(57)【要約】  一方法が、ワイヤレスチャネルを介して受信される無線信号（２００）を解析する。無線信号は、送信シンボルを表す複数のフレームを含む。各フレームのエネルギーは、複数の非オーバーラップ時間ウィンドウの期間中、サンプリングされる（９３５）。サンプリングされたエネルギーは、フレームの個数及び各フレームにおける時間ウィンドウの個数によってインデックスされる（１１００）エネルギーマトリックスに記憶され、無線信号（２００）が解析される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信無線信号を解析するための方法であって、
送信シンボルを表す複数のフレームを含む無線信号を、チャネルを介して受信することと、
フレームのそれぞれについて、複数の非オーバーラップ時間ウィンドウの期間中、前記無線信号のエネルギーをサンプリングすることと、
サンプリングされた前記エネルギーを、フレームの個数と前記フレームのそれぞれにおける時間ウィンドウの個数とによってインデックスされるエネルギーマトリックスに記憶して、前記無線信号を解析することと
を含む、受信無線信号を解析するための方法。
【請求項２】
前記送信シンボルは測距シンボルである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
画像解析技法を前記エネルギーマトリックスに適用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギーマトリックスを解析することであって、それによって、前記受信無線信号のリーディングエッジを検出し、前記リーディングエッジは、前記無線信号の到達時刻に対応する、解析すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エネルギーマトリックスは、エネルギー画像として取り扱われ、
前記リーディングエッジは、前記エネルギー画像に処理を行うエッジ検出器によって検出される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記エネルギーマトリックスは、時間ホッピング符号に従って構築される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エネルギーマトリックスにエッジ検出を適用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エネルギーマトリックスにパターン認識を適用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記エネルギーマトリックスに動き解析を適用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギーマトリックスにヒストグラム統計解析を適用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記エネルギーマトリックスにノイズリダクションを適用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記エネルギーマトリックスを視覚化すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記リダクションは、干渉無線信号の時間ホッピング符号に従う、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記エネルギーマトリックスを解析することによって、前記無線信号の送信機及び受信機が互いに静止しているか否かを判断することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギーマトリックスを解析することによって、前記無線信号の送信機及び受信機が、速度を増加させながら互いに遠ざかって移動しているか否かを判断すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギーマトリックスを解析することによって、密なマルチパス干渉を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記エネルギーマトリックスを解析することによって、送信機及び受信機が互いに接近しつつあるか否かを検出することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記エネルギーマトリックスを解析することによって、前記無線信号の時間ホッピング符号を適応的に変化させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記エッジ検出器は、前記受信無線信号の特徴を使用する、請求項５に記載の方法。
【請求項２０】
パターン認識技法を使用して、前記エネルギーマトリックスからマルチユーザ干渉を除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記エネルギーマトリックスから、前記エネルギーマトリックスにおける干渉パターンのロケーションを評価する干渉補償済尤度を推定することと、
前記エネルギーマトリックスにおけるエッジを検出するヒストグラムエッジ尤度と
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記干渉パターンの前記ロケーションは、時間ホッピングパターンに従う、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記エネルギーマトリックスから複数の時間的ウィンドウを生成することと、
前記ウィンドウのそれぞれにフーリエ変換を適用することと、
前記エネルギーマトリックスの原点から開始して、変換空間において時間ホッピングパターンの直交方向に沿ってフーリエ変換係数の値を累算することと、
