(57)【要約】【課題】ＭＵＩとＩＳＩの影響を低減する。【解決手段】タイムホッピング方式で送信されたＵＷＢ−ＩＲ信号は二乗検波器１に入力される。二乗検波器１の出力は第１の外れ値除去フィルタ２に入力され、偏差が最も大きいデータの値は「０」とされて、第１の相関器３に出力される。第１の相関器３は、時間インデックス別に繰り返し送信されるシンボルごとのタイムホッピングコードに対応する出力の和を算出する。第１の相関器３の出力は第２の外れ値除去フィルタ４に入力され、偏差が最も大きいデータの値が「０」とされ、第２の相関器５に入力される。第２の相関器５は、前記第１の相関器３の出力を時間インデックスごとに全シンボル分加算して、ＴＯＡ推定手段６に出力する。これにより、ＭＵＩやＩＳＩにより値が大きくなった場合及び小さくなった場合のいずれの場合であっても、その影響を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイムホッピング方式により送信される信号の到来時刻を推定する到来時間推定装置であって、
受信信号のエネルギーを検出する受信エネルギー検出部と、
前記受信エネルギー検出部の出力が入力され、該入力された信号の中から偏差が最も大きい入力信号を除去する外れ値除去フィルタと、
前記外れ値除去フィルタの出力が入力され、時間インデックス別に、シンボルごとのタイムホッピングコードに対応した出力を加算する第１の相関器と、
前記第１の相関器の出力が入力され、時間インデックスごとに全シンボル分のタイムホッピングコードに対応した出力を加算する第２の相関器と、
前記第２の相関器の出力に基づいて、受信信号の到来時間を推定する到来時間推定手段と
を有することを特徴とする到来時間推定装置。
【請求項２】
前記第１の相関器の出力が入力され、該第１の相関器の出力の中から偏差が最も大きい出力を除去して、前記第２の相関器に出力する第２の外れ値除去フィルタを有することを特徴とする請求項１記載の到来時間推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイムホッピング方式で送信された信号の到来時刻を推定する到来時間推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＵＷＢ−ＩＲ（Ultra Wideband - Impulse Radio：超広帯域インパルス無線通信）方式は、高い時間分解能を持ち、高精度な到来時間（ＴＯＡ：Time of Arrival）推定及びそれに基づく位置推定が可能であることが知られている。
そのＴＯＡ推定法の一つとして、エネルギー検出に基づく方法が知られている。この方法によれば、複雑な構成を必要とすることなく到来時間推定を行うことができる。
エネルギー検出に基づいてＴＯＡ推定を行う従来の到来時間推定装置について図６〜図８を参照して説明する。
図６は従来のエネルギー検出に基づく到来時間推定装置の構成を示すブロック図、図７は送信信号波形と二乗検波器の出力を説明するための図、図８は図６の到来時間推定装置における各部の出力信号を説明するための図である。
【０００３】
図６に示すように、この到来時間推定装置は、受信信号のエネルギーに対応する信号を出力する二乗検波器１１、該二乗検波器１１の出力が供給される第１の相関器１２、該第１の相関器１２の出力が供給される第２の相関器１３、及び、第２の相関器１３の出力に基づいて信号の到来時刻を推定するＴＯＡ推定手段１４から構成されている。
図示しない送信機から送信されるタイムホッピング（ＴＨ）方式のＵＷＢ−ＩＲ信号は、複数のシンボルが繰返し送信され、１シンボルが複数のフレームからなり、各フレームは複数のチップを有しており、各フレームにおけるタイムホッピングコードに応じて決定されるチップ位置にインパルス信号が送信される信号である。図７の（ａ）には、１シンボル分の送信波形が示されており、この例では、タイムホッピングコードに基づいて、第１フレームの第４チップ、第２フレームの第３チップ、及び、第３フレームの第２チップにインパルス信号が送信されている。このシンボルが複数繰り返して送信される。
【０００４】
