JP2016058828A

JP2016058828A - 検出装置、制御方法、及びプログラム

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Publication number: JP2016058828A
Application number: JP2014182486A
Authority: JP
Inventors: 勘四郎樫木; Kanshiro Kashiki; 知生定; Tomoo Jo
Original assignee: KDDI R&D Laboratories Inc
Current assignee: KDDI Research Inc
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: JP6306480B2

Abstract

【課題】複数の信号が大きく異なる電力で同時に受信される条件において、信号の検出成功率を向上させること。【解決手段】検出装置は、第１の信号と第２の信号とを含む無線信号を受信し、無線信号に基づいて第１の信号の復調を行い、第１の信号の復調の結果に基づいて、その第１の信号のレプリカを生成して無線信号から除去し、レプリカが除去された信号に基づいて、第２の信号の検出処理を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、信号検出技術に関する。

移動体通信においては、通常、所定の周波数帯域を用いて基地局と移動体端末との間で無線信号を送受信することにより通信を行う。したがって、基地局が送信した電波を移動体端末が受信でき、かつ、移動体端末が送信した電波を基地局が受信できる場合に、通信が可能となる。ここで、電波は伝搬距離や遮蔽物によって減衰し、基地局や移動体端末の信号の送信電力には物理的又は法的な限界があることを考慮すれば、放射された信号を正常に受信できない程度の電力レベルまで、受信信号電力が落ち込む地理的領域が存在しうる。同様に、放射した電力が相手方装置において正常に受信されない地理的領域が存在しうる。

従来の比較的中心周波数が低い周波数帯域を用いた移動体通信においては、このような地理的領域が可能な限り狭くなるように、多くの基地局を設置している。しかしながら、高速な通信の要求が高まっている昨今では、中心周波数が高い周波数帯域を使用することが必要となり、その電波の減衰特性及び直進性から、面的なカバレッジが困難な領域が発生している。

しかしながら、例えば基地局からの電波が届かない領域においては、移動体端末が電波を送信しても基地局までは届かない、すなわち送信信号が基地局に干渉しないものと考えられる。同様に、他の移動体端末からの電波が届かない領域においては、当該他の移動体端末へは干渉しないものと考えられる。このような領域では、電波が届かない周波数帯域及び時間のリソースが利用されていない（すなわち、「空いている」）と考えることができる。したがって、そのような領域に存在する移動体端末は、基地局との通信で使用する周波数帯域と時間のリソースの少なくともいずれかを用いて、別の異なる移動体端末間で直接信号を送受信することができると考えられる。

このように、基地局及び他の移動体端末に干渉しないように、一部の領域で空いている周波数リソースと時間リソースとの少なくともいずれかを利用して移動体端末間で直接通信を行うことにより、周波数帯域を有効活用することができる。

空いている周波数リソースと時間リソースとの少なくともいずれかを用いて直接端末間通信を行う場合、まず、他の通信において信号が送受信されているかの判定、すなわち信号の検出を行う必要がある。このとき、例えば、多数の移動体端末が端末間通信を様々な場所で実行すると、干渉が累積して増加するため、十分に低い電力の信号（例えば雑音レベル以下の電力の信号）であっても、通信に影響を及ぼしうる。したがって、そのような電力の小さい干渉であっても、検出できることが重要となる。このような課題に対して、非特許文献１及び非特許文献２は、周期定常性の特徴であるＣｙｃｌｉｃＡｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎ（ＣＡＦ、周期自己相関信号）を用いた信号検出により、微弱な信号を検出する技術を開示している。

Ｗ．Ａ．Ｇａｒｄｎｅｒ、「通信及び信号処理における周期定常性（ＣｙｃｌｏｓｔａｔｉｏｎａｒｉｔｙｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」、ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ、ＮｅｗＹｏｒｋ、ＵＳＡ、１９９３年Ｍ．Ｏｎｅｒ及びＦ．Ｊｏｎｄｒａｌ、「周期定常性を利用した、ソフトウェア無線システムのためのエアインタフェース認識（Ａｉｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｆｏｒａｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏｓｙｓｔｅｍｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇｃｙｃｌｏｓｔａｔｉｏｎａｒｉｔｙ）」、ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＰｅｒｓｏｎａｌ，ＩｎｄｏｏｒａｎｄＭｏｂｉｌｅＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｖｏｌ．３、ｐｐ．１９４７−１９５１、２００４年９月

