(57)【要約】      （修正有）【課題】低い複雑度と低コストで、無線チャネルの状態を推定する。【解決手段】方法は、レンジング信号を送信してから無線ネットワークのチャネルを介して該レンジング信号を受信するまでの時間、および該レンジング信号の受信信号強度（ＲＳＳ）を測定する。この時間に基づいて距離を推定し、このＲＳＳに基づいて経路損失を推定する。この距離およびこの経路損失に基づいてチャネルの状態の確率を推定する。この状態は見通し（ＬＯＳ）または見通し外（ＮＬＯＳ）のうちの一方にある。【選択図】図５
2010187359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークにおいて受信機と送信機との間のチャネルの状態を推定する方法であって、
レンジング信号を送信してから、前記無線ネットワークの前記チャネルを介して該レンジング信号を受信するまでの時間を測定するステップと、
前記レンジング信号の受信信号強度（ＲＳＳ）を測定するステップと、
前記時間に基づいて前記送信機と前記受信機との間の距離を推定するステップと、
前記ＲＳＳに基づいて前記受信機と前記送信機との間の経路損失を推定するステップと、
前記距離および前記経路損失に基づいて前記チャネルの状態の確率を推定するステップであって、該状態は見通し（ＬＯＳ）および見通し外（ＮＬＯＳ）を含む、推定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記ＮＬＯＳチャネル状態は、部分的に遮蔽された直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＤＰ）と、非直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＮＤＰ）とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各前記状態は前記確率に基づいて重みを割り当てられ、前記方法は、最も高い確率を有する前記状態を選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各前記チャネルに対し、前記状態に対応する重みを割り当てるステップと、
すべての前記状態の前記確率を組合わせるステップであって、前記チャネルの前記重みを生成する、組合わせるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記状態は、
【数１】
2010187359.tif 000046
であり、ただし、ａｒｇ  ｍａｘは、確率
【数２】
2010187359.tif 000047
を最大にする引数を返し、
【数３】
2010187359.tif 000048
は推定距離であり、
【数４】
2010187359.tif 000049
は推定ＲＳＳであり、前記方法は、重みｗをｗ＝ｗ（Ｃｋ）として前記チャネルに割り当てるステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記重みは、
【数５】
2010187359.tif 000050
であり、ただし、ｋは前記状態のインデックスであり、Ｇｋはチャネル状態Ｃｋの対応する重みであり、
【数６】
2010187359.tif 000051
は推定距離であり、
【数７】
2010187359.tif 000052
は推定ＲＳＳである、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は無線通信および位置特定に関し、より詳細には無線チャネルの状態を推定および特定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
チャネルの状態は無線ネットワークの性能にとって重要である。見通し外（ＮＬＯＳ）チャネルにおける無線信号は、より大きな経路損失を被ることが多く、したがって等しい距離の見通し（ＬＯＳ）チャネルよりも、通信に関して信頼性が低い。無線ネットワークが、２つのノード間の経路が見通し（ＬＯＳ）、部分的に遮蔽された直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＤＰ）、または非直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＮＤＰ）のうちの１つであるか否かを検出することが可能である場合、ネットワークはデータを異なる経路にルーティングして通信信頼性を向上させることができる。
【０００３】
ＴｏＡベースのレンジングにおけるチャネル状態の影響
