(57)【要約】【課題】検出対象となる信号が複数存在する環境において特徴検出の検出率を改善すること。異なる受信電力で複数の信号が同時に受信された場合にもそれぞれの存在を検出し、かつその特徴を認識すること。【解決手段】受信した無線信号に検出対象信号が含まれているか否かを判定する信号検出装置23は、検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量Rxαを計算する波形特徴量計算部31と、波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量Zxαをを計算する検定統計量計算部32と、各検出対象信号の検定統計量Zxα及び閾値Γを比較することで、検出対象信号各々の存否を判定する信号判定部33とを有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、検定統計量計算部が、除外されていない検出対象信号について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、信号判定部が検出対象信号の存否を判定する。【選択図】図2
2011160401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した無線信号に検出対象信号が含まれているか否かを判定する信号検出装置であって、
検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量を計算する波形特徴量計算部と、
前記波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量を計算する検定統計量計算部と、
各検出対象信号の検定統計量及び閾値を比較することで、検出対象信号各々の存否を判定する信号判定部と
を有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、前記検定統計量計算部が、除外されていない検出対象信号について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、前記信号判定部が検出対象信号の存否を判定する、信号検出装置。
【請求項２】
前記波形特徴量が、サイクリック周波数を表す周波数パラメータにより指定される二次の周期自己相関関数により表現される、請求項1記載の信号検出装置。
【請求項３】
前記検定統計量計算部は、前記波形特徴量を利用して、検出対象信号各々の周波数パラメータを含む所定の周波数範囲にわたる級数を計算することで、検出対象信号各々について検定統計量を計算する、請求項2記載の信号検出装置。
【請求項４】
前記信号判定部により、第1の検出対象信号の存在は確認されたが、第2の検出対象信号の存在は確認できなかった場合、前記検定統計量計算部は、前記第1の周波数パラメータが除外された前記所定の周波数範囲にわたる級数を再計算することで、前記第2の検出対象信号の検定統計量を再計算し、前記信号判定部は、再計算された該検定統計量と閾値を比較することで、前記第2の検出対象信号の存否を判定する、請求項3記載の信号検出装置。
【請求項５】
特定の検出対象信号の自己相関に基づいて、特定のサイクリック周波数成分を有する特定の検出対象信号が、前記無線信号から除外される、請求項3記載の信号検出装置。
【請求項６】
検出対象信号の第1の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第1の候補についての検定統計量を計算すること、及び検出対象信号の第2の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第2の候補についての検定統計量を計算することが、前記検定統計量計算部により行われ、
前記第1の候補の存否及び前記第2の候補の存否が、前記信号判定部により判定される、請求項5記載の信号検出装置。
【請求項７】
ある周波数パラメータの検定統計量が、該周波数パラメータにより指定される波形特徴量をベクトル成分とするベクトル、及び該ベクトルに対する共分散行列から算出される、請求項1ないし6の何れか1項に記載の信号検出装置。
【請求項８】
前記無線信号を受信する際の指向性を制御する指向性制御部をさらに有する、請求項1ないし7の何れか1項に記載の信号検出装置。
【請求項９】
前記無線信号の到来方向を推定する到来方向推定部をさらに有する、請求項8記載の信号検出装置。
【請求項１０】
前記指向性制御部により、何れかの方向にヌルを有する指向性を実現する処理、
前記検定統計量計算部により、検定統計量を計算する処理、及び
前記信号判定部により、検出対象信号の存否を判定する処理が、
無線信号の複数の到来方向の各々について行われる、請求項8又は9に記載の信号検出装置。
【請求項１１】
存在が確認された検出対象信号を除外した条件の下で、検定統計量を計算する処理、及び検出対象信号の存否を判定する処理が反復的に行われる、請求項10記載の信号検出装置。
【請求項１２】
前記信号判定部は、尤度比検定法により検出対象信号の存否を判定する、請求項1ないし11の何れか1項に記載の信号検出装置。
【請求項１３】
受信した無線信号に検出対象信号が含まれているか否かを判定する信号検出方法であって、
検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量を計算するステップと、
前記波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量を計算するステップと、
各検出対象信号の検定統計量及び閾値を比較することで、検出対象信号各々の存否を判定するステップと
を有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、除外されていない検出対象信号について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、検出対象信号の存否を判定する、信号検出方法。
【請求項１４】
前記波形特徴量が、サイクリック周波数を表す周波数パラメータにより指定される二次の周期自己相関関数により表現される、請求項13記載の信号検出方法。
【請求項１５】
前記検定統計量を計算するステップは、前記波形特徴量を利用して、検出対象信号各々の周波数パラメータを含む所定の周波数範囲にわたる級数を計算することで、検出対象信号各々について検定統計量を計算する、請求項14記載の信号検出方法。
【請求項１６】
第1の検出対象信号の存在は確認されたが、第2の検出対象信号の存在は確認できなかった場合、前記第1の周波数パラメータが除外された前記所定の周波数範囲にわたる級数を再計算することで、前記第2の検出対象信号の検定統計量を再計算し、再計算された該検定統計量と閾値を比較することで、前記第2の検出対象信号の存否を判定する、請求項15記載の信号検出方法。
【請求項１７】
特定の検出対象信号の自己相関に基づいて、特定のサイクリック周波数成分を有する前記特定の検出対象信号が、前記無線信号から除外される、請求項15記載の信号検出方法。
【請求項１８】
検出対象信号の第1の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第1の候補についての検定統計量を計算すること、及び検出対象信号の第2の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第2の候補についての検定統計量を計算することが、前記検定統計量を計算するステップにおいて行われ、
前記第1の候補の存否及び前記第2の候補の存否が、前記判定するステップにおいて判定される、請求項17記載の信号検出方法。
【請求項１９】
ある周波数パラメータの検定統計量が、該周波数パラメータにより指定される波形特徴量をベクトル成分とするベクトル、及び該ベクトルに対する共分散行列から算出される、請求項13ないし18の何れか1項に記載の信号検出方法。
【請求項２０】
波形特徴量を計算する前に、前記無線信号を受信する際の指向性を制御するステップをさらに有する、請求項13ないし19の何れか1項に記載の信号検出方法。
【請求項２１】
指向性を制御する前に、前記無線信号の到来方向を推定するステップをさらに有する、請求項20記載の信号検出方法。
【請求項２２】
前記指向性を制御するステップ、
前記検定統計量を計算するステップ、及び
前記検出対象信号の存否を判定するステップが、
無線信号の複数の到来方向の各々について行われる、請求項20又は21に記載の信号検出方法。
【請求項２３】
存在が確認された検出対象信号を除外した条件の下で、検定統計量を計算するステップ及び検出対象信号の存否を判定するステップが反復的に行われる、請求項22記載の信号検出方法。
【請求項２４】
前記判定するステップは、尤度比検定法により検出対象信号の存否を判定する、請求項13ないし23の何れか1項に記載の信号検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一周波数を共用する複数の無線局が存在する環境における無線局の信号検出装置及び信号検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の無線通信においては、多くの場合、互いの干渉を避けるために無線通信システムごとに専用の周波数帯が割り当てられている。しかしながら、無線通信において限られた周波数を有効に活用するために、近年では複数の通信システムにおいて同一周波数帯を利用する方法が検討されている。同一周波数帯域において複数の無線システムが共存する技術として注目を集めているコグニティブ無線技術は、無線環境を認識し、認識結果及び周波数共用のルール等に基づいて、中心周波数、信号帯域幅、ビームパターン等の送信パラメータを設定して通信を行う。特に複数の無線システムが周波数を共用する環境においては、プライマリシステムへの干渉やコグニティブシステム間の干渉を避けながらも周波数利用効率を高めるために、各コグニティブ無線機は送信開始前に無線リソースの使用状況を可能な限り正確に認識することが必要となる。
【０００３】
信号認識技術には、主に電力検出、マッチドフィルタ検出、特徴検出等がある。電力検出を用いる代表的な例としてCSMA/CA(Carrier  Sense  Multiple  Access  with  Collision  Avoidance)方式と呼ばれる衝突回避機能付きキャリア感知多重アクセス方式が知られている。これについては、例えば、非特許文献1に示されている。IEEE802.11規格等に代表される無線LANシステムで使用されるCSMA/CA方式では、データの送信を行う前に受信レベルを測定してデータ送信可否の判断を行う。また、特許文献1や非特許文献2では、信号の周期定常性の特徴量を計算することで信号の存在を検出し、各無線局は信号が検出されない場合にのみ送信を行うことで干渉を回避する技術が示されている。このような特徴検出は、信号の統計的な特性を利用する技術であり、帯域幅やフレームフォーマット等の事前情報が不要な点や、時間及び周波数の同期が不要な点等の利点を持つ。
【０００４】
これらの技術を用いることで、異なる無線通信システム間での同一周波数帯共用時にも、周囲で使用されている信号の存在を検出し、干渉が生じないと判断される場合に無線局は送信を行うことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006−222665号公報
【特許文献２】特開2008−061214号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Part  11:  Wireless  LAN  Medium  Access  Control(MAC)  and  Physical  Layer(PHY)  specifications,  ANSI/IEEE  Std  802.11,1999  Edition
【非特許文献２】A. V. Dandawate and G. B. Giannakis, "Statistical tests for presence of cyclostationarity," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 42, no. 9, Sept. 1994.
