JP2023047697A - spectrum estimation system - Google Patents

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Haniz Azril
武 松村
Takeshi Matsumura
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Abstract

To provide a spectrum estimation system that can estimate a frequency spectrum and an angular spectrum of received signals in a short time.SOLUTION: A spectrum estimation system estimates a frequency spectrum of received signals received by an array antenna and an angular spectrum of an arrival angle of the received signals, and the spectrum estimation system comprises: the array antenna that consists of a plurality of antennas receiving the received signals; a calculation unit that performs discrete Fourier transformation on the received signals received by the antennas and calculates a tensor consisting of a matrix based on the received signals on which the discrete Fourier transformation is performed; and an estimation unit that, on the basis of a dictionary based on compressed signals corresponding to sub-bands of the frequency and steering vectors for respective arrival angles and the tensor calculated by the calculation unit, estimates the frequency spectrum and the angular spectrum by using compressed sensing.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (発行者) 電子情報通信学会 (刊行物名)Angular-Frequency Wideband Spectrum Sensing based on Multi-Coset Sampling (発行日) 令和3年7月7日 (集会名)電子情報通信学会スマート無線研究会発表 (開催日)令和3年7月14日Patent Law Article 30, Paragraph 2 application filed (Publisher) The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (Publication name) Angular-Frequency Wideband Spectrum Sensing based on Multi-Coset Sampling (Publication date) July 7, 2021 (Meeting Name) Presentation by the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Smart Radio Study Group (Date) July 14, 2021

本発明は、信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルのスペクトル推定システムに関する。 The present invention relates to spectral estimation systems for the frequency spectrum and angular spectrum of a signal.

第5世代移動通信システムの普及の伴い、ミリ波帯を使用する基地局は複数のオペレータにより密に展開されるようになると予測される。これに伴い、オペレータ・基地局間の干渉を防ぎ、スペクトル利用効率を上げるために複数の基地局から送信される信号の中心周波数を把握することが重要になる。このため、非特許文献1及び非特許文献2等に開示されている複数の基地局から送信される信号の中心周波数を把握する技術が注目を集めている。 With the popularization of 5G mobile communication systems, it is expected that base stations using the millimeter wave band will be densely deployed by multiple operators. Along with this, it is important to know the center frequencies of signals transmitted from multiple base stations in order to prevent interference between operators and base stations and to improve spectrum utilization efficiency. For this reason, attention is being paid to techniques for grasping the center frequencies of signals transmitted from a plurality of base stations, which are disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 and the like.

非特許文献1では、低速なADC(Analog-to-digital converter)を用いて、中心周波数を掃引する周波数掃引手法が開示されている。また、非特許文献2では、推定に必要なADCの変換速度を減らすために、不等間隔でサンプリングを行うMCS(multi-coset sampling)が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a frequency sweeping technique for sweeping the center frequency using a low-speed ADC (Analog-to-Digital Converter). In addition, Non-Patent Document 2 discloses MCS (multi-coset sampling) that performs sampling at unequal intervals in order to reduce the ADC conversion speed required for estimation.

H. Sun, A. Nallanathan, C. Wang, and Y. Chen, “Wideband Spectrum Sensing for Cognitive Radio Networks: A Survey,” IEEE Wirel. Commun., no. April, pp. 74-81, 2013.H. Sun, A. Nallanathan, C. Wang, and Y. Chen, “Wideband Spectrum Sensing for Cognitive Radio Networks: A Survey,” IEEE Wirel. Commun., no. April, pp. 74-81, 2013. C. P. Yen, Y. Tsai, and X. Wang, “Wideband spectrum sensing based on sub-Nyquist sampling,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 61, no.12, pp. 3028-3040, 2013.C. P. Yen, Y. Tsai, and X. Wang, “Wideband spectrum sensing based on sub-Nyquist sampling,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 61, no.12, pp. 3028-3040, 2013.

しかしながら、非特許文献1に開示されている周波数掃引手法は、低速ADCを用いるため、測定に長時間を要する。このため、測定にかかるコストが膨大となるという問題点がある。 However, the frequency sweep method disclosed in Non-Patent Document 1 requires a long time for measurement because it uses a low-speed ADC. Therefore, there is a problem that the cost required for the measurement becomes enormous.

また、角度特性を含めた電波伝搬チャネルの正確なモデルを必要とするCPS(cyber physical system)エミュレータを開発する際に、中心周波数だけではなく、受信信号の到来角度の角度スペクトル等の角度特性を含めた情報が求められている。 In addition, when developing a CPS (cyber physical system) emulator that requires an accurate model of the radio wave propagation channel including angular characteristics, not only the center frequency but also the angular characteristics such as the angular spectrum of the arrival angle of the received signal can be used. Included information is requested.

しかしながら、非特許文献1は、角度特性を含めた情報を掃引することを想定していない。このため、非特許文献1の開示技術では、角度特性を含めた情報を掃引することができないという問題点がある。 However, Non-Patent Document 1 does not assume that information including angular characteristics is swept. For this reason, the technology disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem that information including angle characteristics cannot be swept.

また、非特許文献2に記載されているMCSアルゴリズムは、単一アンテナの場合しか対応せず、複数のアンテナを用いることを想定していない。このため、非特許文献2の開示技術では、角度スペクトルを推定することができない問題点がある。 Also, the MCS algorithm described in Non-Patent Document 2 only supports the case of a single antenna and does not assume the use of multiple antennas. Therefore, the technique disclosed in Non-Patent Document 2 has a problem that the angle spectrum cannot be estimated.

本発明は、上述した問題点を解決するために導出されたものであり、短時間で受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定可能なスペクトル推定システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a spectrum estimation system capable of estimating the frequency spectrum and angle spectrum of a received signal in a short period of time.

