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技術 プロキシミティテスト方法、及びプロキシミティテスト装置

出願人 学校法人慶應義塾
発明者 大槻知明村上洋平
出願日 2015年5月13日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-097850
公開日 2016年12月15日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2016-213769
状態 特許登録済
技術分野 伝送一般の監視、試験 無線による位置決定 レーダ方式及びその細部 移動無線通信システム
主要キーワード 識別回数 識別範囲 空間電界 参照地点 アレーセンサ 磁気強度 電波伝搬状態 累積分布関数
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図面 (20)

課題

周囲の伝搬環境の変化に強く、かつ識別精度の高いセキュアプロキシミティテストの手法を提供することを課題とする。

解決手段

プロキシミティテスト方法は、第1端末装置と第2端末装置から、それぞれ少なくとも受信信号電圧残留磁気磁界強度ベクトルを含む測定報告を取得し、前記受信信号電圧から、信号の固有ベクトル経時変化を表わす第1評価関数と前記信号の固有値の経時変化を表わす第2評価関数を計算し、前記測定報告と前記計算結果に基づき、前記第1端末装置と前記端末装置の間の受信信号強度相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関のうちの少なくとも2つを用いて、前記第1端末装置と前記第2端末装置が所定範囲の同じ空間内に位置するか否かを決定する、ことを特徴とする。

概要

背景

近年、スマートフォンタブレットなどの携帯情報端末が広く普及し、位置情報に基いたサービスへの需要が高まっている。位置情報に基づいたサービスを実現する技術のひとつに、プロキシミティ(Proximity)テストがある。プロキシミティテストは、ユーザ同士近接しているかどうかを識別する技術である。プロキシミティテストを行う際に、通信するユーザ同士のプライバシーを保護し、他者による位置情報の盗聴やなりすまし、位置偽装等の攻撃を阻止する必要がある。そのため、GPS等で得られる実際の位置情報をやり取りせずにプロキシミティテストを行う研究が注目されている。

たとえば、あるユーザが受信している電波信号強度と、このユーザの周辺で別のユーザが受信している電波の受信信号強度相関を用いて、ユーザ同士が近くにいるかどうかを判断するプロキシミティテストが知られている(たとえば、非特許文献1参照)。このテスト法は、近接する端末間では受信信号強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)の相関が高いことを利用している。また、テレビ信号FM信号振幅位相を利用して、振幅や位相の相関が高い場合にユーザ同士が近接していると判断する方法も知られている(たとえば、非特許文献2参照)。

なお、残留磁気磁界強度ベクトルランドマークとして利用して位置推定を行う方法や(たとえば、非特許文献3参照)、アレーアンテナで受信した受信信号固有ベクトル経時変化から屋内イベントを検出する方法(たとえば、非特許文献4参照)が知られている。

概要

周囲の伝搬環境の変化に強く、かつ識別精度の高いセキュアなプロキシミティテストの手法を提供することを課題とする。プロキシミティテスト方法は、第1端末装置と第2端末装置から、それぞれ少なくとも受信信号電圧と残留磁気の磁界強度ベクトルを含む測定報告を取得し、前記受信信号電圧から、信号の固有ベクトルの経時変化を表わす第1評価関数と前記信号の固有値の経時変化を表わす第2評価関数を計算し、前記測定報告と前記計算結果に基づき、前記第1端末装置と前記端末装置の間の受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関のうちの少なくとも2つを用いて、前記第1端末装置と前記第2端末装置が所定範囲の同じ空間内に位置するか否かを決定する、ことを特徴とする。

目的

そこで、周囲の伝搬環境の変化に強く、かつ識別精度の高いセキュアなプロキシミティテストの手法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

第1端末装置と第2端末装置から、それぞれ少なくとも受信信号電圧残留磁気磁界強度ベクトルを含む測定報告を取得し、前記受信信号電圧から、信号の固有ベクトル経時変化を表わす第1評価関数と前記信号の固有値の経時変化を表わす第2評価関数を計算し、前記測定報告と前記計算結果に基づき、前記第1端末装置と前記第2端末装置の間の受信信号強度相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関の中の少なくとも2つを用いて、前記第1端末装置と前記第2端末装置が所定範囲の同じ空間内に位置するか否かを決定する、ことを特徴とするプロキシミティテスト方法。

請求項2

前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関にそれぞれ個別に閾値を設定し、前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数、及び前記磁界強度ベクトルの相関のうちの2つ以上で、対応する前記閾値を超える場合に、前記第1端末装置と前記第2端末装置が前記同じ空間内に位置すると決定する、ことを特徴とする請求項1に記載のプロキシミティテスト方法。

