JP2010533991A - 相関を使用して信号を検出するロバストなセンシング - Google Patents

相関を使用して信号を検出するロバストなセンシング Download PDF

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Abstract

既存のユーザの存在を迅速且つロバストに検出し、必要に応じて既存のユーザにスペクトルを迅速に譲るため、大きな周波数オフセットを補正して相関検出器の性能を改善するため、アップサンプリングされた基準信号との相関検出を実行する前に、二次的なユーザのコグニティブ又はソフトウェア無線の受信機においてキャリアリカバリが実行される。受信信号を検出するため、パイロット値が基準信号に加えられる。基準信号は、受信信号のサンプリング周波数にアップサンプルされる。アップサンプリングされた基準信号は、相関値を生成するため、復調されたベースバンド信号と相互の関係が比較される。相関値は予め決定された検出の閾値よりも大きい場合、受信信号が存在するかが判定される。

Description

本発明は、テレビジョン(TV)受像機のような既存のサービスに対する有害な混信のない効率的且つ信頼性の高いスペクトルの使用を達成するため、コグニティブ無線及び/又はソフトウェア定義無線(SDR)を含む通信システムに関する。
本出願は、2007年3月6日に提出された米国仮出願シリアルNo 60/893,208の利益を特許請求するものである。
無許可のユーザがスペクトルの既存のユーザに対する有害な混信を形成しないという条件で、無許可の装置によるTVスペクトルの使用を可能にする多数の提案が行われている。これらの無許可の装置は、有害な混信なしに、送信する許可されたテレビジョンの帯域内でチャネルを自発的に識別する機能を有することが想定される。
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.22 WRAN(Wireless Regional Area Network)ワーキンググループは、物理(PHY)及びメディアアクセスコントロール(MAC)レイヤインタフェースに関する標準を作成する。このインタフェースは、コグニティブ無線(CR)技術に基づいて、テレビジョン(TV)ブロードキャストサービスに割り当てられたスペクトルを無許可のシステムが利用するのを可能にする。既存のシステム(incumbent system)と共存し、且つ、TVブロードキャスト、ワイヤレスマイクロフォン等のような既存のサービスに影響を及ぼす場合がある干渉を回避するため、IEEE802.22のMACプロトコルは、CR基地局が現在使用中のチャネルを動的に変更するか、又は、既存のシステムにより使用されるスペクトルの使用が検出されたときのCR端末の電力を動的に変更するのを可能にする。
既存のシステムとの干渉を回避するため、CR端末は、受信信号における最小の周波数オフセットを想定する相関に基づいたセンシング方法を使用する。しかし、測定値は、±20kHzの大きな周波数オフセットが珍しくないことを示す。これらの大きなオフセットは、意図的であるか、非意図的である場合がある。幾つかの可能性のある意図的な周波数オフセットのソースは、隣接する干渉を補正する送信機、又は受信機のフロントエンドを含む。幾つかの可能性のある非意図的な周波数オフセットのソースは、たとえばドップラオフセット又は受信機のクリスタルオフセットを含む。これらのオフセットの存在及び大きさは、センシングレシーバで知られていないことがあり、これにより、補償が問題となる。しかし、これらの大きな周波数オフセットがセンシングレシーバで補償されない場合、補正検出器の性能は、特に低い信号対雑音(SNR)比で非常に信頼できない。さらに、未知の受信されたパイロットレベル及びタイミングオフセットは、相関検出器の性能を低減することができる。
本発明の実施の形態によれば、コグニティブ又はソフトウェア無線の二次的なユーザ(secondary user)は、既存の信号(incumbent signal)の存在を迅速及びロバストに判定する。既存のユーザ(incumbent user)は、スペクトルへの先制のアクセスが与えられ、二次的なユーザ(たとえば、コグニティブ無線のユーザ及びソフトウェア無線のユーザ)は、既存のユーザと干渉しない関係にあるスペクトルの空白における日和見主義的な使用のためのアクセス権のみを有することが理解される。空白は、通信分野で知られており、無線スペクトルの割り当てられた部分であるが、仮想的に不使用の部分として定義される。本発明の実施の形態によれば、二次的なユーザは、既存のユーザの存在を迅速且つロバストに検出し、潜在的に有害な混信を排除してスペクトルの共有を可能にするため、既存のユーザにスペクトルを迅速に譲る。