逆スケーリングされた、累算された値を割り当てて、前記干渉補償済尤度を得ることと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
ウィンドウインデックスのそれぞれにおけるエネルギーマトリックス値のヒストグラムを求めることと、
連続しているヒストグラムの間のヒストグラム距離を求めることと、
前記ヒストグラム距離を前記ウィンドウインデックスの値に割り当てて、前記ヒストグラムエッジ尤度を得ることと、
前記ヒストグラムエッジ尤度を正規化することと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
複数のウィンドウインデックス位置における前記エネルギーマトリックス値のヒストグラムを求めることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
時間ホッピングピリオドに対して複数のヒストグラムを割り当てることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記干渉補償済尤度を第１の重みと乗算することと、
前記エッジヒストグラム尤度を第２の重みと乗算することと、
前記ヒストグラムエッジ尤度の値を前記エネルギーマトリックスのインデックスに沿って集約することと、
加重和の最大値を前記無線信号の推定ロケーションとして割り当てることと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
時間ウィンドウ軸は前記エネルギーマトリックスの横方向であり、フレーム軸インデックスは縦軸であり、
前記エネルギーマトリックスの各列を時系列データとして取り扱うことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
仮説検定方法を前記時系列に適用して、前記エネルギーマトリックスの特定の列が雑音に対応するか、それとも前記無線信号に対応するかを決定することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、包括的には、無線通信システムに関し、より詳細には、無線信号をさらに解析するエネルギーマトリックスの構築に関する。
【０００２】
［関連出願］
２００５年４月１５日の金曜日に出願された本発明者らのＭＥＲＬ−１６８２である。この内容は、参照により本明細書に援用される。
【０００３】
［背景技術］
〈測距〉
ワイヤレス通信ネットワークにおける送信機と受信機との間の距離を推定するために、送信機は、送信機の時計に従った時刻ｔ１に受信機へ信号を送信する。受信機は、信号の受信後、応答信号を送信機へ即座に返す。送信機は、時刻ｔ２における応答信号の到達時刻(time of arrival)（ＴＯＡ）を測定する。送信機と受信機との間の距離の推定値は、信号が往復する時間を２で除算して光速ｃを乗算したもの、すなわち、距離＝（｜ｔ１−ｔ２｜）／２＊ｃである。これは、双方向「測距」としても知られている。
【０００４】
〈超広帯域〉
超広帯域信号は、従来の無線信号と大幅に異なっている。この信号は、非常に大きな周波数レンジにわたって拡散されるだけでなく、信号のパルスは時間にわたっても拡散される。超広帯域（ＵＷＢ）信号(ultra wideband signal)は、５００ＭＨｚよりも大きな絶対帯域幅又は２０％よりも大きな相対帯域幅を有するインパルス無線信号として定義される。
【０００５】
一方、ＵＷＢ信号の帯域幅が増加するにつれて、時間における信号の拡散は小さくなり、受信信号の立ち上がりエッジはより鋭くなる。精密測距アプリケーションでは、受信信号の立ち上がりエッジの到達時刻を所望の精度で検出することが重要である。したがって、ＵＷＢ信号を使用して、精密な位置決め能力を提供することが望まれている。
【０００６】
単一ユーザの見通し内(line-of-sight)（ＬＯＳ）の単一パス環境においては、極めて正確なＴＯＡ及び位置推定が可能である。しかしながら、実際の設定では、マルチパス伝播、マルチユーザ干渉（ＭＵＩ）、及び非見通し内（ＮＬＯＳ）伝播によって、正確な位置決めは困難になっている。基準ノードとターゲットノードとの間のＬＯＳが遮断されたとき、散乱効果によるＵＷＢ信号の反射のみがターゲットノードに到達する。したがって、反射信号の到達時刻は真のＴＯＡを表していない。反射信号はより長い距離を進むので、ＮＬＯＳエラーと呼ばれる正のバイアスが、測定された時間遅延に含まれる。
【０００７】
無線周波数（ＲＦ）信号のＴＯＡを検出することは、信号の受信マルチパス成分のリーディングエッジを検出することに相当する。通常、ＵＷＢチャネルの電力遅延プロファイル(power delay profile)（ＰＤＰ）は、２重指数減衰モデル（double exponentially decaying model）によって表される。他方、個々のマルチパス成分は、仲上フェージング(Nakagami fading)を受ける。環境に応じて、検出されるリーディングエッジは、鋭いエッジの場合もあるし、そうでない場合もある。
【０００８】
従来技術では、送信機は、ワイヤレス無線通信チャネルで受信機へ信号を送信する。受信機は、受信信号の到達時刻を測定する。この信号は、以下のように説明することができる。
【０００９】
図３に示すように、シンボル波形３５０は複数のパルスを含む。この波形は、フレーム間隔ＴＦ１３１０において送信される。次のフレーム３２０は、信号を含まず、ＯＦＦ間隔とすることができる。波形３５０中のパルス３６０は、送信される情報ビットに応じて正極性又は負極性を有することができる。各パルスの幅３７０は、超広帯域信号では数ピコ秒又は数ナノ秒程度とすることができる。シンボルには、シンボル時間ＴＳ３３０が関連付けられている。
【００１０】