請求項3

前記受信信号強度の相関は、前記第1端末装置のアレイアンテナで受信された信号と、前記第2端末装置のアレイアンテナで受信された信号との間で、複数のアンテナ素子の全組み合わせの中の最大の相関であることを特徴とする請求項1または2に記載のプロキシミティテスト方法。

請求項4

前記磁界強度ベクトルの相関は、前記第1端末装置と前記第2端末装置の各々で測定された2次元磁界強度ベクトルの内積正規化して得られることを特徴とする請求項1または2に記載のプロキシミティテスト方法。

請求項5

前記測定報告に前記受信信号強度が含まれている場合は、前記測定報告から前記受信信号強度を取り出して前記受信信号強度の相関を求め、前記測定報告に前記受信信号強度が含まれていない場合は、前記受信信号電圧から前記受信信号強度を計算して前記受信信号強度の相関を求めることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロキシミティテスト方法。

請求項6

第1端末装置と第2端末装置から、それぞれ少なくとも受信信号電圧と残留磁気の磁界強度ベクトルを含む測定報告を受信する通信部と、前記受信信号電圧から、信号の固有ベクトルの経時変化を表わす第1評価関数と前記信号の固有値の経時変化を表わす第2評価関数を計算する計算部と、前記測定報告と前記計算結果に基づき、前記第1端末装置と前記端末装置の間の受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関の中の少なくとも2つを用いて、前記第1端末装置と前記第2端末装置が所定範囲の同じ空間内に位置するか否かを決定する判断部、とを有することを特徴とするプロキシミティテスト装置。

請求項7

前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関にそれぞれ個別に設定された閾値を記憶する記憶部、をさらに有し、前記判断部は、前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関のうちの2つ以上で対応する前記閾値を超える場合に、前記第1端末装置と前記第2端末装置が前記同じ空間内に位置すると決定する、ことを特徴とする請求項6に記載のプロキシミティテスト装置。

請求項8

前記計算部は、前記第1端末装置のアレイアンテナで受信された信号と、前記第2端末装置のアレイアンテナで受信された信号との間で、複数のアンテナ素子の全組み合わせの中の最大の相関値を、前記受信信号強度の相関として計算することを特徴とする請求項6または7に記載のプロキシミティテスト装置。

請求項9

前記計算部は、前記第1端末装置と前記第2端末装置の各々で測定された2次元磁界強度ベクトルの内積を正規化して、前記磁界強度ベクトルの相関を計算することを特徴とする請求項6または7に記載のプロキシミティテスト装置。

請求項10

前記計算部は、前記測定報告に前記受信信号強度が含まれている場合は、前記測定報告に含まれる前記受信信号強度を用いて前記受信信号強度の相関を計算し、前記測定報告に前記受信信号強度が含まれていない場合は、前記受信信号電圧から前記受信信号強度を計算して前記受信信号強度の相関を計算することを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のプロキシミティテスト装置。

技術分野

0001

本発明は、端末同士近接度プロキシミティ:Proximity)を識別する技術に関する。

背景技術

0002

近年、スマートフォンタブレットなどの携帯情報端末が広く普及し、位置情報に基いたサービスへの需要が高まっている。位置情報に基づいたサービスを実現する技術のひとつに、プロキシミティ(Proximity)テストがある。プロキシミティテストは、ユーザ同士近接しているかどうかを識別する技術である。プロキシミティテストを行う際に、通信するユーザ同士のプライバシーを保護し、他者による位置情報の盗聴やなりすまし、位置偽装等の攻撃を阻止する必要がある。そのため、GPS等で得られる実際の位置情報をやり取りせずにプロキシミティテストを行う研究が注目されている。

0003

たとえば、あるユーザが受信している電波信号強度と、このユーザの周辺で別のユーザが受信している電波の受信信号強度相関を用いて、ユーザ同士が近くにいるかどうかを判断するプロキシミティテストが知られている(たとえば、非特許文献1参照)。このテスト法は、近接する端末間では受信信号強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)の相関が高いことを利用している。また、テレビ信号FM信号振幅位相を利用して、振幅や位相の相関が高い場合にユーザ同士が近接していると判断する方法も知られている(たとえば、非特許文献2参照)。

0004

なお、残留磁気磁界強度ベクトルランドマークとして利用して位置推定を行う方法や(たとえば、非特許文献3参照)、アレーアンテナで受信した受信信号固有ベクトル経時変化から屋内イベントを検出する方法(たとえば、非特許文献4参照)が知られている。

