JP2022104765A - 信号センシングのためのシステムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号センシングのためのシステムおよび方法が提供される。【解決手段】前記信号センシングのためのシステムは、センシングデバイスとプロセッサと前記センシングデバイスに結合されたタイムサーバとを含む。前記センシングデバイスは複数の受信機と該受信機に結合された発振器とを含む。前記受信機は、前記タイムサーバからの時間同期信号を受信することによって同期される。前記受信機は、前記発振器によって生成されたクロックに従って、対象物の複数の信号を監視し、前記信号に従って複数のチャネル状態情報（CSI）を取得する。前記プロセッサは、前記CSIに従って、前記信号の到来角を計算する。【選択図】図４

Description

本発明は、信号センシングのためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、直交周波数分割多重（OFDM）技術に基づく信号センシングのためのシステムおよび方法に関する。

レーダセンシング技術は、様々な異なるセンシング分野、例えば、健康管理、安全監視、スマートホーム、食品安全施行、及び他の応用において広く使用されている。既存のレーダーセンシングデバイス（例えば、ドップラーレーダー、ミリ波（mmWave）レーダーなど）はコストがかかりすぎる。消費者が価格を考慮して購入をすることにためらうことを考えると、安価なOFDM装置（例えば、WiFi、LTE、５Gなどの技術を用いた装置）をセンシングに使用することは、近年最もポピュラーな研究手法の１つである。

室内位置決めの応用において、OFDM装置は、室内位置決めを行うためにスニファ（sniffer）機構を採用することができる。スニファ機構によって監視される目標対象物の信号は、室内位置決めを行うために信号の到来角（AoA）を計算するために、複数アンテナのチャネル状態情報（CSI）を含まなければならない。しかしながら、上述の方法は、まだ克服すべき２つの鍵となる課題を有している。

［課題１：単一アンテナをサポートするだけのCSIを提供するOFDM装置］

OFDMデバイスは、単一アンテナを介したCSI情報収集のみをサポートする。複数のOFDM装置を使用して信号を受信する場合、各受信端が異なるOFDM装置に属しているため、受信端で周波数オフセットの問題が発生し、場合によっては位置決め誤差が発生する可能性がある。

［課題２：OFDM装置間に時間同期機構がない］

複数のOFDM装置を用いてターゲット対象物の信号を受信する場合、OFDM装置に到着するターゲット対象物によって送信されるパケットの時点は異なる。信号のAoA を計算するには、同じパケットのCSI を使用する必要がある。

本発明は、受信端における周波数オフセットの問題を解決し、OFDM装置間の時間同期機構をサポートし、それによって信号AoA計算の結果を改善する、信号センシングのためのシステムおよび方法を提供する。

本発明は、信号センシングのためのシステムを提供する。該信号センシングのためのシステムは、センシングデバイスとプロセッサと前記センシングデバイスに結合されたタイムサーバとを含む。前記センシングデバイスは複数の受信機と該受信機に結合された発振器とを含む。前記受信機は、前記タイムサーバからの時間同期信号を受信することによって同期される。前記受信機は、前記発振器によって生成されたクロックに従って、対象物の複数の信号を監視し、前記信号に従って複数のチャネル状態情報（CSI）を取得する。前記プロセッサは、前記CSIに従って、前記信号の到来角を計算する。

本発明は、信号センシングのためのシステムにおいて使用される信号センシングのための方法を提供する。信号センシングのためのシステムは、センシングデバイスと、プロセッサと、タイムサーバとを含む。前記センシングデバイスは、複数の受信機と、該受信機に結合された発振器とを含む。前記信号センシングのための方法は、前記タイムサーバから時間同期信号を受信することによって前記受信機を同期させるステップと、前記受信機の各々によって、前記発振器によって生成されたクロックに従って対象物の複数の信号を監視し、前記信号に従ってチャネル状態情報（CSI）を取得するステップと、前記プロセッサによって前記CSIに従って前記信号の到来角を計算するステップと、を含む。

上記に基づいて、本発明の信号センシングのためのシステムおよび方法は、OFDM技術に基づく複数の受信機を同じセンシングデバイスに統合し、受信機が同じ発振器を共有することを可能にし、それによって受信機間の周波数オフセット問題を解決する。さらに、本発明は、同じパケットのCSIを使用して信号のAoAを計算することができるように、時間サーバから時間同期信号を受信することによって受信機を同期させ、それによって、AoA推定結果の精度を向上させる。

前述のことをより分かりやすくするために、図面を伴ういくつかの実施形態を以下のように詳細に説明する。

添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本発明の例示的実施形態を図示し、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

