JP2003037638A - 無線インパルス送信機、受信機、及び方法 - Google Patents
無線インパルス送信機、受信機、及び方法Info
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Abstract
する。 【解決手段】 複数の受信機にパルス列を送信する無線
インパルス送信機は、パルス選択器と、パルス供給ユニ
ットと、送信機とを備える。パルス選択器は、入力デー
タストリームのシンボルに対応するパルス形状を、2対
1で受信機に対応する複数の直交パルス形状の中から選
択する。各受信機に割り当てられた当該2つのパルス形
状はそれぞれ、対応の受信機に対し0又は1を示す。パ
ルス供給器はパルス選択器によって選択されたパルス形
状のパルスを供給する。送信ユニットはパルス供給器に
よって供給されたパルスをパルス列で送信する。異なる
受信機に割り当てられたパルス形状を有するパルスは同
時に送信される。
Description
機、受信機、及び方法に関する。
ンボルを表すアナログ波形をチャンネルを介して送信す
ることにより行われる。超広帯域(UWB)通信は、パル
ス列の送信及び検出により行われる。パルス幅は1ns未
満であり、そのバンド幅は3GHz以上である。超広帯
域システムは、高密度のマルチパスで、おそらく遮蔽の
ある環境での短距離の移動体による無線通信に適してい
る。ベースステーションが複数の遠隔受信機へデータ送
信する場合、ベースステーションは各遠隔受信機がそれ
ぞれ対応のパルス列だけ受信するように、異なるパルス
列を送信しなければならない。例えばベースステーショ
ンは、モノサイクルと呼ばれる基準パルスの時間的な位
置をパルス位置変調(PPM)で変調し、同じコードが割
り当てられた受信機のみが解読できるよう、各パルス列
を符号化する。
パルス列を識別させる従来の方法では、マルチユーザベ
ースステーションはデータを順次、つまりパルスを1つ
ずつ順番に送信する必要がある。順次送信しないと、パ
ルス間の干渉によって遠隔受信機における正確な受信が
妨げられる。従って、遠隔受信機の数が増すにつれ符号
化スキームは更に複雑になり、ユーザ1人当たりのデー
タレートが低下する。
ユーザの数を増やすことが可能な無線インパルス・シス
テムを提供することを目的とする。
め、本発明による無線インパルス送信機は、複数の受信
機にパルス列を送信する。各受信機には複数の直交(or
thogonal)パルス形状のうち、2つが割り当てられてい
る。各受信機に割り当てられた当該2つのパルス形状
は、対応する受信機に対しそれぞれ0又は1を示す。本
発明の送信機は、パルス選択器と、パルス供給器と、送
信ユニットとを備える。パルス選択器は、入力データス
トリームのシンボルに対応するパルス形状を、複数の直
交パルス形状の中から選択する。パルス供給器はパルス
選択器によって選択されたパルス形状のパルスを供給す
る。送信ユニットはパルス供給器によって供給されたパ
ルスをパルス列で送信する。ここで、異なる受信機に割
り当てられたパルス形状のパルスは同時に送信される。
給されるパルスは直交であるので、干渉を生じさせるこ
となく複数のパルスの送受信を同時に行うことができ
る。その結果、チャンネルのビットレートを下げること
なく、ユーザ受信機の数を増やすことができる。
値関数gm(t)及び gn(t)は、次の時に直交する。
状を供給するのが好ましい。全てのパルスが同じパルス
幅及び周波数帯を有すれば、送信プロセスが非常に簡易
化される。
づくパルス形状を供給するのが好ましい。エルミート多
項式は次の様に変形されて直交となる。
全てのn値において等しい。つまり、パルスの時間は、
パルスのオーダーと関係なく決まる。図7に示す例で
は、パルス持続時間は+/−6nsと定義される。図1
6に示すように、図7の全パルス、つまりn=0...
