JP2005039815A - 周波数帯域変調方式の超広域通信方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】周波数バンドモジュレーションを利用した超広域無線通信方法及びシステムを提供する。
【解決手段】デジタルデータを所定のビット数単位でグルーピングし、各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数を持つサブバンドのＵＷＢ信号に変調する段階と、生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送する段階と、無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して所定の方法によってデジタルデータを復調する段階とを含む周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。デジタルデータを所定のビット数単位でグルーピングし、生成された各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数のサブバンドのＵＷＢ信号に変調して無線チャンネルに転送する送信機と、無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して所定の方法によってデジタルデータを復調する受信機とを含む周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
【選択図】図３

Description

本発明は超広域無線通信方法及びシステムに係り、より詳細には周波数バンドモジュレーションを利用した超広域無線通信方法及びシステムに関する。

最近無線通信技術の急速な発展と共に無線機器の普及は、人々の生活方式に多くの変化を与えているが、特に、別途の周波数資源の確保なしでも既存の無線通信サービスと共存して高速広帯域の無線通信を行える超広域（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ ｂａｎｄ：以下、“ＵＷＢ”）通信が、最近に活発に研究されつつある。

ＵＷＢは、短いパルスを利用してデータを送受信するものであって、非常に短いパルスを利用するために、周波数領域で観察すれば帯域幅が数ＧＨｚ程度に非常に広い。このようなＵＷＢ通信は、既存の通信と違ってキャリアを利用せずにデータを送受信するために低い電力を消耗し、かつ超広域を利用するために周波数領域で雑音レベル以下に検出されて他の機器に影響をほとんど与えずに使用できる長所がある。一方、ＵＷＢは、パルスのデューティサイクルが非常に小さいために転送速度が非常に速く、かつ多重接続が可能であり、多重経路による干渉影響を抑制できる長所もある。

ＵＷＢは、いろいろな分野に使われうるが、現在研究される主要な方向は、ほぼ数〜数十ｍ程度の領域での高速近距離通信方法に関する。ＵＷＢ通信方法は、高速データ送受信が可能なため、これを利用すればデジタルハイビジョン放送やＤＶＤなど超高画質映像をストリーミングデータとして転送可能になる。

現在ＵＷＢ通信のために提案されている信号変調方法は、ＵＷＢパルスの時間スロット上の位置変化を利用するパルス位置変調（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＰＭ）、パルスの大きさを利用するパルス振幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＡＭ）、二相偏移変調（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＢＰＳＫ）や四相偏移変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）のような位相偏移方式変調（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＰＳＫ）、及び直交周波数分割多重変調（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＯＦＤＭ）などがあり、これら方式を組合わせた方式、例えば、ＢＰＳＫとＰＰＭとを組合わせた方式がある。

このように多様に提案されている方式は、ノイズの影響をなるべく最小化しようとする試みと共に、転送しようとする情報の量をなるべく最大化しようとしている。しかし、前記の方式では、実際に転送しようとする情報の量が増加すれば信号の正確性が落ちる傾向がある。それだけでなく、極めて短いパルスを使用してパルスの位相差にデータ情報を載せて転送する時に、受信端でパルスの検出と位相情報獲得及び同期化作業をする必要があるが、現在技術では、それは容易ではない。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、少数のＵＷＢパルスで高いデータ転送率を達成できるＵＷＢ通信方法及びシステムを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明による周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法は、デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数を持つサブバンドのＵＷＢ信号に変調する段階と、前記生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送する段階と、無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して所定の方法によってデジタルデータを復調する段階とを含む。

前記変調段階は、デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、各ビットグループのマッピングされるサブバンドのＵＷＢ信号をビットグループの順序に合わせて生成する。
前記復調段階は、各サブバンド別に入力されるＵＷＢ信号を検出して、該当サブバンドにマッピングされるビットグループを生成し、前記生成されたビットグループを利用してデジタルデータを生成する。前記ビットグループの生成は、各サブバンドの帯域通過フィルタを通過したＵＷＢ信号のエネルギーをＵＷＢ信号長ほど積分した後、積分値が所定の大きさを超えたサブバンドにマッピングされるビットグループを生成する。