本発明の1実施の形態によれば、既存のユーザの存在を迅速且つロバストに検出し、必要に応じて既存のユーザにスペクトルを迅速に譲るため、大きな周波数オフセットを補正して相関検出器の性能を改善するために相関を実行する前に、二次的なユーザのコグニティブ又はソフトウェア無線の受信機においてキャリアリカバリが実行される。
本発明は、少なくとも1つの公知のPN系列を含む既存の信号との使用に広く適用可能である。さらに、本発明は、任意のサンプリングレートでセンサでサンプリングされるIF又はRF周波数で送信される場合がある任意の既存の信号に適用可能である。本発明の実施の形態によれば、キャリアリカバリは、たとえば、セグメントSync、511PN系列レングス、63PN系列又はその組み合わせを含むオーバサンプリングされた基準信号による相関検出の前に実行される。
本発明の様々な実施の形態は、例示的であって限定するものではないことを意味する添付図面の図で例示され、図面では、同じ参照符号は同じ又は対応する部材を示すことが意図される。
従来のATSC 8−VSB送信機のブロック図である。 図1のVSB信号のフィールド同期信号の構造を示す図である。 本発明の1実施の形態に係る検出器を示すブロック図である。 キャリアリカバリを実行するプロセスを説明するフローダイアグラムである。 図4のフローダイアグラムのキャリアリカバリを更に記述する詳細なフローダイアグラムである。
本発明は、大きな周波数オフセットを補正し、これにより相関検出器の性能を改善するため、相関を実行する前にキャリアリカバリを実行することで、低い信号対雑音比でキャリア信号を回復するロバスト且つ効率的なソリューションを提供する例示的なシステム、方法及び装置の観点で更に詳細に記載される。
スペクトルセンシングは、IEEE802.22標準のようなプライマリサービスとスペクトル帯域を共有するCRに基づくワイヤレスシステムにおける必須の機能である。より詳細には、スペクトルセンシングは、プライマリユーザへの有害な混信を生じることなしに、二次的なネットワークがスペクトルを再使用するのを可能にするので、動的なスペクトルのアクセスのために成功の鍵となる。
したがって、本発明は、高速フーリエ変換(FFT)に基づくパイロット検出に基づいたスペクトルセンシング技術として特徴付けることができる。
本実施の形態で記載されるスペクトルセンシングは、特に、限定されるものではないが、高度に動的であって高密なネットワークにおける動作のために設計され、IEEE802.33標準の現在の草案において適合される。本実施の形態で記載されるスペクトルセンシングは、2つのタイプの既存、すなわちTVサービスとワイヤレスマイクロフォンを主に保護するために設計される。特に、ワイヤレスマイクロフォンは、スペクトルの許可された二次的なユーザであり、干渉しない原理で空いているTVチャネルで動作するようにFCCにより許容される。
図1は、コンベンショナルなデジタルブロードキャスト送信装置のブロック図である。この装置は、標準的な8レベル残留側波帯(VSB)送信装置であり、乱数発生器10、リードソロモン(RS)エンコーダ12、インタリーバ14、トレリスエンコーダ16、マルチプレクサ(MUX)18、パイロットインサータ20、VSB変調器22及び無線周波(RF)変換器24を含む。パイロットインサータ20は、マルチプレクサ18からのシンボルストリームにパイロット信号を挿入する。パイロット信号は、これらの信号が効果的であるように所有する固定された時間と振幅の関係を破壊しないように、ランダム化及び誤り符号化ステージの後に挿入される。データが変調される前に、小さなDCシフトが8−VSBベースバンド信号に印加される。これにより、小さな残余のキャリアが、結果として得られる変調されたスペクトルのゼロ周波ポイントで現れる。これは、パイロットインサータ20により提供されるパイロット信号である。これは、VSB受信機におけるRFフェーズロックループ(PLL)回路に、送信されているデータとは独立なデータにロックすることを与える。パイロット信号がパイロットインサータ20により挿入された後、出力は、VSB変調器22に送出される。VSB変調器22は、シンボルストリームを中間周波数帯域の8−VSB信号に変調する。VSB変調器22は、一方の側波帯の大部分が除かれて、フィルタリングされた(root-raised cosine)IF信号を標準的な周波数(米国では44MHz)で提供する。
