JP2012524898A - 方位および位置決めシステム - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1a
Description
・対になっていない送信機‐受信機の円偏波モードに対応する直交偏波MIMO行列の推定によるマルチパス信号検出および非見通し線(NLOS)MIMOチャネル推定。この推定プロセスは、たとえ送信機および受信機が相互に相対的に間違った方向に向けられていても、円偏波モードは、見通し線(LOS)を経由して送信される際に変更できないため、自然のマルチパスフィルタリングを表す。
・送信機側と受信機側での偏波が同一であるリンク上で推定される同偏波(co−polarized)MIMO行列に寄与するマルチパスの除去によるLOSサブチャネルフィルタリング。このフィルタリングプロセスは、NLOSの場合のように自然には実現できないが、これは、そのフィルタリングがアルゴリズムによって実現されるからである。
・タイミング同期を利用して時間内に分離できないノード群の位置および方位の単独での推定。
・2つの対になっていない円偏波に対応する2つの直交偏波MIMO行列および対になっていない円偏波に対応する2つの同偏波MIMO行列の推定。
・一方ではタイムドメイン内での第1フィルタリングステップの実現を目的とし、他方では上記4つのMIMO行列の推定を目的とする、偏波の時空ブロックコードを使用する時空偏波。
・推定された偏波MIMO行列を用いた、到来方向(DOA)、到来波の傾斜角(TAON)、放射方向(DOD)および放射波の傾斜角(TAOUT)の推定。
・MUSICやMVRなどの高分解能アルゴリズムの、それらの相対的な多重偏波依存空間スペクトルの結合による改善。
・位置決め無線局と位置および方向操作の対象であるオブジェクトとの間に利用可能な見通し線がない場合の位置および方向探知サブシステム。このサブシステムは、MIMOまたは多重偏波操作のいずれも実施できない無線局に限定された技術に対しても有用である。経路損失ベースの位置決め方法において、非等方性アンテナの問題は、ノード間の距離の誤推定を引き起こすため、重大な問題を提示することにも注意すべきである。その理由は、最終的な経路損失は、送信アンテナ利得および受信アンテナ利得の両方に比例するという事実から生じる。利得は、アンテナの方位にも依存する。これは、単純な利得等化による異方性効果の是正を困難にする。提案されたサブシステムも、これら特定の問題の解決策となる。
Cq´,q(l´,l,i,τ´,τ)=Pl´,lδq,q´ (3)
を有し、ここで、
ag(q,Ω)=Dg(d,Ω)pg(q,Ω) (5)
によって与えられ、式中、
・特定の時間間隔中に、各送信機が、4つの双モードチャネル行列Hq,q´のうちの1つを推定することを目的としたトレーニング系列の送信を許可される単一モードの信号伝達方式。
・同じ時間間隔中に、受信機が2つの双モードチャネル行列を推定できるように、各送信機が2つのシンボルブロックを並行して送信する、双モードの信号伝達方式。
H−1、−1(l´,l,i)=0.5(H´−1,−1(l´,l,i)+H´1,1(l´,l,i))+0.5j(H´−1,1(l´,l,i)+H´1,−1(l´,l,i))
H1、1(l´,l,i)=0.5(H´−1,−1(l´,l,i)+H´1,1(l´,l,i))−0.5j(H´−1,1(l´,l,i)−H´1,−1(l´,l,i))
H−1、1(l´,l,i)=0.5(−H´−1,−1(l´,l,i)+H´1,1(l´,l,i))+0.5j(H´−1,1(l´,l,i)+H´1,−1(l´,l,i))
H1、−1(l´,l,i)=0.5(−H´−1,−1(l´,l,i)+H´1,1(l´,l,i))−0.5j(H´−1,1(l´,l,i)+H´1,−1(l´,l,i))
・直交偏波モードにおいて、チャネル行列ランクに関して収集された情報に基づき最良の推定法を選択するアルゴリズムセレクタモジュール67
・ならびに、ソフトウェアおよびハードウェアの利用可能資源などの内部システム情報。
‐R.O.Schmidt,“Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation”,IEEE Trans.Antennas Propagat.,Vol.AP−34,No.3,pp.276−280,Mar.1986
そして、MVアルゴリズムの説明については、以下で見られる:
‐J.Capon,“High−Resolution Frequency−Wavenumber Spectrum Analysis,”Proccedings of the IEEE,Vol.57,pp.1408−1418(1969)。
・AOD対の組
・対形成決定モジュール109、そのタスクは、各AOAでAODを結合することである。確かに、到来角および放射角は、独自の方法で推定される。対形成は、送信機および受信機が見るように、物理的経路を再構成する。対形成操作は、所与の基準の最適化に基づく。かかる基準の例として、対数尤度の最大化または再構成されたチャネル行列と実際の雑音のあるものとの間の距離の最小化がある。