【非特許文献３】IEEE  802.22  Working  Group  of  the  LAN  MAN  Standards  Committee,"IEEE  P802.22/D0.1  Draft  Standard  for  Wireless  Regional  Area  Networks  Part  22:  Cognitive  Wireless  RAN  Medium  Access  Control(MAC)  and  Physical  Layer(PHY)  specifications:  Policies  and  procedures  for  operation  in  the  TV  bands",  The  Institute  of  Electrical  and  Electronics  Engineers,  May  2006.
【非特許文献４】菊間  信良著，アレーアンテナによる適応信号処理，科学技術出版
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献1に示される従来技術のCSMA/CA方式では、受信電力のみから信号の存在を判定するため、検出された信号がどのような信号なのかはわからない。またマッチドフィルタ検出は、受信機に検出対象となる信号のテンプレートを用意する必要があり、検出対象の信号は完全に既知である必要がある。一方、信号の統計的な特徴を検出に利用する特徴検出では、少ない事前情報で特徴の異なる信号をそれぞれ識別することが可能であるが、非特許文献2に示されるように異なる電力を持つ複数信号を受信したとき、弱信号の特徴は強信号の特徴に埋もれてしまい、弱信号の検出率が著しく低下する問題がある。
【０００８】
本発明の一般的な課題は、検出対象となる信号が複数存在する環境において特徴検出の検出率を改善する信号検出装置及び信号検出方法を提供することである。より具体的な課題は、異なる受信電力で複数の信号が同時に受信された場合にもそれぞれの存在を検出し、かつその特徴を認識するための信号検出装置及び信号検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、受信した無線信号に検出対象信号が含まれているか否かを判定する信号検出装置が使用される。信号検出装置は、
検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量を計算する波形特徴量計算部と、
前記波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量を計算する検定統計量計算部と、
各検出対象信号の検定統計量及び閾値を比較することで、検出対象信号各々の存否を判定する信号判定部と
を有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、前記検定統計量計算部が、除外されていない検出対象信号について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、前記信号判定部が検出対象信号の存否を判定する、信号検出装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による信号検出装置及び信号検出方法によれば、検出対象となる信号が複数存在する環境において特徴検出の検出率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】複数の無線局による周波数共用環境の概念図。
【図２】本発明の第1実施例による無線局を示すブロック図。
【図３】本発明の第1実施例による信号検出装置を示すブロック図。
【図４】波形特徴量の一例を説明するための図。
【図５】本発明の第1実施例による信号検出装置の動作を示すフローチャート。
【図６】本発明の第2実施例による無線局を示すブロック図。
【図７】本発明の第2実施例による信号検出装置を示すブロック図。
【図８】本発明の第2実施例による信号検出装置の動作を示すフローチャート。
【図９】本発明の第3実施例による信号検出装置を示すブロック図。
【図１０】本発明の第3実施例による信号検出装置の動作を示すフローチャート。
【図１１】本発明の第4実施例による無線局を示すブロック図。
【図１２】本発明の第4実施例による信号検出装置の動作を示すフローチャート。
【図１３】第4実施例において対象の候補各々の検定統計量を算出する様子を示す図。
【図１４】第4実施例との比較のため第1実施例による方法を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（1）本発明の一形態では、受信した無線信号に検出対象信号（s1，s2，...）が含まれているか否かを判定する信号検出装置（23，63）が使用される。信号検出装置は、
検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量（CAF，Rxα1（0），Rxα2（0），...）を計算する波形特徴量計算部（31，74）と、
前記波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量（Zxα1，Zxα2，...）を計算する検定統計量計算部（32，75）と、
各検出対象信号の検定統計量及び閾値（Γ）を比較することで、検出対象信号各々の存否を判定する信号判定部（33，76）と
を有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、前記検定統計量計算部が、除外されていない検出対象信号について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、前記信号判定部が検出対象信号の存否を判定する、信号検出装置である。
【００１３】
「特定の検出対象信号を除外した条件」の下で、検定統計量を計算し、計算された検定統計量に基づいて検出対象信号の存否が判定される。これにより、特定の検出対象信号に起因して検出が困難な信号を、的確に検出することができる。例えば、受信レベルが高い信号の存在を確認した後、その信号を除外することで、受信レベルが低い他の信号の存否を確認できるようになる。あるいは、N個の候補の内、対象の候補以外の（N−1）個の候補を受信信号から除外した信号に基づいて、対象の候補の検定統計量を算出することで、対象の信号の存否を直接的に確認してもよい。
【００１４】
（2）前記波形特徴量は、サイクリック周波数を表す周波数パラメータにより指定される二次の周期自己相関関数（CAF）により表現されてもよい。
【００１５】
（3）前記検定統計量計算部は、前記波形特徴量を利用して、検出対象信号各々の周波数パラメータ（α1，α2，...）を含む所定の周波数範囲にわたる級数（Σxα，FI0,0（ω））を計算することで、検出対象信号各々について検定統計量を計算してもよい。このような検定統計量は、検出対象信号の存否を、尤度比検定法又は一般化尤度比検定法（Generalized  likelihood  ratio  test,  GLRT）により判定する際に好ましい。
【００１６】
（4）前記信号判定部により、第1の検出対象信号の存在は確認されたが、第2の検出対象信号の存在は確認できなかった場合、前記検定統計量計算部は、前記第1の周波数パラメータが除外された前記所定の周波数範囲にわたる級数を再計算することで、前記第2の検出対象信号の検定統計量を再計算し、再計算された該検定統計量と閾値を比較することで、前記信号判定部は前記第2の検出対象信号の存否を判定してもよい。
【００１７】
これは、既に検出した信号を計算式から除外することで、上記の信号検出装置における「特定の検出対象信号を除外した条件」を実現する観点から好ましい。
【００１８】
（5）特定の検出対象信号の自己相関に基づいて、特定のサイクリック周波数成分を有する前記特定の検出対象信号が、前記無線信号から除外されてもよい。
【００１９】
（6）検出対象信号の第1の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第1の候補についての検定統計量を計算すること、及び検出対象信号の第2の候補以外の信号が前記無線信号から除去された条件の下で、前記第2の候補についての検定統計量を計算することが、前記検定統計量計算部により行われ、前記第1の候補の存否及び前記第2の候補の存否が、前記信号判定部により判定されてもよい。
【００２０】
フィルタにより所望の候補以外の信号成分を抑制することで、所望の候補の存否を的確に判定することができる。このような処理を候補の数だけ並列的に行うことで、すべての候補の信号の存否を速やかに判定することができる。
【００２１】
（7）ある周波数パラメータ（α0）の検定統計量が、該周波数パラメータにより指定される波形特徴量をベクトル成分とするベクトル（rxα0≡（Re{Rxα0（0）}，Im{Rxα0（0）}））、及び該ベクトルに対する共分散行列（Σxα0）から算出されてもよい。このような検定統計量は、検出対象信号の存否を、尤度比検定法又は一般化尤度比検定法（GLRT）により判定する際に好ましい。
【００２２】
（8）信号検出装置は、前記無線信号を受信する際の指向性を制御する指向性制御部をさらに備えていてもよい。
【００２３】
これは、空間的な指向性を制御することで、上記の信号検出装置における「特定の検出対象信号を除外した条件」を実現する観点から好ましい。
【００２４】
（9）信号検出装置は、前記無線信号の到来方向を推定する到来方向推定部をさらに備えていてもよい。これは、特定の方向から到来する信号にヌルを向ける指向性制御を行う観点から好ましい。
【００２５】