本発明の一実施形態による、信号センシングのためのシステムの模式図である。 本発明の一実施形態による、信号センシング用モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態による、信号センシングのためのシステムの模式図である。 本発明の一実施形態によるセンシングデバイスの模式図である。 本発明の一実施形態による周波数オフセット問題の一例の模式図である。 図６Ａ～図６Ｆは、本発明の一実施形態によるAoA推定例の模式図である。 本発明の一実施形態による信号センシングのための方法の模式図である。

以下の詳細な説明では、説明の対象物のために、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載されている。しかしながら、１つ以上の実施形態が、これらの特定の詳細なしに実施されてもよいことは明らかであろう。他の例では、図面を簡略化するために、周知の構造及び装置が概略的に示されている。

図１は、本発明の一実施形態による、信号センシングのためのシステムの模式図である。

図１を参照すると、信号センシングのためのシステム１０００は、主に、信号センシング用モジュール１０１、信号平滑化用モジュール１０２、周波数分析用モジュール１０３、および特徴検出用モジュール１０４を含む。

図２は、本発明の一実施形態による、信号センシング用モジュールの模式図である。

図２を参照すると、図１の信号センシング用モジュール１０１は、信号生成用モジュール２０１と、センシングデバイス２０２と、エコー除去用モジュール２０３とを含む。信号生成用モジュール２０１は、パケット構成用モジュール２０１aと、パケット処理用モジュール２０１bとを含む。センシングデバイス２０２は、送信機２０２aと、受信機２０２bと、発振器２０２cとを含む。

実施形態では、信号センシングのためのシステム１０００は、プロセッサ（図示せず）および記憶回路（図示せず）をさらに含む。プロセッサは、記憶回路およびセンシングデバイス２０２に結合される。複数のコードセグメントが、信号センシング回路１０００の記憶回路に記憶される。コードセグメントがインストールされると、コードセグメントはプロセッサによって実行される。例えば、複数のモジュールが記憶回路に含まれる。パケット構成用モジュール２０１a、パケット処理用モジュール２０１b、エコー除去用モジュール２０３、信号平滑化用モジュール１０２、周波数分析用モジュール１０３、及び特徴検出用モジュール１０４の各種操作が、それぞれ、モジュールによって実行され、各モジュールは、１つ以上のコードセグメントによって形成される。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。パケット構成用モジュール２０１a、パケット処理用モジュール２０１b、エコー除去用モジュール２０３、信号平滑化用モジュール１０２、周波数分析用モジュール１０３、及び特徴検出用モジュール１０４の各種操作は、他のハードウェア形式を使用することによっても実施することができる。

特に、本発明の送信機２０２aおよび受信機２０２bは、直交周波数分割多重（OFDM）技術に基づく送受信機（または回路）であってもよい。

発振器２０２cは、送信機２０２a及び受信機２０２bに結合されている。発振器２０２cは、仕様書に準拠したクロック信号を生成するように構成されており、発振源として送信機２０２a及び受信機２０２bに同時に供給される。実施形態において、送信機２０２a及び受信機２０２bは、発振器２０２cによって生成されたクロック信号を共有している。

本実施形態では、信号生成用モジュール２０１は、パケット構成情報に従って複数のパケットを送信して信号を発生するように構成されている。より詳細には、信号生成用モジュール２０１におけるパケット構成用モジュール２０１aは、ユーザまたはデバイスによって設定されたパケット構成情報を受け取る。パケット構成情報は、パケットの送信頻度であってもよい。パケット処理用モジュール２０１bは、例えば、パケット構成情報に従って複数のパケットに送るべきデータをカットし、複数のパケットを送信して送信機２０２aを介して送信すべき信号を生成するようにしてもよい。

そして、送信機２０２aは、OFDMの動作原理に基づいて互いに直交する複数の副搬送波を生成し、パケット処理用モジュール２０１bからの信号を複数の副搬送波に分割し、複数の副搬送波に応じて複数の副搬送波をそれぞれ変調して複数の出力信号を生成する。次に、送信機２０２aは、発振器２０２cのパケット構成情報とクロック信号に応じた出力信号SGLを送信する。

その後、受信機２０２bは、発振器２０２cのクロック信号に従う出力信号SGLにおいて、対象物OBを介して反射された少なくとも１つの出力信号SGL＿１（第１の出力信号ともいう）を受信する。例えば、受信機２０２bは、出力信号SGL＿１を発振器２０２cのクロック信号に従ってアナログ信号形式で受信し、出力信号SGL＿１をデジタル信号形式でサンプリングする。

