チャネルサウンディング

チャネルサウンディングは、無線通信、特にMIMOシステムの無線環境を評価する手法です。地形や障害物の影響により、無線信号は複数のパスで伝播します(マルチパス効果)。マルチパス効果を最小限に抑える、または利用するために、エンジニアはチャネルサウンディングを使用して多次元の空間的および時間的信号を処理し、チャネル特性を推定します。これは、無線システムのシミュレーションと設計に役立ちます。

モバイル無線通信の性能は、無線伝搬環境によって大きく左右される。^[1]建物や自然障害物による遮蔽により、送信機と受信機の間に複数の経路が形成され、時間変動、位相、減衰が異なる。単一入力単一出力 (SISO) システムでは、複数の伝搬経路によって信号の最適化に問題が生じる可能性がある。しかし、複数入力複数出力 (MIMO) システムの開発により、チャネル容量が拡張され、QoS が向上する可能性がある。^[2]これらの複数アンテナ システムの有効性を評価するには、無線環境の測定が必要である。チャネル サウンディングは、アンテナ アレイのシミュレーションと設計のためにチャネル特性を推定できる手法である。^[3]

マルチパスシステムでは、無線チャネルは周波数依存、時間依存、位置依存である。したがって、次のパラメータがチャネルを記述する：^[2]

• 出発方向 (DOD)
• 到着方向（DOA）
• 時間遅延
• ドップラーシフト
• 複素偏波経路重み行列

各送信機要素と各受信機要素間の伝搬経路を特徴付けるために、技術者は広帯域マルチトーンテスト信号を送信します。送信機の連続周期テストシーケンスは受信機に到達し、元のシーケンスと相関します。このインパルスのような自己相関関数は、チャネルインパルス応答（CIR）と呼ばれます。^[5] CIRの伝達関数を取得することで、チャネル環境を推定し、パフォーマンスを向上させることができます。

MIMOベクトルチャネルサウンダは、送信機と受信機の両方に複数のアンテナを備えており、接続の両端で伝搬方向を効果的に収集し、複数のパスパラメータの解像度を大幅に向上させることができます。^[1]

エンジニアは、光線追跡モデルの代わりに、離散的で局所的に平面的な波の有限和として波の伝播をモデル化します。これにより、計算が削減され、光学に関する知識の必要性が低くなります。送信機と受信機の間では波は平面であると見なされます。その他の 2 つの重要な仮定は次のとおりです。

• 相対帯域幅は十分に小さいため、時間遅延はアンテナ間の位相シフトに簡単に変換できます。
• アレイの開口部は十分に小さいため、観測可能な大きさの変化はありません。

このような仮定に基づいて、基本的な信号モデルは次のように説明されます。

${\displaystyle h(\alpha ,\tau ,\psi _{R},\upsilon _{R},\psi _{T},\upsilon _{T})=\sum _{p=1}^{P}\gamma _{p}\delta (\alpha -\alpha _{p})\delta (\tau -\tau _{p})\cdot \delta (\psi _{R}-\psi _{R_{p}})\delta (\upsilon _{R}-\upsilon _{R_{p}})\cdot \delta (\psi _{T}-\psi _{T_{p}})\delta (\upsilon _{T}-\upsilon _{T_{p}})}$

ここで、は波面のTDOA（到着時間差）です。は受信機でのDOA、は送信機でのDOD、はドップラーシフトです。^[1]${\displaystyle \tau _{p}}$${\displaystyle p}$${\displaystyle \psi _{R_{p}},\upsilon _{R_{p}}}$${\displaystyle \psi _{T_{p}},\upsilon _{T_{p}}}$${\displaystyle \alpha _{p}}$

チャネル測定のためのより高い帯域幅は、将来のサウンディングデバイスの目標です。新しいリアルタイムUWBチャネルサウンダーは、0から5GHz付近までのより広い帯域幅でチャネルを測定できます。リアルタイムUWB MIMOチャネルサウンディングは、位置特定と検出の精度を大幅に向上させ、モバイルデバイスの正確な追跡を容易にします。^[6]

励起信号としてマルチトーン信号が選択されます。

${\displaystyle x(t)=\sum _{k=-N_{c}/2}^{N_{c}/2-1}\sin(2\pi (f_{c}+k\cdot \Delta f)\cdot t+\theta _{k})}$

ここで、は中心周波数、（は帯域幅、はマルチトーンの数）はトーン間隔、はトーンの位相です。次のように 求めることができます。${\displaystyle f_{c}}$${\displaystyle \Delta f=B/N_{c}}$${\displaystyle B}$${\displaystyle N_{c}}$${\displaystyle \theta _{k}}$${\displaystyle k^{th}}$${\displaystyle \theta _{k}}$

${\displaystyle \theta _{k}={{(\pi \cdot k)}^{2} \over N_{c}/2}}$

1. 各チャネルで測定された K-1 個 (アレイ切り替えにより 1 つの波形が失われます) の波形に対して DFT が実行されます (K: チャネルあたりの波形数)。
2. マルチトーン周波数での周波数領域サンプルは、サンプルごとに選択されます。${\displaystyle (K-1)^{th}}$
3. 推定チャネル伝達関数は次のように得られます。${\displaystyle {\hat {H}}(f)}$

${\displaystyle {\hat {H}}(f)={X_{ref}(f)^{*}\cdot Y(f) \over {\left|X_{ref}(f)\right|}^{2}+c\cdot {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)}}$

ここで、はノイズ電力、は参照信号、はサンプル数である。スケーリング係数cは次のように定義される。 ${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)}$${\displaystyle X_{ref}(f)}$${\displaystyle Y(f)}$

${\displaystyle c={{\bar {\sigma }}_{ref}^{2} \over max{({\bar {\sigma }}_{Y}^{2}}-{\bar {\sigma }}_{N}^{2}),{\bar {\sigma }}_{N}^{2}}}$

RUSK チャネルサウンダはすべての周波数を同時に励起するため、すべての周波数の周波数応答を測定できます。テスト信号は周期 で周期的です。受信機ですべての遅延マルチパス成分を捕捉するには、周期がチャネルのインパルス応答の持続時間よりも長くなければなりません。図は、RUSK サウンダの一般的なチャネルインパルス応答 (CIR) を示しています。2 番目の時間変数が導入され、CIR は遅延時間と観測時間の関数になります。遅延ドップラースペクトルは、フーリエ変換によって得られます。^[4]${\displaystyle t_{p}}$${\displaystyle \tau _{max}}$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle t}$

• チャネル推定