(57)【要約】第１局（10または20）が信号を送信し、その信号が複数の離れた位置（24Aないし24D）で第２局（20または10）により受信される無線システムを稼働させる方法と装置である。第１および第２局の一方がレーダー信号を送受信する。このレーダー信号は、他方の局が送信したかのように換算される。第２局が受信した信号は周波数領域分析により分析されて、鏡面反射の数と各鏡面反射の反射係数が計算される。換算された信号は、鏡面反射の少なくとも１つのパラメータの複数の境界を判定するために分析される。第２局でのレーダー信号の分析結果は、周波数領域分析と換算されたレーダー信号を整合して、少なくとも１つのパラメータの複数の境界を減らすために利用されて、前記少なくとも１つのパラメータの削減された境界と周波数領域分析で識別された反射の数を用いて受信信号のパラメータモデルが最適化される。
2005536735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２局を含む無線システムを稼働する方法であって、前記第１局は信号を送信し、前記第２局は複数の隔置された位置で前記送信された信号を受信し、周波数領域分析により前記受信された信号を分析して鏡面反射の数と前記各鏡面反射の反射係数を計算するステップ、前記第１および第２局の一方がレーダー信号を送受信し、前記一方の局が前記受信されたレーダー信号を他方の局により送信されたかのように換算し、前記換算された信号を分析して前記鏡面反射の少なくとも１つのパラメータの複数の境界を定めるステップと、前記第２局の前記レーダー信号の分析の結果を利用して、前記周波数領域分析からの鏡面反射と前記換算レーダー信号との整合を取ることで前記少なくとも１つのパラメータに関する前記複数の境界を減らすステップと、前記少なくとも１つのパラメータに関する削減された境界と前記周波数領域分析で識別された反射の数を用いて前記受信信号のパラメータモデルを最適化するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのパラメータが振幅であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのパラメータが時間遅延であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも２つのパラメータの複数の境界が定められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも２つのパラメータは振幅と時間遅延であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２局は、前記送信された信号を受信する複数の空間的に隔置されたアンテナを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
受信された信号（r(t)）は、anを振幅、θnを位相、τnを時間遅延、s(t)を送信された信号、n(t)をノイズ、Ｍを鏡面反射の総数とすると、以下の式、
【数１】
2005536735.tif 000012
を用いて推定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記周波数領域分析は、受信点における電力対距離プロフィールを獲得するステップと、前記電力対距離プロフィールを電力対空間周波数領域スペクトルに変換するステップと、鏡面反射による前記電力対空間周波数領域スペクトルにおける非ゼロ周波数スペクトルピークを指摘するステップと、多経路反射の前記少なくとも１つのパラメータの境界と前記電力対空間周波数領域のスペクトルから誘導された複数の反射係数を整合させて前記少なくとも１つのパラメータのより正確な複数の値を獲得するステップにより実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１および第２局を含み、前記第１局は信号を送信する手段を有し、前記第２局は複数の隔置された位置で前記送信信号を受信する手段を有し、さらに、周波数領域分析により前記受信信号を分析して鏡面反射の数と各鏡面反射の反射係数を計算する手段を含み、前記第１および第２局の一方はレーダー信号を送受信する手段を有し、前記一方の局は、前記受信されたレーダー信号が他方の局により送信されたかのように前記受信されたレーダー信号を換算する手段を有し、前記第２局は、前記換算信号を分析して前記鏡面反射の少なくとも１つのパラメータの複数の境界を判定する手段を有し、前記第２局で前記レーダー信号の分析の結果を利用して、前記周波数領域分析からの鏡面反射と前記換算されたレーダー信号を整合することで、前記少なくとも１つのパラメータに関する境界を減らす手段と、前記少なくとも１つのパラメータに関する削減された境界と前記周波数領域分析で識別された反射の数を用いて前記受信信号のパラメータモデルを最適化する手段と、を含むことを特徴とする無線システム。