（10）前記指向性制御部により、何れかの方向にヌルを有する指向性を実現する処理、前記検定統計量計算部により、検定統計量を計算する処理、及び前記信号判定部により、検出対象信号の存否を判定する処理が、無線信号の複数の到来方向の各々について行われてもよい。指向性を変更することで、受信信号に含まれる信号の種類を変更し、様々な信号を検出する観点から好ましい。
【００２６】
（11）存在が確認された検出対象信号を除外した条件の下で、検定統計量を計算する処理、及び検出対象信号の存否を判定する処理が反復的に行われてもよい。これは、特定の方向の信号が抑制されていた場合であっても、依然として受信電力が異なる複数の信号が受信信号に含まれている場合に有利である。
【００２７】
（12）前記信号判定部は、尤度比検定法により検出対象信号の存否を判定してもよい。
【００２８】
（13）本発明の一形態では、受信した無線信号に検出対象信号が含まれているか否かを判定する信号検出方法が使用される。信号検出方法は、
検出対象信号各々について、波形の特徴を示す波形特徴量を計算するステップと、
前記波形特徴量を利用して、各検出対象信号の検定統計量を計算するステップと、
各検出対象信号の検定統計量及び閾値を比較することで、検出対象信号各々の存否を判定するステップと
を有し、特定の検出対象信号を除外した条件の下で、前記検定統計量計算部が、除外されていない検出対象信号各々について検定統計量を計算し、計算された検定統計量及び閾値を比較することで、前記信号判定部が検出対象信号の存否を判定する、信号検出方法である。
【００２９】
本発明の様々な形態によれば、異なる無線通信システム間で同一の周波数帯域が共用されている場合であっても、無線局は、周囲で使用されている複数の信号の存在を高精度に検出し、干渉が生じないと判断される場合に限り送信を行うことで、効率的な周波数共用を実現することができる。
【００３０】
以下の観点から本発明の実施例を説明する。
【００３１】
1.  第1実施例
1.1    システム
1.2    無線局及び信号検出装置
1.2.1      波形特徴量計算部
1.2.2      検定統計量計算部
1.2.3      信号判定部
1.2.4      繰り返し検出制御部
1.3    動  作
2.  第2実施例
2.1    無線局及び信号検出装置
2.2    動  作
3.  第3実施例
3.1    信号検出装置
3.2    動  作
4.  第4実施例
4.1    信号検出装置
4.2    動  作
4.3    動作の比較
【実施例１】
【００３２】
＜1.1  システム＞
図1は、複数の無線局による周波数共用環境の概念図を示す。無線局Ａ，Ｂ，Ｃは同一のシステムに属していてもよいし、異なるシステムに属していてもよい。いずれにせよ、各無線局は、同じ周波数帯域に属する一部の帯域を利用して無線通信を行う。例えば、無線局Ａは相手方無線局Ａ'と通信を開始しようとしており、このとき他の無線局Ｂ、Ｃはそれぞれ他の無線局、Ｂ'、Ｃ'と通信中であるかもしれない。同一周波数帯を共用する無線局間の干渉を避けるため、無線局Ａ，Ａ'は、他の無線局が使用していない周波数を使用しなければならない。無線局Ａは、後述の信号検出装置によって他の無線局Ｂ、Ｃの信号の有無を検出し、信号が検出されないリソース（時間、周波数、場所等）を用いて通信を行う。このように、通信状況に応じてリソースの割り当てを動的に制御することで、リソースの利用効率を向上させることができる。
【００３３】
＜1.2  無線局及び信号検出装置＞
図2は本発明の第1実施例による無線局11のブロック図である。無線局は、アンテナ21、送受分離部22、信号検出装置23、送信制御部24、データ変調部25、信号生成部26及びデータ復調部27を有する。無線局のアンテナ21に入力された信号は送受分離部22を介して信号検出装置23に入力される。以下において詳細に説明するように、信号検出装置23は、受信信号内に考慮すべき信号（検出対象信号）が含まれているか否かを検出する。送信制御部24は、信号検出部23による検出結果に基づいて信号送信の可否を決定し、送信して良い場合、送信する際に使用するパラメータ等(データ変調方式、周波数リソースブロック、送信電力等)を決定する。決定されたパラメータは、データ変調部25に通知される。無線局からの送信データは、データ変調部25により変調され、信号生成部26により無線信号に変換される。実際には、データ変調だけでなく、チャネル符号化やインターリーブ等の処理が行われることは、当業者に自明であろう。送信制御部24から通知されたパラメータに従って生成された送信信号は、送受分離部22を経てアンテナ21から送信され、無線局の通信相手となる相手方無線局に届けられる。相手方無線局との通信を開始した後は、アンテナ21により受信された信号はデータ復調部27により復調され、相手方無線局からの受信データが得られる（実際には、データ復調だけでなく、チャネル復号化やデインタリーブ等も行われる。）。
【００３４】
図3は、図2の無線局の信号検出装置23の詳細を示す。信号検出装置23は、波形特徴量計算部31、検定統計量計算部32、信号判定部33及び繰り返し検出制御部34により構成される。
【００３５】
＜1.2.1  波形特徴量計算部＞
波形特徴量計算部31は、アンテナ21に入力された信号（すなわち、受信信号）について波形特徴量を計算する。波形特徴量とは、信号波形の持つ統計的な特性に関する情報であり、二次の周期自己相関値によって得られる周期定常性や、信号振幅の分散値、周波数相関値等が利用されてもよい。
【００３６】
以下、波形特徴量について説明する。
【００３７】
信号の波形は、中心周波数、周波数帯域幅、送信電力、変調方式、送信情報シンボル等の様々なパラメータによって決定されるものであり、逆に言えば信号波形には上記のようなパラメータの特徴が含まれている。例えば、上記の特許文献1や非特許文献2の場合、信号の周期自己相関値（CAF：Cyclic  Autocorrelation  Function）を計算することで、信号の持つ周期定常性の特徴量から信号の存否が検出されている。この場合、信号に用いられている変調方式等に起因して、ある固有のパラメータが周期自己相関値の計算に使用された場合にのみ信号の周期自己相関値の値が大きくなる、という特徴を利用している。また、特許文献2では、同一の変調方式を用いる信号に対して異なる周期定常性の特徴量を付与する手段が提案されている。これらは一例に過ぎず、信号波形の特徴を表す特徴量は、信号の相関値や統計値等のような様々な観点から表現することができる。
【００３８】
図4は、信号の特徴量の一例として、フィルタの影響によって生じる周期定常性の特徴量を説明するための図である。図4の（1）は、理想フィルタを用いて帯域制限を行った帯域幅Ｂ［Ｈｚ］の信号の周波数スペクトルを表す。理想フィルタを用いた場合、周波数スペクトルを矩形とすることができるが、実際にはそのような急峻なスペクトルを実現することは難しいために、通常はある程度緩やかな周波数スペクトルを有するフィルタが帯域制限用に用いられる。図4の（2）は通常の現実的なフィルタを用いて帯域制限を行った場合の周波数スペクトルを表している。図4の（2）に示すように、理想フィルタを用いた場合に比較して、通常に用いられている帯域制限フィルタでは周波数帯域が広がる。この広がった周波数帯域において、右側に広がったＰで示される領域は、左側のＰ'で示される領域と同一の信号成分を有し、左側に広がったＱ'で示される領域は、右側のＱと同一の信号成分を有するという性質がある。したがって、図4の（2）の信号をＢ［Ｈｚ］だけ周波数シフトした信号（3）におけるＰ'の部分は（2）のＰと同一信号成分となり、（3）のＱ'の部分は（2）のＱと同一信号成分となるために高い相関値をもたらす。
【００３９】
このように、フィルタにより帯域制限された信号は、元の信号と元の信号を周波数シフトした信号との間で相関（周期自己相関）が生じる。この相関値が、波形の特徴量になる。図示の例では、ある信号とその信号を周波数方向にシフトした信号との相関が考察されたが、同様に時間方向にシフトすることも考えられる。本実施例では、このような相関値を利用して信号存否の判断基準（後述の検定統計量）を計算し、受信信号内に何らかのシステムの信号が含まれているか否かを検出する。
【００４０】
ある信号とその信号を何らかの方向にシフトした信号との相関値を計算することで導出される周期定常性以外に、波形特徴量として利用可能な統計量として、信号振幅の分散値、すなわち二次キュムラント(Second  order  Cumulant)がある。概して二次キュムラントは振幅のとり得る値の分散に相当する。例えば、OFDM信号のようなピーク電力対平均電力比(PAPR)が非常に高い信号と、シングルキャリア信号のような定包絡線信号や雑音等とでは二次キュムラントの値が大きく異なる。前者は様々な振幅値をとるので分散が大きく、後者の分散は比較的小さい。このような性質を利用することで、受信信号中にOFDM信号が含まれているか否かを検出することができる。
【００４１】
周期定常性、二次キュムラント以外に波形特徴量として利用可能な統計量として、信号の周波数相関特性等も同様に利用可能である（非特許文献3）。周波数相関特性の場合には、OFDM等のマルチキャリア信号の持つサブキャリア周波数成分に信号電力の偏りを付与し、本発明の制御装置を具備する無線局では受信信号の周波数相関値を計算し、そのピークの値やピーク数、複数ピーク間の周波数間隔等を波形特徴量として検出することが可能である。
【００４２】
このように信号波形の特徴を表す波形特徴量は、信号の相関値に基づいてもよいし、分散等の統計値に基づいてもよい。しかしながら、説明の便宜上、以下に説明する例では、図3の波形特徴量計算部31は、二次の周期自己相関関数（CAF）により表現された波形特徴量を算出するものとする。
