(57)【要約】  本発明は、受信した信号の重要な周波数帯域にスペクトル的に拡散した信号が存在していること、あるいは存在していないことを検出する方法であって、-前記受信した信号の自己相関関数が非ゼロ値の時間シフト(m)の集合(S*)に対して計算され、-自己相関関数の少なくとも1つの循環相関係数である式(I)が前記時間シフト値に対して決定され、-自己相関関数のエネルギーが、前記循環相関係数によって前記時間シフト値に対して得られた値の二次和に基づいて予測され、このようにして予測されたエネルギーが所定のしきい値と比較され、かつ、その比較の結果から、受信した信号に前記スペクトル的に拡散した信号が存在していること、あるいは存在していないことが判断される方法に関する。
2010534017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した信号の重要な周波数帯域にスペクトル拡散信号が存在していること、あるいは存在していないことを検出するための方法であって、
前記受信した信号の自己相関関数が非ゼロ時間シフト値(m)の集合(S*)に対して計算され、
前記自己相関関数の少なくとも1つの循環相関係数
【数１】
2010534017.tif 000041
が前記時間シフト値に対して決定され、
前記自己相関関数のエネルギーが、前記循環相関係数によって前記時間シフト値に対して仮定された値の二次和から予測され、
上で予測されたエネルギーが所定のしきい値と比較され、かつ、前記比較の結果から、前記受信した信号に前記スペクトル拡散信号が存在していること、あるいは存在していないことが判断される
ことを特徴とする検出方法。
【請求項２】
前記自己相関関数の複数の循環相関係数
【数２】
2010534017.tif 000042
が決定され、
前記時間シフト値に対して個々の循環相関係数が計算されることを特徴とする請求項1に記載の検出方法。
【請求項３】
前記循環相関係数が、
【数３】
2010534017.tif 000043
によって計算されることを特徴とし、
上式で、s()が、ベースバンドへの変換後の受信信号、Uが、相関窓のサイズ、Teが、サンプル数として表されるサンプリング周期、mが、サンプル数として表される時間シフト、kが、関連する整数、そして
【数４】
2010534017.tif 000044
が、前記信号のスペクトルを拡散するために使用された拡散シーケンスの継続期間に対する前記サンプリング周期の比率である、請求項2に記載の検出方法。
【請求項４】
前記自己相関関数の前記エネルギーが、
【数５】
2010534017.tif 000045
から予測されることを特徴とし、
上式で、Ωが、関連する整数の有限集合であり、また、S*が、ゼロ値が含まれていない関連する整数の有限集合である、請求項3に記載の検出方法。
【請求項５】
前記自己相関関数の循環相関係数
【数６】
2010534017.tif 000046
が、複数の時間シフト値に対して決定されることを特徴とする請求項1に記載の検出方法。
【請求項６】
前記循環相関係数が、
【数７】
2010534017.tif 000047
によって得られることを特徴とし、
上式で、s()が、ベースバンドへの変換後の受信信号、Uが、相関窓のサイズ、Teが、サンプル数として表されるサンプリング周期、mが、サンプル数として表される時間シフトである、請求項5に記載の検出方法。
【請求項７】
前記自己相関関数の前記エネルギーが、
【数８】
2010534017.tif 000048
から予測されることを特徴とし、
上式で、S*が、ゼロ値が含まれていない関連する整数の有限集合である、請求項6に記載の検出方法。
【請求項８】
前記予測されたエネルギー
【数９】
2010534017.tif 000049
が、比率
【数１０】
2010534017.tif 000050
の関数として計算される所定のしきい値J0と比較されることを特徴とし、
上式で、σ2が、雑音分散である、請求項4または7に記載の検出方法。
【請求項９】
前記雑音分散σ2が、
【数１１】
2010534017.tif 000051
によって予測されることを特徴とする請求項8に記載の検出方法。
【請求項１０】
仮に、
【数１２】
2010534017.tif 000052
である場合、前記重要な周波数帯域にスペクトル拡散信号が存在している、と結論付けられ、また、逆の場合は、前記帯域にはこのような信号は存在していない、と結論付けられることを特徴とする請求項8または9に記載の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル拡散信号のブラインド検出またはセミブラインド検出の分野に関する。本発明は、とりわけ認知無線（コグニティブ無線）システムにその用途が見出される。
【背景技術】
【０００２】