【請求項１０】
前記第２局は、前記送信信号を受信する複数個の空間的に隔置されたアンテナを含むことを特徴とする請求項９に記載の無線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線システムを稼働する方法および装置に関する。具体的には、本発明は、セルラー電話システムや、アンテナを複数備えた測位システムを含む測距システムや、MIMOシステムや、アンテナを複数備えた基地局間の距離を定めるシステムや、移動受信器に具体化された上記のシステムの任意のものなどの通信システムのような無線システムにおける改良型パラメータ推定法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多経路環境においては、送信された無線信号が複数の反射面に反射されて、２つ以上の伝播経路を介して受信器で受信される。多経路の特徴は以下の２つである。（１）多経路信号は直接経路信号（または視野方向（LOS: Line of Sight）信号）より長い伝播経路を移動するので常に直接経路信号の後に到着する。（２）信号電力はいくぶん反射により喪失されるので多経路信号は通常直接経路信号よりも弱くなる。直接経路信号が妨害される場合には多経路信号の方が強力である。
【０００３】
異なる経路を介して受信された信号の多様な成分またはパラメータでは、振幅（an）、位相（θn）、遅延（τn）が異なり、複合受信信号から抽出された情報が信頼できなくなる。たとえば、信号がデータを伝達している場合、データエラー率が低下することになる。ビット率が高い伝送の場合には特にそうである。信号が距離推定に使用される場合には、距離推定の精度が劣化する。無線信号の多経路特性を特徴づける場合には、たとえば、不本意な反射を消去したり異なる経路を介して受信された信号を統合することで多経路伝播による悪影響を削減可能である。極めて高いビット率伝送を達成する多要素アンテナ（MEA）を使用するシステムもある。こうしたシステムは、無線信号の多経路特性の特性を利用している。MEAシステムは、「多要素アンテナを使用する場合のフェージング環境におけるワイヤレス通信用の多層化空間時間アーキテクチャ（Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multi-Element Antennas）」G.J. Goschini,によるベルシステムの技術ジャーナル、１９９６年秋号、第４１ないし５９頁（G.J. Foschini, Bell Systems Technical Journal, Autumn 1996, pp.41-59）に記載されている。
【０００４】
多層伝播を特徴づける１つの方法は、多経路推定遅延ロックループ（MEDLL）（たとえば、「多経路推定遅延ロックループのパーフォーマンス評価（Performance Evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop）」B. Townsend, D. J. R. van Nee, P. FentonおよびK. Van Dierendonckによる航海国立技術会議の議事録、カリフォルニア州、アナハイム、１９９５年１月１８日ないし２０日、第２２７頁ないし第２８３頁（B. Townsend, D. J. R. van Nee, P. Fentoton and K. Van Dierendonck, Proceedings of the Institute of Navigation National Technical Meeting, Anaheim, California, Jan. 18-20, 1995, pp.227-283）などのパラメータ推定技術を使用するものと、最小平均２乗推定値（NMSE）（たとえば、「多経路の克服：  ＧＰＳ精度の戦い（Conquering Multipath: The GPS Accuracy Battle）」L.R. Weill、GPS World, April 1997を使用するものがある。パラメータ推定技術では、受信信号は数値モデルで表される。このモデルは、たとえば、複数の伝播経路を介して受信された信号成分の振幅（an）、位相（θn）、遅延（τn）を表す様々なパラメータを備えており、受信信号と数値モデルの間で良好な整合が得られるまでパラメータ値は繰り返して調整される。