・このサブシステムは、三辺測量位置決め方法を改善するために、アンテナ角度電力利得特性を利用する。
・このサブシステムは、アンテナの方位推定を提供するために、アンテナ角度電力利得特性を利用する。
・このサブシステムは、方位パラメータを推定するために、方位パラメータグリッドの検索と共に、位置決め無線局111(マーク)の位置および方位が既知である、三辺測量ベースのアルゴリズムを実行する。検索中に、より良い解を保つために距離が使用される。さらに、勾配アルゴリズムやEMアルゴリズムなどの他の方法による方位と位置の結合推定が、特別なアルゴリズムとして考案され得る。
・他のLノードから受信した電力:
・送信位置決め無線局110でのアンテナ角度電力利得特性112 Gtr={gl(Ω);l=1,..L}、ここでΩは外向き波の方向であり、2D平面における極角または3D空間における球面角のいずれかによってパラメータ化できる。
・任意の回転g0(Ω)の前の受信機ノード111のアンテナ角度電力利得特性113。
・回転が3D空間で保持されている場合のオイラー角の1組のI三重項または2D平面における回転のための単位円上の1組のI角度から成る方位グリッドГ={Гi;i=1,..,I}。
・チャネル利得:h={hl;l=1,..L}。それらは一般に、以下のように表現できる:
o
式中αおよびClは、2つの正定数である。
・入力として1組のパラメータHおよびMを持ち、出力として位置座標M0を持つ、古典的な三辺測量アルゴリズム。M0=Tril(H,M)
初期設定:初期距離δ(old)を高い値に確定し、収束距離δ(∞)を確定する
・グリッドГに関して検索を実行する
o各Гiに対して、以下の初期設定を実行する
■経路損失パラメータの任意の組H(new)を選択する
■位置パラメータをM0 (new)=Tril(H(new),M)に初期化する
■M0 (new)およびMからLノードΩ(new)={Ωl (new);l=1,..L}への方向を計算する
■受信ノードでの指向性利得(directional gain)の組を計算する:
■計算された電力と受信された電力の間の平均距離を計算する:
■End=0の間、繰り返す
・δi (old)←δi (new)およびh(old)←h(new)
・新しい位置パラメータをH(old)およびMから計算する:M0 (new)=Tril(H(old),M)
・M0 (new)およびMからLノードΩ(new)={Ωl (new);l=1,..L}への方向を計算する
・受信ノードでの指向性利得の組を計算する:
・きわめて重要:経路損失パラメータを強制的に
・重要:送信ノードを、有限経路損失hl (new)を持つノードに変換する
・新しい距離
・|δ(new)−δ(old)|<εの場合、End=1
oグリッド上の指標として
方位をГjおよび対応する位置パラメータとして推定する
Claims (20)
- 直接の見通し線(LOS)を検出するため、および移動ノードの位置および方位推定値を配信するために、時間偏波ダイバーシチおよび空間ダイバーシチを結合する空間フィルタリング機能を備えた方位および位置決めシステムであって、
・直接の見通し線(LOS)を共有する各ノードの相対的な方位および相対的な位置を決定する少なくとも1つの位置決め無線局であって、各電波経路が、前記LOSを含めて、到来方向(DOA)および受信偏波と共に、放射方位(DOD)、送信偏波によって特性化され、前記位置決め無線局およびノードが、
o偏波選択切り替え機能を備えた複数アンテナシステムと、
o方位および位置決め検出機能と共に空間フィルタリングを備えた無線送受信機と
を備える、少なくとも1つの位置決め無線局と、
・受信信号ベクトルについて第1フィルタリングステップを実行する時間フィルタリングモジュールであって、前記フィルタリングプロセスが、異なるベクトルの組への送信ノードの分類を可能にし、各ベクトルの組がほぼ同一の強度および同一の到着時間特性を有するベクトルの集合のサブセットである、時間フィルタリングモジュールと、
・前記送信機側および前記受信機側の両方で同様の円偏波モードが使用される場合に取得される1組の同偏波MIMO行列、および前記送信機側および前記受信機側の両方で異なる円偏波モードが使用される場合に取得される1組の直交偏波MIMOチャネル行列からそれぞれ構成される、4次(quadruple)MIMOチャネル行列の推定値を提供するために各ベクトルの組について動作し、空間検出アルゴリズムへの入力である受信相関行列および送信相関行列を推定できる、MIMOチャネル行列モジュール(71)と、
・最良の検出方法を操作するために、前記マルチパスDOAおよびDOD推定モジュール(68)制御用の、前記直交偏波MIMO行列ランクについて動作するモジュール(67)と、
・対になっていない送信機および受信機偏波に対応する4つの直接推定された相関行列、または前記以前に推定された直交偏波MIMO行列を使用して推定可能な4つの相関行列のいずれかについて動作するマルチパスDOAおよびDOD推定モジュール(68)であって、
