(57)【要約】  信号到来方向推定を含むワイヤレス信号処理方法及び装置を本明細書に記載する。
2007506374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムでの動作方法であって、
複数のセンサを採用して、複数の信号発信源によりワイヤレス送信された第１の複数の信号を受信すること、
前記センサにより感知された前記受信信号の第１のサンプルをとること、
第１の複数の信号方向ベクトルを採用して、前記第１のサンプルに基づいて第１の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第１の受信信号ベクトルと前記第１の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第１の複数の到来方向を求めること、
を含む、システムでの動作方法。
【請求項２】
前記複数の信号は、搬送周波数ｆ０でＪ個の対応する信号発信源によりワイヤレス送信されるＪ個の信号を含み、該Ｊ個の信号は速度ｃで伝搬し、到来方向θ１…θＪから前記センサに衝突し、
前記受信することは、間隔ｄを有するＮ個のセンサを採用して前記Ｊ個の信号を受信することを含み、Ｎは１よりも大きい整数であり、
前記第１の受信信号を構築することは、
【数１】
2007506374.tif 000054
により与えられる第１の受信信号ベクトル（ｘ（ｔ））を構築することを含み、
式中、
【数２】
2007506374.tif 000055
であり、
【数３】
2007506374.tif 000056
は前記信号方向ベクトルであり、
【数４】
2007506374.tif 000057
は前記センサにおける出力の複素包絡線であり、
【数５】
2007506374.tif 000058
である、請求項１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項３】
前記信号の第１の複数の到来方向を求めることは、前記第１のｘ（ｔ）により張られる部分空間と交わるａ（θｉ）（ｉ＝１…Ｊ）に少なくとも部分的に基づいてθ１…θＬを求めることを含む、請求項２に記載のシステムでの動作方法。
【請求項４】
前記信号の前記第１の複数の到来方向を求めることは、
第１の係数
【数６】
2007506374.tif 000059
及び第１の正規直交ベクトル
【数７】
2007506374.tif 000060
を計算することをさらに含む、請求項３に記載のシステムでの動作方法。
【請求項５】
前記信号の第１の複数の到来方向を求めることは、
ａ（〜θｉ）について、
第２の係数
【数８】
2007506374.tif 000061
第２の正規直交ベクトル
【数９】
2007506374.tif 000062
及び第３の係数
【数１０】
2007506374.tif 000063
を計算することをさらに含み、式中、〜θｉはθ１…θＪの試行値である、請求項４に記載のシステムでの動作方法。
【請求項６】
前記信号の第１の複数の到来方向を求めることは、
〜θｉについて関数
【数１１】
2007506374.tif 000064
の値を求めること、及び該値が前記関数のピーク値をもたらすか否かを判断することをさらに含む、請求項５に記載のシステムでの動作方法。
【請求項７】
前記信号の第１の複数の到来方向を求めることは、
前記計算すること、前記値を求めること、及び該値が前記関数のピーク値をもたらすか否かを判断することをＪ個以上のａ（〜θｉ）について繰り返すこと、及びＪ個のピーク値をθ１…θＪとして設定すること、をさらに含む、請求項６に記載のシステムでの動作方法。
【請求項８】
前記信号の第１の複数の到来方向を求めることは、前記第１の受信信号ベクトルにより張られる部分空間と交わる前記第１の複数の信号方向ベクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記第１の複数の到来方向を求めることを含む、請求項１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項９】
前記センサにより感知された前記受信信号の第２のサンプルをとること、
第２の複数の信号方向ベクトルを採用して、前記第２のサンプルに基づいて第２の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第２の受信信号ベクトルと前記第２の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第２の複数の到来方向を求めること、
をさらに含む、請求項１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１０】
前記第１の複数の到来方向及び前記第２の複数の到来方向の対応する平均に少なくとも部分的に基づいて、第３の複数の到来方向を求めることをさらに含む、請求項９に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１１】
システムでの動作方法であって、
複数のセンサを採用して、複数の信号発信源によりワイヤレス送信された複数の信号を受信すること、
前記信号のうちの第１の信号の第１の複数のマルチパスの第１の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記求められた第１の複数の到来方向に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の受信信号を得ること、
を含む、システムでの動作方法。
【請求項１２】
前記信号の第２の複数の到来方向を求めることをさらに含み、
前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を求めることは、前記第１の信号の求められた到来方向を中心とした方向範囲内で、該第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を探索することを含む、請求項１１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１３】
前記信号の相関行列を求めること、及び該信号に対応する該相関行列の複数の固有ベクトルを求めること、をさらに含み、
前記第１の信号の到来方向を含め、前記信号の前記第２の複数の到来方向を求めることは、前記信号に対応する前記相関行列の前記求められた固有ベクトルに少なくとも部分的に基づいて行われる、請求項１１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１４】