前記送信信号は、図示しないアンテナで受信され、二乗検波器１１に入力される。二乗検波器１１は、チップ周期（Ｔc）ごとに受信信号を積分し、チップ周期ごとの受信信号エネルギーに対応する大きさの信号を出力する。
図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示す送信信号を受信した二乗検波器１１の出力の一例を示している。この図において、横軸は時間、縦軸は出力信号レベルを示している。各種雑音、マルチユーザ干渉（ＭＵＩ：Multiuser Interference）及び符号間干渉（ＩＳＩ：Intersymbol Interference）などの影響により、インパルス信号が送信されていないチップにも二乗検波器１１から信号が出力されている。
【０００５】
二乗検波器１１の出力は、第１の相関器１２に入力される。第１の相関器１２では、シンボルごとにそれぞれタイムホッピングコードに対応した出力を足し合わせる処理を行う。
図８の（ｂ）は、前記図７の（ｂ）と同様に、二乗検波出力の一例を示しており、図８の（ｃ）は第１の相関器１２の出力の一例を示している。
第１の相関器１２は、チップ位置をずらしながら、タイムホッピングコードに対応するチップ位置の二乗検波出力をシンボルごとに加算する。図示するように、第１の相関器１２は、時間インデックス（I）、（II）・・・ごとに、各シンボルに含まれるフレームにおけるタイムホッピングコードに対応した位置の出力を足し合わせて出力する。
【０００６】
図８の（ｃ）に示した例では、時間インデックス（I）に対応する出力は、繰返し送信されるシンボル（シンボルインデックス（１）、（２）・・・）ごとに、その時間インデックス（I）における各フレームにおけるタイムホッピングコードに対応するチップの出力を足し合わせたものとなっている。また、時間インデックス（I）のタイミングよりも１チップ分ずれたタイミングである時間インデックス（II）に対応する出力は、各シンボルに含まれる各フレームにおける時間インデックス（II）に応じたタイムホッピングコードに対応するチップの出力を足し合わせたものとなっている。
このように、第１の相関器１２からは、各時間インデックス対応に、繰り返し送信されるシンボルごとのタイムホッピングコードに対応するチップ位置の受信エネルギーの和に対応する信号が出力される。
【０００７】
第１の相関器１２の出力は、第２の相関器１３に入力される。第２の相関器１３では、前記第１の相関器１２からの出力信号を時間インデックス毎にそれぞれ全シンボル分を足し合わせる。
図８の（ｄ）は、第２の相関器１３の出力信号の一例を示す図である。
この図に示すように、第２の相関器１３は、前記第１の相関器１２から時間インデックスごとにシンボルインデックス別に出力される信号を、各時間インデックスに含まれるシンボルインデックス別の信号を加算して、各時間インデックスごとの繰り返し送信された全シンボル分の受信エネルギーの総和を出力する。
【０００８】
ＴＯＡ推定手段１４は、前記第２の相関器１３の出力に基づいて、送信信号を最初に受信したタイミングを推定する。
第２の相関器１３の出力が最大となる時刻のインデックスがｎmaxであったとする。このとき、該出力が最大となる時間インデックスｎmaxから、サーチバックウィンドウ長Ｗsbだけ前方の範囲、すなわち、｛ｎmax−Ｗsb〜ｎmax｝の範囲で、所定のしきい値ξを上回る最初のチップ（時間インデックス）を、信号の最初の到来成分を含むチップｎDPとする。ここで、前記しきい値ξは、シミュレーションにより最適化した値を用いる。
図８の（ｄ）に示した例では、図中○で示した位置でしきい値ξを超えている時間インデックス（ｎDP）が到来位置であると推定される。
【０００９】
このように、エネルギー検出に基づいたＴＯＡ推定法によれば、複雑な構成を必要とすることなく、到来時間を推定することが可能となる。
しかしながら、推定の精度が、マルチパスに起因する符号間干渉（ＩＳＩ）や、多ユーザからの多元接続ユーザ干渉（ＭＵＩ）により劣化するという問題があり、マルチユーザ干渉（ＭＵＩ）や符号間干渉（ＩＳＩ）が大きい環境下では、受信信号の最初の到来時刻の検出が難しくなるという問題がある。