【００４３】
以下、本実施例の説明に使用される数式を示す。
【００４４】
信号x（t）に対する二次の周期自己相関関数（CAF）は、以下の数式により表現される。
【００４５】
【数１】
2011160401.tif 000003
ここで、＊は複素共役を表す。Iは観測時間長を表す。αはサイクリック周波数（cyclic  frequency）を表す。τはラグパラメータ（lag  parameter）を表す。
【００４６】
CAFに関し、一般に、α≠0のときにRxα（τ）≠0ならば、x（t）は周期定常性を有する。
【００４７】
また、式（1）の離散時間表現は次のようになる。
【００４８】
【数２】
2011160401.tif 000004
ここで、I0は観測サンプル数を表す。νはラグパラメータの離散時間表現を表す。なお、x[i]≡x（iTs）であり、Tsはサンプリング周期を表す。
【００４９】
式（2）のCAFに関し、推定値~Rxα（ν）、真値Rxα（ν）、及び推定誤差Δxα（ν）の間には次式が成り立つ。
【００５０】
【数３】
2011160401.tif 000005
推定誤差Δxα（ν）は、観測サンプル数I0が十分に多い場合、0になる。
【００５１】
CAFのピークは、あるサイクリック周波数αについて、ν＝0のときに生じる。そこで、受信信号x（t）に含まれている可能性のある信号のサイクリック周波数をα0とし、サイクリック周波数α0におけるCAF推定値（ν＝0）をベクトル成分とする1×2型のベクトル（候補ベクトル）を次のように定義する。
【００５２】
【数４】
2011160401.tif 000006
ここで、Re{}及びIm{}はそれぞれ引数の実部及び虚部を表す。
＜1．2．2  検定統計量計算部＞
図3の検定統計量計算部32は、波形特徴量計算部31において得られた波形特徴量の値を用いて、検定統計量を計算する。検定統計量は、検出対象となる信号が受信信号に含まれているか否かを判断するための量である。したがって、検定統計量は様々な量で表現することが可能である。例えば、検定統計量として、ある特定のパラメータ（特に、サイクリック周波数）における波形特徴量の値そのものが使用されてもよい。あるいは、後述するように、様々な波形特徴量の寄与を含む共分散とある特定の波形特徴量とを用いて導出された値等が、検定統計量として利用されてもよい。本実施例では、一例として、次の検定統計量Zxα0が使用される。
【００５３】
【数５】
2011160401.tif 000007
ここで、~rxα0は上記の候補ベクトルを表し、（）'は転置を表す。~Σxα0は候補ベクトルの共分散行列（covariance  matrix）の推定値を表し、以下の数式により算出される。
【００５４】
【数６】
2011160401.tif 000008
ここで、cum（）はキュムラントを表し、fν[i]≡x[i]x[i＋ν]である。W(s)は、規格化されたスペクトルウインドウを表し、Lは奇数であるとする。
【００５５】
＜1.2.3  信号判定部＞
信号判定部33は、検定統計量計算部32において得られた検定統計量の値Zxα0と、あらかじめ決定されている閾値Γの値とを比較することで、検出対象となる信号（サイクリック周波数がα0である信号）がアンテナに入力された信号に含まれているかどうかを判定する。判定は例えば、「尤度比検定」や「一般化尤度比検定（GLRT：  Generalized  likelihood  ratio test）」等のような統計的な検定法により行われてもよい。これらの検定法は、観測信号があるサイクリック周波数において周期定常性を持たない場合には検定統計量の分布はカイ2乗分布に収束する、という特性を利用する。検定統計量の分布がカイ2乗分布に収束しない場合、すなわち検定統計量の分布が正規分布に収束する場合、観測信号は、あるサイクリック周波数において周期定常性を持つと考えられる。したがって、検定統計量Zxα0が閾値Γを超えた場合には検出対象となる信号がアンテナに入力された信号に含まれていると判定することができる。このとき閾値は、有意水準から任意に決定することができる。有意水準又は誤警報率は、検出対象となる信号が実際には受信信号に含まれていないのに含まれていると誤って判定してしまう確率の値に設定される。例えば、有意水準5％の場合、検出対象となる信号が実際には受信信号に含まれていないのに含まれているものと誤って認識してしまう確率の上限が5％である。
【００５６】
検出対象の信号が2種類の場合も上記と同様の方法で検出することが考えられる。例えば、サイクリック周波数がα0である信号及びα1である信号が、受信信号に含まれている可能性があるとする。サイクリック周波数α0の信号に関する検定統計量Zxα0が、閾値Γを超えるか否かに基づいて、サイクリック周波数α0の信号の存否を判断し、同様に、サイクリック周波数α1の信号に関する検定統計量Zxα1が、閾値Γを超えるか否かに基づいて、サイクリック周波数α1の信号の存否を判断することが考えられる。検出対象の2種類の信号がそれぞれ同程度に強い信号であった場合、この方法で各信号の存否を検出できる。何れの信号についても検定統計量が閾値を超えるほど大きくなり得るからである。しかしながら、アンテナに入力された信号に含まれている2種類の信号が、それぞれ異なる電力で受信されていた場合、弱い信号は検出されにくくなる。受信信号に検出対象の信号が含まれない場合又は無視できるほど小さいレベルでしか含まれていなかった場合、その信号に対する検定統計量の値は閾値を超えにくくなってしまうからである。この問題に対処するため、本実施例では、繰り返し検出制御部34を用意している。
【００５７】
＜1.2.4  繰り返し検出制御部＞
繰り返し検出制御部34は、信号判定部33の判定結果を検定統計量計算部32にフィードバックし、未検出の信号に対する検定統計量が再計算されるようにする。再計算された検定統計量に基づいて、信号判定部33は未検出の信号の検出を試みる。具体的には、一度検出された強い信号の影響を、未検出の弱い信号の統計検定量の計算から除去することで、検出済みの強い信号の影響を排除し、未検出の信号の存否を的確に行うようにする。このような処理を繰り返し行うことで、受信信号中の特定の信号を、受信電力によらず検出できるようにする。以下、この動作原理を詳細に説明する。
【００５８】
説明の簡明化のため、アンテナに入力された受信信号x（t）が、検出対象の信号s0（t）及びs1（t）を含み、信号s0は弱信号であり、信号s1は強信号であったとする。
【００５９】
x（t）＝s0（t）＋s1（t）
信号s0はサイクリック周波数α0の周期自己相関性を有する信号であり、信号s1はサイクリック周波数α1の周期自己相関性を有する信号である。α0とα1の間には、
α1＝α0＋Δα 
という関係が成り立つものとする。観測サンプル数I0が非常に多い場合（I0→∞）、受信信号x（t）のα＝α0におけるCAF値Rxα0（0）は、Rs0α0（0）に等しくなる。Rs1α0（0）が零に近づくからである。しかしながら、観測時間長は有限なので、Rxα0（0）≠Rs0α0（0）である。
【００６０】
ところで、α＝α1の周期定常性を有する強信号s1のCAFピークは、弱信号s0の検定統計量の計算（具体的には、共分散行列の推定値~Σxα0の計算）に影響を及ぼす。例えば、式（16）及び（17）によれば、α＝α0の周期定常性を有する弱信号s0の検定統計量Zxα0＝I0（~rxα0）（~Σxα0）-1（~rxα0）'を算出する際、関数FI0,0（・）の計算をしなければならない。関数FI0,0の引数は、α0だけでなく、様々な値をとり、α0＋Δα＝α1  になる場合もある。したがって、弱信号s0の検定統計量Zxα0は、強信号s1による寄与に起因して小さな値になり、弱信号s0の検出は困難になる（強信号s1の検出が容易であることはいうまでもない。）。
【００６１】
上述したように、強信号s1のCAF値Rs1α（0）は、α≠α1であって観測サンプル数I0が十分に多い場合（I0→∞）、零に近づく。したがって、観測サンプル数I0が十分に多い場合、次のように考えることができる。
【００６２】
【数７】
2011160401.tif 000009
本実施例では、反復計算の1回目に強信号s1の存在を検出した後、弱信号s0の検定統計量Zxα0＝I0（~rxα0）（~Σxα0）-1（~rxα0）'を、強信号s1の影響を除去しながら計算し直す。具体的には、式（18）に示されるような量を計算する際、検出済みの強信号s1による寄与FI0,0（α1）≒Rs1α1（0）を強制的に零に設定する。このようにして導出された弱信号s0の検定統計量Zs0α0は、強信号s1の寄与を含んでいないので、受信信号x（t）に信号s0が含まれていれば、大きな値をとる。したがって、信号s0の受信電力が弱かったとしても、信号s0の存在を検出することができる。このように繰り返し検出制御部34は、検定統計量計算部32に制御信号を送り、既に検出された強い信号の影響が、未検出の弱い信号の統計検定量の再計算から除去されるようにする。
【００６３】
＜1.3  動作＞
図5は、信号検出装置の動作を示したフローチャートである。ステップS501において、無線局のアンテナを通じて信号x（t）が受信される（S501）。受信信号x（t）は、無線局の検出対象の信号を含み、例えば、信号s1、s2、...、sMのM種類が検出対象の信号であるとする。説明の便宜上、M=3とする。
【００６４】
ステップS502では、波形特徴量計算部31が、受信した信号の波形特徴量を計算する。本実施例では、検出対象の信号は、二次の周期自己相関関数（CAF）による特徴を有する。信号s1はサイクリック周波数α1の周期性を有し、信号s2はサイクリック周波数α2の周期性を有し、信号s3はサイクリック周波数α3の周期性を有するものとする。
