JP2009501934A

JP2009501934A - 受信無線信号において立ち上がりエッジ期間を識別する方法及び受信機

Info

Publication number: JP2009501934A
Application number: JP2008522754A
Authority: JP
Inventors: モリッシュ、アンドレアス・エフ; グヴェンク、イスマイル; サヒノグル、ザファー
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2009-01-22
Also published as: US20090170458A1; WO2007011357A1

Abstract

受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する方法は、連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することを含む。本方法は、連続する期間における最小エネルギー期間を識別することも含む。受信無線信号は最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する。さらに本方法は、最大平均エネルギー及び最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定すること、受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて窓期間の個数を確定すること、及び、最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を立ち上がりエッジ期間として識別することを含む。立ち上がりエッジ期間における受信無線信号は、平均エネルギーが閾値エネルギー以上である。

Description

［発明の分野］
本発明は、包括的には、受信無線信号の立ち上がりエッジの到着時刻（time-of-arrival）（ＴＯＡ）を正確に識別することにより無線送信機と無線受信機との間の距離を確定する方法及び装置に関し、より詳細には、ＩＥＥＥ８０２．１５標準規格による無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）において立ち上がりエッジ期間を識別することに関する。

［関連出願の相互参照］
本発明は、２００５年４月１５日に出願された、「METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING TIME OF ARRIVAL OF SIGNALS USING MULTIPLE DIFFERENT TIME SCALES」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１３０３５号明細書、及び２００５年４月２２日に出願された、「TRANSMITTING SIGNALS FOR TIME OF ARRIVAL ESTIMATION」と題する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１３５９０号明細書に関連し、それらの各々の開示内容はすべて参照により本明細書に援用される。

［発明の背景］
近距離通信ネットワークにおいて位置認識及び測距に対する需要が高まっており、これらの機能を利用するアプリケーションは、将来の無線市場において重要な役割を果たすことになる。さらに、莫大な数の近距離ネットワーク化無線機器を使用して、種々の制御アプリケーション及びモニタリングアプリケーション（たとえば、ビルディングオートメーション、環境及び構造のモニタリング等）が開発される可能性がある。

これらの傾向を認識して、ＩＥＥＥは、正確な測距能力を有する低複雑度、低レートの物理（ＰＨＹ）レイヤ標準規格を開発することを目標に、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａタスクグループ（ＴＧ）を設立した。ＴＧは、基礎となる技術として超広帯域幅（ＵＷＢ）を採用した。機器の低複雑度（よって低コスト）は、この標準規格の重要な目標であり、したがって、ＴＧは、非コヒーレント（エネルギー検出）受信機によるＵＷＢベース測距を可能にするように選択した。非コヒーレント受信機の性能（すなわち精度又は信頼性）は、コヒーレント機器より低い可能性があるが、非コヒーレント受信機の方がコストが低いということは、多くのアプリケーションに対するトレードオフの正当な理由になり得る。

測距アプリケーションにＵＷＢ信号を使用する利点は、信号が大きい相対帯域幅を有する場合、送信信号の周波数成分の少なくとも一部が障害物を貫通することができる可能性が高くなるということである。このため、この場合、擬似見通し（quasi-line-of-sight）成分で有意なエネルギーを受け取る確率が高くなる。測距アプリケーションにＵＷＢ信号を使用するさらなる利点は、絶対的な帯域幅が大きいことにより、受信信号の時間分解能を細かくすることができ、それが、マルチパス成分の到着時刻（ＴＯＡ）を識別するのに役立ち、且つ立ち上がり信号エッジ検出性能を向上させるということである。最初に到着するマルチパス成分（擬似見通し）のＴＯＡに基づく測距は、参照により開示内容がすべて本明細書に援用されるS. Gezici他著「Ultra Wideband Geolocation」（John Wiley & Sons, Inc., 2005, Ultrawideband Wireless Communications）において述べられているように、ＵＷＢベース測距に対して選択される方法である。

