(57)【要約】方法およびシステムは、第１に、第１のテンプレート信号を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチし、それによって、信号セルを含むブロックの位置を突き止めること、および第２に、第２のテンプレート信号を使用して、時間に関して、ブロックをサーチし、それによって、信号セルの位置を突き止めて、受信インパルス無線信号を捕捉することにより、受信インパルス無線信号を捕捉する。
2006521760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のテンプレート信号を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチすることであって、それによって、信号セルを含むブロックの位置を突き止めること、および
第２のテンプレート信号を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチすることであって、それによって、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉すること
を含む、受信インパルス無線信号を捕捉する方法。
【請求項２】
前記インパルス無線信号は、ランダム符号分割多元接続無線信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記インパルス無線信号は、超広帯域無線信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記インパルス無線信号は、直接拡散符号分割多元接続無線信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記インパルス無線信号は、直接２相位相偏移変調を受けたランダム時間ホッピング無線信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のテンプレート信号に関連付けられた第１の相関間隔が、前記第２のテンプレート信号に関連付けられた第２の相関間隔よりも実質的に長い
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記サーチすることは、
サーチ中に、前記第１および第２のテンプレート信号を時間シフトさせること、
前記シフトされた第１および第２のテンプレート信号をそれぞれ前記第１および第２の相関間隔にわたって相関させることであって、それによって、第１および第２の出力をそれぞれ求めること、および
前記第１および第２の出力をそれぞれ第１および第２のしきい値と比較することであって、それによって、前記ブロックおよび信号セルの位置をそれぞれ突き止めること
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記受信インパルス無線信号に対応する送信インパルス無線信号は、
【数１】
2006521760.tif 000015
によって表され、
ここで、ｗｔｒは送信された単位エネルギーパルスであり、Ｔｆは平均パルス繰り返し時間であり、Ｎｆは１つの情報シンボルを表すパルス数であり、ｂは０または１のいずれかの送信された情報シンボルであり、擬似ランダムシーケンス｛ｃｊ｝が、前記インパルス無線信号の各ユーザに割り当てられて、前記インパルス無線信号のｊ番目のパルスにｃｊＴｃ秒の時間シフトを追加して提供し、ここで、Ｔｃはチップ間隔であり、かつ、Ｔｃ≦Ｔｆ／Ｎｃであり、ｄｊが２値ランダム変数であり、かつ、ｄｉおよびｄｊが独立であり、それぞれ１／２の確率で±１の値を取るとすると、シーケンス｛ｓｊ｝が以下のように
【数２】
2006521760.tif 000016
によって定義されて、Ｔｆ／Ｔｃ＝Ｎｃの場合に、前記送信インパルス無線信号を
【数３】
2006521760.tif 000017
として表し、その結果、前記受信インパルス無線信号は、
【数４】
2006521760.tif 000018
として表され、ここで、ｗｒｅｃ（ｔ）は受信パルスであり、σｎｎ（ｔ）は単位電力スペクトル密度を有する白色ガウス雑音であり、
【数５】
2006521760.tif 000019
であり、前記領域のセル数はＮ＝ＮｆＮｃであり、Ｔｃは分解可能な最小パス間隔である
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のテンプレート信号は、
【数６】
2006521760.tif 000020
と表され、
ここで、ｍ１は前記領域に関連付けられた第１の相関間隔にわたるパルス数であり、Ｂは前記領域のブロックの総数であり、各ブロックはＫ個のセルを含み、前記複数のセルはＮ＝ＫＢである