請求項1に記載のスペクトル推定システムは、アレイアンテナにより受信される受信信号の周波数スペクトル及び前記受信信号の到来角度の角度スペクトルを推定するスペクトル推定システムにおいて、前記受信信号を受信する複数のアンテナからなるアレイアンテナと、前記各アンテナにより受信された受信信号を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換された各受信信号に基づく行列からなるテンソルを算出する算出部と、周波数の各サブバンドに対応する圧縮された信号と到来角度毎のステアリングベクトルとに基づく辞書と、前記算出部により算出されたテンソルと、に基づいて、圧縮センシングを用いて、前記周波数スペクトル及び前記角度スペクトルを推定する推定部とを備えることを特徴とする。 2. The spectrum estimation system according to claim 1, wherein the spectrum estimation system estimates a frequency spectrum of a received signal received by an array antenna and an angle spectrum of an arrival angle of the received signal, from a plurality of antennas receiving the received signal. a calculation unit for performing a discrete Fourier transform on the received signal received by each of the antennas, calculating a tensor consisting of a matrix based on each received signal subjected to the discrete Fourier transform, and a compression unit corresponding to each frequency subband an estimating unit that estimates the frequency spectrum and the angular spectrum using compressed sensing based on a dictionary based on the obtained signal and the steering vector for each angle of arrival, and the tensor calculated by the calculating unit. It is characterized by having

請求項2に記載のスペクトル推定システムは、請求項1に記載のスペクトル推定システムにおいて、前記推定部は、サブバンドの数に応じてそれぞれ成分が異なる行列と到来角度に応じて成分が異なる行列とのアダマール積からなる前記辞書を用いることを特徴とする。 The spectrum estimation system according to claim 2 is the spectrum estimation system according to claim 1, wherein the estimating unit includes a matrix with different components depending on the number of subbands and a matrix with different components depending on the angle of arrival. is characterized by using the dictionary consisting of the Hadamard product of .

請求項3に記載のスペクトル推定システムは、請求項1又は請求項2に記載のスペクトル推定システムにおいて、前記算出部は、前記アンテナの中から選択した2以上のアンテナにより受信された受信信号に基づく前記テンソルを算出することを特徴とする。 The spectrum estimation system according to claim 3 is the spectrum estimation system according to claim 1 or 2, wherein the calculation unit is based on received signals received by two or more antennas selected from among the antennas. The tensor is calculated.

請求項4に記載のスペクトル推定システムは、請求項1~3の何れか1項に記載のスペクトル推定システムにおいて、前記算出部は、複数の前記行列からなる3次元の前記テンソルを算出することを特徴とする。 The spectrum estimation system according to claim 4 is the spectrum estimation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the calculating unit calculates the three-dimensional tensor composed of a plurality of matrices. Characterized by

請求項5に記載のスペクトル推定システムは、請求項1~4の何れか1項に記載のスペクトル推定システムにおいて、前記推定部は、前記算出部により算出したテンソルと擬似的に生成されたテンソルとの差分値を計算し、計算された差分値と前記辞書との相関を計算し、計算された相関が最も大きな周波数スペクトルのサブバンド及び到来角度に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定することを複数回繰り返すことを特徴とする。 The spectrum estimation system according to claim 5 is the spectrum estimation system according to any one of claims 1 to 4, wherein the estimating unit includes a tensor calculated by the calculating unit and a pseudo-generated tensor. calculating the difference value of the received signal, calculating the correlation between the calculated difference value and the dictionary, and based on the subband and angle of arrival of the frequency spectrum with the largest calculated correlation, the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal is characterized by repeating estimating a plurality of times.

請求項6に記載のスペクトル推定システムは、アレイアンテナにより受信される受信信号の周波数スペクトル及び前記受信信号の到来角度の角度スペクトルを推定するスペクトル推定システムにおいて、前記受信信号を受信するNel個のアンテナからなるアレイアンテナと、前記アレイアンテナの中から選択されたP個のアンテナにより受信された各受信信号に基づいて、下記の[数1]で示される3次元テンソルを算出する算出部と、前記算出部により算出された3次元テンソルと、下記の[数2]で示される2次元テンソルとを用いて、下記の[数3]のスパース解を求めることにより、前記受信信号の角度スペクトル及び周波数スペクトルを推定する推定部とを備えることを特徴とする。

Figure 2023047697000002
ここで、y[n]は、p番目の前記アンテナにより受信された前記受信信号を示し、Y[k]は、y[n]を離散フーリエ変換した前記受信信号を示し、nは、サンプリングした前記受信信号の標本点を示し、kは、離散フーリエ変換したy[n]の標本点を示し、Nは、Y[k]の標本点の数を示し、Lは、前記周波数スペクトルのサブバンドの数を示し、cは集合{0・・・L-1}から選択される整数を示し、Nは、行列のスナップショットの数を示す。
Figure 2023047697000003
ここで、fは、k番目の標本点の周波数ビンの周波数を示し、cは、光速を示し、φは、g番目の到来角度候補値を示し、Cは集合{0・・・Nel-1}から選択される整数を示し、dはアレイアンテナの間隔を示す。
Figure 2023047697000004
ここで、×は、n番目のモードのテンソル・行列の積を示し、は、下記の[数4]で示される。
Figure 2023047697000005
ここで、||・||は、フロベニウスノルムを示し、(i,:,:)は、任意の3次元テンソルの1次元目の軸の方向に切り分け、i番目の切り分けを行列として取り出したものを示し、Sl,g[k]は、l番目の前記サブバンド及び前記到来角度φにおけるスペクトルを示す。 7. The spectrum estimation system according to claim 6 is a spectrum estimation system for estimating a frequency spectrum of a received signal received by an array antenna and an angle spectrum of an arrival angle of the received signal. an array antenna composed of antennas, and a calculation unit for calculating a three-dimensional tensor represented by the following [Equation 1] based on each received signal received by P antennas selected from the array antenna; Using the three-dimensional tensor calculated by the calculation unit and the two-dimensional tensor shown in [Formula 2] below, the sparse solution of [Formula 3] below is obtained, thereby obtaining the angular spectrum of the received signal and and an estimator for estimating the frequency spectrum.
Figure 2023047697000002
Here, y p [n] indicates the received signal received by the p-th antenna, Y p [k] indicates the received signal obtained by discrete Fourier transform of y p [n], and n is , represents the sample points of the sampled received signal, k represents the sample points of y p [n] subjected to the discrete Fourier transform, N b represents the number of sample points of Y p [k], and L is Denote the number of subbands of said frequency spectrum, c p denotes an integer selected from the set {0...L-1}, and N s denotes the number of matrix snapshots.
Figure 2023047697000003
where f k denotes the frequency of the k-th sample point frequency bin, c denotes the speed of light, φ g denotes the g-th angle of arrival candidate value, and C p denotes the set {0 . N el −1}, and d indicates the interval of the array antenna.
Figure 2023047697000004
Here, x n indicates the tensor-matrix product of the n-th mode, and S is given by [Formula 4] below.
Figure 2023047697000005
where ||·|| F indicates the Frobenius norm, S (i, :, :) cuts an arbitrary three-dimensional tensor S in the direction of the first dimension axis, and the i-th cut is taken as a matrix Denoting the extraction, S l,g [k] denotes the spectrum at the l th subband and the angle of arrival φ g .