自己相関受信機（基準送信（transmitted reference）（ＴＲ）方式及び差動（differential）（ＤＦ）方式）の検出性能は、参照により開示内容がすべて本明細書に援用される、N.He他著「Performance analysis of non-coherent UWB receivers at different synchronization levels」（Proc. IEEE Int. Conf. Global Comm.(GLOBECOM), Montreal, Canada, Nov.2004, pp.3517-3521）において種々の同期精度レベルに関連して検討されている。さらに、参照により開示内容がすべて本明細書に援用される、A. Rabbahin他著「Synchronization analysis for UWB systems with a low-complexity energy collection receiver」（Proc. IEEE Ultrawideband Syst. Technol.(UWBST), Kyoto, Japan, May 2004, pp.288-292）は、加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）及びＳａｌｅｈ−Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａチャネルモデルの両方に対する非コヒーレントＵＷＢ受信機の同期分析を提示し、低コスト無線センサ装置を可能にする非コヒーレント受信機の適合性を指摘する。単一及び複数のエネルギー検出器を使用することによるタイムホッピングＵＷＢシステムの低傍受確率性能については、参照により開示内容がすべて本明細書に援用される、J. Yu他著「Detection performance of time-hopping ultrawideband LPI waveforms」（Proc. IEEE Sarnoff Symp., Princeton, New Jersey, Apr. 2005）において述べられている。

ピーク受信信号エネルギーからの後方探索について、コヒーレント受信機に対し、J-Y. Lee及びR.A. Scholtz著「Ranging in a dense multipath environment using an UWB radio link」（IEEE Trans. on Selected Areas in Communications, vol.20, issue 9, pp.1677-1683, Dec. 2002）に述べられており、そこでは、一般化最大尤度（generalized maximum likelihood）（ＧＭＬ）法が、最大エネルギー経路に先立つすべての経路の遅延及び振幅を探索する。しかしながら、この手法は非常に高いサンプリングレートを必要とし、計算コストがかかる。受信機複雑性を低減するために、単純な閾値処理技法が、R.A. Scholtz及びJ.Y.Lee著「Problems in modeling UWB channels」（Proc. IEEE Asilomar Conf. Signals, Syst. Computers, vol.1, Monterey, CA, Nov.2002, pp.706-711）において述べられているが、閾値設定方法に関する詳細については提示されていない。高サンプリングレート及び一般化尤度比を用いるブレークポイント推定アルゴリズムを使用する手法については、C. Mazzucco、U. Spagnolini及びG. Mulas著「A ranging technique for UWB indoor channel based on power delay profile analysis」（Proc. IEEE Vehic. Technol. Conf.(VTC), Milan, Italy, vol.5, May 2004, pp.2595-2599）において述べられている。しかしながら、その技法は、ナイキストレートの桁でのサンプリングレートでしか可能でない、パルス形状によって発生する相関行列に基づく。

図１１は、受信無線信号１１５０を受信する信号エネルギー収集器１１３０及び最高（最大）エネルギー検出器を含むバックグラウンドＵＷＢ測距受信機のブロック図である。信号収集器１１３０は、受信信号１１５０及び信号パラメータ１１２０に基づいて期間平均エネルギー値のシーケンスを生成する。受信無線信号１１５０は、無線チャネル１１６０によって受信される送信信号１１４０から生成される。最大エネルギー検出器１１１０は、受信信号１１５０の立ち上がりエッジのＴＯＡ推定値１１００を生成する。

図１２は、バックグラウンド信号エネルギー収集器１１３０の詳細なブロック図である。信号エネルギー収集器１１３０は、受信信号１１５０を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）１２１０と、増幅信号をフィルタリングするバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１２２０と、信号相関器１２３０と、信号パラメータ１１２０によって確定される連続する期間にわたってフィルタリングされた信号の受信エネルギーを収集し平均する積分器１２４０とを備える。信号パラメータは、たとえば、受信信号１１５０の帯域幅、フレームインターバル及びシンボル長を含む。信号エネルギー収集器１１３０はまた、サンプラ回路１２５０も備え、このサンプラ回路１２５０は、各期間における平均受信エネルギーをサンプリングすると共に、平均受信エネルギーを最大エネルギー検出器１１１０に提供する。バックグラウンド最大エネルギー検出器１１１０は、受信信号の立ち上がりエッジとして、最大平均受信エネルギーを有する期間を識別する。たとえば、図１３（バックグラウンド信号エネルギー収集器１１３０によって確定される、期間毎の受信エネルギーを示す）の期間信号図に示すように、バックグラウンド最大エネルギー検出器１１１０は、受信信号の立ち上がりエッジであるものとして期間１３１０を識別する可能性があり、それは、期間１３１０が、他の期間より大きい、たとえば期間１３２０より大きい平均エネルギーを有するためである。

［発明の概要］
しかしながら、本発明者らの認識では、典型的な非見通しチャネルでは、最初に到着するマルチパス信号成分（ＭＰＣ）は、最強受信信号成分よりエネルギーが小さい可能性があり、最強受信信号成分より早く到着する可能性がある。このため、最大平均受信エネルギーを有する期間を受信信号の立ち上がりエッジとして識別することは正確でない可能性がある。