8のパルスの場合、エネルギーの95%以上がパルス時
間に収まる。
されても変わらない。微分処理はアンテナでの現象に例
えられることが多い。
に増すことはない。
に関係なく、つまり全ての値nについて、ほぼ同じであ
る。これは無線システムでは重要である。パルス幅を所
定の幅に収めることで、周波数を所定バンド内に収める
ことができるためである。
含まない。
機アンテナの微分効果とは関係なく維持される。
に制御することができる。比帯域幅は、広帯域アンテナ
アレイの設計時に重要で、通常、高周波数と低周波数の
比率は2又は3程度である。
項式に基づくパルス形状を供給するのが好ましい。この
構成では、送信されたパルス列の全てのパルスは、ほぼ
同一の高さ及び等しいエネルギーを有するため、全パル
スの送信コストが等しくなる。
ユニットと相関器とを備える。受信ユニットは、2つの
異なる直交パルス形状のいずれかのパルスを含むデータ
ストリームを受信する。相関器は、受信ユニットで受信
されたデータストリーム中のパルスのパルス形状とシン
ボルとの対応を識別する。相関器はまた、受信されたデ
ータストリーム中のパルス形状に対応するシンボルを出
力する。この構成では本発明の送信機により得られるの
と同じ効果が得られる。
同期ユニットは、互いに直交するパルス形状を有するパ
ルスを複数の遠隔送信機から同時に受信できるように、
受信ユニットにおける受信タイミングと複数の遠隔送信
機からの送信とを同期させる。直交パルスを同時に受信
できるので、受信機の受信速度が大幅に向上する。
パルス列を送信する方法は、受信機に2対1で対応する
よう、受信機に2つずつ割り当てられ、対応の受信機に
対して0又は1を示す複数の直交パルス形状の中から、
入力データストリームのシンボルに対応するパルス形状
を選択するステップと、選択されたパルス形状のパルス
を供給するステップと、供給されたパルスを、異なる受
信機に割り当てられたパルス形状のパルスが同時に送信
されるようなパルス列として送信するステップとを備え
る。この方法では、本発明の送信機及び受信機と同様の
効果が得られる。
超広帯域(UWB)通信システムについて、添付の図面を
参照して説明する。本発明によれば、超広帯域通信シス
テムとは、25%より大きい比帯域幅Bfを有するシス
テムをいう。比帯域幅Bfは次のように定義される。 ここで、Bは信号帯域幅、fc は中心周波数、fh は信号
スペクトルの高周波側3dBポイント、fl は信号スペ
クトルの低周波側3dBポイントである。
ついて、図1乃至図4を参照して説明する。図1に示す
ように、第1の実施の形態によるシステムは無線超広域
帯インパルス送信機1と、4つの遠隔受信機100A乃
至100Dとを備える。本実施の形態では、送信機1は
マルチユーザ・ベースステーションであり、受信機10
0A乃至100Dは移動端末である。送信機1は互いに
直交する異なる8つのパルス形状を送信することができ
る。8つのパルス形状はシンボル番号1乃至8に対応す
る。受信機100A乃至100Dには、それぞれ当該8
つのパルス形状(シンボル番号)の内の2つのパルス形
状が割り当てられており、これによって2値チャンネ
ル、つまり0又は1を表す。本例では受信機100Aに
はシンボル番号1及び2が、受信機100Bにはシンボ
ル番号3及び4が、受信機100Cにはシンボル番号5
及び6が、受信機100Dにはシンボル番号7及び8
が、それぞれ割り当てられている。このような関係をま
とめると次のようになる。
に1対1で対応するパルス列生成器5a乃至5dを備え
る。送信機1は更に基準パルス選択器30a乃至30d
に接続されたパルス結合器90と、パルス結合器90に
接続された送信ユニット80とを備える。
一なので、ここではパルス列生成器5aの構成を例に説
明する。図2に示すように、パルス列生成器5aは入力