図４に示すように、別のシンボル波形は、単一のパルス４６０を含む。この単一のパルス４６０は、関連付けられたシンボル時間ＴＳ４３０を有するフレーム間隔ＴＦ２４１０において送信される。送信パルス４６０は、搬送される情報ビットに応じて正極性又は負極性を有することができる。
【００１１】
図１は、送信機１００及び受信機を有する通常の従来技術の通信ネットワークを示している。送信機は信号１５０を受信機へ送信する。
【００１２】
図７に示すように、受信機は、記憶参照受信機（stored-reference receiver）７００又は「コヒーレント」受信機７００である。コヒーレント受信機は、直列接続されている前置フィルタ７１５及び整合フィルタ７３０を含む。前置フィルタは、低雑音増幅器（ＬＮＡ）７１０及び帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）７２０を含む。次に、整合フィルタでは、帯域通過フィルタ７２０の出力がテンプレート信号７２４と乗算される（７２２）。テンプレート信号７２４は、対応する送信信号波形１０５に相当する。その結果生成された積は積分される（７２５）。積分器７２５の出力は、サンプリング回路部７３５に入力される。サンプリング回路部７３５は、積分器の出力をサンプリングして、到達時刻推定器７５０によって使用される離散観測サンプル１３６を生成する。
【００１３】
エッジ検出技法が、整合フィルタ７３０によって返される信号に適用される。整合フィルタオペレーション７３０では、受信信号との最大相関を生成する時間シフトされたテンプレート７２４が使用され、７３６の出力における最高ピークがＴＯＡ推定値とみなされる。
【００１４】
時間シフトは適応的に調整される。換言すれば、受信信号の、テンプレート信号のシフトされたバージョンとの相関が考慮される。単一パスチャネルでは、送信波形は、最適なテンプレート信号として使用することができ、従来の相関ベースの推定を採用することができる。しかしながら、未知のマルチパス信号が存在する場合、最適なテンプレート信号は受信波形となる。受信波形は、送信波形とチャネルインパルス応答との畳み込みである。
【００１５】
したがって、受信信号の波形テンプレートとの相関は、マルチパスチャネルでは最適ではない。この最適でない技法が狭帯域システムで使用される場合、送信信号の複数の複製がマルチパス伝播のために部分的にオーバーラップすることから、相関ピークは真のＴＯＡを与えない場合がある。
【００１６】
この影響を防ぐために、超分解能時間遅延推定（super-resolution time delay estimation）技法が、１９９１年４月のIEEE Transactions on Signal Processing, vol. 39, issue 4における第７８１〜７８８ページのM. -A. Pallas及びG. Jourdain著の「Active high resolution time delay estimation for large BT signals」に記載されている。しかしながら、それらの技法は、複雑すぎてリアルタイムで実行することができず、大量のメモリを必要とする。
【００１７】
整合フィルタベースの従来技術のいくつかについては、２００３年１１月のProc. IEEE Conf. Ultrawideband Syst. Technol. (UWBST)における第３８９〜３９３ページのW. Chung及びD. Ha著の「An accurate ultra wideband (UWB) ranging for precision asset location」、２００３年１１月のProc. IEEE Conf. Ultrawideband Syst. Technol. (UWBST)における第３７９〜３８３ページのB. Denis、J. Keignart、及びN. Daniele著の「Impact of NLOS propagation upon ranging precision in UWB systems」、並びに、２００４年５月のProc. IEEE Conf. Ultrawideband Syst. Technol. (UWBST)における第４００〜４０４ページのK. Yu及びI. Oppermann著の「Performance of UWB position estimation based on time-of-arrival measurements」を参照されたい。
【００１８】
たとえ、整合フィルタリングがリーディング検出技法に最適であっても、整合フィルタリングは、実装の際に実践的な問題に直面する。整合フィルタリングは、極めて高いサンプリングレートを必要とし、これは、ＵＷＢシステムでは非常に困難である。
【００１９】
パルスの形状は、さまざまなマルチパスからの到達時に異なる可能性があるので、通常はアナログである相関器のテンプレートパルスを受信形状と整合することは非常に困難である。また、個々の各マルチパス成分を同期させることも非常に困難であり、これは、収集された全エネルギーにおける損失を意味する。ＵＷＢ信号の大きな帯域幅のために、マルチパス成分は、通例、複雑なアルゴリズムを使用することなく分解可能である。
【００２０】
しかしながら、最初のマルチパス成分が常に最も強い成分であるとは限らないので、整合フィルタの出力における相関ピークは、依然として、必ずしも真のＴＯＡを与えるわけではない。
【００２１】
図８は、上述したような前置フィルタプロセス７１５を有するコヒーレント受信機８００を示している。ここで、前置フィルタの出力は、２乗則デバイス（square-law device）８１０に提供される。２乗則デバイス８１０は、入力信号を２乗したものを求め、その２乗したものを積分する（７２５）。積分器７２５の出力は、サンプリングされ（７３５）、ＴＯＡ推定７５０が行われる。
【００２２】
サンプリング回路は、ｔＳのサンプリング間隔を使用する。このサンプリング間隔は、ブロック長ＴＢに等しい。積分器７２５の出力は観測サンプルｚ（ｎ）であり、これは解析的には