信号の検出は、例えば、空いている周波数リソース及び時間リソースの使用中においてもなされるべきである。また、優先されるシステムからの信号の電力が非常に大きい場合にも、近隣で端末間の通信を行っていることなどを判定できるべきである。しかしながら、上述の非特許文献１及び非特許文献２の技術は、複数の信号が混在する場合に、検出が失敗する場合がある。特に、第１の信号の電力が第２の信号の電力より著しく低い場合又はその逆の場合、電力の低い信号の検出が失敗する場合がある。したがって、例えば、空いていた周波数リソース及び時間リソースで通信を開始後に、優先すべきシステムの通信が開始されたことによってリソースが空いていない状態へと移行した場合、優先側のシステムの信号の電力が低く、その信号の検出は失敗する場合がある。また、例えば優先側のシステムの信号の電力が大きい場合に、近隣の端末間通信の信号が存在するか否かを判定することができない場合がある。このように、非特許文献１及び非特許文献２に記載の技術を用いる場合であっても、複数の信号が大きく異なる電力で同時に受信される条件では、信号の検出成功率を向上させることが課題として残っていた。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、複数の信号が大きく異なる電力で同時に受信される条件において、信号の検出成功率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による検出装置は、第１の信号と第２の信号とを含む無線信号を受信する受信手段と、前記無線信号に基づいて前記第１の信号の復調を行う復調手段と、前記第１の信号の復調の結果に基づいて、当該第１の信号のレプリカを生成して前記無線信号から除去する除去手段と、前記レプリカが除去された信号に基づいて、前記第２の信号の検出処理を行う検出手段と、を有する。

本発明によれば、複数の信号が大きく異なる電力で同時に受信される条件において、信号の検出成功率を向上させることができる。

無線通信システムの概念図を示す図。信号検出装置のハードウェア構成例を示すブロック図。信号検出装置の機能構成例を示すブロック図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（システム構成）
図１は、本実施形態に係る無線通信ネットワークの概念図を示している。本無線通信ネットワークでは、一例として、基地局１０１と無線通信端末１０２（以下、単に「端末」と呼ぶ。）とが通信する無線通信ネットワーク１００において、端末１５１と端末１５２とが同一周波数帯域を用いて同時に通信を行う。このとき、基地局１０１と端末１０２との間の通信が、端末１５１と端末１５２との間の通信に優先されるものとし、端末１５１と端末１５２との間の通信は、基地局１０１と端末１０２との間の通信に対して、必要以上に干渉を与えてはならないものとする。

本無線通信システムでは、例えば、端末１５１及び端末１５２は、基地局１０１又は端末１０２が送信した第１の信号が検出されなかった場合に、端末１５１及び端末１５２との間で第２の信号を送受信して通信が可能となる。例えば、端末１５１及び端末１５２は、受信信号に対してＣｙｃｌｉｃＡｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎ（ＣＡＦ、周期自己相関信号）を計算して、信号検出を実行する。そして、信号が検出されなかった場合、又は十分低いレベルでのみ検出された場合に、相手方の端末へ信号を送信し、または相手方の端末から信号を受信する。

ここで、ＣＡＦの計算式は、

のようになる。ここで、αはサイクリック周波数であり、τはラグパラメータである。ＣＡＦは、自己相関関数のフーリエ変換に相当し、信号の波形の周期性に応じて、様々な特徴が出現する（非特許文献２参照）。ここで、ＯＦＤＭ信号に着目すると、ＯＦＤＭ信号では、時間長がＴ_UのＯＦＤＭシンボルのうち、例えばそのシンボルの末尾の時間長Ｔ_CP分の波形がシンボルの先頭にサイクリックプリフィックス（ＣＰ）として付加される。したがって、ＯＦＤＭ信号ｘ(ｔ)についてのｘ(ｔ)ｘ(ｔ−τ)においては、τ＝Ｔ_Uにおいて、Ｔ_U＋Ｔ_CPの周期でピークが出現する。したがって、τ＝Ｔ_U及びα＝ｎ／（Ｔ_U＋Ｔ_CP）（ただし、ｎは整数）において、ＣＡＦはピークを有することとなる。

