JP4335912B2 - 受信インパルス無線信号を捕捉する方法、システム、および装置 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、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。

受信した超広帯域（ＵＷＢ）信号が復調可能となる前に、テンプレート信号をこの受信信号と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的な遅延を求めるためである。このプロセスは信号捕捉と呼ばれる。

従来、位置合わせは、不確定領域（uncertainty region）のセルの起こり得る遅延時間をシリアルサーチすることによって実行されていた。これについては、Simon他の「Spread Spectrum Communications Handbook」, McGraw-Hill, New York, 1994を参照されたい。時間に関して異なる各サーチ位置、すなわち時間間隔はセルと呼ばれる。信号が遅延位置に存在すると、そのセルは信号セルと呼ばれる。その方法では、受信信号は、テンプレート信号と相関され、相関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、或る時間量だけシフトされる。シフトされる時間量は、通常、分解可能なパス間隔に対応する。次に、この情報が使用されて、出力がしきい値を超えるまで相関が繰り返される。

信号パスとテンプレート信号とが位置合わせされる状況から相関出力が得られる場合には、その出力は信号セル出力と呼ばれ、そうでない場合には、その出力は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超えると、フォールスアラームが発生する。その場合、サーチが正常な状態に戻るまで、時間ｔ_ｐ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信号の時間分解能が短いために、すべての遅延位置をシリアルサーチするには、長い時間を要する可能性がある。したがって、この位置合わせ方法は、ＵＷＢ信号の捕捉に割り当てられた時間が削減されるように高速でなければならない。

シリアルサーチの平均捕捉時間は、不確定領域のセルの個数Ｎが大きい場合には、Ｎに正比例する。これについては、Polydoros他の「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を参照されたい。

したがって、既知の従来技術のシリアルサーチ技法よりも短時間でＵＷＢ信号を捕捉できる方法およびシステムが必要とされている。

超広帯域（ＵＷＢ）通信等のインパルス無線通信システムでは、信号が変調可能となる前に、受信無線信号を捕捉しなければならない。ＵＷＢ信号の狭いパルスの時間分解能が非常に短いために、受信信号を捕捉するには、かなり多数の可能な信号位置、すなわち遅延をサーチしなければならない。この理由によって、インパルス無線通信には、高速信号捕捉が非常に重要である。

第１のテンプレート信号を使用すると、本発明によるシーケンシャルブロックサーチ方法（ＳＢＳ）は、まず、時間に関して、受信信号セルが存在する可能性のある小さな領域を決定する。次に、第２のテンプレート信号を使用して、この領域が、より詳細にサーチされて、信号の正確な遅延が見つけられる。

受信信号と第１のテンプレート信号との相関によって、いくつかのセル出力が有効に追加される。次に、この結果は、その領域が一般に信号セルを含むかどうかを決定する判定基準として使用される。

領域の相関出力が、指定されたしきい値を超えている場合には、ブロックは、第２のテンプレート信号を使用して詳細かつシリアルにサーチされる。

シーケンシャルブロックサーチステップおよびシリアルセルサーチステップの相関間隔は、同じである必要はない。実際には、ブロックサーチの相関間隔は、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、通常、実質的に長くなるように選択される。

厳しい非見通し内（ＮＬＯＳ（non-line-of-sight））状態では、多くのマルチパスが存在し、これらマルチパスは、信号捕捉をより難しいものとする。第１のパス、または第１の数個のパスをこのような状態で捕捉する必要がある場合には、本発明による平均ブロックサーチ方法を使用することができる。この方法では、複数のシリアルサーチ出力が平均化され、連続した平均値間の増加量がしきい値と比較されて、受信信号の開始エッジが検出される。

平均値に大幅な増加が存在すると、その増加を引き起こしたセル出力がさらにサーチされて、受信信号の第１のパスが決定される。

本発明によるシーケンシャルブロックサーチ方法は、ＵＷＢ信号の信号セルの位置（または複数の位置）を見つける高速な方法を提供する。まず、この方法は、信号セルが存在する可能性のある、より小さな領域を高速に決定する。次に、この方法は、その領域を詳細にサーチして、信号の正確な位置を見つける。このように、ＵＷＢ信号を捕捉する時間をかなり削減することができる。実際には、ＳＢＳ方法の平均捕捉時間は、大きな信号対雑音比ではＮの平行根に比例するようになる。これと対照的に、従来技術のシリアルサーチの平均捕捉時間は、不確定領域ではセルの個数に正比例する。実際的な値としては、ＳＢＳ方法を使用した捕捉時間は、シリアルサーチの平均捕捉時間の約半分である。