ユニット10aと、直交パルス・セレクタ20aと、パ
ルス選択器30aとを備える。直交パルス・セレクタ2
0aは入力ユニット10aから受信された2値データス
トリームに含まれるどのビットにどのシンボルが対応す
るか判断し、シンボル番号を基準パルス供給器30aへ
出力する。図2の例では、入力ユニット10aはデータ
ストリームとしてビット“0110”を直交パルス・セ
レクタ20aへ提供し、直交パルス・セレクタ20aは
対応のシンボル番号“1,2,2,1”を基準パルス供
給器30aへ出力する。直交パルス・セレクタ20aは
シンボル番号を、関数(n + 1/2)と利得 を乗じて得られた値で出力する。これは、パルス振幅を
正規化するためである。ここで、nはパルスのオーダー
を指し、本例では1または2の値を取る。
レクタ20aからの選択に基づきアナログパルス形状を
生成する。つまり、基準パルス供給器30aは入力シン
ボル番号に対応した異なるパルス形状のセットを生成す
る。異なるパルス形状は互いに直交しており、略同一パ
ルス幅を有する。本実施の形態によれば、基準パルス供
給器30aは、変形・正規化エルミート多項式に基づく
パルス形状を供給する。これらのパルス形状は下記のよ
うに直交する。
られる。 これらの関係は次の式で表される。
に、エルミート多項式を満たす微分方程式は次のように
なる。
上、a < x < bの範囲内で定義される2つの実値関数g
m(t)及び gn(t)は、次の条件が満たされた場合に直交と
なる。
は、セットの関数の直交セットと呼ばれる。(gm ・
gm)の正平方根はgm(t)のノルムと呼ばれ、 で示される。つまり、
て を満たす。
に変形される。
微分方程式を満たしていることが分かる。
(10)、(11)、(12)は次にように書き換えら
れる。
より高次の変換は次の様に求められることが分かる。
は、時間関数は任意移相正弦曲線を乗じて変形される。
従って変調された変形・正規化エルミート多項式(MM
NHP)は次の様に定義される。
∞、 φr はゼロと成り得る任意位相である。
パルスは、次の特徴を有する。 1.パルス持続時間は全てのn値について実際に同一で
ある。 2.パルス帯域幅は全てのn値についてほぼ同一であ
る。これは無線システムでは重要である。パルス幅を特
定の幅領域内に納めれば、周波数を特定のバンドに収め
ることができるためである。 3.比帯域幅は中心周波数fcにより容易に制御でき
る。 4.パルスは相互に直交である。 5.パルスはDC成分を含まない。 6.送信機アンテナと受信機アンテナの微分効果にかか
わらず、パルスの直交性は維持される。
給器30aは、パルス列生成器31と加算器32と、2
つの積分器33,34と、パルス幅制御器35と、パル
ス・オーダー選択器36とを有する。図4に、基準パル
ス供給器30aの各構成要素の数学的機能を示す。
あり、パルス間の基準時間ユニットを示すパルス繰返し
要素(PRF)を提供する。本実施の形態によると、パ
ルス列は、パルスの擬似雑音(PN)系列であり、通常
のパルス列における特定の周波数スパイク(spike)を
回避できる。
単安定ジェネレータである。
である。
利得Gによりパルス幅PW及びパルスの帯域幅が決定さ
れるので、利得Gは重要である。
・セレクタ20aからの入力に応じてパルスのオーダー
を決定する。パルス・オーダー選択器36は、直交パル
スセレクタ20aからの値に積分器34からの戻り値を
乗じる。加算器32はパルス・オーダー選択器36から
の積にパルス幅制御器35の出力を加算する。
により生成されたパルスのパルス列を無線通信で実際に
送信するための広帯域アンテナ82とパワー増幅器81
とを備える。
a乃至5dからのパルス列を結合し、送信機80がそれ
を無線チャンネルを介して送信する。
