JP7531182B2 - COMMUNICATION DEVICE, INFORMATION PROCESSING METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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Description
本発明は、通信装置、情報処理方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a communication device, an information processing method, and a program.
近年では、装置間で信号を送受信した結果に従って、一方の装置が他方の装置の位置を特定する技術が開発されている。位置特定技術の一例として、下記特許文献1には、UWB(Ultra-Wide Band)で無線通信を行うことで、UWB受信機がUWB送信機からの無線信号の入射角を特定する技術が開示されている。
In recent years, technology has been developed that allows one device to determine the location of another device based on the results of transmitting and receiving signals between the devices. As an example of a location determination technology, the following
しかし、上記特許文献1に記載の技術においては、無線信号の入射角を特定することはなされているものの、UWB受信機とUWB送信機との間の距離の測定精度を向上させることについては、更なる改善の余地があった。
However, while the technology described in
すなわち、一方の装置と他方の装置との間の距離を測定する技術において、それらの装置間の距離の測定精度をより向上させることが望まれている。 In other words, in technology for measuring the distance between one device and another device, it is desirable to further improve the measurement accuracy of the distance between those devices.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複数の装置間における距離の測定精度を向上させることが可能な仕組みを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above problems, and the object of the present invention is to provide a mechanism that can improve the accuracy of measuring the distance between multiple devices.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、他の通信装置から信号を無線で受信する無線通信部と、前記他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に前記無線通信部により受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定する制御部と、を備え、前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、通信装置が提供される。 In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention, a communication device is provided that includes a wireless communication unit that wirelessly receives a signal from another communication device, and a control unit that calculates a correlation between the first signal and a second signal that is a signal corresponding to the first signal received by the wireless communication unit when the other communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, for each specified time, converts the correlation calculation result, which is the result of calculating the correlation between the second signal and the first signal for each specified time, into a format that includes a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of multiple elements that represents the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of multiple set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of multiple elements that represents the presence or absence of a signal for each set time and the amplitude and phase of the signal, and estimates the reception time of the second signal based on the set times corresponding to the multiple elements in the extended signal vector, and the interval of the set times is shorter than the specified time.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、他の通信装置から信号を無線で受信することと、前記他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定すること、を備え、前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、情報処理方法が提供される。 In addition, in order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, there is provided an information processing method comprising: wirelessly receiving a signal from another communication device; calculating a correlation between the first signal and a second signal, which is a signal corresponding to the first signal received when the other communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, at specified time intervals; converting a correlation calculation result, which is a result of calculating the correlation between the second signal and the first signal at the specified time intervals, into a format including a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of multiple elements representing the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of multiple set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of multiple elements representing the presence or absence of a signal at each set time and the amplitude and phase of the signal; and estimating a reception time of the second signal based on the set times corresponding to the multiple elements in the extended signal vector, wherein the interval of the set times is shorter than the specified time.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コンピュータを、他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に、前記他の通信装置から信号を無線で受信する無線通信部により受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定する制御部、として機能させ、前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、プログラムが提供される。 In order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, a program is provided that causes a computer to function as a control unit that, when another communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, calculates a correlation between the first signal and a second signal that is a signal corresponding to the first signal received by a wireless communication unit that wirelessly receives a signal from the other communication device at each specified time, converts the correlation calculation result, which is the result of calculating the correlation between the second signal and the first signal at each specified time, into a format that includes a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of multiple elements that represents the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of multiple set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of multiple elements that represents the presence or absence of a signal at each set time and the amplitude and phase of the signal, and estimates the reception time of the second signal based on the set times corresponding to the multiple elements in the extended signal vector, and the interval of the set times is shorter than the specified time.
以上説明したように本発明によれば、複数の装置間における距離の測定精度を向上させることが可能な仕組みが提供される。 As described above, the present invention provides a mechanism that can improve the accuracy of measuring distances between multiple devices.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. Note that in this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals to avoid redundant description.
また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。例えば、実質的に同一の機能構成を有する複数の要素を、必要に応じて無線通信部210A、210B及び210Cのように区別する。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。例えば、無線通信部210A、210B及び210Cを特に区別する必要が無い場合には、単に無線通信部210と称する。
In addition, in this specification and drawings, elements having substantially the same functional configuration may be distinguished by adding different letters after the same reference numeral. For example, multiple elements having substantially the same functional configuration may be distinguished as
<<1.構成例>>
図1は、本発明の一実施形態に係るシステム1の構成の一例を示す図である。図1に示すように、本実施形態に係るシステム1は、携帯機100、及び通信ユニット200を含む。本実施形態における通信ユニット200は、車両202に搭載される。車両202は、ユーザの利用対象の一例である。
<<1. Configuration example>>
Fig. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a
本発明には、被認証者側の通信装置と、認証者側の通信装置と、が関与する。図1に示した例では、携帯機100が被認証者側の通信装置の一例であり、通信ユニット200が認証者側の通信装置の一例である。
The present invention involves a communication device on the side of the person to be authenticated and a communication device on the side of the authenticator. In the example shown in FIG. 1, the
システム1においては、ユーザ(例えば、車両202のドライバー)が携帯機100を携帯して車両202に近づくと、携帯機100と車両202に搭載された通信ユニット200との間で認証のための無線通信が行われる。そして、認証が成功すると、車両202のドア錠がアンロックされたりエンジンが始動されたりして、車両202がユーザにより利用可能な状態になる。システム1は、スマートエントリーシステムとも称される。以下、各構成要素について順に説明する。
In
(1)携帯機100
携帯機100は、ユーザにより携帯される任意の装置として構成される。任意の装置には、電子キー、スマートフォン、及びウェアラブル端末等が含まれる。図1に示すように、携帯機100は、無線通信部110、記憶部120、及び制御部130を備える。
(1)
The
無線通信部110は、車両202に搭載された通信ユニット200との間で、無線による通信を行う機能を有する。無線通信部110は、車両202に搭載された通信ユニット200から無線信号を受信し、無線信号を送信する。
The
無線通信部110と通信ユニット200との間の無線による通信は、例えばUWB(Ultra-Wide Band)を用いた信号によって実現される。UWBを用いた信号の無線通信において、インパルス方式を利用すれば、ナノ秒以下の非常に短いパルス幅の電波を使用することで電波の伝搬遅延時間を高精度に測定することができ、伝搬遅延時間に基づく測距を高精度に行うことができる。なお、伝搬遅延時間とは、電波を送信してから受信するまでにかかる時間である。無線通信部110は、例えば、UWBでの通信が可能な通信インタフェースとして構成される。
Wireless communication between the
なお、UWBを用いた信号は、例えば、測距用信号、角度推定用信号、及びデータ信号として送受信され得る。測距用信号とは、後述する測距処理において送受信される信号である。測距用信号は、データを格納するペイロード部分を有さないフレームフォーマットで構成されていてもよいし、ペイロード部分を有するフレームフォーマットで構成されていてもよい。角度推定用信号とは、後述する角度推定処理において送受信される信号である。角度推定用信号は、測距用信号と同様の構成を有していてもよい。データ信号は、データを格納するペイロード部分を有するフレームフォーマットで構成されることが好ましい。 Note that signals using UWB can be transmitted and received, for example, as ranging signals, angle estimation signals, and data signals. The ranging signals are signals transmitted and received in the ranging process described below. The ranging signals may be configured in a frame format that does not have a payload portion for storing data, or may be configured in a frame format that has a payload portion. The angle estimation signals are signals transmitted and received in the angle estimation process described below. The angle estimation signals may have the same configuration as the ranging signals. It is preferable that the data signals be configured in a frame format that has a payload portion for storing data.
ここで、無線通信部110は、少なくとも1つのアンテナ111を有する。そして、無線通信部110は、少なくとも1つのアンテナ111を介して無線信号を送受信する。
Here, the
記憶部120は、携帯機100の動作のための各種情報を記憶する機能を有する。例えば、記憶部120は、携帯機100の動作のためのプログラム、並びに認証のためのID(identifier)、パスワード、及び認証アルゴリズム等を記憶する。記憶部120は、例えば、フラッシュメモリ等の記憶媒体、及び記憶媒体への記録再生を実行する処理装置により構成される。
The
制御部130は、携帯機100における処理を実行する機能を有する。一例として、制御部130は、無線通信部110を制御して車両202の通信ユニット200との通信を行う。制御部130は、記憶部120からの情報の読み出し及び記憶部120への情報の書き込みを行う。制御部130は、車両202の通信ユニット200との間で行われる認証処理を制御する認証制御部としても機能する。制御部130は、例えばCPU(Central Processing Unit)及びマイクロプロセッサ等の電子回路によって構成される。
The
(2)通信ユニット200
通信ユニット200は、車両202に対応付けて設けられる。ここでは、車両202の車室内に設置される、又は通信モジュールとして車両202に内蔵される等、通信ユニット200は車両202に搭載されるものとする。他にも、車両202の駐車場に通信ユニット200が設けられる等、車両202と通信ユニット200とが別体として構成されてもよい。その場合、通信ユニット200は、携帯機100との通信結果に基づいて、車両202に制御信号を無線送信し、車両202を遠隔で制御し得る。図1に示すように、通信ユニット200は、複数の無線通信部210(210A~210D)、記憶部220、及び制御部230を備える。
(2)
The
無線通信部210は、携帯機100の無線通信部110との間で、無線による通信を行う機能を有する。無線通信部210は、携帯機100から無線信号を受信し、携帯機100へ無線信号を送信する。無線通信部210は、例えば、UWBでの通信が可能な通信インタフェースとして構成される。
The wireless communication unit 210 has a function of performing wireless communication with the
ここで、各々の無線通信部210は、アンテナ211を有する。そして、各々の無線通信部210は、アンテナ211を介して無線信号を送受信する。
Here, each wireless communication unit 210 has an
記憶部220は、通信ユニット200の動作のための各種情報を記憶する機能を有する。例えば、記憶部220は、通信ユニット200の動作のためのプログラム、及び認証アルゴリズム等を記憶する。記憶部220は、例えば、フラッシュメモリ等の記憶媒体、及び記憶媒体への記録再生を実行する処理装置により構成される。
The
制御部230は、通信ユニット200、及び車両202に搭載された車載機器の動作全般を制御する機能を有する。一例として、制御部230は、無線通信部210を制御して携帯機100との通信を行う。制御部230は、記憶部220からの情報の読み出し及び記憶部220への情報の書き込みを行う。制御部230は、携帯機100との間で行われる認証処理を制御する認証制御部としても機能する。また、制御部230は、車両202のドア錠を制御するドアロック制御部としても機能し、ドア錠のロック及びアンロックを行う。また、制御部230は、車両202のエンジンを制御するエンジン制御部としても機能し、エンジンの始動/停止を行う。なお、車両202に備えられる動力源は、エンジンの他にモータ等であってもよい。制御部230は、例えばECU(Electronic Control Unit)等の電子回路として構成される。