前記相関行列を求めることは、複数の信号と前記センサにより感知された前記信号の複数の対応するスナップショットに基づいて求められたノイズベクトルの外積の複数の集合を平均化することを含む、請求項１３に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１５】
前記複数の信号を受信することは、Ｎ個のセンサを採用してＪ個の信号発信源によりワイヤレス送信されたＪ個の信号を受信することを含み、Ｊ及びＮはそれぞれ１よりも大きな整数であり、
ｊ番目の送信信号は、
【数１２】
2007506374.tif 000065
としてモデリングされ、ｓ（ｔ）はベースバンド信号であり、ψ０は初期位相であり、
前記受信したｊ番目の信号は、
【数１３】
2007506374.tif 000066
により与えられ、式中、Ｒｊｌは前記ｊ番目の信号のｌ番目のマルチパスの信号強度であり、
ｆｄＣｏｓθｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスのドップラーシフトであり、
ｆは搬送周波数であり、
ｓ（）はベースバンド信号であり、
τｊｌ＝ｒｊｌ／ｃは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの時間遅延であり、
ｒｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの範囲であり、
ｃは電磁波速度であり、
θｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの到来方向である、請求項１１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１６】
角度θから衝突した信号の前記Ｎ個のセンサでの応答ベクトルは、
【数１４】
2007506374.tif 000067
により与えられ、
角度θｊｌから衝突する前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスに対応するベースバンド信号ベクトルは、
【数１５】
2007506374.tif 000068
により与えられる、請求項１５に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１７】
前記探索することは、探索ベクトル
【数１６】
2007506374.tif 000069
を計算することを含み、
【数１７】
2007506374.tif 000070
θＪｋｌは探索角度であり、
【数１８】
2007506374.tif 000071
であり、
【数１９】
2007506374.tif 000072
は前記ベクトルの２ノルムである、請求項１６に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１８】
前記探索することは、
【数２０】
2007506374.tif 000073
を計算することをさらに含む、請求項１７に記載のシステムでの動作方法。
【請求項１９】
前記探索することは、関数
【数２１】
2007506374.tif 000074
がピーク値をもたらすか否かを判断すること、及びもたらす場合には、
【数２２】
2007506374.tif 000075
を前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の到来方向として設定すること、をさらに含む、請求項１８に記載のシステムでの動作方法。
【請求項２０】
前記第１の受信信号を得ることは、以下
【数２３】
2007506374.tif 000076
として前記第１の受信信号のＬ個のマルチパスの前記求められた到来方向に基づいてｚ（ｔ）を得ることを含む、請求項１１に記載のシステムでの動作方法。
【請求項２１】
装置であって、
記憶媒体であって、
第１の複数の信号方向ベクトルを採用して、複数の信号発信源によりワイヤレス送信され、複数のセンサを採用して受信された複数の受信信号の第１のサンプルに少なくとも部分的に基づいて第１の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第１の受信信号ベクトルと前記第１の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第１の複数の到来方向を求めること
を該装置が行えるべく設計されるプログラミング命令を記憶した記憶媒体と、
該記憶媒体に結合され、前記プログラミング命令を実行する少なくとも１つのプロセッサと、
を備える装置。
【請求項２２】
前記複数の信号は、搬送周波数ｆ０でＪ個の対応する信号発信源によりワイヤレス送信されるＪ個の信号を含み、該Ｊ個の信号は速度ｃで伝搬し、到来方向θ１…θＪから前記センサに衝突し、
前記Ｊ個の信号は、間隔ｄを有するＮ個のセンサを採用して受信され、Ｎは１よりも大きい整数であり、
前記プログラミング命令は、
【数２４】
2007506374.tif 000077
により与えられる第１の受信信号ベクトル（ｘ（ｔ））を構築することによって前記第１の受信信号を構築することを行うように設計され、
式中、
【数２５】
2007506374.tif 000078
であり、
【数２６】
2007506374.tif 000079
は前記信号方向ベクトルであり、
【数２７】
2007506374.tif 000080
は前記センサにおける出力の複素包絡線であり、
【数２８】
2007506374.tif 000081
である、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記プログラミング命令は、前記第１のｘ（ｔ）により張られる部分空間と交わるａ（θｉ）（ｉ＝１…Ｊ）に少なくとも部分的に基づいてθ１…θＬを求めることによって、前記信号の第１の複数の到来方向を求めるように設計される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、
第１の係数
【数２９】
2007506374.tif 000082
及び第１の正規直交ベクトル
【数３０】
2007506374.tif 000083
を計算するようにさらに設計される、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、ａ（〜θｉ）について、
第２の係数
【数３１】
2007506374.tif 000084
第２の正規直交ベクトル