出力信号SGL＿１を得た後、受信機２０２bは、出力信号SGL＿１に従ってチャネル状態情報を取得する。信号センシングのためのシステム１０００のプロセッサは、チャネル状態情報に従って対象物OBの状態を識別し、対象物の状態を出力する。

より詳細には、出力信号SGL＿１に従ってチャネル状態情報を取得する動作において、出力信号SGL＿１における干渉信号は、まずエコー除去用モジュール２０３を介してキャンセルされてもよい。特に、干渉信号は、送信機２０２aと受信機２０２bとの間の経路（第１の経路とも呼ばれる）を介して送信され、第１の経路は対象物OBを介して反射されない。言い換えれば、無線伝送のマルチパス問題に基づき、送信機２０２aによって送信された信号の一部は、反射されることなく、送信機２０２aから受信機２０２bに直接送信され、これらの信号は判定上誤差を生じる。したがって、これらの信号は干渉信号として識別される。干渉信号をキャンセルするためのエコー除去用モジュール２０３の方法は、ハードウェア方法、多重基準アクティブノイズ制御（多重基準ANC）、再帰最小二乗（RLS）、最小二乗平均（LMS）、フィルタリング済み-x LMS、（FxLMS）などであってもよい。

図３は本発明の一実施形態による、信号センシングのためのシステムの模式図である。図４は本発明の一実施形態によるセンシングデバイスの模式図である。

図３および図４を参照すると、信号センシングのためのシステム１００は、センシングデバイス１１０と、センシングデバイス１１０に結合されたプロセッサ１２０と、センシングデバイス１１０に結合されたタイムサーバ１３０とを含む。一実施形態において、プロセッサ１２０は、センシングデバイス１１０に含まれてもよい。センシングデバイス１１０は、複数の受信機１１１と、受信機１１１に結合された発振器１１２とを含む。発振器１１２は、仕様書に準拠したクロック信号を生成するように構成され、同時に発振源として複数の受信器１１１に供給される。実施形態において、複数の受信機１１１は、発振器１１２によって生成されたクロック信号を共有する。受信機１１１は、例えば、OFDM技術に基づく直交周波数分割多重（OFDM）受信機であり、マイクロコントローラ（図示せず）を含む。マイクロコントローラは、例えば、１６０または２４０MHzのマイクロプロセッサと、５２０KBのSRAMとを含む。アンテナ１１３は、受信機１１１の各々と一体化されてもよい。

一実施形態において、センシングデバイス１１０は、プロセッサ１２０に結合された記憶回路（図示せず）をさらに含む。複数のコードセグメントが、センシングデバイス１１０の記憶回路に記憶されてもよい。クロック同期モジュール１４０、信号監視モジュール１５０およびAoA推定モジュール１６０に対応するコードセグメントは、プロセッサ１２０および／または受信機１１１のマイクロコントローラによって実行されてもよい。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、クロック同期モジュール１４０、信号監視モジュール１５０及びAoA推定モジュール１６０は、他のハードウェア形成又はハードウェア及びソフトウェア／ファームウエア形成の組み合わせを使用することによって実施することができる。

一実施形態では、受信機１１１が起動されると、受信機１１１はクロック同期モジュール１４０によってクライアントモードに構成されてもよく、受信機１１１は時間同期手順を実行するためにタイムサーバー１３０に自動的に接続してもよい。受信機１１１は、すべての受信機１１１が同期されるように、ネットワークタイムプロトコル（NTP）によってタイムサーバ１３０から時間同期信号を受信することができる。すべての受信機１１１が同期された後、受信機１１１は、絶対時間情報を有する複数のチャネル状態情報（CSI）パケットを含む環境で信号を監視するために、クライアントモードからのスニファモードに構成されてもよい。

信号監視モジュール１５０において、センシングデバイス１１０内の受信機１１１は、同じ発振器１１２に結合して、アンテナ１１３を介して対象物１７０からの信号を受信し、その結果、周波数オフセット問題を克服することができる。例えば、LTE－A技術では、周波数オフセットは、広域で±５０ppb、ローカルエリアで±１００ppb、ホームで±２５０ppbであってもよい。８０２．１１技術では、周波数オフセットは、２．４GHz (すなわち、２．４GHz±６０KHz）の下で±２５ppm、５．８GHz (すなわち、５．８GHz±１１６KHz）の下で±２０であり得る。周波数オフセットの影響により信号の波長が変化し、位相誤差や振幅誤差が生じることがあり、位置決めの誤差を生じることがある。図５は、本発明の一実施形態による周波数オフセット問題の一例の模式図である。図５を参照すると、チャート５１０は、本発明の実施形態による発振器１１２を共有する６４の副搬送波の平均位相を示し、チャート５２０は、発振器を共有しない６４の副搬送波の平均位相を示す。この例では、毎秒４０パケットがピング（ping）で、合計２４００パケットが測定される。チャート５２０の場合、周波数オフセットの影響によって変化したλ２は、元のλ１とは異なる場合があり、位相誤差PEおよび振幅誤差AEは、周波数オフセット問題によって発生し得る。