The
<<2.技術的特徴>>
<2.1.位置パラメータ>
本実施形態に係る通信ユニット200(詳しくは、制御部230)は、携帯機100が存在する位置を示す位置パラメータを推定する、位置パラメータ推定処理を行う。以下、図2~図4を参照しながら、位置パラメータに関する各種定義について説明する。
<<2. Technical features>>
2.1. Position parameters
The communication unit 200 (more specifically, the control unit 230) according to this embodiment performs a position parameter estimation process to estimate a position parameter indicating the position of the
図2は、本実施形態に係る車両202に設けられる複数のアンテナ211(無線通信部210)の配置の一例を示す図である。図2に示すように、車両202の天井部分には、4つのアンテナ211(211A-211D)が設けられている。アンテナ211Aは、車両202の前方右側に設けられる。アンテナ211Bは、車両202の前方左側に設けられる。アンテナ211Cは、車両202の後方右側に設けられる。アンテナ211Dは、車両202の後方左側に設けられる。なお、隣接するアンテナ211間の距離は、後述する角度推定用信号の波長λの2分の1以下になるように設定される。通信ユニット200を基準とする座標系として、通信ユニット200のローカル座標系が設定される。通信ユニット200のローカル座標系の一例は、4つのアンテナ211の中心を原点とし、車両202の前後方向をX軸とし、車両202の左右方向をY軸とし、車両202の上下方向をZ軸とする座標系である。なお、X軸は、前後方向のアンテナペア(例えば、アンテナ211Aとアンテナ211C、及び211Bとアンテナ211D)を結ぶ軸に平行する。また、Y軸は、左右方向のアンテナペア(例えば、アンテナ211Aとアンテナ211B、及び211Cとアンテナ211D)を結ぶ軸に平行する。
Figure 2 is a diagram showing an example of the arrangement of multiple antennas 211 (wireless communication unit 210) provided in
なお、4本のアンテナ211の配置形状は、正方形に限らず、平行四辺形、台形、矩形、及びその他の任意の形状を取り得る。もちろん、アンテナ211の数は4本に限定されない。
The arrangement shape of the four
図3は、本実施形態に係る携帯機100の位置パラメータの一例を示す図である。位置パラメータは、携帯機100と通信ユニット200との間の距離Rを含み得る。図3に示す距離Rは、通信ユニット200のローカル座標系の原点から携帯機100までの距離である。距離Rは、複数の無線通信部210のうちひとつの無線通信部210と携帯機100との間で行われる、後述する測距用信号の送受信結果に基づいて、推定される。距離Rは、後述する測距用信号の送受信を行うひとつの無線通信部210から携帯機100までの距離であってもよい。
Figure 3 is a diagram showing an example of the position parameters of the
また、位置パラメータは、図3に示す、X軸から携帯機100までの角度α、及びY軸から携帯機100までの角度βから成る、通信ユニット200を基準とする携帯機100の角度を含み得る。角度α及びβは、第1の所定の座標系における原点と携帯機100とを結ぶ直線と座標軸とがなす角度である。例えば、第1の所定の座標系は、通信ユニット200のローカル座標系である。角度αは、原点と携帯機100とを結ぶ直線とX軸とがなす角度である。角度βは、原点と携帯機100とを結ぶ直線とY軸とがなす角度である。
The position parameters may also include angles of the
図4は、本実施形態に係る携帯機100の位置パラメータの一例を示す図である。位置パラメータは、第2の所定の座標系における携帯機100の座標を含み得る。図4に示す、携帯機100のX軸上の座標x、Y軸上の座標y、及びZ軸上の座標zは、そのような座標の一例である。即ち、第2の所定の座標系は、通信ユニット200のローカル座標系であってもよい。他にも、第2の所定の座標系は、グローバル座標系であってもよい。
Figure 4 is a diagram showing an example of position parameters of the
<2.2.CIR>
(1)CIR算出処理
携帯機100及び通信ユニット200は、位置パラメータ推定処理において、位置パラメータを推定するための通信を行う。その際、携帯機100及び通信ユニット200は、CIR(Channel Impulse Response)を算出する。
<2.2. CIR>
(1) CIR Calculation Process In the location parameter estimation process, the
CIRとは、インパルスをシステムに入力したときの応答である。本実施形態におけるCIRは、携帯機100及び通信ユニット200の一方(以下、送信側とも称する)の無線通信部がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に、他方(以下、受信側とも称する)の無線通信部により受信された、第1の信号に対応する信号である第2の信号に基づいて算出される。CIRは、携帯機100と通信ユニット200との間の無線通信路の特性を示すとも言える。以下では、第1の信号を送信信号とも称し、第2の信号を受信信号とも称する。
The CIR is the response when an impulse is input to the system. In this embodiment, the CIR is calculated based on a second signal, which is a signal corresponding to the first signal received by the wireless communication unit of the other (hereinafter also referred to as the receiving side) when the wireless communication unit of one of the
一例として、CIRは、送信信号と受信信号との相関を、規定時間ごとにとった結果である、相関演算結果であってもよい。ここでの相関とは、送信信号と受信信号との相関を、各々の時間方向の相対位置をずらしながらとる処理である、スライディング相関であってもよい。CIRは、送信信号と受信信号との相関の高さを示す相関値を、規定時間を間隔とする時刻ごとの要素として含む。規定時間は、例えば、受信側が受信信号をサンプリングする間隔である。そのため、CIRを構成する要素は、サンプリングポイントとも称される。相関値は、IQ成分を有する複素数であってもよい。また、相関値は、複素数の振幅又は位相であってもよい。また、相関値は、複素数のI成分及びQ成分の二乗和(又は振幅の二乗)である、電力であってもよい。 As an example, the CIR may be a correlation calculation result that is a result of calculating the correlation between a transmission signal and a reception signal at each specified time. The correlation here may be a sliding correlation, which is a process of calculating the correlation between a transmission signal and a reception signal while shifting the relative positions of each signal in the time direction. The CIR includes a correlation value that indicates the level of correlation between a transmission signal and a reception signal as an element for each time interval with a specified time as an interval. The specified time is, for example, the interval at which the receiving side samples the reception signal. Therefore, the elements that make up the CIR are also called sampling points. The correlation value may be a complex number having an IQ component. The correlation value may also be the amplitude or phase of the complex number. The correlation value may also be power, which is the sum of the squares (or the square of the amplitude) of the I and Q components of the complex number.
CIRは、各時刻における値(以下、CIR値とも称する)を要素とする集合である、とも捉えられる。その場合、CIRは、CIR値の時系列変化である。CIRが相関演算結果である場合、CIR値は、相関値である。 The CIR can also be considered as a set whose elements are the values at each time (hereinafter also referred to as CIR values). In this case, the CIR is the time series change in the CIR value. When the CIR is the result of a correlation calculation, the CIR value is a correlation value.
他の一例として、CIRは、規定時間ごとの受信信号(IQ成分を有する複素数)そのものであってもよい。また、CIRは、規定時間ごとの、受信信号の振幅又は位相であってもよい。また、CIRは、規定時間ごとの、受信信号のI成分及びQ成分の二乗和である、電力値であってもよい。 As another example, the CIR may be the received signal (a complex number having I and Q components) itself for each specified time. The CIR may also be the amplitude or phase of the received signal for each specified time. The CIR may also be a power value that is the sum of the squares of the I and Q components of the received signal for each specified time.
なお、携帯機100及び通信ユニット200は、時間カウンタを用いて、時刻を取得する。時間カウンタとは、所定の時間間隔(以下、カウント周期とも称する)で経過時間を示す値(以下、カウント値とも称する)をカウント(典型的には、インクリメント)するカウンタである。時間カウンタによりカウントされたカウント値、カウント周期、及びカウント開始時刻に基づいて、現在時刻が計算される。異なる装置間で、カウント周期及びカウント開始時刻が一致することは、同期しているとも称される。他方、異なる装置間で、カウント周期及びカウント開始時刻の少なくともいずれかが異なることは、同期していない又は非同期であるとも称される。携帯機100と通信ユニット200とは、同期していてもよいし、非同期であってもよい。また、複数の無線通信部210の各々は、互いに同期していてもよいし、非同期であってもよい。CIRを計算する際の上記規定時間は、時間カウンタのカウント周期の整数倍であってもよい。以下の説明では、特に言及しない限り、携帯機100と複数の無線通信部210の各々とが互いに同期しているものとして説明する。
The
以下、送信側が携帯機100であり、受信側が通信ユニット200である場合のCIR算出処理を、図5~図6を参照しながら詳しく説明する。
Below, the CIR calculation process when the transmitting side is the
図5は、本実施形態に係る通信ユニット200における信号処理の処理ブロックの一例を示す図である。図5に示すように、通信ユニット200は、発振器212、乗算器213、90度移相器214、乗算器215、LPF(Low Pass Filter)216、LPF217、相関器218、及び積算器219を含む。
Figure 5 is a diagram showing an example of a processing block for signal processing in the
発振器212は、送信信号を搬送する搬送波の周波数と同一の周波数の信号を生成して、生成した信号を乗算器213及び90度移相器214に出力する。
The
乗算器213は、アンテナ211により受信された受信信号と発振器212から出力された信号とを乗算し、乗算した結果をLPF216に出力する。LPF216は、入力された信号のうち、送信信号を搬送する搬送波の周波数以下の周波数の信号を、相関器218に出力する。相関器218に入力される信号は、受信信号の包絡線に対応する成分のうちI成分(即ち、実部)である。
The
90度移相器214は、入力された信号の位相を90度遅延させて、遅延させた信号を乗算器215に出力する。乗算器215は、アンテナ211により受信された受信信号と90度移相器214から出力された信号とを乗算し、乗算した結果をLPF217に出力する。LPF217は、入力された信号のうち、送信信号を搬送する搬送波の周波数以下の周波数の信号を、相関器218に出力する。相関器218に入力される信号は、受信信号の包絡線に対応する成分のうちQ成分(即ち、虚部)である。
The 90-
相関器218は、LPF216及びLPF217から出力された、I成分及びQ成分から成る受信信号と、参照信号と、のスライディング相関をとることで、CIRを算出する。なお、ここでの参照信号とは、搬送波が乗算される前の送信信号と同一の信号である。
The
積算器219は、相関器218から出力されたCIRを積算して、出力する。
The
ここで、送信側は、ひとつ以上のプリアンブルシンボルを複数含むプリアンブルを含む信号を、送信信号として送信し得る。プリアンブルとは、送受信間で既知な系列である。プリアンブルは、典型的には送信信号の先頭に配置される。プリアンブルシンボルとは、ひとつ以上のパルスを含むパルス配列である。パルス配列とは、時間方向に分離した複数のパルスの集合である。プリアンブルシンボルは、積算219による積算の対象である。即ち、相関器218は、受信信号に含まれる複数のプリアンブルシンボルに対応する部分の各々と、送信信号(即ち、参照信号)に含まれるプリアンブルシンボルと、のスライディング相関をとることで、プリアンブルシンボルごとのCIRを算出する。そして、積算器219は、プリアンブルシンボルごとのCIRを、プリアンブルに含まれるひとつ以上のプリアンブルについて積算し、積算後のCIRを出力する。
Here, the transmitting side may transmit a signal including a preamble containing one or more preamble symbols as a transmission signal. A preamble is a sequence known between the transmitting side and the receiving side. A preamble is typically placed at the beginning of a transmission signal. A preamble symbol is a pulse sequence including one or more pulses. A pulse sequence is a collection of multiple pulses separated in the time direction. The preamble symbol is the target of accumulation by
(2)CIRの例
積算器219から出力されるCIRの一例を、図6に示す。図6は、本実施形態に係るCIRの一例を示すグラフである。図6に示したCIRは、送信側が送信信号を送信した時刻を時間カウンタによるカウント開始時刻と仮定したときのCIRである。このようなCIRは、遅延プロファイルとも称される。本グラフの横軸は遅延時間である。遅延時間とは、送信側が送信信号を送信した時刻からの経過時間である。本グラフの縦軸はCIR値の絶対値(例えば、電力値)である。なお、以下では、CIRとは遅延プロファイルを指すものとして説明する。
(2) Example of CIR An example of the CIR output from the
CIRにおける、ある遅延時間のCIR値のように、時系列に沿って変化する情報を構成するひとつの情報は、サンプリングポイントとも称される。典型的には、CIRにおいて、ゼロクロス点とゼロクロス点との間のサンプリングポイントの集合が、ひとつのパルスに対応する。図6に示したCIRには、あるパルスに対応するサンプリングポイントの集合21、及び他のパルスに対応するサンプリングポイントの集合22が、含まれている。 In a CIR, a piece of information that constitutes information that changes over time, such as a CIR value at a certain delay time, is also called a sampling point. Typically, in a CIR, a set of sampling points between zero crossing points corresponds to one pulse. The CIR shown in FIG. 6 includes a set of sampling points 21 that corresponds to a certain pulse, and a set of sampling points 22 that corresponds to another pulse.
集合21は、例えば、ファストパスを経由して受信側に到来した信号(例えば、パルス)に対応する。ファストパスとは、送受信間の最も短い経路を指す。ファストパスは、遮蔽物がない環境では送受信間の直線経路を指す。集合22は、例えば、ファストパス以外の経路を通って受信側に到来した信号(例えば、パルス)に対応する。このように、複数の経路を経由して到来する信号を、マルチパス波とも称する。
(3)第1到来波の検出
受信側は、送信側から受信した無線信号のうち所定の検出基準を満たす信号を、ファストパスを経由して受信側に到達した信号として検出する。そして、受信側は、検出した信号に基づいて、位置パラメータを推定する。
(3) Detection of the first arriving wave The receiving side detects, among the wireless signals received from the transmitting side, a signal that satisfies a predetermined detection criterion as a signal that has arrived at the receiving side via the fast path. Then, the receiving side estimates the location parameters based on the detected signal.
ファストパスを経由して受信側に到達した信号として検出された信号を、以下では第1到来波とも称する。第1到来波は、直接波、遅延波、又は合成波のいずれかであり得る。直接波とは、送受信間の最短経路を経て、直接的に(即ち、反射等されずに)受信側に受信される信号である。即ち、直接波とは、ファストパスを経由して受信側に到達した信号である。遅延波とは、送受信間の最短でない経路を経て、即ち、反射等されて間接的に受信側に受信される信号である。遅延波は、直接波よりも遅延して受信側に受信される。合成波とは、複数の異なる経路を経た複数の信号が合成された状態で受信側に受信される信号である。 A signal detected as having reached the receiving side via a fast path is also referred to as a first arriving wave below. The first arriving wave can be either a direct wave, a delayed wave, or a composite wave. A direct wave is a signal that is received by the receiving side directly (i.e., without being reflected, etc.) via the shortest path between the transmitter and the receiver. In other words, a direct wave is a signal that reaches the receiving side via a fast path. A delayed wave is a signal that is received by the receiving side indirectly via a path that is not the shortest between the transmitter and the receiver, i.e., after being reflected, etc. A delayed wave is received by the receiving side with a delay relative to the direct wave. A composite wave is a signal that is received by the receiving side in a state in which multiple signals that have traveled multiple different paths are combined.