【数３２】
2007506374.tif 000085
及び第３の係数
【数３３】
2007506374.tif 000086
を計算するように設計され、式中、〜θｉはθ１…θＪの試行値である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、〜θｉについて関数
【数３４】
2007506374.tif 000087
の値を求めること、及び該値が前記関数のピーク値をもたらすか否かを判断することを行うように設計される、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、前記計算すること、前記値を求めること、及び該値が前記関数のピーク値をもたらすか否かを判断することをＪ個以上のａ（〜θｉ）について繰り返すこと、及びＪ個のピーク値をθ１…θＪとして設定することを行うように設計される、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、前記第１の受信信号ベクトルにより張られる部分空間と交わる前記第１の複数の信号方向ベクトルに少なくとも部分的に基づいて前記第１の複数の到来方向を求めることを行うように設計される、請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記プログラミング命令は、
前記センサにより感知された前記受信信号の第２のサンプルに少なくとも部分的に基づいて、第２の複数の信号方向ベクトルを採用して、前記第２のサンプルに基づいて第２の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第２の受信信号ベクトルと前記第２の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第２の複数の到来方向を求めること
を行うように設計される、請求項２１に記載の装置。
【請求項３０】
前記プログラミング命令は、前記装置が前記第１の複数の到来方向及び前記第２の複数の到来方向の対応する平均に少なくとも部分的に基づいて、第３の複数の到来方向を求めべくさらに設計される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
装置であって、
複数のプログラミング命令を有する記憶媒体であって、該プログラミング命令は、
複数の信号発信源によりワイヤレス送信され、複数のセンサを採用して受信された複数の信号のうちの第１の信号の第１の複数のマルチパスの第１の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記求められた第１の複数の到来方向に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の受信信号を得ること
を該装置が行えるべく設計される記憶媒体と、
該記憶媒体に結合され、前記プログラミング命令を実行する少なくとも１つのプロセッサと、
を備える装置。
【請求項３２】
前記プログラミング命令は、前記装置が前記信号の第２の複数の到来方向を求められるべくさらに設計され、
前記プログラミング命令は、前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を求めることを、前記第１の信号の求められた到来方向を中心とした方向範囲内で該第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を探索することによって行うように設計される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記プログラミング命令は、前記装置が前記信号の相関行列を求め、該信号に対応する該相関行列の複数の固有ベクトルを求めらべくさらに設計され、
前記プログラミング命令は、前記信号に対応する前記相関行列の前記求められた固有ベクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記第１の信号の到来方向を含め、前記信号の前記第２の複数の到来方向を求めることを行うように設計される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記プログラミング命令は、複数の信号と前記センサにより感知された前記信号の複数の対応するスナップショットに基づいて求められたノイズベクトルの外積の複数の集合を平均化することにより前記相関行列を求めることを行うように設計される、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記複数の信号を受信することは、Ｎ個のセンサを採用して、Ｊ個の信号発信源によりワイヤレス送信されたＪ個の信号を受信することを含み、Ｊ及びＮはそれぞれ１よりも大きな整数であり、
ｊ番目の送信信号は、
【数３５】
2007506374.tif 000088
としてモデリングされ、ｓ（ｔ）はベースバンド信号であり、ψ０は初期位相であり、
前記受信したｊ番目の信号は、
【数３６】
2007506374.tif 000089
により与えられ、式中、Ｒｊｌは前記ｊ番目の信号のｌ番目のマルチパスの信号強度であり、
ｆｄＣｏｓθｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスのドップラーシフトであり、
ｆは搬送周波数であり、
ｓ（）はベースバンド信号であり、
τｊｌ＝ｒｊｌ／ｃは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの時間遅延であり、
ｒｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの範囲であり、
ｃは電磁波速度であり、
θｊｌは前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスの到来方向である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３６】
角度θから衝突した信号の前記Ｎ個のセンサでの応答ベクトルは、
【数３７】
2007506374.tif 000090
により与えられ、
角度θｊｌから衝突する前記ｊ番目の信号の前記ｌ番目のマルチパスに対応するベースバンド信号ベクトルは、
【数３８】
2007506374.tif 000091
により与えられる、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記プログラミング命令は、前記探索することの一環として、探索ベクトル