すなわち、ＯＦＤＭ信号においては、ＣＰを含めたシンボル長と、ＣＰを除いたシンボル長とに応じた位置に、ＣＡＦのピークが出現することとなる。したがって、複数のＯＦＤＭ信号を用いる通信システムが混在している場合であっても、各システムで用いられるＯＦＤＭ信号のＣＰを含む／除くシンボル長が異なるのであれば、ＣＡＦのピークの位置に応じてどのシステムの信号化を判定することができる。

なお、ＯＦＤＭ以外の信号についても、シンボルレートなどに応じて、ＣＡＦのピークの出現位置が変動するため、ＣＡＦによる信号検出をすることが可能である。また、ＣＡＦを用いた信号検出は、観測長に応じて、雑音レベルよりも小さいレベルの信号を検出することができる。

しかし、上述のように、複数の信号が同時に受信される環境下において、特に、電力が大きい信号と小さい信号とが混在する環境においては、ＣＡＦを用いる場合であっても、信号検出が失敗する場合がある。すなわち例えば端末１５１及び端末１５２が通信中に、基地局１０１又は端末１０２が送信した第１の信号が、端末１５１及び端末１５２の間で送受信される第２の信号より非常に大きい場合またはその逆の場合に、ＣＡＦによる信号検出が失敗する場合がある。

そこで、本実施形態では、ＣＡＦを計算する信号検出装置において、受信した無線信号から、干渉キャンセラによって、電力が大きい信号を除去した上で、電力が小さい信号の検出を行う。これにより、小さい電力の信号が大きい電力の信号に埋没することにより、検出できなくなるという課題が解決される。

なお、このような信号検出装置は、端末１５１及び端末１５２に備えられてもよいし、例えばシステム全体の周波数使用状況を管理する管理装置（不図示）等が、このような信号検出装置を備えていてもよい。例えば、管理装置に備えられた信号検出装置は、地理的に離れた複数の位置における無線信号を受信して、受信した複数の無線信号のそれぞれの検出結果に基づいて、第２の信号による通信が可能となる地理的領域を判定する。また、第２の信号による通信が、第１の信号による通信を妨害するおそれがあるかを、信号検出結果に基づいて判定する。信号検出装置を有する管理装置は、その後、第２の信号による通信を要求する通信装置に対して、例えばその位置に応じて、通信の開始／継続の許可／拒否を通知する。これにより、非優先の無線通信装置が、優先される無線通信ネットワークに対する与干渉を所定値以下に抑えながら、同じ周波数帯域を再利用して通信を行うことが可能となる。

本実施形態の信号検出装置は、まず、無線信号を受信すると、その無線信号に基づいて、電力の大きい信号（主信号）の復調を行う。ここで、主信号の電力が他の信号と比べて十分に大きい場合、主信号と他の信号とが含まれる無線信号に対して復調処理を実行することにより、十分に低い誤り率で、主信号を復調することができる。その後、信号検出装置は、復調結果に基づいて、無線信号から主信号の成分を除去し、除去後の信号についての信号検出を行う。

（信号検出定装置の構成）
図２に信号検出装置のハードウェア構成例を示す。信号検出装置は、図２に示すように、例えば、ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、外部記憶装置２０４、及び通信装置２０５を有する。信号検出装置では、例えばＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３及び外部記憶装置２０４のいずれかに記録された、以下に示す信号検出装置の各機能を実現するプログラムをＣＰＵ２０１により実行するような制御が行われる。そして、信号検出装置は、通信装置２０５を用いて、信号の受信などの情報収集を行い、又は判定結果を管理装置へ通知する。なお、図２では、信号検出装置は、１つの通信装置２０５を有するとしているが、複数の通信装置を有してもよい。

なお、信号検出装置は、以下に説明する各機能を実行する専用のハードウェアを備えてもよいし、一部をハードウェアで実行し、プログラムを動作させるコンピュータでその他の部分を実行してもよい。また、以下の全機能をコンピュータとプログラムにより実行させてもよい。