【０００５】
さらに、「信号電力密度のスペクトル分析を用いた多経路チャンネル特性（Multipath Channel Characteristics Using Spectral Analysis of the Signal Power Density）」S. ZeilingerとT.TaltyとMichael Chrysochoos、放送についての米国電気電子技術者学会議事録、Vo.44, No.4, １９９８年１２月、第５２７頁ないし第５３９頁（S. Zeilinger, T.Talty, Michael Chrysochoos, IEE Transactions on Broadcasting, Vol.44, No.4, December 1998, Pages 527 to 539）を参照できる。この論文には、多経路環境における間接信号を定量化する概念が解説されている。移動する乗り物の多経路環境において時間に応じて電力密度を測定して電力密度のフーリエ変換を計算することで、いくつかの仮定に基づいた反射の数ならびに各反射の反射係数が定められる。動作技術では、直接および間接フィールド間の経路差がデータが集められている時間にわたって線形でなければならず、ドップラー位相放射周波数対時間積はサンプル化されたデータ持続時間にわたっても線形でなければならない。
【０００６】
一般に、多経路伝播を特徴づける技術には、必要なパラメータが極めて多いので、効率が悪く精度が落ちる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、MMSEやMEDLなどのパラメータ推定技術で使用される複数のパラメータの推定法を改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１態様によると、第１および第２局を含む無線システムを稼働させる方法であって、この方法は、第１局は信号を送信し、第２局は複数の隔置された位置で送信された信号を受信し、周波数領域分析によって受信された信号を分析して鏡面反射の数と各鏡面反射あたりの反射係数を計算し、第１および第２局の一方がレーダー信号を送受信し、その信号が他方の局により送信されたかのように受信したレーダー信号を換算し、換算された信号を分析して鏡面反射のすくなくとも１つのパラメータの複数の境界を定めて、周波数領域分析からの鏡面反射と換算レーダー信号を整合させることで第２局でレーダー信号の分析の結果を利用して前記少なくとも１つのパラメータの複数の境界を削減し、前記少なくとも１つのパラメータの削減された境界と周波数領域分析で識別された反射の数を利用して受信した信号のパラメータモデルを最適化することからなる。
【０００９】
本発明の第２態様によると、第１および第２局を含む無線システムが提供され、前記無線システムは、第１局は信号を送信する手段を備え、第２局は複数の隔置された位置で送信された信号を受信する手段を備え、周波数領域分析により受信された信号を分析して鏡面反射の数と各鏡面反射の反射係数を計算する手段とを含み、第１および第２局の一方がレーダー信号を送受信する手段を備え、前記一方の局は受信されたレーダー信号を換算してその信号が他方の局により送信されたかのようにし、第２局は換算された信号を分析して鏡面反射の少なくとも１つのパラメータの複数の境界を定める手段を備え、さらに、第２局でのレーダー信号の分析結果を利用して、周波数領域分析からの鏡面反射と換算レーダー信号を整合させることで前記少なくとも１つのパラメータの複数の境界を削減する手段と、前記少なくとも１つのパラメータの削減された境界と周波数領域分析で識別された反射の数を用いて受信信号のパラメータモデルを最適化する手段とを含んでいる。
【００１０】
後方散乱情報と組み合わせたスペクトル分析を用いた本発明による方法では、多経路モデル化および緩和のパラメータ推定技術の改良型アルゴリズム式精度および効率を達成することが可能である。パラメータの以前の推定により、たとえばMEDLLやMMSEを用いて多経路を特徴づけると、動作が迅速になるので、より多くのパラメータをもつことになり精度がより高くなるので、MEDLLまたはMMSEによる非線形問題への正確な解決法が得られることになる。
【００１１】
