JP4842127B2 - Ｔｈ−ｕｗｂシステムにおいて受信される信号の到達時間を２ステップ推定方法により推定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には無線通信システムに関し、特に、無線通信ネットワークにおいて受信信号の到達時間を確定するものに関する。

無線通信ネットワークにおいて、送信機と受信機との間の距離を推定するために、送信機が、時刻ｔ_１において受信機に信号を送信する場合がある。受信機は、可能な限り迅速に、送信機に応答信号を返す。送信機は、時刻ｔ_２において応答信号の到達時間（ＴＯＡ）を測定する。送信機と受信機との間の距離の推定値は、信号が往復する時間を２で除算し、光の速度で乗算した値であり、すなわち、下式となる。

超広帯域（ＵＷＢ）信号の時間分解能が正確であることにより、信号ＴＯＡ測定に基づく非常に精密な位置決め能力が容易になる。最尤法を使用することにより、ＴＯＡ推定のための理論上の下限を達成することができるが、それら従来技術による方法は、極めて高いサンプリングレートが必要であり、かつ信号の多数のマルチパス成分があることにより実用的ではない。

別の方法は、相関に基づく。この方法は、第１の信号経路を介して受信される信号のあり得る信号遅延を逐次調べるため、受信信号のＴＯＡを推定するために非常に長い時間がかかる。

さらに、第１の経路から受信される信号は、常に最強の相関出力を有するとは限らず、このため、従来技術の相関に基づく方法によるＴＯＡ推定値が不正確となる可能性がある。

したがって、従来技術の問題を克服する到達時間の推定方法が必要である。

本発明は、ＴＨ−ＵＷＢシステムにおいて受信される信号の到達時間を２ステップ推定方法により推定する方法を提供する。第１のステップとして、受信信号のフレームにおけるエネルギーを測定することにより、そのフレームの最高のエネルギーを有する特定のブロックを確定する。このブロックは、受信信号の粗い到達時間を表す。さらに、第２のステップとして、テンプレート信号の時間遅延バージョンを受信信号のブロックと結合することにより、特定のテンプレート信号を選択する。特定のテンプレート信号は、受信信号の精密な到達時間を表すフレーム内の特定のブロックの特定のチップを特定する。

システム構成及び方法動作
本発明は、無線通信ネットワークにおける無線送受信機において、信号の到達時間（ＴＯＡ）を推定する方法を提供する。この目的のために、送受信機は、受信信号のＴＯＡを推定する。しかしながら、送受信機は、送信及び受信することが可能であることが理解されるべきである。

図１に示すように、無線インパルス無線送受信機は、フレーム１０１、ブロック１０２及びチップ１０３に関して、時間のマーキングを行う。フレームは、ブロックより長く、ブロックは、チップより長い。各フレームは、複数のブロックを含む。各ブロックは、複数のチップを含む。

２相位相変調（ＢＰＳＫ）タイムホッピング（ＴＨ）インパルス無線（ＩＲ）送信信号は、下式（１）により表すことができる。

ここで、ｗ_ｔｘ（ｔ）は、持続時間がＴ_ｃである送信超帯域幅（ＵＷＢ）パルスであり、Ｅは、送信パルスエネルギーであり、Ｔ_ｆは、フレーム時間であり、Ｎ_ｆは、１つの情報シンボルを表すパルスの数であり、Ｔ_ｓ＝Ｎ_ｆＴ_ｆは、シンボル間隔である。また、２値情報シンボルは、下式である。

送信信号のパワースペクトルを平滑にし、かつ複数のユーザがそのチャネルを、衝突を起こすことなしに共有することができるように、各送信機にタイムホッピング（ＴＨ）系列ｃ_ｊ∈｛０、１、・・・、Ｎ_ｃ−１｝を割り当てる。ここで、Ｎ_ｃは、フレーム間隔毎のチップの数であり、すなわちＮ_ｃ＝Ｔ_ｆ＝Ｔ_ｃである。

