JP4335913B2 - 受信インパルス無線信号を捕捉する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、包括的にインパルス無線信号に関し、より詳細には超広帯域信号の捕捉に関する。

受信超広帯域（ＵＷＢ）信号の復調を可能にするには、その前にテンプレート信号を受信信号に位置合わせしなければならない。位置合わせの目的は、テンプレート信号に対する受信信号の相対遅延を求めることである。このプロセスは信号捕捉と呼ばれる。

従来、位置合わせは、不確実領域中のセルの考えられる遅延時間を逐次探索することによって行われる。Simon等著「Spread Spectrum Communications Handbook」McGraw-Hill, New York, 1994を参照のこと。時間に関して異なる探索位置、すなわち時間間隔はそれぞれセルと呼ばれる。信号が遅延位置にある場合、そのセルは信号セルと呼ばれる。この方法では、受信信号とテンプレート信号との相関がとられ、相関の出力がしきい値と比較される。出力がしきい値よりも低い場合、テンプレート信号はある時間量シフトされる。シフトされる時間量は、通常、可分解パス間隔に対応する。次に、この情報を用いて、出力がしきい値を越えるまで相関付けを繰り返す。

相関の出力は、信号パスおよびテンプレート信号が位置合わせされた場合のものである場合、信号セル出力と呼ばれ、その他の場合、非信号セル出力と呼ばれる。非信号セル出力がしきい値を越えると、フォールスアラームが発生する。この場合、探索が回復するまでに時間ｔｐが経過する。この時間はフォールスアラームのペナルティ時間と呼ばれる。

ＵＷＢ信号の時間分解能は短いことから、遅延位置をすべて逐次探索することに長い時間がかかる場合がある。したがって、位置合わせ方法は、ＵＷＢ信号の捕捉に割り振られる時間が短くなるように高速でなければならない。

逐次探索の平均捕捉時間は、不確実領域中のセルの数Ｎ（Ｎの値が大きい場合）に正比例（directly proportional）する。Polydoros等著「A unified approach to serial search spread-spectrum code acquisition-Part I: General Theory」IEEE Trans. Comm., Vol. COM-32, pp.542-549, May 1984を参照のこと。

したがって、既知の従来技術による逐次探索技法よりも短い時間でＵＷＢ信号を捕捉することができる方法およびシステムが必要である。

超広帯域（ＵＷＢ）通信等のインパルス無線通信システムでは、受信無線信号の復調を可能にするには、その前にその信号を捕捉しなければならない。ＵＷＢ信号の短パルスの非常に細かい時間分解能により、受信信号を捕捉するには相当数の可能信号位置、すなわち遅延を探索しなければならない。このため、高速での信号捕捉がインパルス無線通信にとって非常に重要である。

第１のテンプレート信号を使用して、まず、本発明による逐次ブロック探索方法（ＳＢＳ）により、受信信号セルが存在する可能性が高い小さな領域を時間に関して決定する。次に、この領域がより詳細に探索され、第２のテンプレート信号を使用して信号の正確な遅延を見つける。

実際、第１のテンプレート信号への受信信号の相関付けによりいくつかのセル出力が追加される。次に、その領域が概して信号セルを含むか否かを判断する基準として結果が使用される。

領域の相関出力が指定のしきい値を越える場合、第２のテンプレート信号を使用してブロックがより詳細に逐次探索される。

逐次ブロック探索ステップおよび逐次セル探索ステップの相関間隔は、同じである必要はない。実際に、ブロック探索の相関間隔は通常、高い確率で正しいブロックを見つけることができるように実質的に長く選択される。

厳しい見通し外（ＮＬＯＳ）状況では多くのマルチパスがあり、これにより信号の捕捉はより難しくなる。このような状況で最初のパス、または最初の少数パスを捕捉する必要がある場合、本発明による平均ブロック探索方法を用いることができる。この方法では、逐次探索出力の数が平均され、逐次平均値間の増大量がしきい値と比較され、受信信号開始のエッジが検出される。