受信側は、送信側から受信した無線信号のうち所定の検出基準を満たす信号を、第1到来波として検出する。所定の検出基準の一例は、CIRの電力値が最初に所定の閾値を超えることである。即ち、受信側は、CIRのうち電力値が最初に所定の閾値を超えた部分に対応するパルスを、第1到来波として検出してもよい。所定の検出基準の他の一例は、受信した無線信号の受信電力値(即ち、受信信号のI成分とQ成分の二乗和)が最初に所定の閾値を超えることである。即ち、受信側は、受信信号のうち受信電力値が最初に所定の閾値を超えた信号を、第1到来波として検出してもよい。 The receiving side detects, as the first arriving wave, a signal that satisfies a predetermined detection criterion among the wireless signals received from the transmitting side. One example of the predetermined detection criterion is that the power value of the CIR exceeds a predetermined threshold for the first time. That is, the receiving side may detect, as the first arriving wave, a pulse corresponding to a portion of the CIR whose power value exceeds a predetermined threshold for the first time. Another example of the predetermined detection criterion is that the received power value of the received wireless signal (i.e., the sum of the squares of the I and Q components of the received signal) exceeds a predetermined threshold for the first time. That is, the receiving side may detect, as the first arriving wave, a signal whose received power value exceeds a predetermined threshold for the first time among the received signals.
ここで注意すべきは、第1到来波として検出された信号が、必ずしも直接波であるとは限らない点である。例えば、直接波が遅延波と打ち消し合った状態で受信されると、CIRの電力値が所定の閾値を下回り、直接波が第1到来波として検出されない場合がある。その場合、直接波よりも遅延して到来する遅延波又は合成波が、第1到来波として検出されてしまう。 It should be noted here that the signal detected as the first arriving wave is not necessarily a direct wave. For example, if a direct wave is received in a state where it cancels out a delayed wave, the power value of the CIR may fall below a predetermined threshold, and the direct wave may not be detected as the first arriving wave. In that case, a delayed wave or a composite wave that arrives later than the direct wave may be detected as the first arriving wave.
<2.3.位置パラメータの推定>
(1)距離推定
通信ユニット200は、測距処理を行う。測距処理とは、通信ユニット200と携帯機100との間の距離を推定する処理である。通信ユニット200と携帯機100との間の距離は、例えば図3に示した距離Rである。測距処理は、測距用信号を送受信すること、及び測距用信号の伝搬遅延時間に基づいて距離Rを計算することを含む。伝搬遅延時間とは、信号が送信されてから受信されるまでにかかる時間である。
2.3. Estimation of location parameters
(1) Distance Estimation The
ここで、通信ユニット200が有する複数の無線通信部210のうち、いずれか1つの無線通信部210が、測距用信号を送受信する。測距用信号を送受信する無線通信部210を、以下ではマスタとも称する。距離Rは、マスタとして機能する無線通信部210(より正確には、アンテナ211)と携帯機100との間の距離である。
Here, one of the multiple wireless communication units 210 in the
測距処理においては、通信ユニット200と携帯機100との間で複数の測距用信号が送受信され得る。複数の測距用信号のうち、一方の装置から他方の装置へ送信される測距用信号を第1の測距用信号とも称する。次に、第1の測距用信号を受信した装置から、第1の測距用信号を送信した装置へ、第1の測距用信号の応答として送信される測距用信号を、第2の測距用信号とも称する。次いで、第2の測距用信号を受信した装置から、第2の測距用信号を送信した装置へ、第2の測距用信号の応答として送信される測距用信号を、第3の測距用信号とも称する。
In the distance measurement process, multiple distance measurement signals can be transmitted and received between the
以下、図7を参照しながら、測距処理の流れの一例を説明する。 An example of the flow of the distance measurement process is described below with reference to Figure 7.
図7は、本実施形態に係るシステム1において実行される測距処理の流れの一例を示すシーケンス図である。本シーケンスには、携帯機100及び通信ユニット200が関与する。本シーケンスでは、無線通信部210Aがマスタとして機能するものとする。
Figure 7 is a sequence diagram showing an example of the flow of distance measurement processing executed in the
図7に示すように、まず、携帯機100は、第1の測距用信号を送信する(ステップS102)。無線通信部210Aにより第1の測距用信号が受信されると、制御部230は、第1の測距用信号のCIRを算出する。その後、制御部230は、算出したCIRに基づいて、無線通信部210Aにおける第1の測距用信号の第1到来波を検出する(ステップS104)。
As shown in FIG. 7, first, the
次いで、無線通信部210Aは、第1の測距用信号の応答として第2の測距用信号を送信する(ステップS106)。携帯機100は、第2の測距用信号を受信すると、第2の測距用信号のCIRを算出する。その後、携帯機100は、算出したCIRに基づいて、第2の測距用信号の第1到来波を検出する(ステップS108)。
Next, the
次に、携帯機100は、第2の測距用信号の応答として第3の測距用信号を送信する(ステップS110)。無線通信部210Aにより第3の測距用信号が受信されると、制御部230は、第3の測距用信号のCIRを算出する。その後、制御部230は、算出したCIRに基づいて、無線通信部210Aにおける第3の測距用信号の第1到来波を検出する(ステップS112)。
Next, the
携帯機100は、第1の測距用信号の送信時刻から第2の測距用信号の受信時刻までの時間INT1、及び第2の測距用信号の受信時刻から第3の測距用信号の送信時刻までの時間INT2を計測する。ここで、第2の測距用信号の受信時刻とは、ステップS108において検出された、第2の測距用信号の第1到来波の受信時刻である。そして、携帯機100は、時間INT1及びINT2を示す情報を含む信号を送信する(ステップS114)。かかる信号は、例えば無線通信部210Aにより受信される。
The
制御部230は、第1の測距用信号の受信時刻から第2の測距用信号の送信時刻までの時間INT3、及び第2の測距用信号の送信時刻から第3の測距用信号の受信時刻までの時間INT4を計測する。ここで、第1の測距用信号の受信時刻とは、ステップS104において検出された、第1の測距用信号の第1到来波の受信時刻である。同様に、第3の測距用信号の受信時刻とは、ステップS112において検出された、第3の測距用信号の第1到来波の受信時刻である。
The
そして、制御部230は、時間INT1、INT2、INT3、及びINT4に基づいて、距離Rを推定する(ステップS116)。例えば、制御部230は、次式により伝搬遅延時間τmを推定する。
Then, the
その後、制御部230は、推定した伝搬遅延時間τmに信号の速度を乗算することで、距離Rを推定する。
Thereafter, the
-推定精度低下の一因
時間INT1、INT2、INT3、及びINT4の始期又は終期となる測距用信号の受信時刻は、測距用信号の第1到来波の受信時刻である。上述したように、第1到来波として検出された信号は、必ずしも直接波であるとは限らない。
- One cause of the decrease in estimation accuracy The reception times of the ranging signal, which are the start and end times of the times INT 1 , INT 2 , INT 3 , and INT 4 , are the reception times of the first arriving wave of the ranging signal. As described above, the signal detected as the first arriving wave is not necessarily a direct wave.
直接波よりも遅延して到来する遅延波又は合成波が第1到来波として検出された場合、直接波が第1到来波として検出される場合と比較して、第1到来波の受信時刻が遅延する。その場合、伝搬遅延時間τmの推定結果が真の値(直接波が第1到来波として検出される場合の推定結果)から変動する。そして、変動した分だけ、測距精度は低下する。 When a delayed wave or a composite wave arriving later than a direct wave is detected as the first arriving wave, the reception time of the first arriving wave is delayed compared to when a direct wave is detected as the first arriving wave. In this case, the estimated result of the propagation delay time τ m varies from the true value (the estimated result when a direct wave is detected as the first arriving wave). The ranging accuracy decreases by the amount of the variation.
-補足
なお、受信側は、所定の検出基準が満たされた時刻を、第1到来波の受信時刻としてもよい。即ち、受信側は、CIRの電力値が最初に所定の閾値を超えた時刻、又は受信した無線信号の受信電力値が最初に所定の閾値を超えた時刻を、第1到来波の受信時刻としてもよい。他にも、受信側は、検出した第1到来波のピークの時刻(即ち、CIRのうち第1到来波に対応する部分において電力値が最も高い時刻、又は第1到来波のうち受信電力値が最も高い時刻)を、第1到来波の受信時刻としてもよい。
- Supplementary Note: The receiving side may determine the time when a predetermined detection criterion is satisfied as the reception time of the first arriving wave. That is, the receiving side may determine the time when the power value of the CIR first exceeds a predetermined threshold, or the time when the received power value of the received radio signal first exceeds a predetermined threshold, as the reception time of the first arriving wave. Alternatively, the receiving side may determine the time of the peak of the detected first arriving wave (that is, the time when the power value is highest in the portion of the CIR corresponding to the first arriving wave, or the time when the received power value of the first arriving wave is highest) as the reception time of the first arriving wave.
(2)角度推定
通信ユニット200は、角度推定処理を行う。角度推定処理とは、図3に示した角度α及びβを推定する処理である。角度取得処理は、角度推定用信号を受信すること、及び角度推定用信号の受信結果に基づいて角度α及びβを計算することを含む。角度推定用信号とは、角度推定処理において送受信される信号である。以下、図8を参照しながら、角度推定処理の流れの一例を説明する。
(2) Angle Estimation The
図8は、本実施形態に係るシステム1において実行される角度推定処理の流れの一例を示すシーケンス図である。本シーケンスには、携帯機100及び通信ユニット200が関与する。
Figure 8 is a sequence diagram showing an example of the flow of the angle estimation process executed in the
図8に示すように、まず、携帯機100は、角度推定用信号を送信する(ステップS202)。次いで、無線通信部210A~210Dの各々により角度推定用信号が受信されると、制御部230は、無線通信部210A~210Dの各々により受信された角度推定用信号のCIRを算出する。その後、制御部230は、無線通信部210A~210Dの各々について、算出したCIRに基づいて角度推定用信号の第1到来波を検出する(ステップS204A~S204D)。次に、制御部230は、無線通信部210A~210Dの各々について、検出した第1到来波の位相を検出する(ステップS206A~S206D)。そして、制御部230は、無線通信部210A~210Dの各々について検出した第1到来波の位相に基づいて、角度α及びβを推定する(ステップS208)。
As shown in FIG. 8, first, the
ここで、第1到来波の位相は、CIRのうち、第1到来波の受信時刻における位相である。他にも、第1到来波の位相は、受信した無線信号のうち、第1到来波の受信時刻における位相であってもよい。 Here, the phase of the first arriving wave is the phase of the CIR at the time the first arriving wave is received. Alternatively, the phase of the first arriving wave may be the phase of the received wireless signal at the time the first arriving wave is received.
以下、ステップS208における処理の詳細について説明する。無線通信部210Aについて検出された第1到来波の位相をPAとする。無線通信部210Bについて検出された第1到来波の位相をPBとする。無線通信部210Cについて検出された第1到来波の位相をPCとする。無線通信部210Dについて検出された第1到来波の位相をPDとする。この場合、X軸方向のアンテナアレー位相差PdAC及びPdBD、並びにY軸方向のアンテナアレー位相差PdBA及びPdDCは、それぞれ次式で表される。
The process in step S208 will be described in detail below. The phase of the first arriving wave detected for the
角度α及びβは、次式により計算される。ここで、λは電波の波長であり、dはアンテナ211間の距離である。
The angles α and β are calculated by the following formula, where λ is the wavelength of the radio wave and d is the distance between the
従って、それぞれのアンテナアレー位相差に基づいて計算される角度は、それぞれ次式により表される。 Therefore, the angles calculated based on the phase difference of each antenna array are expressed by the following equations:
制御部230は、上記計算された角度αAC、αBD、βDC、及びβBAに基づいて、角度α及びβを計算する。例えば、制御部230は、次式に示すように、X軸及びY軸方向で各2アレーについて計算された角度を平均することで、角度α及びβを計算する。
The
-推定精度低下の一因
以上説明したように、角度α及びβは、第1到来波の位相に基づいて計算される。上述したように、第1到来波として検出された信号は、必ずしも直接波であるとは限らない。
As described above, the angles α and β are calculated based on the phase of the first arriving wave. As described above, the signal detected as the first arriving wave is not necessarily a direct wave.
つまり、第1到来波として、遅延波又は合成波が検出される場合がある。典型的には遅延波及び合成波の位相は直接波の位相と相違するので、相違した分だけ角度推定精度は低下する。 In other words, a delayed wave or a composite wave may be detected as the first arriving wave. Typically, the phase of the delayed wave and the composite wave differs from the phase of the direct wave, and the angle estimation accuracy decreases by the amount of the difference.
