JP2005184812A - 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法および受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数拡散に固有の雑音増大を周波数ダイバーシティにおける所望の利得の量とトレードオフすることができる方法及び装置を提供する。
【解決手段】方法およびシステムは、直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する。 超広帯域チャネルによって、トーンを受信する。トーンは、拡散および変調される単一の周波数インタリーブされた入力シンボルから生成されたものである。受信されたトーンを逆拡散し、単一の入力シンボルを回復するために、逆拡散された複数のトーンに対し周波数逆インタリーブを適用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、包括的には無線通信システムに関し、特に、直交周波数分割多重を使用する超広帯域通信システムに関する。

米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）による２００２年２月１４日の「First Report and Order」の発表に伴い、超広帯域（ultra wide bandwidth)(ＵＷＢ）通信システムへの関心が高まってきた。パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）を統括するＩＥＥＥ８０２．１５規格機関(organization)は、ＵＷＢに基づいて高データレート物理層を標準化するためにタスクグループＴＧ３ａを設立した。

ＵＷＢ通信システムは、少なくとも５００ＭＨｚの広帯域幅で情報を拡散する。この拡散操作により、電力スペクトル密度、ひいては既存の狭帯域受信機に対する干渉が小さい。その理由で、Report and Orderは、無免許のＵＷＢ送信の制限的な使用を認める。

ＰＡＮにおいて近距離にわたる非常に高データレートの送信にＵＷＢ通信を適用することができる。これらの可能性を認識することにより、ＩＥＥＥは、１１０メガビット／秒、２００メガビット／秒および４８０メガビット／秒のデータレートでのＵＷＢ通信に対し物理層規格を定義するために、標準化団体(body)、ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａを設立した。

従来、ＵＷＢシステムは、主としてインパルス無線を考慮する。より最近では、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）の時間・周波数インタリービングとの組合せが検討されている。そこでは、利用可能なスペクトルがいくつかのサブバンドに分割され、それらは各々、ＦＣＣがＵＷＢ信号を構成するために許可する最小帯域幅である５００ＭＨｚという適当な帯域幅を有する。

或る瞬間の間、情報は単一のかかるサブバンドで送信され、そのサブバンドは時間の経過によって変化する。各サブバンド内では、ＯＦＤＭ変調フォーマットが使用される。本質的に、ＯＦＤＭは、利用可能なスペクトルを複数の「トーン」に分割し、そこでは各トーンは、周波数フラットな伝達関数に従って生成される。これにより、受信信号の等化が大幅に簡略化される。それは、受信信号をトーン毎に等化することができるためである。

通常の従来技術による送受信機、たとえば４８０メガビット／秒モードで動作する送受信機では、ソースからの入力データは、スクランブル処理後、３／４のレートでコンパチブルパンクチャド畳み込み符号を使用して符号化される。そして、その結果としてのビットは、異なるビットに属する情報が５００ＭＨｚの異なるサブバンドで送信されるように、インタリーブされる。その後、それらビットは、コンスタレーションマッピング、たとえば１つの四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）送信シンボルからもたらされる２つのビットを使用して、複雑なシンボルに割り当てられる。そして、その結果としてのビットストリームは、直並列変換される。

１００個のトーンのブロックが形成され、ガードトーンとパイロットトーンとが追加されることにより、１２８個のトーンのブロックになる。このブロックは、高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）に入力される。並直列変換後、サイクリックプレフィックス、ゼロプリアンブルまたはゼロポストアンブルが追加される。

そして、その結果としての変調信号は、時間変化する局部発振器信号と混合することによりアップコンバートされる。各送信されたＯＦＤＭブロックに対し、異なる発振器が使用される。異なる発振器の周波数は、およそ５００ＭＨｚの倍数によってオフセットされる。異なる局部発振器を、すべてマスタ発振器から導出することができる。

この信号は、雑音の追加とともに線形歪みをもたらす恐らくは周波数選択性無線チャネルによって送信される。

受信機では、送信機の動作の順序が逆になる。低雑音増幅、Ｉ／Ｑチャネル分離、ベースバンドおよびローパスフィルタリングへのダウンコンバージョンを含む従来のフロントエンド動作後、Ｉ／Ｑ信号成分がデジタル化される。Ａ／Ｄ変換後、受信機のデジタル部が、サンプルに対して作用する。