状がそれぞれ2つずつの割り当てられている点を除き、
入来信号を復調するための略同一の構成を有する。ここ
では受信機100Aを例に説明する。図5に示すよう
に、受信機100Aは受信ユニット101と、タイミン
グ制御回路140と、基準パルス供給器150と、相関
器160と、直交―デジタルデータ選択器170と、出
力ユニット180とを備える。受信ユニット101はア
ンテナ110と、フィルタ120と、増幅器130とを
備える。
号はフィルタ120にかけられ、増幅器130により増
幅される。対応するシンボルを識別するために、相関器
160は基準パルス供給器150からの複数の直交パル
ス形状と各入来パルスとの類似性の相関をとる。直交パ
ルスが使用されているので、パルス間の相互相関はゼロ
である。従って、相関器160は、異なるパルス間の識
別を正しく行うことができる。相関器160は送信機と
受信機間での飛行時間における違い(例えば送信機と受
信機が移動した時)を可能にするため、及びPPMとP
Nのコードタイミングの変化の算入を可能にするため
に、タイミング制御回路140によって変形されたタイ
ミングで相関処理を行う。
00Dは全て、システムに割り当てられた異なる直交パ
ルス形状を全て復調することができる。これにより、一
部の受信機だけが使用されているときにはM-ary変調ス
キームを応用することができる。つまり、一部の受信機
だけが使用されているときは、送信機1と作動中の受信
機は、作動中の各受信機に2つ以上のパルス形状を割り
当てる。ここで、各パルス形状はマルチビットシンボル
に対応している。例えば、受信機100Aと100Bの
みが作動している場合、受信機100Aと100Bには
それぞれ4つのシンボル番号(パルス形状)が割り当て
られ、下記の方法により4-ary変調スキームが作成され
る。
ルス列生成器5a’を示す。パルス列生成器5a’は、
第1の実施の形態によるパルス列生成器5aの入力ユニ
ット10aと、直交パルス・セレクタ20aと、基準パ
ルス供給器30aに加え、システムの効果を向上させる
ために更に変調器40と,タイミング回路制御器50
と、振幅制御器60と、フィルタ70とを備える。変調
器40はミキサ41と正弦波発生器42を備える。
数領域へでも移動できるように、基準パルス供給器30
aからのパルス列に対し正弦変調を行う。これは、政府
規制への対応や周波数ホッピングの実行を容易にする。
調(PPM)を行い、データレートを上げる。レベル或
いは時間の選択決定には、直交パルス・セレクタ20a
からの情報が利用される。上述のように受信機100A
及び100Bのみが作動中の場合、タイミング回路制御
器50は2パルス位置変調を、基準パルス供給器30a
と直交パルス・セレクタ20aの4-aryパルス形状変調
に応用して、データストリームを次のように符号化す
る。
ト)を示し、1は他の位置(正方向へのシフト)を示
す。
M)を行う。直交パルスセレクタ20aからの情報はレ
ベル或いは時間の選択決定に利用される。
に応じて、バンド外ノイズを更に削除する。
有する)送信機用の受信機には、図5に点線で示すよう
な復調器145と振幅相関器155が必要である。
変形・正規化エルミート・パルスの時間領域と、これら
パルスの自己相関を示す。
3,4,5の、ユニット・エネルギーへ正規化された変
形・正規化エルミート・パルスの時間応答を示す。
6,7,8の、ユニット・エネルギーへ正規化された変
形エルミート・パルスの時間応答を示す。
ミュレーションをいくつか行った。図11乃至図14に
その結果を示す。
時間に異なる4人のユーザに対し2つの異なる直交変形
エルミートパルスを送信した結果得られるシンボル誤り
率(SER)とビット誤り率(BER)の比率(SER
/BER)を示す。複数のパルスがほぼ同時期に発信さ
れてオーバーラップし、干渉が生じることがあった。オ