第1発明~第5発明によれば、辞書と、テンソルと、に基づいて、圧縮センシングを用いて、周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する。これにより、広帯域な周波数スペクトル推定に必要なADCサンプリング周波数を減らすことが可能になり、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。さらに角度スペクトルを推定することが可能になり、より多くのスペクトル情報が把握できるようになる。 According to the first to fifth inventions, the frequency spectrum and the angle spectrum are estimated using compressed sensing based on the dictionary and the tensor. This makes it possible to reduce the ADC sampling frequency required for wideband frequency spectrum estimation, thereby reducing the cost and the amount of calculation. Furthermore, it becomes possible to estimate the angular spectrum, and more spectral information can be grasped.

特に、第2発明によれば、推定部は、サブバンドの数に応じてそれぞれ成分が異なる行列と到来角度に応じて成分が異なる行列とのアダマール積からなる辞書を用いる。これにより、さらに広帯域な周波数スペクトル推定に必要なADCサンプリング周波数を減らすことが可能になり、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。 In particular, according to the second invention, the estimator uses a dictionary consisting of a Hadamard product of a matrix whose elements differ according to the number of subbands and a matrix whose elements differ according to the angle of arrival. As a result, it becomes possible to reduce the ADC sampling frequency required for wideband frequency spectrum estimation, and it is possible to reduce the cost and the amount of calculation.

特に、第3発明によれば、算出部は、アンテナの中からランダムに選択した2以上のアンテナにより受信された受信信号に基づくテンソルを算出する。これにより、スペクトルのピーク探索の曖昧さを減らし、高精度にスペクトルを推定することができる。 In particular, according to the third invention, the calculator calculates a tensor based on received signals received by two or more antennas randomly selected from among the antennas. As a result, the ambiguity of the peak search of the spectrum can be reduced, and the spectrum can be estimated with high accuracy.

特に、第4発明によれば、算出部は、複数の行列からなる3次元のテンソルを算出する。これにより、複数のスナップショットからなる3次元テンソルに基づいてスペクトルを推定することが可能となり、高精度にスペクトルを推定することができる。 In particular, according to the fourth invention, the calculator calculates a three-dimensional tensor consisting of a plurality of matrices. This makes it possible to estimate a spectrum based on a three-dimensional tensor consisting of a plurality of snapshots, thereby estimating the spectrum with high accuracy.

特に、第5発明によれば、推定部は、計算された複素振幅に応じて、前記受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定することを複数回繰り返す。これにより、圧縮センシングを用いて、高精度にスペクトルを推定することができる。 In particular, according to the fifth invention, the estimating section repeats a plurality of times of estimating the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal according to the calculated complex amplitude. Thereby, the spectrum can be estimated with high accuracy using compressed sensing.

第6発明によれば、推定部は、[数2]で示される2次元テンソルを用いることにより、受信信号の角度スペクトル及び周波数スペクトルを推定する。これにより、広帯域な周波数スペクトル推定に必要なADCサンプリング周波数を減らすことが可能になり、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。さらに角度スペクトルを推定することが可能になり、より多くのスペクトル情報が把握できるようになる。また、[数3]のスパース解を求めることにより、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。 According to the sixth invention, the estimator estimates the angle spectrum and frequency spectrum of the received signal by using the two-dimensional tensor shown in [Equation 2]. This makes it possible to reduce the ADC sampling frequency required for wideband frequency spectrum estimation, thereby reducing the cost and the amount of calculation. Furthermore, it becomes possible to estimate the angular spectrum, and more spectral information can be grasped. Also, by finding the sparse solution of [Equation 3], it is possible to reduce the cost and the amount of calculation.

図1は、本発明を適用したスペクトル推定システムの全体概略図である。FIG. 1 is an overall schematic diagram of a spectrum estimation system to which the present invention is applied. 図2は、受信信号の到来角度を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing arrival angles of received signals. 図3は、3次元テンソル(i,:,:)の模式図を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic diagram of a three-dimensional tensor S (i,:,:). 図4は、復元アルゴリズムのフローチャートを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a flow chart of the restoration algorithm.

以下、本発明を適用したスペクトル推定システムについて、図面を参照しながら詳細に説明をする。 A spectrum estimation system to which the present invention is applied will be described in detail below with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用したスペクトル推定システム100の全体概略図である。スペクトル推定システム100は、基地局20と、基地局20から送信される信号を受信するスペクトル推定装置1とを備える。 FIG. 1 is an overall schematic diagram of a spectrum estimation system 100 to which the present invention is applied. A spectrum estimation system 100 includes a base station 20 and a spectrum estimation device 1 that receives a signal transmitted from the base station 20 .

基地局20は、通信機器の間において無線アクセスポイントとしての役割を果たし、インターネット等を始めとした公衆通信網との間においてインタフェースとしての役割を果たすものである。即ち、基地局20は、これを介して通信機器がインターネット等を始めとした公衆通信網との間でデータの送受信を行うことを可能とするための中継手段を担うものである。基地局20は、スペクトル推定装置1に信号を送信する。 The base station 20 serves as a wireless access point between communication devices and serves as an interface with public communication networks such as the Internet. That is, the base station 20 serves as relay means for enabling communication devices to transmit and receive data to and from public communication networks such as the Internet. Base station 20 transmits a signal to spectrum estimation device 1 .

スペクトル推定装置1は、基地局20から送信された信号を受信し、受信した信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する。スペクトル推定装置1は、複数のアンテナ素子が設けられるアレイアンテナ10と、アレイアンテナ10の各アンテナ素子にそれぞれ接続される複数の遅延素子11と、各遅延素子11にそれぞれ接続される複数のADC12と、各ADC12に接続される選択部13と、選択部13に接続される処理部14と、処理部14に接続される推定部15と、推定部15に接続される記憶部16とを備える。 A spectrum estimation device 1 receives a signal transmitted from a base station 20 and estimates the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal. The spectrum estimation apparatus 1 includes an array antenna 10 provided with a plurality of antenna elements, a plurality of delay elements 11 respectively connected to the respective antenna elements of the array antenna 10, and a plurality of ADCs 12 respectively connected to the respective delay elements 11. , a processing unit 14 connected to the selection unit 13 , an estimation unit 15 connected to the processing unit 14 , and a storage unit 16 connected to the estimation unit 15 .

アレイアンテナ10は、基地局20から送信された信号を受信するための複数個配列される素子アンテナにより構成される。アレイアンテナ10は、アンテナ素子間の間隔がdとなるようにNel個のアンテナ素子が設けられている。アレイアンテナ10は、受信した信号を遅延素子11に出力する。 The array antenna 10 is composed of a plurality of arrayed element antennas for receiving signals transmitted from the base station 20 . The array antenna 10 is provided with Nel antenna elements such that the interval between the antenna elements is d. Array antenna 10 outputs the received signal to delay element 11 .