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２のテンプレート信号は、
【数７】
2006521760.tif 000021
と表され、
ここで、ｍ２は前記ブロックに関連付けられた第２の相関間隔にわたるパルス数である
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記領域のサーチを行うことはブロックしきい値τｂを使用し、前記ブロックのサーチを行うことは信号しきい値τｓを使用する
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第１のテンプレート信号を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチし、信号セルを含むブロックの位置を突き止める第１の手段と、
第２のテンプレート信号を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチし、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉する第２の手段と
を備える、受信インパルス無線信号を捕捉するシステム。
【請求項１３】
第１のテンプレート信号を使用して、時間に関して、インパルス無線信号の領域をサーチし、信号セルを含むブロックの位置を突き止めるように構成され、かつ、第２のテンプレート信号を使用して、時間に関して、前記ブロックをサーチし、前記信号セルの位置を突き止めて、前記受信インパルス無線信号を捕捉するように構成された相関ユニットと、
サーチ中に、前記第１および第２のテンプレート信号を時間シフトさせる同期ユニットと、
前記領域およびブロックをそれぞれサーチ中に、前記相関ユニットの第１および第２の出力をそれぞれ第１および第２のしきい値と比較する判定ユニットと
を備える受信インパルス無線信号を捕捉する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、インパルス無線信号に関し、より詳細には、超広帯域信号の捕捉に関する。
【背景技術】
【０００２】
受信した超広帯域（ＵＷＢ）信号が復調可能となる前に、テンプレート信号をこの受信信号と位置合わせしなければならない。位置合わせの目的は、テンプレート信号に対する受信信号の相対的な遅延を求めるためである。このプロセスは信号捕捉と呼ばれる。
【０００３】
従来、位置合わせは、不確定領域（uncertainty region）のセルの起こり得る遅延時間をシリアルサーチすることによって実行されていた。これについては、Simon他の「Spread Spectrum Communications Handbook」, McGraw-Hill, New York, 1994を参照されたい。時間に関して異なる各サーチ位置、すなわち時間間隔はセルと呼ばれる。信号が遅延位置に存在すると、そのセルは信号セルと呼ばれる。その方法では、受信信号は、テンプレート信号と相関され、相関出力がしきい値と比較される。出力がしきい値よりも低い場合、テンプレート信号は、或る時間量だけシフトされる。シフトされる時間量は、通常、分解可能なパス間隔に対応する。次に、この情報が使用されて、出力がしきい値を超えるまで相関が繰り返される。
【０００４】
信号パスとテンプレート信号とが位置合わせされる状況から相関出力が得られる場合には、その出力は信号セル出力と呼ばれ、そうでない場合には、その出力は非信号セル出力と呼ばれる。非信号セル出力がしきい値を超えると、フォールスアラームが発生する。その場合、サーチが正常な状態に戻るまで、時間ｔｐが経過する。この時間は、フォールスアラームのペナルティ時間と呼ばれる。
【０００５】
ＵＷＢ信号の時間分解能が短いために、すべての遅延位置をシリアルサーチするには、長い時間を要する可能性がある。したがって、この位置合わせ方法は、ＵＷＢ信号の捕捉に割り当てられた時間が削減されるように高速でなければならない。
【０００６】
シリアルサーチの平均捕捉時間は、不確定領域のセルの個数Ｎが大きい場合には、Ｎに正比例する。これについては、Polydoros他の「A unified approach to serial search spread-spectrum code acquisition-Part I: General Theory」, IEEE Trans. Comm., Vol. COM-32, pp.542-549, May 1984を参照されたい。一般的な形で、図３は、テンプレート３０１による不確定領域３００の従来技術のシリアルセルサーチの基本オペレーションを示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、既知の従来技術のシリアルサーチ技法よりも短時間でＵＷＢ信号を捕捉できる方法およびシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