特に、8レベルベースバンド信号は、中間周波(IF)キャリアで振幅変調される。この変調により、キャリア周波数に関して両側波帯IFスペクトルが生成される。しかし、全体のスペクトルは、割り当てられた6MHzチャネルにおいて送信するには余りに広すぎる。変調により生成されたサイドローブは、中央のスペクトルの単にスケーリングされたコピーである。全体の下側波帯は、上側波帯のミラーイメージである。したがって、フィルタを使用して、VSB変調器は、全体の下側波帯と、上側波帯における全てのサイドローブとを棄てる。残りの信号である中央のスペクトルの上側の半分は、ナイキストフィルタを使用することで半分に更に除かれる。ナイキストフィルタはナイキスト理論に基づいており、この理論は、所与のサンプリングレートでデジタル信号を送信するために2分の1の周波数帯域幅のみが必要とされることを要約する。
さらに、図1によれば、RF(無線周波)コンバータ24は、VSB変調器22からの中間周波帯域の信号をRF帯域の信号に変換し、この変換された信号をアンテナ26を通して受信システムに送出する。
8−VSB信号のそれぞれのデータフレームは、2つのフィールド、すなわち奇数フィールド及び偶数フィールドを有する。2つのフィールドのそれぞれは、313セグメントを有し、第一のセグメントは、フィールド同期(Sync)信号に対応する。
図2は、図の8−VSB信号のフィールド同期信号の構造を説明する図である。図2に例示されるように、奇数フィールド及び偶数フィールドのセグメントのそれぞれは、832シンボルを有する。奇数フィールド及び偶数フィールドのそれぞれにおけるセグメントのそれぞれの第一の4つのシンボルは、セグメント同期信号(4シンボルのデータセグメント同期(DSS: Data-Segment-Synchronization))系列を含む。
VSB信号を更に受信可能にするため、トレイニング系列は、VSB信号の奇数フィールド及び偶数フィールドのそれぞれの(フィールド同期信号を含む)第一のセグメントに埋め込まれる。フィールド同期信号は、チャネルイコライザ用の4つの擬似ランダムトレイニング系列を含み、これらは、511のシンボルからなる擬似ランダム数(PN)511系列、及びそれぞれが63のシンボルからなる3つのPN63系列である。3つのPN63系列の第二のPN63系列の符号は、フィールドが変化するときは何時でも変化し、これにより、あるフィールドがデータフレームの第一(奇数)フィールドであるか又は第二(偶数)フィールドであるかを示す。同期信号検出回路は、PN511系列を使用して、受信されたマルチパス信号の振幅及び位置(位相)のプロファイルを決定し、復号化の動作のような各種DTV受信動作のために必要な複数の同期信号を生成する。
図3は、本発明の例示的な実施の形態に係るFFTに基づく予測回路423をもつセンシングユニット400のブロック図である。図示されるように、センシングユニット400は、チューナ410、復調器420、第一のマッチドフィルタ430、複素相関ユニット440、ローカルリファレンス信号発生ユニット460、絶対値決定ユニット470及び閾値検出器480を含む。復調器420は、アナログ−デジタル(A/D)コンバータ421、複素ミキサ422、及びFFTに基づく予測ユニット423を含む。
ローカルリファレンス信号発生ユニット460は、PN511及びパイロット発生ユニット461、オーバサンプリングユニット465、及び第二のマッチドフィルタ467を含む。