遅延素子11は、アレイアンテナ10から出力された信号を遅延させる遅延回路により構成される。遅延素子11は、アレイアンテナ10に含まれるアンテナ素子にそれぞれ信号の遅延時間が異なる遅延回路が一つずつ接続される。遅延素子11は、遅延させた信号をADC12に出力する。 The delay element 11 is configured by a delay circuit that delays the signal output from the array antenna 10 . In the delay element 11, each antenna element included in the array antenna 10 is connected to a delay circuit having a different signal delay time. The delay element 11 outputs the delayed signal to the ADC 12 .

ADC12は、遅延素子11から出力された信号をサンプリングし、デジタル変換する。ADC12は、遅延素子11のそれぞれの遅延回路に一つずつ接続される。ADC12は、例えば変換速度が50MHzの変換器が用いられる。ADC12は、デジタル変換した信号を選択部13に出力する。 The ADC 12 samples the signal output from the delay element 11 and digitally converts it. The ADC 12 is connected to each delay circuit of the delay element 11 one by one. A converter with a conversion speed of 50 MHz, for example, is used as the ADC 12 . The ADC 12 outputs the digitally converted signal to the selector 13 .

選択部13は、ADC12からそれぞれ出力された複数のデジタル信号の中から所定の数のデジタル信号を選択し、選択したデジタル信号を処理部14に出力する。 The selection unit 13 selects a predetermined number of digital signals from among the plurality of digital signals output from the ADC 12 and outputs the selected digital signals to the processing unit 14 .

処理部14は、選択部13から出力された各デジタル信号を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換された各信号に基づく行列からなるテンソルを算出する。処理部14は、算出したテンソルを推定部15に出力する。 The processing unit 14 performs a discrete Fourier transform on each digital signal output from the selecting unit 13, and calculates a tensor composed of a matrix based on each signal subjected to the discrete Fourier transform. The processing unit 14 outputs the calculated tensor to the estimation unit 15 .

記憶部16は、周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定するための周波数と到来角度の辞書等を含む各種情報を記憶する。記憶部16は、予め記憶された周波数と到来角度の辞書を必要に応じて推定部15に出力する。 The storage unit 16 stores various information including dictionaries of frequencies and angles of arrival for estimating frequency spectra and angle spectra. The storage unit 16 outputs a pre-stored dictionary of frequencies and angles of arrival to the estimation unit 15 as necessary.

推定部15は、処理部14から出力されたテンソルと、記憶部16から出力された辞書とに基づいて、圧縮センシングを用いて、受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する。圧縮センシング(Compressed Sensing:CS)は、本来必要とされるサンプリング数より少ない観測から信号を復元する方法である。元の信号をベクトルx∈Rとするとき、大きさがm×n(m<n)の観測行列Φを用いると、観測(圧縮)信号ベクトルは、y=Φ∈Rとなる。このとき、観測信号ベクトルyの次元が元信号ベクトルxの次元より低いと、解が一意に求まらない不良設定問題となり、観測信号ベクトルyから元信号ベクトルxを求めることはできない。しかしながら、元の信号ベクトルxが辞書行列を用いることでスパース性を有する信号ベクトルに変換できる場合、ゼロ、スペース又は疎を多く含むように信号ベクトルを解く、つまりはスパース解を求めることで元の信号を復元できる。 Based on the tensor output from the processing unit 14 and the dictionary output from the storage unit 16, the estimation unit 15 uses compressed sensing to estimate the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal. Compressed Sensing (CS) is a method of recovering a signal from fewer observations than originally required. Using an observation matrix Φ of size m×n (m<n), where the original signal is a vector xεR n , the observed (compressed) signal vector is y=Φ x εR m . At this time, if the dimension of the observed signal vector y is lower than the dimension of the original signal vector x, it becomes an ill-posed problem in which a unique solution cannot be obtained, and the original signal vector x cannot be obtained from the observed signal vector y. However, if the original signal vector x can be converted to a sparse signal vector by using a dictionary matrix, the signal vector can be solved to include many zeros, spaces, or sparseness, that is, a sparse solution can be obtained by solving the original signal vector x. signal can be restored.

次に、スペクトル推定システム100を用いて、周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する動作について説明する。 Next, the operation of estimating the frequency spectrum and the angle spectrum using spectrum estimation system 100 will be described.

周波数スペクトルは、信号の周波数毎の強度を示すスペクトルである。周波数スペクトルは、例えばL個のサブバンドに分割される。かかる場合、スペクトル帯域幅をBとすると、一つのサブバンドの帯域幅は、B/Lとなる。周波数スペクトルは、各サブバンドの帯域幅に含まれる周波数の強度を示すスペクトルであってもよい。 A frequency spectrum is a spectrum that indicates the intensity of each frequency of a signal. The frequency spectrum is divided into, for example, L subbands. In such a case, if the spectral bandwidth is B, then the bandwidth of one subband is B/L. The frequency spectrum may be a spectrum indicating the intensity of frequencies contained in the bandwidth of each subband.

角度スペクトルは、アレイアンテナ10が受信する受信信号の到来角度の角度毎の強度を示すスペクトルである。到来角度は、例えば図2に示すように、基地局20とアレイアンテナ10を結ぶ直線αに対する、アンテナ10a~cが配列している方向βに垂直な方向γの角度φである。また、到来角度は、AOA(Angle of Arrival)である。 The angle spectrum is a spectrum that indicates the intensity of each arrival angle of the reception signal received by the array antenna 10 . The arrival angle is the angle φ of a direction γ perpendicular to the direction β in which the antennas 10a to 10c are arranged with respect to a straight line α connecting the base station 20 and the array antenna 10, as shown in FIG. Also, the arrival angle is AOA (Angle of Arrival).

まず、スペクトル推定システム100において、アレイアンテナ10は、基地局20から送信された信号を受信する。かかる場合、アレイアンテナ10に設けられているNel個のアンテナ素子のそれぞれが信号を受信する。また、アレイアンテナ10に設けられたアンテナ素子はそれぞれ集合{0・・・Nel-1}から順に選択される番号が付けられる。この番号は、例えばアンテナの並び順により選択されてもよいがこの限りではなく、任意の方法で選択されてもよい。アレイアンテナ10は、受信した受信信号をそれぞれ遅延素子11に出力する。 First, in spectrum estimation system 100 , array antenna 10 receives signals transmitted from base station 20 . In such a case, each of the Nel antenna elements provided in the array antenna 10 receives the signal. Also, the antenna elements provided in the array antenna 10 are assigned numbers sequentially selected from the set {0 . . . N el −1}. This number may be selected by, for example, the order in which the antennas are arranged, but is not limited to this and may be selected by any method. The array antenna 10 outputs received signals to the delay elements 11 respectively.