平均値に有意な増大がある場合、その増大をもたらしたセルの出力がさらに探索され、受信信号の最初のパスが求められる。

本発明による逐次ブロック探索方法は、ＵＷＢ信号の信号セルの位置（複数可）を見つける素早い方法を提供する。方法ではまず、信号セルが存在する可能性が高いより小さな領域を決定する。次に、その領域を詳細に探索して信号の正確な位置を見つける。このようにして、ＵＷＢ信号を捕捉する時間をかなり短縮することができる。実際、ＳＢＳ方法の平均捕捉時間は、信号対雑音比が大きい場合、Ｎの平方根に比例するようになる。対照的に、従来技術による逐次探索の平均捕捉時間は、不確定領域中のセルの数に正比例する。実際の値では、ＳＢＳ方法を使用しての捕捉時間は、逐次探索平均捕捉時間の約半分である。

厳しいマルチパス状況では、逐次探索出力の平均値のほうがいくつかのＮＬＯＳ状況での信号の開始を検出するにあたりより信頼性が高いため、平均ブロック探索により捕捉時間が短縮される。このようにして、単一出力の瞬間的な増大が平滑化され、フォールスアラームの頻度が低減する。本発明は直接拡散−符号分割多重アクセス（ＤＳ−ＣＤＭＡ）システムにも使用することができることに留意されたい。

信号モデル
二相位相変調確率的時間ホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システムでは、送信信号を以下のモデル：

により表すことができ、式中、ｗ_ｔｒは送信単位エネルギパルスであり、Ｔ_ｆは平均パルス繰り返し時間であり、Ｎ_ｆは１つの情報シンボルを表すパルスの数であり、ｂは送信された情報シンボル、すなわち０または１である。

チャネルを多くのユーザが利用できるようにし、かつ破滅的な衝突を回避するために、擬似ランダムシーケンス｛ｃ_ｊ｝が各ユーザに割り当てられる。このシーケンスは時間ホッピング（ＴＨ）シーケンスと呼ばれる。ＴＨシーケンスは、信号のｊ番目のパルスに追加の時間シフトｃ_ｊＴ_ｃ秒を提供する。ここで、Ｔ_ｃは時にチップ間隔と呼ばれることもある。パルスの重複を回避するため、チップ間隔はＴ_ｃ≦Ｔ_ｆ／Ｎ_ｃを満足させるものが選択される。

ｄ_ｊが２進確率変数であり、かつｄ_ｉおよびｄ_ｊがｉ≠ｊの場合に独立しており、１／２の確率で各値±１をとる符号化ＩＲシステムを考える。Fishler等著「On the tradeoff between two types of processing gain」40th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, 2002を参照のこと。このシステムは、Ｔ_ｆ＝Ｔ_ｃを有する確率的符号分割多重アクセス無線信号（ＲＣＤＭＡ）システムとみなすことができる。この場合、Ｎ_ｆは処理利得を表す。

シーケンス｛ｓ_ｊ｝を以下のように定義する。

次に、Ｔ_ｆ／Ｔ_ｃ＝Ｎ_ｃであると仮定すると、普遍性を失うことなく、式（１）を、

と表すことができる。

捕捉段階中にデータ変調が行われない、すなわち、

であると仮定する。この場合、平坦なフェージングチャネルにわたり、単一ユーザシステムにおいて受信した信号は、

と表すことができ、式中、ｗ_ｒｅｃ（ｔ）は受信ＵＷＢパルスであり、ｎ（ｔ）は単位パワースペクトル密度を有する白色ガウス雑音である。このモデルは、強い第１成分を有する見通し内（ＬＯＳ）のケースをほぼ表している。

不確定領域中のセルの数は、Ｎ＝Ｎ_ｆＮ_ｃが採用される。これらセルの１つは信号セルであり、その他は非信号セルである。

テンプレート信号
捕捉目的のためにデータ変調がないと仮定すると、式（３）中の信号モデルの逐次探索に使用されるテンプレート信号は、以下：

のように表すことができ、式中、ｍ_２は、相関がとられるパルスの数である。

逐次ブロック探索
本発明による逐次ブロック探索（ＳＢＳ）の場合、２つの異なるテンプレート信号がある。第１のテンプレート信号はセルブロックの探索に使用され、第２のテンプレート信号は逐次探索に使用されるものと同様である。