【００６５】
ステップS503では、検定統計量計算部32が、検出対象となる信号各々のパラメータ（具体的には、サイクリック周波数）について検定統計量を計算する。信号s1に対して検定統計量Zα1nが計算され、信号s2に対して検定統計量Zα2nが計算され、信号s3に対して検定統計量Zα3nが計算される。ｎは反復回数を示す。検定統計量は、例えば、Zαn＝I0（~rxα）（~Σxα）-1（~rxα）'のような量でもよいし、他の量で表現されてもよい。
【００６６】
ステップS504では、信号判定部33が検定統計量と閾値を比較することで、受信した信号の中に検出対象となる信号が含まれているかを判定する。前述の具体例では、検定統計量Zα1n、Zα2n、Zα3nを閾値Γとそれぞれ比較し、検定統計量が閾値を上回った場合にはその検定統計量と関連する信号が含まれていると判定される。ここで、閾値Γの値は、前述のように検定の有意水準から決定される。検出対象となる信号がアンテナに入力された信号に実際には含まれていないのに含まれていると誤って判定してしまう確率（誤警報率）をどれくらいまで許容するかを決め、その確率に対応する検定統計量の値が閾値Γとして採用されてもよい。閾値を超える検定統計量が存在しなかった場合、フローはステップS506に進み、終了する。閾値を超える検定統計量が存在していた場合、フローはステップS505に進む。
【００６７】
一例として、反復計算の1回目（n＝1）において、信号s1の検定統計量Zα1nは閾値Γを超えているが、他の検定統計量は閾値未満であったとする。
【００６８】
Zα1n=1≧Γ
Zα2 n=1＜Γ
Zα3 n=1＜Γ
従来の方法では、信号s1しか検出できず、信号s2、s3はたとえ存在していたとしても、検定統計量が閾値未満なので検出できない。これに対して、本実施例では、フローはステップS505に進み、弱信号の検出を可能にする。
【００６９】
ステップS505では、繰り返し検出制御部34が、制御信号を検定統計量計算部32に送る。制御信号は、既に検出された信号が何であるかを示し、検定統計量計算部32が検出対象の信号各々について検定統計量を再計算する際、既に検出した信号の影響を排除できるようにする。目下の例の場合、繰り返し検出制御部34は、信号s1が既に検出されていることを検定統計量計算部32に通知する。そして、フローはステップS502に戻る。ステップS502では、検定統計量計算部32が検定統計量を再計算する。目下の例の場合、未検出の信号s2及びs3に対する検定統計量Zα2n=2及びZα3n=2が再計算される。検出済みの信号s1についての検定統計量Zα1n=2の計算は不要である。再計算された検定統計量Zα2n=2及びZα3n=2は、既に検出された信号s1による寄与を含んでいない。これは、例えば、共分散行列要素を計算する際、サイクリック周波数α1に関する寄与を零に強制することで行われる。例えば、式（16）及び（17）において、FI0,0（α1）は零に強制される。したがって、FI0,0（α）は、α＝α2のときにRs2α2（0）、α＝α3のときにRs3α3（0）となり、その他のαの値については0になる。この点、式（18）の近似と異なる。なぜなら、式(18)の近似にしたがえば、FI0,0（α）は、α＝α1のときにRs1α1（0）となるからである。このようにして再計算された検定統計量Zα2 n=2及びZα3 n=2は、検出済みの信号の寄与を含んでいないので、未検出の信号の存否を的確に判断することができる。反復計算の1回目ではZα2 n=1＜Γ  であったが、2回目では、Zα2 n=2≧Γ  となる可能性が増える。同様に、反復計算の1回目ではZα3 n=1＜Γ  であったが、2回目では、Zα3 n=2≧Γ  となる可能性が増える。
【００７０】
ステップS504において、信号判定部33は、再計算された検定統計量Zα2 n=2及びZα3 n=2を閾値Γとそれぞれ比較し、検定統計量が閾値を上回った場合にはその検定統計量と関連する信号が含まれていると判定する。以後、閾値を超える検定統計量がなくなるまで、検定統計量の計算S503、信号存否の判定S504及び検出済みの信号排除S505の処理が反復される。
【００７１】
このように第1実施例では、異なる無線通信システム間で同一の周波数帯域が共用されている場合でも、無線局は、周囲で使用されている複数の信号の存在を高精度に検出し、干渉が生じない場合に限り、送信を行う。これにより、効率的な周波数共用が実現可能となる。特に、検出対象の信号が複数存在する場合、一度検出された信号の影響を排除しながら信号検出処理を反復することにより、信号電力が小さい信号についてもその存在を検出しやすくなる。これにより、無線局は他の通信への干渉を低減しつつ適切に通信を行うことが可能となる。
【実施例２】
【００７２】
＜2.1  無線局及び信号検出装置＞
図6は本発明の第2実施例による無線局11のブロック図である。無線局は、複数のアンテナ61、送受分離部62、信号検出装置63、データ復調部64、データ変調部65及び信号生成部66を有する。本無線局の複数のアンテナ61に入力された信号は、それぞれ送受分離部62を介して信号検出装置63に入力される。ここで送受分離部62は、複数のアンテナからの信号を合成する信号合成機能と、信号生成部66が生成した信号を複数のアンテナに分配する信号分配機能とを備えていてもよい。或いは信号合成及び信号分配は送受分離部62とは別に、それぞれ信号生成部66及びデータ復調部64で実行されてもよい。また、非特許文献4に示されるように、複数のアンテナを用いて特定の方向からの信号を受信する、もしくは特定の方向に向けて信号を送信するために、送受分離部62は、各アンテナの送信信号や受信信号を重み付けするウェイト制御機能を有する。
【００７３】
信号検出装置63は、受信信号内に考慮すべき信号が含まれているか否かを検出し、検出結果に基づいて信号送信の可否を決定し、送信して良い場合、信号を送信する際に使用するパラメータ等(データ変調方式、周波数リソースブロック、送信電力等)を決定する。
【００７４】
図7は、図6の無線局の信号検出装置の詳細を示す。信号検出装置は、ウェイト制御部71、信号加算部72、到来方向推定部73、波形特徴量計算部74、検定統計量計算部75、信号判定部76及び繰り返し検出制御部77により構成される。
【００７５】
ウェイト制御部71は、複数のアンテナ61から入力された信号に対してそれぞれを重み付けする。信号加算部72は、その重み付けされた各信号を合成する。重み付け後に合成することにより、ある方向からの信号の受信強度を抑圧する（ヌルを生成する）ことや、逆にある方向からの信号の受信強度を強調する（ビームを生成する）ことが可能となる。前者はヌルステアリング法とよばれ、後者はビームフォーミング法とよばれる。ウェイト制御については、例えば非特許文献4に記載されている。本発明は特定の方法に限定されず、当該技術分野で使用可能な適切如何なる指向性制御方法が使用されてもよい。
【００７６】
到来方向推定部73は、ウェイト制御部71で用いるウェイトとそのときの合成信号から、信号が到来している方向を推定する。具体的には、ビームフォーマ法、Capon法、最大エントロピー法、最小ノルム法、MUSIC法、ESPRIT法等の手法により、無線局のアンテナ本数に応じて複数の信号の到来方向を推定することが可能である。到来方向推定方法については、例えば非特許文献4に記載されている。
【００７７】
波形特徴量計算部74は、信号加算部72にて合成された重み付け合成信号について波形特徴量を計算する。波形特徴量としては、第1実施例と同様に、二次の周期自己相関値によって得られる周期定常性や、信号振幅の分散値、周波数相関値等が利用されてもよい。
【００７８】
検定統計量計算部75は、波形特徴量計算部74において得られた波形特徴量の値を用いて、検定統計量を計算する。検定統計量は、検出対象となる信号がアンテナに入力された信号に含まれているかどうかを判断するために使用される。検定統計量としては、第1実施例と同様に、ある特定のパラメータにおける波形特徴量の値や、様々なパラメータからの寄与を含む共分散行列とある特定のパラメータにおける波形特徴量の値から計算される値等が利用されてもよい。
【００７９】
信号判定部76は、検定統計量計算部75において得られた検定統計量の値と、あらかじめ決定されている閾値の値とを比較することで、検出対象となる信号の存否を判定する。
【００８０】
繰り返し検出制御部77は、信号判定部76の判定結果に基づき、ウェイト制御部71に制御信号を送る。制御信号は、既に検出された信号が、受信信号に含まれにくくするために、到来方向のうち何れかに対して、ヌルを生成すべきことを示す。特定の到来方向にヌルを有するビームを実現することで、その後受信される受信信号は、その方向からの信号を含まなくなる。その結果、他の未検出信号の統計検定量を計算する際、その方向から到来する信号の影響を除去することができる。
【００８１】
なお、繰り返し検出制御部77は、複数の到来方向に同時にヌルを生成するようウェイト制御部71に指示してもよい。或いは、ヌルを生成する代わりに、到来方向のうち一つに対してビームを生成するようウェイト制御部71に指示を行ってもよい。具体的な検出処理の動作等については後述する。
【００８２】
＜2.2  動作＞
図8は、第2実施例による信号検出装置63の動作を示すフローチャートである。ステップS801において、複数のアンテナ61から受信した信号が信号検出装置63に入力される。
【００８３】