【数３９】
2007506374.tif 000092
を計算することを行うように設計され、
【数４０】
2007506374.tif 000093
θｊｋｉは探索角度であり、
【数４１】
2007506374.tif 000094
であり、
【数４２】
2007506374.tif 000095
は前記ベクトルの２ノルムである、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記プログラミング命令は、前記探索することの一環として、
【数４３】
2007506374.tif 000096
を計算するべく設計される、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記プログラミング命令は、前記探索することの一環として、関数
【数４４】
2007506374.tif 000097
がピーク値をもたらすか否かを判断すること、及びもたらす場合には、
【数４５】
2007506374.tif 000098
を前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の到来方向として設定することを行うように設計される、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記プログラミング命令は、以下
【数４６】
2007506374.tif 000099
として前記第１の受信信号のＬ個のマルチパスの前記求められた到来方向に基づいてｚ（ｔ）を得ることにより前記第１の受信信号を得ることを行うように設計される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４１】
複数の信号発信源によりワイヤレス送信された複数の信号を受信する複数のアンテナと、
該アンテナに結合され、前記受信信号をダウンコンバートするＲＦユニットと、
該ＲＦユニットに結合される到来方向推定ユニットであって、
前記受信信号の第１のサンプルに少なくとも部分的に基づいて、第１の複数の信号方向ベクトルを採用して第１の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第１の受信信号ベクトルと前記第１の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第１の複数の到来方向を求めること
を行う到来方向推定ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項４２】
前記到来方向推定ユニットは、前記求めることの一環として、前記第１の受信信号ベクトルにより張られる部分空間と交わる前記第１の複数の信号方向ベクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記第１の複数の到来方向を求めることを行う、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記到来方向推定ユニットは、
前記受信信号の第２のサンプルに少なくとも部分的に基づいて、第２の複数の信号方向ベクトルを採用して第２の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第２の受信信号ベクトルと前記第２の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第２の複数の到来方向を求めること
をさらに行う、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４４】
前記到来方向推定ユニットは、前記第１の複数の到来方向及び前記第２の複数の到来方向の対応する平均に少なくとも部分的に基づいて第３の複数の到来方向を求めること
をさらに行う、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
複数の信号発信源によりワイヤレス送信された複数の信号を受信する複数のアンテナと、
該アンテナに結合され、前記受信信号をダウンコンバートするＲＦユニットと、
該ＲＦユニットに結合される到来方向推定ユニットであって、
複数の信号発信源によりワイヤレス送信された複数の受信信号のうちの第１の信号の第１の複数のマルチパスの第１の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記求められた第１の複数の到来方向に少なくとも部分的に基づいて前記第１の受信信号を得ること
を行う到来方向推定ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項４６】
前記到来方向推定ユニットは、
前記信号の第２の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の求められた到来方向を中心とした方向範囲内で該第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を探索することにより、前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を求めること
をさらに含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記到来方向推定ユニットは、
前記信号の相関行列を求め、該信号に対応する該相関行列の複数の固有ベクトルを求めること、及び
前記信号に対応する前記相関行列の前記求められた固有ベクトルに少なくとも部分的に基づいて、前記第１の信号の到来方向を含め、前記信号の前記第２の複数の到来方向を求めること
をさらに行う、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記到来方向推定ユニットは、複数の信号と前記受信信号の複数の対応するスナップショットに基づいて求められたノイズベクトルの外積の複数の集合を平均化することにより前記相関行列を求める、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
複数のプログラミング命令を記憶した機械可読媒体を備える製品であって、該プログラミング命令は、
複数の発信源によりワイヤレス送信された複数の受信信号の第１のサンプルに少なくとも部分的に基づいて、第１の複数の信号方向ベクトルを採用して第１の受信信号ベクトルを構築すること、及び
前記第１の受信信号ベクトルと前記第１の複数の信号方向ベクトルの間の関係に少なくとも部分的に基づいて、前記信号の第１の複数の到来方向を求めること