厳しいマルチパス状態では、シリアルサーチ出力の平均化された値の方が、いくつかのＮＬＯＳ状況での信号の開始を検出するのに信頼性が高いので、平均ブロックサーチは捕捉時間を削減する。このように、単一の出力の瞬時の増加が平滑化され、その結果、フォールスアラームの頻度が低減される。また、本発明は、直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）システムにも使用できることに留意すべきである。

［信号モデル］
２相位相偏移変調を受けたランダム時間ホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システムでは、送信信号は、以下のモデルによって表すことができる。

ここで、ｗ_ｔｒは送信された単位エネルギーパルスであり、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に利用可能にし、かつ、破滅的な衝突の回避を可能にするために、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ｃ_ｊＴ_ｃ秒の時間シフトを追加して提供する。ここで、Ｔ_ｃは、時にチップ間隔と呼ばれることがある。パルスが重なり合うのを防止するために、チップ間隔はＴ_ｃ≦Ｔ_ｆ／Ｎ_ｃを満たすように選択される。

本発明者らは、ｄ_ｊが２値ランダム変数であり、かつ、ｄ_ｉおよびｄ_ｊがｉ≠ｊの場合に独立であり、それぞれ１／２の確率で±１の値を取る符号化ＩＲシステムについて考える。これについては、Fishler他の「On the tradeoff between two types of processing gain」, 40^th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, 2002を参照されたい。このシステムは、Ｔ_ｆ＝Ｔ_ｃであるランダム符号分割多元接続無線信号（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。

本発明者らは、シーケンス｛ｓ_ｊ｝を次のように定義する。

次に、Ｔ_ｆ／Ｔ_ｃ＝Ｎ_ｃと仮定すると、一般性を失うことなく、式（１）は、以下のように表すことができる。

本発明者らは、捕捉段階の間、データ変調が行われないと仮定する。すなわち、

である。この場合、単一ユーザシステムのフラットフェージングチャネルを介した受信信号は、以下のように表すことができる。

ここで、ｗ_ｒｅｃ（ｔ）は受信したＵＷＢパルスであり、ｎ（ｔ）は単位電力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、ほぼ、強い第１成分を有する視野方向（line-of-sight case）の場合を表す。

不確定領域のセル数をＮ＝Ｎ_ｆＮ_ｃとする。これらのセルの１つが信号セルである一方、それ以外のものは非信号セルである。

［テンプレート信号］
捕捉を目的としたデータ変調が行われないと仮定すると、式（３）の信号モデルのシリアルサーチ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る。

ここで、ｍ_２はパルス数であり、このパルス数にわたって相関が取られる。

［シーケンシャルブロックサーチ］
本発明によるシーケンシャルブロックサーチ（ＳＢＳ）では、２つの異なるテンプレート信号が存在する。第１のテンプレート信号は、セルブロックをサーチするのに使用される一方、第２のテンプレート信号は、シリアルサーチで使用されるものと類似している。

式（３）で記述される信号モデルの第１のテンプレート信号は、以下のように表すことができる。

ここで、Ｂは不確定領域のブロックの総数であり、各ブロックはＫ個のセルを含む。ｍ_１はパルス数であり、このパルス数にわたって相関が取られる。簡単にするために、不確定セル（uncertainty cell）の総数は、Ｎ＝ＫＢと表すことができると仮定する。値Ｔ_ｃは分解可能な最小パス間隔とする。

受信信号と式（６）の第１のテンプレート信号との相関出力は、ブロック全体が信号セルを含むかどうかをチェックする高速テストとして使用される。次に、受信信号と第２のテンプレート信号との相関出力が、詳細なブロックサーチに使用される。

現在サーチされているブロックのインデックスはｂであり、初期値はｂ＝１である。この場合、ＳＢＳ方法は、以下のように説明することができる。

ステップ１）第１のテンプレート信号

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よりも高くない場合には、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よりも高い場合には、ブロックをより詳細にサーチする。すなわち、第２のテンプレート信号

を使用して、信号しきい値τ_ｓでセルごとにシリアルサーチを行う。
ステップ４）信号セルがブロックに検出されない場合には、ステップ６に進む。
ステップ５）信号セルがブロックに検出されると、終了する。
ステップ６）ｂ＝（ｂ ｍｏｄ Ｂ）＋１に設定して、ステップ１に進む。