-補足
なお、角度推定用信号と、測距用信号とは、同一であってもよい。例えば、図7に示した第3の測距用信号と、図8に示した角度推定用信号とは、同一であってもよい。この場合、通信ユニット200は、角度推定用信号及び第2の測距用信号を兼ねるひとつの無線信号を受信することで、距離R並びに角度α及びβを計算することができる。
- Supplementary Note: The angle estimation signal and the ranging signal may be the same. For example, the third ranging signal shown in Fig. 7 may be the same as the angle estimation signal shown in Fig. 8. In this case, the
(3)座標推定
制御部230は、座標推定処理を行う。座標推定処理とは、図4に示した携帯機100の三次元座標(x,y,z)を推定する処理である、座標推定処理としては、以下の第1の計算方法及び第2の計算方法が採用され得る。
(3) Coordinate Estimation The
-第1の計算方法
第1の計算方法は、測距処理及び角度推定処理の結果に基づいて、座標x、y、及びzを計算する方法である。その場合、まず、制御部230は、次式により座標x及びyを計算する。
- First Calculation Method The first calculation method is a method for calculating coordinates x, y, and z based on the results of distance measurement processing and angle estimation processing. In this case, first, the
ここで、距離R、並びに座標x、y及びzには、次式の関係が成り立つ。 Here, the following relationship holds between the distance R and the coordinates x, y, and z:
制御部230は、上記関係を利用して、次式により座標zを計算する。
The
-第2の計算方法
第2の計算方法は、角度α及びβの推定を省略して、座標x、y、及びzを計算する方法である。まず、上記数式(4)(5)(6)(7)により、次式の関係が成り立つ。
-Second Calculation Method The second calculation method is a method for calculating coordinates x, y, and z without estimating angles α and β. First, the following relationship holds based on the above formulas (4), (5), (6), and (7).
数式(12)を、cosαに関し整理して数式(9)に代入すると、次式により座標xが得られる。 By rearranging equation (12) with respect to cos α and substituting it into equation (9), we obtain the coordinate x as follows:
数式(13)を、cosβに関し整理して数式(10)に代入すると、次式により座標yが得られる。 By rearranging equation (13) with respect to cosβ and substituting it into equation (10), we obtain the coordinate y as follows:
そして、数式(14)及び数式(15)を数式(11)に代入して整理すると、次式により座標zが得られる。 Then, by substituting formula (14) and formula (15) into formula (11) and rearranging, we obtain the coordinate z as follows:
以上、ローカル座標系における携帯機100の座標の推定処理について説明した。ローカル座標系における携帯機100の座標と、グローバル座標系におけるローカル座標系の原点の座標とを組み合わせることで、グローバル座標系における携帯機100の座標も推定可能である。
The above describes the process of estimating the coordinates of the
-推定精度低下の一因
以上説明したように、座標は、伝搬遅延時間及び位相に基づいて計算される。そして、これらは、いずれも第1到来波に基づいて推定される。従って、測距処理、及び角度推定処理と同様の理由で、座標推定精度は低下し得る。
As described above, the coordinates are calculated based on the propagation delay time and the phase. These are both estimated based on the first arriving wave. Therefore, the coordinate estimation accuracy may decrease for the same reason as the ranging process and the angle estimation process.
(4)存在領域の推定
位置パラメータは、予め定義された複数の領域のうち、携帯機100が存在する領域を含んでいてもよい。一例として、領域が通信ユニット200からの距離により定義される場合、制御部230は、測距処理により推定された距離Rに基づいて、携帯機100が存在する領域を推定する。他の一例として、領域が通信ユニット200からの角度により定義される場合、制御部230、角度推定処理により推定された角度α及びβに基づいて、携帯機100が存在する領域を推定する。他の一例として、領域が三次元座標により定義される場合、制御部230は、座標推定処理により推定された座標(x,y,z)に基づいて、携帯機100が存在する領域を推定する。
(4) Estimation of Existence Area The position parameters may include an area in which the
他にも、車両202に特有の処理として、制御部230は、車両202の車室内及び車室外を含む複数の領域の中から、携帯機100が存在する領域を推定してもよい。これにより、ユーザが車室内にいる場合と車室外にいる場合とで異なるサービスを提供する等、細やかなサービスを提供することが可能となる。他にも、制御部230は、車両202から所定距離以内の領域である周辺領域、及び車両202から所定距離以上の領域である遠方領域の中から、携帯機100が存在する領域を特定してもよい。
In addition, as a process specific to the
(5)位置パラメータの推定結果の用途
位置パラメータの推定結果は、例えば携帯機100の認証のために使用され得る。例えば、制御部230は、運転席側であって通信ユニット200からの距離が近い領域に携帯機100が存在する場合に、認証成功を判定し、ドアを解錠する。
(5) Use of Estimation Results of Location Parameters The estimation results of the location parameters may be used, for example, for authenticating the
<<3.技術的課題>>
図9~図12を参照しながら、本実施形態の技術的課題を説明する。図9~図12は、本実施形態の技術的課題を説明するためのグラフである。横軸は遅延時間を示すチップ長であり、縦軸はCIR値の絶対値(例えば、電力値)である。チップ長とは、1パルス当たりの時間幅である。例えば、500MHzの帯域幅でパルスを作成する場合、パルス幅約2nsがチップ長となる。
<<3. Technical issues >>
The technical problem of this embodiment will be described with reference to Fig. 9 to Fig. 12. Fig. 9 to Fig. 12 are graphs for explaining the technical problem of this embodiment. The horizontal axis represents delay time. The vertical axis indicates the chip length, and the vertical axis indicates the absolute value of the CIR value (e.g., power value). The chip length is the time width per pulse. For example, when a pulse is created with a bandwidth of 500 MHz, The pulse width of about 2 ns is the chip length.
図9では、遅延時間1TCにおいてファストパスを経由した信号が到来し、遅延時間3TCにおいてファストパス以外の経路を経由した信号が到来した場合のCIRが示されている。図9を参照すると、遅延時間1TC及び3TCの各々においてCIR波形にピークが立っている。よって、遅延時間が2TC離れた2つのマルチパス波の分離が、CIR波形で十分に実現されていることが分かる。 9 shows the CIR when a signal arrives via a fast path at a delay time of 1T C , and a signal arrives via a path other than the fast path at a delay time of 3T C. Referring to FIG. 9, peaks appear in the CIR waveform at both delay times of 1T C and 3T C. This shows that the CIR waveform adequately separates two multipath waves with a delay time of 2T C apart.
図10では、遅延時間1TCにおいてファストパスを経由した信号が到来し、遅延時間2TCにおいてファストパス以外の経路を経由した信号が到来した場合のCIRが示されている。なお、遅延時間1TCにて到来する1波目の信号と、遅延時間2TCにて到来する2波目の信号とは、同相である。図10を参照すると、遅延時間1TCにおいてCIR波形にピークが立っている一方で、遅延時間2TCにおいてCIR波形にピークが立っていない。さらに言えば、遅延時間1TCにおいて到来した信号と遅延時間2TCにおいて到来した信号とが同相で合成され、1つの波形として現れている。よって、遅延時間が1TC離れた2つのマルチパス波の分離が、CIR波形では実現困難であることが分かる。 FIG. 10 shows the CIR when a signal arrives via a fast path at a delay time of 1T C and a signal arrives via a path other than the fast path at a delay time of 2T C. The first signal arriving at a delay time of 1T C and the second signal arriving at a delay time of 2T C are in phase. Referring to FIG. 10, a peak appears in the CIR waveform at a delay time of 1T C , while no peak appears in the CIR waveform at a delay time of 2T C. Furthermore, the signal arriving at a delay time of 1T C and the signal arriving at a delay time of 2T C are combined in phase and appear as one waveform. Therefore, it can be seen that it is difficult to separate two multipath waves with a delay time of 1T C apart using a CIR waveform.
図11では、遅延時間1.2TCにおいてファストパスを経由した信号が到来し、遅延時間1.7TC及び3.6TCにおいてファストパス以外の経路を経由した信号が到来した場合のCIRが示されている。なお、遅延時間1.2TCにて到来する1波目の信号と、遅延時間1.7TCにて到来する2波目の信号とは、逆相である。図11を参照すると、遅延時間1.2TC及び3.6TCにおいてCIR波形にピークが立っている。他方、遅延時間2.2TC付近に、2つ目のピークが立っている。これは、真の遅延時間1.7TCから大きく外れている。よって、遅延時間が0.5TC離れた2つのマルチパス波の分離が、CIR波形では実現困難であることが分かる。 FIG. 11 shows the CIR when a signal arrives via a fast path at a delay time of 1.2T C , and signals arrive via paths other than the fast path at delay times of 1.7T C and 3.6T C. The first signal arriving at a delay time of 1.2T C and the second signal arriving at a delay time of 1.7T C are in opposite phase. Referring to FIG. 11, peaks appear in the CIR waveform at delay times of 1.2T C and 3.6T C. On the other hand, a second peak appears near a delay time of 2.2T C. This is far from the true delay time of 1.7T C. Therefore, it can be seen that it is difficult to separate two multipath waves with a delay time of 0.5T C apart using the CIR waveform.
図10及び図11に示すように、2つのマルチパス波が受信側に到来する遅延時間の差が短い場合、CIR波形においてピークが立つ遅延時間が本来の遅延時間から変動し得る。そのため、第1到来波の受信時刻として検出される遅延時間が、本来の遅延時間から変動し得る。その場合、変動した分だけ、測距精度は低下してしまう。 As shown in Figures 10 and 11, if the difference in delay time between when two multipath waves arrive at the receiving side is short, the delay time at which a peak occurs in the CIR waveform may vary from the original delay time. Therefore, the delay time detected as the reception time of the first arriving wave may vary from the original delay time. In such a case, the ranging accuracy decreases by the amount of the variation.
図12では、遅延時間1TCにおいてファストパスを経由した信号が到来し、遅延時間1.5TCにおいてファストパス以外の経路を経由した信号が到来した場合のCIR波形23が示されている。CIR波形21は、遅延時間1TCにおいてファストパスを経由した信号が単体で受信された場合のCIR波形である。CIR波形22は、遅延時間1.5TCにおいてファストパス以外の経路を経由した信号が単体で受信された場合のCIR波形である。なお、遅延時間1TCにて到来する1波目の信号と、遅延時間2TCにて到来する2波目の信号とは、90度位相がずれている。
12 shows a
2つのマルチパス波が受信側に到来する遅延時間の差が短い場合、第1到来波として遅延波又は合成波が検出される場合がある。図12に示した例では、第1到来波として合成波が検出される。典型的には遅延波及び合成波の位相は直接波の位相と相違するので、相違した分だけ角度推定精度は低下してしまう。 When the difference in delay time between when two multipath waves arrive at the receiving side is short, a delayed wave or a composite wave may be detected as the first arriving wave. In the example shown in FIG. 12, the composite wave is detected as the first arriving wave. Typically, the phases of the delayed wave and the composite wave differ from the phase of the direct wave, and the angle estimation accuracy decreases by the amount of difference.
図12に示した例のように、直接波と遅延波との合成波が第1到来波として検出される場合、ピーク付近のサンプリングポイント31では遅延波が合成されることにより位相が大きく変動する。従って、サンプリングポイント31における位相に基づいて角度推定を行うと、推定精度は低下してしまう。
As in the example shown in FIG. 12, when a composite wave of a direct wave and a delayed wave is detected as the first arriving wave, the phase fluctuates significantly at
一方で、サンプリングポイント32のように、ピークよりも前の低電力のサンプリングポイントでは、遅延波の影響が少なくなるので位相の変動は小さくなる。しかしながら、遅延波の影響が低下することと引き換えに電力値が低下するので、ノイズの影響が大きくなり、その分推定精度は低下してしまう。
On the other hand, at low-power sampling points before the peak, such as
そこで、CIRよりも高い分解能で、マルチパス波を分離することが可能になることが望ましい。 Therefore, it would be desirable to be able to separate multipath waves with a higher resolution than CIR.
<<4.技術的特徴>>
<4.1.第1到来波の検出>
携帯機100及び通信ユニット200は、以下に詳しく説明する処理により、第1到来波を検出する。以下では一例として、第1到来波を検出する主体が通信ユニット200である場合について説明する。以下に説明する処理は、携帯機100により実行されてもよい。
<<4. Technical Features>>
4.1. Detection of the first arriving wave
The
(1)遅延プロファイルの定式化
まず、PN(Pseudo-Noise)相関法における遅延プロファイル(即ち、CIR)の定式化を行う。PN相関法とは、送信側、受信側で共有したPN系列信号のようなランダム系列から成る信号を送信し、送信信号と受信信号とのスライディング相関をとることで、CIRを算出する手法である。なお、PN系列信号とは、1と0とがほぼランダムに並んだ信号である。
(1) Formulation of Delay Profile First, the delay profile (i.e., CIR) in the PN (Pseudo-Noise) correlation method is formulated. The PN correlation method is a method of calculating the CIR by transmitting a signal consisting of a random sequence such as a PN sequence signal shared by the transmitting side and the receiving side, and taking a sliding correlation between the transmitted signal and the received signal. Note that the PN sequence signal is a signal in which 1s and 0s are arranged almost randomly.
以下では、単位振幅のPN系列信号u(t)が送信信号(例えば、測距用信号及び角度推定用信号のプリアンブルシンボル)として送信されるものとする。単位振幅とは、送受信間で既知な規定の振幅である。 In the following, it is assumed that a PN sequence signal u(t) of unit amplitude is transmitted as a transmission signal (e.g., a preamble symbol of a ranging signal and an angle estimation signal). The unit amplitude is a specified amplitude that is known between the transmitter and the receiver.