次に、遅延素子11は、出力された受信信号を遅延させる。遅延素子11に設けられている各素子の遅延時間は、接続されている各アンテナ素子の番号に応じて、τ~τNel-1で示される。またτは[数5]により示される。

Figure 2023047697000006
ここでcは集合{0・・・L-1}から選択される整数を示す。また、cは集合{0・・・L-1}から任意の乱数を用いてランダムに選択された整数を用いてもよい。遅延素子11は、遅延させた受信信号をADC12に出力する。 Next, the delay element 11 delays the output received signal. The delay time of each element provided in the delay element 11 is indicated by τ 0 to τ Nel-1 according to the number of each connected antenna element. Also, τ p is represented by [Equation 5].
Figure 2023047697000006
where c p denotes an integer selected from the set {0 . . . L−1}. Also, c p may be an integer randomly selected from the set {0 . . . L−1} using an arbitrary random number. The delay element 11 outputs the delayed received signal to the ADC 12 .

次に、ADC12は、出力された受信信号をデジタル信号に変換する。ADC12は、例えばサンプリング周波数がB/Lとなるようにサンプリングしてもよい。ADC12は、変換したデジタル信号を選択部13に出力する。 Next, the ADC 12 converts the output reception signal into a digital signal. The ADC 12 may sample such that the sampling frequency is B/L, for example. The ADC 12 outputs the converted digital signal to the selector 13 .

次に、選択部13は、ADC12からそれぞれ出力された複数のデジタル信号の中から所定の数のデジタル信号を選択する。例えば、選択部13は、アレイアンテナ10に設けられたNel個のアンテナ素子の中からP個のアンテナ素子を選択し、選択したアンテナ素子が受信した受信信号に基づくデジタル信号を選択してもよい。かかる場合、選択部13は、任意の乱数を用いてP個のアンテナ素子をランダムに選択してもよい。これにより、後述する復元アルゴリズムのピーク探索の曖昧さを減らすことができる。選択部13は、選択した信号を処理部14に出力する。 Next, the selector 13 selects a predetermined number of digital signals from among the plurality of digital signals output from the ADC 12 . For example, the selection unit 13 may select P antenna elements from Nel antenna elements provided in the array antenna 10 and select a digital signal based on the received signal received by the selected antenna elements. good. In such a case, the selection unit 13 may randomly select P antenna elements using arbitrary random numbers. This can reduce the peak search ambiguity of the restoration algorithm described below. The selection unit 13 outputs the selected signal to the processing unit 14 .

次に処理部14は、選択部13から出力された信号を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換された各信号に基づく行列からなるテンソルを算出する。処理部14は、例えば信号を処理し、[数1]に示すような3次元テンソルを算出する。ここで、Y[k]は、y[n]を離散フーリエ変換した受信信号を示し、y[n]は、p番目のアンテナにより受信された受信信号を示し、nは、サンプリングした受信信号の標本点を示し、kは、離散フーリエ変換したy[n]の標本点を示し、Nは、Y[k]の標本点の数を示し、Lは、周波数スペクトルのサブバンドの数を示し、cは集合{0・・・L-1}から選択される整数を示し、Nは、行列のスナップショットの数を示す。3次元テンソルは、ADC12の出力信号y[n]を離散フーリエ変換し、位相回転した後、N個の周波数ビン及びP個のアンテナ素子のサンプルを一つの行列にまとめ、さらにまとめた行列をN個のスナップショットにまとめたものである。これにより、相関の計算を用いることなく、処理をすることが可能となるため、周波数スペクトル及び角度スペクトルの複素振幅を推定することが可能となる。 Next, the processing unit 14 performs a discrete Fourier transform on the signal output from the selecting unit 13, and calculates a tensor composed of a matrix based on each signal subjected to the discrete Fourier transform. The processing unit 14 processes the signal, for example, and calculates a three-dimensional tensor Y as shown in [Formula 1]. where Y p [k] denotes the received signal that is the discrete Fourier transform of y p [n], y p [n] denotes the received signal received by the p-th antenna, and n is the sampled represents the sample points of the received signal, k represents the sample points of y p [n] subjected to the discrete Fourier transform, N b represents the number of sample points of Y p [k], and L represents the sub-range of the frequency spectrum. Denote the number of bands, c p denotes an integer selected from the set {0...L-1}, and N s denotes the number of snapshots of the matrix. The three-dimensional tensor Y is obtained by performing a discrete Fourier transform on the output signal y p [n] of the ADC 12, phase-rotating the samples of N b frequency bins and P antenna elements into a matrix, and then summarizing It summarizes the matrix into N s snapshots. This makes it possible to perform processing without using correlation calculations, thereby estimating the complex amplitudes of the frequency spectrum and angle spectrum.

かかる場合、処理部14は、まず離散フーリエ変換を用いて、受信信号y[n]に基づく周波数ビンを演算する。その後、処理部14は、同一のアンテナにより受信された受信信号に基づくそれぞれ標本点が異なる周波数ビンに基づく行と、それぞれ異なるアンテナにより受信された受信信号に基づく標本点が同一の周波数ビンに基づく列とからなる行列を演算する。さらに処理部14は、演算したN個の行列に基づく3次元テンソルを生成する。かかる場合、N個の行列は、同じ行列のスナップショットであってもよいし、異なる時間帯にアレイアンテナ10により受信された異なる受信信号に基づいて生成された異なる複数の行列からなる3次元テンソルであってもよい。また、Nは1以上の整数であり、Nは、1であってもよい。かかる場合、[数1]で示されるテンソルは2次元テンソルであってもよい。処理部14は、算出したテンソルを推定部15に出力する。 In such a case, the processing unit 14 first uses the discrete Fourier transform to calculate frequency bins based on the received signal y p [n]. After that, the processing unit 14 generates rows based on frequency bins with different sample points based on the received signals received by the same antenna, and rows based on the same frequency bins with sample points based on the received signals received by different antennas. Operates on a matrix consisting of columns. Further, the processing unit 14 generates a three-dimensional tensor Y based on the calculated N s matrices. In such a case, the N s matrices may be snapshots of the same matrix, or a three-dimensional representation of different matrices generated based on different received signals received by the array antenna 10 at different times. It may be a tensor Y. Also, N s is an integer of 1 or more, and N s may be 1. In such a case, the tensor represented by [Formula 1] may be a two-dimensional tensor. The processing unit 14 outputs the calculated tensor to the estimation unit 15 .