混雑する一方のスペクトルの密集は、周波数帯域が既に割り当てられているシステム、つまりいわゆる一次システムと共存することができる電気通信システムの検討を余儀なくしている。2つの共存する戦略が目下のところ重要な研究の主題である。第1の戦略は、スペクトルを極めて広範囲にわたって拡散することによって極めて低い信号レベルを使用することからなっており、これは、UWB(超広帯域)とも呼ばれている超広帯域システムが後続する方式である。第2の戦略は、規則的に、あるいは一時的に占有されないスペクトルの一部を日和見的に使用することからなっており、これは、いわゆる日和見（opportunistic）無線(または認知無線)方式である。認知無線については、J. Mitolaの論文、名称「Cognitive radio: an integrated agent architecture for software defined radio」、Royal Institute of Technology、Stockholm、PhD Dissertation、2000年5月8日の中で説明されている。
【０００３】
所与の帯域で送信することができるようにするためには、送信機は、信号、とりわけスペクトル拡散信号がこの帯域に存在しているかどうかを判定することができなければならない。拡散信号が雑音に混入している場合、単純な電力検出器による手段では、高い信頼性でこの情報を獲得することは不可能である。
【０００４】
通常、その存在が検出されるべく意図されている、信号に関する先験的情報（priori information）を利用することができないブラインド検出方法と、検出すべき信号の特定のパラメータが分かっているセミブラインドタイプの予測方法とは区別されている。
【０００５】
スペクトル拡散信号の存在をセミブラインド検出するための方法は、G. Burelの論文、名称「Detection of spread spectrum transmissions using fluctuations of correlation estimators」published in Proc. of IEEE-ISPACS、2000年11月5〜8日、Honolulu、Hawaiに記載されている。この方法は、受信した信号の自己相関関数の次数2のモーメントの統計量に基づいている。この方法には、スペクトル拡散信号が存在している場合、単純な白色雑音が存在している場合より自己相関関数の変動が大きいことが利用されている。しかしながら、この場合も、信号対雑音比が小さい場合、この検出方法によって、スペクトル拡散信号が存在していないか、あるいは存在しているかどうかを小さい誤り率で判定することは不可能である。日和見送信機は、拡散信号が存在している間、その帯域での送信を誤って判定することがあり、あるいはその逆に、たとえその帯域が空いている場合であっても送信しないことがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Mitolaの論文、名称「Cognitive radio: an integrated agent architecture for software defined radio」、Royal Institute of Technology、Stockholm、PhD Dissertation、2000年5月8日
【非特許文献２】G. Burelの論文、名称「Detection of spread spectrum transmissions using fluctuations of correlation estimators」published in Proc. of IEEE-ISPACS、2000年11月5〜8日、Honolulu、Hawai
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、たとえ小さい信号対雑音比の条件下であっても、重要な周波数帯域にスペクトル拡散信号が存在しているか、あるいは存在していないかどうかを、より高い信頼性で判定することができる方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、受信した信号の重要な周波数帯域にスペクトル拡散信号が存在していること、あるいは存在していないことを検出するための方法であって、
-前記受信した信号の自己相関関数が非ゼロ時間シフト値の集合に対して計算され、
-自己相関関数の少なくとも1つの循環相関係数が前記時間シフト値に対して決定され、
-自己相関関数のエネルギーが、前記循環相関係数によって、前記時間シフト値に対して仮定された値の二次和から予測され、
-上で予測されたエネルギーが所定のしきい値と比較され、かつ、その比較の結果から、受信した信号に前記スペクトル拡散信号が存在していること、あるいは存在していないことが判断される、検出方法によって定義される。
【０００９】
第1の代替例によれば、自己相関関数の複数の循環相関係数が決定され、前記時間シフト値に対して個々の循環相関係数が計算される。
【００１０】
有利に、前記循環相関係数は、
【数１】
2010534017.tif 000003