図３は、信号検出装置の機能構成を示すブロック図である。信号検出装置は、機能として、主信号の復調機能と、他の信号の検出機能とを有する。主信号の復調機能は、例えば、復調部３０１、誤り訂正復号部３０２、誤り訂正符号化部３０３、及びチャネル乗算部３０４を含む。他の信号の検出機能は、チャネル乗算部３０４から出力された主信号のレプリカが受信信号から減じるための遅延部３０５及び減算器３０６、そして、主信号のレプリカが除去された信号に基づいて、信号の検出を行う検出部３０７を含む。

復調部３０１は、受信した無線信号そのものを用いて、主信号を復調する。すなわち、無線信号が他の信号を干渉として含む場合も、それを雑音として取り扱って主信号の復調を実行する。なお、ここでの復調は、例えばチャネル推定を含み、例えば硬判定により、データシンボルを得ることを言う。得られたデータシンボルは、誤り訂正復号部３０２へ入力され、チャネル推定値は、チャネル乗算部３０４へ入力される。

誤り訂正復号部３０２は、入力されたデータシンボルに対して誤り訂正復号を施し、その結果のデータを、誤り訂正符号化部３０３に入力する。誤り訂正符号化部３０３は、誤り訂正復号後のデータを誤り訂正符号により再符号化して、再符号化後のデータを、チャネル乗算部３０４へと入力する。

チャネル乗算部３０４は、受信した無線信号における主信号の成分のレプリカを生成する。チャネル乗算部３０４は、具体的には、誤り訂正符号化部３０３で再符号化されたデータに、主信号の伝送路（チャネル）の推定値を乗じたものを、主信号のレプリカとして出力する。なお、チャネル乗算部３０４の前段に、誤り訂正符号化部３０３が出力した信号を、例えばＯＦＤＭ信号の形式に変換するための、ＩＦＦＴ（高速逆フーリエ変換器）を配置してもよい。また、チャネル乗算部３０４は、場合によっては省略されてもよい。なお、チャネル乗算部３０４が用いるチャネル推定値は、復調部３０１で推定した結果を用いてもよいし、誤り訂正符号化部３０３の出力または上述のＩＦＦＴの出力と、受信信号との相関検出を行うことにより、改めて推定されてもよい。この場合、相関器が別途設けられてもよい。

主信号のレプリカは、減算器３０６において、そのレプリカに対応するタイミングの主信号を含む無線信号から減算される。なお、レプリカの出力タイミングと、無線信号のタイミングとが一致するように、遅延部３０５は、受信した無線信号を遅延させ、タイミング調整を行う。

検出部３０７は、遅延部３０５で主信号のレプリカが受信信号から減じられた信号に基づいて、主信号以外の信号の検出を行う。この検出は、上述のように、周期自己相関信号（ＣＡＦ）に基づいて行われる。すなわち、検出部３０７は、ＣＡＦを計算し、検出対象となる信号に関して所定のラグパラメータτ及びサイクリック周波数αにおいて、ピークが出現しているかを判定する。この判定は、例えばχ（カイ）二乗検定などの仮説検定手法（非特許文献２参照）、ピークの大きさに基づく検出手法、など、いかなる手法が用いられてもよい。

なお、この判定のために、サンプリング周波数が調整されてもよい。すなわち、実際の信号処理は、サンプリングされた信号についてデジタル処理が加えられることによって行われるが、サンプリング周波数によっては所定のラグパラメータτに関するＣＡＦを計算できなくなる場合がある。このため、検出対象の信号に応じて、サンプリング周波数（サンプリングレート）が調整されてもよい。例えば、第１の信号の検出に適したサンプリング周波数と第２の信号の検出に適したサンプリング周波数が異なる場合、それぞれのサンプリング周波数の最小公倍数の周波数を実際に使用するサンプリング周波数とされてもよい。また、この場合、例えば第１の信号に対応する処理を実行する際には第１のサンプリング周波数に対応するサンプルについて処理を実行し、第２の信号に対応する処理を実行する際には第２のサンプリング周波数に対応するサンプルについて処理を実行する。そして、例えば第１の信号の除去は、第１のサンプリング周波数に対応するサンプルについてのレプリカから、第２のサンプリング周波数に対応するサンプルについてのレプリカ信号を線形補間などを用いて生成することによって行われうる。