無線ネットワークにおける２つのノード間の距離は、受信信号強度（ＲＳＳ）または到着時刻（ＴｏＡ）を使用して推定することができる。ＴｏＡベースのレンジングは、信号が送信されてから信号が受信されるまでの時間ｔを測定することに基づく。距離はｄ＝ｔ×ｃと推定される。ただし、ｃは媒質における信号の進行速度である（たとえば、電磁波は自由空間内を〜３×１０８ｍ／秒で進行する）。
【０００４】
図１（ａ）は、距離ｄ１０３だけ離隔された２つの送受信機Ａ１０１およびＢ１０２を示している。
【０００５】
図１（ｂ）は、送受信機Ａが時点ｔ０において無線信号１１１を送信し、該信号が、時間τ１２３経過後、時刻ｔ１＝ｔ０＋τにおいて、送受信機Ｂ１０２において受信されることを示している。ＴｏＡベースのレンジングにおいて、時間τは距離ｄ１０３を推定するのに使用される「飛行」時間である。信号の進行距離はｄ＝τ×ｃと推定される。
【０００６】
図２に示すように、無線チャネルは多数の経路を含むことができる。送信機と受信機との間の直接経路２１０は見通し（ＬＯＳ）経路と称される。反射経路である間接経路は見通し外（ＮＬＯＳ）経路と称される。
【０００７】
ＮＬＯＳ経路の総進行距離は、ＬＯＳ経路よりも長い。たとえば、２つのＮＬＯＳ経路の長さ２２０は、ｄ１＋ｄ２＞ｄおよびｄ３＋ｄ４＞ｄである。
通常、ＴｏＡは信号の最も早い到着に基づいて推定され、距離は、次式となる。
【０００８】
【数１】
2010187359.tif 000003
【０００９】
ただし、ｄｉｊはＬＯＳ距離であり、ｚｉｊはＬＯＳチャネルにおいてゼロ値およびＮＬＯＳチャネルにおいて正値を有するＮＬＯＳバイアスであり、εｉｊはゼロ平均ガウス分布を有する測定誤差である。
【００１０】
図３ＡはＬＯＳチャネルの電力遅延プロファイル（ＰＤＰ）を示している。直接経路は最も強い成分であり、直接経路が予期される時刻３０１に出現する。したがって、ＴｏＡ推定値は誤差をほとんど含まない。
【００１１】
図３Ｂは、直接経路が減衰しているが検出可能であるＮＬＯＳチャネル（ＮＬＯＳ−ＤＰチャネル）のＰＤＰを示している。直接経路は最も強い成分ではなく、直接経路が予期される時刻において出現する幾らかのエネルギーが存在する。その結果、到着推定時刻３０２の誤差はＬＯＳチャネルにおけるよりも大きくなる。
【００１２】
図３Ｃは、直接経路が減衰すると共に検出することができずに完了したＮＬＯＳチャネル（ＮＬＯＳ−ＮＤＰチャネル）のＰＤＰを示している。直接経路は最も強い成分ではなく、直接経路が予期される時刻に検出することができない。最も早く検出可能な信号は、時刻３０１または３０２ではなく、時刻３０３におけるものである。その結果、ＴｏＡ推定値は、他の２つのチャネル状態と比較して大幅に多くの誤差を有し得る。誤差の大部分はＮＬＯＳバイアスによってもたらされる。これはｚｉｊ＞＞τｉｊであるためである。
【００１３】
無線ネットワークにおける位置推定の影響
無線ネットワークにおけるノードの位置特定は、無線信号を使用して実施することができる。図４は一例のネットワークを示す。位置を推定される目標ノードＴ４０１が、既知の位置を有するＭ個のノードＡ１、Ａ２、・・・ＡＭ４０２に無線で接続されると仮定する。これらのノードはアンカー（Ａ）ノードと称され、該ノードの位置は（ｘ１、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）、・・・（ｘＭ、ｙＭ）である。また、ノードＴとアンカーノードＡｉとの間の距離推定値を、
【数２】
2010187359.tif 000004
として利用可能であると仮定すると、最小２乗（ＬＳ）位置推定器を使用してノードＴの位置を、次式と推定することができる。
【００１４】
【数３】
2010187359.tif 000005
【００１５】
これは、次式で与えられる。
【００１６】
【数４】
2010187359.tif 000006
【００１７】
ただし、
【数５】
2010187359.tif 000007
はレンジ測定ベクトルである。また、
【数６】
2010187359.tif 000008
は、ノードＴの位置の推定位置において計算される距離であり、以下のように与えられる。
【００１８】
【数７】
2010187359.tif 000009
【００１９】
ＬＳ推定器は各推定距離
【数８】
2010187359.tif 000010
を等しく扱う。しかしながら、距離
【数９】
2010187359.tif 000011
は、物体４１０によって反射されるため不正確であり得る。距離推定が正確である場合、位置ソルバはノードＴの推定位置、すなわち、次式を返す。
【００２０】
【数１０】
2010187359.tif 000012
【００２１】