まず、各ＯＦＤＭシンボルからプレフィックス／ポストフィックスサンプルが取り除かれ、残りのサンプルがサイズ１２８の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ブロックに渡される。ＦＦＴブロックの出力は、パイロットトーンおよびガードトーンを含む。パイロットトーンのシンボルは、同期化追跡とともにチャネル推定に使用される。ガードトーンは破棄される。

パイロットトーンおよびガードトーンを処理した後、残りの１００のトーンは、オリジナルデータを取得するために、逆インタリーブされビタビ復号器とデスクランブラとに渡される。

主な不都合として、従来技術によるＯＦＤＭは、チャネルの固有の周波数ダイバーシティを活用しない。シンボルが、フェージングを受けやすいトーンで送信される場合、そのシンボルは、受信機においてＳＮＲが低くなる。信号が強力に符号化される場合、シンボルによりエラーが検出される確率は低い。これはまた、異なるように解釈することができる。任意の誤り訂正符号により、複数のトーンにわたり元のデータが拡散されることになる。言い換えれば、異なるトーンでの送信シンボルのうちのいくつかは、単一データビットに関する情報を含む。このため、符号化ＯＦＤＭ送信は、フェージングに関して頑強である。しかしながら、冗長性の低い高符号レートの場合、性能が劣化する。

これらの問題を軽減することが望ましい。

本発明は、時間・周波数インタリービングと結合された直交周波数分割多重変調を使用する超広帯域（ＵＷＢ）通信システムにおいて、周波数インタリービングと、トーンのグループ化と、周波数ダイバーシティを増大させる、異なる周波数にわたるトーンの拡散と、を使用する。

利用可能なすべてのトーンにわたって情報ビットを拡散することにより、周波数ダイバーシティが大幅に増大する。本発明により、周波数拡散に固有の雑音増大を周波数ダイバーシティにおける所望の利得の量とトレードオフすることができる。

特に、方法およびシステムは、直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する。

トーンを、超広帯域チャネルによって受信する。それらトーンは、拡散および変調される単一の周波数インタリーブされた入力シンボルから生成されたものである。

受信されたトーンを逆拡散し、その逆拡散されたトーンに対して周波数逆インタリービングを適用することにより単一の入力シンボルを回復する。

直交周波数分割多重変調を使用する本発明による超広帯域（ＵＷＢ）送受信機は、トーンのグループにわたって情報を拡散する。この符号分割多重アクセス技法は、時間・周波数インタリービングを伴うＵＷＢ送受信機では一度も使用されていなかった。

Ｎ個のトーンにわたって四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）シンボルの形態の情報を拡散するために、Ｎ個の双直交（bi-orthogonal）ベクトルの２つのセットａ_ｉ、ｂ_ｊを使用する。これは、各シンボルがＮ個のトーンによって送信されることを意味する。従来技術では、各シンボルは１つのトーンのみによって送信される。これらベクトルを、マトリクス形式に配置する。

双直交とは、内積ａ_ｉ×ｂ_ｊがδ_ｉｊに等しいことを意味し、δはクロネッカーデルタ値である。なお、ベクトルのすべてが互いに直交する必要はない、ということに留意すべきである。しかしながら、多くの双直交系列、特に既知のウォルシュ・アダマール（Walsh-Hadamard）ベクトルの場合、各ベクトルａ_ｉはベクトルｂ_ｊに等しい。したがって、拡散操作を、マトリクス・ベクトル積として実施してもよい。すなわち、Ｎ個のシンボルのベクトルを、Ｎ×Ｎウォルシュ・アダマールマトリクスによって乗算する。