本発明の一実施の形態によると、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する新しい方法が提供される。本方法は、連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、連続する期間における最小エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、最小エネルギー期間を識別することと、最大平均エネルギー及び最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定することと、受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて窓期間の個数を確定することと、最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を立ち上がりエッジ期間として識別することであって、立ち上がりエッジ期間における受信無線信号は、平均エネルギーが閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ期間として識別することとを含む。

本発明の別の実施の形態によれば、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する新しい方法が提供される。本方法は、連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、立ち上がりエッジ期間として識別することとを含み、受信無線信号は、立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、受信無線信号は、隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが閾値エネルギーを下回る。

本発明の別の実施の形態によれば、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される新しい受信機が提供される。その受信機は、連続する期間における最大エネルギー期間を識別するように構成される受信部であって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、受信部と、連続する期間における最小エネルギー期間を識別するように構成される識別部であって、受信無線信号は最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、識別部と、最大平均エネルギー及び最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定するように構成される設定部と、受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて窓期間の個数を確定するように構成される確定部と、最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を立ち上がりエッジ期間として識別するように構成される立ち上がりエッジ識別部であって、立ち上がりエッジ期間における受信無線信号は、平均エネルギーが閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ識別部とを具備する。

本発明の別の実施の形態によれば、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される新しい受信機が提供される。その受信機は、連続する期間における最大エネルギー期間を識別するように構成される最大エネルギー識別部であって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー識別部と、最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、立ち上がりエッジ期間として識別するように構成される立ち上がりエッジ識別部であって、受信無線信号は、立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、受信無線信号は、隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが閾値エネルギーを下回る、立ち上がりエッジ識別部とを具備する。

本発明の別の実施の形態によれば、プログラムを格納する新しいコンピュータプログラム製品が提供される。このプログラムは、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機においてプロセッサによって実行されると、プロセッサに対し、連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、連続する期間における最小エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、最小エネルギー期間を識別することと、最大平均エネルギー及び最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定することと、受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて窓期間の個数を確定することと、最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を立ち上がりエッジ期間として識別することであって、立ち上がりエッジ期間における受信無線信号は、平均エネルギーが閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ期間として識別することとを実行させる。

本発明の別の実施の形態によれば、プログラムを格納する新しいコンピュータプログラム製品が提供される。このプログラムは、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機においてプロセッサによって実行されると、プロセッサに対し、連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、受信無線信号は最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、立ち上がりエッジ期間として識別することとを実行させ、受信無線信号は、立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、受信無線信号は、隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが閾値エネルギーを下回る。

本発明及びそれに伴う利点の多くのより完全な理解は、添付図面に関連して考慮する場合、以下の詳細な説明を参照することによってより理解されるように、容易に得られるであろう。

［好適な実施形態の説明］
図面（同様の参照符号は、それぞれの図を通じて同一の又は対応する部分を示す）のうちのさらなる図面、より具体的にはその図１を参照すると、図１は、本発明の一実施形態による受信機のブロック図を示す。受信機は、信号エネルギー収集器１１３０によって確定されるような各期間において受信信号１５０と受信信号の平均エネルギーとを受け取る信号エネルギーエッジ検出器１１０を備える。信号エネルギー収集器１１３０及び信号エネルギーエッジ検出器１１０は、無線チャネル１６０での送信信号１４０の送信からもたらされる受信信号１５０を受信する。信号エネルギーエッジ検出器は、ＴＯＡ推定値１００を生成する。

図２は、固定後方探索窓部２１０、エネルギー閾値部２２０及び立ち上がりエッジ追跡部２３０を含む信号エネルギーエッジ検出器１１０の詳細なブロック図である。エネルギー閾値部２２０はエネルギー閾値レベルを設定し、固定後方探索窓部２１０は後方探索窓サイズを設定し、これらの各々は、最初の信号エネルギー成分（すなわち立ち上がりエッジ）と受信信号１５０の最大エネルギー成分との間の遅延、及び、それらの大きさの比の統計的特性に基づく。後述するように、立ち上がりエッジ追跡部２３０は、固定後方探索窓２１０及びエネルギー閾値２２０からの入力に基づき、立ち上がりエッジ期間を識別し、識別された立ち上がりエッジ期間の時刻となるようにＴＯＡを確定する。

本実施形態による閾値選択を、最小エネルギーサンプルと最大エネルギーサンプルとの間の正規化値(normalized value)に基づいて閾値を設定することによって達成してもよい。この技法では、閾値は、信号エネルギーレベルと雑音エネルギーレベルとの両方に基づき、いかなるパラメータ推定も必要としない。