によって計算することができる。
【００１１】
上式で、s()は、ベースバンド変換後の受信信号、Uは、相関窓のサイズ、Teは、サンプル数として表されるサンプリング周期、mは、サンプル数として表される時間シフト、kは、関連する整数、そして
【数２】
2010534017.tif 000004
は、信号のスペクトルを拡散するために使用された拡散シーケンスの継続期間に対するサンプリング周期の比率である。
【００１２】
次に、有利に、
【数３】
2010534017.tif 000005
から、自己相関関数のエネルギーが予測される。
【００１３】
上式で、Ωは、関連する整数の有限集合であり、また、S*は、ゼロ値が含まれていない関連する整数の有限集合である。
【００１４】
第2の代替例によれば、自己相関関数の循環相関係数は、複数の時間シフト値に対して決定される。
【００１５】
有利に、前記循環相関係数は、
【数４】
2010534017.tif 000006
によって得られる。
【００１６】
上式で、s()は、ベースバンド変換後の受信信号、Uは、相関窓のサイズ、Teは、サンプル数として表されるサンプリング周期、mは、サンプル数として表される時間シフトである。
【００１７】
次に、有利に、
【数５】
2010534017.tif 000007
から、自己相関関数のエネルギーが予測される。
【００１８】
上式で、S*は、ゼロ値が含まれていない関連する整数の有限集合である。
【００１９】
第1または第2の代替例によれば、次に、予測されたエネルギー
【数６】
2010534017.tif 000008
と、比率
【数７】
2010534017.tif 000009
の関数として計算される所定のしきい値J0とが比較される。上式で、σ2は、雑音分散である。
【００２０】
信号対雑音比が小さい場合、雑音分散σ2は、
【数８】
2010534017.tif 000010
によって予測することができる。
【００２１】
仮に、
【数９】
2010534017.tif 000011
である場合、重要な周波数帯域にスペクトル拡散信号が存在している、と結論付けることができ、また、そうでない場合は、前記帯域にはこのような信号は存在していない、と結論付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】スペクトル拡散信号の自己相関関数の値の分布を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるスペクトル拡散信号の存在を検出するためのセミブラインド方法の流れ図である。
【図３】本発明の一実施例によるスペクトル拡散信号の存在を検出するためのブラインド方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図を参照して行う本発明の優先実施例を読むことによって明らかになるであろう。
【００２４】
以下では、一次端末が重要な周波数帯域で送信しているかどうかを判定しなければならない、二次端末とも呼ばれている日和見端末の場合を考察する。この一次電気通信システム(つまり周波数帯域が割り当てられている電気通信システム)は、それが送信中である場合、CDMA(符号分割多重アクセス)システムにおける従来の事例に従って直接スペクトル拡散を使用することが仮定されている。
【００２５】
言い換えると、スペクトル拡散信号が存在している場合、日和見端末は、
【数１０】
2010534017.tif 000012
を受信する。
【００２６】
上式で、cl、l=0,..,L-1は、スペクトル拡散シーケンス、Tcは、チップ周期、Ts=LTcは、シンボル周期、αpは、送信された情報シンボル、g(t)は、チャネルのインパルス応答によるシンボル整形パルスの畳み込み、また、b(t)は、雑音を記述している確率関数である。
【００２７】
受信した信号は、普遍性を何ら損なうことなくチップ周波数でサンプリングされることが仮定されており、関連するサンプルen=s(nTc)が示される。
【００２８】
したがって、
【数１１】
2010534017.tif 000013
が得られる。
【００２９】
上式で、gp、l、n=g((n-pL-l)Tc)であり、bnは、雑音サンプルである。
【００３０】
したがって受信した信号の自己相関関数は、
【数１２】
2010534017.tif 000014
として表すことができる。
【００３１】
上式で、E{.}は、数学的期待値を示しており、また、mTc=τは、相関すべき信号のバージョン間の時間シフトである。
【００３２】
表記法n=p1L+l1及びm=p2L+l2が使用される場合、自己相関関数の値Re(n,m)は、雑音サンプルが、互いに独立していること、及び信号と無関係であることを条件として、
【数１３】
2010534017.tif 000015
として表すことができる。
【００３３】
上式で、δ(.)は、ディラックの超関数（Dirac distribution）であり、また、σ2は、雑音分散である。
【００３４】