図４に戻って参照すると、信号監視モジュール１５０は、発振器１１２によって生成されたクロックに従って対象物１７０の信号を監視し、その信号に従って複数のCSIを得るように受信機１１１に指示することができる。CSIは、対象物１７０の信号のAoA (到来角）を計算するために、AoA推定モジュール１６０に送信される。AoA推定モジュール１６０は、MUSIC (すなわち、Multiple Signal Classification、多重信号分類)アルゴリズム、位相差アルゴリズムまたは他のAoA計算アルゴリズムによって、CSIに従って信号のAoAを計算してもよい。例えば、MUSICアルゴリズムでは、AoA推定モジュール１６０は、信号を受信し、相関行列R_xx = E[XX^H］を計算する。次に固有分解R_xxv _i ＝λ_iv _i、i＝１～M を行い、部分空間をλ_iにより定義する。ここで、λ₁ ≧λ₂≧．．．≧λ_N+1 ＝．．．＝λ_M 、E_S＝span｛v₁、v₂、．．．、v_N｝とE_N ＝span｛v _N+1、v _N+2、．．．、v _M｝である。最後に、AoA推定モジュール１６０は、MUSICスペクトルP_MUSIC（π）を計算し、MUSICスペクトルのN個のピークを見つける。ここで、P_MUSIC（θ）＝１／（a^H（θ）E_NE_N ^H a（θ））である。

図６Ａ～図６Ｆは、本発明の一実施形態によるAoA推定例の模式図である。

図６Ａ～図６Ｆを参照すると、センシングデバイス１１０は、対象物１７０によって送信される信号を監視する。対象物１７０は、例えば、携帯電話であり、ピング（ping）のAP信号を送信する。センシングデバイス１１０と対象物１７０との間の距離は２．２メートルであり、センシングデバイス１１０のベースラインBLと、対象物１７０に信号を送信するセンシングデバイス１１０の方向との間の実際の角度は３０度である。この例では、センシングデバイス１１０は４つのOFDM受信機を有し、これはスニファ１～スニファ４とも呼ばれる。図６Ｂのチャート６１０に示すように、OFDM受信機は、起動後に外部のタイムサーバによって同期され、対象物１７０によって送信される信号は、絶対時間情報を有するCSIパケットを搬送することを考慮すると、４つのOFDM受信機によってそれぞれ受信された４つのパケットが、所定の時間間隔（例えば、１０ms）内に受信された場合にのみ、４つのパケットが同じパケットとみなされ、AoA推定に使用される。図６Ｃのチャート６２０は、スニファ１およびスニファ２によって受信されるパケット間の位相差を示す。図６Ｄのチャート６３０は、スニファ２およびスニファ３によって受信されるパケット間の位相差を示す。図６Ｅのチャート６４０は、スニファ３およびスニファ４によって受信されるパケット間の位相差を示す。隣接するスニファによって受信されるパケット間の位相差は、むしろ小さいことを図６Ｃ～図６Ｅに示すことができる。最後に、図６Fのチャート６５０は、AoA推定結果が３９度であることを示す。

図７は、本発明の一実施形態による信号センシングのための方法の模式図である。

図７を参照すると、ステップS７０１において、タイムサーバから時間同期信号を受信することによって受信機を同期させる。

ステップS７０２において、各受信機により、発振器によって生成されたクロックに従って対象物の複数の信号を監視し、その信号に従ってチャネル状態情報（CSI）を取得する。

ステップS７０３において、プロセッサによるCSIに従って信号の到達角度を計算する。

上記に基づいて、本発明の信号センシングのためのシステムおよび方法は、OFDM技術に基づく複数の受信機を同じセンシングデバイスに統合し、受信機が同じ発振器を共有することを可能にし、それによって受信機間の周波数オフセット問題を解決する。さらに、本発明は、同じパケットのCSIを使用して信号のAoAを計算することができるように、タイムサーバから時間同期信号を受信することによって受信機を同期させ、それによって、AoA推定結果の精度を向上させる。

本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明の実施形態に様々な修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。以上のことを考慮すると、本発明は、変更および変形をカバーすることが意図されている。ただし、それらが以下の請求項の範囲およびそれらの均等物に含まれることを条件とする。