すべての距離推定における誤差が等しいかまたは近い場合、すべての利用可能なアンカーノードを使用するＬＳ推定は概して、アンカーノードのサブセットのみを使用するＬＳ推定と比較してより正確な推定値を返す。
【００２２】
１つまたは複数の距離推定値が、他の距離推定値よりも大幅に大きい誤差を含む場合、ＬＳ位置推定器、またはすべての距離を等しく扱う任意の他の方法は、より多くの誤差を有する結果を生成する。
【００２３】
所与の距離測定値
【数１１】
2010187359.tif 000013
が大きな誤差を有する場合、位置推定中の距離測定値を判別する位置推定方法を使用して位置誤差性能改善を達成することができる。このような方法のうちの１つは、重み付き最小２乗（ＷＬＳ）、次式を使用する。
【００２４】
【数１２】
2010187359.tif 000014
【００２５】
ただし、Ｗ＝［Ｗ１、Ｗ２、・・・ＷＭ］は重みベクトルであり、Ｗｉはｉ番目の距離測定値に割り当てられる重みである。より高い信頼度スコアを有する距離測定値に、より大きな重みが割り当てられる。逆に、距離推定値が大きな誤差および低い信頼度を有する場合、小さな重みが割り当てられる。
【００２６】
ＷＬＳ方法が良好な性能を有するために、正確な重み割当てが必須である。
【００２７】
従来技術のチャネル分類
幾つかのチャネル状態分類方法が既知である。
【００２８】
（ＲＭＳ遅延広がりのような）「チャネル統計」を使用してＮＬＯＳチャネルを識別することができる。この方法は計算が複雑で、エネルギー効率が悪い。これは、チャネル統計を求めるのにチャネルごとに複数のレンジ測定が必要となるためである。
【００２９】
「周波数ダイバーシティ」を使用して直接経路遮蔽物を識別することもできる。典型的な屋内環境におけるチャネル測定値に基づくと、複数の周波数サブバンドにわたるＴｏＡ推定値の変動はチャネル状態と正の相関を有する。この手法は周波数ホッピングが可能な無線周波数（ＲＦ）フロントエンド部を必要とし、したがって送受信機はより高いコスト、複雑度、および電力消費を有する。また、アンテナの周波数依存性をチャネルから切り離すことは難しく、このことは上記手法の効率性に直接影響を及ぼす。
【００３０】
「実行分散（ｒｕｎｎｉｎｇ  ｖａｒｉａｎｃｅ）」はチャネル状態識別の別の方法である。この方法は、後続のレンジ推定値の分散を計算し、該分散を所定の閾値と比較してＬＯＳとＮＬＯＳとのいずれであるか決める。この方法は高い計算複雑度を有し、エネルギー効率が悪い。
【００３１】
「ＳＮＲの変化」方法は、ＳＮＲの急変を検出し、チャネルがＬＯＳからＮＬＯＳへ移行しているか、またはＮＬＯＳからＬＯＳへ移行しているかを判断する。
【発明の概要】
【００３２】
この発明の実施の形態は、測定された到着時刻（ＴｏＡ）および受信信号強度（ＲＳＳ）に基づいて無線チャネル状態を推定する方法を提供する。
【００３３】
本方法は信頼性の高い推定を提供する。本方法は低い複雑度を有すると共に、低コストで実施することができる。これは、上記ＲＳＳが受信機において簡単に利用可能であるためである。
【発明の効果】
【００３４】
従来方法と比較して、この発明は以下の利点を有する。
この発明は無線チャネルのＬＯＳ／ＮＬＯＳ状態を信頼性をもって推定する。
この発明の方法は、３つのチャネル状態の確率を生成する。これらの確率を使用して各無線チャネルのハード重みまたはソフト重みを生成することができる。
上記重みを引き続き位置特定方法によって使用して、正確度を高めることができる。推定されたチャネル条件付き確率を他のアプリケーションによって使用して、通信信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１（ａ）は無線ネットワークにおける距離ｄを有する２つのノードのブロック図であり、図１（ｂ）は送信メッセージおよび受信メッセージの時間の概略図である。
【図２】多経路無線チャネルの概略図である。
【図３Ａ】チャネル電力遅延プロファイル（ＰＤＰ）のグラフである。
【図３Ｂ】チャネル電力遅延プロファイル（ＰＤＰ）のグラフである。
【図３Ｃ】チャネル電力遅延プロファイル（ＰＤＰ）のグラフである。
【図４】単純な無線位置特定ネットワークの概略図である。
【図５】測定経路損失と計算された経路損失とを距離にわたって比較するグラフである。
【図６】所与の距離における、異なるチャネルに関する受信信号強度の分布である。
【図７】ＮＬＯＳ−ＮＰチャネル状態およびＮＬＯＳ−ＮＤＰチャネル状態の距離にわたる分布のヒストグラムである。
【図８】この発明の実施形態によるチャネル状態を推定する方法のフロー図である。