次に、推定部15は、処理部14から出力されたテンソルと、記憶部16から出力された周波数と到来角度の辞書とに基づいて、圧縮センシングを用いて、周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する。推定部15は、例えば処理部14で圧縮されたスペクトルを、周波数と到来角度の辞書を用いて、例えば、推定部15は、処理部14から出力された[数1]で示される3次元テンソル又は3階テンソルと、記憶部16から出力された[数2]で示される辞書とに基づいて、受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定する。かかる場合、推定部15は、[数1]で示される3次元テンソルと、[数2]で示される2次元テンソルの辞書とを用いて、[数3]のスパース解を求めることにより、受信信号の角度スペクトル及び周波数スペクトルを推定する。ここで、fは、k番目の標本点の周波数ビンの周波数を示し、cは、光速を示し、φは、g番目の到来角度の候補値を示し、Cは集合{0・・・Nel-1}から選択される整数を示し、dはアレイアンテナの間隔を示し、lは、l番目のサブバンドを示す。×は、n番目のモードのテンソル・行列の積(Mode-n tensor-by-matrix product)を示し、は、下記の[数4]で示される。φは、φからφNφ-1までのNφ個の到来角度の候補値を用意してもよい。

Figure 2023047697000007
ここで、||・||は、フロベニウスノルムを示し、(i,:,:)は、任意の3次元テンソルの1次元目の軸の方向に切り分け、i番目の切り分けを行列として取り出したものを示し、Sl,g[k]は、l番目のサブバンド及び到来角度φにおけるスペクトルを示す。 Next, the estimation unit 15 estimates the frequency spectrum and angle spectrum using compressed sensing based on the tensor output from the processing unit 14 and the dictionary of frequencies and angles of arrival output from the storage unit 16. . For example, the estimating unit 15 converts the spectrum compressed by the processing unit 14 into a three-dimensional tensor represented by [Formula 1] output from the processing unit 14 using a dictionary of frequencies and angles of arrival. Alternatively, the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal are estimated based on the 3rd order tensor and the dictionary shown by [Equation 2] output from the storage unit 16 . In such a case, the estimating unit 15 uses the three-dimensional tensor shown in [Formula 1] and the dictionary of the two-dimensional tensor shown in [Formula 2] to obtain the sparse solution of [Formula 3]. Estimate the angular and frequency spectra of the signal. where f k denotes the frequency of the k-th sample point frequency bin, c denotes the speed of light, φ g denotes the candidate value for the g-th angle of arrival, and C p denotes the set {0 . N el −1}, d denotes the spacing of the array antenna, and l denotes the l-th subband. x n indicates the n-th mode tensor-by-matrix product (Mode-n tensor-by-matrix product), and S is indicated by [Math. 4] below. For φ g , N φ candidate values of arrival angles from φ 0 to φ Nφ−1 may be prepared.
Figure 2023047697000007
where ||·|| F indicates the Frobenius norm, S (i, :, :) cuts an arbitrary three-dimensional tensor S in the direction of the first dimension axis, and the i-th cut is taken as a matrix Denoting the pick, S l,g [k] denotes the spectrum at the l th subband and angle of arrival φ g .

図3は、3次元テンソル(i,:,:)の模式図を示す図である。(1,:,:)は、3次元テンソルを縦軸方向yに切り分け、切り分けた1番目のxz平面の2次元テンソルを示す。(2,:,:)は、3次元テンソルを縦軸方向yに切り分け、切り分けた2番目のxz平面の2次元テンソルを示す。 FIG. 3 is a diagram showing a schematic diagram of a three-dimensional tensor S (i,:,:). S (1, :, :) denotes a two-dimensional tensor on the first xz plane obtained by cutting the three-dimensional tensor S in the vertical direction y. S (2, :, :) denotes a two-dimensional tensor on the second xz plane obtained by cutting the three-dimensional tensor S in the vertical direction y.

[数2]で示される2次元テンソルの辞書は、周波数及び到来角度の辞書である。周波数及び到来角度の辞書は、周波数の各サブバンドに対応する圧縮された信号と到来角度毎のステアリングベクトルとに基づく辞書である。ステアリングベクトルは、アレイアンテナ10のアンテナ素子間の位相関係を示すベクトルである。周波数及び到来角度の辞書は、例えば周波数スペクトルのサブバンドの数に応じてそれぞれ成分が異なる行列と到来角度に応じて成分が異なる行列とのアダマール積からなる行列であってもよい。この辞書を用いることにより、広帯域な周波数スペクトル推定に必要なADCサンプリング周波数を減らすことが可能になり、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。さらに角度スペクトルを推定することが可能になり、より多くのスペクトル情報が把握できるようになる。 The two-dimensional tensor dictionary shown in [Equation 2] is a dictionary of frequencies and angles of arrival. The frequency and angle of arrival dictionaries are based on the compressed signal corresponding to each subband of frequency and the steering vector for each angle of arrival. A steering vector is a vector that indicates the phase relationship between the antenna elements of the array antenna 10 . The dictionary of frequencies and angles of arrival may be, for example, a matrix consisting of the Hadamard product of a matrix whose components differ according to the number of subbands of the frequency spectrum and a matrix whose components differ according to the angle of arrival. By using this dictionary, it becomes possible to reduce the ADC sampling frequency required for wideband frequency spectrum estimation, and it is possible to reduce the cost and the amount of calculation. Furthermore, it becomes possible to estimate the angle spectrum, and more spectrum information can be grasped.

推定部15は、例えば図4に示す圧縮センシングの反復アルゴリズムを用いて、[数3]で示される式のスパース解を推定してもよい。推定部15は、処理部14から出力されたテンソルと擬似的に生成されたテンソルとの差分値を計算し、計算された差分値と上述した辞書との相関を計算し、計算された相関が最も大きな周波数スペクトルのサブバンド及び到来角度に基づいて、受信信号の角度スペクトル及び周波数スペクトルを推定することを複数回繰り返す。以下、図4の各ステップでの詳細な処理を説明する。 The estimating unit 15 may estimate the sparse solution of the expression given by [Math. 3] using, for example, the compressed sensing iterative algorithm shown in FIG. The estimation unit 15 calculates the difference value between the tensor output from the processing unit 14 and the pseudo-generated tensor, calculates the correlation between the calculated difference value and the dictionary described above, and the calculated correlation is Multiple iterations of estimating the angular and frequency spectra of the received signal based on the subband and angle of arrival of the largest frequency spectrum. Detailed processing in each step in FIG. 4 will be described below.

まず、S10において、[数1]で示される3次元テンソルと擬似的に生成された3次元テンソルとの差分値を算出する。このとき、差分値を算出することなく、[数1]で示される3次元テンソルをそのまま用いてもよい。 First, in S10, a difference value R between the three-dimensional tensor shown in [Formula 1] and the pseudo-generated three-dimensional tensor is calculated. At this time, the three-dimensional tensor shown in [Formula 1] may be used as it is without calculating the difference value.