を装置が行えるべく設計される、製品。
【請求項５０】
前記プログラミング命令は、前記求めることの一環として、前記第１の受信信号ベクトルにより張られる部分空間と交わる前記第１の複数の信号方向ベクトルに少なくとも部分的に基づいて前記第１の複数の到来方向を求めることを行うように設計される、請求項４９に記載の製品。
【請求項５１】
複数のプログラミング命令を記憶した機械可読媒体を備える製品であって、該プログラミング命令は、
複数の信号発信源によりワイヤレス送信された複数の受信信号のうちの第１の信号の第１の複数のマルチパスの第１の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記求められた第１の複数の到来方向に少なくとも部分的に基づいて前記第１の受信信号を得ること
を装置が行えるべく設計される、製品。
【請求項５２】
前記プログラミング命令は、
前記信号の第２の複数の到来方向を求めること、及び
前記第１の信号の求められた到来方向を中心とした方向範囲内で該第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を探索することにより、前記第１の信号の前記第１の複数のマルチパスの前記第１の複数の到来方向を求めること
を前記装置が行えるべくさらに設計される、請求項５１に記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には通信の分野に関し、特にワイヤレス通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路、マイクロプロセッサ、ネットワーキング、通信、及び他の関連技術の進歩により、ワイヤレス通信、たとえば移動体ワイヤレス「セル」電話が広く採用されることになった。移動体ワイヤレス「セル」電話等のワイヤレス通信の場合、通常、移動体ワイヤレス「セル」電話（移動体送受話機とも呼ばれる）は「近傍」のサービスステーション（基地局とも呼ばれる）と通信し、サービスステーションが移動体送受話機の通信信号を中継する。サービスステーション／基地局は、カバレージエリア（その「セル」）内のすべての移動体送受話機に中継サービスを提供する。したがって、サービスステーション／基地局は通常、その「セル」内の複数の移動体送受話機から通信信号を同時に受信して処理する。
【０００３】
サービスステーション／基地局において移動体送受話機から通信信号を受信するために複数のアンテナを使用することが、ワイヤレス通信システムのキャパシティ及びスループットを増強させる点でいくつかの利点があるため一般的になっている。「時空間」処理技法を含むがこれに限定されない各種信号処理技法が、受信した通信信号の処理に採用されている。
【０００４】
時空間処理技法の中でも、ビーム形成は、所望の方向から受信した信号の強度を増強するために関心を集めている前途有望な分野の１つである。１つの既知の技法は、既知のトレーニングシーケンスを採用して、所望の方向へのビーム形成に対して最適な重みを推定する（たとえば、最小平均二乗（ＬＭＳ）を使用して）。到来方向（ＤＯＡ）を推定する他の既知の技法は、バートレットプロセッサ（Bartlett processor）又はＭＵＳＩＣ（多重信号分類）技法の採用を含む。
【０００５】
トレーニングにはシステムのスループットにオーバヘッドを生じるという欠点があり、収束するのに、決定に利用可能な時間よりも長い時間がかかり得る。後者の技法では、独立した信号源から受信した信号の相関（又は相関の欠如）を反映した相関行列の良好な推定を提供するべく、受信信号の多数のスナップショットが必要である。
【０００６】
さらに、各通信信号は通常、複数のマルチパスを有するが、構造物からの反射等の環境要因により、これら技法は通常、信号の最も優勢なマルチパスだけに基づいてＤＯＡを推定する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態について、同様の参照が同様の要素を示す添付図面を通して説明することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、ワイヤレス送信された複数の信号の到来方向を求める方法及び装置を含むが、これに限定されない。本発明の実施形態は、ワイヤレス送信された複数の信号のマルチパスの到来方向を求める方法及び装置も含む。
【０００９】
以下の説明では、本発明の実施形態の各種態様について説明する。しかし、説明した態様のいくつかだけ又はすべてを用いて他の実施形態を実施可能なことが当業者には明らかであろう。説明を目的として、実施形態の完全な理解を提供するために特定の数、材料、及び構成を記す。しかし、特定の詳細なしで他の実施形態を実施可能なことが当業者には明らかであろう。場合によっては、説明を曖昧にしないように既知の特徴については省くか又は簡略化している。
【００１０】
各種動作について、実施形態を理解する上で最も助けとなるように複数の離散した動作として順番に説明するが、説明の順番を、これら動作が必ず順序に依存することを暗に示すものとして解釈すべきではない。特に、これら動作を提示する順番で実行する必要はない。
【００１１】
語句「一実施形態では」を繰り返し用いる。この語句は一般に同じ実施形態を指さないが、指す場合もある。用語「備える」、「有する」及び「含む」は、文脈により別に解釈される場合を除き同義である。
【００１２】
これより図１を参照して、一実施形態により、本発明の実施に適した通信環境の概観を示す。図示のように、この実施形態では、通信環境１００は、互いに通信可能に結合された、Ｊ個の移動体送受話機１０２ａ〜１０２ｊ及び基地局１０６を含む。基地局１０６は、送受話機がワイヤレス送信した信号を受信することを含め、移動体送受話機１０２ａ〜１０２ｊの通信信号を中継する。中でも特に受信した信号を処理し、基地局１０６が結合された、ワイヤレス通信サービスネットワークの別の信号処理ノード（図示せず）に、及び／又はＰＳＴＮ（公衆交換電話網）の信号処理ノード（図示せず）に転送することができる。
【００１３】
この実施形態では、基地局１０６は、図示のように互いに結合されたＮ個のアンテナ１０８ａ〜１０８ｎ、ＲＦユニット１１０、及び信号処理ユニット１１０を備える（ＲＦ＝無線周波）。アンテナ１０８ａ〜１０８ｎは、移動体送受話機１０２ａ〜１０２ｊに信号を送信するとともに、移動体送受話機１０２ａ〜１０２ｊから信号を受信するために採用される。さらに、アンテナ１０８ａ〜１０８ｎを他の目的で採用してもよい。アンテナ１０８ａ〜１０８ｎはセンサと呼ばれる場合もある。本出願では、これら２つの用語は同義である。