式（３）に記述した信号モデルに対する第１のテンプレート信号は、以下：

のように表すことができ、式中、ＢはそれぞれＫ個のセルを含む不確定領域中のブロックの総数であり、ｍ_１は相関がとられるパルスの数である。簡潔にするため、不確定セルの総数をＮ＝ＫＢと表すことができるものと仮定する。値Ｔ_ｃは最小可分解パス間隔として解釈される。

式（６）中の受信信号と第１のテンプレート信号の相関出力は、ブロックすべてが信号セルを含むか否かをチェックするクイックテストとして使用される。次に、受信信号および第２のテンプレート信号の相関出力が、ブロックの詳細探索に使用される。

現在探索されているブロックのインデックスはｂであり、最初、ｂ＝１である。すると、ＳＢＳ方法を以下のように記述することができる。
ステップ１）第１のテンプレート信号Ｓ_ｍ１ ^（ｂ）（ｔ）を使用してｂ番目のブロックをチェックする。
ステップ２）ｂ番目のブロックの出力がブロックしきい値τ_ｂ以下である場合、ステップ６に進む。
ステップ３）ｂ番目のブロックの出力がブロックしきい値τ_ｂよりも高い場合、第２のテンプレート信号Ｓ_ｍ２ ^（ｃ）（ｔ）を使用して、ブロックをより詳細に探索する、すなわち、信号しきい値τ_ｓを使用してセル単位で逐次探索する。
ステップ４）信号セルがブロックで検出されない場合、ステップ６に進む。
ステップ５）信号セルがブロックで検出される場合、終了する。
ステップ６）ｂ＝（ｂ ｍｏｄ Ｂ）＋１に設定し、ステップ１に進む。

フォールスアラーム（ＦＡ）が逐次探索部分で発生する場合、探索は、フレーム時間の点からペナルティであるＣ時間単位後に次のセルから再開される。

ステップ５において、「信号セルが検出される」は、信号セル出力が信号しきい値τ_ｓを越えることを意味する。同様に、ステップ４において、「信号セルが検出されない」は、信号セルがブロック中にない、またはセルがブロック中に存在する場合であっても、セルの出力が信号しきい値τ_ｓよりも低いことを含意する。

図１は、ＳＢＳ方法を示す。受信信号１０１は、式（６）の第１のテンプレート信号に相関付けられ（１１０）、出力１１１がブロックしきい値τ_ｂと比較される（１２０）。

ブロックしきい値を越えない場合（１２１）、判断ユニットが同期ユニット１３０に第１のテンプレート信号の遅延を調整させ（１３１）、受信信号との別の相関付け（１１０）が実行される。

ブロック出力１１１がブロックしきい値τ_ｂよりも高い場合、式（５）中の第２のテンプレート信号が採用され、ブロック中のセルが逐次探索される。言い換えれば、判断ユニット１２０は、出力をしきい値と比較し、信号が検出される（１２２）か否か（１２１）を判断し、同期ユニット１３０はテンプレート信号の遅延を調整し（１３１）、対応するものを相関ユニットに送る。

平均ブロック探索
平均ブロック探索方法は、厳しいＮＬＯＳ状況に適している。この方法の背後にある基本的な概念は、出力値の有意な増大を見るために、複数の逐次相関出力の平均値を使用するというものである。この増大は、信号セルの開始を示す。この場合の受信信号は、

