(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個のアンテナを有する１つの送信機による信号送信に対する、それぞれ１個のアンテナを有する複数の受信器における受信信号の到着時間（ＴＯＡ）を推定するための方法であって、
複数のアンテナで複数の対応するチャンネルを介して送信信号を受信信号として受信すること、
前記各受信信号を前記送信信号に相関させて各受信信号に対する推定チャンネル係数および推定到着時間を求めること、
前記各受信信号に対するノイズの分散を求めること、
前記各受信信号に対して前記チャンネル係数を前記ノイズの分散で除算して重みを求めること、
それらの重みを加算すること、
前記各受信信号に対して、前記推定到着時間を前記対応する重みにより乗算して重み付けされた推定到着時間を生成すること、
前記受信信号の総てに対して、前記重み付けされた推定到着時間を加算すること、
前記加算された重み付け推定到着時間を前記加算された重みにより除算して前記送信信号に対する最終的な到着時間推定値を求めること、
を備える、受信信号の到着時間（ＴＯＡ）を推定するための方法。
【請求項２】
前記複数のアンテナは、一対の隣接するアンテナ間の最大距離を光速で除算した値が前記送信信号の符号持続時間より実質的に小さくなるように、近似的に互いに関連して配置される、請求項１の方法。
【請求項３】
異なるチャンネル係数が前記受信信号のそれぞれに対して求められる、請求項１の方法。
【請求項４】
前記推定到着時間の分散のＣｒａｍeｒ-Ｒａｏ下限を決めることを更に備える、請求項１の方法。
【請求項５】
前記相関は最尤法を使用する、請求項１の方法。
【請求項６】
前記最尤法は次式、
【数１】
0005408966.tif 000049
（ここで、ｔは時間を表し、Ｔは前記送信信号の持続時間、Ｎは前記受信信号ｒｉの数、
【数２】
0005408966.tif 000050
は前記ノイズの分散、αｉは前記チャンネル係数、τは前記送信信号の前記推定到着時間（ＴＯＡ）、Ｅは前記送信信号のエネルギー、
【数３】
0005408966.tif 000051
は前記送信信号の複素共役、λは対数尤度関数、Ｒ{}は{}内の複素数の実数部、αｉ＊は前記チャンネル係数の複素共役である）、
を評価する、請求項５の方法。
【請求項７】
前記送信信号ｓ（ｔ）に関する受信信号ｒｉ（ｔ）の遅延は、次式、
【数４】
0005408966.tif 000052
（ここで、
【数５】
0005408966.tif 000053
および
【数６】
0005408966.tif 000054
は、それぞれ前記到着時間および前記受信信号の前記チャンネル係数の位相の推定値である）、
で表される、請求項６の方法。
【請求項８】
前記受信信号ｒｉに対する前記チャンネル係数
【数７】
0005408966.tif 000055
の大きさは、次式、
【数８】
0005408966.tif 000056
で表される、請求項７の方法。
【請求項９】
前記最終的な到着時間推定値から、前記送信信号の送信機と前記受信信号の受信器との間の距離を求めることを更に備える、請求項１の方法。
【請求項１０】
複数の送信機により複数の送信信号を送信すること、
各送信信号に対して、前記最終的な到着時間推定値を求めること、
前記複数の最終的な到着時間推定値から前記複数の送信機に対する前記受信器の位置を求めること、
を更に備える、請求項９の方法。
【請求項１１】
前記送信信号と該送信信号の微分値の積の積分値は零である、請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は一般に、ワイヤレス（無線）測距測位システムに関し、特に、単一入力、多（複数）出力（ＳＩＭＯ）ワイヤレスシステムにおける測距および測位に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一入力多（複数）出力（ＳＩＭＯ）および多（複数）入力多（複数）出力（ＭＩＭＯ）ワイヤレス（無線）アーキテクチャは、今日では、高速無線通信システムのためには、広く用いられている。例えば、送受信高周波チエーン等の、複数のアンテナおよび複数の処理ユニットによって、無線（ワイヤレス）機器の間の通信の品質は、ダイバーシティ（多様性）およびマルチプレックス（多重化）技術により増大させることができる。ＭＩＭＯアーキテクチャの利点は、通信システムに対しては広く記述されているが、測距および測位システムに対してはあまり記述されていない。