超広帯域（ＵＷＢ）通信等のインパルス無線通信システムでは、信号が変調可能となる前に、受信無線信号を捕捉しなければならない。ＵＷＢ信号の狭いパルスの時間分解能が非常に短いために、受信信号を捕捉するには、かなり多数の可能な信号位置、すなわち遅延をサーチしなければならない。この理由によって、インパルス無線通信には、高速信号捕捉が非常に重要である。
【０００９】
第１のテンプレート信号を使用すると、本発明によるシーケンシャルブロックサーチ方法（ＳＢＳ）は、まず、時間に関して、受信信号セルが存在する可能性のある小さな領域を決定する。次に、第２のテンプレート信号を使用して、この領域が、より詳細にサーチされて、信号の正確な遅延が見つけられる。
【００１０】
受信信号と第１のテンプレート信号との相関によって、いくつかのセル出力が有効に追加される。次に、この結果は、その領域が一般に信号セルを含むかどうかを決定する判定基準として使用される。
【００１１】
領域の相関出力が、指定されたしきい値を超えている場合には、ブロックは、第２のテンプレート信号を使用して詳細かつシリアルにサーチされる。
【００１２】
シーケンシャルブロックサーチステップおよびシリアルセルサーチステップの相関間隔は、同じである必要はない。実際には、ブロックサーチの相関間隔は、高い確率で正しいブロックを見つけることができるように、通常、実質的に長くなるように選択される。
【００１３】
厳しい非見通し内（ＮＬＯＳ（non-line-of-sight））状態では、多くのマルチパスが存在し、これらマルチパスは、信号捕捉をより難しいものとする。第１のパス、または第１の数個のパスをこのような状態で捕捉する必要がある場合には、本発明による平均ブロックサーチ方法を使用することができる。この方法では、複数のシリアルサーチ出力が平均化され、連続した平均値間の増加量がしきい値と比較されて、受信信号の開始エッジが検出される。
【００１４】
平均値に大幅な増加が存在すると、その増加を引き起こしたセル出力がさらにサーチされて、受信信号の第１のパスが決定される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるシーケンシャルブロックサーチ方法は、ＵＷＢ信号の信号セルの位置（または複数の位置）を見つける高速な方法を提供する。まず、この方法は、信号セルが存在する可能性のある、より小さな領域を高速に決定する。次に、この方法は、その領域を詳細にサーチして、信号の正確な位置を見つける。このように、ＵＷＢ信号を捕捉する時間をかなり削減することができる。実際には、ＳＢＳ方法の平均捕捉時間は、大きな信号対雑音比ではＮの平行根に比例するようになる。これと対照的に、従来技術のシリアルサーチの平均捕捉時間は、不確定領域ではセルの個数に正比例する。実際的な値としては、ＳＢＳ方法を使用した捕捉時間は、シリアルサーチの平均捕捉時間の約半分である。
【００１６】
厳しいマルチパス状態では、シリアルサーチ出力の平均化された値の方が、いくつかのＮＬＯＳ状況での信号の開始を検出するのに信頼性が高いので、平均ブロックサーチは捕捉時間を削減する。このように、単一の出力の瞬時の増加が平滑化され、その結果、フォールスアラームの頻度が低減される。また、本発明は、直接拡散符号分割多元接続（ＤＳ−ＣＤＭＡ）システムにも使用できることに留意すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［信号モデル］
２相位相偏移変調を受けたランダム時間ホッピングインパルス無線（ＴＨ−ＩＲ）システムでは、送信信号は、以下のモデルによって表すことができる。
【００１８】
【数１】
2006521760.tif 000003
【００１９】
ここで、ｗｔｒは送信された単位エネルギーパルスであり、Ｔｆは平均パルス繰り返し時間であり、Ｎｆは１つの情報シンボルを表すパルス数であり、ｂは送信された情報シンボル、すなわち０または１である。
【００２０】
チャネルを多くのユーザに利用可能にし、かつ、破滅的な衝突の回避を可能にするために、擬似ランダムシーケンス｛ｃｊ｝が各ユーザに割り当てられる。このシーケンスは、時間ホッピング（ＴＨ）シーケンスと呼ばれる。ＴＨシーケンスは、信号のｊ番目のパルスにｃｊＴｃ秒の時間シフトを追加して提供する。ここで、Ｔｃは、時にチップ間隔と呼ばれることがある。パルスが重なり合うのを防止するために、チップ間隔はＴｃ≦Ｔｆ／Ｎｃを満たすように選択される。
【００２１】
