報の間の関係の精度を高めるように、前記位置推定モデルを更新する位置推定方法。 A position estimation method performed by a position estimation device,
receiving a radio signal transmitted from a radio communication unit of a radio terminal and acquiring channel information related to radio wave propagation from the radio signal;
converting the channel information into an input feature quantity that can be input to a position estimation model, storing the input feature quantity, and outputting a plurality of input feature quantities corresponding to a plurality of times to the position estimation model;
a step of inputting the plurality of input feature amounts into a position estimation model that models a relationship between channel information regarding radio wave propagation and position information of the wireless terminal by machine learning, thereby estimating and calculating a position of the wireless terminal;
updating the location estimation model;
In the updating step,
A location estimation method that generates a training data set in which multiple pieces of location information of the wireless terminal corresponding to multiple times obtained by a method other than the estimation calculation method and multiple input features corresponding to the multiple times are aligned at the same time, and updates the location estimation model using the training data set to improve accuracy of the relationship between the input features and the location information .
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