図３は、信号エネルギー収集器１１３０の一例としての出力期間波形を示す期間波形図である。この例では、固定後方探索窓部２１０は、固定後方探索窓３３０を、持続時間中における５つの期間となるように確定する。さらに、エネルギー閾値部２２０は、受信信号１５０の最小エネルギーレベルと最大エネルギーレベルとの間の比に基づいてエネルギー閾値３４０を設定する。たとえば、閾値は、最小エネルギーサンプルと最大エネルギーサンプルとの間の正規化値であってもよい。立ち上がりエッジ追跡部２３０により、期間３１０における信号エネルギーが、最大エネルギーを有する期間となるように確定される。立ち上がりエッジ追跡部２３０により、期間３５０における信号が、受信信号の立ち上がりエッジとして識別される。それは、期間３５０における信号が、固定後方探索窓３３０内の、エネルギーがエネルギー閾値３４０より大きい最初の（すなわち最も早期の）期間であるためである。

本発明者らによって確定されるように、ＴＯＡの正確な推定には、立ち上がりエッジの推定が含まれる。このため、本発明により、受信信号の最大エネルギー成分を受け取る前のサンプルを探索し、雑音レベルと区別する。しかしながら、典型的な非見通しチャネルにおける立ち上がりエッジ期間の受信信号は、最強成分より６ｄＢ低い可能性があり、立ち上がりエッジは、参照により開示内容がすべて本明細書に援用される、A.F. Molisch他著「IEEE 802.15.4a channel model - final report」、「Ieee 802.15.4a channel model - final report」（Tech. Rep. Document IEEE 802.15-04-0662-02-004a, 2005）において示されているように、最大６０ナノ秒早く到着する可能性がある。

図４Ａは、立ち上がりエッジエネルギー期間におけるエネルギーの確率密度関数４０１及び対応する２次曲線当てはめ４０２を示す。図４Ｂは、Molish他によって述べられている、商用無線チャネルＣＭ１に対する立ち上がりエッジブロックのエネルギーの累積分布関数（ＣＤＦ）４０３を示す。これらの図は、約１０％の時間、立ち上がりエッジのエネルギーが、ＣＭ１の送信エネルギーに比較して非常に小さいことを示す。このため、最大エネルギーピークに比較して相対的に弱い立ち上がりエッジは、失われる可能性がある。

たとえば、図５は、ピークエネルギー期間５１０より７期間早く到着し、且つエネルギーがエネルギー閾値５４０より大きい信号エネルギーを含む期間５２０の一例を示す。上述した実施形態では、固定後方探索窓部２１０が後方探索窓５３０の持続時間をわずか５期間に設定する場合、その実施形態では期間５２０における信号の真の立ち上がりエッジが失われる可能性があり、期間５５０が立ち上がりエッジ期間として誤って識別される可能性がある。

図６Ａは、１０００ＣＭ１チャネル具現化に対する立ち上がりエッジエネルギーに対する最大エネルギーの比（ＭＥＲ）の累積分布関数（ＣＤＦ）を示す。立ち上がりエネルギーブロックには立ち上がりパルスエネルギーのわずかな部分しか含まれないため、ＭＥＲは４０ｄＢ（プロットには示さず）ほどの大きさである場合もあり、９０％の確率で１６ｄＢより小さい。したがって、正規化閾値を−１６ｄＢに設定することにより、雑音のないチャネルにおいて立ち上がりエッジブロックの１０％が失われることになる。一方、図６Ｂは、ピークと立ち上がりエッジとの間の遅延が、ＣＭ１に対して６０ナノ秒ほどの大きさである可能性があることを示す。このため、その例では、固定後方探索窓の持続時間は、立ち上がりエッジ期間を含むように６０ナノ秒ほどであることができる。

このため、本発明のさらなる一実施形態は、上述した実施形態の欠点に対処する。このさらなる実施形態では、エネルギー閾値は、立ち上がりエッジ検出の前に推定され得る雑音レベルに基づいて設定される。μ_ｅｄ及びσ_ｅｄ ^２が、エネルギー検出器の出力にある雑音サンプルの平均及び分散である場合、雑音サンプルを信号サンプルとして間違って解釈する確率を、以下のように表すことができる。

ここで、ξは閾値を示し、μ_ｅｄは雑音のみのサンプルの平均であり、σ_ｅｄ ^２は雑音のみのサンプルの分散であり、

は式１Ａに示すＱ関数を示し、それは、参照により開示内容がすべて本明細書に援用される、J.G. Proakis著「Digital Communications」（McGraw-Hill, 4th Edition, NY, 2001）において述べられているように、ガウスＰＤＦのテール(tail)下の領域を記述するために使用される。