先行技術

0005

A. Kalamandeen, A. Scannell, E.D. Lara, A . Sheth and A. Lamarca, "Ensemble: Cooperative Proximity-based Authentication," in Proc.ACMMobile systems applications and service, pp. 271-284, San Francisco, June 2010,
S. Mathur, R. Miller, A. Varshavsky and W. Trappe, "ProxiMate: Proximity-based secure pairing using ambient wireless signals," in Proc. AMC MobySys, pp. 211-224, Washington, June 2011.
P. Mirowski, H. Tin, Y. Saehoon and M. Macdonald, "SignalSLAM: Simultaneous localization and mappingwith mixed WiFi, Bluetooth,LTEand magnetic signals," in Proc.IEEE IPIN, pp. 1-10, Montbeliard-Belfort, Oct. 2013
S. Ikeda, H. Tsuji and T. Ohtsuki, "Indoor Event Detection with Eigen vector Spanning Signal Subspace for Home or Office Security", IEEE Vehicle Tech. Conf., September, 2008

発明が解決しようとする課題

0006

RSSIの相関を利用する方法では、ユーザ間の距離が2メートル以上離れるとRSSIの空間相関がほとんど変化せず、近接度を識別することができないという問題がある。RSSIの相関に基づくプロキシミティテストが有効に行われる範囲は狭い範囲に限定される。テレビ信号やFM信号の振幅と位相を利用する方法では、RSSIの相関を利用する方法に比べると識別範囲拡張されるが、周囲環境が変化する環境では識別精度劣化する。

0007

そこで、周囲の伝搬環境の変化に強く、かつ識別精度の高いセキュアなプロキシミティテストの手法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0008

上記課題を解決するために、本発明では、電波伝搬の空間相関と、磁界強度ベクトルの空間相関で表される複数の特徴量の中の2つ以上を利用することで、実際の位置情報を交換しないセキュアなプロキシミティテストの手法を提供する。

0009

本発明の一態様によるプロキシミティテスト方法は、
第1端末装置と第2端末装置から、それぞれ少なくとも受信信号電圧と残留磁気の磁界強度ベクトルを含む測定報告を取得し、
前記受信信号電圧から、信号の固有ベクトルの経時変化を表わす第1評価関数と前記信号の固有値の経時変化を表わす第2評価関数を計算し、
前記測定報告と前記計算結果に基づき、前記第1端末装置と前記第2端末装置の間の前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関の中の少なくとも2つを用いて、前記第1端末装置と前記第2端末装置が所定範囲の同じ空間内に位置するか否かを決定する。

0010

ひとつの例として、
前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関にそれぞれ個別に閾値を設定し、
前記受信信号強度の相関、前記第1評価関数の相関、前記第2評価関数の相関、及び前記磁界強度ベクトルの相関のうちの2つ以上で対応する前記閾値を超える場合に、前記第1端末装置と前記第2端末装置が前記同じ空間内に位置すると決定する。

発明の効果

0011

周囲の伝搬環境の変化に強く、かつ識別精度の高いセキュアなプロキシミティテストが実現する。

図面の簡単な説明

0012

ユーザ間のRSSIの相関を示す図である。
アンテナ1本を用いたときのRSSIの相関の累積分布関数CDF:Cumulative Distribution Function)を示す図である。
アレーアンテナの全組み合わせの中の最大値を用いたときのRSSIの相関のCDFを示す図である。
信号の固有ベクトルP(t)の相関のCDFを示す図である。
信号の固有値Q(t)の相関のCDFを示す図である。
磁界強度ベクトルの相関を示す図である。
アレーアンテナの全組み合わせの中の最大値のRSSIの相関のみを用いたときの識別率を示す図である。
固有ベクトルP(t)の相関のみを用いたときの識別率を示す図である。
固有値Q(t)の相関のみを用いたときの識別率を示す図である。
磁界強度ベクトルの相関のみを用いたときの識別率を示す図である。
4つの特徴量の組み合わせと、各組み合わせにおける識別率を示す図である。
実験環境Iを示す図である。
実験環境IIを示す図である。
環境Iでの識別精度を示す図である。
環境IIでの識別精度を示す図である。
環境Iでの実施形態の方法とRSSI相関のみを用いた場合の識別精度の比較結果を示す図である。
環境IIでの実施形態の方法とRSSI相関のみを用いた場合の識別精度を比較結果を示す図である。
実施形態の手法の適用例を示す図である。
サーバで行う処理を示すフローチャートである。
サーバの概略構成図である。

実施例

0013

図1は、端末同士が近接して位置する場合のRSSIの相関を示す図である。端末Aと端末Bは、アクセスポイント等の同じ電波源から電波を受信している。端末Aの位置を参照位置とし、端末Bの位置を変化させてRSSIの時間変化を取得する。端末間の距離が2m、1m、10cmと近づくにつれて、RSSIの相関が高くなる。しかし、端末間の距離が2mのときと4mのときでRSSIの相関に変化はほとんどなく、2m以内の範囲でしかRSSIの相関を利用できないことがわかる。