本発明は、付随図面を参照しながら実施例により説明される。図面において、同じ参照番号は対応する特色を示すのに使用されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明を実施するモード
【００１３】
説明の便宜上、本発明はMEDLLを参照して説明されることになる。
【００１４】
MEDLLによると、受信器の入力端での複数の受信信号r(t)は以下のように記載できる。
【数１】
2005536735.tif 000003
ただし、anは振幅、θnは位相、τnは時間遅延、s(t)は送信信号、n(t)はノイズ、Mは鏡面反射の総数である。
【００１５】
本発明は特に、振幅（an）の一層良好な推定値と多経路成分の数（M）を使用してすべてのパラメータの推定精度を改良するとともにその処理の速度を上げるように適用される。ただし、このことに専用ではない。
【００１６】
方程式（1）では、項an, θnおよびτnは、ノイズ項n(t)を最小にすることで判定可能である。
【００１７】
MEDLLに応じてデータD(t)を受け取る状況において、ノイズ項が非ゼロガウス分配による乱数の場合、
【数２】
2005536735.tif 000004
となる。
【００１８】
結果として、信号成分と受信信号の間の平均２乗誤差は以下のようになる。
【数３】
2005536735.tif 000005
【００１９】
この式を最小にすることで、複数の解法をもつ非線形問題が得られる。
【００２０】
パラメータan, θnおよびτnの以前の推定値により、MEDLLまたはMMSEによる多経路成分の特徴づけは一層迅速になるので、より多くのパラメータ値をもつことができ、精度が一層高くなり、非線形問題への正確な解法を見つけやすくなる。
【００２１】
図１の無線システムを参照すると、第１送受信器を備えた第１無線局10が第１アンテナ14と第１処理手段16に結合されている。記憶手段18は第１処理手段16に結合され、データを一時的に記憶する。第２送受信器を備えた第２無線局20は、複数の、たとえば、４つの同じ距離に隔置された第２アンテナ24Aないし24Dに結合されている。第２処理手段26は第２送受信器22に結合され、第２記憶手段26は第２送受信器22に結合され、第２記憶手段28は第２処理手段26に結合されて、データを一時的に記憶する。両送受信器12と22は、広帯域信号送受を用いて通信するように装備されている。図１にも例示されている第１および第２反射面40と50は、たとえば、同じまたは異なる反射係数をもつ壁である。実際には、もっと多くの反射面があるが、分かりやすくするために、図１には２つだけが示してある。
【００２２】
動作では、第１局10が全方向性信号を送信する。反射面40と50からアンテナ12に反射して戻された後方散乱S1とS2が保持されて、第１処理手段に使用されて、反射面40と50に対する第１局の位置、すなわち、距離db1/2, db2/2を判定し、第１処理手段16は全方向信号における位置情報を含んでいる。第１局が固定されると、その相対位置を繰り返して判定する必要がなくなる。第２局20では、多経路または鏡面反射の結果である全方位信号がアンテナ24Aないし24Dにより受信される。例示上の便宜のため、視野方向（LOS）信号42と２つの反射または多経路信号44と46が示してある。
【００２３】
第２処理手段26は、MEDLLなどの距離推定方程式などの適切な技術により距離を計算する。本発明による方法は、上記および他のパラメータ値の改良型推定方法に関する。
【００２４】
図２に示す流れ図は、本発明による方法を要約している。本方法は、移動受信器または多アンテナシステム用の信号電力密度のスペクトル分析を少なくとも利用することで改良型多経路推定アルゴリズムを提供する。これにより、各反射係数の値に応じて鏡面反射の数が判定される。アルゴリズムは、後方散乱S1とS2から誘導されたレーダー（または音響）信号と共に多アンテナ受信器の各アンテナで電力密度情報を使用して、多経路信号のパラメータ推定の効率または精度を改良する。この技術は環境の瞬時情報を処理して、チャンネルの知識を必要とする任意のシステムを支援する。
【００２５】
図２を参照すると、ブロック60は第１局10に関し、この第１局10は、全方向性信号を送信する第１送受信器12に関する。ブロック62は、後方散乱S1とS2式にレーダー（または音響）情報を受信し保持し、距離db1とdb2（図１）を推定し、第２局20の第２処理手段26で実行される計算で使用されるその後の全方向性信号の距離情報を含んでいる。ブロック64は、以下に述べる処理により換算される表面40と50により反射された多経路に関する。ブロック66は、換算された後方散乱から反射された多経路の振幅anと遅延τnの境界を定める第２処理手段に関する。