シンボル毎の複数のパルスや複数のシンボルによるいかなる処理利得の前にも、これらのパラメータをμ_ｅｄ＝Ｍσ_ｎ ^２及びσ_ｅｄ ^２＝２Ｍσ_ｎ ^４として表してもよく、ここで、Ｍ＝２Ｂｔ_ｓは、信号帯域幅（バンドパスフィルタによって確定される）及びサンプリングレートによって確定される自由度である。Ｐ_ｆａを固定にすることにより、閾値ξを式（１）から以下のように計算することができる。

立ち上がりエッジとピークとの間に空の（すなわち、雑音のみの）サンプルがない場合、本実施形態は、立ち上がりエッジまで正しくサンプルを追跡することができ、立ち上がりブロック推定値は以下の式によって得られる。

ここで、ｎ_ｍｘはピークエネルギーに対するサンプルインデックスであり、後方探索ベクトルは以下の式によって得られ、

ｗ_ｓｂは、チャネルの統計に基づいて設定される後方探索窓である。

図７は、本発明の一実施形態による受信機のブロック図である。受信機は、図１の先行する実施形態のものに類似する信号エネルギー収集器１１３０と、受信信号７５０によって使用されるチャネル７６０によって受信されるような送信信号７４０に基づく受信信号７５０を受信する信号エネルギーエッジ検出器７３０とを備える。信号エネルギーエッジ検出器７３０はまた、信号エネルギー収集器１１３０及び信号パラメータ１２０から情報を受け取る。信号エネルギー検出器７３０はＴＯＡ推定値７００を生成する。

図８は、本実施形態による信号エネルギーエッジ検出器７３０の詳細なブロック図である。信号エネルギーエッジ検出器７３０は、信号パラメータ１２０を受け取る反復後方探索窓部８１０と、雑音閾値部８２０と、信号エネルギー収集器１１３０から情報を受け取る立ち上がりエッジ追跡部８３０とを含む。本実施形態によれば、雑音閾値部８２０は、受信信号７５０の雑音レベルに従ってエネルギー閾値を設定する。上述したように且つさらに後述するように、反復後方探索窓部８１０は、受信信号によって使用される無線チャネルの特性と、雑音のみを含む（すなわち信号のない）期間が、最大エネルギーを有し且つ閾値より高いエネルギーレベルを有する期間より前に受け取られる所望の確率とに従って、後方探索窓のサイズを反復的に設定する。

図９は、本実施形態において信号エネルギー収集器１１３０によって生成されるような受信信号における期間のエネルギー値を示す期間波形図である。さらに、図９は、反復後方探索窓９３０を示す。この例では、雑音閾値部８２０は、受信信号７５０の雑音レベルに基づいてエネルギー閾値９４０を設定し、立ち上がりエッジ追跡部８３０は、最大エネルギーを含む期間として期間９１０を識別した。反復後方探索窓部８１０は、最大エネルギー９１０を有する期間に先行する期間を通して後方探索することにより、受信信号の立ち上がりエッジを有する立ち上がりエッジ期間を見つける。反復探索窓は、ｎを反復探索窓のサイズとして、受信エネルギーレベルが閾値エネルギー９４０より低いｎ個の隣接タイムブロックの最初のグループを探索する。サイズは、反復後方探索窓部８３０によって確定される。その低い隣接する期間グループの直後の、エネルギーが閾値以上のブロックは、立ち上がりエッジ期間として識別される。このため、反復探索窓サイズが３である図９の例では、期間９５０／９５２は２つの期間のみから成るグループを形成し、期間９６０は１つの期間のみから成るグループを形成し、期間９７０／９７２／９７４／９７６はエネルギーレベルが閾値より低い４つ以上の隣接する期間から成る最初のグループを形成する。したがって、本発明によれば、隣接する期間グループ９７０／９７２／９７４／９７６の直後の期間９２０が立ち上がりエッジ期間として識別される。

典型的な見通しＵＷＢチャネルにおける受信マルチパス成分は、通常、受信機に、複数のクラスタで、すなわち雑音のみのサンプルによって分離されるＭＰＣのグループで、到着する。

図１０Ａは、無線チャネルＣＭ１に対するピークサンプルに先行する信号クラスタの数の確率密度関数（ＰＤＦ）を示し、図１０Ｂは、Ｔ_ｐ＝ｔ_ｓ＝４ナノ秒に対し、ピークエネルギーサンプルに先立って少なくとも１つのクラスタがある場合の任意の２つの信号クラスタ間の遅延のＰＤＦを示す。統計が、クラスタ間に２０ナノ秒もの遅延があり得ることを示すため、先行する実施形態は、立ち上がりエッジより後に到着するサンプルに固定される可能性がある。