前記ビットグループを構成するビット数ｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］（ｍは有効サブバンドの数）であり、前記ｌｏｇ_２ｍは、自然数であることが望ましい。
前記目的を達成するために、本発明による周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システムは、デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、生成された各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数のサブバンドのＵＷＢ信号に変調して、無線チャンネルに転送する送信機と、無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して、所定の方法によってデジタルデータを復調する受信機とを含む。

前記送信機は、デジタルデータを入力される入力部と、相異なる中心周波数を持つサブバンドのＵＷＢ信号を生成するｍ個のＵＷＢ信号生成部と、前記デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングしてビットグループを生成し、各ビットグループにマッピングされるサブバンドのＵＷＢ信号生成部を活性化させるビットグループマッピング部、及び生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送するＲＦ送信部を含む。

前記受信機は、ｍ個の相異なる中心周波数を持つサブバンド信号ディテクター、及びサブバンド信号ディテクターに入力された信号にマッピングされるビットグループを生成し、生成されたビットグループを利用してデジタルデータを生成するビットグループマッピング部を含む。前記各ディテクターは、各サブバンドの周波数を通過させる帯域通過フィルタと、エネルギー検出部とを含む。
前記ビットグループを構成するビット数ｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］（ｍは有効サブバンドの数）であり、前記ｌｏｇ_２ｍは自然数であることが望ましい。

本発明によれば、マルチバンドのＵＷＢ通信方法でバンドの数に比例して高い情報転送率を達成できる。

以下、添付図面を参照して本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号の周波数ドメインで電力レベルを示す図面である。
各サブバンドはｆ１、ｆ２、ｆ３、及びｆ４の中心周波数を持つ。本発明ではｆ１の中心周波数を持つＵＷＢ信号は、Ｓ１というシンボルを持ち、同様にｆ２、ｆ３、及びｆ４の中心周波数を持つＵＷＢ信号は、それぞれＳ２、Ｓ３、及びＳ４を持つ。これを拡張して考えれば、ｍ個の中心周波数を持つサブバンドはｍ個のシンボルＳ１ないしＳｍを作りうる。各シンボルは、一つ以上のビットよりなる相異なるビットグループにマッピングされうる。前記のようにそれぞれのサブバンドを区別して情報を転送する変調方式を、周波数帯域変調（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂａｎｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；以下、“ＦＢＭ”）であると定義する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態によって、４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号の各サブバンドをビットグループにマッピングした例を示す図表である。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１のＵＷＢ信号のシンボルにビットグループをマッピングした一例である。まず図２Ａを参照すれば、Ｓ１シンボルは、“００”の２ビットよりなるビットグループをマッピングし、Ｓ２とＳ３及びＳ４は、それぞれ“０１”、“１０”、及び“１１”の２ビットよりなるビットグループをマッピングした。図２Ｂは、３ビット以上のビットよりなるビットグループとＳ１ないしＳ４シンボルとをマッピングした例を示す。各ビットグループを構成するビットのうち、終わりの２ビットでビットグループを区別する。したがって、終わりの２ビットが“００”の場合にはＳ１が、“０１”の場合にはＳ２が、“１０”の場合には“Ｓ３”が、“１１”の場合には“Ｓ４”がマッピングされる。例えば、“１１１１”という４ビットよりなるビットグループがあれば“Ｘ１１”で表示できるので、Ｓ４にマッピングされる。同様に“００１”という３ビットよりなるビットグループは、“Ｘ０１”で表示できるのでＳ２にマッピングされる。一方、一つのビットよりなるビットグループと各シンボルとをマッピングしようとすれば、Ｓ１とＳ２は“０”、Ｓ３とＳ４は“１”のビットを持つビットグループとマッピングできる。もちろんＳ１とＳ２及びＳ３は“０”で、Ｓ４は、“１”でマッピングすることもありうる。

本発明の技術的思想の核心は、相異なる中心周波数を持つＵＷＢ信号をシンボルに表現し、それを一つ以上のビットよりなるビットグループとマッピングして情報を伝達可能にすることである。望ましい実施形態において、ｎ個のビットよりなるビットグループはｍ個の相異なる中心周波数を持つＵＷＢ信号とマッピングされ、その関係は（式１）の通りである。
（式１）
ｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］（但し、ｍとｎは自然数）