この問題を解決する方法として、フィルタ内の最小値を出力する最小化フィルタを用いてそれらの影響を低減する方法が提案されている（非特許文献１）。
【００１０】
図９と図１０を参照して、最小化フィルタを用いた到来時間推定装置について説明する。図９は最小化フィルタを用いた到来時間推定装置の構成を示すブロック図であり、図１０は最小化フィルタの動作を説明するための図である。
前記図６と図９とを比較すると明らかなように、図９に示した到来時間推定装置は、前述した第１の相関器１２と第２の相関器１３との間に、最小化フィルタ１５が挿入されている。最小化フィルタ１５は、フィルタ内の全ての値をそれらの最小値にして出力するものである。前記第１の相関器１２の出力を第２の相関器１３に通す前に、長さＷの最小化フィルタ１５を通し、最小化フィルタ適用後の値を足し合わせた出力を新たな第１の相関器１２の出力として第２の相関器１３に供給する。
【００１１】
図１０は最小化フィルタ１５の動作を説明するための図である。ここでは、フィルタ長Ｗが３であるものとする。前記図８の（ｂ）及び（ｃ）に関して説明したように、第１の相関器１２は、時間インデックス別に、各シンボルに含まれているタイムホッピングコードに対応するチップの受信信号エネルギーの和に対応する信号を出力する。
図１０の（ａ）は、ある時間インデックスに対応する第１の相関器１２の出力、すなわち、最小化フィルタ１５の入力の一例を示している。この例では、シンボルインデックス（１）のシンボルに含まれる対応するチップの二乗検波出力が、「６Ｅ」、「２２Ｅ」及び「４Ｅ」（Ｅは受信エネルギーの単位とする）であった場合を示している。ここで、縦軸の相関インデックスは、フレーム番号に対応する。この場合、そのシンボルの第２番目のフレームの対応するチップの二乗検波出力が他のチップの出力と比べて非常に大きい「２２Ｅ」であり、ＭＵＩやＩＳＩによる誤りである可能性が高い。
【００１２】
最小化フィルタ１５は、フィルタ内の値を全てその最小値に置き換えて出力するものであるため、この例では、図１０の（ｂ）に示すように、全ての相関インデックスにおける値を「４Ｅ」に変換し、その合計である「１２Ｅ」をその時間インデックスにおけるシンボルインデックス（１）の値として前記第２の相関器１３に出力する。
これにより、ＭＵＩとＩＳＩによる影響を低減することができる。
【非特許文献１】Zafer Sahinoglu and Ismail Guvenc "Multiuser Interference Mitigation in Noncoherent UWB Ranging via Nonlinear Filtering", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2006 (2006), PP.1-10
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記した最小化フィルタによれば、ＭＵＩとＩＳＩの影響を低減できる場合があるが、低減できない場合もある。すなわち、所望ユーザの信号がある時間インデックスにおいて、ＭＵＩとＩＳＩによる誤りによって値が小さくなり、なお且つ、その誤りが大きい出力がフィルタ内に一つでもある場合、その影響を低減することが不可能となる。
最小化フィルタがＭＵＩとＩＳＩの影響を低減できない場合について、図１１を参照して説明する。
図１１の（ａ）に示す例のように、あるシンボルに含まれるタイムホッピングコードに対応するチップの二乗検波出力が、「６Ｅ」、「３０Ｅ」及び「２５Ｅ」であったとする。このとき、相関インデックス１における「６Ｅ」という値はＭＵＩとＩＳＩによる誤りによって値が小さくなっているものと考えられるが、最小化フィルタ１５の出力は、図１１の（ｂ）のように、全ての値が最も小さい値である「６Ｅ」に置き換えられてしまうこととなる。
このように、ＭＵＩとＩＳＩによる誤りにより値が小さくなり、その誤りが大きい場合には、最小化フィルタを用いてもＭＵＩとＩＳＩによる影響を低減することができない。
【００１４】