p1≠p2である場合、言い換えると、相関が異なるシンボルと関係している場合、
【数１４】
2010534017.tif 000016
が得られる。
【００３５】
また、nをn+Lに置き換えると、つまりp1(またはp2)をp1+1(またはp2+1)に置き換えると、関数Re(n,m)は不変の状態にされる。言い換えると、相関関数は、その第1の変数nに対して周期的になり、その周期はLである。第1の周期、つまり0≦n<Lを考慮すると、Re(n,m)は、-n≦m<N-nである場合にのみ非ゼロであること、言い換えると、Re(n,m)は、時間シフトがシンボル時間未満である場合に非ゼロであることが示され得る。これについては、これまで、2つの連続するシンボルは相関性を有していない、と理解されていた。
【００３６】
図1は、値n及びmによって決まる自己相関関数Re(n,m)により仮定される値の分布を示したものである。
【００３７】
自己相関関数Re(n,m)は、灰色がかった三角形の中にゼロの値を仮定し、また、左側の白い平行四辺形の中に非ゼロ値を仮定していることに注意が必要である。
【００３８】
スペクトル拡散信号が存在していない場合、つまり雑音のみが存在している場合、自己相関関数は、直線m=0上を除くあらゆる部分でゼロである。
【００３９】
本発明の基礎をなしている着想は、m≠0である場合の自己相関関数の平均エネルギーJ、すなわち、
【数１５】
2010534017.tif 000017
を考慮することである。
【００４０】
エネルギーJは、横座標の軸に平行の個々の直線Dm及び縦座標m≠0の軸上で計算される平均エネルギーJmの和と見なすことができる。
【００４１】
次に、値Jとしきい値J0とを比較することによって、スペクトル拡散信号が存在している／存在していない、の検出が実行されるが、これについては後で説明する。つまり、J>J0である場合、拡散信号が存在していることが結論付けられ、また、逆の場合は、帯域が空いていることが結論付けられる。
【００４２】
相関関数の周期性のため、フーリエ級数に従って相関関数を展開することができる。
【００４３】
【数１６】
2010534017.tif 000018
【００４４】
上式で、
【数１７】
2010534017.tif 000019
は、k番目のフーリエ係数であり、また、
【数１８】
2010534017.tif 000020
であり、より一般的には、Teがサンプリング周期であるとして、
【数１９】
2010534017.tif 000021
である。
【００４５】
関連する整数kに対するkα値は、循環周波数と呼ばれており、また、係数
【数２０】
2010534017.tif 000022
は、循環相関係数と呼ばれている。
【００４６】
自己相関関数のエネルギーは、等価的にスペクトル領域で表すことができ、すなわち、
【数２１】
2010534017.tif 000023
である。
【００４７】
本発明の第1の代替実施例によれば、循環相関係数からエネルギーJが計算される。実際には、循環相関係数は、次の方法で予測することができる。
【００４８】
【数２２】
2010534017.tif 000024
【００４９】
上式で、Uは、サンプル数として表される相関窓の幅である。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく、他の予測値を考慮することができることは当業者には明らかである。
【００５０】
この第1の実施例は、値αが先験的に分かっており、したがって循環周波数の値が分かっているセミブラインド予測の環境の中にそのアプリケーションが見出される。これは、とりわけ、拡散信号のチップ周期Tc及び拡散シーケンスの長さLが端末に分かっている場合がそうである。
【００５１】
その場合、エネルギーJは、
【数２３】
2010534017.tif 000025
によって予測される。
【００５２】
Uが十分に大きい場合、この予測は、式(5)によって与えられる値Jに向かうことに注意が必要である。
【００５３】
本発明の第2の代替実施例によれば、端末には拡散シーケンスの特性が先験的に分かっていない。この場合、自己相関関数のエネルギーは、ゼロ周波数における循環相関係数からブラインド方式で単純に予測される。
【００５４】
すなわち、
【数２４】
2010534017.tif 000026
である。
【００５５】
図2は、本発明の第1の実施例による、重要なスペクトル帯域にスペクトル拡散信号が存在していることを検出するためのセミブラインド方法の流れ図を示したものである。
【００５６】
受信した信号をベースバンドに変換するために、第1のステップ210で、受信した信号がフィルタリングされ、かつ、復調される。
【００５７】
ステップ220で、端末には分かっているものと仮定して、ステップ210で復調された信号sがチップ周波数
【数２５】
2010534017.tif 000027
でサンプリングされる。
【００５８】
それにより、一連のサンプル{s(u)}uが得られる。