仮に、ｌｏｇ_２ｍがｎより大きい場合にはｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］になるようにビットグループを構成することが望ましく、この時には２つ以上のシンボルが一つのビットグループにリダンダンシーを持つようにマッピングする。
一方、図２Ｂのようにｌｏｇ_２ｍがｎより小さな場合には、ＦＢＭだけではビットグループを構成するあらゆるビットを正確に表現できず、他の変調方法と結合されねばならない。ＢＰＳＫ方式のＵＷＢ通信方法とＦＢＭとを結合した場合を考えれば、サブバンドの数より２倍が多い相異なるビットグループを区別できる。すなわち、８つのサブバンドを持つＵＷＢ通信でＦＢＭ方式を利用すれば、一つのＵＷＢパルスを利用して３ビットの情報を伝達できるが、ＢＰＳＫ方式と結合すれば４ビットの情報を伝達できる。

したがって、本発明は、マルチバンドを使用するＵＷＢ通信方法のうちいかなる変調方式とも結合でき、この場合には該当変調方式による情報伝達のビット数とＦＢＭ方式による情報伝達のビット数とを合算しただけの情報を一つのＵＷＢパルスに伝達できる。
図３は、本発明の一実施形態によるＵＷＢ送信機及び受信機の構造を示すブロック図である。

まず、送信機１００は、外部からデジタルデータを入力されるインターフェースの役割をするデータ入力部１１０と、データ入力部１１０を通じて入力されるデジタルデータをビットグループにグルーピングするビットグループマッピング部１２０と、ビットグループマッピング部から出力されるビットグループによってそれにマッピングされるシンボルを持つＵＷＢ信号を生成するＵＷＢ信号生成部１３０、及び生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送するＲＦ送信部１４０を含む。ＵＷＢ信号生成部１３０の具現例については図４を通じて後述する。

受信機２００は、無線チャンネルを通じて入力されるＵＷＢ信号を受信するＲＦ受信部２４０と、前記ＲＦ受信部に受信されたＵＷＢ信号がいかなるサブバンドのＵＷＢ信号であるかを検出する信号ディテクター２３０と、信号ディテクター２３０から検出されたＵＷＢ信号のサブバンドに該当するビットグループを生成してデジタルデータを生成するビットグループマッピング部２２０、及びビットグループマッピング部から受けたデジタルデータを外部に出力するインターフェースの役割をするデータ出力部２１０を含む。信号ディテクターの具現例については図５を通じて後述する。

図４は、図３のＵＷＢ信号生成部の具現例を示すブロック図である。
信号生成部は、ｍ個の相異なる中心周波数を持つＵＷＢ信号を生成する周波数合成器１３４と、前記周波数合成器１３４で生成されるｍ個のＵＷＢ信号のうちいずれか一つの信号を選択して出力するマルチプレクサ１３２とを含む。

その動作を説明すれば次の通りである。デジタルデータがビットグループマッピング部１２０に入力されれば、ビットグループマッピング部１２０は、ｎ個のビット単位でデジタルデータをグルーピングする。ビットグループマッピング部１２０は、ビットストリーム形式のデジタルデータのうちｎビットが入力されれば、それをグルーピングしｎ個のビット（＝ｂ１ないしｂｎ）よりなる制御信号を前記マルチプレクサ１３２に送る。マルチプレクサ１３２は、制御信号によってそれに該当する中心周波数（＝ｆｉ）を持つＵＷＢ信号を出力する。一方、図４は、ＦＢＭ方式だけを利用するＵＷＢ通信方法について説明したものであって、ＢＰＳＫ方式と結合したＦＢＭ方式の場合に、ビットグループマッピング部１２０は、一つの制御信号、例えばｂｎは周波数合成器に送って周波数合成器で生成されるＵＷＢ信号の位相をｂｎビットによって０°または１８０°にすることができる。同様に、他のＵＷＢ変調方法と結合した場合にも、一部ビットは該当ＵＷＢ変調方法のために提供し、残りのビットはＦＢＭ方式のために使用する。