【００１４】
ＲＦユニット１１０は、アンテナ１０８ａ〜１０８ｎが受信したＲＦ信号をベースバンド信号にダウンコンバートし、又はベースバンド信号をアンテナ１０８ａ〜１０８ｎが送信するＲＦ信号にアップコンバートするために採用される。
【００１５】
信号処理ユニット１１０は、ダウンコンバートされたベースバンド信号を処理するため、及びアウトバウンド信号をアップコンバート向けに処理するために採用される。この実施形態では、信号処理ユニット１１０は特に、図示のように互いに結合されるとともにＲＦユニット１１０に結合されるＤＯＡ推定ユニット１１２及びビーム形成ユニット１１４を備える。
【００１６】
各種実施形態では、ＤＯＡ推定ユニット１１２はＪ個の信号（Ｊは整数）のＤＯＡを推定し、これについては図２を参照しながらより十分に以下説明する。これら実施形態では、ビーム形成ユニット１１４は、ＤＯＡ推定ユニット１１２により推定されるＪ個の信号のＤＯＡに少なくとも部分的に基づいて対応する重み付き出力信号を形成する。
【００１７】
他の実施形態では、ＤＯＡ推定ユニット１１２は、Ｊ個の信号のＬ個のマルチパス（Ｌは整数）のＤＯＡを推定し、これについては図３を参照しながらより十分に説明する。いくつかの実施形態は、図２及び図３を参照しながら説明する２つの方法のうちの一方をサポートする。他の実施形態は両方をサポートする。図２及び図３に示す両方の方法をサポートする実施形態の場合、実施形態は現在の動作方法として２つの方法のうちの一方の構成をサポートすることもできる。構成は静的又は動的な手法でサポートすることができる。
【００１８】
後者の実施形態の場合、ビーム形成ユニット１１４は、ＤＯＡ推定ユニット１１２により推定されたＪ個の信号のＬ個のマルチパスのＤＯＡに少なくとも部分的に基づいて、対応する出力信号を形成する。より具体的には、ビーム形成ユニット１１４は対応する重みの数を求め、ＤＯＡ推定ユニット１１２が推定したＪ個の信号のＬ個のマルチパスの重み付き寄与分に少なくとも部分的に基づいて、対応する出力信号を形成する。
【００１９】
基地局１０６が信号１０４ａ〜１０４ｊを取得する有利な様式を除き、移動体送受話機１０２ａ〜１０２ｊ及びＲＦユニット１１０は広い範囲のこれら要素を表す。ＤＯＡ推定ユニット１１２及びビーム形成ユニット１１４のソフトウェア実施（implementation）をホストするのに適したコンピュータシステムについて図４を参照しながら以下さらに説明する。ソフトウェア実施は、複数のプログラミング言語の任意の１つ又は複数を採用して作成することができる。しかし、本発明は、ＤＯＡ推定ユニット１１２及びビーム形成ユニット１１４のすべて又は一部が、たとえば１つ又は複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルロジックデバイスを使用してハードウェアで実施されてもよいことを予期する。当業者は、本明細書に提供する説明に基づいてそうすることができよう。
【００２０】
以下の残りの説明では、及び特許請求の範囲では、以下の規則を採用する。
−Ａ、Ｍ等の太字大文字は行列又は部分空間を表す。
−ｖ等の太字小文字はベクトルを表す。
−「ｓ」等の非太字文字はスカラーを表す。
【００２１】
これより図２を参照して、一実施形態によりＪ個の信号のＤＯＡを求めるＤＯＡ推定ユニット１１２の動作フローを示す流れ図を示す。この実施形態では以下を仮定する。
Ｊ個の独立した信号がＪ個の別個の方向θ１，…θｊでＮアンテナアレイに衝突する。但し、角度θｊはエンドファイア方向（endfire direction）に対して測定される。
受信した信号の単一スナップショットの出力信号ベクトルは、
【数１】
2007506374.tif 000003
（１）
により与えられる。式中、ｘ（ｔ）は、
【数２】
2007506374.tif 000004
（２）
として書かれるＮ×１列ベクトルであり、
【数３】
2007506374.tif 000005
（３）
であり、式中、ＡはＮ×Ｊ指向性応答行列であり、
【数４】
2007506374.tif 000006
（４）
は信号方向ベクトルである。各ａ（θｊ）ベクトルは次元Ｎ×１を有する。
【数５】
2007506374.tif 000007
（５）
あり、ｓ（ｔ）は、Ｊ個の独立した発信源により送信されるＪ個の信号を含むＪ×１ベクトルである。
【数６】
2007506374.tif 000008
ｆ０は搬送周波数であり、ｃは電磁波速度であり、ｋは波長であり、ｄはアンテナ素子間の間隔であり、ｔは時間インデックスに対応する。
したがって、ｘ（ｔ）は発信源方向にそれぞれ対応するＪ個の線形独立したヴァンデルモンドベクトル（Vandermonde vector）の線形結合であり、ｘ（ｔ）は、
【数７】
2007506374.tif 000009
（６）
とみなすことができる。
式（３）中、行列Ａは、ｘ（ｔ）が属するＪ次元部分空間に張る基底を表す。したがって、ｘ（ｔ）は分解されると、要素として方向ベクトルのうちの１つを有する。
したがって、ｘ（ｔ）（単一スナップショットの出力信号ベクトル）により張られる１次元部分空間とその任意のＪ信号方向ベクトルの交点が非ゼロであるような相関が存在する。
したがって、θｉが真の発信方向の１つに対応しない、すなわち
【数８】
2007506374.tif 000010
の場合、ｘ（ｔ）とａ（θｉ）の交点はゼロになる。
したがって、計算問題は、
【数９】
2007506374.tif 000011
（７）
【数１０】
2007506374.tif 000012
（８）
として定式化される。
【数１１】
2007506374.tif 000013
として定式化されるＮ×２行列は、θｉ∈（θ１，…，θＪ）の場合に階数の不足又は階数の不足に近くなる。
したがって、Ｊ個の信号θ１，…，θＪのＤＯＡを求める場合、図２のプロセスはまず、信号発信源ｊ，〜θｉの試行方向を選択する（ブロック２０２）。
試行方向を選択すると、プロセスは第１の係数
【数１２】
2007506374.tif 000014
（９ａ）
及び第１の正規直交ベクトル
【数１３】
2007506374.tif 000015
（９ｂ）
の計算に進む（ブロック２０４）。
第１の係数及び第１の正規直交ベクトルを計算すると、プロセスは第２の係数
【数１４】
2007506374.tif 000016
（１０ａ）
第２の正規直交ベクトル
【数１５】
2007506374.tif 000017
（１０ｂ）
及び第３の係数
【数１６】