0014

実施形態では、電波の伝搬に空間相関があることを利用し、受信強度(RSSI)に加えて、信号の固有値の相関と固有ベクトルの相関を利用する。さらに、磁界強度ベクトルの空間相関を利用して、プロキシミティテストの識別精度を高める。
<電波伝搬の空間相関>
電波伝搬の特徴量として、信号の固有ベクトルの時間関数P(t)と、固有値の時間関数Q(t)を導入し、P(t)とQ(t)をプロキシミティテストの評価関数として利用する。P(t)は信号の到来方向の経時変化を表わし、Q(t)は、信号の大きさの経時変化を表す。端末間でのP(t)の相関と、Q(t)の相関をプロキシミティテストの特徴量として用いる。実施形態ではさらに、第1端末装置と第2端末装置ともに電波の伝搬をアレーセンサを用いて観測し、端末装置間のすべてのアンテナの組み合わせの中で最大となるRSSIの相関をプロキシミティテストの特徴量として用いる。2本以上のアンテナを有するアレーセンサを用いることで、空間タイバーティ効果を得てフェージングの影響を軽減する。

0015

評価関数P(t)は、式(1)で表される。

0016

ここで、vrefは参照時刻での信号の固有ベクトル、Hは複素共役転置、vob(t)は時刻tでの信号の固有ベクトルである。式(1)では、|Vref|=|Vob(t)|=1に正規化されている。P(t)は参照時刻から電波伝搬方向がどのように変化したかを表わす。

0017

評価関数Q(t)は、式(2)で表される。

0018

ここで、λrefは参照時刻での信号の固有値、λob(t)は時刻tでの信号の固有値である。Q(t)は、参照時刻から到来信号の大きさがどのように変化したかを表わす。

0019

P(t)の相関とQ(t)の相関を利用するということは、信号伝搬状況の変化自体の相関をプロキシミティテストの判断基準にすることを意味する。P(t)の相関とQ(t)の相関をプロキシミティテストの特徴量として用いることで、周囲環境が変化しやすい場所でもプロキシミティテストを有効に行うことが可能になる。

0020

まず、予備実験として、RSSIの相関と、P(t)の相関と、Q(t)の相関を、それぞれ個別に評価する。RSSIの相関として、アンテナが1本のときの相関と、4本のアンテナ素子を有するアレーアンテナ間の全組み合わせ(4×4=16通り)中の最大相関値を評価する。

0021

図2は、アンテナが1本のときのRSSIの相関のCDF(Cumulative Distribution Function:累積分布関数)、図3は、16通りのアンテナの組み合わせの中で最大のRSSI相関のCDFである。図4はP(t)の相関のCDF,図5はQ(t)の相関のCDFである。

0022

評価の方法は、廊下を隔てて隣り合う2つの部屋を用意し、受信機1と受信機2の位置関係を変えて相関を計算する。各部屋はコンクリートの壁で仕切られており、部屋のサイズは5m×7mと、7m×7mである。各部屋で、2〜3人がPC等を使って通常の作業を行っており、周囲に人が存在する環境をつくっている。受信機1と受信機2の位置関係を、(a)同じ部屋で2メートル離れた距離、(b)同じ部屋で4メートル離れた距離、(c)別々の部屋で2メートル離れた距離、(d)別々の部屋で4メートル離れた距離、と変化させる。

0023

信号を90秒間観測し、30秒のウインドウ幅で相関を計算する。ウインドウ幅が短いと環境による相関の違いが見えにくいからである。図2(アンテナ1本)と図3(4本のアレーアンテナ)を比較すると、図2では、各位置関係でのCDFが交錯し、必ずしも受信機1と受信機2が近い距離、あるいは同室にあるときにRSSIの相関が高くなるとは限らない。そのため、アンテナ1本を用いたRSSIの相関は、ユーザが近接しているか否か、または同じ空間内にいるかどうかを判断する指標として使いにくい。

0024

これに対し、図3では、2つの受信機が同部屋の場合にRSSIの相関が高くなり、別の部屋ではRSSIの相関が低くなる。同部屋の場合と別部屋の場合で、相関の程度が明確に区別されている。また、同じ部屋同士では、近い距離にある方が相関が高いが、別の部屋に存在する端末との間では、距離に依らずに相関が低くなる。アレーアンテナを用いることによって、プロキシミティテストにおけるRSSIの相関の信頼性が向上する。