と表され、式中、α_１は振幅係数であり、τ_ｌはｌ番目のマルチパス成分の遅延である。

以下のテンプレート信号：

との受信信号の相関の出力を考える。

これら相関の結果の絶対値がｚ_１，・・・，ｚ_Ｎである場合、Ｎ＝ＫＢと仮定して、

と定義することができる。

ｉを現在探索中の平均ブロックのインデックスとし、最初、ｉ＝０である。すると、ＡＢＳ方法は以下のように記述することができる。
ステップ１）逐次平均ｗ_{ｉｍｏｄＢ}−ｗ_{（ｉ−ｌ）}ｍｏｄＢの差をチェックする。
ステップ２）差が第１のしきい値τ_ａ以下の場合、ステップ６に進む。
ステップ３）差がτ_ａよりも高い場合、ｚ_{（ｉｍｏｄＢ）Ｋ＋ｌ}，・・・，ｚ_{（ｉｍｏｄＢ）＋ｌ）Ｋ}を逐次チェックし、第２のしきい値τ_ｃと比較する。
ステップ４）信号セルが検出されない場合、ステップ６に進む。
ステップ５）信号セル（複数可）が検出される場合、終了する。
ステップ６）ｉ＝（ｉ＋１）ｍｏｄＢに設定し、ステップ１に進む。

図２は、ＡＢＳ方法およびシステム２００を示す。この実施の形態では、複数の相関器２１０、平均化ユニット２１５が並列に使用される。受信信号ｒ（ｔ）２０１はまず、異なる遅延を有する第１のテンプレート信号に相関付けられる（２１０）。次に、これら相関の絶対値が平均化され（２２０）、判断ユニット２３０により前の平均値と比較される。平均値に有意な増大がある場合、かつ対応するブロックでの逐次探索出力のいずれか１つがしきい値を越える場合、信号が検出される（２３１）。

検出が行われない（２３２）場合、同期ユニット２４０によりテンプレート信号の遅延が調整され、同じステップが再び続けられる。

ブロック図はＫ個の相関器および平均化ユニットの場合について示されているが、方法およびシステムは１個のみの相関器の場合でも機能可能であることに留意する。このような状況では、判断ユニットは、単一相関器の所定数の出力を格納することにより平均化および比較タスクを実行することができる。

本発明は、好ましい実施の形態の例として説明したが、他の様々な適合および変更を本発明の精神および範囲内で行うことができることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内にあるこのような変形および変更をすべてカバーすることである。

本発明による逐次ブロック探索方法およびシステムのブロック図である。 本発明による平均ブロック探索方法およびシステムのブロック図である。

Claims (5)

1. 受信インパルス無線信号を捕捉する方法であって、
   異なる遅延をそれぞれ有する複数のテンプレート信号を使用して、前記受信インパルス無線信号の、複数のセルを含む領域の相関をとることによって各テンプレートの相関値を得ること、
   前記相関値を平均すること、
   前記相関値の逐次平均間の差を求めること、
   前記逐次平均の差において有意な増大を有する特定のテンプレート信号に関連付けられた特定の遅延を選択することによって前記領域中の信号セルを見つけること
   を含む受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
2. 前記受信インパルス無線信号は、
   

   

   により表され、式中、α_１は振幅係数であり、ｓ_ｊは対応する送信インパルス無線信号であり、τ_ｌはｌ番目のマルチパス成分の遅延であり、ｗ_ｒｅｃは受信パルスであり、σ_ｎｎ（ｔ）は、単位パワースペクトル密度を有する白色ガウス雑音であり、Ｔ_ｆは平均パルス繰り返し時間であり、Ｔ_ｃは最小可分解パス間隔であり、Ｎ_ｆは１つの情報シンボルを表すパルスの数である、請求項１記載の受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
3. 前記テンプレート信号は、
   

   

   であり、式中、ｍは前記領域に関連付けられた相関間隔にわたるパルスの数である、請求項２記載の受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
4. 前記領域と前記複数のテンプレート信号との相関は並列に実行される、請求項１記載の受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
5. 受信インパルス無線信号を捕捉するシステムであって、
   異なる遅延をそれぞれ有する複数のテンプレート信号を使用して、前記受信インパルス無線信号の、複数のセルを含む領域の相関をとることによって各テンプレート信号の相関値を得る手段と、
   前記相関値を平均する手段と、
   逐次平均において有意な増大を有する特定のテンプレート信号に関連付けられた特定の遅延を選択することによって前記領域中の信号セルを見つける手段と
   を備えた受信インパルス無線信号を捕捉するシステム。

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