また、以下では、受信側のアンテナは、送信側から送信された送信信号に対応する信号として、L波のマルチパス波を受信するものとする。マルチパス波とは、複数の経路を経由して受信側に受信される信号である。即ち、送信側が1つの信号を送信したときに、複数の経路を経由したL個の信号が受信側に受信される。 In the following, it is assumed that the receiving antenna receives L multipath waves as signals corresponding to the transmission signal sent from the transmitting side. Multipath waves are signals that are received by the receiving side via multiple paths. In other words, when the transmitting side transmits one signal, L signals that have passed through multiple paths are received by the receiving side.
この場合、受信信号x(t)は、次式で表される。 In this case, the received signal x(t) is expressed by the following equation:
ここで、tは、時刻である。hiは、第iマルチパス波の複素応答値である。T0iは、第iマルチパス波の伝搬遅延時間である。fは、送信信号の搬送波の周波数である。v(t)は、内部雑音である。内部雑音とは、受信機側の回路内部で発生する雑音である。 Here, t is time. h i is the complex response value of the i-th multipath wave. T 0i is the propagation delay time of the i-th multipath wave. f is the frequency of the carrier wave of the transmission signal. v(t) is internal noise. Internal noise is noise generated inside the circuit on the receiver side.
例えば、PN相関法では、次式のように、受信機側で既知な送信信号u(t)の時間をずらしながら、受信信号x(t)との相関がとられる。 For example, in the PN correlation method, the receiver shifts the time of a known transmitted signal u(t) and calculates the correlation with the received signal x(t), as shown in the following equation:
なお、u*()は、u()の複素共役である。 Note that u * () is the complex conjugate of u().
z(τ)は、遅延プロファイルとも称される。また、|z(τ)|2は、電力遅延プロファイルとも称される。τは、遅延時間である。 z(τ) is also called a delay profile. Also, |z(τ)| 2 is also called a power delay profile. τ is the delay time.
L波のマルチパス波の遅延プロファイルは、次式で表される。 The delay profile of the L-wave multipath wave is expressed by the following equation:
ここで、r(τ)は、PN系列信号の自己相関関数である。自己相関関数とは、信号と信号自身との相関をとった関数である。r(τ)は、次式で与えられる。 Here, r(τ) is the autocorrelation function of the PN sequence signal. The autocorrelation function is a function that calculates the correlation between a signal and the signal itself. r(τ) is given by the following formula.
また、n(τ)は、内部雑音成分である。n(τ)は、次式で与えられる。 Also, n(τ) is the internal noise component. n(τ) is given by the following formula:
(2)スパース再構成
受信信号のサンプリング数をM(ただし、M>L)とする。そして、受信信号は、M個の離散遅延時間τ1、τ2、…、τMにおいてサンプリングされるものとする。なお、遅延離散時間とは、遅延時間を離散値として表現したものである。z(τ)は、離散遅延時間τにおいてサンプリングされた受信信号に基づいて算出された遅延プロファイルである。M個の遅延プロファイルから成るデータベクトルzは、次式で表される。ただし、次式は、受信側がプリアンブルシンボルをひとつだけ受信した場合の式である。
(2) Sparse Reconstruction The number of samples of the received signal is M (where M>L). The received signal is sampled at M discrete delay times τ 1 , τ 2 , ..., τ M. Note that the discrete delay time is a delay time expressed as a discrete value. z(τ) is a delay profile calculated based on the received signal sampled at the discrete delay time τ. A data vector z consisting of M delay profiles is expressed by the following equation. Note that the following equation applies when the receiving side receives only one preamble symbol.
L波のマルチパス波が受信される場合、データベクトルzは、次式のように表される。 When L-wave multipath waves are received, the data vector z is expressed as follows:
なお、r(τ)は、モードベクトルと称される。 Note that r(τ) is called the mode vector.
さらに、データベクトルzを行列表記すると、次式のように表される。 Furthermore, when the data vector z is expressed in matrix notation, it can be expressed as follows:
ここで、A0は、モード行列とも称される。 Here, A0 is also called the mode matrix.
また、S0は、信号ベクトルとも称される。 S 0 is also referred to as the signal vector.
スパース再構成では、データベクトルzは、Aとsとの行列積を含む形式に変換される。 In sparse reconstruction, the data vector z is transformed into a form that involves the matrix product of A and s.
T1、T2、…、TNは探索するN個の遅延時間を表す。T1、T2、…、TNは、遅延時間ビンとも称される。遅延時間ビンは、設定時間の一例である。なお、N>>Lである。 T 1 , T 2 , ..., T N represent N delay times to be searched. T 1 , T 2 , ..., T N are also called delay time bins. A delay time bin is an example of a set time. Note that N>>L.
ここで、Aは、拡張モード行列とも称される。拡張モード行列は、複数の遅延時間ビンの各々において信号を受信したと仮定したときの遅延プロファイルを表す複数の要素からなる行列である。例えば、拡張モード行列Aの要素であるr(T1)は、時刻T1において信号が受信されたと仮定したときの、当該信号の遅延プロファイルである。 Here, A is also referred to as an extended mode matrix. The extended mode matrix is a matrix of elements that represent delay profiles when a signal is assumed to be received at each of a number of delay time bins. For example, an element r(T 1 ) of the extended mode matrix A is the delay profile of a signal when the signal is assumed to be received at time T 1 .
また、sは、拡張信号ベクトルとも称される。拡張信号ベクトルとは、遅延時間ビンごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである。 s is also called the extended signal vector. The extended signal vector is a vector consisting of multiple elements that represent the presence or absence of a signal for each delay time bin, as well as the amplitude and phase of the signal.
(3)拡張信号ベクトルに基づく伝搬遅延時間の推定
スパース再構成によれば、遅延プロファイルzが、As+nの形でモデル化される。よって、未知数がNであり、条件数がM(M<N)である劣決定問題を解くことにより、拡張信号ベクトルsを求めることが可能となる。制御部230は、拡張信号ベクトルsにおける複数の要素に対応する遅延時間ビンに基づいて、第1到来波の受信時刻を推定する。
(3) Estimation of Propagation Delay Time Based on Extended Signal Vector According to the sparse reconstruction, the delay profile z is modeled in the form of As+n. Therefore, it is possible to obtain the extended signal vector s by solving an underdetermined problem with N unknowns and M condition numbers (M<N). The
ここで、拡張信号ベクトルのうち非ゼロの要素は、当該非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンにおいて信号が存在することを示す。他方、拡張信号ベクトルのうちゼロの要素は、当該ゼロの要素に対応する遅延時間ビンにおいて信号が存在しないことを示す。よって、制御部230は、拡張信号ベクトルsにおける複数の要素に対応する遅延時間ビンのうち、非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンを、第1到来波の受信時刻として推定する。
Here, a non-zero element in the extended signal vector indicates that a signal is present in the delay time bin corresponding to the non-zero element. On the other hand, a zero element in the extended signal vector indicates that a signal is not present in the delay time bin corresponding to the zero element. Therefore, the
その際、制御部230は、拡張信号ベクトルsのスパース解を推定し、推定したスパース解のうち非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンを、第1到来波の受信時刻として推定する。スパース解とは、所定数の要素のみが非ゼロであるベクトルである。所定数は、送信信号に含まれるひとつのパルスに対応するパルスとして、受信信号に含まれるパルスの数である。即ち、スパース解とは、L波のマルチパス波が受信される場合、L個の要素のみが非ゼロであり、他の要素はゼロであるベクトルである。例えば、s=[s1,s2,…,sN]のうちs2が非ゼロである場合、遅延時間T2において信号が受信されたと判定される。
At this time, the
とりわけ、制御部230は、拡張信号ベクトルsに含まれる要素のうち非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンのうち、最も早い遅延時間ビンを、第1到来波の受信時刻として推定する。例えば、s=[s1,s2,…,sN]のうちs2、s4、及びs6が非ゼロである場合、遅延時間T2においてファストパスを経由した信号が受信され、遅延時間T4及びT6においてファストパス以外の経路を経由した信号が受信されたと判定される。
In particular, the
スパース再構成されたモデルにより求まる信号の分解能は、スパース再構成においてモデル化する際のNの大きさ(即ち、拡張信号ベクトルsの要素数)で決まる。従って、スパース再構成の際にNの数を大きくとることで、CIRより細かい分解能でマルチパス波を分離することが可能となる。そこで、本実施形態では、受信信号のサンプリング数Mよりも遅延時間ビンの数Nを大きくする。換言すると、本実施形態では、N個の遅延時間ビンT1、T2、…、TNの時間間隔は、M個の離散遅延時間τ1、τ2、…、τMの時間間隔よりも短い。かかる構成により、受信信号のサンプリング間隔より細かい分解能で、マルチパス波を分離することが可能となる。その結果、CIRより細かい分解能で、第1到来波の受信時刻を求めることが可能となる。 The resolution of the signal obtained by the sparsely reconstructed model is determined by the size of N (i.e., the number of elements of the extended signal vector s) when modeling in the sparse reconstruction. Therefore, by setting the number of N large in the sparse reconstruction, it becomes possible to separate the multipath waves with a resolution finer than the CIR. Therefore, in this embodiment, the number of delay time bins N is set larger than the number of samplings M of the received signal. In other words, in this embodiment, the time interval of N delay time bins T 1 , T 2 , ..., T N is shorter than the time interval of M discrete delay times τ 1 , τ 2 , ..., τ M. With this configuration, it becomes possible to separate the multipath waves with a resolution finer than the sampling interval of the received signal. As a result, it becomes possible to obtain the reception time of the first arriving wave with a resolution finer than the CIR.
(3)圧縮センシングアルゴリズム
制御部230は、圧縮センシングアルゴリズムを用いて、スパース解となる拡張信号ベクトルsを推定する。圧縮センシングアルゴリズムとは、未知なベクトルがスパースなベクトルであると仮定し、未知なベクトルに対する線形観測に基づいて、未知なベクトルを推定するアルゴリズムである。本実施形態において、拡張信号ベクトルsは未知なベクトルの一例である。線形観測とは、未知なベクトルに係数を乗算した結果を得ることである。本実施形態において、拡張モード行列Aは係数の一例である。遅延プロファイルzは、線形観測の一例である。
(3) Compressive Sensing Algorithm The
圧縮センシングアルゴリズムとしては、FOCUSS(Focal Underdetermined System Solver)、ISTA(Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm)、及びFISTA(Fast ISTA)等が挙げられる。制御部230は、これらのいずれの圧縮センシングアルゴリズムを採用してもよい。以下では、一例としてFOCUSSを用いて拡張信号ベクトルsを推定する例を説明する。FOCUSSとは、未知なベクトルに対し初期値を仮定し、一般逆行列と重み行列とを利用しながら反復的に未知なベクトルを推定するアルゴリズムである。FOCUSSは、一般逆行列と重み行列とを利用することにより、少ない反復回数で精度よく未知なベクトルを推定することが可能である。FOCUSSの基本原理については、非特許文献「Irina F. Gorodnitsky, Member, IEEE, and Bhaskar D. Rao,“Sparse Signal Reconstruction from Limited Data Using FOCUSS: A Re-weighted Minimum Norm Algorithm”,IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 45, NO. 3, MARCH 1997」に詳しく説明されている。
Examples of the compressed sensing algorithm include FOCUSS (Focal Underdetermined System Solver), ISTA (Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm), and FISTA (Fast ISTA). The
遅延プロファイルzからスパース解となる拡張信号ベクトルsを推定する問題は、未知数がN個で、条件数がM個(なお、M<N)の劣決定問題となる。そのため、別の条件を追加して解を求めることとなる。典型的には、拡張信号ベクトルsのノルムが最小となる条件を付加し、最小ノルム解が求められる。なお、ノルムとは、ベクトルの長さである。 The problem of estimating an extended signal vector s that provides a sparse solution from a delay profile z is an underdetermined problem with N unknowns and M conditions (note that M<N). Therefore, a solution is sought by adding another condition. Typically, a minimum norm solution is found by adding a condition that minimizes the norm of the extended signal vector s. Note that the norm is the length of the vector.
-FOCUSSの初期値s0の決定
上記数式(29)において、内部雑音nを無視すると、遅延プロファイルzに拡張モード行列Aの逆行列を乗算すれば、行列Aが無くなる(即ち、単位行列となる)ので、拡張モード信号ベクトルsを抽出可能である。しかし、拡張モード行列Aの逆行列は存在しない。そこで、最小ノルム解smnは、次式のように、遅延プロファイルzに拡張モード行列Aの一般逆行列を乗算することで、求められる。一般逆行列は、ムーア・ペンローズ一般逆行列であってもよい。
Determination of Initial Value s 0 of -FOCUSS In the above formula (29), if internal noise n is ignored, multiplying the delay profile z by the inverse matrix of the extended mode matrix A eliminates matrix A (i.e., it becomes a unit matrix), so that the extended mode signal vector s can be extracted. However, the inverse matrix of the extended mode matrix A does not exist. Therefore, the minimum norm solution s mn is found by multiplying the delay profile z by the generalized inverse matrix of the extended mode matrix A as shown in the following formula. The generalized inverse matrix may be a Moore-Penrose generalized inverse matrix.