ステップS802において、到来方向推定部802及びウェイト制御部71により、受信した信号の到来方向が推定される。一例として、角度θ1、θ2の2方向が、到来方向の推定結果として得られたとする。
【００８４】
ステップS803では、到来方向推定部73の推定結果に基づき、ウェイト制御部71のウェイトが変更される。ここで用いるウェイトは、到来方向推定部73において推定された到来方向のうち一つに対してヌルを生成するような重みである。例えば、θ1の方向にヌルを有するビームが実現される。これにより、以後受信される信号は、θ1の方向から到来する信号を含まないが、θ2の方向から到来する信号を含むようになる。
【００８５】
ステップS804において、波形特徴量計算部74は、重み付け合成信号の波形特徴量を計算する。信号s1及びs2の2種類の信号が検出対象であり、それらは二次の周期自己相関関数（CAF）による特徴を有するものとする。信号s1はサイクリック周波数α1の周期性を有し、信号s2はサイクリック周波数α2の周期性を有するものとする。
【００８６】
ステップS805において、検定統計量計算部75は、第1実施例と同様に検出対象となる信号のパラメータに関する検定統計量を計算する。信号s1に対して検定統計量Zα1が計算され、信号s2に対して検定統計量Zα2が計算される。検定統計量は、例えば、I0（~rxα）（~Σxα）-1（~rxα）'のような量でもよいし、他の量で表現されてもよい。
【００８７】
ステップS806において、信号判定部76が検定統計量と閾値を比較することで、受信した信号の中に検出対象となる信号が含まれているかを判定する。前述の具体例の場合、検定統計量Zα1、Zα2を閾値Γとそれぞれ比較し、受信した信号の中に検出対象となる信号が含まれているかを判定する。第1実施例と同様に、検定統計量が閾値を上回った場合にはその検定統計量と関連する信号が含まれていると判定される。
【００８８】
ステップS807において、繰り返し検出制御部77は、到来方向推定部73により推定された到来方向各々について、まだヌルを生成していない方向があるか否かを判定する。目下の例の場合、θ2の方向にヌルを形成するウェイトはまだ生成されていないので、フローはステップS803に戻り、θ2の方向にヌルを有するビームを実現し、説明済みの処理を反復する。
【００８９】
一方、到来方向推定部により推定された到来方向すべてについてヌルを生成し終わった場合には、それまでに検出された信号が、受信された信号に含まれていることになり、フローは検出処理を終了する（S808）。上記の例の場合、θ1及びθ2の全ての方向についてヌルの形成及び信号検出が終了した場合、フローは終了する。
【００９０】
本実施例では、信号の到来方向が複数個存在した場合、1つの方向にヌルを向けて信号検出を行い、その後別の方向にヌルを向けて信号検出を行う処理を繰り返す。ヌルを向けた方向の信号は、検定統計量を計算する際、除外されている。したがって、検定統計量は、ヌルを向けていない方向に限定して信号検出を行うことができる。これにより、強度の異なる信号が異なる方向から到来していた場合に、強信号だけでなく、弱信号も検出できるようになる。
【００９１】
第2実施例では、異なる無線通信システム間で同一の周波数帯域が共用され、複数の信号が周囲で使用されている場合に、信号の到来方向を推定し、それらの一つ一つを除去しながら検出処理を行なう。これにより、ヌルの方向から到来している信号の影響を受けずに、他の方向から到来している信号の検出を高精度に行なうことが可能となる。
【００９２】
到来方向推定のみでは、信号が到来している方向は推定できるが、どの信号が到来しているかは判断できない。第2実施例によれば、信号に関連する波形特徴量と到来方向推定を併用することにより、どの信号がどの方向から到来しているかを検出することが出来る。
【００９３】
第1実施例も第2実施例も特定の信号の存在が検出された後、特定の信号の影響を除外した条件の下で、未検出の信号の検定統計量を再計算し、未検出の信号の存否を再判定している。第1実施例では、検定統計量を計算する際、特定の信号からの寄与を無視することで、特定の信号の影響を除外している。これに対して、第2実施例では、特定の方向にヌルを向けることで、その方向から到来する信号の影響を空間的に（物理的に）除外している。第1及び第2実施例の方法は、それぞれ単独で使用されてもよいし、以下の変形例で説明されるように、組み合わせて使用されてもよい。
【００９４】
＜3.  第3実施例＞
＜3.1  信号検出装置＞
図9は、変形例による信号検出装置を示す。図7に示される信号検出装置との違いは、繰り返し検出制御部77が検定統計量計算部75に制御信号を送信している点である。繰り返し検出制御部77は、第1の実施例と同様に、検定統計量計算部75に対して、信号判定部76の判定結果に基づいて計算過程の変更を指示する。すなわち、本変形例は、第1実施例の繰り返し制御部の動作を第2実施例に組み合わせたものに相当する。
【００９５】
＜3.2  動  作＞
図10は、変形例による信号検出装置の動作を示すフローチャートを示す。ステップS1001において、複数のアンテナ61から受信した信号が信号検出装置63に入力される。
【００９６】
ステップS1002において、到来方向推定部及びウェイト制御部により、信号の到来方向が推定される。一例として、角度θ1、θ2、θ3の3方向が、到来方向の推定結果として得られたとする。
【００９７】
ステップS1003において、到来方向推定部73の推定結果に基づき、ウェイト制御部71のウェイトが変更される（S1003）。ここで用いるウェイトは、第2実施例と同様に、到来方向推定部にて推定された到来方向のうち一つに対しヌルを生成するような重みとする。例えば、θ1の方向にヌルを有するビームが実現される。したがって、以後受信される信号は、θ2及びθ3の方向から到来する信号を含む。
【００９８】
ステップS1004において、波形特徴量計算部が重み付け合成信号の波形特徴量を計算する。信号s1、s2及びs3の3種類の信号が検出対象であり、それらは二次の周期自己相関関数（CAF）による特徴を有するものとする。信号s1はサイクリック周波数α1の周期性を有し、信号s2はサイクリック周波数α2の周期性を有し、信号s3はサイクリック周波数α3の周期性を有するものとする。
【００９９】
ステップS1005において、検定統計量計算部75が、第1実施例と同様に検出対象となる信号のパラメータに関する検定統計量を計算する。信号s1に対して検定統計量Zα1nが計算され、信号s2に対して検定統計量Zα2nが計算され、信号s3に対して検定統計量Zα3nが計算される。ｎは反復回数を示す。
【０１００】
ステップS1006において、信号判定部76が検定統計量と閾値を比較することで、受信した信号の中に検出対象となる信号が含まれているかを判定する。前述の具体例の場合、検定統計量Zα1n、Zα2n、Zα3nを閾値Γとそれぞれ比較し、受信した信号の中に検出対象となる信号が含まれているかを判定する。第1実施例と同様に、検定統計量が閾値を上回った場合にはその検定統計量に関連する信号が含まれていると判定される。
【０１０１】
一例として、1回目の反復において、信号s1の検定統計量Zα1nは閾値Γを超えているが、他の検定統計量は閾値未満であったとする。
【０１０２】
Zα1n=1≧Γ
Zα2n=1＜Γ
Zα3n=1＜Γ
この場合、フローはステップS1007に進む。
【０１０３】
ステップS1007では、繰り返し検出制御部77が、制御信号を検定統計量計算部75に送る。制御信号は、検定統計量計算部75が検出対象の信号各々について検定統計量を再計算する際、既に検出した信号の影響を排除すべきことを示す。目下の例の場合、繰り返し検出制御部77は、信号s1が既に検出されていることを検定統計量計算部75に通知する。そして、フローはステップS1005に戻る。
【０１０４】
ステップS1005では、検定統計量計算部75が検定統計量を再計算する。目下の例の場合、未検出の信号s2及びs3に対する検定統計量Zα2n=2及びZα3n=2が再計算される。検出済みの信号s1についての検定統計量Zα1n=2の計算は不要である。再計算された検定統計量Zα2n=2及びZα3n=2は、既に検出された信号s1による寄与を含んでいない。例えば、共分散行列要素を計算する際、サイクリック周波数α1に関する寄与は零に強制される。このようにして再計算された検定統計量Zα2及びZα3は、検出済みの信号の寄与を含んでいないので、未検出の信号の存否を的確に判断できる。ステップS1006において、信号判定部76は、再計算された検定統計量Zα2n=2及びZα3n=2を閾値Γとそれぞれ比較し、検定統計量が閾値を上回った場合にはその検定統計量に関連する信号が含まれていると判定する。以後、閾値を超える検定統計量がなくなるまで、検定統計量の計算S1005、信号存否の判定S1006及び検出済みの信号排除S1007の処理が反復される。
【０１０５】
目下の例の場合、θ1の方向にヌルが向いている。したがって、受信信号は、θ1以外の方向、すなわちθ2及びθ3の方向から到来する信号を含んでいる。仮に、θ2及びθ3から到来する信号が異なる種類の信号であった場合、実施例1の方法を利用して（ステップS1005〜S1007）、θ2から到来する信号及びθ3から到来する信号それぞれが、受信レベルによらず適切に検出される。
【０１０６】
一方、ステップS1006において検出対象となる信号が一つも含まれていないと判定された場合には、フローはステップS1008に進む。ステップS1008では、第2実施例と同様に、繰り返し検出制御部77は、到来方向推定部73により推定された到来方向について、まだヌルを生成していない方向があるか否かを判定する（S1008）。まだヌルを生成していない方向が残っている場合には、それらの方向のうち一つに対しヌルを生成するようにウェイト制御部で用いる重みを変更し、ステップS1003以降を繰り返し実行する。