動作において、チューナ410は、アンテナを介して大気を通して送信される高周波信号43を受信し、受信された高周波信号を低いIF信号45に同調する。A/Dコンバータ421は、Low IF(LIF)信号45をデジタルLIF信号47に変換し、このデジタルLIF信号は、複素ミキサ422への一方の入力として供給される。複素ミキサ422では、デジタルLIF信号は、FFTに基づく予測ユニット423から出力されるリファレンス信号55と結合される。FFTに基づく予測ユニット423は、特徴周波数fcの推定値を出力する。本発明の実施の形態に係るFFTに基づく予測ユニット423における、搬送波周波数fcを推定するプロセスは、図5のフローチャートに関して詳細に記載される。複素ミキサ422の出力は、複素の復調されたベースバンド信号49であり、この信号は、複素信号51を生成するためにマッチドフィルタリング(MF)演算を実行する第一のマッチドフィルタ430に供給される。複素信号51は、複素相関ユニット440への一方の入力として供給され、この複素相関ユニットは、第二のマッチドフィルタ467から出力されたオーバサンプリングされたローカル基準信号59との複素相関を実行する。第二のマッチドフィルタ467は、オーバサンプリングユニット465からのローカル基準信号58を受ける。ローカル基準信号57は、PN511+PILOTユニット461で発生され、オーバサンプリングユニット465に供給される。
複素相関ユニット440は、複素相関信号53を出力し、この信号は、絶対値ユニット470への入力として供給される。絶対値ユニット470は、閾値検出器480への一方の入力として絶対値の複素相関信号61を出力する。絶対値の複素相関信号61は、閾値検出器480への第二の入力として供給される閾値63と比較され、既存のユーザの信号の存在又は不存在が判定される。
なお、閾値63の選択は、フォールスアラームの所望の確率PFAにより決定されることが理解される。
図4を参照して、既存のユーザの信号の存在を迅速且つロバストに検出する方法を例示するフローチャートが提供される。記載された方法によれば、大きな周波数オフセットを補正し、これにより相関検出器の性能を改善するため、キャリアリカバリは相関の前に行われる。他の利点の中でも以下に記載されるステップは、大きな周波数オフセットを適切に補償することができ、特に低い信号対雑音比で、相関検出器の性能を非常に信頼性の高いものにする。さらに、未知の受信されたパイロットレベル及びタイミングオフセットは、相関検出器の性能を更に改善するために低減される。図4に従って記載される方法は、図3のセンシングユニット400の環境で提供される。本方法は、マイクロプロセッサ、DSP等のような処理ユニットによりソフトウェア又はフォームウェアで実行される。ブロック502で、アンテナを介して受信された、受信信号x(t)のキャリア周波数fcが推定される。これは、図5のフローチャートを参照して以下に詳細に記載される。ブロック504で、受信信号x(t)は、推定されたキャリア周波数fcを使用して、ベースバンド信号、すなわちy(t)=x(t)e−j2πfctに復調される。ブロック506で、ベースバンド信号、すなわちy(t)=x(t)e−j2πfctは、マッチドフィルタにおける帯域幅5.38MHzのSQRCフィルタでフィルタリングされ、この場合、フィルタの帯域幅は、フィルタリングされたベースバンド信号を生成するため、中心周波数の実質的に±11.5%である。ブロック508で、ローカル基準信号が生成される。これは、パイロット値をPN511系列に加え、基準信号を受信信号のサンプリング周波数にアップサンプリングすることで達成される。ブロック510で、ローカルの基準信号は、オーバサンプリングされたローカルの基準信号を生成するためにオーバサンプリングされる。ブロック512で、オーバサンプリングされたローカルの基準信号は、フィルタリングされたローカルの基準信号を発生するため、第二のマッチドフィルタへの入力として供給される。ブロック514で、フィルタリングされたローカルの基準信号は、複素相関信号と相関される。ブロック516で、絶対の複素相関値が供給される。ブロック518で、絶対の複素相関値は、閾値検出値63と比較され、受信された(既存の)信号の存在が判定される。
図5を参照して、図4のブロック502の詳細を説明するフローチャートが示される。先に述べたように、ブロック502は、受信された信号x(t)のキャリア周波数fcを推定することに向けられる。ブロック602で、FFT変換は、LIF信号x(t)のセクションで実行される。ブロック604で、FFT出力の絶対値は、多数の隣接するデータセクションを通して平均され、1つの平均されたFFT出力が得られる。ブロック606で、平均されたFFT出力のピークが識別される。ブロック608で、識別されたピーク値は、閾値に比較され、どちらが大きいかが判定される。ピークが閾値よりも大きいと判定された場合、ブロック610でプロセスが継続される。さもなければ、ブロック612でプロセスが継続される。