【０００３】
ＳＩＭＯとＭＩＭＯシステムでは、複数のアンテナエレメント（要素）は、レーダーや測位技術への応用において整相列（フェイズドアレイ：ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ）構造を形成するために、離間して配置される。ＭＩＭＯシステムは、レーダーへの応用のために、目標物体のより良好な検出および特徴付けのために考慮されてきた。
【０００４】
図１Ａは、従来の単一入力複数出力（ＳＩＭＯ）整相列レーダー構造１００を示す。この例では、アンテナを含む１つの送信機（Ｔ１）１０１と、それぞれがアンテナを含むＮ個の受信器Ｒ１  １０２〜ＲＮ  １０３とが設けられている。典型的には、それら受信器とそれらのアンテナは、単一の場所に、近似的に互いに関連して配置される。
【０００５】
信号ｓ（ｔ）１１１が送信される。その信号ｓ（ｔ）１１１は、αｓ（ｔ−τ）１１２−１１３として受信器に到着する。ここで、αはチャンネル係数であり、τは遅延時間である。時間ｔでｉ番目の受信器ｒｉで受信された信号は、時間間隔０，Ｔにおいてｉ＝１，…，Ｔに対して、次式（１）のようにモデル化できる。
【０００６】
【数１】
0005408966.tif 000002
【０００７】
ここで、Ｔは送信信号ｓ（ｔ）  １１１の持続時間である。ノイズｎｉ（ｔ）は、零平均およびスペクトル密度
【数２】
0005408966.tif 000003
を有する複素数白色ガウス雑音プロセス（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｖａｌｕｅｄ  ｗｈｉｔｅ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｎｏｉｓｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ）である。
【０００８】
図１Ｂは従来の整相列処理（ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を示す。全ての受信信号１１０〜１２０は集合されて、相関器１３０に供給される。その相関器の出力は到着時間（ＴＯＡ）推定ユニット１５０に入れられ、該ユニットはＴＯＡの推定値
【数３】
0005408966.tif 000004
１６０を返す。受信信号に対するチャンネル係数は、一定であり、且つ同一である。
【０００９】
統計学では、周知のＣｒａｍeｒ-Ｒａｏ限界（ＣＲＢ）またはＣｒａｍeｒ-Ｒａｏ下限（ＣＲＬＢ）は決定論的パラメータの推定器の分散の下限を表す。推定遅延時間
【数４】
0005408966.tif 000005
１６０の分散に対するＣＲＬＢは次式（２）で表される。
【００１０】
【数５】
0005408966.tif 000006
【００１１】
ここで、
【数６】
0005408966.tif 000007
であり、αはチャンネル係数、Ｎはアンテナと受信器との数、
【数７】
0005408966.tif 000008
は受信器ｒｉでのノイズの分散である。また、
【数８】
0005408966.tif 000009
であり、Ｅは送信信号ｓ（ｔ）  １１１のエネルギーであり、そして、
【数９】
0005408966.tif 000010
は信号ｓ（ｔ）の一次導関数（微分）のエネルギーである。信号ｓ（ｔ）の導関数は
【数１０】
0005408966.tif 000011
で表され、ｓ（ｔ）の複素共役は
【数１１】
0005408966.tif 000012
で表される。
【００１２】
上記ＣＲＬＢの式（２）から、フェージングの大きな信号経路は相当大きなＣＲＬＢをもたらし得ることが分かる。チャンネル係数が知られているケースでは、距離推定値の分散の対応するＣＲＬＢの平方根は、次式（３）である。