フォールスアラーム（ＦＡ）がシリアルサーチ部で発生すると、サーチは、Ｃ時間ユニット後に次のセルから再開する。このＣ時間ユニットは、フレーム時間に関するペナルティ時間である。

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を超えていることを意味する。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に存在しないか、または、たとえセルがブロックに存在しても、セルの出力が信号しきい値τ_ｓよりも低いことを暗に意味する。

図１はＳＢＳ方法を示している。受信信号１０１は、式（６）の第１のテンプレート信号と相関され（１１０）、その出力１１１は、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超えていない場合（１２１）、判定ユニットは、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）、受信信号との相関（１１０）がもう一度実行される。

ブロック出力１１１がブロックしきい値τ_ｂよりも高い場合には、式（５）の第２のテンプレート信号が使用され、ブロック内のセルがシリアルサーチされる。換言すると、判定ユニット１２０は、出力をしきい値と比較し、信号が検出される（１２２）のか、それとも検出されない（１２１）のかを判定する一方、同期ユニット１３０は、テンプレート信号の遅延を調整し（１３１）、対応するテンプレート信号を相関ユニットに送る。

［平均ブロックサーチ］
厳しいＮＬＯＳ状態では、平均ブロックサーチ方法が適している。この方法の背後にある基本アイデアは、出力値のかなりの増加を見るために、複数のシリアル相関出力の平均値を使用することである。この増加は信号セルの開始を示す。この場合の受信信号は、次のように表すことができる。

ここで、α_ｌはｌ番目のマルチパス成分の振幅係数であり、τ_ｌはｌ番目のマルチパス成分の遅延である。

受信信号と以下のテンプレート信号との相関出力について考える。

これらの相関結果の絶対値をｚ_１，・・・，ｚ_Ｎとすると、本発明者らは、Ｎ＝ＫＢと仮定して、以下の方程式を定義することができる。

ｉを、現在サーチされている平均化されたブロックのインデックスとし、初期値をｉ＝０とする。この場合、ＡＢＳ方法は、以下のように説明することができる。

ステップ１）連続した平均値間の差ｗ_{ｉｍｏｄＢ}−ｗ_{（ｉ−１）ｍｏｄＢ}をチェックする。
ステップ２）この差が第１のしきい値τ_ａよりも高くない場合には、ステップ６に進む。
ステップ３）この差がτ_ａよりも高い場合には、ｚ_{（ｉｍｏｄＢ）Ｋ＋１}，・・・，ｚ_{（ｉｍｏｄＢ）＋１）Ｋ}を第２のしきい値τ_ｃと比較してシリアルにチェックする。
ステップ４）信号セルが検出されない場合には、ステップ６に進む。
ステップ５）信号セル（または複数の信号セル）が検出されると、終了する。
ステップ６）ｉ＝（ｉ＋１）ｍｏｄＢに設定して、ステップ１に進む。

図２は、ＡＢＳ方法およびシステム２００を示している。この実施の形態では、複数の相関器２１０と平均化ユニット２１５が並列に使用される。受信信号ｒ（ｔ）２０１が、まず、異なる遅延を有する第１のテンプレート信号と相関される（２１０）。次に、これらの相関の絶対値が平均化され（２２０）、判定ユニット２３０によって、事前に平均化された値と比較される。平均値に大きな増加があり、かつ、対応するブロックのシリアルサーチ出力のいずれか１つがしきい値を超えている場合には、信号が検出される（２３１）。

信号が検出されない場合（２３２）、テンプレート信号の遅延が同期ユニット２４０によって調整され、同じステップが再び続く。

このブロック図は、たとえ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ても、この方法およびシステムは、１つのみの相関器でも作動できることに留意されたい。このような状況では、判定ユニットは、単一の相関器の所定の個数の出力を記憶することによって、平均化タスクおよび比較タスクを実行することができる。

本発明を好ましい実施の形態を例として説明してきたが、他のさまざまな適応および変更を、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すべきである。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るこのようなすべての変形および変更を網羅することが、添付の特許請求の範囲の目的である。

本発明によるシーケンシャルブロックサーチ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サーチ方法およびシステムのブロック図である。

Claims (13)