2007506374.tif 000018
（１０ｃ）
の計算に進む（ブロック２０６）。
次いで、プロセスは関数
【数１７】
2007506374.tif 000019
（１１）
の値を求めることに進み、値を求めることによって関数のピーク値がもたらされるか否かを判断する。もたらされる場合、試行方向はＪ個の信号のＤＯＡのうちの１つであるとみなされる。
ブロック２１０において、プロセスは、さらなる方向を求めるべきであるか否かを判断する。求めるべきである場合、プロセスはブロック２０２に戻り、そこから上述したように続く。求めるべきではない場合、プロセスは終了する。
【００２２】
これより図３を参照して、一実施形態によるＪ個の信号のＬ個のコヒーレントマルチパスのＤＯＡを求めるＤＯＡ推定ユニット１１２の動作フローを示す流れ図を示す。この実施形態は、Ｊ個の信号のＤＯＡの初期推定を含み、次いでＪ個の信号の求められたＤＯＡが他の情報と共に、Ｊ個の信号のＬ個のマルチパスのＤＯＡを求めるために採用される。
基地局でのｊ番目の発信源及びＬ個のコヒーレントマルチパスに対応する信号は、
【数１８】
2007506374.tif 000020
（１２）
により与えられる。上記式をＮ素子アンテナアレイに拡張すると、以下の関係が得られる。
【数１９】
2007506374.tif 000021
（１３）
式中、
【数２０】
2007506374.tif 000022
はｊｌ番目のマルチパス成分のアレイ応答ベクトルである。上記中の表記には以下の意味がある。
信号強度又はｌ番目のマルチパスの振幅中のＲｊｌ
ｆｄＣｏｓθｊｌはｊｌ番目のマルチパスのドップラーシフトであり、
τｊｌ＝ｒｊｌ／ｃはｊｌ番目のマルチパスの時間遅延であり、
ｒｊｌはｊｌ番目のマルチパスの範囲であり、
ｃは電磁波速度であり、
θｊｌはｊｌ番目のマルチパスに対応するＤＯＡであり、
Ｌはｊ番目の発信源の支配的なマルチパスの数である。
マルチパス遅延広がりが、
【数２１】
2007506374.tif 000023
であるという仮定の下で（式中、Ｂは信号の帯域幅である）、ｊ番目の発信源のベースバンド信号であるｓｊ（ｔ）は狭帯域信号としてモデリングすることができ、すなわち
【数２２】
2007506374.tif 000024
であり、式中、
【数２３】
2007506374.tif 000025
は、
【数２４】
2007506374.tif 000026
（１４）
としても書ける。式中、
【数２５】
2007506374.tif 000027
（１５）
である。
さらに、移動体からのすべてのマルチパスは、平均到来角度θｊを中心として±Δ内で一様に基地局アレイに到来する。
さらに、信号が狭帯域であると仮定すると、複素ベースバンド信号ベクトルは、
【数２６】
2007506374.tif 000028
（１６）
と書くことができる。
さらに、
【数２７】
2007506374.tif 000029
（１７）
をｊ番目の発信源に対応するＬ個のコヒーレントマルチパスのアレイ応答ベクトルとする。
ＭＵＳＩＣ等の従来のアルゴリズムの使用により、その発信源に対応するＬ個のマルチパスはすべてコヒーレントであるため同じ方向θｊの推定が導かれる。
したがって、θｊｌをθｊで置換することができる。
このような場合、上記式を
【数２８】
2007506374.tif 000030
（１８）
と近似することができる。
Ｊ人のユーザの場合、アレイでの信号ベクトルは、
【数２９】
2007506374.tif 000031
（１９）
により与えられる。
ｎ（ｔ）はノイズベクトル（列）であり、ノイズは空間的及び時間的にホワイトであると仮定される。
【数３０】
2007506374.tif 000032
（２０）
Ｒは相関行列である。これは、受信した信号とノイズベクトルｘ（ｔ）の外積から得られ、いくつかのスナップショットにわたって平均化される。
平均化をＥで表す。
Ｈは「エルミート（転置及び共役）を示す。
ＡはサイズＮ×Ｊ（Ｎ個のアンテナ、Ｊ個の発信源）の行列であり、
σ２はノイズ分散であり、
ＩはＮ×Ｎ恒等行列であり、
【数３１】
2007506374.tif 000033
（２１）
はＪ×Ｊ発信源共分散行列である。
ｓ（ｔ）は対角要素Фに沿って存在するベースバンド信号パワーである。
そのサイズはＪ×Ｊであり、ここでＪは発信源の数である。ノイズ共分散は、
【数３２】
2007506374.tif 000034
（２２）
により与えられる。
【００２３】
したがって、Ｒの固有値が降順に配置されているものとし、λ１≧λ２≧，…≧λＮで表すとし、同様にｕ１，…，ｕＮを対応する固有ベクトルであるとする。固有値λｎは、
【数３３】
2007506374.tif 000035
（２３）
により与えられる。
Ｕｓ＝［ｕ１，…，ｕＪ］は信号部分空間と見なすことができ、
Ｕｎ＝［ｕＪ＋１，…，ｕＮ］はノイズ部分空間と見なすことができる。
ｊ＝１，…，Ｊの場合、Ｕｎｖ（θｊ）＝０であり、その他の場合、Ｕｎｖ（θｊ）≠０である。
【００２４】
この実施形態は、推定された固有値Ｕｓ＝［ｕ１，…，ｕＪ］により張られる部分空間がＪ個の真の発信源方向により張られる空間に対応するものと仮定する。ｊ番目の固有値はｊ番目の発信源によるＬ個のコヒーレントマルチパスに対応することに留意されたい。ｊ番目の発信源方向θｊの推定は、ＭＵＳＩＣのような任意の既知の方法により行うことができる。この実施形態は、ｊ番目の発信源θｊの求められたＤＯＡを中心とした方向範囲θｊ±Δ内を探索して、ｊ番目の発信源のＬ個のマルチパスを求める。
したがって、信号ベクトルｘｊ（ｔ）は、
【数３４】
2007506374.tif 000036
とみなすことができ、ここで、
【数３５】
2007506374.tif 000037
（２４）
【数３６】
2007506374.tif 000038
（２５）
したがって、図３に示すように、集合
【数３７】
2007506374.tif 000039
を探索するプロセスは（式中、θｊｌ∈（θｊ±Δ），ｌ＝１，２，…，Ｌ）、ｊ番目の発信源のＬ個のマルチパスの試行方向集合
【数３８】
2007506374.tif 000040
をまず選択するプロセスから始まる（ブロック３０２）。
Θ＝Θｊ、すなわち、（θｊｋ１，θｊｋ２，…，θｊｋＬ）＝（θｊ１，θｊ２，…，θｊＬ）を見つける処理は以下のように表現される。
第１に、プロセスは集合（θｊｋ１，θｊｋ２，…，θｊｋＬ）を無作為に選択する。
第２に、プロセスは以下の行列
【数３９】
2007506374.tif 000041
を形成する。式中、
【数４０】
2007506374.tif 000042