本発明者らは、ｄｊが２値ランダム変数であり、かつ、ｄｉおよびｄｊがｉ≠ｊの場合に独立であり、それぞれ１／２の確率で±１の値を取る符号化ＩＲシステムについて考える。これについては、Fishler他の「On the tradeoff between two types of processing gain」, 40th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, 2002を参照されたい。このシステムは、Ｔｆ＝Ｔｃであるランダム符号分割多元接続無線信号（ＲＣＤＭＡ）システムとみなすことができる。この場合、Ｎｆは処理利得を表す。
【００２２】
本発明者らは、シーケンス｛ｓｊ｝を次のように定義する。
【００２３】
【数２】
2006521760.tif 000004
【００２４】
次に、Ｔｆ／Ｔｃ＝Ｎｃと仮定すると、一般性を失うことなく、式（１）は、以下のように表すことができる。
【００２５】
【数３】
2006521760.tif 000005
【００２６】
本発明者らは、捕捉段階の間、データ変調が行われないと仮定する。すなわち、
【００２７】
【数４】
2006521760.tif 000006
【００２８】
である。この場合、単一ユーザシステムのフラットフェージングチャネルを介した受信信号は、以下のように表すことができる。
【００２９】
【数５】
2006521760.tif 000007
【００３０】
ここで、ｗｒｅｃ（ｔ）は受信したＵＷＢパルスであり、ｎ（ｔ）は単位電力スペクトル密度を有する白色ガウス雑音である。このモデルは、ほぼ、強い第１成分を有する視野方向（line-of-sight case）の場合を表す。
【００３１】
不確定領域のセル数をＮ＝ＮｆＮｃとする。これらのセルの１つが信号セルである一方、それ以外のものは非信号セルである。
【００３２】
［テンプレート信号］
捕捉を目的としたデータ変調が行われないと仮定すると、式（３）の信号モデルのシリアルサーチに使用されるテンプレート信号は、以下のように表すことができる。
【００３３】
【数６】
2006521760.tif 000008
【００３４】
ここで、ｍ２はパルス数であり、このパルス数にわたって相関が取られる。
【００３５】
［シーケンシャルブロックサーチ］
本発明によるシーケンシャルブロックサーチ（ＳＢＳ）では、２つの異なるテンプレート信号が存在する。第１のテンプレート信号は、セルブロックをサーチするのに使用される一方、第２のテンプレート信号は、シリアルサーチで使用されるものと類似している。
【００３６】
式（３）で記述される信号モデルの第１のテンプレート信号は、以下のように表すことができる。
【００３７】
【数７】
2006521760.tif 000009
【００３８】
ここで、Ｂは不確定領域のブロックの総数であり、各ブロックはＫ個のセルを含む。ｍ１はパルス数であり、このパルス数にわたって相関が取られる。簡単にするために、不確定セル（uncertainty cell）の総数は、Ｎ＝ＫＢと表すことができると仮定する。値Ｔｃは分解可能な最小パス間隔とする。
【００３９】
受信信号と式（６）の第１のテンプレート信号との相関出力は、ブロック全体が信号セルを含むかどうかをチェックする高速テストとして使用される。次に、受信信号と第２のテンプレート信号との相関出力が、詳細なブロックサーチに使用される。
【００４０】
現在サーチされているブロックのインデックスはｂであり、初期値はｂ＝１である。この場合、ＳＢＳ方法は、以下のように説明することができる。
【００４１】
１）第１のテンプレート信号
【００４２】
【数８】
2006521760.tif 000010
【００４３】
を使用して、ｂ番目のブロックをチェックする。
２）ｂ番目のブロックの出力がブロックしきい値τｂよりも高くない場合には、ステップ６に進む。
３）ｂ番目のブロックの出力がブロックしきい値τｂよりも高い場合には、ブロックをより詳細にサーチする。すなわち、第２のテンプレート信号
【００４４】
【数９】
2006521760.tif 000011
【００４５】
を使用して、信号しきい値τｓでセルごとにシリアルサーチを行う。
４）信号セルがブロックに検出されない場合には、ステップ６に進む。
５）信号セルがブロックに検出されると、終了する。
６）ｂ＝（ｂ  ｍｏｄ  Ｂ）＋１に設定して、ステップ１に進む。
【００４６】
フォールスアラーム（ＦＡ）がシリアルサーチ部で発生すると、サーチは、Ｃ時間ユニット後に次のセルから再開する。このＣ時間ユニットは、フレーム時間に関するペナルティ時間である。
【００４７】
ステップ５において、「信号セルが検出される」は、信号セル出力が信号しきい値τｓを超えていることを意味する。同様に、ステップ４において、「信号セルが検出されない」は、信号セルがブロックに存在しないか、または、たとえセルがブロックに存在しても、セルの出力が信号しきい値τｓよりも低いことを暗に意味する。