さらに、ランダムな極性符号ａ_ｊを含めることができる。極性符号は、等しい確率で値±１をとる２値確率変数である。この値は、受信機において既知である。

以下のチャネルモデル、すなわち下式（２）で表されるモデルを考える。

ここで、α_ｌは、第ｌ経路のチャネル係数であり、Ｌは、マルチパス成分の数であり、τ_ＴＯＡは、受信信号のＴＯＡである。式（１）及び式（２）から、かつアンテナの影響を考慮して、受信信号を下式（３）によって表すことができる。

ここで、ｓ_ｒｘ（ｔ）は、下式（４）によって与えられる。

ｗ_ｒｘ（ｔ）は、単位エネルギーを有する受信ＵＷＢパルスを示す。トレーニング系列を使用するデータ支援ＴＯＡ推定方法を想定し、ｂ_ｊ＝ｌ∀ｊというトレーニング系列を考える。

この場合、式（４）を、下式（５）として表すことができる。

簡潔にするために、信号が常に１フレーム持続時間に到達する、すなわちτ_ＴＯＡ＜Ｔ_ｆであり、フレーム間干渉（ＩＦＩ）はない、すなわちＴ_ｆ≧（Ｌ＋ｃ_ｍａｘ）Ｔ_ｃ、あるいは同様にＮ_ｃ≧Ｌ＋ｃ_ｍａｘであり、ｃ_ｍａｘはＴＨ系列の最大値であるものとする。なお、τ_ＴＯＡ＜Ｔ_ｆという仮定は、本発明を限定するものではない。実際には、フレームが十分に大きく、かつ所定のＴＨ符号が使用される場合に、本発明が作用するためにはτ_ＴＯＡ＜Ｔ_ｓで十分である。

さらに、τ_ＴＯＡ＜Ｔ_ｓである場合であっても、初期エネルギー検出を使用してシンボルが不確実性である間の到達時間を確定することができる。

２ステップＴＯＡ推定方法
到達時間の推定において最も困難なタスクのうちの１つは、サンプリングレートの制約下で許容可能な時間間隔で確実なＴＯＡ推定値を得ることである。低出力かつ低複雑性受信機とするために、本発明による好ましい実施の形態ではシンボルレートサンプリングを使用する。

本発明は、従来技術による方法より短い時間で、かつチップレベル分解能で、シンボルレートサンプルからのＴＯＡ推定を実行することができる、ＴＯＡを推定する方法を提供する。

図２に示すように、本発明は、１つのフレームの特定のブロック３０１の特定のチップ２０２における受信信号２０１のＴＯＡを推定する（２００）。

本発明による第１のステップは、受信信号のエネルギーの信号測定に基づいて、受信信号２０１の粗いＴＯＡ３０１を表すブロックを確定する（３００）。

図３に示すように、Ｎ_ｂ個のブロック１０２を含むフレーム１０１中に受信される信号２０１は、第３のブロック３０１中に最高のエネルギーが測定される。したがって、粗い到達時間は、第３のブロック３０１中であると確定される。

第２のステップにおいて、変化検出方法４００を適用することにより、受信信号の精密な到達時間２０２を推定する。変化検出方法４００は、テンプレート信号の複数の時間遅延バージョンを受信信号に結合することにより、精密な到達時間２０２を特定する。テンプレート信号は、受信信号に対応する送信信号である。好ましい実施の形態では、時間遅延は、１チップ間隔である。

図４は、本発明による精密なＴＯＡ２０２を確定する変化検出方法４００を示す。

図４に示すように、第３のブロック３０１が確定された後、ブロック３０１に従って、受信信号を、テンプレート信号４０５の複数の時間遅延バージョン４０６の各々と結合する（４１０）。結合すること（４１０）により、時間遅延テンプレートと受信信号との各組合せに対して１つの、１組の結合値４１１がもたらされる。相関値４１５に一致する結合値と関連するテンプレート信号を選択すること（４２０）により、精密なＴＯＡ２０２を表すチップを特定する。