【００１３】
【数１２】
0005408966.tif 000013
【００１４】
ここで、ｃは光速、Ｎは受信器のアンテナ素子（エレメント）の数、ＳＮＲはＳＮ（信号対ノイズ）比、βは信号ｓ（ｔ）の有効帯域幅である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来の方法において、ＭＩＭＯアーキテクチャの利点は、通信システムに対しては広く記述されているが、測距および測位システムに対してはあまり記述されていない。
【００１６】
この発明の方法は、複数のアンテナで対応するチャンネルを介して送信信号を受信することにより、送信信号の到着時間（ＴＯＡ）の遅延を推定する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明の方法においては、各受信信号は送信信号と相関されて、推定チャンネル係数および推定到着時間（ＴＯＡ）を得る。また、各受信信号に対して、ノイズの分散が求められる。
【００１８】
チャンネル係数をノイズの分散で除算することにより、各受信信号に対する重みが求められる。それらの重みは加算され、そして、各重みは推定到着時間（ＴＯＡ）によって乗算されて、重み付け推定到着時間を生成し、それはまた加算される。
【００１９】
加算された重み付け推定到着時間を加算された重みにより除算して、送信信号に対する最終的な到着時間推定値を求める。
【発明の効果】
【００２０】
我々のＴＯＡ推定法では、２段階ＴＯＡ推定の計算の複雑さが減少しているのに、最適解に非常に近い推定を行なうことができることを、理解できるであろう。すなわち、本方法は元の問題のＣＲＬＢを近似的に実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１．
信号モデル
【００２２】
図２Ａは、この発明の実施の形態１で使用されるＳＩＭＯシステム２００を示す。本システムは１個の送信機とアンテナ２０１、およびそれぞれが１個のアンテナを有するＮ個の受信器２０２〜２０３とを含む。典型的には、受信器の複数のアンテナは、一対の隣接するアンテナ間の最大距離を光速で除算した値が送信信号の符号（ｓｙｍｂｏｌ）持続時間より実質的に小さくなるように、近似的に互いに関連して配置される。従って、ｉ番目アンテナのベースバンド受信信号を、ｉ  ＝  １，…，Ｎに対して、次式（４）のように表すことができる。
【００２３】
【数１３】
0005408966.tif 000014
【００２４】
ここで、ｓ（ｔ）は送信信号のベースバンド表示であり、αｉはｉ番目の受信器の受信信号のチャンネル係数、τは信号を送信後の到着時間ＴＯＡ、および
ｎｉ（ｔ）は零平均およびスペクトル密度すなわち分散（ｖａｒｉａｎｃｅ）
【数１４】
0005408966.tif 000015
の複素数白色ガウス雑音プロセスである。異なる受信器ブランチ（分岐部）のノイズプロセスは独立している。
【００２５】
異なるアンテナでの受信信号に対して異なるチャンネル係数を測定できるように、全てのアンテナ対の間には、信号波長に匹敵する、十分な分離がある。これは、総てのチャンネル係数が同じである、図１Ａの従来の整相列構造と異なっている。
【００２６】
ＳＩＭＯシステム２００に対する測距は、図２Ｂに示すように、Ｎ個の受信器２０２〜２０３での受信信号２１０〜２２０からＴＯＡτ２６０を推定する。チャンネル係数ベクトル
【数１５】
0005408966.tif 000016
は未知である。従って、チャンネルベクトルもまた、推定される必要がある。
【００２７】
複素チャンネル係数のベクトルがｉ＝１，…，Ｎに対して
【数１６】
0005408966.tif 000017
であれば、未知の信号パラメータのベクトルを
【数１７】
0005408966.tif 000018
と表すことができる。ここで、
【数１８】
0005408966.tif 000019
はチャンネル係数の強度ベクトルであり、また、
【数１９】
0005408966.tif 000020