【００２３】
【数１】
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【００２４】
として表される。
【００２５】
［発明の概要］
一方法が、ワイヤレスチャネルを介して受信される無線信号を解析する。無線信号は、送信シンボルを表す複数のフレームを含む。各フレームのエネルギーは、複数の非オーバーラップ時間ウィンドウの期間中、サンプリングされる。サンプリングされたエネルギーは、フレームの個数及び各フレームにおける時間ウィンドウの個数によってインデックスされるエネルギーマトリックスに記憶され、無線信号が解析される。
【００２６】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図１は、本発明による送信機２００及び受信機２１０を有する通信ネットワークを示している。送信機は、本発明に従って信号５００又は６００を受信機へ送信する。信号５００の場合には受信機２１０はコヒーレントであり、信号６００の場合には受信機は非コヒーレントである。
【００２７】
〈信号モデル〉
一般に、本発明による受信信号は、狭帯域信号、広帯域信号、又は超広帯域信号（ＵＷＢ）のいずれか１つである。好ましい実施形態では、受信信号は、時間ホッピングされているインパルス無線信号(time-hopped impulse-radio signal)（ＴＨ−ＩＲ）である。
【００２８】
信号５００についての図５に示すように、ワイヤレスインパルス無線送受信機は、シンボル時間（ＴＳ）５９５、フレーム時間（ＴＦ）５９０、チップ時間（ＴＣ）５０５、及びパルスイベント間隔５６０について時間を割り当てる。シンボルはフレームよりも長く、フレームはブロックよりも長く、ブロックはチップよりも長い。各シンボルは、複数のフレームを含むことができる。各フレームは、複数のチップを含むことができる。
【００２９】
図５に示すように、複数の無線パルス５０１が、各フレームにおいて信号波形として送信される。この一組のパルスは、フレームの最初の部分にあるパルスイベント間隔５６０を占有する。
【００３０】
フレーム間干渉の影響を低減するために、パルスイベント間隔の後に時間マージン５１０が各フレームに割り当てられる。また、オプションのマルチパストレランス時間間隔５２０が、時間マージンの後に各フレームに割り当てられる。このように、各フレームについて、パルスが送信される期間である第１の間隔、ＩＦＩを低減するための第２の間隔、及びマルチパス干渉を低減するための第３のオプションの間隔が存在する。間隔を割り当てる順序は逆にできることが理解されるべきである。基本的な目的は、或るフレームにおける一組のパルスを、次のフレームにおけるパルスと干渉させないことである。
【００３１】
時間ホッピング量５８０及びフレーム継続時間は、間隔５９０から間隔５８０を引いたものがチャネルの遅延広がり(delay spread)よりも大きいという条件を満たすように選択することができる。
【００３２】
パルスイベント間隔５６０を占有するチップシーケンスは、各フレーム時間５９０の期間中に全体として時間ホッピングされる。シンボル間隔は、１つ又は２つ以上の時間ホッピングされたフレーム５９０を含む。
【００３３】
図６は、上述の一組のパルスが各フレーム時間の期間中において単一のパルスである別の波形６００を示している。上述したように、時間ホッピングを行うパルスイベント間隔がフレームごとに割り当てられ、同様に、マルチパストレランス時間間隔５２０もフレームごとに割り当てられる。時間ホッピング量５８０及びフレーム継続時間は、間隔５９０から間隔５８０を引いたものがチャネルの遅延広がりよりも大きいという条件を満たすように選択することができる。
【００３４】
パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は、基本パルスパターン（一組のパルス又は単一のパルス）の送信レートを表す。ＰＲＦは、遅延広がりが短いチャネルでは６６ＭＨｚを整数分周したものとすることができる。
【００３５】
ＰＲＦは、中心周波数を分周してＰＲＦにまで下げることにより、フェーズロックドループ回路から生成することができる。ＰＲＦは、この分周が２による分周であるように選択することができる。これによって、高周波数分周素子の実施が簡単化される。
【００３６】
本発明は、各フレーム時間間隔５９０の時間マージンの期間中にのみ、「パルスイベント」５０１、すなわち、一組の１つ又は２つ以上のパルスを送信する。各フレームにおいて、パルスイベント５０１は時間ホッピングされる。受信された時間ホッピング（ＴＨ）インパルス無線（ＩＲ）信号５００又は６００は、時間ｔにわたって、
【００３７】
【数２】
2008538065.tif 000004
【００３８】
により表すことができる。ここで、フレームインデックス及びフレーム継続時間はｊ及びＴｆによって示され、Ｔｃはチップ継続時間５０５であり、ＴＳはシンボル継続時間５９５であり、τｔｏａは受信信号のＴＯＡであり、ｎは付加的雑音である。
【００３９】
さらに、所望の信号を検出するための追加処理利得を導入するとともに信号スペクトルを平滑化するために、ランダム極性符号ｄｊ＝｛±１｝が使用される。
【００４０】
チャネルインパルス応答の後、有効なパルスは、
【００４１】
【数３】
2008538065.tif 000005
【００４２】
として表すことができる。ここで、ω（ｔ）は、単位エネルギーを有する受信ＵＷＢパルスであり、Ｅはパルスエネルギーであり、αｌはフェージング係数であり、τｌはマルチパス成分の遅延であり、Ｌはマルチパス成分の個数である。
【００４３】
ゼロ平均並びに両側電力スペクトル密度Ｎ０／２及び分散σ２を有する付加的白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）が、ｎ（ｔ）によって示される。測距プロセスに変調は考慮されないが、変調が適用可能な場合がある。