0025

図4の受信信号の固有ベクトルP(t)の相関と、図5の固有値Q(t)の相関についても、2つの受信機が同じ部屋にある場合に相関が高くなり、同部屋のときの相関の程度と、別部屋のときの相関の程度は、互いに区別される。このように、アレーアンテナによるRSSIの相関に加えて、信号の固有ベクトル評価関数P(t)の相関と、信号の固有値の評価関数Q(t)の相関がプロキシミティテストの判断基準として利用可能であることが確認された。
<磁界強度ベクトルの空間相関>
実施形態では、アレーアンテナでのRSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関に加えて、磁気強度ベクトルの空間相関もプロキシミティテストに利用する。

0026

環境建造物には地磁気と異なる固有の残留磁気が存在し、場所によって磁界強度ベクトルは異なる。これまで、磁気強度ベクトルの空間相関について考慮されたことはなく、本発明において残留磁気の磁気強度ベクトルの空間相関を観察し、これをプロキシミティテストに利用可能であることを確認する。

0027

図6は、室内と室外の各点で測定した磁界強度ベクトル(2次元)の方向と、参照地点との内積を示す。各点での磁界強度ベクトルの方向はそれぞれ矢印で示されている。参照地点との内積、すなわち磁界強度ベクトルの相関は、正規化された数値で示されている。図6から、参照地点に近い位置ほど磁界強度ベクトルの相関が大きく、また、同じ室内にある場合に磁界強度ベクトルの相関が高いことがわかる。残留磁気の磁界強度ベクトルは場所によって固有であり、時間的な変動が小さい。そのため、磁界強度ベクトルの相関を2つの端末が近接するか否か、同じ部屋に存在するか否か、を判断する判断基準として適切に用いることができる。
<プロキシミティテストの手法>
上述のように、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、磁界強度ベクトルの相関のいずれもがプロキシミティテストに用いる特徴量として適切であることが確認された。

0028

次に、これら4つの特徴量をプロキシミティテストでどのように用いるかを説明する。実施形態では、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、磁界強度ベクトルの相関に、それぞれ個別の閾値を設定し、測定で得られる各相関値を閾値と比較することで近接度(プロキシミティ)の判定を行う。閾値は、あらかじめ各特徴量単体で用いたプロキシミティテストを行って、特徴量ごとに最も識別率(識別精度)が高くなる値に決定する。

0029

図7は、4本のアンテナでのRSSIの相関だけを用いたときの識別率を示す。図8はP(t)の相関だけを用いたときの識別率、図9はQ(t)の相関だけを用いたときの識別率を示す。図10は、磁界強度ベクトルの相関だけを用いたときの識別率を示す。図7図10を通して横軸は閾値、縦軸は識別精度を識別率として示す。識別率(識別精度)は、全識別回数に対する2つの端末が同じ部屋にいると正しく識別できた回数の割合で示す。

0030

識別率=(正しい識別回数)/(全識別回数)
図7から、4本のアンテナでのRSSIの相関の閾値を0.35に設定する。図8からP(t)の相関の閾値を0.2に設定する。図9から、Q(t)の相関の閾値を0.2に設定する。図10から、正規化した磁界強度ベクトルの相関(内積)の閾値を0.96に設定する。

0031

図11は、4つの特徴量の閾値比較結果をどのように用いるとプロキシミティテストの識別精度が高くなるかを示す図である。パターンAは、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、磁界強度ベクトルの相関の4つの特徴量のうちの2つ以上が対応する閾値を超える場合に同じ部屋にいると判定する方法である。このときの識別率は0.893である。

0032

パターンBは、RSSIの相関、P(t)の相関、磁界強度ベクトルの相関の3つの特徴量のうちの2つ以上が対応する閾値を超える場合に同じ部屋にいると判定する方法である。このときの識別率は0.848である。パターンCは、RSSIの相関と磁界強度ベクトルの相関のうち1つ以上が対応する閾値を超える場合に同じ部屋にいると判定する方法である。このときの識別率は0.818である。パターンDは、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、磁界強度ベクトルの相関の4つの特徴量のうちの3つ以上が対応する閾値を超える場合に同じ部屋にいると判定する方法である。このときの識別率は0.807である。

0033

パターンA〜Dのいずれの場合も、電波伝搬の空間相関を表わす3つの特徴量のうちの少なくとも1つと、磁界強度ベクトルの相関とを組み合わせて用いることで、80%以上の識別率を達成している。もっとも、単純に閾値を超える特徴量が多ければよいのではなく、4つの特徴量のうちの2つ以上が閾値を超える場合に、正しく識別できる割合が最も大きくなることがわかる。また、磁界強度ベクトルの相関と、電波伝搬の空間相関を表わす2つの特徴量とを組み合わせて2つ以上が閾値を超える場合も、85%近い識別率となる。
特性評価
RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、及び磁界強度ベクトルの相関という4つの特徴量のうち2つ以上が閾値を超える場合に同じ部屋にいると判定する手法(パターンA)を用いて、実際の特性評価を行う。実験環境として、2つの異なる環境を設定する。これら2つの実験環境は、上述した予備実験の測定環境とは別の環境である。