図５は、図３の信号ディテクターの具現例を示す機能ブロック図である。
信号ディテクター２３０は、特定の帯域の電磁気波を熱エネルギーに変換させるエネルギーディテクターを使用することが望ましい。本発明の望ましい実施形態においては、相異なる中心周波数を持つｍつのサブバンドを持つＵＷＢ信号を検出するために、ｍ個のエネルギーディテクターを使用する。信号ディテクター２３０は、それぞれのサブバンドのための帯域通過フィルタ２３２−１ないし２３２−ｍと、入力された信号を自乗する手段２３４−１ないし２３４−ｍと、一定の周期単位で自乗された信号を積分する積分器２３６−１ないし２３６−ｍと、一定の周期単位で前記積分器２３６−１ないし２３６−ｍのうちいかなる積分器の値が最も大きいかを判別する判別器２３８とを含む。例えば、Ｓ２のシンボルを持つＵＷＢ信号が入力されたとすれば、帯域通過フィルタ２３２−２には、中心周波数がｆ２のＵＷＢ信号が通過し、残りの帯域通過フィルタには、ノイズだけが通過する。通過した信号は、自乗されて積分器に入力される。積分器のうちノイズではないＵＷＢ信号が入力された積分器２３６−２の値が最も大きいはずなので、判別器２３８は、ｆ２の中心周波数を持つＵＷＢ信号が入力されたと判断する。次いで、判別器２３８は、ビットグループマッピング部２２０にＳ２のシンボルを持つＵＷＢ信号が入力されたと知らせ、ビットグループマッピング部２２０は、Ｓ２シンボルに該当するデジタルデータを出力する。

図６は、本発明の一実施形態によるＵＷＢ信号の送受信過程を示すフローチャートである。
まず、ビットストリームのデジタルデータが入力される（Ｓ１０）。入力されたデジタルデータは、ｍ個のビット単位でグルーピングされてビットグループとなる（Ｓ２０）。ビットグループの種類（＝シンボル）は、ビットグループを構成するビットによって決定されるが、入力されるビットグループの種類にマッピングされるＵＷＢ信号を生成する（Ｓ３０）。生成されたＵＷＢ信号は、無線チャンネルに送信される（Ｓ４０）。前記Ｓ１０ないしＳ４０の過程を通じてＦＢＭ方式のＵＷＢ信号が送信される。

受信端では、無線チャンネルを通じて転送されるＵＷＢ信号をアンテナを通じて受信する（Ｓ５０）。受信された信号は、いかなるサブバンドを持つＵＷＢ信号であるか判別され（Ｓ６０）、判別結果によるビットグループを生成する（Ｓ７０）。ビットグループは、デジタルデータに変換されて出力される（Ｓ８０）。

図７は、４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号を利用して実際データを転送する過程を説明するための図面である。
図７は、４つのサブバンドを持つＦＢＭ方式のＵＷＢ通信の例を示す図面であって、各中心周波数ｆ１ないしｆ４を持つＵＷＢ信号は、それぞれＳ１ないしＳ４のシンボルを持つ。ＵＷＢ信号により転送されるシンボルの順序は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ２であるが、仮に図２Ａと同じコードでシンボルをマッピングする場合であれば、図７のＵＷＢ信号により伝えられるビットグループは、“００”、“０１”、“１０”、“１０”、“００”、“１０”、“１１”、“０１”であり、したがって、伝えられるデジタルデータストリームは、“０００１１０１０００１０１１０１”となる。

本発明が属する技術分野の当業者であれば、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せずに、他の具体的な形態に実施されうるということを理解できよう。例えば、望ましい実施形態で、信号ディテクターの場合にエネルギー検出方法を使用することとしたが、従来の方法のように、ミキサーと信号のシンクを合わせるための手段及び積分器を使用して具現することもありうる。

したがって、以上で説明した実施形態はあらゆる面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。本発明の範囲は、詳細な説明よりは特許請求の範囲によって表され、特許請求の範囲の意味及び範囲そしてその等価概念から導出されるあらゆる変更または変形された形態が、本発明の範囲に含まれると解釈されねばならない。