【０１０７】
ステップS1008において、到来方向推定部73により推定された到来方向について、全ての方向にヌルを生成し終わったことが確認された場合には、それまでに検出された信号のみが受信された信号に含まれているとし、検出処理を終了する（S1009）。
【０１０８】
このように本変形例では、ある方向からの到来波を抑圧した状態で検出動作を行う際にも、一度検出された信号の影響を繰り返し除去する。これにより、ヌルが形成されていない方向から到来する信号が、複数存在した場合にも、無線局は、周囲で使用されている複数の信号の存在を高精度に検出することが可能である。本変形例は、複数の信号が同一の方向もしくは近接した方向から到来する場合や、一つの信号が多重反射により複数の方向から受信される等の場合に特に有効である。
【０１０９】
＜4．第4実施例＞
第1ないし第3の実施例では、検出対象信号の候補の内、最強の信号が先ず検出され、検出された候補を除外した条件の下で、検定統計量を再計算し、再計算された検定統計量に基づいて、他の候補の存否が判定される。これにより、電力レベルが強い検出対象信号に起因して検出が困難な信号を、的確に検出することができる。しかしながらこの方法の場合、検出対象信号の候補数が増えるにつれて、すべての候補の存否の判定が完了するまでに時間が長くかかってしまうことや、検出に要する演算負担が急増してしまうこと等が懸念される。第4実施例はこのような問題に対処する。
【０１１０】
＜4.1  信号検出装置＞
図11は、第4実施例で使用される信号検出装置を示す。図3に示される信号検出装置と同様に、図示の信号検出装置は、波形特徴量計算部111、特徴量除去制御部112、検定統計量計算部113及び信号判定部114を有する。
【０１１１】
波形特徴量計算部111は、アンテナ21に入力された信号（すなわち、受信信号）について波形特徴量を計算する。上述したように波形特徴量は、信号波形の持つ統計的な特性に関する情報であり、二次の周期自己相関値によって得られる周期定常性や、信号振幅の分散値、周波数相関値等が利用されてもよい。
【０１１２】
特徴量除去制御部112は、無線受信信号に含まれている可能性がある信号（検出対象信号の候補）の情報を検定統計量計算部113に通知する。例えば、検出対象信号の候補が４種類あり、それらのサイクリック周波数が、α1、α2、α3、α4であったとする。この場合、特徴量除去制御部112は、４つの候補各々のサイクリック周波数が、α1、α2、α3、α4であることを検定統計量計算部113に通知する。検出対象信号の候補が何であるかは、無線局に予め記憶されていてもよいし、在圏セルの基地局が報知している信号から特定してもよい。
【０１１３】
検定統計量計算部113は、波形特徴量計算部111において得られた波形特徴量の値を用いて、検定統計量を計算する。検定統計量は、検出対象となる信号が受信信号に含まれているか否かを判断するための量である。本実施例では、検出対象信号の候補の内、特定の候補について検定統計量を計算する際、特定の候補以外の信号は、無線受信信号から除去されている。動作の詳細については後述する。
【０１１４】
信号判定部114は、検定統計量計算部113において得られた検定統計量の値と、あらかじめ決定されている閾値Γの値とを比較することで、検出対象信号がアンテナに入力された無線受信信号に含まれているかどうかを判定する。
【０１１５】
＜4.2  動  作＞
図12は、信号検出装置の動作を示したフローチャートである。ステップS121において、無線局のアンテナを通じて信号x（t）が受信される。受信信号x（t）は、無線局の検出対象信号を含み、例えば、信号s1、s2、...、sMのM種類が検出対象信号であるとする。説明の便宜上、M=4とする。
【０１１６】
ステップS122では、波形特徴量計算部111が、受信した信号の波形特徴量を計算する。本実施例では、検出対象の信号は、二次の周期自己相関関数（CAF）による特徴を有する。信号s1はサイクリック周波数α1の周期性を有し、信号s2はサイクリック周波数α2の周期性を有し、信号s3はサイクリック周波数α3の周期性を有し、信号s4はサイクリック周波数α4の周期性を有するものとする。
【０１１７】
ステップS123では、検定統計量計算部113が、検出対象となる信号各々のパラメータ（具体的には、サイクリック周波数）について検定統計量Zαを計算する。本実施例の場合、検定統計量計算部113には、検出対象信号の候補についての情報が通知されている。目下の例の場合、検出対象信号の候補は４種類あり、それらのサイクリック周波数が、α1、α2、α3、α4であることが、検定統計量計算部113に通知されている。
【０１１８】
サイクリック周波数がα1である第１の候補s1についての検定統計量Zα1は、無線受信信号から他の候補が除外された条件の下で算出される。例えば、無線受信信号に対して、サイクリック周波数がα2、α3及びα4である信号を抑制するノッチフィルタを適用し、この信号を用いて第１の候補に対する検定統計量が算出される。ノッチフィルタは、特定のサイクリック周波数成分を阻止する帯域阻止フィルタとして実現され、一例として次式のようなフィルタ特性を有する：
【０１１９】
【数８】
2011160401.tif 000010
この場合において、ｓは長さLのFFT／IFFTのウィンドウに属する周波数であり、αはサイクリック周波数であり、αmは対象の候補のサイクリック周波数であり、αMは対象の候補以外の候補のサイクリック周波数である。Kは、αMに対応するスペクトルウィンドウ係数のインデックスを表す。
【０１２０】
図13は、ステップS123において、対象の候補各々について検定統計量が計算される様子を示す。左側のグラフ（130）は、サイクリック周波数がα1、α2、α3、α4である４つの候補s1、s2、s3、s4が、受信信号の中に混在している様子を示す。このようなグラフは特定のサイクリック周波数を有する信号の自己相関を調べることで得られる。右側の１番目のグラフ（131）は、第１の候補に対するノッチフィルタWmodα1[s]が受信信号に適用される様子を示す。図示されているように、ノッチフィルタの特性は、α＝α1（s＝0）の場合、又はα≠α2、α3、α4の場合に0でない値W[s]をとり、他の候補のサイクリック周波数α2、α3、α4の場合に0になる。したがって、このノッチフィルタが適用された受信信号は、第１の候補s1を含んでいるが、他の候補S2、S3 、S4は事実上含まれていない。したがってこの信号に基づいて、第１の候補s1について計算された検定統計量Zα1は、第１の候補の存否を明確に表している。
【０１２１】
同様に、右側の２番目のグラフ（132）は、第２の候補に対するノッチフィルタWmodα2[s]が受信信号に適用される様子を示す。ノッチフィルタの特性は、α＝α2（s＝0）の場合、又はα≠α1、α3、α4の場合に0でない値W[s]をとり、他の候補のサイクリック周波数α1、α3、α4の場合に0になる。したがって、このノッチフィルタが適用された受信信号は、第2の候補s2を含んでいるが、他の候補S1、S3 、S4は事実上含まれていない。この信号に基づいて、第2の候補s2について計算された検定統計量Zα2は、第2の候補の存否を明確に表している。
【０１２２】
同様に、右側の３番目のグラフ（133）は、第３の候補に対するノッチフィルタWmodα3[s]が受信信号に適用される様子を示す。ノッチフィルタの特性は、α＝α3（s＝0）の場合、又はα≠α1、α2、α4の場合に0でない値W[s]をとり、他の候補のサイクリック周波数α1、α2、α4の場合に0になる。したがって、このノッチフィルタが適用された受信信号は、第3の候補s3を含んでいるが、他の候補S1、S2 、S4は事実上含まれていない。この信号に基づいて、第3の候補s3について計算された検定統計量Zα3は、第3の候補の存否を明確に表している。
【０１２３】
そして、右側の４番目のグラフ（134）は、第４の候補に対するノッチフィルタWmodα4[s]が受信信号に適用される様子を示す。ノッチフィルタの特性は、α＝α4（s＝0）の場合、又はα≠α1、α2、α3の場合に0でない値W[s]をとり、他の候補のサイクリック周波数α1、α2、α3の場合に0になる。したがって、このノッチフィルタが適用された受信信号は、第4の候補s4を含んでいるが、他の候補S1、S2 、S3は事実上含まれていない。この信号に基づいて、第4の候補s4について計算された検定統計量Zα4は、第4の候補の存否を明確に表している。
【０１２４】
図12のステップS124では、上記のようにして算出された第１ないし第４の候補各々の検定統計量Zα1、Zα2、Zα3、Zα4に基づいて、各候補の存否を判定する。ある候補に対する検定統計量を算出し、ある候補の存否を算出することと、別の候補に対する検定統計量を算出し、別の候補の存否を算出することとは独立であることに留意を要する。すなわち、第１ないし第４の候補各々の検定統計量Zα1、Zα2、Zα3、Zα4は、１つ１つ順番に算出されてもよいし、並列的に同時に算出されてもよい。
【０１２５】
なお、説明の便宜上、上記の例においてノッチフィルタが使用されているが、ある周波数成分を通過させ、別の周波数成分を阻止する適切な如何なるフィルタが使用されてもよい。例えば、ノッチフィルタのような帯域阻止フィルタの代わりに、バンドパスフィルタのような帯域通過フィルタが使用されてもよい。さらに、帯域阻止フィルタと帯域通過フィルタを組み合わせて使用してもよい。
【０１２６】