【００５９】
ステップ230で、式(8)を使用して、サンプリングされた信号の循環相関係数が計算される。
【００６０】
ステップ240で、式(7)を使用して自己相関関数のエネルギーが計算され、要するに式(9)によってこのエネルギーが予測されることになる。
【００６１】
実際には、時間シフトの総和は、値m=0が含まれていない有界な台（bounded support）S*に制限されており、例えば1つの区間[Mmin,Mmax]に制限され、あるいは2つの区間[-Mmax,-Mmin]∪[Mmin,Mmax]の和集合に制限されている。上式で、Mmin、Mmaxは、狭義に正の整数である。
【００６２】
また、循環周波数の総和は、集合
【数２６】
2010534017.tif 000028
の中に含まれている有界な台Ωに制限することも可能であり、例えば区間[Kmin,Kmax]に制限することができる。上式で、Kmin、Kmaxは、狭義に正の整数である。
【００６３】
エネルギー
【数２７】
2010534017.tif 000029
は、最終的には次の方法で得られることに注意が必要である。
【００６４】
【数２８】
2010534017.tif 000030
【００６５】
ステップ250で、予測されたエネルギー
【数２９】
2010534017.tif 000031
が、所定のしきい値J0と比較される。
【００６６】
しきい値J0は、有利に、比率
【数３０】
2010534017.tif 000032
の関数として決定される。上式で、σ2は、既に言及したように雑音分散である。
【００６７】
信号対雑音比が小さい場合、近似値
【数３１】
2010534017.tif 000033
を使用することができる。
【００６８】
J0が選択されると、それは、式
【数３２】
2010534017.tif 000034
を検証することが示され得る。
【００６９】
上式で、k=Card(S*)Card(Ω)は、誤り検出確率、つまりスペクトル拡散信号が存在していることが結論付けられる確率であり、一方、重要な帯域にスペクトル拡散信号が存在しない場合、Uが無限大に向かうとき、2%に向かう。
【００７０】
例えば、
【数３３】
2010534017.tif 000035
である場合、ステップ261で、重要な帯域にスペクトル拡散信号が存在していることが結論付けられ、また、その逆の場合は、ステップ262で、スペクトル拡散信号は存在していないことが結論付けられる。
【００７１】
図3は、本発明の第2の実施例による、重要なスペクトル帯域にスペクトル拡散信号が存在していることをブラインド検出するための方法の流れ図を示したものである。
【００７２】
ステップ310で、受信した信号が重要な帯域中でフィルタリングされ、かつ、ベースバンドに変換される。
【００７３】
ステップ320で、得られた信号がナイキスト周波数でサンプリングされる。
【００７４】
ステップ330で、循環相関係数
【数３４】
2010534017.tif 000036
が予測される。
【００７５】
ステップ340で、式(10)から自己相関関数のエネルギーが予測される。実際には、第1の実施例の場合と同様、時間シフト値の総和は、既に説明した形式と同じ形式を有することができる有界な台S*に制限されている。
【００７６】
次に、最終的に、エネルギー
【数３５】
2010534017.tif 000037
が、
【数３６】
2010534017.tif 000038
によって得られる。
【００７７】
ステップ350で、値
【数３７】
2010534017.tif 000039
が、第1の実施例の場合と同様の方法で決定されたしきい値J0と比較される(card(Ω)=1である)。
【００７８】
例えば、
【数３８】
2010534017.tif 000040
である場合、ステップ361で、重要な帯域にスペクトル拡散信号が存在していることが結論付けられ、また、その逆の場合は、ステップ362で、スペクトル拡散信号は存在していないことが結論付けられる。
【００７９】
重要な帯域にスペクトル拡散信号が存在していること／存在していないことを検出するためのこの方法は、この帯域での送信に先立って日和見電気通信端末が使用することができる。
【００８０】
これと同じ方法を、「スペクトルポリス（spectrum police）」動作のため、とりわけスペクトルの不法な占有を検出するために使用することができる。
【図１】
2010534017.tif 000053
【図２】
2010534017.tif 000054
【図３】
2010534017.tif 000055
【国際調査報告】
2010534017.tif 000056
2010534017.tif 000057
2010534017.tif 000058
2010534017.tif 000059
2010534017.tif 000060
2010534017.tif 000061
2010534017.tif 000062
2010534017.tif 000063