次に、ステップS11において、差分値と[数2]で示される辞書との[数6]で示される相関を求める。

Figure 2023047697000008
ここで、1Nbは、すべての要素が1に等しい長さNのベクトルを示し、iとjとは、それぞれサブバンドと到来角度との番号を示し、Tは行列の転置を示す記号であり、Hは行列のエルミート転置を示す記号である。また、は、N個の周波数ビンを合計して周波数帯域を形成することによって計算される。 Next, in step S11, the correlation C represented by [Equation 6] between the difference value R and the dictionary represented by [Equation 2] is obtained.
Figure 2023047697000008
where 1 Nb denotes a vector of length Nb with all elements equal to 1, i and j denote the subband and angle of arrival numbers respectively, and T is the symbol denoting the transpose of the matrix. , and H is a symbol indicating the Hermitian transpose of the matrix. Also, is computed by summing Nb frequency bins to form a frequency band.

次に、ステップS12において、停止条件を満たすかを判断する。推定されたスペクトルに誤差が含まれると、後述する擬似的にテンソルを生成するときに、連続して誤差を引き起こすため、ステップS10において差分値Rが算出される際、検出した信号を完全に取り除くことができず、信号の一部が残る。この残りは、後の反復で誤った信号として検出される可能性がある。したがって、誤警報率を低減するために、停止条件を判断する。ステップS12において、停止条件を満たす場合、アルゴリズムのループを中断する。 Next, in step S12, it is determined whether the stop condition is satisfied. If the estimated spectrum contains an error, it will cause a continuous error when generating a pseudo tensor, which will be described later. Therefore, when the difference value R is calculated in step S10, the detected signal is completely removed. part of the signal remains. This remainder may be detected as a false signal in later iterations. Therefore, a stopping condition is determined to reduce the false alarm rate. In step S12, the loop of the algorithm is interrupted if the stopping condition is met.

停止条件は、相関の周波数ビンと[数7]で示される閾値γとの大きさにより決定される。

Figure 2023047697000009
ここで、Γcdf(x)は、それぞれ形状とスケールのパラメーターkとφを持つガンマ分布の累積分布関数を示し、σ2nは、ガウス分布の分散を示す。 The stopping condition is determined by the magnitude of the frequency bin of the correlation C and the threshold value γ shown in [Formula 7].
Figure 2023047697000009
where Γ cdf (x) denotes the cumulative distribution function of the gamma distribution with shape and scale parameters k and φ, respectively, and σ 2n denotes the variance of the Gaussian distribution.

また、停止条件は[数8]で示される式を満たすかどうかも判断する。

Figure 2023047697000010
ここで、κは設定された閾値を示す。 It is also determined whether the stop condition satisfies the expression shown in [Equation 8].
Figure 2023047697000010
where κ indicates a set threshold.

次に、ステップS13において、相関が最も大きいサブバンド及び角度を探索する。かかる場合、例えば[数9]で示される数式を用いて、相関が最も大きいサブバンド及び角度を探索する。

Figure 2023047697000011
ここで、1Nbは、すべての要素が1に等しい長さNのベクトルを示す。 Next, in step S13, the subband and angle with the largest correlation are searched. In such a case, the subband and angle with the largest correlation are searched for, for example, using the formula shown in [Equation 9].
Figure 2023047697000011
where 1 Nb denotes a vector of length Nb with all elements equal to one.

次に、ステップS14において、スペクトルの複素振幅Wを推定する。かかる場合、例えば、[数10]で示される式を用いて、スペクトルの複素振幅Wを推定する。

Figure 2023047697000012
ここでVは、一時的に生成される辞書を示し、(・)は、逆行列を示す。 Next, in step S14, the complex amplitude Wq of the spectrum is estimated. In such a case, the complex amplitude W q of the spectrum is estimated using, for example, the formula shown in [Equation 10].
Figure 2023047697000012
where V q denotes a temporarily generated dictionary and (·) + denotes an inverse matrix.

次に、ステップS15において、反復回数が最大反復回数を超えるかを判断する。最大反復回数を超える場合、アルゴリズムのループを中断する。最大反復回数を超えない場合は後述するステップS16に移行する。 Next, in step S15, it is determined whether the number of iterations exceeds the maximum number of iterations. Break the loop of the algorithm if the maximum number of iterations is exceeded. If the maximum number of iterations is not exceeded, the process proceeds to step S16, which will be described later.

次に、ステップS16において、擬似的な3次元テンソルを生成する。その後、再びステップS10へと移行し、[数11]で示される式を用いて、差分値を算出する。

Figure 2023047697000013
Next, in step S16, a pseudo three-dimensional tensor is generated. After that, the process moves to step S10 again, and the difference value R is calculated using the formula shown in [Equation 11].
Figure 2023047697000013

この反復アルゴリズムは、ステップS10からS16のステップをkの値を1ずつ増加させながら複数回繰り返し、条件を満たす周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定するアルゴリズムである。これにより、圧縮センシングを用いて、高精度にスペクトルを推定することができる。また、推定部15は、この反復アルゴリズムを用いた圧縮センシングに限らず、任意の方法を用いて、周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定してもよい。 This iterative algorithm is an algorithm that repeats steps S10 to S16 a plurality of times while increasing the value of k by one to estimate the frequency spectrum and angle spectrum that satisfy the conditions. Thereby, the spectrum can be estimated with high accuracy using compressed sensing. Also, the estimation unit 15 may estimate the frequency spectrum and the angle spectrum using any method other than the compressed sensing using this iterative algorithm.

上述した動作を実施することで、本実施形態におけるスペクトル推定システム100の動作は終了する。これにより、広帯域な周波数スペクトル推定に必要なADCサンプリング周波数を減らすことが可能になり、コスト削減及び計算量の軽減が可能となる。さらに角度スペクトルを推定することが可能になり、より多くのスペクトル情報が把握できるようになる。 By performing the operations described above, the operations of the spectrum estimation system 100 in this embodiment are completed. This makes it possible to reduce the ADC sampling frequency required for wideband frequency spectrum estimation, thereby reducing the cost and the amount of calculation. Furthermore, it becomes possible to estimate the angular spectrum, and more spectral information can be grasped.