なお、上述の信号検出装置では、主信号については検出動作を行わないが、主信号の検出が行われてもよい。例えば、まず、受信信号に対して、受信される可能性がある信号の一部または全部についてＣＡＦのピークが出現することが想定されるラグパラメータτ及びサイクリック周波数αに関して信号検出を行うようにしてもよい。そして、その結果、主信号以外が検出されなかった場合に、主信号を除去し、除去後の信号に関して信号検出を行うようにしてもよい。このようにすることで、受信電力が大きい方から順に信号検出が行われる。すなわち、最初に除去されるべき対象が特定されることがなくなるため、複数の信号が含まれるあらゆる受信信号に対して、信号検出を行うことが可能となる。なお、この場合、複数の信号が同程度の電力で受信される場合は、複数の信号を同時に検出することができる。したがって、例えば２つのシステムのみが存在するような場合には、１回の信号検出を行うことで２つのシステムの信号を同時に検出することができるため、上述の主信号の復調処理を行う必要がなくなる。

以上のように、本実施形態では、電力の大きい信号と電力の小さい信号とが含まる受信信号に対してＣＡＦに基づく信号検出を行う際に、電力の大きい信号の復調及び除去を行う。そして、電力の大きい主信号を除去した後に、電力の小さい信号に関する検出処理を行う。これにより、電力の小さい信号が電力の大きい信号に埋没して検出が失敗することを防ぐことができ、検出性能を向上させることができる。

Claims

第１の信号と第２の信号とを含む無線信号を受信する受信手段と、
前記無線信号に基づいて前記第１の信号の復調を行う復調手段と、
前記第１の信号の復調の結果に基づいて、当該第１の信号のレプリカを生成して前記無線信号から除去する除去手段と、
前記レプリカが除去された信号に基づいて、前記第２の信号の検出処理を行う検出手段と、
を有することを特徴とする検出装置。
前記検出手段は、前記レプリカが除去された信号に基づく前記検出処理の前に、前記無線信号に基づいて前記第１の信号と前記第２の信号とを検出し、
前記検出手段は、前記無線信号に基づいて前記第１の信号と前記第２の信号を共に検出した場合、前記レプリカが除去された信号に基づく前記第２の信号の前記検出処理を行わない、
ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記検出手段が前記レプリカが除去された信号に基づく前記第２の信号の前記検出処理を行わない場合、前記復調手段は前記第１の信号の復調を行わず、前記除去手段は前記レプリカの生成と前記無線信号からの当該レプリカの除去を行わない、
ことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
前記検出手段は、前記レプリカが除去された信号についての、当該信号と当該信号を遅延させた信号との相関関数のフーリエ変換である周期自己相関信号を計算し、当該周期自己相関信号のピークが所定の前記遅延の量と前記相関関数の所定の周波数とにおいて出現したか否かに応じて前記検出処理を行う、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の検出装置。
前記第１の信号と前記第２の信号とのそれぞれについての、前記周期自己相関信号のピークが出現すべき前記遅延の量と前記所定の周波数とに基づいて、前記無線信号のサンプリング周波数を調整する調整手段をさらに有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
前記第１の信号は、前記第２の信号より電力の大きい信号である、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の検出装置。
第１の信号と第２の信号とを含む無線信号を受信する受信手段を有する検出装置の制御方法であって、
復調手段が、前記無線信号に基づいて前記第１の信号の復調を行う復調工程と、
除去手段が、前記第１の信号の復調の結果に基づいて、当該第１の信号のレプリカを生成して前記無線信号から除去する除去工程と、
検出手段が、前記レプリカが除去された信号に基づいて、前記第２の信号の検出処理を行う検出工程と、
を有することを特徴とする制御方法。
第１の信号と第２の信号とを含む無線信号を受信する受信手段を有する検出装置に備えられたコンピュータに、
前記無線信号に基づいて前記第１の信号の復調を行う復調工程と、
前記第１の信号の復調の結果に基づいて、当該第１の信号のレプリカを生成して前記無線信号から除去する除去工程と、
前記レプリカが除去された信号に基づいて、前記第２の信号の検出処理を行う検出工程と、
を実行させるためのプログラム。