ここで、A-は、拡張モード行列Aの一般逆行列である。拡張モード行列Aの一般逆行列A-は、次式により表される。
Here, A 1 − is the generalized inverse matrix of the extension mode matrix A. The generalized
拡張モード行列Aに拡張モード行列Aの一般逆行列A-を乗算しても、拡張モード行列Aは完全には無くならないため、最小ノルム解smnとして、スパース解である拡張信号ベクトルsに似たベクトルが算出される。なお、最小ノルム解smnは、FOUCSSの初期値s0となる。 Since the extended mode matrix A does not disappear completely even when the extended mode matrix A is multiplied by the generalized inverse matrix A − of the extended mode matrix A, a vector similar to the extended signal vector s, which is a sparse solution, is calculated as the minimum norm solution s mn . Note that the minimum norm solution s mn becomes the initial value s 0 of FOUCSS.
-FOCUSSの適用
最小ノルム解smnはスパース解とはならない。そこで、制御部230は、拡張信号ベクトルsのスパース解を推定することとして、拡張信号ベクトルsに重みを付したベクトルのノルムを最小化するベクトルである、重み付き最小ノルム解を推定する。重み付き最小ノルム解を推定することにより、スパース解を推定することが可能となる。重み付き最小ノルム解は、次式で表される。
- Application of FOCUSS The minimum norm solution s mn is not a sparse solution. Therefore, the
ここで、Wは重み行列である。重み行列Wは、典型的には、対角行列となる。即ち、拡張信号ベクトルsの重み付き最小ノルム解を求める問題は、次式のように記述される。 Where, W is a weighting matrix. The weighting matrix W is typically a diagonal matrix. That is, the problem of finding a weighted minimum norm solution for the augmented signal vector s is written as follows:
具体的には、制御部230は、下記STEP1~STEP3に示す数式(36)、数式(37)及び数式(38)を反復して演算することで、拡張信号ベクトルsの重み付き最小ノルム解を推定する。
Specifically, the
ここで、kは反復回数である。skは、重み付き最小ノルム解の候補である。(AWK)-は、AWkの一般逆行列である。上記説明したように、skの初期値は、最小ノルム解smnとして、次式で与えられる。 Here, k is the number of iterations. s k is a candidate for the weighted minimum norm solution. (AW K ) − is the generalized inverse matrix of AW k . As explained above, the initial value of s k is given as the minimum norm solution s mn by the following equation.
制御部230は、上記STEP1~STEP3を繰り返し実行する。一例として、STEP1~STEP3は、skが収束するまで繰り返し実行されてもよい。他の一例として、STEP1~STEP3は、所定回数繰り返し実行されてもよい。これにより、より真値に近い、重み付き最小ノルム解としての拡張信号ベクトルsを推定することが可能となる。この点について、以下に説明する。
The
上記数式(37)により、数式(38)は次式に変換される。 Using the above formula (37), formula (38) is transformed into the following formula:
数式(29)における雑音nを無視すると、数式(40)は次式に変換される。 If we ignore the noise n in equation (29), equation (40) transforms to the following equation:
ここで、Wk(AWk)-Aが単位行列のようにsを変化させない行列であれば、skとsとは等しくなる。FOCUSSにおいて、反復的に重み行列Wkを更新しながら、Wk(AWk)-Aを単位行列のようにsを変化させない行列に近付けることで、より真値に近い、重み付き最小ノルム解としての拡張信号ベクトルsを推定することが可能となる。 Here, if W k (AW k ) -A is a matrix that does not change s, such as a unit matrix, then s k will be equal to s. In FOCUSS, by iteratively updating the weighting matrix W k and bringing W k (AW k ) -A closer to a matrix that does not change s, such as a unit matrix, it becomes possible to estimate the extended signal vector s as a weighted minimum norm solution that is closer to the true value.
(4)特異値分解
制御部230は、拡張信号ベクトルsを推定するにあたって、特異値分解を行うことによりAWkの一般逆行列(AWk)-を求めてもよい。この際、制御部230は、例えば、TSVD(Truncated singular value decomposition)を用いて(AWk)-を求めてもよい。
(4) Singular Value Decomposition When estimating the extended signal vector s, the
この場合、制御部230は、上記STEP2の数式(37)において、AWkを、所定の閾値よりも大きな値の特異値から成る対角行列を含む形式に特異値分解した上で、(AWk)-を算出する。AWkは、次式のように特異値分解される。
In this case, the
ここで、Stは、t個の非ゼロの特異値からなる対角行列である。Utは、Stに対応するt列の左特異ベクトルからなる行列である。Vtは、Stに対応するt列の右特異ベクトルからなる行列である。tは、信号部分空間の次元数である。信号部分空間とは、電力が閾値よりも高い信号から成る空間である。なお、Vt Hは、行列Vtの複素共役転置をとったものであり、Vtの随伴行列とも呼ばれる。このとき、(AWk)-は、次式で求められる。 Here, S t is a diagonal matrix consisting of t non-zero singular values. U t is a matrix consisting of t columns of left singular vectors corresponding to S t . V t is a matrix consisting of t columns of right singular vectors corresponding to S t . t is the number of dimensions of the signal subspace. The signal subspace is a space consisting of signals whose power is higher than a threshold. Note that V t H is the complex conjugate transpose of the matrix V t , and is also called the adjoint matrix of V t . In this case, (AW k ) − can be obtained by the following equation.
ここで、Stは、信号部分空間の次元数t個の非ゼロの特異値を含む。即ち、Stは、所定の閾値よりも大きな値のt個の特異値からなる対角行列である。そして、tは、マルチパス波の数Lと等しい。よって、上記のように信号部分空間に属する(即ち、大きな値をとる)特異値のみを使用して一般逆行列を求めることで、雑音の影響を低減することが可能となる。なぜならば、信号部分空間に属さない(即ち、小さな値をとる)特異値は、雑音に対応するためである。雑音の影響を低減することで、雑音の影響下においても安定的に精度よく一般逆行列を求めることが可能となる。 Here, S t includes non-zero singular values of the number of dimensions t of the signal subspace. That is, S t is a diagonal matrix consisting of t singular values whose values are greater than a predetermined threshold. And t is equal to the number L of multipath waves. Therefore, by calculating the general inverse matrix using only singular values that belong to the signal subspace (i.e., take large values) as described above, it is possible to reduce the influence of noise. This is because singular values that do not belong to the signal subspace (i.e., take small values) correspond to noise. By reducing the influence of noise, it is possible to stably and accurately calculate the general inverse matrix even under the influence of noise.
(5)正則化
上記では、制御部230が特異値分解を行うことで、(AWk)-を求める場合について述べた。一方、制御部230は、(AWk)-を求めるために、R-FOCUSS(Regularized-FOCUSS)等を用いた正則化を行ってもよい。その際、制御部230は、上記STEP2の数式(37)に代えて、下記の数式(44)を用いてもよい。なお、Ak
Hは、行列Akの複素共役転置をとったものであり、Akの随伴行列とも呼ばれる。
(5) Regularization In the above, the
ただし、上記の数式(44)において、AkAk
Hが正則ではない場合、逆行列(AkAk
H)-1を求めることができない。このため、制御部230は、上記STEP2において、数式(44)に代えて、下記の数式(45)を用いてもよい。
However, if A k A k H is not regular in the above formula (44), the inverse matrix (A k A k H ) −1 cannot be obtained. Therefore, in
ここで、数式(45)におけるαは、正の微小量である。Iは、単位行列である。αは、正則化パラメータとも称される。上記の数式(45)のように、正則化パラメータを用いることにより、AkAk Hが正則ではない場合においても、AkAk H+αIを正則とすることで、AkAk Hの逆行列(AkAk H)-1を求めることが可能となる。また、正則化パラメータを用いることで、Skの収束をより容易に実現することが可能となる。なお、FOCUSSにおける正則化パラメータについては、上述の非特許文献において言及されている。 Here, α in Equation (45) is a positive infinitesimal quantity. I is a unit matrix. α is also called a regularization parameter. By using the regularization parameter as in Equation (45) above, even if A k A k H is not regular, it is possible to obtain the inverse matrix (A k A k H ) −1 of A k A k H by making A k A k H +αI regular. In addition, by using the regularization parameter, it is possible to more easily realize the convergence of S k . The regularization parameter in FOCUSS is mentioned in the above-mentioned non-patent document.
なお、制御部230は、AkAk
Hの逆行列(AkAk
H)-1を求めるために、TSVDを用いてもよい。その際、制御部230は、上記の数式(44)において、AkAk
Hを、第1の閾値よりも大きな値の特異値から成る対角行列を含む形式に特異値分解した上で、(AkAk
H)-1を算出する。AkAk
Hは、次式のように特異値分解される。
The
このとき、(AkAk H)-1は、次式で求められる。 In this case, (A k A k H ) −1 can be calculated by the following formula.
なお、AmAm Hは正方行列であるから、ここでの特異値分解は固有値分解とも称される。そして、TSVDはTEVD(Truncated Eigen Value Decomposition)と称される。 In addition, since A m A m H is a square matrix, the singular value decomposition here is also called eigenvalue decomposition, and TSVD is called TEVD (Truncated Eigen Value Decomposition).
以上、(AWk)-の算出例について具体例を挙げて説明した。なお、(AWk)-の算出において異値分解を用いる場合、不要な特異値を取り除くことができ、計算時間を短縮できる場合がある。一方、(AWk)-の算出において異値分解を用いる場合、特異値の除外を行わないことにより推定精度が向上する効果が期待される。 A specific example of the calculation of (AW k ) − has been described above. When differential value decomposition is used in the calculation of (AW k ) − , unnecessary singular values can be removed, and the calculation time can be shortened in some cases. On the other hand, when differential value decomposition is used in the calculation of (AW k ) − , the effect of improving the estimation accuracy is expected by not removing singular values.
(6)閾値処理
FOCUSSにおいて、閾値処理が行われてもよい。ここでの閾値処理とは、所定の閾値以下の要素を0にする処理である。例えば、制御部230は、上記STEP1の数式(36)において、重み行列Wkに含まれる要素のうち所定の閾値以下の要素をゼロとしてもよい。一例として、上記STEP1において、次式に示す閾値処理が行われてもよい。
(6) Threshold Processing In FOCUSS, threshold processing may be performed. The threshold processing here refers to a process of setting elements equal to or less than a predetermined threshold to 0. For example, the
ここで、wk(i)は、重み行列Wkの第i対角成分である。sk-1(i)は拡張信号ベクトルsk-1の第i成分である。|sk-1(i)|maxは、sk-1(i)に含まれる要素のうち、大きさの最大値である。10-5|sk-1(i)|maxは、閾値の一例である。 Here, w k (i) is the i-th diagonal element of the weight matrix W k . s k-1 (i) is the i-th element of the extended signal vector s k-1 . |s k-1 (i)| max is the maximum value of the magnitude of the elements included in s k-1 (i). 10 −5 |s k-1 (i)| max is an example of a threshold value.
上記の閾値処理によれば、重み行列Wkを作成する際に、拡張信号ベクトルsの要素のうち、閾値未満の値をとる要素は信号ではなく雑音であるとみなして、ゼロに変換される。これにより、拡張信号ベクトルsをより早くに収束させることが可能となる。また、非ゼロの要素が削減されるので、スパース解を得やすくすることが可能となる。 According to the above threshold processing, when creating the weight matrix Wk, among the elements of the extended signal vector s, elements that have values less than the threshold are considered to be noise rather than a signal, and are converted to zero. This allows the extended signal vector s to converge more quickly. In addition, since the non-zero elements are reduced, it becomes easier to obtain a sparse solution.