そこで、本発明は、ＭＵＩやＩＳＩの影響により相関器の出力が小さくなってしまった場合及び大きくなってしまった場合のいずれにも対応することができる到来時間推定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の到来時間推定装置は、タイムホッピング方式により送信される信号の到来時刻を推定する到来時間推定装置であって、受信信号のエネルギーを検出する受信エネルギー検出部と、前記受信エネルギー検出部の出力が入力され、該入力された信号の中から偏差が最も大きい入力信号を除去する外れ値除去フィルタと、前記外れ値除去フィルタの出力が入力され、時間インデックス別に、シンボルごとのタイムホッピングコードに対応した出力を加算する第１の相関器と、前記第１の相関器の出力が入力され、時間インデックスごとに全シンボル分のタイムホッピングコードに対応した出力を加算する第２の相関器と、前記第２の相関器の出力に基づいて、受信信号の到来時間を推定する到来時間推定手段とを有するものである。
また、前記第１の相関器の出力が入力され、該第１の相関器の出力の中から偏差が最も大きい出力を除去して、前記第２の相関器に出力する第２の外れ値除去フィルタを有するものである。
【発明の効果】
【００１６】
このような本発明によれば、従来は除去することができなかったＩＳＩやＭＵＩによって値が小さくなってしまう場合にもＩＳＩやＭＵＩの影響を低減することができ、従来よりも高精度なＴＯＡ推定が可能となる。
また、各相関器の前に適用する２段階外れ値除去フィルタとした場合には、さらに高精度に到来時間を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の到来時間推定装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図に示すように、本発明の到来時間推定装置は、受信信号のエネルギーに対応する信号を出力する二乗検波器１、該二乗検波器１の出力が供給される第１の外れ値除去フィルタ２、該第１の外れ値除去フィルタ２の出力が供給される第１の相関器３、該第１の相関器３の出力が供給される第２の外れ値除去フィルタ４、該第２の外れ値除去フィルタ４の出力が供給される第２の相関器５、及び、該第２の相関器５の出力に基づいて到来時刻を推定するＴＯＡ推定手段６から構成されている。ここで、二乗検波器１、第１の相関器３、第２の相関器５及びＴＯＡ推定手段６は、それぞれ、前記図６における二乗検波器１１、第１の相関器１２、第２の相関器１３及びＴＯＡ推定手段１４と同じものである。
前記第１の外れ値除去フィルタ２及び第２の外れ値除去フィルタ４は、いずれも、所定長を有するフィルタであり、フィルタ内に格納された値の中で偏差（平均値との差）が最大である値を除去して出力する。すなわち、フィルタ内で一番外れている値を「０」に置き換えて出力する。なお、偏差が最大である値が複数ある場合には、任意にあるいはランダムに決定した１個の値を「０」に置き換えて出力する。
【００１８】
図２は、前記第１の外れ値除去フィルタ２の動作を説明するための図である。
前述と同様にして、前記二乗検波器１からは、図２の（ａ）に示すような信号が出力され、この信号が、第１の外れ値除去フィルタ２に入力される。図２の（ｂ）は、該第１の外れ値除去フィルタ２内に格納されたデータの例を示している。なお、ここでは、フィルタ長Ｗが３であるものとしている。
図示するように、第１の外れ値除去フィルタ２には、シンボルごとに、それぞれタイムホッピングコードに対応したチップの二乗検波出力が格納される。
図示する例では、あるシンボルの時間インデックス（I）のデータが「２Ｅ」、「７Ｅ」及び「Ｅ」であり、時間インデックス（II）のデータが「８Ｅ」、「９Ｅ」及び「３Ｅ」であるものとしている。
このとき、前記第１の外れ値除去フィルタ２は、それぞれの時間インデックスのデータのうち、偏差が最も大きいデータの値を「０」に置き換える。これにより、偏差が最も大きいデータをその後の演算に使用しないようにする。
【００１９】