式（３）におけるＴＯＡ（τ_ＴＯＡ）を下式（６）のように表す。

ここで、ｋ∈［０、Ｎ_ｃ−１］は、チップ間隔Ｔ_ｃに関するＴＯＡであり、Ｔ_ｂは、Ｂ個のチップを含むブロック間隔であり（Ｔ_ｂ＝ＢＴ_ｃ）、ｋ_ｂ∈［０、Ｎ_ｃ／Ｂ−１］及びｋ_ｃ∈［０、Ｂ−１］は、それぞれ、第１の信号経路を介して到達する信号がいずれのブロック及びチップにあるかを確定する整数である。

簡潔にするために、ＴＯＡを、チップ持続時間Ｔ_ｃの整数倍であるものとする。実際に適用する際には、チップレベルが不確実な状態でＴＯＡを推定した後に遅延ロックループ（ＤＬＬ）を採用することにより、サブチップ分解能を得ることができる。

粗いＴＯＡ推定
図３に示すように、フレーム間隔における信号の粗い到達時間、すなわち、フレームのいずれのブロックが受信信号、たとえばＵＷＢパルスの到達時間を表すかを確定する（３００）。一般性を失うことなく、フレーム時間Ｔ_ｆは、ブロックサイズＴ_ｂの整数倍Ｎ_ｂである、すなわち、Ｔ_ｆ＝Ｎ_ｂＴ_ｂであるものとする。このステップにおいて、確実な決定変数を得るために、各ブロックに対する入力信号のＮ_ｌ個の異なるフレームからのエネルギーを結合することができる。このため、決定変数を、ｉ＝０、・・・、Ｎ_ｂ−１に対し、下式（７）（８）として表す。

そして、式（６）におけるｋ_ｂを、下式（９）として推定する。

言い換えれば、最大信号エネルギーを有するブロックを選択する。

最適化することができるこのステップのパラメータは、ブロックサイズＴ_ｂ（Ｎ_ｂ）と、エネルギーが測定されるフレームの数Ｎ_ｌとである。

低レート相関出力からの精密なＴＯＡ推定
粗い到達時間を確定した後、第２のステップは、式（６）に従って精密なＴＯＡ ｋ_ｃを推定する。理想的には、精密なＴＯＡ推定のためにチップｋ_ｃ∈［０、Ｂ−１］を探索する必要があり、これは、式（９）から確定されるブロックｋ_ｂ（ハット）を含む下式を検索することに対応する。

しかしながら、場合によっては、第１の信号経路は、マルチパス効果のために、最高エネルギーレベルを有するブロックに先行するブロックのうちの１つである可能性がある。したがって、単一ブロックを探索する代りに、受信信号の第１の経路を検出する確率を増大させるために、精密なＴＯＡに対し、下式の複数のブロック（Ｍ_ｌ≧０）を探索してもよい。

言い換えれば、最大信号エネルギーを有するブロックに加えて、遅延が比較的長時間であるテンプレートを適用することにより、Ｍ_ｌ個のチップに対し追加の探索を実行する。

表記上簡潔にするために、Ｕ＝｛ｎ_ｓ、ｎ_ｓ＋１、・・・、ｎ_ｅ｝は、不確実性領域、すなわち受信信号の第１の経路の考えられ得るＴＯＡであるとし、ここでは、下式のｎ_ｓおよびｎ_ｅは、フレームにおける不確実性領域の開始点及び終了点である。

精密なＴＯＡ、すなわちチップレベル分解能でのＴＯＡを推定するために、受信信号とテンプレート信号４０５の時間シフトバージョン４０６との結合について考える。遅延ｉＴ_ｃに対し、下式（１０）の出力を得る。

ここで、Ｎ_２は、結合出力が取得されるフレームの数であり、ｓ_ｔｅｍｐ（ｔ）は、下式（１１）によって与えられるテンプレート信号である。

異なる遅延に対する結合出力から、目的は、第１の信号経路が到達するチップを確定することである。ブロック間隔Ｔ_ｂに従い、かつ屋内ＵＷＢシステムで典型的である受信信号のマルチパス成分を考慮すると、ブロックは、ノイズのみの成分を含む複数のチップで開始し、残りのチップは、信号及びノイズ成分で開始すると仮定することができる。信号経路の統計が不確実性領域において変化しないと仮定すると、異なる仮説をおよそ以下のように表すことができる。すなわち、ｋ∈Ｕに対し、下式（１２）である。