このため、本発明のさらなる一実施形態は、上述したクラスタリング問題に対処するために、雑音サンプルの複数の連続した発生を考慮する。Ｋ個（複数）の連続した雑音サンプルが考慮される場合の誤警報（false alarm）の確率を以下の式に従って求めることができる。

これにより、以下の式によって閾値が得られる。

そして、本実施形態の立ち上がりエッジ推定は以下のように確定される。

さらに、最初の真のマルチパス成分（ＭＰＣ）の前の期間内の信号が最初のＭＰＣを伝達するものとして間違って解釈される場合に問題がある。その期間に含まれる（雑音）エネルギーが高いため、雑音は信号成分として誤って解釈される。この発生の確率は、信号と雑音との間の閾値によって決まる。閾値が平均雑音レベルより高いほど、雑音を信号として誤る確率が低くなる。一方、閾値が高いことは、弱い最初の成分が検出されない確率が増大することも意味する。

マルチパス成分のクラスタリングのために、閾値を設定する際の重要な要素は、信号エネルギーを有する期間どうしの間に発生する可能性のある、雑音のみの期間の数の確定である。現在の実施形態によれば、立ち上がりエッジの探索は最大信号位置で開始し、その後、時間を遡って探索することにより、雑音のみ（すなわち閾値に満たない）の最初の期間の位置を特定する。伝播チャネルが「密(dense)」である、すなわち、tau_minとtau_maxとの間の遅延に対応する各期間が信号エネルギーを含む場合、この後方探索において最初の「雑音のみ」の期間を見つけることにより、後方探索において「雑音のみ」の期間の直前に見つかる期間として、最初の信号成分の到着時刻に関する情報がもたらされる。しかしながら、クラスタリングの影響により、tau_minとtau_maxとの間においてさえも雑音のみの期間があり得る。このため、最初の「雑音のみ」の期間を見つけた後でさえ探索を継続する必要がある場合がある。

探索を続ける期間の数は、限られていることが好ましい。その場合、エネルギーが閾値を上回る雑音のみの期間が、信号を含む期間として間違えられることになる可能性がある。このため、本実施形態は、無線チャネルの統計的特性に従って、この「後方探索窓」の長さを制限する。言い換えれば、本発明は、所定サンプリングレートで異なる信号クラスタ間にある「空の」期間（すなわち、信号成分のない期間）の最大数を確定する。なお、本実施形態は、最初のＭＰＣを含む信号クラスタと、最強エネルギーを有する期間を含むクラスタとの間で発生する期間のみを検査することに留意されたい。この情報は、チャネルモデルから得られるか、又は同様のチャネル環境における先の測定値から得られる。

さらに、本実施形態は、一定の確率、たとえば９０％で最初のＭＰＣを含む期間を探す。これを達成するために、実施形態では、後方探索窓内に「間違った」最初の成分（すなわち、閾値より多くのエネルギーを含む雑音のみの期間）を有する確率が所望の確率の逆数を下回る、たとえば確率が１０％であることを保証する。到着時刻の間違った確定をもたらす可能性のある他の要素がある場合、この確率はさらに低く選択される。雑音のみの期間と信号を含む期間との間の閾値は、後方探索窓内の期間のうちのいずれの期間内の閾値を上回る雑音エネルギーの確率も１０％未満となるように選択してもよい。後方探索窓が長いほど、選択される閾値が高くなる。

信号又はチャネルの統計特性（これらに基づいて閾値及び後方探索窓パラメータが選択される）には、信号クラスタの数、信号クラスタ間の遅延及び信号クラスタの持続時間が含まれることができる。

本発明は、受信信号の処理と、受信信号を処理するプログラムとを含む。このようなプログラムは、通常、ＶＬＳＩに実装される無線受信機においてプロセッサにより格納及び実行される。プロセッサは、通常、コンピュータプログラム製品を含む。コンピュータプログラム製品は、プログラムされた命令を保持すると共に、データ構造、テーブル、レコード又は他のデータを含む。例はコンピュータ可読媒体である。コンピュータ可読媒体は、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、テープ、光磁気ディスク、ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ若しくは他の任意の磁気媒体、又はプロセッサが読み取ることができる他の任意の媒体等である。