【図９】最小２乗（ＬＳ）を使用する位置特定方法の場合の位置誤差と、この発明の実施形態によるチャネル状態推定およびソフト重み割当ての方法を使用する、重み付き最小２乗（ＷＬＳ）を使用する位置特定方法の場合の位置誤差とを比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
この発明の実施形態によれば、Ｃ０、Ｃ１およびＣ２は３つのチャネル状態、すなわち見通しＬＯＳ、部分的に遮蔽された直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＤＰ）および非直接経路ＮＬＯＳ（ＮＬＯＳ−ＮＤＰ）をそれぞれ示す。
【００３７】
この発明の目標は、ＴｏＡベースの距離推定値
【数１３】
2010187359.tif 000015
およびＲＳＳ測定値
【数１４】
2010187359.tif 000016
に基づいて、チャネルが３つのチャネル状態Ｃｉ、ｉ＝｛０、１、２｝のうちの１つにあるか否かの尤度を推定することである。尤度は条件付き確率、すなわち、以下によって表すことができる。
【数１５】
2010187359.tif 000017
【００３８】
条件付き確率
【数１６】
2010187359.tif 000018
は、ベイズ方程式を使用して計算することができ、次式によって与えられる。
【００３９】
【数１７】
2010187359.tif 000019
【００４０】
ただし、
【数１８】
2010187359.tif 000020
はＴｏＡ推定距離
【数１９】
2010187359.tif 000021
における所与のチャネル状態Ｃｋに関する信号電力分布である。
【数２０】
2010187359.tif 000022
は、ＴｏＡ推定距離を所与とするチャネル状態の確率である。
【００４１】
先見的情報
【数２１】
2010187359.tif 000023
は、チャネル測定および経路損失のモデル化ＰＬ＝Ｐｔ−ｒｒｓｓを通じて取得することができ、これは距離と電力との関係を確定する。
【数２２】
2010187359.tif 000024
の平均値は、無線チャネルにおける平均経路損失ＰＬである。通常、平均経路損失とアンテナ分離との間の関係は、以下によって与えられる単純なモデルを使用して表すことができる。
【００４２】
ＰＬ＝Ｐ０＋１０ｎｌｏｇ（ｄ）＋χ  ・・・（２）
【００４３】
ただし、Ｐ０は固定距離、通常１ｍにおける経路損失であり、ｎは経路損失指数であり、χは通常対数正規分布としてモデル化されるシャドーフェージング成分である。このモデルはＬＯＳチャネルに関して有効である。
【００４４】
ｎおよびＰ０の値は通常、チャネル状態に依拠する。ＮＬＯＳチャネルの場合、経路損失を、２つの要素から成るモデルとして、モデル化することができる。
【００４５】
【数２３】
2010187359.tif 000025
【００４６】
ただし、ｎ１は遮断距離ｄｂｒｅａｋ以下の場合の経路損失指数であり、ｎ２は遮断距離ｄｂｒｅａｋを超える場合の経路損失指数であり、χ１は遮断距離ｄｂｒｅａｋ以下の場合のシャドーフェージングであり、χ２は遮断距離ｄｂｒｅａｋを超える場合のシャドーフェージングである。これらの値は、異なるチャネル状態において、異なるシャドーイング度合いに起因して変化する。
【００４７】
図５は、このような関係をチャネルＣ０、Ｃ１およびＣ２に関して示している。測定結果も図５において示されている。
【００４８】
ここで、
【数２４】
2010187359.tif 000026
は式（２）および式（３）に基づいて計算された平均値を有する分布である。
【００４９】
図６は、所与の距離
【数２５】
2010187359.tif 000027
において３つすべてのチャネル状態に関して
【数２６】
2010187359.tif 000028
の分布を示している。
【００５０】
【数２７】
2010187359.tif 000029
は、ベイズ方程式を使用して取得することができ、次式によって与えられる。
【００５１】
【数２８】
2010187359.tif 000030
【００５２】
ただし、
【数２９】
2010187359.tif 000031
はチャネル状態を所与とするＴｏＡ推定距離分布であり、ｐ（Ｃｉ）は状態Ｃｉ下にあるチャネルの確率である。
【００５３】
【数３０】
2010187359.tif 000032
はチャネル状態を所与とするＴｏＡ推定距離分布である。通常、
【数３１】
2010187359.tif 000033
はレンジ内の距離に依拠しない。
【数３２】
2010187359.tif 000034
および
【数３３】
2010187359.tif 000035
は距離に依拠する。直感的に、
【数３４】