はチャンネル係数位相ベクトルである。
【００２８】
式（４）から、未知の信号パラメータ
【数２０】
0005408966.tif 000021
の対数尤度関数は次式（５）として表すことができる。
【００２９】
【数２１】
0005408966.tif 000022
【００３０】
ここで、ｋは対数尤度関数
【数２２】
0005408966.tif 000023
から独立している項を表し、また、Ｔは信号ｓ（ｔ）の持続時間である。式（５）からパラメータに対する最大尤度（ＭＬ）推定値を次式（６）として得ることができる。
【００３１】
【数２３】
0005408966.tif 000024
【００３２】
ここで、Ｅは信号ｓ（ｔ）２０４のエネルギーであり、また
【数２４】
0005408966.tif 000025
は信号ｓ（ｔ）２０４の複素共役である。複素数ｚに対して、Ｒ（ｚ）は複素数ｚの実数部を示す。
【００３３】
バイアスされていない遅延推定値に対するＣＲＬＢを次式（７）で表すことができる。
【００３４】
【数２５】
0005408966.tif 000026
【００３５】
ここで、
【数２６】
0005408966.tif 000027
また
【数２７】
0005408966.tif 000028
そして、Ｎは受信器（それぞれが１つのアンテナを有する）の数であり、
【数２８】
0005408966.tif 000029
は受信器ｒｉでのノイズの分散である。また、Ｅは信号ｓ（ｔ）のエネルギーであり、
【数２９】
0005408966.tif 000030
は信号ｓ（ｔ）の一次導関数（微分）のエネルギーである。信号ｓ（ｔ）の導関数（微分）は
【数３０】
0005408966.tif 000031
として表され、また、ｓ（ｔ）の複素共役は
【数３１】
0005408966.tif 000032
として表される。
【００３６】
式７は、
【数３２】
0005408966.tif 000033
がＴＯＡ推定精度限界値を既知および未知のチャンネル係数に対して同じになるように、ｓ（ｔ）を選択することを含意する。換言すると、信号ｓ（ｔ）２０４が上記の条件
【数３３】
0005408966.tif 000034
を満たすならば、チャンネル状態情報が無くても、同じ推定精度を得ることができる。
【００３７】
言い換えれば、我々は、信号ｓ（ｔ）の形が
【数３４】
0005408966.tif 000035
を満たし、且つＳＩＭＯ測距の性能を改善するように、該信号ｓ（ｔ）を選択する。すなわち、我々は、送信信号とその微分値の積の積分が零となる送信信号を好む。
【００３８】
距離推定
【００３９】
一般に、式（６）の最尤推定値は（Ｎ＋１）次元空間に亘って最適化を必要とするが、それは、多数の受信アンテナを有するシナリオにおいては法外な複雑さを有し得る。
【００４０】
図２Ｂは、２段階のＴＯＡ推定器および方法２９０を示す。ＴＯＡ推定器は、アンテナの１つで受信された各信号に対して、結合チャネルおよび遅延推定を行なう。ＴＯＡは第２段階で推定される。本方法はＳＩＭＯシステムの多（複数）出力構造を利用するが、それはまた、各受信信号に対して、相関関係２３０等の個々の信号処理や、一致フィルタベースのチャンネル係数および遅延推定を容易にすることに注意すべきである。
【００４１】
推定２９０の第１ステップでは、各受信器は、式（６）によるＭＬ方法に基づいて、チャンネル係数αｉ２１１〜２２１および遅延τｉ２１２〜２２２の推定値を生成するために、送信信号ｓ（ｔ）２０４との相関関係２３０により受信信号２１０〜２２０を個別に処理する。
【００４２】
受信器ｒｉに対する受信信号ｒｉ（ｔ）の遅延の推定は、次式（８）で表すことができる。
【００４３】
【数３５】
0005408966.tif 000036
【００４４】
ここで、
【数３６】
0005408966.tif 000037
および
【数３７】
0005408966.tif 000038
はそれぞれ受信器ｒｉでの受信信号ｒｉ（ｔ）の到着時間およびチャンネル係数の位相の推定値であり、また、
【数３８】
0005408966.tif 000039