ブロック610で、識別されたピーク値は、受信信号x(t)を復調するためにキャリア周波数の推定値として使用される。ブロック612で、受信信号の公称のパイロットロケーションは、受信信号x(t)を復調するためにキャリア周波数の推定値として使用される。デジタルATSC標準のように、アナログのNTSC(National Television System Committee)ブロードキャスト信号は、パイロット信号と、受信機の位置のロケーションのために使用される他の既知の同期信号成分とを含む。本発明は、アナログのNTSCブロードキャスト信号に適用される。たとえば、水平走査の同期信号は、63.6ミリ秒のそれぞれの水平走査時間で生じる。この63.6ミリ秒は、先に記載されたセグメントタイムのインターバルに等価であり、この水平走査の同期信号は、デジタルATSC標準のセグメント同期ビット波形に類似した役割を果たす。これらアナログTV放送信号について、周期的に生じる既知のGCR(Ghost Canceling Reference)信号が存在し、この信号は、送信機から受信機への信号伝播の間にマルチパスに対処するためにTV受信機により使用される。このGCR信号は、デジタルATSC放送信号のフィールド同期セグメント信号に類似している。また、本発明は、他のタイプのアナログTV放送信号にも拡張される。
ETSI(European Telecommunications Standards Institute)は、DVB−T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial)標準を確立しており、この標準は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号の使用に基づく。本発明は、DVB−T及び非常に関連する日本のISDB−T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial)システムに適用される。たとえば、8KモードのDVB−Tシステムは、6816OFDMキャリアから構成され、それぞれのキャリアは、896マイクロ秒の期間の符号化データシンボルでQAM変調される(QPSKは特別のケース)。6816データシンボルの全体のセットは、このDVB−Tブロードキャスト信号の1シンボルと呼ばれる。896マイクロ秒の期間のキャリアをもつ個々のQAM変調シンボルは、セルと呼ばれることがある。これらのセルの多くは固定されており、TV受信機で同期目的で使用される。これら公知の同期セルは、パイロットキャリア又はセルと呼ばれ、本発明に基づいて受信機位置のロケーションを判定するために使用される。
本発明は、ETSIのDAB(Digital Audio Broadcast)及び米国のIBOC(In-Band On-Channel)デジタルオーディオブロードキャストシステムのような他のOFDMブロードキャスト信号に適用可能である。OFDMオーディオブロードキャスト信号は、Sirius及びXM RadioのSDARS(Satellite Digital Audio Radio Service)システムの地上波リレーにより使用される。
本発明の好適な実施の形態の上述された記載は、例示及び説明の目的で提供された。開示された正確な形式に排他するか、本発明に限定することが意図されない。多くの変更及び変形は、先の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明により限定されないが、請求項及び添付された請求項に等価な概念により制限される。

Claims (13)

  1. 受信信号を検出する方法であって、
    パイロット値を基準信号に付加するステップと、
    前記基準信号を前記受信信号のサンプリング周波数にアップサンプリングするステップと、
    アップサンプリングされた基準信号を復調されたベースバンド信号と相関させ、相関値を生成するステップと、
    前記相関値が予め決定された検出の閾値よりも大きい場合に、前記受信信号が存在することを判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. センサで受信信号の存在を検出する方法であって、
    前記受信信号のキャリア周波数を推定するステップと、
    推定されたキャリア周波数を使用して前記受信信号を復調し、複素の復調されたベースバンド信号を生成するステップと、