1. 第１のテンプレート信号との相関出力を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチすることであって、それによって、信号セルを含むブロックの位置を突き止めること、および
   第２のテンプレート信号との相関を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチすることであって、それによって、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉すること
   を含む、受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
2. 前記インパルス無線信号は、ランダム符号分割多元接続無線信号である
   請求項１に記載の方法。
3. 前記インパルス無線信号は、超広帯域無線信号である
   請求項１に記載の方法。
4. 前記インパルス無線信号は、直接拡散符号分割多元接続無線信号である
   請求項１に記載の方法。
5. 前記インパルス無線信号は、直接２相位相偏移変調を受けたランダム時間ホッピング無線信号である
   請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のテンプレート信号に関連付けられた第１の相関間隔が、前記第２のテンプレート信号に関連付けられた第２の相関間隔よりも実質的に長い
   請求項１に記載の方法。
7. 前記サーチすることは、
   サーチ中に、前記第１および第２のテンプレート信号を時間シフトさせること、
   前記シフトされた第１および第２のテンプレート信号をそれぞれ前記第１および第２の相関間隔にわたって相関させることであって、それによって、第１および第２の出力をそれぞれ求めること、および
   前記第１および第２の出力をそれぞれ第１および第２のしきい値と比較することであって、それによって、前記ブロックおよび信号セルの位置をそれぞれ突き止めること
   をさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記受信インパルス無線信号に対応する送信インパルス無線信号は、
   

   

   によって表され、
   ここで、ｗ_ｔｒは送信された単位エネルギーパルスであり、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数であり、ｂは０または１のいずれかの送信された情報シンボルであり、擬似ランダムシーケンス｛ｃ_ｊ｝が、前記インパルス無線信号の各ユーザに割り当てられて、前記インパルス無線信号のｊ番目のパルスにｃ_ｊＴ_ｃ秒の時間シフトを追加して提供し、ここで、Ｔ_ｃはチップ間隔であり、かつ、Ｔ_ｃ≦Ｔ_ｆ／Ｎ_ｃであり、ｄ_ｊが２値ランダム変数であり、かつ、ｄ_ｉおよびｄ_ｊが独立であり、それぞれ１／２の確率で±１の値を取るとすると、シーケンス｛ｓ_ｊ｝が以下のように
   

   

   によって定義されて、Ｔ_ｆ／Ｔ_ｃ＝Ｎ_ｃの場合に、前記送信インパルス無線信号を
   

   

   として表し、その結果、前記受信インパルス無線信号は、
   

   

   として表され、ここで、ｗ_ｒｅｃ（ｔ）は受信パルスであり、σ_ｎｎ（ｔ）は単位電力スペクトル密度を有する白色ガウス雑音であり、
   

   

   であり、前記領域のセル数はＮ＝Ｎ_ｆＮ_ｃであり、Ｔ_ｃは分解可能な最小パス間隔である
   請求項１に記載の方法。
9. 前記第１のテンプレート信号は、
   

   

   と表され、
   ここで、ｍ_１は前記領域に関連付けられた第１の相関間隔にわたるパルス数であり、Ｂは前記領域のブロックの総数であり、各ブロックはＫ個のセルを含み、前記複数のセルはＮ＝ＫＢである
   請求項８に記載の方法。
10. 前記第２のテンプレート信号は、
    

    

    と表され、
    ここで、ｍ_２は前記ブロックに関連付けられた第２の相関間隔にわたるパルス数である
    請求項８に記載の方法。
11. 前記領域のサーチを行うことはブロックしきい値τ_ｂを使用し、前記ブロックのサーチを行うことは信号しきい値τ_ｓを使用する
    請求項１に記載の方法。
12. 第１のテンプレート信号との相関出力を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチし、信号セルを含むブロックの位置を突き止める第１の手段と、
    第２のテンプレート信号との相関出力を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチし、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉する第２の手段と
    を備える、受信インパルス無線信号を捕捉するシステム。
13. 第１のテンプレート信号との相関出力を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチし、信号セルを含むブロックの位置を突き止めるように構成され、かつ、第２のテンプレート信号との相関出力を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチし、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉するように構成された相関ユニットと、
    サーチ中に、前記第１および第２のテンプレート信号を時間シフトさせる同期ユニットと、
    前記領域およびブロックをそれぞれサーチ中に、前記相関ユニットの第１および第２の出力をそれぞれ第１および第２のしきい値と比較する判定ユニットと
    を備える受信インパルス無線信号を捕捉する装置。

Images