本発明のコンピュータプログラム製品は、プロセッサを制御するコンピュータコードデバイスを採用するソフトウェアを格納する１つのコンピュータ可読媒体又はその組合せを含むことができる。コンピュータコードデバイスは、限定されないが、スクリプト、インタプリタ型プログラム、ダイナミックリンクライブラリ（ＤＬＬ）、Ｊａｖａ（登録商標）クラス及び完全実行可能プログラムを含む、任意のインタープリット可能(interpretable)又は実行可能なコードメカニズムとすることができる。さらに、処理の一部を、性能を向上させ、信頼性を向上させ、且つ／又はコストを低減するために分散させることができる。

本発明を、その例示的な実施形態に関連して説明したが、本発明は例示的な実施形態に決して限定されることはなく、且つ本発明は、当業者が本明細書を読んで理解するであろうさまざまな変更形態及び等価ステップをすべて包含するように意図されているということが理解されなければならない。

本発明の一実施形態による受信機のブロック図である。本発明の一実施形態による信号エネルギーエッジ検出器のブロック図である。本発明の一実施形態による期間波形図である。ＰＤＦ対立ち上がりブロックエネルギーのエネルギーヒストグラム及び２次曲線当てはめの図である。ＣＤＦ対立ち上がりブロックエネルギーのグラフである。本発明の一実施形態による期間波形図である。ＣＤＦ対ＭＥＲのグラフである。ＣＤＦ対遅延のグラフである。本発明の別の実施形態による受信機のブロック図である。本発明の一実施形態による別の信号エネルギーエッジ検出器のブロック図である。本発明の別の実施形態による期間波形図である。ＰＤＦ対信号クラスタ数のヒストグラムである。ＰＤＦ対クラスタ間遅延のヒストグラムである。バックグラウンド受信機のブロック図である。バックグラウンド信号エネルギー収集器のブロック図である。バックグラウンド期間波形図である。

Claims

受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する方法であって、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、
前記連続する期間における最小エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、最小エネルギー期間を識別することと、
前記最大平均エネルギー及び前記最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定することと、
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて、窓期間の個数を確定することと、
前記最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を、立ち上がりエッジ期間として識別することであって、前記立ち上がりエッジ期間における前記受信無線信号は、平均エネルギーが前記閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ期間として識別することと
を含む、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する方法。
前記設定することは、前記最大平均エネルギーと前記最小平均エネルギーとの間の正規化値に基づいて前記閾値エネルギーを設定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する方法であって、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、
前記最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、前記立ち上がりエッジ期間として識別することと
を含み、
前記受信無線信号は、前記立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、
前記受信無線信号は、前記隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが前記閾値エネルギーを下回る
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別する方法。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルの、平均雑音エネルギーレベル及び雑音エネルギー分散を識別することと、
無線チャネルの識別された平均雑音エネルギーレベル及び前記雑音エネルギー分散に基づいて、前記閾値エネルギーを設定することと
をさらに含む、請求項３に記載の方法。
前記設定することは、
以下の式に従って前記閾値エネルギーξを設定することをさらに含み、