【００４４】
破滅的な衝突を回避し、送信信号の電力スペクトル密度を平滑化するために、｛０，１，…，Ｎｈ−１｝の値を取ることができる時間ホッピング符号ｃｊ（ｋ）が、異なる送受信機に割り当てられる。さらに、ランダム極性符号ｄｊ＝｛±１｝が、信号を検出するとともに信号スペクトルを平滑化するための追加処理利得を提供する。
【００４５】
Ｔｈが、単位時間ホッピングの長さ、すなわち、いわゆる時間ホッピング分解能を示すものと仮定し、Ｎｋが、フレーム内のパルスイベントに適用される時間ホッピングユニットの個数を表すものと仮定する。全時間ホッピングの長さはＮｋＴｈとなる。この長さは、一般に、割り当てられている時間マージン５１０よりも小さい。
【００４６】
パルスイベント５６０のマルチパスは、次のフレームとのフレーム間干渉を引き起こさない。したがって、フレーム５９０における時間ホッピング間隔５８０とマルチパスガード区間５２０との合計は、そのチャネルの遅延広がりよりも小さい。このチャネルの遅延広がりは、通常、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａのＵＷＢチャネルでは約１４０ナノ秒である。
【００４７】
フレーム間隔５９０の長さは、無線信号が、最大通信距離にある指定されたターゲットまで進む時間よりも長い。たとえば、ターゲットの最大距離が６０メートルであり、無線波の速度が３００，０００，０００メートル／秒である場合、無線信号は、２００ナノ秒で５０メートル進む。したがって、フレーム間隔５９０は、２００ナノ秒よりも長くあるべきである。そうでない場合、０．１メートルの距離に配置されているデバイスからの信号と６０．１メートルの距離に配置されているデバイスからの信号とが区別されないので、非コヒーレント受信機は距離推定にあいまいさを有する。
【００４８】
初期距離測定に従ってフレーム間隔を適合させることも可能である。距離が現在のフレーム間隔よりも短いと推定される場合、フレーム間隔の長さを減少させることができる。したがって、同じ個数の測距パルスイベント送信又はシンボル送信に要する時間は少なくなる。
【００４９】
上記の例において、チャネル遅延広がりが１４０ナノ秒であり、パルスイベントが１０ナノ秒である場合、最大許容可能時間ホッピング間隔５８０は、（２００−１０−１４０）となり、これは５０ナノ秒である。
【００５０】
フレーム間隔５９０の通常の値は、パルスイベント間隔にチャネル広がりを足し、さらに時間ホッピングマージンを足したものよりも大きくなるべきである。
【００５１】
距離推定を行った後、距離が比較的短いことが判明した場合、フレーム間隔５９０を適応的に短くして、距離精緻化時間を削減することができる。フレーム間隔が短くなると、シンボル継続時間は短くなる。
【００５２】
時間ホッピング符号の別の目的は、所望の送受信機からのエネルギー収集中に他の送受信機からの干渉エネルギーを回避することである。
【００５３】
ＣＭＯＳ実施態様では、信号の振幅は通常０．５ボルト未満である。したがって、１つのパルスイベントに複数のパルスを使用することによってより長い時間にわたり信号エネルギーを拡散することは、パルスごとの振幅を小さくすることに役立てることができる。
【００５４】
簡単にするために、信号は、常に、１フレーム継続時間で到達する、すなわち、τＴＯＡ＜Ｔｆであり、フレーム間干渉(inter-frame interference)（ＩＦＩ）はない、すなわち、Ｔｆ≧τＬ＋ｃｍａｘＴｃである。ここで、ｃｍａｘはＴＨシーケンスの最大値である。τＴＯＡ＜Ｔｆの仮定は本発明を限定するものではないことに留意されたい。実際には、フレームが十分大きく且つ所定のＴＨ符号が使用されるときに本発明が機能するには、τＴＯＡ＜ＴＳを有することで十分である。さらに、たとえτＴＯＡ>ＴＳであっても、初期エネルギー検出を使用して、シンボルが不確かな状態で（within a symbol uncertainty）到達時刻を求めることもできる。
【００５５】
〈信号エネルギーの収集〉
〈システム構造及び方法の動作〉
送信機２００から受信された信号（５００又は６００）は、パルス５０１から構築され、所定の時間ホッピングシーケンスに従って送信される。
【００５６】
コヒーレント受信機９００についての図９に示すように、ターゲット受信機の近傍内のマルチユーザからの干渉エネルギーを抑制し、且つ、信号の到達時刻のより良い検出を可能にするために、エネルギーは、同じ時間ホッピングシーケンスに従った受信信号から収集される。エネルギー収集は、参照により本明細書に援用される関連特許出願ＭＥＲＬ−１６８２に説明されている。時間ホッピングシーケンスは、各フレーム５９０におけるパルスイベントの位置を指定する。
【００５７】
受信信号は、最初に、前置フィルタ９２５を通過する。前置フィルタ９２５は、低雑音増幅器９１０及び帯域通過フィルタ９２０を含む。次に、信号エネルギーサンプルを、以下の２つの方法のうちの１つで生成することができる。
【００５８】
帯域通過フィルタ９２０の出力は、図９に示すように、整合フィルタ９３０のテンプレート信号９２４と乗算される（９２２）。テンプレートは、送信信号５００又は６００と同じ形である。フィルタリングされた信号とテンプレートとの積は積分される（９４０）。積分器の出力は、サンプリングされて（９３５）、観測サンプルが生成される。観測サンプルは、最初の到達信号エネルギーの到達時刻を推定する（１１００）のに使用されることになる。
【００５９】
サンプラ９３５は、フレームの「非オーバーラップ時間ウィンドウ」、たとえば４ナノ秒のウィンドウをサンプリングする。したがって、ＴＯＡ推定への入力は、複数のフレームであり、各フレームは、各フレームにおける複数の時間ウィンドウについてのサンプリングされたエネルギーを有する。サンプリングされたエネルギーは、フレーム及びウィンドウによってインデックスされるエネルギーマトリックスに記憶される。このエネルギーマトリックスは、「エネルギー画像」とみなすことができる。その場合、従来の画像処理エッジ検出技法をエネルギー画像に適用して、受信信号のリーディングエッジを検出することができる。リーディングエッジは、信号のＴＯＡに対応する。以下、エネルギーマトリックスをより詳細に説明する。