すなわち、図２の（ｃ）に示すように、時間インデックス（I）のデータについては相関インデックス２の値「７Ｅ」を「０」に置き換え、時間インデックス（II）のデータについては、相関インデックス３の値「３Ｅ」を「０」に置き換えて、前記第１の相関器３に出力する。第１の相関器３では、前記図８に関して説明したと同様に、時間インデックス別に、シンボルごとにタイムホッピングコードに対応するチップ位置の出力を足し合わせる。この例では、時間インデックス（I）のこのシンボルに対応する出力は「３Ｅ」となり、時間インデックス（II）のこのシンボルに対応する出力は「１７Ｅ」となる。
このように、第１の外れ値除去フィルタ２により、ＭＵＩやＩＳＩによる誤りによって、値が小さくなったり、あるいは大きくなったデータは、その後の処理で使用されなくなり、前記第１の相関器２の前に設けられた第１の外れ値除去フィルタ２により１シンボル内で相関を取る際のＭＵＩとＩＳＩによる影響を低減することができる。
【００２０】
前記第１の相関器３の出力は、前記第２の外れ値除去フィルタ４に入力される。
第２の外れ値除去フィルタ４は、前記第１の相関器３から出力されるデータの中から最も偏差の大きいデータの値を「０」に置き換えて第２の相関器５に出力する。第２の相関器５は、前述のように、各時間インデックスごとに繰返し送信される全てのシンボル分のタイムホッピングコードに対応する出力の総和を算出するものである。
図３を参照して、第２の外れ値除去フィルタ４の動作について説明する。図３の（ａ）は前記第１の相関器３の出力が前記第２の外れ値除去フィルタ４に格納された状態の一例を示す図であり、図３の（ｂ）は第２の外れ値除去フィルタ４の出力の一例を示す図である。また、図３の（ｃ）は、比較のため、前述した最小化フィルタを用いた場合の最小化フィルタの出力の一例を示す図である。
【００２１】
前述のように、前記第１の相関器３から、時間インデックス別に、繰返し送信されるシンボルごとのタイムホッピングコードに対応する出力の和の信号が出力され、この信号が前記第２の外れ値除去フィルタ４に入力される。図３の（ａ）は、第２の外れ値除去フィルタ４に格納されたデータの一例を示しており、ある時間インデックスにおけるシンボルインデックス（１）の出力が「６Ｅ」、「２２Ｅ」及び「４Ｅ」であり、シンボルインデックス（２）の出力が「６Ｅ」、「３０Ｅ」及び「２５Ｅ」である場合が示されている。なお、前記第１の外れ値除去フィルタ２により「０」とされた二乗検波出力は、この図からは取り除かれている。
【００２２】
第２の外れ値除去フィルタ４は、フィルタに格納されているデータのうち、最も偏差の大きいデータの値を「０」に置き換えて出力する。したがって、図３の（ｂ）に示すように、シンボルインデックス（１）における相関インデックス２の値「２２Ｅ」は「０」とされ、シンボルインデックス（２）における相関インデックス１の値「６Ｅ」は「０」とされ、前記第２の相関器５に出力される。
これにより、ＭＵＩとＩＳＩの影響により値が大きくなってしまった外れ値（シンボルインデックス（１）の「２２Ｅ」）、及び、値が小さくなってしまった外れ値（シンボルインデックス（２）の「６Ｅ」）は、その後の処理で使用されなくなる。
このように、第２の相関器５の前に設けられた第２の外れ値除去フィルタ４により、シンボル繰返し内で相関を取る際のＭＵＩとＩＳＩの影響を低減することができる。
【００２３】
一方、前述した最小化フィルタを用いた場合は、図３の（ｃ）に示すように、ＭＵＩとＩＳＩの影響により値が小さくなってしまったシンボルインデックス（２）の場合は、ＭＵＩとＩＳＩによる影響を除去することができない。
【００２４】
次に、外れ値除去フィルタを用いた本発明の到来時間推定装置と、前述した最小化フィルタを用いた従来の到来時間測定装置の特性評価結果について説明する。
図４は、このような本発明の到来時間推定装置の特性評価のために行ったシミュレーションの諸元を示す図である。この図に示すように、サンプリング周波数２０ＧＨｚ、シンボル長（Ｔsym）が１６０ｎｓ、フレーム長（Ｔf）が３２ｎｓ、１シンボル当たりのフレーム数を５、１フレーム当たりのパルス数を１、所望ユーザのタイムホッピングコードを［４，２，５，１，１］、干渉ユーザのタイムホッピングコードを［１，４，２，５，１］とした。また、フィルタ長Ｗを４、シンボル繰返し数を８０とし、干渉ユーザ数が０の場合と１の場合でシミュレーションを行った。