μ_ｅｄは平均雑音エネルギーレベルであり、σ_ｅｄは識別された雑音エネルギー分散であり、Ｐ_ｆａは前記立ち上がりエッジ期間を誤って識別する確率であり、

は

である、請求項４に記載の方法。
前記設定することは、
以下の式に従って前記閾値エネルギーξを設定することをさらに含み、

μ_ｅｄは平均雑音エネルギーレベルであり、σ_ｅｄは識別された雑音エネルギー分散であり、Ｐ_ｆａは前記立ち上がりエッジ期間を誤って識別する確率であり、

は

である、請求項４に記載の方法。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、前記最大エネルギー期間に先行する信号クラスタの数を予測することと、
前記信号クラスタの数に基づいて、隣接する低エネルギー期間の数を設定することと
をさらに含む、請求項３に記載の方法。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、信号クラスタ間の遅延を予測することと、
前記信号クラスタ間の遅延に基づいて、隣接する低エネルギー期間の数を設定することと
をさらに含む、請求項３に記載の方法。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、信号クラスタ毎の期間の数を予測することと、
前記信号クラスタ毎の期間の数に基づいて、隣接する低エネルギー期間の数を設定することと
をさらに含む、請求項３に記載の方法。
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機であって、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別するように構成される受信部であって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、受信部と、
前記連続する期間における最小エネルギー期間を識別するように構成される識別部であって、前記受信無線信号は前記最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、識別部と、
前記最大平均エネルギー及び前記最小平均エネルギーに基づいて閾値エネルギーを設定するように構成される設定部と、
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて、窓期間の個数を確定するように構成される確定部と、
前記最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を立ち上がりエッジ期間として識別するように構成される、立ち上がりエッジ識別部であって、前記立ち上がりエッジ期間における前記受信無線信号は、平均エネルギーが前記閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ識別部と
を具備する、受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機。
前記閾値設定部は、
前記最大平均エネルギーと前記最小平均エネルギーとの間の正規化値に基づいて、前記閾値エネルギーを設定するように構成される、正規化値設定部
をさらに具備する、請求項１０に記載の受信機。
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機であって、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別するように構成される最大エネルギー識別部であって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー識別部と、
前記最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、前記立ち上がりエッジ期間として識別するように構成される立ち上がりエッジ識別部と
を備え、
前記受信無線信号は、前記立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、
前記受信無線信号は、前記隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが前記閾値エネルギーを下回る
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルによって使用される、平均雑音エネルギーレベル及び雑音エネルギー分散を識別するように構成される雑音識別部と、
前記無線チャネルの識別された平均雑音エネルギーレベル及び前記雑音エネルギー分散に基づいて、前記閾値エネルギーを設定するように構成される閾値設定部と
をさらに具備する、請求項１２に記載の受信機。
前記閾値設定部は、
以下の式に従って前記閾値エネルギーξを確定するように構成される閾値確定部をさらに備え、

μ_ｅｄは平均雑音エネルギーレベルであり、σ_ｅｄは識別された雑音エネルギー分散であり、Ｐ_ｆａは前記立ち上がりエッジ期間を誤って識別する確率であり、

は

である、請求項１３に記載の受信機。
前記閾値設定部は、
以下の式に従って前記閾値エネルギーξを確定するように構成される閾値確定部をさらに備え、

μ_ｅｄは平均雑音エネルギーレベルであり、σ_ｅｄは識別された雑音エネルギー分散であり、Ｐ_ｆａは前記立ち上がりエッジ期間を不正確に識別する確率であり、

は

である、請求項１３に記載の受信機。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、前記最大エネルギー期間に先行する信号クラスタの数を予測するように構成されるクラスタ予測部と、
前記信号クラスタの数に基づいて前記隣接する低エネルギー期間の数を設定するように構成される期間設定部と
をさらに具備する、請求項１２に記載の受信機。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、信号クラスタ間の遅延を予測するように構成されるクラスタ予測部と、
前記信号クラスタ間の遅延に基づいて、前記隣接する低エネルギー期間の数を設定するように構成される期間設定部と
をさらに具備する、請求項１２に記載の受信機。
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルに基づいて、信号クラスタ毎の期間の数を予測するように構成されるクラスタ予測部と、
前記信号クラスタ毎の期間の数に基づいて、前記隣接する低エネルギー期間の数を設定するように構成される期間設定部と
をさらに具備する、請求項１２に記載の受信機。
プログラムを格納するコンピュータプログラム製品であって、
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機において、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに対し、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、
前記連続する期間における最小エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最小エネルギー期間において最小平均エネルギーを有する、最小エネルギー期間を識別することと、
前記最大平均エネルギー及び前記最小平均エネルギーに基づいて、閾値エネルギーを設定することと、
前記受信無線信号によって使用される無線チャネルの特性に基づいて、窓期間の個数を確定することと、
前記最大エネルギー期間に前記個数の窓期間内で先行する最早期間を、立ち上がりエッジ期間として識別することであって、前記立ち上がりエッジ期間における前記受信無線信号は、平均エネルギーが前記閾値エネルギー以上である、立ち上がりエッジ期間として識別することと
を実行させるプログラムを格納する、コンピュータプログラム製品。
プログラムを格納するコンピュータプログラム製品であって、
受信無線信号の立ち上がりエッジ期間を識別するように構成される受信機においてプロセッサによって実行されると、前記プロセッサに対し、
連続する期間における最大エネルギー期間を識別することであって、前記受信無線信号は前記最大エネルギー期間において最大平均エネルギーを有する、最大エネルギー期間を識別することと、
前記最大エネルギー期間に先行する期間であって、かつ、ある数の隣接する低エネルギー期間の直後の期間である、そのような期間のうち最後のものを、前記立ち上がりエッジ期間として識別することと
を実行させるプログラムを格納する、コンピュータプログラム製品であって、
前記受信無線信号は、前記立ち上がりエッジ期間において平均エネルギーが閾値エネルギー以上であり、
前記受信無線信号は、前記隣接する低エネルギー期間の各々において平均エネルギーが前記閾値エネルギーを下回る
コンピュータプログラム製品。