アダマール順序（Hadamard order）のウォルシュ・アダマール変換（ＷＨＴ_ｈ）を、次のように定義する。

これらは、順方向および逆方向ＷＨＴ_ｈ変換対であり、ここで

および

は、それぞれ信号およびスペクトルベクトルである。４×４ウォルシュ・アダマールマトリクスの順序付け例を図５に示す。

本発明が作用するために、双直交性は不要である。マッピングに対し送信ベクトルの任意の線形独立したセットを使用してもよい。しかしながら、双直交ベクトルが送信ベクトルに対応する場合、受信機における復号化はより単純になる。

送信機構造および動作
図１は、本発明によるマルチキャリアＯＦＤＭ送信機を示す。本発明による送信機では、ＯＦＤＭシンボルを、各シンボルをマトリクスに配置されたウォルシュ・アダマール系列を用いて乗算することにより複数のトーンに拡散する。

送信機１００は、入力としてＱＰＳＫシンボル１０１を取得する。それらシンボルを、直並列変換する１１０。シンボルを、周波数インタリーブする１２０。マトリクス１３１を構成する。マトリクスの各行は、個々のウォルシュ・アダマール系列に対応する。

周波数インタリーブされたＱＰＳＫシンボルを、サイズＮのブロックにグループ化する。すなわち、ブロックは長さＮのベクトルである。各ブロックにおいてインタリーブされたシンボルを、ベクトル・マトリクス乗算演算を用いることによりＮ×Ｎウォルシュ・アダマールマトリクス１３１に従ってＮ個のトーンに拡散する１３０。

パイロットおよびガードトーンを追加し１４０、すべてのトーンに対し逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を行う１５０。その結果としてのトーンのすべてを並直列変換し１６０、周波数ホッピングを適用した１７０後、それら変調されたトーンをＵＷＢチャネル１０２によって送信する。

受信機構造および動作
図２に示すような受信機では、動作は本質的に逆の順序で進む。送信された信号をチャネル１０２によって受信し、周波数デホッピングし２１０、直並列変換する２２０。連続的なサンプルを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）２３０に渡す。ＦＦＴブロック２３０の出力を等化する２４０。この出力には、パイロットおよびガードトーンが含まれる。パイロットトーンで変調されたシンボルを、同期化追跡とともにチャネル推定に使用する。パイロットおよびガードトーンを除去する２５０。

次に、ＯＦＤＭブロックの等化およびトーン除去の後、受信ベクトル、すなわちトーンを、ウォルシュ・アダマールマトリクス１３１のベクトルｂ_ｊによって乗算することにより逆拡散する２６０。最後に、逆拡散されたシンボルを周波数逆インタリーブし２７０、並直列変換する２７０ことにより元のＱＳＰＫシンボル２０１を回復する。

各ＱＰＳＫシンボルを複数のトーンを用いて送信するため、トーンのすべてが個別にフェージングしている場合、Ｎまでの程度の周波数ダイバーシティが達成された。

なお、本発明による方法は雑音の量を増加させる可能性がある。すなわち、等化２４０、たとえばＭＭＳＥまたはゼロフォーシング（zero-forcing）により、弱いトーンにおいて雑音の量が増大し、逆拡散２６０操作によって、この雑音がすべての利用可能なトーン間に分散する。

トーンのグループ化
従来技術による拡散符号は、概して、Ｎに対し２のべき乗を使用する。すなわち、１つのシンボルが２つのトーンに拡散される。柔軟性を向上させるために、本発明は、２^ｋのべき乗（ｋは１より大きい整数）に従ってトーンをグループ化することを選ぶ。すべてのグループのトーンのすべての合計により、所望のトーンの数、たとえば１００がもたらされる。

それぞれ送信機１００および受信機２００について図３および図４に示すように、１００個のトーンを、３２（２^５）個のトーンの３つのグループと４（２^２）個のトーンの１つのグループとにグループ化することができる。４個のトーンは、３２個のトーンのグループの両側、たとえばトーン０、３３、６６および９９にある。そして、グループの各々を、別々に拡散する１３０。

トーンのグループ化によって提供される柔軟性は、本明細書で説明する受信機に対して特に重要である。トーンのうちのいくつかは、搬送波位相を追跡するために使用されるパイロットトーンである。これらのトーンを、拡散するべきではない。さらに、他よりＳＮＩＲが低いガードトーンもまた、拡散するべきではない。このため、本発明によるグループ化により、ウォルシュ・アダマール系列等のいくつかのタイプの拡散系列を使用する場合、扱われるトーンの数の柔軟性が増大する。