【００６０】
図１０に示すように、非コヒーレント受信機は、２乗則デバイス１０２０及び積分器９４０を含む。積分器は、信号パラメータ１０５０を使用する。積分器９４０の出力は、所望の測距分解能、たとえば２ｎｓ、４ｎｓ等、でサンプリングされる（９３５）。信号パラメータ１０５０は、信号帯域幅、時間ホッピング符号、時間ホッピング分解能等を含むことができる。出力サンプルは、最初の到達信号エネルギーパスの到達時刻を検出するための到達時刻推定器１１００に供給することができる。
【００６１】
〈エネルギーマトリックスの解析によるＴＯＡ推定〉
図１１は、本発明による到達時刻推定器ユニット１１００を示している。非オーバーラップウィンドウ内の各フレーム５９０からの信号エネルギーが収集される。ウィンドウ長は、積分器９４０の間隔に相当する。たとえば、フレーム間隔５９０が２００ナノ秒であり、ウィンドウ長が４ナノ秒である場合、各フレームにつき、２００÷４＝５０個のエネルギーサンプルが存在する。したがって、信号エネルギーが１０フレームにわたって収集されるものと仮定すると、１０×５０＝５００個のエネルギーサンプルが存在する。
【００６２】
９３５からのこれらの収集されたエネルギーサンプルと、送信機の時間ホッピング符号等の信号パラメータ１０５０とは、エネルギーマトリックスジェネレータ１１５０に入力される。エネルギーマトリックスジェネレータは、信号パラメータ１０５０に従ってエネルギーサンプルからマトリックスを構築する。エネルギーマトリックスのサイズは、フレームにおけるウィンドウの個数を、エネルギーサンプルが収集されるフレームの個数倍したものである。上記の例によれば、エネルギーマトリックスのサイズは、エネルギーマトリックスの向きに応じて、１０×５０又は５０×１０である。このマトリックスを、受信機のメモリに記憶することができる。
【００６３】
２Ｄエネルギーマトリックスのエネルギー値の強度値が「ピクセル強度値」とみなされる場合、エネルギーマトリックスは、受信信号の「エネルギー画像」とみなすことができる。この場合、既知の画像処理技法をエネルギーマトリックス又はエネルギー画像に適用することができる。このような技法には、エッジ検出、パターン認識、動き解析、ヒストグラム統計、ノイズリダクション、等が含まれる。このように、本発明は、画像処理技法を使用して無線信号を視覚化して解析する新規な方法を提供する。
【００６４】
〈コンピュータビジョン技法を使用したＴＯＡ推定〉
エネルギーマトリックスが構築された後、このマトリックスは、パターン認識・除去ユニット１１６０に提供される。他の干渉する可能性のある送信機の時間ホッピング符号が事前に分かっている場合、これらの符号もパターン認識・除去ユニット１１６０に供給される。次に、パターン認識・除去ユニットは、エネルギーマトリックスにおいてエネルギーパターンを検索する。このユニットは、干渉する送信機の時間ホッピング符号１１７０に対応するパターンを検出すると、エネルギーマトリックスから部分的又は全体的にそのパターンを除去する。干渉パターンが、測距が行われている送信機のパターンとオーバーラップする場合には、部分的な除去が好ましい。いずれにしても、除去プロセスは、強調された(enhanced)エネルギーマトリックスを提供する。
【００６５】
次に、パターン認識・検出ユニットの出力は、エッジ検出による到達時刻推定器ユニット１１９０に入力される。このユニット１１９０は、ユニット１１６０によって提供された、強調されたエネルギーマトリックスに対して画像エッジ検出技法を適用する。
【００６６】
図１２は、サンプラ９３５からの収集されたエネルギーサンプルでエネルギーマトリックス１１５０を構築する多くの方法の１つを示している。Ｎ個のフレーム間隔５９０のそれぞれがＭ個の非オーバーラップエネルギーウィンドウを含むものと仮定する。フレームｉのウィンドウｊに対応するエネルギー強度は、Ｅ（ｉ，ｊ）として示される。ここで、１≦ｊ≦Ｍであり、１≦ｉ≦Ｎである。したがって、Ｎ個のフレームが各シンボルについて送信され、各フレームがＭ個の非オーバーラップ時間ウィンドウを有する場合、エネルギーマトリックス又はエネルギー画像のサイズは、エネルギーマトリックスの向きに応じて、Ｍ×Ｎ又はＮ×Ｍとなる。
【００６７】
所望の送信機について、ＴＨ（ｍ）は、フレームｍにおける時間ホッピング間隔を示す。ここで、ＴＨ（ｍ）はエネルギーウィンドウの個数の単位で表され、ｍは整数である。
【００６８】
図１２に示すように、画像マトリックス１１５０を構築している間、送信機の時間ホッピングシーケンスが考慮される。インデックス１２１０はフレーム用であり、インデックス１２２０は各フレームにおけるウィンドウ用であり、Ｅ（ｉ，ｊ）は、フレームｊのウィンドウ位置ｉのエネルギー強度である。エネルギーマトリックスを解釈するために、インデックスｉ  １２１０が時刻推定値に関連付けられ、インデックスｊがその時間推定値を精緻化する。
【００６９】
受信信号は、複数のシンボルを含むことができる。したがって、同じ時間ホッピング符号が、各シンボルのフレームに適用される。上記の方法によるエネルギーマトリックスの構築では、所望のユーザからの収集された信号エネルギー１２８０は、図１３Ａ〜図１３Ｂに示すようなマルチパス信号を含む各ウィンドウ位置の一直線の列を形成する。