ーバーラップが大き過ぎると、受信エラー生じた。完全
に同じタイミングで異なるユーザへ同じパルスが送信さ
れると、得られるBERはより一層大きくなると予想で
きる。このような場合にはパルス同士は必ず干渉するた
めである。
に8つの異なる直交変形エルミートパルス形状を送信し
たときのシンボル誤り率を示す。送信タイミングは任意
であるため、図11に示す例と同様に、パルス同士がほ
ぼ同時期に送信されオーバーラップし、干渉が生じるこ
とがあった。しかしながら、各パルスはそれぞれ固有の
形を有するため、パルスが正確に受信される周期は、図
11の例よりも高かった。
つの異なるエルミート(直交)パルス(計8つのパル
ス)を割り当てた。つまり、オーダー1及び2のパルス
を第1ユーザに、オーダー3と4のパルスを2ユーザ
に、オーダー5と6のパルスを3ユーザに、オーダー7
と8のパルスを第4のユーザに割り当てた。各パルスセ
ットの片方のパルスは他のパルスと同時に送信され、こ
れらのパルスはあたかも単一のベースステーションから
送信されたかのように完璧に並んだ。これらのパルスは
全て直交であるため、受信時にこれらのパルスが干渉し
合うことはなく、良好な受信パフォーマンスが得られ
た。パフォーマンスは図14に示す単一ユーザの場合と
同じである。図14において、単一のユーザへの送信に
2つの異なるエルミート(直交)パルスが使用された。
4つの異なるケースを示す。つまり、オーダー1と2の
パルス、オーダー3と4のパルス、オーダー5と6のパ
ルス、オーダー7と8のパルス。各パルスセットの結果
は同じであった。
一様分布ランダム・タイミング・ジッター[−Δ、+
Δ]の加算効果を示す。タイミングジッターには、パル
ス幅の<1%(丸印)、<2.5%(星印)、<5%
(四角)が加算された。パルス幅の割合を用いているの
は、必要とされる帯域幅の広さに応じてUWBシステム
におけるパルス幅が非常に異なるためである。パルス幅
の割合を特定することで、実際には非常に異なる絶対タ
イミングジッターが10nsであるか0.1nsである
かに関わらず、同一の結果を得ることができる。
がパルス幅の2%未満のとき、タイミングジッターの影
響はほとんどなく、1dB以下である。タイミングジッ
ターがパルス幅の5%より大きいと、特にパルスのオー
ダーが高いものについて誤り率は大きくなり、4dB以
上である。このような増加は、高いパルスオーダーに見
られる、より多くの振動が原因で起こる。これによっ
て、実際の通信システムで使用できる変形エルミートパ
ルスの数が実際に制限される。
説明してきたが、添付の請求の範囲および本発明の思想
から逸脱しない範囲で様々な変更や改良がおこなえるこ
とは当業者には明らかである。
給器が異なるパルス形状を生成したが、異なるパルス形
状を記憶するメモリをパルス形状の供給器として利用す
ることもできる。
器50はパルス位置変調(PPM)を行った。しかしな
がらタイミング回路制御器50はパルス位置変調(PP
M)に代えて或いはパルス位置変調(PPM)に加え
て、擬似ノイズ(PN)コード分割を行っても良い。
して変形エルミートパルスを使用したが、他の異なるパ
ルス形状、例えば直交ウェーブレットパルス等を使用す
ることもできる。また、パルス幅が略同一のものであれ
ば、どのようなパルス形状のセットでも使用できる。
テムの概要を示すブロック図。
成を示すブロック図。
成を示すブロック図。
示すブロック図。
図。
器を示すブロック図。
規化エルミートパルスの時間応答を示すグラフ。
ルミートパルスの自己相関を示すグラフ。
ト・エネルギーへ正規化された変形・正規化エルミート
・パルスの時間応答を示すグラフ。
ット・エネルギーへ正規化された変形エルミート・パル
スの時間応答を示すグラフ。
を表すのに2つの異なる変形エルミートパルスが使用さ