本発明は、多くの異なる可能なトーンのグループ化を使用することができる。たとえば、Ｍ個の連続したトーンを１つのグループとして割り当ててもよい。別法として、インタリーブされたトーンをグループ化してもよく、すなわち、トーン１、４、７、１０、・・・を１つのグループに割り当てて、トーン２、５、８、１１、・・・を別のグループに割り当ててもよい、等である。また、いかなる中間グループ化またはグループ化の混合を使用してもよい。

特定のグループ化の選択は、チャネルの構成によって決まる。拡散により、システムの周波数ダイバーシティが増大し、雑音の増大により平均ＳＮＲが低下する。所望のビット誤り率とともにチャネルコンスタレーションに応じて、特定のグループ化により、ダイバーシティ利得とＳＮＲとの間の最適なトレードオフをもたらすことができる。

トーンのグループ化は、瞬間的なまたは平均的なチャネル状態に基づいて適応可能であってもよい、ということを理解すべきである。

本発明を、好ましい実施の形態の例として説明したが、本発明の精神および範囲内でさまざまな他の適応および変更を行うことができる、ということを理解すべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内にあるかかるすべての変形および変更を包含することである。

本発明によるＵＷＢ送信機のブロック図である。 本発明によるＵＷＢ受信機のブロック図である。 本発明による受信機におけるトーンのグループの拡散のブロック図である。 本発明による送信機におけるトーンのグループの逆拡散のブロック図である。 本発明によって使用するウォルシュ・アダマール順序付けのブロック図である。

Claims (15)

1. 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法であって、
   超広帯域チャネルによって送信される、拡散および変調される単一の周波数インタリーブされた入力シンボルから生成される複数のトーンを受信すること、
   前記受信された複数の送信トーンを逆拡散すること、
   前記単一の入力シンボルを回復するために、前記逆拡散された複数のトーンを周波数逆インタリーブすること
   を含む直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する方法。
2. 前記変調は、直交周波数分割多重を使用する、請求項１に記載の方法。
3. 前記シンボルを、複数の双直交ベクトルにより乗算することによって逆拡散し、各トーンに対し１つのベクトルがある、請求項１に記載の方法。
4. 前記双直交ベクトルは、ウォルシュ・アダマールベクトルである、請求項３に記載の方法。
5. 前記双直交ベクトルを、マトリクスに配置し、その際、該マトリクスの各行が該双直交ベクトルのうちの１つであるようにする、請求項３に記載の方法。
6. 前記乗算するステップは、ベクトル・マトリクス乗算演算である、請求項３に記載の方法。
7. 前記逆拡散するステップの前に前記複数のトーンからパイロットおよびガードトーンを除去すること
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記単一の入力シンボルは、ＱＳＰＫシンボルである、請求項１に記載の方法。
9. 前記トーンの数は２^ｋであり、ｋは１より大きい整数である、請求項１に記載の方法。
10. 前記複数のトーンは、複数のトーンのグループを含み、トーンの各グループを別々に逆拡散する、請求項１に記載の方法。
11. ３２個のトーンの３つのグループと４個のトーンの１つのグループとからなる１００個のトーンがある、請求項１０に記載の方法。
12. 前記グループ化は、瞬間的なチャネル状態に対して適応可能である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記グループ化は、平均的なチャネル状態に対して適応可能である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記マトリクスは、Ｎ個のベクトルのセットａ_ｉ、ｂ_ｊを含む、請求項５に記載の方法。
15. 直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する受信機であって、
    超広帯域チャネルによって送信される、拡散および変調される単一の周波数インタリーブされた入力シンボルから生成される複数のトーンを受信する手段と、
    前記受信された複数の送信トーンを逆拡散する手段と、
    前記単一の入力シンボルを回復するために、前記逆拡散された複数のトーンを周波数逆インタリーブする手段と
    を具備する直交周波数分割多重変調を使用して超広帯域信号を通信する受信機。

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