ここで、η_ｎは、Ｎ（０、α^２ _ｎ）として分布するｉ．ｉ．ｄ．出力ノイズを示し、α^２ _ｎ＝Ｎ_２Ｎ_０／２、α_１、・・・、α_{ｎｆ−ｋ＋１}は、独立チャネル係数であり、ｎ_ｆ−ｎ_ｓ＋１≦Ｌ及びｎ_ｆ＝ｎ_ｅ＋Ｍ_２であって、Ｍ_２が、未知のパラメータαの確実な推定値を得るために不確実性領域から考慮される結合出力の数であるとする。

ＵＷＢ信号の分解能が非常に高いため、チャネル係数をおよそ下式（１３）としてモデル化することが適当である。

ここで、ｐは、所与のチップにおいて、チャネルタップが到達する確率であり、ｄ_ｌは、等しい確率で±１であるα_ｌの位相であり、｜α_ｌ｜は、α_ｌの振幅であり、これは、パラメータΩを含む仲上ｍ分布確率変数としてモデル化される。すなわち、α≧０、ｍ≧０．５及びΩ≧０に対し、下式（１４）となり、ここでΓはガンマ関数である。

式（１２）によれば、ＴＯＡ推定問題を、変化検出問題として考慮することができる。θがαの分布の未知のパラメータを示す、すなわちθ＝［ｐ ｍ α］であるとする。そして、対数尤度比（ＬＬＲ）を、下式（１５）として推定する。

ここで、ｐ_θ（ｚ_ｉ｜Ｈ_ｋ）は、未知のパラメータがθによって与えられる、仮定Ｈ_ｋに基づく相関出力の確率分布関数（ｐ．ｄ．ｆ．）を示し、ｐ（ｚ_ｉ｜Ｈ_ｏ）は、仮説Ｈ_ｏに基づく相関出力のｐ．ｄ．ｆ．を示す。θが未知であるため、所与の仮説Ｈ_ｋに対し、まず最大尤度（ＭＬ）推定値を得ることができ、その後、その推定値をＬＬＲ式に用いることができる。言い換えれば、一般化ＬＬＲ手法をとることができ、そこでは、ＴＯＡ推定値を下式（１６）（１７）として表す。

しかしながら、ＭＬ推定値は、通常複雑である。したがって、モーメント（ＭＭ）推定器の方法等、より単純な推定器を使用してパラメータを取得してもよい。パラメータΩを含む仲上ｍ分布を有する確率変数Ｘの第ｎモーメントは、下式（１８）によって与えられる。

そして、下式の相関器出力Ｚ_ｉを用いて、未知のパラメータのＭＭ推定値ｐ_ＭＭを下式（１９）によって確定することができる。

ここで、γ_１、γ_２、γ_３は、下式（２０）である。

また、μ_ｊは、下式（２１）によって与えられる第ｊサンプルモーメントを示す。

そして、第１の信号経路を有するチップを、下式（２２）として得ることができる。

ここで、θ_ＭＭ（ｋ）＝［ｐ_ＭＭ ｍ_ＭＭ ΩＭＭ］は、未知のパラメータに対するＭＭ推定値である。

ｐ_１（ｚ）及びｐ_２（ｚ）がそれぞれ、η及び下式の分布を示すものとする。

そして、第ｋ仮説に対する一般化ＬＬＲを、下式（２３）〜（２６）によって与える。

Φは、下式（２７）によって与えられる合流型超幾何関数を示す。

なお、下式のｐ．ｄ．ｆ．は、式（１４）、式（２４）、及びｄが等しい確率で±１であるという事実から得られることに留意されたい。

ＴＯＡ推定規則を、下式（２８）として表すことができる。

なお、式（１２）は、ブロックが常にノイズのみの成分で開始し、その後、到達信号が続くと想定することに留意されたい。しかしながら、実際には、第１のステップが全ノイズ成分のブロックを確定する場合があり得る。多数のフレームを結合することにより、すなわち、式（７）において大きいＮ_ｌを選択することにより、ノイズのみを有するブロック３０１を選択する確率を低減することができる。しかしながら、Ｎ_ｌが大きいことにより、推定時間も増大する。このため、推定誤差と推定時間とのトレードオフがある。