れたときに得られるシンボル誤り率とビット誤り率の比
率(SER/BER)を示すグラフ。
に異なる時間に2つのパルス形状を送信したときに得ら
れるシンボル誤り率を示すグラフ。
人のユーザのそれぞれに割り当てられている様子を示す
グラフ。
交)パルスが4人のユーザのそれぞれに割り当てられて
いるが、パルスは同時に送信される様子を示すグラフ。
ダムタイミングジッター[−Δ、+Δ]の加算効果を示
すグラフ。
n=0...8のパルスの場合、エネルギーの95%が
パルス持続時間に収められている様子を示すグラフ。
Claims (12)
- 【請求項1】 複数の受信機にパルス列を送信する無線
インパルス送信機であって、 受信機と2対1で対応するよう、各受信機に2つずつ割
り当てられ、対応の受信機に対してそれぞれ0又は1を
示す複数の直交パルス形状の中から、入力データストリ
ームのシンボルに対応するパルス形状を選択するパルス
選択器と、 上記パルス選択器が選択したパルス形状のパルスを供給
するパルス供給器と、 上記パルス供給器が供給するパルスを、異なる受信機に
割り当てられたパルス形状のパルスが同時に送信される
ようなパルス列として送信する送信ユニットとを備えた
ことを特徴とする無線インパルス送信機。 - 【請求項2】 パルス供給器はパルス幅が同一のパルス
形状を供給することを特徴とする請求項1記載の無線イ
ンパルス送信機。 - 【請求項3】 パルス供給器は変形エルミート多項式に
基づくパルス形状を供給することを特徴とする請求項1
記載の無線インパルス送信機。 - 【請求項4】 パルス供給器は変形・正規化エルミート
多項式に基づくパルス形状を供給することを特徴とする
請求項3記載の無線インパルス送信機。 - 【請求項5】 2つの異なる直交パルス形状のいずれの
パルスを含むデータストリームを受信する受信ユニット
と、 上記受信ユニットが受信したデータストリーム中のパル
スのパルス形状とシンボルとの対応を識別し、受信され
たデータストリーム中のパルス形状に対応するシンボル
を出力する相関器とを備えることを特徴とする無線イン
パルス受信機。 - 【請求項6】 相互に直交するパルス形状のパルスを複
数の遠隔送信機から同時に受信するように、受信ユニッ
トにおける受信タイミングと複数の遠隔送信機からの送
信とを同期させる同期ユニットを更に備えることを特徴
とする請求項5に記載の無線インパルス受信機。 - 【請求項7】 パルス供給器は変形エルミート多項式に
基づくパルス形状を供給することを特徴とする請求項5
記載の無線インパルス受信機。 - 【請求項8】 パルス供給器は変形・正規化エルミート
多項式に基づくパルス形状を供給することを特徴とする
請求項7記載の無線インパルス受信機。 - 【請求項9】 複数の受信機に無線送信でパルス列を送
信する方法であって、 受信機と2対1で対応するよう、各受信機に2つずつ割
り当てられ、対応の受信機に対して0又は1を示す複数
の直交パルス形状の中から、入力データストリームのシ
ンボルに対応するパルス形状を選択するステップと、 選択されたパルス形状のパルスを供給するステップと、 供給されたパルスを、異なる受信機に割り当てられたパ
ルス形状のパルスが同時に送信されるようなパルス列と
して送信するステップとを備えることを特徴とする方
法。 - 【請求項10】 同じパルス幅のパルス形状が供給され
ることを特徴とする請求項9記載の方法。 - 【請求項11】 変形エルミート多項式に基づくパルス
形状が供給されることを特徴とする請求項9記載の方
法。 - 【請求項12】 変形・正規化エルミート多項式に基づ
くパルス形状が供給されることを特徴とする請求項11
記載の方法。
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