2つの異なる対になっていない偏波モード(RHCP−LHCPおよびLHCP−RHCP)に対応する1組の受信相関行列が、到来角(AOA)対のマルチパス方位角‐仰角の推定値を生じ、
2つの異なる対になっていない偏波モード(RHCP−LHCPおよびLHCP−RHCP)に対応する1対の送信相関行列が放射角(AOD)対の前記マルチパス方位角‐仰角の推定値を生じ、
前記偏波モードで取得された2つの推定されたAOAの組における信号電力が受信偏波−空間スペクトルを形成し、かつ、異なる偏波モードでそれぞれ取得された2つの推定されたAODの組における信号電力が送信偏波−空間スペクトルを形成し、
MUSICもしくはMVRアルゴリズム(または任意の同等のスキーム)のいずれかを実行する前記モジュールが、前記マルチパス受信信号の各2つの偏波−空間スペクトルを提供し、
2つの受信偏波−空間スペクトルの結合が共通の受信スペクトルを提供し、また、2つの送信偏波−空間スペクトルの前記結合が共通の送信スペクトルを提供し、前記結合がスペクトル間の加算、乗算、または任意の他の算術演算であり、乗算演算が特にスペクトルの質の向上に使用する、マルチパスDOAおよびDOD推定モジュールと、
・以下を推定する手段を提供するための前記マルチパスDOAおよびDOD推定モジュール(68)ならびに前記MIMOチャネル行列モジュール(71)を使用し:
o各推定されたDODパラメータに対する前記信号強度およびTAOUT
o各推定されたDOAパラメータに対する前記信号強度およびTAON
各推定されたDOAパラメータに対して前記対応するDODパラメータを見つけることを目的とした対形成操作を実行して、対になったDOA/DODパラメータが、前記送信機と受信機のリンクの両端で特定経路の前記方向特性を記述できるようにする、マルチパス傾斜角およびチャネル利得推定モジュール(69)と、
・前記マルチパスチャネル成分を同偏波チャネル行列から除去し、以下の:
o前記推定モジュール(68)によって提供された前記DOAおよびDOD推定値
o前記MIMOチャネル行列モジュール(71)によって提供された前記同偏波MIMO行列、
を入力として使用することにより、前記マルチパス由来の同偏波MIMO行列を再構成し、前記再構成された同偏波MIMO行列を用いてDOA/DOD角度の各対に対する前記チャネル利得および傾斜角を再推定する、同偏波チャネルフィルタリングモジュール(70)と、
・LOS経路に対応する方位角‐仰角対をいくつかのDOAおよびDOD組に配信するために、(70)で提供される前記フィルタリングされた同偏波チャネル行列について動作し、かつ、(67)によって既に選択された前記MUSICまたは前記MVRアルゴリズムのいずれかを実行するLOS DOAおよびDOD推定モジュール(72)であって、異なる偏波−空間スペクトルの同じ結合が前記推定モジュール(68)におけるように適用される可能性を有する、LOS DOAおよびDOD推定モジュールと、
・前記TAONおよびTAOUTの各LOSに関する推定値を配信するため、LOS DOAおよびDOD推定モジュール(72)ならびに同偏波チャネルフィルタリングモジュール(70)によって提供される情報を使用し、LOS DOA、DOD、TAON、TAOUTが前記受信機の照合システムで推定される、LOS「マルチパス傾斜角およびチャネル」推定モジュールと、
・識別されたLOSを有する各送信機の前記位置および前記方位を決定するためのLOSマルチパス傾斜角およびチャネル推定モジュール(73)によって提供された前記情報を使用し、前記同偏波チャネルフィルタリングモジュール(70)、LOS DOAおよびDOD推定モジュール(72)、前記LOSマルチパス傾斜角およびチャネル推定モジュール(73)および前記時間フィルタリングモジュールによって提供された前記情報を利用する、位置および方位探知機(75)と、
を備える方位および位置決めシステム。 - 前記送信機−受信機方位回転行列推定が、前記送信機および前記受信機が相互に相対的に方向を喪失した場合に、前記送信機の照合システムにおける前記対DODおよびTAOUTは一般に、たとえ前記送信機および前記受信機が同じLOSを共有していても、前記受信機側の前記照合システムにおける前記対DOAおよびTAONと異なるという事実を利用する、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 前記受信機に相対的な前記送信機の前記方位が、前記DOA、前記DOD、前記TAOUTおよび前記TAONを結合することにより得られる、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 送信アンテナが右旋(RH)円偏波で、前記受信機アンテナが左旋(LH)円偏波、およびその逆の場合、前記偏波の表記法が式:
その式では、1つのAODおよび1つのAOAに対応する1つのランクMIMOチャネル行列が、前記受信波を記述するステアリングベクトルと、前記送信波を記述する前記ステアリングベクトルのエルミート共役(共役転置)の積で、前記AOAおよび前記AODが伝搬波の方向を記述するベクトルのそれらであって、
前記送信機と前記受信機の両方の前記照合システムの基底ベクトルが同一の場合、前記AOAと前記AODも同一であることを意味する、対になっていない偏波アンテナでの前記偏波‐空間スペクトルを用いて、前記NLOS(マルチパス)波の検出が実行される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。 - 2つの受信偏波‐空間スペクトルの前記結合および2つの送信偏波‐空間スペクトルの前記結合が、スペクトル間の加算、乗算または任意の他の算術演算であり得、乗算演算が前記スペクトルの前記質の向上に特に使用される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 2つの偏波‐空間スペクトルの前記結合が、前記結合スペクトルの前記質の向上のための乗算演算を使用することによってなされ得る、請求項1および請求項5に記載の方位および位置決めシステム。
- マルチパス傾斜角およびチャネル利得の推定が、前記マルチパスDOAおよびDODならびに前記直交偏波MIMO行列の使用によって実現される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 前記マルチパス傾斜角およびチャネル利得推定モジュール(69)が、DOD推定パラメータを各DOA推定パラメータに関連付けることを目的とした対形成を実行する、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 同偏波チャネルフィルタリングが、以下の3ステップ:
・各リンクでの前記チャネル利得および傾斜角の推定が、入力として:
o前記直交偏波MIMO行列を使用して推定される、各マルチパスリンクに関する前記DOAおよびDODパラメータと、
o前記同偏波MIMO行列と
を使用して実現される、第1ステップと、
・前記同偏波MIMOチャネル行列の前記マルチパス部分が、前記第1ステップで推定された前記パラメータを使用して再構成される、第2ステップと、
・前記同偏波MIMOチャネル行列の前記マルチパス部分が、元の同偏波MIMO行列から減算される、第3ステップと、で実現される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。 - LOS DOAおよびDOD推定が前記フィルタリングされた同偏波MIMO行列を使用して実現される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- LOS傾斜角が、LOS DOSおよびDODならびに前記フィルタリングされた同偏波MIMO行列を使用して推定される、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 前記位置および方位探知機(75)が、LOSマルチパス傾斜角および識別されたLOSを持つ各送信機の位置および方位を決定するためのチャネル推定モジュール(73)によって提供される情報を使用する、請求項1に記載の方位および位置決めシステム。
- 以下のようなタスク:
‐低ビット誤り率を必要とする情報を送信するためのフィルタリングされた同偏波MIMOチャネル行列の使用と、
‐良好な質を必要としない情報に対する直交偏波行列の使用、
に対する、請求項1〜12のうちの1つに記載のシステムに包含される前記チャネルフィルタリングおよびLOS検出の使用。 - 各マルチパスの前記利得の推定に使用されるとき、前記チャネル相互関係(105)の検査から成る追加のタスクを実現するチャネル利得推定モジュール。
- 前記直交偏波モードでの前記所与のAOAおよびAODの組ならびに前記平均チャネル行列に基づいて、別々に推定される前記チャネルの前記複素利得が相互的チャネルに対応するか否かを確認できる相互関係検査器(105)。
- 前記式(29)によって与えられる前記計算された対角行列間の前記距離を評価するために前記相互関係検査器(105)で使用される前記行列。
- 次の
・AOD対の前記組の全ての可能な順列を生成する順列ブロック(106)と、
・各AOAについてAODを結合することがタスクであり、前記対形成操作が所与の基準の最適化、特に、対数尤度関数の最大化または前記再構成されたチャネル行列と実際の雑音のあるチャネル行列との間の距離の最小化に基づく、対形成決定モジュール(109)である、前記チャネル取得モジュールを構成する残りのブロック。 - 前記アンテナ方位を探知するためのアンテナ角度電力利得特性の変動性の利用。
- 位置決め方法におけるアンテナ異方性の前記問題を解決するためのアンテナ角度電力利得特性の変動性の利用。
- 前記実施形態の前記説明に記述のとおりの前記角度ベースの位置および方位探知アルゴリズム。
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