第３に、プロセスは以下の関係
【数４１】
2007506374.tif 000043
（２６）
及び
【数４２】
2007506374.tif 000044
（２７）
を計算する（ブロック３０４）。
【数４３】
2007506374.tif 000045
はベクトルの２ノルムである。
同様に、以下の係数及びベクトルについて、プロセスは
【数４４】
2007506374.tif 000046
（２８）
【数４５】
2007506374.tif 000047
（２９）
及び
【数４６】
2007506374.tif 000048
（３０）
を計算する（ブロック３０６）。計算はｌ＝Ｌ＋１になるまで、すなわちｒＬ＋１，Ｌ＋１を得るまで行われる。
次いで、ブロック３０８において、プロセスは関数
【数４７】
2007506374.tif 000049
（３１）
を計算する。
【数４８】
2007506374.tif 000050
の結果がピーク値の「新規」集合をもたらす場合、試行方向集合
【数４９】
2007506374.tif 000051
は、Ｌ個の強マルチパスの到来方向として設定される。
ブロック３１０において、プロセスを繰り返すべきか否かが判断される。繰り返す試行回数は、動作効率のために所定であってもよく、又は限界改善逓減の所定のしきい値に基づいてもよい。
別の試行集合を評価すべき場合、プロセスはブロック３０２に戻る。
最終的に、推定プロセスを終了する基準が満たされ、プロセスは終了する。次いで、Ｌマルチパス方向の現在推定
【数５０】
2007506374.tif 000052
を使用して結合信号ｚ（ｔ）（図１参照）を
【数５１】
2007506374.tif 000053
（３２）
として得る。
【００２５】
換言すれば、ｊ番目の発信源のＤＯＡ推定ユニット１１２でのＬマルチパス指向性集合の推定後、アンテナ素子において受信した信号が式（３２）において与えられるように適宜重み付けされる。
【００２６】
このプロセスは、アンテナ素子において受信したＪ個の信号発信源すべてに対して繰り返され、各発信源信号はＬマルチパスに対応する係数により重み付けされる。
【００２７】
これより図４を参照して、ＤＯＡ推定ユニット１１２及びビーム形成ユニット１１４のソフトウェア実施をホストするのに適したコンピュータシステム例を示すブロック図を示す。図示のように、コンピューティング装置４００は１つ又は複数のプロセッサ４０２、システムメモリ４０４、大容量記憶装置４０６、他のＩ／Ｏ装置４０８、及びネットワーク通信インタフェース４１０を備え、これらは図示のように互いにシステムバス４１２を介して結合される。
【００２８】
プロセッサ４０２は、ＤＯＡ推定１１２及び／又はビーム形成１１４のソフトウェア実施を実行するために採用される。プロセッサ４０２は、当該技術分野において既知の、又はこれから設計される複数のプロセッサの任意の１つであることができる。適したプロセッサの例としては、カリフォルニア州サンタクララに所在のインテル社から入手可能なマイクロプロセッサが挙げられるがこれらに限定されない。
【００２９】
システムメモリ４０４は、推定１１２及び／又はビーム形成１１４並びにオペレーティングシステムサービスのワーキングコピーを記憶するために採用される。システムメモリ４０４は、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、シンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）、又は同様の他のメモリ装置であることができる。
【００３０】
大容量記憶装置４０６は、たとえば、推定１１２及び／又はビーム形成１１４の永続的コピーを含むデータを永続的に記憶するために採用される。大容量記憶装置４０６の例としては、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００３１】
他のＩ／Ｏ装置４０８が、入出力の他の態様を容易にするために採用される。他のＩ／Ｏ装置４０８の例としては、キーパッド、カーソル制御機構、ビデオディスプレイ等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００３２】
ネットワーク通信インタフェース４１０は、他の装置とのネットワーク通信を容易にするために採用される。ネットワーク通信インタフェース４１０は有線ベースのものであっても、又はワイヤレスであってもよい。各種実施形態では、ネットワーク通信インタフェース４１０は、広範なネットワーキングプロトコルの任意の１つをサポートすることができる。
【００３３】
代替の実施形態では、コンピューティングシステムは、マルチプロセッサシステム、超並列コンピューティングノードアレイを含むネットワーク化されたコンピュータ群であることができる。
【００３４】
したがって、Ｊ個の信号のＤＯＡを求め、且つ／又はＪ個の信号のＬ個のマルチパスのＤＯＡを求める新規の各種方法及び装置、Ｊ個の信号はそれぞれの発信源によりワイヤレス送信される。
【００３５】
本発明について上記実施形態に関して説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されないことを当業者は認めよう。他の実施形態も、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内で変更及び代替を伴って実施することができる。したがって、この説明は限定ではなく例示とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一実施形態による、本発明の実施に適した通信環境を示す図である。
【図２】一実施形態による、Ｊ個の信号源からワイヤレス送信されたＪ個の信号の到来方向を求めるための動作フローの一部を示す図である。
【図３】一実施形態による、Ｊ個の信号源からワイヤレス送信されたＪ個の信号のＬ個のマルチパスの到来方向を求めるための動作フローの一部を示す図である。
【図４】一実施形態による、図２及び図３の信号処理方法のうちの１つ又は複数のうちの１つ又は複数の態様の実施への使用に適したコンピュータシステムを示す図である。
【図１】
2007506374.tif 000100
【図２】
2007506374.tif 000101
【図３】
2007506374.tif 000102
【図４】
2007506374.tif 000103
【国際調査報告】
2007506374.tif 000104
2007506374.tif 000105
2007506374.tif 000106