本発明の信号センシングのシステム及び方法は、直交周波数分割多重（OFDM）技術に基づく信号センシングにおいて適用することができる。

１００、１０００ 信号センシングのためのシステム
１０１ 信号センシング用モジュール
１０２ 信号平滑用モジュール
１０３ 周波数分析用モジュール
１０４ 特徴検出用モジュール
１１０、２０２ センシングデバイス
１１１、２０２b 受信機
１１２、２０２c 発振器
１１３ アンテナ
１２０ プロセッサ
１３０ タイムサーバ
１４０ クロック同期モジュール
１５０ 信号監視モジュール
１６０ AoA推定モジュール
１７０ 対象物
２０１ 信号生成用モジュール
２０１a パケット構成用モジュール
２０１b パケット処理用モジュール
２０２a 送信機
２０３ エコー除去用モジュール
５１０、５２０、６１０、６２０、６３０、６４０、６５０ グラフ
S７０１～S７０３ ステップ

Claims (12)

1. 信号センシングのためのシステムであって、該システムは、
   複数の受信機と該受信機に結合された発振器とを備えるセンシングデバイスと、
   該センシングデバイスに結合されたプロセッサと、
   前記センシングデバイスに結合されたタイムサーバとを備え、
   前記受信機は、前記タイムサーバからの時間同期信号を受信することによって同期され、
   前記受信機は、前記発振器によって生成されたクロックに従って、対象物の複数の信号を監視し、前記信号に従って複数のチャネル状態情報（CSI）を取得し、
   前記プロセッサは、前記CSIに従って、前記信号の到来角を計算する、システム。
2. 前記受信機は、起動時にクライアントモードに構成され、ネットワークタイムプロトコルによって前記タイムサーバから前記時間同期信号を受信する、請求項１に記載の信号センシングのためのシステム。
3. 前記受信機は、前記クライアントモードから前記信号を監視するスニファモードに構成され、前記信号は、時間情報を有する複数のCSIパケットを含む、請求項１または２に記載の信号センシングのためのシステム。
4. 前記プロセッサは、所定の時間間隔で前記受信機が受信したCSIパケットに従って前記到来角を計算する、請求項１から３のいずれか一項に記載の信号センシングのためのシステム。
5. 前記プロセッサは、アルゴリズムによって前記到来角を計算し、前記アルゴリズムは、MUSICアルゴリズムおよび位相差アルゴリズムを含む、請求項１に記載の信号センシングのためのシステム。
6. 前記受信機のそれぞれは、直交周波数分割多重（OFDM）受信機である、請求項１に記載の信号センシングのためのシステム。
7. 信号センシングのためのシステムにおいて使用される信号センシングのための方法であって、
   信号センシングのためのシステムは、センシングデバイスと、プロセッサと、タイムサーバとを備え、前記センシングデバイスは、複数の受信機と、該受信機に結合された発振器とを備え、前記信号センシングのための方法は、
   前記タイムサーバから時間同期信号を受信することによって前記受信機を同期させるステップと、
   前記受信機の各々によって、前記発振器によって生成されたクロックに従って対象物の複数の信号を監視し、前記信号に従ってチャネル状態情報（CSI）を取得するステップと、
   前記プロセッサによって前記CSIに従って前記信号の到来角を計算するステップと、を有する方法。
8. 前記タイムサーバから時間同期信号を受信することによって前記受信機を同期させるステップは、
   前記受信機を、起動時にクライアントモードに構成するステップと、
   ネットワークタイムプロトコルによって前記タイムサーバから前記時間同期信号を受信するステップと、を有する、請求項７に記載の信号センシングのための方法。
9. 前記対象物の複数の信号を監視するステップは、
   前記受信機を、前記クライアントモードから前記信号を監視するスニファモードに構成するステップと、を有し、
   前記信号は、時間情報を有する複数のCSIパケットを含む、請求項７または８に記載の信号センシングのための方法。
10. 前記信号の前記到来角を計算するステップは、
    所定の時間間隔で前記受信機が受信した前記CSIパケットに従って前記到来角を計算するステップと、を有する、請求項７から９のいずれか一項に記載の信号センシングのための方法。
11. 前記信号の前記到来角を計算するステップは、
    アルゴリズムによって前記到来角を計算するステップと、を有し、前記アルゴリズムは、MUSICアルゴリズムおよび位相差アルゴリズムを含む、請求項７に記載の信号センシングのための方法。
12. 前記受信機のそれぞれは、直交周波数分割多重（OFDM）受信機である、請求項７に記載の信号センシングのための方法。
    

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