【００７０】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、列１３００が最初のエネルギー到達列である、所望のユーザの信号エネルギーによるパターンを示している。他の各列は、所望のユーザの信号のマルチパスからのエネルギーを示している。マトリックス構築後、受信エネルギーが、フレームインデックス及びウィンドウインデックスの向きに応じて、常に一直線の列又は常に一直線の行を形成することに気付くことは重要である。他方、他の送信機からの干渉エネルギーは異なるパターンを有し、これらの異なるパターンは、それらの時間ホッピング符号に依存する。
【００７１】
図１３Ｃ〜図１３Ｅは、干渉信号によるエネルギー強度パターンの例を示している。
【００７２】
図１３Ｆは、送信機からの受信信号のエネルギーパターン及び干渉パターンを示している。
【００７３】
図１３Ｇは、送信機及び受信機が互いに静止しているときのエネルギーマトリックスを示している。
【００７４】
図１２Ｈは、送信機及び受信機が速度を増加させながら互いに遠ざかって移動しているときのエネルギーマトリックスを示している。
【００７５】
図１３Ｉは、送信機及び受信機が静止し、且つ、何らかの密なマルチパス干渉が存在するときのエネルギーマトリックスを示している。
【００７６】
図１３Ｊは、送信機及び受信機が互いに接近しつつあるときのエネルギーマトリックスを示している。
【００７７】
図１４は、パターン認識・除去ユニット１１６０の詳細を示している。１１６０への入力は、所望の送信機からのエネルギー及び干渉送信機からのエネルギーを記憶するエネルギーマトリックス１１５０である。
【００７８】
干渉送信機の時間ホッピング符号が分かっている場合、そのパターン１１７０を事前に計算して受信機に記憶することができる。パターン認識・除去ユニット１１６０は、入力の試みとして干渉パターン１１７０を取り込み、エネルギーマトリックスにおいて同じパターンの存在を検出する。干渉パターンが検出された場合、その干渉パターンを除去することができ、強調されたエネルギーマトリックスが提供される（１１６０）。
【００７９】
この場合も、マトリックスの向きに応じて、収集されたエネルギーは、エネルギーマトリックスにおける一組の行となる可能性もある。
【００８０】
次に、列（縦）のエッジ検出又は行（横）のエッジ検出によって距離推定を行うことができる。上述したように、エネルギーマトリックスは、エネルギー「画像」とみなすことができる。したがって、あらゆる従来技術の画像エッジ検出方法を適用して、エネルギーマトリックスの最初のエネルギー列（又は行）インデックスを検出することができる。
【００８１】
エネルギーマトリックスを使用すると、時間ホッピングシグネチャ又は時間ホッピング符号１１７０を知ることなく、マルチユーザ干渉パターンを検出することも可能である。
【００８２】
別の応用では、時間ホッピングシーケンスを適応的に変更して、データ通信アプリケーション及び測距アプリケーションにおけるマルチユーザ干渉を回避することができる。
【００８３】
図１９は、干渉時間ホッピング符号３｛１，３，１，２｝１９０３が同じままであるのに対して、送信機の、ホップ４−４−５を有する時間ホッピング符号１｛１，１，１，２｝１９０１が、ホップ３−５−３を有する時間ホッピング符号２｛２，１，２，１｝（１９０２）に適応的に変更されることを示している。
【００８４】
図２０は、対応する同一様式のエネルギーマトリックスを示している。マトリックス２００１は符号１  １９０１のみに対応し、マトリックス２００２は符号１  １９０１及び符号３  １９０３に対応し、マトリックス２００３は符号２  １９０２のみに対応し、マトリックス２００４は符号２  １９０２及び符号３  １９０３に対応する。干渉符号が一定であるのに対して、送信機の符号が変更されると（２０１０）、エネルギーマトリックスの干渉パターンは変化する（２０２０）ことに留意されたい。また、マトリックス２００１〜２００２を比較すると、エネルギーマトリックスの列によって表されるリーディングエッジの位置は、エネルギー収集の開始点に従ってシフトすることにも留意されたい。
【００８５】
したがって、最適な時間ホッピング符号調整を使用することによって、干渉エネルギーパターンに起因する所望の送信機のエネルギーの歪みを回避できるか、又は、少なくとも低減することができる。
【００８６】
パターン認識・除去ユニット１１６０の一実施形態を以下で詳細に説明する。
【００８７】
パターンを認識して除去するために、ユニット１１６０では、２つの信号位置尤度、すなわち、エネルギーマトリックス１１５０の列における干渉パターンのロケーションを評価する干渉補償済尤度１５１０、及び、エッジロケーションを検出するヒストグラムエッジ尤度１５４０が推定される（１５００）。最初に、所与の時間ホッピングパターン及び時間ホッピングピリオドの値１１７０を使用して、干渉パターンのロケーションを推定する。これは干渉補償済尤度を与える。次に、ヒストグラムベースエッジ推定器１５５０を適用してヒストグラムエッジ尤度１５４０を得る。
【００８８】
最大尤度推定器１５３０を適用して、直前の尤度計算の結果を融合する。最大尤度推定器１５３０は、推定された尤度１５４０及び１５１０をエネルギーウィンドウインデックスに沿って登録する。双方の推定の尤度値を、それらの対応する値を加算又は乗算することによって集約する。代替的に、双方の尤度を所定の重みと乗算した後、加重和の最大値を選択する。
【００８９】
図１６に示すように、干渉を推定するために、時間ホッピングピリオドを使用して、エネルギー信号から、オーバーラップしている２次元時間的ウィンドウ（インデックス及び帯域）１６１０を生成する。ウィンドウサイズは、ピリオドの値に従って割り当てられる。２次元フーリエ変換１６２０をこれらのウィンドウのそれぞれに適用する。サンプリングされたウィンドウは干渉を含み、フーリエ変換１６２０は、時間ホッピングパターンの向きに沿った方向にステップ応答を有する。
【００９０】