は信号ｓ（ｔ）の複素共役である。
【００４５】
そして、信号ｒｉのチャンネル係数
【数３９】
0005408966.tif 000040
の大きさの推定値は次式（９）で表される。
【００４６】
【数４０】
0005408966.tif 000041
【００４７】
ここで、Ｅは信号ｓ（ｔ）のエネルギー、
【数４１】
0005408966.tif 000042
はチャンネル係数の位相の推定、
【数４２】
0005408966.tif 000043
は受信器ｒｉでの遅延の推定値、Ｔは信号ｓ（ｔ）の持続時間である。
【００４８】
ＳＮＲ推定器２４０はノイズの分散２１３〜２２３を推定する。式（８）および（９）をｉ＝１、…、Ｎに対して解いて得られた総ての推定値およびノイズ分散２１３〜２２３の推定値は、最終的な到着時間（ＴＯＡ）推定値
【数４３】
0005408966.tif 000044
２６０を返すＴＯＡ推定ユニット３００に給送される。
【００４９】
図３に示されるように、ＴＯＡ推定プロセス３００は、重み
【数４４】
0005408966.tif 000045
３０１〜３０２を決めるために、チャンネル係数の推定値およびノイズ（雑音）分散の推定値を使用する。図３では、ｘ／ｙ操作３０５は、一般に、その操作に給送された変数の除算を示す。また、重みは加算３４０される。そして、到着時間（ＴＯＡ）推定値
【数４５】
0005408966.tif 000046
は、重み付けされた到着時間推定値３１０〜３２０を得るために、それぞれに重み
【数４６】
0005408966.tif 000047
を乗算される。重み付けされた到着時間（ＴＯＡ）推定値は加算された重みによって加算、正規化されて、最終的な到着時間（ＴＯＡ）推定値
【数４７】
0005408966.tif 000048
２６０を生成する。
【００５０】
最終的な到着時間（ＴＯＡ）推定値は、今や、測距への応用において、送信機と互いに関連して配置された受信器との間の距離を決めるために使用できる。
複数の送信機では、受信器に対する位置情報を求めるために、三辺測量を使用できる。
【００５１】
この発明の実施の形態１による２段階推定の計算の複雑さは、式（８）における最適化操作により支配される。換言すると、推定器は、Ｎ個の最適化問題の解をそれぞれ２次元空間に亘って必要とする。他方、式（６）における最適のＭＬ解は、この発明による方法よりも計算上より複雑な（Ｎ＋１）次元空間に亘る最適化を必要とする。実際、Ｎが増大するのに従って、最適解は非現実的になる。
【００５２】
我々のＴＯＡ推定法では、２段階ＴＯＡ推定の計算の複雑さが減少しているのに、最適解に非常に近い推定を行なうことができることを、理解できるであろう。すなわち、本方法は元の問題のＣＲＬＢを近似的に実現する。
【００５３】
この発明は或る好適な実施の形態１を例に挙げて説明したが、この発明の精神および範囲内で種々の他の改変および変更を行うことができることを理解すべきである。
従って、添付クレームの目的は、この発明の真実の精神および範囲に含まれるような全ての変形例および変更例をカバーすることである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】従来のＳＩＭＯ整相列（フェイズドアレイ）システムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムの従来の受信器のブロック図である。
【図２Ａ】この発明の実施の形態１によって使用されるＳＩＭＯシステムのブロック図である。
【図２Ｂ】この発明の実施の形態１による図２Ａのシステムの受信器部分のブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１による、到着時間の推定のためのシステムおよび方法を示す。
【図１Ａ】
0005408966.tif 000057
【図１Ｂ】
0005408966.tif 000058
【図２Ａ】
0005408966.tif 000059
【図２Ｂ】
0005408966.tif 000060
【図３】
0005408966.tif 000061