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。このような新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While embodiments of the invention have been described, the embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. Such novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1 スペクトル推定装置
10 アレイアンテナ
11 遅延素子
12 ADC
13 選択部
14 処理部
15 推定部
16 記憶部
20 基地局
100 スペクトル推定システム
1 spectrum estimation device 10 array antenna 11 delay element 12 ADC
13 selection unit 14 processing unit 15 estimation unit 16 storage unit 20 base station 100 spectrum estimation system

Claims (6)

アレイアンテナにより受信される受信信号の周波数スペクトル及び前記受信信号の到来角度の角度スペクトルを推定するスペクトル推定システムにおいて、
前記受信信号を受信する複数のアンテナからなるアレイアンテナと、
前記各アンテナにより受信された受信信号を離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換された各受信信号に基づく行列からなるテンソルを算出する算出部と、
周波数の各サブバンドに対応する圧縮された信号と到来角度毎のステアリングベクトルとに基づく辞書と、前記算出部により算出されたテンソルと、に基づいて、圧縮センシングを用いて、前記周波数スペクトル及び前記角度スペクトルを推定する推定部とを備えること
を特徴とするスペクトル推定システム。
A spectrum estimation system for estimating the frequency spectrum of a received signal received by an array antenna and the angle spectrum of the angle of arrival of the received signal,
an array antenna comprising a plurality of antennas for receiving the received signal;
a calculation unit that performs a discrete Fourier transform on the received signal received by each of the antennas and calculates a tensor composed of a matrix based on each received signal that has undergone the discrete Fourier transform;
Using compressed sensing, the frequency spectrum and the and an estimator for estimating an angular spectrum.
前記推定部は、サブバンドの数に応じてそれぞれ成分が異なる行列と到来角度に応じて成分が異なる行列とのアダマール積からなる前記辞書を用いること
を特徴とする請求項1に記載のスペクトル推定システム。
2. The spectrum estimation according to claim 1, wherein the estimation unit uses the dictionary consisting of a Hadamard product of a matrix having different components depending on the number of subbands and a matrix having different components depending on the angle of arrival. system.
前記算出部は、前記アンテナの中から選択した2以上のアンテナにより受信された各受信信号に基づく前記テンソルを算出すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のスペクトル推定システム。
3. The spectrum estimation system according to claim 1, wherein the calculator calculates the tensor based on each reception signal received by two or more antennas selected from among the antennas.
前記算出部は、複数の前記行列からなる3次元の前記テンソルを算出すること
を特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載のスペクトル推定システム。
The spectrum estimation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the calculator calculates the three-dimensional tensor composed of a plurality of matrices.
前記推定部は、前記算出部により算出したテンソルと擬似的に生成されたテンソルとの差分値を計算し、計算された差分値と前記辞書との相関を計算し、計算された相関が最も大きな周波数スペクトルのサブバンド及び到来角度に基づいて、前記受信信号の周波数スペクトル及び角度スペクトルを推定することを複数回繰り返すこと
を特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載のスペクトル推定方法。
The estimating unit calculates a difference value between the tensor calculated by the calculating unit and a pseudo-generated tensor, calculates a correlation between the calculated difference value and the dictionary, and calculates the largest correlation. The spectrum estimation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the estimation of the frequency spectrum and angle spectrum of the received signal is repeated a plurality of times based on the subbands and angles of arrival of the frequency spectrum. .
アレイアンテナにより受信される受信信号の周波数スペクトル及び前記受信信号の到来角度の角度スペクトルを推定するスペクトル推定システムにおいて、
前記受信信号を受信するNel個のアンテナからなるアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの中から選択されたP個のアンテナにより受信された各受信信号に基づいて、下記の[数1]で示される3次元テンソルを算出する算出部と、
前記算出部により算出された3次元テンソルと、下記の[数2]で示される2次元テンソルとを用いて、下記の[数3]のスパース解を求めることにより、前記受信信号の角度スペクトル及び周波数スペクトルを推定する推定部とを備えること
を特徴とするスペクトル推定システム。
Figure 2023047697000014
ここで、y[n]は、p番目の前記アンテナにより受信された前記受信信号を示し、Y[k]は、y[n]を離散フーリエ変換した前記受信信号を示し、nは、サンプリングした前記受信信号の標本点を示し、kは、離散フーリエ変換したy[n]の標本点を示し、Nは、Y[k]の標本点の数を示し、Lは、前記周波数スペクトルのサブバンドの数を示し、cは集合{0・・・L-1}から選択される整数を示し、Nは、行列のスナップショットの数を示す。
Figure 2023047697000015
ここで、fは、k番目の標本点の周波数ビンの周波数を示し、cは、光速を示し、φは、g番目の到来角度候補値を示し、Cは集合{0・・・Nel-1}から選択される整数を示し、dはアレイアンテナの間隔を示す。
Figure 2023047697000016
ここで、×は、n番目のモードのテンソル・行列の積を示し、は、下記の[数4]で示される。
Figure 2023047697000017
ここで、||・||は、フロベニウスノルムを示し、(i,:,:)は、任意の3次元テンソルの1次元目の軸の方向に切り分け、i番目の切り分けを行列として取り出したものを示し、Sl,g[k]は、l番目の前記サブバンド及び前記到来角度φにおけるスペクトルを示す。
A spectrum estimation system for estimating the frequency spectrum of a received signal received by an array antenna and the angle spectrum of the angle of arrival of the received signal,
an array antenna consisting of N el antennas for receiving the received signal;
a calculation unit that calculates a three-dimensional tensor represented by the following [Equation 1] based on each reception signal received by P antennas selected from the array antenna;
Using the three-dimensional tensor calculated by the calculation unit and the two-dimensional tensor shown in [Formula 2] below, the sparse solution of [Formula 3] below is obtained, thereby obtaining the angular spectrum of the received signal and and an estimator for estimating a frequency spectrum.
Figure 2023047697000014
Here, y p [n] indicates the received signal received by the p-th antenna, Y p [k] indicates the received signal obtained by discrete Fourier transform of y p [n], and n is , represents the sample points of the sampled received signal, k represents the sample points of y p [n] subjected to the discrete Fourier transform, N b represents the number of sample points of Y p [k], and L is Denote the number of subbands of said frequency spectrum, c p denotes an integer selected from the set {0...L-1}, and N s denotes the number of matrix snapshots.
Figure 2023047697000015
where f k denotes the frequency of the k-th sample point frequency bin, c denotes the speed of light, φ g denotes the g-th angle of arrival candidate value, and C p denotes the set {0 . N el −1}, and d indicates the interval of the array antenna.
Figure 2023047697000016
Here, x n indicates the tensor-matrix product of the n-th mode, and S is given by [Formula 4] below.
Figure 2023047697000017
where ||·|| F indicates the Frobenius norm, S (i, :, :) cuts an arbitrary three-dimensional tensor S in the direction of the first dimension axis, and the i-th cut is taken as a matrix Denoting the extraction, S l,g [k] denotes the spectrum at the l th subband and the angle of arrival φ g .
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