【００２５】
図５はシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は干渉ユーザがいない場合（干渉ユーザ数が０）、（ｂ）は干渉ユーザ数が１であり、そのＥb／Ｎo＝５dBの場合、のそれぞれにおける平均絶対誤差（ＭＡＥ：Mean Absolute Error）を示している。横軸は、所望ユーザのＥb／Ｎo（ビット当たりの電力密度対雑音電力密度比）である。なお、図中、ａは本発明の外れ値除去フィルタを用いた場合を示し、ｂは最小化フィルタを用いた場合を示している。
【００２６】
図５の（ａ）に示す干渉ユーザがいない場合は、所望ユーザのＥb／Ｎoが低いときは、最小化フィルタを用いる場合とほぼ同じ特性であり、高いときは劣化しているが、それ以外では、本発明の外れ値除去フィルタが有効であることを示している。このことから、ＩＳＩの影響を十分に低減しているものといえる。
図５の（ｂ）に示す干渉ユーザがいる場合は、所望ユーザのＥb／Ｎoが低いときは、最小化フィルタを用いる場合とほぼ等しい特性であり、高いときもほぼ等しい特性となり、それ以外では、本発明の外れ値除去フィルタが有効であることを示している。このことから、ＭＵＩとＩＳＩの影響を十分に低減していることがわかる。
【００２７】
なお、上述した実施の形態においては、第１の相関器３の前に第１の外れ値除去フィルタ２を設け、第２の相関器５の前に第２の外れ値除去フィルタ４を設けて、２段階の外れ値除去フィルタを設けていたが、いずれか一方の外れ値除去フィルタを設けるだけでも十分に効果が期待できる。この場合は、前記第１の相関器３の前にのみ外れ値除去フィルタを設ける方が、第２の相関器５の前にのみ設ける場合よりも効果がある。
また、上述した説明においてはフィルタ長Ｗが３であるとして説明し、前記シミュレーション時にはフィルタ長Ｗを４としたが、これらに限られることはない。シンボルの繰返し数やユーザ数に応じて最適なフィルタ長を決定すればよい。
さらに、上記においては、タイムホッピング方式によりインパルス信号が送信されるＵＷＢ−ＩＲ方式の場合について説明したが、本発明は、これに限られることはなく、タイムホッピング方式により信号が送信される場合において同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の到来時間推定装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の外れ値除去フィルタの動作を説明するための図である。
【図３】第２の外れ値除去フィルタの動作を説明するための図である。
【図４】本発明の到来時間推定装置の特性を評価するために行ったシミュレーションの条件を説明するための図である。
【図５】本発明の到来時間推定装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】従来のエネルギー検出に基づく到来時間推定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】送信信号波形と二乗検波器の出力を説明するための図である。
【図８】図６の到来時間推定装置における各部の出力信号を説明するための図である。
【図９】最小化フィルタを用いた到来時間推定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】最小化フィルタの動作を説明するための図である。
【図１１】最小化フィルタがＭＵＩとＩＳＩの影響を低減できない場合について説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：二乗検波器、２：第１の外れ値除去フィルタ、３：第１の相関器、４：第２の外れ値除去フィルタ、５：第２の相関器、６：ＴＯＡ推定手段
【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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