本発明は、超広域無線通信分野、たとえば、デジタルハイビジョン放送やＤＶＤなど超高画質映像をストリーミングデータとして転送するのに適用できる。

４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号の周波数ドメインで電力レベルを示す図である。 本発明の一実施形態によって４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号の各サブバンドをビットグループにマッピングした例を示す表である。 本発明の一実施形態によって４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号の各サブバンドをビットグループにマッピングした例を示す表である。 本発明の一実施形態によるＵＷＢ送信機及び受信機の構造を示すブロック図である。 図３のＵＷＢ信号生成部の具現例を示すブロック図である。 図３の信号ディテクターの具現例を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態によるＵＷＢ信号の送受信過程を示すフローチャートである。 ４つのサブバンドを持つＵＷＢ信号を利用して実際データを転送する過程を説明するための図である。

符号の説明

１００…送信機
１１０…データ入力部
１２０…ビットグループマッピング部
１３０…ＵＷＢ信号生成部
１４０…ＲＦ送信部
２００…受信機
２１０…データ出力部
２２０…ビットグループマッピング部
２３０…信号ディテクター
２４０…ＲＦ受信部

Claims (12)

1. デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数を持つサブバンドのＵＷＢ信号に変調する段階と、
   前記生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送する段階と、
   無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して、所定の方法によってデジタルデータを復調する段階と
   を含む周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
2. 前記変調段階は、デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、各ビットグループのマッピングされるサブバンドのＵＷＢ信号をビットグループの順序に合わせて生成することを特徴とする請求項１に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
3. 前記復調段階は、各サブバンド別に入力されるＵＷＢ信号を検出して該当サブバンドにマッピングされるビットグループを生成し、前記生成されたビットグループを利用してデジタルデータを生成することを特徴とする請求項１に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
4. 前記ビットグループの生成は、各サブバンドの帯域通過フィルタを通過したＵＷＢ信号のエネルギーをＵＷＢ信号長だけ積分した後、積分値が所定の大きさを超えたサブバンドにマッピングされるビットグループを生成することを特徴とする請求項３に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
5. 前記ビットグループを構成するビット数ｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］（ｍは有効サブバンドの数）であることを特徴とする請求項１に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
6. 前記ｌｏｇ_２ｍは、自然数であることを特徴とする請求項５に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信方法。
7. デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングし、生成された各ビットグループの種類によってマッピングされるｍ個の相異なる中心周波数のサブバンドのＵＷＢ信号に変調して無線チャンネルに転送する送信機と、
   無線チャンネルに転送されるＵＷＢ信号を受信して、所定の方法によってデジタルデータを復調する受信機と
   を含む周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
8. 前記送信機は、デジタルデータを入力される入力部と、相異なる中心周波数を持つサブバンドのＵＷＢ信号を生成するｍ個のＵＷＢ信号生成部と、前記デジタルデータを所定のビット数（＝ｎ）単位でグルーピングしてビットグループを生成し、各ビットグループにマッピングされるサブバンドのＵＷＢ信号生成部を活性化させるビットグループマッピング部、及び生成されたＵＷＢ信号を無線チャンネルに転送するＲＦ送信部を含むことを特徴とする請求項７に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
9. 前記受信機は、ｍ個の相異なる中心周波数を持つサブバンド信号ディテクター、及びサブバンド信号ディテクターに入力された信号にマッピングされるビットグループを生成し、生成されたビットグループを利用してデジタルデータを生成するビットグループマッピング部を含むことを特徴とする請求項７に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
10. 前記各ディテクターは、各サブバンドの周波数を通過させる帯域通過フィルタと、エネルギー検出部とを含むことを特徴とする請求項９に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
11. 前記ビットグループを構成するビット数ｎ＝［ｌｏｇ_２ｍ］（ｍは有効サブバンドの数）であることを特徴とする請求項７に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
12. 前記ｌｏｇ_２ｍは、自然数であることを特徴とする請求項１１に記載の周波数帯域変調方式のＵＷＢ通信システム。
    
    

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