【００２６】
ブロック68は、直接視線信号と反射多経路信号を受信する多重アンテナ24Aないし24Dと、電力対距離のプロフィールを計算する第２処理手段26に関する。ブロック70は、たとえば、空間周波数領域へのフーリエ変換により変換された各アンテナにおけるパワー対距離プロフィールに関する。ブロック72は、鏡面反射による非ゼロ周波数で発生するデルタ関数（またはピークと呼ばれる）の変換プロフィールの吟味に関する。ブロック74は、デルタ関数の電力（または高さ）からの鏡面反射の反射係数とデルタ関数の総数から鏡面の総数M（方程式１と２）の誘導に関する。
【００２７】
ブロック76は、後方乱射とそれらの遅延（ブロック66）により見いだされた反射係数境界と電力対空間周波数領域のスペクトル分析による境界の整合に関する。ブロック78は、振幅境界数を、それらの遅延境界に整合する遅延に対していっそう正確な数値に削減することに関する。鏡面反射またはデルタ関数の総数はブロック74からは周知であり、パラメータ推定で使用可能である。ブロック80は、鏡面反射の総数から拡散背景関数を誘導することおよび正確な時点でその関数を計算に追加することに関する。
【００２８】
ブロック82は、アンテナ24Aないし24Dから選んだアンテナを使用して、レーダー（または音響）信号を送信する選択肢に関する。その後、流れ図はブロック62に進む。
【００２９】
図３を参照すると、第２局20により送信され第１局により直接信号および多経路（または鏡面反射）の形をとって受信された全方位距離信号と、局10により横方向に反射面40と50に送信されたレーダー信号とを示している。直接（またはLOS）経路の長さがd0、２つの反射経路の長さはd1、すなわち（d1A+d1B）とd2、すなわち（d2Aとd2B）である。レーダー（または音響）経路S1とS2の長さはそれぞの回転した距離db1/2とdb2/2の半分である。LOS経路d0の到着角度と反射面に垂直な線はφ1とφ2である。
【００３０】
図３から以下の式が演繹可能である。
【数４】
2005536735.tif 000006
【００３１】
こうした式は、距離dkが以下の式で表せるように一般化可能である。
【数５】
2005536735.tif 000007
ただしφkは直接経路を介して受信した信号の到着角度でありd0は直接経路距離である。到着角度φkは、図３に示すように、角度がk番目の反射経路により交差されないように直接経路とk番目の反射面に垂直な線の間の角度として定義される。
【００３２】
レーダー（または音響）信号相関関数の受信後方散乱のモデルを、第１処理手段16により、時間と振幅で測定して、そのレーダー（または音響）信号が第２局20から送信された場合に受信されると想定される反射信号を近似する。時間で測定するために、方程式（3）の各dbkが、サンプルに貢献する信号が同じ反射係数の表面を介して第２局20から移動した場合の移動距離dkと置換されている。図３に示す多経路幾何形状の分析により、第２局20により送信されk番目の反射表面を介して無線局10で受信された信号が移動する距離dkは以下のように表される。
【数６】
2005536735.tif 000008
【００３３】
振幅で測定するために、各サンプル振幅abkが、信号が同じ反射係数の表面を介して第２局20から送信される場合にサンプルがもつであろう振幅akと置換される。移動距離による減衰に対して一般に受け入れられている逆４乗の法則を用いると、abkは以下のように表される。
abk  ＝  Bμk/dbk2      ｋ＞０      （５）
ただしBは送信された後方散乱信号の振幅であり、μkは反射面の反射係数である。そしてakは以下のように表される。
ak  ＝  Aμk/dk2      ｋ＞０      （６）
ただしAは第２局20からの送信の振幅である。方程式（3）と（5）と（6）を組み合わせると、以下のようになる。
【数７】
2005536735.tif 000009
【００３４】
方程式（5）の表現と方程式（3）のdbkを置換し、方程式（6）の表現と方程式（5）のabkを置換すると、受信されたレーダー（または音響）相関関数の換算モデル、すなわち、第２局20により送信され第１局10で受信された信号を表すモデルに対する以下の式がもたらされる。