(7)シミュレーション結果
本発明者らは、以下の表1に示す設定でシミュレーションを行った。なお、TCは、チップ長である。なお、ここでは、上記STEP2において、特異値分解を用いて(AWk)-を求めた場合におけるシミュレーション結果を示す。
(7) Simulation Results The present inventors performed a simulation with the settings shown in Table 1 below. Note that T C is the chip length. Note that the simulation results shown here are for the case where (AW k ) − was obtained using singular value decomposition in
上記設定におけるシミュレーション結果を、図13を参照しながら説明する。図13は、本実施形態のシミュレーション結果を説明するためのグラフである。横軸は遅延時間を示すチップ長であり、縦軸はCIR値の絶対値(例えば、電力値)又は信号ベクトルの絶対値(例えば、電力値)である。図13では、PN相関法に基づく遅延プロファイルを示す波形41と、最小ノルム解smnを示す波形42と、FOCUSSにより得られた拡張信号ベクトルsを示す波形43とが示されている。
The simulation results in the above settings will be described with reference to Fig. 13. Fig. 13 is a graph for explaining the simulation results of this embodiment. The horizontal axis is the chip length indicating the delay time, and the vertical axis is the absolute value of the CIR value (e.g., power value) or the absolute value of the signal vector (e.g., power value). Fig. 13 shows a
拡張信号ベクトルsを示す波形43を参照すると、遅延時間1.2TC、1.7TC、及び3.5TC付近にピークが立っている。これらのピークが立つ遅延時間は、シミュレーション設定における遅延時間1.2TC、1.7TC、及び3.6TCとほぼ同じである。従って、FOCUSSにより、マルチパス波を正しく分離して検出可能であることが分かる。
Referring to the
他方、PN相関法に基づく遅延プロファイルを示す波形41を参照すると、遅延時間2.2TC付近に、2つ目のピークが立っている。これは、シミュレーション設定における2番目の遅延時間1.7TCから大きく外れている。従って、FOCUSS適用前の状態では、マルチパス波を正しく分離して検出することが困難であることが分かる。その要因としては、ファストパスを経由して到来した信号と、ファストパス以外の経路を経由して到来した信号とが干渉したことが考えられる。
On the other hand, referring to the
<4.2.位置パラメータの推定>
制御部230は、上記説明した処理により検出した第1到来波に基づいて、位置パラメータを推定する。
4.2. Estimation of location parameters
The
-測距処理
制御部230は、上記説明した処理により推定した第1到来波の受信時刻に基づいて、携帯機100と通信ユニット200との間の距離Rを推定する。距離Rの推定方法については、図7を参照しながら上記説明した通りである。
Based on the reception time of the first arriving wave estimated by the above-described process, the
ただし、携帯機100は、第2の測距用信号に関してCIRを算出し、スパース再構成及びFOCUSSを行う。そして、携帯機100は、拡張信号ベクトルsに含まれる要素のうち非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンのうち、最も早い遅延時間ビンに対応する時刻を、第2の測距用信号の第1到来波の受信時刻として、時間INT1を計測する。例えば、s=[s1,s2,…,sN]のうちs2、s4、及びs6が非ゼロである場合、遅延時間T2に対応する時刻を第1到来波の受信時刻として、時間INT1が計測される。
However, the
他方、通信ユニット200は、第1の測距用信号に関してCIRを算出し、スパース再構成及びFOCUSSを行う。そして、通信ユニット200は、拡張信号ベクトルsに含まれる要素のうち非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンのうち、最も早い遅延時間ビンに対応する時刻を、第1の測距用信号の第1到来波の受信時刻として、時間INT3を計測する。同様に、通信ユニット200は、第3の測距用信号に関してCIRを算出し、スパース再構成及びFOCUSSを行う。そして、通信ユニット200は、拡張信号ベクトルsに含まれる要素のうち非ゼロの要素に対応する遅延時間ビンのうち、最も早い遅延時間ビンに対応する時刻を、第3の測距用信号の第1到来波の受信時刻として、時間INT4を計測する。
On the other hand, the
そして、制御部230は、時間T1~T4に基づいて伝搬遅延時間を推定し、距離Rを推定する。上記説明したように、CIRより細かい分解能で第1到来波の受信時刻を探索することができるので、それに伴い測距精度を向上させることが可能となる。
Then, the
-角度推定処理
通信ユニット200は、上記説明した処理により推定した第1到来波の受信時刻における位相に基づいて、角度α及びβを推定する。角度α及びβの推定方法については、図8を参照しながら上記説明した通りである。
The
より詳しくは、制御部230は、拡張信号ベクトルsに含まれるひとつ以上の非ゼロの要素のうち、対応する遅延時間ビンが最も早い要素の位相に基づいて、角度α及びβを推定する。例えば、s=[s1,s2,…,sN]のうちs2、s4、及びs6が非ゼロである場合、制御部230は、s2の位相に基づいて、角度α及びβを推定する。
More specifically, the
上記説明したように、CIRより細かい分解能でマルチパス波を分離することができる。従って、拡張信号ベクトルsの第1到来波の受信時刻に対応する要素の位相に基づいて角度推定を行うことで、角度推定精度を向上させることが可能となる。 As explained above, multipath waves can be separated with a finer resolution than CIR. Therefore, by performing angle estimation based on the phase of the element of the extended signal vector s that corresponds to the reception time of the first arriving wave, it is possible to improve the accuracy of angle estimation.
<4.3.処理の流れ>
図14は、本実施形態に係る通信ユニット200により実行される位置パラメータ推定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
<4.3. Processing flow>
FIG. 14 is a flowchart showing an example of the flow of a position parameter estimation process executed by the
図14に示すように、まず、制御部230は、PN相関法により遅延プロファイルを計算する(ステップS302)。次いで、制御部230は、スパース再構成により、遅延プロファイルを拡張モード行列と拡張信号ベクトルとの行列積を含む形式に変換する(ステップS304)。次に、制御部230は、FOCUSSにより、重み付き最小ノルム解となる拡張信号ベクトルを推定する(ステップS306)。そして、制御部230は、推定した拡張信号ベクトルに基づいて、位置パラメータを推定する(ステップS308)。
As shown in FIG. 14, first, the
<4.4.FOCUSSの適用先について>
上記説明したように、送信側は、ひとつ以上のプリアンブルシンボルを含むプリアンブルを複数含む信号を、送信信号として送信し得る。その場合、受信側は、受信信号における複数のプリアンブルシンボルに対応する部分の各々と、プリアンブルシンボルと、の相関を、規定時間ごとにとることで、プリアンブルシンボルごとのCIRを算出し得る。
<4.4. Applicability of FOCUSS>
As described above, the transmitting side may transmit a signal including multiple preambles, each including one or more preamble symbols, as a transmission signal. In this case, the receiving side may calculate the CIR for each preamble symbol by correlating the portions of the received signal corresponding to the multiple preamble symbols with the preamble symbols at regular intervals.
FOCUSSは、プリアンブルシンボルごとのCIRを積算した、積算後のCIRに対して適用されてもよい。即ち、制御部230は、CIRを拡張モード行列と拡張信号ベクトルとの行列積を含む形式に変換することとして、プリアンブルシンボルごとのCIRを積算した、積算後のCIRを、拡張モード行列と拡張信号ベクトルとの行列積を含む形式に変換してもよい。そして、拡張信号ベクトルsのスパース解がFOCUSSにより推定され、第1到来波の受信時刻が推定される。
FOCUSS may be applied to the accumulated CIR obtained by accumulating the CIR for each preamble symbol. That is, the
他方、FOCUSSは、プリアンブルシンボルごとのCIRに対して適用されてもよい。その場合、プリアンブルシンボルごとに推定された拡張信号ベクトルsを積算することで、最終的な拡張信号ベクトルsが推定されてもよい。即ち、制御部230は、拡張信号ベクトルsに基づいて第1到来波の受信時刻を推定することとして、複数のプリアンブルごとのCIRの各々についての拡張信号ベクトルsを積算した結果である、積算後の拡張信号ベクトルsに基づいて、第1到来波の受信時刻を推定してもよい。
On the other hand, FOCUSS may be applied to the CIR for each preamble symbol. In that case, the final extended signal vector s may be estimated by accumulating the extended signal vector s estimated for each preamble symbol. That is, the
なお、CIRは、パルスごとに計算されてもよい。その場合、FOCUSSは、パルスごとのCIRを積算した、積算後のCIRに対して適用されてもよいし、パルスごとのCIRに対して適用されてもよい。 The CIR may be calculated for each pulse. In that case, FOCUSS may be applied to the accumulated CIR obtained by accumulating the CIR for each pulse, or may be applied to the CIR for each pulse.
また、CIRは、プリアンブル全体に対して計算されてもよい。その場合、FOCUSSは、プリアンブル全体に対して算出されたCIRに対して適用されてもよい。 The CIR may also be calculated for the entire preamble. In that case, FOCUSS may be applied to the CIR calculated for the entire preamble.
いずれの方法においても、同様の結果を得ることが可能である。 Either method can produce similar results.
<4.5.FOCUSSの適用範囲>
FOCUSSは、CIR全体に対して適用されてもよい。例えば、表1に示したシミュレーション設定においては、遅延時間ビンを0~5TCとして、FOCUSSが適用されてもよい。
<4.5. Scope of FOCUSS>
FOCUSS may be applied to the entire CIR. For example, in the simulation setup shown in Table 1, FOCUSS may be applied to delay
一方で、FOCUSSは、CIRの一部に対して適用されてもよい。詳しくは、拡張信号ベクトルsに含まれる複数の設定時間ごとの要素のうち一部の設定時間に対応する要素から成るベクトル(以下、部分ベクトルとも称する)を対象に、FOCUSSが適用されてもよい。その場合、制御部230は、拡張信号ベクトルsのスパース解を推定することとして、部分ベクトルのスパース解を推定する。即ち、制御部230は、部分ベクトルに重みを付したベクトルのノルムを最小化するベクトルである、重み付き最小ノルム解を推定する。これにより、CIR全体に対してFOCUSSが適用される場合と比較して、計算負荷を軽減することができる。
On the other hand, FOCUSS may be applied to a part of the CIR. More specifically, FOCUSS may be applied to a vector (hereinafter also referred to as a partial vector) consisting of elements corresponding to some of the set times among the elements for each of the multiple set times included in the extended signal vector s. In this case, the
とりわけ、第1到来波の検出を目的とするのであれば、CIRのうち第1到来波の受信時刻付近の一部分に限定して、FOCUSSが適用されることが望ましい。その場合、拡張信号ベクトルsに含まれる複数の設定時間ごとの要素のうち、第1到来波の受信時刻付近の設定時間に対応する要素から成る部分ベクトルを対象に、FOCUSSが適用される。プリアンブルシンボルに基づいてCIRを算出する場合、送信信号のパルス配列と受信信号のパルス配列とが完全に一致する遅延時間でのみ強い相関が得られ、その他の部分では相関が低い。よって、CIRのうち第1到来波の受信時刻付近の一部分に限定してFOCUSSを適用したとしても、第1到来波の検出精度を維持することができる。 In particular, if the purpose is to detect the first arriving wave, it is desirable to apply FOCUSS to a limited portion of the CIR near the reception time of the first arriving wave. In that case, FOCUSS is applied to a partial vector consisting of elements corresponding to the set times near the reception time of the first arriving wave, among the elements for each of the multiple set times included in the extended signal vector s. When calculating the CIR based on the preamble symbol, strong correlation is obtained only at the delay time where the pulse sequence of the transmitted signal and the pulse sequence of the received signal completely match, and correlation is low in other parts. Therefore, even if FOCUSS is applied to a limited portion of the CIR near the reception time of the first arriving wave, the detection accuracy of the first arriving wave can be maintained.
例えば、表1に示したシミュレーション設定においては、遅延時間ビンを0~2TCとして、FOCUSSが適用されてもよい。その場合のシミュレーション結果を、図15に示す。 For example, in the simulation settings shown in Table 1, FOCUSS may be applied with delay time bins of 0 to 2T C. The simulation results in this case are shown in FIG.
図15は、本実施形態のシミュレーション結果を説明するためのグラフである。図15では、PN相関法に基づく遅延プロファイルを示す波形41と、最小ノルム解smnを示す波形42と、FOCUSSにより得られた拡張信号ベクトルsを示す波形43とが示されている。最小ノルム解smnを示す波形42と拡張信号ベクトルsを示す波形43とは、0~2TCにおいてプロットされている一方で、2TC以降はプロットされていない。即ち、2TC以降は計算が省略されているので、計算負荷が軽減されていることが分かる。
Fig. 15 is a graph for explaining the simulation results of this embodiment. Fig. 15 shows a
拡張信号ベクトルsを示す波形43を参照すると、遅延時間1.2TC付近、及び1.7TC付近にピークが立っている。これらのピークが立つ遅延時間は、シミュレーション設定における遅延時間1.2TC、及び1.7TCとほぼ同じである。よって、FOCUSSの適用範囲を限定しても、適用範囲内ではマルチパス波を正しく分離して検出可能であることが分かる。
Referring to the
このように、CIRのうち第1到来波の受信時刻付近の一部分に限定してFOCUSSを適用することで、CIR全体にFOCUSSを適用する場合と比較して、検出精度を維持しつつ、計算負荷を軽減することが可能である。 In this way, by applying FOCUSS only to a portion of the CIR near the reception time of the first arriving wave, it is possible to reduce the computational load while maintaining detection accuracy, compared to applying FOCUSS to the entire CIR.
<4.6.変形例>
上記実施形態では、ノルムがいわゆるl0ノルムである場合の例を説明した。l0ノルムとは、lpノルムにおける乗数pが0である場合を指す。lpノルムは、次式で定義される。
4.6. Modifications
In the above embodiment, an example has been described in which the norm is a so-called l0 norm. The l0 norm refers to a case in which the multiplier p in the lp norm is 0. The lp norm is defined by the following equation.
他方、l0ノルムは上記数式(49)においてp=0とした次式で定義される。 On the other hand, the l0 norm is defined by the following equation, where p = 0 in the above equation (49):
ただし、数式(50)において、00=0として考えるものとする。 However, in formula (50), it is assumed that 0 0 =0.
即ち、l0ノルムとは、ベクトルの非ゼロ成分の数である。 That is, the l0 norm is the number of nonzero components in a vector.