受信信号に含まれている信号成分を除去する際、受信信号に含まれる複数の信号の周波数がそれぞれ異なっていたならば、その特定の信号の周波数を阻止するフィルタを利用して、特定の信号を受信信号から除去することができる。しかしながら、その場合、除去する信号の中心周波数、帯域幅、周波数オフセット等の情報が必要である一方、複数の信号の帯域が重なっていた場合、特定の信号だけを除去することは困難である。上記の本願実施例のように、周期自己相関関数を利用することで、ある特定の信号のサイクリック周波数成分（すなわち、ピーク）を受信信号から除去しながら信号検出を行うことができる。この方法の場合、複数の信号が受信信号に含まれていたとしても、サイクリック周波数の値（ピークの出現位置）が異なっていれば、受信信号からその信号を正確に除去することができる。
【０１２７】
＜4.3  動作の比較＞
第１実施例による処理と第４実施例による処理を比較する。図１４は、第１実施例による処理を模式的に示す。図１３の場合と同様に、受信信号の中に４つの候補が混在しているものとする。４つの候補の内、第４の候補が最強であったとする。この場合、ステップS141において、先ず、サイクリック周波数がα4である第４の候補が検出される。そして、第４の候補を除外した条件の下で、他の候補についての検定統計量が再計算される。残り３つの候補の内、第１の候補が最強であったとする。この場合、ステップS142において、サイクリック周波数がα1である第１の候補が検出される。そして、第４及び第１の候補を除外した条件の下で、他の候補についての検定統計量が再計算される。残り２つの候補の内、第３の候補の方が強かったとする。この場合、ステップS143において、サイクリック周波数がα3である第３の候補が検出される。そして、第４、第１及び第３の候補を除外した条件の下で、残りの候補についての検定統計量が再計算される。そして、ステップS144において、サイクリック周波数がα2である第２の候補が検出される。目下の例のように未検出の候補が無くなった場合、又は有意義なピークが検出されなくなった場合、処理は終了する。
【０１２８】
このように第１実施例の場合、ステップS141に至る前に４つの候補各々の検定統計量Zα1−Zα4を算出し、ステップS142に至る前に３つの候補各々の検定統計量Zα1−Zα3を算出し、ステップS142至る前に２つの候補各々の検定統計量Zα2、Zα3を算出し、ステップS144 
に至る前に検定統計量Zα2を算出しなければならない。したがって、候補が４つの場合に、検定統計量の計算は１０回行う必要がある。一般に、候補数がNの場合、検定統計量の計算回数は、N（N＋1）／2  のように極めて大きな回数になってしまう。これに対して、第４実施例の場合、図１３に示されるように、検定統計量の計算回数は、高々候補数でしかない。図１３の例の場合、第１−４の候補各々の４つの検定統計量Zα1−Zα4を計算するだけでよい。このように第４実施例は、演算負担を軽減する等の観点から好ましい。
【０１２９】
以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。
【０１３０】
本発明の一形態では、無線通信システムの無線局における信号検出装置（23，73）が使用され、信号検出装置は、無線信号を受信し、該無線信号の波形の特徴を示す波形特徴量を計算する波形特徴量計算部（31，74）と、前記波形特徴量計算部の計算結果に基づいて検定統計量を計算する検定統計量計算部（32，75）と、前記検定統計量計算部の計算結果と閾値を比較し、統計的特徴を持つ信号の有無を判定する信号判定部（33，76）と、前記信号判定部の判定結果に基づいて信号検出処理の動作を制御する繰り返し検出制御部（34，77）と、を有する信号検出装置によって、前記の課題を達成する。受信電力の大きい信号について検出された結果を考慮して再度検出処理を行なうことにより、受信電力の小さい信号についても高精度に検出することが可能となる。
【０１３１】
この信号検出装置は、前記信号判定部が1つ以上統計的特徴を持つ信号を検出した場合、前記繰り返し検出制御部が当該信号の波形特徴量を考慮しないように前記検定統計量計算部における検定統計量の計算過程を変更し、前記検定統計量計算部が再度検定統計量を計算するよう制御することで、受信電力の大きい信号の影響を受けずに受信信号の小さい信号の検出処理を行なうことが可能となる。
【０１３２】
この信号検出装置は、無線局の持つ複数アンテナが受信した信号について、それぞれの信号を重み付けするウェイト制御部（71）と、前記ウェイト制御部により重み付けされた信号を加算する信号加算部（72）と、加算された信号と前記ウェイト制御部で用いたウェイト値から到来方向を推定する到来方向推定部（73）を更に有し、前記繰り返し検出制御部は、前記信号判定部が1つ以上統計的特徴を持つ信号を検出した場合、前記到来方向推定部の推定結果に基づいて、推定された到来方向の一つまたは複数にヌルを生成するよう前記ウェイト制御部のウェイト値を制御し、信号加算部にて加算された信号について前記波形特徴量計算部及び前記検定統計量計算部における計算処理を再度実行することで、複数の信号を到来方向ごとに分離し、ある方向から到来する信号の検出においては他の方向から到来する信号の影響を受けずに検出することが可能となる。
【０１３３】
前記繰り返し検出制御部は、前記信号判定部が1つ以上統計的特徴を持つ信号を検出した場合、前記到来方向推定部の推定結果に基づいて、推定された到来方向の一つまたは複数にヌルを生成するよう前記ウェイト制御部のウェイト値を制御し、信号加算部にて加算された信号について前記波形特徴量計算部及び前記検定統計量計算部における計算処理を再度実行し、前記信号判定部が再度1つ以上統計的特徴を持つ信号を検出した場合、当該信号の波形特徴量を考慮しないように、前記検定統計量計算部における共分散（covariance）や検定統計量の計算過程を変更し、前記検定統計量計算部が再度検定統計量を計算するよう制御することにより、ある方向から複数の信号が同時に到来するような環境においても受信電力の大きい信号の影響を受けずに受信信号の小さい信号の検出処理を行なうことが可能となる。
【０１３４】
本発明は、無線通信システムの無線局における信号検出方法であって、無線信号を受信し、該無線信号の波形の特徴を示す波形特徴量を計算する波形特徴量計算ステップと、前記波形特徴量計算ステップの計算結果に基づいて検定統計量を計算する検定統計量計算ステップと、前記検定統計量計算ステップの計算結果と閾値を比較し、統計的特徴を持つ信号の有無を判定する信号判定ステップと、前記信号判定ステップの判定結果に基づいて信号検出処理の動作を制御する繰り返し検出制御ステップと、を有する信号検出方法としても構成できる。
【０１３５】
以上本発明は特定の実施例を参照しながら説明されてきたが、それらは単なる例示に過ぎず、当業者は様々な変形例、修正例、代替例、置換例等を理解するであろう。発明の理解を促すため具体的な数値例を用いて説明がなされたが、特に断りのない限り、それらの数値は単なる一例に過ぎず適切な如何なる値が使用されてもよい。発明の理解を促すため具体的な数式を用いて説明がなされたが、特に断りのない限り、それらの数式は単なる一例に過ぎず適切な如何なる数式が使用されてもよい。実施例又は項目の区分けは本発明に本質的ではなく、2以上の実施例又は項目に記載された事項が必要に応じて組み合わせて使用されてよいし、或る実施例又は項目に記載された事項が、別の実施例又は項目に記載された事項に(矛盾しない限り)適用されてよい。説明の便宜上、本発明の実施例に係る装置は機能的なブロック図を用いて説明されたが、そのような装置はハードウェアで、ソフトウェアで又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読み取り専用メモリ(ROM)、EPROM、EEPROM、レジスタ、ハードディスク(HDD)、リムーバブルディスク、CD-ROMその他の適切な如何なる記憶媒体に用意されてもよい。本発明は上記実施例に限定されず、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変形例、修正例、代替例、置換例等が本発明に包含される。
【符号の説明】
【０１３６】
11  無線局
21  アンテナ
22  送受分離部
23  信号検出装置
24  送信制御部
25  データ変調部
26  信号生成部
27  データ復調部
31  波形特徴量計算部
32  検定統計量計算部
33  信号判定部
34  繰り返し検出制御部
61  複数のアンテナ
62  送受分離部
63  信号検出装置
64  データ復調部
65  データ変調部
66  信号生成部
71  ウェイト制御部
72  信号加算部
73  到来方向推定部
74  波形特徴量計算部
75  検定統計量計算部
76  信号判定部
77  繰り返し検出制御部
111  波形特徴量計算部
112  特徴量除去制御部
113  検定統計量計算部
114  信号判定部
【図１】
2011160401.tif 000011
【図２】
2011160401.tif 000012
【図３】
2011160401.tif 000013
【図４】
2011160401.tif 000014
【図５】
2011160401.tif 000015
【図６】
2011160401.tif 000016
【図７】
2011160401.tif 000017
【図８】
2011160401.tif 000018
【図９】
2011160401.tif 000019
【図１０】
2011160401.tif 000020
【図１１】
2011160401.tif 000021
【図１２】
2011160401.tif 000022
【図１３】
2011160401.tif 000023
【図１４】
2011160401.tif 000024