【数８】
2005536735.tif 000010
【００３５】
Rbscaled(t)は、受信した後方散乱信号と未知の値をもつパラメータから誘導されたレーダー（または音響）データと呼ばれる測定データを含む。
【００３６】
Fb(τk)は、τkおよび幅2TCで中心にピークがくる（すなわち、２重チップ幅）相関ピークである。
【００３７】
本発明による方法のより深い理解を容易にするために数値による例を以下に示す。図４は、アンテナ24Aないし24D（図１）で受信された後方錯乱の電力（縦座標）対距離（横座表）のグラフである。図５は、ｋ空間における電力密度スペクトルを得るための図４に示す電力対距離グラフのフーリエ変換を示し、非ゼロ周波数スペクトルのピークを示す。
【００３８】
D(t)は受信信号データである。
【００３９】
ΣD(t)s(t-τ) = K(t)は受信相関関数である。
【００４０】
パラメータの初期推定値を得るために、以下の計算を行う。
【数９】
2005536735.tif 000011
ただし、K(t)は距離データである。
【００４１】
この方程式はd0, φk, a0およびθ0に関して解かれる。
【００４２】
d0およびφkから、上記の方程式（7）と（4）からakとdkが得られる。
【００４３】
換算された後方散乱から、すべての成分に対するa0, φk, θ0, φk, akおよびdkの初期推定値が得られる。
【００４４】
図５に示すスペクトルのピークを吟味すると、振幅a1, ..., anの値が得られる。振幅が整合されて、スペクトル分析から誘導されたより正確な振幅値が受信信号から多経路を除去する際に使用され、視野方向（LOS: Line of Sight）信号が得られ、この信号から距離が推定できる。
【００４５】
図１に示す実施例には複数のアンテナが同じ距離に隔置されている第２局20が示されているが、これらのアンテナは必ずしも同じ距離に隔置される必要はない。他の可能性として、第２局20が１つのアンテナを備え、一定の速度で移動し、受信信号が同じ時間増分毎に空間サンプル取ることが考えられる。さらに、局10により伝播された信号は必ずしも全方向である必要はない。
【００４６】
優勢反射情報からの正確な距離と到着角度の測定に関する国際特許出願IB 02/02734（出願者の参照番号PHGB 010139）と、換算された後方散乱データからの正確な距離と到着角度の測定に関する国際特許出願IB 02/02735（出願者の参照番号PHGB 010140）を参照できる。特許出願の詳細は、参照のために本出願に組み込まれている。
【００４７】
本明細書と請求項において、各要素の前の不定冠詞「a」と「an」はこうした要素が複数個ある可能性を排除するものではない。さらに、単語「含む（comprising）‘」は、記載された要素やステップ以外の要素やステップがあることを排除するものではない。
【００４８】
本開示を読むと、他の修正は当業者には明らかであろう。こうした修正は、無線測距システムやその構成部品の設計、製造および使用で周知である他の特色を含む場合があり、これらの他の特色は、記載された特色の代わりにまたはそれに追加されて使用可能である。
【００４９】
産業上の適用分野
本発明は、セルラー電話システムや、アンテナを複数備えた測位システムを含む測距システムや、MIMOシステムや、アンテナを複数備えた基地極間の距離を定めるシステムや、移動受信器に具体化された上記のシステムの任意のものなどの通信システムなどの無線システムにおける改良型パラメータ推定法に関する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】多経路環境における無線システムの概略構成図である。
【図２】図１に示すシステムの無線局の動作に関連する流れ図である。
【図３】図１の多経路シナリオの幾何形状を示す構成図である。
【図４】図１の同じ距離に隔置されたアンテナ24Aないし24Dで受信された信号に関する距離対電力のグラフである。
【図５】非ゼロスペクトルピークを示す周波数対電力のグラフである。
【図１】
2005536735.tif 000013
【図２】
2005536735.tif 000014
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2005536735.tif 000018
2005536735.tif 000019
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