上記実施形態で挙げた、数式(36)~数式(38)を繰り返し実行する方法は、拡張ベクトルsの重み付き最小ノルム解として、l0ノルムを最小化する手法であった。これに対し、制御部230は、拡張ベクトルsの重み付き最小ノルム解として、lpノルムを最小化してもよい。具体的には、制御部230は、上記STEP1の代わりに、次式を用いてもよい。
The method of repeatedly executing formulas (36) to (38) described in the above embodiment is a method of minimizing the l0 norm as a weighted minimum norm solution of the extended vector s. In contrast, the
ここでのpは、0以上1以下の定数である。pが0である場合、上記数式(51)は、数式(36)と同一となる。即ち、制御部230は、上記数式(51)において、pを0として、重み付き最小ノルム解を推定してもよい。
Here, p is a constant between 0 and 1. When p is 0, the above formula (51) is the same as formula (36). That is, the
pが0以外の値をとる場合であっても、上記実施形態と同様に、第1到来波の受信時刻を精度よく推定することが可能である。 Even if p is a value other than 0, it is possible to accurately estimate the reception time of the first arriving wave, as in the above embodiment.
<<5.補足>>
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
<<5. Supplementary Information>>
Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such an example. It is clear that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can conceive of various modified or altered examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention.
例えば、上記実施形態では、制御部230がCIRの算出、第1到来波の検出、及び位置パラメータの推定を行うものと説明したが、本発明はかかる例に限定されない。これらの処理の少なくともいずれかが、無線通信部210により実行されてもよい。例えば、複数の無線通信部210の各々において、各々が受信した受信信号に基づいてCIRの算出、及び第1到来波の検出を行ってもよい。また、位置パラメータの推定は、例えばマスタとして機能する無線通信部210により実行されてもよい。
For example, in the above embodiment, the
例えば、上記実施形態では、アンテナペアにおけるアンテナアレー位相差に基づいて角度α及びβが計算される例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。一例として、通信ユニット200は、複数のアンテナ211によりビームフォーミングを行うことで、角度α及びβを計算してもよい。その場合、通信ユニット200は、複数のアンテナ211のメインローブを全方向にわたって走査し、受信電力が最も大きい方向に携帯機100が存在すると判定し、かかる方向に基づいて角度α及びβを計算する。
For example, in the above embodiment, an example has been described in which angles α and β are calculated based on the antenna array phase difference in an antenna pair, but the present invention is not limited to such an example. As an example, the
例えば、上記実施形態では、図3を参照しながら説明したように、ローカル座標系が、アンテナペアを結ぶ軸に平行する座標軸を有する座標系であるものとして説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ローカル座標系は、アンテナペアを結ぶ軸に平行しない座標軸を有する座標系であってもよい。また、原点は、複数のアンテナ211の中心に限定されない。本実施形態に係るローカル座標系は、通信ユニット200が有する複数のアンテナ211の配置を基準に、任意に設定されてよい。
For example, in the above embodiment, as explained with reference to FIG. 3, the local coordinate system has been described as a coordinate system having coordinate axes parallel to the axis connecting the antenna pair, but the present invention is not limited to such an example. For example, the local coordinate system may be a coordinate system having coordinate axes that are not parallel to the axis connecting the antenna pair. In addition, the origin is not limited to the center of the
例えば、上記実施形態では、被認証者が携帯機100であり、認証者が通信ユニット200である例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。携帯機100及び通信ユニット200の役割は逆であってもよい。例えば、携帯機100が、位置パラメータを特定してもよい。また、携帯機100及び通信ユニット200の役割が動的に交換されてもよい。また、通信ユニット200同士で位置パラメータの特定、及びに認証が行われてもよい。
For example, in the above embodiment, an example has been described in which the person to be authenticated is the
例えば、上記実施形態では、本発明がスマートエントリーシステムに適用される例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明は、信号を送受信することで位置パラメータを推定し認証を行う任意のシステムに適用可能である。例えば、携帯機、車両、スマートフォン、ドローン、家、及び家電製品等のうち任意の2つの装置を含むペアに、本発明は適用可能である。その場合、ペアのうち一方が認証者として動作し、他方が被認証者として動作する。なお、ペアは、2つの同じ種類の装置を含んでいてもよいし、2つの異なる種類の装置を含んでいてもよい。また、無線LAN(Local Area Network)ルータがスマートフォンの位置を特定するためにも、本発明は適用可能である。 For example, in the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a smart entry system has been described, but the present invention is not limited to such an example. The present invention is applicable to any system that estimates location parameters and performs authentication by transmitting and receiving signals. For example, the present invention is applicable to a pair including any two devices from among a mobile device, a vehicle, a smartphone, a drone, a house, and a home appliance. In this case, one of the pair acts as an authenticator and the other acts as an authenticatee. Note that the pair may include two devices of the same type, or may include two different types of devices. The present invention is also applicable to a wireless LAN (Local Area Network) router identifying the location of a smartphone.
例えば、上記実施形態では、無線通信規格としてUWBを用いるものを挙げたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、無線通信規格として、赤外線を用いるものが使用されてもよい。 For example, in the above embodiment, the wireless communication standard is UWB, but the present invention is not limited to this example. For example, the wireless communication standard may be infrared.
なお、本明細書において説明した各装置による一連の処理は、ソフトウェア、ハードウェア、及びソフトウェアとハードウェアとの組合せのいずれを用いて実現されてもよい。ソフトウェアを構成するプログラムは、例えば、各装置の内部又は外部に設けられる記録媒体(非一時的な媒体:non-transitory media)に予め格納される。そして、各プログラムは、例えば、コンピュータによる実行時にRAMに読み込まれ、CPUなどのプロセッサにより実行される。上記記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等である。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信されてもよい。 The series of processes performed by each device described in this specification may be realized using software, hardware, or a combination of software and hardware. The programs constituting the software are stored in advance, for example, in a recording medium (non-transitory media) provided inside or outside each device. Each program is then loaded into RAM, for example, when executed by a computer, and executed by a processor such as a CPU. The recording medium is, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory, etc. The computer programs may also be distributed, for example, via a network, without using a recording medium.
また、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしも図示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。 In addition, the processes described in this specification using flowcharts do not necessarily have to be performed in the order shown. Some processing steps may be performed in parallel. Also, additional processing steps may be employed, and some processing steps may be omitted.
1:システム、100:携帯機、110:無線通信部、111:アンテナ、120:記憶部、130:制御部、200:通信ユニット、202:車両、210:無線通信部、211:アンテナ、220:記憶部、230:制御部 1: System, 100: Portable device, 110: Wireless communication unit, 111: Antenna, 120: Memory unit, 130: Control unit, 200: Communication unit, 202: Vehicle, 210: Wireless communication unit, 211: Antenna, 220: Memory unit, 230: Control unit
Claims (18)
前記他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に前記無線通信部により受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、
前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、
前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定する制御部と、
を備え、
前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、
通信装置。 a wireless communication unit that wirelessly receives signals from other communication devices;
a correlation between a second signal, which is a signal corresponding to the first signal received by the wireless communication unit when the other communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, and the first signal is calculated at regular intervals;
converting a correlation calculation result, which is a result of taking a correlation between the second signal and the first signal for each of the specified times, into a format including a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of a plurality of elements representing the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of a plurality of set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of a plurality of elements representing the presence or absence of a signal for each of the set times, and the amplitude and phase of the signal;
a control unit that estimates a reception time of the second signal based on set times corresponding to the plurality of elements in the extended signal vector;
Equipped with
The set time interval is shorter than the specified time.
Communications equipment.
前記スパース解は、所定数の要素のみが非ゼロであるベクトルであり、
前記所定数は、前記第1の信号に含まれるひとつのパルスに対応するパルスとして、前記第2の信号に含まれるパルスの数である、請求項2に記載の通信装置。 The control unit estimates a sparse solution of the extended signal vector, and estimates the set time corresponding to a non-zero element of the sparse solution of the estimated extended signal vector as a reception time of the second signal;
The sparse solution is a vector with only a predetermined number of elements being non-zero;
3. The communication device according to claim 2, wherein the predetermined number is a number of pulses contained in the second signal that correspond to one pulse contained in the first signal.
ここで、kは反復回数である。skは、前記重み付き最小ノルム解の候補である。pは、0以上1以下の定数である。Aは、前記拡張モード行列である。(AWK)-は、AWkの一般逆行列である。skの初期値は次式で与えられる。
ここで、smnは、前記拡張信号ベクトルのノルムを最小化する、前記拡張信号ベクトルである。 The communication device according to claim 5 , wherein the control unit estimates the weighted minimum norm solution by iteratively calculating Equation (1), Equation (2), and Equation (3).
Here, k is the number of iterations. s k is the weighted minimum norm solution candidate. p is a constant between 0 and 1. A is the extended mode matrix. (AW K ) − is the generalized inverse matrix of AW k . The initial value of s k is given by the following equation.
where s mn is the augmented signal vector that minimizes the norm of the augmented signal vector.
ここで、Ak Hは、Akの随伴行列である。 The communication device according to claim 6 , wherein the control unit uses a formula (5) instead of the formula (2).
Here, A k H is the adjoint matrix of A k .
請求項9に記載の通信装置。
10. The communication device of claim 9.
前記制御部は、前記相関演算結果を前記拡張モード行列と前記拡張信号ベクトルとの行列積を含む形式に変換することとして、前記第2の信号における複数の前記プリアンブルシンボルに対応する部分の各々と、前記プリアンブルシンボルと、の相関を、前記規定時間ごとにとった結果である複数の前記相関演算結果を積算した結果を、前記拡張モード行列と前記拡張信号ベクトルとの行列積を含む形式に変換する、請求項1~14のいずれか一項に記載の通信装置。 the other communication device transmits, as the first signal, a signal including a plurality of preamble symbols, the preamble symbols being a pulse sequence including one or more pulses;
The control unit converts the correlation calculation result into a format including a matrix product of the extension mode matrix and the extension signal vector, and converts a result of accumulating a plurality of correlation calculation results, which are the results of taking the correlation between each of the portions corresponding to the plurality of preamble symbols in the second signal and the preamble symbol at each specified time, into a format including a matrix product of the extension mode matrix and the extension signal vector.
前記制御部は、前記第2の信号の受信時刻を推定することとして、前記第2の信号における複数の前記プリアンブルシンボルに対応する部分の各々と、前記プリアンブルシンボルと、の相関を、前記規定時間ごとにとった結果である複数の前記相関演算結果の各々についての前記拡張信号ベクトルを積算した結果に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定する、請求項1~14のいずれか一項に記載の通信装置。 the other communication device transmits, as the first signal, a signal including a plurality of preamble symbols, the preamble symbols being a pulse sequence including one or more pulses;
The control unit estimates the reception time of the second signal based on the result of accumulating the extended signal vector for each of a plurality of correlation calculation results, which are the results of taking a correlation between each of the portions of the second signal corresponding to the plurality of preamble symbols and the preamble symbol at each specified time.
前記他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、
前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、
前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定すること、
を備え、
前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、
情報処理方法。 wirelessly receiving a signal from another communication device;
calculating a correlation between a second signal, which is a signal corresponding to a first signal received when the other communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, and the first signal at regular intervals;
converting a correlation calculation result, which is a result of taking a correlation between the second signal and the first signal for each of the specified times, into a format including a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of a plurality of elements representing the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of a plurality of set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of a plurality of elements representing the presence or absence of a signal for each of the set times, and the amplitude and phase of the signal;
estimating a time of receipt of the second signal based on set times corresponding to the elements in the extended signal vector;
Equipped with
The set time interval is shorter than the specified time.
Information processing methods.
他の通信装置がパルスを含む信号を第1の信号として送信した場合に、前記他の通信装置から信号を無線で受信する無線通信部により受信された、前記第1の信号に対応する信号である第2の信号と、前記第1の信号と、の相関を規定時間ごとにとり、
前記第2の信号と前記第1の信号との相関を前記規定時間ごとにとった結果である相関演算結果を、複数の設定時間の各々において信号を受信したと仮定したときの前記相関演算結果を表す複数の要素からなる行列である拡張モード行列と、前記設定時間ごとの信号の有無、並びに当該信号の振幅及び位相を表す複数の要素からなるベクトルである拡張信号ベクトルと、の行列積を含む形式に変換し、
前記拡張信号ベクトルにおける前記複数の要素に対応する設定時間に基づいて前記第2の信号の受信時刻を推定する制御部、
として機能させ、
前記設定時間の間隔は、前記規定時間よりも短い、
プログラム。 Computer,
When another communication device transmits a signal including a pulse as a first signal, a correlation is calculated between the first signal and a second signal, which is a signal corresponding to the first signal and is received by a wireless communication unit that wirelessly receives a signal from the other communication device, at regular intervals;
converting a correlation calculation result, which is a result of taking a correlation between the second signal and the first signal for each of the specified times, into a format including a matrix product of an extended mode matrix, which is a matrix consisting of a plurality of elements representing the correlation calculation result when it is assumed that a signal is received at each of a plurality of set times, and an extended signal vector, which is a vector consisting of a plurality of elements representing the presence or absence of a signal for each of the set times, and the amplitude and phase of the signal;
a control unit that estimates a reception time of the second signal based on set times corresponding to the plurality of elements in the extended signal vector;
Function as a
The set time interval is shorter than the specified time.
program.
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