したがって、変換空間の各方向に沿ってその原点から開始してフーリエ変換係数の値を加算し、最高値すなわち「ピーク」を与える直交方向を見つける（１６３０）。次に、ウィンドウ類似度スコア決定１６４０のステップにおいて、最高値をウィンドウインデックスに割り当てる。最も高いスコアを有するインデックスは、干渉の位置を示す。干渉補償済尤度を得るために、ウィンドウ類似度スコアを逆スケーリングする。
【００９１】
第２の尤度は、ヒストグラムエッジ尤度１５４０であり、各帯域におけるエネルギーの分布を解析することによって得られる。ステップ１７１０において、各ウィンドウインデックス又は複数のインデックス位置にエネルギー値のヒストグラムを生成する。次に、１７２０において、ヒストグラム距離ノルムを求めることにより、ヒストグラムのそれぞれを比較し、その距離を各インデックスに割り当てる。比較におけるヒストグラムの個数は、与えられる時間ホッピングピリオドによって求められる。ヒストグラム距離値は、大きいほど、エネルギー信号にエッジの可能性があることを示す。最後に、ステップ１７３０において、距離関数を正規化する。
【００９２】
図１８は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａによるワイヤレスチャネルを介して受信される超広帯域から構築されたエネルギーマトリックスに対応するエネルギー画像の一例である。ＴＯＡは、従来の画像処理技法を使用してリーディングエッジ１８００から推定できることが明らかなはずである。
【００９３】
〈時系列仮説（time series hypothesis）技法を使用したＴＯＡ推定〉
エネルギーウィンドウインデックスがエネルギーマトリックスの横軸であり、フレーム５９０のインデックスがエネルギーマトリックスの縦軸であるとき、各列は、時系列データとして取り扱うことができる。無線信号が存在しないとき、エネルギー値の列は雑音に対応する。無線信号が存在するとき、対応する列は、信号エネルギー及び雑音エネルギーを含む。したがって、従来の仮説検定方法２１６０を、エネルギーマトリックス１１５０の各列に適用して、列が雑音しか含まないのか、それとも列が信号及び雑音を含むのかを検定することができる。
【００９４】
以下のものを２つの仮説と仮定する。
Ｈ０：未知又は未知の変動を有する雑音のみ、及び
Ｈ１：未知の信号振幅を有する信号及び雑音
【００９５】
時系列仮説検定ユニット２１６０は、以下のステップを実行する。
１）最初の列（又は行）のデータを時系列データとして取り込む
２）そのデータが仮説Ｈ０に属するか否かを検定する
３）ＹＥＳである場合、
次の列（又は行）に切り換える
ステップ２に進む
４）ＮＯである場合、
その列（又は行）をリーディングエッジとしてマーキングする
【００９６】
図２１に示すこの時系列仮説検定技法は、必ずしも、マルチユーザ環境において時間ホッピングシグネチャ１１７０を知っている必要はない。
【００９７】
仮説検定の期間中、雑音の分散は未知であると仮定することができ、信号振幅は未知であると仮定することができる。雑音の分散が他の任意の手段によって推定できる場合、仮説Ｈ０は既知の分散を有する雑音であるように変更することができる。仮説検定方法の詳細は、１９９８年のPrentice Hall Signal Processing Seriesの第２巻におけるSteven M. Kay著の「Fundamentals of Statistical signal Processing: Detection Theory」に見ることができる。
【００９８】
本発明の趣旨及び範囲内において、他のさまざまな適応及び変更を行えることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るこのようなすべての変形及び変更をカバーすることが添付の特許請求の範囲の目的である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】測距を行うための送信機から受信機デバイスへの従来技術の信号送信のブロック図である。
【図２】本発明による、測距を行うための送信機デバイスから受信機デバイスへの信号送信のブロック図である。
【図３】各送信シンボルについて複数のパルスを含む従来技術の信号波形を示す図である。
【図４】各送信シンボルについて単一のパルスを含む従来技術の信号波形を示す図である。
【図５】本発明による信号波形を示す図である。
【図６】シンボル間隔ごとに単一のパルスを使用して通信及び測距の双方をサポートする、本発明による測距信号波形を示す図である。
【図７】従来技術のコヒーレント受信機のブロック図である。
【図８】従来技術の非コヒーレント受信機のブロック図である。
【図９】本発明による、コヒーレント受信機のブロック図である。
【図１０】本発明による、非コヒーレント受信機のブロック図である。
【図１１】本発明による、エネルギーマトリックス及びコンピュータビジョン技法を使用する到達時刻推定器のブロック図である。
【図１２】本発明による、エネルギー収集及びマトリックス構築のブロック図である。
【図１３】Ａ〜Ｊは、本発明に従って強調して解析できるエネルギーマトリックスパターンの例の図である。
【図１４】パターン認識・除去ユニットのフロー図である。
【図１５】パターン認識ユニットの詳細なフロー図である。
【図１７】本発明によるパターン認識ユニットの第３の実施形態による、ヒストグラムエッジ尤度推定のフロー図である。
【図１８】本発明による、エネルギーマトリックスに対応するエネルギー画像である。
【図１９】時間ホッピング符号を変更するタイミング図である。
【図２０】図１９の変化する時間ホッピング符号に対応するブロック図である。
【図２１】本発明による、エネルギーマトリックス及び時系列仮説解析技法を使用する到達時刻推定器のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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