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https://doi.org/10.14943/doctoral.k16500

https://hdl.handle.net/2115/94921

Research on Acoustic Indoor Positioning and Echo Embedding

日本語

2025-03-25

Hokkaido University

1,93p.

位置情報を利用したサービルの増加に伴い，測位技術の需要が高まっている．特に近年では，政府や企業による DX (デジタルトランスフォーメーション) の推進により，生産性の向上や業務効率化を目的とした位置情報の活用も期待されている．広く知られている測位技術として GPS を代表とする GNSS (Global Navigation Satellite System) が挙げられるが，屋内環境では人工衛星からの信号が外壁によって遮断される，もしくは大幅に減衰するため，測位精度が著しく低下する．今後，ショッピングモールや駅構内など，屋内でも位置情報を活用したサービスの展開が予想されるため，GNSS に代わる測位技術の開発が急がれている．本論文では，屋内での高精度な測位技術を実現するため，音響を利用した測位手法を提案する．既存の屋内測位技術として Wi-Fi や Bluetooth を利用した電波ベースの手法，LEDによる可視光を利用した手法などが提案されているが，音響は測位精度とコストの面で優位性を持つ．これは音速は電波に比べて遅く，信号の受信時刻を高精度に検出できることに起因する．また，モバイルデバイスには標準でマイクロフォンが搭載されており，専用ハードウェアを必要としないため，低コストでの実現が可能である．これらの利点により，音響を用いた手法は屋内測位分野における有力な技術として注目されている．音響を用いた測位手法は，測位精度や実装コストの面で優位性を持つ一方，いくつか課題も存在する. 1 点目の課題として送受信機間の時刻同期が困難であることが指摘されている．音響測位では，信号が空気中を伝搬する時間を基に位置を推定するため，送信機 (スピーカ)と受信機 (マイクロフォン) の精密な時刻同期が一般的に必要とされる．時刻同期を不要とする TDoA (Time Differenceof Arrival) アルゴリズムも存在するが，これを採用する場合，時刻同期済みの手法と比較して，測位計算に必要なスピーカの数が増加する．2 点目の課題として高精度測位が可能な範囲 (カバレッジ) が限定的であることが指摘されている．モバイルデバイスに搭載されているマイクロフォンは指向性を持ち，その周波数特性によって測位精度が変化する．そのため，スピーカとモバイルデバイスの配置関係や環境の影響により，測位精度が低下することがある．3 点目の課題として送信信号の帯域が可聴域と重複することが指摘されている．多くのモバイルデバイスでサポートされているサンプリング周波数は最大 48kHz であり，受信可能な周波数は 24kHz までに限定される．一方で，人の可聴域は 18kHz 程度であるため, 送信信号として利用可能な帯域は 18kHz から 24kHz に限られる．この帯域幅は測位用の信号として十分ではないため，測位精度の低下につながる可能性がある．本論文では，これらの課題を解決するための改善手法を提案する．1 点目の課題に対しては，床からの反射波に着目し，送受信機間の擬似的な時刻同期を可能にする手法を提案する．この手法では，鏡像法を用いて床からの反射波を仮想スピーカからの直接波とモデル化することで，擬似的にスピーカ数を増加させる．これにより，受信側で幾何学的に送信時刻を推定することが可能となる．また，送信時刻の推定には，モバイルデバイスの高さ情報が必要となるが，これは音響センシングによる測距によって推定する．2 点目の課題に対しては，TDM (時間分割多重) と FDM (周波数分割多重) を組み合わせた新たな送信方式を提案し，測位領域の拡張を試みる．この手法では，各タイムスロットで周波数が異なる信号を送信することで，周波数特性による測位精度の影響を抑制する．複数のタイムスロットを用いることで，送信信号の帯域を広げ，測位精度の向上が期待できる.3 点目の課題に対しては，音響電子透かしの分野に着目し，エコーを測位用信号としてBGM に埋め込む手法を提案する．この手法では，人間の聴覚が反響音に対して鈍感である特性を利用し，広帯域の信号を BGM に埋め込む．帯域と時間分解能にはトレードオフの関係があるが，広帯域化することで時間分解能を向上させ，高精度な測位が期待できる．本論文は以上の 3 つの課題に対する解決手法を提案し，その有効性を示したものである．

2025-03-25

甲第16500号

博士(情報科学)

(主査) 教授 杉本 雅則, 教授 田中 章, 教授 松原 崇, 教授 今井 英幸, 准教授 中村 将成

情報科学院（情報科学専攻）

博士論文

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