【００４８】
図１はＳＢＳ方法を示している。受信信号１０１は、式（６）の第１のテンプレート信号と相関され（１１０）、その出力１１１は、ブロックしきい値τｂと比較される（１２０）。
【００４９】
ブロックしきい値を超えていない場合（１２１）、判定ユニットは、同期ユニット１３０に第１のテンプレート信号の遅延を調整させ（１３１）、受信信号との相関（１１０）がもう一度実行される。
【００５０】
ブロック出力１１１がブロックしきい値τｂよりも高い場合には、式（５）の第２のテンプレート信号が使用され、ブロック内のセルがシリアルサーチされる。換言すると、判定ユニット１２０は、出力をしきい値と比較し、信号が検出される（１２２）のか、それとも検出されない（１２１）のかを判定する一方、同期ユニット１３０は、テンプレート信号の遅延を調整し（１３１）、対応するテンプレート信号を相関ユニットに送る。
【００５１】
［平均ブロックサーチ］
厳しいＮＬＯＳ状態では、平均ブロックサーチ方法が適している。この方法の背後にある基本アイデアは、出力値のかなりの増加を見るために、複数のシリアル相関出力の平均値を使用することである。この増加は信号セルの開始を示す。この場合の受信信号は、次のように表すことができる。
【００５２】
【数１０】
2006521760.tif 000012
【００５３】
ここで、αｌはｌ番目のマルチパス成分の振幅係数であり、τｌはｌ番目のマルチパス成分の遅延である。
【００５４】
受信信号と以下のテンプレート信号との相関出力について考える。
【００５５】
【数１１】
2006521760.tif 000013
【００５６】
これらの相関結果の絶対値をｚ１，・・・，ｚＮとすると、本発明者らは、Ｎ＝ＫＢと仮定して、以下の方程式を定義することができる。
【００５７】
【数１２】
2006521760.tif 000014
【００５８】
ｉを、現在サーチされている平均化されたブロックのインデックスとし、初期値をｉ＝０とする。この場合、ＡＢＳ方法は、以下のように説明することができる。
【００５９】
１）連続した平均値間の差ｗｉｍｏｄＢ−ｗ（ｉ−１）ｍｏｄＢをチェックする。
２）この差が第１のしきい値τａよりも高くない場合には、ステップ６に進む。
３）この差がτａよりも高い場合には、ｚ（ｉｍｏｄＢ）Ｋ＋１，・・・，ｚ（ｉｍｏｄＢ）＋１）Ｋを第２のしきい値τｃと比較してシリアルにチェックする。
４）信号セルが検出されない場合には、ステップ６に進む。
５）信号セル（または複数の信号セル）が検出されると、終了する。
６）ｉ＝（ｉ＋１）ｍｏｄＢに設定して、ステップ１に進む。
【００６０】
図２は、ＡＢＳ方法およびシステム２００を示している。この実施の形態では、複数の相関器２１０と平均化ユニット２１５が並列に使用される。受信信号ｒ（ｔ）２０１が、まず、異なる遅延を有する第１のテンプレート信号と相関される（２１０）。次に、これらの相関の絶対値が平均化され（２２０）、判定ユニット２３０によって、事前に平均化された値と比較される。平均値に大きな増加があり、かつ、対応するブロックのシリアルサーチ出力のいずれか１つがしきい値を超えている場合には、信号が検出される（２３１）。
【００６１】
信号が検出されない場合（２３２）、テンプレート信号の遅延が同期ユニット２４０によって調整され、同じステップが再び続く。
【００６２】
このブロック図は、たとえＫ個の相関器および平均化ユニットの場合について示されていても、この方法およびシステムは、１つのみの相関器でも作動できることに留意されたい。このような状況では、判定ユニットは、単一の相関器の所定の個数の出力を記憶することによって、平均化タスクおよび比較タスクを実行することができる。
【００６３】
本発明を好ましい実施の形態を例として説明してきたが、他のさまざまな適応および変更を、本発明の精神および範囲内で行うことができることを理解すべきである。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るこのようなすべての変形および変更を網羅することが、添付の特許請求の範囲の目的である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明によるシーケンシャルブロックサーチ方法およびシステムのブロック図である。
【図２】本発明による平均ブロックサーチ方法およびシステムのブロック図である。
【図１】
2006521760.tif 000022
【図２】
2006521760.tif 000023
【国際調査報告】
2006521760.tif 000024
2006521760.tif 000025
2006521760.tif 000026