0034

図12は、実験環境Iを示す。実験環境Iのルーム1はコンクリートの壁で囲まれており、ドアは閉じられている。第1の受信機(Rx1)を固定し、第2の受信機(Rx2)の位置を、同室内で受信機Rx1から2メートルの距離(位置(1))、同室内で4メートルの距離(位置(2))、室外で2メートルの距離(位置(3))、室外で4メートルの距離(位置(4))と変化させる。

0035

図13は、実験環境IIを示す。ルーム2とルーム3の間に仕切りがあるが、上下に隙間がある。ルーム2と廊下を隔てる壁はガラス製であり、それ以外の壁はコンクリート製である。ドアは閉められている。第1の受信機(Rx1)をルーム2に固定し、第2の受信機(Rx2)の位置を、同室内で受信機Rx1から2メートルの距離(位置(1))、同室内で4メートルの距離(位置(2))、室外で2メートルの距離(位置(3))、室外で8メートルの距離(位置(4))と変化させる。

0036

実験環境IとIIの双方で、送信機(Tx)を仕切りで囲い、NLOS(non-Line-of-sight:見通し外)環境とする。環境Iのルーム1、環境IIのルーム2で、2人がPC等を用いて通常の作業を行っており、廊下は人が自由に歩行している。環境Iと環境IIの各位置で90秒間観測を行い、30秒のウィンドウ幅でRSSIの相関を計算し、1秒ごとに窓をスライドさせる。このときの受信機と送信機の諸元を表1に示す。

0037

図14は、環境Iにおけるアンテナ4本のときのRSSI相関による識別率を、アンテナ1本のときのRSSI相関の識別率と比較して示す図である。図15は、環境IIにおけるアンテナ4本のときのRSSI相関による識別率を、アンテナ1本のときのRSSI相関の識別率を比較して示す図である。識別率は、RSSI相関値が閾値を超えたときに同室にいると判定する方法で、全識別回数に対する正しく識別できた回数の比(識別率=(正しい識別回数)/(全識別回数))である。なお、アンテナが1本のときの閾値はアンテナが4本のときと同様の手順であらかじめ決めておく。

0038

環境Iと環境IIの双方で、アンテナ1本を用いた場合よりも、アンテナを4本用いた場合の識別率が高くなっている。これは、ダイバーシティ効果によりRSSIの変化がより正確に捉えられているからだと考えられる。ただし、4本アンテナのRSSIの相関だけでは、同じ部屋でも距離が遠い場合や、別の部屋でも距離が近い場合に識別率がやや劣る。そのため、距離にかかわらず同室にいると正しく判定できる識別率が80%以下に落ちてしまう。そこで、上述したように、電波伝搬の空間相関を表わす3つの特徴量と、磁界強度ベクトルの相関を表わす特徴量のうちの2つ以上が閾値を超える場合を同室にいると判定する方法(図11のパターンA)で識別率を向上する。

0039

図16は、環境Iで4本アンテナのRSSIの相関のみを用いた場合と、実施形態の方法を用いた場合の識別率を比較した図である。図17は、環境IIで4本アンテナのRSSIの相関のみと、実施形態の方法を用いた場合の識別率を比較した図である。環境Iでは、どの位置関係においても90%以上の識別率が達成される。環境IIのように、ルーム2とルーム3が上下に隙間のある仕切りで隔てられた環境でも、端末間の距離が離れた状態で同部屋にいると判断される識別率が85%に達し、それ以外の位置関係での識別率は90%以上である。実施形態の方法を用いることで、同じ部屋で距離が遠い場合や、別の部屋で距離が近い場合の識別率が特に改善されている。

0040

RSSIはユーザ間の距離によって相関が大きく変わるため、同じ部屋でも距離が遠い場合や、別の部屋で距離が近い場合に識別率が低下する。これに対し、P(t)の相関とQ(t)の相関は電波伝搬状態の相関を見ているので、ユーザ同士が近い位置にいても異なる部屋にいる場合に相関が小さくなる。また、信号到来方向と大きさの変化自体の相関をみるので、周囲環境の違いの変化の影響を受けにくい。残留磁気の磁界強度ベクトルも時間的変動が少なく、距離の影響よりも、同じ部屋にいるかどうかの影響の方が大きい。したがって、距離に拠らず同じ部屋にいるか否かを精度良く判断することができる。図11のパターンA〜Dのいずれも80%以上の識別率を実現していることからも裏付けられる。