ノイズのみのブロックが選択される場合に誤ったＴＯＡ推定を防止するために、ノイズ出力の既知の分布を使用して片側検定を適用することができる。ノイズ出力がガウス分布を有するため、検定により、推定された変化の瞬間後の出力の平均エネルギーを閾値と比較する。

言い換えれば、下式の関係がある場合には、ブロックはノイズのみのブロックであるとみなされ、２ステッププロセスを繰り返す。

本発明の別の改善を、ブロック３０１がすべての経路からの信号を含むか否かを検査することにより、すなわち、精密なＴＯＡが実際にブロック３０１の前であるか否かを判断することにより達成することができる。ここでまた、片側検定手法に従うことにより、推定されたＴＯＡの前の相関出力の平均エネルギーを閾値に対して検査し、閾値が超過された場合に全信号ブロックを検出することができる。

しかしながら、ＴＯＡ推定値ｋ（ハット）の値が非常に小さい場合、第１の経路からの信号が現観測領域の前に到達する確率が非常に高い可能性がある。それは、第１の経路の後の相関出力の分布に、式（１３）で表されるように、幾分かの確率でノイズ分布と信号及びノイズ分布とが両方含まれるためである。

このため、ブロックが全信号ブロックであっても、検定は、不合格である場合がある。したがって、ＴＯＡ推定値の前に平均出力を計算する時に、ｋ（ハット）の前の幾分かの追加の相関出力を同様に採用することができる。言い換えれば、下式である場合、ブロックを全信号ブロックとみなし、ここでは、ｋ（ハット）に応じてＭ_３≧０個の追加の出力を使用する。

ブロックが全信号出力を含むと判断されると、ＴＯＡは、先のブロックのうちの１つであると予測される。したがって、不確実性領域、すなわち、観測ブロックを後方にシフトし、変化検出方法を繰り返す。

本発明を、好ましい実施形態の例を用いて説明したが、本発明の精神及び範囲内でさまざまな他の適応及び変更を行ってもよいということが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内にあるすべての変形及び変更を包含することが添付の特許請求の範囲の目的である。

フレームベースの時間間隔のブロック図である。 本発明による到達時間を推定する方法のフローチャートである。 本発明による受信信号の粗い到達時間を確定するブロック図である。 本発明による受信信号の精密な到達時間を確定するフローチャートである。

Claims (5)

1. ＴＨ−ＵＷＢシステムにおいて受信される信号の到達時間を２ステップ推定方法により推定する方法であって、
   第１のステップとして、受信信号のフレームにおける前記受信信号の粗い到達時間を表し、最高のエネルギーを有する特定のブロックを確定するために、前記受信信号のフレームにおけるエネルギーを測定することと、
   第２のステップとして、前記受信信号の精密な到達時間を表す前記フレーム内の前記特定のブロックの特定のチップを特定する特定のテンプレート信号を選択するために、前記テンプレート信号の複数の時間遅延バージョンを前記受信信号の前記特定のブロックと結合することと
   を含むＴＨ−ＵＷＢシステムにおいて受信される信号の到達時間を２ステップ推定方法により推定する方法。
2. 前記テンプレート信号は、前記受信信号に対応する送信信号である請求項１に記載の方法。
3. 前記時間遅延は、１チップ間隔に対応する請求項１に記載の方法。
4. 前記結合することは、前記テンプレート信号と前記受信信号との各組合せに対し１つの結合値を有する結合値のセットを生成することである請求項１に記載の方法。
5. 前記受信信号の精密な到達時間を表す前記チップを特定するために、相関値に一致する前記結合値に関連する前記特定のテンプレート信号を選択することをさらに含む請求項４に記載の方法。

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