2010187359.tif 000036
は通信レンジｄｃ内で単調増加し、
【数３５】
2010187359.tif 000037
は通信レンジｄｃ内で単調減少する。式（５）、式（６）、および式（７）はこれらの要件を満たす分布である。
【００５４】
【数３６】
2010187359.tif 000038
【００５５】
図７は実際の測定値に基づく
【数３７】
2010187359.tif 000039
および
【数３８】
2010187359.tif 000040
を示している。図７は式（６）および式（７）によって与えられる分布も示している。
【００５６】
重み割当て方式
上記の式を使用してチャネル条件付き確率を計算した後、チャネルの重みを生成することができる。ハード重みまたはソフト重みを生成することができる。
【００５７】
ハード重み
以下の状態を満たすチャネルを選択する。
【００５８】
【数３９】
2010187359.tif 000041
【００５９】
ただし、ａｒｇ  ｍａｘは、確率
【数４０】
2010187359.tif 000042
を最大にする引数、すなわち最大確率を有するチャネル状態を返す。次に、選択されたチャネルに基づいてチャネルに重みを割り当てる。すなわちｗ＝ｗ（Ｃｋ）である。
【００６０】
ソフト重み
所与のチャネルの重みは、以下によって計算される。
【００６１】
【数４１】
2010187359.tif 000043
【００６２】
ただし、ｋは異なるチャネル状態のインデックスであり、Ｇｋはチャネル状態Ｃｋの対応する重みである。
【００６３】
次に、チャネルの重みを位置決め方法、たとえばＷＬＳ位置決め方法によって使用することができる。
【００６４】
一般的方法
図８は、この発明の実施形態による、チャネル状態を推定する方法を示している。レンジング信号の到着時刻（ＴｏＡ）に基づいて距離ｄを推定する（８１０）。レンジング信号の受信信号強度（ＲＳＳ）に基づいて経路損失を推定する（８２０）。
【００６５】
実施形態にしたがって、チャネル状態の条件付き確率
【数４２】
2010187359.tif 000044
を求める（８３０）。次に、プロセスは、
【数４３】
2010187359.tif 000045
を直接出力する（８４２）か、または、重みｗを最初に割り当て（８４１）、続いて、その重みを出力する（８４３）。
【００６６】
図９は、位置推定の２乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）の累積分布関数（ＣＤＦ）を示している。重み情報を有しない場合、ＬＳアルゴリズム性能は曲線９１０として示される。この発明の方法を使用して生成された重みを使用する場合、位置のＲＭＳＥのＣＤＦは曲線９２０である。平均して４０％を超える改善を見てとることができる。
【００６７】
この発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形形態および変更形態を包含することである。
【図１】
2010187359.tif 000053
【図２】
2010187359.tif 000054
【図３Ａ】
2010187359.tif 000055
【図３Ｂ】
2010187359.tif 000056
【図３Ｃ】
2010187359.tif 000057
【図４】
2010187359.tif 000058
【図５】
2010187359.tif 000059
【図６】
2010187359.tif 000060
【図７】
2010187359.tif 000061
【図８】
2010187359.tif 000062
【図９】
2010187359.tif 000063
【外国語明細書】
2010187359.tif 000064
2010187359.tif 000065
2010187359.tif 000066
2010187359.tif 000067
2010187359.tif 000068
2010187359.tif 000069
2010187359.tif 000070
2010187359.tif 000071
2010187359.tif 000072
2010187359.tif 000073
2010187359.tif 000074
2010187359.tif 000075
2010187359.tif 000076
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2010187359.tif 000083
2010187359.tif 000084
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