0041

図18は、実施形態のプロキシミティテスト方法の適用例を示す図である。たとえば、ある店舗内にいるユーザや、特定のエリア内のユーザにだけ、クーポン等のサービス情報を配信する。GPSなどの位置検出機能を用いると特定の建物内や所定のエリア内に存在するユーザを特定することができるが、プライバシー保護や位置情報の偽装防止などの観点から位置情報の送受信は望ましくない。そこで、ユーザ端末の位置情報の送受信なしにユーザ間のプロキシミティを判定する。

0042

部屋100に、プロキシミティテスト装置としてのサーバ10と、ユーザ端末2−1が存在する。別のユーザ端末2−2は部屋100の中に移動中である。ユーザ端末2−1、2−2は、それぞれ複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナを有している。サーバ10は、測定要求メッセージを、たとえばブロードキャストで送信している(手順(1))。測定要求メッセージを受信したユーザ端末2−1は、アレーアンテナで受信した測定要求メッセージあるいはサーバ10からの任意の参照信号の受信信号電圧とRSSIと残留磁気の磁界強度ベクトルを測定し(手順(2))、測定結果Aを測定報告メッセージにてサーバ10に送信する(手順(3))。同様に、測定要求メッセージを受信したユーザ端末2−2は、アレーアンテナで受信した測定要求メッセージまたはサーバ10からの任意の信号の受信信号電圧とRSSIと残留磁気の磁界強度ベクトルを測定し(手順(2))、測定結果A'を測定報告メッセージにてサーバ10に送信する(手順(3))。

0043

ここでいう受信信号電圧は、アレイアンテナの各アンテナ素子から出力される電圧値であり、そのアンテナ素子で受信された空間電界を表わす。RSSIは各アンテナ素子が受信する電力値またはその対数であり、時間平均を含む。この例では、ユーザ端末2−1,2−2が受信信号電圧とRSSIを求めているが、少なくとも受信信号電圧と磁界強度ベクトルが測定報告メッセージに含まれていればよい。

0044

サーバ10は、ユーザ端末2−1から受信した測定報告メッセージに含まれる受信信号電圧から、ユーザ端末2−1におけるP(t)とQ(t)を計算する。同様に、ユーザ端末2−2から受信した測定報告メッセージに含まれる受信信号電圧から、ユーザ端末2−2におけるP(t)とQ(t)を計算する(手順(4))。

0045

サーバ10はさらに、測定結果に基づいて、ユーザ端末2−1とユーザ端末2−2の間のRSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、及び磁界強度ベクトルの相関を計算し、各特徴量をあらかじめ記憶されている閾値と比較してユーザ端末2−1とユーザ端末2−2の近接度(プロキシミティ)を判断する(手順(5))。RSSIの相関については、ユーザ端末2−1から受信したRSSIとユーザ端末2−2から受信したRSSIとから、すべてのアンテナ素子の組み合わせの中で最大の相関を決定する。ユーザ端末2−1、2−2からの測定報告メッセージにRSSIが含まれていない場合は、サーバ10は受け取った受信信号電圧からRSSIを計算し、端末間のRSSIの相関を計算してもよい。サーバ10は、4つの特徴量のうち、2つ以上が対応する閾値を超える場合に、ユーザ端末2−1とユーザ端末2−2が部屋100の内部にいると判断する。

0046

サーバ10は、ユーザ端末2−1と図示しない他のユーザ端末との間で行われた従前のプロキシミティテストにより、ユーザ端末2−1が部屋100の中にいることを知っているものとする。閾値判定によりユーザ端末2−2がユーザ端末2−1と同じ部屋100の中にいると判断された場合、たとえば、サーバ10からユーザ端末2−2のアドレスにクーポン等のサービス情報が送信される。

0047

サーバ10は、測定要求メッセージに替え既知パイロット信号を送信してもよい。その場合は、ユーザ端末2−1、2−2は、パイロット信号の受信をトリガとしてパイロット信号の受信信号電圧とRSSIと残留磁気の磁界強度ベクトルを測定し、測定結果を測定報告メッセージに含めてサーバ10に送信してもよい。

0048

測定要求メッセージやパイロット信号は、必ずしもサーバ10から送信されなくてもよい。たとえば、部屋100内に別途パイロット信号送信用の送信機を配置し、送信機からのパイロット信号を受信したユーザ端末2−1、2−2から、受信信号強度とRSSIと磁界強度ベクトルの測定結果を受信する構成としてもよい。

0049

図19は、サーバ10の動作を示すフローチャートである。サーバ10は、測定要求メッセージを、たとえば一定間隔ブロードキャスト送信する(S11)。この工程は必須ではなく、別途設置した送信機から測定要求メッセージまたはパイロット信号を送信してもよい。