    前記複素の復調されたベースバンド信号を低域通過フィルタでフィルタリングするステップと、
    前記受信信号と同じサンプリングレートで、オーバサンプリングされたローカルの基準信号を生成するステップと、
    前記オーバサンプリングされたローカルの基準信号を前記低域通過フィルタでフィルタリングされた複素の復調されたベースバンド信号と相関させ、複素の相関値を得るステップと、
    前記複素の相関値の絶対値を取るステップと、
    前記複素の相関値の絶対値を検出の閾値に比較するステップと、
    前記複素の相関値の絶対値が前記検出の閾値よりも大きい場合に、前記受信信号が存在することを判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  3. 前記推定するステップは、
    前記受信信号のN個のセクションに周波数領域の変換を実行して、複数のN個の独立のベクトルを得るステップと、
    前記複数のN個の独立のベクトルのそれぞれの絶対値をとるステップと、
    前記N個の独立のベクトルのそれぞれの絶対値を平均して、1つの平均された独立のベクトルを得るステップと、
    前記1つの平均された独立のベクトルのピークを識別するステップと、
    前記1つの平均された独立のベクトルの識別されたピークを閾値と比較するステップと、
    前記識別されたピークが前記閾値よりも大きい場合に、前記1つの平均された独立のベクトルの識別されたピークの位置を前記キャリア周波数の推定値として使用するか、さもなければ、前記受信信号の公称のパイロットのロケーションを前記キャリア周波数の推定値として使用するステップと、
    を更に含む請求項2記載の方法。
  4. 前記周波数領域の変換は、高速フーリエ変換である、
    請求項2記載の方法。
  5. 前記高速フーリエ変換は、1つのドウェルで実行される、
    請求項2記載の方法。
  6. 前記高速フーリエ変換は、複数のドウェルで実行される、
    請求項2記載の方法。
  7. 前記周波数変換は、パワースペクトル密度の変換である、
    請求項2記載の方法。
  8. 前記受信信号は、既知のロケーションにおける少なくとも1つのパイロットを含む、
    請求項2記載の方法。
  9. 前記低域通過フィルタによるフィルタリングは、前記受信信号の前記既知のロケーションにおける前記パイロットの周囲の領域において前記複素の復調されたベースバンド信号をフィルタリングするステップを含む、
    請求項8記載の方法。
  10. 前記受信信号は、無線周波信号と中間周波信号のうちの1つである、
    請求項2記載の方法。
  11. ワイヤレスシステムにおいて受信信号の存在を検出するセンサであって、
    無線周波信号の1つを受信してLow IF(LIF)信号を生成するチューナと、
    前記LIF信号を復調して、複素の復調されたベースバンド信号を生成する復調ユニットと、
    マッチドフィルタリングの演算を前記複素の復調されたベースバンド信号に実行して、第二の複素信号を生成する第一のマッチドフィルタと、
    オーバサンプリングされたローカルの基準信号を生成するローカルの基準信号発生ユニットと、
    前記オーバサンプリングされたローカルの基準信号と前記第二の複素信号との間の複素の相関を実行して、第三の複素信号を生成する複素相関ユニットと、
    前記第三の複素信号の絶対値を取り、第四の複素信号を生成する絶対値ユニットと、
    前記第四の複素信号を閾値と比較して、前記受信信号が存在するかを判定する閾値検出器と、
    を有することを特徴とするセンサ。
  12. 前記ローカルの基準信号発生ユニットは、
    ローカルの基準系列を発生するPN511及びパイロット発生ユニットと、
    前記ローカルの基準系列を受信して中間のローカルの基準系列を発生するオーバサンプリングユニットと、
    前記中間のローカルの基準系列を受信して前記ローカルの基準信号を発生する第二のマッチドフィルタと、
    を更に有する請求項10記載のセンサ。
  13. 当該センサは、ソフトウェア無線及びコグニティブ無線のうちの1つである、
    請求項10記載のセンサ。
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