0050

サーバは、2以上のユーザ端末から受信信号電圧とRSSIと残留磁気の磁界強度ベクトルの測定結果を測定報告メッセージから取得する(S12)。測定報告メッセージに含まれる受信信号電圧から、信号の固有ベクトルvob(t)と固有値λob(t)を計算して、各ユーザ端末の評価関数P(t)とQ(t)を計算する(S13)。固有ベクトルvob(t)と固有値λob(t)は、たとえば非特許文献4に記載される方法で計算する。サーバ10は、各ユーザ端末2−1,2−2について、参照時刻に取得した固有ベクトルvrefと固有値λrefを保持しており、式(1)、(2)を用いてP(t)とQ(t)を計算する。参照時刻は、たとえば最初に各ユーザ端末2−1,2−2から測定結果を受信した時刻であってもよい。

0051

サーバ10は、ユーザ端末2−1,2−2から取得した測定結果と、P(t),Q(t)の計算結果に基づいて、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関、及び磁界強度ベクトルの相関を計算し、各相関を対応する閾値と比較する(S14)。RSSIの相関は、ユーザ端末2−1と2−2のアレーアンテナの全アンテナペアの組み合わせの中で最大の相関である。磁界強度ベクトルの相関は、たとえばユーザ端末2−1の位置を参照位置とし、参照位置での磁界強度ベクトルとユーザ端末2−2が測定した磁界強度ベクトルの内積を正規化した値で表す。

0052

サーバ10は、上記4つの相関のうち、2つ以上が対応する閾値を超えるか否かを判断する(S15)。4つの相関のうちの2つ以上が閾値を超えた場合に(S15でYES)、ユーザ端末2−1と2−2が同じ室内にいると判定する(S16)。閾値を超える相関が2つ以上ない場合は(S15でNO)、同じ室内に存在しないと判定する(S17)。このフローは、サーバ10の運用中に繰り返し行われ、サーバ10の電源オフされたときや、サービス情報の配布終了時に終了する。

0053

テップS14〜S16において、サーバ10の設置場所時間帯によっては、4つの相関の全てを用いなくてもよい。たとえば人の数や動きの少ない場所や時間帯では、図11のパターンB、パターンC等を用いてもよい。

0054

図20は、サーバ10の概略ブロック図である。サーバ10は、プロセッサ11と、メモリ15と、無線通信部17を有する。無線通信部17は、たとえばWiFi等の無線LANのアクセスポイントを介してユーザ端末2と無線通信を行ってもよいし、機器同士を直接接続するP2P(Peer-to-Peer)方式の通信を行ってもよい。後者の場合、無線通信部17は測定要求メッセージをブロードキャスト送信し、2以上のユーザ端末2からRSSIと磁界強度ベクトルの測定結果を受信する。

0055

メモリ15は閾値保持部16を有し、RSSIの相関、P(t)の相関、Q(t)の相関の少なくとも1つと、残留磁気の磁界強度ベクトルの相関について、あらかじめ決定した閾値を記憶する。プロセッサ11は、特徴量計算部12と比較判断部13を有する。特徴量計算部12は、受信信号電圧からP(t),Q(t)を計算し、RSSI、P(t)、Q(t)、及び残留磁気の磁界強度ベクトルについて、それぞれユーザ端末間の相関を計算する。特徴量計算部12は、測定報告にRSSIが含まれているときはそのRSSIを使用し、測定報告にRSSIが含まれていない場合は、受信信号電圧からRSSIを計算してユーザ端末間のRSSIの相関を計算してもよい。比較判断部13は、閾値保持部16に記憶されている各閾値を用いて、用いた相関値のうちの所定の数以上の相関値が閾値を超えるか否かを判断する。たとえば、4つの相関(特徴量)すべてを用いる場合は、2つ以上の特徴量で閾値を超える場合に、ユーザ端末同士が同じ室内にいると判断する。プロセッサ11は、ユーザ端末2同士が同じ室内にいると判断された場合に、無線通信部17を介して所定のサービス情報を配信してもよい。

0056

サーバ10は、CPU(Central Processing Unit:中央演算装置)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信インタフェース(I/F)、ユーザインターフェース等がバス相互接続された汎用コンピュータで実現可能である。また、一方のユーザ端末2−1を、たとえば参照位置に固定された固定端末としてもよい。

0057

実施形態の手法を用いることで、位置情報の送受信なしに、識別精度が高く周囲環境の変化に強いプロキシミティテストが可能になる。

0058

2−1,2−2ユーザ端末(端末装置)
10サーバ(プロキシミティテスト装置)
11プロセッサ
12 特徴量計算部
13比較判断部
15メモリ
16閾値保持部
17無線通信部

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